KR20140025295A

KR20140025295A - 풍력 터빈 발전기

Info

Publication number: KR20140025295A
Application number: KR1020137005151A
Authority: KR
Inventors: 그레이엄 데렉 르 플렘; 조셉 유진; 이안 벤자민 와이즈; 존 프리데릭 힐
Original assignee: 지이 에너지 파워 컨버션 테크놀로지 엘티디
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2014-03-04
Also published as: CA2804816A1; EP2599189A1; BR112013001596A2; WO2012013200A1; CN103155374A; US20130214628A1

Abstract

에어갭 조절을 위한 안정화 베어링을 포함하는 풍력 터빈 발전기
풍력 터빈 발전기(10)는 하나 이상의 터빈 블레이드가 장착될 수 있는 구동 단부(24)와 비구동 단부(28)를 포함한다. 풍력 터빈 발전기(10)는 방사상의 내부 표면을 갖는 외부 고정자(14)와 방사상의 외부 표면을 갖는 내부 로터(16)를 포함하며, 로터(16)와 고정자(14) 사이에는 에어갭(18)이 형성된다. 메인 베어링 도구(36)가 구동 단부(24)에 제공되어, 로터(16)와 고정자(14) 사이에서 작동하여 고정자(14)에 대한 회전을 위해 로터(16)를 장착하며, 안정화 베어링(46)은 비구동 단부(28)에 제공되어, 로터(16)와 고정자(14) 사이에서 작동하여 로터(16)와 고정자(14)를 안정화하고 그 사이의 에어갭을 유지 및 조절한다.

Description

풍력 터빈 발전기{WIND TURBINE GENERATORS}

본 발명은 일반적으로 풍력 터빈 발전기에 관한 것이다. 본 발명의 실시 예들은 특히 로터(rotor)와 고정자(stator) 사이의 에어갭(air gap)을 유지 및 조절할 수 있도록 안정화된 풍력 터빈 발전기에 관한 것이다.

풍력 터빈은 일반적으로 직경이 크고, 고 토크(torque)인 저속 전기 기계로, 로터와 고정자를 갖는 풍력 터빈 발전기를 포함한다. 풍력 터빈 발전기의 로터와 고정자 사이의 에어갭은 로터의 직경에 비해 특히 작다. 가령, 로터의 직경이 수 미터의 차수 또는 그 이상일 때 로터와 고정자 사이의 에어갭은 수 밀리미터에 지나지 않을 수 있다.

터빈 블레이드는 일반적으로 풍력 터빈의 터빈 샤프트에 장착되며, 바람에 의한 일시적인 하중(순간 재하)으로 인해 터빈 샤프트의 굴절이 일어날 수 있다. 이러한 굴절은 로터로 전달될 수 있으며, 로터와 고정자의 움직임이 조정되지 않으면, 로터와 고정자 사이의 에어갭은 부정적인 영향을 받을 수 있다. 이것은 에어갭을 통한 자속(magnetic flux)의 흐름을 방해해 풍력 터빈 발전기의 효율성을 떨어뜨릴 수 있다. 에어갭의 크기가 작기 때문에, 로터의 굴절이 커지게 되면 로터와 고정자간의 접촉이 발생할 수 있다. 따라서, 에어갭 유지를 위한 상당한 구조 강화가 필요한데, 이는 풍력 터빈 발전기의 구조적 복잡성, 크기 및 비용을 증대시킨다.

따라서, 기존의 풍력 터빈 발전기에 비해 에어갭 조절이 가능하도록 로터와 고정자가 안정화되고 구조적으로 덜 복잡한 풍력 터빈 발전기가 필요하다.

본 발명은 특히 로터(rotor)와 고정자(stator) 사이의 에어갭(air gap)을 유지 및 조절할 수 있도록 안정화된 풍력 터빈 발전기에 관한 것이다.

이상의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 하나 이상의 터빈 블레이드가 장착 가능한 구동 단부와 비구동 단부를 갖는 풍력 터빈 발전기가 제공되며, 상기 풍력 터빈 발전기는 방사상의 내부 표면을 갖는 제1 실질적으로 원통형의 중공체; 상기 제1 실질적으로 원통형의 중공체내에 위치하고 방사상의 외부 표면을 갖는 제2 실질적으로 원통형의 중공체; 상기 구동 단부에 위치하고 고정자(stator)에 대한 회전을 위해 로터(rotor)를 장착하기 위해 상기 로터와 고정자 사이에서 작동하는 메인 베어링 배열(main bearing arrangement); 및 상기 비구동 단부에 위치하고 상기 로터와 고정자 사이에서 작동하여 상기 로터와 고정자를 안정화하고 상기 로터와 고정자 사이에 형성된 에어갭을 유지하는 안정화 베어링(stabiliser bearing)을 포함하고, 상기 제1 실질적으로 원통형의 중공체 및 제 2 실질적으로 원통형의 중공체 중 하나는 로터이고; 상기 제1 실질적으로 원통형의 중공체 및 제 2 실질적으로 원통형의 중공체 중 나머지 다른 하나는 고정자이다.

주요 방사상 및 축 하중, 즉 요(yaw), 피치(pitch) 및 드러스트(thrust) 하중은 풍력 터빈 발전기의 구동 단부에서 메인 베어링 도구에 실리게 되며 메인 베어링 도구에 의해 고정자로 전달된다. 그 결과, 안정화 베어링에는 실질적으로 하중이 실리지 않는다. 따라서, 안정화 베어링은 표준의, 비교적 저렴한, ?茱? 베어링이다. 로터와 고정자가 로터-고정자 에어갭 유지을 위한 구조적 강화가 필요하지 않는 중공체 형태이기 때문에, 풍력 터빈 발전기는 기존의 풍력 터빈 발전기에 비해 가볍고 구조적으로 덜 복잡한데, 이는 풍력 터빈 발전기의 비용을 절감한다. 로터와 고정자 사이의 에어갭을 유지 및 조절함과 함께, 안정화 베어링은 풍력 터빈 발전기의 특정 구성에 존재할 수 있는 공명과 진동을 제거함으로써 풍력 터빈 발전기를 더욱 안정화한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명의 상기 일 측면에 따른 풍력 터빈 발전기를 포함하는 풍력 터빈 및 풍력 터빈 발전기의 구동 단부에서 로터에 장착되는 하나 이상의 터빈 블레이드를 지지하는 허브를 포함한다.

풍력 터빈은 일반적으로 풍력 터빈 발전기가 장착되는 타워(tower)를 포함한다.

제1 실질적으로 원통형의 중공체는 비구동 단부에 위치할 수 있는 제1 원통형의 지지 부재를 포함할 수 있다. 제2 실질적으로 원통형의 중공체는 비구동 단부에 위치할 수 있는 제2 원통형의 지지 부재를 포함할 수 있다. 안정화 베어링은 일반적으로 풍력 터빈 발전기의 비구동 ?부에서 제1 및 제2 원통형의 지지 부재 사이에서 작동하여 로터와 고정자를 안정화함으로써 그 사이의 에어갭을 유지 및 조절한다.

로터는 그것의 회전 중심이 되는 회전 축을 가지며, 제1 및 제2 원통형의 지지 부재는 일반적으로 로터와 같은 회전 축을 중심으로 배치된다.

제2 원통형의 지지 부재가 방사 방향을 따라 제1 원통형의 지지 부재의 내측에 위치하는 상태에서 제1 및 제2 원통형의 지지 부재는 서로 동축을 중심으로 배치될 수 있다.

제1 원통형의 지지 부재의 직경은 제1 실질적으로 원통형의 중공체의 직경보다 훨씬 작을 수 있다. 제2 원통형의 지지 부재의 직경은 제2 실질적으로 원통형의 중공체의 직경보다 훨씬 작을 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 원통형의 지지 부재들 사이에서 작동하는 안정화 베어링은 비교적 작은 직경을 갖는데, 이로써 표준의 기성 베어링을 사용할 수 있게 된다.

풍력 터빈 발전기는 제1 원통형의 지지부재를 제1 실질적으로 원통형의 중공체에 장착하기 위한 제1 장착 도구를 포함할 수 있고, 제2 원통형의 지지 부재를 제2 실질적으로 원통형의 중공체에 장착하기 위한 제2 장착 도구를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 제1 및 제2 장착 도구 중 적어도 하나는 장착판을 포함한다. 더 일반적으로는, 제1 및 제2 장착 도구 각각은 장착판을 포함한다. 장착판은 제1 및/또는 제2 원통형의 지지 부재를 특히 더 단단하게 장착하기 위한 수단이 된다.

또 다른 일 실시 예에 따르면, 제1 및 제2 장착 도구 중 적어도 하나는 원주 방향을 따라 이격되고 방사상으로 연장된 복수의 스포크 부재를 포함한다. 더 일반적으로는, 제1 및 제2 장착 도구 각각이 원주 방향을 따라 이격되고 방사상으로 연장된 복수의 스포크 부재를 포함한다. 스포크 부재는 제1 및/또는 제2 원통형의 지지 부재 각각을 장착하는 특히 경량의 수단이 된다.

제1 및 제2 장착 도구 중 하나는 장착판을 포함할 수 있고 제1 및 제2 장착 도구 중 나머지 하나는 원주 방향을 따라 이격되고 방사상으로 연장된 복수의 스포크 부재를 포함할 수 있다.

제1 실질적으로 원통형의 중공체는 풍력 터빈 발전기의 구동 단부에서 제1 지지 플랜지를 포함할 수 있다. 제2 실질적으로 원통형의 중공체는 풍력 터빈 발전기의 구동 단부에서 제2 지지 플랜지를 포함할 수 있다. 메인 베어링 도구는 고정자에 대한 회전을 위해 로터를 장착하기 위해 제1 및 제2 지지 플랜지 사이에서 작동할 수 있다.

메인 베어링 도구는 제1 지지 플랜지와 협력(Cooperate)할 수 있는 외부 베어링 링을 포함할 수 있으며, 제2 지지 플랜지와 협력할 수 있는 적어도 하나의 내부 베어링 링을 포함할 수 있다. 메인 베어링 도구는 테이퍼 롤러 베어링(tapered roller bearing), 더 일반적으로는 이중-열 테이퍼 롤러 베어링(double-row tapered roller bearing)일 수 있다. 메인 베어링 도구는 가령 두 개의 내부 베어링 링을 포함할 수 있다. 제1 테이퍼 롤러 열은 제1 내부 베어링 링 및 외부 베어링 링에 제공된 제1 경주로와 협력할 수 있고 제2 테이퍼 롤러 열은 제2 내부 베어링 링 및 외부 베어링 링에 제공된 제2 경주로와 협력할 수 있다. 이중-열 테이퍼 롤러 베어링의 사용, 특히 두 개의 내부 베어링 링과 단일 외부 베어링 링을 갖는 이중-열 테이퍼 롤러 베어링의 사용은 메인 베어링 도구로 하여금 풍력 터빈 작동 시 발생하는 방사상 및 축 하중이 실리게 하는 이점이 있다.

제1 몸체는 원주 방향을 따라 이격된 복수의 권선 슬롯 및 그 방사상의 내부 표면에 형성된 원주 방향을 따라 이격된 복수의 자극 중 하나를 가질 수 있다. 따라서 제2 몸체는 원주 방향을 따라 이격된 권선 슬롯 및 그것의 방사상의 외부 표면에 형성된 원주 방향을 따라 이격된 복수의 자극 중 또 다른 하나를 가질 수 있다.

일반적인 실시 예들에서, 제1 몸체는 고정자이고 제2 몸체는 로터이다. 따라서 로터는 고정자 내부에 회전 가능하게 장착될 수 있다. 대안적 실시 예들에서는, 제1 몸체는 로터이고 제2 몸체는 고정자이다. 따라서 로터는 고정자 내부에 회전 가능하게 장착될 수 있다.

본 발명에 의하면, 로터(rotor)와 고정자(stator) 사이의 에어갭(air gap)을 유지 및 조절할 수 있도록 안정화된 풍력 터빈 발전기가 제공된다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 풍력 터빈 발전기의 내부 사시도이고;
도 2는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른, 풍력 터빈 발전기의 내부 사시도이다.

첨부 도면을 참조로 본 발명의 실시 예들을 아래와 같이 설명한다.

도 1에 있어서, 풍력 터빈 발전기(10)는 외부 고정자(14) 형태의 제 1 몸체(12)와 내부 로터(16) 형태의 제2 몸체(13)를 포함한다. 로터(16)와 고정자(14) 사이에 에어갭(18)이 종래의 방식으로 형성되며, 고정자(14)는 원주 방향을 따라 이격된 복수의 권선 슬롯을 포함하는 반면, 로터(16)는 영구적 자극(磁極)을 형성하는 원주 방향을 따라 이격된 복수의 영구 자석(22)을 포함한다.

풍력 터빈 발전기(10)는 로터 허브 플랜지(26)에 고정될 수 있는 허브(미도시)에 의해 터빈 블레이드(미도시)가 로터(16)에 장착되는 구동 단부(24)를 포함한다. 풍력 터빈 발전기(10)는 또한 구동 단부(24)로부터 축의 방향으로 이격된 비구동 단부(28)를 포함한다. 풍력 터빈 발전기(10)는 타워(tower)를 포함하는 풍력 터빈의 일부를 형성하며, 풍력 터빈은 타워의 최상부에서 장착되고 풍력 터빈 발전기(10)의 고정자(14)가 단단히 연결되는 나셀(nacelle)(30)(도 1에 부분적으로 도시됨)을 포함한다.

고정자(14)는 풍력 터빈 발전기(10)의 구동 단부(24)에서 제1 지지 플랜지(32)를 포함하며 로터(16)도 이와 유사하게 구동 단부(24)에서 제2 지지 플랜지(34)를 포함한다. 제1 및 제2 지지 플랜지(32, 34)는 로터(16)의 회전 축 방향으로 기울이지며 메인 베어링 도구(36)는 제1 및 제2 지지 플랜지(32, 34) 사이에서 작동하여 고정자(14)에 대해 로터(16)를 회전 가능하게 장착한다. 각각의 제1 및 제2 지지 플랜지(32, 34)는 풍력 터빈 발전기(10)의 냉각 공기의 흐름을 허용하기 위한 원주 방향을 따라 이격된 복수의 냉각공(35)을 포함한다. 메인 베어링 도구(36)는 일반적으로 풍력 터빈의 작동 시 발생한 방사상 및 축 하중이 실리는 이중-열 테이퍼 롤러 베어링(double-row tapered roller bearing)을 포함한다.

고정자(14)와 로터(16) 각각은 풍력 터빈 발전기(10)의 비구동 단부(28)에서 제1 및 제2 원통형 지지 부재(38, 40)들을 포함한다. 제1 및 제2 원통형 지지 부재(38, 40)는 동축을 가지며, 로터(16)의 회전 축을 중심으로 배치된다. 제1 원통형 지지 부재(38)의 직경이 고정자(14)의 직경보다 훨씬 작으며, 이와 마찬가지로 제2 원통형의 지지 부재(40)의 직경이 로터(16)의 직경보다 훨씬 작다는 것은 도 1을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1에 도시된 일 실시 예에서, 제1 원통형 지지 부재(38)는 원주 방향을 따라 이격되고 방사상으로 연장된 복수의 스포크(spoke) 부재(42)를 포함하는 제1 장착 도구를 통해 고정자(14)에 장착된다. 이와 유사한 방식으로, 제2 원통형의 지지 부재(40)는 원주 방향을 따라 이격되고 방사상으로 연장된 복수의 스포크 부재(44)를 포함하는 제 2 장착 도구를 통해 로터(16)에 장착된다.

풍력 터빈 발전기(10)는 비구동 단부(28)에 위치하고 제1 및 제2 원통형 지지 부재(38, 40) 사이에서 작동하는 고정화 베어링(46)을 포함한다. 고정화 베어링(4)은 일반적으로 단일 롤러 열을 갖고 고정자(14)와 로터(16)의 이동을 안정화하는 롤러 베어링으로써, 간단하지만 매우 효과적인 방식으로 롤러-고정자 에어갭(18)을 조절 및 유지한다. 풍력 터빈의 작동 시 발생된 방사상 및 축 하중이 메인 베어링 도구(36)에 실리기 때문에, 안정화 베어링(46)에는 실질적인 작업 하중이 실리지 않는다.

도 2를 참조로, 본 발명에 따른 풍력 터빈 발전기(110)의 대안적 실시 예가 도시되었다. 이 풍력 터빈 발전기(110)는 상기에서 도 1을 참조로 설명한 풍력 터빈 발전기(10)와 유사하며, 이에 따라, 해당 참조 부호들 또한 해당 구성 요소를 식별하는데 사용되었다.

풍력 터빈 발전기(110)는 제1 및 제2 원통형 지지 부재(38, 40)를 각각 고정자(14)와 로터(16)에 장착하기 위한 수정된 구조를 채택하고 있다. 더 구체적으로, 제1 일반적으로 원형의 장착판(48) 형태의 제1 장착 도구는 제1 원통형 지지 부재(38)를 고정자(14)에 장착하는 반면, 제2 일반적으로 원형의 장착판(50) 형태의 제2 장착 도구는 제2 원통형 지지 부재(40)를 로터(16)에 장착한다. 냉각 공기가 풍력 터빈 발전기(10)에 통과하여 흐르도록 하기 위해, 각각의 제1 및 제2 장착판(48, 50)은 원주 방향을 따라 이격된 복수의 냉각공(52)을 포함한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims

하나 이상의 터빈 블레이드(turbine blade)가 장착 가능한 구동 단부(drive end)와 비구동 단부(non-drive end)를 갖는 풍력 터빈 발전기(wind turbine generator)로서,
방사상의 내부 표면을 갖는 제1 실질적으로 원통형의 중공체;
상기 제1 실질적으로 원통형의 중공체내에 위치하고 방사상의 외부 표면을 갖는 제2 실질적으로 원통형의 중공체;
상기 구동 단부에 위치하고 고정자(stator)에 대한 회전을 위해 로터(rotor)를 장착하기 위해 상기 로터와 고정자 사이에서 작동하는 메인 베어링 도구(main bearing arrangement); 및
상기 비구동 단부에 위치하고 상기 로터와 고정자 사이에서 작동하여 상기 로터와 고정자를 안정화하고 상기 로터와 고정자 사이에 형성된 에어갭을 유지하는 안정화 베어링 (stabiliser bearing)을 포함하고,
상기 제1 실질적으로 원통형의 중공체 및 제2 실질적으로 원통형의 중공체 중 하나는 로터이고;
상기 제1 실질적으로 원통형의 중공체 및 제2 실질적으로 원통형의 중공체 중 나머지 다른 하나는 고정자인 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 발전기.
제1항에 있어서,
상기 제1 실질적으로 원통형의 중공체는 상기 비구동 단부에 위치한 제1 원통형의 지지 부재를 포함하고 상기 제2 실질적으로 원통형의 중공체는 상기 비구동 단부에 위치한 제2 원통형의 지지 부재를 포함하고, 상기 안정화 베어링은 상기 제1 및 제2 원통형의 지지 부재들 사이에서 작동하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 발전기.
제2항에 있어서,
상기 제1 및 제2 원통형의 지지 부재는 상기 로터의 회전 축을 중심으로 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 발전기.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 제1 및 제2 원통형의 지지 부재는 동축을 가지며, 상기 제 2 원통형의 지지 부재는 방사 방향을 따라 상기 제1 원통형의 지지 부재의 내측에 위치하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 발전기.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 원통형의 지지 부재의 직경은 상기 제1 실질적으로 원통형의 중공체의 직경보다 상당히 작고 상기 제2 원통형의 지지 부재의 직경은 상기 제2 실질적으로 원통형의 중공체의 직경보다 상당히 작은 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 발전기.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 풍력 터빈 발전기는 상기 제1 원통형의 지지 부재를 상기 제1 실질적으로 원통형의 중공체에 장착하기 위한 제1 장착 도구를 포함하고, 상기 제2 원통형의 지지 부재를 상기 제2 실질적으로 원통형의 중공체에 장착하기 위한 제2 장착 도구를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 발전기.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 풍력 터빈 발전기는 상기 제1 원통형의 지지 부재를 상기 제1 실질적으로 원통형의 중공체에 장착하기 위한 제1 장착 도구를 포함하고, 상기 제2 원통형의 지지 부재를 상기 제2 실질적으로 원통형의 중공체에 장착하기 위한 제2 장착 도구를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 발전기.
제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 제1 및 제2 장착 도구 중 적어도 하나는 원주 방향을 따라 이격되고 방사상으로 연장된 복수의 스포크 부재(spoke members)를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 발전기.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 실질적으로 원통형의 중공체는 상기 구동 단부에 위치한 제1 지지 플랜지를 포함하고 상기 제2 실질적으로 원통형의 중공체는 상기 구동 단부에 위치한 제2 지지 플랜지를 포함하고, 상기 메인 베어링 도구는 상기 제1 및 제2 지지 플랜지 사이에서 작동하여 고정자에 대한 회전을 위해 로터를 장착하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 발전기.
제9항에 있어서,
상기 메인 베어링 도구는 상기 제1 지지 플랜지와 협력(cooperate)하는 외부 베어링 링 및 상기 제2 지지 플랜지와 협력(cooperate)하는 적어도 하나의 내부 베어링 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 발전기.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 몸체는 원주 방향을 따라 이격된 복수의 권선 슬롯 및 그 방사상의 내부 표면에 형성된 원주 방향을 따라 이격된 복수의 자극(磁極) 중 하나를 포함하며, 제2 중공체는 상기 원주 방향을 따라 이격된 복수의 권선 슬롯 및 그 방사상의 외부 표면에 형성된 원주 방향을 따라 이격된 복수의 자극(磁極) 중 다른 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 발전기.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 몸체는 고정자이고 상기 제2 몸체는 로터인 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 발전기.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 몸체는 로터이고 상기 제 2 몸체는 고정자인 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 발전기.
풍력 터빈으로서,
풍력 터빈 발전기; 및
상기 풍력 터빈 발전기의 구동 단부에서 로터에 장착되는 하나 이상의 터빈 블레이드를 지지하는 허브를 포함하는 풍력 터빈.
제14항에 있어서,
상기 풍력 터빈은 상기 풍력 터빈 발전기가 장착되는 타워를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 발전기.