KR102068641B1 - 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치 및 방법 - Google Patents

풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 목적은, 풍력발전기의 기어박스 양쪽에 배치된 저속축 및 고속축 간의 축정렬을 감시할 수 있도록 센서를 구비하는 구성과, 풍력발전기의 기어박스 및 발전기 사이에 배치된 고속축의 각도 조절이 가능하도록 토크암 마운트의 지지강성을 조절할 수 있도록 하는 구성을 연계함으로써, 풍력발전기에 구비되는 발전기-저속축-기어박스-고속축-발전기 조립체에서의 축정렬이 무너지는지를 실시간으로 감시하고, 축정렬이 과도하게 무너질 경우 이를 조절하여 안전범위로 복귀할 수 있게 해 주는, 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치 및 방법을 제공함에 있다.

Description

풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치 및 방법 {Shaft alignment monitoring and controling device and method for wind generator}
본 발명은 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 풍력발전기에 구비되는 발전기-저속축-기어박스-고속축-발전기 조립체에서의 축정렬이 무너지는지를 실시간으로 감시하고, 축정렬이 과도하게 무너질 경우 이를 조절하여 안전범위로 복귀할 수 있게 해 주는, 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
풍력발전기란 바람을 받는 블레이드가 회전함으로써 회전축에 연결된 발전기를 통해 발전을 하는 장치를 가리킨다. 도 1은 일반적인 풍력발전기를 간략하게 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 풍력발전기는, 회전축에 구비되어 바람에 의해 회전되는 복수 개의 블레이드, 회전축에 연결되어 전기를 생산하는 발전기를 포함한다. 도 2는 풍력발전기의 내부 구조를 간략하게 도시한 것으로, 도시된 바와 같이 풍력발전기의 내부에는, 블레이드(1)가 연결되는 저속축(2), 상기 저속축(2)의 회전을 고속 회전으로 변환하는 기어박스(3), 상기 기어박스(3)에 의하여 상기 저속축(2)의 회전이 변환 전달됨으로써 고속으로 회전하는 고속축(4), 상기 고속축(4)에 연결되어 발전을 수행하는 발전기(5)가 구비된다. 이 때 상기 기어박스(3)는, 상기 기어박스(3)의 좌우 양측으로부터 토크암이 돌출 형성되며, 상기 토크암은 토크암 마운트(100)에 의하여 베이스에 지지된다.
한편 풍력발전기는 수시로 풍속 및 풍향이 변화하는 바람을 계속 받도록 이루어져 있기 때문에, 풍력발전기에서는 상당히 많은 진동이나 하중편향이 발생하게 된다. 이 때 기어박스 및 발전기가 베이스에 단단하게 고정되어 있을 경우, 이러한 진동이나 하중편향이 전달됨에 따라 부품에 과도한 응력이 가해질 수 있고, 이렇게 피로가 누적됨에 따라 손상이나 파손이 발생하는 등의 문제로 이어질 수 있다. 이러한 문제를 피하기 위하여, 기어박스나 발전기 등의 마운트는 일반적으로 상하방향으로 약간의 움직임을 허용하는 형태로 이루어진다.
도 3은 일반적인 토크암 마운트 구조를 간략하게 도시한 것이다. 도 3(A)의 상면도에 도시된 바와 같이, 상기 토크암 마운트(100)은 상기 토크암(10)을 베이스(50)에 고정 지지하도록 형성된다. 상술한 바와 같이 토크암 마운트는 상하 방향으로의 움직임을 허용하는 형태로서, 일반적으로 유압마운트 형태로 이루어진다. 즉 상기 토크암 마운트(100)는, 도 3(B)의 측면도에 개략적으로 도시된 바와 같이, 상하방향으로 연장되는 실린더(110), 상기 실린더(110) 내부에 구비되어 상하방향으로 슬라이딩 이동가능하며 상기 토크암(10)을 지지하는 피스톤(120), 상기 피스톤(120) 하측을 지지하는 상기 스프링(130), 상기 피스톤(120)으로 격리되는 상기 실린더(110) 내부의 양측 공간에 유체가 채워져 형성되는 상측유압실(111) 및 하측유압실(112)을 포함한다. 이와 같이 유압마운트 형태로 형성되는 상기 토크암 마운트(100)는, 지지대상 즉 상기 토크암(10)이 외부로부터 진동, 충격 등을 받을 경우, 상기 피스톤(120)이 상기 실린더(110) 연장방향으로 소폭 슬라이딩 이동하면서 상기 스프링(130)의 탄성력 및 상기 상/하측유압실(111)(112) 내 유압에 의해 이러한 진동, 충격 등을 효과적으로 감쇠시켜 준다. 이와 같은 유압마운트의 상세한 구성, 기능 및 동작은 한국특허공개 제2002-0066968호("자동차용 엔진 마운트", 2004.05.08.) 등에 널리 잘 개시되어 있다.
한편 2015년 DOE(Department of Energy)에서 풍력발전기 기어박스의 고장원인에 대하여 조사한 바에 의하면, 고속단 베어링에서 고장이 발생한 경우가 약 80%에 달하며, 그 원인은 하중편향, 윤활부족 등인 것으로 알려진다. 앞서도 설명한 바와 같이 풍력발전기 블레이드에 부는 바람의 풍속, 풍향 등이 수시로 빈번하게 바뀌기 때문에 하중편향이 발생하는 것은 불가피하나, 기어박스의 축정렬이 무너질 경우 이러한 하중편향의 악영향이 더욱 커지게 됨은 자명하다.
즉 기어박스의 축정렬이 올바르게 유지되고 있는지의 여부는 풍력발전기의 내구성 및 수명에 직접적인 영향을 끼치는 것이다. 그런데 기존에는 이와 같은 기어박스 및 발전기 사이의 축정렬을 감시하는 장치가 없었던 실정이다. 또한 감시를 한다 해도, 상술한 바와 같은 유압마운트 형태로 된 토크암 마운트(100)의 지지강성은 일반적으로 제작 시 결정된 값으로서 고정되어 있기 때문에, 축정렬을 위해 어떤 제어를 할 수도 없다. 이에 따라 기어박스의 축정렬을 지속적으로 감시하고 축정렬 상태를 조절할 수 있는 장치 및 방법에 대한 요구가 당업자들 사이에 꾸준히 제기되고 있다.
1. 한국특허공개 제2002-0066968호("자동차용 엔진 마운트", 2004.05.08.)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 풍력발전기의 기어박스 양쪽에 배치된 저속축 및 고속축 간의 축정렬을 감시할 수 있도록 센서를 구비하는 구성과, 풍력발전기의 기어박스 및 발전기 사이에 배치된 고속축의 각도 조절이 가능하도록 토크암 마운트의 지지강성을 조절할 수 있도록 하는 구성을 연계함으로써, 풍력발전기에 구비되는 발전기-저속축-기어박스-고속축-발전기 조립체에서의 축정렬이 무너지는지를 실시간으로 감시하고, 축정렬이 과도하게 무너질 경우 이를 조절하여 안전범위로 복귀할 수 있게 해 주는, 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치는, 풍력발전기의 기어박스(3) 및 발전기(5) 사이에 형성되는 접촉식 또는 비접촉식 센서(200) 복수 개를 포함하며, 상기 기어박스(3) 및 상기 발전기(5) 간의 각도 및 거리 변화를 감지하는 축정렬 감시부; 상기 기어박스(3)로부터 돌출 형성되는 토크암(10)을 지지하며, 상측유압실(111) 및 하측유압실(112)을 포함하는 유압마운트 형태의 토크암 마운트(100) 복수 개를 포함하며, 상기 토크암 마운트(100)는 상기 기어박스(3)의 좌우 양측에 적어도 한 쌍이 서로 마주보도록 배치되어 마운트세트(150)를 형성하되, 하나의 상기 마운트세트(150)에 포함되는 한 쌍의 상기 토크암 마운트(100) 각각의 상기 상측유압실(111) 및 상기 하측유압실(112) 내의 유압이 능동적으로 조절되도록 형성되는 축정렬 제어부; 를 포함할 수 있다.
이 때 상기 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치는, 상기 축정렬 감시부에 의해 감지된 상기 기어박스(3) 및 상기 발전기(5) 간의 각도 및 거리 변화값을 이용하여, 상기 축정렬 제어부에 의해 상기 기어박스(3) 및 상기 발전기(5) 간의 축정렬 무너짐이 안전범위 내로 유지되도록 상기 토크암 마운트(100)의 상하방향으로의 지지강성이 조절될 수 있다.
또한 상기 축정렬 감시부는, 하나의 상기 발전기(5) 당 적어도 4개의 센서(200)가 분포 형성될 수 있다.
또한 상기 축정렬 감시부는, 상기 발전기(5)의 기어박스대향면에 고정단이 고정되고, 상기 기어박스(3)의 발전기대향면에 측정단이 접촉하도록 형성되는 LVDT 변위센서 형태의 접촉식 센서(200)를 포함할 수 있다.
또한 상기 축정렬 감시부는, 상기 기어박스(3)의 발전기대향면에 일단이 고정되고 상기 발전기(5)를 향해 연장되는 바 형태의 지그 및 상기 지그와의 거리를 전자기 또는 초음파를 이용하여 측정하는 비접촉식 센서(200)를 포함할 수 있다.
또한 상기 축정렬 제어부는, 상기 토크암 마운트(100)가, 상기 토크암(10)의 모멘트에 대한 상하방향으로의 지지강성이 저감되고, 상기 토크암(10)의 토크에 대한 회전방향으로의 지지강성이 향상되도록 유압이 능동적으로 조절됨으로써, 상기 기어박스(3) 및 상기 발전기(5) 간의 축정렬 무너짐이 안전범위 내로 유지되도록 제어할 수 있다.
또한 상기 토크암 마운트(100)는, 하나의 상기 마운트세트(150)에 포함되는 한 쌍의 상기 토크암 마운트(100) 중 하나의 상기 상측유압실(111) 및 다른 하나의 상기 하측유압실(112)이 하나의 연결유로(113)로 연결되고, 하나의 상기 하측유압실(112) 및 다른 하나의 상기 상측유압실(111)이 다른 하나의 연결유로(113)로 연결되되, 상기 연결유로(113)들 중 선택되는 적어도 하나에 밸브(114)가 형성되어, 상기 밸브(114) 개폐 정도의 조절에 의하여 유압이 능동적으로 조절될 수 있다.
또는 상기 토크암 마운트(100)는, 하나의 상기 마운트세트(150)에 포함되는 한 쌍의 상기 토크암 마운트(100)의 각각의 유압실은 서로 연결되지 않으며, 각각의 유압실에 독립적으로 유압을 생성하는 작동기(115)가 각각 연결되어, 하나의 상기 마운트세트(150)에 대하여 4개가 구비되는 상기 작동기(115) 각각의 독립적인 동작에 의하여 유압이 능동적으로 조절될 수 있다.
또한 상기 토크암 마운트(100)는, 복수 개의 상기 마운트세트(150)가 상기 토크암(10)의 연장방향을 따라 배열되어 설치되되, 상기 마운트세트(150)의 상하방향으로의 지지강성이, 상기 발전기(5) 쪽에 가까울수록 더 크게 형성되도록 유압이 능동적으로 조절될 수 있다.
또한 상기 토크암 마운트(100)는, 상하방향으로 연장되는 실린더(110), 상기 실린더(110) 내부에 구비되어 상하방향으로 슬라이딩 이동가능하며 상기 토크암(10)을 지지하는 피스톤(120), 상기 피스톤(120) 하측을 지지하는 스프링(130), 상기 피스톤(120)으로 격리되는 상기 실린더(110) 내부의 양측 공간에 유체가 채워져 형성되는 상기 상측유압실(111) 및 상기 하측유압실(112)을 포함할 수 있다.
또한 상기 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치는, 블레이드(1), 상기 블레이드(1)가 연결되는 저속축(2), 상기 저속축(2)의 회전을 고속 회전으로 변환하는 상기 기어박스(3), 상기 기어박스(3)에 의하여 상기 저속축(2)의 회전이 변환 전달됨으로써 고속으로 회전하는 고속축(4), 상기 고속축(4)에 연결되어 발전을 수행하는 상기 발전기(5)를 포함하는 상기 풍력발전기 내부에 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 방법은, 상술한 바와 같은 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치를 이용한 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 방법에 있어서, 상기 축정렬 감시부에 의하여, 상기 기어박스(3) 및 상기 발전기(5) 간의 각도 및 거리 변화가 감지되는 단계; 감지된 상기 기어박스(3) 및 상기 발전기(5) 간의 각도 및 거리 변화를 이용하여 축정렬 무너짐 정도가 산출되는 단계; 상기 축정렬 제어부에 의하여, 상기 기어박스(3) 및 상기 발전기(5) 간의 축정렬 무너짐이 안전범위 내로 유지되도록, 상기 토크암 마운트(100)의 상하방향으로의 지지강성이 조절되는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 풍력발전기의 기어박스 양쪽에 배치된 저속축 및 고속축 간의 축정렬을 감시할 수 있도록 센서를 구비하는 구성과, 풍력발전기의 기어박스 및 발전기 사이에 배치된 고속축의 각도 조절이 가능하도록 토크암 마운트의 지지강성을 조절할 수 있도록 하는 구성을 연계함으로써, 풍력발전기에 구비되는 발전기-저속축-기어박스-고속축-발전기 조립체에서의 축정렬이 무너지는지를 실시간으로 감시하고, 축정렬이 과도하게 무너질 경우 이를 조절하여 안전범위로 복귀할 수 있게 해 주는 큰 효과가 있다.
특히 본 발명에 의하면, 저속축 및 고속축 간의 각도 및 변위를 효과적으로 측정할 수 있으며, 이를 통해 축정렬 무너짐을 보다 정확하고 정밀하게 감지해낼 수 있는 효과가 있다.
이처럼 본 발명에 의하면 풍력발전기에서의 축정렬을 실시간 및 지속적으로 감시 및 제어함으로써 결과적으로는 축정렬 무너짐을 방지한다. 이에 따라 축정렬 무너짐이 요인이 되어 발생되는 기어박스, 발전기 등의 손상이나 파손을 효과적으로 방지할 수 있으며, 궁극적으로는 풍력발전기의 내구성 및 수명을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 풍력발전기.
도 2는 풍력발전기의 내부 구조.
도 3은 일반적인 토크암 마운트 구조.
도 4는 본 발명의 축정렬 감시 및 제어 장치.
도 5는 축정렬 무너짐 예시.
도 6은 본 발명의 축정렬 감시부의 제1실시예.
도 7은 본 발명의 축정렬 감시부의 제2실시예.
도 8은 본 발명의 축정렬 제어부의 제1실시예.
도 9는 본 발명의 축정렬 제어부의 제2실시예.
도 10은 본 발명의 축정렬 제어부의 제3실시예.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
[본 발명의 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치 및 방법]
도 4는 본 발명의 축정렬 감시 및 제어 장치를 도시하고 있다. 본 발명의 축정렬 감시 및 제어 장치는, 기본적으로 풍력발전기 내부에 형성되는 것으로서, 축정렬 감시부 및 축정렬 제어부를 포함한다. 이 때 상기 풍력발전기는, 도 2에 도시된 바와 같이, 블레이드(1), 상기 블레이드(1)가 연결되는 저속축(2), 상기 저속축(2)의 회전을 고속 회전으로 변환하는 상기 기어박스(3), 상기 기어박스(3)에 의하여 상기 저속축(2)의 회전이 변환 전달됨으로써 고속으로 회전하는 고속축(4), 상기 고속축(4)에 연결되어 발전을 수행하는 상기 발전기(5)를 포함한다.
상기 축정렬 감시부는, 상기 기어박스(3) 및 상기 발전기(5) 사이에 형성되는 접촉식 또는 비접촉식 센서(200) 복수 개를 포함한다. 보다 구체적으로는, 상기 축정렬 감시부는, 하나의 상기 발전기(5) 당 적어도 4개의 센서(200)가 분포 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 형성되는 상기 축정렬 감시부는, 상기 기어박스(3) 및 상기 발전기(5) 간의 각도 및 거리 변화를 감지한다. 상기 축정렬 감시부의 여러 실시예에 대해서는 이후 보다 상세히 설명한다.
상기 축정렬 제어부는, 상기 기어박스(3)로부터 돌출 형성되는 토크암(10)을 지지하며, 상측유압실(111) 및 하측유압실(112)을 포함하는 유압마운트 형태의 토크암 마운트(100) 복수 개를 포함한다. 이 때 상기 토크암 마운트(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 기본적으로 상하방향으로 연장되는 실린더(110), 상기 실린더(110) 내부에 구비되어 상하방향으로 슬라이딩 이동가능하며 상기 토크암(10)을 지지하는 피스톤(120), 상기 피스톤(120) 하측을 지지하는 스프링(130), 상기 피스톤(120)으로 격리되는 상기 실린더(110) 내부의 양측 공간에 유체가 채워져 형성되는 상기 상측유압실(111) 및 상기 하측유압실(112)을 포함한다. 또한 상기 토크암 마운트(100)는 상기 기어박스(3)의 좌우 양측에 적어도 한 쌍이 서로 마주보도록 배치되어 마운트세트(150)를 형성하되, 하나의 상기 마운트세트(150)에 포함되는 한 쌍의 상기 토크암 마운트(100) 각각의 상기 상측유압실(111) 및 상기 하측유압실(112) 내의 유압이 능동적으로 조절되도록 형성된다. 상기 축정렬 감시부의 여러 실시예에 대해서는 이후 보다 상세히 설명한다.
이와 같이 이루어지는 본 발명의 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치는, 상기 축정렬 감시부에 의해 감지된 상기 기어박스(3) 및 상기 발전기(5) 간의 각도 및 거리 변화값을 이용하여, 상기 축정렬 제어부에 의해 상기 기어박스(3) 및 상기 발전기(5) 간의 축정렬 무너짐이 안전범위 내로 유지되도록 상기 토크암 마운트(100)의 상하방향으로의 지지강성이 조절된다. 보다 구체적으로, 상기 축정렬 제어부는, 상기 토크암 마운트(100)가, 상기 토크암(10)의 모멘트에 대한 상하방향으로의 지지강성이 저감되고, 상기 토크암(10)의 토크에 대한 회전방향으로의 지지강성이 향상되도록 유압이 능동적으로 조절됨으로써, 상기 기어박스(3) 및 상기 발전기(5) 간의 축정렬 무너짐이 안전범위 내로 유지되도록 제어한다.
도 5는 축정렬 무너짐 예시를 간략히 도시한 것이다. 도 5에서는, 이해를 쉽게 하고자, 상기 기어박스(3) 등은 생략하고, 상기 기어박스(3)의 일단에 연결된 상기 저속축(2) 및 상기 기어박스(3)의 타단에 연결된 상기 고속축(4)만을 도시하였다. 앞서 설명한 바와 같이, 일반적으로 풍력발전기의 상기 기어박스(3)를 지지하는 상기 토크암 마운트(100)는, 상하방향으로의 약간의 움직임을 허용함으로써 외부 충격이나 진동 등을 적절히 흡수 및 상쇄하도록 이루어진다. 이러한 과정에서, 도 5(A)에 도시된 바와 같이 상기 저속축(2) 및 상기 고속축(4)의 각도가 변화되거나, 도 5(B)에 도시된 바와 같이 상기 저속축(2) 및 상기 고속축(4)의 거리가 변화되는 등의 변위가 발생한다. 즉 이러한 상하방향으로의 움직임 발생 시 미세하게 축정렬 무너짐이 발생하고 있다고 볼 수 있다.
실제로 이러한 미세한 정도의 축정렬 무너짐은, 충격 등을 흡수하는 선영향이 축정렬 무너짐으로 인한 부품 손상 등의 악영향보다 크기 때문에, 축정렬 무너짐이 적절한 안전범위 내에서만 이루어지게 유지된다면 장비 운용에는 큰 문제가 없다. 그러나 태풍과 같이 평소보다 불규칙하면서 강도가 높은 바람이 불어오는 경우 상하방향으로의 움직임이 지나치게 커지게 될 수 있으며, 이러한 경우 축정렬 무너짐이 안전범위 밖으로 나가게 됨으로써, 부품 손상 등의 악영향이 더 커지게 되는 문제가 생긴다.
앞서 설명한 바와 같이 종래에는 풍력발전기의 축정렬 무너짐을 감시하는 수단이 없었을뿐더러, 축정렬이 무너졌음을 인식하였다 하더라도 이를 보완할 대책이 없었다. 보다 구체적으로 설명하자면, 앞서 설명한 종래의 토크암 마운트는, 상하방향으로의 지지강성 저감 및 회전방향으로의 지지강성 향상 조건은 만족하였으되, 이러한 지지강성이 고정값으로 형성되어 조절이 불가능하였다. 이에 따라, 평상시 바람의 경향에 따라 지지강성을 적절하게 설계해 두었다 해도, 상술한 바와 같이 태풍이 몰려오는 경우 등에 능동적으로 대처할 수단이 없었다.
본 발명에서는, 상기 축정렬 감시부를 이용하여 축정렬이 얼마나 무너졌는지를 정량적으로 감지하고, 상기 축정렬 제어부를 이용하여 상기 토크암 마운트(100)의 지지강성을 능동적으로 조절한다. 단계적으로 설명하자면, 먼저 상기 축정렬 감시부에 의하여, 상기 기어박스(3) 및 상기 발전기(5) 간의 각도 및 거리 변화가 감지되고, 다음으로 감지된 상기 기어박스(3) 및 상기 발전기(5) 간의 각도 및 거리 변화를 이용하여 축정렬 무너짐 정도가 산출되고, 마지막으로 상기 축정렬 제어부에 의하여, 상기 기어박스(3) 및 상기 발전기(5) 간의 축정렬 무너짐이 안전범위 내로 유지되도록, 상기 토크암 마운트(100)의 상하방향으로의 지지강성이 조절된다. 이를 통해 상기 기어박스(3)의 상하방향 움직임 정도를 적절하게 조절할 수 있으며, 즉 축정렬 무너짐이 안전범위 내로 유지되도록 축정렬 감시 및 제어를 실현할 수 있게 된다.
이하에서 여러 실시예를 통해 상기 축정렬 감시부 및 상기 축정렬 제어부의 구조 및 동작원리를 보다 상세히 설명한다.
[축정렬 감시부의 제1실시예]
도 6은 본 발명의 축정렬 감시부의 제1실시예를 도시하고 있다. 축정렬 감시부의 제1실시예에서는, 상기 센서(200)가 접촉식 센서로 구현된다. 보다 구체적으로는, 제1실시예에서 상기 축정렬 감시부는, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 발전기(5)의 기어박스대향면에 고정단이 고정되고, 상기 기어박스(3)의 발전기대향면에 측정단이 접촉하도록 형성되는 LVDT 변위센서 형태의 접촉식 센서(200)를 포함한다. 이처럼 상기 센서(200)가 LVDT 변위센서 형태로 이루어질 경우, 상기 측정단은 볼 베어링 등으로 끝단이 안정적으로 접촉되어 있게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 기어박스(3)의 양단에는 상기 저속축(2) 및 상기 고속축(4)이 연결되며, 상기 고속축(4)의 양단에는 상기 기어박스(3) 및 상기 발전기(5)가 연결된다. 이 때 앞서 설명한 바와 같이, 고장 실태 조사에서 고속단 베어링에서 고장이 발생한 경우가 압도적임이 알려졌으므로, 상기 고속축(4)이 얼마나 틀어졌는지를 감시하는 것이 바람직하다. 이에 따라 상기 축정렬 감시부는 상기 기어박스(3) 및 상기 발전기(5) 사이에 구비된다. 이와 같은 배치에 의하여, 상기 축정렬 감시부는, 상기 토크암 마운트(100)의 불균형한 상하방향 움직임으로 인하여, 상기 발전기(5)를 기준으로 하였을 때 상기 기어박스(3)가 얼마나 축정렬이 틀어졌는지를 원활하게 감시할 수 있다.
실질적으로 상기 센서(200)는 거리 변화만을 감지할 수 있다. 그러나 상기 센서(200)는 도 6 좌측에 도시된 바와 같이 적어도 4개가 분포 형성되어 있기 때문에, 4개의 상기 센서(200) 각각에서 측정되는 거리 변화 값들을 이용하여, 기하학적 원리를 통해 도 5(A)에 도시된 바와 같은 각도 변화도 용이하게 산출해낼 수 있다. 물론 상기 센서(200)가 거리 변화를 감지함에 따라, 도 5(B)에 도시된 바와 같은 거리 변화는 당연히 용이 산출이 가능하다.
도면 상에는 도시되지 않았으나, 상기 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치는, 복수 개의 상기 센서(200)로부터의 측정값을 사용하여 각도 및 거리 변화값을 산출하기 위한 계산부가 포함될 수 있음은 당연하다. 이러한 계산부는 전용의 독립적인 장치로 형성될 수도 있고, 일반적인 컴퓨터에 소프트웨어 형태로 설치되어 형성될 수도 있는 등, 사용자 편의에 따라 다양한 변경 실시가 가능하다.
[축정렬 감시부의 제2실시예]
도 7은 본 발명의 축정렬 감시부의 제2실시예를 도시하고 있다. 축정렬 감시부의 제2실시예에서는, 상기 센서(200)가 비접촉식 센서로 구현된다. 보다 구체적으로는, 제2실시예에서 상기 축정렬 감시부는, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 기어박스(3)의 발전기대향면에 일단이 고정되고 상기 발전기(5)를 향해 연장되는 바 형태의 지그 및 상기 지그와의 거리를 전자기 또는 초음파를 이용하여 측정하는 비접촉식 센서(200)를 포함한다.
제1실시예에서는 상기 센서(200)가 접촉식으로 형성되기 때문에, 아무래도 접촉되는 부분에 약간의 응력집중이 발생할 가능성이 있다. 이러한 응력집중은 미세하게라도 부품의 손상이나 파손의 요인이 된다. 그러나 제2실시예의 경우 상기 센서(200)가 비접촉식으로 형성되기 때문에, 이러한 문제가 원천적으로 방지되는 장점이 있다.
그 외에 축정렬 틀어짐 감시 원리 등에 있어서는 제1실시예와 동일하므로, 더 이상의 설명은 생략한다.
[축정렬 제어부의 제1실시예]
도 8은 본 발명의 축정렬 제어부의 제1실시예를 도시하고 있다. 제1실시예에서의 토크암 마운트(100)는, 종래의 토크암 마운트와 유사하게, 하나의 상기 마운트세트(150)에 포함되는 한 쌍의 상기 토크암 마운트(100) 중 하나의 상기 상측유압실(111) 및 다른 하나의 상기 하측유압실(112)이 하나의 연결유로(113)로 연결되고, 하나의 상기 하측유압실(112) 및 다른 하나의 상기 상측유압실(111)이 다른 하나의 연결유로(113)로 연결된다.
[좌측 토크암 마운트의 상측유압실-우측 토크암 마운트의 하측유압실] 및 [우측 토크암 마운트의 하측유압실-좌측 토크암 마운트의 상측유압실]이 연결유로들로 연결되어 있는 상태에서, 양쪽 토크암 마운트가 둘다 하방으로 눌리게 될 경우(즉 하방으로의 모멘트 하중을 받을 경우), 압력에 의해 각각의 하측유압실의 유체가 반대쪽 상측유압실로 자연스럽게 흘러가게 되며, 이에 따라 상하방향의 지지강성이 저감될 수 있다. 반면, 좌측 토크암 마운트는 상방으로 밀리고 우측 토크암 마운트는 하방으로 눌리게 될 경우(즉 시계방향으로의 토크 하중을 받을 경우), 피스톤이 압력을 가하는 방향이 반대가 되기 때문에 각 유압실들로 유체가 흘러가지 못하고 오히려 저항을 받게 되며, 이에 따라 회전방향의 지지강성이 향상될 수 있다.
이 때 종래의 토크암 마운트는 단지 각 유압실들이 연결되어 있기만 했기 때문에, 유로의 수력직경, 길이, 유체 밀도 등 미리 결정되어 있는 변수에 따라 지지강성이 고정값으로 형성될 수밖에 없었다. 반면 본 발명의 토크암 마운트(100)는, 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 연결유로(113)들 중 선택되는 적어도 하나에 밸브(114)가 형성된다. 도 8(A)에는 두 개의 상기 연결유로(113) 모두에 상기 밸브(114)가 형성되는 예시가, 도 8(B), (C)에는 어느 하나의 상기 연결유로(113)에만 상기 밸브(114)가 형성되는 예시가 도시되어 있다. 이와 같이 상기 연결유로(113)에 상기 밸브(114)가 형성되어 있음으로써, 상기 밸브(114)의 개폐 정도의 조절에 의하여 유압이 능동적으로 조절될 수 있게 된다.
예를 들어 평소에는 상하방향으로의 지지강성을 적절한 상수값으로 고정하여 사용하고 있는 상태에서, 앞서 든 예시에서처럼 태풍과 같이 평소보다 불규칙하면서 강도가 높은 바람이 불어온다면, 상기 밸브(114)를 평소보다 좀더 닫아주는 식으로 조절할 수 있다. 그렇게 하면 양쪽 토크암 마운트가 둘다 하방으로 눌리게 될 경우 반대쪽 유압실들로 흘러가는 유체의 유량이 줄어든다. 즉 유체가 더 힘들게 흘러가게 되며, 이는 곧 상하방향으로의 지지강성이 평소보다 높아지게 됨을 의미한다. 다시 말해, 과도하게 상하방향 움직임이 발생하게 될 것이 예상되는 경우 평소보다 상기 밸브(114)를 닫아주어 상하방향 지지강성 저감 정도를 낮춤으로써, 상하방향으로의 과도한 움직임을 적절하게 방지할 수 있다. 물론 이러한 시기가 지나고 나면 다시 상기 밸브(114)를 적당히 열어주어 평소 운용조건에 따라 작동시키면 된다.
이와 같이 함으로써, 앞서 설명한 바와 같이 과도한 상하방향 움직임에 의하여 축정렬이 무너지게 되는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다. 축정렬 무너짐은 기어박스의 손상이나 파손의 매우 주요한 원인이 된다는 점이 잘 알려져 있는 바, 이와 같이 축정렬 무너짐을 효과적으로 방지함으로써 궁극적으로는 풍력발전기의 내구성 및 수명을 크게 향상할 수 있게 된다.
[축정렬 제어부의 제2실시예]
도 9는 본 발명의 축정렬 제어부의 제2실시예를 도시하고 있다. 제2실시예에서의 토크암 마운트(100)는, 종래의 토크암 마운트나 도 8의 본 발명의 제1실시예에 의한 토크암 마운트(100)와는 달리, 하나의 상기 마운트세트(150)에 포함되는 한 쌍의 상기 토크암 마운트(100)의 각각의 유압실(111)(112)은 서로 연결되지 않는다. 대신 도 9에 도시된 바와 같이, 각각의 유압실(111)(112)에 독립적으로 유압을 생성하는 작동기(115)가 각각 연결된다. 즉 하나의 상기 마운트세트(150)에 대하여, 상기 작동기(115)는 도 9에 도시된 바와 같이 4개가 구비되게 된다. 본 발명의 제2실시예에 의한 토크암 마운트(100)는, 4개의 상기 작동기(115) 각각의 독립적인 동작에 의하여 유압이 능동적으로 조절된다.
제1실시예의 경우 양쪽 토크암 마운트의 유압실들끼리 연결되어 있기 때문에, 유체가 각 유압실들에 어떻게 분배되느냐의 정도를 이용하여 지지강성을 조절하였기 때문에, 지지강성의 조절에 어느 정도 한계가 있을 수밖에 없다. 그러나 제2실시예의 경우 상기 작동기(115)를 이용하여 각 유압실들에 적절히 유체를 더 넣거나 빼는 등의 조절을 원하는 대로 할 수 있어, 지지강성의 조절에 있어서의 자유도가 훨씬 높아진다.
물론 제1실시예의 경우 간단히 밸브 조절만 함으로써 지지강성의 조절이 가능하여 제어가 훨씬 용이하다는 장점이 있는 반면, 제2실시예의 경우 각 작동기를 어떻게 연계해서 동작시키느냐에 대한 제어 알고리즘을 새롭게 만들어야 하는 등 제어가 보다 난해하다는 단점이 있다. 이러한 장단점을 고려하여, 지지강성 조절에 어느 정도 제한이 있다 하더라도 장치 구현 및 제어 조작이 용이하기를 원하는 경우 제1실시예를, 지지강성의 조절이 보다 정밀하고 자유로운 범위로 이루어질 수 있기를 원하는 경우 제2실시예를 선택하여 적용할 수 있다.
[축정렬 제어부의 제3실시예]
도 10은 본 발명의 축정렬 제어부의 제3실시예를 도시하고 있다. 종래의 토크암 마운트는, 도 10(A)에 도시된 바와 같이, 토크암 좌우 양측에 한 쌍이 형성되어 하나의 마운트세트를 형성하는 형태로 형성되었다. 반면 본 발명의 제3실시예에서의 토크암 마운트(100)는, 도 10(B)에 도시된 바와 같이, 복수 개의 상기 마운트세트(150)가 상기 토크암(10)의 연장방향을 따라 배열되어 설치되도록 한다. 특히 본 발명에서는, 상기 마운트세트(150)의 상하방향으로의 지지강성이, 상기 발전기(5) 쪽에 가까울수록 더 크게 형성되도록 유압이 능동적으로 조절되게 한다.
예를 들어 상기 마운트세트(150)에 제1실시예의 토크암 마운트(100)를 채용할 경우, 상기 발전기(5) 쪽에 가까운 상기 마운트세트(150)에서는 상기 밸브(114)를 좀더 닫아주고, 반대쪽의 상기 마운트세트(150)에서는 상기 밸브(114)를 좀더 열어주는 식으로 구현할 수 있다. 제2실시예의 토크암 마운트(100)를 채용할 경우에는 물론 상기 작동기(115)들에 적절한 제어 알고리즘을 적용하여 구현하면 된다.
앞서 설명한 바와 같이 상하방향으로의 과도한 움직임으로 인한 축정렬 무너짐이 기어박스의 손상이나 파손을 유발하는데, 조사에 의하면 특히 발전기 쪽에서의 손상 및 파손 비율이 높다는 점이 알려져 있다. 이 때 도 10(B)에 도시된 바와 같이 상기 마운트세트(150)를 복수 개 배열하고 상기 발전기(5) 쪽에 가까운 상기 마운트세트(150)의 상하방향으로의 지지강성이 더 크게 형성되도록 함으로써, 발전기 쪽에서의 축정렬 무너짐이 보다 효과적으로 방지될 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1: 블레이드 2: 저속축
3: 기어박스 4: 고속축
5: 발전기
10: 토크암 50: 베이스
100: 토크암 마운트
110: 실린더 111: 상측유압실
112: 하측유압실 113: 연결유로
114: 밸브 115: 작동기
120: 피스톤 130: 스프링
150: 마운트세트
200: 센서

Claims (12)

  1. 풍력발전기의 기어박스 및 발전기 사이에 형성되는 접촉식 또는 비접촉식 센서 복수 개를 포함하며, 상기 기어박스 및 상기 발전기 간의 각도 및 거리 변화를 감지하는 축정렬 감시부;
    상기 기어박스로부터 돌출 형성되는 토크암을 지지하며, 상측유압실 및 하측유압실을 포함하는 유압마운트 형태의 토크암 마운트 복수 개를 포함하며,
    상기 토크암 마운트는 상기 기어박스의 좌우 양측에 적어도 한 쌍이 서로 마주보도록 배치되어 마운트세트를 형성하되, 하나의 상기 마운트세트에 포함되는 한 쌍의 상기 토크암 마운트 각각의 상기 상측유압실 및 상기 하측유압실 내의 유압이 능동적으로 조절되도록 형성되는 축정렬 제어부;
    를 포함하며,
    상기 토크암 마운트는,
    하나의 상기 마운트세트에 포함되는 한 쌍의 상기 토크암 마운트의 각각의 유압실은 서로 연결되지 않으며, 각각의 유압실에 독립적으로 유압을 생성하는 작동기가 각각 연결되어,
    하나의 상기 마운트세트에 대하여 4개가 구비되는 상기 작동기 각각의 독립적인 동작에 의하여 유압이 능동적으로 조절되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치는,
    상기 축정렬 감시부에 의해 감지된 상기 기어박스 및 상기 발전기 간의 각도 및 거리 변화값을 이용하여,
    상기 축정렬 제어부에 의해 상기 기어박스 및 상기 발전기 간의 축정렬 무너짐이 안전범위 내로 유지되도록 상기 토크암 마운트의 상하방향으로의 지지강성이 조절되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 축정렬 감시부는,
    하나의 상기 발전기 당 적어도 4개의 센서가 분포 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 축정렬 감시부는,
    상기 발전기의 기어박스대향면에 고정단이 고정되고, 상기 기어박스의 발전기대향면에 측정단이 접촉하도록 형성되는 LVDT 변위센서 형태의 접촉식 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 축정렬 감시부는,
    상기 기어박스의 발전기대향면에 일단이 고정되고 상기 발전기를 향해 연장되는 바 형태의 지그 및 상기 지그와의 거리를 전자기 또는 초음파를 이용하여 측정하는 비접촉식 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 축정렬 제어부는,
    상기 토크암 마운트가, 상기 토크암의 모멘트에 대한 상하방향으로의 지지강성이 저감되고, 상기 토크암의 토크에 대한 회전방향으로의 지지강성이 향상되도록 유압이 능동적으로 조절됨으로써,
    상기 기어박스 및 상기 발전기 간의 축정렬 무너짐이 안전범위 내로 유지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 6항에 있어서, 상기 토크암 마운트는,
    복수 개의 상기 마운트세트가 상기 토크암의 연장방향을 따라 배열되어 설치되되,
    상기 마운트세트의 상하방향으로의 지지강성이, 상기 발전기 쪽에 가까울수록 더 크게 형성되도록 유압이 능동적으로 조절되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 토크암 마운트는,
    상하방향으로 연장되는 실린더, 상기 실린더 내부에 구비되어 상하방향으로 슬라이딩 이동가능하며 상기 토크암을 지지하는 피스톤, 상기 피스톤 하측을 지지하는 스프링, 상기 피스톤으로 격리되는 상기 실린더 내부의 양측 공간에 유체가 채워져 형성되는 상기 상측유압실 및 상기 하측유압실을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치는,
    블레이드, 상기 블레이드가 연결되는 저속축, 상기 저속축의 회전을 고속 회전으로 변환하는 상기 기어박스, 상기 기어박스에 의하여 상기 저속축의 회전이 변환 전달됨으로써 고속으로 회전하는 고속축, 상기 고속축에 연결되어 발전을 수행하는 상기 발전기를 포함하는 상기 풍력발전기 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치.
  12. 제 1항에 의한 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 장치를 이용한 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 방법에 있어서,
    상기 축정렬 감시부에 의하여, 상기 기어박스 및 상기 발전기 간의 각도 및 거리 변화가 감지되는 단계;
    감지된 상기 기어박스 및 상기 발전기 간의 각도 및 거리 변화를 이용하여 축정렬 무너짐 정도가 산출되는 단계;
    상기 축정렬 제어부에 의하여, 상기 기어박스 및 상기 발전기 간의 축정렬 무너짐이 안전범위 내로 유지되도록, 상기 토크암 마운트의 상하방향으로의 지지강성이 조절되는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 축정렬 감시 및 제어 방법.
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