KR20230146463A

KR20230146463A - 가요성 커플링을 지닌 풍력 터빈 프레임

Info

Publication number: KR20230146463A
Application number: KR1020230045936A
Authority: KR
Inventors: 카스쿠에로 프란시스코 자비에르 에카르테; 브루 드 퀴사르 세바스티앙 디가르; 존 티 올젠
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 레노바블레스 에스빠냐 에스.엘.유.
Priority date: 2022-04-12
Filing date: 2023-04-07
Publication date: 2023-10-19
Also published as: JP2023156245A; US20230323860A1; EP4261404A1; CN116906258A

Abstract

본 개시는 풍력 터빈 타워(15) 및 타워(15)에 연결되는 주 프레임(110)을 포함하는 나셀을 포함하는 풍력 터빈(10)에 관한 것이다. 풍력 터빈은 주 프레임(110)에 연결되는 보조 구조체(120)와, 주 프레임(110)에서 보조 구조체(120)에 전달되는 변형을 감소시키도록 구성된, 주 프레임(110)과 보조 구조체(120) 사이의 하나 이상의 가요성 커플링(130)을 더 포함한다. 본 개시는 또한 주 프레임(110)에 연결되도록 구성되는 보조 구조체(120)와, 풍력 터빈(10)의 보조 구조체(120)를 개장하는 방법(700)에 관한 것이다.

Description

가요성 커플링을 지닌 풍력 터빈 프레임{WIND TURBINE FRAME WITH FLEXIBLE COUPLING}

본 개시는 가요성 커플링을 포함하는 풍력 터빈에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 주(主) 프레임과 보조 구조체 사이에 가요성 커플링을 포함하는 풍력 터빈에 관한 것이다. 본 개시는 또한 보조 구조체와, 풍력 터빈의 보조 구조체의 개장 방법에 관한 것이다.

최신 풍력 터빈은 통상적으로 전력망에 전기를 공급하는 데 사용된다. 이러한 유형의 풍력 터빈은 대체로 타워, 나셀 및 로터를 포함한다. 통상적으로 허브와 복수 개의 블레이드를 포함하는 로터는 블레이드에 대한 바람의 영향을 받아 회전하도록 설정된다. 이러한 회전은 직접 (“직접 구동식”) 또는 기어박스의 사용을 통해 발전기로 전달된다. 이러한 방식으로, 발전기는 전력망에 공급될 수 있는 전력을 생성한다.

바람에서 보다 많은 에너지를 추출하기 위해, 로터 직경의 크기는 지난 여러 해에 걸쳐 풍력 터빈 블레이드의 크기를 증가시키는 것에 의해 현저히 증가되었다. 블레이드의 크기가 커질수록 블레이드를 통해 로터, 나셀 밑 타워로 전달되는 공기역학적 하중이 커진다. 예컨대, 로터 블레이드가 커지면 보다 큰 공기역학적 모멘트 등으로 인해 응력, 변형 및 진동이 증가할 수 있고, 이들은 로터 허브 및 나셀로 전달된다. 전달된 응력, 변형 및 진동은 극한의 이벤트나 피로 수명 요건 모두의 면에서 어려운 설계 제약을 초래할 수 있다.

풍력 터빈 나셀의 프레임과 같은 풍력 터빈 구성요소의 구조적 손상 가능성은 일반적으로 보다 크고, 보다 무거우며, 보다 내성이 있는 구성요소의 제조에 의해 보상된다. 나셀 프레임의 경우, 이러한 접근법은 재료비의 증가와, 나셀 전체 중량의 현저한 증가를 초래한다. 또한, 보다 큰 프레임의 설치는, 타워가 나셀과 나셀에 작용하는 하중을 안전하게 버틸 수 있도록 보다 강건한 타워 구조를 마련하는 것을 필요로 할 수 있다. 보다 크고 보다 무거운 프레임을 사용하더라도, 이 프레임은 여전히 동적 하중을 겪어, 궁극적으로 동적 하중으로 인해 손상될 수 있다.

본 개시는 풍력 터빈 나셀에 있는 프레임의 조기 손상을 피하거나 감소시키고 기존의 접근법의 결점 일부를 극복하는 시스템 및 방법의 예를 제공한다.

제1 양태에서, 풍력 터빈이 제공된다. 풍력 터빈은 풍력 터빈 타워 및 주 프레임을 포함하는 나셀을 포함하고, 주 나셀은 타워에 연결된다. 풍력 터빈은 주 프레임에 연결되는 보조 구조체와, 주 프레임에서 보조 구조체로의 변형의 전달을 감소시키도록 구성된, 주 프레임과 보조 구체 사이의 하나 이상의 커플링을 더 포함한다.

제1 양태에 따르면, 풍력 터빈의 주 프레임과 보조 구조체 사이에 설치되는 하나 이상의 커플링은 주 프레임에서 보조 구조체로 전달되는 변형의 크기를 감소시켜, 보조 구조체에 도입되는 응력의 수준을 감소시킨다. 주 프레임은 풍력 터빈 로터에 대한 비대칭 하중으로 인해 비대칭 변형을 겪을 수 있다. 주 프레임의 이러한 비대칭 변형은 보조 구조체에 전달되는 경우에 보조 구조체에 상당한 응력과 스트레인을 초래할 수 있다. 가요성 커플링은 이러한 응력을 방지하거나 현저히 감소시킬 수 있다. 따라서, 보조 구조체는 가요성 커플링이 마련되지 않는 경우에 비해 보다 좁은 하중 엔벨로프를 고려하여 제조될 수 있다. 그 결과, 보조 구조체는 보다 경량의 프레임으로서 제조될 수 있고, 보다 단순한 구조를 가질 수 있다.

다른 양태에서, 주 프레임에 연결되는 풍력 터빈의 보조 구조체를 개장하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 주 프레임에 연결되는 보조 구조체의 구조 요소의 부분을 절단하는 단계와, 구조 요소의 일부에, 절단된 상기 부분을 대신하여 가요성 커플링을 마련하는 단게를 포함한다. 상기 방법은 또한 가요성 커플링을 통해 보조 구조체를 주 프레임에 커플링하는 단계를 더 포함하고, 가요성 커플링은 보조 구조체로의 주 프레임의 변형 전달을 감소시키도록 구성된다.

이 양태에 따른 방법은, 이미 작동 중인 풍력 터빈에 풍력 터빈의 보조 구조체를 개장할 수 있게 한다. 특히, 상기 방법은 나셀 프레임 조립체의 서비스 수명을 현저히 증가시키는 것을 가능하게 한다.

또 다른 양태에서, 풍력 터빈의 보조 구조체가 제공된다. 보조 구조체는 풍력 터빈의 주 프레임에 연결되도록 구성된 복수 개의 구조 요소를 포함한다. 구조 요소 중 적어도 하나는 주 프레임에서 보조 구조체로 전달되는 수평 변형을 감소시키도록 구성된 가요성 커플링을 포함한다. 그리고 구조 요소 중 적어도 다른 하나는 주 프레임에서 보조 구조체로 전달되는 수평 및 수직 변형을 감소시키도록 구성된 가요성 커플링을 포함한다.

또 다른 양태에서, 보조 구조체에서의 진동을 감소시키는 방법이 제공된다. 보조 구조체는 풍력 터빈의 주 프레임에 연결된다. 상기 방법은 주 프레임과 보조 구조체 사이에 하나 이상의 강성 커플링을 마련하는 단계를 포함하고, 이에 따라 주 프레임의 변형이 가요성 커플링에 의해 부분적으로 흡수되고, 주 프레임의 진동의 적어도 일부가 보조 구조체로 전달되지 않는다.

본 개시 전반에 걸쳐, 주 프레임은 풍력 터빈 로터와 풍력 터빈 타워 사이의 주 하중 경로에 배치되는 하중 지탱 구조체로서 간주된다. 즉, 주 프레임은 일반적으로 요 베어링을 통해 하중을 타워로 전달하는 하중 지탱 구조체이다. 주 프레임은 또한 중심 프레임 또는 주 프레임이라고도 할 수 있다.

본 개시 전반에 걸쳐 사용되는 보조 구조체는 주 하중 경로에 배치되지 않은 (하중 지탱) 구조체로서 간주될 수 있다. 보조 구조체는 보조 기계 또는 전기 시스템과 같은 보조 시스템, 구체적으로는 파워 변환 조립체 또는 그 구성요소를 수용하거나 수납하기 위해 사용될 수 있다.

본 개시 전반에 걸쳐, 수직방향은 중력 방향에 거의 평행한 방향으로서 이해되어야 하고, 수평 방향은 지면에 거의 평행하고 수직 방향에 거의 수직한 방향으로서 이해되어야 한다.

본 개시의 비제한적인 예가 첨부도면을 참고로 하여 아래에서 설명될 것이다.
도 1은 일례에 따른 풍력 터빈의 사시도.
도 2는 일례에 따른 풍력 터빈의 나셀의 상세한 내부도.
도 3은 다른 예에 따른 중앙 프레임 및 보조 구조체의 개략적인 분해도.
도 4는 다른 예에 따른 보조 구조체의 개략적인 사시도.
도 5는 일례에 따른 중앙 프레임 및 보조 구조체 사이의 가요성 커플링에 관한 상세도.
도 6은 일례에 따른 자립형 가요성 커플링의 사시도.
도 7은 일례에 따른, 풍력 터빈의 개장 방법에 관한 블럭 다이어그램.

이제, 본 개시의 실시예 - 이 실시예의 하나 이상의 예가 도면에 도시되어 있음 - 를 상세히 참고하겠다. 각각의 예는 본 발명을 제한하는 것이 아니라, 단지 설명으로써 제공된다. 사실상, 본 개시에서 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있다는 점이 당업자에게 명백할 것이다. 예컨대, 일실시예의 부분으로서 예시되거나 설명되는 피쳐는 다른 실시예와 함께 사용되어 또 다른 실시예를 구성할 수 있다. 이에 따라, 본 개시는, 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에 속하는 한 그러한 수정 및 변형을 포함한다.

도 1은 풍력 터빈(10)의 일례의 사시도이다. 이 예에서, 풍력 터빈(10)은 수평축형 풍력 터빈이다. 대안으로서, 풍력 터빈(10)은 수직축형 풍력 터빈일 수 있다. 상기 예에서, 풍력 터빈(10)은 지면(11)으로부터 연장되는 타워(15), 타워(15) 상에 장착되는 나셀(16), 및 나셀(16)에 커플링되는 로터(18)를 포함한다. 로터(18)는 회전식 허브(20)와, 이 허브(20)에 커플링되고, 허브로부터 외측방향으로 연장되는 적어도 하나의 로터 블레이드(22)를 포함한다. 상기 예에서, 로터(18)는 3개의 로터 블레이드(22)를 갖는다. 변형예에서, 로터(18)는 3개보다 많거나 적은 로터 블레이드(22)를 포함한다. 타워(15)는 지지 시스템(14)과 나셀(16) 사이에 공동(도 1에는 도시되어 있지 않음)을 획정하는 관형 강으로 제조될 수 있다. 변형예에서, 타워(15)는 임의의 적절한 높이를 갖는 임의의 적절한 타입의 타워이다. 변형예에 따르면, 타워는 콘크리트로 형성된 부분과 관형 강 부분을 포함하느 하이브리드 타워일 수 있다. 또한, 타워는 부분적인 또는 완전한 래티스 타워(lattice tower)일 수 있다.

로터 블레이드(22)는 로터(18)의 회전을 용이하게 하도록 허브(20) 둘레에서 이격되어, 바람으로부터의 운동 에너지가 가용 기계 에너지로 그리고 이어서 전기 에너지로 변환되게 한다. 로터 블레이트(22)는 복수 개의 하중 전달 영역(26)에서 블레이드 기저부(24)를 허브(20)에 커플링하는 것에 의해 허브(20)에 결합된다. 하중 전달 영역(26)은 허브 하중 전달 영역과 블레이드 하중 전달 영역(도 1에는 양자 모두가 도시되어 있지 않음)을 가질 수 있다. 로터 블레이드(22)에 도입되는 하중은 하중 전달 영역(26)을 통해 허브(20)로 전달된다. 바람이 풍향(28)으로부터 로터 블레이드(22)를 가격하면, 로터(18)는 로터축(30)을 중심으로 회전한다. 로터 블레이드(22)가 회전하고 원심력을 받을 때, 로터 블레이드(22)는 다양한 힘 및 모멘트도 또한 받는다. 이와 같이, 로터 블레이드(22)는 중립 또는 비편향 위치에서 편향 위치로 편향 및/또는 회전할 수 있다.

더욱이, 로터 블레이드(22)의 피치각, 즉 풍향에 대한 로터 블레이드(22)의 방위를 결정하는 각은, 바람 벡터에 대하여 적어도 하나의 로터 블레이드(22)의 각 위치를 조정하는 것에 의해 풍력 터빈(10)에 의해 생성되는 하중 및 전력을 제어하는 피치 시스템(32)에 의해 변경될 수 있다. 로터 블레이드(22)의 피치축(34)이 도시되어 있다. 풍력 터빈(10)의 작동 중에, 피치 시스템(32)은 특히 로터 블레이드(22)의 피치각을 변경할 수 있고, 이에 따라 로터 블레이드의 (부분의) 어택각(angle of attack)이 감소되고, 이는 회전 속도 감소를 용이하게 하고/하거나, 로터(18)의 실속(失速)을 용이하게 한다.

예에서, 각각의 로터 블레이드(22)의 블레이드 피치는 풍력 터빈 제어기(36)에 의해 또는 피치 제어 시스템(80)에 의해 개별 제어된다. 대안으로서, 모든 로터 블레이드(22)를 위한 블레이드 피치는 상기 제어 시스템에 의해 동시에 제어될 수 있다.

더욱이, 예에서 풍향(28)이 변하면, 나셀(16)의 요(yaw) 방향이 요축(38)을 중심으로 회전하여, 풍향(28)에 대해 로터 블레이드(22)를 위치 설정할 수 있다. 예에서, 풍력 터빈 제어기(36)는 나셀(16) 내에서 중심 배치된 것으로 도시되어 있지만, 풍력 터빈 제어기(36)는 풍력 발전 단지 내에 풍력 터빈(10) 전체에 걸쳐, 지지 시스템(14) 상에, 풍력 단지 내의 분배형 시스템일 수도 있고/있거나 원격 제어 센터에 마련될 수도 있다. 풍력 터빈 제어기(36)는 여기에서 설명하는 방법 및/또는 단계를 수행하도록 구성된 프로세서(40)를 포함한다. 더욱이, 여기에서 설명하는 여러 기타 구성요소는 프로세서를 포함한다.

도 2는 풍력 터빈(10)의 일부분에 관한 확대 단면도이다. 예에서, 풍력 터빈(10)은 나셀(16)과 나셀(16)에 회전 가능하게 커플링되는 로터(18)를 포함한다. 보다 구체적으로, 로터(18)의 허브(20)는 메인 샤프트(44), 기어박스(46), 고속 샤프트(48) 및 커플링(50)에 의해 나셀(16) 내에 위치 설정되는 발전기(42)에 회전 가능하게 커플링된다. 예에서, 메인 샤프트(44)는 나셀(16)의 종축(도시하지 않음)과 적어도 부분적으로 동축으로 배치된다. 메인 샤프트(44)의 회전은 기어박스(46)를 구동하고, 기어박스는 후속하여 로터(18)와 메인 샤프트(44)의 상대적으로 저속 회전 동작을 고속 샤프트(48)의 상대적으로 고속 회전 동작으로 전환하는 것에 의해 고속 샤프트(48)를 구동한다. 고속 샤프트는 커플링(50)에 의해 전기 에너지를 생산하는 발전기(42)에 접속된다. 더욱이, 변압기(90) 및/또는 적절한 전자기기, 스위치 및/또는 인버터가, 발전기(42)에 의해 생산되고 전압이 400 V 내지 1000 V인 전기 에너지를 중간 전압(10 내지 35 KV)의 전기 에너지로 변환하기 위해 나셀(16) 내에 배치될 수 있다. 상기 전기 에너지는 전선을 통해 나셀(16)에서 타워(15)로 전달된다.

기어박스(46), 발전기(42) 및 변압기(90)는 선택적으로 메인 프레임(52)으로서 구현되는, 나셀(16)의 메인 지지 구조 프레임에 의해 지지될 수 있다. 기어박스(46)는, 하나 이상의 토크 아암(103)에 의해 메인 프레임(52)에 접속되는 기어박스 하우징을 포함할 수 있다. 예에서, 나셀(16)은 메인 전방 지지 베어링(60) 및 메인 후방 지지 베어링(62)도 또한 포함한다. 더욱이, 발전기(42)는, 특히 발전기(42)의 진동이 메인 프레임(52)으로 도입되고, 이에 의해 소음 방출 소스를 유발하는 것을 방지하기 위해 지지 수단(54)을 분리함으로써 메인 프레임(52)에 장착될 수 있다.

선택적으로, 메인 프레임(52)은 로터(18)와 나셀(16)의 구성요소의 중량과, 바람과 회전 하중에 의해 유발되는 전체 하중을 지탱하고, 더욱이 이들 하중을 풍력 터빈(10)의 타워(15)로 전달하도록 구성된다. 로터 샤프트(44), 발전기(42), 기어박스(46), 고속 샤프트(48), 커플링(50) 및 임의의 관련 체결, 지지 및/또는 고정 디바이스 - 지지체(52)와, 전방 지지 베어링(60) 및 후방 지지 베어링(62)을 포함하지만, 이것으로 제한되지 않음 - 는 이따금 구동 트레인(64)이라고 한다.

몇몇 예에서, 풍력 터빈은 기어박스(46)가 없는 직접 구동 풍력 터빈일 수 있다. 발전기(42)는 직접 구동 풍력 터빈에서 로터(18)와 동일한 회전 속도로 작동한다. 따라서, 상기 발전기는 일반적으로, 기어박스가 있는 풍력 터빈과 유사한 양의 전력을 제공하기 위해 기어박스(46)가 있는 풍력 터빈에서 사용되는 발전기보다 훨씬 큰 직경을 갖는다.

나셀(16)은 요 구동 기구(56)를 포함할 수 있고, 이 요 구동 기구는 풍향(28)에 대해 로터 블레이드(22)의 균형을 제어하기 위해, 나셀(16) 그리고 이에 따라 로터(18)를 요축(38)을 중심으로 회전시키는 데 사용될 수 있다.

풍향(28)에 대해 나셀(16)을 적절히 위치 설정하기 위해, 나셀(16)은 또한 풍향계 및 풍속계를 포함할 수 있는 적어도 하나의 기상 관측 시스템(58)도 또한 포함할 수 있다. 기상 관측 시스템(58)은 풍력 터빈 제어기(36)에 풍향(28) 및/또는 풍속을 포함할 수 있는 정보를 제공할 수 있다. 예에서, 피치 시스템(32)은 적어도 부분적으로 허브(20) 내의 피치 조립체(66)로서 구성된다. 피치 조립체(66)는 하나 이상의 피치 구동 시스템(68)과 적어도 하나의 센서(70)를 포함한다. 각각의 피치 구동 시스템(68)은 피치축(34)을 따라 로터 블레이드(22)의 피치각을 조절하기 위해 각각의 로터 블레이드(22)(도 1에 도시함)에 커플링된다. 3개의 피치 구동 시스템(68) 중 단 하나만이 도 2에 도시되어 있다.

예에서, 피치 조립체(66)는 피치축(34)을 중심으로 각각의 로터 블레이드(22)를 회전시키기 위해, 허브(20)와 각각의 로터 블레이드(22)(도 1에 도시함)에 커플링된 적어도 하나의 피치 베어링(72)을 포함한다.

피치 구동 시스템(68)은, 풍력 터빈 제어기(36)로부터 하나 이상의 신호 수신 시에 로터 블레이드(22)의 피치각을 조정하기 위해 풍력 터빈 제어기(36)에 커플링된다. 피치 조립체(66)는 특정 우선 순위 상황의 경우 및/또는 로터(18) 과속 중에 풍력 터빈 제어기(36)로부터의 제어 신호에 따라 피치 구동 시스템(68)을 제어하기 위해 하나 이상의 피치 제어 시스템(80)도 또한 포함할 수 있다.

도 3은 풍력 터빈의 주 프레임 및 보조 구조체의 개략적인 분해도를 보여준다. 풍력 터빈은 풍력 터빈 타워(도시하지 않음) 및 이 타워에 연결된 주 프레임(110)을 포함한다. 풍력 터빈은 주 프레임(11)에 연결되는 보조 구조체(120)와, 주 프레임(110)에서 보조 구조체(120)로 전달되는 변형을 감소시키도록 구성된, 주 프레임과 보조 구조체 사이의 하나 이상의 커플링(130)을 더 포함한다.

풍력 터빈은 복수 개의 블레이드를 포함하는 로터(도시하지 않음)를 포함한다. 이 예에서, 로터는 주 프레임(1100의 제1 측면에 위치한다. 보조 구조체(120)는 주 프레임(110)의 제2 측면에서 주 프레임(110)에 연결된다. 제1 측면은 제2 측면 반대측에 있다.

로터가 배치되는 주 프레임(110)의 제1 측면은 통상 주 프레임(110)의 바람이 불어오는 측일 수 있다. 주 프레임(110)의 제2 측면은 이에 따라 바람이 불어가는 측일 수 있다. 다른 예에서, 주 프레임(110)의 제1 측면은 바람이 불어가는 측일 수 있고, 주 프레임(110)의 제2 측면이 바람이 불어오는 측일 수 있다.

풍력 터빈은 주 프레임(110)과 보조 구조체(1200 사이에 하나 이상의 가요성 커플링(130)을 포함한다. 가요성 커플링(130)은 주 프레임(110)에서 보조 구조체(120)로 전달되는 변형을 감소시키도록 구성된다. 도 3에서 가요성 커플링(130)은 단순화를 위해 파선의 직사각형 박스로 개략적으로 도시되었다는 점에 유념하라. 도 4 내지 도 6과 아래의 설명이 사용 가능한 가요성 커플링(130)의 예에 관한 한층 더한 상세를 제공할 수 있다.

가요성 커플링(130)은 보조 구조체(120)에 작용하는 하중을 견디면서, 주 프레임(110)에서 보조 구조체(120)로 도입되는 하중 및 응력의 수준을 감소시키는 임의의 요소일 수도 있고, 이러한 요소를 포함할 수도 있다. 이에 따라, 가요성 커플링은 보조 구조체(120)와 주 프레임(110) 사이를 견고하게 연결할 수 있다.

예에서, 가요성 커플링(130)은 탄성중합체 재료 또는 보조 구조체(120)를 제조하는 재료보다 실질적으로 더 가요성이 있는 재료를 포함할 수 있다. 추가로, 가요성 커플링(130)은 보조 구조체(120)와 중앙 프레임(110) 간의 특정 정도의 동작이 가능하도록 금속 스프링 또는 그로워 와셔(grower washer)를 포함할 수 있다. 몇몇 예에서, 가요성 커플링(130)은 중앙 프레임(110)과 보조 구조체(120) 간의 상대 변위를 가능하게 하는 슬라이딩 기구도 또한 포함할 수 있다.

몇몇 예에서는 도 3에서와 같이, 주 프레임(110)이, 타워의 요 베어링에 연결하도록 구성된 거의 수평인 평면을 포함하는 베이스 구조체(111)를 포함할 수 있다. 또한, 주 프레임은 로터 지지 구조체에 연결하도록 구성된 거의 수직인 평면을 포함하는 전방 구조체(112)도 또한 포함할 수 있다. 추가로, 보조 구조체(120)는 베이스 구조체(111)나 그 근처에서 또는 전방 구조체(112)나 그 근처에서 주 프레임(110)에 연결될 수 있다.

다른 예에서, 주 프레임의 수직 평면에 연결되는 로터 지지 구조체는 전방 프레임 또는 중간 프레임일 수 있다. 풍력 터빈 구성요소의 구성에 따라, 로터 지지 구조체는 발전기 스테이터의 스테이터 구조체일 수도 있다.

몇몇 예에서, 풍력 터빈은 직접 구동 풍력 터빈일 수 있다. 다른 예에서, 이 예에 따른 풍력 터빈은 기어박스를 지닌 풍력 터빈일 수 있다.

도 3에서 알 수 있다시피, 보조 구조체(120)는 헬리패드를 형성하는 데 필수적인 모든 부품 및 구성요소를 지지하도록 구성된 헬리패드 영역(121)을 포함할 수 있다. 풍력 터빈의 나셀에 있는 헬리패드 영역(121)은 대체로 나셀 상부에 있는 플랫폼으로, 이 플랫폼은 풍력 터빈 구성요소의 부품을 조달 및 제거하는 데 사용되고, 이 플랫폼의 영역에서 사람을 대피시킬 수 있다. 나셀 하우징은 프레임 또는 프레임의 부품을 포함할 수 있다는 점이 명백할 것이다. 보조 구조체(120)는 다른 나셀 구성요소를 수용하도록 된 다른 구조적 구성요소를 포함할 수 있다.

도 4는 일례에 따른 풍력 터빈의 보조 구조체(120)를 개략적으로 보여준다. 보조 구조체(120)는 풍력 터빈의 주 프레임(이 도면에는 도시하지 않음)에 연결되도록 구성된 복수 개의 구조 요소(122, 123)를 포함한다.

구조 요소(122) 중 적어도 하나, 예컨대 거의 수평의 빔이 주 프레임에 도입되는 수평 변형이 전달되는 것을 감소시키도록 특별히 구성된 가요성 커플링(130)을 포함한다. 가요성 커플링(130)은 상기한 효과를 달성하도록 수평방향으로 특별한 가요성을 가질 수 있는데, 즉 주 프레임(110)과 수평방향 빔(122) 사이의 가요성 커플링은 수직방향보다 수평방향에서 더 큰 가요성을 가질 수 있다.

또한, 구조 요소(123) 중 적어도 다른 하나, 예컨대 수직 스트럿은 중앙 프레임(110)에서 보조 구조체(120)로 전달되는 수평 및 수직 변형 모두를 감소시키도록 구성된 가요성 커플링(130)을 포함한다.

도 4에도 또한 예시한 바와 같이, 보조 구조체(120)는 트러스 구조(125)를 포함할 수 있다. 트러스 구조(125)는 다양항 방식으로 구성되고 제조될 수 있다. 몇몇 예에서, 트러스 구조(125)는 인접한 트러스들로부터 등거리로 배치된, 외부 빔들 사이의 트러스를 포함할 수 있다. 트러스는 금속 프로파일 또는 금속 빔일 수 있다. 다른 예에서, 트러스는 복합재 또는 하이브리드 프로파일이나 빔일 수 있다. 트러스는 당업계에 알려진 임의의 체결 요소, 즉 리벳, 스팟 용접, 라인 용접 및 기타에 의해 빔(외부 빔 및 내부 빔 모두) 및/또는 서로 연결될 수 있다.

도 4에 도시한 예에서, 가요성 커플링(130) 중 적어도 하나는 사일런트 블럭(silentblock)을 포함할 수 있다. 사일런트 블럭의 예는 도 5 및 도 6과 관련하여 보다 상세히 설명할 것이다.

몇몇 예에서, 가요성 커플링(130) 중 적어도 하나는 특히 단일 방향으로의 변형 및 진동의 전달을 감소시키도록 구성된다. 몇몇 다른 예에서, 가요성 커플링(130) 중 적어도 하나는 특히 단일 방향으로의 변형 및 진동의 전달을 감소시키도록 구성된다.

추가로, 가요성 커플링(130)은, 중앙 프레임(110)에서 보조 구조체(120)로 전달되는, 보조 프레임에 도입되는 응력/손상 수준에 상당한 영향을 주는 주파수 범위의 진동을 실질적으로 감소시킨다. 구체적으로, 주파수 범위는 1 Hz 내지 50 Hz일 수 있다.

도 5는 중앙 프레임(110)과 보조 구조체(120) 사이의 가요성 커플링(130)에 관한 상세도를 보여준다. 상기 경우, 가요성 커플링(130)은 중앙 프레임(110)에 커플링되는 제1 단부, 탄성중합체 재료(132)를 포함하는 중간 부분 및 보조 구조체(120)에 커플링되는 제2 단부를 포함한다. 이에 따라, 중앙 프레임(110)의 변형은 탄성중합체 재료(132)에 의해 적어도 부분적으로 흡수될 수 있고, 보조 구조체(120)에 전달되는 응력(30)은 실질적으로 감소될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 다른 타입의 가요성 커플링(130), 즉 사일런트 블럭, 스프링, 그로워 와셔, 슬라이딩 연결부 및 기타가 동일한 목적을 위해 채용될 수 있다.

사일런트 블럭은 강성이 상당한 케이싱, 즉 금속 케이싱 내부에 가요성 재료로 이루어진 환형 실린더에 의해 형성될 수 있다. 가요성 재료는 케이싱의 2개 단부 사이에 결합되어, 각각의 단부들 사이에 가요성 커플링을 제공할 수 있다. 몇몇 예에서, 사일런트 블럭은 이 사일런트 블럭을 제위치에 유지하는 파스너 연결부와 충돌하는 것을 방지하도록 구성된 내부 충돌관을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 사일런트 블럭은 하나의 파스너 연결부와 가요성 재료 사이의 인터페이스에서 슬라이딩 가능할 수 있다.

도 5에 도시한 가요성 커플링(130)은 수평 구조 요소(도 4에서 참조부호 122를 지님)에 커플링되고, 수평 평면에서 (예컨대, 수직방향에 비해) 증가된 가요성을 갖는다. 수평 평면 내에서 더 많은 상대 변위가 가능하다. 이에 따라, 특별히 수평 평면을 따라 더 적은 응력이 보조 구조체에 도입된다.

도 6은 자립형 가요성 커플링(130)의 사시도를 보여준다. 보다 정확하게는, 도 6의 가요성 커플링(130)은 도 4에서 수직 스트럿(123)에 커플링된 가요성 구성요소의 예에 대응한다. 도 6의 가요성 커플링(130)은 보조 구조체(120)의 구조 요소에 연결되도록 구성된 제1 단부(135)와, 중앙 프레임(110)의 구조 요소에 연결되도록 구성된 제2 단부(136)를 포함한다. 보다 정확하게는, 제1 단부(135)는 보조 구조체(120)의 거의 수직인 구조 요소(123)에 연결될 수 있는 반면, 제2 단부(136)는 중앙 프레임(110)의 베이스 구조체(11)에 또는 이 베이스 구조체(111) 근처에 연결될 수 있다.

도 6은 또한, 가요성 커플링(130)이 진동을 감쇠시키고 관련 응력의 전달을 완화하도록 구성된 2개 이상의 디바이스를 포함할 수 있는 것을 보여준다. 보다 구체적으로, 가요성 커플링(130)은 2개의 감쇠 디바이스(133, 134), 즉 2개의 사일런트 블럭을 포함할 수 있다. 디바이스(133, 134)는 병렬로 연결될 수 있으며, 예컨대 제1 디바이스(133)는 2개 방향, 즉 수평방향 및 수직방향으로의 상대 변위를 가능하게 하고, 제2 디바이스(134)는 보조 구조체의 중량을 지지하고, 제2 방향, 즉 수직방향으로의 변위를 가능하게 한다. 각각의 디바이스(133, 134)의 감쇠 특징은, 상이한 크기 및 주파수의 변형 또는 진동을 감쇠시키도록 선택될 수 있다. 더욱이, 디바이스(133, 134)는 또한 이들 디바이스에 작용하는 상이한 최대 하중을 견디도록 구성될 수도 있다. 예컨대, 제2 디바이스(134)는 제1 디바이스(133)보다 높은 하중을 견딜 수 있도록 구성될 수 있고, 반대로 제1 디바이스는 제2 디바이스보다 높은 하중을 견딜 수 있도록 구성될 수 있다. 특정 크기, 주파수 및 전파 방향의 응력 및 진동을 완화하도록 다른 구성의 디바이스(30)가 선택될 수 있다.

다른 예에서, 상기한 감쇠 디바이스 중 2개 이상은 직렬로 배치될 수 있으며, 즉 하중 경로가 불가피하게 2개의 감쇠 디바이스 모두를 통과한다. 병렬 구성에서는, 주 프레임과 보조 구조체 사이에 병렬 하중 경로가 마련될 수 있다.

몇몇 추가의 예에서, 보조 구조체(120)는 중앙 프레임(110)에 커플링되는 모든 구조 요소에 가요성 커플링(130)을 포함할 수 있다. 대안으로서, 보조 구조체(120)는 중앙 프레임(110)에 커플링되는 일부 구조 요소에 가요성 커플링(130)을 포함할 수 있다. 이 경우, 중앙 프레임(110)과 보조 구조체(120) 사이에 다른 타입의 연결부, 즉 부분 회전식 연결부가 채용될 수 있다.

도 7은 본 개시에 따른 풍력 터빈(10)의 보조 구조체(120)를 개장하는 방법(700)의 일례에 관한 흐름도이다. 방법(700)의 블럭 701의 주 프레임(110)에 연결되는 보조 구조체(120)의 구조 요소(123, 122)의 부분을 절단하는 단계를 포함한다. 더욱이, 방법(700)은 또한 구조 요소(123, 122)의 일부분에, 블럭 702의 절단된 부분을 대신하여 가요성 커플링(130)을 마련하는 단계도 포함한다.

방법(700)은 가요성 커플링(130)을 통해 보조 구조체(120)의 주 프레임(110)에 커플링하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 개시의 다른 예에서와 같이 가요성 커플링은 주 프레임(110)에서 보조 구조체로 전달되는 변형을 제한하도록 특별히 구성된다.

더욱이, 방법(700)은, 절단(701) 전부터 주 프레임에 커플링되는 순간까지 또는 그 이후에도 구조 요소(123, 122)를 지지하는 단계를 더 포함할 수 있다.

몇몇 예에서, 구조 요소(123, 122)를 지지하는 단계는 하나 이상의 잭, 예컨대 유압식 잭이나 임의의 기타 적합한 시스템을 사용하여 수행될 수 있다. 추가로, 구조 요소(123, 122)의 부분을 절단하는 단계(701)와 가요성 커플링(130)을 마련하는 단계(702)는 중앙 프레임(110)에 연결되도록 구성된 모든 구조 요소에서 수행될 수 있다. 상기한 경우, 가요성 커플링은 주프레임의 보조 구조체에 대한 연결부 각각에 마련된다.

풍력 터빈과 관련하여 설명된 기술적 피쳐들 중 일부, 즉 도 3 내지 도 6의 예의 보조 구조체 및 가요성 커플링은 풍력 터빈을 개장하는 방법(700)에 포함될 수 있고, 그 반대도 이루어질 수 있다는 점에 유념하라.

개장 방법과 동시에, 보조 구조체의 진동을 감소시키는 방법이 마련된다. 보조 구조체는 풍력 터빈의 주 프레임에 연결된다. 주 프레임과 보조 구조체 사이에 하나 이상의 가요성 커플링을 마련함으로써, 주 프레임의 변형이 가요성 커플링에 의해 부분적으로 흡수되고, 주 프레임의 진동의 적어도 일부가 보조 구조체로 전달되지 않는다.

보조 구조체의 진동을 감소시키는 상기한 방법의 예는 도 3 내지 도 6의 다양한 예의 피쳐들 중 임의의 피쳐를 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.

이 서술된 설명은 바람직한 실시예를 포함하여 본 교시를 개시하고, 또한 임의의 디바이스 또는 시스템을 제작 및 사용하고 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하여 당업자가 본 교시를 실시할 수 있도록 하기 위한 예를 사용한다. 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 규정되며, 당업자에게 떠오르는 다른 예를 포함할 수 있다. 그러한 다른 예는, 사실상 청구범위와 다르지 않은 구조 요소를 갖거나, 사실상 청구범위와 대단치 않은 차이를 지닌 등가의 구조 요소를 포함하는 경우, 청구범위의 범주 내에 속하는 것으로 의도된다. 설명한 다양한 실시예로부터의 양태와, 상기한 각각의 양태에 대한 다른 기지의 등가물이 본 출원의 원리에 따라 추가의 실시예 및 기술을 구성하기 위해 당업자에 의해 혼합되고 매칭될 수 있다. 도면에 관련된 참조부호는 청구범위에 병기되는 경우에 청구범위의 이해를 높이고자 하는 것이며, 청구범위의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims

풍력 터빈(10)으로서,
풍력 터빈 타워(15);
풍력 터빈 타워(15)에 연결되는 주(主) 프레임(110)을 포함하는 나셀;
주 프레임(110)에 연결되는 보조 구조체(120); 및
주 프레임(110)에서 보조 구조체(120)로 전달되는 변형을 감소시키도록 구성된, 주 프레임(110)과 보조 구조체(120) 사이의 하나 이상의 가요성 커플링(130)
을 포함하는 풍력 터빈.
제1항에 있어서, 주 프레임(110)의 제1 측면에 복수 개의 블레이드(22)를 포함하는 로터(18)를 더 포함하고, 보조 구조체(120)는 상기 제1 측면 반대측에 있는 주 프레임의 제2 측면에 배치되는 것인 풍력 터빈.
제1항 또는 제2항에 있어서, 주 프레임(110)은, 풍력 터빈 타워의 요(yaw) 베어링에 연결하도록 구성되고 거의 수평인 평면을 포함하는 베이스 구조체(111)와, 로터 지지 구조체에 연결하도록 구성되고 거의 수직인 평면을 포함하는 전방 구조체(112)를 포함하고, 보조 구조체(120)는 베이스 구조체(111)나 그 근처에서 또는 전방 구조체(112)나 그 근처에서 주 프레임(110)에 연결되는 것인 풍력 터빈.
제3항에 있어서, 로터 지지 구조체는 전방 프레임 또는 중간 프레임인 것인 풍력 터빈.
제3항에 있어서, 로터 지지 구조체는 발전기의 스테이터 구조체인 것인 풍력 터빈.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 보조 구조체(120)는 파워 변환 구성요소 및/또는 기타 전기 또는 기계 보조 시스템을 수용하도록 구성되는 것인 풍력 터빈.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 보조 구조체(120)는 헬리패드(121)를 지지하도록 구성되는 것인 풍력 터빈.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 보조 구조체(120)는 트러스 구조(125)를 포함하는 것인 풍력 터빈.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 주 프레임(110)과 보조 구조체(120) 사이의 가요성 커플링(130)들 중 적어도 하나는 탄성중합체 재료를 포함하는 것인 풍력 터빈.
제9항에 있어서, 가요성 커플링(130)들 중 적어도 하나는 사일런트 블럭(silentblock)(132, 133)을 포함하는 것인 풍력 터빈.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 가요성 커플링(130)들 중 적어도 하나는 주 프레임(110)과 보조 구조체(120) 사이의 상대 변위를 가능하게 하는 슬라이딩 기구를 포함하는 것인 풍력 터빈.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 가요성 커플링(130)들 중 적어도 하나는 적어도 2개 방향으로의 변형 전달을 감소시키는 것인 것인 풍력 터빈.
풍력 터빈(10)의 주 프레임(110)에 연결되는 풍력 터빈(10)의 보조 구조체(120)의 개장 방법(700)으로서,
주 프레임(110)에 연결되는 보조 구조체(120)의 구조 요소(123, 124)의 부분을 절단하는 단계(701);
구조 요소(123, 124)의 일부분에, 절단된 상기 부분을 대신하여 가요성 커플링(130)을 마련하는 단계(702); 및
가요성 커플링(130)을 통해 보조 구조체(120)를 주 프레임(110)에 커플링하는 단계
를 포함하고, 가요성 커플링은 보조 구조체(120)로의 주 프레임(110)의 변형 전달을 감소시키도록 구성되는 것인 풍력 터빈의 보조 구조체 개장 방법.
제13항에 있어서, 상기 방법(700)은 보조 구조체(120)에 대한 주 프레임(110)의 각 연결 지점에 가요성 커플링을 마련하는 단계를 더 포함하는 것인 풍력 터빈의 보조 구조체 개장 방법.
제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 방법(700)은 상기 절단 단계(701) 전부터 커플링 단계까지 구조 요소(123, 124)를 지지하는 단계를 더 포함하는 것인 풍력 터빈의 보조 구조체 개장 방법.