KR20100002727A - 풍력 발전 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 풍력 발전 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치는 전면의 외부 면에 메인 베어링이 설치되는 나셀 프레임, 나셀 프레임의 전방에 구비되어 회전하는 로터허브, 메인 베어링의 내 측면에 끼워 맞춤으로 부착되어 로터허브로부터 발생하는 회전 토크를 전달하는 컨넥트, 컨넥트의 후방에 연결되어 컨넥트로부터 전달된 회전 속도를 증대시키는 증속기, 증속기의 후방에 연결되어 회전토크를 전달받는 발전기를 포함한다. 본 발명에 따른 풍력 발전 장치에 의하면 허브와 증속기 사이에 컨넥트를 적용함으로써 증속기의 분해 과정을 단순화하여 증속기의 유지/보수를 용이하게 하고 증속기를 별도로 분해/조립할 수 있으며 전체구조가 단순화되어 소형화/경량화된 동력전달계를 구비하여 원가가 절감되는 효과가 있다.
프레임, 베어링, 로터허브, 컨넥트, 증속기, 토크
Description
본 발명은 풍력 발전 장치에 관한 것으로서, 특히 허브와 증속기 사이에 컨넥트를 적용함으로써 증속기의 분해 과정을 단순화하여 증속기의 유지/보수를 용이하게 하고 그 비용을 절감하며, 경량화된 증속기를 제공하는 풍력 발전 장치에 관한 것이다.
일반적으로 풍력 발전 장치는 자연의 바람으로 풍차를 돌리고 이 풍차의 회전력을 이용하여 발전기의 축을 돌려 발전하는 것이다.
보통 수평축 풍력 발전 장치에서 증속기를 사용하여 발전기로 회전 토크를 전달하는 동력 전달계는 크게 2가지로 나눌 수 있다.
도 1과 도 2는 종래의 풍력발전시스템의 구성도를 나타낸 것이다.
가장 일반적인 방법은 도 1과 같은 주축(14)을 갖는 시스템으로, 주축(14)을 통하여 로터시스템(11)에서의 동력이 나셀 프레임(17)에 부착된 증속기(15)로 전달된다. 상기 주축(14)은 2개의 베어링(13)에 의하여 지지되고 있으며 이 베어링(13) 은 나셀 프레임(17)에 고정되어 로터 시스템(11)으로부터 전달되는 하중을 지지하고, 회전토크를 증속기(15)로 전달해 주는 역할을 한다. 주축(14)을 통해 전달된 동력은 증속기(15)를 거치면서 회전 속도와 회전 토크가 최초 상태로부터 변경되어 증속기(15) 후단의 발전기(16)로 전달된다.
상기 기술된 동력 전달계를 가진 종래의 풍력 발전 장치의 경우, 증속기(15) 및 발전기(16)가 주축(14)과 별도로 분리되어 분해/조립될 수 있다. 하지만 로터 시스템(11)으로부터 전달되는 회전 토크 외에도 추력(바람방향 성분 힘), 모멘트 등이 전달되어 증속기(15) 파손의 원인으로 보고되고 있다. 이러한 문제를 해결하고자 상기 기술된 하중들에 대한 강성을 지녀야 하고, 이로 인해 증속기(15)가 점차 대형화되고 무거워 지는 문제점이 있다.
다른 방법으로 도 2의 경우와 같이 주축이 없는 로터 시스템의 허브(22) 후단과 증속기(25) 전단을 직접 연결하는 일체형 시스템이다. 본 시스템은 메인 베어링(23)을 포함하는 일체형 증속기(25)를 제작하고 상기 일체형 증속기(25)를 나셀 프레임(27)에 고정하는 방식이다. 이 경우 로터 시스템의 허브(22)와 증속기(25) 사이에서 1개의 베어링(23)을 사용하는 경우가 일반적이며, 하중 조건에 따라서 복열 테이퍼 롤러 베어링이나 3열 롤러 베어링 등이 사용된다.
상기 기술된 동력 전달계를 가진 종래의 풍력 발전 장치의 경우, 전자와는 달리 증속기(25)가 소형화/경량화될 수 있는 장점을 갖지만, 허브(22)와 증속기(25) 입력단 간의 연결부위가 복잡해지게 되고, 허브(22) 및 나셀 프레임(27)과의 체결 조건 등으로 인해 증속기(25) 자체의 분해/조립이 불가능해 지게 되는 단 점이 있다. 이러한 이유로 인해 증속기(25)의 유지/보수를 위한 분해/조립 시 풍력발전시스템 설치에 필요한 대형 크레인을 동원하여 로터 시스템 및 나셀 프레임(27) 전체를 풍력 발전 장치가 설치된 타워로부터 분리하여야 한다는 번거로움이 따른다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 허브와 증속기 사이에 컨넥트를 적용함으로써 증속기의 분해 과정을 단순화하여 증속기의 유지/보수를 용이하게 하고 증속기를 별도로 분해/조립할 수 있으며 전체구조가 단순화되어 소형화/경량화된 동력전달계가 구비된 풍력 발전 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 풍력 발전 장치는 전면의 외부 면에 메인 베어링이 설치되는 나셀 프레임; 상기 나셀 프레임의 전방에 구비되어 회전하는 로터허브; 상기 메인 베어링의 내 측면에 끼워 맞춤으로 부착되어 상기 로터허브로부터 발생하는 회전 토크를 전달하는 컨넥트; 상기 컨넥트의 후방에 연결되어 상기 컨넥트로부터 전달된 회전 속도를 증대시키는 증속기; 상기 증속기의 후방에 연결되어 회전토크를 전달받는 발전기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 컨넥트는 상기 나셀 프레임 내측에서 메인 베어링에 끼워 맞춤으로 부착되고 상기 증속기 커버와 연결된 제1컨넥트; 상기 나셀프레임 외측에서 메인 베어링에 끼워 맞춤으로 부착되고 상기 로터허브에 연결된 제2컨넥트;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 증속기 측면에 부착되어 상기 증속기 자체의 회전을 방지하도록 하는 반토크 장치를 더 포함하는 것이 좋다.
상기 반토크 장치는 합성수지 재질이거나 링크 구조, 또는 유압식으로 작동되는 것이 바람직하다.
또한 상기 컨넥트 내측에 형성된 삽입홈에 구비되어 상기 로터허브의 회전을 방지할 수 있는 회전방지부재를 더 포함하는 것이 좋다.
상기 증속기의 일면에는 상기 로터허브의 비상제동을 위한 브레이크부가 더 구비되는 것이 바람직하다.
상기 증속기는 차동기어를 이용하여 회전속도를 변환하도록 하는 것이 좋다.
상기 발전기는 영구자석형 동기 발전기 또는 이중 여자 유도 발전기인 것이 바람직하다.
상기 증속기의 출력축과 상기 발전기의 입력축 사이에 커플링이 더 구비된 것이 좋다.
상기 발전기의 하부에 구비되어 상기 발전기의 회전운동에 따른 진동을 흡수하는 방진 받침부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 나셀 프레임과 상기 지지 구조물 사이에 구비되어 발전기의 회전 운동에 따른 진동을 흡수하는 방진 장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 풍력 발전 장치에 의하면 허브와 증속기 사이에 컨넥트를 적용함으로써 증속기의 분해 과정을 단순화하여 증속기의 유지/보수를 용이하게 하고 증속기를 별도로 분해/조립할 수 있으며 전체구조가 단순화되어 소형화/경량화된 동력전달계를 구비하여 원가가 절감되는 효과가 있다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전 장치를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전 장치의 구성도이고, 도 4는 도 3의 풍력 발전 장치의 상세 측 단면도이다.
도 3과 도 4를 구체적으로 살펴보면, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치는 전면의 외부 면에 메인 베어링(140)이 설치되는 나셀 프레임(180), 나셀 프레임(180)의 전방에 구비되어 회전하는 로터허브(110), 메인 베어링(140)의 내 측면에 끼워 맞춤으로 부착되어 로터허브(110)로부터 발생하는 회전 토크를 전달하는 컨넥트(130,131), 컨넥트(130,131)의 후방에 연결되어 컨넥트(130,131)로부터 전달된 회전 속도를 증대시키는 증속기(150), 증속기(150)의 후방에 연결되어 회전토크를 전달받는 발전기(170)를 포함한다.
나셀 프레임(180)은 타워의 상부에 회전 가능하게 설치되면서 전방에 메인 베어링(140)이 장착되는 것으로, 전방에 설치된 로터허브(110)를 회전 가능하게 지지하는 역할을 한다.
로터허브(110)는 외측에 블레이드가 조립되는 것으로, 로터허브(110)에 조립 되는 블레이드가 바람에 의해 회전되면서 로터허브(110)가 회전됨과 동시에 증속기(150)에 회전력이 전달된다.
본 발명에서 컨넥트(130,131)는 증속기(150)와 로터허브(110)를 연결하는 구성부품을 의미한다.
컨넥트는 나셀 프레임(180) 내측에서 메인 베어링(140)에 끼워 맞춤으로 부착되고 증속기(150) 커버와 연결된 제1컨넥트(130)와 나셀 프레임(180) 외측에서 메인 베어링(140)에 끼워 맞춤으로 부착되고 로터허브(110)에 연결된 제2컨넥트(131)으로 구성된다. 제1컨넥트(130)와 제2컨넥트(131)는 로터허브(110)에서 발생한 회전토크를 증속기(150)에 전달하는 역할을 한다.
컨넥트(130,131)는 메인 베어링(140)에 적합한 하중을 가해주는 역할을 하게 되는데 이때 적용된 하중을 예압이라 한다. 상기 예압은 풍력 발전 장치의 설계시에 도출되는 하중으로서 메인 베어링(140) 자체의 피로수명은 물론 장치 전체 구조물의 피로 수명을 증가시키는 중요한 역할을 하게 된다. 컨넥트(130,131)는 메인 베어링(140)의 내측면에 접촉되어 회전하는 형태로 억지 끼워맞춤을 통해 조립되며, 볼트의 조임 강도 조절을 통해 예압량을 조절하게 된다.
증속기(150)는 입력된 회전 속도를 증대시킨 후에 외부로 전달하는 역할을 한다. 도 3과 도 4에 도시된 풍력 발전 장치는 컨넥트(130,131)의 회전에 따라 증속기(150)의 커버가 회전하고, 이에 의하여 증속기(150) 내부에서 회전 속도가 증가되며, 이를 증속기(150)의 일측에 형성된 출력축(153)으로 전달한다.
증속기(150)는 3단에 걸쳐 회전 속도를 변환시킬 수 있는 차동기어를 사용할 수 있고, 1단과 2단에 4~8개의 유성치차를 적용하여 원할한 하중 분배를 꾀하고 구조적으로 안정성을 갖추어 컴펙트한 유성치차를 포함한 3단 증속기를 사용할 수 있다.
이 경우 증속기(150)의 커버만이 회전하고, 증속기(150) 자체는 회전하지 않아야 하므로 이를 위하여 증속기(150) 측면에는 반토크 장치(155)가 구비될 수 있다.
반토크 장치(155)는 증속기(150) 자체에 걸리는 토크를 줄이기 위한 장치로서, 증속기(150) 커버의 회전력을 흡수할 수 있는 재질 및 구조가 필요하다.
이를 위하여 본 발명에서는 반토크 장치(155)에 합성수지 재질을 이용하여 충격을 흡수할 수 있으며, 링크 구조를 사용하여 증속기(150)의 변위가 변하더라도 반토크 장치(155)가 분리되지 않도록 할 수 있으며, 특히 유압식으로 작동시켜 반토크 장치(155)가 증속기(150)에 가능한 큰 외력에 의해 부착될 수 있도록 하였다.
전체 시스템에서 반토크 장치(155)는 로터허브(110)로부터 전달된 회전 토크가 증속기(150)를 거쳐 효과적으로 발전기(170)로 전달되도록 하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 풍력 발전 장치에 있어서 추가적으로 적절한 하중 분배를 위하여 별도의 입력축(미도시)을 갖도록 설계 변경하여 적용할 수 있다.
풍력 발전 장치의 작동 중 비상 시 로터허브(110)의 비상제동을 위하여 증속기(150)의 발전기(170) 방향 일면에는 브레이크부(165)가 더 구비될 수 있다. 브레이크부(165)는 급제동을 위한 장치로서 충격흡수를 위하여 합성수지 또는 마찰에 강한 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
발전기(170)는 전기를 생산하는 장치로서, 본 발명에서의 발전기(170)에는 증속기(150)에 구비된 출력축(153)과 연결되도록 입력축(163)이 구비되고, 입력축(163)은 출력축(153)의 회전과 동시에 회전하게 되어 입력축(163)이 설치된 발전기(170) 내부에서는 전기가 생산된다.
발전기(170)로는 영구 자석형 동기발전기 또는 이중여자 유도발전기를 사용할 수 있다.
증속기(150)의 출력축(153)과 발전기(170)의 입력축(163) 사이에는 회전력의 효과적인 전달을 위하여 커플링(160)이 더 구비될 수 있다.
도 4에서 살펴보면, 발전기(170)의 하측에는 발전기(170)의 진동을 흡수하도록 받침대(195)가 더 구비될 수 있고, 또한 발전기(170)가 로터허브(110), 증속기(150)와 수평으로 설치될 수 있도록 발전기(170) 하측에 지지구조물(190)이 설치될 수 있다. 상기의 받침대(195)는 발전기(170)의 회전운동에 따른 진동이 나셀 프레임(180)이나 타워로 전달되는 것을 방지하도록 하는 역할도 한다. 도 4에서의 받침대(195)는 발전기(170)의 하면에 설치되어 충격을 흡수한다.
도 5는 도 4의 풍력 발전 장치에 대하여 방진 받침부(185)를 추가한 상태를 나타낸 상세 측 단면도이고, 도 6은 도 4의 풍력 발전 장치에 대하여 지지구조물(190)을 변경한 상태를 나타낸 상세 측 단면도이며, 도 7은 도 4의 풍력 발전 장치에 대하여 방진장치(195)를 추가한 상태를 나타낸 상세 측 단면도이다.
도 5의 경우, 도 4의 풍력 발전 장치에 있어서 받침대(195)를 제거하고 발전기(170)와 지지구조물(190) 사이에 샌드위치형 평판 구조인 방진 받침부(185)를 구 비하여, 발전기(170)를 고정 부착시킬 수 있다.
도 6의 경우, 도 4의 풍력 발전 장치에 있어서 받침대(195)를 제거하고 지지 구조물(190) 자체를 샌드위치형 평판 구조로 설계하여 발전기(170)를 지지 구조물(190)에 부착시킬 수 있다.
도 7의 경우, 도 4의 풍력 발전 장치에 있어서 받침대(195)를 제거하고 지지 구조물(190)을 나셀 프레임(180)에 고정할 때 지지 구조물(190)과 나셀 프레임(180) 사이에 방진 장치(195)를 구비하여 발전기(170)를 지지 구조물(190)에 고정할 수 있다.
도 5 내지 도 7의 방진받침부(185), 지지구조물(190), 방진장치(195)는 풍력 발전 장치의 내부에서 발생하는 진동을 흡수하는 역할을 하므로 안전상 중요한 역할을 하게 된다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 풍력 발전 장치의 구성도이다. 도 8에 따른 풍력 발전 장치는 전면의 외부 면에 메인 베어링(240)이 설치되는 나셀 프레임(280), 나셀 프레임(280)의 전방에 구비되어 회전하는 로터허브(210), 메인 베어링(240)의 내 측면에 끼워 맞춤으로 부착되어 로터허브(210)로부터 발생하는 회전 토크를 전달하는 컨넥트(230,231), 컨넥트(230,231)의 후방에 연결되어 컨넥트(230,231)로부터 전달된 회전 속도를 증대시키는 증속기(250), 증속기(250)의 후방에 연결되어 회전토크를 전달받는 발전기(270)를 포함한다.
컨넥트는 나셀 프레임(280) 내측에서 메인 베어링(240)에 끼워 맞춤으로 부착되고 증속기(250) 커버와 연결된 제1컨넥트(230)와 나셀 프레임(280) 외측에서 메인 베어링(240)에 끼워 맞춤으로 부착되고 로터허브(210)에 연결된 제2컨넥트(231)으로 구성된다. 제1컨넥트(230)와 제2컨넥트(231)는 로터허브(210)에서 발생한 회전토크를 증속기(250)에 전달하는 역할을 한다.
도 8에 도시된 풍력 발전 장치의 제 1 컨넥트(230)의 내측에는 삽입홈(237)이 형성되어 있고, 로터허브(210)의 회전을 방지할 필요가 있는 경우 이를 제어하기 위하여 삽입홈(237)에 회전방지부재(235)를 설치할 수 있다.
구체적으로 도 4에서 도시된 풍력 발전 장치와 대비하여 볼 때, 도 8의 풍력 발전 장치는 로터허브(210)의 회전을 방지하기 위하여 증속기(250) 후방의 출력축(253)과 발전기(270) 전방의 입력축(263) 사이에 브레이크부(265)를 설치하게 되는데, 증속기(250)의 유지/보수를 위한 분해/조립 시에는 브레이크부(265)가 정상적으로 로터허브(210)의 회전을 막을 수 없게 된다. 그러므로 브레이크부(265) 이외에 별도의 로터허브(210)의 회전을 막기 위한 회전방지부재(235)가 필요하게 된다. 회전방지부재(235)를 이용할 경우 풍력 발전 장치의 동력 전달계의 모든 구성품의 독립적인 유지/보수시 로터허브(210)의 회전을 막을 수 있다.
또한, 더욱 큰 용량의 풍력 발전 장치를 제작할 경우 베어링 수급 등의 이유로 증속기(250) 커버를 회전하는 것이 불가능할 경우 제 2 컨넥트(231)의 후방에 추가적인 평판축(225)을 설치하고, 이를 이용하여 증속기(250)에 회전 토크를 전달해 주도록 할 수 있다.
상기에서 설명한 풍력 발전 장치는 주로 해상에서 설치, 운용되고 있으며 나셀 프레임 내부에서 유동하는 공기가 외부 공기와의 접촉이 없고 내부 공기가 폐회 로 상태에서 유동 냉각되도록 별도의 냉각장치(미도시)를 더 구비할 수도 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 풍력 발전 장치에 의하면 로터허브와 증속기 사이에 컨넥터를 구비하여 별도로 분해/조립을 가능하게 하고 이를 통해 제품의 내구성, 신뢰성 향상은 물론 유지/보수의 편의성을 높일 수 있다. 또한, 컨넥트를 이용하여 로터허브와 증속기를 직결하여 증속기의 입력단인 주축이 사라지게 되어 나셀 프레임 내부가 단순화되고 무게가 감소하게 되며 경량화된 증속기를 제공할 수 있다. 이로써 풍력 발전 장치의 생산 원가 절감 효과가 있음은 물론이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1은 종래의 풍력발전시스템의 구성도,
도 2는 종래의 다른 형태의 풍력발전시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전 장치의 구성도,
도 4는 도 3의 풍력 발전 장치의 상세 측 단면도,
도 5는 도 4의 풍력 발전 장치에 대하여 방진 받침부(185)를 추가한 상태를 나타낸 상세 측 단면도,
도 6은 도 4의 풍력 발전 장치에 대하여 지지구조물(190)을 변경한 상태를 나타낸 상세 측 단면도,
도 7은 도 4의 풍력 발전 장치에 대하여 방진장치(195)를 추가한 상태를 나타낸 상세 측 단면도 및,
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 풍력 발전 장치의 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110, 210 : 로터허브 130, 230 : 제1컨넥터
131, 231 : 제2컨넥터 140, 240 : 메인 베어링
150, 250 : 증속기 153, 253 : 출력축
160, 260 : 커플링 163, 263 : 입력축
170, 270 : 발전기 180, 280 : 나셀 프레임
190 : 지지구조물 195 : 받침대
225 : 평판축 235 : 회전방지부재
237 : 삽입홈
Claims (12)
- 전면의 외부 면에 메인 베어링이 설치되는 나셀 프레임;상기 나셀 프레임의 전방에 구비되어 회전하는 로터허브;상기 메인 베어링의 내 측면에 끼워 맞춤으로 부착되어 상기 로터허브로부터 발생하는 회전 토크를 전달하는 컨넥트;상기 컨넥트의 후방에 연결되어 상기 컨넥트로부터 전달된 회전 속도를 증대시키는 증속기;상기 증속기의 후방에 연결되어 회전토크를 전달받는 발전기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 컨넥트는상기 나셀 프레임 내측에서 메인 베어링에 끼워 맞춤으로 부착되고 상기 증속기 커버와 연결된 제1컨넥트;상기 나셀프레임 외측에서 메인 베어링에 끼워 맞춤으로 부착되고 상기 로터허브에 연결된 제2컨넥트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 증속기 측면에 부착되어 상기 증속기 자체의 회전을 방지하도록 하는 반토크 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
- 제 3 항에 있어서,상기 반토크 장치는 합성수지 재질인 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
- 제 3 항에 있어서,상기 반토크 장치는 링크 구조, 또는 유압식으로 작동되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 컨넥트 내측에 형성된 삽입홈에 구비되어 상기 로터허브의 회전을 정지시킬 수 있는 회전방지부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 증속기의 일면에는 상기 로터허브의 비상제동을 위한 브레이크부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 증속기는 차동기어를 이용하여 회전속도를 변환하도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 발전기는 영구자석형 동기 발전기 또는 이중 여자 유도 발전기인 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 증속기의 출력축과 상기 발전기의 입력축 사이에 커플링이 더 구비된 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 발전기의 하부에 구비되어 상기 발전기의 회전운동에 따른 진동을 흡수하는 방진 받침부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 나셀 프레임과 상기 지지 구조물 사이에 구비되어 발전기의 회전 운동에 따른 진동을 흡수하는 방진 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
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