KR101132818B1 - 풍력 발전장치를 위한 유체 토크 컨버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전장치의 블레이드의 중심축에 결합되어, 블레이드의 회전력을 발전기(35)에 연결된 기어박스(31)의 입력축(32)에 전달하기 위하여 상기 블레이드와 기어박스 사이에 설치되는 유체 토크 컨버터에 있어서, 하부가 개방된 원통형상으로서 중앙에 상기 기어박스의 입력축을 수용하기 위한 축공(13)이 형성되어 있고, 내부에는 유체가 들어있는 펌프 임펠러(10)와; 상기 펌프 임펠러의 내벽면에 일정 간격으로 내측을 향하도록 고정 결합되며, 측면이 곡면을 이루는 복수의 날개(12)와; 상기 펌프 임펠러의 하부에 설치되어 펌프 임펠러의 회전에 따라 회전하는 유체의 회전력에 의해 회전하는 터빈(30); 및 상기 펌프 임펠러와 터빈 사이에 배치되어 터빈에서 전달되는 유체 흐름의 방향을 바꾸어 펌프 임펠러에 전달하여 토크 변화율을 증대시키는 스테이터(20);를 포함하여 이루어지며, 상기 펌프 임펠러가 저속으로 회전할 때에는 상기 날개 사이의 틈새로 유체가 이동하고, 고속으로 회전할 때에는 날개가 외측으로 수평 이동하여 인접하는 날개의 일부가 겹쳐짐과 동시에 펌프 임펠러의 중앙부에 유체가 이동할 수 있는 공간이 형성됨으로써 유체의 양을 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

풍력 발전장치를 위한 유체 토크 컨버터{Torque converter for Wind power generating apparatus}

본 발명은 풍력발전장치를 위한 유체 토크 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍력발전장치의 블레이드의 중심축에 결합되어, 하부가 개방된 원통형상으로서 중앙에 상기 기어박스의 입력축을 수용하기 위한 축공이 형성되어 있고, 내부에는 유체가 들어있는 펌프 임펠러와, 상기 펌프 임펠러의 내벽면에 일정 간격으로 내측을 향하도록 고정 결합되며, 측면이 곡면을 이루는 복수의 날개와, 상기 펌프 임펠러의 하부에 설치되어 펌프 임펠러의 회전에 따라 회전하는 유체의 회전력에 의해 회전하는 터빈, 및 상기 펌프 임펠러와 터빈 사이에 배치되어 터빈에서 전달되는 유체 흐름의 방향을 바꾸어 펌프 임펠러에 전달하여 토크 변화율을 증대시키는 스테이터를 포함하여 이루어지는 풍력발전장치를 위한 유체 토크 컨버터에 관한 것이다.

일반적인 풍력 발전 시스템은 공기의 유동이 가진 운동에너지의 공기 역학적 특성을 이용하여 날개를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 발전기를 회전시켜 전기를 얻는 시스템일 일컫는다.

또한, 풍력 발전 시스템은 원자력이나 수력 및 화력에 비해 설치비용 및 설치면적이 매우 경제적이며 환경오염을 유발하지 않는 이점이 있다.

이러한 풍력 발전 시스템을 살펴보면, 바람을 받기 좋은 높이로 설치되는 구조물과, 구조물의 상부에 회전 가능하게 설치된 날개와, 상기 날개의 회전축의 회전 속도를 증가시켜 전달하는 기어박스와, 상기 기어박스에서 증속된 회전력을 전기적 에너지로 변환하는 발전기로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 풍력발전 장치는 바람에 의해 날개가 회전하면 날개의 회전력이 기어박스를 통해 증속된다. 그리고 발전기에서는 회전력에 의해 전기 에너지를 발생시키며, 이 전기 에너지는 축전장치 등에 인가되어 축전 되거나 수요자에게 직접 인가된다.

한편, 종래의 풍력발전장치는 바람의 속도를 감지하여 속도에 맞추어 날개의 각도가 변화하는 피치 컨트롤 방식과, 일정속도 이상이 감지되면 날개가 접히는 폴딩 방식이 사용되고 있으나, 이와 같은 방식은 갑작스런 정전으로 전원 공급이 이루어지지 못할 경우 날개의 제어가 불가능하므로 파손이 불가피한 문제점이 있다.

또한, 일반적인 풍력발전기는 대략 25m/s의 한계속도를 초과하게 되면 추진력이 발생하는 문제점으로 자동적으로 작동이 멈추도록 설계되어 있어 풍속의 사용범위가 좁다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 풍력 발전 시스템에 있어서 블레이드의 중심축 동력을 유체 토크 컨버터를 이용하여 중심축으로 전달하여 발전기와 주변기기를 구동하도록 구성함으로써 종래의 풍력발전기의 한계속도를 극복하여 효율성을 향상시킨 풍력발전에 사용하는 유체토크 컨버터를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 따른 풍력발전장치를 위한 유체 토크 컨버터는 풍력발전장치의 블레이드의 중심축에 결합되어, 블레이드의 회전력을 발전기에 연결된 기어박스의 회전축에 전달하기 위하여 상기 블레이드와 기어박스 사이에 설치되는 유체 토크 컨버터에 있어서, 하부가 개방된 원통형상으로서 중앙에 상기 기어박스의 입력축을 수용하기 위한 축공이 형성되어 있고, 내부에는 유체가 들어있는 펌프 임펠러와; 상기 펌프 임펠러의 내벽면에 일정 간격으로 내측을 향하도록 고정 결합되며, 측면이 곡면을 이루는 복수의 날개와; 상기 펌프 임펠러의 하부에 설치되어 펌프 임펠러의 회전에 따라 회전하는 유체의 회전력에 의해 회전하는 터빈; 및 상기 펌프 임펠러와 터빈 사이에 배치되어 터빈에서 전달되는 유체 흐름의 방향을 바꾸어 펌프 임펠러에 전달하여 토크 변화율을 증대시키는 스테이터;를 포함하여 이루어지며, 상기 펌프 임펠러가 저속으로 회전할 때에는 상기 날개 사이의 틈새로 유체가 이동하고, 고속으로 회전할 때에는 날개가 외측으로 수평 이동하여 인접하는 날개의 일부가 겹쳐짐과 동시에 펌프 임펠러의 중앙부에 유체가 이동할 수 있는 공간이 형성됨으로써 유체의 양을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 복수의 날개는 고속회전시 외측으로 수평 이동하는 과정에서 서로 겹쳐지면서 유체가 이동할 수 있는 공간을 확보할 수 있도록 상기 펌프 임펠러의 내벽에 소정의 각도로 경사지도록 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 펌프 임펠러의 축공에는 상기 펌프 임펠러가 고속으로 회전하여 유체의 흐름이 가속화되었을 때 발생하는 회전력을 효과적으로 전달하기 위한 중공축이 더 결합되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 풍력발전장치의 블레이드의 중심축 동력을 유체 토크 컨버터를 통해 전달하여 발전기와 주변기기를 구동하도록 구성함으로써 종래의 풍력발전기의 한계속도를 극복하여 효율성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력발전장치를 위한 유체 토크 컨버터의 예시도.
도 2 내지 3은 본 발명에 따른 풍력발전장치를 위한 유체 토크 컨버터의 분해사시도.
도 4 내지 5는 본 발명에 따른 풍력발전장치를 위한 유체 토크 컨버터에 복수의 날개가 결합된 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 날개의 예시도.
도 7은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 예시도.

이하, 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술적인 특징을 이해시키기에 가장 적합한 실시예들을 기초로 하여 설명될 것이며, 설명되는 실시예들에 의해 본 발명의 기술적인 특징이 제한되는 것이 아니라, 이하, 설명되는 실시예들과 같이 본 발명이 구현될 수 있다는 것을 예시하는 것이다. 따라서, 본 발명은 아래 설명된 실시예들을 통해 본 발명의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하며, 이러한 변형 실시예는 본 발명의 기술 범위 내에 속한다 할 것이다. 그리고 이하 설명되는 실시예의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 기재된 부호에 있어서, 각 실시예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.

상기와 같은 본 발명의 특징들에 대한 이해를 돕기 위하여, 이하 본 발명의 실시예와 관련된 풍력발전장치를 위한 유체 토크 컨버터에 대하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력발전장치를 위한 유체 토크 컨버터의 예시도이고, 도 2 내지 3은 본 발명에 따른 풍력발전장치를 위한 유체 토크 컨버터의 분해사시도이며, 도 4 내지 5는 본 발명에 따른 풍력발전장치를 위한 유체 토크 컨버터의 복수의 날개가 결합된 상태의 예시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 날개의 예시도이며, 도 7은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 예시도이다.

도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명에 따른 풍력발전장치를 위한 유체 토크 컨버터는 펌프 임펠러(10), 복수의 날개(12), 스테이터(20), 터빈(30)을 포함하여 이루어진다.

본 발명의 유체 토크 컨버터(100)는 동력 전달 매체로서 유체를 사용하여 토크를 전달하게 된다.

상기 펌프 임펠러(10)는 풍력발전장치의 블레이드의 중심축에 결합되어 중심축과 함께 회전한다.

또한, 상기 펌프 임펠러(10)의 중앙에는 기어박스의 입력축(32)을 수용하기 위한 축공(13)이 형성된다.

상기 터빈(30)은 펌프 임펠러(10)와 소정의 거리를 두고 펌프 임펠러(10)와 마주하도록 설치되며, 토크 컨버터(100)의 내부는 오일로 채워져 있다. 상기 터빈(30)은 기어박스의 입력축(32)과 결합되어 터빈(30)의 회전력을 입력축으로 전달한다.

상기 스테이터(20)는 펌프 임펠러(10)와 터빈(30) 사이에 위치하며, 일정한 작동 범위 내에서 펌프 임펠러(10)를 출발하여 터빈(30)에 운동 에너지를 전달하고 회수되는 유체의 방향을 전환하여 다시 펌프 임펠러(10)의 회전력을 증대시키는 작용을 한다.

상기 펌프 임펠러(10)의 내벽에는 유체의 흐름을 제어하기 위한 복수의 날개가 (12)가 결합된다.

상기 날개(12)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 펌프 임펠러의 내벽에 결합되며, 도 5에 도시된 바와 같이 펌프 임펠러가 고속으로 회전할 때에는 그 회전력에 의해 그 단부가 외측으로 수평 이동하도록 구성되는 것으로, 상기 날개(12)는 펌프 임펠러(10)가 회전할 때 외측으로 수평 이동이 용이하도록 일측이 상기 펌프 임펠러의 내벽에 힌지결합되며, 타측, 즉 단부는 펌프 임펠러(10)의 회전에 의해 수평방향으로 이동하는 과정에서 기어박스의 입력축(32)과 접촉하지 않을 정도의 길이로 형성된다.

도 6을 참조하면, 상기 날개(12)는 펌프 임펠러(10)가 고속으로 회전할 때 서로 겹쳐지도록 하고 서로 겹쳐지는 과정에서 겹쳐지는 면적을 극대화할 수 있도록 곡면의 형상으로 이루어지고 상기 펌프 임펠러의 내벽에도 일측으로 경사지도록 결합되도록 하여 펌프 임펠러(10)가 고속 회전시에 유체가 이동할 수 있는 공간을 확보하게 되므로 고속에서의 동력전달 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

상기 펌프 임펠러의 축공(13)에는 펌프 임펠러(10)가 고속으로 회전할 때 발생하는 회전력을 블레이드 측으로 전달하는 과정에서 손실을 최소화하기 위해 중공축(15)이 더 결합되며, 상기 중공축(15)은 펌프 임펠러(10)의 축공(13)에 끼움 결합되어 펌프 임펠러(10)와 함께 회전하게 된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 펌프 임펠러(10)가 저속으로 회전할 때는 날개(12)는 결합된 상태를 유지하면서 유체는 상기 날개(12)의 틈새로 이동하게 된다.

반면에, 도 5를 참조하면, 상기 펌프 임펠러(10)가 고속으로 회전하게 되면 힌지결합된 날개(12)는 회전력에 의해 동시에 같은 방향으로 이동하게 되고, 회전속도가 증가할수록 날개(12)가 겹쳐지는 면적이 증가하면서 단부가 외측으로 이동하여, 펌프 임펠러 중앙부의 공간이 넓어지게 되므로 유체가 이동할 수 있는 공간이 넓어져 그만큼 유체의 흐름이 활발해지므로 펌프 임펠러(10)의 회전력이 증가하게 된다.

이때, 상기 기어박스의 입력축(32)와 중공축(15)은 유성기어와 같이 높은 회전비율을 얻을 수 있는 장치를 결합하여 고속 회전시에 회전력을 더욱 높일 수 있다.

한편, 상기 유체 토크 컨버터(100)는 풍력발전장치의 회전속도를 증가시킬 수 있도록 풍력발전장치의 블레이드(33)의 중심축(34)과 연결하고, 상기 유체 토크 컨버터에 기어박스(31)를 연결한 다음 증속된 회전력을 전기적 에너지로 변환할 수 있도록 상기 기어박스(31)에 발전기(35)를 연결한다.

상기와 같이 이루어지는 풍력발전장치는 풍속의 변화가 심하더라도 유체 토크 컨버터(100)에 의해 토크 변화율에 원활히 대응할 수 있어 내구성이 향상되고 동력전달 효율이 증가하는 효과가 있다.

10 : 펌프 임펠러
12 : 날개
15 : 중공축
20 : 스테이터 30 : 터빈

Claims (3)

1. 풍력발전장치의 블레이드의 중심축에 결합되어, 블레이드의 회전력을 발전기(35)에 연결된 기어박스(31)의 입력축(32)에 전달하기 위하여 상기 블레이드와 기어박스 사이에 설치되는 유체 토크 컨버터에 있어서,
   하부가 개방된 원통형상으로서 중앙에 상기 기어박스의 입력축을 수용하기 위한 축공(13)이 형성되어 있고, 내부에는 유체가 들어있는 펌프 임펠러(10)와;
   상기 펌프 임펠러의 내벽면에 일정 간격으로 내측을 향하도록 고정 결합되며, 측면이 곡면을 이루는 복수의 날개(12)와;
   상기 펌프 임펠러의 하부에 설치되어 펌프 임펠러의 회전에 따라 회전하는 유체의 회전력에 의해 회전하는 터빈(30); 및
   상기 펌프 임펠러와 터빈 사이에 배치되어 터빈에서 전달되는 유체 흐름의 방향을 바꾸어 펌프 임펠러에 전달하여 토크 변화율을 증대시키는 스테이터(20);를 포함하여 이루어지며,
   상기 펌프 임펠러가 저속으로 회전할 때에는 상기 날개 사이의 틈새로 유체가 이동하고, 고속으로 회전할 때에는 날개가 외측으로 수평 이동하여 인접하는 날개의 일부가 겹쳐짐과 동시에 펌프 임펠러의 중앙부에 유체가 이동할 수 있는 공간이 형성됨으로써 유체의 양을 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치를 위한 유체 토크 컨버터.
2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 날개는 고속회전시 외측으로 수평 이동하는 과정에서 서로 겹쳐지면서 유체가 이동할 수 있는 공간을 확보할 수 있도록 상기 펌프 임펠러의 내벽에 소정의 각도로 경사지도록 결합되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치를 위한 유체 토크 컨버터.
3. 제1항에 있어서, 상기 펌프 임펠러의 축공에는 상기 펌프 임펠러가 고속으로 회전하여 유체의 흐름이 가속화되었을 때 발생하는 회전력을 효과적으로 전달하기 위한 중공축이 더 결합되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치를 위한 유체 토크 컨버터.

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