KR20090071422A - 기초부 내의 인장 응력의 자기변형 측정 - Google Patents

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KR20090071422A
KR20090071422A KR1020080132269A KR20080132269A KR20090071422A KR 20090071422 A KR20090071422 A KR 20090071422A KR 1020080132269 A KR1020080132269 A KR 1020080132269A KR 20080132269 A KR20080132269 A KR 20080132269A KR 20090071422 A KR20090071422 A KR 20090071422A
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KR1020080132269A
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야콥 요하네스 니스
얀 에리히 헴멜만
크리스토프 마르틴 실러
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

구조물 지지용 기초부가 제공된다. 기초부는 기초부 바디, 하부 고정 플레이트와 구조를 연결하는 적어도 하나의 고정 볼트, 기초부 바디 내에 위치한 적어도 하나의 고정 볼트상의 하중을 측정하기 위한 자기변형 하중 측정 센서를 포함한다.

Description

기초부 내의 인장 응력의 자기변형 측정{MAGNETOSTRICTIVE MEASUREMENT OF TENSILE STRESS IN FOUNDATIONS}
본 발명은 기초부, 특히, 타워과 같은 높고, 무겁거나 큰 구조물의 지지를 위해 콘크리트 피어 기초부와 같은 보강 콘크리트 기초부에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 기초부 내의 인장 응력의 측정 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 풍력 터빈용 기초부 및 기초부 성분 내의 인장 응력의 측정 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 구조물의 지지용 기초부, 풍력 터빈 및 기초부 내의 인장 응력의 측정 방법에 관한 것이다.
전력선, 통신 시스템, 가로조명 및 가로 신호, 다리 지지물, 상업용 간판, 고속도로 표지, 스키 리프트, 및 풍력 터빈을 지지하기 위해 이용될 수 있는 구조물(예컨대, 타워 등)용 기초부를 최적화하기 위해서, 콘크리트 기초부 내에 포함된 보강 볼트 내의 하중을 측정하는 것이 바람직하다. 기초부 내의 하중 측정은 중량 및 크기에 대하여 기초부를 최적화하기 위해 이용될 수 있고 구조물의 가동에 기인한 피로를 평가하기 위해 이용될 수 있다.
대형 기초부는 흔히 많은 양의 보강 철재 및 이를 싸기 위한 많은 양의 콘크 리트를 필요로 한다. 이러한 기초부는 매우 높은 압축 및 인장력을 받을 수 있다. 이로써, 업셋력이 또한 기초부에 가해질 수 있다. 통상적으로, 고정 플레이트에 연결된 볼트는 공칭 토크 값으로 조여진다. 공칭 토크 값은, 예컨대, 볼트 너트로 측정될 수 있다. 마찰 및 다른 제조 태양을 고려하여, 이 방법은 바람직한 정확성을 제공하지 않을 것이다. 예컨대, 일단 볼트가 조여지면 볼트 이전의 상태는 측정될 수 없다. 하중의 측정은, 특히 구조적인 구조요소 중 많은 것이 콘크리트 등에 매설되어 접근할 수 없기 때문에 수행하기가 어렵다. 볼트의 인장 응력의 측정은, 응력 상태에 기인한 공진 주파수 변화 및 볼트 길이의 초음파 측정, 및 특정 마찰 너트를 갖는 볼트 너트에서의 마찰 측정에 의해서 실시될 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 오프라인에서만 실시될 수 있다. 유사한 태양이 기초부에 의해 지지된 구조물의 성분에 적용된다.
상기한 바에 비추어서, 독립항 1항에 따른 기초부, 독립항 7항 및 8항에 따른 풍력 터빈 및 독립항 10항에 따른 기초부 고정 볼트 내의 인장 응력의 측정 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 태양, 이점 및 특징이 종속항, 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 명백하다.
제1 실시예에 따라, 구조물 지지용 기초부가 제공된다. 기초부는 기초부 바디, 하부 고정 플레이트와 구조를 연결하는 적어도 하나의 고정 볼트, 기초부 바디 내에 위치한, 적어도 하나의 고정 볼트상의 하중을 측정하기 위한 자기변형 하중 측정 센서를 포함한다.
또 다른 실시예에 따라, 풍력 터빈이 제공된다. 풍력 터빈은 기초부 바디, 하부 고정 플레이트와 구조를 연결하는 적어도 하나의 고정 볼트, 기초부 바디 내에 위치한, 적어도 하나의 고정 볼트상의 하중을 측정하기 위한 자기변형 하중 측정 센서, 및 기초부에 의해 지지된 타워를 포함한다.
또 다른 실시예에 따라, 풍력 터빈이 제공된다. 풍력 터빈은, 타워, 타워에 의해 지지된 나셀, 나셀에 연결된 허브, 허브에 연결된 적어도 하나의 로터 블레이드로 이루어진 군의 적어도 하나의 구조 성분으로서, 적어도 하나의 자기적으로 인코딩된 강철 로드는 적어도 하나의 구조 성분에 연결되며, 적어도 하나의 자기적으 로 인코딩된 강철 로드는 적어도 하나의 구조 성분의 제1 위치 및 적어도 하나의 구조 성분의 제2 위치에 고정적으로 연결되는 것인 적어도 하나의 구조 성분; 및 적어도 하나의 자기적으로 인코딩된 강철 로드에 인접하게 위치한 자기장 센서를 포함한다.
한층 다른 실시예에 따라, 기초부 고정 볼트 내의 인장 응력의 측정 방법이 제공된다. 이 방법은 기초부 내에 자기변형 하중 센서를 매설하는 단계, 외부 액세스용 플러그를 자기변형 하중 센서의 신호 와이어링에 제공하는 단계, 플러그에 측정 전자장치를 연결하는 단계, 및 고정 볼트의 인장 응력을 측정하는 단계를 포함한다.
당업자에게 최상의 형태를 포함한 본 발명의 완전하고 가능한 명세가 첨부 도면을 참조로 포함하는 명세서의 나머지 부분에서 더 구체적으로 설명된다.
본 발명에 의한 구조물 지지용 기초부에 따르면, 인장 응력을 계속적 또는 규칙적으로 관찰하여, 대량의 보강 철재에 대한 필요성을 제거할 수 있으며, 실질적으로 필요한 콘크리트의 양을 줄일 수 있고, 기초부 내의 인장 응력에 대한 장기 안정성이 유지될 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 다양한 실시예, 즉 도면에서 도시한 하나 이상의 실시예로 상세하게 참조가 이루어질 것이다. 각 실시예는 본 발명의 설명으로서 제공되고, 본 발명의 한도를 의미하는 것은 아니다. 예컨대, 일 실시예의 일부로서 도시되거나 설명 된 특징이 이용될 수 있거나, 다른 실시예를 산출하기 위해서 다른 실시예와 함께 이용될 수 있다. 본 발명은 이러한 변경 및 변형예를 포함하는 것으로 의도된다.
일반적으로, 콘크리트 피어 기초부 내에서 콘크리트는 압축 하중을 지지한다. 인장 하중은 기초부 내에 포함된 보강 바아에 의해 지지될 수 있다. 통상적으로 고정 볼트는 지지된 구조물을 기초부에 부착하기 위해 이용된다. 고정 볼트는 보강 강재 매트릭스 또는 보강 강재 케이지 내에 배치될 수 있다. 이 때문에, 예컨대 고정 볼트가 뽑히지 않도록 각 볼트의 상단에는 제거 가능한 템플릿 및 각 볼트의 하단에는 분리된 고정 플레이트를 이용할 수 있다. 전체 모듈이 콘크리트 내에 주입될 수 있다. 기초부가 타워와 같은 구조물을 지지할 때, 다양한 인장 하중 및 압축 하중이 기초부에 작용한다. 지지 구조물에서의 틸팅력 또는 전복력으로부터 발생할 수 있는 인장 하중이 고정 볼트에 의해 기초부의 상단 근처에 가해지고 고정 플레이트로의 적용점 아래에서 기초부의 많은 부분상에서 작용한다. 이 때문에, 기초부 내의 인장 하중 및 압축 하중은 볼트 고정 플레이트 근처의 경계를 갖고, 이 경계에서 콘트리트상의 로딩은 지지 구조물의 힘에 의존하여 압축 하중으로부터 인장 하중으로 변화한다.
도 1은 구조물(20)을 지지하는 기초부(100)의 실시예를 도시한다. 도 1은, 예컨대 풍력 터빈의 타워의 하부 섹션 또는 임의의 다른 타워의 하부 섹션일 수 있는, 구조물(20)의 하부 섹션을 도시한다. 기초부(100)는 기초부 바디(102)를 포함한다. 다른 실시예에 따라, 기초부 바디(102)는, 예컨대 기초부 바디(102) 내에 설치된 콘크리트 및 보강 바아[리바아(re-bar)] 또는 보강 케이지로 이루어진 하나 이상의 섹션을 포함할 수 있다.
보강 강재 매트릭스를 조립하거나 선조립하고 콘크리트 등으로 기초부의 부피를 채우는데는 많은 노력이 필요할 수 있다. 또한, 통상적인 원통형 기초부는, 기초부를 위한 홀을 제공하기 위해 드릴을 이용할 것을 요구한다. 따라서, 기초부가 가동중의 지지 구조물에 대한 충분한 안정성 및 가동 안전성을 제공하는 범위 내에서 기초부 내의 재료의 양을 줄일 필요가 있다.
도 1은 기초부 바디(102) 내에 매설된 고정 플레이트(104)를 도시한다. 고정 볼트(110)가 고정 플레이트(104)에 고정되고 고정 플레이트로부터 기초부(100)의 상부까지 연장된다. 또한, 구조물(20)은 고정 볼트(110)에 고정된다. 이로써, 구조물(20)과 고정 플레이트(104) 간의 연결이 제공된다.
또한, 고정 볼트(110)는 인장 볼트 또는 보강 볼트라고 부를 수 있다. 본 명세서에서 설명한 다른 실시예와 결합될 수 있는 통상적인 실시예에 따라, 통상적으로 고정 볼트는 기초부의 중심에서 반경 방향으로 간격을 두고 있는 나란한 쌍으로 제공될 수 있다. 다른 실시예에 따라, 고정 볼트의 내부 링은 고정 볼트의 외부 링보다 다소 작은 직경을 가질 수 있다. 예컨대, 18개의 내부 고정 볼트 및 18개의 외부 고정 볼트, 즉 총 36개의 고정 볼트가 링 형상으로 제공될 수 있다. 다른 실시예에 따라, 36개를 초과하는 고정 볼트, 예컨대 총 72개 또는 96개 이상의 고정 볼트가 제공될 수 있다. 한층 다른 실시예에 따라, 볼트의 링은 수 센티미터인 직경을 가질 수 있다.
볼트(110)의 하단은, 너트(113)를 통과하여 고정 볼트를 나사 고정함으로써, 매설된 링일 수 있는 고정 플레이트(104)에 고정된다. 고정 볼트(110)의 상부는 고정 볼트에 나사 고정된 너트(112)에 의해 고정될 수 있다.
구조물(20)의 제1 하부를 기초부에 장착할 때, 고정 볼트(110)는 너트(112)를 조임으로써 인장된다. 이로써, 구조물(20)을 기초부(100)에 압박하기 위해 프리텐션 하중이 가해진다. 고정 볼트(110) 상의 이러한 프리텐션 하중은 지지 구조물의 가동 중에 발생할 수 있는 하중 또는 전체 구조물(20)의 형성에 기인하여 발생할 수 있는 하중과 동일하지 않다.
프리텐션 하중은 소망의 값으로 제공되어야 한다. 또한, 프리텐션 하중은, 기초부가 완전하게 제작되지 않거나 기초부의 콘크리트가 고정 볼트(110)와 상호 작용하기 시작한다면 시간이 흐르면서 변화할 수 있다. 고정 볼트에 대한 소망의 프리텐션 하중값을 제공하기 위해서 예컨대 너트(112)를 조이는 동안 고정 볼트(110) 내의 인장 응력을 관찰하는 것이 바람직하다. 콘크리트 기초부 바디 내에 포함된 고정 볼트(인장 볼트 또는 보강 볼트) 내의 인장 응력을 측정하기 위한 센싱 방법은 하중 측정 센서(120)에 의해 실시될 수 있다. 이로써, 예컨대, 시간 절약의 안정된 측정이 제공될 수 있다.
본 명세서에서 기술된 다른 실시예와 결합될 수 있는 일부 실시예에 따라, 하중 측정 센서(120)는 자기 변형 효과에 기초한 측정 장치를 제공한다. 이로써, 인장 응력 측정은 고정 볼트(110)에 접근하지 않고 적용될 수 있다. 따라서, 측정은 시간이 흐르면서 매우 안정적으로 제공될 수 있다.
본 명세서에서 기술된 다른 실시예와 결합될 수 있는 실시예에 따라, 강자성 재료의 볼트 또는 강자성 재료의 로드는, 재료가 자기장 센서로 센싱될 수 있는 영구 자기 인코딩 영역을 구비하도록 인코딩될 수 있다. 다른 실시예에 따라, 자기장 센서는, 인코딩된 강자성 물체에 가까이 인접하여 배치된, 하나 이상의 수동 센싱 소자, 예컨대 코일, 거대 자기저항 센서, 자기광학 센서, 플럭스게이트 센서 또는 광섬유 센서를 포함할 수 있다. 예컨대, 본 명세서에서 설명한 실시예에서, 자기장 센서는 0.0 mm 내지 10 mm, 예컨대 7 mm 미만의 볼트 또는 로드의 거리 내에 배치될 수 있다. 이로써, 다른 실시예에 따라, 거리는 예컨대 0.3 mm 이하의 편차를 갖고 시간이 흐르면서 실질적으로 일정한 값에 적합하게 된다. 또한, 직접적으로 접촉하여 측정하는 경우에 전기 절연 시트가 볼트 또는 로드와 자기장 센서 사이에 마련될 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 일부 실시예에 따라, 자기변형 하중 측정 센서(120)는 고정 볼트(110)에 마련된 제1 너트 및 제2 너트(212)를 포함할 수 있다. 너트는 고정된 위치에 제공된다. 예컨대 페라이트강으로 제조된 자기적으로 인코딩된 강철 로드(214)가 너트(212) 사이에 제공된다. 너트(212)는 고정 볼트(110)상의 고정된 제1 위치 및 고정된 제2 위치에 제공되기 때문에, 고정 볼트(110)의 연장부가 자기적으로 인코딩된 강철 로드(214)로 전달된다. 자기 인코딩을 고려하여, 강철 로드(214)의 인장 응력은 자기장 센서(216)로 측정될 수 있다. 따라서, 고정 볼트(110)의 인장 및/또는 압축 하중은 하중 측정 센서(120)로 측정될 수 있다.
본 명세서에서 기술된 다른 실시예와 결합할 수 있는 일부 실시예에 따라, 다수의 자기장 센서가 하나의 로드 또는 볼트에서 이용될 수 있다. 이는 차별측정 을 수행할 수 있다. 예로서, 차별측정을 수행하는 하나의 방법은, 강철 로드의 자기적으로 인코딩된 섹션 위의 센서로부터 측정된 자기장과 강철 로드의 자기적으로 인코딩된 섹션으로부터 또는 이러한 섹션 내에서 측정된 자기장을 비교하는 것일 수 있다. 또한, 다수의 자기장 센서는, 하나의 센서가 시간이 지나 고장나게 되는 상황에 대하여 개선된 신뢰도를 가질 수 있다.
본 명세서에서 설명한 실시예에서, 고정 볼트의 인장 응력은, 너트(112)를 조이는 동안, 구조물(20)을 제작하는 동안 및/또는 구조물(예컨대 풍력 터빈)의 가동 중에 계속하여 또는 규칙적으로 관찰될 수 있다. 본 명세서에서 설명한 실시예에 비추어, 이는, 예컨대 기초부 바디 내에 콘크리트를 주입함으로써 기초부(100)가 제작되는 대로 단지 제한된 직접적인 접근이 고정 볼트(110)에 일반적으로 제공될지라도(상단으로부터만), 가능하다.
본 명세서에서 설명한 실시예는 측정 신호의 과도한 드리프트 없이 인장 상태의 측정을 허여하는데, 이는 예컨대 강철 로드(214)의 자기 인코딩이 센서의 설치 전에 한 번 행해지고 다음 가동중에 동일한 인코딩 영역을 갖는 동일한 인코딩 상태에서 유지되기 때문이다.
도 2는 적어도 두 개의 자기적으로 인코딩된 로드가 고정 볼트(110)의 길이 방향에서 연장되도록 위치한 자기변형 하중 측정 센서(124)를 도시한다. 이로써, 도 2에 도시된 인코딩된 로드 모두에서의 인장에 대응하는 고정 볼트의 인장 응력을 측정할 수 있다. 다른 실시예에 따라, 고정 볼트(110)의 휨 모멘트를 측정할 수 있다. 이로써, 휨 모멘트는 도 2에 도시된 각각의 인코딩된 로드(214)에서 상이한 인장 응력값에 대응할 것이다. 한층 다른 실시예에 따라, 단지 하나의 자기적으로 인코딩된 로드를 포함하는 하중 측정 센서(120)를 제공할 수 있고, 이로써 단지 축소된 하중 정보, 즉 인장 응력이 얻어질 수 있다. 한층 다른 실시예에 따라, 세 개, 네 개 또는 그 이상의 강철 로드가 고정 볼트(110) 주위에 제공될 수 있다. 이로써, 예컨대, 일반적으로 서로 수직의 두 방향에서의 휨 모멘트가 추가적으로 측정될 수 있다.
본 명세서에서 설명한 일반적인 실시예에 따라, 기초부의 고정 볼트(110)는 1 m 내지 3 m의 범위 내, 예컨대 2 m의 길이를 가질 수 있다. 일반적으로, 일부 실시예에 따라 고정 볼트(110) 자체를 자기적으로 인코딩하고, 직접적으로 인접한, 즉 고정 볼트(110)에 가까이 인접한 자기장 센서를 제공하는 것이 가능하다. 고정 볼트에 따라 상이한 위치에서 상이한 자기장 센서를 제공함으로써, 응력 또는 휨 모멘트와 같은 상이한 하중이 측정될 수 있다. 일부 실시예에 따라, 자기장 센서는 자기적으로 인코딩된 로드 또는 볼트에 고정적으로 부착될 수 있다.
그러나, 볼트 또는 로드를 인코딩하기 위해 강자성 재료가 필요하기 때문에, 소망의 재료의 전체 고정 볼트를 제공하는 것이 어려울 수 있다. 따라서, 도 2에 관하여 상기한 바와 같이, 고정 볼트(110)의 하중이 전달되는 자기적으로 인코딩된 로드(214)를 제공하여, 필요한 강자성 재료의 양을 줄일 수 있다. 이로써, 센싱 방법에 상관없이 고정 볼트의 재료를 선택하는 것이 가능하다. 이로써, 다른 옵션으로서, 두 개 이상의, 일반적으로 모두 자기적으로 인코딩된 로드는 상이한 풍력 터빈 크기에 대하여도 동일한 재료, 디자인, (컴팩트한) 크기를 가질 수 있고, 및/또 는 자기장 센서가 동일한 방식으로 로드 표면에 언제나 직접 부착될 수 있다. 이는 대량 생산 및 그에 따른 낮은 제조 비용을 야기할 수 있는데, 이는 현장 측정이 생략될 수 있거나 적어도 현저히 줄어들 수 있기 때문이다.
본 명세서에서 설명한 다른 실시예와 결합할 수 있는 일부 실시예에 따라, 자기적으로 인코딩된 로드(214)는 1 cm 내지 10 cm의 길이, 일반적으로 3 또는 5 cm의 길이를 가질 수 있다. 자기적으로 인코딩된 로드는 필수적으로 고정 볼트의 전체 길이를 따라 연장될 필요가 없는데, 이는 하중 측정 센서가 단위 길이당 연신 또는 인장 응력을 제공할 수 있기 때문이다. 한층 다른 실시예에 따라, 고정 볼트에 더하여 자기적으로 인코딩된 로드를 사용하여, 자기 인코딩을 개선 및/또는 단순화시킬 수 있는 강자성 재료의 특정 선택을 허여한다. 이는 측정 시스템에 대한 비용 감소를 야기할 수 있다.
본 명세서에서 설명한 다른 실시예와 결합할 수 있는 다른 실시예에 따라, 하중 측정 센서(120)를 위해 캡슐화부 또는 하우징(218)이 제공된다(도 2 참조). 일반적으로 하우징(218)은 고무 또는 폼과 같은 연질 재료일 수 있는 슬리브의 형태로 제공될 수 있다. 연질 슬리브는 기초부 바디(102)에 대한 하중 측정 유닛(120)의 약간의 이동을 허여하여 고정 볼트(110)의 연장 또는 이동이 하중 측정 센서(120)에 의해 방해받지 않는다. 예컨대 코일과 같은 수동 소자에 의해 제공될 수 있는 자기장 센서에 연결된 와이어(222)가 하우징(218)으로부터 연장된다. 이로써, 측정이 행해질 때, 즉 (전원공급기를 구비한) 외부 플러그가 연결될 때, 센서 신호 처리가 활성화된다.
도 3은 기초부 바디(102)를 구비한 원형 기초부(100)를 도시한다. 도 3에 도시된 고정 플레이트는, 기초부를 위에서 볼 때, 기초부 바디(102) 내에 매설되고 콘크리트 등에 의해 커버된다. 도 3에 도시한 바와 같이, 일부 실시예에 따라, 12시 위치, 3시 위치, 6시 위치 및 9시 위치에서의 고정 볼트(110)는 고정 볼트(110)의 내부 링 및 외부 링에서 하중 측정 센서(120)를 각각 마련하고 있다. 이로써, 4개의 위치 중 2개가 각각 서로 마주하고 있고, 예컨대 기초부(100)의 동서남북 위치에 배치될 수 있다.
풍력 터빈과 같은 구조물이 기초부 위에 위치한다면, 틸팅 모멘트 또는 업셋 모멘트가 구조물로부터 기초부에 가해질 수 있다. 이는 예컨대 가동 환경, 구조물의 무게중심 및/또는 바람 또는 구조물상의 다른 환경적 영향에 기초하여 일어날 수 있다. 이러한 업셋 모멘트는 기초부의 각 4개 위치에서 상이한 하중을 야기할 수 있다. 따라서, 4개의 상이한 위치에서 하중을 측정함으로써, 구조물에 의해 제공된 하중이 결정될 수 있다. 상이한 실시예에 따라, 기초부의 수평면의 모든 방향에서 상이한 고정 볼트에 대하여 상이한 인장 응력을 야기하는 하중을 측정하기 위해서, 적어도 3개의 하중 측정 유닛이 제공된다. 도 3에 도시한 바와 같이, 4개 또는 그 이상의 하중 측정 센서가 기초부의 마주하는 측 및 수직 측에 각각 제공될 수 있다.
도 4는 구조물(20)이 제공되는 기초부 바디(102)를 갖는 기초부(100)의 일부를 도시한다. 기초부 바디(102) 내에, 예컨대 고정 링 형태의 고정 플레이트(104)가 매설되고, 고정 볼트(110)는 예컨대, 너트(113)에 의해 고정 플레이트(104)에 고정되어, 고정 플레이트(104)로부터 구조물(20)의 하단까지 연장된다. 구조물(20)은 고정 볼트에 고정되고, 따라서 너트(112)에 의해 기초부에 고정된다. 본 명세서에서 설명한 다른 실시예와 결합할 수 있는 다른 실시예에 따라, 하중 측정 센서(120)는, 하중 측정 센서(120)를 측정 전자장치(122)를 연결하기 위해서 기초부의 외측으로부터 접근할 수 있는 플러그(414)에 와이어(412)에 의해 연결된다. 이로써, 본 명세서에서 설명한 실시예에 따라, 코일을 포함할 수 있는 자기적으로 인코딩된 로드 또는 볼트 및 자기장 센서와 같은 수동 소자만이 기초부 내에 매설된다. 따라서, 콘크리트, 습도 또는 다른 영향력으로부터의 하중이 활성 전자 장치에 가해지지 않는다. 자기장 센서는 코일과 같은 수동 소자에 의해 제공될 수 있다. 이로써, 센서 신호 처리는, 측정이 행해질 때, 즉 (전원 공급기를 갖는) 외부 플러그가 연결될 때, 활성화된다.
다른 실시예에 따라, 와이어(412)는 1 m 또는 2 m 이하의 길이를 가질 수 있다. 이로써, 기초부(100)의 상부에 접근하도록 플러그(414)가 설치될 수 있다. 기초부에 장착된 풍력 터빈의 타워의 경우, 플러그(414)는 예컨대 풍력 터빈의 중공 타워 내에 설치될 수 있다. 한층 다른 실시예에 따라, 자기장 센서는, 무선 유도 전력 IC 또는 RF-ID형 통신을 위한 구성요소와 같은, 신호의 무선 전달을 위한 전달 장치를 갖출 수 있다. 이로써, 콘크리트 내의 와이어가 생략될 수 있다.
본 명세서에서 설명한 실시예에 따라, 측정 결과물에 영구한 접근을 제공함으로써 콘크리트 기초부의 고정 볼트 또는 인장 볼트 내의 인장 응력을 측정하는 능력은 여러 선택 사항을 허여한다. 고정 볼트 상의 인장 하중은, 기초부에 구조물 의 하부를 조이는 동안, 관찰될 수 있다. 인장 응력의 계속적 또는 규칙적인 관찰은 기초부의 개선을 허여하고 대량의 강철 바아, 리바아 또는 인장 바아에 대한 필요성을 제거할 수 있으며 실질적으로 필요한 콘크리트의 양을 줄일 수 있다. 고정 볼트의 인장 응력의 계속적 또는 규칙적인 관찰은 초기에 구조물에서 일어날 수 있는 잠재적인 문제점을 탐지하게 한다. 이러한 문제점은, 예컨대, 기초부 내에서의 비대칭적인 하중, 시간이 지남에 따른 하중의 예기치않은 변화 및/또는 기초부의 보강 구조물 내의 실패의 탐지일 수 있다. 기초부 하중 분포의 단순하고 직접적인 측정은, 동적인 경우 및 구조물이 구축되지만 작동하지는 않는 경우 모두에, 풍력 터빈과 같은 구조물의 가동 환경에서의 정보를 더 제공할 수 있다. 또한, 기초부 내의 인장 응력에 대한 장기 안정성이 유지 등을 위해 제공될 수 있다. 더하여, 볼트 내의 실제 응력에 대한 정보를 수집하는 것은 완전한 인장 강도 능력으로 볼트를 이용하는데 도움을 줄 수 있고 볼트가 고정 플레이트 상의 콘크리트에 인장 강도를 전달하는지 여부를 나타낼 수 있다.
본 명세서에서 설명한 실시예에 따른 기초부는, 전력선, 통신 시스템, 가로조명, 가로 신호, 다리 지지물, 상업용 간판, 고속도로 표지, 스키 리프트 또는 풍력 터빈에 대해 이용될 수 있는 구조물 또는 타워를 위해 이용될 수 있다. 도 5는 기초부(100)를 포함하는 풍력 터빈(500)의 실시예를 도시한다. 풍력 터빈(500)의 타워(20)는 기초부(100)에 의해 지지되고 고정 플레이트(104)로부터 연장하는 고정 볼트(110)에 고정된다. 기초부상의 하나 이상의 위치 또는 하나 이상의 고정 볼트(110) 내의 하중은 본 명세서에서 설명한 실시예에 따른 하중 측정 유닛에 의해 관찰될 수 있다. 도 5는 4개의 하중 측정 유닛(120)을 도시한다. 타워(20)의 상단에, 나셀(22)이 제공된다. 나셀(22)은 로터 블레이드(28)가 장착된 허브(26)를 지탱한다.
풍력 터빈(500)의 변경된 실시예가 도 6에 도시되어 있다. 상기 요소에 더하여, 하중 측정 유닛(600)이 풍력 터빈(500)의 타워(20) 내에 제공된다. 도 2에 관하여 설명한 하중 측정 유닛과 유사하게, 하중 측정 유닛(600)은 자기적으로 인코딩된 로드(614) 및 자기장 센서(616)를 포함한다. 다른 실시예에 따라, 자기적으로 인코딩된 로드(614)는 두 개의 고정 위치에서 장착 요소(612)로 타워 벽에 장착될 수 있다. 한층 더 다른 실시예에 따라, 장착 요소(612)는 타워 벽에 용접될 수 있고, 타워 벽에 접착될 수 있으며, 타워 벽 등에 나사 결합될 수 있다. 풍력 터빈(500)의 타워(20)에 작용하는 하중은 자기적으로 인코딩된 로드(614)에 압축 응력 또는 인장 응력을 전달했다. 따라서, 타워의 하중 측정은 하나 이상의, 예컨대, 4개의 하중 측정 센서(600)에 의해 제공될 수 있다.
본 명세서에서 설명한 다른 실시예와 결합할 수 있는 한층 다른 실시예에 따라, 하중 측정 유닛(600)은 타워 내의 다른 높이에서 또는 풍력 터빈(500)의 다른 구조 요소, 예컨대 나셀, 허브, 로터 블레이드 등에서 제공될 수 있다. 이로써, 하중 측정 유닛은 기존의 풍력 터빈에 또는 풍력 터빈의 제작 후에 쉽게 설치될 수 있다. 장착 요소가 추가된 측정 시스템은 언제라도 풍력 터빈에 제공될 수 있고 설치중에 풍력 터빈에 일체화될 필요는 없다.
한층 다른 실시예에 따라, 도 6에 도시한 바와 같은 로드(614)를 추가적으로 또는 대안적으로 제공하여, 타워 벽의 일부 또는 다른 구성 요소가 타워 등의 압축 응력 및/또는 인장 응력을 측정하기 위해 자기적으로 인코딩될 수 있다.
한층 다른 실시예에 따라, 또한 유사한 하중 측정이 풍력 터빈 이외의 다른 용례에 적용될 수 있다. 또한, 하중 측정 유닛(600)은 이용된 기초부의 종류에 상관없이 적용될 수 있다. 즉, 하중 측정 유닛이 없는 기초부가 풍력 터빈을 지지한다면 하중 측정 유닛이 또한 제공될 수 있다.
기초부 내의 하중을 측정하기 위한 방법의 상이한 실시예가 도 7에 대하여 기술될 것이다. 702 단계에서 기초부 바디가 콘크리트 등으로 채워지기 전에 자기변형 측정 센서가 기초부 내에 제공된다. 704 단계에서 기초부가 채워지고, 하중 측정 센서가 기초부 내에 매설된다. 706 단계에서 기초부의 외측에 하중 측정 센서의 자기장 센서를 와이어링 하기 위한 플러그를 제공한다. 따라서, 기초부의 고정 볼트 내의 인장 응력의 드리프트 저항 측정이 계속적으로 또는 규칙적으로 제공될 수 있다. 이로써, 일부 실시예에 따라, 단지 수동 센서 소자가 기초부 내에 매설된다.
하나 이상의 자기변형 하중 측정 센서는, 707 단계에 따라, 기초부상에 구조물을 형성하는 동안 프리텐션 하중을 관찰하기 위해 이용될 수 있다. 프리텐션 하중의 정확한 관찰을 제공하여 구조물의 형성 중의 또는, 나중에, 구조물의 수명 중의 고정 볼트의 프리텐션의 변화를 탐지하게 한다.
다른, 대안적인 또는 추가적인 실시예에 따라, 708 단계에서 고정 볼트의 인장 응력을 측정하기 위한 플러그에 측정 전자장치가 연결될 수 있다. 이는 예컨대 구조물(예컨대, 풍력 터빈)의 유지 중에 행해질 수 있다. 이로써, 710 단계에서, 고정 볼트 내의 인장 응력의 정확한 측정이 주 단위, 월 단위 또는 연 단위로 행해질 수 있다. 하중 측정 장치의 작은 드리프트에 비추어, 고정 볼트의 하중의 변화가 탐지될 수 있다. 이로써 하나의 활성 전자 측정 장치가 상이한 위치에서의 측정을 위해 이용될 수 있다. 바람직하지 않은 측정 결과가 탐지된다면 대응책이 취해질 수 있다.
한층 다른 실시예에 따라, 대안적으로 또는 추가적으로, 고정 볼트 상의 인장 응력을 계속적으로 또는 반계속적으로 관찰하기 위해 기초부의 외측에 활성 측정 전자장치가 영구하게 제공될 수 있다. 예컨대, 기초부의 하나 이상의 위치에서의 인장 응력값은 초, 분 또는 시간을 기초로(예컨대, 1초마다, 1분마다 또는 1시간마다) 관찰될 수 있다. 이러한 신호는 전체 구조물의 전체 유닛에 대한 피드백을 제공할 수 있다. 예컨대, 풍력 터빈이 작동한다면, 피드백은 풍력 터빈의 제어 유닛에 제공될 수 있다. 이로써, 풍력 터빈의 상이한 요소의 제어에 기인한 하중의 변화는 제어 유닛에 직접적인 피드백을 야기할 수 있다.
상기한 바와 같이, 상이한 실시예에 따라, 풍력 터빈과 같은 구조물의 인장 응력 하중 측정은 두 개의 상이한 상태에 대해 고려될 수 있다. 기초부상의 하중이 풍력 터빈의 작동 중에 측정될 수 있고, 또는 풍력 터빈이 정지할 수 있어서 기초부상의 하중이 정지 상태 하에서 측정될 수 있다.
본 명세서에서 설명한 상이한 실시예에 따라, 구조물을 지지하기 위한 기초부가 제공된다. 기초부는, 기초부 바디, 하부 고정 플레이트와 구조물을 연결하는 적어도 하나의 고정 볼트, 및 기초부 바디 내에 위치한, 적어도 하나의 고정 볼트상의 하중을 측정하기 위한 자기변형 하중 측정 센서를 포함할 수 있다. 다른 선택적인 구성에 따라, 자기변형 하중 측정 센서는 적어도 하나의 고정 볼트에 인접하여 위치한 자기장 센서를 포함할 수 있고, 또는 대안적으로 또는 부가적으로 자기변형 하중 측정 센서는, 적어도 하나의 고정 볼트에 연결되고 그 길이가 적어도 하나의 고정 볼트의 길이 방향으로 연장되는 적어도 하나의 자기적으로 인코딩된 강철 로드 및 적어도 하나의 자기적으로 인코딩된 강철 로드에 인접하게 위치한 자기장 센서를 포함할 수 있다.
임의의 다른 실시예와 결합하여 산출될 수 있는 한층 다른 실시예에 따라, 기초부 바디에 매설된 자기장 센서의 일부는 수동 소자로 이루어진다. 이 경우, 일반적으로 기초부 바디의 외부에 있는 전원 공급기가 자기장 센서에 연결된다.
이로써, 한층 다른 실시예에 따라, 적어도 하나의 자기적으로 인코딩된 강철 로드가 적어도 하나의 인장 볼트의 제1 위치 및 적어도 하나의 고정 볼트의 제2 위치에 고정적으로 연결되는 것이 가능하다. 한층 다른 통상적인 실시예에 따라, 적어도 하나의 자기적으로 인코딩된 강철 로드는 적어도 하나의 인장 볼트에 마련된 제1 너트에 적어도 하나의 자기적으로 인코딩된 강철 로드를 고정함으로써 제1 위치에 고정적으로 연결될 수 있고, 적어도 하나의 인장 볼트에 마련된 제2 너트에 적어도 하나의 자기적으로 인코딩된 강철 로드를 고정함으로써 제2 위치에 고정적으로 연결될 수 있다. 다른 대안적이거나 추가적인 변형예에 따라, 적어도 두 개의 자기적으로 인코딩된 강철 로드는 적어도 하나의 고정 볼트 중 각각에 대해 마련될 수 있고, 적어도 하나의 자기장 센서가 적어도 두 개의 자기적으로 인코딩된 강철 로드 중 각각에 인접하여 위치한다.
본 명세서에서 설명한 실시예 중 임의의 것과 결합될 수 있는 통상적인 실시예에 따라, 적어도 36개의 고정 볼트가 제공될 수 있다. 다른 선택적인 요소에 따라, 적어도 36개의 고정 볼트 중 적어도 3개의 고정 볼트가 하중 측정 센서에 설비될 수 있다.
본 명세서에서 설명한 실시예 중 임의의 것과 결합될 수 있는 한층 다른 실시예에 따라, 기초부의 4개 측에서의 고정 볼트가 하중 측정 센서에 설비될 수 있고, 4개 측 중 두 개는 각각 서로에 대해 마주하고 있다. 본 명세서에서 설명한 실시예 중 임의의 것과 결합될 수 있는 한층 다른 실시예에 따라, 자기변형 하중 측정 센서는 적어도 하나의 고정 볼트에서 인장 응력을 측정하기에 적합하다.
본 명세서에서 설명한 실시예 중 임의의 것과 결합될 수 있는 다른 실시예에 따라, 자기변형 하중 측정 센서에 연결된 와이어를 종결시키는 플러그가 마련될 수 있고, 이 플러그는 신호 접근을 위해 기초부의 외측에 위치한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 기초부 바디 내의 하중 측정 유닛의 움직임을 허여하기에 적합한 하중 측정 유닛용 하우징이 제공될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 본 명세서에서 설명한 실시예 중 임의의 것에 따른 기초부를 구비한 풍력 터빈이 제공될 수 있다. 이로써, 실시예로서 측정 센서에 연결된 와이어를 종결시키는 플러그가 마련되는 것이 가능할 수 있고, 이 플러그는 타워 내의 신호 접근을 위해 기초부의 외측에 위치한다.
본 명세서에서 설명한 실시예 중 임의의 것과 결합될 수 있는 일부 실시예에 따라, 풍력 터빈이 제공된다. 풍력 터빈은, 타워, 타워에 의해 지지된 나셀, 나셀에 연결된 허브, 허브에 연결된 적어도 하나의 로터 블레이드로 이루어진 군의 적어도 하나의 구조 성분으로서, 적어도 하나의 자기적으로 인코딩된 강철 로드는 적어도 하나의 구조 성분에 연결되며, 적어도 하나의 자기적으로 인코딩된 강철 로드는 적어도 하나의 구조 성분의 제1 부분 및 적어도 하나의 구조 성분의 제2 부분에 고정적으로 연결되는 것인 적어도 하나의 구조 성분; 및 적어도 하나의 자기적으로 인코딩된 강철 로드에 인접하게 위치한 자기장 센서를 포함한다. 일실시예에 따라, 구조 성분은 타워일 수 있고 적어도 하나의 자기적으로 인코딩된 강철 로드는 타워의 벽에 인접하여 연장된다. 또 다른 실시예에 따라, 선택적으로 본 명세서에서 설명한 실시예 중 임의의 것에 따른 기초부가 제공될 수 있다.
한층 다른 실시예에 따라, 기초부 고정 볼트 내의 인장 응력을 측정하는 방법이 제공된다. 이 방법은 기초부 내에 자기변형 하중 센서를 매설하는 단계, 외부 액세스용 플러그를 자기변형 하중 센서의 신호 와이어링에 제공하는 단계, 플러그에 측정 전자장치를 연결하는 단계, 및 고정 볼트의 인장 응력을 측정하는 단계를 포함한다. 추가적인 선택에 따라, 측정은 계속적으로 또는 반계속적으로 및/또는 주 단위, 월 단위 또는 연 단위로 규칙적으로 행해질 수 있다. 이로써, 실시예로서, 측정 전자장치는 하나를 초과하는 플러그에 연속적으로 연결될 수 있다. 다른 실시예에 따라, 측정은, 구조물을 기초부에 조이는 동안 및/또는 기초부상에 구조물을 제조하는 동안 행해질 수 있다.
이로써, 본 명세서에서 설명한 실시예 중 임의의 것과 결합될 수 있는 일부 실시예에 따라, 조이는 동안 볼트 내의 인장을 측정하기 위해 측정이 이용될 수 있다. 이로써, 다른 변형예에 따라, 정확한 프리텐션이 달성되는 순간, 조임 공정이 중단될 수 있다.
이와 같이 기술된 설명은, 최상의 방식을 포함한 본 발명을 개시하고, 또한 당업자가 본 발명을 이루고 이용할 수 있게 하는 실시예를 이용한다. 다양한 특정 실시예에 의하여 본 발명이 기술되었지만, 당업자는 본 발명이 청구범위의 사상 및 범위 내에서 변경을 가하여 실시될 수 있다는 점을 인식할 것이다. 특히, 상기 실시예의 상호 비배타적인 특징은 서로 결합될 수 있다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 정해지고, 당업자에게 발견되는 다른 실시예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 실시예는, 청구범위의 문자상 표현과 다르지 않은 구조 요소를 갖는다면, 또는 청구범위의 문자상 표현과 적은 차이점을 갖는 동등한 구조 요소를 포함한다면, 청구범위의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.
도 1은 본 명세서에서 설명한 실시예에 따른 고정 볼트 및 고정 볼트 인장 응력 측정 장치를 구비한 기초부의 개략적인 측면도를 도시한다.
도 2는 본 명세서에서 설명한 실시예에 따른 고정 볼트 내의 인장 응력을 측정하기 위한 하중 측정 센서의 개략도를 도시한다.
도 3은 본 명세서에서 설명한 실시예에 따른 고정 볼트 및 고정 볼트 인장 응력 측정 장치를 구비한 기초부의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 4는 본 명세서에서 설명한 실시예에 따른 플러그에 연결된 와이어링을 갖는 인장 응력 측정 장치를 구비한 기초부를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 5는 본 명세서에서 설명한 실시예에 따른 고정 볼트 및 고정 볼트 인장 응력 측정 장치를 구비한 기초부를 갖는 풍력 터빈을 나타내는 개략도를 도시한다.
도 6은 예를 들어, 본 명세서에서 설명한 실시예에 따른 풍력 터빈의 타워 내의 추가의 하중 측정 센서 및 본 명세서에서 설명한 실시예에 따른 고정 볼트 및 고정 볼트 인장 응력 측정 장치를 구비한 기초부를 갖는 풍력 터빈을 나타내는 개략도를 도시한다.
도 7은 본 명세서에서 설명한 실시예에 따른 기초부 고정 볼트 내의 인장 응력을 측정하는 대안적인 방법을 나타내는 흐름도를 도시한다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20: 구조물/타워 100: 기초부
102: 기초부 바디 104: 고정 플레이트
110: 고정 볼트 112, 113: 너트
120: 하중 측정 센서 122: 전자장치
124: 자기변형 하중 측정 센서 212: 너트
214: 강철 로드 216: 자기장 센서
218: 하우징 /캡슐화 222: 와이어링
414: 플러그 500: 풍력 터빈
600: 하중 측정 유닛 612: 장착 요소
614: 자기적으로 인코딩된 로드
616: 자기장 센서

Claims (10)

  1. 구조물 지지용 기초부로서,
    기초부 바디;
    하부 고정 플레이트와 상기 구조물을 연결하는 적어도 하나의 고정 볼트; 및
    상기 기초부 바디 내에 위치한, 적어도 하나의 고정 볼트상의 하중을 측정하기 위한 자기변형 하중 측정 센서
    를 포함하는 것인 구조물 지지용 기초부.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자기변형 하중 측정 센서는 적어도 하나의 고정 볼트에 인접하게 위치한 자기장 센서를 포함하는 것인 구조물 지지용 기초부.
  3. 제1항에 있어서, 상기 자기변형 하중 측정 센서는,
    적어도 하나의 고정 볼트에 연결되고, 그 길이가 적어도 하나의 고정 볼트의 길이 방향으로 연장되는 적어도 하나의 자기적으로 인코딩된 강철 로드; 및
    상기 적어도 하나의 자기적으로 인코딩된 강철 로드에 인접하게 위치한 자기장 센서
    를 포함하고, 상기 적어도 하나의 자기적으로 인코딩된 강철 로드는 적어도 하나의 인장 볼트의 제1 위치와 적어도 하나의 고정 볼트의 제2 위치에 고정적으로 연결되는 것인 구조물 지지용 기초부.
  4. 제3항에 있어서, 적어도 두 개의 자기적으로 인코딩된 강철 로드가 상기 적어도 하나의 고정 볼트의 각각에 대하여 마련되고, 적어도 하나의 자기장 센서가 적어도 두 개의 자기적으로 인코딩된 강철 로드의 각각에 인접하게 위치한 것인 구조물 지지용 기초부.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 기초부의 4개 측에서의 고정 볼트에 하중 측정 센서가 설비되고, 4개 측 중 두 개는 각각 서로에 대해 마주하고 있는 것인 구조물 지지용 기초부.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기초부 바디 내의 하중 측정 유닛을 움직이게 하기에 적합한 하중 측정 유닛용 하우징을 더 포함하는 것인 구조물 지지용 구조.
  7. 풍력 터빈으로서,
    제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 기초부; 및
    상기 기초부에 의해 지지되는 타워
    를 포함하는 것인 풍력 터빈.
  8. 풍력 터빈으로서,
    타워, 타워에 의해 지지된 나셀, 나셀에 연결된 허브, 허브에 연결된 적어도 하나의 로터 블레이드로 이루어진 군의 적어도 하나의 구조 성분으로서, 적어도 하나의 자기적으로 인코딩된 강철 로드는 적어도 하나의 구조 성분에 연결되며, 적어도 하나의 자기적으로 인코딩된 강철 로드는 적어도 하나의 구조 성분의 제1 위치 및 적어도 하나의 구조 성분의 제2 위치에 고정적으로 연결되는 것인 적어도 하나의 구조 성분; 및
    적어도 하나의 자기적으로 인코딩된 강철 로드에 인접하게 위치한 자기장 센서
    를 포함하는 것인 풍력 터빈.
  9. 제8항에 있어서,
    제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 기초부
    를 더 포함하는 것인 풍력 터빈.
  10. 기초부 고정 볼트 내의 인장 응력의 측정 방법으로서,
    상기 기초부 내에 자기변형 하중 센서를 매설하는 단계;
    외부 액세스용 플러그를 상기 자기변형 하중 센서의 신호 와이어링에 제공하는 단계;
    상기 플러그에 측정 전자장치를 연결하는 단계; 및
    상기 고정 볼트의 인장 응력을 측정하는 단계
    를 포함하는 것인 인장 응력의 측정 방법.
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