KR20140000383A - 풍력 터빈용 블레이드 유지보수장치 및 이를 갖춘 풍력 터빈 - Google Patents

풍력 터빈용 블레이드 유지보수장치 및 이를 갖춘 풍력 터빈 Download PDF

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Abstract

풍력 터빈용 블레이드 유지보수장치가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 터빈용 블레이드 유지보수장치는 풍력 터빈의 상측에서 연장되는 지지케이블에 연결되며 블레이드의 주위를 감싸는 상부프레임과, 상부프레임의 하부에서 블레이드의 주위를 감싸며 블레이드의 유지보수작업을 수행하는 제1작업유닛이 설치된 하부프레임과, 상부프레임에 마련되며 일단이 하부프레임에 연결된 와이어를 감거나 풀어 하부프레임을 블레이드의 상하방향으로 승강 이동시키는 다수의 윈치장치를 포함한다.

Description

풍력 터빈용 블레이드 유지보수장치 및 이를 갖춘 풍력 터빈{MAINTENANCE APPARATUS FOR BLADE OF WIND TURBINE AND WIND TURBINE HAVING THE SAME}
본 발명은 풍력 터빈용 블레이드의 유지보수장치 및 이를 갖춘 풍력 터빈에 관한 것이다.
풍력 터빈(wind turbine)은 바람의 운동에너지를 기계적 운동을 거쳐서 전기에너지로 변환하는 장치이다.
이러한 풍력 터빈은 바람이 가진 에너지를 회전하는 동력으로 변화시켜주는 블레이드(blade)와, 다수의 블레이드를 연결하는 허브와, 저속의 블레이드 회전수를 발전기용 고속회전으로 변환하는 증속기(gearbox)와, 회전력을 전기로 바꾸는 발전기(generator)와, 풍력 터빈을 제어하기 위한 각종 시스템을 구비한다. 또 풍력 터빈은 그 최상부에 증속기, 발전기 및 각종 시스템을 내장하는 나셀(nacelle)을 구비하고, 나셀은 타워(tower)에 의해 지지된 상태로 마련된다.
한편 풍력 터빈의 블레이드 표면의 품질은 동작 효율을 유지하는데 중요한 역할을 수행하므로, 블레이드 표면에 축적된 먼지, 소금 코팅, 사망한 곤충 및 새의 분비물 등은 주기적으로 세척할 필요가 있다. 풍력 터빈 블레이드의 유지보수는 큰 크레인 또는 리프트 장치를 이용하여 시도되고 있으나, 이러한 장치의 사용은 접근성 및 비용 등의 어려움이 있게 되므로 근래에는 작업자가 풍력 터빈의 블레이드에 직접 접근하지 않고 유지보수를 수행할 수 있는 장치들이 개발되고 있다. 이러한 장치의 일 예로서, 미국공개특허 US 2009/0173573호 및 일본공개특허 특개 2008-309098호에는 풍력 터빈의 블레이드 유지보수를 위한 장치가 개시되었다.
특허문헌 1: 미국공개특허 제2009-0173573호(2009.07.09 공개) 특허문헌 2: 일본공개특허 특개2008-309098호 (2008.12.25 공개)
본 발명의 실시 예는 풍력 터빈의 블레이드 유지보수작업을 수행하기에 적절한 풍력 터빈용 블레이드 유지보수장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력 터빈의 블레이드 유지보수작업을 수행하는 풍력 터빈용 블레이드 유지보수장치에 있어서, 상기 풍력 터빈의 상측에서 연장되는 지지케이블에 연결되며 상기 블레이드의 주위를 감싸는 상부프레임과, 상기 상부프레임의 하부에서 상기 블레이드의 주위를 감싸며 상기 블레이드의 유지보수작업을 수행하는 제1작업유닛이 설치된 하부프레임과, 상기 상부프레임에 마련되며 일단이 하부프레임에 연결된 와이어를 감거나 풀어 상기 하부프레임을 상기 블레이드의 상하방향으로 승강 이동시키는 다수의 윈치장치를 포함하는 풍력 터빈용 블레이드 유지보수장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 하부프레임에는 상기 작업유닛을 슬라이딩 이동 가능하게 지지하는 레일홈이 형성될 수 있다.
또한, 상기 상부프레임과 상기 하부프레임 사이에 위치하는 상기 와이어를 타고 승강 이동 가능하게 설치되며 상기 블레이드의 유지보수작업을 수행하는 제2작업유닛을 더 포함한다.
또한, 상기 제2작업유닛은 상기 와이어를 타고 오르거나 내리도록 복수의 롤러를 포함하는 승강장치를 포함한다.
또한, 상기 승강장치는 구동원에 의해 회전되는 구동롤러와, 상기 구동롤러의 상부 및 하부에 배치되는 안내롤러와, 상기 구동롤러 및 상기 안내롤러가 회전 가능하게 설치되며 상기 와이어가 관통하는 케이싱을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 유지보수장치는 상부프레임에서 연장되는 와이어에 의해 작업유닛이 설치되는 하부프레임을 안정적 지지 및 승강 이동이 가능하여 풍력 터빈용 블레이드의 유지보수작업을 원활히 수행할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 유지보수장치가 풍력 터빈에 설치된 상태를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 터빈에 유지보수장치가 배치된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 유지보수장치의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 승강장치의 내부를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 유지보수장치의 하부프레임이 상승하는 상태를 나타낸 동작 상태도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 유지보수장치의 제2작업유닛이 상승하는 상태를 나타낸 동작 상태도이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 유지보수장치가 풍력 터빈에 설치된 상태를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 터빈(10)은 타워(11), 타워(11)의 상단에 장착되는 나셀(13), 나셀(13)에 회전 가능하게 결합되는 허브(15) 및 허브(15)에 결합되어 바람이 가진 에너지를 회전하는 동력으로 변화시켜주는 다수의 블레이드(17)를 포함한다. 또 나셀(13)의 내부에는 도시하지는 않았으나 저속의 블레이드(17) 회전수를 발전기용 고속회전으로 변환하는 증속기(gearbox), 회전력을 전기로 바꾸는 발전기(generator) 및 풍력 터빈을 제어하기 위한 각종 시스템이 내장될 수 있다. 다수의 블레이드(17)는 허브(15)에 방사형으로 설치되고, 바람에 의해 회전됨으로써 허브(15)를 회전시킨다. 또 허브(15)의 회전력은 주축에 연결된 증속기를 거쳐 발전기에 전달되고, 발전기는 회전되어 전기를 발생시킨다. 타워(11)는 그 높이가 대략 수십에서 백여 미터에 이르고, 그 직경은 상부로 갈수록 좁아지는 테이퍼 형태를 이룬다.
한편 다수의 블레이드(17)는 장시간 사용됨에 따라 파손되거나 그 표면에 이물질들이 부착될 수 있고, 이러한 파손 여부를 검출하거나 이물질들을 제거하기 위한 유지보수장치(20)는 블레이드(17)의 상하 방향으로 상승 및 하강할 수 있도록 구비될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 터빈에 유지보수장치가 배치된 상태를 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 유지보수장치의 측면도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 유지보수장치(20)는 블레이드(17)의 주위를 감싸는 상부프레임(30)과 상부프레임(30)의 하부에서 블레이드(17)의 주위를 감싸는 하부프레임(40)을 포함한다. 상부프레임(30) 및 하부프레임(40)은 유지보수장치(20)의 전체 무게를 줄일 수 있도록 알루미늄, 플라스틱 또는 폴리머와 같은 적절한 경량 소재로 이루어질 수 있다. 또 상부프레임(30) 및 하부프레임(40)은 폐단면의 사각형상을 이루도록 배치될 수 있다. 한편, 본 실시 예에서는 상부 및 하부프레임(30,40)을 폐단면의 사각형상을 이루도록 하였으나, 이는 일 예에 해당하는 것으로서 블레이드(17)의 외부를 둘러싸는 원형, 타워형 및 다각형태의 프레임을 가지도록 구비될 수 있음은 당연하다.
상부프레임(30)은 풍력 터빈(10)의 상측에서 연장되는 지지케이블(50)에 지지되고, 하부프레임(40)은 상부프레임(30)에서 연장되는 와이어(60)에 의해 지지된 상태를 유지할 수 있다. 지지케이블(50)은 일단이 허브(13)에 고정되거나, 허브(13) 또는 나셀(13)에 일부가 고정되거나, 나셀(13)에 전부가 지지될 수 있다. 본 실시 예의 지지케이블(50)은 사각형태의 상부프레임(30)의 각 모서리 근방에 지지되는 4개의 지지케이블(50)이 구비된 구성을 도시하였으나, 이는 일 예에 해당하는 것으로서 지지케이블(50)은 상부프레임(30)의 형상에 따른 안정적 지지를 위하여 적절한 위치에서 적절한 개수로 구비될 수 있음은 당연하다. 또 상부프레임(30)의 네 모서리 근방에는 윈치장치(70)가 설치될 수 있다. 윈치장치(70)는 모터에 의해 회전되는 드럼에 감긴 와이어(60)를 감거나 풀기 위한 장치이다. 상부프레임(30)의 네 모서리 근방에 설치된 윈치장치(70)의 각 와이어(60)의 단부는 대응하는 하부프레임(40)의 네 모서리 근방에 설치된 아이볼트(73)에 고정될 수 있다. 이를 통해, 하부프레임(40)은 상부프레임(30)에 설치된 윈치장치(70)에서 하부로 연장되는 와이어(60)에 의해 지지된 상태로 배치되고, 윈치장치(70)의 구동에 따라 감기거나 풀리는 와이어(60)에 의해 블레이드(17)의 상하방향으로 승강 이동할 수 있게 된다.
하부프레임(40)에는 블레이드(17)의 유지관리작업을 수행하기 위한 제1작업유닛(80)이 설치될 수 있다. 제1작업유닛(80)은 블레이드(17)의 외면에 부착된 이물질을 제거하기 위한 청소장치(81)와, 블레이드(17)의 결함 여부를 검출하기 위한 검사장치(82)를 포함한다. 청소장치(81)는 로봇암(83)과, 로봇암(83)의 끝 부분에 설치되는 브러시(84)를 포함한다. 로봇암(83)은 다 자유도 운동이 가능한 복수의 링크와 관절부를 포함하고, 각 관절부에는 서보모터와 같은 구동수단이 설치될 수 있다. 또 청소장치(81)는 도시하지는 않았으나 브러시(84)로 세척액을 공급하는 세척액 공급장치를 더 포함할 수 있다. 세척액 공급장치는 세척액을 저장하는 탱크, 탱크에 저장된 세척액을 펌핑하는 펌프, 펌프로부터 브러시(84)로 세척액을 공급하는 유로, 브러시(84)쪽에 설치되는 노즐을 포함할 수 있다.
검사장치(82)는 로봇암(85)과, 로봇암(85)의 끝 부분에 설치되는 카메라(86)를 포함한다. 로봇암(85)은 다 자유도 운동이 가능한 복수의 링크와 관절부를 포함하고, 각 관절부에는 서보모터와 같은 구동수단이 설치될 수 있다. 카메라(86)는 블레이드(17)의 영상을 촬영하여 전송함으로써 블레이드(17)의 표면의 결함여부를 검사한다. 이러한 카메라(86)는 시각적 카메라, 적외선 카메라, 자외선 카메라, 비디오 카메라 등으로 이루어지거나, 초음파 검출기, X선 검출기와 같은 적절한 영상 장치를 포함한다. 한편 도시하지는 않았으나 제1작업유닛(80)은 동작 제어를 위한 제어부 및 전원을 공급하는 배터리, 통신을 위한 유,무선 통신부 등을 포함할 수 있다. 또 제1작업유닛(80)은 청소장치(81) 및 검사장치(82)를 하부프레임(40)에 슬라이딩 이동 가능하게 지지하기 위한 이동블록(87)을 포함한다. 이동블록(87)에는 하부프레임(40)에 형성된 레일홈(47)에 결합되는 다수의 롤러(88)가 마련되고, 다수의 롤러(88)는 도시하지 않은 구동모터에 의하여 회전되어 이동블록(87)을 이동시킬 수 있다.
한편 본 실시 예에서는 제1작업유닛(80)이 이동블록(87)에 의해 하부프레임(40)에 슬라이딩 이동 가능하게 마련되었으나, 이는 일 예에 불과한 것으로서, 이동블록(87)은 LM(linear motion)가이드 형태로 구비될 수 있음은 물론이다. 즉 이동블록(87)은 서보모터(servo motor)등과 같은 액츄에이터의 구동에 의하여 가이드레일을 따라 왕복 이동하도록 구비될 수 있다. 또 제1작업유닛(80)은 이동블록(87)에 분리 가능하게 결합될 수 있다. 이는 블레이드(17)의 유지보수 목적에 따라서 적절한 장치를 교체할 수 있도록 하기 위함이다. 또 로봇암(83,85)은 수직 다관절 암으로 구성하였으나, 이는 일 예에 불과한 것으로 수평 다관절 암으로 구성되거나, 이들의 조합 또는 하나의 암으로 구성될 수 있음은 물론이다. 한편 본 발명의 실시 예에 따른 유지보수장치(20)는 하부프레임(40)을 지지하는 와이어(60)를 타고 승강 이동 가능하게 설치되는 제2작업유닛(90)을 구비할 수 있다.
제2작업유닛(90)은 상부프레임(30)과 하부프레임(40) 사이에 배치되는 와이어(60)를 타고 오르거나 내리는 케이블 피더(cable feeder) 형태의 승강장치(100)를 포함한다. 승강장치(100)에는 블레이드(17)의 유지보수작업을 위하여 전술한 청소장치(81) 및 검사장치(82)가 설치될 수 있다.
승강장치(100)는 도 4에 도시된 바와 같이 그 외면에 와이어(60)가 일부 감기는 구동롤러(101)와, 구동롤러(101)의 상부 및 하부에 배치되는 다수의 안내롤러(103,104)와, 구동롤러(101) 및 다수의 안내롤러(103,104)가 회전 가능하게 설치되는 케이싱(107)을 구비할 수 있다. 또 승강장치(100)는 케이싱(107)의 외측에서 구동롤러(101)를 구동하기 위한 모터 등으로 이루어진 구동원(109)(도3참조)을 포함한다. 와이어(60)는 케이싱(107)의 상하를 관통하도록 설치되고, 케이싱(107) 내부에 위치되는 와이어(60)는 구동롤러(101)와 안내롤러(103,104) 사이에 밀착되어 마찰 접촉할 수 있도록 배치된다. 안내롤러(103,104)는 와이어(60)가 구동롤러(101)로 들어가거나 나가는 방향을 안내하도록 와이어(60)의 양측에 각각 한 쌍이 마련될 수 있다. 이에 따라, 구동원(109)에 의해 회전되는 구동롤러(101)의 회전방향에 따라 승강장치(100)는 와이어(60)를 타고 승강 이동하게 되고, 승강장치(100)의 이동에 따라 제2작업유닛(90)은 케이싱(107)에 결합된 청소장치(81), 검사장치(82) 또는 도시하지 않은 용접 및 도장장치를 통하여 블레이드(17)의 유지보수작업을 수행하게 된다.
한편 제1 및 제2작업유닛(80,90)은 청소장치(81) 및 검사장치(82)에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 제1 및 제2작업유닛(80,90)은 도장장치, 용접장치 등 블레이드(17)의 유지보수작업을 위한 장치는 모두 포함될 것이다
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 터빈용 블레이드의 유지보수장치의 작동에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 유지보수장치의 하부프레임이 상승하는 상태를 나타낸 동작 상태도이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 유지보수장치의 제2작업유닛이 상승하는 상태를 나타낸 동작 상태도이다.
먼저, 본 발명의 실시 예의 유지보수장치(20)는 유지 보수를 수행하기 위한 풍력 터빈(10)의 근방으로 운반될 수 있다. 이러한 유지보수장치(20)는 풍력 터빈(10)이 지상에 설치된 경우에는 유틸리티 운반차량에 의하여 운반되고, 풍력 터빈(10)이 해상에 설치된 경우에는 별도의 운반선에 의하여 운반될 수 있다. 그 후 도 5에 도시된 바와 같이 유지보수장치(20)를 풍력 터빈(10)에 설치시킨다. 이 경우, 지지케이블(50)의 상단을 허브(15)에 고정시키면 유지보수장치(20)의 상부프레임(30)은 블레이드(17)의 상측에서 블레이드(17)의 주위를 감싸도록 배치되고, 하부프레임(40)은 상부프레임(30)에서 연장되는 와이어(60)에 지지된 상태로 블레이드(17)의 하측에서 블레이드(17)의 주위를 감싸도록 배치되게 된다. 그리고 하부프레임(40)에 설치된 제1작업유닛(80)에 의해 블레이드(17)의 표면을 검사 또는 세척을 수행하고, 상부프레임(30)에 설치된 윈치장치(70)를 작동시켜 하부프레임(40)을 블레이드(17)의 상부방향으로 이동시키면서 블레이드(17)의 유지보수작업을 수행한다. 이 경우, 하부프레임(40)은 상부프레임(30)에서 연장된 와이어(60)에 지지된 상태로 승강 이동하게 되므로 하부프레임(40)의 이동 안정성은 월등히 향상될 뿐만 아니라, 하부프레임(40)에 설치된 제1작업유닛(80)을 통한 블레이드(17)의 유지보수작업 동안에도 안정적 지지가 가능하게 된다.
한편 도 6에 도시된 바와 같이, 하부프레임(40)에 설치된 제1작업유닛(80)을 통한 블레이드(17)의 유지보수작업 동안에도 와이어(60)에 승강 가능하게 설치되는 제2작업유닛(90)을 통하여 블레이드(17)의 유지보수작업을 수행할 수 있게 된다. 즉 제2작업유닛(90)은 하부프레임(40)을 지지하는 와이어(60)를 따라 상하로 이동하면서 블레이드(17)의 검사 또는 세척을 수행하게 되므로 블레이드(17)의 유지보수작업 시간은 현저히 단축될 수 있게 된다.
이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
10: 풍력 터빈, 17: 블레이드,
20: 유지보수장치, 30: 상부프레임,
40: 하부프레임, 50: 지지케이블,
60: 와이어, 70: 윈치장치,
80: 제1작업유닛, 90: 제2작업유닛,
100: 승강장치, 101: 구동롤러,
103,104: 안내롤러, 107: 케이싱,
109: 구동원.

Claims (6)

  1. 풍력 터빈의 블레이드 유지보수작업을 수행하는 풍력 터빈용 블레이드 유지보수장치에 있어서,
    상기 풍력 터빈의 상측에서 연장되는 지지케이블에 연결되며 상기 블레이드의 주위를 감싸는 상부프레임;
    상기 상부프레임의 하부에서 상기 블레이드의 주위를 감싸며 상기 블레이드의 유지보수작업을 수행하는 제1작업유닛이 설치된 하부프레임; 및
    상기 상부프레임에 마련되며 일단이 하부프레임에 연결된 와이어를 감거나 풀어 상기 하부프레임을 상기 블레이드의 상하방향으로 승강 이동시키는 다수의 윈치장치;를 포함하는 풍력 터빈용 블레이드 유지보수장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 하부프레임에는 상기 작업유닛을 슬라이딩 이동 가능하게 지지하는 레일홈이 형성되는 풍력 터빈용 블레이드 유지보수장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 상부프레임과 상기 하부프레임 사이에 위치하는 상기 와이어를 타고 승강 이동 가능하게 설치되며 상기 블레이드의 유지보수작업을 수행하는 제2작업유닛을 더 포함하는 풍력 터빈용 블레이드 유지보수장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제2작업유닛은 상기 와이어를 타고 오르거나 내리도록 복수의 롤러를 포함하는 승강장치를 포함하는 풍력 터빈용 블레이드 유지보수장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 승강장치는 구동원에 의해 회전되는 구동롤러와, 상기 구동롤러의 상부 및 하부에 배치되는 안내롤러와, 상기 구동롤러 및 상기 안내롤러가 회전 가능하게 설치되며 상기 와이어가 관통하는 케이싱을 포함하는 풍력 터빈용 블레이드 유지보수장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 블레이드 유지보수장치를 갖춘 풍력 터빈.
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