KR20150060234A

KR20150060234A - 풍력터빈 구동트레인용 댐퍼기구

Info

Publication number: KR20150060234A
Application number: KR1020130144422A
Authority: KR
Inventors: 방강제
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2015-06-03

Abstract

본 발명은 허브(15)의 동력을 샤프트(25)를 통하여 구동트레인(20)으로 전달하는 풍력터빈에 있어서: 상기 샤프트(25)의 입력단에 내륜(31)과 외륜(32)으로 완충하도록 설치되는 댐퍼수단(30); 및 상기 댐퍼수단(30)의 내부에 설치되어 진동 상태를 검출하는 감지수단(50);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 풍력발전기 터빈의 구동트레인에 능동형 댐퍼를 적용하여 외부에서 들어오는 불규칙한 하중에 대한 감쇠로 기계 부품에 대한 기대 수명을 증가시키는 효과가 있다.

Description

풍력터빈 구동트레인용 댐퍼기구{Damper Device for Wind Turbine Drive Train}

본 발명은 풍력터빈 구동트레인에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 풍력발전기 터빈의 구동트레인에 능동형 댐퍼를 적용하여 기계 부품에 대한 기대 수명을 증대하고 진동을 상시적으로 외부에서 확인할 수 있도록 하는 풍력터빈 구동트레인용 댐퍼기구에 관한 것이다.

통상적으로 수평축 풍력발전기는 타워의 상단에 위치한 나셀에 동력전달부와 발전부를 포함하고 나셀의 전방으로 블레이드가 허브를 개재하여 연결된다. 동력전달부는 허브에 연결되는 저속축(low speed shaft), 저속의 회전속도를 발전기의 정격 회전속도로 증속시키는 기어박스, 발전기부 직접 연결되는 고속축(high speed shaft)으로 구성된다.

이와 같은 풍력발전기의 동력전달부는 풍하중, 동적 언밸런스, 정렬오차, 치합전달오차 등의 원인에 기인하여 진동과 소음을 유발하는 기진원으로서 운전속도 범위 내에서 공진을 유발하는 경우 심각한 손상을 초래할 수 있다.

풍력발전기의 동력전달부 방진과 관련되어 참조할 수 있는 선행특허의 일예로서, 한국 등록특허공보 제1138363호는 베어링이 장착되는 대경부와, 상기 대경부의 후방으로 연장되는 소경부와, 상기 대경부와 상기 소경부 사이에 형성되는 단턱부를 갖는 메인샤프트; 및 상기 메인샤프트에 결합되며, 상기 단턱부에 대응하게 내측으로 돌출되는 돌출부를 구비하는 로킹 씰링 링을 포함하고, 상기 로킹 씰링 링은 상기 메인샤프트에 씰링 가능하게 면접촉 끼워맞춤된다. 이에 따라, 생산성이 양호하고 교체작업이 용이하며 진동ㆍ소음의 저감을 기대한다.

그러나, 상기한 선행특허는 나사조립을 배제하는 수동적인 진동 감소를 요지로 하므로 다양한 작동 환경에서 불규칙한 외부 하중에 대응하여 진동을 방지하기에 한계성을 드러낸다.

1. 한국 등록특허공보 제1138363호 "풍력 발전기용 샤프트어셈블리 및 이를 구비한 풍력 발전기"(공개일자 : 2011. 6. 24.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 풍력발전기 터빈의 구동트레인에 능동형 댐퍼를 적용하여 외부에서 들어오는 불규칙한 하중에 대한 감쇠로 기계 부품에 대한 기대 수명을 증가시키는 풍력터빈 구동트레인용 댐퍼기구를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상태모니터링을 추가적으로 적용하여 구동트레인에서 발생되는 진동을 상시적으로 외부에서 확인하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 허브의 동력을 샤프트를 통하여 구동트레인으로 전달하는 풍력터빈에 있어서: 상기 샤프트의 입력단에 내륜과 외륜으로 완충하도록 설치되는 댐퍼수단; 및 상기 댐퍼수단의 내부에 설치되어 진동 상태를 검출하는 감지수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 댐퍼수단의 내륜과 외륜은 탄성체와 점성유체 중 적어도 하나를 개재하는 완충하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 댐퍼수단의 점성유체는 공급관과 배출관으로 유량조절 가능하게 순환되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 감지수단은 댐퍼수단의 내륜과 외륜 사이에 상대적인 위치변동을 검출하도록 변위센서를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 감지수단은 댐퍼수단의 내부에 압력변동을 검출하도록 압력센서를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 풍력발전기 터빈의 구동트레인에 능동형 댐퍼를 적용하여 외부에서 들어오는 불규칙한 하중에 대한 감쇠로 기계 부품에 대한 기대 수명을 증가시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 댐퍼기구를 전체적으로 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 댐퍼기구의 주요부를 나타내는 구성도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 허브(15)의 동력을 샤프트(25)를 통하여 구동트레인(20)으로 전달하는 풍력터빈에 관하여 제안한다. 풍력발전기는 나셀(10)의 전방으로 허브(15) 상에 다수의 블레이드를 지니고, 나셀(10)의 내부에 구동트레인(20)과 발전기를 지니는 구조이다. 구동트레인(20)은 허브(15)와 연결되는 샤프트(25)와 샤프트(25)에 연결되는 증속용 기어박스로 구성된다. 광의로 풍력터빈은 허브(15)에서 발전기에 이르는 전체적 구성을 의미한다.

본 발명에 따르면 상기 샤프트(25)의 입력단에 내륜(31)과 외륜(32)으로 완충하도록 댐퍼수단(30)을 구비한다. 댐퍼수단(30)의 내륜(31)은 샤프트(25)에 결합되고 외륜(32)은 허브(15)에 결합된다. 이에 따라, 허브(15)의 동력이 외륜(32)과 내륜(31)을 거쳐 샤프트(25)에 전달되는 과정에서 후술하는 세부적 구성으로 급격한 하중변동을 완화한다. 급격한 하중변동과 더불어 타워, 블레이드와의 공진이 발생하면 심각한 손상을 초래할 우려가 크다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 댐퍼수단(30)의 내륜(31)과 외륜(32)은 탄성체(41)와 점성유체(45) 중 적어도 하나를 개재하는 완충하는 것을 특징으로 한다. 탄성체(41)는 변위의존성을 지닌 탄성댐퍼를 구현하는 것으로서 스프링을 사용하지만 고무를 배제하는 것은 아니다. 점성유체(45)는 속도의존성을 지닌 점성댐퍼를 구현하는 것으로서 온도에 따른 물성 변화가 적은 작동유를 사용한다. 탄성댐퍼의 경우 도 2처럼 내륜(31)과 외륜(32)에 치형을 형성하고 그 사이에 원주방향으로 탄성체(41)를 설치한다. 물론 본 발명의 댐퍼수단(30)은 탄성체(41)와 점성유체(45)를 동시에 사용하는 점탄성댐퍼로 구현할 수도 있다.

이때, 상기 댐퍼수단(30)의 점성유체(45)는 공급관(46)과 배출관(47)으로 유량조절 가능하게 순환되는 것을 특징으로 한다. 댐퍼수단(30)을 점성댐퍼로 구현하는 경우 내륜(31)과 외륜(32)을 하우징(35)에 수용하고 하우징(35)의 일측과 타측으로 공급관(46)과 배출관(47)을 연결한다. 이 경우 내륜(31), 외륜(32), 허브(15), 샤프트(25)에 점성유체(45)의 누출 방지를 위한 실(seal)이 설치된다.

또, 본 발명에 따르면 상기 댐퍼수단(30)의 내부에 감지수단(50)을 설치하여 진동 상태를 검출한다. 통상적으로 풍력발전기는 상태 감시 시스템인 CMS(Condition Monitoring System)(58)를 통하여 진동 상태 감시, 오일 상태 감시 및 블레이드 상태 감시를 수행한다. 감지수단(50)은 CMS(58)에서 요구되는 신호를 전달하도록 댐퍼수단(30) 상에 설치된다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 감지수단(50)은 댐퍼수단(30)의 내륜(31)과 외륜(32) 사이에 상대적인 위치변동을 검출하도록 변위센서(52)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 허브(15)와 하우징(35) 사이에 급격한 하중변동이나 공진이 발생하면 변위센서(52)에서 내륜(31)과 외륜(32)의 상대위치 변동의 물리량을 전기적 신호로 변환한다. CMS(58)는 변위센서(52)의 신호를 진동 상태 감시용 정보로 활용한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 감지수단(50)은 댐퍼수단(30)의 내부에 압력변동을 검출하도록 압력센서(55)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 감지수단(50)을 점성댐퍼로 구현하는 경우 압력센서(55)를 설치하는 것이 좋다. 압력센서(55)는 내륜(31)과 외륜(32)을 수용한 하우징(35) 내에서 점성유체(45)의 압력변동을 전기적 신호로 변환한다. CMS(58)는 압력센서(55)의 신호를 진동 상태 감시용 정보로 활용하는 외에 적정 압력 초과와 미달을 판단하는 정보로 활용한다.

한편, 도시에는 생략하나 진동의 주파수를 검출하기 위한 가속도센서를 더 구비할 수도 있다. 변위센서(52)와 압력센서(55)의 신호를 이용하여 연산하는 것에 비하여 공진 판단을 위한 처리 속도를 증가시킬 수 있다.

물론, 감지수단(50)에 구비되는 변위센서(52), 압력센서(55), 가속도센서는 국제 인증 규격인 GL 가이드라인을 준수한다.

이와 같이 본 발명은 풍력터빈의 주요부에 대한 상태를 실시간으로 측정하고 분석하여 보수ㆍ정비에 대한 정확한 판단을 내리기 용이하고. 강풍이나 공진 등에 의한 과도한 충격을 완화하여 작동신뢰성과 내구성의 저하를 방지한다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 나셀 15: 허브
20: 구동트레인 25: 샤프트
30: 댐퍼수단 31: 내륜
32: 외륜 35: 하우징
41: 탄성체 45: 점성유체
46: 공급관 47: 배출관
50: 감지수단 52: 변위센서
55: 압력센서 58: CMS

Claims

허브(15)의 동력을 샤프트(25)를 통하여 구동트레인(20)으로 전달하는 풍력터빈에 있어서:
상기 샤프트(25)의 입력단에 내륜(31)과 외륜(32)으로 완충하도록 설치되는 댐퍼수단(30); 및
상기 댐퍼수단(30)의 내부에 설치되어 진동 상태를 검출하는 감지수단(50);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력터빈 구동트레인용 댐퍼기구.
청구항 1에 있어서,
상기 댐퍼수단(30)의 내륜(31)과 외륜(32)은 탄성체(41)와 점성유체(45) 중 적어도 하나를 개재하는 완충하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈 구동트레인용 댐퍼기구.
청구항 2에 있어서,
상기 댐퍼수단(30)의 점성유체(45)는 공급관(46)과 배출관(47)으로 유량조절 가능하게 순환되는 것을 특징으로 하는 풍력터빈 구동트레인용 댐퍼기구.
청구항 1에 있어서,
상기 감지수단(50)은 댐퍼수단(30)의 내륜(31)과 외륜(32) 사이에 상대적인 위치변동을 검출하도록 변위센서(52)를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈 구동트레인용 댐퍼기구.
청구항 1에 있어서,
상기 감지수단(50)은 댐퍼수단(30)의 내부에 압력변동을 검출하도록 압력센서(55)를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈 구동트레인용 댐퍼기구.