KR102074908B1 - 해상풍력 모니터링 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해상풍력 모니터링 시스템에 관한 것으로, 주축의 메인베어링, 너셀부와 타워 사이의 요베어링, 블레이드와 허브 사이의 피치베어링에 진동을 감지하는 감지센서를 설치하고, 미리 설정된 정상상태 데이터와 감지센서를 통하여 획득된 센싱데이터를 비교하여 베어링의 초기 고장 발생 유무를 진단하고 대형사고 발생 이전에 적절한 사전조치 및 유지보수를 실시함으로써 전체시스템의 경제적 운용을 도모할 수 있으며, 주축의 강성을 손상시키지 않고 별도의 측정장치를 사용하지 않으면서 주축의 회전속도를 보다 정밀하고 안정성 있게 측정할 수 있고, 주축의 회전속도를 측정하기 위하여 주축 주위에 설치되는 복수개의 타깃의 간격을 별도의 인위적인 조정 없이 항상 균등하게 유지되게 하여 주축의 회전속도를 보다 정확하게 측정할 수 있도록 한 것이다.

Description

해상풍력 모니터링 시스템{Marine Wind Monitoring System}

본 발명은 해상발전 분야 기술 중에서, 해상풍력 모니터링 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 주축의 메인베어링, 너셀부와 타워 사이의 요베어링, 블레이드와 허브 사이의 피치베어링에 진동을 감지하는 감지센서를 설치하고, 미리 설정된 정상상태 데이터와 감지센서를 통하여 획득된 센싱데이터를 비교하여 베어링의 초기 고장 발생 유무를 진단하고 대형사고 발생 이전에 적절한 사전조치 및 유지보수를 실시함으로써 전체시스템의 경제적 운용을 도모하며, 주축의 강성을 손상시키지 않고 별도의 측정장치를 사용하지 않으면서 주축의 회전속도를 보다 정밀하고 안정성 있게 측정할 수 있도록 하고, 주축의 회전속도를 측정하기 위하여 주축 주위에 설치되는 복수개의 타깃의 간격을 별도의 인위적인 조정 없이 항상 균등하게 유지되게 하여 주축의 회전속도를 보다 정확하게 측정할 수 있도록 한 해상풍력 모니터링 시스템을 제공하려는 것이다.

일반적으로 풍력발전기는 공기의 유동이 가진 운동에너지의 공기 역학적 특성을 이용하여 날개를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고, 이 기계적 에너지로 발전기를 회전시켜 전기에너지를 얻는 시스템이다.

이렇게 새로운 재생에너지의 하나로 크게 각광받고 있는 풍력발전기의 일반적인 구조가 도 1에 나타내어 있다.

도 1을 살펴보면, 풍력발전기는 지면에서 적정 높이로 고정되도록 설치되는 타워(tower; 20) 상단에 너셀부(nacelle; 10)가 회전 가능하게 설치된다.

너셀부(10)에는 2개의 메인베어링(17)에 체결되어 회전하는 주축(15)이 구비되고, 주축(15)의 일단으로 증속기(gear box; 13)와 발전기(11)가 설치되어 있다.

증속기(13)는 발전기(11)의 입력 축의 회전 속도를 증가시켜 회전수를 증가시키는 기능을 수행한다. 아울러, 너셀부(10)는 발전기(11), 증속기(13) 및 주축(15) 등의 내부 구성을 보호하기 위해 씌워지는 커버(19)를 더 포함한다.

그리고 주축(15)의 타단에는 바람의 힘으로 회전하는 로터(rotor; 30)가 설치된다. 로터(30)는 허브(hub; 31)에 다수의 블레이드(blade; 35)가 설치되어 이루어진다.

이와 같은 구성에 따르면, 공기의 운동에너지를 블레이드(35)가 제공받아 로터(30)가 회전하면 주축(15)을 통해 운동에너지를 증속기(13)에서 극대화한다. 이어서, 발전기(11)를 통해 전기에너지를 발생시키며 축전장치(미도시) 등에 축전 되거나 수요자에게 직접 전달된다.

이러한 풍력발전기는 다수의 베어링(bearing)이 전체 구동계를 지지하게 되는데, 베어링의 손상 빈도가 가장 높고 또한 베어링의 손상 발생 시 전체시스템에 미치는 영향이 결정적인 경우가 많다.

베어링의 손상은 대부분 롤러(roller)와 베어링 내륜과 외륜의 레이스(race) 사이의 구름 피로(Rolling Fatigue)에 의해 레이스나 롤러의 표면이 조각으로 떨어져 나가는 박리현상으로 나타난다.

그밖에 이상 하중이 급작스럽게 크게 발생하는 경우 롤러와 접촉하는 레이스에 압흔 자국이 생기는 경우도 있는데 이를 브리넬링(brineling) 이라고 한다.

이러한 조그마한 손상이 발생하는 초기에는 베어링 및 구동계의 상태 변화가 외관상 매우 작아 정상적인 상태로 보이지만 베어링이 회전을 계속하는 경우 작은 손상이 발생한 흠집에 충격누적이 발생하게 되어 롤러가 파손되거나 베어링 내륜과 외륜이 심하게 파손되는 문제점이 있었다.

이와 같이 손상의 정도가 큰 경우 베어링의 회전 시 격렬한 진동에 의해 주변부품에까지 손상이 야기되기도 하고 베어링 자체의 소착으로 이어져 결국 구동계 시스템 전체가 파손되는 문제점이 있었으며, 주축에 작용하는 토크를 측정하는데 어려움이 있었다.

이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 선행기술로서 대한민국 등록특허 제10-1288329호(2013.07.22. 공고) "풍력발전기 모니터링 장치"(이하, '선행기술 1'이라 함)는 너셀부와 허브의 주축 사이에 설치된 메인베어링에 설치되는 제1감지센서, 타워와 너셀부 사이에 설치된 요베어링에 설치되는 제2감지센서, 허브와 블레이드 사이에 설치된 피치베어링에 설치된 제3감지센서 및 상기 제1, 제2 또는 제3감지센서로부터 전달되는 센싱데이터를 입력받아 미리 설정된 정상상태 데이터와 비교하여 허용오차범위를 넘으면 경보신호를 출력하는 상태진단부를 포함하여 블레이드와 허브 사이의 피치베어링, 너셀부와 타워 사이의 요 베어링 및 주축의 메인베어링에 진동을 감지하는 감지센서를 설치하고, 미리 설정된 정상상태 데이터와 감지센서를 통하여 획득된 센싱데이터를 비교하여 베어링의 초기 고장 발생 유무를 진단하고 대형사고 발생 이전에 적절한 사전조치 및 유지보수를 실시함으로써 전체시스템의 경제적 운용을 도모할 수 있도록 하며, 회전속도측정부를 더 포함하여 주축의 강성을 손상시키지 않고 별도의 측정장치를 사용하지 않으면서 주축의 회전속도를 보다 정밀하고 안정성 있게 측정할 수 있도록 하는 기술을 개시하고 있다.

그러나 상기 선행기술 1은 회전속도측정장치가 주축의 외경면에 구비되는 가변설치수단과, 가변설치수단의 외측에 서로 간격 조정 가능하게 구비되는 복수개의 타깃 및, 타깃과 반응하여 주축의 회전을 감지하는 제4센서로 구성되는 것으로, 가변설치수단은 원호형으로 형성되며 반경방향 외주측에 원주 방향으로 형성되는 안내설치홈을 포함하고, 타깃은 안내설치홈에 슬라이딩 가능하게 삽입되는 안내돌기를 구비하며, 복수개의 타깃의 원주방향 양측으로 조정홈이 형성되고, 타깃 사이에는 조정홈에 나사 체결되는 제2 조정수단으로 연결되는 것으로, 제2 조정수단을 돌리는 것에 의하여 조정홈과 제2 조정수단의 나사작용에 의하여 타깃의 위치를 조정할 수 있도록 구성되어 있기 때문에 복수개의 타깃의 간격을 등간격으로 조정하는 작업이 작업자가 제2 조정수단을 돌리고 타깃 사이의 간격을 육감적으로 확인하는 것에 의존할 수밖에 없어 복수개의 타깃 사이의 간격 조정이 정확하게 이루어지지 않게 되고, 결과적으로 회전속도측정이 정확하게 이루어지지 않게 되는 문제점이 있다.

또한 복수개의 타깃은 원호상에 배치되고, 타깃의 간격을 조정하기 위하여 제2 조정수단을 돌려서 양단에 형성된 나사부를 타깃의 양단에 형성된 조정홈(나사홀)에 체결하여야 하므로 간격조정이 정확하게 이루어지지 않게 되며, 결과적으로 회전속도측정이 정확하게 이루어지지 않게 되는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제10-1288329호(2013.07.22. 공고) "풍력발전기 모니터링 장치"

따라서 본 발명의 목적은 주축의 메인베어링, 너셀부와 타워 사이의 요베어링, 블레이드와 허브 사이의 피치베어링에 진동을 감지하는 감지센서를 설치하고, 미리 설정된 정상상태 데이터와 감지센서를 통하여 획득된 센싱데이터를 비교하여 베어링의 초기 고장 발생 유무를 진단하고 대형사고 발생 이전에 적절한 사전조치 및 유지보수를 실시함으로써 전체시스템의 경제적 운용을 도모하기 위한 해상풍력 모니터링 시스템을 제공하려는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 주축의 강성을 손상시키지 않고 별도의 측정장치를 사용하지 않으면서 주축의 회전속도를 보다 정밀하고 안정성 있게 측정할 수 있도록 한 해상풍력 모니터링 시스템을 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 주축의 회전속도를 측정하기 위하여 주축 주위에 설치되는 복수개의 타깃의 간격을 별도의 인위적인 조정 없이 항상 균등하게 유지되게 하여 주축의 회전속도를 보다 정확하게 측정할 수 있도록 한 해상풍력 모니터링 시스템을 제공하려는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명은 타워(200)에 설치되어 회전운동을 전기에너지로 변환시키는 너셀부(100); 상기 너셀부(100)에 구비되는 주축(150); 상기 주측(150)의 일측에 설치되는 발전기(110); 상기 주축(150)의 타측에 설치되는 허브(310); 상기 허브(310)에 설치된 블레이드(350); 상기 주축(150)을 지지하는 메인베어링(170)에 설치되는 제1감지센서(175); 상기 타워(200)와 너셀부(100) 사이에 설치된 요베어링(270)에 설치되는 제2감지센서(275); 상기 허브(310)와 블레이드(350) 사아에 설치된 피치베어링(370)에 설치되는 제3감지센서(375); 상기 제1, 제2 또는 제3감지센서로부터 전달되는 센싱데이터를 입력받아 미리 설정된 정상상태 데이터와 비교하여 허용오차범위를 넘으면 경보신호를 출력하는 상태진단부(500);를 포함하여 구성되며,

상기 상태진단부(500)는 상기 센싱데이터를 증폭하는 증폭부(510), 증폭된 센싱데이터를 필터링 및 디지털신호로 변환시키는 전처리부(520), 정상상태 데이터가 저장된 저장부(540), 각종 정보를 화면상에 나타내는 디스플레이(555), 디스플레이(555)를 구동시키는 디스플레이 구동부(550), 각종 정보를 소리로 알려주는 스피커, 스피커를 구동시키는 스피커구동부, 증폭되어 전처리 과정을 거친 센싱데이터를 입력받아 저장부(540)에 저장된 정상상태 데이터와 비교하여 허용오차범위를 벗어나면 경보신호를 디스플레이(555) 및 스피커로 출력되도록 하는 제어부(530)를 포함하여 구성되며,

상기 주측(150)의 회전속도를 측정하는 회전속도측정부(600)를 더 포함하고,

상기 회전속도측정부(600)는 상기 추축(150)의 외경면에 결합되는 가이드링(620)과, 상기 가이드링(620)에 원주방향을 따라 등각도 간격으로 지지되는 복수개의 타깃(630) 및, 상기 타깃(630)과 반응하여 주축(150)의 회전을 감지하는 제4감지센서(610)를 포함하여 구성되며,

상기 가이드링(620)은 반경 방향 외측으로 형성되는 안내설치홈(621)을 구비하고,

상기 타깃(630)은 반경방향 내측으로 상기 안내설치홈(621)에 원주 방향으로 슬라이딩 가능하게 삽입되는 안내돌기(631)와, 상기 타깃(630)의 양측에 형성되는 스프링지지돌기(632)와, 상기 스프링지지돌기(632)의 중심을 따라 관통형성되는 안내홀(633)을 구비하며,

상기 복수개의 타깃(630)을 등각도 간격으로 유지하기 위한 간격유지수단(640)을 더 포함하고,

상기 간격유지수단(640)은 상기 가이드링(620)보다 큰 직경을 가지는 원호형으로 형성되어 상기 안내홀(633)에 관통되어 상기 복수개의 타깃(630)을 원주방향으로 안내하는 간격유지링(641)과, 상기 복수개의 타깃(630)들 사이에서 양단이 스프링지지돌기(642)에 지지되어 간격유지용 압축코일스프링(648)을 포함하여 구성되며,

상기 간격유지링(641)은 일점에서 절취부(642)를 절취형성하여 이 절취부(642)를 벌려서 상기 타깃(630)의 안내홀(633)과 간격유지용 압축코일스프링(648)에 관통시킬 수 있도록 구성되고,

상기 간격유지링(641)의 절취부(642)의 일측 단부에 오른나사부(643)를, 타측 단부에 왼나사부(644)를 형성하고, 버클너트(647)의 좌반부에 형성된 오른나사홀(645)을 상기 오른나사부(643)에 체결하고 우반부에 형성된 왼나사홀(646)을 상기 왼나사부(644)에 체결하는 것에 의하여 상기 간격유지링(641)이 임의로 벌어지지 않고 링형으로 유지되도록 할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 해상풍력 모니터링 시스템을 제공한다.

본 발명의 해상풍력 모니터링 시스템에 의하면, 주축의 메인베어링, 너셀부와 타워 사이의 요베어링, 블레이드와 허브 사이의 피치베어링에 진동을 감지하는 감지센서를 설치하고, 미리 설정된 정상상태 데이터와 감지센서를 통하여 획득된 센싱데이터를 비교하여 베어링의 초기 고장 발생 유무를 진단하고 대형사고 발생 이전에 적절한 사전조치 및 유지보수를 실시함으로써 전체시스템의 경제적 운용을 도모할 수 있다.

또한 본 발명의 해상풍력 모니터링 시스템에 의하면, 주축의 강성을 손상시키지 않고 별도의 측정장치를 사용하지 않으면서 주축의 회전속도를 보다 정밀하고 안정성 있게 측정할 수 있다.

또한 본 발명의 해상풍력 모니터링 시스템에 의하면, 주축의 회전속도를 측정하기 위하여 주축 주위에 설치되는 복수개의 타깃의 간격을 별도의 인위적인 조정 없이 항상 균등하게 유지되게 하여 주축의 회전속도를 보다 정확하게 측정할 수 있다.

도 1은 종래의 풍력발전기를 나타낸 사시도,
도 2 내지 도 14 본 발명에 의한 해상풍력 모니터링 시스템의 바람직한 실시예를 보인 것으로,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기를 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 메인베어링을 나타낸 사시도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 피치베어링을 나타낸 사시도,
도 5는 본 발명의 일실시에에 따른 요베어링을 나타낸 사시도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기 모니터링 장치를 나타낸 블록도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 허용오차범위를 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 정상상태 데이터와 센싱데이터를 비교하는 과정을 나타낸 예시도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기 모니터링 방법을 나타낸 플로우차트,
도 10은 본 발명 모니터링 장치에 구비되는 회전속도측정부를 개략적으로 도시한 것,
도 11은 가이드링을 보인 도 10의 A부 확대 사시도,
도 12는 간격유지수단을 보인 도 10의 A부 확대 단면도,
도 13은 타깃과 간격유지수단을 보인 도 10의 B부 확대 단면도,
도 14는 타깃을 도시한 확대 사시도이다.

이하, 본 발명에 의한 해상풍력 모니터링 시스템을 첨부도면에 예시한 바람직한 실시예에 따라서 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 해상풍력 모니터링 시스템이 적용된 해상풍력발전기를 나타낸 사시도이다.

본 실시예에 따른 해상풍력 모니터링 시스템은 도 2에 도시한 바와 같이, 지면에서 적정 높이로 고정되어 설치되는 타워(tower; 200) 상단에 너셀부(nacelle; 100)가 회전 가능하게 설치된다. 너셀부(100)에는 2개의 메인베어링(170)에 체결되어 회전하는 주축(150)이 구비되고, 주축(150)의 일단으로 증속기(gear box; 130)와 발전기(110)가 설치되어 있다. 너셀부(100)는 발전기(110), 증속기(130) 및 주축(150) 등의 내부 구성을 보호하기 위해 씌워지는 커버(190)를 더 포함한다.

주축(150)의 타단에는 바람의 힘으로 회전하는 로터(rotor; 300)가 설치되는데, 허브(hub; 310)에 다수의 블레이드(blade; 350)가 설치되어 이루어진다.

그리고 상기 주축(150) 사이에 한 쌍의 메인베어링(170)이 설치되고, 타워(200)와 너셀부(100) 사이에 요베어링(270)이 설치되고, 허브(310)와 블레이드(350) 사이에 피치베어링(370)이 설치된다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 메인베어링, 피치베어링 및 요베어링을 각각 나타낸 사시도, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 모니터링 장치를 나타낸 블록도, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 허용오차범위를 나타낸 그래프이다.

메인베어링(170)에는 도 3에 나타낸 바와 같이, 베어링 하우징(178)이 구비되며, 메인베어링(170)의 내륜(170a)은 주축(150)의 외주면에 체결되고, 외륜(170b)은 베어링 하우징(178) 내측에 체결된다. 그리고 베어링 하우징(178)의 상단에 메인베어링(170)의 작동에 따른 진동을 감지하는 제1감지센서(175)가 설치된다.

요베어링(270)은 도 4에 나타낸 바와 같이, 내륜(270a)은 너셀부(100)에 체결되고, 외륜(270b)은 타워(200)에 체결되며, 내륜(270a)에 요베어링(270)의 작동에 따른 진동을 감지하는 제2감지센서(275)가 설치된다.

여기서, 제2감지센서(275)는 너셀부(100)의 길이 방향으로 설치되는데, 즉, 바람이 부는 방향과 같은 방향으로 전방, 후방 또는 전후방에 각각 설치된다. 이는 너셀부(100)의 전후 이 지점에서 가장 큰 하중이 작용하여 요베어링(270) 손상에 의한 변화량이 가장 크게 나타나기 때문이다.

피치베어링(370)은 도 5에 나타낸 바와 같이, 내륜(370a)은 블레이드(350)에 체결되고, 외륜(370b)은 허브(310)에 체결되며, 외륜(370b)에 피치베어링(370)의 작동에 따른 진동을 감지하는 제3감지센서(375)가 설치된다.

여기서, 제3감지센서(375)는 허브(310)의 회전방향으로 설치되는데, 즉, 주축(150)의 회전 중심축에서 가장 멀리 떨어진 점으로 회전력이 전달되는 방향의 양끝 지점 근처에 어느 한쪽 또는 양쪽에 설치한다. 이는 바람에 의한 회전력을 지지하는 하중이 이 부분에서 가장 크게 작용하여 피치베어링(370)의 작동에 따른 진동이 가장 잘 측정되는 부위이기 때문이다.

아울러, 베어링 하우징(178), 요베어링(270) 및 피치베어링(370)에는 베어링의 회전속도를 측정하기 위한 회전속도계 또는 회전각도센서 등의 상대변위 센서가 더 설치되고, 주축(150)에는 벤딩모멘트(bending moment)와 토크(torque)를 측정하기 위한 스트레인게이지(strain gage) 등의 상대변위 센서가 더 설치된다.

그리고 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 제1감지센서(175), 제2감지센서(275), 제3감지센서(375) 또는 상대변위센서로부터 전달되는 센싱데이터를 입력받아 미리 설정된 정상상태 데이터와 비교하여 허용오차범위를 벗어나면 경보신호를 출력하는 상태진단부(500)를 포함한다.

상태진단부(500)는 전달받은 센싱데이터를 증폭하는 증폭부(510), 증폭된 센싱데이터를 필터링 및 디지털신호로 변환시키는 전처리부(520), 정상상태 데이터가 저장된 저장부(540), 각종 정보를 화면상에 나타내는 디스플레이(555), 디스플레이(555)를 구동시키는 디스플레이 구동부(550), 각종 정보를 소리로 알려주는 스피커(미도시), 스피커를 구동시키는 스피커구동부(미도시), 증폭되어 전처리 과정을 거친 센싱데이터를 입력받아 저장부(540)에 저장된 정상상태 데이터와 비교하여 허용오차범위를 벗어나면 경보신호를 디스플레이(555) 및 스피커로 출력되도록 하는 제어부(530)를 포함한다.

센싱데이터를 증폭하고 전처리하는 과정은 본 분야에서 공지된 기술이므로 자세한 설명은 생략한다.

상술한 바와 같이 풍력발전기가 이루어지면, 정상상태 데이터를 설정한다.

정상상태 데이터는, 1개월 내지 24개월 동안 풍력발전기를 가동시켜 정상적으로 발전하면서 제1감지센서(175), 제2감지센서(275), 제3감지센서(375) 및 상대변위 센서 등에서 획득된 진동데이터, 벤딩 및 토크 데이터를 0.01초 내지 10초의 구간으로 나눈 후 각각의 구간에서의 측정데이터를 평균값으로 저장한 것이다.

여기서, 센서를 통하여 획득된 데이터는 증폭부(510)를 거치면서 충분한 정도의 크기로 신호가 증폭이 된 후 전처리부(520)에서 필터링 및 아날로그 신호인 센싱데이터를 디지털데이터로 변환하는 등의 전처리 과정을 거친다.

이어서, 전처리부(520)를 거친 센싱데이터는 저장부(540)에 저장되면서, 디스플레이(555)를 통하여 상태정보를 표시한다.

이렇게 정상상태 데이터가 저장되면 제어부(530)는 추후 풍력발전기가 가동되면서 획득되는 센싱데이터와 저장된 정상상태 데이터를 비교한다.

그래서 획득된 센싱데이터가 정상상태 데이터를 기준으로 허용오차범위 이상이면 경보신호를 출력한다.

아울러, 허용오차범위는 정상상태 측정데이터의 최소 또는 최대의 3% 내지 5% 범위로 한다. 따라서 획득된 센싱데이터가 정상상태 데이터의 최소 또는 최대의 3% 내지 5% 범위 내에 이르면 경보신호가 출력된다.

여기서, 허용오차범위를 3% 내지 5% 범위로 하는 이유를 도 7을 참조하여 설명하면, 3% 미만으로 할 경우에는 고장진단 신뢰도가 떨어지고, 5% 초과로 하게 되면 고장진단 신뢰도는 향상되나 베어링의 파손으로 인하여 구동계 전반에 걸쳐 파손이 발생할 수 있기 때문이다.

예를 들어, 허용오차범위를 1% 또는 2% 범위로 하여 고장진단이라고 판단된 베어링들의 상태를 점검한 결과 정작 실제로 손상이 발생한 베어링은 발견되지 않았다.

반면, 허용오차범위를 6% 또는 7% 범위로 하여 고장진단이라고 판단된 베어링의 상태를 점검결과 실제로 베어링에 손상이 있는 경우는 많았지만, 그와 더불어 베어링이 설치된 다른 부품에도 영향을 줄 정도로 파손이 진행된 베어링도 발견되었다.

따라서 실제 손상은 발생하였으나 베어링이 설치되는 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 손상이 발생할 베어링을 고장 진단하기 위해서는 허용오차범위를 정상상태 측정 데이터의 최소 또는 최대의 3% 내지 5% 범위로 하는 것이 바람직하다.

이어서, 제어부(530)는 최종적으로 고장진단을 하기 전에 정밀측정을 하게 되는데, 이는 획득된 센싱데이터를 입력받은 후 정상상태 데이터와 비교하는 과정을 3회 내지 5회 반복한다. 그래서 정밀측정 과정을 거치면서도 획득된 센싱데이터가 정상상태 데이터의 허용오차범위 이상이면 제어부(530)는 최종적으로 베어링 손상 등의 고장이 발생한 것으로 판단한다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 정상상태 데이터와 센싱데이터를 비교하는 과정을 나타낸 예시도이다.

예를 들어, 도 8a에 나타낸 바와 같이, 정상상태의 데이터(실선) 및 가속도 센서를 통하여 획득되는 센싱데이터(점선)를 나타내는 경우 원래의 신호는 고주파 성분을 그대로 유지하기 때문에 고장 판단 기준을 구하기 어렵다.

그래서 도 8b에 나타낸 바와 같이, 힐버트 변환(Hilbert Transform)에 의한 포락(envelope)을 계산하여 노이즈가 같이 있는 신호에서 손상 신호가 구분이 잘되도록 베어링의 손상에 의한 진동 신호를 더욱 증폭한다.

최종적으로 도 8c에 나타낸 바와 같이, 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)에 의한 주파수별 에너지 분포를 나타내는 파워스펙트럼(power spectrum)을 계산하여 일반 잡음을 제거하고 베어링 손상에 의한 진동 신호만 남게 한다.

이어서, 베어링의 내륜 또는 외륜의 손상이 발생하면 크게 될 것이 예상되는 주파수 부근의 최대에너지 값을 구해 정상상태의 에너지값과 손상 발생시의 에너지값의 차이를 비교 분석한다.

여기서, 내륜과 외륜의 손상 발생시 최대에너지 발생이 예상되는 주파수는 수학식 1 및 수학식 2로 구할 수 있다.

수학식 1

수학식 2

여기서,

는 외륜 결함주파수(outer race fault frequency),

는 내륜 결함주파수(inner race fault frequency), n은 결함 횟수(fault number), z는 볼 번호(ball number), d는 볼 지름(ball diameter), D는 볼 피치 지름(ball pitch diameter), α는 접촉 각(contact angle),

은 회전 주파수(revolution frequency)이다.

그래서 도 8c에 나타낸 바와 같이, 이상신호 발생 주파수는 47헤르쯔(Hz)로 표시되고, 이는 베어링의 외륜에서 손상이 발생했다는 것을 나타낸다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 모니터링 방법을 나타낸 플로우차트이다.

전술한 풍력발전기의 베어링 상태를 모니터링 하기 위해, 먼저 풍력발전기를 가동시켜 정상적으로 발전하면서 1개월 내지 24개월 동안 제1감지센서(175), 제2감지센서(275), 제3감지센서(375) 및 상대변위 센서 등에서 획득된 진동데이터, 벤딩 및 토크 데이터를 0.01초 내지 10초의 구간으로 나눈 후 각각의 구간에서의 측정데이터를 평균값으로 저장하여 정상상태 데이터로 설정한다.

이어서, 제1감지센서(175), 제2감지센서(275), 제3감지센서(375) 및 상대변위 센서 등에서 획득된 센싱데이터를 수신받은 후 센싱데이터를 증폭하고, 필터링 및 디지털 데이터로 변환시키는 등의 전처리 과정을 거친다(단계 S110).

이어서, 설정된 정상상태 데이터와 전처리된 센싱데이터를 비교하고(단계 S120), 센싱데이터가 정상상태 데이터의 허용오차범위보다 크면 경보를 출력한다(단계 S130).

이어서, 최종적으로 고장진단을 하기 전에 정밀측정을 하는데, 이는 획득된 센싱데이터를 입력받은 후 정상상태 데이터와 비교하는 과정을 3회 내지 5회 반복하는 것이다(단계 S140).

이어서, 정밀측정 과정을 거치면서도 획득된 센싱데이터가 정상상태 데이터의 허용오차범위 이상이면 최종적으로 베어링 손상 등의 고장이 발생한 것으로 판단한다(단계 S160).

한편, 본 발명에 따른 단계 S110 내지 단계 S160에 따른 방법을 프로그램화하여 컴퓨터가 읽을 수 있도록 시디롬, 메모리, ROM, EEPROM 등의 기록매체에 저장시킬 수도 있다.

도 10에 도시한 바와 같이 주축(150)의 회전 속도를 측정할 수 있는 회전속도측정부(600)를 더 포함한다.

상기 회전속도측정부(600)는 상기 추축(150)의 외경면에 결합되는 가이드링(620)과, 상기 가이드링(620)에 원주방향을 따라 등각도 간격으로 지지되는 복수개의 타깃(630) 및, 상기 타깃(630)과 반응하여 주축(150)의 회전을 감지하는 제4감지센서(610)를 포함한다.

상기 제4감지센서(610)는 회전하는 주축(150)에 구비된 타깃(630)과 반응하도록 고정부위 예를 들면 커버(190)에 구비될 수 있다. 상기 타겟(630)은 자성을 가진 물체로 형성할 수도 있고, 자성을 가진 물체에 반응하는 금속 등으로 형성하는 것이 가능하다.

상기 주축(150)은 동력을 전달하는 축으로서 큰 토크가 작용하므로 주축(150)에 직접 타겟(630)을 설치하기 위해서는 주축에 나사 등으로 설치할 수 있으나 이 경우 주축의 강성이 저하되며, 용접으로 설치하는 경우에도 주축의 강성 변화가 초래될 수 있으며, 접착제 등으로 설치하는 경우 탈락의 문제점이 발생할 수 있다.

상기 가이드링(620)은 원호형이며 양단부에 원주 방향으로 형성된 틈새인 간격부(625)를 형성하며 구비되어 서로 마주하며 연결공(도시하지 않음)이 형성된 돌출부(623)와, 양측이 상기 돌출부(623)의 연결공에 나사 체결되어 삽입되는 조임수단(627)으로 이루어진다. 조임수단(627)에는 조임수단(627)의 회전을 용이하게 하기 위한 다각형의 회전수단(628)이 구비될 수 있다. 상기 조임수단(627)을 회전시키면 돌출부(623)와 나사 체결되어 있으므로 돌출부(623) 사이의 간격을 조정하는 것이 가능하게 된다. 따라서 주축(150)의 지름에 따라서 상기 돌출부(623) 사이의 간격을 조정하여 가이드링(620)을 상기 주축(150)에 고정 설치하는 것이 가능하게 된다.

상기 가이드링(620)은 원호형이며 양단부에 원주 방향으로 형성된 연결공(도시하지 않음)이 형성되며, 양측이 연결공에 나사 체결되어 삽입되는 조임수단(627)로 형성하는 것도 가능하다.

상기 가이드링(620)의 반경 방향 외측에는 원주 방향을 따라 안내설치홈(621)이 형성된다.

상기 타겟(630)은 반경 방향 내측으로 상기 안내설치홈(621)에 원주 방향으로 슬라이딩 가능하게 삽입되는 안내돌기(631)와, 상기 타깃(630)의 양측에 형성되는 스프링지지돌기(632)와, 상기 스프링지지돌기(632)의 중심을 따라 관통형성되는 안내홀(633)을 구비한다.

상기 복수개의 타깃(630)을 등각도 간격으로 유지하기 위한 간격유지수단(640)을 더 포함한다.

상기 간격유지수단(640)은 상기 가이드링(620)보다 큰 직경을 가지는 원호형으로 형성되어 상기 안내홀(633)에 관통되어 상기 복수개의 타깃(630)을 원주방향으로 안내하는 간격유지링(641)과,

상기 복수개의 타깃(630)들 사이에서 양단이 스프링지지돌기(642)에 지지되어 간격유지용 압축코일스프링(648)을 포함하여 구성된다.

상기 간격유지링(641)은 일점에서 절취부(642)를 절취형성하여 이 절취부(642)를 벌려서 상기 타깃(630)의 안내홀(633)과 간격유지용 압축코일스프링(648)에 관통시킬 수 있다.

또한 간격유지링(641)은 절취부(642)의 일측 단부에 오른나사부(643)를, 타측 단부에 왼나사부(644)를 형성하고, 버클너트(647)의 좌반부에 형성된 오른나사홀(645)을 상기 오른나사부(643)에 체결하고 우반부에 형성된 왼나사홀(646)을 상기 왼나사부(644)에 체결하는 것에 의하여 임의로 벌어지지 않고 링형으로 유지되도록 할 수 있다.

이와 같이 상기 복수개의 타깃(630)은 안내홀(633)에 간격유지링(641)이 관통됨과 아울러 간격유지링(641)이 관통되는 간격유지용 압축코일스프링(648)이 탄성적으로 지지되므로 별도의 간격조정작업을 하지 않고서도 항상 등각도 간격으로 유지되어 회전속도측정이 정확하게 이루어지게 된다.

제4감지센서(610)는 상기 회전속도측정부(600)의 타겟(630)과 반응하여 주축의 회전속도를 측정하게 된다. 상기 가이드링(620)에 의하여 주축(150)의 강성을 손상시키지 않고 복수의 타겟(630)을 간격을 조정하여 설치하는 것이 가능하므로 회전속도를 보다 정밀하고 안정성 있게 측정하는 것이 가능하게 된다.

상기 안내설치홈(621)과 타겟(630)의 안내돌기(631)는 단면 형상을 'T'자형으로 형성하여 타겟(630)이 안내설치홈(621)으로부터 반경 방향으로 이탈되는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 장치에서는 주축(150)의 회전속도를 측정하며, 발전기(110) 출력부에서 전류와 전압을 측정하여 전력을 연산하여, 상기 회전속도와 전력에 의하여 주축(150)에 작용하는 토크를 측정한다. 상기와 같은 측정에 의하여 별도의 토크측정 장치 없이 토크를 측정하는 것이 가능하게 된다.

이상에서 설명한 실시예들은 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로 상술한 실시예에 의하여 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 및 범위에서 벗어나지 않는 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이며, 이러한 수정 및 변형은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 너셀부 170: 메인베어링
175: 제1감지센서 200: 타워
270: 요베어링 275: 제2감지센서
310: 허브 350: 블레이드
370: 피치베어링 375: 제3감지센서
500: 상태진단부 600 : 회전속도측정부
610 : 제4 센서 620 : 가이드링
630 : 타깃 640 : 간격유지수단

Claims (1)

1. 타워(200)에 설치되어 회전운동을 전기에너지로 변환시키는 너셀부(100); 상기 너셀부(100)에 구비되는 주축(150); 상기 주측(150)의 일측에 설치되는 발전기(110); 상기 주축(150)의 타측에 설치되는 허브(310); 상기 허브(310)에 설치된 블레이드(350); 상기 주축(150)을 지지하는 메인베어링(170)에 설치되는 제1감지센서(175); 상기 타워(200)와 너셀부(100) 사이에 설치된 요베어링(270)에 설치되는 제2감지센서(275); 상기 허브(310)와 블레이드(350) 사아에 설치된 피치베어링(370)에 설치되는 제3감지센서(375); 상기 제1, 제2 또는 제3감지센서로부터 전달되는 센싱데이터를 입력받아 미리 설정된 정상상태 데이터와 비교하여 허용오차범위를 넘으면 경보신호를 출력하는 상태진단부(500);를 포함하여 구성되며,
   상기 상태진단부(500)는 상기 센싱데이터를 증폭하는 증폭부(510), 증폭된 센싱데이터를 필터링 및 디지털신호로 변환시키는 전처리부(520), 정상상태 데이터가 저장된 저장부(540), 각종 정보를 화면상에 나타내는 디스플레이(555), 디스플레이(555)를 구동시키는 디스플레이 구동부(550), 각종 정보를 소리로 알려주는 스피커, 스피커를 구동시키는 스피커구동부, 증폭되어 전처리 과정을 거친 센싱데이터를 입력받아 저장부(540)에 저장된 정상상태 데이터와 비교하여 허용오차범위를 벗어나면 경보신호를 디스플레이(555) 및 스피커로 출력되도록 하는 제어부(530)를 포함하여 구성되며,
   상기 주측(150)의 회전속도를 측정하는 회전속도측정부(600)를 더 포함하고,
   상기 회전속도측정부(600)는 상기 추축(150)의 외경면에 결합되는 가이드링(620)과, 상기 가이드링(620)에 원주방향을 따라 등각도 간격으로 지지되는 복수개의 타깃(630) 및, 상기 타깃(630)과 반응하여 주축(150)의 회전을 감지하는 제4감지센서(610)를 포함하여 구성되며,
   상기 가이드링(620)은 반경 방향 외측으로 형성되는 안내설치홈(621)을 구비하고,
   상기 타깃(630)은 반경방향 내측으로 상기 안내설치홈(621)에 원주 방향으로 슬라이딩 가능하게 삽입되는 안내돌기(631)와, 상기 타깃(630)의 양측에 형성되는 스프링지지돌기(632)와, 상기 스프링지지돌기(632)의 중심을 따라 관통형성되는 안내홀(633)을 구비하며,
   상기 복수개의 타깃(630)을 등각도 간격으로 유지하기 위한 간격유지수단(640)을 더 포함하고,
   상기 간격유지수단(640)은 상기 가이드링(620)보다 큰 직경을 가지는 원호형으로 형성되어 상기 안내홀(633)에 관통되어 상기 복수개의 타깃(630)을 원주방향으로 안내하는 간격유지링(641)과, 상기 복수개의 타깃(630)들 사이에서 양단이 스프링지지돌기(642)에 지지되어 간격유지용 압축코일스프링(648)을 포함하여 구성되며,
   상기 간격유지링(641)은 일점에서 절취부(642)를 절취형성하여 이 절취부(642)를 벌려서 상기 타깃(630)의 안내홀(633)과 간격유지용 압축코일스프링(648)에 관통시킬 수 있도록 구성되고,
   상기 간격유지링(641)의 절취부(642)의 일측 단부에 오른나사부(643)를, 타측 단부에 왼나사부(644)를 형성하고, 버클너트(647)의 좌반부에 형성된 오른나사홀(645)을 상기 오른나사부(643)에 체결하고 우반부에 형성된 왼나사홀(646)을 상기 왼나사부(644)에 체결하는 것에 의하여 상기 간격유지링(641)이 임의로 벌어지지 않고 링형으로 유지되도록 할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 해상풍력 모니터링 시스템.

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