KR100816852B1 - 풍력발전기용 허브 어셈블리 - Google Patents

풍력발전기용 허브 어셈블리 Download PDF

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KR100816852B1
KR100816852B1 KR1020060132361A KR20060132361A KR100816852B1 KR 100816852 B1 KR100816852 B1 KR 100816852B1 KR 1020060132361 A KR1020060132361 A KR 1020060132361A KR 20060132361 A KR20060132361 A KR 20060132361A KR 100816852 B1 KR100816852 B1 KR 100816852B1
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KR1020060132361A
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이장호
장세명
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군산대학교산학협력단
주식회사 준마엔지니어링
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Abstract

본 발명은 복수의 회전날개를 가지는 로터를 회전축에 기계적으로 연결하기 위한 풍력발전기용 허브 어셈블리에 관한 것으로, 회전축과 결합하고, 복수의 체결면을 가지며, 각 체결면에는 복수의 체결공이 일정간격에 걸쳐 형성된 허브; 각각의 회전날개 일측 단부에 형성되고, 상기 허브의 체결면과 접촉되며, 상기 체결공과 연통되는 복수의 장공을 가진 플랜지; 및 상기 체결공과 장공을 동시에 관통하면서 상기 허브와 플랜지를 상호 결합시키는 체결부재;를 포함하며, 상기 플랜지에 형성된 장공의 형성 길이는 상기 체결부재의 직경에 비해 적어도 커서, 상기 장공과 이 장공내에 위치하는 상기 체결부재 사이의 유격 범위안에서 허브에 체결되는 상기 플랜지를 포함한 회전날개의 체결각도를 임의로 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 허브의 전체적인 크기는 줄이면서 회전날개 장착을 위한 체결면적은 최대한 확보하여 회전날개와의 충분한 체결강성 확보할 수 있으며, 바람에 노출되는 회전날개의 표면적을 최적화하기 위해 회전날개의 체결각도를 용이하게 조절할 수 있는 효과가 발현된다.
풍력발전기, 회전날개, 허브, 플랜지, 플랜지 체결각 조절

Description

풍력발전기용 허브 어셈블리{Hub assembly for wind power generation}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 허브 어셈블리의 전체적인 구성을 나타낸 사시도.
도 2은 도 1에 따른 본 발명의 분해 사시도.
도 3은 도 1에 도시된 허브의 정면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 허브와 플랜지의 결합관계를 보여주기 위한 플랜지의 정면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 허브와 플랜지의 결합관계를 보여주기 위한 플랜지의 정면도.
도 6은 본 발명에 따른 허브 어셈블리의 플랜지에 형성된 장공의 변형예를 보여주기 위한 플랜지 정면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
10...허브 12...체결면
20...플랜지 25...체결부재
28...판 스프링 30...회전날개
120...체결공 220,220-1...장공
본 발명은 풍력발전기용 허브 어셈블리에에 관한 것으로, 특히 허브의 전체적인 크기는 줄이면서 회전날개 장착을 위한 체결면적은 최대한 확보하여 회전날개와의 충분한 체결강성 확보할 수 있으며, 바람에 노출되는 회전날개의 표면적을 최적화하기 위해 회전날개의 체결각도를 용이하게 조절할 수 있는 풍력발전기용 허브 어셈블리에 관한 것이다.
일반적으로 전기를 얻기 위한 발전 형태로는, 물의 낙차를 이용한 수력발전, 연료를 태움으로 얻어지는 화력발전, 핵분열을 이용한 원자력발전 및 바람을 이용한 풍력발전 등으로 구분할 수 있으며, 계절과 지형적인 영향에 따라 적절한 발전장치를 설치하여 전력을 얻고 있다.
이중 풍력발전은 자연현상인 바람을 이용하여 전력을 얻는 장치로서, 다른 발전시설물과는 달리 설치비용이 저렴하고, 가정이나 지역단위로 개별적 발전을 하기 용이한 장점을 가지고 있다.
이와 같은 풍력발전기는 통상, 바람에 의해 회전되는 회전날개와, 상기 회전날개가 고정 설치되는 허브와, 상기 허브의 중심과 연결되고 회전날개의 회전력에 의해 전력을 생산하는 발전기와, 상기 발전기 및 회전날개를 지지하는 지지프레임으로 구성되어 있으며, 허브의 끝단에는 스피너가 설치되고, 허브의 다른 끝단에는 발전기와 연결되는 축을 지지할 수 있는 고정판이 설치되어 있다.
상기와 같이 구성된 풍력발전기는 회전날개의 개수에 따라 2-날개용 허브, 3-날개용 허브, 4-날개용 허브로 허브의 종류가 구분되어 있으나, 종래 허브의 경우 그에 고정 설치되는 회전날개와의 충분한 접촉면적을 확보하기 위해서는 허브의 전체적인 크기가 클 수 밖에 없었다. 이 경우, 바람에 노출되는 허브의 면적이 커지므로 그 만큼 바람 저항이 커져 전체적인 발전장치의 성능이 저하되는 문제가 있다.
더욱이, 종래의 풍력발전기는 지형, 풍속 변화와 같은 외부 환경에 대응하기 곤란한 문제점이 있다. 즉, 허브 상에 설치되는 회전날개의 경우 보통 용접을 통해 고정된다. 그런 관계로, 추후 허브 상의 회전날개의 배치각도를 수정할 수 없는 단점이 있다. 이 경우, 계절에 따른 풍속조건의 변화 및 출력용량의 증감에 신속하게 대응할 수 없게 되며, 이러한 대응을 위해서는 허브와 회전날개 부분을 전체 교환해야 하므로, 경제성이 떨어지고, 교환설치에 따른 비용이 증대되는 등 여러가지 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 안출한 것으로, 허브의 전체적인 크기는 줄이면서 회전날개 장착을 위한 체결면적은 최대한 확보하여 회전날개와의 충분한 체결강성 확보할 수 있으며, 바람에 노출되는 체결날개의 표면적을 최적화하기 위해 블레이드의 체결각도를 용이하게 조절할 수 있는 풍력발전기용 허브 어셈블리를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 회전날개를 가진 로터를 회전축에 기계적으로 연결하기 위한 것으로, 상기 회전축과 결합하고, 복수의 체결면을 가지며, 각 체결면에는 복수의 체결공이 일정간격에 걸쳐 형성된 허브; 각각의 회전날개 일측 단부에 형성되고, 상기 허브의 체결면과 접촉되며, 상기 체결공과 연통되는 복수의 장공을 가진 플랜지; 및 상기 체결공과 장공을 동시에 관통하면서 상기 허브와 플랜지를 상호 결합시키는 체결부재;를 포함하며, 상기 플랜지에 형성된 장공의 형성 길이는 상기 체결부재의 직경에 비해 적어도 커서, 상기 장공과 이 장공내에 위치하는 상기 체결부재 사이의 유격 범위안에서 허브에 체결되는 상기 플랜지를 포함한 회전날개의 체결각도를 임의로 조절할 수 있는 풍력발전기용 허브 어셈블리를 제공한다.
바람직하게, 상기 허브는 세개의 체결면을 가지며, 각각의 체결면은 동일한 직경을 가지는 원형으로 이루어지고, 상기 원형으로 이루어진 각 체결면은 그 폭방향 최외각 만곡점이 서로 맞닿아 상호 인접하는 두개의 체결면이 하나의 모서리를 공통으로 가질 수 있다. 이 경우, 플랜지와의 체결면적은 최대한 확보하면서 허브의 크기는 충분히 작게할 수 있어, 플랜지와의 충분한 체결력을 확보할 수 있는 동시에 바람 저항을 최소화할 수 있다.
또한, 상기 플랜지에 형성된 장공 내측에는 바람직하게 위로 볼록한 돌출면을 가진 적어도 한 개 이상의 판 스프링이 설치될 수도 있다. 이 경우, 장공과 체 결부재 사이의 유격범위 내에서 플랜지의 체결각도를 임의로 조절함에 있어, 허브 상에 각 플랜지의 체결각도를 동일하게 유지시키는 것이 보다 용이해진다.
그리고, 상기 회전축에 장착될 허브 전방에는 허브 전방에서 불어오는 바람의 저항을 최소화하기 위하여 그 끝이 뾰족한 콘 형상의 스피너를 장착함이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 허브 어셈블리의 전체적인 구성을 나타낸 사시도이며, 도 2은 도 1에 따른 본 발명의 분해 사시도이다. 그리고 도 3은 도 1에 도시된 허브의 정면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 허브와 플랜지의 결합관계를 보여주기 위한 플랜지 정면도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 허브 어셈블리는 복수의 회전날개를 가진 로터를 회전축에 기계적으로 연결하기 위한 매개 수단으로서, 회전축에 장착되는 허브(10)와, 상기 허브(10)와의 연결을 위해 각각의 회전날개(30) 일측 단부에 구비되는 플랜지(20)를 포함한다.
상기 허브(10)는 그 외면에 복수의 체결면(12)을 가지며, 각 체결면(12)에는 그 체결면 둘레를 따라 복수의 체결공(120)이 일정간격에 걸쳐 형성되어 있다. 그리고 상기 플랜지(20)는 상기 허브(10)의 체결면(12)에 상응하는 형상과 크기를 갖되, 상기 체결공(120)과 연통되는 복수의 장공(220)을 가진다. 상기 허브(10)와 플 랜지(20)는 상기 체결공(120)과 장공(220)을 동시에 관통하는 체결부재(25) 예컨대, 양 선단에 나사산이 각각 형성된 스터드 볼트와 이에 체결되는 너트를 통해 상호 연결된다.
바람직하게는, 본 발명의 실시예에 적용된 상기 허브(10)는 세개의 체결면(12)을 가진다. 각각의 체결면(12)은 동일한 직경을 가지는 원형으로 이루어지고, 상기 원형으로 이루어진 각 체결면(12)은 그 폭방향 최외각 만곡점이 서로 맞닿아 상호 인접하는 두개의 체결면이 하나의 모서리(14)를 공통으로 가진다.
따라서, 상기 허브(10)는 도 3에서와 같이 회전축에 장착되는 방향에 대하여 정면에서 봤을 때 정삼각 형상을 취한다. 이 경우에, 플랜지(20)와의 체결면적은 최대한 확보하면서 허브(10)의 크기는 충분히 작게할 수 있다. 그 결과, 플랜지(20)와의 충분한 체결력은 확보하면서 허브의 전체적인 크기는 줄어 들어 바람 저항을 최소화할 수 있다.
나아가, 본 발명의 실시예에 따르면 상기 플랜지(20)에 형성된 장공(220)의 형성 길이는 상기 체결부재(25)의 직경에 비해 크게 형성된다. 이로 인하여, 상기 장공(220)과 이 장공(220)내에 위치하는 상기 체결부재(25) 사이에는 도 4에서와 같이 소정의 유격거리(G)가 형성된다. 이때, 상기 장공(220)은 소정의 곡률 반경을 갖는 원호형으로 천공된다.
따라서, 상기 허브(10)에 플랜지(20)를 체결하는 경우, 상기 유격거리(G) 범위안에서 허브(10)에 체결되는 상기 플랜지(20)를 포함한 회전날개(30)의 체결각도를 임의로 조절할 수 있다. 즉, 지형, 풍속에 따라 최적의 풍압면적을 가지도록 바 람에 노출되는 회전날개의 표면적을 용이하게 조절할 수 있는 것이다.
미설명 부호 40은 허브 전방에서 불어오는 바람의 저항을 최소화하기 위하여 허브 전방에 장착되는 그 끝이 뾰족한 콘 형상의 스피너(spiner)이다.
상기한 본 발명의 실시예에 따르면, 허브(10)가 세개의 체결면(12)을 가지는 동시에 각각의 체결면(12)은 동일한 직경을 가지는 원형으로 이루어지고, 상기 원형으로 이루어진 각 체결면(12)은 그 폭방향 최외각 만곡점이 서로 맞닿아 상호 인접하는 두개의 체결면(12)이 하나의 모서리를 공통으로 가짐으로써 상기 허브(10)는 회전축에 장착되는 방향에 대하여 정면에서 봤을 때 정삼각 형상을 취한다. 이에 따라 플랜지(20)가 체결되는 체결면적은 최대한 확보할 수 있으면서 허브(10)의 전체적인 크기는 충분히 작게할 수 있다. 그 결과, 플랜지(20)와의 체결력을 충분히 확보할 수 있게 되는 동시에 바람 저항을 최소화할 수 있으며, 허브(10)의 전체적인 사이즈를 작게 할 수 있어서 제조단가를 낮출 수 있다.
또한, 상기한 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 플랜지(20)에 형성된 장공(220)의 형성 길이가 상기 체결부재(25)의 직경에 비해 커서, 상기 장공(220)과 이 장공(220)내에 위치하는 상기 체결부재(25) 사이에는 소정의 유격거리(G)가 형성된다. 이에 따라, 체결부재(25)를 이용해 플랜지(20)를 상기 허브(10) 상에 가체결한 상태에서 상기 유격거리(G) 범위내에서 상기 플랜지(20)를 포함한 회전날개(30)의 체결각도를 적절히 조절할 수 있다. 즉, 지형, 풍속에 따라 최적의 풍압면적을 가지도록 바람에 노출되는 회전날개의 표면적을 용이하게 조절할 수 있는 것이다.
한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 허브와 플랜지의 결합관계를 보여주기 위한 플랜지 정면도이다.
본 실시예에 따르면, 플랜지(20)의 장공(220) 내면에 판 스프링(28)이 더 설치된 점을 제외하고는 전술한 일 실시예의 구성과 동일하다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 주요 구성만을 설명하며, 전술한 일 실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호 및 명칭을 사용하며 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 플랜지(20)에 형성된 장공(220) 내면에 적어도 한 개 이상의 판 스프링(28)이 설치되어 장공(220)내 상기 체결부재(25)가 위치할 수 있는 공간을 분할한다. 이때 상기 판 스프링(28)은 위로 볼록한 돌출면(280)을 가지며, 바람직하게는 장공(220)의 장축을 따르는 상·하 내면에 두 개 한쌍이 서로 마주하는 형태로 배치된다.
상기 판 스프링(28)을 장공(220) 내면에 설치함에 있어서는, 상기 장공 내면에 슬라이딩 홈을 내거나 가이드편(도면상 미도시)을 마련하여, 상기 홈 또는 가이드편 내측에 상기 판 스프링(28)의 양 단부가 소정의 범위내에서 슬라이딩 될 수 있도록 장착함이 바람직하다. 이 경우, 상기 돌출면(280)에 소정의 압력이 가해졌을 때 상기 판 스프링(28) 양단부가 외측으로 벌어지면서 돌출면(280)의 높이가 낮아질 수 있다.
이와 같은 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 돌출면(280)을 가지는 판 스프링(28)에 의해 장공(220)내에 위치한 체결부재(25)가 탄성 구속된다. 이와 같 은 상태에서 회전날개(30)의 체결각을 조절하기 위하여 장공(220)과 체결부재(25) 사이의 유격거리(G) 내에서 플랜지(20)를 원주방향으로 돌리게 되면, 상기 체결부재(25)에 의해 장공(220)내 판 스프링(28)이 탄성 압축되고, 이에 따라 체결부재(25)는 상기 판 스프링(28)을 기준으로 장공(220)내 어느 한 영영에서 다른 영역으로 쉽게 이동될 수 있다(도 5 부분 확대도 참조). 물론, 이와 같은 체결각의 조절은 허브(10)에 결합되는 체결부재(25)를 가체결 한 상태에서 가능하다.
즉, 상기한 다른 실시예에 따르면, 상기 돌출면(280)을 가지는 판 스프링(28)에 의해 장공(220)내에 위치한 체결부재(25)가 탄성 구속됨으로써, 플랜지(20)와 허브(10) 간 체결력을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 판 스프링(28)에 의해서 장공(220)내에 체결부재(25)가 위치할 수 있는 공간이 분할된다. 이에 따라, 허브(10) 상에 체결되는 플랜지(20)의 체결각도를 조절하는 경우, 허브(10) 상에 체결되는 각각의 플랜지(20) 체결각도를 동일하게 유지시키는 것이 전술한 실시예에 비해 보다 용이해진다.
위와 같은 본 발명의 다른 실시예에서는 장공(220) 중앙에 한 쌍의 판 스프링(28)이 설치되어 장공(220)이 두개의 영역으로 분할된 것만을 도시하고 있으나, 장공(220)의 장축 폭을 좀 더 크게하여 장공(220) 내면에 한 쌍 이상의 판 스프링을 설치하면, 허브 상에 체결되는 플랜지(20), 구체적으로 플랜지(20)를 포함한 회전날개(30)의 각도를 보다 폭넓은 범위안에서 조정할 수 있음은 본 발명이 속한 당업자라면 충분히 알 수 있을 것이다.
다른 한편, 도 6은 본 발명인 허브 어셈블리 플랜지에 형성된 장공의 변형예 를 보여주기 위한 플랜지 정면도이다.
본 변형예에 따르면, 상기 플랜지(20)에 형성된 장공(220-1)은 플랜지 외측 테두리와 일정거리 이격된 플랜지(20) 안쪽에 소정의 곡률 반경을 가지면서 두개의 반원형 장공이 서로 마주하도록 배치된다.
이에 따르면, 허브(10) 상에 체결부재(25)를 매개로 플랜지(20)를 체결할 경우에 상기 체결부재와 장공 사이에는 전술한 실시예들에 비하여 보다 큰 폭의 유격거리가 확보된다. 그 결과, 회전날개(30)의 체결각을 조절하기 위하여 장공(220-1)과 체결부재(25) 사이의 상기 유격거리 내에서 플랜지(20)를 원주방향으로 회전시킬 경우 전술한 실시예에 비해 보다 폭넓은 범위안에서 회전날개를 포함한 플랜지(20)의 체결각도를 조정할 수 있다. 이때, 상기 장공(220-1)은 본 변형예에 적용된 2분할된 구조이외에도 3분할 및 4분할된 구조가 적용될 수 있다.
바람직하게는, 본 변형예에 따른 상기 장공(220-1) 내면에는 전술한 본 발명의 다른 실시예에서와 같이 적어도 한 개 이상의 판 스프링(미도시)을 설치하여 장공내에 위치하는 체결부재(25)의 고정위치를 일정간격에 걸쳐 임의로 조절할 수 있도록 구성함이 바람직하다. 이 경우, 전술한 다른 실시예에서와 같이 허브(10) 상에 체결되는 각각의 플랜지(20) 체결각도를 동일하게 유지시키는 것이 용이해지기 때문이다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이나, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명인 풍력발전기용 허브 어셈블리에 의하면, 허브의 형상적인 특징상 회전축에 설치되는 허브 전체적인 크기는 크게 줄면서 회전날개 장착을 위한 체결면적은 최대한 확보할 수 있다.
또한, 바람에 노출되는 체결날개의 표면적을 최적화하기 위해 회전날개의 체결각도를 용이하게 조절할 수 있다. 이에 따라, 지형, 풍속에 따라 최적의 풍압면적을 가지도록 바람에 노출되는 회전날개의 표면적을 용이하게 조절할 수 있는 이점이 있다.

Claims (6)

  1. 복수의 회전날개를 가진 로터를 회전축에 기계적으로 연결하기 위한 풍력 발전용 허브 어셈블리에 있어서,
    상기 회전축과 결합하고, 세개의 체결면을 가지며, 각각의 체결면은 동일한 직경을 가지는 원형으로 이루어지고, 상기 원형으로 이루어진 각 체결면은 그 폭방향 최외각 만곡점이 서로 맞닿아 상호 인접하는 두개의 체결면이 하나의 모서리를 공통으로 가지며, 각 체결면에는 복수의 체결공이 일정간격에 걸쳐 형성된 허브;
    각각의 회전날개 일측 단부에 형성되고, 상기 허브의 체결면과 접촉되며, 상기 체결공과 연통되는 복수의 장공을 가진 플랜지; 및
    상기 체결공과 장공을 동시에 관통하면서 상기 허브와 플랜지를 상호 결합시키는 체결부재;를 포함하며,
    상기 플랜지에 형성된 장공의 길이는 상기 체결부재의 직경에 비해 적어도 커서, 상기 장공과 이 장공내에 위치하는 상기 체결부재 사이의 유격 범위안에서 허브에 체결되는 상기 플랜지를 포함한 회전날개의 체결각도를 임의로 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 허브 어셈블리.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 플랜지에 형성된 장공은 플랜지 외측 테두리와 일정거리 이격된 플랜지 안쪽에 일정 곡률 반경을 가진 두개의 반원형 장공이 서로 마주하도록 배치된 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 허브 어셈블리.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 플랜지에 형성된 장공 내측에는 위로 볼록한 돌출면을 가진 적어도 한 개 이상의 판 스프링이 더 설치된 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 허브 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 체결부재는 양 단부에 나사산이 형성된 스터드 볼트와 이 스터스 볼트 일측 단부에 체결되는 너트로 구성된 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 허브 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 허브 전방에 장착되며 그 끝이 뾰족한 콘 형상의 스피너를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 풍력발전기용 허브 어셈블리.
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