KR20160060428A - Apparatus for reducing tower vibration using fluid flow - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 풍력발전기 타워의 진동저감 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 풍력발전기 타워의 고유진동수를 변화시켜 공진에 의한 진동을 저감하는 유체유동을 이용한 타워의 진동저감 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a vibration reduction device for a tower of a wind power generator, and more particularly, to a vibration reduction device for a tower using a fluid flow for reducing vibration due to resonance by changing the natural frequency of the tower.
통상 풍력발전기는 바람으로부터 받는 힘을 터빈으로 전달하는 과정에서 타워의 앞-뒤, 좌-우의 움직임을 유발하게 된다. 현재 풍력발전기의 대형화 추세를 감안한다면 하중을 견디기 위해 콘크리트, 강재 등의 재료로 두께를 늘리는 등의 방법이 검토되기도 한다. 다만, 대형화된 터빈에 있어서는 재료비와 생산비 증가는 물론 제작 후의 운송비 문제에 직면하게 된다.Generally wind power generators cause front-back and left-right movements of the tower in the process of transmitting the power received from the wind to the turbine. Considering the increasing trend of wind turbine generators, methods such as increasing the thickness of materials such as concrete and steel are considered to withstand the load. However, in the case of a large-sized turbine, the cost of raw materials and production cost as well as transportation costs after production are encountered.
이와 관련되는 선행기술문헌으로서, 하기의 선행문헌 1은 타워(tower); 및 상기 타워에 마련되어 상기 타워로 전달되는 진동을 흡수하되 상기 타워의 높이 방향의 가로 방향으로 길이 조절 가능하게 마련되어 흡진주파수를 조절할 수 있는 동흡진기를 포함한다. 이에 따라, 타워로 전달되는 진동을 상쇄하고 흡진 주파수를 선택적으로 조절하여 타워의 수명을 연장하는 효과를 기대한다.As related prior art documents, the following Prior Art Document 1 has a tower; And a dynamic damper provided on the tower for absorbing vibration transmitted to the tower, the length of which is adjustable in the horizontal direction in the height direction of the tower, and the damper frequency can be adjusted. Thus, the effect of canceling the vibration transmitted to the tower and selectively extending the lifetime of the tower by selectively controlling the absorption frequency is expected.
하기의 선행문헌 2는 타워형 구조물에 발전부와 블레이드를 구비하고, 상기 타워형 구조물의 내부 또는 외부에 이동가능하게 구비되는 질량체를 포함하며, 상기 질량체를 이동시켜서 풍력 터빈 타워 전체의 진동특성을 조절하는 진동특성조절부;를 포함한다. 이에 따라, 회전속도 등에 관계없이 풍력 터빈 타워의 진동특성을 조절하여 설계/제작/시공 비용을 절감하는 효과를 기대한다.The prior art 2 described below includes a mass having a generator and a blade in a tower structure and movably provided inside or outside the tower structure and moving the mass to adjust the vibration characteristics of the wind turbine tower as a whole And a vibration characteristic adjusting unit. Accordingly, it is anticipated that the design, manufacture, and construction costs can be reduced by adjusting the vibration characteristics of the wind turbine tower regardless of the rotation speed.
물론 선행문헌 1의 동흡진기나 선행문헌 2의 질량체로 타워의 진동특성을 변동시킬 수 있으나 자체의 질량을 변동하는 방식이 아니므로 변동폭을 크게 유지하는 측면에서 개선의 여지가 있다.Of course, it is possible to change the vibration characteristics of the tower by the mass damper of the preceding document 1 or the mass of the preceding document 2, but there is a room for improvement in terms of maintaining a large fluctuation because the mass of the tower is not fluctuated.
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 풍력발전기의 대형화 추세에 따른 재료의 두께 증가를 배제하면서 타워의 고유진동수를 변화시켜 공진에 의한 진동을 저감하는 유체유동을 이용한 타워의 진동저감 장치를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to overcome the above-mentioned problems of the prior art by providing a tower using a fluid flow that reduces vibration due to resonance by changing the natural frequency of the tower, And a vibration reduction device.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 풍력발전기 타워의 진동을 저감하는 장치에 있어서: 상기 타워의 벽체 상에 다수의 분할된 저수공간을 지니는 챔버수단; 상기 챔버수단의 저수공간에 유체를 출입시켜 타워의 고유진동수 변동을 유발하는 유체공급수단; 및 상기 타워의 진동 상태를 감지하여 유체공급수단에 설정된 출력을 인가하는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an apparatus for reducing vibration of a wind turbine tower, comprising: chamber means having a plurality of divided water storage spaces on a wall of the tower; A fluid supply means for introducing fluid into and out of the water storage space of the chamber means to cause a natural frequency fluctuation of the tower; And control means for sensing a vibration state of the tower and applying an output set to the fluid supply means.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 챔버수단의 저수공간은 타워의 원주상으로 짝수의 대칭적인 배열을 이루도록 분할되는 것을 특징으로 한다.In a detailed configuration of the present invention, the water storage space of the chamber means is divided so as to form an even number of symmetrical arrangements on the circumference of the tower.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 유체공급수단은 유체를 저장한 수조, 유체의 이동력을 제공하는 펌프, 저수공간에 대한 유체의 이동을 단속하는 밸브를 구비하는 것을 특징으로 한다.In the detailed construction of the present invention, the fluid supply means includes a water reservoir for storing the fluid, a pump for providing the fluid movement force, and a valve for interrupting the movement of the fluid to the reservoir space.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 유체공급수단은 챔버수단의 분할된 저수공간에 각각의 수위센서를 구비하는 것을 특징으로 한다.As a detailed configuration of the present invention, the fluid supply means is characterized by having respective level sensors in divided water storage spaces of the chamber means.
본 발명의 변형예로서, 상기 유체공급수단은 챔버수단의 저수공간 사이에서 유체 이동력을 증대하도록 피스톤과 유압실린더를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.As a modification of the present invention, the fluid supply means further comprises a piston and a hydraulic cylinder for increasing the fluid movement force between the water storage spaces of the chamber means.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단은 타워의 진동을 감지하는 진동센서, 주진동 방향에 맞추어 저수공간의 유체 수위를 변동하는 제어기를 구비하는 것을 특징으로 한다.According to a further embodiment of the present invention, the control means includes a vibration sensor for sensing the vibration of the tower, and a controller for varying the fluid level of the water storage space in accordance with the main vibration direction.
본 발명의 변형예로서, 상기 제어수단은 타워의 저주파 진동을 감지하도록 자세센서를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.As a modification of the present invention, the control means further comprises an attitude sensor for detecting low-frequency vibration of the tower.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 풍력발전기의 대형화 추세에 따른 재료의 두께 증가를 배제하도록 유체 이동 방식을 기반으로 타워의 고유진동수를 변화시켜 공진에 의한 진동을 저감하는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, there is an effect of reducing vibration due to resonance by changing the natural frequency of the tower based on the fluid movement method to exclude an increase in the thickness of the material due to the trend of increasing the size of the wind turbine.
도 1은 본 발명에 따른 진동저감 장치를 나타내는 개략 구성도
도 2는 본 발명의 변형예에 따른 장치를 나타내는 개략 구성도
도 3은 본 발명에 따른 장치에 의한 작동상태를 나타내는 구성도BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram showing a vibration-
2 is a schematic diagram showing an apparatus according to a modification of the present invention
3 is a configuration diagram showing an operating state of the device according to the present invention;
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 풍력발전기 타워(10)의 진동을 저감하는 장치에 관하여 제안한다. 풍력발전기의 타워(10)는 나셀, 허브, 블레이드 등을 지지하는 튜불라(Tubular) 타입을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 타워(10)는 설치 환경에 따라서 풍하중(Wind load), 파하중(Wave load), 조력하중(Current load), 중력하중(Gravity Load) 등을 복합적으로 받는다.The present invention proposes an apparatus for reducing vibration of a wind turbine tower (10). The
본 발명에 따르면 챔버수단(20)이 상기 타워(10)의 벽체 상에 다수의 분할된 저수공간을 지니는 구조이다. 챔버수단(20)의 저수공간은 타워(10) 벽체의 하단부에서 일정한 높이에 이르는 영역에 형성된다. 저수공간의 분할된 크기는 모두 동일한 규격(치수)을 지니도록 한다.According to the present invention, the chamber means (20) has a plurality of divided water storage spaces on the wall of the tower (10). The water storage space of the chamber means 20 is formed in a region ranging from a lower end of the wall of the
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 챔버수단(20)의 저수공간은 타워(10)의 원주상으로 짝수의 대칭적인 배열을 이루도록 분할되는 것을 특징으로 한다. 도 1에서 챔버수단(20)은 타워(10)의 원주상으로 8등분되는 저수공간으로서 2개의 전후챔버(21), 2개의 측방챔버(23), 4개의 측방챔버(23)를 예시한다. 풍력발전기 설치 환경에 따라 달라지나 전후챔버(21)는 주진동을 받는 방향에 배치된다. 측방챔버(23)는 전후챔버(21)와 직교하는 방향에 배치되고, 중간챔버(25)는 전후챔버(21)와 측방챔버(23)의 사이에 배치된다. 전후챔버(21), 측방챔버(23), 중간챔버(25)가 각각의 쌍에 의해 짝수로 배열되는 것은 후술하는 것처럼 타워(10)의 진동(진폭) 축소에 공조하기 위함이다.In a detailed configuration of the present invention, the water storage space of the chamber means 20 is divided so as to form an even number of symmetrical arrangements on the circumference of the
또, 본 발명에 따르면 유체공급수단(30)이 상기 챔버수단(20)의 저수공간에 유체를 출입시켜 타워(10)의 고유진동수 변동을 유발하는 구조를 특징으로 한다. 유체공급수단(30)은 타워(10)의 진동모드에 대응하여 전후챔버(21), 측방챔버(23), 중간챔버(25) 중 적어도 하나에 유체를 공급하거나 인출한다. 타워(10)의 저수공간을 채우는 유체의 중량에 따라 타워(10)의 고유진동수가 변동된다.According to the present invention, the fluid supply means (30) is characterized by a structure in which the fluid flows into and out of the water storage space of the chamber means (20) to cause a natural frequency fluctuation of the tower (10). The fluid supply means 30 supplies or draws fluid to at least one of the front and
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 유체공급수단(30)은 유체를 저장한 수조(32), 유체의 이동력을 제공하는 펌프(34), 저수공간에 대한 유체의 이동을 단속하는 밸브(36)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 수조(32)는 챔버수단(20)의 저수공간을 모두 채울 정도의 용량으로 설치된다. 펌프(34)는 저수공간에 유체를 급속하게 채울 수 있을 정도의 규격으로 설치된다. 밸브(36)는 수조(32)에서 전후챔버(21), 측방챔버(23), 중간챔버(25)를 연결하는 배관 상에 각각 설치된다.The fluid supply means 30 includes a
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 유체공급수단(30)은 챔버수단(20)의 분할된 저수공간에 각각의 수위센서(38)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 전후챔버(21), 측방챔버(23), 중간챔버(25)에 채워지는 유체의 중량은 각각에 설치된 수위센서(38)의 신호를 이용하여 연산된다. 물론 전후챔버(21), 측방챔버(23), 중간챔버(25)에 별도의 저수조(도시 생략)를 설치한다면 수위센서(38) 대신에 저수조 저면에 로드셀을 설치할 수도 있다.In a detailed configuration of the present invention, the fluid supply means (30) is characterized in that each of the water level sensors (38) is provided in the divided water storage space of the chamber means (20). The weight of the fluid filled in the front and
본 발명의 변형예로서, 상기 유체공급수단(30)은 챔버수단(20)의 저수공간 사이에서 유체 이동력을 증대하도록 피스톤(42)과 유압실린더(45)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 저수공간 사이의 유체 이동 속도를 증대하기 위해 급가변수단(40)이 설치될 수 있다. 급가변수단(40)으로서 피스톤(42)과 유압실린더(45)를 사용하는 구성을 예시하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 도 2에서, 전후챔버(21)의 중간에 한 쌍의 피스톤(42)이 설치되고, 양측의 피스톤(42)의 중간에 유압실린더(45)가 연결된다. 이에 유압실린더(45)의 정역방향 구동에 따라 일측 저수공간의 수위가 높아지는 동시에 타측 저수공간의 수위가 낮아진다.The fluid supply means 30 further comprises a
또, 본 발명에 따르면 제어수단(50)이 상기 타워(10)의 진동 상태를 감지하여 유체공급수단(30)에 설정된 출력을 인가하는 구조를 특징으로 한다. 타워(10)의 진동 상태에 대응한 각각의 저수공간의 유체 수위는 사전 실험(시뮬레이션)을 통하여 축적된 데이터를 사용한다. 제어수단(50)은 풍력발전기의 설치전 실험 데이터에 설치후 가동중에 획득한 데이터를 누적하여 제어를 수행함에 따라 진동감소의 신뢰성을 높인다.According to the present invention, the control means (50) senses the vibration state of the tower (10) and applies the output set to the fluid supply means (30). The fluid level of each water storage space corresponding to the vibration state of the
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단(50)은 타워(10)의 진동을 감지하는 진동센서(54), 주진동 방향에 맞추어 저수공간의 유체 수위를 변동하는 제어기(56)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 진동센서(54)는 타워(10)의 다수 지점에 설치되어 진동 상태를 감지한다. 제어기(56)는 CPU, 메모리, I/O인터페이스를 구비하는 마이컴 회로로 구성된다. 제어기(56)의 메모리에 제어 알고리즘과 데이터가 저장되고, I/O인터페이스에 센서류, 펌프(34), 밸브(36)가 연결된다.The control means 50 includes a
본 발명의 변형예로서, 상기 제어수단(50)은 타워(10)의 저주파 진동을 감지하도록 자세센서(52)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 자세센서(52)는 경사센서, 자이로센서 등에서 선택하여 구성할 수 있다. 자세센서(52)는 진동센서(54)에 비하여 저주파 진동의 감지에 유리하다.As a modification of the present invention, the control means (50) further comprises an attitude sensor (52) for detecting low-frequency vibration of the tower (10). The
작동에 있어서, 제어수단(50)의 제어기(56)는 타워(10)의 고주파 진동과 저주파 진동 패턴을 감지하고, 챔버수단(20)의 저수공간에 설정된 높이로 유체를 채워서 고주파 진동에 의한 피로파괴를 지연하고, 저주파 진동에 대하여는 저수공간의 수위 변동을 유발하여 피로파괴를 지연한다. 도 3의 예시를 살피면, 타워(10)가 전후방으로 진동하는 경우 전후챔버(21)의 일측의 챔버(21a)과 타측의 챔버(21b)에서 유체의 수위를 변동한다. 도 3(a)는 타워(10)가 부호 10′처럼 후방으로 기울 때 전방 챔버(21a)의 수위를 높이는 상태이고, 도 3(b)는 부호 10′처럼 전방으로 기울 때 후방 챔버(21b)의 수위를 높이는 상태이다. 물론 이 과정에서 전술한 급가변수단(40)을 부가적으로 활용할 수 있다.The
만일, 타워(10)의 주진동 방향이 변경되는 경우 측방챔버(23) 또는 중간챔버(25)에 대한 유체 제어도 동일한 방식으로 진행된다.If the main vibration direction of the
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.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It is therefore intended that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.
10: 타워
20: 챔버수단
21: 전후방챔버
23: 측방챔버
25: 중간챔버
30: 유체공급수단
32: 수조
34: 펌프
36: 밸브
38: 수위센서
40: 급가변수단
42: 피스톤
45: 유압실린더
50: 제어수단
52: 자세센서
54: 진동센서
56: 제어기10: Tower 20: Chamber means
21: front and rear chambers 23: side chambers
25: intermediate chamber 30: fluid supply means
32: water tank 34: pump
36: valve 38: water level sensor
40: rapid changing means 42: piston
45: Hydraulic cylinder 50: Control means
52: attitude sensor 54: vibration sensor
56:
Claims (7)
상기 타워의 벽체 상에 다수의 분할된 저수공간을 지니는 챔버수단;
상기 챔버수단의 저수공간에 유체를 출입시켜 타워의 고유진동수 변동을 유발하는 유체공급수단; 및
상기 타워의 진동 상태를 감지하여 유체공급수단에 설정된 출력을 인가하는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유체유동을 이용한 타워의 진동저감 장치.An apparatus for reducing vibration of a wind turbine tower, comprising:
Chamber means having a plurality of divided water storage spaces on the wall of the tower;
A fluid supply means for introducing fluid into and out of the water storage space of the chamber means to cause a natural frequency fluctuation of the tower; And
And a control means for sensing a vibration state of the tower and applying an output set to the fluid supply means.
상기 챔버수단의 저수공간은 타워의 원주상으로 짝수의 대칭적인 배열을 이루도록 분할되는 것을 특징으로 하는 유체유동을 이용한 타워의 진동저감 장치.The method according to claim 1,
Wherein the water storage space of the chamber means is divided to form an even number of symmetrical arrangements on the circumference of the tower.
상기 유체공급수단은 유체를 저장한 수조, 유체의 이동력을 제공하는 펌프, 저수공간에 대한 유체의 이동을 단속하는 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 유체유동을 이용한 타워의 진동저감 장치.The method according to claim 1,
Wherein the fluid supply means comprises a water reservoir for storing the fluid, a pump for providing the fluid movement force, and a valve for interrupting fluid movement to the reservoir space.
상기 유체공급수단은 챔버수단의 분할된 저수공간에 각각의 수위센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 유체유동을 이용한 타워의 진동저감 장치.The method according to claim 1,
Characterized in that the fluid supply means comprises a respective level sensor in the divided reservoir space of the chamber means.
상기 유체공급수단은 챔버수단의 저수공간 사이에서 유체 이동력을 증대하도록 피스톤과 유압실린더를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 유체유동을 이용한 타워의 진동저감 장치.The method according to claim 1,
Wherein the fluid supply means further comprises a piston and a hydraulic cylinder for increasing the fluid movement force between the water storage spaces of the chamber means.
상기 제어수단은 타워의 진동을 감지하는 진동센서, 주진동 방향에 맞추어 저수공간의 유체 수위를 변동하는 제어기를 구비하는 것을 특징으로 하는 유체유동을 이용한 타워의 진동저감 장치.The method according to claim 1,
Wherein the control means comprises a vibration sensor for sensing the vibration of the tower, and a controller for varying the fluid level of the water storage space in accordance with the main vibration direction.
상기 제어수단은 타워의 저주파 진동을 감지하도록 자세센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 유체유동을 이용한 타워의 진동저감 장치.The method according to claim 1,
Wherein the control means further comprises an attitude sensor for sensing low frequency vibrations of the tower.
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