KR20210068559A - 풍력 터빈 벨트 드라이브 피치 제어 - Google Patents

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Abstract

블레이드 피치 드라이브는, 구동 스프로켓, 종동 스프로켓, 및 구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에서 견인되는 치형 벨트를 포함하고, 치형 벨트는 구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에 자유 스팬(span)을 가지며, 자유 스팬은 느슨한 상태에서 원호 형상을 갖고, 치형 벨트는 자유 스팬이 느슨한 상태인 경우에 구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에 팽팽한 상태의 제2 스팬을 가지며, 드라이브의 작동 방향에 따라 자유 스팬은 제2 스팬으로서 작동 가능하고, 제2 스팬은 자유 스팬으로서 작동 가능하다.

Description

풍력 터빈 벨트 드라이브 피치 제어
본 발명은 구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에 자유 스팬(span) - 이 자유 스팬은 느슨한 상태인 경우에 원호 형상을 가짐 - 을 갖는 치형 벨트를 포함하는 풍력 터빈 벨트 드라이브 피치 제어에 관한 것이다.
풍력 터빈은 통상적으로 풍속 변화에 대처하기 위해 능동 블레이드 피치 제어를 요구한다. 풍속이 낮은 경우, 블레이드 피치(어택 각도)는 풍력 에너지를 얻기 위해 필요하다면 증가 또는 조정될 수 있다. 다른 한편으로, 풍속이 증가하면, 블레이드 어택 각도는 또한 블레이드 및 터빈에 대한 구조적 손상을 초래하는 가능한 과속을 피하기 위해 조정될 수 있다.
종래, 블레이드 피치 제어는 기어 드라이브에 의해 실현된다. 시스템은 대체로 구동 모터, 기어박스 및 구동 링을 포함한다. 터빈 블레이드는 각각의 구동 링에 부착된다. 각각의 구동 링의 회전은 블레이드 어택 각도(피치)를 조정한다. 블레이드들은 일제히 조정된다.
벨트 드라이브도 또한 블레이드 피치를 제어하는 데 사용된다. 종래 기술의 시스템은 양쪽 개방 단부 상의 조정식 클램프 의해 예하중을 받는 상태로 팽팽하게 유지되는 벨트를 포함한다. 권취각을 증가시키고 치형부 점핑(jumping)을 방지하도록 벨트를 구동 스프로켓 주위에서 라우팅하기 위해 이면측 아이들러가 사용된다. 그러나, 이면측 아이들러의 사용은 벨트 수명에 악영향을 줄 수 있다.
대표적인 기술은 미국 특허 제9,541,173호이며, 이 미국 특허는 제1 스프로켓, 제2 스프로켓, 치형 벨트 길이를 갖고 제1 스프로켓과 제2 스프로켓 사이에서 견인되는 치형 벨트, 치형 벨트와 협동 관계이고 치형 벨트로부터 예정된 거리(B)를 두고 배치되는 제1 선형 안내 부재, 및 치형 벨트와 협동 관계이고 치형 벨트로부터 예정된 거리(B)를 두고 배치되는 제2 선형 안내 부재를 포함하며, 치형 벨트 길이는, 치형 벨트가 치형 벨트 압축 스팬 시에 제1 스프로켓과 제2 스프로켓 사이에 자유 스탠딩 원호형 스팬을 형성하도록 드라이브 길이보다 큰 것인, 압축 스팬을 갖는 치형 벨트 드라이브를 개시한다.
구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에 자유 스팬 - 이 자유 스팬이 느슨한 상태인 경우 원호 형상을 가짐 - 을 갖는 치형 벨트를 포함하는 풍력 터빈 벨트 드라이브 피치 제어가 필요하다. 본 발명은 이러한 필요를 충족시킨다.
본 발명의 양태는 구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에 자유 스팬 - 이 자유 스팬은 느슨한 상태인 경우에 원호 형상을 가짐 - 을 갖는 치형 벨트를 포함하는 풍력 터빈 벨트 드라이브 피치 제어를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 양태들은 후술하는 발명의 상세한 설명 및 첨부 도면에 의해 알 수 있거나 명백해질 것이다.
본 발명은 블레이드 피치 드라이브로서, 구동 스프로켓, 종동 스프로켓, 및 구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에서 견인되는 치형 벨트를 포함하고, 치형 벨트는 구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에 자유 스팬을 가지며, 자유 스팬은 느슨한 상태인 경우에 원호 형상을 갖고, 치형 벨트는, 자유 스팬이 느슨한 상태인 경우에 구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에 팽팽한 상태의 제2 스팬을 가지며, 드라이브의 작동 방향에 따라 자유 스팬은 제2 스팬으로서 작동 가능하고, 제2 스팬은 자유 스팬으로서 작동 가능한 것인 벨트 피치 드라이브를 포함한다.
본 명세서에 포함되어 그 일부를 이루는 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 기능을 한다.
도 1은 풍력 터빈 블레이드 피치 이동을 보여주는 도면이다.
도 2는 종래 기술의 풍력 터빈 블레이드 피치 제어 기구를 보여주는 도면이다.
도 3은 종래 기술의 블레이드 피치 제어 기구를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 블레이드 피치 제어 기구의 개략도이다.
도 5는 제1 회전 방향으로 이동하는 본 발명의 블레이드 피치 제어 기구의 개략도이다.
도 6은 제2 회전 방향으로 이동하는 본 발명의 블레이드 피치 제어 기구의 개략도이다.
도 1은 풍력 터빈 블레이드 피치 이동을 보여주는 도면이다. 풍력 터빈은 통상적으로 풍속 변화에 대처하기 위해 능동 블레이드 피치 제어를 요구한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 풍속이 낮은 경우, 블레이드 피치(어택 각도)는 풍력 에너지를 얻기 위해 a1에서 a3로 증가될 수 있다. 다른 한편으로, 풍속이 증가하면, 블레이드 어택 각도는 블레이드 및 터빈에 대한 구조적 손상을 초래하는 가능한 과속을 피하기 위해, 예컨대 a1, a2 또는 a3에서 a4로 감소될 수 있다. 블레이드는 회전이 정지되는 위치 a4에서 “페더링(feathering)”된다.
도 2는 종래 기술의 풍력 터빈 블레이드 피치 제어 기구를 보여주는 도면이다. 피치 제어 기구는 통상적으로 풍력 터빈 프로프(prop)의 허브에 포함된다. 종래, 블레이드 피치 제어는 도 2에 도시한 바와 같은 기어 드라이브에 의해 실현된다. 시스템은 대체로 구동 모터(D), 기어박스(G) 및 구동 링(R)을 포함한다. 터빈 블레이드(TB)(도 1)는 각각의 구동 링(R)에 부착된다. 각각의 구동 링(R)의 회전은 블레이드 어택 각도(피치)를 조정한다. 블레이드들은 동시에 조정된다.
도 3은 종래 기술의 블레이드 피치 제어 기구를 보여주는 도면이다. 도 3은, 구동 모터(A), 단부 개방 치형 벨트(B), 이면측 안내 아이들러(C), 구동 링(R) 및 벨트 클램프(E)로 구성된 종래 기술의 벨트 피치 드라이브 레이아웃을 보여준다. 클램프(E)는 벨트(B)의 단부를 구동 링(R)에 부착한다.
기어 드라이브에 대한 벨트 드라이브의 장점은 특히 연안 설비에 있어서 부식 및 거친 환경에 저항하는 능력이다. 그러나, 종래 기술의 시스템의 벨트 고장은 인장 코드 손상을 초래할 수 있는 벨트(B)의 후방 굴곡에 의해 유발되는 경향이 있다. 당업계에 알려진 바와 같이, 벨트(B)는 인장 하중을 전달하기 위한 인장 코드를 포함한다.
이면측 아이들러(C)는 치형부 점핑을 방지하기 위해 소형 구동 스프로켓(S)에 대한 충분한 권취각을 갖도록 벨트(B)를 라우팅하는 데 사용된다. 피치 제어 조정 중에 드라이브가 시계 방향 및 반시계 방향으로 회전하기 때문에, 시계 방향 회전 중의 느슨한 스팬은 반시계 방향 회전 동안에 팽팽한 스팬이 될 것이다. 높은 설치 장력, 후방 굴곡 및 소형 스프로켓 반경의 조합은 인장 코드 손상의 주요한 요인이다. 제2 손상은 반복되는 전후방 피치 제어 조정 중에 스프로켓(S) 및 아이들러(C)와 맞물리는 벨트의 동일한 섹션에 의해 유발되는 치형부 전단이다.
도 4는 본 발명의 블레이드 피치 제어 기구의 개략도이다. 본 발명의 압축 벨트 드라이브는 종래 기술의 2가지 결점, 즉 (1) 높은 인장을 받는 작은 반경의 후방 굴곡, 및 (2) 벨트의 동일한 섹션의 반복된 사용을 해결한다. 벨트 드라이브는 구동 모터(10), 벨트(20), 베어링(30, 31), 대형 구동 링(40) 및 2개의 안내부(50, 51)를 포함한다. 베어링(30, 31)은 이면측 아이들러(C) 대신에 사용되는데, 그 이유는 베어링 O.D.가 본 발명의 시스템에서 소형일 수 있기 때문이다. 베어링(30, 31)은, 벨트 스팬이 예정된 회전 방향에 있어서 구동 스프로켓(11)에 접하는 각 지점에 배치된다. 베어링(30, 31)은 양 회전 방향에 있어서 벨트(20)를 스프로켓(11)과 맞물리게 유지한다. 베어링은 또한 팽팽한 측이 스프로켓(11) 둘레에 권취되는 것을 방지한다. 벨트(20)는 루프를 형성하는 무단 또는 연속 벨트이다. 터빈 블레이드(도시하지 않음)는 각각의 구동 링(40)에 부착된다.
벨트 안내부(50, 51)는 벨트와의 지속적인 접촉을 방지하기 위해 소정 클리어런스를 두고 벨트 접선 방향 스팬에 평행하다. 벨트(20)는 드라이브 길이보다 긴 길이를 갖도록 계획적으로 선택될 수 있다.
설치 중에 벨트는 느슨한 측 섹션(60)에서 내측 방향으로 좌굴되는데, 그 이유는 벨트 안내부(50)가 벨트가 외측 방향으로 좌굴되는 것을 방지하기 때문이다. 느슨한 측 섹션(60)은 설치될 때에 원호 형상을 갖는다. 구동 링(40)에 대한 스프로켓(11)의 위치는 느슨한 측 섹션(60)이 느슨한 조건에서 원호 형상을 가질 수 있도록 선택된다. 벨트 굴곡 강성은 벨트(20)가 스프로켓(11)의 반경을 따를 수 있도록 선택된다.
일단 설치되고 나면, 벨트는 안정적이고 스프로켓(11)과 맞물리며, 이는 스프로켓(11) 둘레의 벨트(20)의 권취각을 증가시킨다. 느슨한 측 섹션(60)은, 해당 섹션(60)의 길이를 따라 벨트와 접촉하는 아이들러나 다른 스프로켓이 없는, 스프로켓(11)과 구동 링(40) 사이의 자유 스팬이다.
느슨한 측 섹션(60)의 반경(R2)은 종래 기술의 이면측 아이들러(C)와 맞물리는 벨트(B)의 반경(R1)보다 크다(도 3 참고). 이 구성은 벨트에서의 후방 굴곡 응력을 감소시킨다.
도 5는 제1 회전 방향으로 이동하는 본 발명의 블레이드 피치 제어 기구의 개략도이다. 도 5는 느슨한 스팬(60)과 팽팽한 스팬(70) 간의 벨트 좌굴 위치를 비교한 것을 보여준다. 작동 시, 구동 링(40)은 회전하지 않지만, 구동 스프로켓(11)은 느슨한 측에서 과량의 벨트 길이를 줄이도록 자유롭게 회전할 수 있다. 회전 방향이 역전되면 느슨한 측과 팽팽한 측이 역전된다. 즉, 느슨한 측 스팬이 팽팽한 스팬으로 전환될 때, 좌굴된 느슨한 측 스팬이 직선형의 팽팽한 측 스팬이 된다. 이것은 팽팽한 측 스팬 상에서의 이면측 아이들러(C)에 대한 필요성을 제거한다.
압축 구동부는 구동 스프로켓과 종동 스프로켓 모두에 접하는 단지 하나의 벨트 원호 섹션(70)을 갖고, 반경이 현저히 증가된다. 벨트의 굴곡 반경이 클수록 인장 코드에 대한 손상은 감소된다. 더욱이, 벨트 치형부의 개수는 통상 구동 링 스프로켓 치형부의 개수보다 많고, 이에 따라 구동 링의 1 회전이 결코 벨트가 드라이브를 따라 동일한 위치로 다시 가게 하지 않을 것이다.
제한이 아닌 예로써, 예시적인 시스템에서
1. 벨트(20)는 586개의 치형부를 갖고,
2. 구동 링(40)은 552개의 치형부를 가지며,
3. 블레이드 피치 회전 범위는, 구동 링이 해당 회전 범위에 걸쳐 138개의 치형부와 맞물리도록 90도이고,
4. 벨트 길이는 34개 치형부만큼 구동 링 둘레를 초과하며,
5. 구동 링이 주기적으로 360° 4회전 하면, 이것은 구동 링 상에서 벨트를 136개의 치형부만큼 전진시킬 것이고, 이는 벨트의 새로운 섹션이 후속 작동 간격을 위해 사용될 수 있고, 이에 의해 종래 기술의 시스템에 비해 벨트 작동 수명을 증가시킴을 의미한다.
도 6은 제2 회전 방향으로 이동하는 본 발명의 블레이드 피치 제어 기구의 개략도이다. 도 6은 하나의 종동 스프로켓 회전 전후의 벨트 섹션을 보여준다. 이 전략은, 긴 1회의 지속 기간 후, 예컨대 1년 후, 종동 스프로켓이 1 회전만큼 진행하고, 벨트가 상이한 위치로 진행하며, 그 결과 상이한 벨트 섹션이 피치 제어 조정을 위해 사용되는 방식으로 용이하게 구현될 수 있다.
느슨한 측 섹션(60)과 팽팽한 측 섹션(70)은 드라이브의 작동 방향에 따라 위치를 변경할 수 있다. 구동 방향 D1에 있어서, 벨트 섹션(60)이 느슨한 측이다. 구동 방향 D2에 있어서, 벨트 섹션(70)이 느슨한 측이다. 안내부(50)는 섹션(60)이 느슨한 측인 경우에 외측 방향으로 휘는 것을 방지한다. 안내부(51)는 섹션(70)이 느슨한 측인 경우에 외측 방향으로 휘는 것을 방지한다.
본 발명의 드라이브는 3가지 장점, 즉 (1) 이면측 아이들러(C) 주위의 후방굴곡 하의 팽팽한 고인장 스팬을 제거하는 장점; (2) 느슨한 스팬의 후방 굴곡 반경(R2)을 현저히 증가시키는 장점; 및 (3) 동일한 벨트 섹션이 구동 스프로켓(11)과 반복하여 맞물리는 것을 피하는 장점을 제공한다.
블레이드 피치 드라이브는, 구동 스프로켓, 종동 스프로켓, 및 구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에서 견인되는 치형 벨트를 포함하고, 치형 벨트는 구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에 자유 스팬을 가지며, 자유 스팬은 느슨한 상태에서 원호 형상을 갖고, 치형 벨트는, 자유 스팬이 느슨한 상태인 경우에 구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에 팽팽한 상태의 제2 스팬을 가지며, 드라이브의 작동 방향에 따라 자유 스팬은 제2 스팬으로서 작동 가능하고, 제2 스팬은 자유 스팬으로서 작동 가능하다.
여기에서 본 발명의 형태를 설명하였지만, 여기에 설명한 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나는 일 없이 부품들의 구성 및 관계에 있어서 변형이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 달리 특별히 언급하지 않는 한, 도면에 도시한 구성요소는 실축척으로 도시되지 않는다. 더욱이, “...을 위한 수단” 또는 “...을 위한 단계”라는 단어가 특정 청구항에서 명확히 사용되지 않는 한, 첨부한 청구범위 또는 청구 요소들 중 어느 것도 35 U.S.C. §112 (f)에 적용되는 것으로 의도되지 않는다. 본 개시는 어떠한 방식으로든 여기에서 설명되는 도면에 예시된 예시적인 실시예 또는 수치 치수로 제한되어서는 안 된다.

Claims (11)

  1. 블레이드 피치 드라이브로서,
    구동 스프로켓;
    종동 스프로켓; 및
    구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에서 견인되는 치형 벨트
    를 포함하고, 치형 벨트는 구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에 자유 스팬(span) - 이 자유 스팬은 느슨한 상태인 경우에 원호 형상을 가짐 - 을 가지며,
    치형 벨트는, 자유 스팬이 느슨한 상태인 경우에 구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에 팽팽한 상태의 제2 스팬을 갖고,
    드라이브의 작동 방향에 따라 자유 스팬은 제2 스팬으로서 작동 가능하고, 제2 스팬은 자유 스팬으로서 작동 가능한 것인 블레이드 피치 드라이브.
  2. 제1항에 있어서, 치형 벨트는 무단인 것인 블레이드 피치 드라이브.
  3. 제1항에 있어서, 자유 스팬 돌출 방향을 제어하는 안내부를 더 포함하는 블레이드 피치 드라이브.
  4. 제1항에 있어서, 제2 안내부를 더 포함하는 블레이드 피치 드라이브.
  5. 제1항에 있어서, 치형 벨트가 제1 작동 방향에 있어서 구동 스프로켓에 접하는 위치에서 구동 스프로켓에 인접하게 위치하는 제1 베어링을 더 포함하는 블레이드 피치 드라이브.
  6. 제5항에 있어서, 치형 벨트가 제2 작동 방향에 있어서 구동 스프로켓에 접하는 위치에서 구동 스프로켓에 인접하게 위치하는 제2 베어링을 더 포함하는 블레이드 피치 드라이브.
  7. 블레이드 피치 드라이브로서,
    구동 스프로켓;
    종동 스프로켓; 및
    구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에서 견인되는 치형 벨트로서,
    치형 벨트는 구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에 자유 스팬 - 이 자유 스팬은 느슨한 상태인 경우에 원호 형상을 가짐 - 을 가지며,
    치형 벨트는, 자유 스팬이 느슨한 상태인 경우에 구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에 팽팽한 상태의 제2 스팬을 갖고,
    드라이브의 작동 방향에 따라 자유 스팬은 제2 스팬으로서 작동 가능하고, 제2 스팬은 자유 스팬으로서 작동 가능한 것인 치형 벨트;
    치형 벨트가 제1 작동 방향에 있어서 구동 스프로켓에 접하는 위치에서 구동 스프로켓에 인접하게 위치하는 제1 베어링; 및
    치형 벨트가 제2 작동 방향에 있어서 구동 스프로켓에 접하는 위치에서 구동 스프로켓에 인접하게 위치하는 제2 베어링
    을 포함하는 블레이드 피치 드라이브.
  8. 제7항에 있어서, 치형 벨트는 무단인 것인 블레이드 피치 드라이브.
  9. 제7항에 있어서, 자유 스팬 돌출 방향을 제어하는 안내부를 더 포함하는 블레이드 피치 드라이브.
  10. 제9항에 있어서, 제2 안내부를 더 포함하는 블레이드 피치 드라이브.
  11. 블레이드 피치 드라이브로서,
    구동 스프로켓;
    종동 스프로켓;
    구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에서 견인되는 치형 벨트로서,
    치형 벨트는 구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에 자유 스팬 - 이 자유 스팬은 느슨한 상태인 경우에 원호 형상을 가짐 - 을 갖고,
    치형 벨트는, 자유 스팬이 느슨한 상태인 경우에 구동 스프로켓과 종동 스프로켓 사이에 팽팽한 상태의 제2 스팬을 갖고,
    드라이브의 작동 방향에 따라 자유 스팬은 제2 스팬으로서 작동 가능하고, 제2 스팬은 자유 스팬으로서 작동 가능한 것인 치형 벨트;
    자유 스팬 돌출 방향을 제어하는 안내부;
    치형 벨트가 제1 작동 방향에 있어서 구동 스프로켓에 접하는 위치에서 구동 스프로켓에 인접하게 위치하는 제1 베어링; 및
    치형 벨트가 제2 작동 방향에 있어서 구동 스프로켓에 접하는 위치에서 구동 스프로켓에 인접하게 위치하는 제2 베어링
    을 포함하는 블레이드 피치 드라이브.
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