2) 주축 베어링(main shaft bearings)

풍력발전용 핵심부품에서 동력전달체계상에 있는 베어링류는 주축 베어링과 기어박스 베어링을 들 수 있으며, 주축 베어링의 경우 축 방향 하중과 반경 방향의 하중을 수용해야 하고 축과 지지대의 변형에서 오는 정렬오차를 감당해야 한다. 주축과 지지구조물과의 비교적 큰 변형 때문에 정렬오차를 고려하여 주축 베어링으로 사용하는 것이 다음의 그림과 같은 SRB(Spherical Roller Bearings)이다. SRB는 바깥 링(Outer ring) 내부의 구형 raceway에 2열의 롤러가 배치되어 있다. 안쪽 링(Inner ring) raceway는 베어링 축에 대하여 기울어져 있다. 이 베어링은 자동 정렬이 가능하여 하우징과 주축 굽힘 변형에 대한 축의 정렬에서 에러가 발생해도 큰 문제가 없다. 이 베어링은 높은 반경방향 하중에 견디며, 양방향으로 축 방향 하중도 받아들인다. 또한, 각 베어링의 시리즈에 따라 다르겠지만 허용 각 변형(angular misalignment)은 1~2.5°정도이다. 이 정도는 로터하중 때문에 발생하는 하우징과 프레임에서의 변형을 보상하여 베어링에 손상을 발생시키는 모서리에서 과다한 하중을 방지하기 위한 수치로는 충분하다.

주축 베어링으로 고려할 수 있는 다른 형태는 DTRB(Double Thrust Roller Bearings) 등이 있으며, 내부의 베어링 형태에 테이퍼(taper)가 있는 롤러를 사용하는 등 설계자의 개념에 따라서 선택한다. 특히 테이퍼가 있는 롤러 베어링은 기어박스에서 나오는 고속축(output shaft)과 연결되는 부분에서 사용된다. 내·외부 링(Inner ring/Outer ring)의 재료는 피치와 요 베어링 재료와 유사하게 사용된다. 이러한 주축 베어링 소재에 대한 정보는 각 회사의 소유로 구체적으로 알려져 있지 않으나, 침탄(carburizing)으로 경화된 침탄 담금질강(case-hardening materials)이 사용되고 있으며, 경도는 59HRc 이상을 요구하는 것으로 알려져 있다.

내부의 볼(ball)이나 롤러(roller)의 경우 축 하중과 반경방향의 하중 등으로 볼(혹은 롤러)과 링, 볼 상호간의 마찰이나 micro slipping 등에 의하여 손상, 마모가 발생한다. 이를 보호하기 위하여 윤활시스템이 함께 적용되지만, 극한 하중의 경우 베어링 소재의 자체 특성에 매우 민감하다.

베어링용 볼이나 롤러를 구성하는 재료의 정확한 조성은 각 제조사에서 엄격히 통제되고 있기 때문에 알기 어렵다고 언급하였으나, <표 3-2-4-6>과 같이 문헌의 간접비교 자료를 통하여 짐작할 수 있다.

본 자료를 통한 silicon nitride 베어링 볼의 경우 경량이며, 강성이 높고, 방식성이 높고, 윤활성도 우수하며, 내마모성, 낮은 열평창계수 등의 우수한 특성을 지니고 있음을 알 수 있다. 하지만 전통적인 HIP(hot isotropic pressing) 등을 활용하는 높은 제조비용, 대형 부품의 제조의 난점 등으로 현재 적용을 위한 연구단계에 있다.

■ 로터 회전축

로터 회전축(rotor shaft)는 저속축(low-speed shaft)과 고속축(high-speed shaft)으로 이루어지며, 저속축(low-speed shaft)은 주축(main shaft)이라고도 하며 허브와 블레이드가 조립된 허브를 지지하고 로터의 회전동작을 전달하며 기어박스에 토크 모멘트를 전달한다. 축력(thrust loads)은 축을 통하여 받아들이고 나셀과 타워의 상부로 전달된다. 주축은 단조 혹은 주철로 만들어지는 무게가 많이 나가는 부품이다. 이에 반하여 고속축(high-speed shaft)은 증속기에 연결되어 로터의 기계적 출력을 고속으로 발전기에 전달하는 역할을 수행한다. 따라서 저속축은 고토크 모멘트가, 고속축은 저토크 모멘트가 부가 된다. 다시 언급하자면 로터 회전축은 블레이드의 회전 운동에너지를 증속장치와 발전기에 전달하는 부품으로서 풍력발전기의 설계수명만큼 건정성이 유지되어야 하므로 초기에 개발할 때 원소재의 선정부터 최종제품까지 엄격한 관리를 요한다.

지금까지 대다수 풍력터빈의 주축은 주철(cast iron)로 만들어졌고, 아직도 많은 주축이 중실형이나 중공형이라도 주조법으로 제조되고 있다. 특히 메가와트급 주축은 매우 무거워지므로 중공형이 주류를 이루고 있다. 앞에서 설명한 허브제조에 사용된 사형주조 공법 역시 활용된다. 사형주조 공정을 보면 몰드를 제조하고 용해된 주철(구상흑연주철) 용탕을 몰드에 주입한 후 모래형을 제거한다. 열처리공정을 거친 후 황삭(rough machining)을 거치고, 최종 정밀가공(precision machining)으로 최종치수를 갖는다. 하지만 터빈의 규모가 증가함에 따라서 높은 하중을 감당하기 위하여 고강도를 지닌 단조제품으로 대체되는 경향이 있다. 이에 따라 중형급 풍력터빈과 1~2MW급까지의 주축은 주로 중실형으로 자유단조공법을 통하여 제조되었다. 멀티 메가와트(multi-MW)급 이상의 초대형 터빈용 주축은 무게가 매우 중요한 설계 요인이므로 대개 중공식 주축을 도입하며, 주조공법을 활용하는 것이 경제적이다. 그러나 단조 기술이 발전함에 따라 단조법을 이용하여 제조함으로써 주조공법으로 만든 중공형축 대비 경쟁력을 가질 것으로 판단된다. 단조공정을 통해 제조된 제품은 단류선(metal flow)에 의해 미세하고 치밀한 조직을 얻을 수 있고, 고강도의 특성이 있어 구조적 완전성(structural integrity)이 주물보다 우수한 것이 특징이다.

로터 회전축의 재료로는 주로 34CrNiMo6강(대비규격 : AISI 4337, 4340)이 사용되고, 스페인의 풍력터빈 제조사인 Gamesa는 일부 42CrMo4 또는 36CrNiMo6 등의 소재를 사용한다. 또한, 항복강도가 600 N/mm2, 최대인장강도가 800N/mm2 이상, V-notch Charpy 충격치가 35J 이상인 30CrNiMo8 소재도 사용된다. 일반적으로 자유형 단조공정으로 제조 한 후에 조질 처리(quenching and tempering)에 의해 열처리가 수행된다. 다음의 표는 로터 회전축에서 요구되는 기계적 특성과 현재 국내에서 생산되는 로터 회전축의 일반적인 특성을 나타내었다.

다음 그림은 로터 회전축을 나타낸다. 로터 회전축의 금속 조직은 조질 처리(quenching and tempering)에 의해 열처리된 미세조직을 가지고 있다. 이러한 로터 회전축 소재의 미세조직은 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite) 조직, 즉 솔바이트(sorbite) 조직과 일부 탄화물이 석출된 형태를 보이며, 강도와 인성이 잘 조합된 특성을 부여하는 조직이다.

■ 브레이크 및 피치/요 드라이브

1) 기계 브레이크(Mechanical brake)

로터 블레이드의 회전속도를 감소시키는 가장 좋은 방법은 공력 브레이크를 사용하는 것이다. 풍력터빈이 대형화되면서 로터회전에 의한 주축의 토크가 매우 커지기 때문에 기계 브레이크로 주축의 회전을 감소시키는 것은 터빈에 매우 큰 부담을 준다. 기계 브레이크는 블레이드가 정격회전속도 이상으로 회전하는 것을 조절하거나 제어시스템의 명령에 인해 공력 브레이크에 의하여 이미 상당히 감소된 속도의 회전축을 완전히 정지시키는 역할을 하는 브레이크를 말한다. 기계 브레이크라는 단어를 사용하는 것은 풍력터빈이 가지는 독특한 브레이크 시스템인 공력 브레이크(aerodynamic brake)에 대응하는 표현이다. 또한, 풍력터빈 축이 원하는 위치에 정확히 멈추기 위해서는 이 기계 브레이크가 필수적이며 보조 브레이크(backup system, secondary brake) 혹은 정지 브레이크(parking brake)라고도 한다. 특히 산업현장에서는 로터 브레이크(rotor brake), 비상 브레이크(emergency brake)라 하고, 주된 역할에 따라서 다이나믹 브레이크(dynamic brake), 홀딩 브레이크(holding brake) 등으로 부르기도 한다.

2) 기계 브레이크의 종류

본 절에서는 기계 브레이크에 대하여 중점적으로 설명한다. 기계 브레이크는 브레이크 패드에 가압하는 방법에 따라서 능동형 브레이크(active brake)와 수동형 브레이크(passive brake)로 나눈다. 능동형 브레이크는 유압 시스템에서 유압을 그대로 이용하여 브레이크를 작동시키며, 수동형 브레이크는 유압 시스템이 스프링을 유지한 후에 신호에 의하여 스프링을 작동시켜 스프링의 힘으로 패드를 민다.

다음의 그림은 디스크 브레이크이며 자동차에서와 같이 축에 붙은 디스크를 캘리퍼로 잡는 형태이다. 브레이크가 작동할 때 유압으로 작동된 캘리퍼가 디스크의 운동에 반대로 토크를 발생시켜 로터의 속도를 늦춘다. 클러치 브레이크는 압축공기나 유압으로 스프링을 작동시키는 fail-safe 설계로 이루어진다.

3) 기계 브레이크의 위치

기계 브레이크는 저속축이나 고속축에 설치할 수 있다. 저속축에 브레이크를 설치하면, 매우 큰 토크를 견디기 위해 마찰면적이 큰 디스크 브레이크 시스템이 필요하며 이로 인해 규모가 커지고 시스템이 무거워진다. 터빈의 무게와 부피의 감소를 지향하는 설계개념을 고려하면, 고속축의 브레이크 시스템은 기어 박스를 통하여 큰 토크가 감소된 상태이므로 브레이크 크기가 감소되어 가격 대비 효율적인 위치이다. 하지만 고속축에 둔다면 정지된 상태에서도 공기유동의 영향에 의하여 작은 양이지만 지속적으로 움직이기 때문에 기어 박스의 마모가 훨씬 크며, 기어 박스가 파손되면 로터의 회전속도를 감속시킬 수 없다. 예를 들어 고속축 브레이크를 적용한 경우, 터빈이 저속이나 정지 상태로 갈 때 풍속의 갑작스런 변화가 블레이드를 통하여 충격력을 기어에 전달하게 되고 역회전(backlash) 현상을 일으키며 기어에 손상을 줄 가능성이 높다. 그럼에도 불구하고 저속축의 브레이크의 크기가 증가하는 것은 더 큰 단점으로 지적되어 메가와트급의 저속축에 주브레이크로써 기계 브레이크를 설치하는 것은 금지되어 있다.

4) 기계 브레이크의 구성

디스크형 기계 브레이크는 브레이크 캘리퍼, 디스크, 패드 라이닝 등이 주요 구성품이다. 브레이크의 작동을 위해서는 유압 시스템이 사용된다. 패드가 작동할 수 있도록 실린더, 피스톤, 패드 스프링 등의 부품의 일체가 부착되는 하우징 혹은 전체를 캘리퍼(caliper)라고 한다. 풍력터빈에 사용되는 대표적인 캘리퍼의 형상은 다음 그림과 같다.

디스크(disk)는 회전축에 부착된 회전원반이며 양면을 유압으로 마찰패드로 압착하여 회전을 정지시키는 중요한 역할을 한다. 디스크는 마찰에 의하여 마찰열이 발생하나 밀폐된 상태가 아니므로 방열이 용이한 편이다. 그러나 자동차 같이 공기의 흐름에 의한 냉각은 이루어지지 않아 다소 느리다. 브레이크의 기능을 발휘하기 위해서는 고온에서 변형이 발생하지 않고 편평도를 유지해야한다. 이에 따라 마찰에 의한 온도의 계산과 측정을 통한 설계가 이루어져야 하며 열 하중(thermal loading)을 보다 잘 흡수하기 위해서는 두꺼운 디스크가 유리하다. 다음의 그림은 브레이크 디스크의 표면규격 및 표면가공의 예시이다.

브레이크 작동은 캘리퍼의 브레이크 블록과 디스크사이의 마찰의 결과로 이루어진다. 이때 브레이크는 매우 큰 응력이 걸리게 되어 브레이크 금속 블록은 고온에서 견딜 수 있는 특수 재료로 된 패드나 라이닝을 고려해야 한다. 이때의 온도는 자동차의 경우 300℃를 넘지 않는데 풍력터빈은 약 600~700℃에 도달한다.

■ 타워

1) 튜브(쉘) 재료

타워는 블레이드가 회전하면서 발생하는 추력과 나셀 및 블레이드 무게에 의한 자중 그리고 타워가 바람에 의해 받는 하중을 지지하는 역할을 가지고 있다. 또한, 작업자와 전력선의 이동 통로이기도 하다. 타워는 풍력발전기를 이루는 다른 기계요소에 비하여 매우 간단하지만 풍력발전기를 이루는 다른 요소들에 비하여 파손에 의하여 유발되는 손실이 매우 크다. 더불어 대형 풍력터빈가격의 20~25% 정도를 차지하여 타워 자체의 단가도 매우 높으므로 가격 경쟁력이 있으면서도 안전한 타워를 개발하는 하는 것이 매우 중요하다.

현재 대형 풍력발전기는 강철 튜브형(steel tubular) 구조를 가지고 있으며, 일정한 간격으로 원통을 제작하여 각 끝 부분에 플렌지와 볼트로 조립하는 형태로 제작되고 있다. 다음의 그림과 같이 원통 모양의 타워 내부는 작업자의 통로가 되므로 이를 위한 사다리가 설치된다. 또한, 나셀 내부의 발전기에서 생산된 전기를 지상의 전기계통과 연결하기 위한 전력선들을 지지하는 케이블 트레이(cable tray)도 설치된다. 최근에는 타워가 높아져서 작업자의 이동을 용이하게 하는 전동 운반장치(lift)를 설치하기도 한다. 타워의 튜브 재료는 전통적인 강철(steel)이 주류를 이루고 있고 강철 재료는 보통 DIN규격의 S355를 많이 사용하며 항복강도는 약 355N/mm2이다. 쉘의 제조 방법은 원하는 두께의 강철판재를 대형 벤딩(bending) 머신에 넣고 원통형으로 bending후에 용접을 한다.

2) 타워 플랜지(tower flanges) 재료

풍력발전용 타워는 풍력발전기를 지지하는 구조물로서 현재 건설되고 있는 상용 대형 풍력발전기의 타워구조는 <그림 3-2-4-19>에서 보듯이 주로 강 파이프식 타워(steel tubular towers)구조이다. 약 20~30m 간격으로 용접을 통해 제작되며 각 끝 부분은 플랜지와 볼트로 연결된다. 타워 플렌지는 앞서 설명한 바와 같이 타워의 연결에 필요한 구성품으로서 6~7개의 플랜지가 한 세트를 이룬다. 지름이 가장 큰 bottom flange와 middle flange, top flange로 구분한다.

일반적으로 타워 플렌지의 제조방식은 크게 용접(welding)에 의한 방식과 링 압연(ring rolling)방식으로 구분할 수 있다. 전자는 이음매가 있는 경우이고, 후자는 이음매가 없는 경우로 분류된다. 기존에는 용접에 의해 대형 플랜지를 제조하여 왔으나, 최근에는 대형 링 밀(ring mill) 설비의 증가와 더불어 후자에 의한 방식으로 많이 제작된다. 링 압연 방식은 투입소재와 가공량의 절감, 작업시간의 단축으로 제작단가를 줄일 수 있고, 원주방향의 미세조직이 연신되어 내외압에 대한 저항성이 높아지는 등 양호한 기계적 특성을 얻을 수 있다. 또한, 링 압연 가공 전 업 세팅과 코깅 공정(caulking process)을 통해 충분한 단조비를 가하기 때문에 요구 물성치를 만족시키기 위한 품질 및 열처리가 용접방식에 비해 간단한 것이 장점이다.

한편, 타워 플랜지는 S35NL(대응소재: A350 LF2N, A694 F42, F490G, ST52.3)과 같은 저합금강이 주로 사용되며, 소재의 특성으로 용접성이 좋고, 일반강에 비해 강도 및 충격치가 우수하며, Al 첨가를 통해 조직 미세화를 얻어낸 강종이다. 이러한 타워 플랜지 소재의 미세조직은 미세 펄라이트(pearlite)와 페라이트(ferrite)로 구성되며 충격에너지 값은 50J이상을 요구한다.

■ 국내외 선도기관

드라이브 트레인과 관련된 기술은 서브시스템인 증속기, 베어링, 축, 드라이브, 브레이크 등의 서브시스템 설계관련 기술, 소재 및 제조기술, 시험기술 등이 연관되어 있다. 따라서 본 절에서는 세부기술 분야보다는 각 표에 전반적으로 제시가 가능한 강점분야의 기관들을 열거하여 보았다. 풍력관련 선진 연구기관의 경우 대개 소재 및 제조기술 보다는 설계 및 시험기술에 중점을 두고 있음을 알 수 있다.

▲ <표 3-2-4-3>Typical ductile iron(DI) characteristics for windmill castings.

▲ <그림 3-2-4-7>사형주조 제조과정 예시.

▲ <그림 3-2-4-8>주조 베드 플레이트(Cast iron bed plate).

▲ <그림 3-2-4-9>하이브리드 베드 플레이트 개념(500kW wind turbine hybrid bed plate concept).

▲ <그림 3-2-4-10>기어리스형 풍력터빈 주조부품의 예시.

▲ <그림 3-2-4-11>증속기 하우징(a) 및 토크 암(b).

▲ <표 3-2-4-4>풍력터빈용 주요 부품에 사용되는 베어링 종류.

▲ <표 3-2-4-11>드라이브 트레인 기술 - 국내 선도연구기관.

▲ <표 3-2-4-12>드라이브 트레인 기술 - 해외 선도연구기관.