KR101493623B1 - 가변 피치 프로펠러 - Google Patents

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KR101493623B1
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에른스트-크리슈토프 크락크하르트
크리스티안 노르베르트 뮐러
디르크 슈뢰더
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러(7) 또는 가변 피치 리펠러(53)의 경우, 피치 조정 장치(10)는 허브(9) 내에 배치되며, 수치상 제한된 개수의 상이한 블레이드 피치들만을, 바람직하게는 정확히 2개의 블레이드 피치만을 허용하는 방식으로 구성되며, 이를 위해 피치 조정 장치(10)는, 수치상 제한된 개수의 블레이드 피치 중에서 제1 블레이드 피치로부터 제2 블레이드 피치로 블레이드들(11)을 이동시키기 위한 전기 구동 장치(20)와, 수치상 제한된 개수의 상이한 블레이드 피치에 블레이드들(11)을 잠금 고정하기 위한 전기 작동식 잠금 장치(40)를 포함한다.

Description

가변 피치 프로펠러{VARIABLE-PITCH PROPELLER}
본 발명은, 가변 피치를 갖는 프로펠러 블레이드들 또는 리펠러 블레이드들이 고정된 허브와, 블레이드들의 피치를 변경하기 위한 피치 조정 장치를 포함하는 가변 피치 프로펠러 또는 가변 피치 리펠러에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 유형의 가변 피치 프로펠러를 포함하는 나셀 구동 장치(Nacelle drive)뿐 아니라, 상기 유형의 가변 피치 리펠러를 포함하는 풍력 발전 시스템에도 관련된다.
예컨대 선박과 같은 수상(floating) 또는 수중(submersible) 설비들이나 풍력 발전 시스템은 매우 가변적인 작동 조건들에 노출될 수 있다. 이처럼 매우 가변적인 작동 조건들은 예컨대 선박의 유빙 구역(ice zone) 운항 및 부동 구역(ice-free zone) 운항 시에 나타날 수 있는 상이한 추력(thrust) 및 속력 요건들일 수 있다. 유빙 구역 운항 시에는 낮은 속력(또는 전진비) 조건에서 비교적 높은 추력이 요구되고, 부동 구역 운항 시에는 높은 속력(또는 전진비) 조건에서 비교적 낮은 추력이 요구된다. 그러나 매우 가변적인 작동 조건들은 예컨대 매우 상이한 적재 상태 또는 하중 상태나 운항 프로파일(예: 선박의 경우 순찰 속도 및 순항 속도)에 의해서도 야기될 수 있다. 또 다른 예로, 범선에서 프로펠러를 항해 위치에서 추진 위치로 (무부하 방식으로) 전환하는 경우가 있다.
따라서 예컨대 유빙 구역에서 선박을 작동할 때에 일반적으로 추진을 위해 원동기의 총 출력이 소요된다. 이 경우 원동기의 출력은 회전 속도와 토크의 곱에 의해 결정된다. 유빙 구역 운항 시 얼음에 기인한 저항을 극복하기 위해 최대 출력을 공급할 수 있도록 하기 위해, 모터의 회전 속도가 최대 출력이 달성되도록 선택된다. 이는 전기 모터의 경우 일반적으로 [약계자 모드(field-weakening mode) 없이] 최대 회전 속도로 제공된다. 이는 프로펠러가 (약계자 모드 없이) 모터의 최대 회전 속도로 수중에서 낮은 전진비(advance ratio)에 맞춰 구성 및 조정됨을 의미한다. 그러므로 부동 구역 운항의 경우, 다시 말하면 개방 해역(open sea)이나 개방 호(open lake)에서 운항하는 경우, 특히 전기 모터들이 영구 여자된 조건에서는 결코 회전 속도를 상승시킬 수 없다. 그로 인해 부동 구역 운항 시에도 속력은 낮을 수밖에 없다.
DE 101 357 11 A1은 상기 문제를 해결하기 위해 쇄빙선이나 유빙 구역에서 운항하는 선박의 샤프트 시스템을 위한 파워 트레인을 개시하고 있으며, 상기 파워 트레인의 경우, 출력 측에서 프로펠러 샤프트에 작용하는 감속 기어 장치가 출력 샤프트에 연결되어 있는 내연기관이 제공되며, 추가로 내연기관의 출력 샤프트에 연결되는 전기 발전기의 로터가 제공된다. 이런 경우, 유빙 구역 운항 시, 한편으로 프로펠러 피치가 감소하고 다른 한편으로는 발전기의 전기 부하가 약화된다. 이런 조치들을 통해 모터 회전 속도가 소정의 값 아래로 감소하는 점이 방지될 수 있다.
DE 198 347 36 A1호로부터 공지된 나셀 구동 장치의 경우 부동 구역의 항해 기간중에는 프로펠러 케이싱이 나셀 구동 장치의 구동 프로펠러 둘레에 장착된다. 그리고 유빙 구역에서 항해 시에는 프로펠러 케이싱이 제거된다. 프로펠러의 전력 소모량은 케이싱 장착 모드 및 케이싱 비장착 모드 동안 일정하게 유지된다. 이를 위해 프로펠러의 블레이드 피치는 부동 구역 운항(즉, 케이싱 장착 모드) 시 확대되고, 유빙 구역 운항(즉, 케이싱 비장착 모드) 시에는 감소된다.
나셀 구동 장치에서 프로펠러 블레이드들의 피치를 조정하기 위한 피치 조정 장치는 통상적으로 (예컨대 WO 2005/021374 A1에서 개시된 것처럼) 유압식 구동 및 조절 장치를 포함한다. 그러나 상기 피치 조정 장치의 경우, 프로펠러 샤프트가 중공 샤프트로서 형성되어야 하고, 중공 샤프트의 중공 챔버 내에 배치되어 유압 조정 허브로 향하는 제어 및 구동 라인들 내로 유압유가 유입되도록 해야 한다. 그러나 이를 위해, 특히 나셀 하우징 내에 프로펠러 샤프트를 구동하기 위한 전기 구동 모터가 장착되고 2개의 프로펠러가 이용될 때, 나셀 구동 장치 내에는 공간이 존재하지 않는다. 그와 동시에 나셀 하우징 내에는 누유의 위험도 존재한다.
그러므로 본 발명의 과제는, 가변 피치 프로펠러 또는 가변 피치 리펠러에 있어서, 상기 가변 피치 프로펠러 또는 가변 피치 리펠러를 임의의 설비에 파지하는 구조 부재, 예컨대 나셀 하우징의 내부에 누유가 발생할 위험이 없이, 낮은 기술 비용 및 적은 공간 수요를 수반하며, 블레이드들의 피치의 변경을 통해 상이한 작동 조건들에 적합하게 조정될 수 있는 가변 피치 프로펠러 또는 가변 피치 리펠러를 제공하는 것이다.
상기 과제는, 특허 청구항 제1항에 따른 가변 피치 프로펠러 또는 가변 피치 리펠러에 의해 달성된다. 가변 피치 프로펠러 또는 가변 피치 리펠러의 바람직한 구현예들은 종속항 제2항 내지 제10항의 대상이다. 상기 유형의 가변 피치 프로펠러를 포함하는 나셀 구동 장치는 청구항 제11항 내지 제14항의 대상이며, 상기 유형의 가변 피치 프로펠러를 포함하는 풍력 발전 시스템은 청구항 제15항의 대상이다.
본 발명은, 대부분의 경우에, 특히 전기 추진 구동 장치 또는 발전기에서, 수치상 제한된 개수의 상이한 작동점만이, 때로는 심지어 정확히 단 2개의 작동점[예: 유빙 구역 운항을 위한 작동점과 부동 구역 운항을 위한 작동점, 대량 적재(고하중)를 위한 작동점, 또는 소량 적재(저하중)를 위한 작동점]만 프로펠러에 의해 재현되면 되므로, 블레이드들의 포괄적인 피치 조정이 불필요한 경우가 많다는 사실에 기초한다. 이러한 수치상 제한된 개수의 작동점만 충족되면, 특히 작동점들 간의 전환이 프로펠러 또는 리펠러에 부하를 주지 않고 가능한 경우에는, 블레이드들의 피치를 조정하기 위한 구조적 조치들은 간단하게 유지될 수 있다. 이런 경우 추진 상태에서의 속력은 프로펠러 샤프트를 위한 원동기, 특히 전기 모터의 회전 속도 변경에 의해서도 광범위한 범위에서 실행될 수 있다.
블레이드들을 운동시키기 위한, 특히 프로펠러에 부하를 주지 않고 블레이드들을 운동시키기 위한 전기 구동 장치와 전기 작동식 잠금 장치만을 이용함으로써, 피치 조정 장치는 비교적 소형이면서 조밀하게 형성될 수 있다. 그 외에도 잠금 장치를 이용함으로써 전기 구동 장치는 블레이드 피치를 조정하기 위해서만 활성화되면 된다. 그에 따라 전기 구동 장치의 출력과 더불어 그 크기 및 전기 에너지 수요가 상대적으로 작게 유지될 수 있다. 그로 인해 허브 내에 피치 조정 장치를 배치할 수 있음으로써 가변 피치 프로펠러 또는 가변 피치 리펠러를 파지하는 구조 부재, 예컨대 나셀 하우징의 내부에 상기 피치 조정 장치를 위한 공간은 불필요하게 된다. 심지어는, 에너지 전달 장치를 이용하여, 가변 피치 프로펠러 또는 가변 피치 리펠러를 파지하는 구조 부재(예: 나셀 하우징)의 내부 챔버로부터 허브 내의 피치 조정 장치로, 피치 조정 장치에 의해 요구되는 소량의 전기 에너지를 유도 방식으로 전달할 수도 있다.
특히 조밀하고 공간 절약적인 동시에 구조적으로 간단한 한 구현예에 따라, 전기 구동 장치는, 가변 피치 프로펠러 또는 가변 피치 리펠러의 회전축과 축이 동일한 환형 로터 및 환형 스테이터를 구비한 제1 전기 링 모터와, 로터의 회전 운동을 블레이드들의 종축을 중심으로 한 회전 운동으로 변환하기 위한 구동 메커니즘을 포함한다.
이 경우 구동 메커니즘은, 구조적으로 매우 간단한 한 구현예에 따라서, 회전축 방향으로 이동 가능한 요크를 포함한다. 이런 경우 제1 전기 링 모터는 예컨대 가동 나사를 통해 프로펠러 또는 리펠러의 회전축 방향으로 요크를 이동시킬 수 있고, 그럼으로써 [예컨대 슬라이딩 블록 또는 적합한 로드(rod)를 통해] 블레이드들의 회전 운동을 실현할 수 있다.
또한, 대체되는 방식으로 구동 메커니즘은 회전축을 중심으로 회전 가능한 요크도 포함할 수 있다. 전기 링 모터의 로터가 요크와 회전 고정 방식으로 결합된다면, 로터의 회전에 의해 요크의 회전과 그에 따른 (예컨대 슬라이딩 블록 또는 적합한 로드를 통해) 블레이드들의 회전 운동이 실현될 수 있다.
잠금 고정의 측면에서도, 잠금 장치가 회전축 방향으로 이동할 수 있는 볼트들을 포함하고 제1 링 모터의 로터가 상기 볼트들을 수용하기 위한 개구들을 포함함으로써, 매우 높은 조밀성과 동시에 간단한 구조가 가능하다.
이 경우 잠금 장치는, 구조적으로 매우 간단하면서도 공간 절약적인 한 구현예에 따라, 전기 작동을 위해 가변 피치 프로펠러 또는 가변 피치 리펠러의 회전축과 축이 동일한 환형 스테이터 및 환형 로터를 구비한 제2 전기 링 모터와, 로터의 회전 운동을 회전축 방향으로의 볼트들의 이동으로 변환하기 위한 구동 메커니즘을 포함한다.
또한, 구조적으로 매우 간단한 한 대안예에 따라서, 전기 구동 장치는, 로터 및 스테이터를 구비한 하나 이상의 전기 리니어 모터뿐 아니라, 로터의 선형 운동을 블레이드들의 종축을 중심으로 한 회전 운동으로 변환하기 위한 구동 메커니즘을 포함할 수 있다.
이런 경우 잠금 장치는, 회전축 방향으로의 이동과 관련하여 구동 메커니즘 또는 리니어 모터를 고정하기 위해 가변 피치 프로펠러 또는 가변 피치 리펠러의 회전축의 원주 방향으로 회전할 수 있는 디스크를 포함할 수 있다.
피치 조정 장치의 적은 에너지 수요로 인해, 피치 조정 장치는 바람직하게 프로펠러 또는 리펠러의 외부로부터 (예컨대 나셀 하우징과 같이 가변 피치 프로펠러를 파지하는 구조 부재의 내부 챔버로부터) 피치 조정 장치로 전기 에너지를 유도 방식으로 전달하기 위한 에너지 전달 장치를 포함한다. 에너지 전달 장치는 예컨대 가변 피치 프로펠러 또는 가변 피치 리펠러의 회전축에 대해 축이 동일한 발전기의 형태로 형성될 수 있고, 상기 발전기의 스테이터 부재는 구조 부재, 예컨대 나셀 하우징의 내부 챔버 내에 배치되어 블레이드 조정이 지속되는 동안 전력을 공급받으며, 피치 조정 장치에 전력을 공급하는 로터 부재는 허브와 함께 회전한다.
특히 낮은 전기 에너지 소모량을 달성하기 위해, 피치 조정 장치는 바람직하게, 전기 구동 장치에 의한 블레이드들의 운동이 실질적으로 무부하 상태일 경우(다시 말하면 구동 모터 또는 발전기가 출력을 공급하거나 소모하지 않는 경우) 잠금 장치가 비활성화되고, 잠금 장치에 의한 블레이드 피치의 잠금 고정 시에는 전기 구동 장치가 비활성화되는 방식으로 형성된다.
앞서 기재한 가변 피치 프로펠러는, 기본적으로, 예컨대 종래의 샤프트 시스템 및 횡방향 추력 시스템과 같은 수상 또는 수중 설비를 위한 모든 유형의 구동 시스템을 위해 사용될 수 있다. 특히 바람직한 적용은 항해 위치에서 추진 위치로 (무부하식) 변환이 이루어지는 범선에 대한 적용이다.
그러나 바람직한 이용은, 프로펠러 또는 리펠러 샤프트가 그에 설치된 가변 피치 프로펠러 또는 가변 피치 리펠러와 함께 나셀형 하우징 내에 지지되고, 그에 따라 프로펠러 블레이드들 또는 리펠러 블레이드들을 위한 유압식 피치 조정 장치의 사용이 문제가 되는 분야라면 어디에서나 이루어진다. 이는 특히 수상 설비들을 위한 나셀 구동 장치 및 풍력 발전 시스템의 나셀에서의 사례에 해당한다.
이런 경우 수상 설비를 구동하기 위한 본 발명에 따른 나셀 구동 장치는, 내부에 회전 가능하게 지지되는 프로펠러 샤프트를 구비한 수중 하우징과, 프로펠러 샤프트의 일측 단부에 배치되는 앞서 기재한 가변 피치 프로펠러를 포함한다.
특히 바람직한 한 구현예에 따라서, 나셀 구동 장치는 하우징 내에 배치되어 프로펠러 샤프트를 구동하기 위한 전기 모터를 포함한다. 이 경우 전기 모터는 바람직하게는 영구 자석 모터로서 형성된다.
이 경우 나셀 구동 장치는 프로펠러 샤프트의 타측 단부에 배치되는, 앞서 기재한 것과 같은 추가의 가변 피치 프로펠러도 포함할 수 있다. 이 경우 두 프로펠러는 동일한 방향으로, 또는 서로 반대되는 방향으로도 회전될 수 있다.
본 발명에 따른 풍력 발전 시스템은, 내부에 회전 가능하게 지지되는 리펠러 샤프트를 구비한 나셀 하우징과, 리펠러 샤프트의 일측 단부에 배치되는 앞서 기재한 가변 피치 리펠러를 포함한다.
본 발명뿐 아니라, 종속 청구항들의 특징들에 따른 본 발명의 추가의 바람직한 구현예들은 하기에서 도면들에 도시된 실시예들을 토대로 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 포함하는 나셀 구동 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1의 가변 피치 프로펠러의 피치 조정 장치를 도시한 상세도이다.
도 3은 본 발명에 따른 가변 피치 리펠러를 포함하는 풍력 발전 시스템을 도시한 개략도이다.
도 1에는 예컨대 선박이나 근해 플랫폼과 같은 수상 또는 수중 설비를 위한 구동 장치로서 이용되고, 이를 위해 축(A)을 중심으로 회전 가능하게 수상 설비의 동체(2)에 고정되는 나셀 구동 장치(1)의 부분 종단면도가 단순화된 개략도로 도시되어 있다. 상기 유형의 나셀 구동 장치는 종종 러더 프로펠러(rudder propeller), 추력기(thruster), 또는 포드 구동장치(Pod drive)라고도 지칭되며, 통상적으로 0.5 내지 30MW의 구동 출력을 보유한다.
나셀 구동 장치(1)는, 유체 역학적으로 최적화되어 구성된 나셀형 수중 하우징(3)을 포함하며, 상기 수중 하우징은 섕크(4)에 의해 수상 또는 수중 설비의 동체(2)에 회전 가능하게 배치된다. 프로펠러 샤프트(5)는 베어링(6)에 의해 회전 가능하게 하우징(3)의 내부에 지지되고 하우징(3)으로부터 돌출된다. 프로펠러 샤프트(5) 상에는 양쪽 단부에 각각, 하우징(3)의 외부에 배치되는 가변 피치 프로펠러(7)가 장착된다. 프로펠러 샤프트(5)는, 마찬가지로 하우징(3)의 내부에 배치된 전기 모터(8)에 의해 구동된다. 본 실시예에서는, 두 가변 피치 프로펠러(7)가 모터(8)에 의해 동일 방향으로 구동된다. 그러나 또 다른 실시예들도 가능하다. 예컨대 두 프로펠러(7)는 수중 하우징(3) 내에 배치되는 기어 장치에 의해 서로 반대 방향으로도 구동될 수 있다. 또한, 단일의 전기 모터(8) 대신에, 수중 하우징(3) 내에 등을 맞대고 배치되는 2개의 전기 모터도 제공될 수 있으며, 이들 전기 모터는 각각 프로펠러 샤프트를 통해 두 프로펠러(7) 중 단 하나의 프로펠러만을 구동한다. 마찬가지로 단일의 프로펠러만을 포함하는 나셀 구동 장치도 가능하다. 또한, 프로펠러 샤프트(5)를 구동하기 위한 전기 모터는, 수상 또는 수중 설비의 내부에서 하우징(3)의 외부에도 위치될 수 있고, 기어 장치(예: 크라운 휠-베벨 기어 장치)를 통해서, 그리고 섕크(4)를 관통하여 연장되는 수직 샤프트를 통해서 프로펠러 샤프트(5)와 연결될 수 있다(이른바 L자형 배치 구조 또는 Z자형 배치 구조).
프로펠러 샤프트(5)는 양쪽 단부에 프로펠러(7)의 프로펠러 블레이드들(11)의 피치 조정 장치(10)를 구비한 프로펠러 허브(9)를 각각 포함한다. 본 실시예에서는 피치 조정 장치(10)에 의해 프로펠러 블레이드들(11)의 피치가 수상 설비의 정확히 2개의 상이한 작동점에 대해 (예컨대 유빙 구역 운항 및 부동 구역 운항에 대해) 조정될 수 있다. 그러므로 피치 조정 장치(10)는, 정확히 단 2개의 블레이드 피치만 허용하는 방식으로 구성된다.
하기에서는 도 2에 따라 피치 조정 장치(10)의 정확한 구성이 더욱 상세하게 설명된다. 피치 조정 장치(10)는 유빙 구역 운항을 위한 블레이드 피치에서 부동 구역 운항을 위한 블레이드 피치로, 또는 다시 원위치로 블레이드들(11)을 이동시키기 위한 전기 구동 장치(20)와, 각각의 블레이드 피치에 블레이드들(11)을 잠금 고정하기 위한 전기 작동식 잠금 장치(40)를 포함한다.
각각의 프로펠러 블레이드(11)는 그 기저부에 조정 플레이트(25)를 포함하며, 상기 조정 플레이트는, 상세하게 도시되지 않은 방식으로, 프로펠러 블레이드(11)가 그 종축을 중심으로 회전될 수 있음으로써 프로펠러 블레이드(11)의 피치가 변경될 수 있도록 회전 가능하게 허브(9) 내에 지지된다.
전기 구동 장치(20)는, 환형 스테이터(22)와, 베어링(37)에 의해 회전 가능하게 조정 허브(9)의 하우징(26) 내에 지지되는 환형 로터(23)를 구비한 (보통 "RIM 드라이브"라고도 지칭되는) 제1 전기 링 모터(21)를 포함하며, 상기 스테이터와 로터는 프로펠러 샤프트(5)와, 또는 가변 피치 프로펠러(7)의 회전축(B)과 축이 동일하며, 상기 전기 구동 장치는 또한, 로터(23)의 회전 운동을 프로펠러 블레이드들(7)의 종축을 중심으로 한 회전 운동으로 변환하기 위한 구동 메커니즘(24)을 포함한다. 구동 메커니즘(24)은, 조정 허브(9)의 하우징(26)의 내부에 위치하여 제1 위치(C)와 제2 위치(D) 사이에서 프로펠러 샤프트의 회전축(B) 방향으로 이동 가능한 요크(27) 및 이미 설명한 조정 플레이트(25)를 포함한다.
이 경우 요크(27)는 (예컨대 슬라이드 레일들에 의해) 회전축(B)과 관련하여 하우징(26) 내에 회전 불가능하게 지지된다. 환형 로터(23)는 그의 링 내부면에 나사산(28)을 가지며, 이 나사산은, 회전축(B)을 중심으로 한 로터(23)의 운동으로 인해 회전축(B)의 방향으로의 요크(27)의 이동이 이루어지도록 요크(27)의 수나사(29)와 맞물린다. 이 경우, 로터(23)의 회전 방향에 따라 요크(27)는 링 모터(21)를 향해 이동되거나, 링 모터(21)로부터 멀어지는 방향으로 이동된다.
프로펠러 블레이드들을 위한 각각의 조정 플레이트(25)는, 요크(27) 내에 제공되는, 경우에 따라 주연부에 반경방향으로 형성되는 (예컨대 슬라이드 부재들을 포함하는) 가이드(31) 내로 돌출되는 캐리어(30)를 포함한다. 그에 따라 회전축(B) 방향으로의 요크(27)의 이동이 조정 플레이트(25)를 회전시킴으로써 프로펠러 블레이드들(11)의 피치를 변경시킨다.
요크(27)와 로터(23) 사이의 간격(H)에 의해 요크(27)의 이동을 위한 행정(stroke)이 정의된다. 요크(27)가 최대 행정을 갖는 도시된 제1 위치(C)에 있다면, 조정 플레이트(5) 및 그와 더불어 프로펠러 블레이드들(11)은 예컨대 유빙 구역 운항을 위한 위치에 상응하는 제1 위치에 놓인다. 그러나 행정이 영(0)이면, 다시 말해, 요크(27)가 단부면에서 로터(23)에 인접하고 제2 위치(D)에 위치된다면, 조정 플레이트(25) 및 프로펠러 블레이드들(11)은 예컨대 부동 구역 운항을 위한 위치에 상응하는 제2 위치에 놓인다.
제1 위치(C) 또는 제2 위치(D)로 요크(27)의 이동 후에, 요크(27)는 상기 각각의 위치에서 축(B)을 중심으로 한 운동 및 축(B)의 방향으로의 운동이 방지되도록 잠금 장치(40)에 의해 잠금 고정된다. 잠금 장치(40)는 프로펠러 샤프트(5)의 회전축(B) 방향으로 이동 가능한 볼트들(41)과, 제1 링 모터(21)의 로터(23)에 제공되어 볼트들(41)을 수용하기 위한 개구들 또는 보어들(42)을 포함한다. 전기 작동식 잠금 고정을 위해, 잠금 장치(40)는, 프로펠러 샤프트(5) 또는 회전축(B)과 축이 동일한 환형 스테이터(44) 및 환형 로터(45)를 구비한 제2 전기 링 모터(43)와, 로터(45)의 회전 운동을 프로펠러 샤프트(5)의 회전축(B) 방향으로의 볼트들(41)의 이동으로 변환하기 위한 구동 메커니즘(46)을 포함한다.
그러므로 구동 메커니즘은, 요크(27)와 관련하여 (예컨대 슬라이드 레일들에 의해) 회전 불가능하게 요크(27) 상에 지지되는 링(47)을 포함하며, 이 링 상에는 볼트들(41)이 균일하게 분포되어 배치된다.
환형 로터(45)는 그의 링 내부면에 나사산(48)을 가지며, 이 나사산은, 회전축(B)을 중심으로 한 로터(45)의 운동이 회전축(B) 방향으로의 링(47) 및 볼트들(41)의 이동을 야기하는 방식으로 링(47)의 수나사(49)와 맞물린다. 이 경우 로터(45)의 회전 방향에 따라 링(47)은 볼트들(41)과 함께 링 모터(21)를 향해 이동되거나, 링 모터(21)로부터 멀어지는 방향으로 이동된다.
그에 따라 제2 링 모터(43)에 의해서는, 볼트들(41)이 보어들(42)의 외부에 위치되는, 도 2에 도시된 제1 위치로부터 볼트들이 보어들(42)에 의해 형태 결합 방식으로 수용되는 제2 위치로, 상기 볼트들이 회전축(B)의 방향으로 이동될 수 있거나, 또는 그 역으로 이동될 수 있다. 상기 유형의 형태 결합에 의해 요크(27)뿐 아니라 각각의 블레이드 피치를 갖는 블레이드들이 고정되고 체결될 수 있다.
이 경우 피치 조정 장치(10)는, 전기 구동 장치(20)에 의한 블레이드들의 이동 시에는 잠금 장치(40)가 비활성화됨에 따라 전기 에너지가 소모되지 않으며, 그 반대로 잠금 장치(40)에 의한 블레이드 피치의 잠금 고정 시에는 전기 구동 장치(20)가 비활성화됨에 따라 전기 에너지가 소모되지 않은 방식으로 구성된다. 그럼으로써 전기 에너지 소모량이 매우 적게 유지될 수 있다. 그 결과, 피치 조정 장치(10)로 전기 에너지를 유도 방식으로 전달할 수 있다.
이를 위해 나셀 구동 장치(1)는, 나셀 하우징(3)의 내부 챔버로부터 피치 조정 장치(10)로 전기 에너지를 유도 방식으로 전달하기 위한, 상세하게 도시되지 않은 에너지 전달 장치를 포함한다. 이를 위해 당업자는 자신에게 익숙한 수많은 방법을 이용할 수 있으며, 예컨대 링 모터들(21, 43) 각각에 대해 에너지 전달을 위해 각각 한 쌍의 코일[상기 코일 쌍은 각각 조정 허브(9) 내에 배치되는 코일과 나셀 하우징(3)의 내부 챔버에 배치되는 코일로 구성되며, 내부 챔버에 배치되는 코일은 교류 전류로 여기됨]이 제공될 수 있다.
이 경우 링 모터들(21, 43)의 에너지 수요 및 공간 수요는 링 모터들(21, 43)이 영구 자석 로터를 포함할 때 훨씬 더 감소할 수 있다.
링 모터들의 가능한 낮은 전기 에너지 수요를 위해, 블레이드 피치의 변경은 바람직하게 프로펠러 부하 상태에서 실행되지 않고, 무부하 작동 상태에서, 다시 말하면 프로펠러를 스쳐 흐르는 수류에 의해 구동되는 방식으로만 이루어진다.
구동 장치(20) 및 잠금 장치(40)에 대해서는 물론 수많은 다른 실시예도 가능하다. 따라서 전기 링 모터 대신에 종래의 전기 모터들 및 기어 휠에 기반한 구동 메커니즘도 이용될 수 있다.
또한, 구동 메커니즘은 프로펠러 샤프트의 회전축을 중심으로 회전할 수 있는 요크도 포함할 수 있다. 전기 링 모터의 로터가 요크와 회전 고정 방식으로 연결된다면, 로터의 회전에 의해 요크의 회전 및 그에 따른 프로펠러 블레이드들의 회전 운동이 구현될 수 있다.
그 대안으로, 전기 구동 장치는 로터 및 스테이터를 구비한 하나 이상의 전기 리니어 모터뿐 아니라, 로터의 선형 운동을 프로펠러 블레이드들의 종축을 중심으로 한 회전 운동으로 변환하기 위한 구동 메커니즘도 포함할 수 있다. 이 경우 잠금 장치는, 프로펠러 샤프트의 회전축 방향으로의 이동과 관련하여 구동 메커니즘 또는 리니어 모터를 고정하기 위해 프로펠러 샤프트의 회전축의 원주 방향으로 회전 가능한 디스크를 포함할 수 있다.
도 3에는, 상부에 나셀 하우징(51)이 장착되는 타워(54)를 포함하는 풍력 발전 시스템(50)이 단순화되어 도시되어 있으며, 상기 나셀 하우징 내에서는 리펠러 샤프트(52)가 회전 가능하게 지지되어 발전기를 구동한다. 리펠러 샤프트(52)의 일측 단부에는 가변 피치 리펠러(53)가 배치되며, 이 가변 피치 리펠러의 기본 구성은 도 1 및 도 2와 관련하여 설명한, 나셀 구동 장치용 가변 피치 프로펠러와 동일하다.

Claims (16)

  1. 가변 피치를 갖는 프로펠러 블레이드들이 고정된 허브(9)와, 상기 프로펠러 블레이드들의 피치를 변경하기 위한 피치 조정 장치(10)를 포함하는 가변 피치 프로펠러(7)에 있어서,
    피치 조정 장치(10)는 허브(9) 내에 배치되고, 수치상 제한된 개수의 상이한 블레이드 피치들만을 허용하도록 형성되며, 이를 위해 피치 조정 장치(10)는,
    - 수치상 제한된 개수의 블레이드 피치들 중 제1 블레이드 피치로부터 제2 블레이드 피치로 상기 블레이드들(11)을 이동시키기 위한 전기 구동 장치(20)와,
    - 수치상 제한된 개수의 상이한 블레이드 피치들에 상기 블레이드들(11)을 잠금 고정하기 위한 전기 작동식 잠금 장치(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가변 피치 프로펠러(7).
  2. 제1항에 있어서, 전기 구동 장치(20)는, 가변 피치 프로펠러(7)의 회전축(B)과 축이 동일한 환형 스테이터(22) 및 환형 로터(23)를 구비한 제1 전기 링 모터(21)와, 상기 로터(23)의 회전 운동을 블레이드들(11)의 종축을 중심으로 한 회전 운동으로 변환하기 위한 구동 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가변 피치 프로펠러(7).
  3. 제2항에 있어서, 구동 장치는 회전축(B)의 방향으로 이동 가능한 요크(27)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가변 피치 프로펠러(7).
  4. 제2항에 있어서, 구동 장치는 회전축(B)을 중심으로 회전 가능한 요크(27)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가변 피치 프로펠러(7).
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 잠금 장치(40)는 회전축(B)의 방향으로 이동 가능한 볼트들(41)을 포함하며, 제1 링 모터(21)의 로터(23)는 상기 볼트들(41)을 수용하기 위한 개구들(42)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 가변 피치 프로펠러(7).
  6. 제5항에 있어서, 잠금 장치(40)는 전기 작동을 위해, 가변 피치 프로펠러(7)의 회전축(B)과 축이 동일한 환형 스테이터(44) 및 환형 로터(45)를 구비한 제2 전기 링 모터(43)와, 상기 로터(45)의 회전 운동을 회전축(B)의 방향으로의 볼트들(41)의 이동으로 변환하기 위한 구동 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가변 피치 프로펠러(7).
  7. 제1항에 있어서, 전기 구동 장치는, 로터 및 스테이터를 구비한 하나 이상의 전기 리니어 모터뿐 아니라, 로터의 선형 운동을 블레이드들의 종축을 중심으로 하는 블레이드들의 회전 운동으로 변환하기 위한 구동 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가변 피치 프로펠러(7).
  8. 제7항에 있어서, 잠금 장치는 회전축 방향으로의 이동과 관련하여 상기 구동 장치 또는 상기 리니어 모터를 고정하기 위해 회전축의 원주 방향으로 회전 가능한 디스크를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가변 피치 프로펠러(7).
  9. 제1항 내지 제4항, 제7항 및 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 가변 피치 프로펠러의 외부로부터 피치 조정 장치(10)로 전기 에너지를 유도 방식으로 전달하기 위한 에너지 전달 장치를 특징으로 하는, 가변 피치 프로펠러(7).
  10. 제1항 내지 제4항, 제7항 및 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 피치 조정 장치(10)는, 전기 구동 장치(20)에 의한 블레이드들(11)의 이동 시에는 잠금 장치(40)가 비활성화되고, 잠금 장치(40)에 의한 블레이드 피치의 잠금 고정 시에는 전기 구동 장치(20)가 비활성화되는 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 가변 피치 프로펠러(7).
  11. 수상 설비를 구동하기 위한 나셀 구동 장치(1)이며,
    - 프로펠러 샤프트(5)가 내부에 회전 가능하게 지지된 수중 하우징(3)과,
    - 상기 프로펠러 샤프트(5)의 일측 단부에 배치되는, 제1항 내지 제4항, 제7항 및 제 8항 중 어느 한 항에 따른 가변 피치 프로펠러(7)를 포함하는 나셀 구동 장치(1).
  12. 제11항에 있어서, 하우징(3) 내에 배치되어 프로펠러 샤프트(5)를 구동하기 위한 전기 모터(8)를 특징으로 하는, 나셀 구동 장치(1).
  13. 제11항에 있어서, 전기 모터(8)는 영구 자석 모터로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 나셀 구동 장치(1).
  14. 수상 설비를 구동하기 위한 나셀 구동 장치(1)이며,
    - 프로펠러 샤프트(5)가 내부에 회전 가능하게 지지된 수중 하우징(3)과,
    - 상기 프로펠러 샤프트(5)의 일측 단부에 배치되는, 제1항 내지 제4항, 제7항 및 제 8항 중 어느 한 항에 따른 가변 피치 프로펠러(7)를 포함하는 나셀 구동 장치(1)에 있어서,
    상기 나셀 구동 장치는 프로펠러 샤프트(5)의 타측 단부에 배치되는, 제1항 내지 제4항, 제7항 및 제 8항 중 어느 한 항에 따른 추가 가변 피치 프로펠러(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 나셀 구동 장치(1).
  15. 삭제
  16. 제1항에 있어서, 피치 조정 장치(10)는 정확히 2개의 브레이드 피치만 허용하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 가변 피치 프로펠러(7).
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