KR101217948B1 - 하중전달요소를 포함하는 풍력터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 1개의 회전자 날개(10), 허브(12), 기어박스를 수납하는 기어박스 케이스(18), 발전기(34)를 수납하는 발전기 케이스(20), 헤드 지지부(32), 타워(14) 및 헤드 지지부를 타워(14) 상에 회전가능하게 지지하는 방위조절 베어링(42)을 구비한 풍력터빈에 관한 것이다. 상기 풍력터빈은, 상기 회전자 베어링(16), 상기 기어박스 케이스(18) 및 상기 발전기 케이스(20)는 상기 허브(12)와 상기 헤드 지지부(22) 사이에 배치되어 있고 하중전달요소로서 설계되며 나사연결부(54, 38)에 의해 서로 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.
Figure R1020097018751
풍력터빈, 하중전달, 발전기, 기어박스

Description

하중전달요소를 포함하는 풍력터빈{WIND TURBINE COMPRISING LOAD TRANSMITTING COMPONENTS}
본 발명은 컴팩트(compact)한 디자인의 구동열(drive train)을 구비한 풍력터빈에 관한 것이다.
최근 10년 동안, 풍력터빈은 꾸준히 크기가 증대해왔고, 이러한 추세는 좀 더 컴팩트하고 보다 경량의 유닛(unit)의 방향으로 가고 있다. 여기에서, 소위 트러스트 베어링(thrust bearing)들이 회전자(rotor)로부터 추력(thrust force)과 횡력(transverse force)을 흡수할 뿐만 아니라 하나의 베어링 위치에서만 굽힘운동을 전달하는데 곧잘 사용된다. 이러한 베어링들을 사용하면, 이중 회전자 베어링(double rotor bearing)을 갖는 개념과 비교하여 구동열을 현저할 정도로 더 컴팩트화할 수 있다. 그러나, 공지의 터빈들 대부분 경우에 있어서는, 기어박스와 또한 발전기들은 메인 캐리어(main carrier) 상에 별개의 구성요소들로서 베어링 뒤쪽에 배치되어 있다. 다음으로, 메인 캐리어는 회전자 베어링으로부터 회전자 하중을 나셀(nacelle) 안으로 전달하는 부가작용을 갖는다. 이러한 트러스트 베어링들은 비교적 큰 직경을 갖고 2차원적인 단단한 접촉면(two-dimensional stiff contact surface)이 베어링의 원주 전체에 걸쳐 볼트 체결하는데 요구되므로, 주조 설계(cast design)의 메인 캐리어들을 사용하는 것이 바람직하다. 다음으로, 그 하중은 메인 캐리어의 구조가 기어박스와 발전기와 충돌하는 일 없이 베어링 볼트 체결 표면으로부터 메인 캐리어를 거쳐 나셀 안으로 유입되어야 한다. 이에 의해, 주조구조물(casting structure)이 기어박스를 삽입하기 위해, 회전자와 이격되어 대향하는 영역 내에 큰 개구를 필요로 하게 된다. 이러한 개방 구조물은, 구성요소들이 결과적으로 큰 추가 응력을 받게 되므로 강도와 변형의 관점에서 상당한 불리점이 있다. 또한, 이러한 구조는, 구성요소들의 작용이 하중 전달과 별개이므로 상당히 많은 구성요소들을 구비하고 있다. 그러므로, 새로운 풍력터빈의 개발 목표는 터빈을 보다 컴팩트하고, 보다 경량이면서 보다 비용 효율적으로 설계할 필요가 있다.
WO 2005/033505 A1은 매우 컴팩트하고 별개의 기어박스와 발전기를 갖고, 기어박스를 삽입하기 위해 큰 개구가 마련되어 있는 구동열의 설계방안을 개시하고 있다. 발전기를 고정시키기 위해, 또 다른 지지구조가 필요하게 되고, 기후 영향에 대비하여 구성요소들을 보호하기 위해 나셀 쉬라우드(shroud)가 필요하게 된다.
DE 103 51 524 A1은 마찬가지로 컴팩트한 해결책을 제시하고 있는데, 여기서 기어박스와 허브를 여전히 함께 더 밀접하게 위치시키는 것이 가능하였지만, 메인 캐리어의 주조구조물의 형상이 적합하지 않아, 고 장력 피크(high tension peak)와 변형이 예기될 수 있다. 여기서도, 나셀 쉬라우드가 필요하게 된다.
WO 02/079644 A1에 의하면, 기어박스의 일부를 회전자 베어링에 통합함으로써 더 컴팩트한 해결책을 제시하고 있다. 그러나, 여기서도 또 다른 지지구조를 필요로 하는 별개의 발전기와 추가적인 기어박스가 존재한다. 또한, 주조 메인 캐리어에 큰 개구를 볼 수 있는데, 이는 구조물의 관점에서 상당한 불리점이 있다.
DD 268741 A1은 마찬가지로 컴팩트한 나셀 구조를 개시하고 있는데, 이러한 디자인은, 터빈이 다운윈드 머신(downwind machine)처럼 설계되고 풍향추적유닛(wind direction tracking unit)과 수직브레이크장치(vertical break device)없이 장착되기 때문에 소형의 풍력터빈의 경우에만 가능하다. 또한, 주형 내에 기어박스와 발전기를 통합하는 것은 구조가 극도로 컴팩트하다는 이점이 있지만, 구성요소들에 접근할 가능성이 매우 제한되므로 훨씬 많은 노력을 들어 수리를 행할 수 밖에 없다는 불리점도 있다.
본 발명의 목적은 매우 컴팩트하고, 경량이며, 이에 따라 비용 효율적인 토탈 구성(total construction)을 가능하게 하며 회전자로부터 타워(tower)에 힘을 전달하는 방식으로 회전자 베어링, 기어박스, 발전기 및 풍향추적유닛 등의 주요 구성요소들을 결속하는 구동열을 만드는데 있다. 본 발명은 동시에 개별적인 구성요소, 특히 기어박스와 발전기가 개별적으로 장착되어 수리작업을 위해 개별적으로 핸들링(handling)될 수 있도록 보장되어야 한다.
본 발명에 의하면, 상기 목적은 청구항 1의 특징에 의해 달성되는데, 종속항들은 본 발명의 바람직한 실시형태들을 구체화한 것이다.
본 발명은 기능적인 요소들의 그 이상의 통합을 달성하여, 구성요소들 수를 절감한다.
본 발명의 경우에서, 구성요소들인 기어박스, 발전기 및 풍향추적유닛은 서로 볼트 체결되는 별개의 케이스(casing) 내에 배치되어 있다. 각각의 케이스는 최대의 정적 및 동적 하중을 전달하기 위한 지지구조로서 설계되어 있다. 또한, 회전자 베어링은 기어박스 케이스에 볼트 체결되어 회전자 하중을 기어박스 케이스로 전달한다. 기어박스 케이스는 그 하중을 발전기 케이스로 전달한다. 이어서, 발전기 케이스는 하중을 방위조절 베어링(azimuth bearing)을 통해 타워로 안내하는 헤드 지지부(head support)로 그 하중을 전달한다. 이러한 디자인의 결과로서, 구성요소들의 케이스들은 구성요소들의 개개의 부품에 대한 장착요소(mounting element)와 하중전달요소(load transmitting element)처럼 트윈 기능(twin function)을 갖는다. 이러한 디자인에 의하면, 상기 기계가 매우 경량이고 이에 따라 비용 효율적인 것이 가능하게 되며, 또한 모든 구성요소가 풍화(weathering)에 노출될 수 있도록 하는 방식으로 설계되므로 나셀 쉬라우드를 생략하는 것이 가능하게 된다. 조립성의 이유 때문에, 기어박스 케이스와 발전기 케이스을 2개의 별개의 케이스로서 설계하는 것이 이치에 맞지만, 일체형으로서 설계될 수도 있다.
이러한 구성은, 회전자 허브 연결부, 회전자 베어링, 기어박스 및 발전기가 외부 직경에 대하여 대략 동일한 치수를 갖는 경우 예외적인 이점이 있다. 이 경우는 어떤 큰 하중 전환(load diversion)도 없이 특별히 유리한 힘 전달을 야기시킨다. 이는, 그 경우의 상황에서 기어박스가 동축 드라이브(coaxial drive)와 피동축(driven axles)을 갖는 2단 유성 기어박스(two--stage planetary gearbox)이고 대략 15～25의 전달비(transmission ratio)를 갖는다는 의미를 지닌다. 발전기는 그로부터 하류측에 배치되고, 대략 200～400min-1의 정격 속력(rated speed)을 갖는다. 양 구성요소들은 회전자로부터의 하중을 헤드 지지부로 전달할 수 있을 정도의 디자인을 갖는 공통의 또는 2개의 별개의 케이스 내에 설치된다. 다음으로, 헤드 지지부는 하중을 타워로 안내하고 풍향추적유닛, 수직 브레이크, 기어박스윤활시스템, 및 기어박스와 발전기 냉각용 열교환기를 수용하는 기능을 더 갖는다.
도 1은 허브, 회전자 베어링, 발전기 케이스, 및 헤드 지지부의 측면도로, 회전자 날개만 단면으로 도시한 도면.
도 2는 도 1에 상응하는 도면으로, 부분 단면으로 도시한 도면.
이하, 본 발명의 바람직한 전형적인 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.
풍력터빈의 회전자 날개(rotor blade)(10)들과 허브(12)에 의해 이루어지는 회전자는 회전자 베어링(16)에 의해 지지되어 있고 다음의 구성요소들에 힘과 모멘트를 전달한다. 기어박스는 기어박스 케이스(18)에 통합되어 있다. 하류측에 배치된 발전기는 발전기 케이스(20) 내에 설치되어 있다. 양쪽의 케이스(18, 20)는 대략 동일한 직경을 가지며 함께 볼트 체결되어 있다. 다음으로, 발전기 케이스(20)는 하중을 방위조절 베어링(42)을 거쳐 타워(14)로 안내하는 헤드 지지부(22)에 볼트 체결되어 있다. 요구되는 모든 유닛과 구성요소들은 이러한 부재들 내에 수용되어 있다. 기후로부터의 보호와 서브유닛(subunit)들을 수용하기 위한 추가적인 나셀 쉬라우드는 필요하지 않게 된다. 양쪽의 케이스는 소모된 열을 외부공기로 부분적으로 운반해 가기 위해 외부의 쿨링 리브(cooling rib)들을 구비하고 있다.
허브(12)는 제1 기어단(gear stage)의 링기어(ring gear)(24)에 나사연결부(52)에 의해 연결되어 있다(도 2). 링기어(24)는 회전자 베어링(16)의 내주 고리부(inside ring)에 압착되어 영구적으로 연결된다. 회전자 베어링(16)의 외주 고리부(outside ring)는 나사연결부(54)에 의해 기어박스 케이스(18)에, 그리고 이를 통해 발전기 케이스(20)에 영구적으로 연결되어 있다. 래비린스 글랜드(labyrinth gland)(50)는 외부에 대하여 기어박스(32)를 씰링(sealing)한다. 제1 기어단의 유성기어(56)들은 구형 미끄럼 베어링(spherical sliding bearing)(26)들에 의해 지지되어 있다. 이 미끄럼 베어링(26)들은 베어링 저널(bearing journal)(28)들에 의해 기어박스 케이스(18)에 고정되어 있다. 유성기어(56)들은 토크를 썬 휠(sun wheel)(58)에 전달한다. 나선형 톱니(spiral toothing)는 썬 휠 내주에 중심적으로 끼워 맞추어져 토크를 중간축(intermediate shaft)(60)에 전달한다. 다음으로, 이 중간축(60)은 제2 유성단(planetary stage)의 유성 캐리어(planetary carrier)(62)에 삽입된다. 제2 유성단은 마찬가지로 기어박스 케이스(18)에 통합되며 전동축(66)을 이용하여 썬 휠을 구동시킨다. 이 전동축(66)은 나선형 톱니에 의해 토크힘으로 발전기 구동 플랜지(drive flange)(68)에 연결되어 있다. 발전기(34)는 발전기 케이스(20)에 끼워 맞추어지는 영구전계장 동기 발전기(permanent field synchronous generator)로서 설계되며 워터 쿨링 자켓(water cooling jacket)(36)을 구비하고 있다. 쿨링 회로는 전달펌프(delivery pump)(64)에 의해 작동되며 배기열(wxhaust heat)은 냉각기(48)에 의해 외부 공기로 운반된다. 발전기 케이스(20)은 나사연결부(38)에 의해 헤드 지지부(22)에 연결되어 있다. 헤드 지지부(22)는 풍향추적유닛용 서보유닛(servo unit)(44)들, 수직 브레이크(40)들, 기어박스 및 발전기용 냉각기(48)들, 필터들이 구비된 기어박스 오일 저장소(46) 및 발전기 냉매회로용 순환펌프(64)를 포함한다. 중심 파이프(central pipe)(70)는 2개의 기어단과 발전기를 통해 중심으로 통과되며, 회전자 날개들을 조절하기 위한 전력은 그 파이프를 통해 설치되어 있다. 회전식 전달조인트(rotary transfer joint) 또는 슬립 링(slip ring)(72)은 헤드 지지부(22)의 고정부(stationary part)로부터 요구되는 전원을 회전식 허브(rotating hub)(12)에 전달한다.

Claims (12)

  1. 적어도 1개의 회전자 날개(10);
    허브(12);
    적어도 1개의 회전자 날개(10)와 허브(12)를 지지하는 회전자 베어링(16);
    기어박스(32)를 수납하는 기어박스 케이스(18);
    발전기(34)를 수납하는 발전기 케이스(20);
    헤드 지지부(22);
    타워(14); 및
    헤드 지지부(22)를 타워(14) 상에 회전가능하게 지지하는 방위조절 베어링(42)을 구비한 풍력터빈에 있어서,
    회전자 베어링(16), 기어박스 케이스(18) 및 발전기 케이스(20)는 허브(12)와 헤드 지지부(22) 사이에 배치되어 있고,
    회전자 베어링(16)으로부터 기어박스 케이스(18)와 발전기 케이스(20)를 통하여 헤드 지지부(22)에 하중을 전달하고 나서 방위조절 베어링(42)을 통하여 타워(14)에 하중을 전달하도록, 회전자 베어링(16), 기어박스 케이스(18), 발전기 케이스(20) 및 헤드 지지부(22)가 하중전달요소로서 설계되며 나사연결부(54, 38)에 의해 서로 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기어박스 케이스(18)와 상기 발전기 케이스(20)는 별개의 케이스인 것을 특징으로 하는 풍력터빈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기어박스 케이스(18)와 상기 발전기 케이스(20)는 대략 동일한 외부 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 풍력터빈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회전자 베어링(16)은 상기 기어박스 케이스(18)의 정면에 직접 나사고정된 트러스트 베어링인 것을 특징으로 하는 풍력터빈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기어박스(32)는 2단 유성 기어박스인 것을 특징으로 하는 풍력터빈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 발전기(34)는 영구전계장 동기 발전기(permanent field synchronous generator)인 것을 특징으로 하는 풍력터빈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기어박스 케이스(18) 및 상기 발전기 케이스(20)는 바깥쪽으로 대향하는 쿨링 리브(cooling rib)들을 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기어박스는 래비린스 글랜드(labyrinth gland)들로서 씰링(sealing) 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력터빈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 발전기(34)는 발전기 케이스(20)에 통합된 워터 쿨링 자켓(water cooling jacket)(36)을 갖는 것을 특징으로 하는 풍력터빈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 헤드 지지부(22)에는, 상기 방위조절 베어링(42)으로 이루어지는 풍향추적유닛, 서보 드라이브(44)들, 수직 브레이크(40)들, 기어박스 오일 저장소(46) 및 기어박스(32)와 발전기(34)용 냉각기(48)가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력터빈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 기어박스(32)와 상기 발전기(34)를 통해 중심으로 통과되고 상기 회전자의 속력으로 회전되며 상기 날개들을 조절하기 위한 전원공급선을 수용하는 파이프(70)를 갖는 것을 특징으로 하는 풍력터빈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 발전기 케이스(18), 상기 기어박스 케이스(20) 및 상기 헤드 지지부(22)는 내후성(weatherproof) 설계로 되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력터빈.
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