KR101870625B1

KR101870625B1 - 풍력 터빈 로터 및 풍력 터빈

Info

Publication number: KR101870625B1
Application number: KR1020177006417A
Authority: KR
Inventors: 아이슈타인 보르겐; 윌리엄 캐론; 마크 웨스트
Original assignee: 스웨이 터빈 에이에스
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2018-06-25
Also published as: EP2337953A2; EP2337953B1; GB201107561D0; US8729721B2; KR20110079716A; BRPI0920574A2; AU2009301109A1; JP5767112B2; CN102245896A; CA2739999C; WO2010040829A3; KR20170029658A; GB2476769A; GB2476769B; US20110193349A1; GB0818610D0; CN105179160A; WO2010040829A2; CA2739999A1; MA32777B1

Abstract

풍력 터빈은 축(4)을 가진 수평 샤프트(2)가 상부에 제공된 타워(1)를 구비한다. 터빈 로터는 장착 장치(8)에 의해 베어링 부재(5, 6) 및 로터(9) 또는 발전기에 연결되는 터빈 블레이드(7)를 포함한다. 상기 축(4)에 나란한 블레이드(7)상에서 작용하는 힘의 성분은 예를 들어 견고한 직선형의 부재(11, 12)에 의해 베어링 부재(6)에 실질적으로 독점적으로 전송된다. 상기 블레이드(7)에 의해 제조된 축(4)에 대한 토오크는 부재(20)를 통하여 로터(9)에 실질적으로 독점적으로 전송된다.

Description

풍력 터빈 로터 및 풍력 터빈{Wind turbine rotor and wind turbine}

본 발명은 풍력 터빈 로터 및 로터를 포함하는 풍력 터빈에 대한 것이다.

전기를 생성하는 풍력 터빈은 공지된 것이며, 안정적인 전기 공급을 위하여 점점 널리 사용되고 있다. 풍력 터빈이 생성할 수 있는 최대 전력은 블레이드가 지나가는 면적(swept area)에 비례하는데, 지나가는 면적은 블레이드의 제곱에 거의 비례한다. 풍력 터빈이 제공할 수 있는 최대 전력을 증가시키고 공급되는 에너지의 단가를 감소시키기 위하여 풍력 터빈 크기를 증가시킬 필요가 있다. 그러나, 출력의 선형적 비례는 풍력 터빈 구성요소를 선형적으로 비례시킴으로써 달성될 수는 없다.

예를 들어, 각 블레이드의 길이가 2배로 증가되면, 지나가는 면적은 4배로 된다. 그러나, 각 블레이드의 중량은 길이의 세제곱에 비례하여, 중량은 8배로 증가하게 된다.

풍력 터빈은 허브에 축이 연결됨으로써 발전기를 구동하는 허브에 블레이드가 고정되는 것으로 알려져 있다. 이러한 구조체의 예는 WO03/098034A1, DE10311025A1, US2006/0251516A1, EP0058791A1 및 US6951443B1 에 설명된 바 있다.

보다 효과적인 발전을 위하여 축에 의해 구동되는 발전기는 회전 속력을 증가시키는 기어박스를 사용할 필요가 있다. 그러나, 기어박스는 비용과 중량을 증가시키며 풍력 터빈의 작동 조건을 증가시키는 불편한 점이 있다. 직접 구동 발전기는 사용된 바 있고 예를 들어 이러한 장치들은 DE 10255745A1 및 US 6285090에 설명된 바 있다.

WO 02/099950A1 은 이러한 타입의 발전기를 설명하고 있다. 상기 풍력 터빈은 자전거 스포크 휠을 닮도록 하기 위하여 텐션 부재에 의해 허브에 연결된 림을 가진 로터를 구비한다. 상기 허브는 축방향으로 이격된 터빈 블레이드 장치에 의해 구동된다.

CA 26265452A1 은 직접 구동 발전기를 구비한 풍력 터빈을 설명한다. 상기 터빈 로터의 블레이드는 회전축에 수직한 공통면에 배치되고 허브로부터 반경방향으로 연장된 로브에 의해 허브에 연결된 환형부에 고정된다. 상기 블레이드의 힘은 블레이드의 내측 단부에 연결되는 상기 환형부에서 분해된다. 따라서 상기 환형부는 이러한 힘을 이겨내는 충분한 강도를 가지도록 제조되어야 한다. 12미터 크기의 회전축에 대한 반경 및 3.5 미터 크기의 회전축에 대한 반경을 가지는 환형부의 경우, 제조 단가는 비교적 높으며, 상기 환형부는 중량은 상당한 수준이다. 따라서, 이러한 풍력 터빈을 운반하고 조립하는 것은 그 비용이 비싼 경향이 있다.

US 7042109B2는 직접적으로 또는 기어 박스를 통하여, 링 타입이며 철이 없는 발전기를 터빈 로터가 구동하는 풍력 터빈의 다양한 장치를 개시한다. 본 출원의 도 3에 도시된 장치에서, 블레이드는 허브 베어링으로 로터 허브 내에서 연장되며 발전기 로터는 허브에 고정된다. 상기 블레이드상에서 작용하는 축 회전력에 나란한 성분은 상기 베어링에 전달되며 나아가 발전기 로터에도 전달된다. 상기 블레이드에서 만들어진 토오크는 발전기 로터로 전달된다.

허브에 고정되고 로프 또는 케이블 장치에 의해 브레이싱된 블레이드를 구비한 풍력 터빈은 공지된 바 있다. 이러한 터빈에서, 허브는 축을 통하여 그리고 기어 박스를 통하여 발전기를 다시 구동한다. 이러한 타입의 풍력 터빈은 지나가는 면적이 구조체의 일체성을 유지하면서 충분히 증가될 수는 없기 때문에 비교적 높은 전력 생산에는 적합하지 않다.

풍력 터빈에 대한 다른 예들은 GB 1511948A1, WO 97/13979A1, US 4330714A, US 4350895A, WO 86/02701A1, WO 2007/135391A2, US 2005/200134A1, US 5118255A, US 2050129A, DE 19606359A1, US 2008/124216A1 에 설명되어 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 축에 대하여 샤프트에 대하여 로터의 회전을 허용하는 적어도 하나의 베어링 부재, 발전기 구동 장치, 다수의 터빈 블레이드를 포함하는 풍력 터빈 로터가 제공되는데, 상기 블레이드는 반경방향으로 외측 단부에서 지지되지 않으며, 각각의 블레이드 장착 장치는 상기 축에 나란하게 작용하며 적어도 하나의 베어링 부재는 거의 배제하고 관련된 블레이드에 작용하는 모든 힘의 성분들을 전달하며, 상기 발전기 구동 장치는 거의 배제하고 관련된 블레이드상에서 축에 대하여 작용하는 토오크를 전달하도록 배치되며, 상기 발전기 구동 장치는 상기 블레이드에 연결되게 되지만 블레이드로부터 별도로 되어 있다.

각각의 블레이드 장착 장치는 제1 개방 프레임 구조를 포함한다. 상기 제 1 개방 프레임 구조는 제 1 공간 프레임을 포함한다.

상기 발전기 구동 장치는 제 2 개방 프레임 구조체에 의해 적어도 하나의 베어링 부재에 연결된다. 상기 제 2 개방 프레임 구조체는 제 1 개방 프레임 구조체에 실질적으로 독립적으로 작동하게 된다. 상기 제 2 개방 프레임 구조체는 적어도 하나의 제 2 공간 프레임을 포함한다.

상기 축으로부터 각각의 블레이드의 반경방향 최단부로의 반경방향 거리는 상기 축으로부터 상기 발전기 구동 장치로의 반경방향 거리보다 크게 형성된다.

상기 터빈 블레이드 및 블레이드 장착 장치는 상기 축 주위에서 등각 이격된다. 상기 터빈 블레이드는 상기 축에 수직한 제 1 평면 또는 상기 축에 동축 방향인 원뿔대 표면에 배치된다. 상기 블레이드 장착 장치는 서로 각각 분리된다.

각각의 블레이드 장착 장치는 관련된 블레이드로부터 상기 발전기 구동 장치로 상기 축에 대하여 실질적으로 토오크만을 전달하는 제 1 부재에 의해 상기 발전기 구동 장치에 연결된다. 상기 제 1 부재는 탄성을 가지며(또는 탄성을 가질 수 있으며), 상기 블레이드 장착 장치 및 발전기 구동 장치에 각을 이루어 배치되어, 상기 축에 대하여 나란하게 작용하며 블레이드상에서 상기 발전기 구동 장치에 작용하는 모든 힘의 성분들을 전달하는 것을 실질적으로 방지하게 된다.

각각의 블레이드 장착 장치는 상기 축이 놓여진 제 2 평면에 배치되고 서로 블레이드에 연결되는 제 1 단부와 상기 축에 나란하게 이격된 각각의 위치에서 적어도 하나의 베어링 부재에 연결되는 제 2 단부를 구비하는 제 2 부재 및 제 3 부재를 포함한다. 각각의 블레이드에는 힘의 중심이 있어서, 상기 제 2 부재 및 제 3 부재는 서로 교차하거나 힘의 중심에 인접하는 선들에서 연장된다. 각각의 블레이드 장착 장치의 상기 제 2 부재 및 제 3 부재는 복합 부재의 제 1 부분과 제 2 부분을 포함한다.

각각의 블레이드 장착 장치는 축에 대하여 풍력을 토오크로 변환하도록 형성된다.

각각의 블레이드 장착 장치는 적어도 하나의 베어링 부재에 부착되는 제 1 부착점 및 제 2 부착점과, 상기 발전기 구동 장치에 연결되거나 부착되는 제 3 부착점을 포함한다. 상기 블레이드 장착 장치는 상기 축에 나란하게 작용하며 상기 블레이드 상에서 상기 발전기 구동 장치에 작용하는 모든 힘의 성분들을 전달하는 것을 실질적으로 방지하기 위하여 제 3 부착점에서 또는 제 3 부착점 부근에서 탄성을 가진다.

상기 발전기 구동 장치는 축이 놓여지는 각각의 제 3 평면에 배치되는 다수의 쌍의 제 4 부재 및 제 5 부재에 의해 적어도 하나의 베어링 부재에 연결되며, 상기 발전기 구동 장치에 서로 연결되는 제 1 단부와 상기 축에 나란하게 이격되는 각 위치에서 적어도 하나의 베어링 부재에 연결되는 제 2 단부를 가진다.

각각의 상기 부재들은 실질적으로 단단하게 형성된다.

각각의 상기 부재들은 실질적으로 곧게 뻗어 있거나, 그 제 1 단부 및 제 2 단부 사이에서 실질적으로 곧게 뻗어 있다.

적어도 하나의 베어링 부재는 발전기 스테이터를 수용하도록 축방향으로 이격된 제 1 베어링 부재 및 제 2 베어링 부재를 포함한다. 상기 제 1 베어링 부재 및 제 2 베어링 부재는 상기 제 1 베어링 부재 및 제 2 베어링 부재의 축방향 분리를 결정하거나 제한하는 쓰러스트 베어링과 작동하거나, 그 일부를 형성하게 된다. 상기 제 1 베어링 및 제 2 베어링 부재는 제 2 부재 및 제 3 부재의 제 2 단부에 각각 연결되거나, 제 4 부재 및 제 5 부재의 제 2 단부 각각에 연결된다.

상기 발전기 구동 장치는 상기 축에 각을 이루거나 동축 방향으로 형성된다.

상기 발전기 구동 장치는 발전기 로터의 적어도 일부분을 형성하거나 이에 고정된다. 상기 발전기 로터는 상기 축 주위에 각을 이루어 이격된 다수의 영구 자석 또는 코일을 포함한다. 이러한 발전기 로터는 발전기 스테이터에 대한 공기중의 자기적 공간을 가로질러 각각 서로 마주보며 동축방향으로 각을 이룬 제 1 및 제 2 요크를 포함한다. 상기 제 4 및 제 5 부재의 제 1 단부는 상기 제 1 및 제 2 요크에 고정된다. 상기 제 1 및 제 2 요크는 강자성체이다. 상기 영구 자석은 공기중의 간격을 형성하는 제 1 및 제 2 요크의 마주보는 표면에 탈착식으로 부착되는 배킹 플레이트(backing plate)에 고정된다.

본 발명의 제 2 특징에 따르면, 축에 대한 회전을 위한 허브와, 적어도 하나의 터빈 블레이드, 및 블레이드 장착 장치를 포함하는 풍력 터빈 로터가 제공되며, 상기 블레이드 또는 각각의 상기 블레이드는 상기 축에 나란하게 작용하는 모드 힘의 성분에 대한 힘의 중심을 가지며, 상기 블레이드 장착 장치 또는 각각의 블레이드 장착 장치는 축에 나란하게 이격된 반경방향 내측 단부에서 허브에 연결되며 실질적인 힘의 중심 또는 힘의 중심에 인접하에 서로 실질적으로 교차하는 선으로 연장되는 제 1 부재 및 제 2 부재를 포함한다.

본 발명의 제 3 특징에 따르면, 본 발명의 제 1 특징 및 제 2 특징에 따른 로터와 발전기를 포함하는 풍력 터빈이 제공된다.

상기 기어 박스는 구동되도록 구성되거나 구동 장치를 포함할 수도 있다.

상기 발전기는 직접 구동 발전기일 수 있다.

상기 발전기는 철 성분이 없는 발전기일 수 있다.

상기 베어링 부재는 상기 스테이터가 회전가능하도록 고정되는 고정식 샤프트상에서 회전 가능하게 장착된다.

따라서, 비교적 대용량의 전력을 발생시킬 수 있는 풍력 터빈 로터 및 풍력 터빈을 제공하는 것이 가능하게 된다. 이러한 장치는 비교적 경량으로 만들어지며, 제조, 운반 및 조립이 비교적 용이하다. 이러한 장치는 비교적 저가로 엔지를 공급할 수 있는데, 예를 들어 제조 및 운전 단가를 비교하여 풍력 터빈의 전체 수명을 통하여 발생되는 전기 에너지 면에서 비교적 저가의 공급이 가능하다.

최적의 발전 성능에 대한 어떤 최소 두께가 되는 일반적으로 평평한 자석 뒤의 자성 플럭스 경로에 대한 필요성이 장점이 된다. 이러한 두께는 요크에 의해 제공되며, 요크는 비교적 강하며 토오크의 전달에 대한 발전 로터의 구조의 일부를 형성한다. 상기 자석을 장착하는 별도의 장착 플레이트를 사용하는 것은 손상된 자석을 제거하고 교체하는 것과 같은 작업 및 발전기 로터의 제조하는 것에 편리하다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 예시적으로 아래에서 설명된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 터빈을 도시한다.
도 2는 도 1의 풍력 터빈에 대한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 대한 풍력 터빈을 도시한다.
도 4는 도 3의 풍력 터빈의 터빈 로터와 스테이터를 보다 자세하게 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 추가적인 실시예에 대한 풍력 터빈을 도시한다.
도 6은 도 5의 풍력 터빈의 풍력 터빈 로터를 보다 자세하게 도시하는 도면이다.
도 7은 도 2에 도시된 풍력 터빈 부품의 상세 단면도이다.

도면에서 유사한 부품에는 유사한 도면부호를 사용하였다.

도 1 및 도 2에 도시된 풍력 터빈은 고전력 생산에 사용되기 적합하다. 예를 들어, 일반적인 장치에서, 이러한 풍력 터빈은 12 메가와트 크기로 평가된 출력을 가진다. 상기 터빈은 바람직한 바람 조건이 존재하고 하나 이상의 이러한 풍력 터빈을 설치해도 될 수 있는 육상 또는 연안에 설치된다.

풍력 터빈은 육지의 장치에 적합한 기초부(미도시)에 의해 그라운드 되어 고정되거나 연안의 장치에 대한 부유 및/또는 고정 장치가 제공되는 지지 타워(1)를 포함한다. 예를 들어, 타워 및 고정 장치는 EP1509696 및 EP1944504 에 설명된 타입일 수 있다.

메인 샤프트(2)는 타워(1)의 헤드부(3)에 고정되어, 상기 샤프트의 축(4)은 실질적으로 수평하게 유지된다. 상기 풍력 터빈이 서로 다른 방향의 바람을 수용하도록 하기 위하여, 상기 헤드부(3)는 수직 축에 대하여 피봇 회전하는 타워(1)의 상부에 장착된다. 상기 풍력 터빈은 제 1 및 제 2 베어링 부재(6)를 구비하는 메인 베어링(5)에 의해 축(4)에 대하여 회전하는 샤프트(2)에 회전가능하게 장착되는 로터를 포함한다. 상기 로터는 상기 축(4), 3개의 터빈 블레이드 장착 장치(8), 및 환형 발전기 로터(9) 형태의 발전기 구동 장치 주위에서 등각으로 배치되는 3개의 터빈 블레이드(7) 및 베어링 부재(6)를 포함한다. 상기 발전기 스테이터(10)는 상기 베어링 부재(6) 사이에서 샤프트(2)에 고정된다.

본 발명에서 설명되는 실시예의 풍력 터빈이 3개의 터빈 블레이드와 장착 장치를 가지고 있더라도, 본 출원에 따르면 적절한 개수의 블레이드와 장착 장치가 제공될 수 있다. 상기 블레이드(7)는 그 반경방향 내측 단부 또는 부분에서만 지지되며 그 반경방향 외측 단부에서는 지지되지 않는다.

각각의 장착 장치(8)는 복합 재료 또는 금속으로 형성되는 부재를 포함한다. 상기 장치(8)는 "A-프레임" 또는 스페이스 프레임을 닮은 형상으로 되며 상기 축(4)에 나란하게 이격되도록 하기 위하여 제 1 및 제 2 부재의 내측 단부가 상기 베어링 부재(6)에 고정되는 제 1 및 제 2 부재를 형성하는 제 1 부분(11) 및 제 2 부분(12)을 포함한다. 상기 외측 단부들은 상기 블레이드(7)에 대한 피봇회전 장착부를 제공하는 복합 부재(8)의 외측부분에 서로 연결되어, 상기 블레이드(7)는 블레이드의 피치 또는 페더링 정도(degree of feathering)가 제어될 수 있게 하도록 하기 위하여 그 길이 방향 축에 대하여 피봇 회전하게 된다. 상기 장착부는 원하는 피치로 블레이드(7)를 회전시키는 모터(14)와 블레이드(7)의 피치가 변화할 수 있게 하는 베어링(13)을 포함한다. 상기 부재(11, 12)의 외측 단부는 상기 복합 부재의 일부분에 의해 블레이드(7)에 대한 장착부에 연결된다.

상기 로터는 A-프레임 또는 스페이스 프레임에 유사하게 배치된 복수 개의 쌍의 제 3 부재(15) 및 제 4 부재(16)를 포함한다. 상기 부재(15, 16)의 반경방향 내측 단부는 축방향으로 이격되도록 배치시키기 위하여 베어링 부재(6)에 연결되는 반면에, 상기 부재(15, 16)의 반경방향 외측 단부는 상기 발전기 로터(9)의 형태인 발전기 구동 장치에 연결된다. 상기 발전기 구동 장치는 상기 블레이드(7)에 연결되지만 구분되어 있다.

상기 로터(9) 및 스테이터(10)를 포함하는 발전기는 철 성분이 없는 타입(ironless type), 환상형상이거나 링 형상 또는 직접 구동 타입으로 될 수 있다. 상기 로터는 영구 자석을 구비하며 그 사이에서 공기중에 자성의 간격을 형성하는 한 쌍의 동축 방향의 환형 부재(17, 18)를 포함한다. 상기 자석은 마주하는 자석쌍으로서 환형 부재(17, 18)에 배치되어, 각각의 쌍의 자석은 서로 마주하는 반대의 극성의 자극(pole)을 가지며, 상기 자석의 자극은 원주면 주변에서 교번하거나 상기 축(4)에 대하여 각을 이룬다.

상기 스테이터는 상기 부재(17, 18) 사이에서 공기중의 간격 내부에 배치되고 각을 이루어 배치되는 다수의 코일(19)를 포함한다. 상기 코일(19)은 강자성 코어를 탑재하지 않는다는 점에서 "철성분이 없는" 타입으로 된다. 예를 들어, 상기 코일은 에폭시 수지와 같은 충분한 강성으로 된 재료로 형성되고 포장되어, 상기 코일의 강도와 형상을 유지하게 된다. 상기 코일의 출력은 장치에 대한 특정의 요구사항에 따라 처리되며, 발생되는 전력은 타워(1)를 통하여 통과하는 컨덕터에 의해 공급된다.

이러한 타입의 발전기는 공지되어 있으며, 더 자세히 설명하지는 않는다. 유사하게, 이러한 발전기의 출력을 처리하는 전기 회로 장치는 공지되어 있으며, 더이상 자세히 설명하지는 않는다. 이러한 발전기 및 장치의 예시적은 것들은 전술한 다수의 문헌에 예시적으로 설명되어 있다.

각각의 장착 장치(8)는 도면부호 20에 도시된 연결부에 의해 로터(9)에 연결된다. 따라서, 상기 로터(9)는 상기 스테이터(10)에 대하여 축(4)을 중심으로 회전하기 위하여 그 장착 장치(8) 및 연결부(20)를 통하여 각 블레이드(7)에 의해 구동된다. 상기 코일(19)은 전기를 생성하기 위하여 공기중의 공간에서 부재(17, 18) 사이에 자성 플럭스를 자르게 된다.

사용시에,샤프트(2)에 대한 회전축(4)에 수직한 공통 평면 또는 상기 축(4)에 동축 방향인 원뿔대 표면에 배치되는 블레이드(7)는 바람 방향을 향하게 되며, 상기 모터(14)는 원하는 블레이드 피치를 제공하도록 길이방향 축 주위에서 블레이드(7)를 회전시키게 된다. 예를 들어, 상기 피치는 상기 블레이드(7)의 외측 팁 속력이 바람으로부터 추출되는 최대 이론적 에너지 효율에 대한 바람 속력의 거의 6배가 되도록 설정된다. 다양한 힘이 블레이드에 작용하며, 이러한 힘은 축(4)에 나란하게 블레이드(7)상에서 작용하는 힘 및 축(4)에 대하여 블레이드(7) 상에 작용하는 토오크로 분해된다. 상기 장착 장치(8)는 상기 축(4)에 나란하게 작용하는 힘(또는 상기 축에 나란하게 작용하는 힘의 모든 성분)이 기본적으로 각각의 복합 부재(8)의 부재(11, 12)에 의해 베어링 부재(6)에 실질적으로 독점적으로 전달되게 되도록 된다. 각각의 블레이드(7)는 회전 축(4)에 나란하게 작용하는 모든 힘의 성분에 대한 힘의 중심(30)을 가진다. 상기 부재(11, 12)는 힘의 중심(30)에서 또는 힘의 중심에 인접하게 서로 실질적으로 교차하는 선(31,32)에서 연장된다. 따라서, 도 2의 수평 방향으로의 이동 경향은 상기 부재(11, 12)를 통하여 베어링 부재(6)에 의해 저지되며 상기 연결부(20)를 통하여 상기 로터(9)로 실질적으로 전달되지 않는다.

유사하게, 상기 블레이드(7)에 의해 생성되는 토오크는 상기 연결부(20)를 통하여 상기 발전기 로터(9)로 실질적으로 독점적으로 전달된다. 상기 베어링 부재(6) 상에서 상기 로터(9)를 지지하는 부재(15, 16)는 상기 축(4)에 나란한 힘의 성분 또는 실질적인 부하를 전달하기 않으므로 따라서 상기 축(4)에 나란한 방향으로 상기 로터(9)의 구조적 안정을 확보하는데에만 필요하다. 모든 부하 베어링 부재는 실질적인 인장 또는 압축에서 작동하며, 따라서 스페이스 프레임 장치를 닮게 된다. 스페이스 프레임에 유사하며 스페이스 프레임으로서 작용하는 개방 프레임워크 구조체는 터빈 블레이드를 장착하고 발전기를 구동하는 터빈 로터 장치를 형성하는데 사용된다. 비교적 경량의 구조체가 제공되어 비교적 고출력 풍력 터빈의 작동시에 발생하는 힘이 존재하는 조건에서 구조적 일체성을 쉽게 유지할 수 있게 된다. 예를 들어 이러한 구조체는 비교적 작은 12 MW 또는 유사한 크기의 발전기를 제공하는데 사용된다.

상기 축(4)에 대하여 블레이드(7)에 의해 발생된 토오크는 각 부재(8) 상에서 연결부(20)에 의해 실질적으로 독점적으로 전달되기 때문에, 상기 연결부(20)는 피봇 회전하는 형태일 수 있다. 유사하게, 상기 베어링 부재(6)에 대한 상기 부재(11, 12)의 연결부(21)는 단단하며 실질적으로 곧게 뻗은 선형의 부재(11, 12)가 그 길이를 따라 인장력 및 압축력을 실질적으로 전달하기만 하기 때문에 토오크를 전달하거나 저항할 필요가 없다. 상기 축(4)에 나란한 도 2의 평면의 비교적 작은 힘은 로터(9)에 작용하여, 환상형의 영구 자석 운반 부재(17, 18) 사이의 공기중의 간격은 비교적 작다.

12 MW 수준의 최대 발전 용량을 가진 풍력 터빈의 경우, 상기 블레이드(7)는 50m 의 길이로 되며 상기 로터(9)는 일반적으로 12 m의 반경으로 된다. 상기 개방 프레임 구조체는 스페이스 프레임을 형성하며 스페이스 프레임을 닮은 비교적 경량의 구조체에 의해 적절한 일체적 구조를 제공하게 된다. 따라서, 구성요소들을 제조하고, 현장으로 운반하고, 풍력 터빈을 형성하기 위하여 구성요소들을 조립하는 것은 공지의 타입의 장치보다 쉽고 비용이 저렴하게 된다. 따라서, 제조 및 조립에 있어서 덜 고가이며 사용시에 비교적 유지 관리가 덜 필요한 풍력 터빈을 제공하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 이러한 풍력 터빈은 그 수명에 있어서 전체 비용 대비 발생된 에너지의 비율이 매우 양호하게 되며 제조 및 유지 비용면에서 매우 효율적이며 안정적인 전력원을 나타내게 된다.

상기 로터(9) 상의 발전기의 영구 자석 및 상기 스테이터(16)상의 발전기의 코일(19)을 제공함으로써, 생성된 전기는 예를 들어 슬립-링 또는 비교적 이동가능한 다른 전기적 연결부를 필요로 하지 않고 고정된 전기적 컨덕터에 의해 풍력 터빈으로부터 추출될 수 있다. 그러나, 필요하거나 원한다면, 상기 영구 자석은 스테이터(10)에 제공되며 상기 코일은 로터(9)상에 제공되며, 이 경우 슬링-링과 같은 회전하는 전기적 구성요소의 일부 형태는 풍력 터빈으로부터 발생된 전력을 추출하기 위하여 일반적으로 필요하게 된다.

상기 발전기 로터(9)는 풍력 터빈 로터의 구조체의 일부를 형성하게 된다. 따라서, 그것은 발전기의 영구 자석(또는 코일)을 장착하고 상기 블레이드(7)에 의해 발생된 토오크를 전달하는 구조체의 일부를 형성하는 두가지 목적으로 위하여 기능하게 된다. 이것은 터빈 로터 및 발전기 조립체의 비교적 경량성에 기여하는 구조적으로 효과적인 장치를 나타낸다.

도 3 및 도 4는 상기 부재(11, 12)가 예를 들어 금속으로 된 로드 또는 튜브로 형성된다는 점에서 기본적으로는 도 1 및 도 2에 도시된 것과 다른 풍력 터빈 로터의 또다른 타입을 도시한다. 또한, 상기 블레이드(7)로부터 로터(9)로 토오크를 전달하는 연결부(20)는 로드 또는 튜브로 형성되어서, 블레이드 장착 장치(8)를 포함하는 구조체는 스페이스 프레임에 매우 유사하게 된다. 각각의 블레이드는 베인 베어링(21)에 장착된 내향 단부를 구비하여, 상기 샤프트(2)의 축(4)에 나란한 블레이드상에 작용하는 힘의 성분들은 상기 부재(11, 12)를 통하여 베어링 부재(6)으로 실질적으로 독점적으로 전달되는 반면에, 상기 축(4)에 대하여 블레이드(7)에 작용하는 토오크는 상기 로터(9)에 상기 부재(20)에 의해 실질적으로 독점적으로 전달된다. 상기 블레이드의 최내측 단부에는 상기 메인 베어링(21)을 통하여 인접한 부재(11)가 놓이는 동일한 반경방향 평면에 배치되는 이러한 부재(15, 16)(도 3 및 4에 미도시)의 외측 단부에 고정되는 추가적 베어링(22)으로 통과하는 샤프트가 제공되거나 이러한 샤프트로 형성된다. 따라서, 상기 부재(15, 16)는 베어링 부재(6)으로 블레이드(7) 상에 작용하는 힘 중에서 축(4)에 나란한 성분을 전달하는 것을 돕게 되며, 축에 대하여 실질적으로 토오크를 전달하지 않는다. 상기 블레이드(7) 및 로터(9)는 스페이스 프레임을 닮은 장치 또는 스페이스 프레임에 의해 베어링 부재(6)로 서로 연결된다. 상기 로터(9)는 토오크와 관련하여 구조적 부재로서 작동하며 회전축에 수작한 블레이드 힘에 저항하며, 발전기의 영구자석(또는 코일)을 지지하는 목적으로 기능한다. 상기 스테이터(10)는 상기 베어링 부재(6)의 축방향 분리를 고정하거나 한정하도록 쓰러스트 베어링에 제공되거나 그 일부가 되는 베어링 부재(6)들 사이에서 샤프트(2)에 고정된다.

도 5에 도시된 풍력 터빈의 도 6에 도시된 풍력 터빈 로터는 도 4에 도시된 터빈 로터에 유사하지만, 서로 결합되는 복합 재료 부분으로써 제조되도록 구성된다. 각각의 부재(11, 12) 및 그 인접 부재(15, 16)는 메인 블레이드 베어링(21) 및 부가 블레이드 베어링(22)와 일체로 형성된다. 전체적 풍력 터빈 로터는 결합된 복합 구성요소로 형성되거나 몇가지의 비 복합 구성요소를 포함할 수 있다. 이러한 로터는 따라서 스페이스 프레임에 복합적 균등물로서 고려되게 된다.

도 7은 예시적으로 도 2에 도시된 로터에 관한 것이지만 임의의 실시예에 사용되는 발전기 로터 및 스테이터 구조체의 일부를 도시한다. 상기 발전기 로터(9)는 상기 발전기 로터의 주요 구조부를 형성하는 환형의 제 1 및 제 2 요크를 포함한다. 상기 요크(23)는 자성 플럭스 경로를 제공하여 따라서 적절한 강자성 재료로 되며 이러한 목적에 충분한 두께로 되어야 한다. 상기 요크(23)는 상기 부재(15, 16)의 반경방향 외측 단부에 고정된다.

이러한 실시예에서, 상기 영구 자석(25)은 로터(9)에 고정된다. 특히, 상기 영구 자석(25) 각각은 부채꼴에 유사한 형상이며 강자성 장착 플레이트(24)에 고정된다. 상기 장착 플레이트(24)는 예를 들어 볼트(26)에 의해 요크(23)에 탈착식으로 고정되어 자석은 조립되거나 요크(23)으로부터 분해될 수 있게 된다.

상기 스테이터(10)는 발전기 내에서 코어 또는 포머에 대한 필요 없이 작용하는 힘에 대하여 코일의 형상과 구조를 유지하기 위하여 에폭시 수지에 예를 들어 포팅(pot)된 다수의 코일(19)을 포함한다. 상기 코일(19)은 제 1 및 제 2 요크(23)상에서 마주하는 자석(25) 사이에 형성된 공기중의 자성 간격에 배치된다. 공기중의 간격의 자기장은 실질적으로 균일하여, 발전기 성능은 자석(25)에 대한 코일(19)의 축방향 위치를 견디게 된다. 공기중의 간격을 형성하는 각각의 마주 하는 쌍의 자석은 서로 마주보는 상반된 자극을 가진다. 또한, 상기 요크 상의 영구자석의 자극은 원주방향으로 교번하게 된다(또는 축(4)에 대하여 각을 이룬다). 따라서, 각각의 코일(19)은 교류를 생성하게 되고 상기 코일들은 원하는 전력 출력을 제공하기 위하여 예를 들어 공지의 적절한 기술에 따라 서로 연결된다.

최적의 발전 성능에 대한 어떤 최소 두께가 되는 일반적으로 평평한 자석 뒤의 자성 플럭스 경로에 대한 필요성이 장점이 된다. 이러한 두께는 요크(23)에 의해 제공되며, 요크는 비교적 강하며 토오크의 전달에 대한 발전 로터의 구조의 일부를 형성한다. 상기 자석(25)을 장착하는 별도의 장착 플레이트(24)를 사용하는 것은 손상된 자석을 제거하고 교체하는 것과 같은 작업 및 발전기 로터(9)의 제조하는 것에 편리하다.

상기 자석, 상기 자석(25)을 운반하는 플레이트(24)의 형태로 복수개의 개별 요소를 장착하기 전에 용접 및/또는 가공이 되는 연속적인 환상형의 요크(23)로 발전기 로터(9)를 분할함으로써 자석은 보다 작은 그룹 또는 요소로 로터를 조립하는 동안에 장착된다. 다시, 이러한 구성은 손상된 자석을 교체하거나 다른 목적을 위하여 사용시에 조립되고 제거되기에 편리하다. 이러한 장치로 인하여 장착 플레이트(24) 및 자석(25)은 도 7에 도시된 바와 같이 공기중의 자성의 간격을 통하여 통과하는 코일의 부품들보다 폭이 큰 코일(19)의 단부 권취부를 간섭하지 않으면서 발전기 로터 구조체 외부로부터 반경방향으로 장착되게 된다. 상기 코일(19)을 구비한 상기 스테이터(10)는 터빈 로터를 조립하는 동안에 반경방향으로 장착되는 다수의 거의 부채꼴 형상 요소로서 형성된다. 각각의 스테이터 요소는 발전기 림에서 모든 구성요소들을 수용하도록 하기 위하여 그 장착 플레이트(24)상에서 인접한 자석(25)으로써 동시에 장착된다. 이로 인하여, 환형 요소(23)에 의해 형성된 메인 발전기 림 구조체는 연속적으로 된다.

1: 타원 2: 샤프트
3: 헤드부 4: 축
5: 베어링 6: 베어링 부재
7: 터빈 블레이드 8: 터빈 블레이드 장착 장치
9: 발전기 로터 10: 발전기 스테이터

Claims

축을 중심으로 회전하는 베어링, 하나 이상의 터빈 블레이드 및 블레이드 장착 장치를 구비하는 풍력 터빈 로터로서,
각각의 상기 블레이드는 축에 나란하게 작동하는 전체 힘 성분을 위한 힘의 중심을 가지거나, 각각의 상기 블레이드 장착 장치는 관련된 블레이드를 상기 베어링에 연결하며, 상기 축에 나란하게 서로 이격되어 있으며 반경방향 내측 단부에서 상기 베어링에 연결되며, 라인을 따라 연장되는 제 1 지지 부재 및 제 2 지지 부재를 포함하되, 상기 라인은 실질적으로 힘의 중심에서 서로 실질적으로 교차하는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
제 1 항에 있어서,
상기 베어링은 상기 축을 중심으로 샤프트에 대하여 상기 로터의 회전을 허용하는 하나 이상의 베어링 부재를 추가로 포함하되,
상기 터빈 로터는 발전기 로터를 추가로 포함하며,
상기 블레이드는 반경방향 외측 단부에서 지지되지 않으며,
각각의 블레이드 장착 장치는 상기 축에 나란하게 작용하며 연결된 블레이드 상에서 작용하는 모든 힘 성분을 하나 이상의 베어링 부재에 실질적으로 독점적으로 전달하며, 연결된 블레이드 상의 축에 대하여 작용하는 토오크를 상기 발전기 로터에 실질적으로 독점적으로 전달하도록 되며,
상기 발전기 로터는 상기 블레이드에 이격되어 연결된 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
제 1 항에 있어서,
각각의 블레이드 장착 장치는 제 1 개방 프레임 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
제 2 항에 있어서,
상기 발전기 로터는 제 2 개방 프레임 구조체에 의해 적어도 하나의 베어링 부재에 연결되는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
제 2 항에 있어서,
각각의 블레이드 장착 장치는 제 1 개방 프레임 구조체를 구비하되, 상기 발전기 로터는 제 2 개방 프레임 구조체에 의해 하나 이상의 베어링 부재에 연결되는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
제 5 항에 있어서,
상기 제 2 개방 프레임 구조체는 상기 제 1 개방 프레임 구조체에 기계적으로 실질적으로 독립된 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
제 2 항에 있어서,
각각의 블레이드 장착 장치는 관련된 블레이드로부터 상기 발전기 로터로 축에 대하여 실질적으로 토오크만을 전달하는 제 1 부재에 의해 상기 발전기 로터에 연결되는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
제 7 항에 있어서,
상기 제 1 부재는 탄성을 가지거나, 블레이드 장착 장치 및 발전기 로터에 연계되어, 축에 나란하게 작용하며 상기 블레이드 상에 작용하는 모든 힘의 성분이 상기 발전기 로터로 전달되는 것을 실질적으로 방지하는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 지지 부재 및 제 2 지지 부재는 상기 축을 가진 제 2 평면에 놓여 있으며, 서로 상기 블레이드에 연결된 제 1 단부와 상기 축에 나란하게 이격된 각 위치에서 하나 이상의 베어링 부재에 연결된 제 2 단부를 가지는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
제 2 항에 있어서,
각각의 블레이드 장착 장치는 적어도 하나의 베어링 부재에 부착되는 제 1 부착점 및 제 2 부착점과, 상기 발전기 로터에 부착되거나 연결되는 제 3 부착점을 포함하는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
제 10 항에 있어서,
상기 블레이드 장착 장치는 상기 축에 나란하게 작용하며 상기 블레이드 상에 작용하는 모든 힘의 성분을 상기 발전기 로터로 전달하는 것을 실질적으로 방지하기 위하여 상기 제 3 부착점에 탄성을 구비하는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
제 2 항에 있어서,
상기 발전기 로터는 상기 축이 놓여진 각각의 제 3 평면에 배치되며 서로 상기 발전기 로터에 연결된 제 1 단부와 상기 축에 나란하게 이격된 각 위치에서 하나 이상의 베어링 부재에 연결되는 제 2 단부를 가지는 다수의 쌍의 제 3 지지 부재 및 제 4 지지 부재에 의해 하나 이상의 베어링 부재에 연결되는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
제 2 항에 있어서,
하나 이상의 상기 베어링 부재는 발전기 스테이터를 수용하도록 축방향으로 이격되는 제 1 베어링 부재 및 제 2 베어링 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
제 13 항에 있어서,
상기 제 1 베어링 부재 및 상기 제 2 베어링 부재는 상기 제 1 베어링 부재 및 제 2 베어링 부재의 축방향 분리를 결정하거나 제한하기 위하여 쓰러스트 베어링 장치의 일부를 형성하거나 쓰러스트 베어링 장치와 작동하는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 지지 부재와 상기 제 2 지지 부재는 축이 놓여진 제 2 평면에 배치되며, 서로 상기 블레이드에 연결되는 제 1 단부와 축에 나란하게 이격된 각 위치에서 하나 이상의 베어링 부재에 연결되는 제 2 단부를 구비하되, 하나 이상의 상기 베어링 부재는 발전기 스테이터를 수용하도록 축방향으로 이격된 제 1 베어링 부재 및 제 2 베어링 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
제 15 항에 있어서,
상기 제 1 베어링 부재 및 상기 제 2 베어링 부재는 상기 제 1 지지 부재 및 상기 제 2 지지 부재 각각의 제 2 단부에 연결되는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
제 2 항에 있어서,
상기 발전기 로터는 축에 대하여 환형을 이루며 동축 방향으로 되는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
제 2 항에 있어서,
상기 발전기 로터는 상기 축 주위에 각을 이루어 이격된 다수의 영구 자석 또는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
제 1 항에 있어서,
상기 베어링은 허브를 형성하는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 지지 부재 및 상기 제 2 지지 부재는 블레이드의 피치가 변화하도록 허용하는 피치 베어링에 의해 상기 블레이드에 연결되는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
제 20 항에 있어서,
상기 블레이드를 원하는 피치로 회전시키는 모터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈 로터.
발전기 및 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 따른 로터를 포함하는 풍력 터빈.