KR880002283B1 - 풍차 터빈 발전기용 블레이드 피치각 조절장치 - Google Patents

풍차 터빈 발전기용 블레이드 피치각 조절장치 Download PDF

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유나이티드 테크놀로지스 코오포레이숀
멜빈 피.윌리암스
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Abstract

내용 없음.

Description

풍차 터빈 발전기용 블레이드 피치각 조절장치
도면은 본 발명에 따른 풍차 터빈 발전기 블레이드 피치각 조절에 대한 양호한 실시예를 나타낸 구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
15,20,25 : 기억장치 27 : 서모카플(thermo couple)
28 : 역율측정기 37 : 풍속측정기
47 : 난류 계수 측정장치 75 : 적분 또는 지연 보상회로
80 : 최저치 선택회로 TAMB: 주위온도
TVW: 풍속 T.F : 난류 계수
P : 출력 관련신호
본 발명은 수평축 풍차 터빈 발전기에 관한 것으로, 특히 기어 박스를 통하여 동기 발전기를 구동시키는 로우터(rotor)에 설치된 다수의 대형 가변 피치 에어포일(air foil) 블레이드의 피치각을 조절하는 장치에 관한 것이다.
현대의 대형 수평축 풍차 터빈 발전기는 보통 기어박스를 통해 동기 발전기를 구동시키는 로우터 위에 설치된 다수의 가변 피치 블레이드를 구비하고 있다. 기어박수에서는 터빈의 주축 회전속도를 발전기의 동기 운전속도로 증속시킨다.
상기 블레이드, 기어박스 및 발전기는 단지 제한된 토크(torque)나 동력만을 그 입력으로 처리할 수 있다. kos 등에 허여된 미합중국 특허 제4,193,005호의 실시예에서와 같이 현대의 대형 풍차 터빈 발전기의 용량 조절에 있어서 터빈 블레이드, 블레이드 설치대, 기어 조립체 발전기 및 기타 구성 부품을 보호하기 위하여 블레이드에서 얻어지는 풍속 에너지 또는 동력과 터빈 발전기 주축에 가해지는 총 토크는 터빈 에어포일 블레이드의 피치각을 조절함으로써 안전한 양으로 제한된다. 풍차 터빈 발전기 내로의 동력과 토크 전달을 상기와 같이 제한하기 위하여 블레이드 피치 조절장치에 상기 터빈 발전기 구성 부품의 최대동력 또는 토크 허용 용량을 나타내는 신호가 제공된다든가 또는 자체내에서 발생된다.
상기 인용된 kos의 특허에 있어서 그와 같이 원하는 토크신호 또는 토크 과련신호는 공칭 토크의 수치가 풍차의 함수로서 축적되는 토크, 즉 함수 발생기(144)로부터 얻어지며, 이에 따라 입력으로 풍차을 얻어서 출력으로 상응하는 토크 관련신호가 발생된다.
그 신호 발생기(144)에 축적된 관련 토크 값은 보통 최대 동력 또는 토크 전달에 반하여 전기적 부하와 기후 조건에서 운전되는 것을 바탕으로 하여 결정된 터빈 블레이드, 발전기 및 기어박스의 공칭 정격을 바탕으로 하여 결정된다. 토크 발생기(144)는 관련 동력 또는 토크신호, 즉 발전기 출력을 실운전 조건이 블레이드, 기억박스 및 발전기의 최대 동력 또는 토크 전달에 알맞으며, 그래서 최대 발전기의 출력에 알맞을 때조차 상대적으로 역운조건하에서 안전한 값으로 제한한다.
풍차 터빈 블레이드에 관하여 블레이드 스트레스(stress)는 "정격" 풍속(정격전력이 발생돼는 최저 풍속)에서 가장 높은 것으로 결정되며, 그 풍속에서 블레이드 피치는 최대 에너지 교환용으로 정해진다. 정격 속도 이상에서는 블레이드 피치는 상당한 양의 바람을 흘려 보내서 블레이드에 작용하는 추력이 감소되도록 한다. 다라서 그와 같은 피치 조절에 정격 속도에 있을 때 보다 블레이드 응력은 감소되는 효과가 있다. 동기 발전기의 최대 허용 출력은 부하역율, 주위 온도와 공기밀도(고도)에 좌우되는 발전기의 냉각 능력과 같은 요인들에 달려 있다. 발전기의 출력은 부하와 그 입력 토크의 함수이다. 발전기의 최대 허용 출력은 부하역율의 증가에 따라 증가하며, 냉각 능력의 향상에 따라 증가한다. 주어진 발전기 위치에 대하여 높은 부하역율과 낮은 주의 온도에서 발전기는 로우터에 의한 공칭 토오크 입력보다 높게 작동되어 부하에의 출력이 공칭출력 전력보다 높게 된다.
일반적으로 풍차 터빈 발전기에 이용된 기어박스도 공칭토크 입력 또는 동력 허용 용량에서 규격화 된다. 기억박스에의 토크 입력은 안정상태와 돌풍 상태하에서 풍차 터빈 로우터의 토크 출력에 의해 결정된다. 실제로 그와 같은 기어박스는 어떤 안정 상태의 토크 입력으로 공칭상 규격화되어 있으며, 돌풍에 의한 거의 순간적인 큰 토크에 견딜 수 있도록 설계된다. 그 순간적인 토크는 보통 정격 토크의 140%의 값에 가까운 것으로 추정된다. 실제의 돌풍은 예상했던 것 보다도 더 적은 크기, 진동수 및 지속성을 갖고 있을 때 기어박스는 공칭 토크 입력보다 큰 토크의 안정상태로 운전되어 공칭 발전기 출력전력 보다 크게 된다.
상기에서 알 수 있듯 어떤 조건, 즉 낮은 주위온도, 높은 역율 및 낮은 난류 계수하에서 풍차 터빈 발전기는 정격 속도 이상의 평균 풍속에서 종래 기술의 관련 신호는 스케줄에 의해서 나타난 터빈 블레이드, 기어박스 또는 발전기의 공칭 정격 동력 또는 토크 보다 높은 값에서 운전된다. 물론 정격 동력 또는 토크수준 이상에서의 운전은 터빈 발전기의 출력전력을 증가시켜 거기서 발전되는 전기 에너지의 단위당 비용을 감소시킨다.
본 발명의 목적에는 터빈 발전기의 실운전 조건을 바탕으로 한 풍차 터빈 발전기 조절장치의 최적 동력 또는 토크 관련신호를 설정하는 것이 포함된다.
본 발명에 의하면, 바람, 온도 및 역율 따위의 운전 조건하에서 발전기, 블레이드 및 기어박스의 최대 동력 또는 토크 허용능력을 나타내는 신호와, 원하는 발전기 출력을 나타내는 지령신호가 서로 비교되어 작은 크기의 산호가 동력 또는 토크 관련신호로서 선택된다. 이 관련신호는 계속해서 블레이드 피치 조절장치로 보내지고, 터빈 발전기의 출력이 관련신호에 대응하게 되는 피치 위치가 설정된다. 본 발명의 한 실시예에서 발전기, 블레이드 및 기어박스 동력의 최대 허용 용량 신호중 한 가지 또는 그 이상이 적분 보상회로를 포함한 지연 보상회로에 공급되어 신호를 내보내고 그 정확도를 향상시키게 된다. 지연 보상회로에서 또한 적분 보상장치의 출력과 장치의 출력 관련신호와의 사이에 있어서의 오차를 지연 보상회로와 관련된 것과는 다른 동력허용 용량신호에 의해서 관련신호가 제한될 때 보상장치의 과운전을 방지할 수 있는 제한하는 장치가 포함된다. 본 발명에 따른 상기의 목적과 또 다른 목적 및 특징과 이점은 첨부 도면에 따른 다음의 설명을 통해 보다 명백하게 이해할 수 있을 것이다. 도면에 의하면, 본 발명의 조절장치(10)은 수치 데이타 조건 기억장치, 즉 에널로그(analog) 함수 발생기(15,,20,25)를 구비하여 풍차 터빈 발전기의 기억박스, 블레이드 및 발전기의 동력 허용 용량을 터빈 발전기 운전조건의 함수로 나타내는 신호를 설정하게 된다. 본 명세서에는 상기 기억장치로서 조절장치가 설명되지만, 상응하는 토크함수 기억장치도 본 발명내에서 이용되어 토크의 수치값이 동력 따위로 쉽게 전환된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 앞으로 동력신호라는 용어는 동력 또는 토크신호중 어느 하나를 선택적으로 지칭하는 것을 뜻한다.
발전기 기억장치(15)는 발전기 전력 허용 용량을 주어진 고도에서의 부하역율(P.F)와 주위온도(TAMB)의 입력신호로서 축적하게 되어, 상기 발전기 전력 허용 용량은 역율의 증가와 주위온도의 감소에 따라 증가하게 된다. 역율과 온도신호는 열전대(27)와 역율 측정기(28)와 같은 적절한 변환기에 의해 제공되며, 공급선(30,35)을 통해 기억장치(15)에 입력된다. 블레이드 기억장치(20)은 블레이드 동력 허용 용량(허용 블레이드 강도에 의해서 제한된)을 풍차 측정기와 같은 변환기(37)에서 얻은 평균 풍속신호의 함수로 제공하여 선(0)을 통하여 기억장치에 입력시킨다. 기어박스 함수 발생기(25)는 기어박스의 동력 허용 용량을 평균 풍속(VW)과 난류 계수(T.F) 입력신호에 대한 양자의 함수로 나타내는 출력으로 제공한다. 풍속신호는 선(40)로부터 얻어져서 선(45)을 통해서 기억장치(25)에 입력된다. 난류(돌풍)의 크기를 나타내는 난류 계수신호는 풍속을 반복 측정하고 측정된 돌풍과 계산된 평균 풍속을 바탕으로 난류 계수를 계산하는 적절한 장치(47)에 의해서 만들어진다. 이 신호는 선(50)을 통하여 기억장치(20)으로 입력된다. 상술한 바와 같이 블레이드 응력은 바람이 블에이드 사이로 빠져나기 블레이드에 작용하는 총추력이 감소될 때 따라서 감소된다. 이와 같이 정격속도 보다 큰 풍속에서 블레이드 응력은 정격속도에서의 응력 보다 더 낮고, 이에 다라 과도한 내부 응력을 발생시키지 않고도 블레이드가 더 많은 풍략을 받아들일 수 있다. 기억장치(25)에 도시된 바와 같이 난류가 감소함에 따라 안정된 상태의 기어박스의 동력, 즉 토크 허용 용량이 증간된다.
이와 같이 어떤 적절한 바람, 온도 및 역율 조건하에서 기억장치(15,20 및 25)는 블레이드. 기어박스 또는 발전기의 공칭 정격중 어느 것 보다 훨씬 더 큰 동력용량을 나타내는 동력신호를 제공한다.
기억장치(15,20 및 25)의 출력신호는 각각 선(55,60 및 65)에 전달된다. 때때로 풍차 터빈 발전기의 시동시에 풍차 터빈의 속도가 점차 증가하면 최고치 이하의 관련신호가 요구된다.
그와 같은 조절을 성취하기 위하여 지령 동력신소가 선(70)을 통해 본 발명의 시스템에 입력된다. 설명의 편의를 위해 점선(75)로 둘러싸인 회로가 본 발명에 포함되지 않는다고 하면, 기억장치(15,20 및 25)에서의 출력신호와 지령 동력신호가 최소치 선택회로(80)에 공급되며, 이 회로(80)에서 상기 4개의 신호중에 최소치가 선택되어 출력 관련신호(85)로서 그 최소치 신호가 통과된다.
상기한 바와 같이 이 신호는 이 신호에 일치하는 출력 동력을 얻기 위하여 터빈 블레이드의 위치가 설정되는 블레이드 피치각을 표시한다. 최소치 선택 장치는 그 신호들 중에 한 신호치를 다른 것들의 신호치와 비교하는 1차 비교장치와, 그 1차 비교장차의 출력치를 최소치 선택회로의 출력치로서 최소치의 신호를 통과시키기 위하여 비교장치에 의해서 도통되는 1차 비교장치의 출력과 게이트를 함께 비교하는 2차 비교장치와 같은 적절한 구성부품, 즉 회로를 포함하고 있다. 적동중 최대 기능 출력이 퐁차 터빈 발전기에서 요구된다면 지령신호는 기억장치(15,20 및 25)에서의 최대 허용 동력 즉 토크신호 보다 큰 값이 될 것이다. 적당히 높은 평균 풍속, 높은 부하역율 및 비교적 낮은 바람의 난류 계수를 가정하면 터빈 블레이드와 발전기는 그 부품들의최소 정격 이상을 훨씬 초과하는 출력을 낼 수 있다. 또한 낮은 난류 계수라면, 기어박스는 공칭 입력 이상의 큰 동력 입력이 가능하다. 결국 이와 같이 풍차 터빈 발전기는 블레이드, 기어박스 및 발전기로 가는 공칭 동력 입력보다 높은 값에서 안전하게 운전될 수 있으며, 따라서 정격 출력 전력 이상의 높은 값에서도 작동될 수 있다. 기어박스 동력 입력이 다른 구성부품의 토크 또는 동력 입력 한계에 도달하기 전에 달성될 수 있도록 바람의 조건이 성립된다면, 기어박스 기억장치(25)에서의 신호가 다른 부품에서의 출력신호 및 지령신호 보다 작게될 것이다. 따라서, 최저치 선택 장치에서 기어박스 신호를 선택하여 출력 관련신호로서 통과시킨다. 이 관련신호는 풍차 터빈 발전기의 조절장치(도시되지는 않음)의 일부에 공급되며, 상기 조절장치는 블레이드 피치를 그 관련신호에 의한 위치와 동일한 풍차 터빈 발전기의 출력에 상응하는 위치로 배치시키는 역할을 한다. 이와 같이 적당한 바람, 온도 및 역율 조건하에서는 본 발명의 조절장치로 동력 관련신호를 블레이드, 기어박스 또는 발전기의 공칭 정격 보다 훨씬 큰 값으로 설정하여 터빈 발전기에 의한 전기 에너지를 최대화 할 수 있다는 점이 주목할만하다.
기억장치(15)의 출력은 적분, 즉 지연 보상회로(75)에 공급되며, 유사한 지연 보상회로를 같은 형식으로 기억장치(20,25)의 출력측에 연결하는 것도 가능하다. 지연 보상회로는 최저치 선택장치(280)의 출력 관련신호(85)와 지연 보상회로(선 95)의 출력과의 차이를 나타내는 1차 가산점 회로(90)을 포함하며 선(100)에서 그 출력, 즉 그 차이에 비례한 1차 오차신호를 제공한다. 이 가산점 회로(90)의 출력은 1차 오차신호를 제한하는 제한장치 ((105)에 공급된다. 제한장치의 신호에 대한 도표에서 사역(死域)으로 표시하고 있는 것처럼, 기설정 오차(양호한 실시예에 정격 풍차 터어빈 발전기의 출력 동력의 5%와 같이 일정한 비율) 이하에서는 그 제한장치의 출력이 0이다. 또한 사역 이상에서는 제한장치 출력은 제한 장치의 개인(gain)에 의해서 결정되는 바와 같이 1차 오차신호 값의 일정한 분수로 나타난다. 제한장치(105)의 출력은 제한장치(105)의 출력 및 출력 관련신호(85)와 합계와 관련 기억장치, 즉 기억장치(15)의 출력과의 차이를 산정하는 2차 가산점 회로(110)에 공급된다. 2차 가산점 회로(110)에서의 출력신호는 적분 장치(115)에 공급되며, 기억장치에서의 출력신호의 정밀도를 향상시키고 평활하게 하기 위하여 적분 보상을 제공한다.
적분, 즉 지연 보상회로의 동작은 다음과 같다. 출력 관련신호(85)가 함수 발생기(15)가 아닌 다른 것으로부터 발생한 신호에 의해서 결정될 때, 가산점 회로(90)은 적분장치(115)의 출력과 출력 관련신호(85) 사이의 차이에 비례하는 오차신호를 제공한다. 제한장치(50)가 없는 경우, 관련 출력신호(85)와 적분 장치(115)의 출력 사이의 상당한 차이는 2차 가산점(110)에 적용되었을 때 기억장치(15)에서의 출력과 관련신호(85)를 이용하여 큰 오차신호를 발생시킨다. 상기 2차 오차신호는 적분장치(115)를 제어하며, 그 부품에 의한 통합이 불필요하지만 계속 오차신호를 증폭시키는 역할을 한다. 제한장치(105)는 상기 방법으로 적분 장치의 출력과 관련신호(85)와의 오차를 제한하며, 기억장치(15)의 출력과 출력 관련신호(85)와의 어떠한 차이라도 상쇄시킨다. 따라서 가산점(110)의 출력은 0으로 감소되며, 이 출력 값에서 운전상태를 적절히 통제하고, 적분 장치의 출력을 제한시키게 된다.
이상 설명에서는 지연 보상회로가 발전기의 동력 허용 용량 함수 발생기(15)와 함께 설명되었지만, 유사한 지연 보상회로를 같은 방법으로 블레이드와 기어박스 기억장치(20,25)에 적용시킬 수도 있는 것이다. 본 발명에는 신호가 애널로그에서 디지탈로 변하거나 또는 그 역방향의 변화 현상이 일어나도록 애널로그 또는 디지탈장치 또는 그들의 결합장치가 구비될 수 있다. 또한 본 명세서에서는 함수 발생기, 즉 기억장치(15,20 및 25)의 출력이 온도, 역율, 난류 계수 및 풍속인 것으로 설명되었으나 이 부품들의 출력이 상기 온도, 역율, 난류 계수 및 풍속 매개변수가 계산되는 그러한 다른 매개변수들의 함수로서 결정될 수 있다.
비록 본 발명의 한 가지 실시예에 대하여 도시 및 설명되었지만 본 발명이 이에 국한되지 않고, 다음의 특허청구 범위에서 기술된 사상의 범위에서 이탈되지 않는 범위내에서 수정 및 변경하는 것은 가능할 것이다.

Claims (7)

  1. 실제의 평균 풍속을 나타내는 풍속신호를 제공하는 수단과, 상기 풍속신호에 대응하여 상기 풍속신호를 표시하는 속도에서 견딜 수 있는 풍차 터빈 발전기의 적정한 블레이드 피치각을 표시하는 동력 관련신호에 제공하는 신호 처리수단으로 구성되고, 기어박스를 통해 발전기를 구동시키는 가변 피치의 블레이드 로우터를 구비하는 동력 부품을 갖는 풍차 빈 발전기의 블레이드 피치각 조절장치에 있어서, 이 블레이드 피치각 조절장치에 실제의 순간 풍속이 실제의 평균 풍속을 초과하는 정도를 표시하는 난류 계수 신호를 제공하는 수단이 구비되고, 상기 신호 처리수단은 첫째로 상기 풍속 신호와 난류 계수 신호에 의해 표시된 최대 풍속에서도 상기 기어박스를 안전하게 작동시킬 수 있도록 상기 로우터에 대한 소정의 블레이드 피치각을 표시하는 난류 계수 신호와 풍속신호의 함수로 상기 기어 박스의 용량신호를 상기 난류 계수 신호에 대응해서 제공하고, 둘째로 상기 풍속신호와 난류 계수 신호에 의해 표시된 상기 풍속을 상기 로우터가 안전하게 견딜 수 있도록 상기 로우터에 대한 소정의 블레이드 피치각을 표시하는 상기 풍속신호의 함수로 블레이드의 용량신호를 상기 풍속신호에 대응하여 제공하며, 세째로 상기 로우터와 기어의 안전작동이 가능한 최대의 허용 블레이드의 피치각을 표시하는 동력 관련신호를 제공할 수 있도록 상기 블레이드 용량신호와 상기 기어박스의 용량신호중 선택된 신호의 함수로 소정의 블레이드 피치각을 표시하는 동력 관련신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 풍차 터어빈 발전기의 블레이드 피치각 조절장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발전기의 부하 취급 용량에 영향을 미치는 가변 매개변수의 크기를 표시하는 조건신호를 발생시키는 발전기의 조건신호 발생수단을 구비하고, 상기 신호 처리수단은 상기 조건수단에 대응하여 상기 발전기를 안전하게 구동시킬 수 있는 상기 로우터에 대한 소정의 블레이드 피치각을 표시하는 발전기의 용량신호를 제공하고, 상기 블레이드의 용량신호와 기어박스의 용량신호, 그리고 발전기의 용량신호중 하나의 함수로서 상기 동력 관련신호를 발생시켜 상기 로우터의 기어박스와 발전기의 안전동작을 위해 허용되는 최대 블레이드 피치각을 표시하는 것을 특징으로 하는 풍차 터어빈 발전기의 블레이드 피치각 조절장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 발전기의 조건 신호 발생수단은 발전기의 주위온도를 표시하는 조건신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 풍차 터어빈 발전기의 블레이드 피치각 조절장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 발전기의 조건신호 발생수단은 발전기의 출력 계수를 표시하는 조건신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 풍차 터어빈 발전기의 블레이드 피치각 조절장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 발전기 조건수단이 발전기 주위 온도를 나타내는 2차 조건신호를 제공하며, 그 신호 처리수단이 상기 조건신호와 반응하게 되는 발전기 용량신호를 제공하는 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 풍차 터어빈 발전기의 블레이드 피치각 조절장치.
  6. 제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 그 신호 처리 수단이 그 어느 한 용량 신호와 동력관련 신호와의 차이의 적분 시간 함수로서의 적분 신호나 또 다른 한 용량신호의 선택적 하나로 동력 관련신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 풍차 터어빈 발전기의 블레이드 피치각 조절장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 신호 처리수단이 상기 적분신호와 동력 관련신호 사이의 치이가 갖는 초기 크기 이상의 제한된 부분과 동력 관련신호의 합계와 상기 용량 신호중 하나와의 차이를 시간적분으로 하여 적분신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 풍차 터어빈 발전기의 블레이드 피치각 조절장치.
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