KR101928791B1 - 열 조절 시스템을 갖는 직접 구동 풍력 터빈 - Google Patents

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Abstract

열 조절 시스템(15)을 가진 직접 구동 풍력 터빈은 로터(12) 및 스테이터(13)를 가진 발전기(11)와, 상기 로터(12)와 상기 스테이터(13)를 회동적으로 연결하는, 내부 링(6)과 외부 링(7)을 가진 베어링(5)을 가진다. 상기 열 조절 시스템(15)은 냉각 시스템(16) 및 가열 시스템(17)을 포함한다. 상기 냉각 시스템(16)은 상기 베어링(5)의 상기 내부 링(6)과 열적으로 소통하는 하나 이상의 열 싱크(18)와, 상기 열 싱크(18)와 열적으로 소통하는 열 소산기(24)를 포함한다. 상기 가열 시스템(17)은 상기 베어링(5)의 상기 외부 링(7)과 열적으로 소통하는 하나 이상의 가열 소자(25)를 포함한다.

Description

열 조절 시스템을 갖는 직접 구동 풍력 터빈{DIRECT DRIVE WIND TURBINE WITH A THERMAL CONTROL SYSTEM}
본 발명은 풍력 터빈의 베어링(bearing)의 열 조절에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 열 조절 시스템을 갖는 직접 구동 풍력 터빈, 베어링 어셈블리(bearing assembly), 및 베어링의 온도를 조절하기 위한 방법에 관한 것이다.
풍력 터빈의 베어링은 약 -0.1 내지 0.2㎜의 틈을 가진다. 발전기의 수명과 공극(air-gap)을 조절하기 위하여, 상기 틈을 조절하는 것이 유리하다. 문제는 베어링의 내부 링(inner ring)이 가열되어 팽창하고 결국 베어링의 수명 감소로 이어진다는 데 있다. 가열의 원인은 축 구조와 함께 베어링의 내부 링이 외부 링의 질량/구조에 비하여 작은 질량/강성을 가지는 데 있다.
외부 로터/내부 스테이터 발전기들(outer rotor/inner stator generators)의 경우, 열 차이는 날개 허브(blade hub)와 상기 외부 링에 연결된 로터 요크(rotor yoke) 때문에 심지어 더 높다. 추가로, 허브와 요구 구조물은 주변 공기에 의하여 냉각된다.
이는 내부 링의 평균 온도가 외부 링 및 상기 외부 링 주위의 구조물의 평균 온도보다 더 높다는 것을 의미한다.
풍력 터빈의 베어링은 정상적으로는 냉각되지 않는다. 그러나, 일반적으로는 오일이 냉각되어 베어링 조립체에서 부근으로 펌핑되는(pumped) 통합형 오일 윤활 시스템(oil lubrication system)에 의하여 베어링을 냉각한다고 알려져 있다. 직접 구동 풍력 터빈을 위한 대형 메인 베어링(large main bearing)을 냉각하기 위하여 오일의 교환은 제한되고 충분치 않다. 또한, 통합 냉각을 위한 오일 윤활 시스템들은 복잡하고, 피해야만 하는 풍력 터빈의 오일 누설의 위험이 상존한다.
그리스 윤활 베어링들(grease lubricated bearings)의 경우, 냉각 시스템들은 알려지지 않고 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 베어링을 위한 개선된 냉각을 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 제 1 항, 제 10 항 및 제 13 항의 특징들에 의하여 각각 해결된다. 종속항들은 더 상세한 내용들과 본 발명의 장점들을 제공한다.
일 양태에서, 본 발명은 열 조절 시스템을 가진 직접 구동 풍력 터빈에 관한 것이다. 상기 풍력 터빈은 로터 및 스테이터를 가진 발전기, 상기 로터와 상기 스테이터를 회동적으로 연결하는, 내부 링과 외부 링을 가진 베어링을 가진다. 상기 열 조절 시스템은 냉각 시스템 및 가열 시스템을 포함한다. 상기 냉각 시스템은 상기 베어링의 상기 내부 링과 열적으로 소통하는 하나 이상의 열 싱크(heat sink)와, 상기 열 싱크와 열적으로 소통하는 열 소산기(heat dissipater)를 포함한다. 상기 가열 시스템은 상기 베어링의 상기 외부 링과 열적으로 소통하는 하나 이상의 가열 소자를 포함한다.
상기 냉각 시스템을 상기 외부 링에게 그리고/또는 마찬가지로 상기 가열 시스템을 상기 내부 링에게 제공하는 것도 가능하다. 이는 상기 베어링의 온도를 조절하는 가능성들을 넓힌다.
상기 내부 링을 냉각하고 상기 외부 링을 가열하는 것은 상기 풍력 터빈의 동작 동안 상기 베어링의 상기 내부 링과 상기 외부 링 사이의 온도 차이를 조절 및 감소 또는 제거하려는 의도이다. 그리하여, 상기 내부 링의 조절되지 않은 그리고 원치않는 열 팽창 및 상기 외부 링의 조절되지 않은 그리고 원치않는 열 압축이 회피된다. 상기 베어링의 신뢰성 및 수명이 높아진다.
또한, 상기 발전기의 수명과 공극을 조절하고 유지하기 위하여 상기 베어링 틈(-0.1 내지 0.2 mm)을 조절하는 것이 이제는 가능하다.
상기 냉각 시스템은 마찬가지로 그리스 및 오일 윤활 베어링들을 위하여 사용될 수 있다.
상기 직접 구동 풍력 터빈의 상기 열 싱크는 물과 같은 냉매를 위한 냉각 용기를 포함할 수 있다. 이러한 방법, 즉 엔진실(nacelle)에 이미 설치된 수냉 시스템이 상기 베어링의 상기 내부 링의 충분한 냉각을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 해결책은 베어링을 위한 냉각을 갖지 않는 존재하는 풍력 터빈들에 쉽게 설치될 수 있다.
상기 열 싱크는 상기 내부 링의 내주면에 마련될 수 있다. 상기 내주면은 크기와 표면 특성들이 좋기 때문에 상기 열 싱크를 위한 좋은 접촉 영역을 제공한다.
상기 열 싱크는 상기 내부 링과 일체로 형성될 수 있다. 상기 열 싱크의 적어도 일부는 상기 내부 링의 내부에 위치될 수 있는데, 이는 상기 내부 링으로부터 상기 열 싱크로의 열 전달을 개선할 수 있다. 상기 열 싱크는 일체로 형성된 부품들과 상기 내부 링의 표면에 마련된 부품들 모두를 포함할 수 있다.
상기 냉각 시스템은 표준 베어링을 위한 애드 온 솔루션(add on solution)을 설치하기가 용이하고 혹은, 예를 들어, 냉각 채널들 또는 챔버들(cooling channels or chambers)이 상기 베어링의 내부 및/또는 외부 링에 일체화되는 그러한 식으로 일체화된 부품일 수 있다.
상기 열 싱크는 도관을 통하여 상기 열 소산기와 연결될 수 있다. 상기 열 싱크, 바람직하게는 냉각 용기는 상기 발전기 등을 냉각하기 위하여 상기 엔진실에 이미 설치된 상기 풍력 터빈의 수냉식 시스템에 연결될 수 있다. 상기 수냉식 시스템의 상기 열 소산기는 마찬가지로 상기 베어링을 냉각하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 베어링의 냉각을 조절하기 위하여 상기 도관은 상기 냉각유체의 상기 냉각 용기로의 그리고 상기 냉각 용기로부터의 흐름을 조절하는 밸브(valve)를 장착할 수 있다.
다른 한편으로는, 열 싱크는, 예를 들어, 냉각 핀들(cooling fins) 또는 펠티어(Peltier) 소자들처럼 상기 내부 링을 국부적으로 냉각하기 위하여 사용될 수 있다.
상기 가열 소자는 전기적 가열 수단 및/또는 뜨거운 유체 가열 수단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기선 가열 소자들 또는 유압식 피치 시스템(hydraulic pitch system)과 같이 예를 들어 유압유 시스템으로부터 기원한 튜브들(tubes), 호스들(hoses) 및/또는 채널들 내의 뜨거운 유체들이 사용될 수 있다. 조절가능한 입구/출구 밸브를 가진 전기 보일러(electrical boiler)와 같이 물 가열기를 가진 물 가열 시스템이 또한 사용될 수 있다.
상기 가열 소자는 상기 외부 링, 로터 요크 및/또는 블레이드 허브(blade hub)에 마련될 수 있다. 상기 가열 소자는 상기 외부 링과 열적으로 소통할 필요가 있다. 따라서, 상기 가열 소자는 상기 로터 요크 또는 상기 블레이드 허브와 같이 상기 외부 링과 열적으로 소통하는 부품들에게 부착될 수 있다. 상기 가열 소자는 위에서 언급된 구조물들 중 하나의 구조물에서 하나의 장소에 또는 하나 또는 둘 이상의 구조물들에서 다양한 장소들에 마련될 수 있다.
상기 가열 소자는 또한 상기 외부 링과 일체로 형성될 수 있다.
열적 인터페이스 물질(thermal interface material)이 상기 베어링과 상기 열 싱크 및/또는 상기 가열 소자 사이에 마련될 수 있다. 낮은 열 저항을 제공하기 위하여, 알루미늄 시트(sheet of aluminium), 열 전도성 페이스트(temperature conductive paste) 또는 다른 적합한 열적 인터페이스 물질이 상기 링의 표면과 상기 열 싱크 또는 상기 가열 소자 사이에 도포될 수 있다.
상기 열 조절 시스템은 상기 베어링의 온도를 조절하기 위하여 상기 냉각 시스템 및/또는 상기 가열 시스템과 소통하는 제어 장치를 포함할 수 있다. 상기 제어 장치는, 예를 들어, 상기 열 싱크와 상기 열 소산기 사이에서 도관 내에 위치된 밸브를 제어함으로써 상기 내부 링의 냉각을 조절하고 및/또는 상기 외부 링의 가열을 조절하기 위하여 사용될 수 있다.
상기 열 조절 시스템은 하나 이상의 온도 측정 장치를 포함할 수 있다. 상기 온도 측정 장치는 상기 내부 링 및/또는 상기 외부 링에, 상기 내부 링과 상기 외부 링의 정확하고 신뢰성 있는 온도 측량을 고려하도록 심지어는 다수의 측정점들에 설치될 수 있다.
상기 발전기는 외부 로터/내부 스테이터 발전기일 수 있다. 상기 베어링의 상기 내부 링은 상기 풍력 터빈의 고정 부품에 연결될 수 있고, 상기 베어링의 상기 외부 링은 상기 풍력 터빈의 로터 요크(rotor yoke)에게 연결될 수 있다.
상기 냉각 시스템은 상기 베어링의 상기 내부 링의 내부 반경과 실질적으로 동일한 외부 반경을 가진 수많은 냉각 용기들을 포함할 수 있다. 상기 용기들의 길이는 하나 보다 많은 용기들이 상기 내부 링을 냉각하기 위하여 마련되도록 주변의 일부만을 덮을 수 있는데, 이는 현존하는 설비들 상에 상기 냉각 시스템의 설치를 더욱 쉽게 한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 내부 링과 외부 링을 포함하는 베어링 조립체에 관한 것이고, 하나 이상의 냉각 용기가 상기 내부 및/또는 외부 링에 마련되고, 상기 냉각 용기는 냉매의 교환을 위한 하나 이상의 포트(port)를 포함한다. 하나 이상의 가열 소자가 상기 외부 링 및/또는 상기 내부 링에 마련된다. 상기 베어링에 직접 냉각 용기와 가열 소자를 제공하는 것은 빠르고 철저한 온도 조절을 고려한 것이다. 그리하여 상기 베어링의 신뢰성과 수명이 향상된다.
수많은 냉각 용기들이 상기 내부 링의 내부면을 따라서 고르게 분포될 수 있다. 이러한 배열은 이미 존재하는 풍력 터빈에 설치하는 것을 쉽게 한다. 또한, 이러한 배열은 국부적 온도 변화들을 조정할 수 있다.
상기 냉각 용기들은 상기 내부 링의 내주면을 따라서 연장될 수 있고, 두 개의 냉각 용기들이 평행하게 배열될 수 있다. 이러한 배열은 심지어는 더욱 미세한 온도 보정을 가능하게 한다. 예를 들어, 뜨거운 스폿들(spots)이 제거될 수 있다.
상기 링 또는 상기 베어링의 온도를 측정하기 위하여 하나 이상의 온도 측정 장치가 상기 내부 링 및/또는 상기 외부 링에 마련될 수 있다. 상기 베어링의 좋은 온도 조절을 대비하도록 측정 값들은 제어 장치에게 제공될 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 베어링의 온도를 조절하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 베어링의 온도가 측정되고 상기 베어링의 링에 부착된 하나 이상의 냉각 용기를 통하여 물과 같은 냉매의 흐름이 조절된다. 상기 베어링의 링과 열적으로 소통하는 가열 소자가 또한 제어된다. 이러한 방법의 채용은 베어링의 온도를 조절하는 데 있고, 그리하여 상기 베어링의 신뢰성과 수명이 향상될 수 있다.
하나 이상의 냉각 용기가 상기 베어링의 상기 내부 링에 부착될 수 있고 온도는 상기 베어링의 상기 내부 링의 하나 이상의 지점에서 측정될 수 있다. 수많은 설계들에서, 상기 내부 링은 상기 베어링 중 가장 뜨거운 부분이어서 이 부품을 즉시 측정하고 냉각하는 것이 유리하다.
상기 발전기의 수명과 공극을 조절하고 유지하기 위하여, 상기 베어링의 상기 내부 링과 상기 외부 링 사이의 틈은 예를 들어 -0.1 내지 0.2 mm의 범위로 조절될 수 있다.
상기 베어링의 상기 내부 링과 상기 외부 링의 틈은 0 또는 0 미만으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 상기 베어링 또는 상기 베어링 장치를 가진 풍력 터빈의 운송 동안, 상기 베어링의 상기 외부 링 및/또는 상기 내부 링의 온도는 상기 외부 링과 상기 내부 링 사이의 틈이 0.0 mm 또는 심지어는 0.0 mm 미만, 특히 -0.1 mm 또는 -0.1 mm 미만 그리고 바람직하게는 -0.15 내지 -0.6 mm가 되는 그러한 식으로 조절될 수 있다. 이런 식으로, 상기 베어링은 운송 동안 잠기고 상기 베어링을 손상시킬 수 있는 진동들이 방지된다.
첨부한 도면들은 실시예들의 더 나은 이해를 제공하기 위하여 포함된다. 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 실시예들이 더 잘 이해되듯이, 다른 실시예들과 의도된 장점들의 많은 것들이 쉽게 인식될 것이다. 도면들의 소자들은 반드시 서로 치수가 맞지는 않는다. 동일한 참조 번호들은 대응하는 유사한 부분들을 가리킨다.
도 1은 본 발명에 따른 베어링과 열 조절 시스템을 포함하는 풍력 터빈의 중앙부의 개략도를 보여준다.
도 2는 본 발명에 따른 냉각 시스템을 가진 베어링의 정면도를 보여준다.
도 3은 본 발명에 따른 냉각 시스템을 가진 베어링의 사시도를 보여준다.
도 4는 본 발명에 따른 가열 시스템을 포함하는 풍력 터빈의 중앙부의 개략도를 보여준다.
본 명세서의 일부를 형성하고 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예들의 예시로 도시된 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명이 상세하게 설명된다. 이 점에서, "상부(top)" 또는 "하부(bottom)" 등과 같은 방향적 용어들은, 설명되는 도면들의 방향을 참조하여 사용된다. 실시예들의 요소들은 수많은 다른 방향들에 위치될 수 있기 때문에, 이 방향적 용어들은 예시의 목적으로 사용되고 한정하는 식으로 사용되지 않는다. 본 발명의 범주를 벗어나지 않고서 다른 실시예들이 사용될 수 있고 구조적 또는 논리적 변화들이 생길 수 있다는 것이 이해될 것이다. 그러므로, 다음의 상세한 설명은 한정하는 의미로 취급되지 않을 것이고, 본 발명의 범주는 첨부된 청구항들에 의하여 정의된다.
풍력 터빈(1)은 지면에 고정되어 상기 풍력 터빈(1)의 전체 구조를 지탱하는 타워(tower; 2)를 가진다. 상기 타워(2)의 상부에, 타워 연결기(3)가 부착된다. 상기 타워 연결기(3)는 상기 풍력 터빈(1)의 메인 축(4)을 지탱한다. 상기 타워 연결기(3)와 마주하는 상기 메인 축(4)의 일측 말단에는 종종 메인 베어링이라 불리는 베어링(5)이 고정된다. 상기 베어링(5)은 상기 메인 축(4)에 고정된 내부 링(6)과 외부 링(7)을 가진다. 상기 외부 링(7)은 로터 요크(8)에 연결된다. 상기 로터 요크(8)는 상기 풍력 터빈(1)의 날개들을 지탱하는 블레이드 허브(9)와 연결된다. 상기 날개들은 명료성을 위하여 도시되지 않는다. 엔진실(10)은 상기 메인 축(4)을 둘러싸고 상기 메인 축(4)에 부착된다.
상기 풍력 터빈(1)은 직접 구동 풍력 터빈, 즉 발전기(11)가 상기 메인 축(4)과 상기 로터 요크(8)에 각각 직접 결합된다. 변속기는 사용되지 않는다. 상기 발전기(11)는 상기 로터 요크(8)에 부착된 외부 로터(12)와 유지 구조물(14)을 경유하여 상기 메인 축(4)에 고정된 내부 스테이터(13)를 포함한다.
상기 외부 링(7)이 부착된 상기 로터 요크(8)는 주위 공기와 접촉한다. 그러므로, 상기 외부 링(7)의 냉각은 주변 공기에 의하여 일어난다. 그러나, 상기 내부 링(6)은 상기 풍력 터빈(1)의 구조물 내에 위치되어서, 주위 공기에 의한 냉각은 이루어지지 않는다. 이는 각각 상기 내부 링(6)과 상기 외부 링(7) 사이의 온도 차이로 이어진다.
상기 메인 축(4)과 함께 상기 베어링(5)의 상기 내부 링(6)은 상기 외부 링(7), 상기 로터 요크(8) 및 상기 블레이드 허브(9)에 비하여 더 작은 부피를 가진다. 그러므로, 상기 내부 링(6)은 상기 외부 링(7)보다 더 빠르게 가열되는 경향이 있다.
더구나, 상기 로터(12)로부터 상기 스테이터(13) 조립체까지 전기적인 경로를 방지하기 위하여 상기 내부 링(6)은 정상적으로는 상기 메인 축(4)과 전기적으로 절연되지만, 이 전기적 절연은 상기 내부 링(6)과 상기 메인 축(4) 사이의 열 전도도를 감소시켜 상기 내부 링(6)의 더욱더 심한 가열을 야기한다.
상기 풍력 터빈(1)은 냉각 시스템(16)과 가열 시스템(17)을 가진 열 조절 시스템(15)을 장착하고 있다.
상기 냉각 시스템(16)은 상기 베어링(5)으로부터, 특히 상기 내부 링(6)으로부터 열을 멀리 나른다. 상기 냉각 시스템(16)은 상기 내부 링(6)의 내주면에 부착된 하나 또는 둘 이상의 열 싱크들 또는 냉각 용기(18)들을 가진다. 여기서, 다수의 냉각 용기들(18)이 상기 내부 링(6)에 부착된다. 상기 냉각 용기들(18)의 배치의 상세한 내용들은 도 2와 도 3과 함께 논의될 것이다.
물과 같은 냉매를 상기 냉각 용기들(18)을 통하여 순환하기 위하여 각 냉각 용기(18)는 도관(19)과 연결된다. 상기 냉매는 열을 상기 내부 링(6)으로부터 멀리 전달한다. 상기 도관(19)들이 도식적으로 도시된다. 예를 들어, 장애물들 또는 날카로운 접힘을 피하기 위하여 상기 도관(19)들의 실제 진로는 도시된 진로와 다를 수도 있다. 또한, 상기 냉매를 위한 폐 루프(closed loop)가 선호될 수 있다. 이해를 쉽게 하기 위하여, 도 1은 냉각 용기(18) 당 하나의 도관(19)을 보여준다.
밸브(20)는 상기 도관들(19)을 통한 상기 냉매의 흐름을 조절한다. 상기 단일 밸브(20)가 모든 도관들(19)을 통한 상기 냉매의 흐름을 조절하도록 상기 밸브(20)는 교차점(21) 앞에 위치될 수 있다. 이 문장에서 "앞에"라는 표현은 상기 냉각 용기들(18) 쪽으로 상기 냉매의 흐름의 방향을 의미한다. 대안적으로, 하나의 밸브가 각 도관에 대하여 채용되어 각 냉각 용기(18)를 개별적으로 제어할 수 있다. 또한, 양자의 조합이 가능하다. 그러면, 각 밸브는 냉각 용기들(18)의 군을 제어할 수 있다.
또한, 상기 밸브(21)의 앞에, 상기 냉각 시스템(16)의 중앙 장치(22)가 위치된다. 상기 중앙 장치(22)는 예를 들어 상기 냉매를 위한 펌프(pump)와 제어 유닛(23)을 포함한다. 열 소산기 또는 방열기(24)가 상기 중앙 장치(22)에 연결된다. 상기 열 소산기(24)는 상기 냉매를 냉각하기 위한 주변 공기를 사용하기 위하여 상기 엔진실(10) 외부에 마련된다. 상기 열 소산기(24)는 최적의 열 이동을 위하여 상기 엔진실(10)의 상부 상에 위치될 수도 있다. 상기 밸브(20)는 상기 도관(19)의 추가적인 부분을 경유하여 상기 중앙 장치(22)와 연결된다. 상기 중앙 장치(22)는 상기 도관(19)의 또 다른 부분을 경유하여 상기 열 소산기(24)와 연결된다.
상기 냉매는 상기 열 소산기(24)로부터 상기 중앙 장치(22)를 통하여 그리고 추가로 상기 냉매의 흐름을 조절하는 밸브(20)를 통하여 순환한다. 교차점(21)에서 상기 도관(19)은 분기되어 상기 냉매는 상기 냉각 용기들(18)로 흐른다. 상기 냉각 용기들(18)을 통하여 흐르는 동안, 상기 냉매는 상기 내부 링(6)으로부터 열을 흡수한다. 상기 냉매가 냉각되면 상기 냉매는 상기 열 소산기(24)로 거꾸로 흐른다. 상기 냉매를 상기 열 소산기(24)에게 거꾸로 이송하기 위한 상기 도관 또는 도관들은 명료성을 위하여 도시되지 않는다.
상기 중앙 장치(22) 및 상기 열 소산기(24)와 같이 상기 냉각 시스템(16)의 부품은 발전기(11)와 같은 다른 장치들을 냉각하기 위하여 사용될 수도 있다. 상기 냉각 시스템(16)이 풍력 터빈에 역으로 맞추어지면, 상기 중앙 장치(22) 및 상기 열 소산기(24)와 같이 이미 존재하는 부품들은 마찬가지로 상기 베어링(5)의 냉각을 위하여 사용될 수 있다.
상기 가열 시스템(17)은 상기 베어링(5)의 상기 외부 링(7)과 열적으로 소통하는 하나 또는 둘 이상의 가열 소자들(25)을 포함한다. 상기 가열 소자(25)는 여기에서 상기 외부 링(7)에 직접 부착된다. 하나 또는 둘 이상 또는 모든 가열 소자들(25)을 상기 로터 요크(8) 및/또는 상기 블레이드 허브(9)에 부착하는 것도 가능하다. 상기 가열 시스템(17)의 상세한 내용들은 도 4와 함께 나중에 설명된다.
하나 또는 둘 이상의 온도 조절 장치들 또는 온도 센서들(temperature sensors; 26)이 채용될 수 있다. 상기 온도 센서(26)는 온도 측정을 위하여 상기 내부 링(6)에 마련될 수 있다. 측정 결과들은 상기 중앙 장치(22) 또는 상기 밸브(20)를 제어하는 제어 유닛(23)에게 전송된다. 조절은 온도 측정을 기반으로 한다. 더 작은 조절 루프에서, 상기 온도 센서(26)는 상기 밸브(20)를 직접 제어한다. 몇몇의 밸브들(20) 및 냉각 용기들(18)과 함께 몇몇 온도 센서들(26)의 조합은 더 미세한 온도 조절을 감안한 것이다. 이 경우, 상기 내부 링(6) 및/또는 상기 외부 링(7)은 몇 개의 조절 영역들로 나누어질 수 있다. 각 구역에, 하나 또는 둘 이상의 냉각 용기들(18), 도관 또는 상기 도관(19)의 일부 그리고 밸브(20) 및/또는 하나 또는 둘 이상의 가열 소자들(25)이 할당된다.
명료성을 위하여, 상기 온도 센서(26)와 상기 중앙 장치(22), 상기 제어 유닛(23) 및/또는 상기 밸브(20) 사이의 연결들은 도시되지 않는다.
이 실시예는 물과 같은 냉매를 이용한 냉각 용기들(18)과 도관들(19)을 채용한다. 국부적인 열 싱크와 소산기를 어떤 식으로 사용하는 것도 가능하다. "국부적"이란 표현은 상기 베어링(5) 또는 상기 내부 링(6)에 가까이 또는 직접 마련된 열 싱크 및 소산기를 포함한다. 이 개념을 위한 실시예들은, 예를 들어, 핀들과 펠티어 소자들을 가진 열 싱크들이다. 열 전달은 주변 공기를 국부적인 열 싱크 및 소산기를 따라서 흐르게 하는 공기 대류 시스템에 의하여 지원될 수 있다.
도 2는 내부 링(6)과 외부 링(7)을 가진 베어링(5)를 보여준다. 각 링(6, 7)은 상기 메인 축(4)과 상기 로터 요크(8)에 각각 상기 베어링(5)을 장착하기 위한 플랜지(flange)를 가진다.
상기 내부 링(6)의 내주면(6a)을 따라서, 세 개의 냉각 용기들(18)이 마련된다. 상기 냉각 용기들(18)의 굽은 형상은 상기 내주면(6a)에 끼워지도록 맞추어진다. 상기 냉각 용기들(18)과 상기 내부 링(6) 사이의 개선된 열적 접촉을 위하여, 알루미늄 시트 또는 열 전도성 페이스트와 같은 열적 인터페이스 물질이 채용될 수 있다. 상기 냉각 용기들(16)은 상기 내주면을 따라서 균일하게 분포되거나, 예를 들어, 공간에서의 제한들을 설명하기 위하여 도시된 것처럼 균일하지 않게 이격될 수 있다. 하나 또는 둘 이상의 열 싱크들 또는 냉각 용기들을 상기 내부 링(6)의 면측에 부착하는 것도 가능하다. 상기 열 싱크는 탑재 장치들, 예를 들어 상기 내부 링(6)을 상기 메인 축(4)에 연결하는 볼트들(bolts) 없이 유지된다는 것을 주의해야 한다.
각 냉각 용기(18)는 물 또는 가스(gas)와 같은 냉매가 순환할 수 있는 속이 빈 공간을 가진다. 상기 냉매의 유입 및 유출을 위하여, 상기 냉각 용기(18)는 하나 이상의 포트(미도시)를 장착하고 있다. 두 개의 포트들이 사용될 수 있고, 상기 냉매가 상기 전체 냉각 용기(18)를 통하여 흐르도록 상기 포트들은 상기 냉각 용기(18)의 양단에 마련될 수 있다. 이는 상기 내부 링(6)으로부터 상기 냉각 용기(18)를 경유하여 상기 냉매까지의 좋은 열 전달을 보장한다.
각 냉각 용기(18)는 자신의 도관을 갖고서 상기 열 소산기(24) 또는 교차점에 연결될 수 있다. 이는 평행한 구성에 해당한다. 대안적으로, 하나의 냉각 용기(18)의 유출 포트가 뒤에 있는 냉각 용기(18)의 유입 포트에 연결되는 직렬 구성이 가능하다. 완전한 내부 표면(6a) 또는 상기 내부 표면의 대부분을 덮는 하나의 큰 냉각 용기가 마찬가지로 이용될 수 있다.
상기 열 싱크 또는 냉각 용기(18)는 상기 내부 링(6)의 구조 내로 일체화될 수 있다. 내부의 보어홀들(boreholes) 또는 채널들은 상기 내부 링(6)을 통하여 냉매가 흐르도록 하기 위하여 이용될 수 있다. 이후, 상기 냉매의 순환을 위한 하나 또는 둘 이상의 포트들이 상기 내부 링(6)에 직접 마련될 수 있다. 일체로 형성된 열 싱크들과 외부 열 싱크들의 조합이 마찬가지로 가능하다. 예를 들어, 하나 또는 둘 이상의 외부 열 싱크들과 연통하여 냉각 용기를 형성하는 그루브들(grooves)이 상기 내부 링(6)의 표면에 일체로 형성될 수 있다.
도 3은 내부 링(6) 및 외부 링(7)을 가진 베어링(5)을 보여준다. 상기 내부 링(6)의 내주면(6a)에 열 싱크들 또는 냉각 용기들(18)이 마련된다. 여기서, 여섯 개의 냉각 용기들(18)이 상기 내부 링(6)에 부착된다. 상기 내부 링(6)의 내주면을 따라서, 두 개의 평행한 냉각 용기들(18) 세 쌍이 배열된다. 이 배열은 상기 내부 링(6)과 상기 냉각 용기(18) 내의 상기 냉매 사이의 좋은 열 전달을 허용한다. 도 2는 또한 도 3에 도시된 상기 베어링(5)에 적용된다.
도 4는 도 1의 열 조절 시스템(15)을 더욱 상세하게 보여준다. 특히, 상기 가열 시스템(17)이 도시되고 설명된다.
가열 제어 유닛(heating control unit; 27)은 상기 중앙 장치(22) 또는 제어 유닛(23)과 통신한다. 상기 가열 제어 유닛(27)은 상기 베어링(5)의 상기 외부 링(7)에서 상기 허브(9)에 부착된 하나 또는 둘 이상의 전기적 가열 소자들(25)에게 더 연결된 전원 유닛(28)에 연결된다. 가열 제어 유닛(27)은 또한 제어 유닛(23) 또는 중앙 장치(22)의 부분일 수 있다.
상기 가열 소자들(25)은 부분들로 분리될 수 있다. 링 형상의 가열 소자(25)는 상기 허브(9)와 상기 외부 링(7) 사이에서 상기 외부 링(7)에 직접 부착될 수 있다. 상기 전력 유닛(28)은 상기 풍력 터빈, 배터리(battery) 및/또는 외부 전원 유닛들로부터 전원을 공급받는다. 상기 전원 유닛(28)은 상기 가열 제어 유닛(27)에 의하여 제어된다.
상기 내부 링(6) 및/또는 외부 링(7)에 있는 온도 측정 장치들(26)은 상기 제어 유닛(25)에 또한 연결될 수 있다. 배선은 명료성을 위하여 도시되지 않는다.
베어링(5)의 온도를 조절하기 위한 방법에 따라서, 상기 베어링(5)에서 온도가 측정된다. 대부분의 경우들에서 상기 내부 링(6)은 상기 베어링(5)의 가장 뜨거운 부분이기 때문에, 온도는 상기 내부 링(6)에서 직접 측정될 수 있다. 상기 온도 센서(26)와 같이 온도 측정을 위한 공지된 장치들이 채용될 수 있다.
측정을 기반으로, 상기 하나 또는 둘 이상의 냉각 용기들(18)을 통한 냉매의 흐름이 조절된다. 예를 들어, 만약 측정된 온도가 상부 임계치에 도달하면, 상기 냉매의 흐름은 증가될 수 있고 혹은 상기 냉매의 온도가 감소될 수 있다. 이는 더 높은 열 제거로 이어진다. 예를 들어, 만약 측정된 온도가 하부 임계치에 도달하면, 상기 냉매의 흐름은 감소될 수 있고 혹은 상기 냉매의 온도가 상승될 수 있다. 이는 더 낮은 열 제거로 이어진다. 이 계획은 정의된 표적 통로에서 상기 베어링(5) 또는 상기 내부 링(6)의 온도를 유지한다. 상기 표적 통로는 예를 들어 디폴트 설정(default setting)을 이용한 풍력 터빈들의 모델들(models)에게 맞추어질 수 있다. 상기 표적 통로는 또한 실시간으로, 예를 들어, 풍속 또는 주변 온도에 따라서 맞추어질 수 있다. 표적 통로 대신에, 특정 온도의 표적점이 사용될 수 있다.
상기 냉매의 흐름은 상기 냉각 용기들(18)에게 도달하는 상기 도관들(19)에 위치된 하나 또는 둘 이상의 밸브들(20)에 의하여 조절될 수 있다. 상기 밸브들(20)은 상기 온도 측정 장치들(26)에 의하여 직접 또는 상기 열 조절 시스템(15)의 상기 중앙 장치(22) 또는 상기 제어 유닛(23)에 의하여 제어될 수 있다.
또한, 상기 베어링(5)의 상기 외부 링(7)과 열적으로 소통하는 상기 하나 또는 둘 이상의 가열 소자들(25)의 온도가 조절된다. 이 조절은 상기 중앙 장치(22)/제어 유닛(23) 및/또는 예를 들어, 물 가열기, 밸브, 전원 등과 같은 전원 유닛(28)을 동작시키는 상기 가열 제어 유닛(27)에 의하여 이루어진다. 전원 유닛(28)은 하나 또는 둘 이상의 가열 요소(25)를 직접 조종한다.
상기 내부 링(6)의 냉각과 상기 외부 링(7)의 가열의 조합은 상기 베어링 틈 또는 공극의 좋은 제어를 감안한 것이다.
상기 제어 유닛(23)은 상기 냉각 시스템(16)과 상기 가열 시스템(17)을 동시에 또는 단독 동작으로 작동시킬 수 있다. 이 결정은 예를 들어 주변 온도, 상기 베어링(5)의 전체 온도, 내부 링과 외부 링 사이의 온도 차이 등에 의존할 수 있다.
상기 베어링(5) 또는 상기 풍력 터빈(1)의 운송의 경우, 상기 내부 링(6)과 상기 외부 링(7) 사이의 틈은 0 또는 0 미만으로 설정될 수 있다. 특히, 상기 냉각/가열 시스템은 상기 베어링의 잘못된 브리넬링(brinelling)을 피하고 그리하여 작은 진폭으로 발진하는 운동을 최소화하도록 운송 동안 사전에 심하게 장력을 받는 그러한 식으로 제어될 수 있다. 잘못된 브리넬링은 브리넬 덴트들(brinell dents)을 닮은 속이 빈 스폿들의 발생이고, 구르는 소자들과 궤도 사이의 접촉점들에서 진동과 흔들거림에 의하여 야기되는 마모에 기인한다. 상기 내부 링과 상기 외부 링 사이의 진동이 회피되도록 상기 베어링이 너무 많이 미리 장력을 받지 않으면, 베어링의 잘못된 브리넬링이 발생할 수 있다. 운송 동안, 냉매는 히터(heater)를 통하여 순환될 수 있고, 그리하여 상기 냉각 시스템은 가열 시스템으로 기능하여 상기 베어링의 내부 링과 외부 링 사이의 틈이 0.0 mm 미만, 특히 -0.1 mm 또는 -0.1 mm 미만 그리고 바람직하게는 -0.15 내지 -0.6 mm인 상기 베어링의 심한 프리텐셔닝(pretensioning)을 보장한다.

Claims (15)

  1. 로터(rotor; 12), 스테이터(stator; 13) 및 상기 로터(12)와 상기 스테이터(13)를 회동적으로 연결하는, 내부 링(inner ring; 6)과 외부 링(7)을 가진 베어링(bearing; 5)을 가진 발전기(11)를 갖는, 열 조절 시스템(thermal control system)을 구비한 직접 구동 풍력 터빈(direct drive wind turbine)으로서,
    상기 열 조절 시스템(15)은 냉각 시스템(16) 및 가열 시스템(17)을 포함하고,
    상기 냉각 시스템(16)은 상기 베어링(5)의 상기 내부 링(6)과 열적으로 소통하는 하나 이상의 열 싱크(heat sink; 18)와, 상기 열 싱크(18)와 열적으로 소통하는 열 소산기(24)를 포함하고,
    상기 가열 시스템(17)은 상기 베어링(5)의 상기 외부 링(7)과 열적으로 소통하는 하나 이상의 가열 소자(25)를 포함하고,
    상기 가열 소자(25)는 로터 요크(rotor yoke; 8) 및 블레이드 허브(blade hub; 9) 중의 한 가지 이상에 배열되고,
    상기 열 조절 시스템은, 상기 냉각 시스템이 상기 내부 링을 냉각시키도록 그리고 동시에 상기 가열 시스템이 상기 외부 링을 가열시키도록 하기 위하여, 상기 냉각 시스템 및 상기 가열 시스템 모두를 작동시키도록(activate) 구성되고,
    이러한 냉각과 함께 수행되는 가열은 상기 내부 링과 외부 링 사이의 온도 차이를 감소시키는 것을 특징으로 하는,
    직접 구동 풍력 터빈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 싱크(18)는 냉매를 위한 냉각 용기를 포함하는,
    직접 구동 풍력 터빈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열 싱크(18)는 상기 내부 링(6)의 내주면(6a)에 마련되는,
    직접 구동 풍력 터빈.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열 싱크(18)는 상기 내부 링(6)과 일체로 형성되는,
    직접 구동 풍력 터빈.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가열 소자(25)는, 전기적 가열 수단 및 뜨거운 유체 가열 수단 중의 한 가지 이상을 포함하는,
    직접 구동 풍력 터빈.
  6. 삭제
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가열 소자(25)는 상기 외부 링(7)과 일체로 형성되는,
    직접 구동 풍력 터빈.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열 조절 시스템(15)은 상기 냉각 시스템(16)과 통신하는 제어 장치(22, 27), 및 상기 베어링(5)의 온도를 조절하기 위한 상기 가열 시스템(17)을 포함하는,
    직접 구동 풍력 터빈.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열 조절 시스템(15)은 하나 이상의 온도 측정 장치(26)를 포함하는,
    직접 구동 풍력 터빈.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 내부 링(6)과 외부 링(7)을 가진 베어링(5)의 온도를 조절하기 위한 방법으로서,
    - 로터(12)와 스테이터(13)를 회동적으로 연결하는, 내부 링(6)과 외부 링(7)을 가진 베어링(5)의 온도를 측정하는 단계;
    - 상기 베어링(5)의 내부 링(6)에 부착된 하나 이상의 냉각 용기(18)를 통하여 냉매의 흐름을 조절하는 단계; 및
    - 상기 내부 링을 냉각시킴과 동시에 상기 외부 링을 가열시켜서 이러한 냉각과 함께 수행되는 가열에 의해 상기 내부 링(6)과 외부 링(7) 사이의 온도 차이를 감소시키기 위하여, 상기 베어링(5)의 외부 링(7)과 열적으로 소통하는 가열 소자(25)를 제어하는 단계;를 포함하는,
    베어링의 온도 조절 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 베어링(5)의 상기 내부 링(6)과 상기 외부 링(7) 사이의 틈은 조절되는,
    베어링의 온도 조절 방법.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 베어링(5)의 상기 내부 링(6)과 상기 외부 링(7) 사이의 틈은 0 또는 0 미만으로 설정되는,
    베어링의 온도 조절 방법.
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