KR20130018273A - 윈드 터빈 - Google Patents

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KR20130018273A
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shaft
hub
tubular
coupling plate
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KR1020127027728A
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다니엘 카스텔 마르티네즈
조세 루이스 로만 말라다
미켈 앙헬 콜롬 퀘트글라스
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알스톰 윈드, 에스.엘.유.
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Abstract

윈드 터빈은 하나 이상의 블레이드를 갖는 허브(10)를 포함하고, 언급된 허브(10)는 프레임(20) 상에 회전가능하게 장착되고 샤프트(30) 상에 장착된 결합 플레이트(40)를 통해 언급된 샤프트(30)에 작동적으로 결합되며, 언급된 샤프트(30)는 언급된 프레임(20)의 적어도 부분적으로 내부에 제공되고, 언급된 샤프트(30)는 실질적으로 튜블러 중공 샤프트(30)이다.

Description

윈드 터빈{WIND TURBINE}
본 발명은 윈드 터빈에 관한 것이다.
현대의 윈드 터빈은 전기 그리드에 전기를 공급하도록 흔히 사용된다. 이러한 종류의 윈드 터빈은 로터 허브를 갖는 로터 및 복수의 블레이드를 일반적으로 포함한다. 로터는 블레이드 상의 윈드의 영향 하에서 회전으로 설정된다. 로터 샤프트의 회전은 제너레이터 로터("직접적으로 구동됨")를 직접적으로 구동하거나 또는 기어박스의 사용을 통해 구동한다.
기어박스는 윈드 터빈의 가장 유지-집약적인 컴포넌트 중 하나를 형성한다. 그들은 정기적으로 점검될 필요가 있고 항상 그들의 기대되는 사용 기간을 충족시키지 못하고; 기어박스 또는 그것의 부분의 일부는 때때로 이르게 교체될 필요가 있다. 이것은 기어 박스가 윈드 터빈의 라이프 동안 영향받는 높은 하중 및 변동 하중 때문이다. 특히, 로터 샤프트를 통해 기어박스에 전달될 수 있는 블레이드 상의 굽힘(bending) 하중은 손상을 준다.
굽힘 하중의 전달 및 블레이드와 허브로부터 제너레이터로의 변형의 야기는 윈드 터빈 구성에 달려있다. 대개의 종래의 윈드 터빈에서, 로터 허브는 로터 샤프트의 단부 상에 장착된다. 로터 샤프트는 윈드 터빈 타워의 탑 상의 나셀 내의 지지 구조에서 회전가능하게 장착된다. 따라서 로터는 토크를 전달하는 돌출형(overhanging) 구조를 형성하나, 블레이드 상의 하중 및 허브와 블레이드의 중량으로 인한 주기적인 굽힘 하중을 추가적으로 전달한다. 이들 굽힘 하중은 제너레이터에 전달되어(직접 구동 터빈의 경우에) 에어 갭 변화를 야기하거나 또는 기어박스에 전달되어 기어박스에 변동 하중을 야기한다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 전방으로 연장하는 프레임을 갖는 윈드 터빈 타워를 제공하는 것이 예를 들어, ES 2 163 362로부터 공지된다. 복수의 블레이드를 갖는 로터 허브가 언급된 프레임 위로 장착되고 회전할 수 있으며; 로터 허브는 언급된 프레임 내에 위치된 로터 샤프트에 결합된다. 그러한 윈드 터빈이 도 1에 도식적으로 나타난다. 도 1에서, 윈드 터빈(100)은 언급된 프레임의 말단부에서 프레임(170) 위에 회전가능하게 장착되는 허브(110)를 포함한다. 프레임(170)은 타워(180) 위에 장착된다. 결합 엘리먼트(120)는 로터 샤프트(130)를 허브(110)에 결합시킨다. 로터 샤프트(130)의 회전이 기어박스(140)로 제너레이터(160)를 구동하는 출력 샤프트(150)의 빠른 회전으로 변환된다.
프레임 상에 장착된 허브를 포함하는 이러한 종류의 구성으로, 허브 및 블레이드의 중량으로 인한 하중이 프레임을 통해 타워로 더 직접적으로 전달되는 반면에, 로터 샤프트는 기어박스(및/또는 제너레이터)에 주로 토크를 전달하고, 따라서 구동 트레인에서 원치않는 하중 및 변형을 특정 규모까지 피한다. 이것은 다른 선행 기술 윈드 터빈에 대한 개선을 나타낸다.
그러나, 더 개선된 윈드 터빈에 관한 요구가 여전히 존재한다. 또한, 감소된 중량의 원드 터빈에 관한 요구가 여전히 존재한다. 감소된 비용의 원드 터빈에 관한 요구 역시 존재한다. 최종으로, 제조하기가 더 쉬운 컴포넌트를 갖는 윈드 터빈에 관한 요구 역시 존재한다.
이들 요구를 적어도 부분적으로 충족시키는 것이 본 발명의 목적이다.
제 1 측면에서, 본 발명은 하나 이상의 블레이드를 갖는 허브를 포함하는 윈드 터빈을 제공하고, 언급된 허브는 프레임 상에 회전가능하게 장착되며 언급된 샤프트 상에 장착된 결합 플레이트를 통해 샤프트에 작동적으로 결합되고, 언급된 샤프트는 언급된 프레임의 적어도 부분적으로 내부에 제공되며, 언급된 샤프트는 실질적으로 튜블러 중공 샤프트이다.
본 측면에서, 윈드 터빈의 비용 및 중량이 현저하게 감소될 수 있다. 제안된 구성은 샤프트를 통해 전달될 하중이 감소된다는 사실을 활용한다. 실질적으로 중공 튜블러 샤프트를 사용하는 것에 의해, 요구되는 샤프트의 관성의 모멘트가 최저 중량에서 확립될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 언급된 결합 플레이트는 허브의 회전 축 주위의 토크를 언급된 허브로부터 언급된 샤프트로 전달하는 한편, 다른 하중의 전달을 실질적으로 제한하도록 적응된다. 이 방식으로, 튜블러 샤프트에서의 하중이 강성(rigid) 결합에 비해 더 감소될 수 있다.
일부 실시예에서, 언급된 결합 플레이트는 중심 피스를 포함하고, 언급된 중심 피스는 실질적으로 원형 디스크를 포함하며, 언급된 원형 디스크는 둘레를 따라 배열된 복수의 축방향 볼트를 통해 허브에 연결되고, 언급된 볼트는 복수의 플렉시블한 부싱을 갖는 언급된 원형 디스크 내에 배열된다. 이것은 어떻게 플렉시블한 결합이 허브로부터 토크를 전달하는 한편, 다른 하중의 전달을 실질적으로 제한하도록 사용될 수 있는가에 관한 하나의 예시이다.
다른 실시예에서, 언급된 결합 플레이트는 복수의 스포크가 방사상으로 연장하는 중심 피스를 포함하고, 허브에는 둘레를 따라 배열된 복수의 축방향 돌출부가 제공되고, 플렉시블한 엘리먼트가 스포크를 언급된 돌출부에 연결하도록 배열된다. 본 설계로, 허브로부터의 토크와는 다른 하중의 전달이 더욱더 감소될 수 있고, 따라서 더 얇은 튜블러 샤프트 및 대응하는 중량 감소를 허용한다. 이 점에서, "플렉시블한" 엘리먼트는 적어도 하나의 방향으로 하중에 대해 상대적으로 쉽게 변형하거나 휘어지는(yield)("받아들이는") 엘리먼트인 것으로 이해되어야만 한다. 그들은 임의의 적합한 물질, 예를 들어, 엘라스토머 물질, 또는 엘라스토머와 금속의 조합 또는 더 다른 적합한 물질로 만들어질 수 있다. 엘리먼트는 예를 들어, 그들의 형상, 물질, 포지셔닝, 장착 또는 이들의 조합으로 인해 그들의 플렉시블한 특징을 얻을 수 있다.
일부 실시예에서, 언급된 플레이트는 실질적으로 튜블러 플랜지를 포함하고 수축식 디스크를 통해 언급된 샤프트 상에 장착된다. 윈드 터빈의 또 다른 설계에 따라서, 쉽게 장착되고 장착해제될 수 있는 결합을 제공하는 것이 유리할 수 있다. 그러한 결합은 예를 들어, 점검 및 유지를 용이하게 할 수 있다. 수축식 디스크를 사용하여, 결합 플레이트는 쉽게 장착되고 장착해제될 수 있는 한편, 결합 플레이트와 샤프트 사이의 안전한 결합, 및 허브로부터 샤프트로의 토크의 안전한 전달을 보장한다. 이들 실시예에서, 샤프트는 결합 플레이트가 장착되는, 샤프트의 일부를 따르는 영역에서 외부 직경을 점차로 증가시킬 수 있다. 이 방식으로, 수축식 디스크는 눌려지거나 또는 그렇지 않으면 안전한 맞춤(fit)이 확립될 때까지 증가하는 직경의 방향으로 샤프트 위에 강제될 수 있다. 다른 실시예에서, 결합 플레이트가 예를 들어, 용접, 브레이징, 볼트된 연결에 의해, 열 간섭(thermal interference)의 프로세스를 통해, 접착제를 사용하여, 예를 들어, 샤프트 상에 제공되는 세레이션을 사용하는 형태 맞춤, 위에 언급된 것들의 조합 또는 더 다른 방법을 사용하는 것과 같은, 다른 방식으로 장착될 수 있다. 적합한 연결 방법에 관한 선택은 예를 들어, 분해될 결합을 위해 가능한 요구에 의존할 수 있다.
일부 실시예에서, 언급된 실질적으로 튜블러 중공 샤프트는 결합 플레이트가 장착되는, 샤프트의 일부에 실질적으로 하나 이상의 국소 보강재를 포함한다. 예를 들어, 선택된 결합의 방법에 따라서, 튜블러 샤프트에 국소 보강재를 제공하는 것이 유익할 수 있다. 예를 들어, 윈드 터빈의 장착 및/또는 설치 동안 발생할 수 있는 하중이 예를 들어, 수축식 디스크가 설치될 수 있는, 샤프트의 미리 결정된 영역에 집중될 수 있다. 국소 보강재를 제공하는 것에 의해, 전체 튜블러 샤프트는 보강될 필요가 없다.
일부 실시예에서, 언급된 국소 보강재는 언급된 샤프트의 내부에 장착된 복수의 환형 디스크를 포함한다. 선택적으로, 언급된 환형 디스크는 샤프트의 내부에 용접될 수 있다.
다른 실시예에서, 언급된 하나 이상의 국소 보강재는 언급된 샤프트의 내부에 장착되는 원통형 삽입물을 포함한다. 선택적으로, 언급된 국소 보강재는 언급된 원통형 삽입물의 내부에 장착되는 환형 디스크를 더 포함한다. 원통형 삽입물 및 환형 디스크를 포함하는 이들 실시예에서, 언급된 환형 디스크는 원통형 삽입물의 내부에 용접될 수 있다. 그러나, 다른 방법의 조립 역시 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 언급된 원통형 삽입물이 언급된 샤프트의 내부에 용접될 수 있다. 다른 실시예에서, 원통형 삽입물은 복수의 볼트로 샤프트에 연결된다. 본 발명의 범위 내에서, 원통형 삽입물은 임의의 다른 적합한 방식으로 샤프트에 연결될 수 있다.
더 다른 실시예에서, 언급된 국소 보강재는 언급된 샤프트의 실질적으로 튜블러 연장부를 포함하고, 언급된 튜블러 연장부는 그것의 길이의 적어도 일부를 따라 증가된 두께를 가진다. 선택적으로, 언급된 튜블러 연장부는 언급된 샤프트에 용접된다.
선택적으로, 언급된 국소 보강재는 언급된 튜블러 샤프트의 국소로 증가되는 두께를 포함한다.
일부 실시예에서, 튜블러 로터 샤프트는 얇은 금속 플레이트를 튜브로 형성하고 언급된 튜브의 종방향 축을 따라 용접하는 것에 의해 제작된다. 이들 실시예는 로터 샤프트가 상대적으로 쉽게 그리고 저렴하게 제조될 수 있는 이점을 가진다.
본 발명을 통해, 윈드 터빈의 비용 및 중량이 현저하게 감소될 수 있다. 제안된 구성은 샤프트를 통해 전달될 하중이 감소된다는 사실을 활용한다. 실질적으로 중공 튜블러 샤프트를 사용하는 것에 의해, 요구되는 샤프트의 관성의 모멘트가 최저 중량에서 확립될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예는 첨부된 도면에 관한 참조와 함께, 비-제한적인 예시의 방식에 의해서만, 다음에서 설명될 것이고, 여기서:
도 1은 선행 기술 윈드 터빈을 도시하고;
도 2는 본 발명에 따라서 윈드 터빈의 제 1 실시예의 횡단면을 도시하며;
도 3a-3f는 본 발명의 실시예에서 사용될 수 있는 국소 보강재의 일부 실시예를 도식적으로 도시하고;
도 4는 본 발명의 실시예에서 사용될 수 있는 로터 샤프트의 일 실시예를 도식적으로 도시하며;
도 5는 본 발명의 실시예에서 사용될 수 있는 허브와 로터 샤프트 사이의 결합의 일 예시를 도식적으로 도시하고;
도 6, 도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에서 사용될 수 있는 허브와 로터 샤프트 사이의 결합의 또 다른 예시를 도식적으로 도시한다.
도 2는 본 발명에 따라서 윈드 터빈의 제 1 실시예의 횡단면을 도식적으로 도시한다. 본 실시예에서, 결과 플레이트(40)가 수축식 디스크(45)를 사용하여 실질적으로 튜블러 로터 샤프트(30) 상에 장착된다. 도시된 튜블러 샤프트(30)는 수축식 디스크가 장착되는 영역에서 외부 직경(도 2에서 좌측에서 우측까지)을 점차로 증가시킨다. 결합 플레이트(40)는 튜블러 샤프트(30) 주위에 맞는 그러한 크기를 갖는 튜블러 플랜지(41)를 포함한다. 따라서 튜블러 플랜지 역시 외부 직경을 점차로 증가시킨다. 조립 동안, 수축식 디스크(45)는 안전한 맞춤이 확립되는 포인트까지 증가하는 직경 방향으로 예를 들어, 유압식 피스톤을 사용하여 강제될 수 있다.
로터 샤프트가 정상 작동 동안 그리고 설치와 유지 동안 모두에서 영향받을 수 있는 하중을 견뎌낼 수 있도록, 본 발명의 일부 실시예에서, 국소 보강재가 제공될 수 있다. 도 2의 실시예에서, 국소 보강재는 샤프트(30)의 내부에 장착되는 제 1 및 제 2 환형 디스크(32, 33)를 포함한다. 본 실시예에서, 제 1 환형 디스크(32)는 제 2 환형 디스크(33)에 대해 증가된 두께이다. 디스크(32, 33)는 예를 들어, 샤프트의 내부에 용접될 수 있다. 볼트 홀(52)은 샤프트를 폐쇄하고 환경으로부터 샤프트의 내부를 보호하는 폐쇄 엘리먼트(예, 플레이트)를 부착하도록 사용될 수 있다. 또한 결합 플레이트(40)의 스포크(44)가 도 2의 실시예에 도시된다. 결합 플레이트의 본 특정 실시예는 도 7에 대한 참조와 함께 더 설명될 것이다.
도 3a-3f는 본 발명의 실시예에 사용될 수 있는 국소 보강재의 일부 실시예를 도식적으로 도시한다. 도 3a에서, 두 개의 환형 디스크(32, 33)가 언급된 샤프트(30)의 내부에 장착된다(도 2와 유사함). 환형 디스크(32)는 환형 디스크(33)보다 더 두껍다. 두 디스크 모두는 케이블(예, 전기 케이블, 광섬유(fibre optic) 케이블 등)이 나셀에서의 시스템을 허브에서의 시스템에 연결하도록 통과될 수 있는 개구부(34)를 포함한다. 요구되는 환형 디스크의 두께는 예를 들어, 실질적으로 중공 튜블러 샤프트의 두께, 언급된 샤프트의 직경, 결합 플레이트를 장착하는 방법, 윈드 터빈, 허브 및 블레이드의 크기 등과 같은 많은 요소들에 의존한다는 것이 명백할 것이다.
대체적인 실시예에서(도 3b), 국소 보강재는 샤프트(30)의 내부에 장착되는 튜블러 원통형 삽입물(37)을 포함한다. 또 다른 보강재가 환형 디스크(36)의 형태로 제공된다. 본 실시예에서, 용접된 연결(38)이 환형 디스크(36)와 원통형 삽입물(37) 사이에 제공된다. 도 3b에 미도시됨에도, 원통형 삽입물(36) 역시 로터 샤프트(30)의 내부에 용접될 수 있다. 본 실시예에서, 튜블러 샤프트(30)는 샤프트의 단부에서의 내부 직경과 비교해서 그것의 내부 직경의 국소 감소재(39)를 포함한다. 샤프트의 단부는 원통형 삽입물(37)의 더 쉬운 진입과 포지셔닝을 허용하도록 약간 확대될 수 있다.
대체적인 실시예에서, 원통형 삽입물(환형 디스크(36) 없이)만이 국소 보강재로서 제공될 수 있다는 것이 언급되어야만 한다.
도 3c에 도시된, 더 또 다른 실시예에서, 샤프트(30)의 국소 보강재는 세 개의 환형 디스크(32, 33, 35)를 포함한다. 본 실시예에서, 환형 디스크(33)는 다른 두 개의 환형 디스크와 비교해서 감소된 두께이다. 환형 디스크는 예를 들어, 샤프트의 내부에 용접되거나 또는 볼트 또는 그와 유사한 것과 같은 대체적인 방식으로 장착될 수 있다. 그리고 도 3a의 실시예와 유사하게, 환형 디스크는 적합한 케이블이 통과할 수 있는 개구부(34)를 포함한다.
도 3d는 본 발명의 실시예에 사용될 수 있는 국소 보강재의 더 또 다른 실시예를 도식적으로 도시한다. 본 실시예에서, 단조된(forged) 튜블러 연장부(29)가 튜블러 로터 샤프트(30)의 일 단부에 용접될 수 있다. 튜블러 연장부(29)는 튜블러 샤프트의 나머지와 비교해서 증가된 두께이다.
도 3e는 본 발명의 실시예에 사용될 수 있는 국소 보강재의 더 또 다른 실시예를 도시한다. 도 3e에서, 튜블러 샤프트(30)에는 원통형 삽입물(37)이 도시된다. 볼트 홀(52)이 환경에 대해 샤프트를 실질적으로 폐쇄하기 위한 폐쇄 엘리먼트를 장착하도록 원통형 삽입물에 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 이들 볼트 홀은 도 2에 도시된 실시예와 유사하게, 예를 들어, 샤프트 상에 장착된 수축식 디스크에 제공될 수 있다. 스레드된 홀(26)이 튜블러 샤프트(30)에 대해 원통형 삽입물(37)의 고정을 허용하도록 제공될 수 있다. 스레드는 부분적으로 샤프트(30)에 그리고 부분적으로 삽입물에 제공될 수 있다. 그런 후에 그들은 적합한 스크류 또는 볼트를 통해 결합될 수 있다.
도 3f는 도 3e의 일부의 확대된 도면을 나타낸다.
본 발명의 범위 내에서, 더 다른 국소 보강재가 도 3a-3f에 도시된 국소 보강재 중 어느 하나와 조합해서, 또는 그것 자체로, 예를 들어, 튜블러 샤프트의 국소적으로 증가된 두께와 같이 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 튜블러 샤프트는 요구되지 않을 때, 임의의 국소 보강재를 포함하지 않는다. 그러한 요구는 예를 들어, 결합 플레이트를 장착하는 방법, 튜블러 샤프트의 두께와 직경, 윈드 터빈 상의 하중 및 다른 요소들에 의존할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 사용될 수 있는 로터 샤프트의 일 실시예를 도식적으로 도시한다. 본 발명의 실시예에서, 로터 샤프트(30)는 금속 플레이트로부터 형성될 수 있다. 이어서 그러한 금속 플레이트가 튜블러 형상으로 형성될 수 있다(예를 들어, 롤 벤딩에 의한 것과 같음). 이어서 플레이트의 단부가 튜블러 샤프트의 종방향으로 용접에 의해 연결될 수 있다. 그러한 프로세스의 결과는 도 4에 도시된 바와 같이, 웰드 심(27)을 갖는 튜블러 샤프트(30)일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 튜블러 샤프트는 예를 들어, 단조 프로세스 또는 주조 프로세스로 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따라서 윈드 터빈의 일 실시예를 도식적으로 도시한다. 로터 샤프트(30)는 실질적으로 중공 튜블러 샤프트이다. 결합 플레이트(26)가 로터 샤프트(30) 상에 장착된다. 결합 플레이트(26)는 튜블러 연장부(미도시)를 포함한다. 수축식 디스크(45)가 이러한 튜블러 연장부, 그리고 따라서 결합 플레이트를 로터 샤프트에 안전한 방식으로 연결하도록 사용된다. 본 실시예에서, 결합 플레이트(26)의 환형 림은 복수의 홀을 포함한다. 볼트(21)는 결합 플레이트(26)를 허브(미도시)에 연결하도록 사용될 수 있다. 언급된 볼트(21)가 플렉시블한 부싱(21)에 제공될 수 있다. 이들 플렉시블한 부싱은 허브로부터 샤프트(30)로의 굽힘 하중의 전달을 감소시킬 수 있다. 본 실시예에서, 허브는 도 1의 구성과 유사하게, 프레임(미도시) 상에 회전가능하게 장착된다는 것이 언급되어야만 한다. 참조 부호(51)는 샤프트를 실질적으로 폐쇄하여 환경으로부터 그것의 내부를 보호할 수 있는 폐쇄 엘리먼트를 나타낸다.
본 발명에 따라서, 로터 샤프트는 윈드 터빈의 중량 및 비용을 감소시키도록 실질적으로 중공 및 튜블러이고, 따라서 샤프트에서 굽힘 하중의 감소를 활용한다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 사용될 수 있는, 로터 샤프트로의 허브의 또 다른 결합을 도식적으로 도시한다. 허브(10)는 프레임(20) 상에 회전가능하게 장착된다. 허브는 블레이드 루트 피팅(15)에 장착될 수 있는 복수의 블레이드(미도시)를 싣고 있다. 허브는 다수의 돌출부(14)를 포함한다. 도 6에 도시된 특정 실시예에서, 여섯 개의 돌출부가 제공되었으나, 본 발명의 범위 내에서, 이 수는 자유롭게 변화될 수 있다.
튜블러 로터 샤프트(미도시)는 중심 피스(40)의 중심 개구부(31)에 제공될 수 있다. 따라서 중심 피스(40)는 예를 들어, 용접, 볼트된 연결, 죔쇠 끼워맞춤을 통해 또는 더 다른 방식으로 로터 샤프트 상에 장착될 수 있다. 본 실시예에서, 여섯 개의 방사상으로 연장하는 스포크(44)가 중심 피스(40) 상에 제공되고, 열두 개의 플렉시블한 엘리먼트(42)가 스포크(44)를 돌출부(14)에 연결한다.
플렉시블한 엘리먼트(42)는 적어도 하나의 방향으로 하중에 대해 상대적으로 쉽게 변형하거나 휘어지는("받아들이는") 엘리먼트인 것으로 이해되어야만 한다. 그들은 임의의 적합한 물질, 예를 들어, 엘라스토머 물질, 또는 엘라스토머와 금속의 조합 또는 더 다른 적합한 물질로 만들어질 수 있다. 엘리먼트는 예를 들어, 그들의 형상, 물질, 포지셔닝, 장착 또는 이들의 조합으로 인해, 그들의 플렉시블한 특징을 얻을 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 언급된 플렉시블한 엘리먼트는 엘라스틱일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 언급된 플렉시블한 엘리먼트는 비스코-엘라스틱일 수 있다. 플렉시블 엘리먼트는 그들의 변형이 적용된 하중에 비례한다는 점에서 엘라스틱일 수 있다. 그들은 또한 그들이 시간-의존적인 스트레인을 나타낸다는 점에서 비스코-엘라스틱일 수 있다. 일반적으로 윈드 터빈에서 발생하는 진동에 의존해서, 엘락스틱, 비스코-엘라스틱 또는 더 다른 엘리먼트의 적용이 유익할 수 있다.
또한 본 구성에서, 허브로부터의 토크와는 다른 모든 하중이 로터 샤프트에서 실질적으로 회피될 수 있다. 허브의 중량으로부터의 하중은 예를 들어, 허브(10)로부터 프레임(20)으로 직접적으로 전달된다. 따라서 로터 샤프트는 주로 토크와 관련된 하중을 견뎌내야만 한다. 실질적으로 중공 튜블러 샤프트는 최저 중량에서 요구되는 관성의 모멘트를 제공할 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 사용될 수 있는 허브와 로터 샤프트 사이의 결합의 다른 예시를 도식적으로 도시한다. 결합 플레이트(40a)는 수축식 디스크(45)를 통해 로터 샤프트(30) 상에 장착된다. 본 발명에서, 결합 플레이트(40a)는 여섯 개의 실질적으로 방사상으로 연장하는 스포크(44)를 포함한다. 이들 스포크는 쌍으로 제공된다. 그로써 개구부(47)는 스포크(44)의 쌍들의 말단부 사이에 생성된다. 허브(본 도면에 미도시) 상의 적합한 돌출부가 도 6의 구성과 유사하게, 이들 개구부에 맞춰질 수 있다. 플렉시블한 엘리먼트(42)가 스포크(44)를 허브로부터 이들 돌출부에 연결하도록 제공된다. 본 실시예에서, 환형 세그먼트(49)는 스포크(44)의 쌍들을 서로 연결한다. 이들 환형 세그먼트(49)는 하중을 고르게 분배하도록 역할할 수 있다. 접근 홀(48)이 허브와 허브 내에 제공되는 컴포넌트의 점검과 유지를 용이하게 하도록 제공된다.
도 8의 실시예에서, 중심 피스(40b)가 수축식 디스크(45)를 사용하여 로터 샤프트(30) 상에 장착된다. 방사상으로 연장하는 스포크(44)가 허브(본 도면에 미도시) 상의 돌출부의 쌍들 사이에 맞춰질 수 있다. 플렉시블한 엘리먼트(42)는 세 개의 스포크(44)를 허브 상의 돌출부의 쌍들에 연결한다.
도 7 및 도 8의 실시예 모두에서, 허브로부터의 토크와는 다른, 허브로부터 로터 샤프트로의 하중의 전달이 실질적으로 감소된다. 따라서 실질적으로 튜블러 중공 로터 샤프트 역시 이들 실시예에 사용될 수 있다.
본 발명은 프레임 상에 허브를 장착하기 위해 또는 프레임 상에 제너레이터를 장착하기 위해 사용된 종류의 베어링으로 임의의 방식으로 한정되지 않는다. 적합한 유체 베어링, 특히 유체역학 베어링 또는 유체정역학 베어링이 사용될 수 있다. 대체적으로, 롤러 베어링, 더블-테이퍼드 롤러 베어링, 또는 볼 베어링과 같은, 적합한 롤링 엘리먼트 베어링 역시 사용될 수 있다. 베어링은 또한 순수하게 방사상 베어링이거나 방사상 및 축방향 베어링일 수 있다.
또한 허브 상의 돌출부 및 실질적으로 방사상으로 연장하는 스포크를 갖는 결합 플레이트를 포함하는 본 발명의 실시예에서, 허브 상의 돌출부, 중심 피스 상의 스포크 및 플렉시블한 엘리먼트가 도 6, 도 7 및 도 8에 도시된 것보다 많은 다른 적합한 형상을 취할 수 있다는 것이 명백할 것이다. 플렉시블한 엘리먼트의 횡단면은 예를 들어, 원형, 직사각형, 사각형 또는 다른 것일 수 있다. 허브 상의 돌출부는 도 6에 도시된 바와 같이 예를 들어, 실질적으로 박막(thin-walled)일 수 있고, 또는 더 견고(solid)할 수 있다.
또한 본 발명은 윈드 터빈에서의 기어박스의 사용으로 한정되지 않는다. 샤프트로의 허브의 동일한 결합이 기어박스를 포함하는 윈드 터빈 구성에서 그리고 직접 구동 구성에서 사용될 수 있다.
본 발명이 특정 바람직한 실시예와 예시의 문맥에서 개시됨에도, 본 발명이 구체적으로 개시된 실시예를 넘어서 다른 대체적인 실시예로 확장하고 및/또는 본 발명의 명확한 수정 및 그것의 등가물을 사용한다는 것이 해당 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다. 따라서, 여기에 개시된 본 발명의 범위가 이전에 설명된 특정 개시된 실시예에 의해 한정되는 것이 아니라, 이어지는 청구항의 정확한 해석에 의해서만 결정되어야만 한다는 것이 의도된다.

Claims (15)

  1. 하나 이상의 블레이드를 갖는 허브를 포함하는 윈드 터빈에 있어서,
    상기 허브는 프레임 상에 회전가능하게 장착되고 샤프트 상에 장착된 결합 플레이트를 통해 상기 샤프트에 작동적으로 결합되며,
    상기 샤프트는 상기 프레임의 적어도 부분적으로 내부에 제공되고,
    상기 샤프트는 튜블러 중공 샤프트인 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 결합 플레이트는 상기 허브의 회전 축 주위의 토크를 상기 허브로부터 상기 샤프트로 전달하는 한편, 다른 하중의 전달을 제한하도록 적응되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 결합 플레이트는 복수의 스포크가 방사상으로 연장하는 중심 피스를 포함하고,
    상기 허브에는 둘레를 따라 배열된 복수의 축방향 돌출부가 제공되며,
    플렉시블한 엘리먼트는 상기 스포크를 상기 돌출부에 연결하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 결합 플레이트는 중심 피스를 포함하고, 상기 중심 피스는 원형 디스크를 포함하며, 상기 원형 디스크는 둘레를 따라 배열된 복수의 축방향 볼트를 통해 상기 허브에 연결되고, 상기 볼트는 복수의 플렉시블한 부싱을 갖는 상기 원형 디스크 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결합 플레이트는 튜블러 플랜지를 포함하고 수축식 디스크를 통해 상기 샤프트 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 샤프트는 상기 결합 플레이트가 상기 샤프트 상에 장착되는 영역에서 점차로 증가하는 외부 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 튜블러 중공 샤프트는 상기 결합 플레이트가 장착되는 상기 샤프트의 일부를 따라서 하나 이상의 국소 보강재를 포함하는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 국소 보강재는 상기 샤프트의 내부에 장착되는 복수의 환형 디스크를 포함하고, 상기 환형 디스크는 상기 샤프트의 내부에 용접되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 하나 이상의 국소 보강재는 상기 샤프트의 내부에 장착되는 원통형 삽입물을 포함하고, 상기 원통형 삽입물은 복수의 볼트로 상기 샤프트에 연결되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 국소 보강재는 상기 원통형 삽입물의 내부에 장착되는 환형 디스크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 환형 디스크는 상기 원통형 삽입물의 내부에 용접되는 것을 특징으로 하는 원드 터빈.
  12. 제 8항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 국소 보강재는 상기 튜블러 샤프트의 국소로 증가되는 두께를 포함하는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  13. 제 7항에 있어서,
    상기 국소 보강재는 상기 샤프트의 튜블러 연장부를 포함하고,
    상기 튜블러 연장부는 상기 튜블러 연장부의 길이의 적어도 일부를 따라서 상기 샤프트의 두께와 비교해서 증가된 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 튜블러 연장부는 상기 샤프트에 용접되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  15. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 튜블러 샤프트는 얇은 금속 플레이트를 튜브로 형성하고 상기 튜브의 종방향 축을 따라 용접하는 것에 의해 제작되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
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