KR20100013116U - 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 조립체 - Google Patents

Abstract

풍력 발전기(10)의 블레이드(16A,16B,16C)의 피치 제어를 위한 조립체(15)가 개시되어 있다. 조립체(15)는 바람을 최대로 이용하게 하는 방식으로 블레이드(16A,16B,16C)를 위치 결정하도록 블레이드(16A,16B,16C)에 작용하는 다수의 작동 시스템(60A,60B,60C)이 결합되는 중공형 중앙 허브(15A)를 구비한다. 조립체(15)는 각각의 작동 시스템(60A,60B,60C)이 각자의 블레이드(16A,16B,16C)를 위한 각자의 전기 모터(45A,45B,45C)와, 각각의 전기 모터(45A,45B,45C)와 각자의 블레이드(16A,16B,16C) 사이에 개재되는 각자의 중앙 유성 감속 기어(50A,50B,50C)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 조립체{WIND POWER GENERATOR BLADE PITCH CONTROL ASSEMBLY}

본 고안은 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 조립체에 관한 것이다.

공지된 바와 같이, 풍력 발전기는,

-파일론과,

-파일론 상에 장착되며, 오버드라이브, 전기 발전기, 인버터 및 제어와 조정부를 비롯하여 풍력 발전기의 주요 부품을 수용하고, 풍력을 기계적 동력으로 전환하는 것인 일반적인 3엽(three-blade) 로터가 전방에 끼워지는 나셀(nacelle)을 포함한다.

로터는 발전기의 주 샤프트에 연결되고, 3개의 블레이드 외에, 블레이드 피치 제어 조립체를 구비하고, 이 블레이드 피치 제어 조립체는 블레이드가 부착되는 구조적 부재로서 작용하는 중공형 중앙 허브를 구비한다. 각 블레이드는 블레이드 프로파일의 입사각을 풍향에 대해 조절하여 풍력을 최대로 유리하게 이용하도록 블레이드를 그 축을 중심으로 회전하게 하는 중앙 베어링에 의해 중공형 중앙 허브에 연결된다.

사실상, 공지된 바와 같이, 블레이드의 축을 중심으로 한 회전은 풍력의 기계적 동력으로의 전환 관점에서 각 풍속에 대하여 최대의 효율을 달성하는 데에 필수적이다.

블레이드를 지지하는 데에 현재 사용되고 있는 베어링은, 블레이드를 지지하는 것 외에, 회전체(볼 또는 롤러)가 사이에 있는 2개의 링(하나는 고정되고 다른 하나는 블레이드와 함께 회전됨)을 구비함으로써 블레이드의 회전을 또한 허용하는 중앙 베어링이다.

고정된 링은 중공형 중앙 허브와 일체로 되고, 회전하는 링은 블레이드와 일체로 되며, 전기 모터에 의해 동력을 받고 중앙 허브와 일체형인 부속물에 고정되는 모터 감속기에 끼워진 피니언과 정합하는 기어이를 갖는다.

이 경우에, 모터 감속기는 중앙 베어링이 고정되는 원형 시트의 주변을 따른 지점에 배치되어, 피니언은 중앙 베어링의 기어이와 정합한다.

모터 감속기의 작동은 기어식 링, 이에 따라 블레이드를 소정 각도만큼 회전시킨다.

블레이드의 축을 중심으로 한 회전은 발전기에 구비된 풍속계에 의해 연속적으로 기록되는 바람의 특성에 비례하는 신호에 의해 제어되고, 이 신호는 전용 소프트웨어가 설치된 전자 중앙 제어 유닛에 의해 처리되어 인버터를 작동시키는데, 인버터는 블레이드를 회전시키는 전기 모터를 제어한다.

그러나, 이 유형의 종래의 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 조립체는 대직경의 기어식 중앙 베어링의 오벌리재이션(ovalization)에 의해 야기되는 문제를 갖고 있어, 피니언과 완벽하게 정합하지 못한다고 판명되었다. 더욱이, 필요 부품들, 특히 중앙 베어링의 제조 공차 및 피니언-베어링 중앙 거리에 따라 좌우됨으로써 정합 클리어런스(정확한 블레이드 조절을 보장하고 진동을 방지하는 데에 중요한 인자)를 결정하기가 어렵다. 피니언-베어링 중앙 거리는 중공형 중앙 허브에 형성된 시트의 공차에 따라 결정되며, 이 공차는 필요 부품들의 큰 크기의 관점에서 항상 중요하다.

이 유형의 블레이드 피치 제어 조립체의 기어식 중앙 베어링은 필요 재료와, 기어이를 형성하고 기계 가공하며 열처리하는 비용 때문에 제조 비용이 고가인 부품이다.

다른 중요한 유의점은 기어이의 1/4만이 실제로 사용되더라도 기어이는 중앙 베어링의 전체 원주를 따라 형성된다는 점이다. 바꿔 말하면, 중앙 베어링은 90°의 실제 회전각을 갖지만, 구조적인 이유로, 기어이는 치형 부분과 다른 비치형 부분 간의 응력을 피하기 위하여 360°의 각도, 즉 전체 원주에 걸쳐 형성된다.

이 종류의 조립체는 또한 중앙 베어링과 피니언 기어이를 윤활해야 하는 문제를 갖고 있는데, 윤활은 기어식 연결이 "개방"되어 있기 때문에, 즉 케이싱 내측에 수용되지 않기 때문에 일반적으로 그리스를 이용하여 행해진다.

따라서, 본 고안의 목적은 전술한 단점들을 제거하거나 적어도 부분적으로 제거하도록 구성되는 동시에 제조가 값싸고 용이한 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 조립체를 제공하는 것이다.

본 고안에 따르면, 청구항 1 또는 청구항 1을 직접적으로 또는 간접적으로 인용하는 청구항들 중 어느 한 항에 청구된 바와 같은 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 조립체가 제공된다.

본 고안의 비제한적인 실시예를 첨부 도면을 참조하여 일례로서 설명하기로 한다.

본 고안에 따른 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 조립체의 주요 이점은 각 블레이드의 피치 제어 시스템이 각자의 전기 모터에 의해 동력을 받는 신뢰성 있는 중앙 유성 감속 기어를 구비하고, 이에 따라 피봇의 오벌리재이션(및 그 결과로서 피봇 기어이와 피니언의 불충분한 정합)에 의해 야기되는 임의의 에러와 피봇 기어이를 윤활하는 필요성을 제거한다는 데에 있다.

도 1은 본 고안에 따른 블레이드 피치 제어 조립체가 끼워진 풍력 발전기의 사시도.
도 2는 도 1의 풍력 발전기의 나셀 형성부의 주요 부품들의 사시도.
도 3은 블레이드 피치 제어 조립체의 중공형 중앙 허브 형성부 섹션을 도시하는 도면.
도 4는 본 고안에 따른 블레이드 피치 제어 조립체의 일부의 단면도.

도 1에서 참조 번호 10은 후술하는 바와 같이 본 고안의 주목적인 블레이드 피치 제어 조립체를 특징으로 하는 풍력 발전기를 전체로서 지시한다.

풍력 발전기(10)는 공지된 방식으로, 지면(GR)에 고정되고 상단부(11A)에 나셀(12)이 끼워지는 파일론(11)을 구비한다.

도 2에 보다 상세히 도시된 바와 같이, 나셀(12)은 실질적으로 원통형인 바닥 칼라(14)가 있는 타원형 하우징(13) 내에 수용된다.

파일론(11)의 상단부(11A)는 바닥 칼라(14) 내에 삽입되고, 바닥 칼라(14)와 파일론(11)의 상단부(11A) 사이의 베어링(도시 생략)은 파일론(11)의 실질적으로 대칭선인 수직 종축(X)을 중심으로 나셀(12)의 회전을 허용한다(도 1과 2).

나셀(12)은 후술하는 바와 같이 기계적 구성요소들을 수용한다.

도 2의 우측에서, 블레이드 피치 제어 조립체(15)는 120°의 간격을 두고 3개의 블레이드[16A,16B,16C; 도 2에는 블레이드(16A,16C)만이 도시됨]가 끼워지는 실질적으로 구형인 중공형 중앙 허브(15A)(또한 도 3 참조)를 포함한다.

중공형 중앙 허브(15A)는 하우징(13)의 제1 부분(13A)에 의해 덮여 있다. 보다 상세히 후술하는 바와 같이, 블레이드(16A,16B,16C)에 대한 바람의 작용은 중공형 중앙 허브(15A)와 하우징(13)의 제1 부분(13A)을 하우징(13)의 실질적으로 대칭선인 종축(Y)을 중심으로 회전시킨다.

도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 샤프트(20)는 중공형 중앙 허브(15A)와 일체형이고 중공형 중앙 허브로부터 연장되어 하우징(13)의 후방에 있는 전기 발전기(21)를 구동시킨다.

일상적으로, 전기 발전기(21)로부터 바로 상류측에는 오버드라이브(21A)가 배치된다.

안테나(22)는 하우징(13)으로부터 돌출되고, 블레이드(16A,16B,16C)의 피치를 제어하도록 블레이드 피치 제어 조립체(15)에 대한 풍속과 풍향에 관한 정보를 수집하기 위해 풍속계(23)가 설치되어 있다.

풍속계(23)에 의해 수집된 바람 데이터는 아래에서 상세히 설명되는 목적을 위해 나셀(12) 내의 전자 중앙 제어 유닛(CC)으로 전송된다.

샤프트(20), 전기 발전기(21) 및 전자 중앙 제어 유닛(CC)은 하우징(13)의 제2 부분(13B) 내에 수용된다.

보다 상세히 후술하는 바와 같이, 블레이드(16A,16B,16C)에 대한 바람은 하우징(13)의 제1 부분(13A)을 제2 부분(13B)에 대해 회전시킨다.

언급한 바와 같이, 블레이드 피치 제어 조립체(15)는 중공형 중앙 허브(15A; 도 3)를 포함하고, 이 중공형 중앙 허브는 3개의 주 개구(18A,18B,18C)를 포함하며, 이들 주 개구로부터 각자의 블레이드(16A,16B,16C)가 각각 끼워지고 각자의 회전 축 및 실질적인 대칭선(Z1,Z2,Z3)을 갖는 3개의 슬리브(30A,30B,30C)가 돌출된다.

이하의 관찰은 슬리브(30A)와 각자의 블레이드(16A)를 참조로 하지만, 또한 다른 2개의 슬리브(30B,30C)와 각자의 블레이드(16B,16C)에도 적용된다.

슬리브(30A)는 각자의 축(Z1)을 중심으로 자유롭게 회전되고, 주 개구(18A) 내에 삽입된 각자의 베어링(40A) 상에 지지된다(도 3 및 도 4).

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 슬리브(30A)에는 각자의 전기 모터(45A)가 결합되고, 전기 모터의 출력 샤프트는 각자의 중앙 유성 감속 기어(50A)의 태양 기어에 기계적으로 연결된다.

본 고안의 범위로부터 벗어남이 없이, 중앙 유성 감속 기어는 동일한 기능을 수행한다면 회전체를 갖거나 달리 구성될 수 있다는 것은 명백하다. 예컨대, 고정체와 회전식 출력 샤프트를 갖는 임의의 다른 유형의 유성 감속 기어가 사용될 수 있다.

보다 구체적으로, 2쌍의 스포크(61A,62A)가 슬리브(30A)의 작동 시스템(61A)[중앙 유성 감속 기어(50A)에 직접 연결되는 전기 모터(45A)를 포함]에 연결된다.

도 4에 보다 상세히 도시된 바와 같이, 스포크(61A)는 감속 기어(50A)를 중공형 중앙 허브(15A)에 고정시키는 역할을 하고, 스포크(62A)는 중앙 유성 감속 기어(50A)의 회전체를 슬리브(30A)의 내벽에 기계적으로 연결하는 역할을 한다.

2쌍의 스포크(61A,62A)의 변경예로서, 동일한 기능을 수행한다면, 중앙 유성 감속 기어(50A)는 상이한 기하학적 형태의 임의의 다른 등가의 시스템, 예컨대 강성 또는 가요성의 고정용 디스크에 의해 중공형 중앙 허브(15A) 및 블레이드(16A)의 슬리브(30A)에 고정될 수 있다.

스포크(61A, 62A)(또는 임의의 다른 등가의 시스템)의 단부는 중공형 중앙 허브(15A) 및 슬리브(30A)에 견고하게, 또는 설치를 간소화하고 블레이드(16A)의 회전 축(Z1)과 유성 감속 기어의 조립체 축(도시 생략)의 정렬시에 임의의 에러를 교정하는 방식으로 고정될 수 있다.

중앙 유성 감속 기어(50A)의 단계들 간의 감속비와 감속 단계들의 개수는 전기 모터(45A)와, 슬리브(30A)와, 슬리브(30A)와 일체형인 블레이드(16A)의 특성에 따라 선택된다.

블레이드(16A)[및 블레이드와 일체형인 각자의 슬리브(30A)]는 축(Z1)을 중심으로 이하와 같이 회전된다.

[A] 바람 데이터가 풍속계(23)에 의해 즉각적으로 기록된다.

[B] 바람 데이터가 처리를 위해 전자 중앙 제어 유닛(CC)에 전송된다.

[C] 전자 중앙 제어 유닛(CC)이 전기 모터(45A)의 동력 유닛(인버터)에 상대적인 신호를 전송하고, 동력 유닛이 시동되어 [중앙 유성 감속 기어(50A)를 통해] 스포크(62A)와, 슬리브(30A) 및 이에 따라 블레이드(16A)를 회전시킨다.

중앙 유성 감속 기어(50A)에 의한 회전축(Z1)을 중심으로 한 블레이드(16A)의 회전은, 예컨대 바람을 최대로 이용하게 하도록 블레이드(16A)의 프로파일을 위치 결정하기 위한 것이어야 하고, 그 파라미터는 언급한 바와 같이 풍속계(23)에 의해 미리 기록되어 전자 중앙 제어 유닛(CC)에 의해 처리된다.

본 고안에 따른 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 조립체의 주요 이점은 각 블레이드의 피치 제어 시스템이 각자의 전기 모터에 의해 동력을 받는 신뢰성 있는 중앙 유성 감속 기어를 구비하고, 이에 따라 피봇의 오벌리재이션(및 그 결과로서 피봇 기어이와 피니언의 불충분한 정합)에 의해 야기되는 임의의 에러와 피봇 기어이를 윤활하는 필요성을 제거한다는 데에 있다.

10: 풍력 발전기 11: 파일론
11A: 상단부 12: 나셀
13: 하우징 14: 바닥 칼라
15: 조립체 15A: 중공형 중앙 허브
16A, 16B, 16C: 블레이드 21: 전기 발전기
22: 안테나 23: 풍속계
45A, 45B, 45C: 전기 모터
50A, 50B, 50C: 중앙 유성 감속 기어
60A, 60B, 60C: 작동 시스템 61A, 62A: 스포크

Claims (3)

1. 풍력 발전기(10)의 블레이드(16A,16B,16C)의 피치 제어를 위한 조립체(15)로서,
   상기 조립체(15)는 바람을 최대로 이용하게 하는 방식으로 블레이드(16A,16B,16C)를 위치 결정하도록 블레이드(16A,16B,16C)에 작용하는 다수의 작동 시스템(60A,60B,60C)이 결합되는 중공형 중앙 허브(15A)를 구비하고,
   각각의 작동 시스템(60A,60B,60C)은 각자의 블레이드(16A,16B,16C)를 위한 각자의 전기 모터(45A,45B,45C)와, 각각의 전기 모터(45A,45B,45C)와 각자의 블레이드(16A,16B,16C) 사이에 개재되는 각자의 중앙 유성 감속 기어(50A,50B,50C)를 구비하며,
   각각의 블레이드(16A,16B,16C)에는 각자의 전기 모터(45A,45B,45C)가 결합되고, 전기 모터의 출력 샤프트는 각자의 중앙 유성 감속 기어(50A,50B,50C)의 태양 기어에 기계적으로 연결되고,
   상기 조립체(15)는, 각각의 블레이드(16A,16B,16C)의 작동 시스템에 제1쌍 및 제2쌍의 스포크(61A,62A)가 결합되며, 제1쌍의 스포크(61A)는 중앙 유성 감속 기어(50A,50B,50C)를 중공형 중앙 허브(15A)에 고정시키고, 제2쌍의 스포크(62A)는 중앙 유성 감속 기어(50A,50B,50C)의 유성 캐리어를 각자의 블레이드(16A,16B,16C)가 고정되는 슬리브(30A,30B,30C)의 내벽에 기계적으로 연결시키는 것을 특징으로 하는 조립체.
2. 제1항에 있어서, 상기 작동 시스템(60A,60B,60C)은 전자 수단(CC)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 조립체.
3. 풍력 발전기(10)로서,
   -파일론(11)과,
   -상기 파일론(11)의 상단부(11A)에 끼워지고, 풍력 발전기의 블레이드(16A, 16B, 16C)의 피치를 제어하기 위한 조립체(15)를 구비하는 나셀(12)과,
   -상기 조립체(15)와 일체형이고 전기 발전기(21)에 동력을 공급하는 샤프트(20)와,
   -특정한 바람 파라미터를 기록하기 위한 수단(23)과, 상기 특정한 바람 파라미터를 처리하기 위한 전자 수단(CC)을 구비하고,
   상기 풍력 발전기(10)는 상기 조립체(15)가 청구항 1 또는 2에 따른 조립체(15)인 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.

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