KR100862375B1 - 발전기 냉각 시스템을 가진 풍력 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파일론, 파일론에 회전 가능하도록 장착된 포드, 포드 내에 배치되고, 로터와 스테이터를 가진 발전기, 그리고 포드 영역에 적어도 하나의 팬을 가지는 풍력 발전 설비에 관한 것이다.

수분, 모래, 그리고 다른 이물질의 포드 내 진입을 감소시키고, 또한 외부에 도달하는 팬의 소음도 감소시키기 위해, 본 발명에 따라 포드 내에 팬이 배치되어 있으고, 팬은 아래쪽으로 개방된 제1 공기 공극을 통해서, 특히 파일론과 포드 사이로 외부 공기를 흡입한다.

이와 관련하여 본 발명은, 풍력 발전 설비 상에서, 특히 포드 영역에서 공기가 현저하게 눈에 띄는 수평 성분과 현저하게 눈에 띄지 않는 수직 성분을 가진다는 자각에 기초한다. 다시 말해서, 바람과 이 바람에 의해 이송되는 이물질들은 풍상측에서 포드를 따라 풍하측으로 불어 풍력 발전 설비를 지난다. 따라서 만일 공기가 아래쪽으로 개방된 공기 공극을 통해 흡입되면, 매우 미세한 입자도 흡입될 수 있고, 이들은 좀 더 구체적으로 말해서 기류에 의해 중력 효과에 반하여 위쪽으로 부유할 수 있다. 그 결과 비교적 큰 모래와 먼지 입자들의 흡입과 누구나 아는 바와 같이 상당히 무거운 빗방울의 흡입이, 완전히 차단되지는 못하더라도 상당한 정도로 감소한다.

Description

발전기 냉각 시스템을 가진 풍력 터빈{WIND TURBINE COMPRISING A GENERATOR COOLING SYSTEM}

본 발명은 파일론(pylon), 파일론에 회전 가능하도록 장착된 포드(pod), 포드 내에 구비된 로터(rotor)와 스테이터(stator)를 가진 발전기, 그리고 포드의 영역에 적어도 하나의 팬을 가진 풍력 발전 설비에 관한 것이다.

이러한 풍력 발전 설비는 오랫동안 최신의 기술로 알려져 왔다. 부분적으로 유냉으로, 그리고 부분적으로 공냉이나 수냉으로 작동하는 설계 형상들은 많이 있다. 이와 관련하여 모든 상황들이 손실의 발생 문제와 관련되어 있으데, 이들 손실은 열의 형태로 발생하며, 이것들은 발산되어야 한다. 각 요소는 준수해야 하는 열응력의 한계가 있기 때문에, 과잉 열을 발산시켜 온도가 지나치게 올라가서 파손되는 일을 피할 수 있도록 냉각을 충분히 공급할 필요가 있다.

본 발명은 특히 공냉으로 작동하는 풍력 발전 설비에 대한 것이다. 이러한 종류의 냉각 시스템은 Enercon (E-40, E-44, E-58, 또는 E-66 유형)의 풍력 발전 설비로부터 알려져 있다. 이 경우 팬이 포드 내부에 있는데, 이 팬은 외부에서 냉각 공기를 흡입하여 냉각 공기가 발전기 내의 개구부를 통해 흐르면서 가열된 개별 요소들을 냉각시키도록 포드의 내부로 보낸다. 이후 가열된 공기는 일반적으로 폐 쇄 냉각회로로 다시 돌아가거나 스피너(spinner)와 포드의 고정부 사이의 공극(air gap)을 통해 밖으로 나간다.

발전기의 출력이 증가하면, 이들 발전기의 냉각 조건들도 발전기의 온도를 최대 부하 작동상태에서도 허용 한계치 이하에 안정적으로 유지할 수 있도록 증가한다.

최신 기술에 따른 풍력 발전 설비는 소위 풍상(windward) 로터를 가진다. 다시 말해서, 풍력 발전 설비의 포드는 로터 블레이드가 바람이 불어오는 방향을 향한 포드의 면에 장착되도록 놓인다. 팬은 바람으로부터 먼 쪽(풍하측)의 포드 벽에에 배치된다. 이 팬은 외부로부터 공기를 흡입하여 포드에 이 공기를 전달한다. 여기에서 공기는 포드 내 요소들 주변을 돌면서 열을 발산시켜주고, 이로써 냉각 효과를 제공한다.

그러나 팬의 작동시 공기 중에 존재하는 먼지, 수분, 그리고 빗물도 흡입되어 포드의 내부로 이송되는 것을 알게 될 것이다. 이것이 요소들의 더 빠른 마모 속도(먼지와 모래의 연마 효과 때문)와 정확히 비가 오는 날씨일 때 원치 않는 포드 내의 높은 습도를 발생시키면서, 수반되는 모든 역 현상들과 더불어 원치 않는 포드의 하울링(fouling)을 초래한다.

따라서 본 발명의 목적은 외부에서 인식할 정도의 팬 소음과 더불어서 수분과 모래 및 다른 이물질들의 포드 내 유입을 감소시키고, 더 효율적인 냉각을 가능하게 하는 것이다.

본 명세서의 소개부에 제시한 이러한 종류의 풍력 발전 설비에서 이러한 목적은 포드 내에 팬을 구비함으로써 달성되는데, 팬은 아래쪽으로 열린 공극을 통해서, 특히 파일론과 포드 사이로 외부의 공기를 흡입한다.

이와 관련하여 본 발명은 풍력 발전 설비 상의, 특히 포드 영역에서의 기류가 뚜렷하게 눈에 띄는 수평 성분과 현저하게 눈에 덜 띄는 수직 성분을 가진다는 자각에 기초한다. 다시 말해서, 바람과 더불어 이 바람에 의해 이송되는 이물질들은 포드를 따라 풍상측에서 풍하측으로 흐른 다음, 풍력 발전 설비를 지나간다. 따라서 아래쪽으로 개방된 공극을 통해 공기가 유입되면, 매우 미세한 입자들도 유입되는데, 이것들은 좀 더 구체적으로 말해서, 기류에 의해 중력효과에 반하여 위쪽으로 이동할 수 있다. 그 결과 비록 완전히 막지는 못하더라도 비교적 큰 모래나 먼지 입자들의 흡입뿐 아니라, 누구나 아는 바와 같이 상당히 무거운 빗방울의 흡입도 상당한 정도로 감소한다.

가능한 한 균일하게 전체 공극 상에 분산되는 외부 공기의 흡입을 달성하고, 한두 곳에서의 큰 흡입 효과를 피하기 위해서, 본 발명의 바람직한 실시예는 복수의 팬이 포드 내에서 상호 간의 간격을 가지고 배열되는 것을 제공한다.

특히 바람직하게는 포드 내에 아래쪽에는 팬이 장착되어 있고, 위쪽에는 유입된 공기의 출구가 있는 플랫폼이 제공되어 있다. 기류를 유도하기 위해 이와 같은 방식으로 플랫폼을 사용하는 것이 가능하다. 동시에, 이러한 배치는 플랫폼의 아래쪽에 유입된 공기가 잠잠해질 수 있는 일종의 휴지 공간을 제공한다. 이 경우에 먼지나 모래 입자들과 같이 유입된 이물질들도 중력의 영향으로 침전되고, 따라서 포드 내에서 그 이상으로 팬에 의해 이송되는 수는 이보다 작다.

특히 바람직한 본 발명의 실시예에서는 포드의 나머지 부분이 팬의 흡입 영역에 대하여 밀폐되도록 플랫폼의 측면 방향과 아래 방향이 포드에 대하여 밀폐된다. 이러한 설정 때문에 팬은 유입된 공기를 플랫폼 위쪽의 영역으로 이송할 수 있지만, 이 흡입된 공기는 플랫폼 주변을 흐르지 못하고, 따라서 팬으로 되돌아가 유동 단락(flow short-circuit)이 생긴다. 오히려 팬에 의해 내보내진 공기가 포드의 나머지 부분에 잔존하여 그곳에서 냉각효과를 나타낼 수 있다.

특히 효과적인 발전기 냉각을 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예는 포드와 관련하여 발전기의 로터와 스테이터 사이의 공극만 흡입된 공기의 배출 흐름을 허용하도록 발전기 자체를 밀폐하는 것을 특징으로 한다. 따라서 공기는 공극을 통해서만 흐르고, 이에 따라 발전기의 로터와 스테이터를 최대 효과 수준으로 냉각시킬 수 있다.

또한 장점으로서 고정자 권선의 권선 헤드에 대해 이러한 냉각 작용을 시행할 수 있도록 본 발명에 따른 풍력 발전 설비는 바람직하게는 로터의 전 외주에 제공되고, 소정의 간격으로 로터와 스테이터 사이의 공극을 덮으며, 발전기의 스테이터에 대해 실질적으로 평행하게 소정의 거리 만큼 반지름 방향으로 연장하는 공기 유도 판(air guide plate)을 특징으로 한다.

특히 바람직한 실시예는 파일론에 실질적으로 평행하게 소정의 거리를 연장하여, 하부 엣지에서 끝나는 포드의 하부를 가진 풍력 발전 설비에 관한 것이다. 파일론과 포드 사이에 가능한 한 균일하고, 이에 따라 저 소음수준을 가지는 흡입기류를 생성하기 위해 포드는 리지(ridge) 형상의 하부 엣지를 가진다. 이 리지 형상이 흡입된 공기에서 뭉툭한 엣지에서 발생하는 것과 같은 난류를 실질적으로 막고, 이로써 난류에 의해 발생하는 유동 통로의 수축과 이에 따른 원치 않는 유효 단면적의 감소를 막으며, 그 결과 포드 안으로 흐르는 공기의 양이 눈에 띌 정도로 지나치게 적어서 불가피하게 지나치게 미약한 냉각작용이 일어나는 것을 막는 것을 돕는다.

상기의 바람직한 실시예에서 본 발명에 따른 풍력 발전 설비는 소정의 양만큼 깔대기 모양으로 확대되는 하부 엣지와 함께 도시된다. 이는, 리지가 제공되지 않아도 기류가 난류와 이에 상당하는 소음 및 유동의 손실 없이, 확대되는 엣지에 붙어서 포드 안으로 순조롭게 흘러 들어갈 수 있는 좋은 결과를 제공한다.

또한 본 발명은 파일론과 파일론에 회전 가능하도록 장착되고, 로터와 스테이터가 구비된 발전기와 적어도 하나의 팬을 가진 포드로 구성되고, 발전기가 포드를 스테이터와 로터 사이의 공극에 의해 연결되는 앞부분과 뒷부분으로 나누는 것을 특징으로 하며, 적어도 하나의 팬은 공극을 통해 포드의 뒷부분에서 포드의 앞부분으로 공기를 보내며, 스테이터와 로터 사이의 공기 공극만을 통해 포드 내부로 흡입된 공기의 방출 기류가 허용되도록 밀폐 수단이 포드에 제공되는 풍력 발전 설비에 관한 것이다.

이와 관련하여 본 발명은 가열되는 발전기 또는 발전기의 각 부분에 냉각 공기가 지금까지보다 더 효율적으로 제공되어야 한다는 자각에 기초하고 있다. 이러한 목적으로 본 발명은 가능하다면 모든 냉각 공기이면 좋겠지만, 적어도 현재까지는 냉각 공기의 주가 되는 부분이 설비의 로터와 발전기 사이의 공극을 통해 흐르고, 이와는 달리 발전기의 로터와 스테이터에 있는 다른 모든 개구부는 팬 또는 다른 팬 시스템에 의해 흡입된 냉각 공기가 공극을 통한 유로를 지나도록 구속하기 위해서 폐쇄된다.

이와 관련하여 본 발명은 새로운 풍력 발전 설비 상의 고유한 설치뿐만 아니라, 기존의 풍력 발전 설비에의 설치에도 적합하다.

이와 관련하여 본 발명은 기존의 풍력 발전 설비의 경우에도 발전기의 전력을 증가시켜 설비의 전반적인 효율성을 향상시키는 것을 가능하게 하고, 이와 관련하여 본 발명의 시행을 위한 조치는 비교적 미미하며, 냉각에 있어서 지속적인 향상을 허용하여 설비 상의 전체 열응력의 감소도 허용한다.

본 발명의 다른 형상들은 첨부된 청구항에서 다룬다.

도면을 참조하여 하기에 실시예를 더 자세히 설명한다.

도 1은 풍력 발전 설비의 포드의 측면도를 도시한다.

도 2는 도 1에 도시한 포드를 확대한 부분 개략도를 도시한다.

도 3은 포드의 내부에 있는 플랫폼의 평면도를 도시한다.

도 4는 발전기를 바라본 포드 내부의 전면도를 도시한다.

도 5는 발전기의 한 부분을 확대한 개략적인 세부도를 도시한다.

도 6은 다른 실시예에 따른 풍력 발전 설비의 부분 측면도를 도시한다.

도 7은 다른 실시예에 따른 풍력 발전 설비의 포드를 관통한 개략적인 단면을 도시한다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전 설비의 포드를 관통한 개략적인 단면을 도시한다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포드의 부분 사시도를 도시한다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력 발전 설비의 포드의 측면도를 도시한다. 도 1에는 스테이터 캐리어(6)와 저널(8)이 차례로 탑재된 기계 캐리어(4)가 파일론 헤드(2) 상에 도시되어 있다. 로터 블레이드(16)가 고정된 허브(14)와 발전기의 폴 로터(pole rotor)(10)가 저널(8) 주위로 회전 가능하도록 배치되어 있다.

폴 권선(winding)과 폴 피스(piece)(12)를 가진 로터(10)가 발전기 내에서 저널(8) 상의 허브(14)와 함께 회전할 때, 발전기의 스테이터(20)는 스테이터 캐리어(6)에 의해서 옮겨진다. 파일론 헤드(2) 상의 구조물은 포드 페어링(fairing)(30)과 허브 페어링(32)으로 구성된 포드(30, 32)에 의해 둘러싸여 있다. 허브 페어링(32)은 허브(14)와 함께 회전하는 반면, 포드 페어링(30)은 포드의 고정부를 둘러싼다. 이와 관련하여 '고정'이란 바람에 의해 발생하고 로터 블레이드(16)에 의해 허브(14)와 발전기에 전달되는 회전 운동만을 지칭한다. 이와 관련하여 이 시점에서 풍향의 추적은 초기에 무시한다.

포드 페어링(30)에 의해 페어링 되어있는 포드의 뒷부분에는 상부를 발로 디딜 수 있는 포드 플랫폼(34)이 배치되어 있다. 팬(41)이 이 포드 플랫폼(34) 밑에 도시되어 있다. 팬(41)은 파일론 헤드(2)와 포드 페어링(30)의 아래쪽으로 개방된 단부 사이의 공기 공극(36)을 통해 공기를 흡입한다. 팬(41)의 출구가 포드 플랫폼(34)의 상부측에 있기 때문에 팬에 의해 흡입된 기류 LS는 포드 플랫폼(34) 위로 나온 다음, 포드 페어링(30)에 의해 발전기 쪽으로 편향된다. 그 결과 발전기로 향하고, 자연히 발전기의 개구부도 통과하는 편향 기류 LS가 생긴다. 이와 같은 상황에서 이 기류 LS가 열을 발산하여 발전기를 냉각시킨다.

포드 페어링(30)은 팬(41)에 의해 공기가 흡입되어 들어오는 아래쪽으로 개방된 간극(36)을 가진 하부(100)를 구비하고 있기 때문에, 상대적으로 작은 부유 입자들은 공기와 함께 흡입되고, 먼지나 모래 알갱이 및 빗방울이나 우박과 같이 이보다 무거운 입자들은 매우 실질적으로 포드의 외부에 머물게 된다.

기류 LS 속에 배치된 스테이터(20) 권선의 권선 헤드(22)가 밖으로 나가는 공기의 유로 속에 구체적으로 표적을 정하여 배치되고, 따라서 동일하게 구체적으로 표적을 정하여 냉각될 수 있도록, 발전기를 통해 흐르는 공기 LS를 외부 발전기의 둘레 방향으로 전환시키는 기류 유도 부재인 공기 유도판(45)을 허브(14)의 영역과 발전기와 허브 페어링(32)의 사이에서 볼 수 있다. 그 다음 공기는 신선한 공기가 언제나 팬(41)에 의해 연속적으로 공급될 수 있도록 포드 페어링(30)과 허브 페어링(32) 사이의 공기 공극을 통해 흘러 나갈 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 풍력 발전 설비의 포드의 한 부분을 확대한 개략도를 도시한다. 도 2에서 다시 한번 파일론 헤드(2)에 설치된 기계 캐리어(4)와 여기에 또 다시 장착된 저널(8), 그리고 스테이터 캐리어(6)를 분명하게 볼 수 있다. 스테이터 권선과 권선 헤드(22)가 구비된 발전기의 스테이터(20)는 스테이터 캐리어(6)에 탑재되어 있다. 폴 권선과 폴 피스(12)가 구비된 발전기의 폴 휠(pole wheel), 즉 로터(10)가 저널(8)에 대하여 회전 가능하도록 지지되어 있다. 공기 유도판(45)은 폴 휠, 즉 로터(10)의 측면에 배치되어 있으며, 이 면은 허브를 향하고 있다(미도시). 공기 유도판(45)은 스테이터(20)와 폴 헤드(22)가 구비된 스테이터 권선에 실질적으로 평행하게 소정의 길이를 연장하도록 폴 휠, 즉 로터의 전체 둘레에 연장하고, 반경 방향으로 바깥쪽으로 굽어져 있다. 또 다시 포드 페어링(30)의 영역에서, 아래쪽에 팬(41)이 장착되고, 위 쪽에 공기 출구가 있는 포드 플랫폼(34)을 분명히 볼 수 있다. 팬(41)은 공기 공극(36)을 통해 외부 공기를 흡입한다. 이 공기 공극(36)은 파일론 헤드(2)와 포드 페어링(30)의 아래쪽으로 개방된 하부(40) 사이에 배치되어 있다. 이와 관련하여 도 2로부터 포드 페어링의 하부 엣지(100)는 깔대기 형태로 소정의 양만큼 바깥쪽으로 개방된다는 것을 분명히 알 수 있다. 이와 같은 배치 때문에, 기류가 포드 페어링(30)의 이 영역의 내벽에 대해 더 잘 적용될 수 있고, 난류를 일으키지 않고 포드 안으로 흐를 수 있다. 그 결과 공기 공극(36)의 전 단면적을 난류에 의해 감소하거나 손상되지 않은 유효 흡입 면적으로서 사용할 수 있다.

공기 공극(36)을 통해 흡입된 공기는 팬(41)에 의해 포드 플랫폼(34)의 상부측(120)으로 이송되기 전, 포드 플랫폼(34) 아래에 있는 공간(110)에서 넓은 단면과 이에 따라 수반되는 유속의 감소로 인해 다소 잠잠해 질 수 있다. 포드 플랫폼(34)의 상부측(120)에서 나온 공기는 다시 포드 페어링(30)에 의해 발전기의 방향(6, 10, 12, 20, 22)으로 보내져서 발전기를 통해 흐르고, 이렇게 해서 열을 발산하여 발전기를 냉각시킨다.

또한 공기는 발전기를 통해 흐른 후, 포드 페어링(30)과 허브 페어링(32) 사이의 공기 공극을 통해 나와서, 열을 가지고 나갈 때까지 기류 유도 부재인 공기 유도판(45)에 의해 권선 헤드(22) 위로 보내진다.

도 3은 포드의 뒷부분에 대한 평면도를 도시한다. 본 도면으로부터 발전기의 스테이터 캐리어(6)가 구비된 기계 캐리어(4)를 분명하게 볼 수 있다. 본 도면에서 포드 플랫폼(34)은 기계 캐리어(4)를 둘러싸며, 포드 플랫폼(34)에서 세 개의 팬(41, 42, 43) 또는, 실제 여기에 그 평면도를 가지는 바와 같이, 이들의 공기 출구를 볼 수 있다. 이로부터 발전기의 냉각을 위해 요구되는 기류 LS는 단일 팬뿐만 아니라 복수의 팬에 의해서도 생성될 수 있는 것이 분명할 것이다.

본 발명의 또 다른 측면은 포드 플랫폼(34)을 포드 페어링(30)에 대하여 밀폐시키도록 밀폐수단이 포드에 제공되는 것이다. 유동 단락을 방지하기 위해 이 밀폐 효과에 대하여 많은 신경을 써야 한다. 이러한 유동 단락은, 팬(41, 42, 43)에 의해 포드 플랫폼(34) 위쪽의 공간 안으로 전달되는 공기가 포드 플랫폼(34)과 포드 페어링(30) 사이에서의 누출로 포드 플랫폼(34)의 주변을 흐를 수 있게 되고, 이로써 다시 팬(41, 42, 43)의 흡입 영역으로 들어갈 수 있게 되면 발생한다. 더 구체적으로 말해서, 그 결과 포드 플랫폼(34) 주변을 흐르는 공기는 발전기의 방향으로 나가지 못하고, 따라서 냉각에 이용되지 못할 것이다.

기류에 의한 발전기의 냉각 효율성을 훨씬 더 증가시키기 위해서 다른 밀폐 방법이 제공된다. 이러한 방법들은 도 4에서 볼 수 있다. 이 도면은 본 도면에는 도시하지 않은 포드 플랫폼의 방향에서 본 발전기의 전면도이다.

중간 영역에 저널(8)이 분명하게 보인다. 발전기의 폴 휠, 즉 로터(10)는 저널(8)에 대하여 회전 가능하도록 배열되어 있다. 로터(10)는 스테이터(20) 내에서 회전하고, 발전기의 공기 공극(24)은 로터(10)와 스테이터(20) 사이에 제공된다.

가능한 한 효과적인 냉각작용을 일으키기 위해서는 공기가 전적으로 발전기의 공기 공극(24)을 통해서 흘러야 한다. 이러한 이유에서 밀폐수단이 포드에 제공된다. 구체적으로, 로터(10)는 어떠한 기류도 이것을 통해 흐르지 못하도록 자체적으로 밀폐된다. 뿐만 아니라 스테이터(20)도 포드 페어링(30)에 대하여 밀폐된다. 따라서 발전기의 공기 공극(24)을 통한 길만 기류 LS에 남는다. 최고의 작용은 이와 같은 방식으로 달성된다.

덮개판(26)도 발전기쪽 포드 플랫폼의 측면(미도시)에서의 유동 단락을 피하기 위해 제공된다. 즉, 밀폐수단이 포드에 제공되고, 구체적으로 덮개판(26)은 포드 플랫폼의 밑에 직접 연결되도록(미도시) 배치되어, 포드의 나머지 부분에 대하여 흡입 영역을 밀폐시키거나 또는 그 반대로 밀폐시킨다. 이와 같은 방식으로 공기는 포드 내부와 플랫폼의 위쪽의 발전기로 보내지고, 또한 본 도면의 평면에서 이곳에서 보게되는 발전기의 공기 공극(24) 부분을 통해 덮개판(26) 뒤로 흘러나갈 수 있다. 이러한 목적으로 이 기류를 허용하기 위해 덮개판들(26)은 발전기로부터 소정의 거리에 간격을 두고 놓는다.

이러한 배치 때문에 팬에 의해 전달되는 모든 공기는 발전기의 공기 공극(24)을 통해 흐르고, 따라서 최대 열량을 가지고 나간다.

도 5는 발전기의 영역과 이 영역에서 공기 LS가 따라가는 유로를 더 확대하여 도시한다. 이 도면의 우측 부분은 파일론(2) 및 파일론(2)과 포드 페어링의 아래쪽으로 개방된 엣지 사이에 형성된 깔대기 형상으로 커지는 공기 공극(36)을 도시하며, 공기 공극(36)은 방위 간극(azimuth gap)이라고도 일컬어진다. 공기가 발전기 쪽으로 유도되는 방식과 더불어서 공기의 흡입 및 포드 내부로의 배출은 도 1 내지 4에 관한 설명에 의해 기술되어 있고, 한편 본 도면으로부터 발전기의 공기 공극(24)을 통과하는 기류는 폴 휠, 즉 로터(10)에 배치된 폴 피스(12)와 권선 헤드(22)가 구비된 스테이터 권선 사이로 흐르는 것을 알 수 있는데, 권선 헤드는 스테이터 캐리어(6)에 의해 고정되어 있는 스테이터(20)에 탑재되어 있다. 발전기의 공기 공극(24)을 지나고 나면, 기류는 로터(10)에 배치된 기류 유도 부재, 즉 공기 유도판(45)을 만나며, 이것에 의해 기류는 본 도면의 좌측에 있는 권선 구체적으로, 권선 헤드(22)의 둘레로 표적 지향적으로 지나서, 그 곳의 열을 안정적으로 가기고 나가도록 편향된다. 이 후 기류는 다시 허브 페어링(32)과 포드 페어링(30) 사이의 공기 공극을 통해 외부 공기 중으로 나간다.

도 6은 다른 실시예에 따른 풍력 발전 설비의 부분도를 도시한다. 도 1 내지 5에 도시한 풍력 발전 설비와 대조적으로 이 풍력 발전 설비는 포드(30)의 한 쪽 단부에 팬(38)을 가지고 있다. 이 팬(38)은 가열된 포드와 다른 부분들을 냉각시키기 위해서 포드 내에 기류를 생성하는 역할을 한다. 상기에 기술된 바와 같이 이 경우 발전기의 로터(10)와 스테이터(20)는 팬(38)에 의해 발생된 기류가 포드의 뒷부분에서 포드의 앞 부분으로 로터와 스테이터(10, 20) 사이의 공기 공극을 통해서만 움직이고, 이로써 발전기의 냉각에 기여할 수 있도록 밀폐된다. 다시 말해서, 발전기의 냉각이 상기에 기술한 실시예에서와 같이 효과가 나타나지만, 포드(30)의 외부에 있는 팬(38)은 신선한 공기를 공급하도록 사용된다.

본 발명에 따라 팬 시스템은 포드 플랫폼에 장착되어 상방향으로 흡입된 공기를 발전기의 뒷부분(로터측에서 보았을 때)과 직결된 포드의 영역으로 보낸다. 이와 같은 경우 흡입되는 공기는 파일론 자체로부터 또는 바람직하게는 파일론 간극으로부터, 즉 기계 캐리어와 바람에 대하여 바람직한 각도로 설비를 위치시키도록 방위 베어링(azimuth bearing)이 배치된 파일론 사이의 간극으로부터 흡입되어야 한다.

이와 같은 경우 흡입 공간도 예를 들어 판으로써 발전기의 방향 쪽으로 전방으로 밀폐되고, 포드 플랫폼과 포드 하우징(유리 섬유 강화 프라스틱) 사이의 간극도 예를 들어 판으로 폐쇄한다.

포드의 스피너 측에서는 공기 유도판이 스테이터의 권선 헤드를 지나는 공기 공극을 통과하는 냉각 공기를 유도하고, 이렇게 해서 가열된 공기는 스피너와 포드 사이의 공기 공극을 통해 밖으로 직접 나갈 수 있다.

이 경우에 로터의 모든 개구부는 바람직하게는 완전히 폐쇄되며, 이는 단순 내강뿐 아니라 맨홀, 즉 필요한 경우 서비스 기술자가 스피너에서 정비 작업을 수행하기 위해 포드의 뒷부분에서 스피너 안으로 들어갈 수 있도록 마련된 개구부에 대해서도 적용된다. 이 맨홀은 예를 들어 수리를 하는 상황에서 쉽게 제거하거나 열 수 있는 타포린(tarpaulin)으로 폐쇄할 수 있다. 정비 작업 후에는 다시 공기가 들어가지 않도록 이 타포린으로 맨홀을 폐쇄하면 된다.

포드는 대개 스테이터의 스테이터 링을 둘러싸며, 본 발명에 따라 포드와 스테이터 링 사이의 모든 간극은 밀폐재와 같은 밀폐 수단에 의해 공기가 통하지 않도록 폐쇄되는 것이 제공된다.

본 발명의 결과로서 기존의 발전기를 더 잘 활용할 수 있을 뿐 아니라, 충분한 냉각 효과를 제공하기 위해 현저히 적은 팬 전기 전력이 필요해진다.

Enercon E-48 유형의 풍력 발전 설비에서는 발전기의 공기 공극이 대략적으로 0.5m²의 단면적을 가지고, 이와 달리 로터에 있는 다른 구멍들은 0.1m²의 단면적을 가진다고 가정하면, 이로써 팬의 효율성은 적어도 20% 만큼 감소한다. 발전기의 공기 공극의 20%에 해당하는 로터의 다른 구멍들로 유동되는 공기가 적을수록 유리하므로, 공기 공극을 통과하지 않는 공기를 20% 이내로 제한 하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 풍력 발전 설비에서는, 팬(41, 42, 43)에 의해 포드의 뒷부분에서 앞부분으로 보내어지는 공기 중 20% 이내가 스테이터(20)와 로터(10) 사이의 공기 공극을 통한 유로를 거치지 않도록 한다.

상기의 대안으로서 파일론과 포드 개구부의 하부(100) 사이의 공기 공극이 포드의 하부에 제공될 수도 있다. 이러한 개구부로는 예를 들어 격자, 슬릿, 또는 그 외의 것들이 가능하다. 이와 달리 혹은 이와 더불어서 뒤쪽으로 흐르는 공기를 흡입하기 위해 포드에 풍하측으로 조정된 스쿠프(scoop) 또는 풍하측으로 조정된 개구부가 있을 수 있다.

도 7은 다른 실시예에 따른 풍력 발전 설비의 포드를 관통한 개략적인 단면을 도시한다. 포드(170)는 발전기(180), 벽 또는 플랫폼 형태의 격벽(177)에 의해 서로 분리된 압력 공간(176)과 흡입 공간(175)을 가지고 있다. 격벽(177)은 바람직하게는 실질적으로 공기가 통하지 않는 성질을 가지며, 포드에 대하여 조심스럽게 밀폐되어 있다. 격벽(177)에는 두 팬(600, 610)이 제공되어 있으며, 이 두 팬(600, 610) 중 하나는 수평방향으로 조정되어 있고, 제2의 팬(610)은 수직 방향으로 조정되어 있다. 바람직하게는 수직방향으로 놓인 팬은 흡입된 공기가 발전기(180)의 공기 공극의 영역으로 불어 들어가도록 배치된다. 제2의 팬(610)은 공기를 기류(700)의 형태로 흡입 공간(175)에서 발전기의 공기 공극을 통해 발전기(180) 뒤의 영역으로 보낸다. 따라서 공기는 파일론 간극을 통해서 혹은 포드의 꼬리에서 흡입 공간(175) 안으로 흡입되고, 공기는 팬(600, 610)에 의해 흡입 공간(175)에서 압력 공간(176) 안으로 보내어진다. 압력 공간(176)에는 어떤 과압(overpressure)이 존재하므로, 공기는 발전기(180)의 공기 공극을 통해서 이탈하고, 이렇게 해서 발전기를 냉각시킨다. 그 다음 공기는 포드(170) 상의 후드(hood) 공기 공극(179)에서 빠져나간다.

발전기의 공기 공극을 통과하는 기류(700)는 제1의 수평 방향으로 놓인 팬(600)의 보조를 받는다. 제1, 제2 팬(600, 610) 모두 하나 또는 그 이상의 팬이 각각 제공될 수 있다.

포드의 내부 공간과 밀폐벽으로서의 격벽(177)의 설계에 있어서 누출 지점들이 팬의 효율성을 감소시키고, 이로써 발전기의 냉각 효과를 감소시키므로 포드에 대하여 이들 부재들이 밀폐되는 것이 중요하다. 따라서, 본원에서는 밀폐수단이 포드에 제공되며, 구체적으로 포드의 내부 공간과 격벽(177)의 설계를 통해 후술할 누출 지점들이 밀폐되는 구성이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전 설비의 포드의 개략적인 단면을 도시한다. 도 8은 특히 잠재 누출이 일어날 수 있는 위치들을 도시한다. 예를 들어 제1 누출 A는 예를 들어 격벽(177)과 포드의 후드(170) 사이에서 발생할 수 있다. 다른 누출 B는 격벽(177)과 포드의 기계 캐리어 사이에서, 특히 격벽(177)에 있는 케이블 구멍을 통해서 발생할 수 있다. 또 다른 누출 C는 흡입 공간과 압력 공간 사이의 경계 수단인 전면벽과 포드(170)의 후드 사이에서 발생할 수 있다. 또 다른 누출 D는 풍력 발전 설비의 발전기의 로터에 있는 구멍을 통해서 발생할 수 있다. 다른 누출 E는 후드 해치를 통해서 일어날 수 있다. 마지막으로 기계 캐리어에 있는 케이블 구멍을 통해서도 다른 누출이 발생할 수 있다.

상기에 언급한 모든 가능한 누출은 발전기에 대해 가능한 최고의 냉각 효과를 얻도록 적절한 조치로써 차단되어야 한다.

전면벽과 선택적으로 포드의 꼬리에 평행하게 배치된 다른 벽을 가진 플랫폼의 제공은 포드의 내부가 압력 공간과 흡입 공간으로 분리될 수 있는 것을 제공한다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포드의 부분 사시 단면도를 도시한다. 포드판 G와 포드 타포린 H가 포드의 플랫폼 밑에 배치되어 있다. 이렇게 배열하면 판의 엣지와 밀폐판 I를 가진 타포린은 포드의 외벽에 대하여 밀폐된다. 포드의 꼬리에서, 플랫폼 타폴린 J는 흡입 공간을 압력 공간으로부터 분리한다. 여기에 파일론 간극 및/또는 꼬리 구멍을 통해서 공기를 흡입하는 다섯 개의 팬 F가 도시되어 있고, 이들은 공기를 위쪽과 앞쪽으로 보낸다. 이와 같은 팬과 포드의 설계 형상은 더 적은 소음이 외부에 도달하고, 더 적은 비 또는 먼지가 흡입되어 설비 안으로 들어가기 때문에 장점이다. 이와 더불어서 더 강력한 팬들의 설치가 가능하며, 이 팬들은 차후에 교체할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따라 복수의 팬이 발전기의 주위에 분배 배치되어 발전기의 공기 공극을 통해 공기를 보낸다. 팬은 팬 중 어느 하나가 고장이 나더라도 다른 팬들이 발전기의 공기 공극을 통해 충분한 양의 공기를 보내어 냉각 효과를 유지시키도록 그 수를 초과적으로 둘 수 있다. 이와 달리 또는 이와 더불어서 팬들이 적어도 일시적으로 고장난 팬을 대신할 수 있도록 팬의 전력이 초과적으로 설정될 수 있다. 이와 관련하여 팬들은 바람직하게는 공기 공극 근방의 발전기 주위에 분배 배치된다.

이와 같은 경우 압력 공간은 팬 중 어느 하나가 고장이 나더라도 공기가 압력 공간과 발전기 앞 영역 사이의 압력차로 인해 발전기의 공기 공극을 통해 흐를 수 있도록 과압이 존재하는 형상을 갖는다. 상기에 이미 기술된 바와 같이 압력 공간의 적절한 밀폐가 필요하다.

또 다른 실시예에 따라 물체들이 팬 안으로 떨어지는 것을 막기 위해 특히 수평 방향으로 놓인 팬 위에 공기 격자를 배치할 수 있다. 이와 달리 또는 이와 더불어서 공기 격자 위에 물체가 팬 안으로 떨어지는 것을 막는 매트를 제공하는 것이 가능하다. 이와 같은 경우 매트는 바람직하게는 팬의 작동시 매트가 팬에 의해 발생된 공기에 의해 위로 움직이고, 팬이 정지하면 곧 공기 격자에 다시 내려오도록 한쪽 끝만 고정된다. 따라서 이와 같은 것이 팬의 작동이 심각하게 교란되지 않을 때 팬이 작은 물체들로부터 보호받도록 보장한다.

기류는 수직 방향으로 놓인 도 7에 도시된 팬(600)에 의해 그 길이가 단축될 수 있고, 발전기의 공기 공극으로 직접 혹은 그 근방으로 편향될 수 있다. 따라서 이것이 위쪽 방향과 전방 양쪽으로의 기류를 가능하게 한다. 이러한 목적에 요구되는 공기는 파일론 간극과 꼬리에 있는 구멍을 통해서 이용된다.

일반적으로 발전기의 공기 공극은 0.5m²의 단면적을 갖는다. 그러나 만일 예를 들어 단일 케이블 통로가 플랫폼에 열려 있으면(0.1m²), 냉각 효율성은 대략 20% 정도 감소한다.

Claims (19)

1. 파일론, 파일론에 회전 가능하도록 장착된 포드, 포드 내에 배치되고 로터와 스테이터를 가진 발전기, 및 포드의 영역에 적어도 하나의 팬을 가진 풍력 발전 설비로서,

   포드(30) 내에 팬(41, 42, 43)이 배치되고, 파일론(2)과 포드(30) 사이에는 제1 공기 공극(36)이 형성되며, 팬(41, 42, 43)은 아래쪽으로 개방된 제1 공기 공극(36)을 통해서 외부 공기를 흡입하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
2. 제1항에 있어서,

   포드 내에 상호 간격을 두고 배치된 복수의 팬(41, 42, 43)을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   포드(30)의 플랫폼(34)과 플랫폼(34)의 아래에 배치된 적어도 하나의 팬(41, 42, 43)을 구비하고, 흡입되는 공기의 공기 출구가 플랫폼(34)의 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
4. 제3항에 있어서,

   포드(30)가 적어도 하나의 팬(41, 42, 43)의 영역에 대하여 밀폐되도록, 포드(30)에 대하여 측 방향과 아래 방향으로 밀폐된 플랫폼(34)을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   하나의 제2 공기 공극(24)만 발전기의 로터(10)와 스테이터(20) 사이에 개방되어 포드 내부로 흡입된 공기의 방출 기류를 허용하도록, 포드(30)에 대하여 밀폐되는 스테이터(20) 및 로터(10) 자체를 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
6. 제5항에 있어서,

   로터(10)의 전체 외주에서 제공되고, 소정의 간격으로 로터(10)와 스테이터(20) 사이의 제2 공기 공극(24)을 덮으며, 발전기의 스테이터(20)에 평행한 소정의 거리를 반경 방향으로 연장하는 공기 유도판(45)을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   포드가 파일론에 평행하게 소정의 거리를 연장하여 아래쪽으로 개방된 엣지에서 끝나는 하부(100)를 갖고, 리지(ridge) 형상의 하부 엣지를 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   포드가 파일론에 평행하게 소정의 거리를 연장하여 아래쪽으로 개방된 엣지에서 끝나는 하부(100)를 갖고, 상기 하부(100)는 소정의 양만큼 깔대기 모양으로 확대되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
9. 파일론과, 파일론에 회전 가능하도록 장착되고 로터(10)와 스테이터(20)를 가진 발전기와 적어도 하나의 팬(41, 42, 43)을 가진 포드로 구성된 풍력 발전 설비로서,

   발전기가 포드(30)를 스테이터(20)와 로터(10) 사이의 공기 공극(24)에 의해 연결되는 앞부분과 뒷부분으로 나누고, 적어도 하나의 팬(41, 42, 43)이 공기 공극(24)을 통해 공기를 포드의 뒷부분에서 포드의 앞부분으로 보내며,

   스테이터(20)와 로터(10) 사이의 공기 공극(24)만을 통해 포드 내부로 흡입된 공기의 방출 기류가 허용되도록 밀폐 수단이 포드에 제공되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
10. 제9항에 있어서,

    적어도 하나의 팬(41, 42, 43)에 의해 포드의 뒷부분에서 앞부분으로 보내어지는 공기 중 20%이내가 스테이터(20)와 로터(10) 사이의 공기 공극을 통한 유로를 거치지 않는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
11. 제9항 또는 제10항 중 어느 한 항에 있어서

    포드(30)가 포드의 뒷부분을 제1 부분과 제2 부분으로 나누는 격벽(177)을 그 뒷부분에 가지는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
12. 제11항에 있어서,

    포드(30)의 뒷부분의 제2 부분에, 격벽(177)을 통해 흡입된 공기를 포드(30)의 뒷부분의 제1 부분으로 보내는 적어도 하나의 팬이 제공되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
13. 제11항에 있어서,

    격벽(177)이 수평 부분, 발을 디딜 수 있는 부분, 및 수직 부분을 갖는 판을 구비한 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
14. 제9항 또는 제10항에 있어서,

    공기 공극을 지나는 기류를 스테이터(20)의 권선을 지나도록 유도하는 기류 유도 부재(45)가 포드의 앞부분에 제공되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
15. 제9항 또는 제10항에 있어서,

    발전기의 로터(10)가 공기가 거의 또는 전혀 흐르지 못하도록 폐쇄된 통로를 가지는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
16. 제9항 또는 제10항에 있어서,

    발전기의 스테이터(20)가 스테이터 링을 가지고, 밀폐 수단이 스테이터 링과 상기의 링을 둘러싸는 포드 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
17. 제9항 또는 제10항에 있어서,

    적어도 하나의 팬(41, 42, 43)이 파일론(2)과 포드(30) 사이의 공기 공극을 통해 외부에서 포드(30) 안으로 흐르는 공기를 흡입하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
18. 제11항에 있어서,

    발전기에 평행하게 연장하도록 격벽(177)에 연접되는 수직 격벽이 제공되어 있고, 또 다른 팬이 이 팬에 의해 흡입된 공기가 발전기의 공기 공극 근방의 위쪽이나 안으로 향하도록 상기 수직 격벽에 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
19. 제9항 또는 제10항에 있어서,

    공기 격자가 각 팬의 위에 배치되고,

    매트가 공기 격자에 매트의 한쪽 끝만 고정되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.

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