KR20100090499A - 터어빈 부품 억세스용 일체형 서비스 크레인을 구비한 풍력터어빈 너셀 - Google Patents

Abstract

트롤리(156)를 수용한 트랙(154)을 구비한 주 크레인 빔(128)을 포함한 풍력 터어빈용 서비스 크레인. 상기 주빔(128)의 후미부가 상기 피봇점(148)을 지나서 터어빈의 외부로 연장되도록 주 빔(128)의 근위 단부 부근 피봇점(148)에힌지(144)가 제공된다. 상기 주 빔(128)의 원위 단부는 전방 빔 위에 놓인다. 측방운동 작동기(134)는 상기 주 빔(128)을 전방 빔을 따라서 전후로 이동시킨다. 상기 트롤리(156)는 주 빔(128)을 따라서 전후로 이동한다. 터어빈 부품은 트롤리(156)로부터 케이블에 의해 내려진 후크에 부착된다. 후크에 부품이 부착된 트롤리(156)는 터어빈을 지나서 연장되는 주 빔(128)의 후미부로 이동한다. 상기 후크는 부품이 수리되거나 교체될 수있도록 지면으로 내려온다

트롤리, 풍력, 빔, 후크

Description

터어빈 부품 억세스용 일체형 서비스 크레인을 구비한 풍력터어빈 너셀{WIND TURBINE NACELLE WITH INTEGRAL SERVICE CRANE FOR ACCESSING TURBINE COMPONENTS}

본 발명은 높은 타워의 상부에 있는 너셀 내에 수용된 풍력 터어빈, 더 상세하게는 높은 타워의 상부에 있는 터어빈 부품 억세스(access)용 일체형 서비스 크레인에 관한 것이다.

풍력 발전 비용은 기술적 진보와 규모의 경제(economy of scale)로 인해 감소하고 있다. 현재 평균적인 터어빈크기는 직경이 70m 내지 85m 범위의로터(rotor)를 구비한 상태에서 약 1.5MW 정도이다. 상기 등급의 터어빈은 평균적으로 50톤 중량의 너셀(발전기, 기어 박스 및 너셀 하우징)과 약 35톤 중량의 로터를 구비한다. 풍력 터어빈의 경제성을 개선하기 위해, 제조자들은 지면으로부터 더 높은 고도에서 더 큰 풍력 에너지를 이용하기 위해 더 높은 타워를 설계해왔다. 제조자들은 점차적으로 이전에 사용된 낮은 타워보다 80m 및 100m 타워 설계에 의존하고 있다. 수리를 위해 높은 지면-기반 타워의 상부로부터 또는 상부로 상기 하중을 내리거나 올리는 비용은 주로 올려질 실제 하중보다 더 큰 크레인 용량을 요구하는 종래 크레인의 리치(reach) 때문에 매우 비싸질 수 있다. 이는 종래 크레인의 리치로부터 발생하는 굽힘 모멘트에 기인한다.

미국 특허 제6,955,025호에는 일단 타워가 올려지면 타워의 상부에는 너셀이 있게 되는 것과 같이 너셀과 그 내부에 수용된 터어빈 발전기가 함께 올려지는 풍력 터어빈 타워를 올리는 방법에 대해 개시되어 있다. 너셀과 터어빈을 교체하기 위해 타워와 너셀을 내리는 것은 상기 개시된 방법을 사용하여 가능하다. 그러나 발전기 한 개와 같이 단지 한 개 부품의 일상적인 정비 또는 교체를 위해서 전체 너셀을 내리는 것은 비용 측면에서 효율적이지 않다. 단지 결함이 있는 부품만 내릴 필요가 있다.

선행 기술에 의한 종래 방법에 의하면, 지면에서 전형적인 크레인을 사용하여 구동 트레인 또는 그 부품이 높은 타워의 상부에 위치한 너셀 상부를 지나서까지 올려진다. 그 이후 상기 구동 트레인 또는 부품은 너셀 상부의 해치 도어(hatch door)를 통해 내려진다. 상기와 정반대 절차가 수리를 위해 부품을 분리하고 내리는데 사용된다.

50톤 구동 트레인을 올리는데 400톤 내지 600톤 크레인이 필요하다. 크레인 리치와 관련된 큰 굽힘 모멘트때문에 상기와 같은 고용량이 필요하다.

일반적으로 수리 또는 교체를 위해 부품을 너셀 상부의 외부로 꺼내고 지면으로 내리기 위해, 풍력 터어빈은 너셀 상부를 제거하고 부품에 억세스하기 위해 풍력 터어빈이 설치된 장소로 이동해야 하는 크레인 또는 특별 장치를 필요로 한다.

이는 수리 및 부품 교체 작업에 대한 실질적 비용을 증가시켜 에너지 비용에 있어서 증가를 초래한다.

풍력 터어빈 부품의 수리 및 교체 작업을 용이하게 하고 그러한 수리 및 교체 비용을 낮추는 장치를 제공하는 것이 요구된다.

풍력 터어빈용 서비스 크레인은 트롤리(trolley) 안내용 트랙을 구비한 가동 주 크레인 빔(movable main crane beam)과, 피봇점(pivot point)의 힌지(hinge)를 포함한 제1 프레임으로서 상기 크레인 빔의 일부가 피봇점을 지나서 연장되도록 크레인 빔이 힌지에 연결된 제1 프레임과, 고정 빔에 있어서 상기 크레인 빔이 고정 빔을 따라서 측방으로 이동할 수 있도록 크레인 빔의 원위 단부(distal end)에 연결된 고정 빔을 포함한다.

서비스 크레인은 풍력 터어빈 구조물의 구성요소이기 때문에 언제나 수리 및 부품 교체 작업이 가능하다. 기존 구조물을 사용함으로써 리프팅(lifting) 크레인은 비용면에서 효율적이고, 신뢰할 수 있고, 필요한 작업 부하에 맞추어질 수 있다. 이는 풍력 터어빈의 관리 및 수리 비용을 낮추어 청정 에너지 비용을 낮추는데 기여한다.

간단히 말해서, 본 발명은 고하중 터어빈 부품을 매우 높은 타워(80m 내지 100m)의 상부로 올리기 위한 풍력 터어빈 서비스 크레인과 관련된다.

풍력 터어빈용 서비스 크레인은 트롤리(trolley) 안내용 트랙을 구비한 가동 주 크레인 빔(movable main crane beam)과, 피봇점(pivot point)의 힌지(hinge)를 포함한 제1 프레임으로서 상기 크레인 빔의 일부가 피봇점을 지나서 연장되도록 크레인 빔이 힌지에 연결된 제1 프레임과, 고정 빔에 있어서 상기 크레인 빔이 고정 빔을 따라서 측방으로 이동할 수 있도록 크레인 빔의 원위 단부(distal end)에 연결된 고정 빔을 포함한다.

본 발명의 한 실시예에 의하면, 상기 서비스 크레인은 트롤리가 이동할 수 있는 트랙을 구비한 주 크레인 빔을포함한다. 상기 빔의 후미부(aft portion)가 피봇점을 지나서 터어빈의 외부로 연장되도록 빔의 근위 단부(proximate end) 부근 피봇점에 힌지가 제공되며, 상기 힌지는, 너셀 바닥에 부착되고 주 빔에 연결된 후미 프레임에 의해 지지된다.

상기 빔의 원위 단부는 너셀 바닥에 부착된 전방 프레임(forward frame)에 의해 지지된 전방 빔 위에 놓인다.

상기 주 빔에 작동 가능하게(operatively) 연결된 측방 운동 작동기(lateral motion actuator)는 주 빔을 전방빔을 따라서 전후로 이동시킨다. 상기 트롤리는 주 빔을 따라서 전후로 이동할 수 있도록 세로 운동 작동기(longitudinal motion actuator)를 포함한다.

작동에 있어서, 트롤리는 터어빈의 내부로 이동하며 터어빈 부품은 트롤리로부터 케이블에 의해 내려진 후크에 부착된다. 후크에 부품이 부착된 상태로 트롤리는, 터어빈을 지나서 연장된 주 빔의 후미부로 이동한다. 그 이후 후크는 부품이 수리되거나 교체될 수 있도록 지면으로 내려진다.

상기 온-보드(on-board) 서비스 크레인은 하우징(housing)을 지지하는 서비스 크레인 구조물을 포함하며, 하우징 문을 통한 서비스 고도로부터 너셀 외부에 하우징 출입구(access)를 제공한다.

상기 서비스 크레인은 큰 크레인을 동원할 필요 없이 풍력 터어빈 타워 상단부 수리를 가능하게 한다.

서비스 크레인의 용량은 올려질 하중에 필적한다. 크레인이 너셀의 구성요소이기 때문에, 본 발명은, 수리 또는 교체를 위해 부품을 분리하고 지면으로 내리기 위해 너셀 상부를 제거하고 부품에 억세스하기 위한 지면 기반크레인 또는 특별한 장치를 풍력 터어빈 설치 장소로 가져와야 할 필요가 없는 장점이 있다.

본 발명은 풍력 터어빈의 보수 및 수리 비용을 낮춤으로써 청정에너지(clean energy) 비용을 낮추게 되는 장점이 있다.

본 발명은 하기 도면을 참고로 하여 이하 상세히 설명된다.

<실 시 예>

타워 상부에 위치된 너셀까지 터어빈 부품을 올리기 위해 너셀 내에 설치된 크레인의 사시도인 도 1을 참고한다. 2톤 용량의 탑재형 서비스 크레인이 너셀 후부에 설치되어 있다. 너셀 후부에 위치된 여닫이 문 또는롤다운(roll down) 문을 통하여 부품이 내려지고 서비스 공구 및 다른 재료가 지면으로부터 올려진다. 상기 크레인은 브레이크, 요(yaw) 모터, 발전기, 기어 박스 피니언 카트리지 및 그 밖의 부품의 서비스를 가능하게 한다.

비록 작은 용량의 서비스 크레인이라도 부를 필요가 없기 때문에, 상기 탑재형 서비스 크레인의 사용은 예정된 그리고 예정되지 않은 수리 비용 모두에 있어서 긍정적인 이익을 발생시킬 것으로 예상된다.

도 1에 도시된 너셀의 정면도인 도 2와, 도 1에 도시된 너셀의 포트 측면도인 도 3을 참고한다. 서비스 크레인구조물은 너셀의 측부와 상부면을 지지한다. 도 1에 도시된 바와 같이 후문을 통해 그리고 도 3의 도면에서 오른쪽 부분을 통해 너셀의 서비스 고도로부터 외부로 풍력 터어빈 부품에 억세스한다.

너셀은 도 4에 부분적으로 도시되어 있으며 종래의 "욕조(bathtub)" 형상으로 설계되어 있다. 너셀은 그 욕조바닥에 부착된 주 베어링(112)에 의해 고정된 주 샤프트(110)에 기어 박스(108)를 통해 연결된 4개의 발전기(100, 102, 104, 106)를 구비한 터어빈을 수용한다. 상기 주 샤프트는 풍력에 의해 회전하는 3개의 로터 블

레이드(118, 120, 122)를 전통적으로 구비한 로터 허브(hub)(116)에 연결된다. 상기 로터 블레이드는 주 샤프트를 회전시키고, 주 샤프트는 기어 박스(108) 내의 기어를 움직인다. 상기 기어는 풍력으로부터 전기를 생산하는 발전기를 회전시킨다.

상기 너셀 서비스 크레인은 구부러진 아이-빔 형상의 고정형 전방프레임(I-beam shaped stationary forward frame)(124)을 포함하며, 상기 고정형 전방 프레임은 주 베어링(112)과 선형 아이-빔 레일 형상의 가동 크레인빔(128)에 부착되며, 상기 레일 형상의 크레인 빔은 그 원위 단부가 4개의 롤러(134, 136 및 '134, 136'으로 표시된 롤러들의 반대편에 있는 두 롤러들)에 의해 고정형 전방 프레임(124) 위에 놓인다. 상기 롤러 중 한 개 이상의 롤러가, 작동시 주 빔을 측방으로 이동시키는 서보 모터와 같은 측방 이동 주 빔 작동기(lateral motion main beam actuator)에 연결된다. 선택적으로, 케이블 및 풀리 측방 이동 작동기가 측방 이동에 사용될 수있다.

상기 레일 형상의 크레인 빔(128)의 근위 단부(142)는 힌지(144)를 통하여 너셀 욕조부(114)의 바닥에 장착된 고정형 후미 프레임(aft frame)(146)에 부착된다. 상기 레일 형상의 크레인 빔은 그 원위 단부가 놓인 전방 프레임의 길이에 의해 설정된 외부 제한(150, 152) 이내에서 힌지 축(148)을 중심으로 회전할 수 있다.

상기 크레인-레일 아이-빔의 하부(154)는 트롤리(156)가 이동하는 오버헤드 모노레일(overhead mono-rail)로서 작동한다. 상기 트롤리는 크레인 레일 아이-빔을 가로질러 장착된 4개의 바퀴(158, 160 및 '158, 160'으로 표시된 바퀴들의 반대편에 있는 두 바퀴들)에 의해 오버헤드 크레인 레일에 매달려 있다. 상기 롤러 중 한 개 이상의 롤러가, 작동시 트롤리를 크레인 레일을 따라서 세로 방향으로 이동시키는 서보 모터와 같은 세로 이동 트롤리 작동기에 연결된다. 선택적으로, 케이블 및 풀리 세로 이동 작동기가 세로 이동에 사용될 수 있다.

상기 트롤리는 케이블과 윈치(winch)(도시되지 않음)에 의해 올려지고 내려질 수 있는 후크(166)를 구비한다.

상기 후크는 너셀 외부에 있는 크레인 레일의 근위 단부로 수송하기 위해 발전기들 중 하나의 발전기와 같은 부품에 부착될 수 있다. 상기 크레인 레일이 피봇 점(148) 주위로 이동 가능하기 때문에, 크레인 레일을 측방으로 이동시킴으로써 어느 하나의 발전기라도 후크에 의한 억세스가 가능하다. 페어링(fairing)(170)이 크레인 레일의 근위 단부(142)에 장착된다. 상기 페어링은 요 운동을 발생시킬 수 있는 항력을 줄일 수 있도록 그 형상이 정해진다.

상기 윈치 장치는 크레인 레일을 고정형 전방 프레임(124) 위에서 전후로 이동시키기 위해 크레인 레일 작동기를 작동시키고 트롤리를 레일 형상의 크레인 빔(128)을 따라서 전후로 이동시키기 위해 트롤리 작동기를 작동시키는 추가적 능력을 구비한 상태로 페어링 내에 수용된다. 상기 트롤리는 후미 프레임(146)을 지나 너셀 외부로 그리고 또한 너셀 외부에 있는 페어링(170)의 내부로 자유롭게 이동 가능하다. 부품이 부착된 후크(166)는 일단 너셀의 외부까지 이동하면 부품 수리를 위해 케이블에 의해 지면으로 내려질 수 있다.

너셀에는 트롤리가 너셀 후부를 빠져나갈 수 있도록 페어링 내의 장치에 의해 작동되는 여닫이 문 또는 롤업(roll-up) 문(171)이 장착된다. 에프에이에이 포드(FAA pod)(172)는 억세스를 허용하기 위해 가동 암(174) 위에서 전방으로 선회한다. 크레인은 구조 프레임, 구부러진 아이-빔 형상의 고정형 전방 프레임(124), 너셀 욕조부(114)에 장착된 고정형 후미 프레임(146)을 지지하며, 너셀 터어빈 하우징의 측부 및 상부의 구조적 지지부로서 작용한다.

너셀의 측부와 상부는 도 4에 도시되지 않았다. 크레인 구조물은 부품이 지면으로 내려가는 후문(171)을 통하여 너셀 외부로 부품이 수평으로 전달되도록 한다. 종래 설계에 의하면 너셀 상부의 제거가 필요하며, 부품 추출은 수직으로 수행 된다. 주 크레인 빔(128)의 측방 이동과 빔을 따르는 크레인 트롤리(156)의 이동으로 인해 모든 터어빈 부품의 억세스가 가능하다. 서비스 크레인은 풍력 터어빈 구조물의 구성요소이기 때문에 언제나 수리 및 부품 교체 작업이 가능하다. 기존 구조물을 사용함으로써 리프팅(lifting) 크레인은 비용면에서 효율적이고, 신뢰할 수 있고, 필요한 작업 부하에 맞추어질 수 있다. 이는 풍력 터어빈의 관리 및 수리 비용을 낮추어 청정 에너지 비용을 낮추는데 기여한다.

비록 본 발명이 특히 바람직한 실시예에 관해 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 형식 및 내용에 있어서 앞서 언급한 그리고 그 밖에 다른 변경이 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 이루어질 수 있음이 당해 기술 분야의 기술을 가진 자에 의해 이해될 것이다.

도 1은 타워 상부에 위치된 너셀까지 터어빈 부품을 올리기 위해 너셀 내에 설치된 크레인의 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 너셀의 정면도이다.

도 3은 도 1에 도시된 너셀의 포트 측면도(port side view)이다.

도 4는 너셀 내에 크레인을 구비한 너셀 베드(bed)를 도시한 사시도이다

Claims (1)

1. 트롤리(156) 안내용 트랙(154)을 구비한 가동 주 크레인 빔(128)과,피봇점(148)의 힌지(144)를 포함한 제1 프레임(146)으로서 상기 크레인 빔(128)의 일부가 피봇점(148)을 지나서 연장되도록 크레인 빔(128)이 힌지(144)에 연결된 제1 프레임(146)과, 고정형 전방 프레임(124)에 있어서 상기 크레인 빔(128)이 고정형 전방 프레임(124)을 따라서 측방으로 이동할 수 있도록 크레인 빔(128)의 원위 단부에 연결된 고정형 전방 프레임(124)을 포함한 풍력 터어빈용 서비스 크레인에 있어서,

   상기 트랙(154)은 트롤리(156)가 이동할 수 있는 오버헤드 모노레일로서 설계되고, 상기 제1 프레임(146)은 너셀의 측방 구조물을 지지하며 너셀 바닥에 부착된 것을것을 특징으로 하는 풍력 터어빈용 서비스 크레인.

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