KR20130079483A - 타워 내장품 브래킷 구조 및 풍력 발전 장치 - Google Patents

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KR20130079483A
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히로아키 요코야마
요시스케 이토
미노루 가와바타
츠요시 하라구치
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

맞대기 용접(BW) 이상의 피로 강도 구분을 확보할 수 있는 용접 구조, 혹은, 용접이 필요하지 않은 타워 내장품 브래킷 구조 및 이 타워 내장품 브래킷 구조를 구비한 풍력 발전 장치를 제공한다. 원통 쉘(11)을 이용한 강제 폴식의 타워 내부에 마련되어 타워 내장품을 지지하는 타워 내장품 브래킷 구조에 있어서, 원통 쉘(11)을 소망의 위치에서 축방향으로 분할한 분할부에, 타워 내부를 향한 볼록부(21)를 갖는 링 형상 부재(20)를 맞대기 용접(BW)에 의해 개재시켜, 볼록부(21)를 타워 내장품의 브래킷 부재 지지부로 했다.

Description

타워 내장품 브래킷 구조 및 풍력 발전 장치{TOWER INTERIOR EQUIPMENT BRACKET STRUCTURE AND WIND POWER GENERATOR}
본 발명은 풍력 발전 장치용 모노폴식 강제(鋼製) 타워 등에 적용되는 타워 내장품 브래킷 구조, 및 상기 타워 내장품 브래킷 구조를 구비한 풍력 발전 장치에 관한 것이다.
풍력 발전 장치는 풍차 날개를 구비한 로터 헤드가 풍력을 받아 회전하고, 이 회전을 이용하여 구동되는 발전기에 의해 발전하는 장치이다.
상술한 로터 헤드는, 풍차용 타워[이하, 「타워」라 부름] 상에 설치되어 요 선회 가능한 나셀의 단부에 장착되며, 대략 수평인 가로 방향의 회전 축선 주위에 회전 가능해지도록 지지되어 있다.
일반적으로, 상술한 풍차용의 타워는, 원통 형상의 쉘을 이용한 강제 모노폴식을 채용하는 경우가 많으며, 타워 쉘의 하단부에 마련한 베이스 플레이트를 철근 콘크리트의 기초에 앵커 볼트로 고정하는 구조로 되어 있다. 이와 같은 타워의 내부에는, 예를 들어 엘리베이터, 래더, 케이블 및 스테이지 등의 부속품이 설치되어 있으며, 따라서, 이들의 타워 내 부속품을 지지하기 때문에, 타워 쉘의 내벽면에 용접한 타워 내장품 브래킷[이하, 「브래킷」이라 부름]이 마련되어 있다.
도 16은 종래의 강제 모노폴식 타워에 대해서, 타워 쉘(10)의 내부 구조예를 도시하는 부분 단면도이다.
도시의 타워 쉘(10)은, 복수의 원통 형상 쉘(11)을 연결하여 소망의 높이를 얻는 구조로 되어 있다. 이 때문에, 각 원통 형상 쉘(11)의 양단에는 맞대기 용접(BW)에 의해 플랜지(12)가 장착되고, 각 원통 형상 쉘(11)은, 인접하는 원통 형상 쉘(11)의 플랜지(12)를 접합하여 볼트·너트(13)에 의해 결합되어 있다. 또한, 원통 형상 쉘(11)에 대해서는, 판재를 원통 형상으로 성형한 선단 부가 맞대기 용접에 의해 접합되어 있다.
또한, 원통 형상 쉘(11)의 내벽면 적소에는, 예를 들어 도시된 브래킷(14a, 14b, 14c)과 같이, 필렛 용접(FW)에 의해 브래킷(14)이 장착되어 있다. 또한, 도면 중의 부호(15a, 15b)는 타워 내장품을 나타내고 있다.
다른 브래킷 지지 구조로서는, 예를 들어 아래와 같은 특허 문헌에 개시되어 있는 바와 같이, 자석이나 접착제를 사용하는 등, 원통 형상의 쉘 내벽에 필렛 용접을 실행하지 않도록 한 것이 알려져 있다.
미국 특허 출원 공개 제 2010/0122508 호 명세서 미국 특허 출원 공개 제 2003/0147753 호 명세서 미국 특허 출원 공개 제 2007/0125037 호 명세서
그런데, 상술한 강제 타워에 있어서는, 타워 쉘(10)의 내벽면에 대하여 필렛 용접(BW)으로 브래킷(14) 등을 장착하면, 타워 쉘(10)의 피로 강도에 악영향을 받는 것이 알려져 있다.
타워 쉘(10)은, 필렛 용접(FW)에 의해 장착된 브래킷(14)을 구비하고 있는 경우, 브래킷 높이(h)(도 16 참조)를 50mm 미만으로 하는 것에 의해, 유럽에서 적용되어 있는 피로 강도 구분(등급)인 DC80(EC3 Table8.4,Dtail 11)을 만족할 수 있다.
한편, 타워 쉘(10)에 있어서의 맞대기 용접(BW)에서는, 소정의 비파괴 검사(NDT)를 실행하는 것에 의해, DC80(EC3 Table8.3,Dtail 11)의 피로 강도 구분을 만족할 수 있다. 또한, 타워 쉘(10)의 맞대기 용접(BW)에서는, 용접 형상을 추가 가공하여 매끄러운 형상으로 하는 처리를 실시하는 것에 의해, DC112(EC3 Table8.3,Dtail 1)까지 피로 강도 구분을 향상시키는 것이 가능하다. 또한, 일반적인 타워 쉘(10)의 모재로서는, 예를 들어 SM, EN, ASTM재 등이 사용되며, 그 피로 강도 구분은 DC160이다.
이와 같은 배경으로부터, 풍력 발전 장치의 강제 타워에 있어서는, 타워 내장품을 지지하는 브래킷류를 구비한 타워 쉘의 피로 강도를 증가하기 때문에, 필렛 용접을 하지 않고 해결되는 브래킷의 장착 구조가 요구된다.
본 발명은 상기의 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 점은, 맞대기 용접 이상의 피로 강도 구분을 확보할 수 있는 용접 구조, 혹은, 용접이 필요하지 않은 타워 내장품 브래킷 구조 및 이 타워 내장품 브래킷 구조를 구비한 풍력 발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해, 하기의 수단을 채용했다.
본 발명에 따른 제 1 태양의 타워 내장품 브래킷 구조는, 원통 형상의 쉘을 이용한 강제 폴 식의 타워 내부에 마련되어 타워 내장품을 지지하는 타워 내장품 브래킷 구조로서, 상기 쉘을 소망의 위치에서 축방향으로 분할한 분할부에, 타워 내부를 향한 볼록부를 갖는 링 형상 부재를 맞대기 용접에 의해 개재시켜, 상기 볼록부를 상기 타워 내장품의 브래킷 부재 지지부로 한 것을 특징으로 하는 것이다.
예를 들어, 이와 같은 타워 내장품 브래킷 구조에 의하면, 쉘을 소망의 위치에서 축방향으로 분할한 분할부에, 타워 내부를 향한 볼록부를 갖는 링 형상 부재를 맞대기 용접에 의해 개재시켜, 볼록부를 타워 내장품의 브래킷 부재 지지부로 했으므로, 피로 강도 구분이 낮은 필렛 용접을 이용하는 일 없이 타워 내부에 타워 내장품 용의 브래킷을 마련할 수 있다.
이 경우의 링 형상 부재는, 피로 강도가 지배적이 되는 영역, 즉, 타워 축방향의 기부측이 되는 1/3 내지 1/2의 범위를 상한으로 하여 개재시키는 것이 바람직하다. 또한, 타워 상부에 대해서는, 피로 강도의 영향이 적기 때문에, 브래킷의 장착이 용이하게 되는 필렛 용접을 이용하면 좋다.
본 발명에 따른 제 2 태양의 타워 내장품 브래킷 구조는, 원통 형상의 쉘을 이용한 강제 폴 식의 타워 내부에 마련되어 타워 내장품을 지지하는 타워 내장품 브래킷 구조로서, 상기 쉘의 둘레 방향 분할부에, 타워 내부를 향한 볼록부를 갖는 단면 형상의 봉 형상 부재를 맞대기 용접에 의해 개재시켜 원통 형상으로 하고, 상기 볼록부를 상기 타워 내장품의 브래킷 지지부로 한 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같은 타워 내장품 브래킷 구조에 의하면, 쉘의 둘레 방향 분할부에, 타워 내부를 향한 볼록부를 갖는 단면 형상의 봉 형상 부재를 맞대기 용접에 의해 개재시켜 원통 형상으로 하고, 볼록부를 타워 내장품의 브래킷 지지부로 했으므로, 피로 강도 구분이 낮은 필렛 용접을 이용하는 일 없이 타워 내부에 타워 내장품 용의 브래킷을 마련할 수 있다. 이와 같은 봉 형상 부재는, 타워의 굽힘 응력을 증가시키는 세로 리브로 하여도 기능한다.
상술한 제 1 태양 및 제 2 태양의 타워 내장품 브래킷 구조에 있어서, 상기 링 형상 부재 및 상기 봉 형상 부재는, 대략 T자 형상 단면을 갖는 부재인 것이 바람직하다.
이 경우, 매우 적합한 대략 T자 형상 단면의 부재로서는, 예를 들어 H형강을 웹 중심으로 2개로 절단한 CT형강과 같은 부재가 있다.
본 발명에 따른 제 3 태양의 타워 내장품 브래킷 구조는, 원통 형상의 쉘을 이용한 강제 폴 식의 타워 내부에 마련되어 타워 내장품을 지지하는 타워 내장품 브래킷 구조로서, 상기 쉘의 내벽면보다 소경의 링 형상 브래킷과 해당 링 형상 브래킷을 방사상으로 관통하여 나사 결합하는 복수 개의 조임 볼트를 구비하고, 상기 조임 볼트를 조여서 볼트 선단부를 상기 내벽면에 밀착시키는 것에 의해, 상기 링 형상 브래킷을 둘레 방향으로 압축된 상태로 하여 고정하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같은 타워 내장품 브래킷 구조에 의하면, 쉘의 내벽면보다 소경의 링 형상 브래킷과, 해당 링 형상 브래킷을 방사상으로 관통하여 나사 결합하는 복수 개의 조임 볼트를 구비하고 있으며, 조임 볼트를 조여서 볼트 선단부를 내벽면에 밀착시키는 것에 의해, 링 형상 브래킷을 둘레 방향으로 압축된 상태로 하여 고정하므로, 피로 강도 구분이 낮은 필렛 용접과 같은 용접을 이용하는 일 없이 타워 내부에 타워 내장품 용의 브래킷을 마련할 수 있다.
이 경우, 볼트 선단부와 내벽면 사이에, 예를 들어 고무 매트와 같은 탄성 마찰 부재를 개재시키는 것에 의해, 마찰력을 증가시켜 밀착성이 향상하는 동시에, 진동에 대한 안정성도 향상한다.
본 발명에 따른 제 4 태양의 타워 내장품 브래킷 구조는, 원통 형상의 쉘을 이용한 강제 폴 식의 타워 내부에 마련되어 타워 내장품을 지지하는 타워 내장품 브래킷 구조로서, 상기 쉘의 내벽면 보다 소경의 링 형상 브래킷을 둘레 방향으로 분할한 복수의 브래킷 요소 사이를, 양단부측에 역나사를 형성하여 조임부를 마련한 연결 볼트를 나사 결합시켜 연결하고, 상기 연결 볼트를 조작하여 상기 링 형상 브래킷을 둘레 방향으로 확대시킨 상태로 함으로써, 상기 링 형상 브래킷의 외주면을 상기 내벽면에 밀착한 상태로 하여 고정하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같은 타워 내장품 브래킷 구조에 의하면, 쉘의 내벽면보다 소경의 링 형상 브래킷을 둘레 방향으로 분할한 복수의 브래킷 요소 사이를, 양단부 측에 역나사를 형성하여 조임부를 마련한 연결 볼트를 나사 결합시켜 연결하고, 연결 볼트를 조작하여 링 형상 브래킷을 둘레 방향으로 확대시킨 상태로 함으로써, 링 형상 브래킷의 외주면을 내벽면에 밀착한 상태로 하여 고정하므로, 피로 강도 구분이 낮은 필렛 용접과 같은 용접을 이용하는 일 없이 타워 내부에 타워 내장품 용의 브래킷을 마련할 수 있다.
이 경우, 링 형상 브래킷의 외주면과 내벽면 사이에, 예를 들어 고무 매트와 같은 탄성 마찰 부재를 개재시키는 것에 의해, 마찰력을 증가시켜 밀착성이 향상하는 동시에, 진동에 대한 안정성도 향상한다.
본 발명에 따른 제 5 태양의 타워 내장품 브래킷 구조는, 원통 형상의 쉘을 이용한 강제 폴식의 타워 내부에 마련되어 타워 내장품을 지지하는 타워 내장품 브래킷 구조로서, 상기 쉘의 내벽면에 단차부를 형성하고 상기 타워 내장품의 브래킷 부재 지지부로 한 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같은 타워 내장품 브래킷 구조에 의하면, 쉘의 내벽면에 단차부를 형성하고 상기 타워 내장품의 브래킷 부재 지지부로 했으므로, 피로 강도 구분이 낮은 필렛 용접과 같은 용접을 이용하는 일 없이 타워 내부에 타워 내장품 용의 브래킷을 마련할 수 있다.
이와 같은 제 5 태양의 단차부에는, 축방향으로 분할된 쉘이 맞대기 용접부에 판 두께차를 마련하여 형성된 것, 쉘의 내벽면에 형성한 오목부에 의해 형성된 것, 혹은, 쉘을 대략 원추 형상으로 변형시킨 소경부에 형성된 것이다.
본 발명에 따른 풍력 발전 장치는, 나셀의 단부에 장착되어 풍차 날개를 구비한 로터 헤드가 풍력을 받아 회전함으로써 발전기를 구동하는 풍력 발전 장치로서, 상기 나셀이, 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 타워 내장품 브래킷 구조를 구비한 타워 상에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같은 풍력 발전 장치에 의하면, 나셀이, 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 타워 내장품 브래킷 구조를 구비한 타워 상에 설치되어 있으므로, 맞대기 용접 이상의 피로 강도 구분을 확보할 수 있는 용접 구조, 혹은, 용접이 필요하지 않은 타워 내장품 브래킷 구조의 타워에 의해, 풍력 발전 장치의 신뢰성이나 내구성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
상술한 본 발명에 의하면, 용접 등급이 맞대기 용접의 상한(DC93) 이상으로 향상한 브래킷 장착 구조, 혹은, 용접을 하지 않은 브래킷의 장착 구조로 되기 때문에, 타워 내장품을 지지하는 브래킷류를 구비한 타워 쉘의 피로 강도를 증가시켜, 풍력 발전 장치의 신뢰성이나 내구성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 타워 내장품 브래킷 구조의 제 1 태양을 도시하는 중요부 단면 사시도,
도 2는 도 1에 도시한 제 1 태양의 타워 내장품 브래킷 구조에 대하여, 타워 내장품의 설치예를 도시하는 종단면도,
도 3은 도 2에 도시한 타워 내장품의 설치예에 대하여, 슬레지 레벨의 단면을 도시하는 횡단면도,
도 4는 도 2에 도시한 타워 내장품의 설치예에 대하여, 일반부의 단면을 도시하는 횡단면도,
도 5는 대략 T자 형상 단면을 갖는 부재의 일예로서 CT형 강의 단면 형상을 도시하는 단면도,
도 6은 제 1 태양의 브래킷 부재 지지부로서 도 5에 도시한 CT형 강을 이용한 풍차용 타워의 중요부를 도시하는 종단면도,
도 7은 본 발명에 따른 타워 내장품 브래킷 구조의 제 2 태양을 도시하는 횡단면도,
도 8은 본 발명에 따른 타워 내장품 브래킷 구조의 제 3 태양 및 제 4 태양에 대하여, 브래킷의 개요를 도시하는 중요부의 사시도,
도 9는 본 발명에 따른 타워 내장품 브래킷 구조의 제 3 태양에 대하여, 구조 및 설치 방법을 도시하는 설명도,
도 10은 본 발명에 따른 타워 내장품 브래킷 구조의 제 4 태양에 대하여, 구조 및 설치 방법을 도시하는 설명도,
도 11은 본 발명에 따른 타워 내장품 브래킷 구조의 제 5 태양에 대하여, 단차부의 구조를 도시하는 중요부의 종단면도,
도 12는 도 11의 단차부에 관한 제 1 변형예를 도시하는 중요부의 종단면도,
도 13은 도 11의 단차부에 관한 제 2 변형예를 도시하는 타워 중요부의 종단면도,
도 14는 세로축을 타워 높이로 하여, 가로축에 피로 강도, 좌굴 강도 및 타워 판 두께 분포를 도시한 설명도,
도 15는 일반적인 풍력 발전 장치의 개요를 도시하는 정면도,
도 16은 타워 내장품 브래킷 구조의 종래예로서 풍차용 타워의 내부 구조예를 도시하는 중요부의 종단면도.
이하, 본 발명에 따른 타워 내장품 브래킷 구조 및 풍력 발전 장치에 대하여, 그 일 실시형태를 도면에 근거하여 설명한다.
도 15에 도시하는 업 윈드형의 풍력 발전 장치(1)는, 기초(B) 상에 입설되는 풍차용 타워[이하에서는 「타워」라 부름; 2]와, 타워(2)의 상단에 설치되는 나셀(3)과, 대략 수평인 가로 방향의 회전축선 주위에 회전 가능하게 지지되어 나셀(3)의 일단에 마련되는 로터 헤드(4)를 갖고 있다.
로터 헤드(4)에는, 그 회전 축선 주위에 방사상으로 하여 복수 매(예를 들어 3매)의 풍차 날개(5)가 장착되어 있다. 이것에 의해, 로터 헤드(4)의 회전 축선 방향으로 풍차 날개(5)에 부딪친 바람의 힘이, 로터 헤드(4)를 회전 축선 주위에 회전시키는 동력으로 변환되도록 되어 있다.
또한, 나셀(3)의 외주면 적소(예를 들어 상부 등)에는, 주변의 풍속값을 측정하는 풍속계나, 풍향을 측정하는 풍향계 등이 설치되어 있다.
즉, 풍력 발전 장치(1)는, 풍차 날개(5)에 풍력을 받아 대략 수평인 회전 축선 주위에 회전하는 로터 헤드(4)가 나셀(3)의 내부에 설치된 발전기(도시하지 않음)를 구동하여 발전하는 동시에, 나셀(3)이 철근 콘크리트제의 기초(B) 상에 입설된 타워(2)의 상단부에 설치되고, 요 선회 가능하게 지지되어 있다. 이 경우, 타워(2)는 강제의 모노폴식이 되어, 높이 방향으로 복수로 분할한 각각의 타워 섹션 단부에 마련한 플랜지(도시하지 않음)를 접속하는 것에 의해, 필요한 길이(높이)를 확보한 원통 타워가 된다.
(제 1 실시형태(제 1 태양))
상술한 타워(2)의 타워 쉘(10)은, 예를 들어 도 1에 도시하는 바와 같이, 강판을 원통 형상으로 성형하여 단부 끼리를 맞대기 용접한 원통 쉘(11)을 하나의 타워 섹션으로 하고, 복수의 원통 쉘(11)을 축방향으로 연결하여 소망의 높이를 얻는 구조로 되어 있다. 인접하는 원통 쉘(11)의 연결은, 양단부에 맞대기 용접(BW)으로 장착한 플랜지(12) 끼리를 접합하고, 양 플랜지(12)의 볼트 구멍(12a)을 관통하는 볼트·너트(도시하지 않음)에 의해 결합되어 있다.
이와 같은 원통 쉘(11)을 이용한 강제 폴식의 타워 내부에는, 예를 들어 래더, 스테이지, 케이블 등과 같이, 각종의 타워 내장품이 설치된다. 이 때문에, 타워(2)의 내부에는, 타워 내장품을 고정 지지하기 위한 타워 내장품 브래킷이 필요하다.
그래서, 본 실시형태의 태양에서는, 원통 쉘(11)을 소망의 위치에서 축방향으로 분할한 분할부에, 타워 내부를 향한 볼록부(21)를 갖는 링 형상 부재(20)를 맞대기 용접에 의해 결합하여 개재시키고 있다.
링 형상 부재(20)는, 예를 들어 도 5에 도시하는 바와 같이, 대략 T자 형상 단면을 갖는 부재를 링 형상으로 성형하여 사용한다. 이 경우, 링 형상 부재(20)로서 매우 적합한 대략 T자 형상 단면의 부재는, 예를 들어 H형강을 웹 중심으로 2개로 절단한 CT형 강이 있다.
이와 같은 링 형상 부재(20)는, 예를 들어 도 6에 도시하는 바와 같이, 원통 쉘(11)의 내측을 향하여 볼록부(21)를 돌출시킨 상태로 하며, 상하의 양단 부가 원통 쉘(11)의 분할부 단부와 맞대기 용접(BW)에 의해 결합되어 있다. 이 경우, 링 형상 부재(20)를 개재시키는 축방향 위치에 대해서는, 즉, 타워(2)의 높이 방향 위치에 대해서는, 플랜지(12)의 접합 위치와 간섭하지 않도록 하는 동시에, 볼록부(21)가 타워 내장품을 지지하는데 적합한 위치를 적절히 선택하면 좋다.
이 결과, 타워(2)의 내부에는, 링 형상 부재(20)의 볼록부(21)가 전체 둘레에 존재하게 되고, 이 볼록부(21)를 타워 내장품의 브래킷 부재 지지부로 하여 이용할 수 있다.
도 1 및 도 3에 도시하는 구체적인 예에서는, 전체 단면을 커버하는 스테이지(타워 내장품; 30)를 지지하는 브래킷(31)의 단부(31a)가 볼록부(21)의 상면에 탑재되어 있다. 이 경우, 브래킷(31)은, 원형 단면의 타워 내부를 횡단하는 비임으로서 기능하도록 복수 개(도시의 예에서는 4개)가 배치되며, 각 브래킷(31)의 단부(31a)는, 볼록부(21)에 대하여 적절한 기계적 수단을 이용하여 위치 편차하지 않도록 고정되어 있다. 따라서, 스테이지(30)는, 브래킷(31)의 상면에 탑재하여 고정 지지하는 것이 가능해진다.
또한, 도 2 및 도 4에는 래더(32)를 지지하는 구체적인 구조예가 도시되어 있다.
이 구체적인 예에서는, 브래킷(31)의 상면에, 예를 들어 대략 1/4 원형 상의 개구부(33a)를 형성한 래더 스테이지(33)를 탑재하고, 브래킷(31) 및/또는 래더 스테이지(33)의 적소에 래더(32)를 고정하고 있다. 이 경우의 고정에는, 브래킷(31) 및 래더 스테이지(33)가 타워(2)의 강도 부재가 아니므로, 볼트·너트나 용접의 이용이 가능하다.
또한, 래더(32)가 긴 경우의 고정 지지는, 예를 들어 래더 스테이지(33)가 없는 중간 레벨 등에서, 도 2에 도시하는 바와 같이, 링 형상 부재(20)의 볼록부(21)를 이용하여 마련한 브래킷(31')을 이용하면 좋다. 이 경우에 있어서도, 브래킷(31')은 타워(2)의 강도 부재가 아니므로, 볼트·너트나 용접에 의해 래더(32)를 고정할 수 있다.
또한, 도시는 생략했지만, 발전한 전력용 케이블이나 제어용 케이블 등의 타워 내장품에 대해서도, 스테이지(30)나 래더(32)와 같은 구조를 이용하여 고정 지지할 수 있다.
이와 같은 타워 내장품 브래킷 구조에 의하면, 원통 쉘(11)을 소망의 위치에서 축방향으로 분할한 분할부에, 타워 내부를 향한 볼록부(21)를 갖는 링 형상 부재(20)를 맞대기 용접(BW)에 의해 개재시켜, 볼록부(21)를 타워 내장품의 브래킷 부재 지지부로 했으므로, 피로 강도 구분이 낮은 필렛 용접을 이용하는 일 없이, 타워 내부에 타워 내장품 용의 브래킷(31, 31')을 마련할 수 있다.
그런데, 도 14에 도시하는 바와 같이, 풍력 발전 장치(1)의 타워(2)는, 그 판 두께 결정에 피로 강도(파선 표시) 및 좌굴 강도(일점 쇄선 표시)가 영향을 주어, 원통 쉘(11)의 판 두께는 하단부측 만큼 두꺼워지고 있다.
전체 높이가 Ht인 타워(2)에 있어서, 일반적으로는, 하단부측에서는 좌굴 강도보다 피로 강도의 영향이 크기 때문에, 타워 판 두께는 피로 강도를 만족하도록 결정되어, 판 두께 변화도 커지고 있다.
그러나, 상술한 피로 강도는, 타워 높이가 높아짐에 따라 접근하고, 이윽고 타워 높이가 Ha의 지점에서 역전한다. 이와 같이, 타워의 판 두께 결정을 좌우하는 피로 강도 및 좌굴 강도가 역전하는 타워 높이(Ha)는, 전체 높이(Ht)의 타워 하단부측으로부터 1/3 내지 1/2의 범위(Ha=1/3 Ht 내지 1/2 Ht)가 된다.
따라서, 링 형상 부재(20)는, 타워(2)의 높이 방향에 있어서 피로 강도가 지배적이 되는 영역, 즉, 타워 축방향의 기부측이 되는 1/3 내지 1/2의 범위를 상한으로 하여 하단부 측에 개재시키는 것이 바람직하다. 환언하면, 상술한 링 형상 부재(20)에 의해 브래킷 부재 지지부를 형성하는 구성은, 타워(2)의 하단부측이 되는 1/3 내지 1/2의 범위를 적용의 상한으로 하고, 이 적용 범위보다 상단부측의 브래킷 지지 부재에 대해서는, 피로 강도의 영향이 적기 때문에, 필렛 용접에 의해 원통 쉘(11)의 내벽에 브래킷을 장착해도 좋다.
(제 2 실시형태(제 2 태양))
다음에, 본 발명의 제 2 태양에 따른 타워 내장품 브래킷 구조를 도 7에 근거하여 설명한다. 또한, 상술한 실시형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하고, 그 상세한 설명은 생략한다.
도 7에 도시하는 타워 내장품 브래킷 구조에서는, 원통 쉘(11A)의 둘레 방향 분할부에, 타워 내부를 향한 볼록부(21)를 갖는 단면 형상의 봉 형상 부재(20A)를 맞대기 용접에 의해 개재시켜 원통 형상으로 하고, 볼록부(21)를 타워 내장품의 브래킷 지지부로 하는 것이다. 또한, 이와 같은 봉 형상 부재(20A)는, 필요에 따라서 원통 쉘(11A)의 둘레 방향으로 복수 마련하는 것도 가능하다.
즉, 본 실시형태의 원통 쉘(11A)은, 도 5에 도시한 CT형 강 등의 대략 T자 형상 단면 부재를 봉 형상인 채로 세로 사용하고, 이 봉 형상 부재(20A)를 대략 원통 형상으로 성형한 판 형상 쉘 부재의 양 단부 사이에 개재시켜 맞대기 용접(BW)에 의해 결합함으로써, 타워(2)를 구성하는 링 형상 부재가 된다.
이 결과, 원통 쉘(11A)의 내부에는, 타워 축 중심 방향으로 돌출하는 볼록부(21)가 타워(2)의 상하 방향으로 연장하게 된다.
이와 같은 타워 내장품 브래킷 구조에 의하면, 피로 강도 구분이 낮은 필렛 용접(FW)을 이용하는 일 없이 타워 내부에 타워 내장품 용의 브래킷을 마련할 수 있다. 구체적으로는, 볼록부(21)의 상단부를 브래킷 설치면으로 하여 이용하는 구조나, 볼록부(21)를 양단으로부터 협지하는 구조 등에 의해, 타워 내벽면으로의 필렛 용접(FW)을 실시하지 않아도 타워 내장품 용의 브래킷을 장착하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상술한 봉 형상 부재(20A)가 존재하는 원통 쉘(11A)은, 특히, 봉 형상 부재(20A)가 볼록부(21)를 갖고 있으므로, 볼록부(21)가 타워(2)의 굽힘 응력을 증가시키는 세로 리브로서도 기능한다고 하는 이점도 있다.
(제 3 실시형태(제 3 태양))
다음, 본 발명의 제 3 태양에 따른 타워 내장품 브래킷 구조를 도 8 및 도 9에 근거하여 설명한다. 또한, 상술한 실시형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하고, 그 상세한 설명은 생략한다.
도 8에 도시하는 타워 내장품 브래킷 구조는, 링 형상 브래킷(40)을 타워(2)의 구성 부재인 원통 쉘(11)의 내벽면에 밀착시키는 것에 의해, 용접을 실행하는 일 없이 고정하는 것이다.
이하, 구체적인 밀착 구조를 도 9에 근거하여 설명한다.
도시의 구성예에서는, 원통 쉘(11)의 내벽면보다 소경의 링 형상 브래킷(40)과, 이 링 형상 브래킷(40)을 방사상으로 관통하여 나사 결합하는 복수 개의 조임 볼트(41)를 구비하고 있다. 그리고, 링 형상 브래킷(40)을 반경 방향으로 관통하는 나사 구멍(42)에 대하여, 조임 볼트(41)를 축 중심측으로부터 외향으로 삽입하여 나사 결합시킨 후, 조임 볼트(41)를 조여서 볼트 선단부(41a)를 내벽면에 가압하여 밀착시킨다. 이 때, 링 형상 브래킷(40)은, 완전하게 고정될 때까지, 소망의 레벨 위치에서 수평 상태로 보지되어 있다.
또한, 복수 개의 조임 볼트(41)는, 둘레 방향으로 등 피치(도시의 예에서는 90도 피치로 4개)에 배설되는 것이 바람직하다.
이와 같이 하여, 원통 쉘(11)의 내벽에 고정되는 링 형상 브래킷(40)에는, 조임 볼트(41)를 조이는 것에 의해, 축 중심 방향으로 이동하는 방향의 힘이 작용한다. 그리고, 조임 볼트(41)가 내벽으로부터의 반력을 받는 동시에, 링 형상 브래킷(40)은, 둘레 방향으로 압축하는 후프력 힘을 발생시켜 균형을 잡는다.
즉, 이 경우의 구체적인 예는, 방사 방향 외향으로 복수 개의 조임 볼트(41)를 조여서, 볼트 선단부(41a)를 내벽면에 밀착시킴으로써, 링 형상 브래킷(40)을 원통 쉘(11)의 내벽에 고정하는 구조가 된다.
이 경우, 예를 들어 타워 내장품의 하중 등 연직 방향으로 작용하는 힘에 대해서는, 조임 볼트(41)의 볼트 축과 원통 쉘(11)의 내벽면과의 마찰에 의해 전달되므로, 링 형상 브래킷(40)에 의한 지지가 가능해진다.
이와 같은 타워 내장품 브래킷 구조에 의하면, 링 형상 브래킷(40)을 둘레 방향으로 압축된 상태로 하여 고정함으로써, 피로 강도 구분이 낮은 필렛 용접과 같은 용접을 이용하는 일 없이, 타워(2)의 내부에 타워 내장품 용의 브래킷을 마련할 수 있다.
또한, 타워 내장품의 지지 구조는, 링 형상 브래킷(40)에 볼트·너트 등을 이용하여 직접 지지시켜도 좋고, 혹은, 링 형상 브래킷(40)에 용접한 별도 부재의 브래킷을 이용하는 구조로 하여도 좋다.
이 경우, 볼트 선단부(41a)와 원통 쉘(11)의 내벽면 사이에는, 예를 들어 고무 매트(43)와 같은 탄성 마찰 부재를 개재시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 탄성 마찰 부재는, 마찰력을 증가시켜 밀착성을 향상시키는 동시에, 진동에 대한 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 조임 볼트(41)의 조임에 의해, 원통 쉘(11)의 내벽면에 상처가 생기는 것을 방지할 수 있다.
(제 4 실시형태(제 4 태양))
다음, 본 발명의 제 4 태양에 따른 타워 내장품 브래킷 구조를 도 8 및 도 10에 근거하여 설명한다. 또한, 상술한 실시형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하고, 그 상세한 설명은 생략한다.
이 실시형태는, 도 8에 도시하는 바와 같이, 링 형상 브래킷(40)을 타워(2)의 구성 부재인 원통 쉘(11)의 내벽면에 밀착시켜서, 용접을 실행하는 일 없이 고정하는 것이며, 상술한 제 3 태양의 변형예가 된다.
도 10에 도시하는 구체적인 밀착 구조의 구성예에서는, 원통 쉘(11)의 내벽면보다 소경의 링 형상 브래킷(50)을 둘레 방향으로 분할한 복수의 브래킷 요소(51) 사이를, 양단부측에 역나사를 형성하여 조임부(52a)를 마련한 연결 볼트(52)를 나사 결합시켜 연결하고 있다. 즉, 링 형상 브래킷(50)은, 인접하는 브래킷 요소(51)의 사이에 적절한 간극을 마련하고, 이 간극 부분에 배설한 연결 볼트(52)에 의해 연결하여 링 형상이 된다.
연결 볼트(52)는, 인접하는 브래킷 요소(51)의 대향하는 벽면에 나사 결합함으로써, 회전 방향을 따라서 간극 부분의 면간 거리(L)를 변화시킬 수 있도록, 양단부에 역 나사가 마련되어 있다. 즉, 연결 볼트(52)가 동일 방향으로 회전하는 것에 의해, 예를 들어 조임부(52a)로서 기능하는 너트를 회전시키는 것에 의해, 볼트 양단이 브래킷 요소(51)의 대향하는 벽면에 인입하여 면간 거리(L)를 줄이고, 혹은, 볼트 양단이 브래킷 요소(51)의 대향하는 벽면으로부터 나와 면간 거리(L)를 넓히도록 구성되어 있다.
이와 같이 하여 연결 볼트(52)를 조작하고, 면간 거리(L)를 넓혀 링 형상 브래킷(50)을 둘레 방향으로 확대시킨 상태로 하면, 링 형상 브래킷(50)의 직경이 확대하는 방향으로 변형하려고 하기 때문에, 외주면이 원통 쉘(11)의 내벽면에 밀착한 상태가 되어 고정된다. 즉, 이 실시형태는, 링 형상 브래킷(50)의 외주면을 원통 쉘(11)의 내벽면에 직접 가압하여 밀착시키는 것이며, 이 점이 상술한 제 3 태양과 다르다.
따라서, 이 실시형태의 구조를 채용하여도, 링 형상 브래킷(50)의 외주면이 원통 쉘(11)의 내벽면에 밀착한 상태로 고정되므로, 피로 강도 구분이 낮은 필렛 용접과 같은 용접을 이용하는 일 없이, 타워(2)의 내부에 타워 내장품 용의 브래킷을 마련할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 링 형상 브래킷(50)의 외주면과 원통 쉘(11)의 내벽면 사이에, 예를 들어 고무 매트(53)와 같은 탄성 마찰 부재를 개재시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 탄성 마찰 부재는, 마찰력을 증가시켜 밀착성을 향상시키는 동시에, 진동에 대한 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 링 형상 브래킷(50)의 밀착에 의해, 원통 쉘(11)의 내벽면에 상처가 생기는 것을 방지할 수 있다.
(제 5 실시형태(제 5 태양))
다음에, 본 발명의 제 5 태양에 따른 타워 내장품 브래킷 구조를 도 11 내지 도 13에 근거하여 설명한다. 또한, 상술한 실시형태와 동일한 부분에는 같은 부호를 부여하고, 그 상세한 설명은 생략한다.
이 실시형태에서는, 예를 들어 도 11에 도시하는 바와 같이, 원통 쉘(11)의 내벽면에 단차부(60)를 형성하고 타워 내장품의 브래킷 부재 지지부로 하는 것이다.
　도 11에 도시하는 단차부(60)는, 맞대기 용접(BW)에 의해 결합되는 원통 쉘(11A, 11B)의 단부 사이에 판 두께차를 마련한 것이다.
구체적으로는, 하단부측이 되는 원통 쉘(11A)의 상단부측 판 두께(ta)가, 상단부측이 되는 원통 쉘(11B)의 하단부측 판 두께(tb)보다 대(Ta＞Tb)로 되어, 외주측의 면을 맞추어 용접함으로써, 타워(2)의 내측 전체 둘레에 돌출하는 단차부(60)의 면이 형성된다. 따라서, 이 단차부(60)를 이용하면, 용접을 하지 않아도 전체 둘레에 링 형상의 브래킷(61)을 지지시키는 것이 가능하게 된다.
이 경우의 브래킷(61)은, 타워(2)의 강도 부재가 아니므로, 타워 내장품의 지지 구조는, 브래킷(61)에 볼트·너트 등을 이용하여 직접 지지시켜도 좋고, 혹은, 브래킷(61)에 직접 또는 간접적으로 용접하여 지지시키는 것도 가능하다.
또한, 상술한 단차부(60)는, 예를 들어 도 14에 도시하는 바와 같이, 타워(2)의 쉘 판 두께가 타워 높이 방향에 있어서 하단부측으로부터 상단부측으로 단계적으로 얇아지는 것을 이용해도 좋다.
또한, 도 12에 도시하는 제 1 변형 예와 같이, 원통 쉘(11)의 내벽면에 형성한 오목부(62)를 단차부(60A)로 하여도 좋다. 이 오목부(62)는, 예를 들어 기계 가공에 의해 전체에 형성한 홈부이다.
또한, 도 13에 도시하는 제 2 변형 예와 같이, 원통 쉘(11)을 대략 원추형상으로 변형시킨 소경부(63)에 단차부(60B)를 형성하여도 좋다. 또한, 도 13에 도시하는 소경부(63)는, 도시의 편의상 과장되어 있지만, 실제로는 링 형상의 브래킷(61)을 고정할 수 있는 정도의 직경 차이가 있으면 좋다.
이와 같은 타워 내장품 브래킷 구조에 의하면, 원통 쉘(11)을 변형시키는 등 하여, 타워 쉘(10)의 내벽면에 단차부(60, 60A, 60B)를 형성했으므로, 이 단차부(60, 60A, 60B)가 타워 내장품을 지지하는 브래킷(61)의 브래킷 부재 지지 부가 된다. 따라서, 피로 강도 구분이 낮은 필렛 용접과 같은 용접을 이용하지 않아도, 타워(2)의 내부에 타워 내장품 용의 브래킷(61)을 마련할 수 있다.
상술한 각 실시형태 및 변형 예의 타워 내장품 브래킷 구조를 구비한 타워(2)는, 맞대기 용접 이상의 피로 강도 구분을 확보할 수 있는 용접 구조의 타워 내장품 브래킷 구조, 혹은, 용접이 필요하지 않은 타워 내장품 브래킷 구조가 되므로, 이 타워(2)를 구비한 풍력 발전 장치(1)는, 그 신뢰성이나 내구성을 향상시킬 수 있다.
즉, 용접 등급의 피로 강도 구분이 맞대기 용접의 상한(DC93) 이상으로 향상한 브래킷 장착 구조, 혹은, 용접을 하지 않기 때문에 모재의 피로 강도 구분을 그대로 사용할 수 있는 브래킷의 장착 구조가 되기 때문에, 타워 내장품을 지지하는 브래킷 류를 구비한 타워 쉘(10)의 피로 강도를 증가시켜, 풍력 발전 장치의 신뢰성이나 내구성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
그런데, 상술한 풍력 발전 장치(1)는, 타워(2)를 기초 상에 고정 설치하는 것으로서 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 일은 없으며, 예를 들어 해상 등에 설치한 유체 상에 타워를 고정 설치하여 발전하는 해상 풍력 발전 장치에도 적용 가능하다.
또한, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되는 일은 없으며, 예를 들어 업 윈드형 및 다운 윈드형의 어느 것에도 적용 가능한 등, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 적절히 변경할 수 있다.
1 : 풍력 발전 장치 2 : 풍차용 타워(타워)
3 : 나셀 4 : 로터 헤드
5 : 풍차 날개 10 : 타워 쉘
11 : 원통 쉘 12 : 플랜지
20 : 링 형상 부재 21 : 볼록부
31, 31', 61 : 브래킷 40, 50 : 링 형상 브래킷
41 : 조임 볼트 43, 53 : 고무 매트(탄성 마찰 부재)
51 : 브래킷 요소 52 : 연결 볼트
52a : 조임부 60, 60A, 60B : 단차부

Claims (13)

  1. 원통 형상의 쉘을 이용한 강제 폴식의 타워 내부에 마련되어 타워 내장품을 지지하는 타워 내장품 브래킷 구조에 있어서,
    상기 쉘을 소망의 위치에서 축방향으로 분할한 분할부에, 타워 내부를 향한 볼록부를 갖는 링 형상 부재를 맞대기 용접에 의해 개재시키고, 상기 볼록부를 상기 타워 내장품의 브래킷 부재 지지부로 한 것을 특징으로 하는
    타워 내장품 브래킷 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 링 형상 부재는, 타워 축방향의 기부측이 되는 1/3 내지 1/2의 범위를 상한으로 하여 개재시키고 있는 것을 특징으로 하는
    타워 내장품 브래킷 구조.
  3. 원통 형상의 쉘을 이용한 강제 폴식의 타워 내부에 마련되어 타워 내장품을 지지하는 타워 내장품 브래킷 구조에 있어서,
    상기 쉘의 둘레 방향 분할부에, 타워 내부를 향한 볼록부를 갖는 단면 형상의 봉 형상 부재를 맞대기 용접에 의해 개재시켜 원통 형상으로 하고, 상기 볼록부를 상기 타워 내장품의 브래킷 지지부로 한 것을 특징으로 하는
    타워 내장품 브래킷 구조.
  4. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 링 형상 부재 및 상기 봉 형상 부재가 대략 T자 형상 단면을 갖는 부재인 것을 특징으로 하는
    타워 내장품 브래킷 구조.
  5. 원통 형상의 쉘을 이용한 강제 폴식의 타워 내부에 마련되어 타워 내장품을 지지하는 타워 내장품 브래킷 구조에 있어서,
    상기 쉘의 내벽면보다 소경의 링 형상 브래킷과, 상기 링 형상 브래킷을 방사상으로 관통하여 나사 결합하는 복수 개의 조임 볼트를 구비하고,
    상기 조임 볼트를 조여서 볼트 선단부를 상기 내벽면에 밀착시키는 것에 의해, 상기 링 형상 브래킷을 둘레 방향으로 압축된 상태로 하여 고정하는 것을 특징으로 하는
    타워 내장품 브래킷 구조.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 볼트 선단부와 상기 내벽면 사이에 탄성 마찰 부재를 개재시킨 것을 특징으로 하는
    타워 내장품 브래킷 구조.
  7. 원통 형상의 쉘을 이용한 강제 폴식의 타워 내부에 마련되어 타워 내장품을 지지하는 타워 내장품 브래킷 구조에 있어서,
    상기 쉘의 내벽면보다 소경의 링 형상 브래킷을 둘레 방향으로 분할한 복수의 브래킷 요소 사이를, 양단부 측에 역나사를 형성하여 조임부를 마련한 연결 볼트를 나사 결합시켜 연결하고,
    상기 연결 볼트를 조작하여 상기 링 형상 브래킷을 둘레 방향으로 확대시킨 상태로 함으로써, 상기 링 형상 브래킷의 외주면을 상기 내벽면에 밀착한 상태로 하여 고정하는 것을 특징으로 하는
    타워 내장품 브래킷 구조.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 링 형상 브래킷의 외주면과 상기 내벽면 사이에 탄성 마찰 부재를 개재시킨 것을 특징으로 하는
    타워 내장품 브래킷 구조.
  9. 원통 형상의 쉘을 이용한 강제 폴식의 타워 내부에 마련되어 타워 내장품을 지지하는 타워 내장품 브래킷 구조에 있어서,
    상기 쉘의 내벽면에 단차부를 형성하여 상기 타워 내장품의 브래킷 부재 지지부로 한 것을 특징으로 하는
    타워 내장품 브래킷 구조.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 단차부는 축방향으로 분할된 상기 쉘의 맞대기 용접부에 판 두께차를 마련하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는
    타워 내장품 브래킷 구조.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 단차부는 상기 쉘의 내벽면에 형성한 오목부에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는
    타워 내장품 브래킷 구조.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 단차부는 상기 쉘을 대략 원추 형상으로 변형시킨 소경부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는
    타워 내장품 브래킷 구조.
  13. 나셀의 단부에 장착되어 풍차 날개를 구비한 로터 헤드가 풍력을 받아 회전함으로써 발전기를 구동하는 풍력 발전 장치에 있어서,
    상기 나셀은 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 타워 내장품 브래킷 구조를 구비한 타워 상에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는
    풍력 발전 장치.
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