KR101337622B1

KR101337622B1 - 풍력 발전기

Info

Publication number: KR101337622B1
Application number: KR1020120060988A
Authority: KR
Inventors: 최상민; 문성욱; 하광태; 전춘식; 김성훈; 한스-게오르그 헤르만 뵈메케
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2013-12-05

Abstract

풍력 발전기가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는, 로터 허브, 로터 블레이드 및 로터 허브에 설치되어 로터 블레이드를 회전 가능하게 지지하는 피치 베어링을 포함하는 풍력 발전기로서, 피치 베어링은, 로터 허브 일측에 결합되는 외륜 및 외륜의 내주면 상에 회전 가능하게 결합되되 로터 블레이드의 일단부가 결합되는 내륜을 포함하고, 내륜의 내주면 상에 내륜의 반경 방향으로 내륜의 내주면을 지지하기 위한 보강 부재가 설치되되, 보강 부재는, 내륜의 회전축의 연장 방향으로 볼 때 일단부가 내륜의 내주면 상에 위치되고 타단부가 내륜으로부터 로터 블레이드 방향으로 돌출되며, 타단부가 로터 블레이드 일단부의 내주면을 지지하도록 형성된다.

Description

풍력 발전기{WIND POWER GENERATOR}

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 로터 허브, 로터 블레이드 및 상기 로터 허브에 설치되어 상기 로터 블레이드를 회전 가능하게 지지하는 피치 베어링을 포함하는 풍력 발전기에 관한 것이다.

풍력 발전은 자연 에너지인 풍력을 이용하여 전력을 생산하는 것으로 기존의 화석 연료를 이용한 발전 방식과는 달리 공해가 발생하지 않는 전력 생산 방식이다.

풍력 발전기는 풍력에 의해 회전되는 로터(rotor)와, 로터에 연결되어 회전 운동을 전달하는 드라이브 트레인(저속축, 증속기, 고속축)과 이의 후단에 연결된 발전기, 상기 기기들이 설치되는 너셀(nacelle) 및 너셀을 지지하는 타워(tower)로 구성될 수 있다.

일반적으로, 로터는 로터 허브 및 로터 블레이드로 구성되며, 효율적인 전력 생산을 위하여 바람의 변화에 따라 로터 블레이드의 피치 각도를 조절할 수 있다.

이에 따라, 풍력 발전기의 로터에는 로터 허브에 설치되어 로터 블레이드를 회전 가능하게 지지하는 피치 베어링이 구비될 수 있다.

그런데, 피치 베어링은 상대적으로 큰 직경에 비해 얇은 두께로 형성됨에 따라, 피치 베어링 및 피치 베어링이 결합되는 로터 블레이드의 루트 부분에서 타원변형(ovalization)과 같은 변형이 발생하고, 결과적으로 피치 베어링 및 로터 블레이드의 피로 수명이 낮아지는 문제가 발생한다.

특허문헌 1 : 일본공표특허공보 특표2008-545089호

본 발명의 일 실시예는 피치 베어링의 변형을 방지하는 풍력 발전기를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 로터 블레이드 루트 부분의 변형을 방지하는 풍력 발전기를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 로터 허브, 로터 블레이드 및 상기 로터 허브에 설치되어 상기 로터 블레이드를 회전 가능하게 지지하는 피치 베어링을 포함하는 풍력 발전기로서, 상기 피치 베어링은, 상기 로터 허브 일측에 결합되는 외륜 및 상기 외륜의 내주면 상에 회전 가능하게 결합되되 상기 로터 블레이드의 일단부가 결합되는 내륜을 포함하고, 상기 내륜의 내주면 상에 상기 내륜의 반경 방향으로 상기 내륜의 내주면을 지지하기 위한 보강 부재가 설치되되, 상기 보강 부재는, 상기 내륜의 회전축의 연장 방향으로 볼 때 일단부가 상기 내륜의 내주면 상에 위치되고 타단부가 상기 내륜으로부터 상기 로터 블레이드 방향으로 돌출되며, 상기 타단부가 상기 로터 블레이드 일단부의 내주면을 지지하도록 형성되는, 풍력 발전기가 제공된다.

삭제

이 때, 상기 보강 부재 타단부의 모서리가 비스듬하게 깎여진 형태로 형성될 수 있다.

이 때, 상기 로터 블레이드의 일단부 내주면에는 삽입홈이 형성되며, 상기 보강 부재의 타단부는 상기 삽입홈에 삽입될 수 있다.

한편, 상기 보강 부재는, 상기 내륜의 회전축의 연장 방향으로 볼 때, 상기 내주면에 형성되는 치차의 측부에 위치될 수 있다.

한편, 상기 보강 부재는 판 형태로 형성될 수 있다.

또한, 상기 보강 부재는 링 형태로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 피치 베어링의 내주면에 보강 부재를 설치함으로써, 피치 베어링의 변형을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 피치 베어링의 내주면에 로터 블레이드 루트 방향으로 연장 돌출된 보강 부재를 설치함으로써, 로터 블레이드 루트 부분의 변형을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에서 로터 블레이드와 피치 베어링의 조립 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에서 로터 허브와 피치 베어링 및 로터 블레이드의 조립 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에서 로터 부분의 일 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 로터 부분에 다른 형태의 보강 부재가 적용된 상태의 일 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기(10)는 복수 개의 로터 블레이드(200)가 결합된 로터 허브(100)가 너셀(500)에 설치되며, 너셀(500)은 타워(600)에 의해 지지될 수 있다.

한편, 로터 허브(100) 및 로터 블레이드(200)를 포함하여 "로터"라고 지칭하며, 이하 설명에서도 동일하다.

풍력에 의하여 로터 블레이드(200)가 저항을 받게 되고, 이에 따라 로터 블레이드(200)가 결합된 로터 허브(100)가 회전하여 너셀(500) 내부에 구비된 발전기(미도시)를 구동시킴으로써 전력이 생산된다.

이 때, 바람의 변화에 따른 효율적인 전력 생산을 위하여, 로터 블레이드(200)는 로터 허브(100)에 대하여 상대적으로 회전이 가능하도록 로터 허브(100)에 설치되어 있는데, 도 1에서 도시된 화살표 방향으로 로터 블레이드(200)가 회전함으로써, 피치(pitch) 각도를 조절할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 로터 블레이드(200)는 피치 베어링을 통하여 로터 허브(100)에 회전 가능하도록 결합되는데, 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에서 피치 베어링을 포함한 로터의 구성을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에서 로터 블레이드와 피치 베어링의 조립 모습을 도시한 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에서 로터 허브와 피치 베어링 및 로터 블레이드의 조립 모습을 도시한 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에서 로터 부분의 일 단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는 로터 블레이드(200)의 일단부가 피치 베어링(300)을 통해서 로터 허브(100)의 일측에 회전 가능하게 결합될 수 있다.

이 때, 로터 블레이드(200)는 바람을 받는 날개로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 길게 연장된 형태이며, 로터 허브(100) 측에 결합되는 루트(root)부에서 끝단의 팁(tip)부로 갈수록 그 단면이 원형에서 에어포일(airfoil) 형상으로 형성될 수 있다.

또한, 로터 허브(100)는 복수 개의 로터 블레이드(200)가 결합된 부분으로서, 바람에 의해서 로터 블레이드(200)가 받는 항력에 의해 회전함으로써 로터 허브(100)에 연결된 구동축(미도시)을 회전시키게 되며, 구동축의 회전으로 발전기(미도시)를 작동시킬 수 있다.

이 때, 로터 허브(100)의 일측에 결합되는 로터 블레이드(200)는 로터 허브(100)에 대해 상대적으로 회전함으로써, 바람을 받는 피치 각도를 변경할 수 있다.

이 때, 로터 블레이드(200)를 회전시키기 위하여, 로터 허브(100)의 일측에는 구동 모듈(150)이 구비될 수 있다.

이 때, 구동 모듈(150)은 구동 모터, 기어 장치 등을 포함할 수 있으며, 후술할 피치 베어링(300)을 회전시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에서, 피치 베어링(300)은 로터 블레이드(200)가 로터 허브(100)에 대해 상대적으로 회전하는 경우에 회전이 원활하게 이루어지도록 하는 구성으로, 도 3을 참조하면, 로터 블레이드(200)의 일단부, 즉 루트부와 로터 허브(100)의 일측 사이에 배치될 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 피치 베어링(300)은 외륜(320) 및 외륜(320)의 내주면 상에 회전 가능하게 결합되는 내륜(340)을 포함한다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 외륜(320)은 링 형태로 형성되며, 로터 허브(100)의 일측에 결합될 수 있다.

이 때, 외륜(320)에는 복수 개의 결합 홀(360)이 형성될 수 있으며, 이에 따라, 결합 홀(360)을 관통하는 결합 수단(미도시)을 이용하여 로터 허브(100)의 일측에 용이하게 결합될 수 있다.

이 때, 전술한 결합 수단은 볼트 및 너트일 수 있으나, 이에 한정되지 아니하며 다양한 체결 장치를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 외륜(320)의 내주면에는 볼(ball)과 같은 회전 부재에 의하여 내륜(340)이 회전 가능하도록 결합될 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내륜(340)은 전술한 외륜(320)과 동심(同心)을 가지는 링 형태로 형성되며, 로터 블레이드(200)의 일단부, 즉 루트부에 결합될 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내륜(340)에는 복수 개의 결합 홀(360)이 형성될 수 있다.

이 때, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 로터 블레이드(200)의 루트부에는 복수 개의 제 1 결합 부재(220)가 형성될 수 있으며, 이는 내륜(340)에 형성된 결합 홀(360)을 관통하여 제 1 결합 부재(220)에 대응되는 제 2 결합 부재(370)와 체결될 수 있다.

이에 따라, 내륜(340)은 로터 블레이드(200)의 루트부와 용이하게 결합될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내륜(340)의 내주면에는 치차(齒車)(342)가 형성될 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 치차(324)는 내륜(340)의 내주면의 일측에만 형성될 수 있는데, 도 3에 도시된 바와 같이, 치차(342)는 내륜(340)의 내주면에서 로터 허브(100) 측에 형성될 수 있다.

이에 따라, 로터 허브(100)에 설치되는 전술한 구동 모듈(150)의 기어 장치가 내륜(340)에 형성된 치차(342)에 동력적으로 연결됨으로써, 구동 모듈(150)에 의하여 내륜(340)이 회전될 수 있으며, 결과적으로 내륜(340)과 결합된 로터 블레이드(200)가 로터 허브(100)에 대하여 상대적으로 회전할 수 있다.

이 때, 로터 블레이드(200)가 회전함으로써, 바람을 받는 피치 각도가 변화될 수 있기 때문에, 바람의 변화에 대응하여 풍력 발전기의 전력 생산 효율을 높일 수 있다.

한편, 로터 허브(100)와 로터 블레이드(200)의 결합 구조상, 전술한 피치 베어링(300)은 큰 직경에 비하여 얇은 두께로 형성될 수 있는 바, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는 피치 베어링(300)을 보강하기 위한 보강 부재(400)를 포함할 수 있다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에서, 보강 부재(400)는 피치 베어링(300)의 내륜(340)의 내주면 상에 설치될 수 있다.

이는, 내륜(340)의 반경 방향으로 가해지는 외력에 의한 변형력에 대응할 수 있도록, 내륜(340)의 반경 방향으로 내륜(340)의 내주면을 지지하기 위함이다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 보강 부재(400)는 판 형태로 형성될 수 있다. 또한, 보강 부재(400)는 링 형태로 형성될 수 있다.

이에 따라, 보강 부재(400)의 외주면이 내륜(340)의 내주면에 완전히 밀착될 수 있으며, 보강 부재(400)가 내륜(340)의 내주면에 설치된 상태에서 보강 부재(400) 및 내륜(340)은 동심원을 형성하게 된다. 또한, 구조적으로 내륜(340)의 강성을 향상시킬 수 있다.

다만, 보강 부재(400)의 형상은 이에 한정되지 아니하며, 내륜(340)의 반경 방향의 변형력을 지지할 수 있도록 다양한 형태로 형성될 수 있다.

예컨대, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 보강 부재(400)는 내륜(340)의 반경 방향으로 연장된 바(bar) 형태의 복수 개의 부재가 회전축(350)을 중심으로 방사형으로 배열되는 형태로도 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 보강 부재(400)는, 내륜(340)의 회전축(350)이 연장된 방향으로 볼 때, 내륜(340)의 내주면에 형성되는 전술한 치차(342)의 측부에 위치될 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 보강 부재(400)는 치차(342)가 형성되어 있지 아니한, 내륜(340)의 내주면에서, 로터 블레이드(200) 측에 설치될 수 있다.

이에 따라, 보강 부재(400)는 내륜(340)의 회전축(350) 방향으로 연장 형성됨으로써 로터 블레이드(200)를 보강하는 역할을 수행할 수도 있는데, 이에 대해서는 다른 형태의 보강 부재(400)로서 후에 상세히 설명한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 보강 부재(400)는 내륜(340)의 내주면에 수축끼워맞춤(shrinkage fit) 방식으로 설치될 수 있다.

이에 따라, 보강 부재(400)는 내륜(340)의 내주면에 열박음 될 수 있는데, 보다 상세히, 처음에 보강 부재(400)의 외경은 내륜(340)의 내경보다 크게 제작되어, 조립시 내륜(340)을 가열하여 확장시킨 후, 보강 부재(400)를 내륜(340)에 삽입한 다음, 내륜(340)을 다시 수축시킴으로써, 보강 부재(340)를 내륜(340)에 끼워 맞출 수 있다.

따라서, 보강 부재(400)는 내륜(340)의 내주면에 매우 견고히 고정 설치될 수 있다.

한편, 전술하였듯이 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는, 변형된 형태의 보강 부재(400)를 통하여 로터 블레이드(200)의 루트부를 보강할 수 있는데, 이하, 다른 형태의 보강 부재(400)에 대하여 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 로터 부분에 다른 형태의 보강 부재가 적용된 상태의 일 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이, 보강 부재(400)는 내륜(340)의 회전축(350) 방향으로 연장된 형태로 형성될 수 있다.

이 때, 보강 부재(400)는 내륜(340)의 로터 블레이드(200) 측 내주면에 설치될 수 있으므로, 보강 부재(400)의 일부가 로터 블레이드(200) 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다.

따라서, 도 5를 참조하면, 보강 부재(400)는 회전축(350)의 연장 방향으로 볼 때, 일단부가 내륜(340)의 내주면 상에 위치되고, 타단부가 내륜(340) 측으로부터 로터 블레이드(200) 방향으로 돌출됨으로써, 로터 블레이드(200)의 일단부, 즉 루트부의 내주면을 지지할 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 로터 블레이드(200) 루트부에는 삽입홈(250)이 형성될 수 있는데, 이에 따라, 전술한 루트부의 내주면은 삽입홈(250)의 내측면을 포함하는 의미이다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 보강 부재(400)의 타단부는 로터 블레이드(200)의 삽입홈(250)에 삽입될 수 있으며, 삽입된 보강 부재(400)의 타단부는 로터 블레이드(200) 루트부의 내주면, 또는 삽입홈(250)의 내측면에 끼워진 상태로, 로터 블레이드(200) 루트부를 보강할 수 있다.

이 때, 보강 부재(400)는 로터 블레이드(200) 루트부에서 반경 방향으로 가해지는 변형력을 지지할 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 보강 부재(400)의 타단부가 로터 블레이드(200) 루트부 또는 삽입홈(250)에 끼워질 수 있도록, 보강 부재(400) 타단부의 외경은 로터 블레이드(200) 루트부(또는 삽입홈(250))의 내경과 동일한 크기로 형성될 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 보강 부재(400) 타단부의 모서리가 비스듬하게 깎여진 형태로 형성될 수 있다.

즉, 도 5를 참조하면, 로터 블레이드(200)의 삽입홈(250)에 삽입된 보강 부재(400)의 타단부 모서리는 모따기(chamfering) 가공이 될 수 있다.

이에 따라, 로터 블레이드(200) 및 보강 부재(400)가 결합된 피치 베어링(300) 간에 결합이 용이해질 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는 피치 베어링(300) 내륜(340)의 내주면에 보강 부재(400)를 설치함으로써, 피치 베어링(300)의 변형을 방지할 수 있다. 또한, 보강 부재(400)를 로터 블레이드(200) 측으로 연장되도록 형성함으로써, 로터 블레이드(200) 루트부의 변형도 함께 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는 보강 부재(400)를 포함함으로써, 피치 베어링(300) 및 로터 블레이드(200)의 피로 수명이 연장되는 효과를 발휘할 수 있다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

10 풍력 발전기 100 로터 허브
150 구동 모듈 200 로터 블레이드
250 삽입홈 300 피치 베어링
320 외륜 340 내륜
342 치차 350 회전축
360 결합 홀 370 결합 부재
400 보강 부재 500 너셀
600 타워

Claims

로터 허브, 로터 블레이드 및 상기 로터 허브에 설치되어 상기 로터 블레이드를 회전 가능하게 지지하는 피치 베어링을 포함하는 풍력 발전기로서,
상기 피치 베어링은,
상기 로터 허브 일측에 결합되는 외륜 및
상기 외륜의 내주면 상에 회전 가능하게 결합되되 상기 로터 블레이드의 일단부가 결합되는 내륜을 포함하고,
상기 내륜의 내주면 상에 상기 내륜의 반경 방향으로 상기 내륜의 내주면을 지지하기 위한 보강 부재가 설치되되,
상기 보강 부재는,
상기 내륜의 회전축의 연장 방향으로 볼 때 일단부가 상기 내륜의 내주면 상에 위치되고 타단부가 상기 내륜으로부터 상기 로터 블레이드 방향으로 돌출되며,
상기 타단부가 상기 로터 블레이드 일단부의 내주면을 지지하도록 형성되는, 풍력 발전기.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 보강 부재 타단부의 모서리가 비스듬하게 깎여진 형태로 형성되는, 풍력 발전기.
제 3항에 있어서,
상기 로터 블레이드의 일단부 내주면에는 삽입홈이 형성되며,
상기 보강 부재의 타단부는 상기 삽입홈에 삽입되는, 풍력 발전기.
제 1항에 있어서,
상기 보강 부재는, 상기 내륜의 회전축의 연장 방향으로 볼 때, 상기 내주면에 형성되는 치차의 측부에 위치되는, 풍력 발전기.
제 1항에 있어서,
상기 보강 부재는 판 형태로 형성되는, 풍력 발전기.
제 1항에 있어서,
상기 보강 부재는 링 형태로 형성되는, 풍력 발전기.