KR20090061265A - 풍력발전기의 요 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전기의 요 시스템에 관한 것으로, 너셀 프레임(6)에 요 마찰디스크(2b)의 원주방향을 따라 마찰실린더(5)가 일정 간격으로 다수 개 장착되고, 상기 마찰실린더(5)는 원형실린더(5a)와, 상기 원형실린더(5a)에 내장된 피스톤(5b)과, 상기 피스톤(5b)을 하방으로 탄지하는 스프링(5c)과, 상기 피스톤(5b)의 하면에 부착된 마찰패드(5d)로 이루어진다.

따라서, 풍력발전기 작동시 상기 마찰실린더(5)의 스프링(5c)에 의해 바람에 의한 진동하중이 감쇠되고, 상기 마찰패드(5d)와 요 마찰디스크(2b) 사이의 마찰력에 의해 너셀 요잉 관성력이 감소됨으로써 요 드라이브(3)에 가해지는 하중 부담이 감소되어 요 드라이브(3)의 파손이 방지된다.

따라서, 보다 작은 용량의 요 드라이브(3)를 사용할 수 있게 되므로 비용이 절감되는 효과도 있다.

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Description

풍력발전기의 요 시스템{yaw system of wind power plant}

본 발명은 풍력발전기의 요 시스템에 관한 것으로, 특히 바람에 의한 진동하중과 너셀 요잉 관성력에 대한 요 드라이브의 내구성을 증대시킬 수 있도록 된 풍력발전기의 요 시스템에 관한 것이다.

풍력발전은 풍력으로 발전기를 구동하여 전력을 생산하는 것으로, 기존의 화석연료나 우라늄 등을 이용한 발전방식과 달리 공해가 발생하지 않는 전력 생산 방식이다.

풍력발전기는 풍력에 의해 회전되는 로터(rotor)와, 이 로터에 연결되어 회전운동을 전달하는 드라이브트레인(저속축, 증속기, 고속축)과 이의 후단에 연결된 발전기, 상기 기기들이 설치되는 너셀(nacelle) 및 너셀을 지지하는 타워(tower)로 구성된다.

한편, 상기 너셀에는 요 에러(yaw error ; 로터의 회전면과 풍향이 수직상태로부터 벗어나는 각도로서, 값이 클수록 풍력 활용도가 저하되어 출력이 감소되고, 시스템에 불안정한 하중이 작용하게 되어 수명 단축을 초래하는 원인이 된다.)에 대응하기 위하여 요 시스템(yaw system)이 구비된다.

즉, 상기 요 시스템은 최고의 효율로 전력을 생산하기 위하여 항상 맞바람이 부는 방향으로 너셀을 회전시키는 장치이다.

상기 요 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 타워(1) 상단에 요 베어링(2)의 아우터레이스가 고정되고, 상기 요 베어링(2)의 이너레이스에 너셀의 프레임이 고정되며, 상기 너셀 프레임에 장착된 요 드라이브(3)의 피니언(3a)이 상기 요 베어링(2) 아우터레이스의 외주면에 형성된 기어(2a)에 치합되며, 요 베어링(2)의 이너레이스에 일체로 형성된 요 마찰디스크(2b)에 마찰되어 너셀의 회전을 중지시키기 위한 브레이크 역할을 하는 요 캘리퍼(4)가 타워(1)의 안쪽에 설치된 구조로 이루어진다.

따라서, 풍향센서에서 감지된 풍향정보에 의해 상기 요 드라이브(3)를 작동시켜 너셀의 방향을 풍향의 정면으로 회동시키고, 정지는 상기 요 캘리퍼(4) 및 요 드라이브(3)의 브레이크를 작동시켜 이루어지게 된다.

한편, 풍력발전기 작동 중에는 거스트(gust) 등과 같은 바람에 의한 진동하중이 발생하는데, 종래에는 이 진동하중을 감쇠 또는 정지시킬 수 있는 요소가 너셀 자체의 중량과 요 드라이브(3) 밖에 없었다.

따라서, 상기 진동하중이 요 드라이브(3)에 직접 작용하여 충격을 가함으로써 요 드라이브(3)가 파손되는 현상이 발생하였다.

또한, 상기 요 드라이브(3)에는 바람에 의한 진동하중 뿐만 아니라 너셀의 요잉에 의한 관성력도 작용하게 되므로 요 드라이브(3)에 과도한 하중이 작용되기 때문에 이러한 과도 하중을 지지하기 위해 대용량의 요 드라이브(3)를 사용해야 하 므로 비용이 증가되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 너셀에 발생하는 바람에 의한 진동하중과 요잉에 의한 관성력을 감소시킴으로써 요 드라이브의 파손을 방지하고, 작은 용량의 요 드라이브를 사용할 수 있게 되어 비용을 절감할 수 있도록 된 풍력발전기의 요 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

타워에 요 베어링의 아우터레이스가 고정되고, 상기 요 베어링의 이너레이스에 너셀의 프레임이 고정되며, 상기 너셀 프레임에 장착된 요 드라이브의 피니언이 상기 요 베어링 아우터레이스의 기어에 치합되며, 상기 요 베어링의 인너레이스에 요 마찰디스크가 일체로 형성되고, 상기 요 마찰디스크에 마찰 접촉되는 요 캘리퍼가 구비된 풍력발전기의 요 시스템에 있어서,

상기 너셀 프레임에 상기 요 마찰디스크의 원주방향을 따라 마찰실린더가 일정간격으로 다수 개 장착되고, 그 마찰실린더들이 상기 요 마찰디스크에 접촉되어 마찰되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 너셀 프레임과 요 마찰디스크의 사이에 다수의 마찰실린더가 구비됨으로써 바람에 의한 너셀의 진동하중과 너셀 요잉시의 관성력을 흡수할 수 있게 되고, 이에 따라 요 드라이브에 가해지는 상기 진동하중과 관성력이 감소되어 요 드라이브의 파손을 방지할 수 있게 될 뿐만 아니라 요 드라이브의 하중 부담이 감소됨으로써 보다 작은 용량의 요 드라이브를 사용할 수 있게 되어 비용을 절감할 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 풍력발전기의 요 시스템의 구성을 도시한 것이다.(파워 상단의 모습을 도시하기 위해 너셀의 도시는 생략되었으나, 상세한 설명의 기재와 이후 설명될 도 3에 의하여 너셀을 포함한 전체 구성은 명확히 파악된다.)

타워(1)의 상단에는 요 베어링(2)이 설치된다. 상기 요 베어링(2)을 매개로 너셀이 타워(1)의 상단에 회전 가능하게 설치된다.

상기 요 베어링(2)의 아우터레이스가 타워(1) 상단에 볼트로 고정되고, 이너레이스에 너셀의 프레임이 역시 볼트로 고정된다.

상기 너셀 프레임에는 요 드라이브(3)가 장착되고, 요 드라이브(3) 하단의 피니언(3a)이 상기 요 베어링(2)의 아우터레이스 외주면에 형성된 기어(2a)에 치합된다.

상기 요 베어링(2)의 이너레이스에는 요 마찰디스크(2b)가 일체로 형성되며, 그 요 마찰디스크(2b)에 접촉하여 마찰되도록 요 캘리퍼(4)가 설치된다.

한편, 상기 너셀 프레임에는 상기 요 마찰디스크(2b)의 원주 방향을 따라 다수의 마찰실린더(5)가 일정 간격마다 설치된다. 설치 상태에서 상기 마찰실린더(5)는 요 마찰디스크(2b)에 접촉하여 너셀의 회전에 따라 마찰이 발생하게 된다.

상기 마찰실린더(5)의 상세 구성은 도 3과 같다.

상기 마찰실린더(5)는 외측 바디를 이루는 원형실린더(5a)와, 상기 원형실린더(5a)에 내장된 피스톤(5b)과, 상기 원형실린더(5a)의 피스톤(5b) 안쪽 공간에 내장되어 상기 피스톤(5b)을 하방으로 탄지하는 스프링(5c)과, 상기 피스톤(5b)의 하면에 부착된 마찰패드(5d)로 이루어진다.

상기 원형실린더(5a)는 하부가 완전히 개구되고 상부에는 관통공(5a′)이 형성된 형상으로 이루어지고, 외주면에 나사가 형성되어 상기 너셀 프레임(6)에 형성된 장착공(6a)에 나사 체결된다. 상기 장착공(6a)의 내주면에 암나사가 형성되어 있음은 물론이다.

또한, 상기 원형실린더(5a)는 너셀 프레임(6)의 상부에서 상기 장착공(6a)을 통해 하방으로 삽입 체결되는데, 상기 원형실린더(5a)의 외주면 상부에는 환형의 걸림턱(5a″)이 형성되어 있어서 원형실린더(5a)의 장착공(6a)으로의 삽입 깊이를 제한해주고 있다. 이는 장착 완료상태에서 상기 원형실린더(5a)가 상기 요 마찰디스크(2b)에 직접 닿는 것을 방지하기 위함이다.

상기 피스톤(5b)은 원형실린더(5a)의 하부 개구부를 통해 삽입되는 원반 형상이며, 상면에 일체로 형성된 피스톤로드(5b′)는 상기 원형실린더(5a)의 상부 관통공(5a′)을 통해 원형실린더(5a)의 외측으로 돌출되어 있으며, 그 돌출된 상단에는 원형실린더(5a)와 소정의 여유 간격을 두고 고정너트(5e)가 한 쌍 체결되어 마찰실린더(5) 조립시 피스톤(5b)이 원형실린더(5a)로부터 빠지지 않도록 해 준다.

상기 스프링(5c)은 원형실린더(5a)에 피스톤(5b)이 삽입되기 전에 먼저 삽입 된다. 상기 스프링(5c)은 일반적인 코일스프링이나 코일스프링 둘을 겹친 이중코일스프링을 사용할 수도 있으나, 본 발명 실시예에서는 고하중의 지지에 보다 유리한 접시스프링을 사용하였다.

또한, 상기 스프링(5c)은 상부스프링(5c′)과 하부스프링(5c″)으로 이루어지는데, 상호간의 돌출부분(접시 바닥에 해당되는 부분)이 맞닿고 테두리 부분이 각각 원형실린더(5a)의 상부벽면과 피스톤(5b)의 상부면에 맞닿도록 설치되어 양자간에 지지를 안정적으로 수행함과 더불어 스프링(5c)의 신축거리를 더 확보할 수 있도록 되어 있다.

상기 마찰패드(5d)는 상기 피스톤(5b)과 동일한 지름으로 제작되어 피스톤(5b)의 하면에 부착된다. 부착 안정성을 향상시키기 위하여 피스톤(5b)의 하면에 원형의 돌출단(5b″)을 형성하고, 그 돌출단(5b″)과 동일한 형상과 크기를 갖는 수용홈(5d′)을 마찰패드(5d)의 상면에 형성하여 수용홈(5d′)에 돌출단(5b″)이 삽입된 상태로 상호 부착된다.

상기와 같은 구조로 조립 완료된 마찰실린더(5)는 전술한 바와 같이 너셀 프레임(6)의 상부에서 상기 장착공(6a)으로 삽입되어 나사 체결된다.

마찰실린더(5)가 설치되면, 상기 마찰패드(5d)는 요마찰디스크(2b)에 밀착되고, 상기 스프링(5c)는 압축된다. 이때 나사체결의 깊이를 조절함으로써 상기 스프링(5c)의 압축 정도를 조절하여 마찰패드(5d)와 요 마찰디스크(2b) 사이에 발생하는 마찰력의 크기를 조절할 수 있다.

상기와 같이 설치된 다수의 마찰실린더(5)는 너셀을 통해 전달되는 진동하중 을 지지하여 스프링(5c)에 의해 감쇠시킨다.

또한, 너셀의 요잉시 발생하는 관성력이 상기 마찰패드(5d)와 요 마찰디스크(2b) 간에 발생하는 원주방향 마찰력에 의해 감소된다.

이와 같이 바람에 의한 진동하중과 너셀 요잉 관성력이 상기 마찰실린더(5)에 의해 분담되므로 요 드라이브(3)에 전달되는 하중 부담이 감소되어 요 드라이브(3)가 파손되는 현상이 방지된다.

또한, 너셀 요잉시 정지에 이르기 전에 상기 마찰실린더(5)에 의해 발생되는 마찰력에 의해 요잉 속도가 점진적으로 감소되므로 보다 부드러운 정지가 가능하고 요 드라이브(3)에 가해지는 충격(브레이크 작동에 의한)이 감소되어 역시 파손 방지에 도움이 된다.

한편, 상기와 같이 요 드라이브(3)의 하중 부담이 감소하게 되므로 종래에 비하여 보다 작은 용량의 요 드라이브(3)를 사용할 수 있게 되며, 이로써 비용을 절감할 수 있게 된다.

도 1은 종래 풍력발전기 요 시스템의 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 풍력발전기 요 시스템의 구성도,

도 3은 본 발명의 요부인 마찰실린더의 구성을 나타내는 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 타워 2 : 요 베어링

2a : 기어 2b : 요 마찰디스크

3 : 요 드라이브 3a : 피니언

4 : 요 캘리퍼 5 : 마찰실린더

5a : 원형실린더 5a′: 관통공

5a″: 걸림턱 5b : 피스톤

5b′: 피스톤로드 5b″: 돌출단

5c : 스프링 5c′: 상부스프링

5c″: 하부스프링 5d : 마찰패드

5d′: 수용홈 5e : 고정너트

Claims (7)

1. 타워에 요 베어링의 아우터레이스가 고정되고, 상기 요 베어링의 이너레이스에 너셀의 프레임이 고정되며, 상기 너셀 프레임에 장착된 요 드라이브의 피니언이 상기 요 베어링 아우터레이스의 기어에 치합되고, 상기 요 베어링의 인너레이스에 요 마찰디스크가 일체로 형성되며, 상기 요 마찰디스크에 마찰 접촉되는 요 캘리퍼가 구비된 풍력발전기의 요 시스템에 있어서,

   상기 너셀 프레임에 상기 요 마찰디스크의 원주방향을 따라 마찰실린더가 일정간격으로 다수 개 장착되고, 그 마찰실린더들이 상기 요 마찰디스크에 접촉되어 마찰되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 요 시스템.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 마찰실린더는 원형실린더와, 상기 원형실린더에 내장된 피스톤과, 상기 피스톤을 하방으로 탄지하는 스프링과, 상기 피스톤의 하면에 부착된 마찰패드로 이루어진 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 요 시스템.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 원형실린더의 상부에 관통공이 형성되고, 그 관통공을 통해 상기 피스톤의 피스톤로드가 돌출되며, 그 돌출된 피스톤로드의 단부에 한 쌍의 고정너트가 설치된 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 요 시스템.
4. 청구항 2에 있어서, 상기 원형실린더의 외주면과 상기 너셀 프레임에 형성된 장착공에 나사가 형성되어 상기 원형실린더가 상기 장착공에 나사 체결되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 요 시스템.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 원형실린더의 외주면 상부에 걸림턱이 형성된 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 요 시스템.
6. 청구항 2에 있어서, 상기 스프링은 접시스프링 타입의 상부스프링과 하부스프링으로 이루어지고, 상기 상부스프링과 하부스프링은 상호간의 돌출부분이 맞닿고 테두리 부분이 각각 원형실린더의 상부벽면과 피스톤의 상부면에 맞닿도록 설치된 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 요 시스템.
7. 청구항 2에 있어서, 상기 피스톤의 하면에 돌출단이 형성되고, 상기 마찰패드의 상면에 수용홈이 형성되어, 상기 돌출단이 상기 수용홈에 삽입된 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 요 시스템.

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