KR101400203B1 - 밸런싱 장치 및 이를 이용한 풍력 발전기용 블레이드 장착 방법 - Google Patents

밸런싱 장치 및 이를 이용한 풍력 발전기용 블레이드 장착 방법 Download PDF

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Abstract

밸런싱 장치 및 이를 이용한 풍력 발전기용 블레이드 장착 방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 밸런싱 장치는, 풍력 발전기의 허브의 회전 축(Axis)에 정렬되고, 회전 축을 중심으로 허브와 함께 회전 가능하도록 허브의 전면에 결합되는 회전 지그; 및 회전 지그에 연결되는 크레인을 포함하되, 크레인은 허브에 결합되는 블레이드에 의해 허브에 발생하는 회전 토크를 상쇄시키도록, 회전 토크의 반대 방향으로 회전 지그에 하중을 작용시킨다.

Description

밸런싱 장치 및 이를 이용한 풍력 발전기용 블레이드 장착 방법{BALANCING DEVICE AND METHOD FOR MOUNTING WIND TURBINE BLADE USING THE SAME}
본 발명은 밸런싱 장치 및 이를 이용한 풍력 발전기용 블레이드 장착 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 풍력 발전기의 허브에 결합되는 블레이드의 불균형 자중에 의한 회전 토크를 상쇄시키는 밸런싱 장치 및 이를 이용한 풍력 발전기용 블레이드 장착 방법에 관한 것이다.
풍력은 자연 상태의 무공해 에너지원으로서, 대체 에너지원 중 경제성이 높은 에너지원의 하나이다. 이러한 풍력을 이용한 풍력 발전기는 바람의 에너지를 회전 운동 에너지로 변환한 후, 다시 이를 전기 에너지로 변환하는 전력 변환 장치를 말한다.
최근에는, 풍력 발전기가 대형화됨에 따라, 블레이드의 크기 또한 대형화되고 있으며, 이로 인해 블레이드의 조립에도 넓은 공간을 필요로 한다. 이를 충족시키기 위한 방법으로는, 나셀 및 허브를 타워에 조립한 후, 블레이드를 공중에서 허브에 조립하는 방법이 사용되고 있다.
그런데, 공중에서 블레이드를 허브에 조립한 후, 로터 락킹을 해제하고 블레이드를 지지하는 크레인을 블레이드로부터 분리하면, 조립된 블레이드의 자중에 의해 허브에 불균형 회전 토크가 발생하고, 불균형 회전 토크에 의해 기어 박스 등의 장치가 손상되는 문제점이 발생할 수 있다.
일본공개특허 특개2008-128253(2008.06.05) 미국공개특허 US2010/0018055(2010.01.28)
본 발명의 실시 예는, 허브에 조립되는 블레이드의 자중에 의한 불균형 회전 토크를 최소화할 수 있는 밸런싱 장치 및 이를 이용한 풍력 발전기용 블레이드 장착 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력 발전기의 허브의 회전 축(Axis)에 정렬되고, 상기 회전 축을 중심으로 상기 허브와 함께 회전 가능하도록 상기 허브의 전면에 결합되는 회전 지그; 및 상기 회전 지그에 연결되는 크레인을 포함하되, 상기 크레인은, 상기 허브에 결합되는 블레이드에 의해 상기 허브에 발생하는 회전 토크를 상쇄시키도록, 상기 회전 토크의 반대 방향으로 상기 회전 지그에 하중을 작용시키는, 밸런싱 장치가 제공될 수 있다.
상기 회전 지그는, 상기 허브의 회전 축(Axis)에 정렬되도록 상기 허브의 전면에 결합되는 결합부; 및 상기 결합부를 중심으로 반경 방향 외측으로 연장되며, 상기 크레인의 와이어가 연결되는 복수 개의 연결부를 포함할 수 있다.
상기 연결부의 내부에는 작업자의 이동을 위한 내부 공간이 형성될 수 있다.
상기 회전 지그는, 상기 회전 지그를 운반하는 리프팅 장치가 연결되는 고리 형상의 걸이부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 풍력 발전기용 블레이드를 허브에 장착하는 방법에 있어서, (a) 상기 허브의 블레이드 결합부에 상기 블레이드를 결합하는 단계; (b) 상기 블레이드의 자중에 의해 상기 허브에 발생하는 회전 토크의 반대 방향으로 상기 허브에 하중을 작용하는 단계; 및 (c) 상기 허브에 작용하는 상기 하중을 점진적으로 감소시켜가며, 상기 블레이드의 자중에 의해 상기 허브를 회전시키는 단계를 포함하는, 풍력 발전기용 블레이드 장착 방법이 제공될 수 있다.
상기 허브의 회전 축(Axis)에 정렬되는 회전 지그를 상기 허브의 전면에 결합하고, 상기 회전 지그에 크레인을 연결하여, 상기 단계 (b) 및 상기 단계 (c)를 수행할 수 있다.
상기 풍력 발전기용 블레이드 장착 방법은, 상기 단계 (c) 이후에, (d) 상기 회전 지그에 대한 상기 크레인의 연결 위치를 이동하는 단계; 및 (e) 상기 허브의 다른 블레이드 결합부가 다른 블레이드와의 결합 위치에 위치하도록, 상기 크레인이 상기 회전 지그를 회전시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 블레이드의 조립 작업 시, 블레이드의 자중에 의해 발생하는 허브의 불균형 회전 토크를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 밸런싱 장치의 회전 지그가 결합된 허브를 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1의 회전 지그와 허브를 보여주는 분해 사시도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 밸런싱 장치를 이용하여 허브에 제 1 블레이드를 장착하는 과정을 보여주는 도면들이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 밸런싱 장치를 이용하여 허브에 제 2 블레이드를 장착하는 과정을 보여주는 도면들이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 밸런싱 장치를 이용하여 허브에 제 3 블레이드를 장착하는 과정을 보여주는 도면들이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 밸런싱 장치의 회전 지그가 결합된 허브를 보여주는 사시도이고, 도 2는 도 1의 회전 지그와 허브를 보여주는 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 나셀(미도시)의 전방에 회전 가능하게 결합되는 허브(100)는 허브 몸체(110), 개구부(120), 메인 샤프트 결합부(130), 그리고 제 1 내지 제 3 블레이드 결합부(140a, 140b, 140c)를 포함한다.
허브 몸체(110)는 속이 빈 중공 형상을 가질 수 있다. 개구부(120)는 허브 몸체(110)의 전방에 형성되며, 개구부(120)의 중심은 허브 몸체(110)의 회전 축(Axis) 상에 위치할 수 있다. 개구부(120)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 삼각형 모양으로 형성될 수 있고, 이외에도 사각형, 오각형 등의 다각형 모양 또는 원형 모양으로 형성될 수도 있다. 개구부(120)에는 후술할 회전 지그(200)가 결합된다.
메인 샤프트 결합부(130)는 개구부(120)와 서로 마주보도록 허브 몸체(110)의 후방에 제공되고, 메인 샤프트 결합부(130)에는 에너지 변환 장치(미도시)의 메인 샤프트(미도시)가 결합된다.
제 1 내지 제 3 블레이드 결합부(140a, 140b, 140c)는 허브 몸체(110)의 측면에 제공된다. 제 1 내지 제 3 블레이드 결합부(140a, 140b, 140c)는 방사 형태를 이루도록 허브 몸체(110)의 측면 둘레를 따라 동일한 간격으로 제공될 수 있다. 제 1 내지 제 3 블레이드 결합부(140a, 140b, 140c)에는 블레이드(미도시)가 각각 결합된다.
블레이드(미도시)가 제 1 내지 제 3 블레이드 결합부(140a, 140b, 140c)에 하나씩 순차적으로 결합될 때, 허브(100)에는 조립되는 블레이드(미도시)의 자중에 의해 불균형 회전 토크가 발생하며, 불균형 회전 토크는 허브(100)의 후단에 연결되는 기어 박스 등의 장치를 손상시킬 수 있다.
이를 방지하기 위하여, 본 발명은 허브(100)에 결합되는 블레이드(미도시)의 불균형 자중에 의한 회전 토크를 상쇄시키는 밸런싱 장치를 제공한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 밸런싱 장치는 회전 지그(200) 및 크레인(미도시)을 포함한다.
회전 지그(200)는 허브(100)의 개구부(120)에 결합되어 그 중심이 허브(100)의 회전 축(Axis)에 정렬되고, 회전 축(Axis)을 중심으로 허브(100)와 함께 회전될 수 있다. 구체적으로, 회전 지그(200)는 결합부(220), 복수 개의 연결부(240a, 240b, 240c) 및 걸이부(260)를 포함할 수 있다.
결합부(220)는 허브(100)의 개구부(120)에 대응하는 단면 형상을 가지는 기둥 모양으로 제공될 수 있고, 결합부(220)의 일단은 허브(100)의 개구부(120)에 끼워 맞춤 방식 또는 볼트 체결 방식으로 결합될 수 있다.
연결부(240a, 240b, 240c)는 복수 개, 예를 들어 3개 또는 그 이상의 개수로 제공될 수 있고, 결합부(220)를 중심으로 반경 방향 외측으로 연장된다. 연결부(240a, 240b, 240c)는 동일한 길이를 가지고, 서로 간에 등각을 이루도록 연장될 수 있을 뿐만 아니라, 이와 달리 서로 다른 길이 및 서로 다른 사잇각을 가지도록 연장될 수도 있다.
연결부(240a, 240b, 240c)의 내부에는 작업자의 이동을 위한 내부 공간이 형성될 수 있고, 연결부(240a, 240b, 240c)의 선단에는 크레인(미도시)의 와이어가 연결될 수 있다.
걸이부(260)는 고리 형상을 가지고, 결합부(220)의 타단에 결합될 수 있다. 걸이부(260)에는, 회전 지그(200)를 허브(100)에 결합하거나 허브(100)로부터 분리할 때, 회전 지그(200)를 운반하는 리프팅 장치(미도시)가 연결된다.
크레인(미도시)은 회전 지그(200)의 선단에 착탈 가능하게 연결될 수 있고, 허브(100)에 결합되는 블레이드(미도시)의 불균형 자중에 의해 발생하는 회전 토크를 상쇄시키도록, 회전 토크의 반대 방향으로 회전 지그(200)에 하중을 작용시킬 수 있다.
이하에서는, 회전 지그(200)와 크레인(미도시)을 포함하는 상기 밸런싱 장치를 이용하여, 허브(100)에 블레이드(미도시)를 장착하는 과정을 설명한다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 밸런싱 장치를 이용하여 허브에 제 1 블레이드를 장착하는 과정을 보여주는 도면들이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 먼저 허브(100)의 전면에 회전 지그(200)가 결합된다. 이 상태에서, 회전 지그(200)의 제 1 연결부(240a)에 크레인(미도시)의 와이어가 연결되고, 크레인의 동작에 의해 회전 지그(200)와 함께 허브(100)가 회전하여 제 1 블레이드 결합부(140a)가 수평 방향(3시 방향)을 향하도록 위치한다. (도 3)
본 실시 예에서는, 회전 지그(200)에 크레인을 연결하여, 제 1 블레이드 결합부(140a)가 수평 방향(3시 방향)을 향하도록 허브(100)를 회전시키는 경우를 예로 들어 설명하지만, 이와 달리 허브(100)는 발전기(미도시), 증속기(미도시) 및 메인 샤프트(미도시)를 통해 허브(100)로 전달되는 회전력에 의해 회전될 수도 있다. 발전기로부터 허브(100)로 전달되는 회전력에 의해 허브(100)를 회전시키는 것은, 허브(100)에 최초로 블레이드를 결합하는 경우에만 적용될 수 있다.
제 1 블레이드 결합부(140a)가 수평 방향을 향한 상태에서, 허브(100)는 회전되지 않도록 고정되고, 크레인이 회전 지그(200)의 제 1 연결부(240a)로부터 분리된다. 분리된 크레인은 제 1 블레이드(BL 1)를 지상으로부터 허브(100)의 제 1 블레이드 결합부(140a)로 들어올리고, 제 1 블레이드(BL 1)는 허브(100)의 제 1 블레이드 결합부(140a)에 결합된다. (도 4)
제 1 블레이드(BL 1)가 결합된 상태에서, 크레인은 제 1 블레이드(BL 1)로부터 분리되고, 다시 회전 지그(200)의 제 1 연결부(240a)에 연결된다. 그리고, 크레인은, 제 1 블레이드(BL 1)의 자중에 의해 발생하는 회전 토크의 반대 방향으로 허브(100)에 하중이 작용하도록, 회전 지그(200)의 제 1 연결부(240a)에 하중을 작용시킨다. (도 5)
크레인이 회전 지그(200)의 제 1 연결부(240a)에 연결된 상태에서, 허브(100)의 고정이 해제되고, 크레인에 의해 허브(100)에 작용하는 하중을 점진적으로 감소시켜가며, 제 1 블레이드(BL 1)의 자중을 이용하여 허브(100)를 수직 방향, 즉 6 시 방향으로 회전시킨다. (도 6)
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 밸런싱 장치를 이용하여 허브에 제 2 블레이드를 장착하는 과정을 보여주는 도면들이다.
도 7 내지 도 10을 참조하면, 제 1 블레이드(BL 1)가 수직 방향(6시 방향)으로 회전된 상태에서, 크레인은 회전 지그(200)의 제 1 연결부(240a)로부터 분리된 후, 다시 회전 지그(200)의 제 3 연결부(240c)에 연결된다. 크레인의 동작에 의해 회전 지그(200)와 함께 허브(100)가 회전하여, 제 2 블레이드 결합부(140b)가 수평 방향(3시 방향)을 향하도록 위치한다. (도 7)
제 2 블레이드 결합부(140b)가 수평 방향을 향한 상태에서, 허브(100)는 회전되지 않도록 고정되고, 크레인이 회전 지그(200)의 제 3 연결부(240c)로부터 분리된다. 분리된 크레인은 제 2 블레이드(BL 2)를 지상으로부터 허브(100)의 제 2 블레이드 결합부(140b)로 들어올리고, 제 2 블레이드(BL 2)는 허브(100)의 제 2 블레이드 결합부(140b)에 결합된다. (도 8)
제 2 블레이드(BL 2)가 결합된 상태에서, 크레인은 제 2 블레이드(BL 2)로부터 분리되고, 다시 회전 지그(200)의 제 2 연결부(240b)에 연결된다. 그리고, 크레인은, 제 1 및 제 2 블레이드(BL 1, BL 2)의 자중에 의해 발생하는 회전 토크의 반대 방향으로 허브(100)에 하중이 작용하도록, 회전 지그(200)의 제 2 연결부(240b)에 하중을 작용시킨다. (도 9)
크레인이 회전 지그(200)의 제 2 연결부(240b)에 연결된 상태에서, 허브(100)의 고정이 해제되고, 크레인에 의해 허브(100)에 작용하는 하중을 점진적으로 감소시켜가며, 제 1 및 제 2 블레이드(BL 1, BL 2)의 자중을 이용하여 허브(100)를 회전시킨다. 이때, 제 1 블레이드(BL 1)는 8 시 방향으로 경사지게 회전되고, 제 2 블레이드(BL 2)는 4 시 방향으로 경사지게 회전된다. (도 10)
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 밸런싱 장치를 이용하여 허브에 제 3 블레이드를 장착하는 과정을 보여주는 도면들이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 제 1 및 제 2 블레이드(BL 1, BL 2)가 각각 8 시 방향과 4 시 방향으로 경사지게 회전된 상태에서, 크레인은 회전 지그(200)의 제 2 연결부(240b)로부터 분리된 후, 다시 회전 지그(200)의 제 1 연결부(240a)에 연결된다. 크레인의 동작에 의해 회전 지그(200)와 함께 허브(100)가 회전하여 제 3 블레이드 결합부(140c)가 수평 방향(3시 방향)을 향하도록 위치한다. (도 11)
제 3 블레이드 결합부(140c)가 수평 방향을 향한 상태에서, 허브(100)는 회전되지 않도록 고정되고, 크레인이 회전 지그(200)의 제 1 연결부(240a)로부터 분리된다. 분리된 크레인은 제 3 블레이드(BL 3)를 지상으로부터 허브(100)의 제 3 블레이드 결합부(140c)로 들어올리고, 제 3 블레이드(BL 3)는 허브(100)의 제 3 블레이드 결합부(140c)에 결합된다. (도 12)
제 3 블레이드(BL 3)가 결합된 후, 크레인은 제 3 블레이드(BL 3)로부터 분리되고, 허브(100)의 고정이 해제된다.
상기의 실시 예에서는, 블레이드(BL 1, BL 2, BL 3)가 수평 방향, 즉 3 시 방향으로 블레이드 결합부(140a, 140b, 140c)에 결합되는 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 블레이드(BL 1, BL 2, BL 3)는 9 시 방향의 수평 방향으로, 또는 1 시 방향, 2 시 방향, 10 시 방향, 11 시 방향 등의 경사진 방향으로, 블레이드 결합부(140a, 140b, 140c)에 결합될 수도 있다.
이상, 본 발명의 실시 예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 허브 110: 허브 몸체
120: 개구부 130: 메인 샤프트 결합부
140a, 140b, 140c: 블레이드 결합부 200: 회전 지그
220: 결합부 240a, 240b, 240c: 연결부
260: 걸이부

Claims (7)

  1. 풍력 발전기의 허브의 회전 축(Axis)에 정렬되고, 상기 회전 축을 중심으로 상기 허브와 함께 회전 가능하도록 상기 허브의 전면에 결합되는 회전 지그; 및
    상기 회전 지그에 연결되는 크레인을 포함하되,
    상기 크레인은, 상기 허브에 결합되는 블레이드에 의해 상기 허브에 발생하는 회전 토크를 상쇄시키도록, 상기 회전 토크의 반대 방향으로 상기 회전 지그에 하중을 작용시키는, 밸런싱 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 지그는,
    상기 허브의 회전 축(Axis)에 정렬되도록 상기 허브의 전면에 결합되는 결합부; 및
    상기 결합부를 중심으로 반경 방향 외측으로 연장되며, 상기 크레인의 와이어가 연결되는 복수 개의 연결부를 포함하는, 밸런싱 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 연결부의 내부에는 작업자의 이동을 위한 내부 공간이 형성되는, 밸런싱 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 회전 지그는,
    상기 회전 지그를 운반하는 리프팅 장치가 연결되는 고리 형상의 걸이부를 더 포함하는, 밸런싱 장치.
  5. 풍력 발전기용 블레이드를 허브에 장착하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 허브의 블레이드 결합부에 상기 블레이드를 결합하는 단계;
    (b) 상기 블레이드의 자중에 의해 상기 허브에 발생하는 회전 토크의 반대 방향으로 상기 허브에 하중을 작용하는 단계; 및
    (c) 상기 허브에 작용하는 상기 하중을 점진적으로 감소시켜가며, 상기 블레이드의 자중에 의해 상기 허브를 회전시키는 단계를 포함하는, 풍력 발전기용 블레이드 장착 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 허브의 회전 축(Axis)에 정렬되는 회전 지그를 상기 허브의 전면에 결합하고, 상기 회전 지그에 크레인을 연결하여, 상기 단계 (b) 및 상기 단계 (c)를 수행하는, 풍력 발전기용 블레이드 장착 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 단계 (c) 이후에,
    (d) 상기 회전 지그에 대한 상기 크레인의 연결 위치를 이동하는 단계; 및
    (e) 상기 허브의 다른 블레이드 결합부가 다른 블레이드와의 결합 위치에 위치하도록, 상기 크레인이 상기 회전 지그를 회전시키는 단계를 더 포함하는, 풍력 발전기용 블레이드 장착 방법.
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