KR101358231B1 - 풍력발전기용 블레이드 설치방법 및 그 방법에 적용되는 블레이드 설치용 로봇 - Google Patents

Abstract

풍력발전기용 블레이드 설치방법 및 그 방법에 적용되는 블레이드 설치용 로봇이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 설치용 로봇은, 로터(rotor)의 허브(hub)에 설치될 블레이드(blade)를 그립핑하는 블레이드 그립퍼; 로터의 축 방향 하중을 지지하는 타워(tower)에 착탈 가능하게 결합되는 로봇 프레임; 및 로봇 프레임과 블레이드 그립퍼에 연결되며, 로봇 프레임에 대하여 블레이드 그립퍼의 상대위치를 조절하는 상대위치 조절부를 포함한다.

Description

풍력발전기용 블레이드 설치방법 및 그 방법에 적용되는 블레이드 설치용 로봇{Method for installing wind turbine blade and robot using the same}

본 발명은, 풍력발전기용 블레이드 설치방법 및 그 방법에 적용되는 블레이드 설치용 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 종전처럼 인칭시스템을 사용하지 않더라도 허브에 블레이드를 용이하게 설치할 수 있는 풍력발전기용 블레이드 설치방법 및 그 방법에 적용되는 블레이드 설치용 로봇에 관한 것이다.

전기를 생산하기 위한 대표적인 발전 형태로는 화석연료를 에너지원으로 하는 화력발전 및 핵분열을 이용하는 원자력발전을 들 수 있다.

그러나 화력발전은 화석연료의 연소에 의해 발생하는 에너지를 이용함에 따른 공해유발의 문제와 함께 막대한 건설비가 요구되는 문제점이 있다.

그리고 원자력발전은 많은 양의 전기를 생산하는데 유리하지만 방사선 누출을 차단하기 위한 막대한 시설비가 요구됨은 물론 방사선 누출의 위험성 때문에 지역주민들의 강한 반발이 예상되며, 나아가 폐기물처리도 쉽지 않으며, 사소한 사고라 할지라도 심각한 환경파괴를 초래할 수 있는 위험이 항상 존재하는 등 다양한 문제점이 있다.

이에, 화력이나 원자력 발전으로 인한 공해문제로부터 자유롭고 고갈될 염려 없는 영구적인 에너지원으로서 풍력, 조력, 수력, 태양열 등과 같은 자연 에너지를 에너지원으로 활용하려는 연구들이 활발하게 진행되고 있다.

특히, 자연 에너지를 이용한 발전 가운데 청정 에너지원을 이용한다는 측면에서 풍력발전이 대안으로 부각되고 있으며, 풍력발전은 구조나 설치 등이 간단함과 동시에 운영 및 관리가 용이하고 무인화 및 자동화 운전이 가능하기 때문에 최근에 도입이 비약적으로 증가하고 있는 실정이다.

한편, 과거에는 풍력발전 구조물들이 주로 육상에서 이루어졌으나 소음과 진동 등에 의한 환경피해가 속출하고 발전용량이 대형화되고, 미관, 장소의 제약 등의 여러 가지 문제로 인하여 최근에는 해상에 풍력발전단지를 집약적으로 집단화시켜 건설하는 것이 추세이다.

풍력발전기는 바람에 의한 회전에너지로부터 전기에너지를 생산하는 장치로서, 바람에 의해 회전되는 다수의 블레이드(blade)가 연결되는 허브(hub)를 구비한 로터(rotor)와, 로터와 연결되는 나셀(nacelle)을 지지하면서 보호하는 나셀 커버(nacelle cover)와, 블레이드, 로터, 나셀 및 나셀 커버를 지지하는 타워(tower)를 포함한다.

한편, 허브에 블레이드를 설치하는 작업은, 별도의 블레이드 그립핑 장치를 이용하여 블레이드가 그립핑되도록 한 다음에 크레인을 이용하여 블레이드 그립핑 장치에 그립핑된 블레이드를 허브로 진입시키면서 진행한다.

이러한 방법으로 허브에 블레이드를 순차적으로 다수 개, 즉 3개 설치하는 경우에 대해 살펴보면 우선, 위의 방법으로 하나의 블레이드를 허브의 일측에 설치한다. 그 다음에는 두 번째 블레이드가 허브의 타측에 설치될 수 있도록 블레이드가 진입되는 방향으로 허브를 회전시킨 후에 두 번째 블레이드를 진입시켜 설치하고, 같은 방법으로 허브를 회전시켜 세 번째 블레이드까지 설치하면 블레이드의 설치 작업이 완료될 수 있다.

이때, 블레이드가 진입되는 방향으로 허브를 회전시키고자 할 때, 종래에는 다음의 방법을 사용하여 왔다.

즉 종래기술의 경우, 허브에 연동 회전되는 회전샤프트가 연결된 기어박스와, 기어박스에서 전달된 회전샤프트의 회전력에 의해 구동되는 발전기를 연결하는 고속 회전샤프트 상에 인칭시스템의 인칭기어를 연결한 후, 인칭기어를 강제로 회전시키는 방법으로 허브를 역 방향으로 회전시켰다. 여기서, 인칭기어는 회전샤프트를 강제로 회전시키기 위한 장비로서, 별도로 마련된 구동모터에 의해 회전될 수 있도록 회전샤프트 상에 장착된 기어를 가리킨다.

그런데, 로터에 블레이드가 한 개 또는 두 개가 설치된 상황에서 종전처럼 인칭시스템의 인칭기어를 사용하여 고속 회전샤프트를 강제로 회전시키는 경우, 로터 회전축의 편심 하중으로 인해 매우 큰 토크(torque)가 걸리게 되어 기어박스 내부의 기어 및 샤프트 등의 부품이 파손 또는 영구변형이 될 수 있으며, 이는 블레이드 설치 이후의 풍력발전기 발전 성능에도 영구적인 영향을 미치게 되는 등의 문제점이 발생될 수 있다.

대한민국특허청 출원번호 제10-2008-7030195호

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 종전처럼 인칭시스템을 사용하지 않더라도 허브에 블레이드를 용이하게 설치할 수 있는 풍력발전기용 블레이드 설치방법 및 그 방법에 적용되는 블레이드 설치용 로봇을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 블레이드(blade)를 그립핑하여 위치를 제어할 수 있는 블레이드 설치용 로봇을 착탈 가능하게 타워(tower)에 설치하는 단계; 로터(rotor)의 허브(hub) 중 제1 블레이드가 설치될 제1 블레이드 설치부의 위치를 세팅하는 제1 블레이드 설치부 위치세팅 단계; 상기 제1 블레이드를 상기 제1 블레이드 설치부에 이웃하게 배치하는 제1 블레이드 배치 단계; 상기 제1 블레이드를 상기 제1 블레이드 설치부로 진입시켜 상기 제1 블레이드 설치부에 상기 제1 블레이드를 설치하는 제1 블레이드 설치 단계; 및 상기 로터를 회전시키되 상기 블레이드 설치용 로봇으로 제1 위치에 도달된 상기 제1 블레이드를 그립핑하여 상기 허브에 마련되는 제2 블레이드 설치부의 위치를 세팅하는 제2 블레이드 설치부 위치세팅 단계를 포함하는 풍력발전기용 블레이드 설치방법이 제공될 수 있다.

상기 제2 블레이드 설치부에 설치될 제2 블레이드를 위치 세팅된 상기 제2 블레이드 설치부에 이웃하게 배치하는 제2 블레이드 배치 단계; 및 상기 제2 블레이드를 상기 제2 블레이드 설치부로 진입시켜 상기 제2 블레이드 설치부에 상기 제2 블레이드를 설치하는 제2 블레이드 설치 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 블레이드 설치용 로봇의 동작에 의해 상기 제1 블레이드의 그립핑이 해제되는 제1 블레이드 그립핑 해제 단계; 및 상기 로터를 회전시켜 상기 허브에 마련되는 제3 블레이드 설치부의 위치를 세팅하고, 상기 블레이드 설치용 로봇이 상기 제1 블레이드를 그립핑하는 제3 블레이드 설치부 위치세팅 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 제3 블레이드 설치부에 설치될 제3 블레이드를 위치 세팅된 상기 제3 블레이드 설치부에 이웃하게 배치하는 제3 블레이드 배치 단계; 및 상기 제3 블레이드를 상기 제3 블레이드 설치부로 진입시켜 상기 제3 블레이드 설치부에 상기 제3 블레이드를 설치하는 제3 블레이드 설치 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 제3 블레이드 설치 단계 이후에 상기 블레이드 설치용 로봇을 상기 타워로부터 철거하는 블레이드 설치용 로봇 철거 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 내지 제3 블레이드를 배치하고 설치할 때는 한 대의 크레인이 사용될 수 있다.

상기 제1 내지 제3 블레이드의 배치 단계에서 상기 제1 내지 제3 블레이드는 수평 방향으로 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 로터(rotor)의 허브(hub)에 설치될 블레이드(blade)를 그립핑하는 블레이드 그립퍼; 상기 로터의 축 방향 하중을 지지하는 타워(tower)에 착탈 가능하게 결합되는 로봇 프레임; 및 상기 로봇 프레임과 상기 블레이드 그립퍼에 연결되며, 상기 로봇 프레임에 대하여 상기 블레이드 그립퍼의 상대위치를 조절하는 상대위치 조절부를 포함하는 블레이드 설치용 로봇이 제공될 수 있다.

상기 상대위치 조절부는, 상기 로봇 프레임에 회전 가능하게 결합되는 턴테이블; 일단부가 상기 턴테이블에 피봇 지지되는 제1 로봇 아암; 및 양단부가 상기 제1 로봇 아암과 상기 블레이드 그립퍼에 각각 상대회전 가능하게 링크 결합되는 제2 로봇 아암을 포함할 수 있다.

상기 상대위치 조절부는, 상기 턴테이블과 상기 제1 로봇 아암에 연결되어 상기 턴테이블에 대해 상기 제1 로봇 아암을 구동시키는 제1 액추에이터; 및 상기 제1 로봇 아암과 상기 제2 로봇 아암에 연결되어 상기 제1 로봇 아암에 대해 상기 제2 로봇 아암을 구동시키는 제2 액추에이터를 더 포함할 수 있다.

상기 블레이드 그립퍼는, 상기 상대위치 조절부와 연결되는 그립핑 바디; 상기 그립핑 바디에 이동 가능하게 연결되는 다수의 그립핑 아암; 및 상기 그립핑 아암들의 단부에 마련되어 상기 블레이드의 외표면에 접촉가압되는 접촉가압부를 포함할 수 있다.

상기 블레이드에 대한 상기 블레이드 그립퍼의 그립핑 위치에 대응되는 위치에서 상기 블레이드의 내부에 배치되며, 상기 블레이드 그립퍼의 그립핑 방향에 역 방향으로 저항하면서 상기 블레이드의 변형을 저지시키는 변형저지유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 변형저지유닛은, 작업유체의 공급 또는 취출에 의해 부피 팽창 또는 부피 수축 가능한 변형저지용 튜브일 수 있다.

상기 변형저지유닛은, 상기 변형저지용 튜브의 부피 팽창 방향을 가이드하기 위해 상기 변형저지용 튜브의 적어도 어느 일측에 결합되어 해당 영역에서의 부피 팽창을 저지시키는 적어도 하나의 부피 팽창 저지벽체를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 종전처럼 인칭시스템을 사용하지 않더라도 허브에 블레이드를 용이하게 설치할 수 있다.

도 1 내지 도 10은 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드 설치방법을 단계적으로 도식화한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드 설치방법에 대한 플로차트이다.
도 12 및 도 13은 각각 도 11의 설치방법에 적용되는 블레이드 설치용 로봇의 평면 및 측면 구조도이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 블레이드 설치용 로봇의 블레이드 그립퍼에 대한 구도도이다.
도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 블레이드 설치용 로봇의 블레이드 그립퍼에서 접촉가압부 영역의 확대 구조도이다.
도 16은 도 15에 적용되는 블레이드 설치용 로봇의 제어블록도이다.
도 17은 본 발명의 제4 실시예에 따른 블레이드 설치용 로봇의 블레이드 그립퍼에 대한 구도도이다.
도 18은 제1 블레이드에 대한 변형 단면 구조도이다.
도 19는 도 18에 적용될 변형저지유닛에 대한 변형 실시예이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1 내지 도 10은 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드 설치방법을 단계적으로 도식화한 도면, 도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드 설치방법에 대한 플로차트, 그리고 도 12 및 도 13은 각각 도 11의 설치방법에 적용되는 블레이드 설치용 로봇의 평면 및 측면 구조도이다.

본 실시예는, 제1 내지 제3 블레이드(111~113, blade)를 그립핑(gripping)하는 그립핑 장치(105, 도 1 참조)와 크레인(106, crane, 도 1 참조), 그리고 블레이드 설치용 로봇(150, 도 12 및 도 13 참조)을 이용하여 도 10처럼 로터(R, rotor)의 허브(120, hub)에 제1 내지 제3 블레이드(111~113)를 설치하는 방법을 제시한다.

도 10을 참조하여 풍력발전기에 대해 알아본다. 풍력발전기는 나셀(nacelle, 미도시)에 연결되고 바람에 의해 회전되는 제1 내지 제3 블레이드(111~113)와, 제1 내지 제3 블레이드(111~113)의 회전에 따라 회전하되 제1 내지 제3 블레이드(111~113)가 연결되는 허브(120)를 구비한 로터(R, rotor)와, 타워(101)를 포함한다.

나셀은 제1 내지 제3 블레이드(111~113)의 회전운동을 전달받아 전기에너지를 생산하는 등 풍력발전기를 구동시키는데 있어 중요한 역할을 담당하는 기계부품들, 예컨대 허브(120)에 연결되는 회전샤프트(미도시), 회전샤프트가 연결되는 기어박스(미도시), 기어박스에서 전달된 회전샤프트의 회전력에 의해 구동되는 발전기(미도시) 등을 포함하는 구조체를 통틀어 일컫는다.

나셀의 외부에는 나셀 커버(130, nacelle cover)가 결합되어 나셀을 보호한다. 나셀 커버(102)는 외기에 그대로 노출되어 눈, 비 혹은 햇볕 등에 상시 노출되기 때문에 어느 정도의 강성이 보장되어야 한다. 따라서 나셀 커버(102)는 내구성이 우수한 비금속 혹은 금속 복합 재질로 제작된다.

제1 내지 제3 블레이드(111~113)는 바람에 의해 회전되어 회전운동을 발생시키는 일종의 날개이다. 허브(120)를 기준으로 방사상으로 설치되는 제1 내지 제3 블레이드(111~113)는 바람에 의해 쉽게 회전될 수 있도록 유선형의 날개 형상을 가진다. 본 실시예에 따른 풍력발전기는 바람의 특성을 최대한 활용하면서 안정성을 추구할 수 있도록 3개의 제1 내지 제3 블레이드(111~113)를 구비하나, 이에 한정되지 않으며 제1 내지 제3 블레이드(111~113)의 개수에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다.

로터(R)의 허브(120)는 다수의 제1 내지 제3 블레이드(111~113)가 연결되는 장소이다. 허브(120)는 정면에서 바라볼 때 대략 원형의 형상을 가지며, 측면에서 바라볼 때는 돔(dome)형상을 가질 수 있다. 허브(120)에는 제1 내지 제3 블레이드(111~113)가 각각 설치, 즉 나사 결합되는 제1 내지 제3 블레이드 설치부(121~123)가 마련된다. 그리고 허브(120)의 일측에는 전술한 나셀이 연결된다.

타워(101)는 상하로 길게 배치되는 축으로서, 다수의 제1 내지 제3 블레이드(111~113), 허브(120), 나셀 및 나셀 커버(102) 등의 구조물에 대한 축 방향 하중을 지지한다. 타워(101)는 내부가 빈 파이프(pipe) 형의 구조물이며, 타워(101)의 내부 빈 공간을 통해 케이블(cable) 등이 통과된다. 케이블은 송전용 파워 케이블(power cable), 통신용 케이블(cable) 등을 포함한 다양한 종류의 케이블일 수 있다.

한편, 도 10을 참조하여 설명한 풍력발전기를 축조하기 위하여 특히, 허브(120)에 제1 내지 제3 블레이드(111~113)를 설치하기 위하여 본 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드 설치방법이 적용되는 경우, 도 1 내지 도 9에 도시된 것처럼 그립핑 장치(105)와 크레인(106), 특히 크레인(106)이 한 대만 사용되어도 충분하며, 종전처럼 인칭시스템을 사용하지 않더라도 허브(120)에 제1 내지 제3 블레이드(111~113)를 용이하게 설치할 수 있는 이점이 있다.

따라서 육상 풍력발전기에 적용되기에 충분하나 특히, 해상처럼 작업 환경이 열악할 뿐만 아니라 크레인(106)의 사용에 제한이 있는 해상 풍력발전기에도 용이하게 적용될 수 있다.

도 1 내지 도 9에 도시된 그립핑 장치(105)는 제1 내지 제3 블레이드(111~113)를 그립핑하기 위한 다양한 것들이 적용될 수 있다. 특히, 본 실시예처럼 제1 내지 제3 블레이드(111~113)의 길이가 긴 경우라면 제1 내지 제3 블레이드(111~113)의 루트(root)와 팁(tip)을 각각 그립핑할 수 있는 다수의 그립핑 장치(105)를 적용하는 것이 유리할 수 있다.

크레인(106)은 그립핑 장치(105)와 연결되어 그립핑 장치(105)에 의해 그립핑된 제1 내지 제3 블레이드(111~113)를 이동시키는 역할을 한다.

도 12 및 도 13을 참조하여 블레이드 설치용 로봇(150)에 대해 먼저 알아본다. 블레이드 설치용 로봇(150)은, 제1 블레이드(111)를 그립핑하는 블레이드 그립퍼(160)와, 타워(101)에 착탈 가능하게 결합되는 로봇 프레임(170)과, 로봇 프레임(170)과 블레이드 그립퍼(160)에 연결되며, 로봇 프레임(170)에 대하여 블레이드 그립퍼(160)의 상대위치를 조절하는 상대위치 조절부(180)를 포함한다.

블레이드 그립퍼(160)는 도 3 내지 도 5, 그리고 도 7 내지 도 9에 도시된 것처럼 제1 블레이드(111)를 그립핑하는 역할을 한다. 본 실시예의 경우에는 블레이드 그립퍼(160)가 해당 위치에서 제1 블레이드(111)의 하부를 지지하는 형태로 제1 블레이드(111)를 그립핑한다.

블레이드 그립퍼(160)는 실질적으로 제1 블레이드(111)의 외표면에 접촉된 후에 가압되면서 제1 블레이드(111)를 그립핑하는 부분으로서, 제1 블레이드(111)의 외표면에 손상을 주지 않는 재질, 예컨대 고무, 실리콘, 우레탄 등의 재질로 제작될 수 있다.

또한 블레이드 그립퍼(160)는 제1 블레이드(111)의 외표면 형상에 대응되는 곡률을 가질 수 있는데, 이러한 경우 좀 더 넓은 표면적으로 제1 블레이드(111)의 외표면을 접촉 가압할 수 있기 때문에 제1 블레이드(111)가 찌그러지는 등 제1 블레이드(111)에 변형이 발생되는 것을 저지시킬 수 있다. 따라서 제1 블레이드(111)가 변형되는 것을 저지하면서도 제1 블레이드(111)를 안정적으로 그립핑할 수 있을 것이다.

로봇 프레임(170)은 타워(101)에 결합되는 부분이다. 도 10처럼 제1 내지 제3 블레이드(111~113)의 설치가 완료되면 로봇 프레임(170)을 타워(101)로부터 철거해야 하기 때문에 로봇 프레임(170)은 타워(101)에 착탈 가능하게 결합될 수 있다. 특히, 타워(101)의 링 플랜지(103, ring flange) 영역에서 착탈될 수 있다.

상대위치 조절부(180)는 로봇 프레임(170)에 대하여 블레이드 그립퍼(160)의 상대위치를 조절하는 역할을 한다. 여기서, 상대위치 조절이라 함은 도 12에 화살표로 도시한 것처럼 블레이드 그립퍼(160)의 위치를 원하는 임의 방향으로 조절하는 것을 의미한다.

상대위치 조절부(180)는, 로봇 프레임(170)에 회전 가능하게 결합되는 턴테이블(181)과, 일단부가 턴테이블(181)에 피봇 지지되는 제1 로봇 아암(182)과, 양단부가 제1 로봇 아암(182)과 블레이드 그립퍼(160)에 각각 상대회전 가능하게 링크 결합되는 제2 로봇 아암(183)을 포함한다.

뿐만 아니라 상대위치 조절부(180)는, 턴테이블(181)과 제1 로봇 아암(182)에 연결되어 턴테이블(181)에 대해 제1 로봇 아암(182)을 구동시키는 제1 액추에이터(184)와, 제1 로봇 아암(182)과 상기 제2 로봇 아암(183)에 연결되어 제1 로봇 아암(182)에 대해 제2 로봇 아암(183)을 구동시키는 제2 액추에이터(185)를 포함한다.

블레이드 그립퍼(160) 입장에서 보면, 턴테이블(181)에 의해 회전이 가능함은 물론 제1 액추에이터(184) 및 제2 액추에이터(185)의 동작에 의해 도 12에 화살표로 도시한 것처럼 원하는 임의 방향으로의 위치 조절이 가능해진다. 따라서 도 3 내지 도 5, 그리고 도 7 내지 도 9에 도시된 것처럼 블레이드 그립퍼(160)가 제1 블레이드(111)의 하부를 지지할 수 있게 된다.

이하, 도 1 내지 도 11을 참조하여 허브(120)에 제1 내지 제3 블레이드(111~113)를 설치하는 방법에 대해 설명한다.

우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 블레이드(111)가 설치될 허브(120)의 제1 블레이드 설치부(121)의 위치를 세팅한다(S11).

허브(120)가 타워(101)의 상단부에 조립되면 허브(120)의 제1 블레이드 설치부(121)가 도 1의 도면 상 우측에 수직되게 위치될 수 있을 것이므로 이 단계(S11)는 굳이 작업자가 진행하지 않아도 된다.

하지만, 경우에 따라 제1 블레이드 설치부(121)의 위치가 도 1과 다르다면 이 단계를 진행할 필요가 있다. 이러한 상태에서 그립핑 장치(105)로 제1 블레이드(111)를 그립핑한 후, 크레인(106)을 이용하여 제1 블레이드(111)를 허브(120)의 제1 블레이드 설치부(121)에 이웃하게 배치한다(S12). 이때는 도 1처럼 제1 블레이드(111)가 그립핑 장치(105) 및 크레인(106)에 의해 수평 방향으로 배치된다.

다음, 도 2처럼 크레인(106)을 통해 제1 블레이드(111)를 제1 블레이드 설치부(121)로 진입시켜 제1 블레이드 설치부(121)에 제1 블레이드(111)를 설치한다(S13). 이때는 허브(120)의 안쪽에서 나사 결합 작업을 통해 제1 블레이드(111)의 설치를 완료한다. 한편, 제1 블레이드(111)의 설치 작업 중에 블레이드 설치용 로봇(150)의 상대위치 조절부(180)의 동작으로 인해 블레이드 그립퍼(160)가 제1 위치로 미리 배치될 수 있다.

블레이드 그립퍼(160)가 제1 위치에 미리 배치되면, 도 3처럼 크레인(106)에 매달린 제1 블레이드(111)의 강제 회전을 기초로 로터(R)를 회전시키되 블레이드 설치용 로봇(150)의 블레이드 그립퍼(160)로 하여금 제1 위치에 도달된 제1 블레이드(111)를 하부에서 떠받쳐 지지하면서 그립핑하도록 한다.

이와 같은 작업이 진행되면 자연스럽게 허브(120)에 마련되는 제2 블레이드 설치부(122)의 위치가 세팅될 수 있다(S14). 즉 도 3의 도면상 좌측에 수직되게 제2 블레이드 설치부(122)가 놓여질 수 있다. 특히, 본 단계(S14)의 경우, 제1 블레이드(111)의 자중만으로 로터(R)를 회전시킬 수 있기 때문에 별도의 인칭시스템이 필요치 않다.

제2 블레이드 설치부(122)의 위치가 세팅되면, 도 4처럼 제2 블레이드(112)를 위치 세팅된 제2 블레이드 설치부(122)에 이웃하게 배치한다(S15). 물론, 이때에도 그립핑 장치(105)가 제2 블레이드(112)를 그립핑할 수 있지만 크레인(106)은 이전 단계에서 사용하던 것을 옮겨 사용하면 된다. 이는 제1 블레이드(111)를 블레이드 설치용 로봇(150)의 블레이드 그립퍼(160)가 지지하고 있기 때문이다. 제2 블레이드(112)가 위치 세팅된 제2 블레이드 설치부(122)에 이웃하게 배치될 때에도 제2 블레이드(112)는 그립핑 장치(105) 및 크레인(106)에 의해 수평 방향으로 배치된다.

제2 블레이드(112)가 제2 블레이드 설치부(122)에 이웃하게 배치되고 나면 도 5처럼 크레인(106)을 통해 제2 블레이드(112)를 제2 블레이드 설치부(122)로 진입시켜 제2 블레이드 설치부(122)에 제2 블레이드(112)를 설치한다(S16). 이때는 허브(120)의 안쪽에서 나사 결합 작업을 통해 제2 블레이드(112)의 설치를 완료한다.

제2 블레이드(112)의 설치가 완료되면, 도 6처럼 블레이드 설치용 로봇(150)의 상대위치 조절부(180)의 동작으로 인해 블레이드 그립퍼(160)에 의한 제1 블레이드(111)의 그립핑이 해제된다(S17).

다음, 제1 블레이드(111)의 그립핑이 해제되는 동작과 연동되어 크레인(106)이 제2 블레이드(112)를 당겨 제2 블레이드(112)를 강제 회전시킨다. 이처럼 제2 블레이드(112)의 강제 회전을 기초로 로터(R)를 회전시키되 블레이드 설치용 로봇(150)의 블레이드 그립퍼(160)로 하여금 제2 위치에 도달된 제1 블레이드(111)를 하부에서 떠받쳐 지지하면서 그립핑하도록 한다.

이와 같은 작업이 진행되면 자연스럽게 허브(120)에 마련되는 제3 블레이드 설치부(123)의 위치가 세팅될 수 있다(S18. 즉 도 7의 도면상 우측에 수직되게 제3 블레이드 설치부(123)가 놓여질 수 있다. 특히, 본 단계(S18)의 경우, 제2 블레이드(112)를 당기는 동작만으로 로터(R)를 회전시킬 수 있기 때문에 별도의 인칭시스템이 필요치 않다.

제3 블레이드 설치부(123)의 위치가 세팅되면, 도 8처럼 제3 블레이드(113)를 위치 세팅된 제3 블레이드 설치부(123)에 이웃하게 배치한다(S19). 물론, 이때에도 그립핑 장치(105)가 제3 블레이드(113)를 그립핑할 수 있지만 크레인(106)은 이전 단계에서 사용하던 것을 옮겨 사용하면 된다. 이는 제1 블레이드(111)를 블레이드 설치용 로봇(150)의 블레이드 그립퍼(160)가 지지하고 있기 때문이다. 제3 블레이드(113)가 위치 세팅된 제3 블레이드 설치부(123)에 이웃하게 배치될 때에도 제3 블레이드(113)는 그립핑 장치(105) 및 크레인(106)에 의해 수평 방향으로 배치된다.

제3 블레이드(113)가 제3 블레이드 설치부(123)에 이웃하게 배치되고 나면 도 9처럼 크레인(106)을 통해 제3 블레이드(113)를 제3 블레이드 설치부(123)로 진입시켜 제3 블레이드 설치부(123)에 제3 블레이드(113)를 설치한다(S20). 이때는 허브(120)의 안쪽에서 나사 결합 작업을 통해 제3 블레이드(113)의 설치를 완료한다.

도 9처럼 제3 블레이드(113)의 설치까지 완료되고 나면 도 10처럼 블레이드 설치용 로봇(150)을 타워(101)로부터 철거함으로써(S21), 제1 내지 제3 블레이드(111~113)의 설치 공정을 완료할 수 있게 된다.

이와 같은 구조와 방법대로 제1 내지 제3 블레이드(111~113)를 설치하게 되면 종전처럼 인칭시스템을 사용하지 않더라도 허브(120)에 제1 내지 제3 블레이드(111~113)를 용이하게 설치할 수 있게 된다.

도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 블레이드 설치용 로봇의 블레이드 그립퍼에 대한 구도도이다.

이 도면을 참조하면, 본 실시예에서 블레이드 그립퍼(260)는, 제2 로봇 아암(183, 도 12 및 도 13 참조)과 연결되는 그립핑 바디(261)와, 그립핑 바디(261)에 이동 가능하게 연결되는 다수의 그립핑 아암(262)과, 그립핑 아암(262)들의 단부에 마련되어 제1 블레이드(111)의 외표면에 접촉가압되는 접촉가압부(263)를 포함할 수 있다.

접촉가압부(263)는 실질적으로 제1 블레이드(111)의 외표면에 접촉된 후에 가압되면서 제1 블레이드(111)를 그립핑하는 부분으로서, 제1 블레이드(111)의 외표면에 손상을 주지 않는 재질, 예컨대 고무, 실리콘, 우레탄 등의 재질로 제작될 수 있다.

또한 접촉가압부(263)는 제1 블레이드(111)의 외표면 형상에 대응되는 곡률을 가질 수 있는데, 이러한 경우 좀 더 넓은 표면적으로 제1 블레이드(111)의 외표면을 가압할 수 있기 때문에 제1 블레이드(111)가 찌그러지는 등 제1 블레이드(111)에 변형이 발생되는 것을 저지시킬 수 있다. 따라서 제1 블레이드(111)가 변형되는 것을 저지하면서도 제1 블레이드(111)를 안정적으로 그립핑할 수 있을 것이다.

도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 블레이드 설치용 로봇의 블레이드 그립퍼에서 접촉가압부 영역의 확대 구조도이고, 도 16은 도 15에 적용되는 블레이드 설치용 로봇의 제어블록도이다.

이들 도면을 참조하면, 본 실시예의 경우, 블레이드 그립퍼(360)의 그립핑 아암(362)들의 단부에 마련되는 접촉가압부(363)는 작업유체의 압력에 의해 부피 팽창되면서 제1 블레이드(111)의 외표면에 탄성적으로 접촉가압되는 탄성 접촉가압 튜브(363)로 적용된다.

도 15처럼 탄성 접촉가압 튜브(363) 내로 작업유체가 공급되면 탄성 접촉가압 튜브(363)가 부피 팽창되는데, 이때, 탄성 접촉가압 튜브(363)의 후방에서는 그립핑 아암(362)이 탄성 접촉가압 튜브(363)를 지지하고 있기 때문에 부피 팽창되는 탄성 접촉가압 튜브(363)는 제1 블레이드(111)의 외표면 쪽으로 넓게 펴지면서 넓은 표면적으로 제1 블레이드(111)를 지지할 수 있게 된다.

이처럼 탄성 접촉가압 튜브(363)가 제1 블레이드(111)의 외표면 쪽으로 넓게 펴지면서 넓은 표면적으로 제1 블레이드(111)를 지지하게 되면 제1 블레이드(111)의 그립핑을 위한 힘이 분산되는 효과를 제공하기 때문에 제1 블레이드(111)가 변형되는 것을 저지하면서도 제1 블레이드(111)를 안정적으로 그립핑할 수 있게 되는 것이다.

한편, 도 15와 같이 탄성 접촉가압 튜브(363)가 동작되기 위해 탄성 접촉가압 튜브(363)로 유압과 같은 작업유체를 공급하게 되는데, 이를 위해 도 16처럼 작업유체 공급부(381), 작업유체 압력감지부(382) 및 컨트롤러(383)가 마련된다.

작업유체 공급부(381)는 탄성 접촉가압 튜브(363)로 작업유체를 공급하는 일종의 유압 탱크이며, 작업유체 압력감지부(382)는 탄성 접촉가압 튜브(363) 내로 공급되는 작업유체의 압력을 감지하는 역할을 한다.

그리고 컨트롤러(383)는 작업유체 압력감지부(382)의 정보에 기초하여 작업유체 공급부(381)의 동작을 컨트롤한다.

이러한 역할을 수행하는 컨트롤러(383)는, 중앙처리장치(383a, CPU), 메모리(383b, MEMORY), 서포트 회로(383c, SUPPORT CIRCUIT)를 포함할 수 있다.

중앙처리장치(383a)는 본 실시예에서 작업유체 압력감지부(382)의 정보에 기초하여 작업유체 공급부(381)의 동작을 컨트롤하기 위해서 산업적으로 적용될 수 있는 다양한 컴퓨터 프로세서들 중 하나일 수 있다. 메모리(383b, MEMORY)는 중앙처리장치(383a)와 연결된다. 메모리(383b)는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로서 로컬 또는 원격지에 설치될 수 있으며, 예를 들면 랜덤 액세스 메모리(RAM), ROM, 플로피 디스크, 하드 디스크 또는 임의의 디지털 저장 형태와 같이 쉽게 이용가능한 적어도 하나 이상의 메모리이다. 서포트 회로(383c, SUPPORT CIRCUIT)는 중앙처리장치(383a)와 결합되어 프로세서의 전형적인 동작을 지원한다. 이러한 서포트 회로(383c)는 캐시, 파워 서플라이, 클록 회로, 입/출력 회로, 서브시스템 등을 포함할 수 있다.

본 실시예에서 작업유체 압력감지부(382)의 정보에 기초하여 작업유체 공급부(381)의 동작을 컨트롤하는 일련의 프로세스 등은 메모리(383b)에 저장될 수 있다. 전형적으로는 소프트웨어 루틴이 메모리(383b)에 저장될 수 있다. 소프트웨어 루틴은 또한 다른 중앙처리장치(미도시)에 의해서 저장되거나 실행될 수 있다.

본 실시예에 따른 프로세스는 소프트웨어 루틴에 의해 실행되는 것으로 설명하였지만, 본 발명의 프로세스들 중 적어도 일부는 하드웨어에 의해 수행되는 것도 가능하다. 이처럼, 본 발명의 프로세스들은 컴퓨터 시스템 상에서 수행되는 소프트웨어로 구현되거나 또는 집적 회로와 같은 하드웨어로 구현되거나 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합에 의해서 구현될 수 있다.

도 17은 본 발명의 제4 실시예에 따른 블레이드 설치용 로봇의 블레이드 그립퍼에 대한 구도도이다.

본 실시예의 경우, 변형저지유닛(470)을 더 포함할 수 있다. 변형저지유닛(470)은 블레이드(411)에 대한 블레이드 그립퍼(460)의 그립핑 위치에 대응되는 위치에서 블레이드(411)의 내부에 배치되며, 블레이드 그립퍼(460)의 그립핑 방향에 역 방향으로 저항하면서 블레이드(411)의 변형을 저지시키는 역할을 한다.

즉 도 17처럼 블레이드 그립퍼(460)의 접촉가압부(463)가 블레이드(411)의 외측면에 접촉되어 블레이드(411)를 안쪽으로 가압하면서 블레이드(411)를 그립핑할 때, 변형저지유닛(470)이 블레이드(411)의 내부에 배치되어 바깥쪽으로 저항하게 되면 블레이드(411)의 그립핑 압력을 상쇄시킬 수 있기 때문에 블레이드(411)가 변형되는 것을 효과적으로 저지시킬 수 있다. 다시 말해, 블레이드 그립퍼(460)의 압력에 의해, 혹은 접촉가압부(463)의 강한 압력에 의해 블레이드(411)의 측벽이 안쪽으로 휘어지면서 변형되는 것을 효과적으로 저지시킬 수 있다.

본 실시예에서 이러한 역할을 담당하는 변형저지유닛(470)은 작업유체, 예컨대 유압의 공급 또는 취출에 의해 부피 팽창 또는 부피 수축 가능한 변형저지용 튜브로 적용된다. 이하, 편의를 위해, 변형저지유닛(470)을 변형저지용 튜브(470)로 설명하면서 참조부호를 동일하게 부여한다.

참고로, 블레이드(411)는 금속 재질로 제작되는 타워(102)와 달리 강성이 있으면서도 가벼워야 하기 때문에 비금속 재질로 제작되는데, 이때 블레이드(411)가 변형되지 않도록 블레이드(411) 내부에는 전단 웹(shear web, 421)이 마련된다.

이러한 구조에서 변형저지용 튜브(470)는 전단 웹(421)에 의해 구획되는 각 스페이스 모두에 마련될 수 있다. 물론, 다수의 스페이스 중에서 선택된 곳에만 변형저지용 튜브(470)가 적용되어도 무방하다.

변형저지용 튜브(470)를 설치할 때는 블레이드(411)의 내부에서 팽창이 되지 않은 일반적인 상태로 존재하나 블레이드(411)에 대한 그립핑 작업이 진행될 때에는 도 17처럼 부피 팽창되면서 블레이드(411)의 바깥쪽으로 저항함으로써 블레이드(411)의 그립핑 압력을 상쇄시켜 블레이드(411)의 변형을 저지시킬 수 있다.

도 18은 제1 블레이드에 대한 변형 단면 구조도이고, 도 19는 도 18에 적용될 변형저지유닛에 대한 변형 실시예이다.

도 18에 도시된 바와 같이, 일부의 블레이드(511)의 경우, 그 내부에 다수의 전단 웹(521,522)이 마련될 수 있으며, 다수의 전단 웹(521,522)으로 인해 블레이드(511)의 내부가 2개 이상이 스페이스(S1~S3)로 구획될 수도 있다.

이러한 경우, 변형저지유닛(570)은 각 스페이스(S1~S3)에 하나씩 개별적으로 배치될 수도 있지만 변형저지유닛(570)이 블레이드 그립퍼(460, 도 17 참조)의 압력에 의해, 혹은 접촉가압부(463, 도 17 참조)의 압력(A)에 역 방향으로 저항하면 되기 때문에 이러한 그립핑 압력(A)이 제공되는 곳에만 배치되어도 충분하다.

즉 도 18의 경우, 그립핑 압력(A)이 제공되는 제2 스페이스(S2)에만 변형저지유닛(570)이 배치되더라도 무방하다.

또한 변형저지유닛(570)이 동작될 때의 힘, 다시 말해 부피 팽창에 따른 압력은 그립핑 압력(A)에 역 방향인 도 18의 B 방향으로 작용하면 충분하며, 불필요하게 C 방향으로 압력이 가해질 필요는 없다. 실제, C 방향으로 압력이 가해질 경우, 전단 웹(521,522)들이 휘어지는 폐단이 발생될 수도 있다

이러한 점을 감안하여 본 실시예에서는 변형저지유닛(570)을 도 19와 같이 적용하고 있다. 즉 본 실시예에서 변형저지유닛(570)은, 작업유체의 공급 또는 취출에 의해 부피 팽창 또는 부피 수축 가능한 변형저지용 튜브(571)와, 변형저지용 튜브(571)의 부피 팽창 방향을 가이드하기 위해 변형저지용 튜브(571)의 적어도 어느 일측에 결합되어 해당 영역에서의 부피 팽창을 저지시키는 부피 팽창 저지벽체(572)를 포함한다.

이때, 부피 팽창 저지벽체(572)는 변형저지용 튜브(571)의 외측면에서 접촉가압부(463, 도 17 참조)의 그립핑 방향을 제외한 나머지 영역에 배치될 수 있다.

이와 같은 구조의 변형저지유닛(570)이 적용되면, 변형저지용 튜브(571) 내로 작업유체가 공급될 때, 변형저지용 튜브(571)가 도 18의 B 방향으로만 부피 팽창하면서 그립핑 압력(A)에 역 방향으로 저항하기 때문에 효율적일 수 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

101 : 타워 111~113 : 제1 내지 제3 블레이드
120 : 허브 121~123 : 제1 내지 제3 블레이드 설치부
150 : 블레이드 설치용 로봇 160 : 블레이드 그립퍼
170 : 로봇 프레임 180 : 상대위치 조절부
181 : 턴테이블 182 : 제1 로봇 아암
183 : 제2 로봇 아암 184 : 제1 액추에이터
185 : 제2 액추에이터

Claims (14)

1. 블레이드(blade)를 그립핑하여 위치를 제어할 수 있는 블레이드 설치용 로봇을 착탈 가능하게 타워(tower)에 설치하는 단계;
   로터(rotor)의 허브(hub) 중 제1 블레이드가 설치될 제1 블레이드 설치부의 위치를 세팅하는 제1 블레이드 설치부 위치세팅 단계;
   상기 제1 블레이드를 상기 제1 블레이드 설치부에 이웃하게 배치하는 제1 블레이드 배치 단계;
   상기 제1 블레이드를 상기 제1 블레이드 설치부로 진입시켜 상기 제1 블레이드 설치부에 상기 제1 블레이드를 설치하는 제1 블레이드 설치 단계; 및
   상기 로터를 회전시키되 상기 블레이드 설치용 로봇으로 제1 위치에 도달된 상기 제1 블레이드를 그립핑하여 상기 허브에 마련되는 제2 블레이드 설치부의 위치를 세팅하는 제2 블레이드 설치부 위치세팅 단계를 포함하는 풍력발전기용 블레이드 설치방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2 블레이드 설치부에 설치될 제2 블레이드를 위치 세팅된 상기 제2 블레이드 설치부에 이웃하게 배치하는 제2 블레이드 배치 단계; 및
   상기 제2 블레이드를 상기 제2 블레이드 설치부로 진입시켜 상기 제2 블레이드 설치부에 상기 제2 블레이드를 설치하는 제2 블레이드 설치 단계를 더 포함하는 풍력발전기용 블레이드 설치방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 블레이드 설치용 로봇의 동작에 의해 상기 제1 블레이드의 그립핑이 해제되는 제1 블레이드 그립핑 해제 단계; 및
   상기 로터를 회전시켜 상기 허브에 마련되는 제3 블레이드 설치부의 위치를 세팅하고, 상기 블레이드 설치용 로봇이 상기 제1 블레이드를 그립핑하는 제3 블레이드 설치부 위치세팅 단계를 더 포함하는 풍력발전기용 블레이드 설치방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제3 블레이드 설치부에 설치될 제3 블레이드를 위치 세팅된 상기 제3 블레이드 설치부에 이웃하게 배치하는 제3 블레이드 배치 단계; 및
   상기 제3 블레이드를 상기 제3 블레이드 설치부로 진입시켜 상기 제3 블레이드 설치부에 상기 제3 블레이드를 설치하는 제3 블레이드 설치 단계를 더 포함하는 풍력발전기용 블레이드 설치방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제3 블레이드 설치 단계 이후에 상기 블레이드 설치용 로봇을 상기 타워로부터 철거하는 블레이드 설치용 로봇 철거 단계를 더 포함하는 풍력발전기용 블레이드 설치방법.
6. 제4항에 있어서,
   상기 제1 내지 제3 블레이드를 배치하고 설치할 때는 한 대의 크레인이 사용되는 풍력발전기용 블레이드 설치방법.
7. 제4항에 있어서,
   상기 제1 내지 제3 블레이드의 배치 단계에서 상기 제1 내지 제3 블레이드는 수평 방향으로 배치되는 풍력발전기용 블레이드 설치방법.
8. 로터(rotor)의 허브(hub)에 설치될 블레이드(blade)를 그립핑하는 블레이드 그립퍼;
   상기 로터의 축 방향 하중을 지지하는 타워(tower)에 착탈 가능하게 결합되는 로봇 프레임; 및
   상기 로봇 프레임과 상기 블레이드 그립퍼에 연결되며, 상기 로봇 프레임에 대하여 상기 블레이드 그립퍼의 상대위치를 조절하는 상대위치 조절부를 포함하며,
   상기 상대위치 조절부는,
   상기 로봇 프레임에 회전 가능하게 결합되는 턴테이블;
   일단부가 상기 턴테이블에 피봇 지지되는 제1 로봇 아암; 및
   양단부가 상기 제1 로봇 아암과 상기 블레이드 그립퍼에 각각 상대회전 가능하게 링크 결합되는 제2 로봇 아암을 포함하는 블레이드 설치용 로봇.
9. 삭제
10. 제8항에 있어서,
    상기 상대위치 조절부는,
    상기 턴테이블과 상기 제1 로봇 아암에 연결되어 상기 턴테이블에 대해 상기 제1 로봇 아암을 구동시키는 제1 액추에이터; 및
    상기 제1 로봇 아암과 상기 제2 로봇 아암에 연결되어 상기 제1 로봇 아암에 대해 상기 제2 로봇 아암을 구동시키는 제2 액추에이터를 더 포함하는 블레이드 설치용 로봇.
11. 제8항 또는 제10항에 있어서,
    상기 블레이드 그립퍼는,
    상기 상대위치 조절부와 연결되는 그립핑 바디;
    상기 그립핑 바디에 이동 가능하게 연결되는 다수의 그립핑 아암; 및
    상기 그립핑 아암들의 단부에 마련되어 상기 블레이드의 외표면에 접촉가압되는 접촉가압부를 포함하는 블레이드 설치용 로봇.
12. 제11항에 있어서,
    상기 블레이드에 대한 상기 블레이드 그립퍼의 그립핑 위치에 대응되는 위치에서 상기 블레이드의 내부에 배치되며, 상기 블레이드 그립퍼의 그립핑 방향에 역 방향으로 저항하면서 상기 블레이드의 변형을 저지시키는 변형저지유닛을 더 포함하는 블레이드 설치용 로봇.
13. 제12항에 있어서,
    상기 변형저지유닛은, 작업유체의 공급 또는 취출에 의해 부피 팽창 또는 부피 수축 가능한 변형저지용 튜브인 블레이드 설치용 로봇.
14. 제13항에 있어서,
    상기 변형저지유닛은,
    상기 변형저지용 튜브의 부피 팽창 방향을 가이드하기 위해 상기 변형저지용 튜브의 적어도 어느 일측에 결합되어 해당 영역에서의 부피 팽창을 저지시키는 적어도 하나의 부피 팽창 저지벽체를 더 포함하는 블레이드 설치용 로봇.

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