KR100934617B1 - 수직형 풍력발전기의 체결구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수직형 풍력 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수직형 풍력 발전기의 허브 및 블레이드 체결구조를 신개념으로 개선하여 구조 신뢰성이 우수하면서, 저렴하고, 블레이드가 받는 하중을 줄일 수 있는 수직형 풍력발전기의 체결 구조에 관한 것이다.
본 발명의 수직형 풍력발전기의 체결 구조는 지면에 대해 수직이며, 상하 길이방향으로 형성되는 회전축(10); 상하 길이방향으로 형성되는 블레이드(20); 지면과 수평으로 상기 회전축을 관통하여 설치되고, 양 끝단에 상기 블레이드(20)가 고정되는 적어도 하나 이상의 지지프레임(30); 상기 회전축(10)과 상기 지지프레임(30)의 체결을 위하여 상기 회전축(10)과 상기 지지프레임(30)의 결합 부위를 감싸며 설치되는 허브블록(40); 및 상기 블레이드(20)의 외주면이 끼워져 고정되도록 상기 지지프레임(30)의 양 끝단에 설치되는 암조인트부(50); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 수직형 풍력발전기의 체결구조는 성능대비 가격경쟁력이 우수하며, 제작이 용이하면서도 매우 견고하고, 체결구조가 명확하기 때문에 조립과 분해가 간단하여 점검 및 보수 작업에 매우 효과적이다.
또한, 블레이드를 흐르는 유동의 박리를 지연시켜 발전성능이 향상되고, 블레이드 체결구조에 용이하게 추가 장착되게 되는 앞전 와류 발생기(Leading Edge Vortex Generator)는 풍속의 급격한 변화에 따른 고회전 받음각 블레이드의 유동 변동 하중을 경감시킬 수 있어 이러한 블레이드 장착 각도변화에 따라 블레이드와 지지프레임에 가해지는 하중을 줄일 수 있는 효과가 있다.
수직형, 풍력발전기, 허브, 체결, 결합
Description
본 발명은 수직형 풍력 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수직형 풍력 발전기의 허브 및 블레이드 체결구조를 신개념으로 개선하여 구조 신뢰성이 우수하면서, 저렴하고, 블레이드가 받는 하중을 줄일 수 있는 수직형 풍력발전기의 체결 구조에 관한 것이다.
수직형 풍력 발전기는 설계에 따라 2m/s 이하(시동 풍속 0.8~1.5m/s)의 낮은 풍속에서도 효율적인 전력발전이 가능하다. 기본적인 수직형 풍력 발전기의 구성은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 블레이드(1), 암(arm) 형태로 형성되어 블레이드를 지지하는 블레이드 지지대(2), 허브(3)에 의해 상기 블레이드 지지대(2)와 결합되는 마스트(mast) 형태의 회전축(4)을 포함하여 이루어지는 회전 중심부와 및 베어링 연결 없이 회전 중심부와 직접연결 또는 증속을 위해 벨트나 기어박스로 연결 가능한 전기발전기(5)로 이루어진다. 상기 회전 중심부에는 유동 흐름에 허브하우 징 효과를 더하기 위해 실린더 형태로 형성되어 회전 중심부를 감싸는 형태로 구비되는 외부 덮개(6)가 추가로 구비될 수 있다. 또한, 일반적으로 상기 블레이드 지지대(2) 및 상기 회전축(4)은 금속재 또는 복합재의 재질로 형성된다.
수직형 풍력 발전기는 블레이드에 발생하는 양력에서 회전방향의 접선력 성분에 해당하는 모멘트로 회전력을 유발하게 된다. 따라서 블레이드(1)가 회전 시에는 공기력 및 관성력이 동시에 작용하고 블레이드 지지대(2)에도 다양한 응력조건 및 진동현상이 유발되게 된다. 다양한 하중을 받는 블레이드 지지대(2)와 회전축(4) 마스트(mast)를 고정하는 역할을 하는 허브(3) 체결 구조는 충분한 강도와 진동 안정성을 가져야 하며 충분한 신뢰도를 확보하여야 한다.
종래에 제시된 발명은 블레이드 지지대(2) 구조가 회전축(4) 끝단까지만 연결되어 있어 에너지가 반대방향으로 흐르지 못하고 회전축(4)으로 집중되는 문제점이 있었고, 허브(3) 체결 구조가 너무 복잡하여 제작 시 허브(3) 체결부 형상을 정확하게 가공하기 위해 시간과 비용이 많이 소비해야 하는 문제점이 있었다.
또한, 풍속이 빨라지게 되면 블레이드(1)의 회전속가 빨라지게 되는데, 블레이드(1)의 회전속도가 빨라짐에 따라 블레이드(1) 및 블레이드 지지대(2)에 가해지는 하중과 각각의 블레이드(1)에 작용되는 진동에너지도 급격히 증가되게 된다. 따라서 불안정한 하중(Unstable Force)을 상호감쇠 시키는 메커니즘(Mechanism)의 체결구조 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 암(arm) 형태로 형성되어 블레이드를 지지하는 지지프레임, 블레이드, 및 지지프레임과 회전축을 충분한 강도를 가지며 쉽게 조립이 가능한 허브구조를 갖게 되며, 블레이드 앞전에 와이어 난류 발생기(Wire Vortex Generator)를 구비하여 블레이드에 흐르는 유동의 박리를 지연 및 경감시키고, 암조인트부를 적용하여 블레이드의 회전속도에 따라 블레이드의 피치각 또는 롤각을 조절할 수 있는 수직형 풍력발전기의 체결 구조를 제공함에 있다.
본 발명의 수직형 풍력발전기의 체결 구조는 지면에 대해 수직이며, 상하 길이방향으로 형성되는 회전축(10); 상하 길이방향으로 형성되는 블레이드(20); 지면과 수평으로 상기 회전축을 관통하여 설치되고, 양 끝단에 상기 블레이드(20)가 고정되는 적어도 하나 이상의 지지프레임(30); 상기 회전축(10)과 상기 지지프레임(30)의 체결을 위하여 상기 회전축(10)과 상기 지지프레임(30)의 결합 부위를 감싸며 설치되는 허브블록(40); 및 상기 블레이드(20)의 외주면이 끼워져 고정되도록 상기 지지프레임(30)의 양 끝단에 설치되는 암조인트부(50); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지지프레임(30)은, 지면과 수평으로 상기 회전축(10)을 관통하여 설치되는 제 1지지프레임(31); 상기 제 1지지프레임(31) 상방에 제 1지지프레 임(31)과 교차하며 지면과 수평으로 상기 회전축(10)을 관통하며 설치되는 제 2지지프레임(32); 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 허브블록(40)은 상하로 상기 회전축(10)이 끼워지며 좌우로 상기 제 1지지프레임(31)이 끼워지는 하단허브(Lower Hub)(41); 상기 하단허브(41)의 상단에 결합되고, 상하로 상기 회전축(10)이 끼워지며 좌우로 상기 제 2지지프레임(32)이 끼워지는 상단허브(Upper Hub)(42); 를 포함하여 이루어지고, 상기 하단허브(41)와 상기 상단허브(42)는 상기 하단허브(41)의 상면과 상기 상단허브(42)의 하면이 맞닿아 체결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하단허브(41)는 상기 제 1지지프레임(31)에 체결되는 제 1하단허브(41a); 및 상기 제 1하단허브(41a)와 쌍을 이루어 상기 회전축(10)을 감싸며 상기 제 1지지프레임(31)에 체결되는 제 2하단허브(41b); 로 분리 형성되며, 상기 상단허브(42)는 상기 제 2지지프레임(32)에 체결되는 제 1상단허브(42a); 및 상기 제 1상단허브(42a)와 쌍을 이루어 상기 회전축(10)을 감싸며 상기 제 2지지프레임(32)에 체결되는 제 2상단허브(42b); 로 분리 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하단허브(41)와 상기 상단허브(42)는 각각에 끼워지는 상기 제 1지지프레임(31) 또는 제 2지지프레임(32)의 길이방향을 기준으로, 상기 하단허브(41)와 상기 상단허브(42) 중 어느 하나는 좌우로 분리 형성되고, 다른 하나는 상하로 분리 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상단허브(42)의 하면에는 상기 하단허브(41)의 측면에 접촉하는 결합턱(42c)이 돌출 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지지프레임(30) 과 상기 허브블록(40)의 결합면에는 완충부재(60);가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 블레이드(20)는 상단 외주면을 따라 외측으로 연장 형성되는 제 1윙렛(21)과, 하단 외주면을 따라 외측으로 연장 형성되는 제 2윙렛(22)과, 상기 블레이드(20)의 앞전(210)으로부터 전방으로 일정거리 이격되어 상하 길이 방향으로 형성되며, 일측이 상기 제 1윙렛(21)의 하면에 고정되고, 상기 암조인트부(50) 상에 형성되는 관통홀(50a)을 통해 상하로 관통되어 타측이 상기 제 2윙렛(22)의 상면에 고정되는 끈 형상의 난류와이어(70)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 암조인트부(50)는 상기 블레이드(20)의 피치각(Angle of pitch)이 변할 수 있도록 상기 지지프레임(30)과 힌지 결합되고, 상기 지지프레임(30)과 암조인트부(50)를 연결하는 각도조절부(51)를 통하여 상기 블레이드(20)의 회전속도에 따라 상기 블레이드(20)의 피치각이 조절되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 암조인트부(50)는 상기 블레이드(20)의 롤각(Angle of roll)이 변할 수 있도록 상기 지지프레임(30)과 힌지 결합되고, 상기 지지프레임(30)과 암조인트부(50)를 연결하는 각도조절부(52)를 통하여 상기 블레이드(20)의 회전속도에 따라 상기 블레이드(20)의 롤각이 조절되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 암조인트부(50)는 일측에 상기 지지프레임(30)과의 결합을 위한 고정부(53a)가 형성되고, 타측에 추가 설치되는 제 2암조인트부(500)와의 결합을 위한 연장결합부(53b)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 수직형 풍력발전기의 체결구조는 성능대비 가격경쟁력이 우수하며, 제작이 용이하면서도 매우 견고하고, 체결구조가 명확하기 때문에 조립과 분해가 간단하여 점검 및 보수 작업에 매우 효과적이다.
또한, 블레이드를 흐르는 유동의 박리를 지연시켜 발전성능이 향상되고, 블레이드 체결구조에 용이하게 추가 장착되게 되는 앞전 와류 발생기(Leading Edge Vortex Generator)는 풍속의 급격한 변화에 따른 고회전 받음각 블레이드의 유동 변동 하중을 경감시킬 수 있어 이러한 블레이드 장착 각도변화에 따라 블레이드와 지지프레임에 가해지는 하중을 줄일 수 있는 효과가 있다.
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 수직형 풍력발전기의 체결구조 사시도이고, 도 3은 본 발명의 회전축, 지지프레임 및 허브의 체결구조 부분사시도이다.
도 4a는 본 발명의 제 1지지프레임과 하단허브의 체결과정 평면도이고, 도 4b는 본 발명의 제 1지지프레임과 하단허브의 체결과정 측면도이다. 도 5a는 본 발명의 제 1지지프레임과 하단허브의 결합상태 평면도이며, 도 5b는 본 발명의 제 1지지프레임과 하단허브의 결합상태 측면도이고, 도 6은 본 발명의 제 2지지프레임 과 상단허브의 체결과정 정면도이다. 도 7a는 본 발명의 제 2지지프레임과 상단허브의 결합상태 평면도이며, 도 7b는 본 발명의 제 2지지프레임과 상단허브의 결합상태 정면도이고, 도 7c는 본 발명의 제 2지지프레임과 상단허브의 결합상태 측면도이다.
도 8a는 본 발명의 블레이드와 암조인트부의 분해사시도이고, 도 8b는 본 발명의 블레이드와 암조인트부의 결합상태 사시도이다. 도 9는 도 3의 다른 실시예의 부분사시도이고, 도 10은 본 발명의 블레이드 사시도이다.
도 11a는 본 발명의 암조인트부 평면도(블레이드 저속회전시)이고, 도 11b는 본 발명의 암조인트부 평면도(블레이드 고속회전시)이다. 도 12a는 본 발명의 제 2실시예의 암조인트부 측면도(블레이드 저속회전시)이고, 도 12b는 본 발명의 제 2실시예의 암조인트부 측면도(블레이드 고속회전시)이다. 도 13a는 본 발명의 제 3실시예의 암조인트부 평면도이며, 도 13b는 본 발명의 제 3실시예의 제 2암조인트부 평면도이고, 도 13c는 본 발명의 제 3실시예의 암조인트부 결합상태 평면도이다. 도 14는 본 발명의 블레이드 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 수직형 풍력발전기의 체결구조는 회전축(10), 블레이드(20), 지지프레임(30), 허브블록(40) 및 암조인트부(50)를 포함하여 이루어진다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 회전축(10)은 원통형상으로 지면을 향해 수 직으로 형성될 수 있다. 상기 회전축(10)은 상하 길이방향으로 형성되며, 하단이 전기발전기와 연통되어 상기 블레이드(20)에 의해 발생되는 회전력을 상기 전기발전기로 전달하는 역할을 한다. 상기 회전축(10)에는 상기 지지프레임(30)이 관통 결합될 수 있도록, 좌우 대칭으로 결합홀이 상하 등 간격으로 형성될 수 있다. 또한 상기 지지프레임(30)이 복수개 교차하여 결합되는 경우 좌우 대칭으로 형성된 결합홀의 상측 또는 하측 인접부위에 교차하여 결합홀이 추가 형성될 수 있다. 상기 결합홀은 상기 지지프레임(30)의 단면과 그 형상을 같이 한다. 상기 회전축(10)은 원통 형상으로 도시되어 있으나 상기 지지프레임(30)을 고정시킬 수 있는 구조면 어떠한 형상도 적용이 가능함은 자명하다.
도 2, 도 10 및 도 14를 참조하면, 상기 블레이드(20)는 상하 길이 방향으로 형성될 수 있다. 상기 블레이드의 형상은 도 14에 도시된 바와 같이 통상적으로 수직 풍력발전기에 적용되는 형상을 사용하기 때문에 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 블레이드(20)의 상단에는 제 1윙렛(21)이 형성될 수 있다. 상기 제 1윙렛(21)은 상기 블레이드(20)의 상단 외주면을 따라 수평방향 외측으로 연장 형성될 수 있다. 상기 제 1윙렛(21)의 하면에는 후술되는 난류와이어(70)의 고정을 위한 고정부(21a)가 형성될 수 있다. 그 위치는 후술되는 난류와이어(70)에서 상세히 설명하기로 한다. 상기 제 1윙렛(21)은 상기 블레이드(20)의 끝단에서 발생할 수 있는 와류를 방지하는 효과가 있다.
상기 블레이드(20)의 하단에는 제 2윙렛(22)이 형성될 수 있다. 상기 제 2윙렛(22)은 상기 블레이드(20)의 하단 외주면을 따라 수평방향 외측으로 연장 형성될 수 있다. 상기 제 2윙렛(22)의 상면에는 후술되는 난류와이어(70)의 고정을 위한 고정부(22a)가 형성될 수 있다. 그 위치는 후술되는 난류와이어(70)에서 상세히 설명하기로 한다. 상기 제 2윙렛(22)은 상기 제 1윙렛(21)과 마찬가지로 상기 블레이드(20)의 끝단에서 발생할 수 있는 와류를 경감시켜 유도 항력(Induced Drag)을 줄여주는 효과가 있다.
상기 블레이드(20)는 상기 지지프레임(30)에 고정되며 상기 회전축(10)에서 일정거리 이격되어 다수개가 방사형으로 구성될 수 있다. 상기 블레이드(20)는 4개가 구성되는 것으로 도시되어 있으나 2개 이상 다수개가 구성될 수 있다.
도 3 을 참조하면, 상기 지지프레임(30)은 제 1지지프레임(31)과 제 2지지프레임(32)을 포함하여 이루어진다.
상기 지지프레임(30)은 바 형상으로 이루어질 수 있다. 상기 지지프레임(30)은 바 형상으로 도시되어 있으나 도 9에 도시된 바와 같이 원통형 또는 사각기둥형 등 상기 회전축(10)과 상기 블레이드(20)를 연결하고 고정시킬 수 있는 구성이면 어떠한 형상도 가능하다.
상기 지지프레임(30)의 양끝단에는 상기 암조인트부(50)가 결합될 수 있다. 상기 지지프레임(30)과 암조인트부(50)의 결합구조는 후술되는 암조인트부(50)에서 상세히 설명하기로 한다.
상기 제 1지지프레임(31)은 지면과 수평으로 형성될 수 있다. 상기 제 1지지프레임(31)은 상기 회전축(10)을 관통하여 설치 될 수 있다. 상기 제 1지지프레임(31)은 상기 회전축(10)과 상기 블레이드(20)의 결합을 견고히 하기 위해 상기 회전축의 상하 등 간격으로 추가 형성될 수 있다.
상기 제 2지지프레임(32)은 지면과 수평으로 형성될 수 있다. 상기 제 2지지프레임(32)은 상기 회전축(10)을 관통하여 설치되되, 상기 제 1지지프레임(31)의 상단에 근접 하여 상기 제 1지지프레임(31)과 교차하여 설치될 수 있다. 본 실시예에서는 상기 제 1지지프레임(31)과 제 2지지프레임(32)의 교차각이 90도 즉 직각을 이룰 수 있다. 상기 제 2지지프레임(32)은 상기 제 1지지프레임(31)과 쌍을 이루어 상기 회전축(10)의 상하 등 간격으로 추가 형성될 수 있다. 상기 제 1지지프레임(31)과 제 2지지프레임(32)은 복합소재 또는 샌드위치패널(Sandwich Panel)로 이루어 질 수 있다.
도 3 내지 도 7을 참조하면, 상기 허브블록(40)은 하단허브(41)와 상단허브(42)로 이루어진다. 또한 상기 하단허브(41)는 제 1하단허브(41a)와 제 2하단허브(41b), 상기 상단허브(42)는 제 1상단허브(42a)와 제 2상단허브(42b)로 이루어진다.
상기 하단허브(41)는 직육면체로 이루어질 수 있다. 상기 하단허브(41)는 상하로 관통되어 상기 회전축(10)이 끼워진다. 또한 상기 하단허브(41)는 양측단이 좌우로 서로 관통되어 상기 제 1지지프레임(31)이 끼워진다. 이때, 상기 회전 축(10)과 상기 제 1지지프레임(31)이 서로 결합되어 있는 상태에서 상기 하단허브(41)가 끼워져야 되기 때문에 상기 하단허브(41)는 상기 제 1지지프레임(31)의 길이방향을 중심으로 좌우 대칭으로 분리 형성될 수 있다. 상기 제 1하단허브(41a)는 분리형성된 상기 하단허브(41)의 일측이고, 상기 제 2하단허브(41b)는 분리 형성된 상기 하단허브(41)의 타측일 수 있다.
제 1하단허브(41a)는 타측면에 상하로 반원형상의 홈이 형성되고, 좌우 길이방향으로 사각홈이 형성되어 상기 회전축(10)에 끼워짐과 동시에 상기 제 1지지프레임(31)에 끼워진다. 상기 제 1하단허브(41a)는 측면에서 상기 회전축(10)을 향해 관통된 홀을 통해 상기 회전축(10)과 나사결합하고, 끼워진 상기 제 1지지프레임(31)을 향해 상하로 관통된 홀을 통해 나사결합 될 수 있다.
제 2하단허브(41b)는 일측면에 상하로 반원형상의 홈이 형성되고, 좌우 길이방향으로 사각홈이 형성되어 상기 회전축(10)에 끼워짐과 동시에 상기 제 1지지프레임(31)에 끼워진다. 상기 제 2하단허브(41b)는 측면에서 상기 회전축(10)을 향해 관통된 홀을 통해 상기 회전축(10)과 나사 또는 볼트결합하고, 끼워진 상기 제 1지지프레임(31)을 향해 상하로 관통된 홀을 통해 나사 또는 볼트 결합될 수 있다.
상기 제 1하단허브(41a)의 타측면과 제 2하단허브(41b)의 일측면이 맞닿아 하단허브(41)를 이루게 된다.
상기 상단허브(42)는 상기 하단허브(41)의 상방에 설치될 수 있다. 즉 상기 하단허브(41)가 상기 제 1지지프레임(31)에 대응되는 구성이라 할 때, 상단허 브(42)는 상기 제 2지지프레임(32)에 대응되는 구성이라 할 수 있다. 상기 상단허브(42)는 직육면체로 이루어질 수 있다. 상기 상단허브(42)는 상하로 관통되어 상기 회전축(10)이 끼워진다. 또한 상기 상단허브(42)는 양측단이 좌우로 서로 관통되어 상기 제 2지지프레임(32)이 끼워진다.
상기 상단허브(42)는 상기 제 2지지프레임(32)의 길이방향을 중심으로 상하 대칭으로 분리 형성될 수 있다. 상기 제 1상단허브(42a)는 분리 형성된 상기 상단허브(42)의 하측이고, 상기 제 2상단허브(42b)는 분리 형성된 상기 상단허브(42)의 상측일 수 있다.
제 1상단허브(42a)는 상하로 원형의 홀이 형성되고, 상면에 상기 제 2지지프레임(32)에 대응되도록 길이 방향으로 사각홈이 형성될 수 있다. 이는 상하로 상기 회전축(10)이 끼워지고, 횡방향으로 상기 제 2지지프레임(32)이 끼워지도록 하기 위함이다. 상기 제 1상단허브(42a)는 끼워진 상기 제 2지지프레임(32)을 향해 상하로 관통된 홀을 통해 나사 또는 볼트 결합될 수 있다.
제 2상단허브(42b)는 상기 제 1상단허브(42a)의 상방에 위치하여, 하면이 제 1상단허브(42a)의 상면과 맞닿아 결합될 수 있다. 상기 제 2상단허브(42b)는 상하로 원형의 홀이 형성되고, 하면에 상기 제 2지지프레임(32)에 대응되도록 길이 방향으로 사각홈이 형성될 수 있다. 이는 상하로 상기 회전축(10)이 끼워지고, 횡방향으로 상기 제 2지지프레임(32)이 끼워지도록 하기 위함이다. 상기 제 2상단허브(42b)는 측면에서 상기 회전축(10)을 향해 관통된 홀을 통해 상기 회전축(10)과 나사 또는 볼트 결합될 수 있다.
상기 상단허브(42)의 하면은 상기 하단허브(41)와 맞닿아 설치될 수 있다. 이때 상기 상단허브(42)와 상기 하단허브(41)가 맞닿은 결합면 상에 상기 상단허브(42) 상면으로부터 상기 하단허브(41) 하면을 관통하는 관통홀이 적어도 하나이상 형성되어 나사 또는 볼트 결합됨으로써 상기 제 1상단허브(42a)와 제 2상단허브(42b)가 결합됨 과 동시에 상기 상단허브(42)와 상기 하단허브(41)의 결합을 견고히 할 수 있다. 본 실시예에서는 상단허브(42)와 하단허브(41) 결합면의 네 모서리 주변에 각각 관통홀이 형성되어 나사 또는 볼트결합 될 수 있다.
또한, 상기 상단허브(42)의 하면에는 상기 하단허브(41)의 측면과 끼움결합될 수 있도록 양측단이 돌출 형성되는 결합턱(42c)이 형성될 수 있다. 즉 상기 상단허브(42)의 하단으로 연장 형성되는 상기 결합턱(42c)을 통해 상기 하단허브(41)의 측면에 끼워져 결합되게 함으로써 상기 상단 및 하단허브(41,42)의 회전 자유도를 일치 시킬 수 있다. 이는 상기 상단허브(42)와 상기 하단허브(41)의 나사 또는 볼트결합 만으로 약해질 수 있는 결합력을 보완하기 위함이다. 또한 상기 상단 및 하단허브(41, 42)가 상하 체결되어 회전축(10)에도 체결됨으로 인해 암조인트부(50)의 리드-래그(Lead-Leg) 방향으로 하중(응력)을 분산 시킬 수 있고 상단 및 하단허브(41,42)의 사이징(Sizing)을 통하여 고유진동수를 증기시켜 원하는 수준으로 조절이 가능하다.
본 실시예에서는 상기 상단허브(42)에 결합턱(42c)이 형성되는 것으로 도시되어 있지만 반대로 상기 하단허브(41)의 상면에 결합턱(미도시)이 형성되는 것도 가능할 것이다. 바람직하게는 하단허브(41)와 상단허브(42) 중 상하로 분리 형성되는 허브에 결합턱이 형성될 수 있다.
본 실시예에서는 하단허브(41)가 상기 제 1지지프레임(31)의 길이방향을 중심으로 좌우로 분리 형성되고, 상단허브(42)가 상기 제 2지지프레임(32)의 길이방향을 중심으로 상하로 분리 형성되는 것으로 개시 및 도시되어 있으나, 하단허브(41)가 상기 제 1지지프레임(31)의 길이방향을 중심으로 상하로 분리 형성되고, 상단허브(42)가 상기 제 2지지프레임(32)의 길이방향을 중심으로 좌우로 분리 형성될 수도 있다.
즉, 상기 하단허브(41)와 상기 상단허브(42)중 결합턱이 형성되는 허브를 상하로 분리 형성시킴으로써, 상기 하단허브(41)와 상단허브(42)의 결합 및 분리를 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.
도 3을 참조하면, 상기 지지프레임(30)과 상기 허브블록(40)이 맞닿아 결합되는 결합부위에는 완충부재(60)가 추가 구비될 수 있다. 이는 상기 지지프레임에서 발생할 수 있는 진동에너지를 저감시키는 역할을 하기 위함이다. 상기 완충부재(60)는 고무 및 실리콘 재질도 사용될 수 있다. 또한 상기 완충부재(60)는 고무, 점탄성 재료, 엔지니어링 플라스틱 또는 이종 금속 재질이 사용될 수 있다. 이는 상기 블레이드(20)로부터 전달되는 진동에너지를 흡수하거나 강도를 증가시키기 위해 적용될 수 있다.
상기 암조인트부(50)를 설명하기에 앞서 본 구성의 이해를 돕기 위해 통상적으로 쓰이는 날개단면의 용어에 대해 간략하게 설명하기로 한다.
도 14를 참조하면, 상기 블레이드(20)는 앞전(Leading edge)(210)과, 상기 앞전(210)으로부터 공간을 가지며 형성되는 뒷전(Trailing edge)(220)과, 상기 앞전(210)과 뒷전(220) 사이에 형성되는 윗면(240) 및 아랫면(250)을 포함한다. 상기 앞전(210)과 뒷전(220)을 이은 직선을 코드(Chord)(230)라고 한고 그 길이를 코드길이(Chord length)라고 한다.
도 8 및 도 11을 참조하면, 상기 지지프레임(30)의 양 끝단에는 상기 블레이드(20)와의 결합 및 고정을 위한 암조인트부(50)가 형성될 수 있다.
상기 암조인트부(50)는 링 형상으로 이루어진다. 더욱 상세하게는 상기 블레이드(20)의 외주면이 끼워질 수 있도록 상기 블레이드(20)의 단면 형상과 일치하는 홀을 구비한다. 상기 암조인트부(50)의 내주면에 상기 블레이드(20)를 밀어 넣어 상기 블레이드(20)의 외주면이 끼워져 결합될 수 있다. 상기 암조인트부(50)에는 일측단에 관통되는 홀을 구비하여 상기 블레이드(20)의 끝단과 나사 또는 볼트결합 될 수 있다. 이는 상기 블레이드(20)가 상하 방향을 제외한 모든 자유도를 구속하여 지지해 주는 역할을 하고, 상기 블레이드(20)의 탈착이 수월하여 손상을 입을 블레이드(20)의 교체나 보다 큰 토크를 낼 수 있는 길이가 긴 블레이드로 교체를 쉽게 할 수 있는 효과가 있다.
상기 암조인트부(50)는 상기 블레이드(20)의 앞전(210)에서 전방으로 일정거리 이격된 부위에 상하 관통되는 관통홀(50a)이 형성될 수 있다.
상기 암조인트부(50)는 상기 지지프레임(30)의 끝단에 힌지 결합될 수 있도록 힌지결합부(50b)가 형성될 수 있다. 상기 힌지결합부(50b)는 상기 블레이드(20)를 피치방향으로 회전가능 하도록 하여 상기 블레이드(20)의 피치각이 변할 수 있게 형성될 수 있다. 상기 힌지결합부(50b)는 상기 암조인트부(50)의 타측 상면과 하면이 관통되고 이에 대응하는 상기 지지프레임(30)의 끝단 상면과 하면이 관통되어 나사 또는 볼트 결합될 수 있다. 이때 피치각은 상기 블레이드(20)의 코드(230)와 상기 지지프레임(30)의 길이방향을 이은 선이 이루는 각으로 정의한다.
상기 암조인트부(50)는 일측이 상기 지지프레임(30)의 측단에 연결되고, 타측이 상기 암조인트부(50)의 측단에 연결되는 각도조절부(51)를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 각도조절부(51)는 스프링, 공기식 댐퍼, 또는 유압식 댐퍼로 이루어질 수 있다. 상기 각도조절부(51)는 상기 블레이드(20)가 저속으로 운행할 때에는 도 11a에 도시된 바와 같이 피치각을 90도로 유지시키며, 상기 블레이드(20)가 특정 회전속도 이상이 되면 도11b에 도시된 바와 같이 피치각을 크게 하여 강제로 스톨현상을 유발 시켜 회전속도를 감소시키는 역할을 수행한다. 블레이드(20)의 고속회전을 방지함으로써 상기 블레이드(20) 및 지지프레임(30)에 가해지는 하중을 줄일 수 있는 효과가 있다. 또한 상기 블레이드(20) 및 지지프레임(30)에 가해지는 하중이 줄어들게 되면, 수직형 발전기를 경량화 할 수 있는 효과도 있다.
도 10을 참조하면, 상기 블레이드(20)의 앞전(210)에서 전방으로 일정거리 이격되어 상하 길이방향으로 난류와이어(70)가 설치될 수 있다. 상기 난류와이어(70)는 1~5mm 의 피아노선이나 이와 동 재질의 끈으로 이루어질 수 있다. 상기 난류와이어(70)는 상기 블레이드(20)의 앞전(210)에서 코드길이의 3~5% 전방에 설치될 수 있다. 상기 난류와이어(70)의 일측은 상기 제 1윙렛(21)의 고정부(21a)에 고정되고, 타측은 상기 암조인트부(50)상에 관통홀(50a)을 관통하여 상기 제 2윙렛(22)의 고정부(22a)에 고정될 수 있다. 상기 난류와이어(70)는 상기 블레이드(20)의 앞전으로 흐르는 공기 유동을 난류화 하여 상기 블레이드(20)를 흐르는 유동의 박리현상을 지연시킬 수 있기 때문에 풍력발전기의 발전성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
<표 1>
표 1을 참조하면, 상기 도표는 풍력 발전기 운용 영역에서 난류 발생용 와이 어의 유무에 따른 블레이드(검은색) 주변의 유속을 색상으로 나타낸 것이다. 색상이 빨강색에 가까울수록 유속이 빠른 것을 의미하며, 색상이 파란색에 가까울수록 유속이 느린 것을 의미한다. 1번 도표는 난류 발생용 와이어가 없는 경우로 난류 발생용 와이어가 장착된 2번 도표와 비교하면 블레이드 윗면 부근에서 하늘색 영역의 범위가 2번 도표에 비해 넓게 나타나고 2번 도표는 파란색 영역이 골고루 나타나 표면에서 압력손실이 줄어든 것을 알 수 있다. (빨간 원표시) 1번 도표의 경우보다 난류 장착용 와이어를 장착한 2번 도표의 경우가 윗면-아랫면 속도차가 더 크게 나타난다. 양력은 블레이드 윗면(240)과 아랫면(250)을 지나는 속도차에 의해 발생된다. 이는 곧 압력의 차이가 되므로 압력의 차이가 상대적으로 큰 2번 도표의 경우에서 큰 양력이 발생하는 것이다.
이는 2번 도표를 부분 확대한 4번 도표에서 블레이드 앞전에 장착된 난류 발생용 와이어가 블레이드 경계층 내부로 유체입자의 추가적인 운동에너지를 공급하여 유동의 박리(Separation)를 늦게 발생시키는 역할을 한다.
아래 표2의 좌측 그래프는 난류 장착용 와이어의 유무에 따른 받음각에 대한 양력계수 선도를 나타낸 것이다. 난류장착용 와이어가 없는 경우 받음각 25ㅀ 부근에서 양력계수는 0.6이고 장착하였을 경우 0.7이 나타나 약 15%이상 양력이 증가한 것을 알 수 있다.
우측 그래프는 항력계수를 나타낸 것인데 받음각 25ㅀ 부근에서 양력계수에 비해 항력증가가 상대적으로 낮게 나타났다.
<표 2>
도 12를 참조하면, 본 발명의 제 2실시예로 상기 지지프레임(30)의 양 끝단에는 상기 블레이드(20)와의 결합 및 가변고정을 위한 암조인트부(50)가 형성될 수 있다.
상기 암조인트부(50)는 상기 지지프레임(30)의 끝단에 힌지 결합될 수 있도록 힌지결합부(50c)가 형성될 수 있다. 상기 힌지결합부(50c)는 상기 블레이드(20)를 롤(roll)방향으로 회전가능 하도록 하여 상기 블레이드(20)의 롤각이 변할 수 있게 형성될 수 있다. 상기 힌지결합부(50c)는 상기 암조인트부(50)의 타측 양측면이 관통되고 이에 대응하는 상기 지지프레임(30)의 끝단 양측면이 관통되어 나사 또는 볼트 결합될 수 있다. 이때 롤각은 상기 블레이드(20)의 길이방향을 이은선과 상기 지지프레임(30)의 길이방향을 이은 선이 이루는 각으로 정의한다.
상기 암조인트부(50)는 일측이 상기 지지프레임(30)의 측단에 연결되고, 타 측이 상기 블레이드(20)의 아랫면(250)에 연결되는 각도조절부(52)를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 각도조절부(52)는 스프링, 공기식 댐퍼, 또는 유압식 댐퍼로 이루어질 수 있다. 상기 각도조절부(52)는 상기 블레이드(20)가 저속으로 운행할 때에는 도 12a에 도시된 바와 같이 롤각을 90도로 유지시키며, 상기 블레이드(20)가 특정 회전속도 이상이 되면 도12b에 도시된 바와 같이 롤각을 크게 하여 강제로 스톨현상을 유발 시켜 회전속도를 감소시키는 역할을 수행한다. 블레이드(20)의 고속회전을 방지함으로써 상기 블레이드(20) 및 지지프레임(30)에 가해지는 하중을 줄일 수 있는 효과가 있다. 또한 상기 블레이드(20) 및 지지프레임(30)에 가해지는 하중이 줄어들게 되면, 수직형 발전기를 경량화 할 수 있는 효과도 있다.
도 13을 참조하면 본 발명의 제 3실시예로 상기 지지프레임(30)의 양 끝단에는 상기 블레이드(20)와의 결합을 위한 암조인트부(50)가 형성될 수 있다. 도 13a에 도시된 바와 같이 상기 암조인트부(50)는 일측에 상기 지지프레임(30)과의 결합을 위한 고정부(53a)가 형성될 수 있다. 상기 암조인트부(50)의 타측에는 추가 설치되는 제 2암조인트부(500)(도 13b에 도시)와의 결합을 위한 연장결합부(53b)가 설치될 수 있다. 상기 제 2암조인트부(500)는 상기 암조인트부(50)와 그 형상을 같이한다. 다만 상기 암조인트부(50)에 형성되는 연장결합부(53b)가 생략될 수 있다. 편의상 제 2암조인트부(500)상에서 상기 암조인트부(50)의 고정부(53a)에 대응되는 구성을 제 2고정부(530)라 정의한다. 상기 고정부(53a)와 지지프레임(30)은 나사 또는 볼트 결합될 수 있다. 상기 고정부(53a)와 제 2암조인트부(500)의 제 2고정 부(530)는 나사 또는 볼트 결합될 수 있다. 또한 도 13c에 도시된 바와 같이 상기 고정부(53a)와 제 2고정부(530)사이에는 연결부재(54)가 끼워져 고정될 수 있다. 상기 연장결합부(53b)를 통해 상기 블레이드(20)의 병렬 추가 장착을 용이하게 하며, 상기 블레이드(20)를 추가 연결함으로써 보다 높은 출력을 얻을 수 있는 효과가 있다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 만족하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 종래의 수직형 풍력발전기의 체결구조 사시도
도 2는 본 발명의 수직형 풍력발전기의 체결구조 사시도
도 3은 본 발명의 회전축, 지지프레임 및 허브의 체결구조 부분사시도
도 4a는 본 발명의 제 1지지프레임과 하단허브의 체결과정 평면도
도 4b는 본 발명의 제 1지지프레임과 하단허브의 체결과정 측면도
도 5a는 본 발명의 제 1지지프레임과 하단허브의 결합상태 평면도
도 5b는 본 발명의 제 1지지프레임과 하단허브의 결합상태 측면도
도 6a는 본 발명의 제 2지지프레임과 상단허브의 체결과정 정면도
도 7a는 본 발명의 제 2지지프레임과 상단허브의 결합상태 평면도
도 7b는 본 발명의 제 2지지프레임과 상단허브의 결합상태 정면도
도 7c는 본 발명의 제 2지지프레임과 상단허브의 결합상태 측면도
도 8a는 본 발명의 블레이드와 암조인트부의 분해사시도
도 8b는 본 발명의 블레이드와 암조인트부의 결합상태 사시도
도 9는 도 3의 다른 실시예의 부분사시도
도 10은 본 발명의 블레이드 사시도
도 11a는 본 발명의 암조인트부 평면도(블레이드 저속회전시)
도 11b는 본 발명의 암조인트부 평면도(블레이드 고속회전시)
도 12a는 본 발명의 제 2실시예의 암조인트부 측면도(블레이드 저속회전시)
도 12b는 본 발명의 제 2실시예의 암조인트부 측면도(블레이드 고속회전시)
도 13a는 본 발명의 제 3실시예의 암조인트부 평면도
도 13b는 본 발명의 제 3실시예의 제 2암조인트부 평면도
도 13c는 본 발명의 제 3실시예의 암조인트부 결합상태 평면도
도 14는 본 발명의 블레이드 단면도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 회전축
20 : 블레이드 21 : 제 1윙렛
22 : 제 2윙렛
30 : 지지프레임 31 : 제 1지지프레임
32 : 제 2지지프레임
40 : 허브블록 41 : 하단허브
41a : 제 1하단허브 41b : 제 2하단허브
42 : 상단허브 42a : 제 1상단허브
42b : 제 2상단허브 42c : 결합턱
50 : 암조인트부 51, 52 : 각도조절부
60 : 완충부재
70 : 난류와이어
Claims (11)
- 지면에 대해 수직이며, 상하 길이방향으로 형성되는 회전축(10);상하 길이방향으로 형성되는 블레이드(20);지면과 수평으로 상기 회전축을 관통하여 설치되고, 양 끝단에 상기 블레이드(20)가 고정되는 적어도 하나 이상의 지지프레임(30);상기 회전축(10)과 상기 지지프레임(30)의 체결을 위하여 상기 회전축(10)과 상기 지지프레임(30)의 결합 부위를 감싸며 설치되는 허브블록(40); 및상기 블레이드(20)의 외주면이 끼워져 고정되도록 상기 지지프레임(30)의 양 끝단에 설치되는 암조인트부(50);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기의 체결구조.
- 제 1항에 있어서,상기 지지프레임(30)은,지면과 수평으로 상기 회전축(10)을 관통하여 설치되는 제 1지지프레임(31);상기 제 1지지프레임(31) 상방에 제 1지지프레임(31)과 교차하며 지면과 수평으로 상기 회전축(10)을 관통하며 설치되는 제 2지지프레임(32);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기의 체결구조.
- 제 2항에 있어서,상기 허브블록(40)은상하로 상기 회전축(10)이 끼워지며 좌우로 상기 제 1지지프레임(31)이 끼워지는 하단허브(Lower Hub)(41);상기 하단허브(41)의 상단에 결합되고, 상하로 상기 회전축(10)이 끼워지며 좌우로 상기 제 2지지프레임(32)이 끼워지는 상단허브(Upper Hub)(42);를 포함하여 이루어지고,상기 하단허브(41)와 상기 상단허브(42)는 상기 하단허브(41)의 상면과 상기 상단허브(42)의 하면이 맞닿아 체결되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기의 체결구조.
- 제 3항에 있어서,상기 하단허브(41)는 상기 제 1지지프레임(31)에 체결되는 제 1하단허브(41a); 및 상기 제 1하단허브(41a)와 쌍을 이루어 상기 회전축(10)을 감싸며 상기 제 1지지프레임(31)에 체결되는 제 2하단허브(41b); 로 분리 형성되며,상기 상단허브(42)는 상기 제 2지지프레임(32)에 체결되는 제 1상단허브(42a); 및 상기 제 1상단허브(42a)와 쌍을 이루어 상기 회전축(10)을 감싸며 상기 제 2지지프레임(32)에 체결되는 제 2상단허브(42b); 로 분리 형성되는 것을 특 징으로 하는 수직형 풍력발전기의 체결구조.
- 제 4항에 있어서,상기 하단허브(41)와 상기 상단허브(42)는 각각에 끼워지는 상기 제 1지지프레임(31) 또는 제 2지지프레임(32)의 길이방향을 기준으로, 상기 하단허브(41)와 상기 상단허브(42) 중 어느 하나는 좌우로 분리 형성되고, 다른 하나는 상하로 분리 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기의 체결구조.
- 제 5항에 있어서,상기 상단허브(42)의 하면에는 상기 하단허브(41)의 측면에 접촉하는 결합턱(42c)이 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기의 체결구조.
- 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,상기 지지프레임(30) 과 상기 허브블록(40)의 결합면에는 완충부재(60);가 구비되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기의 체결구조.
- 제 1항에 있어서,상기 블레이드(20)는 상단 외주면을 따라 외측으로 연장 형성되는 제 1윙렛(21)과, 하단 외주면을 따라 외측으로 연장 형성되는 제 2윙렛(22)과, 상기 블레이드(20)의 앞전(210)으로부터 전방으로 일정거리 이격되어 상하 길이 방향으로 형성되며, 일측이 상기 제 1윙렛(21)의 하면에 고정되고, 상기 암조인트부(50) 상에 형성되는 관통홀(50a)을 통해 상하로 관통되어 타측이 상기 제 2윙렛(22)의 상면에 고정되는 끈 형상의 난류와이어(70)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기의 체결구조.
- 제 1항에 있어서,상기 암조인트부(50)는상기 블레이드(20)의 피치각(Angle of pitch)이 변할 수 있도록 상기 지지프레임(30)과 힌지 결합되고, 상기 지지프레임(30)과 암조인트부(50)를 연결하는 각도조절부(51)를 통하여 상기 블레이드(20)의 회전속도에 따라 상기 블레이드(20)의 피치각이 조절되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기의 체결구조.
- 제 1항에 있어서,상기 암조인트부(50)는상기 블레이드(20)의 롤각(Angle of roll)이 변할 수 있도록 상기 지지프레임(30)과 힌지 결합되고, 상기 지지프레임(30)과 암조인트부(50)를 연결하는 각도조절부(52)를 통하여 상기 블레이드(20)의 회전속도에 따라 상기 블레이드(20)의 롤각이 조절되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기의 체결구조.
- 제 1항에 있어서,상기 암조인트부(50)는 일측에 상기 지지프레임(30)과의 결합을 위한 고정부(53a)가 형성되고, 타측에 추가 설치되는 제 2암조인트부(500)와의 결합을 위한 연장결합부(53b)가 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기의 체결구조.
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- 2009-09-18 KR KR1020090088655A patent/KR100934617B1/ko active IP Right Grant
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