KR102174114B1 - 로터 락과 대응 리셉터클을 갖는 요 브레이크 기구가 장착된 터빈 - Google Patents

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Abstract

요 브레이크 기구는 유체 터빈의 나셀과 같은 요 구조물을 기준 축 또는 요 축을 중심으로 소정의 배향 또는 소정의 방위각 방향에 유지시키기 위한 것으로써 기술된다. 요 브레이크 기구는 하나 이상의 로터 락 및 고정 기능을 달성하기 위하여 서로 협력하는 하나 이상의 리셉터클을 이용한다. 로터 락 중 하나는 요 구조물을 고정하기 위하여, 로터 락의 일부가 리셉터클 중 하나 안에 결합될 수 있도록 작동 가능하다. 로터 락과 리셉터클의 개수는, 요 구조물이 다양한 정도의 정확도로 요 축을 중심으로한 360도 전체 중 임의의 방위각 방향을 달성할 수 있게끔 선택될 수 있다. 요 브레이크 기구는 낮은 질량, 작은 크기, 낮은 비용의 해결 방법으로써, 요 구조물이 극도의 모멘트와 하중 힘을 받으면서도 다수의 방향을 유지하도록 해준다.

Description

로터 락과 대응 리셉터클을 갖는 요 브레이크 기구가 장착된 터빈
본 기술적 발명은 요 구조물(yaw structure)과 요 구조물을 소정의 방위각 방향에 유지시키기 위한 요 브레이크 기구(yaw brake mechanism)에 관한 것이다.
특정 유체 터빈을 포함하는 요 구조물은 그것을 배치하는데 있어서, 다양한 방위각 방향을 달성하는 능력이 필요할 수 있다. 예를 들어, 조력 터빈, 수력 터빈, 또는 풍력 터빈과 같은 특정 유체 터빈의 경우, 유체 유동 방향이 종종 가변적이며, 터빈의 로터(rotor)는 유체 터빈이 전력 생산을 최대화하도록 효과적으로 힘을 이용하기 위해서는 유체의 유동에 대해서 적절한 방향으로 배향되어야 한다.
요 브레이크 기구로 최근에 사용되는 종래의 해결방법은 디스크 브레이크(disc brake)와 모터 브레이크(motor brake)를 포함한다. 요 브레이크 기구로 디스크 브레이크를 이용하는 것은 자동차의 디스크 브레이크 시스템과 같은 원리를 따르지만, 훨씬 더 큰 규모이다. 디스크 브레이크를 이용하는 것은 높은 토크를 수용하기 위해 많은 숫자의 디스크 브레이크를 필요로 한다. 이것은 무겁고, 크고, 비용이 많이 드는 브레이크 기구라는 결과를 초래한다.
모터 브레이크는 요 구동 파워트레인 시스템(powertrain system) 내에서 낮은 토크의 브레이크를 사용한다. 브레이크의 낮은 토크는 선회 베어링 인터페이스(slew bearing interface)로의 큰 토크를 피니언(pinion)에서 만들어 내기 위하여, 높은 기어비 변속기를 사용하여 증대된다. 다수의 파워트레인(powertrain)을 사용하는 것은 선회 베어링에서 이용할 수 있는 브레이크 토크를 더 증가 시킨다.
또한, 유지 보수 동안, 허브 록 아웃(hub lock out)을 위하여(즉, 나셀(nacelle)에 대한 로터 허브(rotor hub)의 회전을 방지하기 위하여) 로터 허브와 풍력 터빈의 나셀 인터페이스 사이에 단일 로터 락 기구(rotor lock mechanism)를 사용하는 것이 알려져 있다.
요 브레이크 기구는 요 구조물을 기준 축을 중심으로 소정의 배향 또는 방위각 방향에 유지시키는 것으로서 기술된다. 일 실시예에서, 요 브레이크 기구는 낮은 질량, 작은 높이, 낮은 비용의 해결 방법으로써, 요 구조물이 극도의 모멘트와 하중 힘을 받으면서도 다수의 방향을 달성하고, 그 후 유지하도록 해준다.
본원에 사용된 바와 같이, 요 구조물이라는 단어는 기준 축에 대한 구조의 배향이 선택적으로 변경될 수 있는 임의의 구조를 의미하고, 요 구조물은 기준 축에 대해서 특정 배향에 유지되거나 고정될 수 있다.
하나의 비제한적인 예에서 요 구조물은 수직이거나 수직 축에 가까운 요 축(yaw axis)을 중심으로 회전 가능한 구조일 수 있고, 요 축을 중심으로 특정한 배향에 고정될 수 있다.
본 명세서 내에서 포함하고자 의도한 요 구조물의 예는, 조력 터빈, 수력 터빈 또는 풍력 터빈의 나셀을 포함하나, 이로 한정되지 않는다. 나셀은 나셀이 회전가능하게 지지되어 있는 타워에 대해 요 축을 중심으로 회전 가능하다. 나셀은 로터의 회전으로부터 전력 및/또는 기계적 에너지를 생성하기 위하여, 사용 시에 로터를 통과해 흐르는 물 또는 기름과 같은 유체에 의해 구동되는 로터를 회전 가능하게 지지한다. 요 축을 중심으로 소정의 배향이나 방위각 방향으로 선택적으로 나셀을 회전시키는 요 구동 기구가 포함된다. 또한, 나셀을 소정의 배향에 고정시키기 위해 선택적으로 작동가능한 요 브레이크 기구가 제공된다. 일 실시예에서, 요 브레이크 기구는 다수의 방위각 방향을 달성하고, 그 후 유지하는 수단을 제공한다.
일 실시예에서 요 브레이크 기구는 고정 기능을 달성하기 위해 서로 협력할 수 있는, 적어도 하나의 로터 락과 적어도 하나의 리셉터클(receptacle)을 갖는다. 본원에 기재된 다른 실시예에서, 요 브레이크 기구는 고정 기능을 달성하기 위해 서로 협력할 수 있는, 복수의 로터 락과 복수의 리셉터클을 갖는다. 다수의 로터 락과 리셉터클이 사용되는 경우, 로터 락 중 하나는, 그 로터 락의 일부가 리셉터클 중 하나와 결합되어, 요 구조물을 고정시킬 수 있도록, 결합 상태가 되도록 작동 가능하다. 일 실시예에서, 하나의 로터 락이 요 구조물의 전체 토크에 대항할 수 있다. 다른 실시예에서, 하나 초과의 로터 락이 동시에 리셉터클과 결합할 수 있다. 하나의 비제한적인 예에서, 로터 락과 리셉터클의 개수는, 요 구조물이 약 ±1.0 도 미만의 정확도로 회전의 360도 전체 중 임의의 방위각 방향을 달성할 수 있게끔 선택될 수 있다. 다른 비제한적인 예에서, 8개의 로터 락과 25개의 리셉터클이 사용될 수 있다.
일 예에서, 회전 불가능한 구조 상에 회전 가능하게 장착되어 있고, 회전 불가능한 구조의 요 축을 중심으로 회전 가능한, 요 구조물의 요 브레이크 기구는, 결합 상태와 비결합 상태 사이에서 작동 가능한, 적어도 하나의 로터 락을 포함할 수 있다. 락 플레이트(lock plate)는 요 구조물을 요 축을 중심으로 소정의 배향에 고정시키기 위하여, 적어도 하나의 로터 락과 협력할 수 있다. 락 플레이트는 적어도 하나의 로터 락이 결합 상태가 되도록 작동되는 경우에, 적어도 하나의 로터 락의 일부를 그 안에 수용할 수 있는, 적어도 하나의 리셉터클을 포함할 수 있다. 락 플레이트와 적어도 하나의 로터 락은 서로에 대해서 상대적으로 위치함으로써, 적어도 하나의 로터 락이 결합 상태가 되도록 작동되는 경우, 적어도 하나의 로터 락의 일부가 락 플레이트의 적어도 하나의 리셉터클 안에 배치되어, 요 축을 중심으로 요 구조물이 회전하는 것을 방지하고, 적어도 하나의 로터 락이 비결합 상태가 되도록 작동되는 경우, 적어도 하나의 로터 락의 일부가 락 플레이트의 적어도 하나의 리셉터클로부터 제거되어, 요 축을 중심으로 요 구조물이 회전하는 것을 허용한다.
다른 예에서, 본원에 기술된 유체 터빈은 요 축을 갖는 타워, 타워 상에 회전 가능하게 장착되며, 요 축을 중심으로 나셀의 방향을 바꿀 수 있도록 요 축을 중심으로 회전 가능한 나셀, 요 축을 중심으로 나셀을 회전시키기 위한 요 구동 기구, 회전 축을 중심으로 회전 가능하도록 나셀 상에 회전 가능하게 장착된 로터 및 요 축을 중심으로 나셀의 방향을 고정시키기 위한 요 브레이크 기구를 포함할 수 있다. 요 브레이크 기구는 나셀 또는 타워에 장착되어 결합 상태와 비결합 상태 사이에서 작동 가능한, 적어도 하나의 로터 락을 포함할 수 있다. 나셀을 요 축을 중심으로 소정의 배향에 고정시키기 위해 적어도 하나의 로터 락과 협동하는 락 플레이트가 제공되며, 락 플레이트는 타워 또는 나셀에 장착된다. 락 플레이트는 적어도 하나의 로터 락이 결합 상태가 되도록 작동되는 경우, 적어도 하나의 로터 락의 일부를 그 안에 수용할 수 있는, 적어도 하나의 리셉터클을 포함한다. 또한 락 플레이트와 적어도 하나의 로터 락은 서로에 대해서 상대적으로 위치함으로써, 적어도 하나의 로터 락이 결합 상태가 되도록 작동되는 경우, 적어도 하나의 로터 락의 일부가 락 플레이트의 적어도 하나의 리셉터클 안에 배치되어, 요 축을 중심으로 나셀이 회전하는 것을 방지하고, 적어도 하나의 로터 락이 비결합 상태가 되도록 작동되는 경우, 적어도 하나의 로터 락의 일부가 락 플레이트의 적어도 하나의 리셉터클로부터 제거되어, 요 축을 중심으로 나셀이 회전하는 것을 허용한다.
도 1은 본원에 설명된 요 브레이크 기구를 이용하는 터빈의 일부의 측면 사시도이며, 요 브레이크 기구의 개념을 설명하기 위해 터빈의 일부는 제거되거나, 투명하게 되었다.
도 2는 도 1에서의 터빈의 나셀과 타워 사이의 부분에, 요 브레이크 기구가 포함된 상태의 요 구동 기구의 상부 사시도이다.
도 3은 요 구동 기구 및 요 브레이크 기구의 부품을 보다 잘 설명하기 위해 요 구동 기구의 회전 플레이트를 제거한, 도 2와 유사한 도면이다.
도 4는 도 2의 선 4-4를 따라 절단한 단면도이다.
도 5는 요 구동 기구 및 요 브레이크 기구의 또 다른 실시예의 상부 사시도이다.
도 6은 도 5의 선 6-6을 따라 절단한 단면도이다.
도 7은 로터 락을 작동시키기 위한 요 브레이크 기구의 유압 시스템을 도시한다.
요 홀딩 브레이크(yaw holding brake)라고도 지칭될 수 있는, 요 브레이크 기구는 요 구조물을 기준 축을 중심으로 소정의 배향 또는 방위각 방향에 유지시키는 것으로서 기술된다. 요 구조물은, 기준 축에 대한 구조의 배향이 선택적으로 변경될 수 있고, 요 구조물을 기준 축에 대해서 특정 배향으로 유지하거나 고정하고자 할 수 있는 임의의 구조일 수 있다.
편의를 위해, 요 구조물은 유체에 의해 구동되는 터빈, 특히 유체에 의해 구동되는 터빈의 나셀로, 아래에서 서술될 것이며, 본원에서 설명될 것이다. 유체에 의해 구동되는 터빈은 조력 터빈, 수력 터빈 또는 풍력 터빈을 포함할 수 있으나, 이로 한정되지 않는다. 나셀은 요 축을 중심으로 회전 가능하며, 편의를 위하여, 요 축은 수직, 또는 수직 축에 가깝게 묘사될 것이다. 그러나 본원에서 설명되는 요 브레이크 개념은, 수직 또는 수직에 가까운 것이 아닌 요 축을 중심으로 회전 가능한 다른 요 구조물에 적용 가능하다.
도 1을 참조하면, 유체에 의해 구동되는 터빈(10)의 일부가 도시되어 있다. 터빈(10)은, 아래에 설명된 요 구동 기구(30)를 통하여, 타워(14)에 대하여 요 축(A-A)을 중심으로 회전할 수 있도록, 타워(14)의 상단에 회전 가능하게 장착된 나셀(12)을 포함한다. 도 1에서, 하우징으로도 지칭될 수 있는 나셀(12)은, 나셀(12) 안에 있는 내부 부품이 보일 수 있도록, 투명하게 도시되어 있다. 실제 터빈(10)에서, 나셀(12)은 투명하지 않을 것이다. 타워(14)는 회전하지 않도록 임의의 방식으로, 고정되게 설치될 수 있다. 예를 들어, 풍력 터빈의 경우, 타워(14)는 직접적으로 혹은 간접적으로 땅 속이나 땅 위에 설치될 수 있다; 수력 터빈 또는 조력 터빈의 경우, 타워(14)는 직접적으로 혹은 간접적으로, 해저 또는 또 다른 수역의 바닥 속이나 해저 또는 또 다른 수역의 바닥 위에 설치될 수 있다.
일 실시예에서, 요 축(A-A)은 실질적으로 수직으로 연장될 수 있다. 다른 실시예에서, 요 축(A-A)은 수직에 대해 소정 각도로 기울어질 수 있다. 요 축(A-A)은 수직에 대해 임의의 각도로 기울어질 수 있다. 예를 들어, 하나의 비제한적인 실시예에서, 요 축은 수직으로부터 ±4도 기울어질 수 있다.
나셀(12)은 전방 단부 또는 전단부일 수 있는 제1단부(16) 및 후방 단부 또는 후단부일 수 있는 제2단부(18)를 포함한다. 로터(20)는 회전축(B-B)을 중심으로 회전하도록, 제1단부(16)에 회전 가능하게 장착되어 있다. 일 실시예에서, 회전축(B-B)은 실질적으로 수평으로 연장될 수 있다. 다른 실시예에서, 회전축(B-B)은 수평에 대해 소정 각도로 기울어질 수 있다.
도시된 예에서, 로터(20)는, 로터(20)로부터 대체로 반경 방향으로 연장되는 블레이드 마운트(blade mount)(22)에 착탈식으로 장착된 복수의 블레이드(blade)(미도시)를 포함한다. 도시된 예에서는, 3개의 블레이드 마운트(22)가 있으며, 따라서 3개의 블레이드가 있다. 그러나 더 많은 또는 더 적은 수의 블레이드 마운트와 블레이드가 사용될 수 있다. 블레이드 마운트(22) 및 블레이드 마운트에 장착된 블레이드는 고정된 피치(pitch)일 수 있고, 또는 블레이드 마운트(22) 및 블레이드 마운트에 고정된 블레이드는, 블레이드 마운트(22) 및 블레이드의 축(C-C)을 중심으로 회전함에 따라, 피치의 변화를 허용하도록 장착될 수 있다. 가변 피치 블레이드의 경우, 피치 변화 기구(상세히 도시되지 않음)은 로터(20) 안에 제공될 수 있다. 당업자에게 잘 이해될 수 있다시피, 로터(20)는, 도 1의 화살표(F)로 도시된 바와 같이, 로터의 블레이드를 통과하여 흐르는 물 또는 공기와 같은 유체에 의해 회전 축(B-B)을 중심으로 회전하게끔 설계되었다.
도 1을 계속 참조하면, 변속기(24) 및 발전기(26)가 제2단부(18)에 장착된다. 나셀(12)을 통과해 연장되는 샤프트(shaft)(28)는, 로터(20)의 회전이 변속기(24)로 전달되도록, 로터(20)를 변속기(24)에 연결하고, 그 결과로 발전기(26)에서 전기가 생산된다. 로터(20), 변속기(24) 및 발전기(26)의 상세한 구성 및 동작은 당업자에게 공지되어 있으며, 본원에서는 더 설명하지 않는다.
나셀(12)과 타워(14) 사이에, 타워(14)에 대해서 요 축(A-A)을 중심으로 나셀(12)을 회전시키도록 구성된 요 구동 기구(30)가 제공된다. 로터(20)를 방향을 바꿀 수 있는 유체 유동(F)에 대하여 최적의 방향에 배향하기 위하여 요 구동 기구(30)는 요 축(A-A)을 중심으로한 나셀(12) 및 나셀(12) 상에 장착된 로터(20)의 방위각 방향 또는 배향을 바꾼다. 요 구동 기구(30)는 요 축(A-A)을 중심으로한 나셀(12)의 회전을 달성하기에 적합한 임의의 구성을 가질 수 있다. 요 구동 기구의 구체적인 구성 및 동작은 본 기술 분야에 공지되어있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 요 구동 기구(30)의 상세가 도시되어있다. 본원에 기술된 요 구동 기구(30)는 단지 일례이고, 다른 요 구동 기구 구성이 사용될 수 있다. 도 2 내지 도4 는 터빈(10)의 나셀(12)과 타워(14) 사이의 부분을 도시한다. 이 예에서, 요 구동 기구(30)는 복수의 요 파워트레인(yaw powertrain)(32), 예를 들면 3개의 요 파워트레인(32)을 포함하며, 요 파워트레인(32) 각각은 구동 모터(34) 및 각각의 구동 모터(34)에 의해 구동되는 부속 기어를 포함한다. 파워트레인(32)은 나셀(12)의 회전을 구동하기 위하여, 이들의 임의의 조합으로 함께 또는 각각 작동할 수 있다.
도 3 및 도 4에서 가장 잘 보여지듯이, 파워트레인(32)은 각각 피니언 기어(36)를 구동한다. 피니언 기어(36)는 선회 베어링(40)의 내주면 상에 형성된 톱니(38)와 결합한다. 선회 베어링(40)은, 정착된 또는 고정된 내측 베어링 레이스(inner bearing race)(42)를 포함하고, 내측 베어링 레이스(42)는, 타워(14)에 고정된 베이스 플레이트(base plate)(44)에 장착된다(연결은 도시되지 않음). 이 실시예에서, 톱니(38)와 내측 베어링 레이스(42)가 단일한 구성 또는 단일-부품 구성을 형성하도록, 톱니(38)는 내측 베어링 레이스(42) 상에 일체로 형성될 수 있다. 선회 베어링(40)은 또한 내측 베어링 레이스(42)를 중심으로 그리고 내측 베어링 레이스(42)에 대해 회전 가능한 외측 베어링 레이스(outer bearing race)(46)를 포함한다.
도 2 및 도 4를 참고하면, 회전 플레이트(rotatable plate)(48)는 외측 베어링 레이스(46)의 상부에 고정된다. 회전 플레이트(48) 아래의 부품을 보여주기 위하여, 도 3에서 회전 플레이트(48)는 투명하게 도시되었다. 요 파워트레인(32)은 회전 플레이트(48)의 상측 상의 구동 모터(34) 및 회전 플레이트(48)의 반대측 상의 피니언 기어(36)와 함께 회전 플레이트(48) 위에 장착된다. 또한, 회전 플레이트(48)는 나셀(12)에 고정된다.
요 구동 기구(30)는 다음과 같이 작동한다. 하나 이상의 모터(34)가 각각의 피니언 기어(36)를 회전시키기 위하여 작동된다. 피니언 기어(36)는 고정된 내측 베어링 레이스(42)의 톱니(38)와 결합되어 있으므로, 플레이트(48), 외측 베어링 레이스(46) 및 플레이트(48)와 외측 베어링 레이스(46)에 연결되는 나셀(12)은 요 축(A-A)을 중심으로 회전된다.
나셀(12)이 올바른 방위각 방향으로 회전한 후, 요 브레이크 기구(50)가 나셀(12)을 소정의 방위각 방향에 유지 또는 고정시키기 위하여 사용된다. 일 실시예에서, 요 브레이크 기구(50)는 고정 기능을 달성하기 위해 서로 협력하는, 후술되는, 하나의 로터 락(52) 및 하나의 리셉터클(54)을 포함할 수 있다. 하나의 로터 락(52) 및 하나의 리셉터클(54)은 나셀(12)을 하나의 방위각 방향에 고정시킬 수 있다. 그러나 하나의 로터 락(52)과 하나의 리셉터클(54) 중 어느 하나 또는 모두를, 로터 락(52)과 리셉터클(54)의 상대적인 위치에 따라 나셀(12)이 다른 방위각 방향에 고정될 수 있게, 로터 락(52)과 리셉터클(54)의 상대적인 위치가 선택적으로 변경되는 것을 허용하는 방식으로 장착하는 것이 가능하다.
이하에서 더 상세히 설명되는 또 다른 실시예에서, 요 브레이크 기구(50)는 복수의 로터 락(52) 및 고정 기능을 달성하기 위해 적어도 하나의 로터 락(52)과 협력하는 복수의 리셉터클(54)을 포함한다. 로터 락(52) 중 하나는, 나셀(12)을 소정의 방위각 방향에 고정시키기 위하여 리셉터클(54) 중 하나의 안에 결합 가능하게 작동 가능하다. 로터 락(52) 중 하나는 고정 상태를 달성하기 위하여 리셉터클(54) 중 하나와 결합 가능하며, 이 때 하나의 로터 락(52)이 나셀(12)의 전체 토크에 대항할 수 있다.
일 실시예에서, 적어도 2개의 로터 락(52) 및 적어도 2개의 리셉터클(54)이 있다. 또 다른 실시예에서, 리셉터클(54)의 개수는 로터 락(52)의 개수보다 많다. 이하에서 더 설명되는 일 실시예에서, 로터 락(52)과 리셉터클(54)의 개수는, 나셀(12)이 약 ±1.0 도 미만의 정확도로 요 축(A-A)을 중심으로한 360도 전체 중 임의의 방위각 방향을 달성할 수 있게끔 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서 이러한 방위각 방향의 범위 전체와 정확도를 달성하기 위하여, 8개의 로터 락(52)과 25개의 리셉터클(54)이 있을 수 있다.
다수의 로터 락(52)과 다수의 리셉터클(54)을 갖는 요 브레이크 기구(50)가 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명된다. 로터 락(52)은 로터 락(52)의 일부가 리셉터클(54) 중 하나 안에 배치되는 결합 상태(제1상태 또는 연장 상태)와 로터 락(52)의 일부가 리셉터클(54) 중 하나 안에 배치되지 않는 비결합 상태(제2상태 또는 수축 상태) 사이에서 작동 가능하다. 도시된 예에서, 로터 락(52)은 요 축(A-A)에 실질적으로 평행한 방향으로 작동 가능한, 유압식으로 작동되는 피스톤(56)을 포함하는 것으로 도시된다. 로터 락(52) 각각은 로터 락(52)의 피스톤(56)이 리셉터클(54) 중 하나 안에 배치되는 결합 상태(제1상태 또는 연장 상태)와 로터 락(52)의 피스톤(56)이 리셉터클(54) 중 하나 안에 배치되지 않는 비결합 상태(제2상태 또는 수축 상태) 사이에서 작동 가능하다. 도 4를 참조하면, 도 4의 좌측 상의 로터 락(52)은 로터 락(52)의 피스톤(56)이 리셉터클(54) 중 하나 안에 배치되는 결합 상태로 작동되는 것으로 도시되었고, 한편, 도 4의 우측 상의 로터 락(52)은 로터 락(52)의 피스톤(56)이 리셉터클(54) 중 하나 안에 배치되지 않는 비결합 상태로 작동되는 것으로 도시되었다. 로터 락(52)은 리셉터클(54) 안에 선택적으로 배치될 수 있는, 피스톤(56) 이외의 다른 구조를 가질 수 있다.
도 2는 로터 락(52)을 두 그룹의 로터 락(52a, 52b)으로 구분하여 도시한다. 각각의 그룹은 복수의 로터 락(52)을 포함한다. 로터 락(52)은 플레이트(48)의 상부면 위에 형성되고, 플레이트(48)의 상부면으로부터 상향으로 돌출된, 각각의 융기 영역(60a, 60b)내에 장착된다. 그러나 로터 락(52)은, 각각의 그룹에 동일하거나 동일하지 않은 개수의 로터 락을 갖는, 임의의 수의 그룹으로 구분될 수 있다. 또한, 또 다른 실시예에서, 로터 락(52)은 도 5 및 도 6과 관련하여 이하에서 설명되는 것과 유사하게 하나의 그룹으로 배열될 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 리셉터클(54)은 플레이트(48)의 바닥면을 대면하는 내측 베어링 레이스(42)의 상부면 안에 형성된다. 이 실시예에서, 리셉터클(54)과 내측 베어링 레이스(42)는 단일한 구성 또는 단일-부품 구성을 형성하도록 일체로 형성된다. 내측 베어링 레이스(42)는, 나셀(12)을 요 축을 중심으로 소정의 방위각 방향에 고정시키기 위해 리셉터클(54)이 로터 락(52)과 협동하는 락 플레이트를 형성한다. 특히, 리셉터클(54)은 요 축을 중심으로 나셀(12)이 회전하는 것을 방지하기 위해 로터 락(52)이 결합 상태가 되도록 작동되는 경우, 로터 락(52) 중 하나의 피스톤(56)을 리셉터클(54) 안에 수용할 수 있고, 요 축을 중심으로 나셀(12)이 회전하는 것을 허용하기 위해 로터 락(52)이 비결합 상태가 되도록 작동되는 경우, 로터 락(52)의 피스톤(56)이 락 플레이트의 리셉터클(54)로부터 제거된다. 하나의 실시예에서, 리셉터클(54)은 내측 베어링 레이스(42)를 형성하거나 또는 내측 베어링 레이스(42)로부터 분리된 2개 이상의 링 또는 플레이트로 제공될 수 있다.
도 3 및 도 4에서 가장 잘 보여지듯이, 리셉터클(54)은 내측 베어링 레이스(42) 내에 형성된 전체적으로 원형인 오목부를 포함하나, 내측 베어링 레이스(42)를 통과하여 연장되지는 않는다. 또 다른 실시예에서, 리셉터클(54)은 내측 베어링 레이스(42)를 완전히 통과하여 연장될 수 있다. 리셉터클(54) 및 리셉터클(54) 안에 배치되는 로터 락(52)의 피스톤(56)의 단부는 로터 락(52)의 피스톤(56)의 리셉터클(54)로의 진입 및 로터 락(52)의 피스톤(56)의 리셉터클(54)로부터의 방출을 용이하게 하는 형상으로 될 수 있다. 예를 들어, 로터 락(52)의 각각의 피스톤(56)의 단부(62)는 테이퍼(taper)될 수 있다. 또한 리셉터클(54)의 내부는, 예를 들어 리셉터클(54)의 측벽을 테이퍼함으로써, 또는 각각의 리셉터클(54) 안에 테이퍼된 라이너(liner)(64)를 설치함으로써, 대응하는 테이퍼된 형상을 가질 수 있다. 도시된 실시예에서, 각각의 리셉터클(54)은 요 축(A-A)에 실질적으로 평행한 축을 갖고, 로터 락(52)의 피스톤(56)은 요 축(A-A)에 실질적으로 평행한 방향으로 작동 가능하다. 그러나 또 다른 실시예에서, 리셉터클(54) 및 로터 락(52)의 피스톤(56)은 리셉터클(54)의 축 및 로터 락(52)의 피스톤(56)의 축이 요 축(A-A)과 평행하지 않게 배열될 수 있다.
상술한 바와 같이, 로터 락(52)의 피스톤(56) 중 선택된 하나는, 나셀(12)의 방위각 방향을 고정하도록, 피스톤의 단부(62)가 리셉터클(54) 중 하나 안에 배치되는 위치로 작동될 수 있다. 다수의 로터 락(52) 및 다수의 리셉터클(54)을 제공함으로써, 나셀(12)이 고정될 수 있는 각도의 범위는 늘어난다. 예를 들어, 도시된 8개의 로터 락(52)과 25개의 리셉터클(54)을 갖는 실시예에서, 나셀(12)은 약 ±1.0 도 미만의 정확도로 요 축(A-A)를 중심으로한 360도 전체 중 여러 방위각 방향을 달성할 수 있다. 다음 표는 도시된 실시예의 나셀(12)에 의해 달성 가능한 각도를 도시한다.
아래 표에서, 로터 락(52)은 도 3의 A 내지 H로 라벨링된다. 또한 도 3의 로터 락 A의 피스톤이 리셉터클 1 내에 결합했다고 가정하는 경우, 나머지 리셉터클은 시계 방향으로 순서대로 25까지 라벨링된다.
Figure 112017090233391-pct00001
도 5 및 도 6은 요 구동 기구(100)의 또 다른 실시예를 도시한다. 도 5 내지 도 6은 도 1에 도시된 나셀 및 타워와 유사할 수 있는, 터빈의 나셀(미도시)과 타워(미도시) 사이의 부분을 도시한다. 요 구동 기구(100)는 복수의 요 파워트레인(102), 예를 들면 3개의 요 파워트레인(102)을 포함하며, 요 파워트레인(102) 각각은 구동 모터(104) 및 각각의 구동 모터(104)에 의해 구동되는 부속 기어를 포함한다.
파워트레인(102)은 각각 피니언 기어(106)를 구동한다. 피니언 기어(106)는 선회 베어링(110)의 내주면 상에 형성된 톱니(108)와 결합한다. 선회 베어링(110)은, 정착된 또는 고정된 내측 베어링 레이스(112)를 포함하며, 내측 베어링 레이스(112)는 별도의 락 플레이트(114)에 고정되어 있고, 별도의 락 플레이트(114)는 별도의 베이스 플레이트(116)에 고정되고, 별도의 베이스 플레이트(116)는 터빈의 타워에 고정된다. 선회 베어링(110)은 또한 내측 베어링 레이스(112)를 중심으로 그리고 내측 베어링 레이스(112)에 대하여 회전 가능한 외측 베어링 레이스(118)를 포함한다.
도 6을 참조하면, 회전 플레이트(120)가 외측 베어링 레이스(118)의 상부에 고정되어 있다. 플레이트(120) 아래의 부품을 보여주기 위하여, 도 5에서 플레이트(120)는 투명하게 되었다. 요 파워트레인(102)은 플레이트(120) 상에 장착되며 플레이트(120)의 상측 상에 구동 모터(104)가 있고 플레이트(120)의 반대측 상에 피니언 기어(106)가 있다. 또한, 플레이트(120)는 나셀에 고정되어 있다.
요 구동 기구(100)는 다음과 같이 작동한다. 하나 이상의 모터(104)가 각각의 피니언 기어(106)를 회전시키기 위하여 작동된다. 피니언 기어(106)는 고정된 내측 베어링 레이스(112)의 톱니(108)와 결합되어 있으므로, 플레이트(120), 외측 베어링 레이스(118) 및 플레이트(120)와 외측 베어링 레이스(118)에 연결된 나셀은 요 축(A-A)을 중심으로 회전한다.
도 5 및 도 6을 계속 참조하면, 나셀이 올바른 방위각 방향으로 회전된 후, 나셀을 소정의 방위각 방향에 유지 또는 고정시키기 위하여 요 브레이크 기구(130)가 사용된다. 이 실시예에서, 요 브레이크 기구(130)는 복수의 로터 락(132)과 고정 기능을 달성하기 위해 로터 락(132)과 협력하는 복수의 리셉터클(134)을 사용한다. 로터 락(132) 및 리셉터클(134)은, 로터 락(132) 중 하나의 피스톤이 나셀을 소정의 방위각 방향에 고정시키기 위하여 리셉터클(134) 중 하나 내에 결합되도록 작동 가능하다는 점에서, 상술된 로터 락(52) 및 리셉터클(54)과 구성과 동작이 유사하다. 로터 락(132) 중 하나의 피스톤이 고정 상태를 달성하기 위하여, 리셉터클(134) 중 하나와 결합 가능하며, 이 때 하나의 로터 락(132)이 나셀의 전체 토크에 대항할 수 있다.
그러나, 도 5 및 도 6에 도시된 실시예에서, 리셉터클(134)은 내측 베어링 레이스(112)로부터 분리된, 그러나 내측 베어링 레이스(112)에 고정된 락 플레이트(114) 내에 형성되어있다. 또한 로터 락(132)은, 상술된 로터 락(52)이 2개의 그룹(52a, 52b)으로 구분되어있는 것과 달리, 순차적으로 잇따라 배열된 하나의 그룹에 배열되어 있는 것으로 도시되어 있다. 그러나 로터 락(132)은, 각각의 그룹에 동일하거나 동일하지 않은 개수의 로터 락을 갖는, 임의의 수의 그룹으로 구분될 수 있다.
로터 락(52)과 같이, 적어도 2개의 로터 락(132) 및 적어도 2개의 리셉터클(134)이 있다. 또 다른 실시예에서, 리셉터클(134)의 개수는 로터 락(132)의 개수보다 많다. 로터 락(132)과 리셉터클(134)의 개수는, 나셀이 약 ±1.0 도 미만의 정확도로 요 축(A-A)을 중심으로한 360도 전체 중 임의의 방위각 방향을 달성할 수 있게끔 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서 이러한 방위각 방향의 범위 전체와 정확도를 달성하기 위하여, 8개의 로터 락(132)과 25개의 리셉터클(134)이 사용될 수 있다.
도 6은 로터 락(132)의 피스톤이 리셉터클(134) 중 하나 안에 배치된 결합 상태가 되도록 작동되는 로터 락(132) 중 하나를 도시한다. 리셉터클(134)은 플레이트(120)의 바닥면을 대면하는 락 플레이트(114)의 상부면 내에 형성된다. 리셉터클(134) 중 하나는 요 축을 중심으로 나셀이 회전하는 것을 방지하기 위해 로터 락(132)이 결합 상태가 되도록 작동되는 경우, 로터 락(132) 중 하나의 피스톤을 리셉터클(134) 중 하나 안에 수용할 수 있고, 요 축을 중심으로 나셀이 회전하는 것을 허용하기 위해 로터 락(132)이 비결합 상태가 되도록 작동되는 경우, 로터 락(132)의 피스톤이 락 플레이트(114)의 리셉터클(134)로부터 제거된다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 리셉터클(134)은 락 링(lock ring)(114) 내에 형성된 전체적으로 원형인 오목부를 포함하나, 락 링(114)을 통과하여 연장되지 않는다. 또 다른 실시예에서, 리셉터클(134)은 락 링(114)을 완전히 통과하여 연장될 수 있다. 리셉터클(134) 및 리셉터클(134) 안에 배치되는 로터 락(132)의 피스톤의 단부는 로터 락(132)의 피스톤의 리셉터클(134)로의 진입 및 로터 락(132)의 피스톤의 리셉터클(134)로부터의 방출을 용이하게 하는 형상으로 될 수 있다. 예를 들어, 상술된 로터 락(52) 및 리셉터클(54)과 유사하게, 로터 락(132)의 각각의 피스톤의 단부는 테이퍼될 수 있다. 또한 리셉터클(134)의 내부는, 예를 들어 리셉터클의 측벽을 테이퍼함으로써, 또는 각각의 리셉터클 안에 테이퍼된 라이너를 설치함으로써, 대응하는 테이퍼된 형상을 가질 수 있다.
로터 락(52) 및 리셉터클(54)에 대한 상기 설명과 유사하게, 로터 락(132)의 피스톤 중 선택된 하나는, 나셀의 방위각 방향을 고정하도록, 피스톤의 단부가 리셉터클(134) 중 하나 안에 배치되는 결합 상태가 되도록 작동될 수 있다. 다수의 로터 락(132) 및 다수의 리셉터클(134)을 제공함으로써, 나셀이 고정될 수 있는 각도의 범위는 늘어난다. 예를 들어, 도시된 8개의 로터 락(132)과 25개의 리셉터클(134)을 갖는 실시예에서, 나셀은 약 ±1.0 도 미만의 정확도로 요 축(A-A)를 중심으로 한 360도 전체 중 여러 방위각 방향을 달성할 수 있다. 특히, 위 표에 나열된 각도는 요 브레이크 기구(130)를 사용하는 나셀에 의해 달성 가능하다.
도 7과 함께 도 2 내지 도 4를 참조하여, 요 브레이크 기구(50)를 제어하기 위한 유압 시스템(150)의 일례가 설명될 것이다. 도 5 내지 도 6의 요 브레이크 기구(130)를 제어하기 위하여 유사한 유압 시스템 또는 상이한 유압 시스템이 사용될 수 있다. 이 예에서, 유압 시스템(150)은 로터 락(52) 각각에 대하여 솔레노이드 제어 밸브(solenoid control valve)(152)를 하나씩 포함하는 것으로 도시되고, 솔레노이드 제어 밸브(152)는 피스톤(56)을 제어하기 위하여 로터 락(52), 또는 로터 락(52)으로의 또는 로터 락(52)으로부터의 유압 유체의 유동을 제어하기 위한 임의의 다른 적절한 위치에 장착될 수 있다. 하나 이상의 펌프(154a, 154b)는 가압된 유압 유체를 공급하기 위하여 저장조(156)로부터 필터(156a, 156b)를 통과하여 유압 유체를 내보내고, 어큐뮬레이터(accumulator)(158)는 펌프(154a, 154b)로부터의 유압 유체 공급 라인에 연결되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 유압 시스템(150)은 플레이트(48)와 회전하기 위하여 플레이트(48) 상에 장착될 수 있다. 펌프(154a, 154b), 제어 밸브(152)의 솔레노이드 및 다른 전자 장치에 전력을 공급하기 위한 전기 에너지는 슬립 링 기구(slip ring mechanism)(160)를 통해 제공될 수 있다.
도 2 내지 도 4 및 도 7에 도시된 유압 시스템(150)의 구성은 일례이며, 많은 다른 구성이 가능하다. 또한 일부 실시예에서, 로터 락(52)은 유압식으로 작동되는 대신에 공기식으로 또는 전자식으로 작동될 수 있다.
본 출원에 개시된 예는 모든 면에서 예시적이고, 비 제한적인 것으로 간주되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명보다는 첨부된 청구범위에 의해 나타난다; 그리고 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서 이루어지는 모든 변경은 청구범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (18)

  1. 회전 불가능한 구조에 회전 가능하게 장착되어 있고, 회전 불가능한 구조의 요 축을 중심으로 회전 가능한 요 구조물의 요 브레이크 기구로서,
    결합 상태와 비결합 상태 사이에서 작동 가능한 적어도 하나의 로터 락; 및
    요 구조물을 요 축을 중심으로 소정의 방향에 고정시키기 위하여 적어도 하나의 로터 락과 협력하는 락 플레이트를 포함하고,
    로터 락의 작동은 전기적으로 제어 가능하고,
    락 플레이트는 요 축을 중심으로 적어도 하나의 로터 락에 대해 회전하도록 구성되고, 적어도 하나의 로터 락이 결합 상태가 되도록 작동되는 경우에 적어도 하나의 로터 락의 일부를 수용할 수 있는 적어도 하나의 리셉터클을 포함하고, 락 플레이트는 톱니가 형성된 내주를 포함하고, 락 플레이트는 선회 베어링의 내측 베어링 레이스를 형성하고,
    락 플레이트와 적어도 하나의 로터 락은 서로에 대해서 상대적으로 위치함으로써, 적어도 하나의 로터 락이 결합 상태가 되도록 작동되는 경우, 적어도 하나의 로터 락의 일부가 락 플레이트의 적어도 하나의 리셉터클 안에 배치되어, 요 축을 중심으로 요 구조물이 회전하는 것을 방지하고, 적어도 하나의 로터 락이 비결합 상태가 되도록 작동되는 경우, 적어도 하나의 로터 락이 락 플레이트의 적어도 하나의 리셉터클로부터 제거되어, 요 축을 중심으로 요 구조물이 회전하는 것을 허용하고, 요 축을 중심으로 락 플레이트가 적어도 하나의 로터 락에 대해 회전하는 것을 허용하는,
    요 구조물의 요 브레이크 기구.
  2. 제1항에 있어서,
    복수의 로터 락 및 복수의 리셉터클을 포함하는,
    요 구조물의 요 브레이크 기구.
  3. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 로터 락이 요 구조물 또는 회전 불가능한 구조물 중 하나에 장착되고, 락 플레이트가 요 구조물 또는 회전 불가능한 구조물 중 나머지 하나에 장착되는,
    요 구조물의 요 브레이크 기구.
  4. 제2항에 있어서,
    락 플레이트는 요 축에 실질적으로 평행한 중심 축을 가지고, 복수의 리셉터클들은 락 플레이트의 중심 축을 중심으로 하여 원주방향으로 이격된 위치에 형성되는,
    요 구조물의 요 브레이크 기구.
  5. 제4항에 있어서,
    복수의 리셉터클들은 락 플레이트의 원주 전체 주위에 배치되는,
    요 구조물의 요 브레이크 기구.
  6. 제2항에 있어서,
    복수의 리셉터클의 개수는 복수의 로터 락의 개수보다 많은,
    요 구조물의 요 브레이크 기구.
  7. 삭제
  8. 제2항에 있어서,
    복수의 로터 락 및 복수의 리셉터클은 요 구조가 설정된 각도 값의 배수인, 0도에서 360도 사이의 임의의 요 각도를 달성하는 것을 허용하는
    요 구조물의 요 브레이크 기구.
  9. 유체 터빈이며,
    요 축을 갖는 타워;
    타워에 회전 가능하게 장착되며, 요 축을 중심으로 배향을 바꿀 수 있도록 요 축을 중심으로 회전 가능한 나셀;
    회전 축을 중심으로 회전 가능하도록 나셀에 회전 가능하게 장착된 로터;
    요 축을 중심으로 나셀을 회전시키기 위해 나셀에 연결된 요 구동 기구; 및
    요 축을 중심으로 나셀의 배향을 고정시키기 위한 요 브레이크 기구를 포함하고,
    요 브레이크 기구는,
    나셀 또는 타워에 장착되어 결합 상태와 비결합 상태 사이에서 작동 가능한 적어도 하나의 로터 락; 및
    타워 또는 나셀에 장착되고, 나셀을 요 축을 중심으로 소정의 배향에 고정시키기 위해 적어도 하나의 로터 락과 협력하는 락 플레이트를 포함하고,
    락 플레이트는 요 축을 중심으로 적어도 하나의 로터 락에 대해 회전하도록 구성되고, 적어도 하나의 로터 락이 결합 상태가 되도록 작동되는 경우, 적어도 하나의 로터 락의 일부를 그 안에 수용할 수 있는, 적어도 하나의 리셉터클을 포함하고, 락 플레이트는 톱니가 형성된 내주를 포함하고, 락 플레이트는 선회 베어링의 내측 베어링 레이스를 형성하고,
    락 플레이트와 적어도 하나의 로터 락은 서로에 대해서 상대적으로 위치함으로써, 적어도 하나의 로터 락이 결합 상태가 되도록 작동되는 경우, 적어도 하나의 로터 락의 일부가 락 플레이트의 적어도 하나의 리셉터클 안에 배치되어, 요 축을 중심으로 나셀이 회전하는 것을 방지하고, 적어도 하나의 로터 락이 비결합 상태가 되도록 작동되는 경우, 적어도 하나의 로터 락의 일부가 락 플레이트의 적어도 하나의 리셉터클로부터 제거되어, 요 축을 중심으로 나셀이 회전하는 것을 허용하는,
    유체 터빈.
  10. 제9항에 있어서,
    복수의 로터 락 및 복수의 리셉터클을 포함하는,
    유체 터빈.
  11. 제10항에 있어서,
    락 플레이트는 요 축에 실질적으로 평행한 중심 축을 가지고, 복수의 리셉터클들은 락 플레이트의 중심 축을 중심으로 하여 원주방향으로 이격된 위치에 형성되어 있는,
    유체 터빈.
  12. 제11항에 있어서,
    복수의 리셉터클들은 락 플레이트의 원주 전체 주위에 배치되는,
    유체 터빈.
  13. 제10항에 있어서,
    2개보다 많은 로터 락 및 2개보다 많은 리셉터클을 포함하는,
    유체 터빈.
  14. 제10항에 있어서,
    복수의 리셉터클의 개수는 복수의 로터 락의 개수보다 많은,
    유체 터빈.
  15. 삭제
  16. 제10항에 있어서,
    복수의 로터 락 및 복수의 리셉터클은 나셀이 설정된 각도 값의 배수인 0도에서 360도 사이의 임의의 요 각도를 달성하는 것을 허용하는
    유체 터빈.
  17. 제9항에 있어서,
    유체 터빈은 조력 터빈, 수력 터빈, 또는 풍력 터빈을 포함하는,
    유체 터빈.
  18. 제10항에 있어서,
    선회 베어링의 외측 베어링 레이스의 상부에 고정된 회전 플레이트; 및
    회전 플레이트 상에 장착된 요 파워트레인으로서, 회전 플레이트의 상측 상의 구동 모터 및 락 플레이트의 톱니와 결합된, 회전 플레이트의 하측 상의 피니언 기어를 포함하는 요 파워트레인;을 더 포함하고,
    락 플레이트는 타워에 고정되고;
    회전 플레이트는 나셀에 고정되는,
    유체 터빈.
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