KR101616449B1 - 윈드 터빈용 연결지지체 - Google Patents

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Abstract

윈드 터빈(1)용 연결지지체에 있어서, 상기 윈드 터빈(1)의 타워(4)는 상측 파이프형상의 타워부(12)와 하측 타워부(14)를 포함하며, 상기 상측 파이프형상의 타워부(12)는 연결지지체(16)에 의해 하측 타워부(14)와 연결되고, 상기 연결지지체(16)는 하측 타워부(14)에서 상측 파이프형상의 타워부(12)를 향하여 확장된 파이프형상의 대각선형 스테이(18)를 포함하고, 상기 대각선형 스테이(18)가 상측 파이프형상의 타워부(12)를 향하여 마주하는 그것의 끝단부(28)는 압축되며, 직접적으로 또는 플레이트부(30)를 거쳐서 상기 상측 파이프형상의 타워부(12)에 용접으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

윈드 터빈용 연결지지체{STAYED CONNECTION FOR WIND TURBINE}
본 발명은 윈드 터빈용 연결지지체(stayed connection)에 관한 것이다. 더 상세하게는, 상측 파이프형상의 타워부(tower portion)와 하측 타워부를 포함하며, 상기 상측 파이프형상의 타워부는 연결지지체에 의하여 하측 타워부에 연결된 (풍력 발전용) 터빈 타워에서의 윈드 터빈용 연결지지체에 관한 것이다.
(풍력 발전용) 윈드 터빈의 상측 부분은 윈드 터빈 세일들(wind turbine sails)의 충돌을 방지하기 위하여 세장체(slender structure)와 같이 형성된다. 윈드 터빈이 세워지는 지면(land)으로부터, 이러한 세장체는 일반적으로 파이프들로 제조되며, 지반의 토대(foundation)에 연결된다.
윈드 터빈이 연안(근해) 및 비교적으로 더 깊은 심해(deep water)에 위치할 때, 해저(sea bed) 위에 있는 윈드 터빈의 기반에서부터 윈드 터빈 장치하우징(machinery housing)까지 확장시키도록 파이프를 사용하는 것은 실용적이지 못하다.
그러므로, 근해에 위치한 알려진 윈드 터빈에서 내하성 구조(load bearing structure)는 종종 파이프 형상의 상측부와 하측부를 포함하며, 상기 하측부는 트러스 구조(trussed structure)와 같은 방식에 의해 구성된다.
타워의 상측 세장부(slender portion)와 하측부 사이의 변경물(transition)은 비교적 무겁고 복잡한 구조물에 의해 종종 구성된다. 다른 것들 보다도 이와 같은 이유는 근해 기반의 오일 생산 장비(oil production equipment)에서 알려진 디자인 원리를 사용하기 때문이다.
또한 연안에서 윈드 터빈 설치에 있어서, 풍력은 구조적 디자인을 결정한다.
이 분야의 변경물들은 비교적 신축적이다. 그것들은, 상응하는 윈드 터빈을 위해 타워고유주기(tower natural period)가 충분히 짧아지도록 적용되어져야 한다. 이는 타워 중량의 증가를 초래한다.
소위 지지구조에 있어서, 두번째 힘들(부차적인 힘:secondary forces)이 구조물의 모양과 상대적 크기에 기인하여 존재하는 것은 잘 알려진 문제이다. 예를들어, 무시할 수 없는 벤딩스트레스(bending stresses)는, 첫번째 스테이(first stay)가 두번째 스테이(second stay)에 용접됐을 때, 두번째 스테이에서의 변형에 기인하여 첫번째 스테이에서 생성될 수 있다.
이러한 부차적인 힘은 스테이의 크기를 증가시키며, 이는 중량 및 비용의 증가를 초래한다.
본 발명의 목적은 종래의 문제점들 중 적어도 하나 이상을 수정하거나 감소시키는 것이다.
상기의 목적은 다음에 서술되는 상세한 설명 및 이에 따른 청구항들에 기재된 특징들에 의하여 달성될 것이다.
윈드 터빈용으로 연결지지체가 제공되되, 윈드 터빈 타워는 상측 파이프형상의 타워부 및 하측 타워부를 포함하고, 상기 상측 파이프 형상의 타워부는 연결지지체를 수단으로 하측 타워부에 연결되며, 상기 연결지지체는 하측 타워부로부터 상측 파이프 형상의 타워부 외측을 향하여 확장된 파이프 형상의 대각선형 스테이들(diagonal stays)을 포함한다. 상기 상측 파이프형 타워부에 마주하는 대각선형 스테이들의 끝단부(end portions)는, 압축되며, 직접적으로 또는 용접된 연결부재를 수단으로 상측 파이프형상의 타워부에 플레이트부(plate portion)를 거쳐(통하여) 연결된다.
상기 연결지지체의 플레이트부는 상기 상측 파이프형상의 타워부를 최소한 부분적으로라도 에워싼다. 그러므로, 상기 플레이트부는 대각선형 스테이에서 상측 파이프형 타워부 방향으로 힘을 분산시키며, 상기 플레이트부에서 상측 파이프형 타워부를 보강시키는 것에 기여한다.
상기 연결지지체에서의 대각선형 스테이는, 상측 파이프형 타워부의 길이방향 축(longitudinal axis)에 평행한 압축된 스테이부(compressed stay portion)의 가장 긴 단면축(cross-sectional axis)을 가질 수 있다. 링플레이트(ring plate)가 둘러쌓는 파이프형상의 타워부에 관계되어 상측 파이프형상의 타워부 주위로 상기 대각선형 스테이의 연결 지점을 적절히 선택함으로서, 연결 지점에서 발생하는 수직적 그리고 수평적 힘들의 합력(resultant)은 대각선형 스테이에서의 축방향 힘(axial forces)으로 변환된다.
상기 연결지지체에서의 대각선형 스테이는, 상측 파이프형 타워부의 길이방향 축에 측방향인(lateral) 압축된 스테이부의 가장 긴 단면축을 가질 수 있다. 이 실시예에서, 오직 작은 벤딩 모멘트(bending moment)만이 상기 대각선형 스테이의 압축된 형상(compressed profile)에 기인하여 상측 파이프형상의 타워부의 변형(deflection)으로부터 대각선형 스테이로 전달된다.
상기 연결지지체의 플레이트부는 압축된 스테이부와 상측 파이프형상의 타워부 사이에서 대각선형 스테이의 길이방향 축과 동일한 방향을 갖는다. 거기에서 상기 대각선형 스테이의 축방향 힘은 플레이트부에서 생성되는 어떤 의미있는 벤딩 포스(bending force) 없이 상측 파이프형상의 타워부로 전달된다.
상기 연결지지체의 플레이트부는 압축된 끝단부로 도달할 수 있다. 각 부분들 사이의 거리에 있어서 제조과정을 단순화시킬 수 있는 해법은 용접 전에 비교적 쉽게 조절될 수 있을 것이다.
상측 파이프형상의 타워부에서의 벤딩 모멘트는 짝힘(force couple)으로서 상기 상측 파이프형상의 타워부로 전달된다. 상기 상측 파이프형상의 타워부의 끝단부에 위치하며 하측 타워부에 연결된 토션플레이트(torsion plate)는 짝힘에서 더 낮은 곳의 힘(lower force)를 차지한다. 짝힘의 더 높은 곳의 힘(upper force)은 링플레이트 또는 플레이트부에서 수평적 힘(horizontal force)를 생성한다.
수직적 힘(vertical force)과 상기 짝힘에서의 상측의 수평적 힘은, 토션플레이트가 단지 무의미한 정도까지 수직적 힘을 차지함에 따라 대각선형 스테이에서 합쳐진 축방향 힘으로 결합된다.
상기 상측 파이프형상의 타워부에서의 토크는 토크플레이트를 경유하여 하측 타워부로 전달된다.
생산된 연결지지체는 종래와 대비하여 의미있는 중량감소를 달성할 수 있을 것이다. 동시에 제작 과정은 종래의 연결지지체와 비교하여 매우 단순하다.
이후, 여기에서 첨부된 도면에 도시된 바람직한 실시예들로 설명이 계속된다.
도 1 은 비교적 원해 지역에 위치하는 윈드 터빈을 나타내며, 윈드 터빈 타워는 연결지지체에 의해 하측 타워부가 연결된 상측 파이프형상의 타워부를 포함한다.
도 2 는 상기 연결지지체의 세부 측면 모습을 더 크게 나타낸다.
도 3 은 도 2 의 IIa-IIa 의 단면을 나타낸다.
도 4 는 도 2 의 IIb-IIb 의 단면을 더 상세하게 나타낸다.
도 5 는 도 3 의 세부 모습을 더 크게 나타낸다.
도 6 은 상기 연결지지체의 다른 실시예를 나타낸다.
도 7 은 상기 연결지지체의 또 다른 실시예를 나타낸다.
도 8 은 도 7 의 VII-VII 의 단면 세부 모습을 더 크게 나타낸다.
도면 상에서, 참조 번호 1 은 터빈(2)과 타워(4)를 포함하는 윈드 터빈을 지칭하며, 상기 윈드 터빈(1)의 타워(4)는 해수면(sea surface)(6) 아래에 부분적으로 가라앉는다. 상기 타워(4)는 해저(10)로 투입되는 파일들(pile)(8)에 연결된다.
상기 타워(4)는 상측 파이프형상의 타워부(12) 및 하측 타워부(14)를 포함한다.
상기 상측 파이프형상의 타워부(12)는 연결지지체(16)를 수단으로 하측 타워부(14)에 연결되되, 상기 연결지지체는 도 2 에 도시된 네 개의 파이프형상의 대각선형 스테이(18), 링플레이트(20) 및 토션플레이트(22)를 포함한다. 상기 링플레이트(20)와 토션플레이트(22)는 상기 상측 파이프형 타워부(12)를 둘러싸며 방사형으로 확장된다. 상기 토션플레이트(22)가 하측 타워부(14)의 메인필러(main pillar)(24)에 연결되므로, 상기 링플레이트(20)는 토션플레이트(22) 보다 다소 높은 곳에 위치한다.
대각선형 스테이(18)의 중심축(central axis)(26)이 상측 파이프형상의 타워부(12)와 링플레이트(20)의 연결라인(connection line) 근방에서 상기 상측 파이프형상의 타워부(12)를 교차함에 따라, 상기 대각선형 스테이(18)는 각각이 메인필러(24)에서부터 상측 파이프형상의 타워부(12) 및 링플레이트(20)로 이어진다.
상기 상측 파이프형상의 타워부(12_), 대각선형 스테이들(18), 링플레이트(20) 및 토션플레이트(22)는 모두 비교적 얇은 재질로 만들어져서, 그 것들 사이의 힘은 주로 멤브레인 스트레스(membrane stresses)이다.
본문의 일반적인 부분에서 언급된 바와 같이, 상기 상측 파이프형상의 타워부(12)에서의 토션힘(비틀림력: torsion forces)은 토션플레이트(22)를 경유하여 하측 타워부(14)로 전달된다. 상기 상측 파이프형상의 타워부(12)에서의 수직적힘은, 상측 파이프형상의 타워부(12)와 대각선형 스테이(18) 사이의 연결에 따라 첫번째 전단력(shear force)를 통하여 대각선형 스테이들(16)로 전달된다.
상측 파이프형상의 타워부(12)에서 작용하는 수평적 힘은 상기 상측 파이프형상의 타워부(12)에서 벤딩 모멘트를 유발한다. 상기 링플레이트(20)와 토션플레이트(22) 사이의 짝힘(force couple)은 이 벤딩 모멘트를 감당한다. 상기 링플레이트(20)로부터 이 수평적 힘은 상기 링플레이트(20)와 대각선형 스테이들(18) 사이의 두 번째 전단력에 의해 상기 대각선형 스테이들(18)로 전달된다.
첫 번째 전단스트레스(shear stresses)의 합력은 도 2 에서 '힘 SV(force SV)' 으로 도시되었으며, 아울러, 두 번째 전단력의 합력은 '힘 SH(force SH)' 로 도시되었다. '힘 SV'는, 상측 파이프형상의 타워부(12)로 연결되는 대각선형 스테이(18) 부분에 따라, 일반적으로 완전하게 수직은 아니며, 상측 파이프형상의 타워부(12)의 원통형 표면으로 이어진다. '힘 SV' 와 '힘 SH'의 합력은 대각선형 스테이(18)에서 작용한다. 상기 대각선형 스테이(18)의 중앙선(centreline)은 '힘 SV' 와 '힘 SH' 사이의 교차점(crossing point)에서 교차한다. 따라서, 상기 대각선형 스테이(18)는 상측 파이프형상의 타워부(12)로 연결되어 단지 별로 의미없을 정도 만큼의 벤딩 모멘트만 가해진다.
원래 원통형상인 대각선형 스테이(18)는 도 4 에서 IIb-IIb 단면에서 원형이 아닌 형상으로 도시되었다. 원통형 형상부와 상기 상측 파이프형상의 타워부(12)에서의 압축된 끝단부(28) 사이에는 이러한 평탄변형(even transition)이 있다. 상기 압축된 끝단부(28)는 도 5 에 도시된 바와 같이 완벽한 평면일 필요는 없으나, 비교적 장방형상의 계란형(oblong oval shape)이다.
도 6 에 도시된 다른 실시예로서, 상기 압축된 끝단부(28)는 상측 파이프형상의 타워부(12)에 맞닿아 고정되도록 형성된다. 상기 압축된 끝단부(28)는 상측 파이프형상의 타워부에 용접된다.
도 7 에 도시된 또 다른 실시예로서, 상기 대각선형 스테이(18)은 플레이트부(30)를 수단으로 상측 파이프형상의 타워부에 연결된다. 상기 플레이트부(30)는 원뿔형 형상이며, 상기 상측 파이프형상의 타워부(12)를 둘러싼다. 그러므로, 위에 설명된 바와 같이, 상기 플레이트부(30)는 링플레이트(20)의 기능을 이어받는다.
상기 플레이트부(30)는 도 8 에서 도시된 단면에 나타나는 바와 같이 압축된 끝단부(28)로 얼마간 진입할 것이다.

Claims (6)

  1. 윈드 터빈(1)용 연결지지체에 있어서,
    상기 윈드 터빈(1)의 타워(4)는 상측 파이프형상의 타워부(12)와 하측 타워부(14)를 포함하며, 상기 상측 파이프형상의 타워부(12)는 연결지지체(16)에 의해 하측 타워부(14)와 연결되고,
    상기 연결지지체(16)는, 하측 타워부(14)에서 상측 파이프형상의 타워부(12)를 향하여 확장된 파이프형상의 대각선형 스테이(18)를 포함하고,
    상기 대각선형 스테이(18)는 상측 파이프형상의 타워부(12)를 향하여 마주하는 장방형상의 계란형(oblong oval shape) 끝단부(28)를 구비하며, 상기 끝단부는 상측 파이프형상의 타워부(12)의 하단부보다 상대적으로 높은 위치에서 직접적으로 또는 플레이트부(30)를 거쳐서 상측 파이프형상의 타워부(12)의 외측에 용접으로 연결되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈용 연결지지체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 플레이트부(30)는 상측 파이프형상의 타워부(12)의 하단부보다 상대적으로 높은 위치에서 상기 상측 파이프형상의 타워부(12)를 부분적으로라도 둘러싸는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈용 연결지지체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 장방형상의 계란형 끝단부(28)는, 상기 상측 파이프형상의 타워부(12)의 길이방향축(longitudinal axis)과 평행한 그것의 가장 긴 단면축(cross-sectional axis)을 갖는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈용 연결지지체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 장방형상의 계란형 끝단부(28)는, 상기 상측 파이프형상의 타워부(12)의 길이방향축과 측방향(lateral)인 그것의 가장 긴 단면축(cross-sectional axis)을 갖는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈용 연결지지체.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 플레이트부(30)는 장방형상의 계란형 끝단부(28)와 상측 파이프형상의 타워부(12) 사이에서 대각선형 스테이(18)의 중심축(26)과 동일한 방향을 갖는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈용 연결지지체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 플레이트부(30)는 상기 장방형상의 계란형 끝단부(28)에 진입한 것을 특징으로 하는 윈드 터빈용 연결지지체.
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