KR20110139185A - 풍차의 반가요 가대 - Google Patents

Abstract

풍차의 허브 내에 배치되는 기기를 지지하는 가대는, 그 일단이 허브에 대해 고정되고, 다른 일단이 허브에 대해 유결합에 의해 결합된다. 풍차의 회전에 수반되는 허브의 변형 등의 허브와 가대 사이의 상대적인 변위는 유결합에 의해 흡수된다. 회전에 대해 내구성이 높은 허브 내부의 가대를 갖는 풍차가 제공된다.

Description

풍차의 제어 장치 및 제어 방법{DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING WIND TURBINE}

본 발명은, 풍차의 구조에 관한 것이다.

풍력 발전용 풍차가 이용되고 있다. 도 1 은, 풍차의 구성예를 나타낸다. 지반 상에 수직으로 타워 (2) 가 고정된다. 타워 (2) 상에 나셀 (3) 이 지지된다. 나셀 (3) 에 대해 수평 방향으로 허브 (5) 가 주축 (4) 을 개재하여 회전 가능하게 지지된다. 허브 (5) 는 커버 (6) 에 덮인다. 허브 (5) 에 날개 (7) 가 장착된다.

풍력 발전시, 날개 (7) 의 피치각은 효율적으로 풍력을 토크로 변환하도록 제어된다. 날개 (7) 가 바람을 받으면, 주축 (4) 이 회전한다. 그 회전은 증속기 (8) 에 의해 증속된다. 증속된 회전에 의해 발전기 (9) 가 전력을 생성한다.

허브의 구성에 관한 참고 기술로서 특허문헌 1 을 예시한다.

일본 공개특허공보 2008-128135호

허브 (5) 의 내부에는, 날개 (7) 의 피치 구동·제어용 기재 (機材) 등, 어느 정도 무거운 기재가 배치된다. 허브 (5) 는 대체로 수평 방향을 향하는 주축 (4) 을 중심으로 회전하기 때문에, 그들 기재를 탑재하는 가대 (架臺) 에는, 회전에 수반되는 반복 하중이 작용한다. 또, 허브 (5) 는, 이 회전이나, 날개에 작용하는 바람 하중에 의해 약간의 변형을 받는다. 허브 (5) 내의 가대는, 이러한 변형에 대한 내구성을 갖는 것이 요구된다. 특히, 최근의 풍차의 대형화에 수반하여, 이와 같은 변형의 영향을 받는 가대의 구성이 중요해질 것으로 생각된다. 허브 내에 배치된 기기를 지지하고, 회전에 대해 내구성이 높은 가대가 요구된다. 그러나, 단순히 가대를 강 (剛) 구조로 하면, 허브에 작용하는 하중을 지지 가능한 구조로 할 필요가 있어, 무겁고 커진다는 문제가 있다.

본 발명의 일 측면에 있어서, 풍차는, 허브에 장착된 날개에 의해 풍력을 토크로 변환한다. 풍차는, 허브 내에 배치되는 기기를 지지하는 가대와, 가대의 일단을 허브에 대해 고정시키는 고정부와, 가대의 다른 일단을 허브에 대해 유 (柔) 결합에 의해 결합하는 결합부를 구비한다.

본 발명의 다른 측면에 있어서, 결합부에 있어서, 가대는 허브에 대해 피봇 방향으로 유결합되어 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 결합부는, 허브의 벽면에 고정되고, 구멍을 갖는 플랜지와, 구멍의 내측에 고정된 구면 베어링을 구비한다. 가대는, 가대의 결합부측의 단부에 결합된 핀을 구비한다. 결합부는, 핀이 구면 베어링에 지지됨으로써 피봇 방향의 유결합을 형성한다.

본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 구멍은 관통공이다. 결합부에 있어서, 허브의 벽에 구멍이 형성된다. 플랜지는 허브의 외측으로부터 구멍을 덮도록 장착된다. 구조 빔의 결합부측의 단부는, 구멍의 내측에 배치된다.

본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 플랜지는, 허브 내측의 벽면에 고정된다. 플랜지는, 구조 빔의 결합부측의 단부를 둘러싸는 오목부를 갖는다.

본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 구조 빔과 플랜지 사이에 간극이 형성된다.

본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 구면 베어링은 래디얼 베어링이다. 결합부는, 핀이 구면 베어링의 트러스트 방향으로 슬라이딩함으로써 가대의 길이 방향의 유결합을 형성한다.

본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 결합부에 있어서, 가대는 허브에 대해 가대의 길이 방향으로 유결합되어 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 기기에는 허브에 장착되는 날개의 피치를 변화시키기 위한 유압 계통의 어큐뮬레이터 또는 풍차의 동작을 제어하기 위한 제어반이 포함된다.

본 발명에 의해, 허브 내에 배치된 기기를 지지하고, 회전에 대해 내구성이 높은 가대를 갖는 풍차가 제공된다.

본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 효과, 및 특징은, 첨부되는 도면과 연계시켜 실시형태의 기술로부터 보다 명확해진다.
도 1 은, 풍차의 구성을 나타낸다.
도 2 는, 허브를 측면으로부터 본 단면도이다.
도 3 은, 허브의 전면도이다.
도 4 는, 구조 빔의 지지 구조의 모식도이다.
도 5 는, 구조 빔의 지지 구조의 모식도이다.
도 6 은, 결합부의 상세를 나타낸다.
도 7a 는, 고정부의 상세를 나타낸다.
도 7b 는, 고정부의 상세를 나타낸다.
도 8 은, 결합부의 상세를 나타낸다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다. 본 실시형태에 있어서의 풍차는, 도 1 에 예시한 구성을 구비한다. 도 2 는, 그 풍차 (1) 의 허브 (5) 를 측면으로부터 본 단면도이다. 도 3 은 허브 (5) 를 전방, 즉 나셀 (3) 과 반대측에서 본 도면이다. 도 3 의 예에서는 허브 (5) 주위의 3 지점의 날개 뿌리 (17) 의 각각에 날개 (7) 가 장착된다.

허브 (5) 내에, 기기를 탑재하기 위한 가대인 구조 빔 (10) 이 설치된다. 구조 빔 (10) 으로는, 각강, I 형강, 알루미늄 합금제의 빔 등의 다양한 지지 구조를 채용할 수 있다. 본 실시형태에 있어서의 구조 빔 (10) 은 H 강이다. 도 2 의 예에서는 구조 빔 (10) 은 주축 (4) 과 대략 평행한 방향으로 연장되어 있다. 구조 빔 (10) 의 후부, 즉 나셀 (3) 에 가까운 측의 단부의 고정부 (12B) 는, 고정 부재 (11) 를 개재하여 허브 (5) 에 강결합된다. 구조 빔 (10) 의 전부 (前部), 즉 허브 (5) 의 선단에 가까운 측은, 결합부 (12A) 에 있어서 허브 (5) 에 유결합된다. 구조 빔 (10) 은, 어떠한 배치로 허브 (5) 의 내부에 배치되어 있어도 된다. 도 3 의 예에서는, 구조 빔 (10) 은, 허브 (5) 의 회전 중심을 중심으로 하여, 도시되지 않은 유압 피치 실린더와 교대로, 3 개가 주축과 대략 평행한 방향으로 배치된다. 이와 같은 구성에 의해 반가요적인 가대가 구성된다.

구조 빔 (10) 은, 다양한 기기를 지지할 수 있다. 예를 들어 풍차의 동작을 제어하기 위한 제어반이나, 피치를 전동으로 제어하는 풍차의 경우에는, 피치 제어나 각종 센서의 제어를 실시하는 PLC (Programmable Logic Controller) 나 배터리를 구조 빔 (10) 에 탑재하는 경우가 있다. 본 실시형태에 있어서는, 3 개의 구조 빔 (10) 의 각각에, 허브 (5) 에 장착되는 날개 (7) 의 피치를 변화시키기 위한 유압 계통의 어큐뮬레이터 (14) 가 각 날개 (7) 에 대응하여 설치된다.

도 4 는, 본 실시형태에서의 구조 빔 (10) 의 지지 구조의 모식도이다. 구조 빔 (10) 은, 그 일단이 고정부 (12B) 에 있어서 허브 (5) 에 대해 강결합되고, 타단이 결합부 (12A) 에 있어서 유결합된다. 이와 같은 구조에 의해, 풍차의 회전시에 허브 (5) 가 자중이나 풍압에 의해 변형된 경우, 그 변형이 유 (柔) 구조의 결합부 (12A) 에 의해 흡수된다. 그 때문에 허브 (5) 의 변형에 의해 구조 빔 (10) 에 가해지는 응력이 억제된다. 또 강결합에 의해 허브 (5) 의 변형의 영향을 받지 않을 만큼의 강도를 유지하는 강도 부재에 비해, 경량 구조에 의해 허브 (5) 내에 각종 기기를 유지할 수 있다.

도 1∼도 3 에서는, 업 윈드형 풍차에 있어서, 구조 빔 (10) 의 일단이 허브 (5) 의 후방 (풍하측) 에서 강결합되고, 타단이 허브 (5) 의 전방 (풍상측) 에서 유결합되는 예에 대해 설명했다. 그러나 도 4 에 나타낸 일단이 강결합, 타단이 유결합인 지지 구조는, 다른 구조의 풍차에 적용한 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어 업 윈드형 풍차에 있어서, 구조 빔 (10) 이 허브 (5) 의 전후 방향에 대해 경사 방향을 길이 방향으로 하여 배치되어 있는 경우에도, 구조 빔 (10) 의 일단과 타단이 각각 허브 (5) 에 강결합 및 유결합되어 있으면, 구조 빔 (10) 에 가해지는 응력을 억제할 수 있다. 또 다운 윈드형 풍차의 경우에도, 임의의 방향을 향해 배치된 구조 빔 (10) 에 관해서, 동일한 효과를 얻을 수 있다.

도 4 에 있어서는, 구조 빔 (10) 의 일방의 단부가 허브 (5) 에 대해 유결합되어 있는 것이 특징이고, 강결합측의 고정부 (12B) 는, 허브 (5) 에 대해 구조 빔 (10) 의 단부를 고정시키는 것이면, 다른 구조여도 된다. 도 5 는, 그러한 다른 구조의 예를 나타낸다. 허브 (5) 의 내부에 복수의 구조 빔 (10, 10-1) 이 배치된다. 구조 빔 (10-1) 의 일단이 고정부 (12D) 에 있어서 허브 (5) 에 고정되고, 타단이 고정부 (12E) 에 있어서 허브 (5) 에 고정된다. 이 구조 빔 (10-1) 의 양단 중간의 고정부 (12C) 에, 구조 빔 (10) 의 일단이 고정된다. 구조 빔 (10) 의 타단은 결합부 (12A) 에 있어서 허브 (5) 에 대해 유결합된다. 이와 같은 구조의 경우에도 구조 빔 (10) 에 가해지는 응력을 억제할 수 있다.

도 6 은, 결합부 (12A) 의 상세를 나타낸다. 결합부 (12A) 에 있어서, 허브 (5) 를 형성하는 벽 (27) 에 관통공이 형성된다. 관통공의 외측, 즉 허브 (5) 의 외측에, 관통공을 덮도록 플랜지 (13) 가 볼트 (18) 에 의해 벽 (27) 에 고정된다. 플랜지 (13) 는, 구조 빔 (10) 의 연장 방향과 대체로 동일한 중심축을 갖고, 허브 (5) 의 내부를 향해 개구되는 원형 구멍을 갖는다. 도 6 의 예에서는, 그 구멍은 허브 (5) 의 외부에도 개구되는 관통공인데, 반드시 관통하고 있지 않아도 된다. 그 관통공의 내벽에 구면 베어링 (24) 이 용접에 의해 고정된다.

본 실시형태에 있어서의 구조 빔 (10) 은 웹 (19) 과 플랜지 (20) 로 이루어지는 소위 H 자 강이다. 웹 (19) 에 홀더 (21) 를 개재하여 원주 형상의 핀 (22) 이 장착된다. 구조 빔 (10) 을 핀 (22) 을 개재하여 유구조의 지지 부재에 결합하는 핀 결합에 의해, 래디얼 방향으로는 강고정되고, 허브 (5) 의 변형 범위 내에서 모멘트는 프리, 액시얼 방향도 프리인 유결합의 결합부 (12A) 가 실현된다. 구조 빔 (10) 과 핀 (22) 은 길이 방향이 대략 동일하다. 핀 (22) 은, 길이 방향을 향하는 중심축을 중심으로 하여 구조 빔 (10) 에 대해 회전할 수 있도록 장착된다. 이 회전 가능성에 따라, 결합부 (12A) 가 보다 플렉시블해진다. 핀 (22) 의 전부측의 선단은 구조 빔 (10) 의 전부측의 선단보다 전부측으로 돌출된다.

구조 빔 (10) 의 선단은 벽 (27) 의 관통공 내부에 배치된다. 즉 구조 빔 (10) 의 선단은, 벽 (27) 의 내측 벽면이 형성하는 면을 관통공의 위치에 연장한 면 (28) 보다 플랜지 (13) 에 가까운 전부측에 위치한다. 구조 빔 (10) 의 선단과 플랜지 (13) 사이에는 간극 (25) 이 있다. 또한, 구조 빔 (10) 의 주위에는, 벽 (27) 의 관통공의 내벽면과의 사이에 간극 (26) 이 있다. 구조 빔 (10) 의 선단이 허브 (5) 벽면의 두께 내에 위치함으로써, 어떠한 불측의 사태에 의해 결합부 (12A) 에 강한 힘이 가해진 경우에도, 구조 빔 (10) 의 단부를 허브 (5) 의 관통공 내부에 유지할 수 있다.

핀 (22) 의 단부는 구면 베어링 (24) 에 삽입된다. 구면 베어링 (24) 은 래디얼 베어링이고, 핀 (22) 은 구면 베어링 (24) 의 트러스트 방향으로 슬라이딩 가능하다. 허브 (5) 의 변형에 의해 고정부 (12B) 와 결합부 (12A) 의 거리가 변화된 경우, 핀 (22) 은 구면 베어링 (24) 에 대해 슬라이딩한다. 이와 같은 동작에 의해, 구조 빔 (10) 에 가해지는 응력을 억제하는 것이 가능하다. 이와 같은 구성에 의해, 구조 빔 (10) 의 길이 방향으로 허브 (5) 와의 사이의 유결합이 실현된다.

각각의 구조 빔 (10) 이 단일의 핀 (22) 을 개재하여 구면 베어링 (24) 에 의해 지지되고, 또한 간극 (25, 26) 이 있음으로써, 구조 빔 (10) 은 구면 베어링 (24) 을 중심으로 하여 피봇하는 것이 가능하다. 이와 같은 구성에 의해, 구조 빔 (10) 의 피봇 방향으로 허브 (5) 와의 사이의 유결합이 실현된다. 이와 같이 핀 (22) 이 구면 베어링 (24) 에 의해 래디얼 방향으로 지지됨으로써 결합부 (12A) 의 유결합이 실현된다.

도 6 에 예시한 결합부 (12A) 대신에, 다른 구조에 의해 유결합을 실현하는 것도 가능하다. 예를 들어, 구면 베어링 (24) 대신에 고무 부시에 의해 핀 (22) 을 래디얼 방향으로만 지지함으로써, 구면 베어링 (24) 과 동일한 유구조를 실현할 수 있다.

도 7a 와 도 7b 는, 각각 고정부 (12B) 의 평면도와 측면도이다. 이 예에서는, 도 2 에 있어서의 고정 부재 (11) 는 H 강이다. 고정 부재 (11) 는 허브 (5) 에 대해 고정된다. 구조 빔 (10) 의 고정단 (고정부 (12B) 측의 단부) 은, 볼트·너트 (12B-1, 12B-2) 에 의해, 구조 빔 (10) 과 고정 부재 (11) 의 평면 형상이 겹치는 영역에 있어서 고정 부재 (11) 에 고정된다. 구조 빔 (10) 은 추가로 볼트·너트 (12B-3) 에 의해 보강 금구 (12B-4) 에 고정된다. 보강 금구 (12B-4) 는 볼트·너트 (12B-5) 에 의해 고정 부재 (11) 에 고정된다. 보강 금구 (12B-4) 에 의해, 구조 빔 (10) 과 고정 부재 (11) 는 그 평면 형상이 겹치는 영역보다 넓은 범위에서 서로 고정된다.

도 7a, 도 7b 에 예시한 바와 같이, 구조 빔 (10) 은 고정부 (12B) 에 있어서 어긋남이나 비틀림이 없도록 강결합된다. 일방에서 이와 같은 강결합을 실시하고, 타방에서 결합부 (12A) 에 있어서 유결합을 실시함으로써, 허브 (5) 내에 있어서 다양한 기기를 지지하는 강도 부재의 구조에 무리한 힘이 가해지지 않는다.

이와 같은 구성에 의해, 허브 (5) 가 회전하여 허브 (5) 및 그 내부의 구조물이 변형된 경우, 유결합에 의해 구조 빔 (10) 과 허브 (5) 사이의 상대적인 변위를 흡수할 수 있다. 그 때문에 비교적 경량인 구성에 의해, 허브 (5) 내에 배치된 기기를 지지하고, 회전에 대해 내구성이 높은 가대를 갖는 풍차를 실현할 수 있다.

도 8 은, 유결합의 결합부 (12a) 의 다른 예를 나타낸다. 이 예에서는, 도 6 에 나타낸 결합부 (12) 와 같이 허브 (5) 의 벽 (27) 에 관통공을 형성할 필요는 없다. 결합부 (12a) 는, 도 8 에 나타내는 플랜지 (31) 를 구비한다. 플랜지 (31) 는, 평판부 (29) 에 있어서 허브 (5) 의 벽 (27) 의 내측면에 고정된다. 플랜지 (31) 는, 평판부 (29) 에 대해 허브 (5) 의 내측 방향으로, 구조 빔 (10) 의 결합부 (12a) 측의 단부를 둘러싸는 오목부를 갖는다. 도 8 의 예에서는, 그 오목부는, 구조 빔 (10) 의 길이 방향을 중심축으로 하는 중공의 원통 부재 (30) 에 의해 형성된다. 구조 빔 (10) 의 선단은, 원통 부재 (30) 의 허브 (5) 의 내측 방향의 선단이 형성하는 면 (28a) 보다 플랜지 (31) 의 내측에 배치된다. 이와 같은 구성에 의해, 도 6 의 경우와 마찬가지로, 어떠한 불측의 사태에 의해 결합부 (12a) 에 강한 힘이 가해진 경우에도, 구조 빔 (10) 의 단부를 플랜지 (31) 의 내부에 유지할 수 있다.

평판부 (29) 에, 도 4 의 플랜지 (13) 와 마찬가지로, 구면 베어링 (24) 을 장착하기 위한 구멍 (32) 이 형성된다. 구면 베어링 (24) 에 지지되는 핀 (22) 의 허브 (5) 의 벽 (27) 측의 단부에는 간극 (33) 이 형성된다. 플랜지 (31) 의 원통 부재 (30) 의 내주면과 구조 빔 (10) 사이에 간극 (26a) 이 형성된다. 플랜지 (31) 의 평판부 (29) 와, 그것에 대향하는 구조 빔 (10) 의 단부 사이에 간극 (25a) 이 형성된다. 이들 간극에 의해, 구조 빔 (10) 이 구면 베어링 (24) 에 있어서 소정 범위에서 피봇 가능하고, 또한 길이 방향으로 슬라이딩 가능한 유결합이 실현된다.

이상, 실시형태를 참조하여 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태에 다양한 변경을 실시하는 것이 가능하다.

1 : 풍차
2 : 타워
3 : 나셀
4 : 주축
5 : 허브
6 : 커버
7 : 날개
8 : 증속기
9 : 발전기
10 : 구조 빔
11 : 고정 부재
12A : 결합부
12B : 고정부
13 : 플랜지
14 : 어큐뮬레이터
15 : 구조 빔
17 : 날개 뿌리
18 : 볼트
19 : 웹
20 : 플랜지
21 : 홀더
22 : 핀
24 : 구면 베어링
25, 25a : 간극
26, 26a : 간극
27 : 벽
28 : 허브 (5) 의 내측 방향의 선단이 형성하는 면
29 : 평판부
30 : 원통 부재
31 : 플랜지
32 : 구멍
33 : 간극

Claims (9)

1. 허브에 장착된 날개에 의해 풍력을 토크로 변환하는 풍차로서,
   상기 허브 내에 배치되는 기기를 지지하는 가대와,
   상기 가대의 일단을 상기 허브에 대해 고정시키는 고정부와,
   상기 가대의 다른 일단을 상기 허브에 대해 유결합에 의해 결합하는 결합부를 구비하는 풍차.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 결합부에 있어서, 상기 가대는 상기 허브에 대해 피봇 방향으로 유결합되어 있는 풍차.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 결합부는,
   상기 허브의 벽면에 고정되고, 구멍을 갖는 플랜지와,
   상기 구멍의 내측에 고정된 구면 베어링을 구비하고,
   상기 가대는, 상기 가대의 상기 결합부측의 단부에 결합된 핀을 구비하고,
   상기 결합부는, 상기 핀이 상기 구면 베어링에 지지됨으로써 상기 피봇 방향의 유결합을 형성하는 풍차.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 구멍은 관통공이고,
   상기 결합부에 있어서, 상기 허브의 벽에 구멍이 형성되고,
   상기 플랜지는 상기 허브의 외측으로부터 상기 구멍을 덮도록 장착되고,
   상기 구조 빔의 상기 결합부측의 단부는, 상기 구멍의 내측에 배치되는 풍차.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 플랜지는, 상기 허브 내측의 벽면에 고정되고,
   상기 플랜지는, 상기 구조 빔의 상기 결합부측의 단부를 둘러싸는 오목부를 갖는 풍차.
6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 구조 빔과 상기 플랜지 사이에 간극이 형성된 풍차.
7. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 구면 베어링은 래디얼 베어링이고,
   상기 결합부는, 상기 핀이 상기 구면 베어링의 트러스트 방향으로 슬라이딩함으로써 상기 가대의 길이 방향의 유결합을 형성하는 풍차.
8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 결합부에 있어서, 상기 가대는 상기 허브에 대해 상기 가대의 길이 방향으로 유결합되어 있는 풍차.
9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 기기에는 상기 허브에 장착되는 날개의 피치를 변화시키기 위한 유압 계통의 어큐뮬레이터 또는 상기 풍차의 동작을 제어하기 위한 제어반이 포함되는 풍차.

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