KR101508649B1 - 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치 및 이를 포함하는 풍력발전기 - Google Patents

풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치 및 이를 포함하는 풍력발전기 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치는 풍력발전기의 메인 샤프트의 일측 종단에 결합되는 허브, 상기 허브와 이격되어 상기 허브를 감싸도록 구비되는 하우징, 상기 하우징에 복수 구비되어 상기 풍력발전기의 블레이드가 결합되는 플랜지 및 상기 허브와 상기 플랜지를 연결하도록 구비되어 상기 메인 샤프트의 길이 방향 직진 운동에 따라 상기 플랜지를 회전시켜 상기 블레이드의 피치를 조절하는 피치 조절부를 포함한다.

Description

풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치 및 이를 포함하는 풍력발전기{Wind Turbine Blade Pitch Control Device and Wind Turbine Having the Same}
본 발명은 풍력발전기용 블레이드 피치 조절 장치 및 이를 포함하는 풍력발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바람의 풍속에 따라 블레이드의 피치를 제어하여 블레이드에 발생하는 부담을 감소하고, 블레이드의 회전 속도를 제어하여 발전기의 부하 등과 같은 문제를 미연에 방지할 수 있는 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치 및 이를 포함하는 풍력발전기에 관한 것이다.
풍력발전이란 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기역학적 특성을 이용하여 회전자를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고, 이 기계적 에너지로 전기를 얻는 기술이다.
또한, 풍력발전은 어느 곳에나 산재되어 있는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있으며, 대규모 발전 단지의 경우에는 발전 단가도 기존의 발전 방식과 경쟁 가능한 수준의 신 에너지 발전 기술이다.
이와 같은 풍력발전기는 일반적으로 소정 높이를 갖는 타워 상부에 회전 가능한 동체를 구비하고, 상기 동체에 풍력에 의해 회전되는 적어도 2개 이상의 블레이드를 등 간격으로 구비하며, 상기 블레이드의 회전력이 전기에너지를 얻기 위한 회전속도를 갖추게 하는 증속기를 포함하고, 상기 증속기를 통한 회전력을 전기에너지로 전환시키는 발전기로 구성된다.
그러나 풍력발전기는 자연의 풍속에 의해 회전되는 블레이드를 통해 전기에너지를 발생시키는 것으로, 강풍 시 블레이드의 회전속도가 일정치 이상으로 높아지면 증속기를 통해 그 회전력이 가중되고, 이로 인해 발전기에 과부하가 발생하여 풍력발전기의 수명을 단축시킬 수 있는 문제가 있으며, 심하게는 발전기의 과열로 인한 화재 등 각종 안전사고가 발생할 수 있는 문제가 있다.
KR2007-0054331 10
따라서, 본 발명은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 바람의 풍속에 따라 블레이드의 피치를 제어하여 블레이드에 발생하는 부담을 감소하고, 블레이드의 회전 속도를 제어하여 발전기의 부하 등과 같은 문제를 미연에 방지할 수 있는 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치 및 이를 포함하는 풍력발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치는 풍력발전기의 메인 샤프트의 일측 종단에 결합되는 허브, 상기 허브와 이격되어 상기 허브를 감싸도록 구비되는 하우징, 상기 하우징에 복수 구비되어 상기 풍력발전기의 블레이드가 결합되는 플랜지 및 상기 허브와 상기 플랜지를 연결하도록 구비되어 상기 메인 샤프트의 길이 방향 직진 운동에 따라 상기 플랜지를 회전시켜 상기 블레이드의 피치를 조절하는 피치 조절부를 포함한다.
이때, 상기 피치 조절부는, 상기 플랜지와 연결되는 회전축 및 상기 허브와 회전축을 연결하여 상기 허브의 직진운동 길이에 따라 상기 회전축을 소정각도 회전시키도록 상기 회전축의 편심에 연결되는 링크를 포함할 수 있다.
또한, 상기 허브, 상기 하우징 및 상기 풍력발전기의 크기 및 용량에 대응되도록 상기 회전축 및 상기 플랜지를 연결하는 연결축이 더 구비될 수 있다.
또한, 상기 피치 조절부는 상기 메인 샤프트의 직진운동을 회전운동으로 변경하여 상기 플랜지로 전달하는 너클 조인트 또는 유니버셜 조인트일 수 있다.
또한, 상기 메인 샤프트의 타단에는 상기 메인 샤프트를 후방으로 탄성 지지하는 탄성부재가 더 구비될 수 있다.
또한, 상기 메인 샤프트의 타단에는 상기 메인 샤프트를 직진 운동시키는 액추에이터가 더 구비될 수 있다.
또한, 상기 액추에이터는 풍력계와 연결되어 풍력계에서 측정되는 풍속에 따라 직진 운동의 거리를 제어하여 상기 플랜지의 회전각도를 조절할 수 있다.
또한, 상기 하우징의 외주면에 상기 플랜지와 대응되도록 구비되는 제1베어링 홀더 및 상기 제1베어링 홀더 내부에 삽입되는 제1베어링을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 하우징의 배면에 구비되는 커버를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 커버의 일측에 상기 연결축과 대응되도록 구비되는 제2베어링 홀더 및 상기 제2베어링 홀더 내부에 삽입되는 제2베어링을 더 포함할 수 있다.
다른 카테고리로써, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 풍력발전기는 전술한 구성의 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치를 포함한다.
본 발명의 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치 및 이를 포함하는 풍력발전기는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 풍속에 대응되도록 자동으로 블레이드의 피치를 조절하여 필요한 회전력에 의해 지속적인 발전이 가능한 효과가 있다.
둘째, 기준치 이상의 풍속에 의해 블레이드가 과도하게 회전하는 것을 방지하여 발전기의 과부하가 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 강풍이 발생하는 경우에 블레이드의 피치가 회전하여 블레이드에 발생하는 부담을 감소하여 블레이드 및 풍력발전기의 사용수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 상기 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치의 사시도;
도 2는 본 발명에 따른 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치의 부분 분해 사시도;
도 3은 본 발명에 따른 피치 조절부의 조작상태를 나타내는 개략도; 및
도 4는 본 발명에 따른 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치를 포함하는 풍력발전기의 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치의 구성
도 1은 본 발명에 따른 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치의 부분 분해 사시도이다. 본 방명에 따른 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치(10)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 크게 허브(100), 하우징(200), 플랜지(300), 피치 조절부(400), 액추에이터(미도시) 및 커버(700)로 구성된다.
허브(100)는 풍력발전기의 메인 샤프트(800)의 블레이드가 결합되는 일측 종단에 구비되어 플랜지(300)를 소정 각도로 회전시켜 블레이드의 피치를 조절하기 위한 피치 조절부(400)가 구비되는 장치이다.
이러한 허브(100)는 원기둥 또는 블레이드의 개수에 대응되는 다각 기둥 형상으로 이루어질 수 있으며, 그 중심 일측에는 메인 샤프트(800)가 관통될 수 있는 관통공이 형성되어 있으며, 메인 샤프트(800)의 종단에 볼트 등을 결합하여 허브(100)를 고정할 수 있다.
또한, 허브(100)의 외주면에는 피치 조절부(400)의 링크(420)와 결합되는 힌지볼트 등과 같은 결합부재(440)가 삽입될 수 있는 삽입홈이 형성되고, 이러한 삽입홈은 플랜지(300)의 회전을 용이하게 하기 위하여 중심에서 어긋난 부위에 좋은 것이 좋다. 바람직하게는 중심에서 외측으로 벗어난 위치에 형성되는 것이 좋다.
하우징(200)은 원형링 형상 또는 블레이드의 개수에 대응되는 다각링 형상으로 이루어지고, 허브(100)와 동일한 회전 중심을 갖되, 허브(100)와 소정 간격 이격되어 허브(100)를 감싸도록 구비된다.
이러한 하우징(200)은 외주면에 블레이드와 결합되는 플랜지(300)가 구비되는 공간을 제공하는 것으로서 플랜지(300)가 삽입될 수 있도록 복수의 관통공이 형성되고, 이러한 관통공은 등간격으로 형성되는 것이 놓다. 또한, 하우징(200)이 원형링 형상으로 이루어진 경우에는 플랜지(300)와 용이하게 결합될 수 있도록 플랜지(300)가 구비되는 일측에 평탄면이 형성될 수 있다.
플랜지(300)는 하우징(200)의 관통공에 삽입되도록 구비되고, 하우징(200)의 외부로 노출되는 일측 종단에 블레이드가 결합되는 장치이다. 이러한 플랜지(300)의 형상은 블레이드의 크기 및 종류 등에 따라 그에 대응되는 형상으로 다양하게 제조될 수 있다.
일예로, 전체적으로는 원기둥 형상으로 이루어지고, 하우징(200)의 외부로 노출되는 부위는 블레이드와의 결합을 견고하게 하기 위하여 평탄부가 형성된 돌출부가 일체로 형성될 수 있다.
피치 조절부(400)는 허브(100) 및 플랜지(300)를 연결하도록 구비되어 메인 샤프트(800)가 길이방향으로 전진 또는 후진하는 직진 운동을 회전 운동으로 변환하여 플랜지(300)를 회전시킴으로써, 블레이드의 피치를 조절하는 장치이다. 이러한 피치 조절부(400)는 일예로 회전축(410), 링크(420) 및 연결축(430)으로 구성된다.
회전축(410)은 하우징(200)의 내부로 삽입된 플랜지(300)의 종단과 동일 중심축을 갖도록 결합되어 링크(420)를 통해 전달되는 회전력을 플랜지(300)로 전달하는 장치이다. 이때, 회전축(410)은 링크(420)와 결합되는 부위가 회전축(410)의 중심이 아닌 편심이 되도록 한다. 이와 같이, 링크(420)와 편심으로 연결됨으로써 메인 샤프트(800)가 직진 운동을 하는 경우, 그에 따라 회전이 용이해 진다.
링크(420)는 허브(100)와 회전축(410)을 연결하도록 결합되어 메인 샤프트(800)의 길이 방향 직진 운동을 회전운동으로 변경하여 회전축(410)으로 전달하는 장치이다. 이러한 링크(420)는 전체적으로 평판형상으로 이루어져, 일측 종단은 허브(100)와 연결되고, 타측은 회전축(410)의 편심이 결합된다.
도 3은 본 발명에 따른 피치 조절부(400)의 조작상태를 나타내는 개략도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 허브(100)가 결합된 메인 샤프트(800)가 길이 방향으로 직진 운동하게 되면 허브(100)가 메인 샤프트(800)의 직진운동에 대응되도록 함께 구동되고, 이에 따라 링크(420) 역시 이동하게 되고, 회전축(410)의 편심축이 회전하며 회전축(410)과 연결된 플랜지(300)가 회전하게 된다. 이를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 액추에이터의 구동에 의해 메인 샤프트(800)가 직진하게 되면 허브(100)가 함께 직진하게 되고, 이와 연결된 링크(420)가 회전축(410)의 편심을 일방으로 이동시키며 회전축(410)을 회전시킨다. 이를 통해, 회전축(410)과 연결된 플랜지(300)가 회전하게 되며, 블레이드의 피치가 조절된다.
또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, 액추에이터의 구동에 의해 메인 샤프트(800)가 후진하게 되면 허브(100)가 함께 후진하게 되고, 이와 연결된 링크(420)가 회전축(410)의 편심을 반대 방향으로 이동시키면서 회전축(410)을 회전시킨다. 이를 통해, 회전축(410)과 연결된 플랜지(300)가 회전하게 되며, 블레이드의 피치가 조절된다.
연결축(430)은 풍력발전기의 크기, 용량 등에 따라 달라지는 하우징(200), 허브(100), 블레이드 등의 크기를 고려하여 회전축(410)의 길이가 짧은 경우에 회전축(410)과 플랜지(300)를 연결하는 장치이다.
다른 실시예로써, 피치 조절부(400)는 직진 운동을 회전운동으로 변경하여 전달하는 너클 조인트 또는 유니버셜 조인트를 사용할 수도 있다. 이와 같이, 피치 조절부(400)는 풍력발전기의 크기, 용량 및 설치 환경 등을 고려하여 다양하게 변경되어 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 피치 조절장치(10)의 메인 샤프트(800)는 액추에이터에 의해 구동될 수 있다. 이러한 구동방법을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 이러한 액추에이터는 메인 샤프트(800)의 타측 종단에 연결되도록 구비되어 풍속을 고려하여 메인 샤프트(800)를 소정 길이 전진 또는 후진하도록 직진 운동시킨다. 이러한 액추에이터는 풍력발전기 또는 주변에 설치된 풍속계와 연결되어 풍속에 따라 이에 대응되도록 메인 샤프트(800)의 직진 운동 방향 및 길이를 조절하여 블레이드의 피치를 조절하도록 한다.
또한, 메인 샤프트(800)의 타단 종단부에는 메인 샤프트(800)를 후방으로 탄성 지지하는 탄성부재(500)가 더 구비될 수 있다. 이러한 탄성부재(500)는 메인 샤프트(800)를 후방으로 탄성 지지함으로써, 액추에이터가 구동되지 않는 상태 또는 액추에이터가 고장 등으로 작동하지 않는 경우에는 블레이드가 기본상태로 유지될 수 있도록 메인 프레임을 후방으로 탄성지지한다.
플랜지(300) 및 연결축(430)이 안정적으로 회전할 수 있도록 하고, 소음 발생 등을 억제하기 위한 복수의 베어링 및 베어링이 삽입되는 베어링 홀더(610, 620)가 더 구비될 수 있다.
제1베어링 홀더(610)는 하우징(200)의 외주면에 플랜지(300)가 배치되는 위치에 대응되도록 구비되어 플랜지(300)를 감싸 플랜지(300)의 회전 시 회전을 안정적으로 지지하고, 소음 및 진동의 발생을 억제하는 제1베어링이 삽입될 수 있는 공간을 제공하는 장치이다.
제2베어링 홀더(620)는 연결축(430)의 회전 시 연결축(430)을 안정적으로 지지하고, 소음 및 진동의 발생을 억제하는 제2베어링이 삽입될 수 있는 공간을 제공하는 장치이다. 이러한 제2베어링 홀더(620)는 후술하는 커버(700)의 일측, 바람직하게는 연결축(430)이 배치되는 위치에 대응되도록 구비되어 연결축(430)의 회전을 지지한다.
커버(700)는 하우징(200)의 배면에 구비되어 너셀(1000)과의 결합을 용이하게 하고, 먼지 등의 이물질이 하우징(200)의 내부로 유입되는 것을 방지하는 장치이다. 이러한 커버(700)는 하우징(200)과 대응되는 평판 형상으로 이루어진다. 또한, 하우징(200)의 일측에는 제2베어링 홀더(620)가 구비될 수 있도록 상기 제2베어링 홀더(620)와 대응되는 위치에 복수의 삽입홈(710)이 형성된다.
풍력발전기의 구성
도 4는 본 발명에 따른 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치를 포함하는 풍력발전기의 사시도이다. 본 발명에 따른 풍력발전기는 풍력 발전기의 용량 및 크기에 대응되는 피치 조절장치(10)를 제조하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 피치 조절장치(10)를 너셀(1000)의 전면에 돌출된 메인 샤프트(800)에 결합한다.
또한, 메인 샤프트(800)의 후면 종단에는 메인 샤프트(800)를 전진 및 후진 시키기 위한 액추에이터(미도시)를 결합한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 피치 조절장치
100 : 허브
200 : 하우징
300 : 플랜지
400 : 피치 조절부
410 : 회전축
420 : 링크
430 : 연결축
440 : 결합부재
500 : 탄성부재
610 : 제1베어링 홀더
620 : 제2베어링 홀더
700 : 커버
710 : 삽입홈
800 : 메인 샤프트
1000 : 너셀

Claims (11)

  1. 풍력발전기의 메인 샤프트의 일측 종단에 결합되는 허브;
    상기 허브와 이격되어 상기 허브를 감싸도록 구비되는 하우징;
    상기 하우징에 복수 구비되어 상기 풍력발전기의 블레이드가 결합되는 플랜지; 및
    상기 허브와 상기 플랜지를 연결하도록 구비되어 상기 메인 샤프트의 길이 방향 직진 운동에 따라 상기 플랜지를 회전시켜 상기 블레이드의 피치를 조절하는 피치 조절부;
    를 포함하고,
    상기 피치 조절부는,
    상기 플랜지와 연결되는 회전축;
    상기 허브와 회전축을 연결하여 상기 허브의 직진운동 길이에 따라 상기 회전축을 소정각도 회전시키도록 상기 회전축의 편심에 연결되는 링크; 및
    상기 허브, 상기 하우징 및 상기 풍력발전기의 크기 및 용량에 대응되도록 상기 회전축 및 상기 플랜지를 연결하는 연결축;
    을 포함하는 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 피치 조절부는 상기 메인 샤프트의 직진운동을 회전운동으로 변경하여 상기 플랜지로 전달하는 너클 조인트 또는 유니버셜 조인트인 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 메인 샤프트의 타단에는 상기 메인 샤프트를 후방으로 탄성 지지하는 탄성부재가 더 구비되는 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 메인 샤프트의 타단에는 상기 메인 샤프트를 직진 운동시키는 액추에이터가 더 구비되는 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 액추에이터는 풍력계와 연결되어 풍력계에서 측정되는 풍속에 따라 직진 운동의 거리를 제어하여 상기 플랜지의 회전각도를 조절하는 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 하우징의 외주면에 상기 플랜지와 대응되도록 구비되는 제1베어링 홀더; 및
    상기 제1베어링 홀더 내부에 삽입되는 제1베어링;
    을 더 포함하는 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 하우징의 배면에 구비되는 커버를 더 포함하는 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 커버의 일측에 상기 연결축과 대응되도록 구비되는 제2베어링 홀더; 및
    상기 제2베어링 홀더 내부에 삽입되는 제2베어링;
    을 더 포함하는 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치.
  11. 제 1항, 제 4항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치를 포함하는 풍력발전기.
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