KR20130054949A

KR20130054949A - 윈드 터빈

Info

Publication number: KR20130054949A
Application number: KR1020127027726A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 카스텔 마르티네즈
Original assignee: 알스톰 윈드, 에스.엘.유.
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2013-05-27
Also published as: WO2011120720A1; US20120146337A1; DK2372150T3; CN102834612A; EP2372150B1; EP2372150A1; ES2451000T3

Abstract

본 발명은 하나 이상의 블레이드를 싣고 있는 허브, 제너레이터, 및 제 1 결합을 통해 허브에 작동적으로 결합되는 샤프트를 포함하는 윈드 터빈에 관한 것이고, 작동에서, 제너레이터의 로터는 샤프트에 의해 직접적으로 구동되고, 허브는 프레임 상에 회전가능하게 장착되며, 샤프트는 언급된 프레임에서 적어도 부분적으로 내부에 장착되며, 샤프트와 허브 사이의 결합은 허브의 회전 축 주위의 토크를 언급된 허브로부터 언급된 샤프트로 전달하는 한편, 다른 하중의 전달을 실질적으로 제한하도록 적응되고, 제너레이터는 샤프트의 회전 축 주위의 토크가 샤프트로부터 제너레이터의 로터로 전달되는 한편, 샤프트로부터 제너레이터로의 다른 하중의 전달을 실질적으로 제한하는 방식으로 배열된다.

Description

윈드 터빈{WIND TURBINE}

본 발명은 윈드 터빈에 관한 것이다.

현대의 윈드 터빈은 전기 그리드에 전기를 공급하도록 흔히 사용된다. 이러한 종류의 윈드 터빈은 로터 허브를 갖는 로터 및 복수의 블레이드를 일반적으로 포함한다. 로터는 블레이드 상의 윈드의 영향 하에서 회전으로 설정된다. 로터 샤프트의 회전은 제너레이터 로터("직접적으로 구동됨")를 직접적으로 구동하거나 또는 기어박스의 사용을 통해 구동한다.

기어박스는 윈드 터빈의 가장 유지-집약적인 컴포넌트 중 하나를 형성한다. 그들은 정기적으로 점검될 필요가 있고 항상 그들의 기대되는 사용 기간을 충족시키지 못하고; 기어박스 또는 그것의 부분의 일부는 때때로 이르게 교체될 필요가 있다. 이것은 기어 박스가 영향받는 높은 하중 및 변동(fluctuating) 하중 때문이다. 특히, 로터 샤프트를 통해 기어박스에 전달될 수 있는 블레이드 상의 굽힘(bending) 하중은 손상을 준다.

직접 구동 윈드 터빈은 기어박스와 관련된 문제를 겪지 않는다. 그러나, 어떠한 속도 증가도 없기 때문에, 제너레이터 샤프트는 매우 느리게 회전한다. 결과적으로, 크고 값비싼 제너레이터가 효과적인 방식으로 전기를 발생시킬 수 있도록 일반적으로 요구된다. 부가적으로, 굽힘 하중 및 움직임(및 대응하는 변형)이 로터 샤프트를 통해 제너레이터에 전달될 때, 제너레이터 로터와 제너레이터 스테이터 사이에 일정한 에어 갭을 유지하는 것이 가능하지 않을 수 있다. 게다가, 높은 굽힘 하중은 심지어 제너레이터의 부분, 예를 들어, 그것의 베어링에 구조적 손상을 야기할 수도 있다. 그러한 제너레이터 부분의 교체 또는 수리는 제너레이터의 크기 및 관련된 비용으로 인해 매우 값비쌀 수 있다.

또한 로터 샤프트가 부족하고 허브 또는 그것의 블레이드와 제너레이터의 로터 사이에 직접 결합을 갖는(예를 들어, DE 10255745로부터 공지됨), 더 집적화된 직접 구동 윈드 터빈 설계의 경우에, 굽힘 모멘트(moments) 및 변형은 허브로부터 로터 및/또는 스테이터로 직접적으로 전달되고, 에어 갭 변화를 최소화하는 것이 더 어려워진다.

연안의 어플리케이션(근해 및 먼 해안 모두)에서, 유지 비용은 윈드 터빈의 작동 비용의 중요한 부분을 형성한다. 그러므로, 이들 종류의 어플리케이션에서, 직접 구동 구성은 기어박스와 관련된 유지 비용을 피하기 위해서 종종 선택된다. 그러나, 이것은 굽힘 하중의 전달, 제너레이터로의 연관된 변형, 및 제너레이터 에어 갭에서의 변화와 관련해 앞서 언급된 문제를 해결하지 못한다.

굽힘 하중의 전달 및 블레이드와 허브로부터 제너레이터로의 변형의 야기는 윈드 터빈 구성에 달려있다. 대개의 종래의 윈드 터빈에서, 로터 허브는 로터 샤프트의 단부 상에 장착된다. 로터 샤프트는 윈드 터빈 타워의 탑 상의 나셀 내의 지지 구조에서 회전가능하게 장착된다. 따라서 로터는 토크를 전달하는 돌출형(overhanging) 구조를 형성하나, 블레이드 상의 하중 및 허브와 블레이드의 중량으로 인한 주기적인 굽힘 하중을 추가적으로 전달한다. 이들 굽힘 하중은 제너레이터에 전달되어(직접 구동 터빈의 경우에) 에어 갭 변화를 야기한다.

이러한 문제를 해결하기 위해서, 전방으로 연장하는 프레임을 갖는 윈드 터빈 타워를 제공하는 것이 예를 들어, ES 2 163 362로부터 공지된다. 복수의 블레이드를 갖는 로터 허브가 언급된 프레임 위에 장착되고 회전할 수 있으며; 로터 허브는 언급된 프레임 내에 위치된 로터 샤프트에 결합된다. 그러한 윈드 터빈이 도 1에 도식적으로 나타난다. 도 1에서, 윈드 터빈(100)은 언급된 프레임의 말단부에서 프레임(170) 위에 회전가능하게 장착되는 허브(110)를 포함한다. 프레임(170)은 타워(180) 위에 장착된다. 결합 엘리먼트(120)는 로터 샤프트(130)를 허브(110)에 결합시킨다. 로터 샤프트(130)의 회전이 제너레이터(160)를 구동하는 출력 샤프트(150)의 제 1 회전으로 기어박스(140)로 변환된다.

프레임 상에 장착된 허브를 포함하는 이러한 종류의 구성으로, 허브 및 블레이드의 중량으로 인한 하중이 프레임을 통해 타워로 더 직접적으로 전달되는 한편, 로터 샤프트는 기어박스(및/또는 제너레이터)에 토크를 주로 전달하고, 따라서 구동 트레인에서 원치않는 변형을 실질적으로 피한다. 이것은 다른 선행 기술 윈드 터빈에 대한 주요한 개선을 나타내지만, 블레이드로부터 로터 샤프트로의(그리고 로터 샤프트를 통한 기어박스로의) 굽힘 하중의 전달은 완전히 회피될 수 없다.

따라서 굽힘 하중의 전달 및 로터 허브로부터 제너레이터로의 움직임이 실질적으로 감소될 수 있는, 직접 구동 윈드 터빈에 대한 요구가 여전히 존재한다. 이러한 요구를 충족시키는 것이 본 발명의 목적이다.

제 1 측면에서, 본 발명은 하나 이상의 블레이드를 싣고 있는 허브, 제너레이터, 및 제 1 결합을 통해 허브와 작동적으로 결합되는 샤프트를 포함하는 윈드 터빈을 제공하고, 작동에서, 제너레이터의 로터는 샤프트에 의해 직접적으로 구동되고, 허브는 프레임 상에 회전가능하게 장착되며, 샤프트는 언급된 프레임의 적어도 부분적으로 내부에 제공되고, 샤프트와 허브 사이의 결합은 허브의 회전 축 주위의 토크를 언급된 허브로부터 언급된 샤프트로 전달하도록 적응되는 한편, 다른 하중의 전달을 실질적으로 제한하고, 제너레이터는 샤프트의 회전 축 주위의 토크가 샤프트로부터 제너레이터의 로터로 전달되는 한편, 샤프트로부터 제너레이터로의 다른 하중의 전달을 실질적으로 제한하는 방식으로 배열된다.

본 발명의 이러한 측면에서, 샤프트와 허브 사이의 결합은 허브의 회전 축 주위의 토크를 언급된 허브로부터 언급된 샤프트로 전달하는 한편, 다른 하중(예, 굽힘 모멘트, 횡방향 및 축방향 하중)의 전달을 제한하도록 적응된다. 결합은 이들 다른 하중의 전달을 완벽하게 피할 수 없다는 것이 이해되어야만 한다. 그러나, 결합은 이들 다른 하중에 대해서 상대적으로 플렉시블할 수 있고, 그래서 그들은 다른 하중 경로를 통해(특히 프레임을 통해) 전달된다. 또한 제너레이터의 배열이 동일한 방식으로 이해되어야만 한다: 다른 하중의 전달(굽힘 모멘트, 횡방향 및 축방향 하중)이 완벽하게 회피될 수 없음에도, 그들의 전달은 실질적으로 제한될 것이다.

이러한 구성으로, 허브가 불가피하게 영향받는 잠재적으로 손상을 주는 굽힘 하중 및 변형이 제너레이터에서 회피될 수 있다. 샤프트를 통한 허브와 제너레이터 사이의 연결은 비틀림에 대해서 상대적으로 스티프(stiff)하지만, 굽힘 하중 및 움직임에 대해는 플렉시블하다. 그로써 이들 하중은 허브로부터 프레임으로 타워까지 직접적으로 전달된다.

일부 실시예에서, 샤프트는 비-강성(non-rigid) 제 2 결합을 통해 제너레이터 로터에 연결되고, 언급된 제 2 결합은 샤프트의 회전 축 주위의 토크를 샤프트로부터 제너레이터로 전달하는 한편, 다른 하중의 전달을 실질적으로 제한하도록 적응된다. 선택적으로, 언급된 제 2 결합은 원형 스플라인을 포함한다. 또 다른 옵션은 제 2 결합이 복수의 스포크가 실질적으로 방사상으로 연장하는 중심 피스를 포함하는 것이고, 언급된 중심 피스는 언급된 샤프트 상에 장착되며, 플렉시블한 엘리먼트가 스포크를 제너레이터 로터에 연결하도록 배열된다. 여전히 또 다른 옵션은 언급된 제 2 결합이 언급된 샤프트 상에 장착되는 중심 피스를 포함하는 것이고, 언급된 중심 피스는 실질적으로 원형 디스크를 포함하고, 언급된 원형 디스크는 둘레를 따라 배열된 복수의 축방향 볼트를 통해 제너레이터 로터에 연결되며, 언급된 볼트는 복수의 플렉시블한 부싱을 갖는 언급된 원형 디스크 내에 배열된다.

다른 실시예에서, 샤프트는 제너레이터 로터에 강성(rigidly) 연결되고, 제너레이터 스테이터는 제 3 결합을 통해 고정된 구조에 지지되고 플렉시블하게 연결된다. 제 3 결합은 예를 들어, 프레임의 일부, 프레임에 연결된 플랜지 또는 또 다른 적합한 컴포넌트에 연결될 수 있다. 본 관점에서, "고정된" 구조는 나셀 그 자체, 또는 허브가 그 위에 장착되는 프레임과 같이, 나셀에 대해 고정되는 회전하지 않는 구조로서 이해되어야만 한다. 엄밀히 말해서, 이들 컴포넌트는 요(yaw) 매커니즘의 도움으로 타워에 대해 회전할 수 있기 때문에, 완벽하게 "고정되지" 않는다는 것이 명백할 것이다.

바람직하게, 이러한 제 3 결합은 비틀림에 대해 상대적으로 스티프할 것이나, 다른 하중에 대해 플렉시블할 것이다(이들 하중이 스테이터로부터 프레임으로 전달되지 않도록).

일부 실시예에서, 하나 이상의 베어링이 샤프트를 지지하도록 프레임 내에 제공된다.

일부 실시예에서, 언급된 제 1 결합은 복수의 스포크가 방사상으로 연장하는 중심 피스를 포함하고, 언급된 중심 피스는 언급된 샤프트 상에 장착되며, 허브에는 둘레를 따라 배열된 복수의 축방향 돌출부가 제공되고, 플렉시블한 엘리먼트가 스포크를 언급된 돌출부에 연결하도록 배열된다. 다른 실시예에서, 언급된 제 1 결합은 언급된 샤프트 상에 장착되는 중심 피스를 포함하고, 언급된 중심 피스는 실질적으로 원형 디스크를 포함하며, 언급된 원형 디스크는 둘레를 따라 배열된 복수의 축방향 볼트를 통해 허브에 연결되고, 언급된 볼트는 복수의 플렉시블한 부싱을 갖는 언급된 원형 디스크 내에 배열된다. 본 발명의 범위 내에서, 제 1 결합의 또 다른 실시예가 사용될 수 있음에도, 예를 들어, 적합하게 배열된 엘라스틱 또는 비스코-엘라스틱 엘리먼트, 또는 굽힘 하중에 대해 휘어지는 여전히 다른 유형의 엘리먼트 등을 포함한다.

일부 실시예에서, 앞서 언급된 중심 피스는 수축식(shrink) 디스크를 갖는 언급된 샤프트 상에 장착될 수 있다. 그러나 다른 실시예에서, 언급된 중심 피스는 다른 적합한 수단을 통해 용접, 볼트 또는 연결될 수 있다.

일부 실시예에서, 제너레이터 로터는 제너레이터 스테이터의 외부에 방사상으로 배열된다. 다른 실시예에서, 제너레이터 스테이터는 제너레이터 로터의 외부에 방사상으로 배열된다. 본 발명의 범위 내에서, 예를 들어, 제너레이터 로터와 스테이터가 서로에 대해 축방향으로 배열되는 구성과 같은 다른 실시예도 가능하다.

본 발명의 일부 실시예에서, 언급된 샤프트는 서로 연결되는 전방부와 후방부를 포함한다. 샤프트의 언급된 전방부 및 언급된 후방부는 바람직하게 서로 강성 연결된다. 전방부와 후방부로의 샤프트의 구분은 설치 프로세스를 더 쉽게 만들 수 있다. 그것은 또한 샤프트의 제조를 용이하게 할 수 있다. 다른 한편으로, 하나의 일체형 샤프트의 사용은 더 낮은 총 중량의 샤프트를 유도할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예에서, 언급된 프레임은 전방부 및 후방부를 포함하고, 여기서 허브가 언급된 전방부 상에 회전가능하게 장착되고, 언급된 프레임의 후방부가 타워 상에 회전가능하게 장착된다. 따라서 허브는 그것의 회전 축 주위로 회전할 수 있고 프레임의 후방부는 타워의 축 주위로 회전할 수 있다. 본 발명의 범위 내에서, 프레임은 하나의 일체형 부분으로 형성될 수 있고 또는 두 개 이상의 별개의 부분을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 프레임은 세 개의 부분을 포함한다: 허브를 싣고 있는 전방부, 윈드 터빈 타워 상에 회전가능하게 장착되는 중간부 및 제너레이터를 싣고 있는 후방부, 복수의 별개의 부분을 포함하는 프레임은 윈드 터빈의 설치에 관한 이점을 가질 수 있다.

프레임은 또한 임의의 적합한 형상 및 구성일 수 있다: 프레임은 예를 들어, 원형, 타원형, 직사각형 또는 다른 횡단면을 가질 수 있다. 프레임은 단조된(forged) 컴포넌트일 수 있으나 예를 들어, 복수의 빔 또는 적합한 트러스 구조에 의해 역시 형성될 있다.

본 발명의 일부 실시예에서, 샤프트는 "종래의" 솔리드 샤프트이다. 그러나 본 발명의 바람직한 실시예에서, 샤프트는 튜블러 중공 샤프트일 수 있다. 샤프트로부터 감소된 하중으로 인해, 샤프트는 더 경량으로 제조될 수 있다. 종래의 솔리드 샤프트 대신에, 튜블러 중공 샤프트가 본 발명의 일부 실시예에서 사용될 수 있다.

본 발명은 굽힘 하중의 전달 및 로터 허브로부터 제너레이터로의 움직임이 실질적으로 감소될 수 있는, 직접 구동 윈드 터빈을 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예는 첨부된 도면에 관한 참조와 함께 비제한적인 예시의 방식에 의해서만 다음에서 설명될 것이고, 여기서:
도 1은 선행 기술 윈드 터빈을 설명하고;
도 2는 본 발명에 따라서 윈드 터빈의 제 1 실시예를 도식적으로 도시하며;
도 3a-3c는 본 발명의 실시예에 사용될 수 있는 허브와 로터 샤프트 사이의 결합의 일부 실시예를 도식적으로 도시하고,
도 4는 본 발명에 따라서 윈드 터빈의 제 2 실시예를 도식적으로 도시하고;
도 5는 본 발명에 따라서 윈드 터빈의 제 3 실시예를 도식적으로 도시하며;
도 6은 본 발명에 따라서 윈드 터빈의 제 4 실시예를 도식적으로 도시하고;
도 7은 본 발명에 따라서 윈드 터빈의 제 5 실시예를 도식적으로 도시하며;
도 8은 본 발명에 따라서 윈드 터빈의 제 6 실시예를 도식적으로 도시하고;
도 9는 본 발명의 실시예에 사용될 수 있는 제너레이터와 프레임 사이의 결합을 도식적으로 도시하며;
도 10은 본 발명에 따라서 윈드 터빈의 제 7 실시예를 도식적으로 도시하고;
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시예에 사용될 수 있는 구체 스플라인 연결을 도식적으로 도시한다.

도 2는 본 발명에 따라서 윈드 터빈의 제 1 실시예를 도식적으로 도시한다. 윈드 터빈(1)은 프레임(20)이 그 위에 장착되는 타워(50)를 포함한다. 본 실시예에서, 프레임(20)은 전방부(20a), 중간부(20b), 및 후방부(20c)를 포함한다. 허브(10)는 복수의 블레이드(미도시)를 싣고 있는 프레임의 전방부(20a) 위에 두 개의 베어링(15)으로 회전가능하게 장착된다.

허브(10)는 결합 엘리먼트(40)를 통해 샤프트(30)에 연결된다. 결합 엘리먼트(40)는 로터 허브(10)로부터 샤프트(30)로 토크를 전달하는 한편, 다른 하중의 전달을 실질적으로 제한하도록 설계된다. 결합 엘리먼트(40)가 다양한 적합한 형태를 취할 수 있다는 것이 명백할 것이다. 도 3a-3c는 다양한 적합한 결합 엘리먼트를 도시한다.

도 3a의 제 1 실시예에서, 결합 엘리먼트(40a)는 샤프트(30)를 허브(10)(도 3a에 미도시됨)에 연결한다. 결합 엘리먼트(40a)는 수축식 디스크(45)를 갖는 샤프트(30) 상에 장착되는 원형 디스크(46)를 포함한다. 복수의 홀(48)이 허브로의 접근을 제공하도록 디스크(46)에 제공된다. 디스크(46)의 환형 림은 복수의 홀을 포함하고, 여기서 볼트가 디스크를 허브에 연결하도록 제공된다. 볼트(41)는 플렉시블한 부싱(42a)에 제공된다. 이들 부싱(42a)은 적합한 엘라스틱 또는 플렉시블한 물질로 구성될 수 있다. 이러한 배열로, 허브와 샤프트(30) 사이의 연결은 허브로부터의 토크와는 다른 임의의 하중의 전달을 실질적으로 제한한다. 도면 부호(39)는 샤프트를 실질적으로 폐쇄하고 환경으로부터 샤프트의 내부를 보호하도록 역할할 수 있는 수축식 디스크(45)에 연결되는 폐쇄 엘리먼트를 나타낸다.

또 다른 해법이 도 3b에 도시된다: 결합(40b). 중심 피스가 샤프트(30) 상에 제공된다. 세 개의 스포크(44)가 언급된 중심 피스로부터 방사상으로 연장한다. 스포크(44)는 그들의 단부에서 개구부(47)를 생성한다. 허브로부터의 돌출부(미도시)는 이들 개구부(47)에 맞춰질 수 있다. 플렉시블한 엘리먼트(42b)가 스포크(44)를 허브 상의 돌출부에 연결한다. 접근 홀(48)을 갖는 환형 세그먼트(49)가 스포크(44) 사이에 제공된다. 또한 본 실시예로, 토크가 허브로부터 전달되는 한편, 다른 하중의 전달이 실질적으로 제한된다. 스포크의 수가 본 특정 실시예에서 자유롭게 변화할 수 있다는 것이 명백할 수 있다.

또 다른 옵션이 도 3c에 도시된다: 결합(40c). 결합(40b)에서와 유사하게, 샤프트(30) 상에 장착된 중심 피스는 복수의 방사상으로 연장하는 스포크(44)를 가진다. 플렉시블한 엘리먼트(42b)가 그들의 말단부에 제공된다. 스포크는 허브로부터의 적합한 돌출부 사이에 맞춰질 수 있다.

결합(40a, 40b, 40c)에 도시된 플렉시블한 엘리먼트는 많은 적합한 형태를 취할 수 있다. 그들은 예를 들어, 엘라스틱 또는 비스코-엘라스틱일 수 있다. 그들은 예를 들어, 엘라스토머로 또는 엘라스토머와 금속으로 만들어질 수 있다. 일부 실시예에서, 플렉시블한 엘리먼트의 스티프니스(stiffness)(또는 유연성, 또는 탄성)은 조절가능할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 그들은 프리로드될(pre-loaded) 수 있다. 플렉시블한 엘리먼트의 가장 중요한 측면은 그들의 배열 및 그들의 특징으로 인해, 그들이 모든 하중에 대해 어느 정도까지 휘어지지만(yield), 허브로부터 토크를 안전하게 전달한다는 것이다.

도 2에 관한 또 다른 참조로, 결합 엘리먼트(40)는 수축식 디스크(45)를 통해 샤프트(30) 상에 장착된다. 그러나 본 발명의 범위 내에서, 결합 엘리먼트(40)는 임의의 다른 적합한 방식(예를 들어, 용접됨, 볼트됨, 스크류됨, 죔쇠 끼워맞춤(interference fit) 등)으로 샤프트(30) 상에 장착될 수 있다. 샤프트(30)가 프레임(20)의 내부로 연장하는 것이 도 2에 도시될 수 있다. 제 2 결합 엘리먼트(70)는 토크를 샤프트(30)로부터 제너레이터 로터(62)로 전달하는 한편, 다른 하중의 전달을 동시에 제한하도록 제공된다. 제 2 결합은 실질적으로 토크만이 전달된다는 점에서 제 1 결합과 유사하다. 그러므로 본 제 2 결합 역시 도 3a-3c에 도시된 제 1 결합과 유사한 형상을 취할 수 있고: 일부 실시예에서, 제 2 결합은 복수의 스포크가 실질적으로 방사상으로 연장하는 중심 피스를 포함하고, 언급된 중심 피스는 언급된 샤프트 상에 장착되며, 플렉시블 엘리먼트가 스포크를 제너레이터 로터에 연결하도록 배열된다. 다른 실시예에서, 제 2 결합은 언급된 샤프트 상에 장착된 중심 피스를 포함하고, 언급된 중심 피스는 실질적으로 원형 디스크를 포함하고, 언급된 원형 디스크는 둘레를 따라 배열된 복수의 축방향 볼트를 통해 제너레이터 로터에 연결되며, 언급된 볼트는 복수의 플렉시블한 부싱을 갖는 언급된 원형 디스크 내에 배열된다. 그러나 본 발명은 그러한 실시예로 한정되지 않는다.

제너레이터 로터(62)는 적합한 베어링(65)을 통해 프레임(20c) 상에 장착된다. 제너레이터 스테이터(64)는 제너레이터 로터(62) 외부에 방사상으로 배열된다. 제너레이터 하우징(61)이 날씨 영향으로부터의 보호를 위해 제공된다. 제 1 및 제 2 플렉시블한 결합으로 인해, 허브로부터 제너레이터로의 토크와는 다른 임의의 하중의 전달이 실질적으로 회피된다. 굽힘 하중 및 동반된 변형은 전달되지 않기 때문에, 제너레이터 로터와 스테이터 사이의 에어 갭은 상대적으로 안정되게 유지될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예가 도 4에 도식적으로 도시된다. 동일한 도면 부호가 동일한 엘리먼트를 나타내도록 사용된다. 도 4와 도 2의 실시예 사이의 주요한 차이는 제너레이터(60), 그리고 더 구체적으로 하우징(61)의 배열에 있다. 도 4에서, 제너레이터는 완전하게 폐쇄되어, 제너레이터를 구조적으로 더 강하게 한다. 다른 한 편으로, 그것은 본 실시예를 도 2의 실시예보다 더 값비싸게 할 수 있는 더 많은 물질을 포함한다.

여전히 또 다른 실시예가 도 5에 도시된다. 본 실시예에서, 또 다른 베어링(85)이 제너레이터 하우징(61)과 제너레이터 로터(62) 사이에 제공된다. 이 베어링은 제너레이터 스테이터와 로터 사이의 상대적인 움직임을 최소화하는 것에 의해 에어 갭 변화를 더 감소시킨다.

도 6의 실시예에서, 단일 베어링(85)이 제너레이터 하우징(61)과 제너레이터 로터(62) 사이에 제공된다. 또한 단일 베어링(65)이 제너레이터 로터(62)와 프레임(20c) 사이에 제공된다. 본 실시예에서, 결합 엘리먼트(70) 및 수축식 디스크(75)가 제너레이터 하우징(61) 내부에 완전하게 배열된다.

도 7의 실시예에서, 제너레이터 로터(62)가 제너레이터 스테이터(64)의 외부에 방사상으로 배열된다. 따라서 제너레이터 하우징(61)은 로터에 의해 형성된다. 베어링(95)은 제너레이터 하우징(61)과 프레임(20c) 사이에 제공된다. 이전에 도시된 것과 유사하게, 플렉시블한 결합(70)이 샤프트의 토크를 전달하고 다른 하중의 전달을 실질적으로 제한하도록 제너레이터 로터와 로터 샤프트(30) 사이에 제공된다.

그러한 플렉시블한 결합은 도 8의 실시예에서 제공되지 않는다. 샤프트(30)와 제너레이터 로터(62) 사이의 연결은 강성이다. 제너레이터에서의 원치않는 변형과 동반하는 에어 갭 불안정성이 다른 방식으로 회피된다: 첫 번째로(다른 실시예에서와 같이), 플렉시블한 결합이 로터 허브(10)와 샤프트(30) 사이에 제공된다. 두 번째로, 제너레이터 스테이터(64)(및 하우징(61))가 제 3 결합(90)을 통해 프레임(20c)에 지지되고 플렉시블하게 연결된다. 제 3 결합(90)은 비틀림에 대해 상대적으로 스티프하지만 다른 하중에 대해 상대적으로 플렉시블한, 회전가능하지 않은 결합이다.

본 발명에 사용될 수 있는 그러한 결합(90)의 바람직한 실시예가 도 9에 도시된다. 중심 피스(91)는 프레임(20c) 상에 장착될 수 있다. 복수의 스포크(92)는 중심 피스로부터 방사상으로 연장한다. 제너레이터 하우징(61)은 복수의 방사상 돌출부(94)를 포함한다. 이들 방사상 돌출부는 적합한 플렉시블한 엘리먼트(93)에 의해 스포크(92)에 연결된다. 많은 다른 적합한 물질의 많은 다른 적합한 플렉시블한 엘리먼트가 사용될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 플렉시블한 엘리먼트의 가장 중요한 특성은 그들이 결합(90)의 평면을 벗어나 하중에 대해 쉽게 휜다는 것이다.

허브와 샤프트 사이의 제 1 결합과 제너레이터 스테이터와 프레임 사이의 제 3 결합의 조합은 에어 갭 변화가 최소화될 수 있다는 것을 보장한다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예를 여전히 나타낸다. 강성(rigid) 결합(80)이 로터 샤프트(30)와 제너레이터 하우징(61)(및 제너레이터 스테이터(64) 외부에 다시 한번 방사상으로 배열되는, 제너레이터 로터(62)) 사이에 제공된다. 베어링(65)은 제너레이터 로터와 프레임(20c) 사이에 제공된다. 또한 베어링(35)이 로터 샤프트와 프레임(20b) 사이에 제공된다. 본 실시예에서, 프레임 중간부(20b)와 프레임 후방부(20c) 사이의 연결(99)은 연결의 평면에서의 하중과 다른 하중의 전달이 실질적으로 제한되도록 하기 위한 것이다. 이것은 다양한 가능한 방식으로, 예를 들어, 도 9에 도시된 배열, 프레임 부분 사이의 엘라스틱하거나 또는 플렉시블한 엘리먼트의 또 다른 적합한 배열, 또는 프레임 부분을 함께 연결하도록 사용된 볼트 또는 스크류를 위한 플렉시블한 부싱의 제공으로 달성될 수 있다.

본 실시예에서, 베어링(35)은 프레임 중간부(20b)와 프레임 후방부(20c) 사이의 접합에 제공되었다. 다른 실시예에서, 베어링(35)은 다른 위치에 위치될 수 있다.

도 11a 및 도 11b는 로터 샤프트(30)와 제너레이터 로터(62) 사이의 비-강성 결합의 또 다른 방식을 매우 도식적으로 도시하고, 그것은 토크를 샤프트로부터 제너레이터 로터로 전달하지만 다른 하중의 전달을 실질적으로 제한한다. 도시된 연결은 로터 샤프트(30) 상에 제공된 스플라인(33) 및 제너레이터 로터 상에 제공된 메이팅 스플라인(63)을 사용한다. 방사상으로 연장하는 스플라인(33)이 원형 세그먼트처럼 성형된다. 메이팅 스플라인(63)은 스플라인(33)이 그들에 맞춰지도록 스플라인(33)에 대해 상호보완적인 형상을 가진다.

굽힘 하중에 영향받을 때, 스플라인(33)은 스플라인(63)에 관련해서 슬라이딩할 수 있다. 토크에 영향받을 때, 하중은 스플라인(33, 63)을 통해 직접적으로 전달된다. 따라서, 이런 종류의 연결을 사용하는 것은 또한 로터 샤프트로부터의 토크가 전달되는 한편, 다른 하중의 전달을 실질적으로 제한한다는 것을 보장할 수 있다.

도면에 도시된 실시예에서, 로터 샤프트(30)가 중공 튜블러 샤프트로 묘사되었음에도, 본 발명의 다른 실시예에서, 샤프트는 솔리드 샤프트일 수 있다.

그리고 도면에 도시된 실시예에서, 프레임(20)이 세 개의 별개의 부분을 포함하는 것으로 묘사되었음에도, 본 발명의 다른 실시예에서, 프레임은 단일할 수 있고 또는 두 개 또는 네 개 이상의 다른 부분을 포함할 수 있다. 본 발명의 범위 내에서, 프레임은 다른 형상 및 구조를 더 취할 수 있다.

게다가 본 발명은 프레임 상에 허브를 장착하기 위해 또는 프레임 상에 제너레이터를 장착하기 위해 사용된 종류의 베어링으로 임의의 방식으로 한정되지 않는다. 적합한 유체 베어링, 특히 유체역학 베어링 또는 유체정역학 베어링이 사용될 수 있다. 대체적으로, 롤러 베어링, 더블-테이퍼드 롤러 베어링, 또는 볼 베어링과 같은, 적합한 롤링 엘리먼트 베어링 역시 사용될 수 있다. 베어링은 또한 순수하게 방사상 베어링이거나 방사상 및 축방향 베어링일 수 있다.

본 발명은 또한 윈드 터빈에 사용된 제너레이터의 종류로 임의의 방식으로 한정되지 않는다. 임의의 적합한 종류의 동기 또는 비동기 제너레이터가 사용될 수 있다. 본 발명의 일 바람직한 실시예에서, 제너레이터 로터에는 영구 자석이 제공된다.

본 발명이 특정 바람직한 실시예와 예시의 문맥에서 개시됨에도, 본 발명이 구체적으로 개시된 실시예를 넘어서 다른 대체적인 실시예로 확장하고 및/또는 본 발명의 명확한 수정 및 그것의 등가물을 사용한다는 것이 해당 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다. 따라서, 여기에 개시된 본 발명의 범위가 이전에 설명된 특정 개시된 실시예에 의해 한정되는 것이 아니라, 이어지는 청구항의 정확한 해석에 의해서만 결정되어야만 한다는 것이 의도된다.

Claims

하나 이상의 블레이드를 싣고 있는 허브, 제너레이터, 및 제 1 결합을 통해 상기 허브에 작동적으로 결합되는 샤프트를 포함하는 윈드 터빈으로서,
작동에서, 상기 제너레이터의 로터는 상기 샤프트에 의해 직접적으로 구동되고,
상기 허브는 프레임 상에 회전가능하게 장착되며,
상기 샤프트는 상기 프레임의 적어도 부분적으로 내부에 제공되고,
상기 샤프트와 상기 허브 사이의 상기 결합은 상기 허브의 회전 축 주위의 토크를 상기 허브로부터 상기 샤프트로 전달하는 한편, 다른 하중의 전달을 제한하도록 적응되며,
상기 제너레이터는 상기 샤프트의 회전 축 주위의 토크가 상기 샤프트로부터 상기 제너레이터의 상기 로터로 전달되는 한편, 상기 샤프트로부터 상기 제너레이터로의 다른 하중의 전달을 제한하는 방식으로 배열되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
제 1항에 있어서,
상기 샤프트는 비-강성 제 2 결합을 통해 상기 제너레이터 로터로 연결되고, 상기 제 2 결합은 상기 샤프트의 회전 축 주위의 토크를 상기 샤프트로부터 상기 제너레이터로 전달하는 한편, 다른 하중의 전달을 제한하도록 적응되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
제 2항에 있어서,
상기 제 2 결합은 원형 스플라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
제 2항에 있어서,
상기 제 2 결합은 복수의 스포크가 방사상으로 연장하는 중심 피스를 포함하고, 상기 중심 피스는 상기 샤프트 상에 장착되며,
플렉시블한 엘리먼트는 상기 스포크를 상기 제너레이터 로터에 연결하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
제 2항에 있어서,
상기 제 2 결합은 상기 샤프트 상에 장착되는 중심 피스를 포함하고, 상기 중심 피스는 원형 디스크를 포함하며, 상기 원형 디스크는 둘레를 따라 배열된 복수의 축방향 볼트를 통해 상기 제너레이터 로터에 연결되고, 상기 볼트는 복수의 플렉시블한 부싱을 갖는 상기 원형 디스크 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
제 1항에 있어서,
상기 샤프트는 상기 제너레이터 로터에 강성 연결되고, 제너레이터 스테이터는 제 3 결합을 통해 고정된 구조에 지지되고 플렉시블하게 연결되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
제 6항에 있어서,
상기 고정된 구조는 상기 프레임의 부분인 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
제 6항 또는 제 7항에 있어서,
상기 제 3 결합은 비틀림에 대해 상대적으로 스티프하지만 다른 하중에 대해 상대적으로 플렉시블한 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
제 6항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 베어링은 상기 샤프트를 지지하도록 상기 프레임 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 결합은 복수의 스포크가 방사상으로 연장하는 중심 피스를 포함하고, 상기 중심 피스는 상기 샤프트 상에 장착되며,
상기 허브에는 둘레를 따라 배열되는 복수의 축방향 돌출부가 제공되고,
플렉시블한 엘리먼트는 상기 스포크를 상기 돌출부에 연결하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 결합은 상기 샤프트 상에 장착되는 중심 피스를 포함하고, 상기 중심 피스는 원형 디스크를 포함하며, 상기 원형 디스크는 둘레를 따라 배열된 복수의 축방향 볼트를 통해 상기 허브에 연결되고, 상기 볼트는 복수의 플렉시블한 부싱을 갖는 상기 원형 디스크 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
제 10항 또는 제 11항에 있어서,
상기 중심 피스는 수축식 디스크를 갖는 상기 샤프트 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제너레이터 로터는 제너레이터 스테이터의 내부에 방사상으로 배열되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제너레이터 로터는 제너레이터 스테이터의 외부에 방사상으로 배열되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 샤프트는 서로 연결되는 전방부 및 후방부를 포함하는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프레임은 전방부, 중간부, 및 후방부를 포함하고, 상기 허브는 상기 전방부 상에 회전가능하게 장착되며,
상기 프레임의 상기 중간부는 타워 상에 회전가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 샤프트는 튜블러 중공 샤프트인 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.