풍력발전기용 베어링의 종류와 성능평가 기술
한 승 호 동아대학교 기계공학과 교수 ㅣ e-mail : shhan85@dau.ac.kr
이 글에서는 풍력발전기에 적용되는 베어링의 종류와 특징을 설명하고, 이의 성능평가를 위한 기술과 시험설비 등을 소개한다.
최근 화석 에너지의 고갈과 환경오염 문제 때문에 친 환경 신재생 에너지 개발에 대한 필요성이 대두되고 있 다. 특히, 풍력 에너지원은 기술의 완성도 및 경제성 측 면에서 다른 신재생에너지원에 비해 우월하여 이에 대 한 활발한 연구가 진행되고 있다. 베어링은 풍력발전기 에서 가장 중요한 요소부품 중 하나로서 이의 파손은 발전기 성능에 치명적인 영향을 준다. 따라서 풍력발전 기의 사용조건을 충족하기 위하여 높은 신뢰성과 고효 율 및 고성능 확보를 위한 베어링 설계기술이 요구된 다. 현재 상용화되어 있는 2MW급 풍력발전기의 경우, 블레이드의 길이는 약 40m, 회전축의 높이가 약 100m, 총 중량은 200t 이상에 이르고 있어, 베어링도 필연적으 로 대형화되고 내경이 기종에 따라서는 2m 이상인 제 품이 요구되고 있다. 베어링이 사용되는 주요한 풍력발 전기 부품은 주축, 증속기용 기어박스, 발전기, 요 선회 테이블 및 블레이드 피치회전 시트 등이다.
주축 베어링은 블레이드 허브와 주축을 지지하고, 회 전토크를 기어박스로 전달하는 기능을 한다. 베어링에 가해지는 하중과 회전속도는 풍속의 변화에 따라 크게 변한다. 돌풍과 같이 급격히 풍속이 증가하는 경우 블 레이드 허브와 주축에 큰 하중과 모멘트가 유발되고, 이를 고스란히 주축 베어링이 받게 되고, 아울러 기어
그림 1풍력발전기에 적용되는 베어링(독일, eolotec 사)
그림 2베어링 파손사례: (a) Bearing Inner Race Micro-pitting, (b) Bearing Race Macro-pitting, (c) Bearing Roller Scuffing, (d) Bearing Inner Race Axial Cracks(미국, NREL CM Workshop 9/19/2011)
(a) (b) (c) (d)
작 용 하 는 하 중 의 평 가 방 법 에 대 한 지 침 은 IEC (International Electrotechnical Commission)과 GL(Germanischer Lloyd)에서 제공하고 있다. 국제규격 으로 IEC 및 GL을 포함하여 ISO 등이 있으며, 주축 베 어링의 최소허용 수명은 17만 5,000시간(20년)으로 정 하고 있다. 아울러 안전계수를 최소 2 이상으로 제시하 고 있다. 수명 L(hour)은 Lundberg-Palmgren 이론에 기 초한 다음과 같은 식으로 정의된다.
L(hour)=a
ISO_ {;pC;} ∏ a
ISO: 수명보정계수
n : rpm C : 정격계수(N) P : 등가하중(N)
p : 3 볼베어링, 10/3 롤러베어링
2007년에 개정된 ISO 281에 의하면 a
ISO(수명보정계 수)를 도입하여 수명에 영향을 주는 피로한도, 윤활조건 및 오염도 등을 고려하고 있다. 또한 베어링이 장착되는 주축의 변형, 하우징의 강성 및 베어링 내부공차 등을 고려해야 한다. 이를 통해 주축베어링의 신뢰성 높은 수 명설계가 가능하다. 한편, 주축 베어링에 불규칙하게 작 용하는 하중의 경우, LDD(Load Duration Distribution)
을 LDD로 정하고, 이를 다시 100~300개의 Bin이라 불 리는 하중 세그먼트로 구분한 후 각 Bin에 의하여 소요 된 시간을 구한다. 이후 각 Bin에 의하여 소요된 시간을 통계적인 방법으로 처리하여 베어링의 전체수명을 구 한다. 주축 베어링에는 주로 볼베어링과 경사 롤러베어 링이 사용되는데, 볼베어링의 경우 ±0.5°이하의 정렬 불량률의 것을 택한다. 주축 베어링은 블레이드와 기어 박스의 진동에 영향을 받으므로 프레팅 부식피로가 발 생할 수 있다. 따라서 그리스와 같은 윤활유를 선정하는 데 있어 공차와 끼워 맞춤의 정도가 매우 중요하므로 하 중반복수가 1_10 7 회의 진동시험을 통한 성능평가가 요구된다. 이를 통해 내부 및 외부 레이스링 표면에 프 레팅 부식피로 여부를 확인할 수 있다.
증속기는 기어박스 내의 다양한 기어배열을 통해 주
축의 회전속도 10~30rpm을 발전기 축의 회전속도
1,200~1,800rpm으로 증속시키는 역할을 한다. 증속기
에 대 한 설 계 계 지 침 은 AGMA(American Gear
Manufacturers Association)에 의해 만들어졌고, 최근
IEC 및 ISO에서도 국제규격이 마련되어 있다. 증속기
기어박스에서 회전을 전달하는 축은 입력축, 유성기어
축, 저속축, 중간축 그리고 고속축 등이다. ANSI/AGMA
/AWEA 6006-A03에 의하면 증속기용 베어링 설계기준
을 표 1과 같이 최대 접촉응력과 요구수명 L 10 으로 다음
122 60n 10fl
풍력발전기용 베어링의 종류와 성능평가 기술
과 같이 정하고 있다.
유성기어열, 중간축 그리고 고속축에 사용되는 베어 링은 저속축에 사용되는 베어링에 비해 높은 축하중과 반경방향 하중을 수반하고, 아울러 빠른 속도에서도 부 드러운 운전성능을 보여주어야 한다. 작은 크기의 새로 운 보간기가 개발되고 있고, 이를 통해 동일 체적 내에 베어링의 크기와 개수가 증가하여 기존의 베어링 대비 수명이 1.5배 이상 향상된 제품이 출시되고 있다. 그러 나 하중이 낮은 경우 레이스웨이에서 베어링의 미끄럼 이 발생하여 표면손상이 유발될 수 있다. 적절한 윤활 유의 공급을 통해 이를 최소화해야 한다.
발전기에 사용되는 베어링은 주로 그리스가 충진된 깊은 홈 볼베어링이 사용된다. 다른 곳에 장착된 베어 링과 다르게 전기적 스파크에 의한 피팅현상이 나타날 수 있다. 이는 베어링과 레이스웨이 접촉부에 흐르는 전류에 의하여 발생하는 전기 스파크가 주요한 원인이 된다. 피팅으로 인하여 발전기 축에 진동이 유발되며, 이는 발전기의 성능에 큰 영향을 미친다. 발전기용 베 어링의 신뢰성 향상을 위해서, 세라믹 베어링 및 스프 레이 코팅이 적용된 베어링이 생산되고 있다. 절연저항 이 100MΩ 이 상 이 고 절 연 파 괴 전 압 (dielectric breakdown voltage)이 2kV 이상을 만족하는 베어링이 풍력발전기에 적용되고 있다.
풍력발전기 요 선회테이블 및 블레이드 피치 회전시 트에 장착되는 요 및 피치 베어링은 타워와 너셀, 블레 이드와 허브 사이에 장착되어 구성품의 회전운동을 가 능하게 하고 지지하는 역할을 한다. 이들은 발전기의 정상적인 작동과 에너지 생산효율 극대화를 위해 반드
시 필요한 기계요소이다. 요 및 피치 베어링은 나셀에 장착되어 있는 모든 발전설비의 하중과 바람에 의해 블 레이드에 작용하는 하중을 직접 받는 부품으로 기술적 난이도와 고장률이 대단히 높다. 대부분의 베어링은 선 회베어링(slewing ring bearing) 형식의 4점 접촉식 방 식으로 제작되며, 요 베어링은 외륜에 이가 가공된 외 치형 타입(external teeth type)을 그리고 피치 베어링은 내륜에 이가 가공된 내치형 타입(internal teeth type)을 따른다. NREL DG03은 풍력발전기용 요 및 피치 베어 링의 설계지침을 제시하고 있고, 베어링의 수명평가는 Lundberg-Palmgren 이론식을 기반으로 평가하고 있다.
그러나 풍력발전기에 설치된 요 및 피치 베어링은 대부 분 정지상태로 유지되고, 필요에 따라 1rpm 미만의 저 속으로 회전하고, 공력에 의한 큰 하중이 가해진다. 따 라서 베어링 설계 시 작동 환경을 고려한 충분한 강도 와 피로수명이 확보 되도록 주의를 기울여야 하고, 높 은 고도에 장착되므로 고장 발생 시 수리비용과 발전중 단에 따른 손실이 크기 때문에 성능시험 및 평가를 통 하여 사전에 충분한 설계검증이 이루어져야 신뢰성 높 은 베어링을 제작할 수 있다.
풍력발전기용 베어링의 신뢰성 향상을 위한 가장 좋 은 방법은 실물 규모의 베어링에 실제 작용하는 하중을 부과하는 성능시험을 실시하는 것이다. 미국 MTS 사에 서는 실물 크기의 베어링 성능시험이 가능한 다목적 베 어링 시험장치를 구축하였다. 실물 규모의 주축, 요 및 피치 베어링을 시험장치에 설치하여 세 방향의 하중과 굽힘・비틀림 모멘트를 동시에 가할 수 있고, 실제 주 축 및 블레이드에 가해지는 하중을 유사하게 모사할 수
Position Max. contact stress(MPa) Required life L10(hours)
High-speed shaft 1,300 30,000
Intermediate shaft 1,650 40,000
Low-speed shaft 1,650 80,000
Planetary gear 1,450 100,000
Carrier Not specified. 100,000
표 1증속기용 베어링 설계기준(ANSI/AGMA/AWEA 6006-A03)
있다. 또한 피치 베어링 시험장비는 블레이드를 대체할 수 있는 하중치구를 이용하여 블레이드에 작용하는 하 중성분(Fx, Fy, Fz 및 Mz)을 피치 베어링에 가할 수 있 는 구조를 가지고 있다. 국내에서는 한국기계연구원이 직접 설계・제작한 실물 규모 풍력발전기 베어링 내구 시험설비를 이용하여 2.5MW급 이상의 요 및 피치 베어 링의 내구시험을 실시하여 제품의 신뢰성을 평가한 바 있다. 외관 크기는 11m_10m_4m(너비_길이_높 이)으로 지지부와 크로스 암으로 구성되며, 크로스 암 끝단에 유압가력기를 장착하여 하중을 부하한다. 크로 스 암을 이용하여 베어링의 반경방향과 축방향은 물론 굽힘 모멘트까지 하중을 가할 수 있어, 총 5자유도의 하
중을 구현할 수 있다. 실물 규모의 요 및 피치 베어링은 지지부와 크로스 암 사이에 설치되고, 구동 드라이브 장치를 이용하여, 설치된 베어링이 조절 가능한 회전속 도로 양방향으로 회전시키면서 내구시험을 수행할 수 있다.
풍력발전기용 베어링은 사실상 일부 선진국업체의 독과점 품목으로 기술 선점과 국산화가 무엇보다 시급 한 첨단 전략 부품이다. 풍력발전이 신재생에너지 중 가장 가파른 성장을 보이면서 일부 국가는 풍력 베어링 산업을 국가의 전략산업으로 지정해 연구개발 및 첨단 생산설비 구축 등을 집중 지원하고 있다. 베어링 신뢰 성 향상에 반드시 필요한 성능평가를 위한 사전 검증시
그림 8풍력발전기 베어링 시험장비(미국, MTS 사)
(a) Multi-purpose Bearing Test (b) Pitch Drive Bearing Test
풍력발전기용 베어링의 종류와 성능평가 기술
험의 경우, 아직 공인된 시험규격이 없다. 다만, 해외 선 진 베어링 제작사의 경우 자체적인 시험코드를 개발하 여 활용하고 있지만 기술보호로 시험코드의 공개를 꺼 리고 있다. 현재, 국내의 경우 풍력발전기용 베어링에 대한 공급체인조차 육성하지 못하고 전적으로 수입에 의존하고 있는 상황이다. 일부 유수의 기업에서 수 MW 급 중대형 베어링을 위탁 생산하여 해외 선진사에 납
품・공급하고 있으나, 자체적인 설계능력과 성능평가 를 위한 사전 검증시험에 대한 경험이 전무하여 제품의 국산화에 많은 어려움이 따르고 있다. 따라서 풍력발전 기 수요업체에서 요구하는 20년 수명보증이 확보된 고 신뢰성 제품생산을 위한 성능검증시험 평가법 개발이 시급히 요구되고 있다.
그림 9실물 규모 풍력발전기 베어링 내구시험설비(한국, 한국기계연구원)
