KR101279954B1 - 풍력 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력 터빈의 개선된 구조에 관련된다. 본 발명의 목적은 풍력 터빈의 안정성을 향상시키고 발전기와 타워 사이의 균형을 개선시키며, 발전기로부터 베어링 구조부의 기능을 분리시켜, 터빈에서 발생된 힘이 발전기 부품들에 인가되지 않도록 하는 데 있다.

Description

풍력 터빈{WIND TURBINE}

본 발명은, 일반적으로, 풍력을 생산 및 저장하는 장비에 관한 것으로, 구체적으로는, 개선된 풍력 터빈의 구조에 관한 것이다.

몇 가지 유형의 풍력 터빈들이 존재하고 있으며, 이들은 베이스, 타워 및 상기 타워에 고정된 풍력 터빈을 포함한다. 초기의 풍력 터빈 구조는 블레이드(blade)에 연결된 터빈, 주 샤프트(shaft) 및 리듀서(reducer)와, 고정자(stator) 및 회전자(rotor)를 갖는 발전기 부분을 포함했다. 상기 발전기 종류들은 주 샤프트-리듀서-발전기의 전동(transmission)에 의해 야기되는 소진 문제를 가지고 있다. 게다가, 그러한 구조는 주 샤프트에 의해 생성되는 토크로서 1,500kW의 성능을 초과하는 풍력 터빈들에는 사용될 수 없고, 리듀서가 너무 과도해지며, 또한 상기 구조는 소진 및 물질 피로 문제에 의해 데미지를 받는 결과가 될 수 있다.
풍력 터빈에 대한 알려진 다른 솔루션으로서, 워벤 앨로이(Wobben Aloys)의 발명들을 이용한 에너콘(Enercon) 사의 리듀서-프리 풍력 터빈이 있다. 상기 풍력 터빈에서, 타워는 무릎 형태의 콘솔(console)에 연결되고, 이는 결과적으로, 발전기 부분에 고정된 임펠러(impeller) 헤드에 연결된 주 샤프트에 연결되게 된다. 그러한 하나의 솔루션이 2007년 6월 13일에 출원된 유럽특허출원번호 EP 1794450에 기재되어 있으며, 주 샤프트, 나셀(nacelle) 및 회전자를 갖는 콘솔이 타워에 연결된다. 그러한 솔루션의 약점은, 풍력이 터빈(블레이드 길이 35-40m)에 작용할 때, 콘솔과 타워의 연결들이 상기 콘솔의 연결들로 전송되어 물질 피로에 의해 부서질 수 있다는 데에 있다. 게다가, 이러한 종류의 풍력 터빈들은 불충분한 냉각 때문에 문제될 수도 있다; 또한, 발전기 내 와인딩들(windings)의 밀폐성이 동시에 확보되어야 한다. 다른 종류의 솔루션들이 제안되고 있으나, 현재까지는 냉각 및 구조적 신뢰성은 여전히 의문스럽다. 또한 상기 제안된 솔루션들은 가격이 비싸고 물질을 많이 소모한다.
풍력 터빈의 가장 근접한 솔루션은 필자에 의해 출원된 특허출원번호 P200700038에 기재되어 있으며, 상기 특허의 개량 발명이 본원 발명이다. 따라서 하기의 기재는 이전 출원에 제안된 상세한 부분들에 참조를 포함한다.

본 발명의 목적은 아래의 사항들을 달성할 수 있는 풍력 터빈 구조를 제공하는 데 있다.
- 풍력 터빈 상에 인스톨된 부분과 타워 사이의 균형을 개선시킨다.
- 상기 발전기로부터 베어링 구조물의 기능을 분리시켜, (토크를 제외하고) 터빈으로부터 나오는 힘들이 발전기 부품들에 인가되지 않도록 한다.
- 상기 풍력 터빈 몸체 내의 매듭들(knots)과 구성 요소들을 효과적으로 냉각시킨다.
- 상기 풍력 터빈들은 주로 바다, 대양 및 해안에 위치한다는 것을 고려하여 필요한 밀폐성을 확보한다. 상기 위치에서는, 습기에 더하여 바람 역시 해수로부터 미네랄 염 입자들을 운반하며, 이에 따라 상기 부품들의 조기 부식, 상기 발전기 절연성의 상당한 열화 및 와인딩들 내의 전기적 펑크 등을 일으킨다.

본원 발명의 저자들은 다음과 같은 풍력 터빈 구조를 제안한다. 즉, 풍력 터빈의 주 샤프트가 동시에 발전기 회전자인 터빈 구조는 비어있는 튜브 구조이며, 이는 일단에 블레이드들을 갖는 임펠러 헤드에 연결된다. 상기 풍력 터빈 회전자는, 상기 주 샤프트의 외면의 중심부에서 제1 부 상으로 인스톨된 베어링 혹은 베어링들의 지원을 받는 튜브로 형성된 발전기 몸체 내에 지지된다. 상기 베어링들은 볼 베어링들 및 롤러 베어링들(경사진 롤러 베어링들 역시 마찬가지이다)을 포함할 수 있으며, 현 기술 상황에서는 베어링 롤러들 및 베어링들을 어떠한 사이즈로도 만들 수 있다. 동시에, 그러한 구조는 풍력 터빈 회전자와 메인 프레임 사이의 밀폐성을 확보할 수 있고, 이와 동시에, 상기 풍력 터빈 회전자를 통한 공기 흐름을 확보할 수 있으며, 이에 따라 필연적으로 매듭들과 구성 요소들이 냉각될 수 있다.

이하에서는, 본원 발명이 첨부된 도면들을 참조로 보다 자세하게 기술된다.
도 1은 본 발명에 따른 풍력 터빈의 단면도이다.
도 2는 발전기 부분과 풍력 터빈 회전자의 배면 사시도이며, 몸체의 상부는 생략되었다.
도 3은 본 발명에 따른 풍력 터빈의 발전기 부분에 대한 사시도이다.

도면에 도시된 풍력 터빈(1)은 당해 기술 분야에서 알려진 연결부들을 경유하여 풍력 터빈의 베어링 타워 등의 상부까지이다. 풍력 터빈(1)은, 발전기 부(3)를 둘러싸는 메인 프레임(2, 2') 혹은 작업 챔버와, 발전기의 블레이드들과 연결부(도시되지 않음)를 홀딩하는 임펠러 헤드(도시되지 않음)를 포함한다. 이때, 풍력 터빈(1)은 상기 연결부에 의해 특별 베이스(도시되지 않음) 상의 그라운드 상에 형성되는 타워에 고정된다. 상기 타워의 내부에는 풍력 터빈(1)의 작동에 필요한 매듭들 및 구성 요소들이 배열되어 인스톨되어 있다.
발전기 부(3)는 풍력 회전자(4) 및 고정자 몸체(5)를 포함한다.
상기 임펠러 헤드는 풍력 터빈 구조 분야에서 알려진 연결 방법을 사용하여 발전기 부(3)의 풍력 회전자(4)에 연결되므로, 이하에서는 이에 대해 설명하지 않는다. 나아가, 임펠러 블레이드들은 현 기술 상황에서 알려진 솔루션들을 적용하여 상기 임펠러 헤드에 고정된다. 풍력 터빈(1)의 메인 프레임은 두 부분들(2, 2')로 나누어지며, 이에 따라 상기 메인 프레임의 하부(2)는 상기 타워에 연결되고, 상기 메인 프레임의 상부(2')는 풍력 터빈(1) 조립의 마지막 단계에서 상기 메인 프레임의 하부(2)에 연결된다. 상기 주 몸체의 이러한 구조의 사용에 의해, 풍력 터빈(1)의 구성 요소들 및 매듭들을 들어 올려 빠르고 간편하게 이들을 조립할 수 있다.
풍력 회전자(4)는 가운데가 비고 양단이 오픈된 실린더로서, 상기 임펠러 헤드의 말단에서 베어링(6)을 통해 메인 프레임(2) 내에서 지지된다. 상기 베어링은 SKF 사에 의해 생산되는 이중-열 원뿔형 롤러 베어링일 수 있으며, 이는 첫째로 그리고 가장 중요하게도, 큰 부하(loads)에서도 작동할 수 있고 또한 복합 부하들이 상기 구조에 작용할 수 있음을 의미한다. 나아가, 상기 베어링 및 충돌 부하로부터 발생되는 조건들에 호환 가능한 다른 종류의 베어링도 사용된다.
베어링(6)의 내부 링은 풍력 회전자(4)를 감싸거나, 혹은 상기 베어링은 장력을 갖고 풍력 회전자(4)의 외면에 고정되거나 혹은 볼트들(도시되지 않음)에 의해 풍력 회전자(4)의 외면상의 테두리에 고정되며, 이에 따라 베어링(6)의 상기 내부 링과 풍력 회전자(4)의 외면 사이의 고정 관계가 확보될 수 있다. 풍력 회전자(4)의 상기 임펠러 헤드의 측부에 풍력 회전자(4) 차축의 내부를 향해 연장되는 테두리(7)가 있으며, 테두리(7)는 장치들을 고정시키기 위해 뚫린 개구들을 가지고, 풍력 터빈(1) 조립 공정 시에 인스톨되는 상기 임펠러 헤드를 홀딩하게 된다.
풍력 터빈(1)의 메인 프레임(2)은 이에 고정된 고정자 몸체(5)를 가지며, 고정자 몸체(5)는 풍력 회전자(4)를 둘러싸고, 또한 고정자 와인딩들(12) 및 베어링(6)의 외부 링에 연결된다. 이러한 방법으로, 베어링(6)의 상기 외부 링 및 고정자 몸체(5)의 메인 프레임(2)에 대해 움직이지 않은 연결이 확보된다.
도면에 도시된 풍력 회전자(4)는, 내경(D1)을 풍력 회전자(4)의 내경(D2)으로 증가시킬 수 있는 원뿔부(9)를 더 포함한다(D2>D1). 원뿔부(9)는 개구들(10)을 더 포함하며, 냉각을 위해 사용되는 공기가 개구들(10)을 통해 고정자 몸체(5)로 이동할 수 있다. 회전자 와인딩들 혹은 자석들(11)은 고정자 몸체(5) 측부 상의 풍력 회전자(4)의 외면상에 고정된다. 고정자 몸체(5)의 내면 상에 고정자 와인딩들(12)이 고정되며, 고정자 와인딩들(12)의 폭은 회전자 와인딩들(11)의 폭에 대응한다. 동시에, 회전자 와인딩들과 고정자 와인딩들 모두는, 풍력 터빈(1)의 유지 및 수리에 편리하도록 복수의 세그먼트들로 분리될 수 있다.
적절한 작동을 위해 필요한 고정자(12)와 회전자(11) 사이의 에어 갭(S)을 확보하기 위해, 고정자 몸체(5)와 풍력 회전자(4)는 지지 베어링(13)을 통해 상호간에 지지된다. 지지 베어링(13)은 내부 베어링 링을 통해 풍력 회전자(4)의 말단 상의 지지부(14)에 고정된다. 지지부(14) 자체는 풍력 회전자(4)의 배부(rear part)에 위치한 말단 플레이트(15)에 고정되며, 말단 플레이트(15)는 상기 풍력 회전자에 연결되며 상기 임펠러 헤드로부터 이격된다. 말단 플레이트(15)는 공기를 냉각시키기 위한 개구들(16)을 포함한다. 지지부(14)는 풍력 회전자(4)의 차축 방향으로 말단 플레이트(15)의 중심부에 위치하고 실린더 형상을 가지며, 상기 실린더의 외면은 지지 베어링(13)의 상기 내부 링과의 연결을 보유한다. 베어링(13)의 외부 링은 고정자 몸체(5)의 말단에 위치한 말단 플레이트(17)를 통해 고정자 몸체(5)에 고정된다. 양 풍력 회전자(4) 및 고정자 몸체(5)의 말단 플레이트들(15, 17)은, 상기 발전기 부로부터의 공기를 냉각시키는 데 보다 자유로운 통로를 확보하기 위해 바퀴살로 제작될 수 있다.
지지 베어링(13)의 주 임무는 회전자(11)와 고정자(12) 사이의 영구적인 갭(S)을 확보하는 것이며, 이는 결과적으로 풍력 터빈(1)의 작동에 필수적인 것이다.
전술한 풍력 터빈의 장점은 풍력 터빈(1) 전체의 무게 중심, 주로 회전자(11)와 고정자(12)의 무게 중심이 상기 타워의 중심축에 보다 가까이 형성될 수 있는 것이며, 이는 결과적으로 메인 프레임(2, 2')의 콘솔 구조상에 작용하는 부하를 줄일 수 있다.
풍력 터빈(1)의 몸체는 테두리 연결부들을 통해 상기 타워에 고정될 수도 있으나, 이는 본원 발명의 기술적 솔루션에 관계없는 것이므로 여기에서는 자세히 설명하지 않는다.
당해 기술 분야에 종사하는 사람이라면 본 발명에 따른 풍력 터빈 구조가 전술한 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 풍력 회전자의 길이는 변경될 수 있으며, 블레이드들로부터 발전기 부의 배면 말단에 이르는 전체 풍력 터빈의 치수가 최소가 되도록 하거나 혹은 오직 하나의 베어링만을 사용하도록 하여, 상기 구조물이 보다 가볍도록 하고 인스톨 및 작동이 보다 쉽도록 할 수 있을 것이다.

Claims (7)

1. 타워; 발전기 부(3)를 둘러싸는 터빈의 가운데가 빈 실린더 형상의 메인 프레임(2, 2'); 및 임펠러 헤드를 포함하며, 상기 발전기 부(3)는, 외면이 회전 와인딩들 혹은 자석들(11)의 전체 폭을 필수적으로 포함하는 가운데가 빈 실린더 형상의 풍력 회전자(4)를 포함하는 풍력 터빈(1)에 있어서,
   상기 회전자(4)는 상기 임펠러 헤드에 연결되고, 상기 풍력 터빈(1)의 상기 메인 프레임(2, 2')은 상기 임펠러 헤드 측에서만 고정자 몸체(5)에 연결되어 상기 고정자 몸체(5)의 나머지 부분과는 에어 갭에 의해 분리되고,
   상기 고정자 몸체(5)에는 베어링(6)의 외부 링이 고정되며,
   상기 임펠러 헤드 측 상의 상기 풍력 회전자(4)는, 상기 풍력 회전자(4)를 상기 메인 프레임(2)에 지지시키기 위해 제공되는 베어링(6)의 내부 링에 직접 고정되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 베어링(6)의 내부 링과 상기 고정자 몸체(5)는 상기 메인 프레임(2)의 상기 임펠러 헤드 측에 고정되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 고정자 몸체(5)의 내면은, 상기 풍력 회전자(4)의 외면 상에 전체 폭이 필수적으로 제공되는 회전자 와인딩들(11)의 폭에 대응하는 정도로 고정되는 고정자 와인딩들(12)을 가지며, 상기 고정자 및 회전자(12, 11)의 와인딩들(12, 11) 사이에는 고정된 에어 갭(S)이 존재하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 임펠러 헤드 반대편의 상기 풍력 회전자(4)의 일단에 말단 플레이트(15)가 존재하며,
   상기 말단 플레이트(15)의 중앙부는 동일한 차축을 갖는 상기 풍력 회전자(4)의 차축을 향하는 실린더 형상의 지지부(14)를 포함하고, 상기 말단 플레이트(15)의 외면은 지지 베어링(13)의 내부 링과 작용하며,
   상기 임펠러 헤드 반대편의 상기 고정자 몸체(5)의 일단에는 말단 플레이트(17)가 존재하며,
   상기 말단 플레이트(17)의 중앙부는 상기 베어링(13)의 외경에 대응하는 직경을 갖는 지지 테두리와 함께 개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 개구를 갖는 말단 플레이트(17)는 상기 베어링(13)의 외부 링에 지지되어, 상기 외부 링의 외면과 상기 말단 플레이트의 지지 테두리 내의 상기 개구 사이에는 장력이 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
6. 상기 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 베어링(6)은 이중-열 원뿔형 롤러 베어링 혹은 삼중-열 롤러 베어링인 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
7. 타워, 발전기 부(3)를 둘러싸는 풍력 터빈의 메인 프레임(2, 2'), 임펠러 헤드 및 상기 타워에 연결되는 연결부를 포함하며, 상기 발전기 부(3)는, 고정자 몸체(5)에 의해 둘러싸이고 가운데가 빈 실린더 형상의 풍력 회전자(4)를 포함하는 풍력 터빈(1)에 있어서,
   상기 풍력 회전자(4)는 상기 임펠러 헤드의 측부 상에서 베어링(6)을 통해 상기 메인 프레임(2) 상으로 지지되어, 상기 고정자 몸체(5)가 상기 메인 프레임(2)에 고정된 상기 베어링(6)의 외부 링에 고정되며,
   상기 고정자 몸체(5)는 상기 메인 프레임(2)의 상기 임펠러 헤드의 말단에 고정되고,
   상기 임펠러 헤드로부터 이격된 상기 풍력 회전자(4)의 일단은, 동일한 차축을 갖는 상기 풍력 회전자(4)의 차축을 향하는 실린더 형상의 지지부(14)를 가운데에 포함하고 외면에 지지 베어링(13)의 내부 링을 포함하는 말단 플레이트(15)를 구비하며,
   상기 임펠러 헤드로부터 이격된 상기 고정자 몸체(5)의 일단은, 상기 베어링(13)의 외경에 대응하는 직경을 갖는 지지 테두리와 함께 개구를 가운데에 포함하는 말단 플레이트(17)를 구비하며,
   상기 개구를 갖는 상기 말단 플레이트(17)는 상기 베어링(13)의 외부 링에 지지되어, 상기 외부 링의 외면과 상기 말단 플레이트(17)의 상기 개구 사이에는 장력이 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.

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