KR101778105B1 - 풍력 터빈용 블레이드 피치각 조절 장치 - Google Patents

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Abstract

풍력 터빈의 블레이드의 피치각을 조절하기 위한 풍력 터빈 블레이드 피치각 조절 장치(1)는, 최대 모터 토크(Tm)를 출력할 수 있는 전기 피치 모터(M); 및 최대 브레이크 어셈블리 토크(Tb)를 발생시킬 수 있는 피치 브레이크 어셈블리(7)를 포함하며, 상기 풍력 터빈 블레이드 피치각 조절 장치의 특징으로서, 상기 피치 브레이크 어셈블리(7)는, 각기 최대 개별 브레이크 토크(Tsb)를 발생시킬 수 있는 복수의 개별적인 피치 브레이크(11, 12)를 포함하고, 상기 최대 브레이크 어셈블리 토크(Tb)는 상기 모든 최대 개별 브레이크 토크(Tsb)의 합이며, 상기 최대 모터 토크(Tm)는 상기 피치 브레이크들 중 어떤 것의 최대 개별 브레이크 토크(Tsb) 보다도 높다.

Description

풍력 터빈용 블레이드 피치각 조절 장치{BLADE PITCH ANGLE ADJUSTING APPARATUS FOR A WIND TURBINE}
본 발명은 풍력 터빈의 블레이드의 피치각(pitch angle)을 조절하기 위한 풍력 터빈 블레이드 피치각 조절 장치에 관한 것으로, 이 조절 장치는 최대 모터 토크(Tm)를 출력할 수 있는 전기 피치 모터 및 최대 브레이크 어셈블리 토크(Tb)를 발생시킬 수 있는 피치 브레이크 어셈블리를 포함한다.
블레이드 피치각 조절 장치를 갖는 피치 제어 시스템이 최신 종래 기술에 알려져 있다.
이들 시스템에서, 각각의 회전자 블레이드는 전용의 블레이드 피치각 조절 장치, 즉 전기기계식 액츄에이터에 의해 개별적으로 기울어지게 된다. 각각의 그러한 액츄에이터는 전기 피치 모터, 감속기 및 전자기 피치 브레이크를 포함한다.
피치 브레이크는 기본적으로 제동 조건에 있게 된다. 피치각을 조절하기 위해, 피치 브레이크가 해제되고, 피치 모터가 그의 길이 방향 축선을 중심으로 블레이드를 회전 운동으로 구동시킨다. 원하는 피치각에 도달하면, 피치 브레이크는 그의 기본적인 제동 조건으로 복귀하고 회전 블레이드를 멈추게 된다.
이러한 블레이드 피치각 조절 장치는, 피치 브레이크가 고장나면 블레이드를 기울이는 것이 더 이상 가능하지 않다는 단점을 갖고 있다. 이러한 고장이 일어나면, 피치 브레이크가 해제될 수 없고 따라서 피치 모터가 닫힌 브레이크에 대항하여 작동하게 된다. 이렇게 되면 상기 모터의 전기 회로에 과부하가 걸릴 수 있고 또한 그 모터가 손상될 수 있다. 어느 경우든, 피치 모터는 블레이드를 회전시킬 수 없게 된다. 이에 따라, 풍력 터빈은 그의 피칭(pitching) 능력을 상실하게 되며, 가변적인 바람 조건에 더 이상 적응할 수 없으며 또한 공기역학적 불균형으로 인해 야기되는 위험하게 높은 부하를 받을 위험이 있게 된다.
이 문제에 대한 일 해결 방안은, 브레이크 고장시 피치 브레이크의 제동력을 극복할 수 있는 고출력 피치 모터를 갖는 블레이드 피치각 조절 장치를 제공하는 것이다. 그러나, 이 해결 방안은 피치 모터의 크기, 가격 및 중량을 증가시키기 때문에 만족스럽지 못한다.
그러므로, 본 발명의 목적은, 작은 크기와 적은 중량을 가지며 가격도 낮고 또한 피치 브레이크의 고장시에도 블레이드 피치를 조절할 수 있는 블레이드 피치각 조절 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 최대 모터 토크(Tm)를 출력할 수 있는 전기 피치 모터(M); 및 최대 브레이크 어셈블리 토크(Tb)를 발생시킬 수 있는 피치 브레이크 어셈블리를 포함하는, 풍력 터빈의 블레이드의 피치각을 조절하기 위한 풍력 터빈 블레이드 피치각 조절 장치로서, 상기 피치 브레이크 어셈블리는, 각기 최대 개별 브레이크 토크(Tsb)를 발생시킬 수 있는 복수의 개별적인 피치 브레이크를 포함하고, 상기 최대 브레이크 어셈블리 토크(Tb)는 상기 모든 최대 개별 브레이크 토크(Tsb)의 합이며, 상기 최대 모터 토크(Tm)는 상기 피치 브레이크들 중 어떤 것의 최대 개별 브레이크 토크(Tsb) 보다도 높은 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드 피치각 조절 장치로 달성된다.
여러 개의 개별적인 피치 브레이크를 갖는 피치 브레이크 어셈블리를 제공함으로써, 총 제동력 및 피치 브레이크 고장의 위험이 하나의 브레이크 대신에 여러 개의 브레이크에 분산된다. 개별적인 피치 브레이크 중의 하나가 고장나면, 피치 모터만이 피칭(pitching)을 위해 이 개별적인 피치 브레이크의 부분적인 제동력을 극복하면 된다. 따라서, 피치 모터는 고출력 피치 모터를 사용하는 종래 기술의 방안에서 보다 작게 유지될 수 있다.
문헌 RU 2 354 845 C1에는, 전기 피치 모터를 갖는 대신에 피칭을 위해 풍력 터빈의 운동 에너지를 이용하는 블레이드 피치각 조절 장치가 개시되어 있다.
바람직한 실시 형태에 따르면, 본 발명의 장치는 단독으로 또는 기술적으로 가능한 모든 조합으로 다음과 같은 특징적 사항들 중의 하나 또는 여러 개를 갖는다:
- 상기 최대 브레이크 어셈블리 토크(Tb)는 상기 최대 모터 토크(Tm) 보다 높다;
- 함께 제동하도록 상기 피치 브레이크를 제어하기 위한 수단;
- 상기 피치 브레이크 각각은 그 자신의 동력 공급부를 갖추고 있는 자립적인 브레이크 유닛이다;
- 상기 피치 브레이크 어셈블리는 2개의 피치 브레이크로 이루어져 있다;
- 상기 각각의 피치 브레이크의 최대 개별 브레이크 토크(Tsb)는 상기 피치 브레이크 어셈블리의 최대 브레이크 어셈블리 토크(Tb)의 절반이다;
- 상기 피치 모터로 구동되고 상기 피치 브레이크 어셈블리에 의해 제동되도록 그 피치 모터와 피치 브레이크 어셈블리에 연결되어 있는 구동축;
- 상기 피치 모터에 연결되어 있는 감속 기어.
본 발명은 또한 로터를 포함하는 풍력 터빈에 관한 것으로, 상기 로터는, 허브; 블레이드의 피치각을 조절하기 위한 피치 축선을 중심으로 회전가능하게 상기 허브에 장착되는 적어도 하나의 블레이드; 및 상기 블레이드의 피치각을 조절하기 위한 전술한 바와 같은 블레이드 피치각 조절 장치를 포함한다.
첨부 도면을 참조하는 본 발명의 비제한적인 실시예에 대한 이하의 설명을 통해 본 발명을 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 블레이드 피치각 조절 장치의 개략적인 측면도이다.
도면을 참조하면, 블레이드 피치각 조절 장치(1)가 나타나 있다. 이 장치는 풍력 터빈의 회전자 허브(미도시)에 위치된다. 상기 장치(1)의 일 단부(2)는 링 기어(3)와 맞물려 있다. 이 링 기어(3)는 회전자 블레이드(미도시)의 하단부에 고정되어 있다. 링 기어(3)와 회전자 블레이드는, 회전자 블레이드의 길이 방향 축선과 실질적으로 일치하는 피치 축선을 중심으로 회전자 허브에 대해 회전할 수 있다.
상기 블레이드 피치각 조절 장치(1)는 도면의 좌측에서 우측으로 가면서 피니언(4), 감속 기어(5), 구동축(6), 전기 피치 모터(M) 및 피치 브레이크 어셈블리(7)를 포함한다.
상기 피치 모터(M)는 최대 모터 토크(Tm)를 출력할 수 있다.
상기 구동축(6)은 모터(M)에 의해 구동되도록 그 모터(M)에 연결되어 있고 구동 단부(9)와 제동 단부(10)를 갖고 있다. 그 구동 단부(9)는 상기 감속 기어(5)에 연결되어 있고, 그리고 이 감속 기어는 피니언(4)에 연결되어 있다. 이 피니언(4)은 상기 링 기어(3)와 맞물려 있다.
나타나 있는 실시예에서, 상기 피치 브레이크 어셈블리(7)는 2개의 개별적인 피치 브레이크(11, 12)를 포함한다. 원한다면, 그 피치 브레이크 어셈블리(7)는 둘 이상의 개별적인 피치 브레이크를 포함할 수 있다. 나타나 있는 실시예에서, 피치 브레이크(11, 12)는 모터 축(6)의 제동 단부(10)를 둘러싸고 있으며 서로 옆에 배치되어 있다. 그러나, 피치 브레이크(11, 12)는 피치 모터(M)와 감속 기어(5) 사이에 배치될 수도 있다. 다른 가능한 배치로는, 피치 브레이크들 중의 하나를 피치 모터(M)와 감속 기어(5) 사이에 두고, 다른 피치 브레이크는 제동 단부(10)에 배치하는 것이다. 피치 브레이크를 모터(M)와 감속 기어(5) 사이에는 둠으로써 얻어지는 이점은, 회전자 블레이드가 모터(M)의 교체 중에 위치 잠금되어 유지될 수 있다는 것이다.
상기 피치 브레이크(11, 12)는 자기 잠금(self-locking)식인데, 이는 피치 브레이크(11, 12)가 기본적으로 제동 조건에 있게 됨을 의미한다.
각각의 피치 브레이크(11, 12)는 그 자신의 동력 공급부를 갖추고 있는 자립적인 브레이크 유닛이다. 따라서, 각각의 피치 브레이크(11, 12)는 서로 독립적으로 기능할 수 있다. 특히, 피치 브레이크(11)는 피치 브레이크(12)의 고장시에도 작동할 수 있고 그 반대도 가능하다. 바람직하게는, 피치 브레이크(11, 12)는 전자기 브레이크이다. 다른 실시 형태(미도시)에서 피치 브레이크는 유압 브레이크다.
상기 블레이드 피치각 조절 장치(1)는 또한 피치 브레이크(11, 12)가 단일의 피치 브레이크로서 거동하도록 제어하기 위한 수단(미도시)을 포함한다.
각각의 피치 브레이크(11, 12)는 최대의 개별적인 브레이크 토크(Tsb)(Tsb1 및 Tsb2)를 발생시킬 수 있다. 따라서, 피치 브레이크 어셈블리(7)는 최대 브레이크 어셈블리 토크(Tb = Tsb1 + Tsb2)를 발생시킬 수 있다. 본 실시예에서, Tsb1 = Tsb2 이며, 따라서 Tb = 2*Tsb1 = 2*Tsb2이다.
대안적인 실시 형태에서, Tsb1 = 2*Tsb2 이고, 그래서 Tsb2 = Tb/3 이고 Tsb1 = 2*Tb/3 이다.
상기 피치 모터(M) 및 피치 브레이크(11, 12)는 Tb ＞ Tm ＞ Tsb 가 되도록 선택된다.
정상적인 피칭(pitching) 작동
상기 블레이드 피치각 조절 장치(1)는 관련된 회전자 블레이드를 조절하기 위해 다음과 같은 방식으로 작동한다.
먼저, 피치 브레이크 제어 수단이 피치 브레이크 어셈블리(7)를 해제시키기 위해 두 개별적인 브레이크(11, 12)에 동력을 동시에 제공한다. 그런 다음, 피치 모터(M)가 통전되어 구동축(6)을 구동시킨다. 그래서, 상기 감속 기어(5)를 통해, 피니언(4)이 회전하게 되고, 이에 따라 링 기어(3) 및 부착되어 있는 회전자 블레이드가 회전하게 된다. 원하는 피치각이 도달되면, 피치 모터(M)는 멈추게 되고 피치 브레이크 제어 수단이 구동축(6) 및 회전자 블레이드를 제동하기 위해 두 개별적인 브레이크(11, 12)를 비활성화시키게 된다.
정상적인 피칭 작동 중에, 상기 제어 수단은 피치 브레이크(11, 12)가 단일의 피치 브레이크로서 작동하도록 그들 피치 브레이크를 제어한다. 상기 제어 수단은 피치 브레이크(11, 12)를 동기적으로 제어한다.
피치 브레이크 고장시의 피칭 작동
개별적인 브레이크(11, 12) 중의 하나가 고장나서 해제될 수 없으면, 상기 피치 모터(M)는, 최대 개별 브레이크 토크(Tsb) 보다 높은 그의 최대 모터 토크(Tm) 덕분에, 고장난 개별 브레이크의 제동력을 극복하고 또한 풍력 터빈에 대한 손상을 피하기 위해 윈드 블레이드를 안전한 페더링 위치(feather position)로 기울이게 된다. 회전자 블레이드가 기울어질 수 있게 나머지 피치 브레이크가 해제될 수 있다. 그 동안 회전자 블레이드는 상기 나머지 피치 브레이크(11, 12)의 비활성화시 원하는 위치에 신뢰적으로 유지될 수 있다.
두 독립적인 브레이크(11, 12)가 동시에 고장날 가능성은 무시할 수 있으므로, 피치 모터(M)는 고장난 하나의 개별 브레이크의 부분적인 제동력을 극복하는데 충분한 동력만 필요로 한다. 따라서, 피치 모터(M)는 풍력 터빈의 안전성을 훼손시킴이 없이 컴팩트한 크기를 가질 수 있다.

Claims (9)

  1. 풍력 터빈의 블레이드의 피치각(pitch angle)을 조절하기 위한 풍력 터빈 블레이드 피치각 조절 장치(1)로서,
    최대 모터 토크(Tm)를 출력할 수 있는 전기 피치 모터(M); 및
    최대 브레이크 어셈블리 토크(Tb)를 발생시킬 수 있는 피치 브레이크 어셈블리(7)를 포함하며,
    상기 피치 브레이크 어셈블리(7)는, 각기 최대 개별 브레이크 토크(Tsb)를 발생시킬 수 있는 복수의 개별적인 피치 브레이크(11, 12)를 포함하고,
    상기 최대 브레이크 어셈블리 토크(Tb)는 모든 최대 개별 브레이크 토크(Tsb)의 합이며,
    상기 최대 모터 토크(Tm)는 상기 피치 브레이크들 중 임의의 피치 브레이크의 최대 개별 브레이크 토크(Tsb) 보다도 높은, 풍력 터빈 블레이드 피치각 조절 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 최대 브레이크 어셈블리 토크(Tb)는 상기 최대 모터 토크(Tm) 보다 높은, 풍력 터빈 블레이드 피치각 조절 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    함께 제동하도록 상기 피치 브레이크(11, 12)를 제어하기 위한 수단을 더 포함하는, 풍력 터빈 블레이드 피치각 조절 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 피치 브레이크 각각은 그 자신의 동력 공급부를 갖추고 있는 자립적인 브레이크 유닛인, 풍력 터빈 블레이드 피치각 조절 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 피치 브레이크 어셈블리는 2개의 피치 브레이크(11, 12)로 이루어져 있는, 풍력 터빈 블레이드 피치각 조절 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    각각의 피치 브레이크의 최대 개별 브레이크 토크(Tsb)는 상기 피치 브레이크 어셈블리의 최대 브레이크 어셈블리 토크(Tb)의 절반인, 풍력 터빈 블레이드 피치각 조절 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 피치 모터로 구동되고 상기 피치 브레이크 어셈블리에 의해 제동되도록 피치 모터와 피치 브레이크 어셈블리에 연결되어 있는 구동축(6)을 더 포함하는, 풍력 터빈 블레이드 피치각 조절 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 피치 모터에 연결되어 있는 감속 기어(5)를 더 포함하는, 풍력 터빈 블레이드 피치각 조절 장치.
  9. 로터를 포함하는 풍력 터빈으로서,
    상기 로터는,
    허브,
    블레이드의 피치각을 조절하기 위한 피치 축선을 중심으로 회전가능하게 상기 허브에 장착되는 적어도 하나의 블레이드, 및
    상기 블레이드의 피치각을 조절하기 위한 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 풍력 터빈 블레이드 피치각 조절 장치를 포함하는, 풍력 터빈.
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