KR101729910B1 - 냉각 시스템을 구비한 직접 구동 윈드 터빈 - Google Patents

냉각 시스템을 구비한 직접 구동 윈드 터빈 Download PDF

Info

Publication number
KR101729910B1
KR101729910B1 KR1020127020841A KR20127020841A KR101729910B1 KR 101729910 B1 KR101729910 B1 KR 101729910B1 KR 1020127020841 A KR1020127020841 A KR 1020127020841A KR 20127020841 A KR20127020841 A KR 20127020841A KR 101729910 B1 KR101729910 B1 KR 101729910B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
bearing
wind turbine
cooling
inner ring
direct drive
Prior art date
Application number
KR1020127020841A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20120115372A (ko
Inventor
우페 에릭젠
Original Assignee
지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 지멘스 악티엔게젤샤프트 filed Critical 지멘스 악티엔게젤샤프트
Publication of KR20120115372A publication Critical patent/KR20120115372A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101729910B1 publication Critical patent/KR101729910B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C37/00—Cooling of bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/70—Bearing or lubricating arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C37/00—Cooling of bearings
    • F16C37/007—Cooling of bearings of rolling bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/60—Cooling or heating of wind motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/50—Bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05B2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05B2260/232—Heat transfer, e.g. cooling characterised by the cooling medium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/31—Wind motors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mounting Of Bearings Or Others (AREA)
  • Wind Motors (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

냉각 시스템(15)을 갖는 직접 구동 윈드 터빈은 로터(12) 및 스테이터(13)를 갖는 발전기(11)와, 로터(12)와 스테이터(13)를 회전가능하게 연결하는 내부 링(6) 및 외부 링(7)을 갖는 베어링을 구비한다. 냉각 시스템(15)은 베어링(5)의 내부 링(6)과 열적 소통하는 적어도 하나의 히트 싱크(16)와, 히트 싱크(16)와 열적 소통하는 열 소산기(21)를 포함한다.

Description

냉각 시스템을 구비한 직접 구동 윈드 터빈 {DIRECT DRIVE WIND TURBINE WITH A COOLING SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 윈드 터빈(wind turbine)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 윈드 터빈의 베어링(bearing)의 냉각에 관한 것이다.
윈드 터빈의 베어링은 대략 -0.1 내지 0.2 mm의 유극을 갖는다. 발전기의 수명 및 공극(air-gap)을 제어하기 위해, 이 유극을 제어하는 것이 바람직하다. 문제점은 베어링의 내부 링(ring)이 가열 및 팽창되며, 이는 베어링의 수명의 감소를 초래한다는 것이다. 가열의 이유는 샤프트 구조체(shaft structure)와 함께 베어링의 내부 링이 외부 링의 질량/구조체에 비해 작은 질량/강성도를 갖는다는 것이다. 이는 내부 링의 평균 온도가 외부 링 및 외부 링 둘레의 구조체의 평균 온도보다 높다는 것을 의미한다.
윈드 터빈의 베어링은 일반적으로 냉각되지 않는다. 그러나, 오일(oil)이 냉각되어 베어링 조립체 내에서 주위로 펌핑되는(pumped around) 통합 오일 윤활 시스템(integrated oil lubrication system)에 의해 베어링을 냉각시키는 것이 일반적으로 알려져 있다. 오일의 교환은 제한되어 있으며 직접 구동 윈드 터빈을 위한 대형 메인(main) 베어링을 냉각시키기에는 불충분하다. 또한, 통합 냉각을 위한 오일 윤활 시스템은 복잡하고, 항상 윈드 터빈 내의 오일 누설의 위험이 존재하며, 이러한 오일 누설은 회피되어야만 한다.
그리스 윤활 베어링(grease lubricated bearing)에 대해서는 어떠한 냉각 시스템(cooling system)도 알려져 있지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 베어링을 위한 개선된 냉각을 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 1, 10 및 14 각각의 특징에 의해 해결된다. 종속 청구항은 본 발명의 추가적 세부사항 및 장점을 제공한다.
일 양태에서, 본 발명은 냉각 시스템(cooling system)을 갖는 직접 구동 윈드 터빈(direct drive wind turbine)에 관한 것이다. 윈드 터빈은 로터(rotor) 및 스테이터(stator)를 구비한 발전기 그리고 로터와 스테이터를 회전식으로 연결하는 내부 링(ring)과 외부 링을 구비한 베어링(bearing)을 갖는다. 냉각 시스템은 베어링의 내부 링과 열 소통하는 적어도 하나의 히트 싱크(heat sink) 및 히트 싱크와 열 소통하는 열 소산기(heat dissipater)를 포함한다. 내부 링의 냉각은 윈드 터빈의 동작 동안 베어링의 내부 링과 외부 링 사이의 온도 편차를 제어하고 감소 또는 제거할 수 있게 한다. 따라서, 내부 링의 제어되지 않은 비의도적 열 팽창이 회피된다. 베어링의 신뢰성 및 수명이 증가된다.
이제, 발전기의 수명 및 공극을 제어 및 유지하기 위해 베어링 유극(-0.1 내지 0.2 mm)을 제어하는 것이 가능하다.
냉각 시스템은 그리스(grease) 및 오일 윤활 베어링을 위해 마찬가지로 사용될 수 있다.
직접 구동 윈드 터빈의 히트 싱크는 물 같은 냉각 매체를 위한 냉각 저장부를 포함할 수 있다. 이 방식으로, 이미 기관실(nacelle) 내에 설치되어 있는 수냉 시스템이 베어링의 내부 링의 충분한 냉각을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 이 해결책은 베어링을 위한 어떠한 냉각수단도 갖지 않는 기존 윈드 터빈 내에 쉽게 설치될 수 있다.
히트 싱크는 내부 링의 내주 표면에 배열될 수 있다. 내주 표면은 양호한 크기 및 표면 특성에 기인하여 히트 싱크를 위한 양호한 접촉 영역을 제공한다.
히트 싱크는 내부 링과 일체로 형성될 수 있다. 히트 싱크의 적어도 일부는 내부 링 내측에 위치될 수 있으며, 이는 내부 링으로부터 히트 싱크로의 열 전달을 향상시킬 수 있다. 히트 싱크는 일체로 형성된 부분과 내부 링의 표면에 배열된 부분 양자 모두를 포함할 수 있다.
냉각 시스템은 설치가 용이한 표준 베어링용 애드온 방식의 해결책(add on solution)일 수 있거나, 혹은 예를 들어 냉각 채널 또는 챔버(chamber)가 베어링의 내부 및/또는 외부 링 내에 통합되는 방식으로 상기 내부 또는 외부 링의 통합된 부분일 수 있다.
히트 싱크는 도관(conduct)을 통해 열 소산기와 연결될 수 있다. 히트 싱크, 바람직하게는, 냉각 저장부는 발전기 등을 냉각하기 위해 기관실 내에 이미 설치되어 있는 윈드 터빈의 수냉 시스템에 연결될 수 있다. 수냉 시스템의 열 소산기는 마찬가지로 베어링을 냉각하기 위해 사용된다. 도관은 베어링의 냉각을 제어하기 위해 냉각 저장부 내로의, 그리고, 냉각 저장부로부터의 냉각 매체의 유동을 제어하기 위해 밸브(valve)를 구비할 수 있다.
다른 한편, 예로서, 냉각 핀(cooling fin) 또는 펠티어 소자(peltier elements) 같이 국지적으로 내부 링을 냉각시키는 히트 싱크가 사용될 수 있다.
히트 싱크는 마찬가지로 베어링의 외부 링을 위해 제공될 수 있다. 마찬가지로 외부 링에 히트 싱크를 구비하는 것은 베어링을 위한 냉각 기능을 개선시킨다.
베어링과 히트 싱크 사이에 열 계면 재료(thermal interface material)가 배열될 수 있다. 낮은 열적 저항을 제공하기 위해, 알루미늄의 시트(sheet), 열 전도성 페이스트(paste) 또는 다른 적절한 열 계면 재료가 히트 싱크의 표면과 내부 링의 표면 사이에 적용될 수 있다.
냉각 시스템은 적어도 하나의 온도 측정 장치와 베어링의 온도를 제어하기 위한 제어 장치를 포함할 수 있다. 온도 측정 장치는 베어링과 내부 링의 정확하고 신뢰성있는 온도 감독을 가능하게 하도록 내부 링에 심지어 복수의 측정 지점에서 설치될 수 있다. 제어 장치는 히트 싱크와 열 소산기 사이의 도관에 위치된 밸브를 제어함으로써 내부 링의 냉각을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
발전기는 외부 로터/내부 스테이터 발전기일 수 있다. 베어링의 내부 링은 윈드 터빈의 고정 부분에 연결될 수 있으며, 베어링의 외부 링은 윈드 터빈의 로터 요크(rotor yoke)에 연결될 수 있다.
냉각 시스템은 베어링의 내부 링의 내부 반경과 실질적으로 동일한 외부 반경을 갖는 복수의 냉각 저장부를 포함할 수 있다. 저장부의 길이는 주연부(perimeter)의 단지 일부만을 덮을 수 있으며, 그래서, 하나보다 많은 저장부가 내부 링을 냉각하도록 배열되고, 이는 기존 설비 상에 냉각 시스템을 설치하는 것이 보다 용이해지게 한다.
본 발명의 다른 양태는 내부 링과 외부 링을 포함하는 베어링 조립체(bearing assembly)에 관한 것이며, 적어도 하나의 냉각 저장부가 내부 및/또는 외부 링에 배열되고, 냉각 저장부는 냉각 매체의 교환을 위해 적어도 하나의 포트(port)를 포함한다. 베어링에 직접적으로 냉각 저장부를 제공하는 것은 신속하고 전반적인 온도 조절을 가능하게 한다. 이에 의해, 베어링의 신뢰성 및 수명이 증가된다.
복수의 냉각 저장부는 내부 링의 내주를 따라 균등하게 분포될 수 있다. 이 배열은 이미 존재하는 윈드 터빈으로의 설치를 용이하게 한다. 또한, 이는 국지적 온도 변동을 조절할 수 있다.
냉각 저장부는 내부 링의 내주 표면을 따라 연장할 수 있으며, 두 개의 냉각 저장부가 병렬로 배열될 수 있다. 이 배열은 매우 미세한 온도 교정이 가능해지게 할 수 있다. 예로서, 고온점(hot spot)이 제거될 수 있다.
적어도 하나의 온도 측정 장치가 링 또는 베어링의 온도를 측정하기 위해 내부 및/또는 외부 링에 배열될 수 있다. 측정값은 베어링의 양호한 온도 규제를 가능하게 하도록 제어 장치에 제공될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 베어링의 온도를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 베어링의 온도가 측정되고, 베어링의 링에 부착된 적어도 하나의 냉각 저장부를 통한 물 같은 냉각 매체의 유동이 제어된다. 이 방법을 사용하는 것은 베어링의 온도를 제어하게 할 수 있으며, 그에 의해, 베어링의 신뢰성 및 수명이 증가된다.
적어도 하나의 냉각 저장부는 베어링의 내부 링에 부착될 수 있으며, 온도는 베어링의 내부 링의 적어도 하나의 지점에서 측정될 수 있다. 복수의 디자인(design)에서, 내부 링은 베어링의 최고온 부분이며, 이 부분을 직접적으로 측정하고 냉각시키는 것이 바람직하다.
실시예의 추가적 이해를 제공하기 위해 첨부 도면이 포함되어 있다. 이하의 상세한 설명을 참조로 이들이 더 양호하게 이해될 수 있으므로, 다른 실시예 및 의도된 장점 중 많은 것을 쉽게 인지할 수 있을 것이다. 도면의 요소는 반드시 서로 규모대로 표현된 것은 아니다. 유사한 참조 부호는 대응하는 유사한 부분을 지시한다.
도 1은 본 발명에 따른 베어링 및 냉각 시스템을 포함하는 윈드 터빈의 중앙 부분의 개략도를 예시한다.
도 2는 본 발명에 따른 냉각 시스템을 갖는 베어링의 정면도를 예시한다.
도 3은 본 발명에 따른 냉각 시스템을 갖는 베어링의 사시도를 예시한다.
이하의 상세한 설명에서, 상세한 설명의 일부를 형성하는 첨부 도면을 참조하며, 이 첨부 도면은 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예로서 도시하고 있다. 이에 관하여, "상단" 또는 "저부" 등 같은 방향적 용어는 설명되는 도면(들)의 배향을 기준으로 사용된다. 실시예의 구성요소가 복수의 서로 다른 배향으로 위치될 수 있기 때문에, 방향적 용어는 예시의 목적을 위해 사용되며, 이는 어떠한 방식으로도 제한적이지 않다. 다른 실시예가 사용될 수 있으며, 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 구조적 또는 국지적 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 제한적 의미로 받아들여지지 않아야하며, 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위에 의해 규정된다.
윈드 터빈(wind turbine)(1)은 지면에 고정되어 윈드 터빈(1)의 전체 구조체를 지탱하는 타워(tower)(2)를 구비한다. 타워(2)의 상단부에는 타워 커넥터(tower connector)(3)가 부착된다. 타워 커넥터(3)는 윈드 터빈(1)의 메인 샤프트(main shaft)(4)를 지탱한다. 타워 커넥터(3)에 대향한 메인 샤프트(4)의 일 단부에는 종종 메인 베어링(main bearing)이라 지칭되는 베어링(5)이 고정된다. 베어링(5)은 메인 샤프트(4)에 고정된 내부 링(ring)(6)과 외부 링(7)을 갖는다. 외부 링(7)은 로터 요크(rotor yoke)(8)에 연결된다. 로터 요크(8)는 윈드 터빈(1)의 블레이드(blade)가 지탱하는 블레이드 허브(blade hub)(9)와 연결된다. 블레이드는 명료성을 위해 예시되어 있지 않다. 기관실(10)은 메인 샤프트(4)를 둘러싸며, 메인 샤프트(4)에 부착된다.
윈드 터빈(1)은 직접 구동 윈드 터빈(direct drive wind turbine)이며, 즉, 발전기(11)는 메인 샤프트(4) 및 로터 요크(8) 각각에 직접적으로 결합된다. 어떠한 변속기(transmission)도 사용되지 않는다. 발전기(11)는 보유 구조체(holding structure)(14)를 통해 메인 샤프트(4)에 고정된 내부 스테이터(stator)(13)와 로터 요크(8)에 부착된 외부 로터(12)를 포함한다.
외부 링(7)이 부착되는 로터 요크(8)는 주변 공기와 접촉한다. 따라서, 외부 링(7)의 냉각은 주변 공기에 의해 이루어진다. 그러나, 내부 링(6)은 주변 공기에 의해 어떠한 냉각도 달성되지 않도록 윈드 터빈(1)의 구조체 내부에 위치된다. 이는 내부 링(6)과 외부 링(7) 사이의 온도의 편차를 각각 초래한다.
메인 샤프트(4)와 함께 베어링(5)의 내부 링(6)은 외부 링(7)과 로터 구조체에 비해 더 작은 질량을 갖는다. 따라서, 내부 링(6)은 이때 외부 링(7)보다 더 신속하게 가열되는 경향이 있다.
또한, 내부 링(6)은 보통 로터(12)로부터 스테이터(13) 조립체로의 전기 경로를 방지하기 위해 메인 샤프트(4)로부터 전기적으로 절연되어 있지만, 전기 절연은 내부 링(6)과 메인 샤프트(4) 사이의 열적 전도성을 감소시켜 내부 링(6)을 훨씬 더 가열하는 것을 유발한다.
윈드 터빈(1)은 베어링(5)으로부터, 특히, 내부 링(6)으로부터 멀어지는 방향으로 열을 전달하는 냉각 시스템(cooling system)(15)을 구비한다. 냉각 시스템(15)은 내부 링(6)의 내주 표면에 부착되어 있는 하나 또는 둘 이상의 히트 싱크(heat sink) 또는 냉각 저장부(16)를 갖는다. 여기서, 복수의 냉각 저장부(16)가 내부 링(6)에 부착된다. 냉각 저장부(16)의 배열의 세부사항이 도 2 및 도 3과 연계하여 설명된다.
각 냉각 저장부(16)는 냉각 저장부(16)를 통해 물 같은 냉각 매체를 순환시키기 위해 도관(17)과 연결된다. 냉각 매체는 내부 링(6)으로부터 멀어지는 방향으로 열을 이송한다. 도관(17)은 개략적으로 도시되어 있다. 도관(17)의 실제 경로는 예로서 장애물 또는 예리한 굴곡부를 피하기 위해 도시된 경로와 다를 수 있다. 또한, 냉각 매체를 위한 폐루프(closed loop)가 바람직할 수 있다. 이해의 용이성을 위해, 도 1은 냉각 저장부(16) 당 하나의 도관(17)을 도시한다.
밸브(valve)(18)는 도관(17)을 통한 냉각 매체의 유동을 제어한다. 단일 밸브(18)가 모든 도관(17)을 통한 냉각 매체의 유동을 제어하도록 교차 지점(crosspoint)(19) 이전에 밸브(18)가 위치될 수 있다. 단어 "이전"은 본 내용상 냉각 저장부(6)를 향한 냉각 매체의 유동의 방향으로를 의미한다. 대안적으로, 각 제어 저장부(16)를 독립적으로 제어하기 위해 각 도관에 하나의 밸브가 사용될 수 있다. 또한, 양자의 조합이 가능하다. 이때, 각 밸브는 냉각 저장부(16)의 그룹(group)을 제어할 수 있다.
또한, 밸브(18)의 전방에, 냉각 시스템(15)의 중앙 장치(20)가 위치된다. 중앙 장치(20)는 예로서 냉각 매체와 제어 유닛(control unit)을 위한 펌프(pump)를 포함한다. 중앙 장치(20)에는 열 소산기(heat dissipater) 또는 방열기(radiator)(21)가 연결된다. 열 소산기(21)는 냉각 매체를 냉각시키기 위해 주위 공기를 사용하도록 기관실(10)의 외측에 배열된다. 열 소산기(21)는 최적의 열 전달을 위해 기관실(10)의 상단 상에 배열될 수 있다. 밸브(18)는 도관(17)의 추가 부분을 통해 중앙 장치(20)와 연결된다. 중앙 장치(20)는 도관(17)의 다른 부분을 통해 열 소산기(21)와 연결된다.
냉각 매체는 열 소산기(21)로부터, 중앙 장치(20)를 통해, 그리고, 추가로 밸브(18)를 통해 순환되며, 이 밸브는 냉각 매체의 유동을 제어한다. 교차 지점(19)에서, 도관(17)은 분기되고 냉각 매체는 냉각 저장부(16)로 유동한다. 냉각 저장부(16)를 통해 유동하는 동안, 냉각 매체가 내부 링(6)으로부터 열을 흡수한다. 냉각 매체는 열 소산기(21)로 다시 유동하고, 여기에서 냉각된다. 열 소산기(21)로 냉각 매체를 다시 수송하기 위한 도관 또는 도관들은 명료성을 위해 도시되어 있지 않다.
중앙 장치(20) 및 열 소산기(21) 같은 냉각 시스템(15)의 부분은 발전기(11) 같은 다른 장치를 냉각시키기 위해 사용될 수 있다. 냉각 시스템(15)이 윈드 터빈 내로 개장되는(retrofitted) 경우, 중앙 장치(20) 및 열 소산기(21) 같은 이미 존재하는 부분이 마찬가지로 베어링(5)의 냉각을 위해 사용될 수 있다.
베어링(5)의 냉각을 제어하기 위해, 하나 또는 둘 이상의 온도 측정 장치 또는 온도 센서(sensor)가 사용될 수 있다. 온도 센서는 온도 측정을 위해 내부 링(6)에 배열될 수 있다. 측정의 결과는 온도 측정에 기초하여 밸브(18)를 제어하는 중앙 장치(20)로 전송된다. 더 작은 제어 루프에서, 온도 센서는 밸브(18)를 직접적으로 제어한다. 복수의 밸브(18) 및 냉각 저장부(16)와 연계한 복수의 온도 센서의 조합은 더 미세한 온도 제어를 가능하게 한다. 이 경우에, 내부 링(6)은 복수의 제어 영역으로 분할될 수 있다. 각 영역을 위해, 하나 또는 둘 이상의 냉각 저장부(16), 도관 또는 도관(17)의 일부 및 밸브(18)가 할당된다.
본 실시예는 물 같은 냉각 매체를 사용하여 냉각 저장부(16) 및 도관(17)을 채택한다. 또한, 얼마간의(in a way) 국소 히트 싱크 및 소산기를 사용하는 것도 가능하다. 단어 "국소(local)"는 베어링(5) 또는 내부 링(6)에 직접적으로 또는 그에 근접하게 배열된 히트 싱크 및 소산기를 포함한다. 이 개념을 위한 실시예는 예로서, 핀(fin) 또는 펠티어 소자(peltier element)를 갖는 히트 싱크이다. 열 전달은 국소 히트 싱크 또는 소산기를 따라 주변 공기를 흐르게 하는 공기 대류 시스템에 의해 지원될 수 있다.
도 2는 내부 링(6) 및 외부 링(7)을 갖는 베어링(5)을 도시한다. 각 링(6, 7)은 메인 샤프트(4)와 로터 요크(8) 각각에 베어링(5)을 장착하기 위한 플랜지(flange)를 갖는다.
내부 링(6)의 내주 표면(6a)을 따라, 세 개의 냉각 저장부(16)가 배열된다. 냉각 저장부(16)의 굴곡된 형상은 내주 표면(6a) 상에 끼워지도록 구성된다. 냉각 저장부(16)와 내부 링(6) 사이의 개선된 열적 접촉을 위해, 알루미늄 시트(sheet) 또는 열 전도 페이스트(paste) 같은 열적 계면 재료(thermal interface material)가 사용될 수 있다. 냉각 저장부(16)는 원주를 따라 균등하게 분포될 수 있거나, 예로서 공간적 제약을 고려하도록 도시된 바와 같이 비균등하게 이격될 수 있다. 또한, 내부 링(6)의 페이스 측부(face side)에 하나 또는 둘 이상의 히트 싱크 또는 냉각 저장부를 부착할 수도 있다. 히트 싱크가 메인 샤프트(4)에 내부 링(6)을 연결하는 장착 장치, 예를 들어, 볼트(bolt)가 없이 유지되도록 하는 조치(care)가 이루어져야 한다.
각 냉각 저장부(16)는 중공 내부 공간을 가지며, 이 중공 내부 공간을 통해, 물이나 가스(gas) 같은 냉각 매체가 순환할 수 있다. 냉각 매체의 진입 및 진출을 위해, 냉각 저장부(16)는 적어도 하나의 포트(port)(미도시)를 구비한다. 두 개의 포트가 사용될 수 있으며, 여기서, 포트들은 냉각 저장부(16)의 양 단부에 배열될 수 있고, 그래서, 냉각 매체가 전체 냉각 저장부(16)를 통해 흐르게 된다. 이는 내부 링(6)으로부터 냉각 저장부(16)를 거쳐 냉각 매체로의 양호한 열 전달을 보증한다.
각 냉각 저장부(16)는 열 소산기(21) 또는 교차점으로 그 자신의 도관에 의해 연결될 수 있다. 이는 병렬 구성이다. 대안적으로, 직렬 구성이 가능하며, 여기서, 하나의 냉각 저장부(16)의 출구 포트는 후속 냉각 저장부(16)의 입구 포트에 연결된다. 전체 내부 표면(6a) 또는 그 대부분을 덮는 하나의 큰 냉각 저장부가 마찬가지로 사용될 수 있다.
히트 싱크 또는 냉각 저장부(16)는 내부 링(6)의 구조체에 통합될 수 있다. 내부 보어구멍(borehole) 또는 채널은 내부 링(6)을 통해 냉각 매체를 흐르게 하기 위해 사용될 수 있다. 이때, 냉각 매체의 순환을 위해 하나 또는 둘 이상의 포트가 내부 링(6)에 직접적으로 배열된다. 일체로 형성된 히트 싱크 및 외부 히트 싱크의 조합이 마찬가지로 가능하다. 예로서, 냉각 저장부를 형성하도록 하나 또는 둘 이상의 외부 히트 싱크와 소통하는 내부 링(6)의 표면에 일체로 홈이 형성될 수 있다.
도 3은 내부 링(6)과 외부 링(7)을 구비한 베어링(5)을 도시한다. 내부 링(6)의 내주 표면(6a)에는 히트 싱크 또는 냉각 저장부(16)가 배열된다. 여기서, 6개 냉각 저장부(16)가 내부 링(6)에 부착되어 있다. 내부 링(6)의 원주를 따라, 두 개의 병렬 냉각 저장부(16)의 세 개의 쌍이 배열된다. 이 배열은 내부 링(6)과 냉각 저장부(16) 내부의 냉각 매체 사이의 양호한 열 전달을 가능하게 한다. 도 2의 상세한 설명은 또한 도 3에 도시된 베어링(4)에도 적용될 수 있다.
베어링(5)의 온도를 제어하기 위한 방법에 따라서, 베어링(5)에서 온도가 측정된다. 온도는 내부 링(6)에서 직접적으로 측정될 수 있으며, 그 이유는 이곳이 대부분의 경우에 베어링(5)의 최고온 부분이기 때문이다. 온도 측정을 위한 일반적으로 알려진 장치가 사용될 수 있다.
이 측정에 기초하여, 하나 또는 둘 이상의 냉각 저장부(16)를 통한 냉각 매체의 유동이 제어된다. 예로서, 측정된 온도가 상부 임계치에 도달하는 경우, 냉각 매체의 유동이 증가되거나, 냉각 매체의 온도가 감소될 수 있다. 이는 더 높은 열 제거를 초래한다. 예로서, 측정된 온도가 하부 임계치에 도달하는 경우, 냉각 매체의 유동이 감소되거나, 냉각 매체의 온도가 상승될 수 있다. 이는 더 낮은 열 제거를 초래한다. 이 체계는 베어링(5) 또는 내부 링(6)의 온도를 규정된 목표 구간(target corridor) 내에서 유지한다. 목표 구간은 예로서 초기치 설정을 사용하여 윈드 터빈의 모델(model)에 적응될 수 있다. 목표 구간은 또한 예로서 풍속 또는 주변 온도에 따라서 실시간으로 적응될 수도 있다. 목표 구간 대신, 특정 온도의 목표점이 사용될 수 있다.
냉각 매체의 유동은 냉각 저장부(16)에 도달하는 도관(17) 내에 위치되는 하나 또는 둘 이상의 밸브(18)에 의해 제어될 수 있다. 밸브(18)는 냉각 시스템(15)의 중앙 장치(20)에 의해 또는 온도 측정 장치에 의해 직접적으로 제어될 수 있다.

Claims (15)

  1. 냉각 시스템(cooling system)(15)을 갖는 직접 구동 윈드 터빈(direct drive wind turbine)으로서,
    상기 직접 구동 윈드 터빈은 로터(rotor)(12)와 스테이터(stator)(13)를 갖는 발전기(11)를 구비하고, 상기 로터(12)와 상기 스테이터(13)를 회전가능하게 연결하는 외부 링(ring)(7)과 내부 링(6)을 갖는 베어링(bearing)(5)을 구비하는, 직접 구동 윈드 터빈에 있어서,
    상기 냉각 시스템(15)은 상기 베어링(5)의 내부 링(6)과 열적으로 소통하는 하나 이상의 히트 싱크(heat sink)(16) 및 상기 히트 싱크(16)와 열적으로 소통하는 열 소산기(heat dissipater)(21)를 포함하고,
    상기 히트 싱크(16)는, 냉각 매체를 위한 냉각 저장부를 포함하며, 복수의 도관(17)들 및 복수의 밸브(valve)(18)들을 통해 상기 열 소산기(21)와 연결되고,
    상기 냉각 시스템(15)은 하나 이상의 온도 측정 장치 및 상기 베어링(5)의 온도를 제어하기 위한 제어 장치를 더 포함하며,
    상기 내부 링(6)은 복수의 제어 영역들로 분할되고, 상기 제어 영역들의 각각의 제어 영역에, 하나 또는 둘 이상의 냉각 저장부(16), 하나의 도관(17) 또는 하나의 도관(17)의 일부 및 하나의 밸브(18)가 할당되며(assigned), 그리고
    상기 제어 장치는 상기 제어 영역마다 상기 베어링(5)의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는,
    직접 구동 윈드 터빈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 싱크(16)는 상기 내부 링(6)의 내주 표면(6a)에 배열되는,
    직접 구동 윈드 터빈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 싱크(16)는 상기 내부 링(6)과 일체로 형성되는,
    직접 구동 윈드 터빈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 베어링(5)의 외부 링(7)을 위한 히트 싱크(16)가 제공되는,
    직접 구동 윈드 터빈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 베어링(5)과 상기 히트 싱크(16) 사이에 열적 계면 재료(thermal interface material)가 배열되는,
    직접 구동 윈드 터빈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터(12)는 외부 로터이고 상기 스테이터(13)는 내부 스테이터이며, 상기 베어링(5)의 내부 링(6)은 상기 윈드 터빈(1)의 고정 부분(4)에 연결되며, 상기 베어링(5)의 외부 링(7)은 상기 윈드 터빈(1)의 로터 요크(rotor yoke)(8)에 연결되는,
    직접 구동 윈드 터빈.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 직접 구동 윈드 터빈을 제어하는 방법으로서,
    - 베어링(5)의 온도를 측정하는 단계와,
    - 상기 베어링(5)의 링(6, 7)에 부착된 하나 이상의 냉각 저장부(16)를 통해 냉각 매체의 유동을 제어하는 단계를 포함하는,
    직접 구동 윈드 터빈을 제어하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 냉각 저장부(16)는 상기 베어링(5)의 내부 링(6)에 부착되고, 상기 베어링(5)의 내부 링(6)의 하나 이상의 지점에서 온도가 측정되는,
    직접 구동 윈드 터빈을 제어하는 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
KR1020127020841A 2010-01-11 2010-03-26 냉각 시스템을 구비한 직접 구동 윈드 터빈 KR101729910B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP10000194.0 2010-01-11
EP10000194 2010-01-11
PCT/EP2010/053986 WO2011082836A1 (en) 2010-01-11 2010-03-26 Direct drive wind turbine with a cooling system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120115372A KR20120115372A (ko) 2012-10-17
KR101729910B1 true KR101729910B1 (ko) 2017-05-11

Family

ID=43447386

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020127020841A KR101729910B1 (ko) 2010-01-11 2010-03-26 냉각 시스템을 구비한 직접 구동 윈드 터빈

Country Status (10)

Country Link
US (1) US9803694B2 (ko)
EP (1) EP2524136B1 (ko)
JP (1) JP5511982B2 (ko)
KR (1) KR101729910B1 (ko)
CN (1) CN102713273B (ko)
AU (1) AU2010341071B2 (ko)
BR (1) BR112012016868A2 (ko)
CA (1) CA2786786C (ko)
DK (1) DK2524136T3 (ko)
WO (1) WO2011082836A1 (ko)

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2309122B1 (en) * 2009-10-06 2012-02-22 Siemens Aktiengesellschaft Method for controlling a wind turbine at high thermal loads
FI123019B (fi) * 2010-08-26 2012-10-15 Winwind Oy Tuulivoimalarakenne
EP2520798B1 (en) * 2011-05-06 2022-06-08 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Cooling arrangement of a wind turbine
US8864448B2 (en) * 2011-09-21 2014-10-21 General Electric Company Ram air turbine with integrated heat exchanger
WO2013050418A1 (en) * 2011-10-06 2013-04-11 Aktiebolaget Skf Thermo-electric power harvesting bearing configuration
EP2620643A1 (en) * 2012-01-27 2013-07-31 Siemens Aktiengesellschaft Composite seal carrier for a direct drive main bearing of a wind turbine
DE102012208372A1 (de) * 2012-05-18 2013-11-21 Siemens Aktiengesellschaft Windenergieanlage
DK2796740T3 (en) 2013-04-26 2017-05-22 Siemens Ag Directly operated wind turbine with a slide bearing device
DE102013106386A1 (de) 2013-06-19 2014-12-24 Dierken Engineering GmbH Einrichtung zur Kühlung
DK2827012T3 (en) 2013-07-19 2018-03-12 Siemens Ag Cooling a bearing for a wind turbine
US9325224B2 (en) * 2013-12-28 2016-04-26 Google Inc. Electrically-isolated and liquid-cooled rotor and stator assemblies
DK2947312T3 (da) * 2014-05-23 2020-01-06 Siemens Gamesa Renewable Energy As Fremgangsmåde til drift af en vindmølle
CN105298754B (zh) * 2015-11-13 2019-02-15 北京金风科创风电设备有限公司 风力发电机及风力发电机组
CN105484948B (zh) * 2015-12-31 2020-02-21 北京金风科创风电设备有限公司 风力发电机组主轴承冷却控制方法
CN108019324B (zh) * 2017-12-06 2019-07-09 北京金风科创风电设备有限公司 轴系的冷却系统及其控制方法以及风力发电机组
CN110094298B (zh) 2018-01-31 2020-05-26 北京金风科创风电设备有限公司 切出策略自适应调整的方法及装置
EP3578841A1 (en) 2018-06-06 2019-12-11 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Bracket to mount cooling rings and cooling arrangement for a bearing with cooling rings and brackets
EP3719313B1 (en) * 2019-04-05 2024-06-05 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Cooling arrangement for a wind turbine
CN110318958B (zh) * 2019-07-17 2022-02-08 上海电气风电集团股份有限公司 直驱发电机主轴承机构的冷却系统及直驱发电机
CN111120516B (zh) * 2020-01-16 2022-04-15 华亿轴承科技（江苏）有限公司 基于ptfe纤维的混合型自润滑轴承及加工工艺
CN113137349B (zh) * 2021-04-28 2022-02-11 上海电气风电集团股份有限公司 一种用于风机驱动链的主轴承油脂更换方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004518262A (ja) * 2000-10-25 2004-06-17 コーニンクレッカ　フィリップス　エレクトロニクス　エヌ　ヴィ 強制空冷される内部軸受
JP2008157340A (ja) * 2006-12-22 2008-07-10 Ntn Corp 転がり軸受
JP2009299656A (ja) * 2008-06-17 2009-12-24 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd 風力発電装置

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4541738A (en) * 1983-08-11 1985-09-17 The Timken Company Refrigerant cooled tapered roller bearing assembly
JPS6257847A (ja) * 1985-09-06 1987-03-13 Mitsubishi Electric Corp 軸受冷却装置
JP2510758B2 (ja) 1990-05-21 1996-06-26 株式会社 牧野フライス製作所 機械の主軸用軸受の冷却方法
CN1024872C (zh) * 1991-01-31 1994-06-01 东芝株式会社 旋转阳极型x射线管
US5556942A (en) 1991-04-29 1996-09-17 Terrapin Technologies, Inc. Glutathione S-transferase-activated compounds
US5183342A (en) 1991-12-16 1993-02-02 General Electric Company Lubricated bearing assembly
US5686769A (en) * 1995-05-26 1997-11-11 Eastman Kodak Company Method of coil mounting for maximum heat transfer in brushless DC motors
JPH1075547A (ja) * 1996-06-28 1998-03-17 Mitsuba Corp ピストンポンプおよびピストンポンプ駆動用の電動モータの組付け方法
NL1013129C2 (nl) * 1999-09-24 2001-03-27 Lagerwey Windturbine B V Windmolen.
US6755572B1 (en) * 1999-11-15 2004-06-29 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Antifriction bearing
EP1710432B1 (en) * 2000-09-25 2014-04-30 STX Heavy Industries Co., Ltd. Wind power generator
WO2003023942A1 (en) * 2001-09-13 2003-03-20 Sibley Lewis B Flywheel energy storage systems
US6954010B2 (en) * 2002-05-06 2005-10-11 Aerovironment, Inc. Lamination cooling system
DE10239366A1 (de) * 2002-08-28 2004-03-11 Klinger, Friedrich, Prof. Dr.-Ing. Windenergieanlage
US7417334B2 (en) * 2003-07-08 2008-08-26 Shiro Kinpara Wind power generation system, arrangement of permanent magnets, and electrical power-mechanical force converter
JP3929440B2 (ja) * 2003-12-25 2007-06-13 ファナック株式会社 電動機
US7154191B2 (en) * 2004-06-30 2006-12-26 General Electric Company Electrical machine with double-sided rotor
US7154192B2 (en) * 2004-09-27 2006-12-26 General Electric Company Electrical machine with double-sided lamination stack
US7154193B2 (en) * 2004-09-27 2006-12-26 General Electric Company Electrical machine with double-sided stator
US7687945B2 (en) * 2004-09-25 2010-03-30 Bluwav Systems LLC. Method and system for cooling a motor or motor enclosure
US7839048B2 (en) * 2004-09-27 2010-11-23 General Electric Company Electrical machine with double-sided stator
US7548008B2 (en) * 2004-09-27 2009-06-16 General Electric Company Electrical machine with double-sided lamination stack
SE530523C2 (sv) * 2006-10-02 2008-07-01 Metso Panelboard Ab Roterande maskin, raffinör och förfarande för vibrationsstyrning av en roterande maskin
DE102007003618A1 (de) 2007-01-18 2008-07-24 Voith Patent Gmbh Energieerzeugungsanlage, angetrieben durch eine Wind- oder Wasserströmung
DE102007012408A1 (de) * 2007-03-15 2008-09-18 Aerodyn Engineering Gmbh Windenergieanlagen mit lastübertragenden Bauteilen
EP2176546B1 (en) * 2007-06-22 2013-02-20 Vestas Wind Systems A/S Wind turbine with a lubrication system for a gearbox
US8247943B2 (en) * 2008-05-21 2012-08-21 Bryan Prucher Motor/generator structure
US7804215B2 (en) * 2008-09-30 2010-09-28 General Electric Company Integrated cooling concept for magnetically geared machine

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004518262A (ja) * 2000-10-25 2004-06-17 コーニンクレッカ　フィリップス　エレクトロニクス　エヌ　ヴィ 強制空冷される内部軸受
JP2008157340A (ja) * 2006-12-22 2008-07-10 Ntn Corp 転がり軸受
JP2009299656A (ja) * 2008-06-17 2009-12-24 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd 風力発電装置

Also Published As

Publication number Publication date
AU2010341071A1 (en) 2012-06-14
CA2786786C (en) 2017-07-04
CA2786786A1 (en) 2011-07-14
KR20120115372A (ko) 2012-10-17
US9803694B2 (en) 2017-10-31
AU2010341071B2 (en) 2014-10-02
JP2013516577A (ja) 2013-05-13
EP2524136A1 (en) 2012-11-21
CN102713273A (zh) 2012-10-03
US20120280511A1 (en) 2012-11-08
BR112012016868A2 (pt) 2018-05-15
JP5511982B2 (ja) 2014-06-04
WO2011082836A1 (en) 2011-07-14
EP2524136B1 (en) 2014-03-19
CN102713273B (zh) 2016-04-13
DK2524136T3 (da) 2014-04-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101729910B1 (ko) 냉각 시스템을 구비한 직접 구동 윈드 터빈
JP6124508B2 (ja) 熱制御システムを備えた直接駆動風車、軸受アセンブリ、及び、直接駆動風車の温度を制御する方法
ES2812505T3 (es) Disposición con dispositivos para refrigeración y/o calefacción integradas y un método para la calefacción o refrigeración integradas
US20190014687A1 (en) Cooling system in hybrid electric propulsion gas turbine engine
US9303694B2 (en) Bearing for a wind turbine
KR102361466B1 (ko) 포드 추진 디바이스 및 이를 냉각하기 위한 방법
US20130319631A1 (en) Integrated cooling and climate control system for an offshore wind turbine
CN109139396A (zh) 风力发电机组冷却系统及冷却方法及风力发电机
CN108964317A (zh) 一种用于无人机驱动电机的定子绕组散热结构
CN109944746A (zh) 风力发电机组
KR101394708B1 (ko) 풍력발전용 증속기의 냉각시스템
JP6456507B2 (ja) 回転電機
CN213043557U (zh) 无人机及其螺旋桨的驱动电机
JPH0217215Y2 (ko)
JP2016534283A (ja) 流体冷却システム
CN105090047A (zh) 一种综合散热高温液下泵

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant