KR20110118096A

KR20110118096A - 틸트 조정 시스템

Info

Publication number: KR20110118096A
Application number: KR1020110037333A
Authority: KR
Inventors: 야콥 요하네스 니에스; 샨무가-프리얀 수브라마니안
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2011-10-28
Also published as: CA2737441C; AU2011201775B2; US8277184B2; EP2381100A2; DK2381100T3; JP2011226486A; US20110262272A1; EP2381100B1; CA2737441A1; EP2381100A3; CN102235296B; CN102235296A; AU2011201775A1

Abstract

회전 축을 중심으로 피봇팅될 수 있는 허브, 상기 허브에 연결된 제 1 베어링(170), 테이퍼형 어댑터(175); 및 상기 어댑터(175)에 의해서 제 1 베어링(170)에 연결된 제 2 베어링(180)을 포함하는 풍력 에너지 시스템(100)이 제공되고, 상기 허브의 회전 축의 틸트 각도가 조정될 수 있도록 상기 제 1 베어링(170)및 제 2 베어링(180), 및 어댑터(175)가 정렬된다. 또한, 풍력 에너지 시스템(100)의 작동을 위한 방법이 제공된다.

Description

틸트 조정 시스템{TILT ADJUSTMENT SYSTEM}

본원 발명은 풍력 에너지 시스템 및 풍력 에너지 시스템의 작동 방법에 관한 것이다. 특히, 본원 발명은 풍력 에너지 시스템을 위한 틸트 조정 시스템에 관한 것이다.

허브에 장착된 회전자 블레이드의 선단부들과 풍력 에너지 시스템의 타워 사이에서 필요한 고정 간극(required static clearance)을 생성하기 위해서, 풍력 에너지 시스템의 허브의 회전 축들은 종종 타워를 통한 축에 수직인 것과 관련한 틸트 각도를 가진다. 고정 간극은 특히 최대 예상 바람 조건에 따라 달라지고 그리고 회전자 블레이드의 재료 특성에 따라 달라진다. 간극은 회전자 블레이드와 타워 사이의 접촉을 피하기 위해서 요구된다. 그러나, 풍력 터빈의 허브의 회전 축의 이러한 양의(positive) 틸트 각도는 바람의 방향 및 회전자 블레이드 및 허브의 회전 축 사이의 오정렬을 초래한다. 따라서, 바람이 오정렬된 각도로 회전자 블레이드와 만나게 된다.

추가적으로, 회전자에 대한 바람의 유입유동(inflow) 방향은 일반적으로 수평선과 오정렬되고, 이는 업플로우(upflow)로 공지된 자연 현상이다. 틸트 각도와 대조적으로, 업플로우 각도, 또는 업플로우와 수평선 사이의 각도는 일반적으로 가변적이고, 이는 위치적인 조건과 바람의 조건에 따라서 달라진다. 그에 따라, 오정렬 각도는 틸트 각도와 업플로우 각도의 합이 될 것이다.

오정렬 각도는 바람 방향에 수직인 회전자 블레이드에 의해서 커버링되는 영역의 감소를 초래한다. 그에 따라, 에너지 수율이 회전자 평면에 대해서 완전히 수직인 유입유동의 경우에 비해서 감소될 것이다. 또한, 유입유동 오정렬은 일정하지 못한 로딩에 기여할 수 있고, 이는 풍력 에너지 시스템의 작동을 보다 복잡하게 만들 수 있다. 그에 따라, 특히 터빈의 최대 파워에 도달하지 않은 경우에 오정렬 각도를 감소시킬 수 있는 풍력 에너지 시스템이 요구된다 할 것이다.

전술한 내용으로부터, 풍력 에너지 시스템이 제공되며, 그러한 풍력 에너지 시스템은: 회전 축을 중심으로 피봇팅될 수 있는 허브; 상기 허브에 연결된 제 1 베어링; 테이퍼형 어댑터(tapered adapter); 및 상기 어댑터에 의해서 제 1 베어링에 연결된 제 2 베어링을 포함하고; 상기 허브의 회전 축의 틸트 각도가 조정될 수 있도록 상기 제 1 및 제 2 베어링과 어댑터가 정렬된다.

다른 측면에 따라서, 풍력 에너지 시스템은 선실(nacelle); 상기 선실에 연결된 상부 요잉 베어링(yaw bearing); 상기 상부 요잉 베어링에 연결된 테이퍼형 어댑터; 그리고 상기 어댑터를 지지하는 하부 베어링을 포함한다.

추가적인 측면에 따라서, 풍력 에너지 시스템을 위한 틸트 조정 시스템이 제공되며, 그러한 틸트 조정 시스템은 제 1 베어링; 테이퍼형 어댑터; 및 상기 어댑터에 의해서 제 1 베어링에 연결된 제 2 베어링을 포함하고; 풍력 에너지 시스템의 샤프트의 틸트 각도를 조정하도록 상기 제 1 및 제 2 베어링 그리고 어댑터가 정렬된다.

또 다른 측면에 따라서, 회전 축을 중심으로 피봇될 수 있는 허브, 상기 허브에 연결된 제 1 베어링, 제 2 베어링, 그리고 제 1 베어링과 제 2 베어링을 연결하는 테이퍼형 어댑터를 포함하는 풍력 에너지 시스템을 작동하는 방법이 제공되며; 상기 방법은 회전 축에 대한 설정 틸트 각도 결정하는 단계; 그리고 허브의 틸트 각도가 설정 틸트 각도에 대해서 조정되도록 제 1 베어링 및 제 2 베어링 중 하나 이상을 회전시키는 단계를 포함한다.

또 다른 측면에 따라서, 회전 축을 중심으로 피봇될 수 있고 선실에 연결된 허브를 포함하는 풍력 에너지 시스템을 작동하는 방법이 제공되며; 상기 방법은 회전 축에 대한 설정 틸트 각도 결정하는 단계; 그리고 상기 설정 틸트 각도에 따라서 상부 요잉 베어링을 회전시키는 단계를 포함하고, 상기 상부 요잉 베어링은 상기 선실을 지지하고 그리고 테이퍼형 어댑터의 상부에 장착된다.

본원 명세서에 기재된 실시예들과 조합될 수 있는 다른 측면들, 이점들, 상세 사항들, 및 특징들은 특허청구범위, 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 분명하게 이해될 수 있을 것이다.

이하에서는, 베스트 모드를 포함하는 본원 발명의 전체적인 기재 내용에 대해서 첨부 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 1은 본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 풍력 에너지 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 조정 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 풍력 에너지 시스템의 기하학적 형태를 도시한 도면이다.
도 4는 본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 틸트 조정 시스템을 도시한 도면이다.
도 5는 도 4와 비교한 것으로서 다른 위치에서 도 4에 따른 틸트 조정 시스템을 도시한 도면이다.
도 6은 본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 틸트 조정 시스템을 도시한 도면이다.
도 7은 도 6과 비교한 것으로서 다른 위치에서 도 6에 따른 틸트 조정 시스템을 도시한 도면이다.
도 8은 본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 틸트 조정 시스템을 도시한 도면이다.
도 9는 도 8과 비교한 것으로서 다른 위치에서 도 8에 따른 틸트 조정 시스템을 도시한 도면이다.
도 10은 본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 틸트 조정 시스템의 부분들을 도시한 도면이다.
도 11은 본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 방법을 도시한 도면이다.
도 12는 본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 풍력 에너지 시스템의 부분들을 도시한 도면이다.
도 13은 본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 추가적인 틸트 조정 시스템을 도시한 도면이다.

하나 또는 둘 이상의 예가 도면에 도시된 본원 발명의 여러 실시예들을 참조한다. 각각의 예는 본원 발명을 설명하기 위한 것이고, 본원 발명을 제한하는 것이 아니다. 예를 들어, 하나의 실시예의 일부로서 설명되거나 묘사된 특징들이 다른 실시예에서 또는 다른 실시예와 함게 조합되어 사용되어 또 다른 추가적인 실시예를 가능하게 할 수도 있을 것이다. 본원 발명은 그러한 변형 실시예들 및 변경 실시예들도 포함한다.

첨부 도면에 대한 이하의 설명에서, 동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 일반적으로, 개별적인 실시예들과 관련하여 차이점에 대해서만 설명한다. 첨부 도면들에 도시된 구조들은 실제 척도로 도시된 것이 아니고 실시예가 보다 잘 이해될 수 있도록 도시된 것이다.

도 1은 풍력 터빈으로도 지칭되는 풍력 에너지 시스템(100)을 도시한 도면이다. 풍력 에너지 시스템(100)은 타워(110)를 포함하고, 상기 타워의 상단부에는 기계 선실(120)이 장착된다. 3개의 회전자 블레이드(140)를 구비하는 허브(130)가 선실에 장착된다.

허브(130)는 기계 선실(120)의 측면 단부에 장착된다. 일반적으로, 허브는 풍력 에너지 시스템(100)의 기계 선실(120)의 내부에 위치된 발전기(도시하지 않음)에 연결될 것이다. 통상적으로, 허브는 실질적으로 수평인 축을 중심으로 회전될 수 있다. 허브의 회전 축의 틸트 각도를 조정하기 위한 틸트 조정 시스템을 제공하기 위해서 2개의 베어링 및 테이퍼형 어댑터가 정렬된 것이 도 1에는 도시되어 있지 않다.

본원 명세서에서 "틸트 각도"는 회전자 블레이드가 위치되는 회전 평면과 수직 방향 사이의 각도로서 이해될 수 있을 것이다. 회전자 평면은 회전자 블레이드의 실제의 3-차원적 구성체(arrangement)의 이상적인 2-차원적인 표상으로서 이해될 수 있을 것이다. 특히, 회전자 블레이드는 단일 평면 내에 반드시 정렬될 필요가 없고, 원뿔형 부피를 형성할 수도 있을 것이다. 이러한 경우에, 회전자 평면은 원뿔의 축방향 연장부 내에 위치된다.

통상적으로, 본원 명세서에서 "수평"이라는 용어와 관련하여 기재된 평면 또는 라인은 중력 중심(geocenter)을 통해서 연장하는 라인에 대해서 적어도 국부적으로 직교하는 라인 또는 평면으로서 이해될 수 있을 것이다. 예를 들어, 수평 평면은 중력의 방향에 직교한다. 수직 방향은 수평 방향에 대해서 실질적으로 직각이다.

도 2를 참조하여, 본원 명세서에 기재된 실시예들에 따른 틸트 조정 시스템을 설명한다.

도 2는 본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 풍력 에너지 시스템을 위한 틸트 조정 시스템을 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 틸트 조정 시스템은 하부 요잉 베어링(170)이라고도 지칭되는 제 1 베어링(170)을 포함한다. 또한, 틸트 조정 시스템은 상기 하부 요잉 베어링(170)의 상부에 정렬된 어댑터(175)를 포함한다. 어댑터의 상부에 제 2 베어링(180)이 정렬된다. 제 2 베어링(180)은 또한 상부 요잉 베어링(180)으로 지칭될 수 있을 것이다. 어댑터(175)는 2개의 경사진 표면을 가지도록 테이퍼링되며, 상기 2개의 경사진 표면 중 하나의 표면은 제 1 베어링(170)과 연결되고 그리고 제 2 표면은 제 2 베어링(180)과 연결된다.

제 1 및 하부 요잉 베어링에 대해서 약간 경사진 각도로 제 2 요잉 베어링를 부가함으로써, 바람 조건이 변화되는 동안에 틸트 각도가 조정될 수 있게 된다. 본원 명세서에 기재된 실시예에 따라, 2개의 베어링 사이에 위치된 어댑터가 제공되며, 2개의 베어링이 약간 경사진 각도로 정렬되도록 그러한 어댑터가 테이퍼링된다. 여기에서, "약간 경사진"이라는 용어 또는 "테이퍼형"이라는 용어는 0.1°내지 15.0°사이의 어댑터의 두 표면들 사이의 각도를 포함한다. 다른 실시예에 따라서, 최대 각도는 5.0°또는 10.0°가 된다. 실시예에 따라서, 최대 각도는 3.0°내지 8.0°이다. 본원 명세서에 기재된 추가적인 실시예에 따라, 2개의 베어링이 풍력 에너지 시스템의 샤프트와 선실 사이에 정렬된다. 본원 명세서에서 사용된 바와 같이, "연결된"이라는 용어는 부분들의 직접적인 연결 또는 임의의 간접적인 링크를 지칭한다(예를 들어, 와셔 등과 같은 부가적인 어댑터들 또는 다른 부분들). 직접적인 연결은 나사, 볼트, 또는 용접형 접합부를 포함할 수 있을 것이다.

본원 명세서에 기재된 통상적인 실시예는 둘 이상의 베어링 및 상기 베어링들 사이의 하나 이상의 테이퍼형 어댑터를 포함한다. 하나의 베어링에 의해서 연결된 2개의 테이퍼형 어댑터를 포함하는 실시예는 선실의 롤(roll) 각도를 일정하게 유지하면서 틸트 각도를 조정할 수 있는 가능성을 제공한다. 선실의 롤 각도는 수평 평면에 대한 각도로서 이해될 수 있을 것이다. 본원 명세서에 기재된 통상적인 실시예는 경사진 위치에서 장착된 베어링 또는 베어링들로 통합된 어댑터를 포함한다. 어댑터가 통합된 베어링은 또한 베어링 또는 어댑터로 둘러싸일 수 있다.

통상적인 실시예에서, 교호적으로(alternately) 배치된 3개의 요잉 베어링 및 2개의 테이퍼형 어댑터를 구비하는 구성을 이용하여 선실의 요잉 각도, 롤 각도, 및 틸트 각도를 조정할 수 있다. 어댑터들이 2개의 베어링 사이에 장착되고, 중간 베어링이 2개의 어댑터들 사이에 장착될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 도 2를 참조하여 이하에서 보다 구체적으로 설명되는 이들 실시예는 수평 방향으로 각도가 변화될 수 있게 허용한다. 보다 특히, 그들은 경사 각도가 0°와 2개의 테이퍼형 어댑터의 테이퍼링 각도의 합인 각도 사이에서 변화될 수 있게 허용한다.

선실(120)은 제 2 베어링(180)에 연결된다. 선실(120)에 장착된 허브(130)가 회전 축(190)을 중심으로 회전될 수 있다. 회전 축(190)의 틸트 각도가 조정될 수 있다. 사실상, 회전 축(190)의 틸트 각도는 제 1 베어링(170) 및 제 2 베어링(180)의 각도 위치(즉, 선실(120)에 대한 어댑터(175)의 상대적인 위치)에 따라서 달라진다.

본원 명세서에 기재된 실시예에서, 제 1 또는 하부 베어링이 풍력 에너지 시스템의 타워에 장착된다. 테이퍼형 어댑터가 제 1 베어링의 상부에 정렬되고, 그리고 제 2 베어링 또는 상부 요잉 베어링이 테이퍼형 어댑터의 상부에 정렬된다. 선실이 제 2 베어링에 장착된다. 선실에 장착된 허브의 회전 축의 틸트 각도는 제 2 베어링의 회전에 의해서 조정될 수 있다. 그러나, 제 2 베어링을 회전시킬 때, 틸트 각도 및 요잉 각도 모두가 변경된다는 것을 주지하여야 한다. 그에 따라, 제 1 베어링은 요잉 각도를 조정하기 위해서 제공된다. 제 1 베어링 및 제 2 베어링을 반대 방향으로 회전시킴으로써, 어댑터 만이 회전되는 곳에서, 틸트 각도만이 변화되는 동안에 요잉 각도가 일정하게 유지될 수 있을 것이다.

통상적으로, 본원 명세서에 기재된 실시예는 비교적 적은 비용으로 높은 레벨의 에너지 추출을 가능하게 한다. 보다 정확하게, 에너지 수율은 몇 퍼센트까지 상승될 수 있다. 특히 업플로우 조건하에서, 본원 명세서에 기재된 실시예는 보다 높은 풍력 에너지 수율을 나타낸다. 본원 명세서에 기재된 통상적인 실시예의 제 1 베어링 및 제 2 베어링 중 하나 이상이 슬라이딩 베어링으로서 정렬된다. 슬라이딩 베어링은 베어링 및 다른 부분에 대한 힘을 감소시키기 위한 한계치(threshold)를 제공한다. 베어링 내의 토크가 한계치를 초과하는 경우에, 베어링은 슬라이딩되기 시작하고 그에 따라 그 힘을 감소시킨다. 요잉 베어링들이 롤러 베어링, 슬라이딩 베어링, 또는 이들의 조합이 될 수 있을 것이다. 통상적인 실시예는 직접 구동형 발전기 또는 기어박스-셋업(gearbox-setup)을 이용한다.

통상적으로, 본원 명세서에서 "업플로우"라는 용어는 수평 평면에 대해서 위쪽으로 지향된 유동을 의미한다.

통상적인(typical) 실시예에서, 최대 틸트 각도가 공기 속도와 관련하여 선택된다. 공기 속도가 느릴 때(예를 들어, 약 0.1-10.0 m/s의 공기 속도에서), 보다 큰 음의(negative) 최대 틸트 각도가 허용되며, 공기 속도가 빠를 때(예를 들어, 약 20.0-25.0 m/s의, 약 30.0 m/s 이하의 공기 속도에서), 회전자 블레이드와 타워 사이의 보다 큰 간극을 제공하기 위해서 최대 틸트 각도가 감소된다. 느린 공기 속도와 빠른 공기 속도 사이의 범위에서(예를 들어, 10.0 m/s 내지 20.0 m/s의 범위에서), 전환 전략(transitional strategy)이 실시될 수 있을 것이다. 전환 전략의 예에서, 틸트 각도가 공기 속도의 실제 값뿐만 아니라 공기 속도의 히스토리(history)에도 의존할 것이다. 그에 따라, 이력-타입 제어(hysteresis-type control)가 전환 계획에 따라 실시된다. "음의 틸트 각도"라는 용어는 허브가 아래쪽을 향하는 틸트 각도를 지칭한다. 일반적으로, "최대 틸트 각도"라는 용어는 회전자 블레이드와 타워 사이의 최소 필요 고정 간극을 나타내는 작업 상태를 지칭한다. 이러한 최소 필요 고정 간극은 동적인 바람 로드(loads)로 인해서 바람 조건에 따라서 달라진다. 본원 명세서에 기재된 추가적인 실시예에 따라서, 최대 틸트 각도가 수평 각도에 대해서 특정 값, 예를 들어, 3°내지 12°, 통상적으로 4°내지 10°, 보다 통상적으로 5°내지 8°의 최대치로 설정된다.

도 3은 본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 풍력 에너지 시스템을 도시한다. 도 3은 풍력 에너지 시스템(100)의 기하학적 형태를 단순화하여 도시한 것이다. 또한, 공기 속도 표시부(200) 및 바람 방향 표시부(210)가 또한 도 3에 도시되어 있다. 통상적인 실시예에서, 이들 부분들은 공기 속도 값 또는 바람 방향 값을 제어부로 공급하기 위해서 사용되며, 상기 제어부는 베어링을 제어하고 그리고 틸트 각도 및 다른 각도, 예를 들어 요잉 각도를 조정한다.

통상적인 실시예는 선실에 직접 장착된 공기 속도 표시부 및 바람 방향 표시부를 포함한다. 추가적인 실시예는 부가적인 외부 공기 속도 표시부 또는 바람 방향 표시부를 포함한다. 이들 외부 표시부는 원격지(예를 들어, 풍력 에너지 시스템의 타워로부터 50 미터 또는 그 이상 멀리 떨어진 위치)에 정렬될 수 있다. 추가적인 실시예는 풍력 에너지 시스템의 타워에 장착된 표시부들을 포함한다. 통상적인 실시예는 공기 속도 및 바람 방향을 결정하기 위한 표시부들을 포함한다. 업플로우는 바람 방향 표시부로 측정될 수 있고 또는 풍력 에너지 시스템이 위치되는 곳에서의 통상적인 조건들로부터 계산될 수 있을 것이다. 통상적인 실시예에서 이용되는 추가적인 기술은 업플로우를 탐지하기 위해서 회전될 때 블레이드들에 작용하는 로드를 분석하는 것이다. 통상적인 실시예는 이러한 데이터를 이용하여 풍력 에너지 시스템의 수율을 개선하기 위한 최적의 틸트 각도 및 최적의 요잉 각도를 계산한다. 바람 방향 측정을 이용하여 가장 적절한 틸트 각도를 탐지할 수 있을 것이다.

도 3에서, 본원 명세서에 기재된 통상의 실시예의 몇 가지 각도를 도시하였다. 회전자 블레이드(140)가 허브의 중심 주위로 회전 평면으로부터 틸팅된다. 원뿔 각도(220)는 통상적으로 0.1°내지 13°, 보다 통상적으로 0.5 내지 12.0°, 그리고 그보다 더 통상적으로 1.5°내지 7.0°가 된다. 또한, 업플로우 각도(230)가 도 3에 도시되어 있다. 또한, 틸트 각도(240)가 도 3에 도시되어 있으며, 여기에서 업플로우 각도(230) 및 틸트 각도(240)의 합은 오정렬 각도(150)와 같다. 바람 방향이 도 3에서 화살표(260)으로 도시되어 있다는 것을 주지하여야 한다.

도 1에 도시된 실시예의 요잉 베어링(170 및 180)의 2개의 상이한 각도 위치가 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 도 4 및 도 5에서, 풍력 에너지 시스템의 허브가 장착되는 샤프트 및 선실을 도 4 및 도 5에서 생략하였는데, 이는 도 1에 도시된 풍력 에너지 시스템의 단면으로부터 그리고 도 2에 도시된 틸트 조정 시스템으로부터 확인할 수 있을 것이다.

도 4 및 도 5에서, 베드 플레이트(bed plate; 300)가 제 2 또는 상부 요잉 베어링(180)의 상부에 정렬된다. 또한, 하부의 제 1 베어링(170)을 위한 2개의 베어링 드라이브(310) 및 상부의 제 2 베어링(180)을 위한 2개의 상부 베어링 드라이브(320)가 도시되어 있다. 베어링 드라이브(310, 320)를 이용하여 베어링(170 및 180)의 각 위치를 조정한다. 베어링(170 및 180)의 위치를 조정함으로써, 틸트 조정 시스템의 틸트 각도(240) 및 요잉 각도(265)가 변경될 수 있다.

통상적인 실시예는 베어링 당 2개의 베어링 드라이브를 이용한다. 본원 명세서에 기재된 다른 타입의 실시예는 베어링 당 4개의 또는 단 하나의 베어링 드라이브를 이용한다. 베어링 드라이브가 보다 많으면 베어링의 보다 파워풀한 위치결정(positioning)이 제공될 수 있을 것이다. 보다 적은 베어링 드라이브 또는 단 하나의 베어링 드라이브는 에너지 소모가 적을 것이다. 본원 명세서에 기재된 실시예는 통상적으로 베드 플레이트를 이용한다. 본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 다른 풍력 에너지 시스템은 메인 프레임으로서 스페이스(space) 프레임 또는 다른 프레임을 이용한다.

도 6 내지 도 9는 본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 거위목(gooseneck)-타입의 풍력 에너지 시스템(100)을 도시한다. 거위목-타입의 풍력 에너지 시스템(100)은 거위목(400)을 포함하고, 그러한 거위목에는 제 1 베어링(170)이 장착된다.

도 6 및 도 7에 도시된 실시예에서, 어댑터(175)가 제 1 베어링(170)에 장착된다. 어댑터(175)는 발전기(420)가 장착되는 기어박스(410)를 지지한다. 기어박스(410)는 가요성 장착부(430)에 의해서 어댑터(175)의 벽에 부착된다. 또한, 제 2 베어링(180)이 어댑터(175)에 장착된다. 또한, 부가적인 베어링(440)이 어댑터(175)에 장착되고, 이때 제 2 베어링(180) 및 부가적인 베어링(440)은 샤프트(450)를 지지한다. 허브(130)가 샤프트(450)에 장착된다(도 6 및 도 7에는 도시되지 않음). 다시, 샤프트(450) 및 허브가 회전 축(190)을 중심으로 회전될 수 있다. 베어링(170 및 180)의 회전 축이 경사지도록, 어댑터(175)가 테이퍼링된다.

본원 명세서에 기재된 통상적인 실시예에서, 제 1 베어링이 거위목-타입의 선실에 장착되고, 테이퍼형 어댑터가 제 1 베어링에 장착된다. 어댑터의 벽들의 내측 측면 상에서, 기어박스가 단순한 가요성 장착부에 의해서 장착된다. 기어박스는 본원 명세서에 기재된 다른 실시예에서 스트럿(struts)에 의해서 장착된다. 스트럿 또는 가요성 장착부가 샤프트의 토크력을 받는다는 것을 주지하여야 할 것이다. 제 1 베어링을 회전시킴으로써, 가요성 장착부 상의 로드에 영향을 미치지 않고 샤프트의 틸트 각도가 조정될 수 있을 것이다. 제 2 베어링은 샤프트에 대한 메인 베어링으로서 사용된다. 통상적인 거위목-타입 실시예는 요잉 각도의 변경을 위해서 거위목 아래쪽의 요잉 베어링을 포함한다. 거위목-타입 실시예의 요잉 베어링은 제 1 및 제 2 베어링에 대해서 부가적인 것이다.

본원 명세서에 기재된 추가적인 실시예에 따라, 기어박스가 거위목에 장착되고, 가요성 조인트가 샤프트에 연결된다. 기어박스 입력 샤프트가 가요성 조인트에 연결된다. 그에 따라, 토크가 샤프트로부터 가요성 조인트로 그리고 그러한 가요성 조인트로부터 기어박스로 이송하기 위한 기어박스 입력 샤프트로 전달된다. 기어박스를 거위목에 장착함으로서, 제 1 베어링이 회전되는 경우에 기어박스는 회전되지 않는다. 그에 따라, 이러한 실시예는 오일 복귀 라인의 보다 용이한 취급을 제공하는데, 이는 오일 복귀 라인의 위치가 동일하게 유지되기 때문이다. 또한, 토크가 거위목으로 직접적으로 전달될 수 있고 그리고 제 1 베어링을 거쳐 전달될 필요가 없다.

도 7에서, 도 6의 풍력 에너지 시스템의 다른 위치가 도시되어 있으며, 여기에서 회전 축(190)이 초기 틸트 각도와 상이한 틸트 각도를 가지도록 제 1 베어링(170)이 약 180°회전된다. 추가적으로, 제 1 베어링(170)의 중간 위치를 이용하여 틸트 각도를 조정할 수 있을 것이다. 제 1 베어링(170)의 회전을 이용하여 틸트 각도를 실제 바람 유입유동 각도로 조정할 수 있으며, 상기 실제 바람 유입유동 각도는 시간에 걸쳐 일정하지 않을 것이다.

본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 다른 구성이 도 8 및 도 9에 도시되어 있다. 통상적으로, 기어박스가 조정가능한 지지부를 통해서 거위목에 장착되고; 조정가능한 지지부는 도 8에서 유압 실린더(470)이다. 도 8에 도시된 실시예의 제 1 베어링(170)를 회전시킬 때, 기어박스(410)의 수직 위치가 변화된다. 그러나, 기어박스(410)가 허브의 회전 축에 대한 각 위치를 유지하여야 하기 때문에, 유압 실린더(470)가 이러한 각 위치를 유지할 필요가 있다. 제 1 베어링(170)을 회전시킬 때, 기어박스(410)의 위치를 조정하도록 유압 실린더(470)가 작동되어야 할 것이다.

도 8에 도시된 실시예에서, 오일 복귀 라인(810)은 기어박스(410)의 아래쪽에서 유지된다. 또한, 베어링 마찰 토크만이 제 1 베어링(170)에 의해서 전달되어야 할 것이다. 제 1 베어링(170)에 의해서 전달되는 토크가 베어링 드라이브(도 6 내지 도 9에는 도시되지 않음)에 작용한다는 것을 주지하여야 한다. 그에 따라, 선택된 베어링과 관련하여 적은(low) 전달 토크가 바람직하다. 다시, 도 8 및 도 9는 제 1 베어링(170)의 서로 다른 위치를 도시하며, 그러한 서로 다른 위치는 회전 축(190)의 서로 다른 틸트 각도 및 기어박스(410)의 서로 다른 위치를 초래할 것이다.

본원 명세서에 기재된 통상적인 실시예에 따라서, 유압 실린더가 토크 아암으로서 사용된다. 본원 명세서에 기재된 추가적인 실시예에 따라서, 기어박스의 수직 위치를 변경하기 위해서 전기 모터들이 사용된다.

도 6 내지 도 9에 도시된 실시예와 관련하여, 틸트 축을 틸팅하기 위한 기구는 또한 틸트 축을 중심으로 한 약간의 각도 변위를 허용하는 가요성 조인트일 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 그러한 가요성 조인트는 유압식으로 또는 전기식으로 구동될 수 있을 것이다. 통상적인 실시예에서, 토크 아암은 링키지 타입이다. 유압 실린더가 양호하게 작동하고, 에너지 소모가 낮으며, 많은 공간을 차지하지 않는다.

도 10에서, 도 8 및 도 9의 토크 아암(470)이 단면으로 도시되어 있다. 또한, 기어박스(410)가 단면으로 도시되어 있다. 기어박스(410)가 2개의 토크 아암(470)에 장착된다. 토크 아암(470)들은 유압 실린더들이고, 그러한 유압 실린더들은 압력 균등화(equalizing) 라인(480)에 의해서 연결된다. 압력 균등화 라인(480)은 기어박스(410)의 제한된 회전을 허용한다. 이는 토크 아암(470)이 장착된 거위목(400)의 벽에 대한 힘을 감소시킨다.

본원 명세서에 기재된 통상적인 실시예에 따라서, 토크 아암은 압력 균등화 라인에 의해서 연결된 유압 실린더이다. 이러한 설정은 지지 벽에 대한 최대 힘의 감소를 제공한다. 본원 명세서에 기재된 추가적인 실시예에 따라서, 스프링이 토크 아암으로서 이용된다. 스프링들은 유지보수가 불필요하고 그리고 또한 최대 힘을 감소시킨다. 추가적인 통상의 거위목-타입 실시예에서, 제 2 베어링 및 기어 지지부의 적절한 배치로 인해서 지지부의 길이를 조정할 필요가 없게 될 수도 있다.

본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 이하의 통상적인 방법에 대해서 설명한다. 일반적으로, 공기 속도 표시부 및 바람 방향 표시부를 이용하여 설정 틸트 각도 및 설정 요잉 각도를 결정한다. 터빈 풍속측정(anemometry), 또는 다른 센서들의 조합이 실제 조건하에서 업플로우 각도를 결정하는 역할을 할 것이다. 설정 틸트 각도는 제어부의 이용에 의해서 측정된 공기 속도 값에 따라 계산된다. 그에 따라, 통상적인 위치(site) 조건을 고려하여 바람의 업플로우 각도를 산정할 수 있을 것이다. 위치 조건들이 테이블에 저장될 수 있고, 그러한 테이블은 여러 가지 바람 방향 및 여러 가지 공기 속도 값에 대한 여러 가지 업플로우 각도를 제공한다. 마지막으로, 계산된 설정 틸트 각도가 공기 속도에 따라서 계산된 최대 틸트 각도 보다 작은지의 여부를 결정하는 체크를 한다. 비교적 빠른 공기 속도(예를 들어, 20.0-25.0 m/s, 약 30.0 m/s 이하의 공기 속도)에서, 안전 규정으로 인해서 적은 틸트 각도 만이 존재하거나 틸트 각도가 전혀 없을 수 있다. 풍력 에너지 시스템의 타워와 회전자 블레이드 사이의 접촉은 반드시 피해야 한다. 그에 따라, 최대 틸트 각도는 공기 속도에 따라 달라진다. 추가적으로, 설정 요잉 각도를 결정하기 위해서 측정된 바람 방향 값(바람 방향 표시부에 의해서 측정됨)이 고려된다.

도 11은 바람 속도(V_wind)(121)에 따라 허용되는 틸트 각도 세타(θ)(본원 명세서에 기재된 다른 도면에서는 도면부호 '240'이다)를 도시한다. 허용되는 틸트 각도는 도 11에 도시된 곡선 (122)의 위쪽이다. 공기 속도가 빨라지면, 회전자 블레이드와 타워가 접촉하는 것을 방지하기 위해서, 틸트 각도가 커져야 하고 그리고 허브의 회전 축이 위쪽으로 지향되어야 한다. 여기에서, 틸트 각도와 관련된 "증대되는 것", "보다 빨라지는 것" 또는 다른 비교적인 표현들은 틸트 각도의 수치적인 감소 또는 수치적인 증가를 반드시 의미하는 것은 아니다. 예를 들어, 허브가 약간 위쪽을 향하는 위치로 틸트 각도를 변경하는 것은 또한 "틸트 각도 증대"라는 표현에 포함될 수 있을 것이다. 일 측면에서, 타워와 회전자 블레이드 사이의 충분한 간극이 제공된다.

설정 요잉 각도 및 설정 틸트 각도를 결정한 후에, 제어부가 제 1 및 제 2 베어링을 작동시켜 풍력 터빈의 작동을 위한 최적의 방향으로 선실을 위치시킨다. 이는, 제 1 베어링 및 제 2 베어링 중 하나 이상을 회전시킴으로써 이루어지며, 그에 따라 테이퍼형 어댑터가 정확한 각도 위치로 설정된다. 물론, 도 6 내지 도 9에 따른 부가적인 실시예가 또한 제어부를 이용하여 정위치될 수 있을 것이다. 그러나, 이러한 실시예들에서, 단순히 제 1 베어링을 회전시킴으로써 틸트 각도가 직접적으로(요잉 각도에 영향을 미치지 않고) 변경될 수 있을 것이다.

도 12는 본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 풍력 에너지 시스템의 틸트 조정 시스템을 도시한 도면이다. 도 12에 도시된 틸트 조정 시스템은 제 1 베어링 또는 하부 요잉 베어링(170)을 포함한다. 틸트 조정 시스템은 하부 요잉 베어링(170)의 상부에 정렬된 어댑터(175)를 더 포함한다. 어댑터(175)는 또한 제 1 테이퍼형 어댑터(175)로도 지칭된다. 중간 요잉 베어링(500)이 제 1 테이퍼형 어댑터(175)의 상부에 정렬되고 제 2 테이퍼형 어댑터(510)가 그 상부에 정렬된다. 제 2 테이퍼형 어댑터(510)의 상부에는 상부 요잉 베어링(180)이 정렬되고, 그에 따라 교대적인 순서의 베어링 및 테이퍼형 어댑터의 적층체가 제공된다.

순서대로 적층된 3개의 베어링 및 2개의 어댑터를 가지는 본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 풍력 에너지 시스템은 선실의 요잉 각도, 롤링 각도, 및 틸트 각도를 서로 독립적으로 조정할 수 있는 가능성을 제공한다. 추가적인 통상적 실시예는 서로에 대해서 경사진 베어링들의 조합을 포함하고, 이때 테이퍼형 어댑터가 베어링들 사이에 위치하여 틸트 각도를 조정할 수 있게 한다. 베어링 및 어댑터가 선실과 타워 사이에 또는 선실과 샤프트 사이에 정렬될 수 있다. 선실 아래쪽의 경사진 베어링과 샤프트를 지지하는 어댑터를 가지는 추가적인 수직 베어링의 조합 역시 가능하다.

본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 2개의 추가적인 구성이 도 13 및 도 14에 도시되어 있다. 양 실시예는 킹-핀(king-pin) 터빈의 일부이며, 회전자 및 구동 트레인의 일부가 킹-핀을 중심으로 회전된다. 통상적으로, 킹-핀은 두 부분들의 이동가능한 연결부이다. 통상적으로, 킹-핀은 풍력 에너지 시스템의 발전기가 장착될 수 있는 핀이다.

도 13에서, 본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 틸트 조정 시스템이 도시되어 있다. 도시된 실시예는 킹-핀(550)을 이용하며, 상기 킹-핀에는 중공 샤프트(450)가 제 2 베어링(180)에 의해서 장착된다. 도 13 및 도 14와 관련하여, "샤프트"라는 문구는 중공형인 드라이브샤프트(driveshaft)를 의미하기 위해서 사용된 것이다. 샤프트(450) 및 허브(130)는 킹-핀(550)의 길이방향 축과 평행한 회전 축(190)을 중심으로 회전한다. 또한, 테이퍼형 어댑터(175)가 킹-핀(550)과 일체로 형성되고, 상기 테이퍼형 어댑터(175)는 일체로 형성된 킹-핀(550)과 함께 수평 축을 중심으로 회전될 수 있다. 테이퍼형 어댑터(175)는 또한 킹-핀(550)과 일체인 경사진 어댑터로 지칭되기도 한다. 경사진 액슬(axle)이 일체형의 테이퍼형 어댑터(175)와 함께 킹-핀(550)에 의해서 형성된다. 도 13 및 도 14에서, 경사진 액슬이 회전 축(190)으로 도시되어 있다. 액슬의 축은 활성(active) 틸트 베어링 즉, 제 1 베어링(170)에 비-직교형이 된다. 수평 축을 중심으로 테이퍼형 어댑터(175) 및 일체형으로 형성된 킹-핀을 회전시키기 위해서, 제 1 베어링(170)이 이용된다. 일체형으로 형성된 테이퍼형 어댑터(175) 및 킹-핀(550)의 테이퍼형 형태로 인해서, 허브(130)의 회전 축(190)이 제 1 베어링(170)의 회전에 의해서 틸팅된다. 그에 따라, 도 13에 도시된 실시예에서, 제 1 베어링은 틸트 베어링으로 구성될 수 있다. 제 2 베어링(180)은 샤프트 베어링으로 지칭될 수 있다. 도 13에 도시된 실시예가 샤프트(450)로부터 원격 발전기로 전력을 전달하기 위한 펌프(560)를 구비한 유체정력학적(hydrostatic) 드라이브를 이용한다.

도 14에서, 본원 명세서에 기재된 실시예에 따른 다른 틸트 조정 시스템이 도시되어 있다. 도시된 실시예는 킹-핀(550)을 이용하고, 상기 킹-핀상에는 제 2 베어링(180)에 의해서 중공 샤프트(450)가 장착된다. 그에 따라, 도 14에 도시된 실시예는 도 13에 도시된 것과 유사하다. 그러나, 도 14에 도시된 실시예는 다이렉트 드라이브 발전기와 함께 이용하기 위해서 구성된다. 회전자는 샤프트(450)에 장착될 수 있고, 고정자는 샤프트(450)에 대해서 동심적으로 위치될 것이다.

본원 명세서에 기재된 실시예에 따라서, 풍력 에너지 시스템 및 킹-핀 구성을 가지는 조정 시스템을 이용하여 콤팩트한 풍력 에너지 시스템을 건설할 수 있을 것이다. 유체정력학적 드라이브 또는 다이렉트 드라이브가 콤팩트한 시스템을 제공한다. 거위목-타입 구성을 이용하여 타워와 블레이드 사이의 간극을 보강할 수 있고, 그에 따라 틸트 각도를 선택하는데 있어서 보다 융통성(flexibility)을 가질 수 있을 것이다. 틸트 각도는 본원 명세서에 기재된 여러 실시예들과 함께 변경될 수 있을 것이다. 통상적인 전력 전송은 유체정역학적, 유체역학적(hydrodynamic), 기어박스, 또는 다이렉트 드라이브를 이용하며, 다른 드라이브 시스템들이 본원 명세서에 기재된 실시예와 조합될 수 있을 것이다.

본원 명세서의 기재 내용은 본원 발명을 설명하기 위한 예로서 최적 모드를 포함한 예를 설명한 것이고, 그리고 소위 당업자가 기재된 장치 또는 시스템 및 방법을 제조 및 이용하는 것을 포함하여 본원 발명을 실시할 수 있도록 설명한 것이다. 구체적인 여러 실시예들과 관련하여 본원 발명을 설명하였지만, 당업자는 특허청구범위의 사상 및 범위 내에서도 변형될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 특히, 전술한 실시예들의 상호 비-배타적인 특징들이 서로 조합될 수 있을 것이다. 본원 발명의 특허가능한 범위가 특허청구범위에 의해서 규정될 것이고, 당업자들에게 자명한 다른 예들도 포함할 것이다. 특허청구범위의 문헌적 언어와 상이하지 않은 구성 요소들을 가지는, 또는 특허청구범위의 문헌적 언어와 약간 다른 균등한 구성 요소들을 가지는 실시예들도 본원의 특허청구범위 내에 포함될 것이다.

100; 풍력 에너지 시스템
110; 타워
120; 선실
121; 바람 속도(V_wind)
122; 곡선
130; 허브
170; 제 1 베어링
175; 어댑터
180; 제 2 베어링
190; 회전 축
200; 공기 속도 표시부
210; 바람 방향 표시부
220; 원뿔 각도
230; 업플로우 각도
240; 틸트 각도
250; 오정렬 각도
260; 바람 방향
265; 요잉 각도
300; 베드 플레이트
310; 하부 베어링 드라이브
320; 상부 베어링 드라이브
400; 거위목
410; 기어박스
420; 발전기
430; 가요성 장착부
440; 부가적인 베어링
450; 샤프트
470; 토크 아암
480; 압력 균등화 라인
500; 중간 요잉 베어링
510; 제 2 테이퍼형 어댑터
550; 킹-핀
560; 펌프

Claims

풍력 에너지 시스템(100)으로서:
a) 회전 축(190)을 중심으로 피봇팅될 수 있는 허브(130);
b) 상기 허브(130)에 연결된 제 1 베어링(170);
c) 테이퍼형 표면을 포함하는 어댑터(175); 및
d) 상기 어댑터(175)에 의해서 상기 제 1 베어링(170)에 연결된 제 2 베어링(180)을 포함하고;
상기 허브(130)의 회전 축(190)의 틸트 각도가 조정될 수 있도록 상기 제 1 베어링(170), 상기 제 2 베어링(180), 및 상기 어댑터(175)가 정렬되는
풍력 에너지 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 베어링(170)이 상기 풍력 에너지 시스템(100)의 타워(100)에 장착된 하부 요잉 베어링이고, 그리고 상기 어댑터(175)가 상기 하부 요잉 베어링의 상부에 정렬되는
풍력 에너지 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 베어링(170)이 실질적으로 수평인 축을 중심으로 회전될 수 있고, 그리고 상기 어댑터(175)가 상기 제 1 베어링(170)에 장착되는
풍력 에너지 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 허브(130)에 연결된 샤프트(450)를 더 포함하고,
상기 샤프트(450)가 상기 허브의 회전 축(190)을 중심으로 회전될 수 있으며, 그리고 상기 샤프트(450)가 상기 제 2 베어링(180)에 의해서 지지되는
풍력 에너지 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 샤프트(450)에 연결되고 상기 어댑터(175)에 의해서 지지되는 기어박스(410)를 더 포함하는
풍력 에너지 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 베어링(170)이 장착되는 거위목(400); 및
상기 샤프트(450)에 일 단부가 연결되고 상기 거위목(400)에 제 2 단부가 연결된 기어박스(410)를 더 포함하는
풍력 에너지 시스템.
제 4 항에 있어서,
기어박스 입력 샤프트; 및
상기 샤프트(450)와 상기 기어박스 입력 샤프트 사이에서 토크를 전달하도록 구성된 가요성 조인트를 더 포함하는
풍력 에너지 시스템.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
제어부에 연결된 공기 속도 표시부를 더 포함하고,
공기 속도 값이 상기 공기 표시부로부터 상기 제어부로 전달되고, 상기 제어부가 베어링 드라이브에 연결되고 그리고 상기 공기 속도 값에 따라서 틸트 각도를 조정하도록 프로그램되는
풍력 에너지 시스템.
회전 축(190)을 중심으로 피봇될 수 있는 허브(130), 상기 허브(130)에 연결된 제 1 베어링(170), 제 2 베어링(180), 그리고 제 1 베어링(170)과 제 2 베어링(180)을 연결하는 테이퍼형 어댑터(175)를 포함하는 풍력 에너지 시스템(100)을 작동하는 방법으로서;
a) 회전 축(190)에 대한 설정 틸트 각도 결정하는 단계; 그리고
b) 허브(130)의 틸트 각도가 설정 틸트 각도로 조정되도록 제 1 베어링(170) 및 제 2 베어링(180) 중 하나 이상을 회전시키는 단계를 포함하는
풍력 에너지 시스템 작동 방법.
제 9 항에 있어서,
바람 틸트 각도 값을 결정하는 단계; 그리고
상기 바람 틸트 각도 값에 따라서 상기 회전 축(190)에 대한 설정 틸트 각도를 계산하는 단계를 더 포함하는
풍력 에너지 시스템 작동 방법.