KR101592289B1 - Spiral blade unit and method for making the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 나선형 날개 유닛 및 그 제조 방법의 개선에 관한 것으로, 특히 풍력 발전기에 적합하게 사용할 수 있는 나선형 날개 유닛 및 그 제조 방법의 개선에 관한 것이다.The present invention relates to an improvement of a spiral blade unit and a manufacturing method thereof, and more particularly, to an improvement of a spiral blade unit which can be suitably used for a wind power generator and a manufacturing method thereof.
바람을 이용하여 발전하기 위한 다양한 형태의 풍력 발전기들이 알려져 있다. 본 발명은 이들 중 나선형 날개를 가지는 수평축 날개 유닛에 대한 것이다. 본 발명에서 언급되는 개개의 나선형 날개에 관련된 선행기술은 WO 2011/142653 A1(이하, "선출원 발명"이라 함)의 국제공개공보에 자세히 개시되어 있다. 상기 국제공개공보에 기재된 개개의 날개와 관련된 기술내용은 여기에서, 상기 국제공개공보를 인용하는 것에 의해, 본 발명의 종래기술로서 본 발명의 명세서에 통합된다.Various types of wind turbines are known for generating wind. The present invention relates to a horizontal axis wing unit having a spiral wing. Prior art relating to the individual spiral wings referred to in the present invention is described in detail in the international publication publication of WO 2011/142653 A1 (hereinafter referred to as "the original invention"). The technical content related to the individual wings described in the abovementioned International Publication is hereby incorporated by reference into the above-mentioned International Publication as a prior art of the present invention.
일반적으로, 풍력발전기는 회전축과 회전축에 결합하여 회전축 둘레로 배치되고 바람으로부터 회전력을 얻기 위한 복수의 날개들로 이루어진 날개 유닛을 구비한다.Generally, a wind turbine generator includes a blade unit which is coupled to a rotary shaft and a rotary shaft, is disposed around the rotary shaft, and has a plurality of blades for obtaining rotational force from the wind.
날개가 나선형을 이루는 날개 유닛은 그 형상이 복잡하고 회전축의 외주면에 복수로, 바람직하게 3개 정도 부착되는 날개들의 배치구조 때문에 그 전체를 사출이나 주조의 방식으로 일체형으로 만들기는 매우 어렵다.It is very difficult to make the entire wing unit into a single body by the injection molding or casting method because of its complicated shape and the arrangement structure of the wings which are attached to the outer circumferential face of the rotating shaft in plural,
따라서 개개의 나선형 날개를 회전축과는 별도로 분리된 상태로 제작 후 회전축의 외주면에 일정 각도 간격으로 견고하게 고정하여야 한다. 나선형 날개를 회전축의 외주면에 견고하게 부착하기 위해 육각형 단면의 회전축 외주면에 볼트들을 이용하여 프레임을 설치하고, 각 날개의 뿌리 부분을 프레임에 볼트와 너트로 고정하는 것을 시도하였으나, 많은 볼트 구멍으로 인해 회전축의 강도가 약해지는 문제점, 많은 수의 볼트와 너트 사용으로 인해 나선형 날개 유닛의 무게가 많이 증가하는 문제점, 장시간 사용 시 볼트와 너트의 체결이 풀리는 문제점이 있으면서도 회전축과 프레임의 가공 및 조립에도 많은 시간이 소요된다는 단점이 있었다.Therefore, the individual spiral wings should be separated from the rotating shaft and fixed firmly to the outer circumferential surface of the rotating shaft at a predetermined angular interval. In order to securely attach the helical wing to the outer circumference of the rotary shaft, the frame was mounted on the outer circumferential surface of the hexagonal section of the rotary shaft using bolts, and an attempt was made to fix the root portion of each wing to the frame with bolts and nuts. There is a problem in that the strength of the rotating shaft is weakened, the weight of the helical wing unit is increased due to the use of a large number of bolts and nuts, the bolt and nut are loosened during long use, And it takes time.
본 발명의 목적은 별도의 프레임과 볼트 및 너트를 사용하지 않고서 나선형 날개를 회전축 외주면에 견고하게 고정할 수 있는 구성의 나선형 날개 유닛을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a spiral wing unit having a structure in which a spiral wing can be firmly fixed to an outer circumferential surface of a rotating shaft without using a separate frame, a bolt and a nut.
본 발명의 다른 목적은 별도의 프레임과 볼트 및 너트를 사용하지 않고서 나선형 날개를 회전축의 외주면에 견고하게 부착할 수 있는 나선형 날개 유닛 제조방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a spiral wing unit capable of firmly attaching a spiral wing to an outer circumferential surface of a rotary shaft without using a separate frame, bolts and nuts.
본 발명의 또 다른 목적은 회전축 외주면에 부착된 나선형 날개가 회전축에 대해 상대적인 변위를 일으키지 않게 FRP 성형법으로 회전축 외주면에 견고하게 부착할 수 있는 나선형 날개 유닛 제조방법을 제공하는 데 있다.It is still another object of the present invention to provide a method of manufacturing a spiral wing unit in which a spiral wing attached to an outer circumferential surface of a rotary shaft can be firmly attached to an outer circumferential surface of a rotary shaft by a FRP molding method without causing relative displacement with respect to the rotary shaft.
본 발명자는, 나선형 날개가 적용된 날개 유닛은 일반 날개가 적용된 날개 유닛과 비교하면 날개의 회전영역 내에서 바람을 받는 면적의 비율이 매우 크기 때문에 바람이 강해지면 각 날개에 휨 변형이 생기고 각 날개에 작용하는 힘의 불균형으로 심한 진동이 발생하여 날개가 파손되는 문제가 생길 수 있음을 알아차렸다. 본 발명은 이러한 문제를 해결하고자 하는 목적도 가진다.The present inventor has found that the wing unit to which the spiral wing is applied has a very large ratio of the wind receiving area in the rotating region of the wing as compared with the wing unit to which the general wing is applied. It has been noted that there can be a problem that the wing is broken due to the occurrence of severe vibration due to the imbalance of the acting force. The present invention also has an object to solve such a problem.
본 발명의 또 다른 목적은 나선형 날개에 진동이 적게 발생하고 진동으로 인한 날개 파손의 가능성이 작은 나선형 날개 유닛을 제공하는 데 있다.It is still another object of the present invention to provide a spiral wing unit in which less vibration is generated in a spiral wing and the possibility of blade damage due to vibration is small.
본 발명의 또 다른 목적은 나선형 날개들을 서로 연결하여 견고하게 지지하여줄 수 있는 날개 연결구를 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide a wing connector capable of supporting helical wings together and firmly supporting them.
본 발명에 따른 나선형 날개 유닛 제조방법은 나선형 날개들을 회전축 둘레에 고정하여 나선형 날개 유닛을 만드는 방법에서, 나선형 날개들을 각각 제작하는 단계; 외주면에 요철이 형성된 회전축을 준비하는 단계; 상기 나선형 날개들과 상기 회전축을 서로 부착하기 위한 자세로 지그에 고정하는 단계; 및 상기 나선형 날개들의 뿌리 부분과 상기 요철이 형성된 상기 회전축 외주면에 걸쳐서 FRP 성형법으로 FRP 성형재료를 덧붙여가면서 반복 적층 하여 상기 나선형 날개들을 상기 회전축 외주면에 고정하는 날개 고정단계를 포함하는 구성을 한다.A method of manufacturing a spiral wing unit according to the present invention includes the steps of: preparing spiral wings, respectively, in a method of manufacturing a spiral wing unit by fixing spiral wings around a rotation axis; Preparing a rotating shaft having an uneven surface on an outer peripheral surface thereof; Fixing the spiral wings to the jig in a posture for attaching the rotary shaft to each other; And a blade fixing step of fixing the helical blades to the outer circumferential surface of the rotating shaft by repeatedly laminating the FRP molding material over the roots of the helical blades and the outer circumferential surface of the rotating shaft having the concavities and convexities by an FRP molding method.
상기 요철은 나사산을 포함하는 것이 좋다.It is preferable that the irregularities include a thread.
상기 나선형 날개들은 FRP로 만들어진 것이 바람직하다.The helical wings are preferably made of FRP.
본 발명에 따른 나선형 날개 유닛은 회전축 및 상기 회전축 외주면을 따라 뿌리 부분이 부착된 복수의 나선형 날개들을 가지는 나선형 날개 유닛에서, 상기 나선형 날개들의 뿌리 부분과 상기 회전축 외주면은 FRP 성형법으로 FRP 성형재료를 덧붙여가면서 반복하여 적층 하여 성형한 FRP 적층부에 의해 서로 고정되어 있고, 상기 회전축의 외주면에는 상기 FRP 적층부의 견고한 고정을 위한 요철이 형성된 것을 특징으로 한다.The helical wing unit according to the present invention is a helical wing unit having a rotating shaft and a plurality of helical wings attached with roots along the outer circumferential surface of the rotating shaft, wherein the root portion of the helical wings and the outer circumferential surface of the rotating shaft are formed by adding an FRP molding material by an FRP molding method And the FRP laminated portion is formed on the outer circumferential surface of the rotating shaft so as to be firmly fixed to the FRP laminated portion.
상기 요철은 나사산을 포함하는 것이 좋다.It is preferable that the irregularities include a thread.
상기 나선형 날개들은 FRP로 만들어진 것이 바람직하다.The helical wings are preferably made of FRP.
상기 나선형 날개들의 바깥쪽 가장자리들을 상기 회전축을 향하며 상기 회전축에 대해 경사진 방향으로 서로 연결하여 지지하는 복수의 날개 연결구를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.And a plurality of vane connectors for connecting the outer edges of the helical wings toward the rotation axis and supporting the outer edges of the spiral wings in an inclined direction with respect to the rotation axis.
상기 날개 연결구는 2개 이상의 날개를 관통하며 외주면에 나선이 형성된 연결봉, 상기 연결봉 외주면에 결합된 와셔 및 상기 나선에 결합하여 상기 와셔를 상기 날개 표면을 향해 가압하여주는 너트를 포함하여 구성될 수 있다.The vane connector may include a connecting rod passing through two or more vanes and having a spiral formed on an outer circumferential surface thereof, a washer coupled to the outer circumferential surface of the connecting rod, and a nut coupled to the spiral and pressing the washer toward the vane surface .
상기 날개 연결구는 2개 이상의 날개를 관통하며 외주면에 나선이 형성된 연결봉, 상기 연결봉 외주면에 결합되고 상기 날개 표면에 면접촉하는 경사부재, 상기 연결봉 외주면에 결합되고 상기 경사부재 바깥쪽으로 배치되는 와셔 및 상기 나선에 결합하여 상기 와셔와 상기 경사부재를 상기 날개 표면을 향해 가압하여주는 너트를 포함하여 구성된 것이 바람직하다.Wherein the wing connector includes a connecting rod having two or more blades penetrating therethrough and having a helix formed on an outer circumferential surface thereof, an inclined member coupled to an outer circumferential surface of the connecting rod and in surface contact with the blade surface, a washer disposed on the outer circumferential surface of the connecting rod, And a nut coupled to the spiral and pressing the washer and the inclined member toward the blade surface.
때에 따라, 경사부재 대신에 경사부재 형태의 경사부가 날개 표면에 일체로 형성될 수 있다. 특히, 나선형 날개가 인젝션 몰드 방식으로 만들어지는 경우 날개 표면에 경사면을 가지는 돌기 형태의 경사부가 일체로 형성될 수 있다.At times, instead of the inclined member, an inclined portion in the form of an inclined member can be integrally formed on the blade surface. Particularly, when the helical wing is made by the injection molding method, the inclined portion in the form of a projection having an inclined surface on the wing surface can be integrally formed.
때에 따라, 상기 날개 연결구는 2개 이상의 날개를 관통하며 외주면에 나선이 형성된 연결봉, 상기 연결봉 외주면에 결합되고 상기 날개 표면에 면접촉하며 외면에 볼록하거나 오목한 구면이 형성된 제1구면부재, 상기 연결봉 외주면에 결합되고 상기 제1구면부재 바깥으로 배치되며 내면에 상기 볼록하거나 오목한 구면에 결합하는 오목하거나 볼록한 구면이 형성된 제2구면부재, 상기 연결봉 외주면에 결합되고 상기 제2구면부재 바깥으로 배치된 와셔 및 상기 나선에 결합하여 상기 제1, 제2구면부재와 상기 와셔를 상기 날개 표면을 향해 가압하여주는 너트를 포함하여 구성될 수 있다.The wing connector may include a connecting rod having two or more blades penetrating therethrough and having a spiral formed on an outer circumferential surface thereof, a first spherical member coupled to the outer circumferential surface of the connecting rod and having a spherical surface in contact with the blade surface, A second spherical member coupled to the first spherical member and having a concave or convex spherical surface formed on the inner surface thereof to engage with the convex or concave spherical surface, a washer and a second spherical member coupled to the outer circumferential surface of the connecting rod and disposed outside the second spherical member, And a nut coupled to the helix to press the first and second spherical members and the washer toward the blade surface.
본 발명에 따른 풍력 발전기는 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛; 상기 나선형 날개 유닛의 회전축 양단을 수평으로 그리고 회전 가능케 지지하는 지지프레임; 및 상기 회전축에 결합되어 발전하는 발전기를 포함하는 구성을 한다.The wind turbine according to the present invention comprises a spiral blade unit according to the present invention; A support frame for horizontally and rotatably supporting both ends of the rotary shaft of the helical wing unit; And a generator connected to the rotating shaft and generating electric power.
상기 지지프레임은 수직축을 중심으로 제자리 회전 가능케 설치된 것이 바람직하다.Preferably, the support frame is rotatable about a vertical axis.
상기 회전축의 한쪽에 RPM 측정기와 상기 나선형 날개 유닛의 회전을 일정 RPM 이하로 유지시키기 위한 브레이크가 설치될 수 있다.A brake for maintaining the rotation of the RPM measuring unit and the helical blade unit at a constant RPM or less may be installed on one side of the rotary shaft.
본 발명에 따르면 별도의 프레임과 볼트 및 너트를 사용하지 않고서 나선형 날개를 회전축 외주면에 견고하게 고정할 수 있어 회전축이 약해지는 것을 방지할 수 있고, 나선형 날개 유닛의 무게를 낮출 수 있고, 나선형 날개들을 회전축 외주면에 고정하는 작업도 수월하다.According to the present invention, it is possible to firmly fix the helical wing to the outer circumferential surface of the rotary shaft without using a separate frame, bolts and nuts, to prevent the rotation shaft from weakening, to reduce the weight of the helical wing unit, It is also easy to fix it on the outer circumferential surface of the rotating shaft.
본 발명에 따르면 회전축 외주면에 요철, 특히 나사산을 형성한 상태에서 나선형 날개를 FRP 성형법으로 부착함으로써 나선형 날개를 회전축 외주면에 견고하게 부착할 수 있다.According to the present invention, by attaching the helical wing with the FRP molding method in the state where the outer circumferential surface of the rotating shaft is formed with irregularities, particularly, threads, the helical wing can be firmly attached to the outer circumferential surface of the rotating shaft.
본 발명에 따르면 날개 연결구를 통해 쉽게 그리고 견고하게 나선형 날개들을 서로 연결하여 지지함으로써 나선형 날개의 떨림을 방지하고, 날개의 파손을 방지할 수 있다. According to the present invention, it is possible to easily and firmly support the helical wings by connecting and supporting them through the wing end connection, thereby preventing the helical wing from shaking and preventing the wing from being damaged.
도 1은 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛 제조과정을 나타낸 공정도,
도 2(a)에서 (f)는 나선형 날개를 FRP 성형법으로 성형하는 과정을 나타낸 도면,
도 3은 FRP 성형법으로 성형된 나선형 날개를 나타낸 사시도,
도 4는 외주면에 나사산이 형성된 회전축과 3개의 나선형 날개를 지그에 장착한 상태를 나타낸 사진,
도 5는 날개 연결구로 날개들을 연결한 상태를 나타낸 사진,
도 6은 날개 연결구가 나선형 날개에 결합한 부분의 확대도,
도 7은 도 6 경사부재와 와셔를 나타낸 사시도,
도 8은 날개 연결구의 변형 예를 설명하기 위한 부분 확대도,
도 9는 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛을 이용한 풍력발전기를 나타낸 측단면도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a process diagram showing a process for manufacturing a spiral wing unit according to the present invention;
Figs. 2 (a) to 2 (f) show a process of forming a helical blade by an FRP molding method,
3 is a perspective view showing a helical blade formed by the FRP molding method,
FIG. 4 is a photograph showing a rotating shaft having a thread formed on an outer peripheral surface thereof and three spiral wings mounted on a jig,
5 is a photograph showing the wings connected to the wing connector,
FIG. 6 is an enlarged view of a portion where the blade coupling is engaged with the helical blade,
Fig. 7 is a perspective view showing the inclined member and the washer of Fig. 6,
8 is a partially enlarged view for explaining a modified example of the blade connector,
9 is a side cross-sectional view illustrating a wind power generator using a spiral blade unit according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛 제조과정을 나타낸 공정도이다.1 is a process diagram showing a process of manufacturing a spiral blade unit according to the present invention.
먼저, 회전축의 외주면에 설치하기 위한 나선형 날개들을 제작한다. 바람직하게 1개의 나선형 날개 유닛에 3개의 나선형 날개가 사용된다. 바람직한 나선형 날개 제조과정의 일례는 뒤에서 도 2(a)에서 도 2(f)를 통해 설명한다. 나선형 날개들 제작에는, 도 2(a)에서 도 2(f)를 통해 설명하는 방식 외에도 인젝션 몰드(injection mold)를 이용하는 방식 등 여타의 다양한 방식이 이용될 수 있다. 완성된 나선형 날개의 모습은 도 3에 도시되어 있다(S1).First, helical wings for mounting on the outer circumferential surface of the rotating shaft are manufactured. Preferably three spiral wings are used in one spiral wing unit. An example of a preferred spiral blade manufacturing process will be described later with reference to Figures 2 (a) to 2 (f). In addition to the method described with reference to FIG. 2 (a) to FIG. 2 (f), various other methods such as a method using an injection mold may be used for manufacturing the helical wings. The completed spiral wing is shown in Fig. 3 (S1).
한편으로는, 외주면에 요철이 형성된 회전축을 만든다. 요철을 형성하는 주목적은 나선형 날개를 회전축 외주면에 견고하게 부착할 수 있도록 하기 위한 것이다. 이러한 목적의 요철은 나선형 날개를 고정하여주는 접합부분의 접합면적을 증가시킬 뿐만 아니라 접합부분이 회전축에 표면에 대해 상대적인 변위를 일으키는 것을 방지하는 역할을 한다. 이러한 역할을 하는 요철로는 회전축의 외주면을 따라 원주 방향이나 회전축의 길이 방향으로 또는 경사진 방향으로 또는 이들을 혼합하여 홈 또는 돌기를 반복적으로 형성한 것이 이용될 수 있다. 요철로는 도 4에 나타낸 바와 같이 회전축 외주면을 따라 형성한 나사산을 이용하는 것이 바람직하다(S2).On the other hand, a rotating shaft having an uneven surface is formed on the outer peripheral surface. The main purpose of forming the irregularities is to make it possible to firmly attach the helical wings to the outer peripheral surface of the rotary shaft. The irregularity of this purpose not only increases the joint area of the joint portion where the helical wing is fixed, but also prevents the joint portion from causing relative displacement with respect to the surface of the rotary shaft. The concavity and convexity acting as such may be used in which grooves or projections are repeatedly formed in the circumferential direction along the outer circumferential surface of the rotary shaft, in the longitudinal direction or in the inclined direction of the rotary shaft, or by mixing them. As shown in Fig. 4, it is preferable to use a thread formed along the outer circumferential surface of the rotating shaft (S2).
나선형 날개들과 외주면에 요철이 형성된 회전축이 준비되면 도 4에 나타낸 바와 같이 지그를 사용하여 나선형 날개들과 회전축을 서로 부착하기 위한 자세로 세팅하여 고정한다(S3).When the spiral wings and the rotary shaft having the unevenness on the outer circumferential surface are prepared, the spiral wings and the rotary shaft are set and fixed to each other using a jig as shown in FIG. 4 (S3).
지그에 고정한 상태에서, 나선형 날개들의 뿌리 부분과 요철이 형성된 회전축 외주면에 걸쳐서 FRP 성형재료를 반복하여 덧붙여 가면서 적층 성형하여 나선형 날개들을 회전축 외주면에 고정한다. 더 자세하게는, FRP 성형용 수지를 나선형 날개들의 뿌리 부분과 요철이 형성된 회전축 외주면에 걸쳐서 도포하고 그 위에 유리섬유 등의 원단을 부착하고, 부착된 원단에 수지를 도포 및 함침시키는 과정을 몇 차례 반복하고 수지를 경화시켜 나선형 날개를 회전축 외주면에 고정한다(S4).While fixed to the jig, the FRP molding material is repeatedly laminated over the roots of the helical blades and the outer circumferential surface of the rotating shaft where the concavities and convexities are formed, and the helical blades are fixed to the outer circumferential surface of the rotating shaft. More specifically, the FRP molding resin is applied over the roots of the spiral wings and the outer circumferential surface of the rotating shaft where the concavities and convexities are formed, and a fabric such as glass fiber is attached thereon and the process of applying and impregnating the resin to the attached fabric is repeated several times And the resin is cured to fix the helical blade to the outer circumferential surface of the rotating shaft (S4).
FRP 성형재료(유리섬유, 탄소섬유, 베이솔트(basalt) 등의 강화재, 불포화 폴리에스터, 에폭시, 에폭시아크레이트 등의 수지, 수지를 경화시키기 위한 촉매와 촉진제 등)와 핸드 레이업(Hand Lay Up)법, 스프레이 업(Spray Up)법, 라이닝(Lining)법 등의 FRP 성형법은 기존에 잘 알려져 있으므로, 여기에서 자세히 설명하지는 않는다.(FRP) molding material (glass fiber, carbon fiber, reinforcing materials such as basalt, unsaturated polyester, epoxy, epoxy acrylate resin, catalyst for curing resin and accelerator etc.) and hand lay up ) Method, a spray-up method, and a lining method are well known in the prior art and are not described in detail here.
나선형 날개들을 나사산 등의 요철이 형성된 회전축 외주면에 고정한 상태에서, 도 5에 나타낸 바와 같이 나선형 날개들의 바깥쪽 가장자리에 형성한 구멍을 통해 바깥쪽에서 회전축을 향하며 회전축에 대해 경사진 방향으로 날개 연결구를 설치하여 날개들을 서로 연결하여 지지하면, 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛이 완성된다(S5).In the state where the helical wings are fixed to the outer circumferential surface of the rotating shaft where the projections and depressions are formed, as shown in Fig. 5, the wing connector is installed in a direction inclined with respect to the rotation axis from the outside through the hole formed at the outer edge of the helical wings And the wings are connected and supported to each other, the spiral wing unit according to the present invention is completed (S5).
도 2(a)에서 (f)는 나선형 날개를 FRP 성형법으로 성형하는 과정을 나타낸 도면이고, 도 3은 FRP 성형법으로 성형된 나선형 날개의 사시도이다.Figs. 2 (a) to 2 (f) show a process of forming a helical blade by an FRP molding method, and Fig. 3 is a perspective view of a helical blade formed by a FRP molding method.
나선형 날개를 FRP 성형법으로 성형하기 위해서는 먼저, 원단 형태로 된 유리 섬유, 탄소 섬유, 베이솔트 섬유 등(Glass Fiber, Carbon Fiber, Basalt Fiber, Etc., 이하, "원단"이라 칭함)을 도 2(a)에 나타낸 바와 같이 나선형 날개(Spiral blade)의 전개도에 따라 재단한다. 유리 섬유 등으로 된 원단(31)의 두께는 약 1㎜ 정도의 것을 사용하다.In order to form the helical wings by the FRP molding method, glass fibers, carbon fibers, and basalt fibers (hereinafter referred to as " fabrics " Cut according to the development of the spiral blade as shown in a). The material 31 made of glass fiber or the like has a thickness of about 1 mm.
재단한 유리 섬유 등의 원단(31)에 도 2(b)에 나타낸 바와 같이 FRP 성형용 수지(40)를 도포하여 함침 시킨다.As shown in Fig. 2 (b), the
수지를 도포하여 함침한 원단 위에 도 2(c)에 나타낸 바와 같이 재단한 원단(32) 1겹을 추가로 적층하고 수지(40)를 도포하여 함침 시킨다.A single layer of the
그런 다음 다시 도 2(d)에 나타낸 바와 같이 재단한 원단(33) 1겹을 추가하여 3단으로 적층하고 추가한 원단에 수지를 도포하여 함침 시킨다. 나선형 날개의 강도를 더 크게 하거나 두께를 증가시킬 필요가 있는 경우, 추가로 원단을 더 적층하고 수지를 도포하여 함침 시킬 수 있다.Thereafter, as shown in Fig. 2 (d), one cut of the
위의 과정으로 적층된 적층 소재(30)를 도 2(e)에 나타낸 바와 같이 나선형 날개 형태의 몰드(50)에 올려 적층 소재(30)가 나선형 날개 형상을 하도록 모양을 잡는다.2 (e), the
때에 따라, 위와 같이 별도로 적층 완료된 적층 소재(30)를 날개 형태의 몰드(50) 위에 올려 날개형상을 하도록 성형하는 것 이외에, 날개 형태의 몰드(50) 위에 재단한 원단(31, 32, 33) 각각을 순서대로 직접 적층하면서 날개를 성형하는 것도 가능하다.The
적층 소재(30)를 도 2(f)에 나타낸 바와 같이 몰드(50)에 결합한 상태로 일정 시간 경화시킨 후 몰드(50)에서 탈거하면 도 3에 나타낸 바와 같은 나선형 날개(110)가 완성된다. 이러한 방법으로 필요한 개수만큼 나선형 날개(110)들을 만든다.The
나선형 날개(110)의 바깥쪽 가장자리는 회전 시 안쪽보다 상대적으로 큰 힘을 받는 부분이므로 FRP 재료를 적층 성형하여 바깥쪽 가장자리를 따라 도 5에 나타낸 바와 같이 테두리(112)를 형성하는 것이 바람직하다.Since the outer edge of the
도 4는 외주면에 나사산이 형성된 회전축과 3개의 나선형 날개를 지그에 장착한 상태를 나타낸 사진, 도 5는 날개 연결구로 날개들을 연결한 상태를 나타낸 사진이다.FIG. 4 is a photograph showing a rotating shaft having a thread formed on the outer circumferential surface thereof, three spiral wings mounted on the jig, and FIG. 5 is a photograph showing the wings connected to the wing connector.
도 4와 5를 참고하여 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛(100)을 만드는 과정을 더 자세히 설명하면 다음과 같다.The process of making the
도 2와 3을 통해 설명한 방법으로 만들어진 나선형 날개(110)는 회전축(120)에 부착하기 위해 형성하는 FRP 성형층과 접착이 잘 될 수 있도록 일정 폭의 뿌리 부분(114)을 따라 그라인딩 한다. 이때 뿌리 부분(114)의 두께는 내측으로 갈수록 점점 줄어들도록 한다. 테두리(112)를 형성하고자 하는 경우, 나선형 날개(110)의 가장자리를 따라서도 그라인딩을 한다. 그런 다음 나선형 날개(110)들을 도 4에 나타낸 바와 같이 지그(60)에 장착한다.The
지그(60)는 중심부 홈(62)에 회전축(120)을 꽂아서 수직으로 지지할 수 있는 하부 지그(61)와 중심에 회전축(120)이 통과할 수 있는 통공이 형성되어 있고 그 통공 주위를 따라 120도 간격으로 날개 지지홈(66)이 형성된 상부 지그(65)로 구성하는 것이 바람직하다.The
지그(60)를 사용하는 목적은 나선형 날개(110)들이 회전축(120) 외주면에 부착된 상태와 같은 상태로 자세를 유지할 수 있도록 하기 위한 것이므로, 회전축(120)과 나선형 날개(110)들의 자세를 나선형 날개(110)들이 회전축(120) 외주면에 부착된 상태와 같은 상태로 유지할 수 있는 것이라면 다른 형태의 것도 사용할 수 있다. 나선형 날개(110)를 1개씩 세팅하여 회전축 외주면에 차례대로 부착하는 방법을 이용할 수도 있으나 작업 효율이 떨어지고, 그 작업과정도 매우 어려울 것이므로, 도 4에 나타낸 바와 같이 회전축(120) 외주면에 부착하기 위한 나선형 날개(110) 3개 전부를 한꺼번에 세팅한 상태에서 회전축(120) 외주면에 접합하여 고정하는 작업을 하는 것이 바람직하다.The purpose of using the
도 4와 같이 세팅한 상태에서 나선형 날개(110)의 뿌리 부분과 나사산(122)이 형성된 회전축(120)의 외주면에 걸쳐서 수지를 도포하고, 띠형태로 절단한 유리 섬유 등 강화재의 원단을 나선형 날개(110)의 뿌리 부분(114)과 나사산(122)이 형성된 회전축(120)의 외주면에 걸쳐서 부착하고, 부착된 유리섬유 등 강화재 원단에 수지를 도포하여 함침시키고, 다시 그 위에 유리 섬유 등 강화재를 부착하고 수지를 도포하여 함침시키는 과정을 몇 차례 반복하고 경화시켜서 도 5에 표시한 바와 같은 FRP 적층부(130)를 형성하여 나선형 날개(110)가 회전축(120) 외주면에 고정되게 한다. 필요한 경우, 테두리(112)도 같은 방법으로 성형한다. The resin is applied over the roots of the
나사산(122)은 FRP 적층부(130)의 접합면적을 증가시키고, 회전축(120)에 대해 FRP 적층부(130)가 상대적인 변위를 일으키는 것을 방지하는 역할을 한다. 즉, 나사산(122)은 나선형 날개(110)가 회전축(120) 외주면에 견고하게 부착되어 있게 하는 역할을 한다. 이러한 나사산(122)은 나선형 날개(110)가 부착되는 전 구간에 걸쳐서 형성하여도 되지만, 때로는 일부 구간에는 나사산(122)을 형성하지 않을 수 있고, 구간을 나누어 서로 반대방향으로 나사산을 형성할 수 있다. 때에 따라, 나사산(122)의 형성 방향은 나선형 날개(110)의 회전방향이 체결방향이 되도록 형성하는 것이 바람직할 수 있다.The
더 나아가 회전축(120)의 일단 또는 양단에 FRP 적층부(130)가 회전축(120)에 대해 상대적인 회전을 하여 변위하는 것을 방지하기 위한 회전방지 구조물을 더 설치할 수 있으나, 없어도 충분하다. 회전방지 구조물로는 FRP 적층부(130)의 끝 부분에 단을 형성하거나, 핀 등을 설치하면 된다.Furthermore, the rotation preventing structure may be provided at one end or both ends of the
나사산(122) 대신에 회전축(120) 외주면에 원주 방향으로 배치된 홈 또는 돌기들을 회전축(120)의 길이 방향으로 간격을 두고 형성할 수 있고, 회전축(120) 길이 방향의 돌기들이나 홈 등 여타의 형태의 요철부가 형성될 수 있고, 2개 이상의 종류의 것이 혼합되어 형성되는 것도 가능하다.Instead of the
나사산 이외의 요철을 형성하는 방법으로 샌드 블라스팅(sand blasting), 스틸 그릿 블라스팅 (steel grit blasting), 홈가공 등의 방법이 이용될 수 있다.Methods such as sand blasting, steel grit blasting, and grooving may be used to form the irregularities other than the threads.
한편, 본 발명자는 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛의 연구과정에서 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛(100)은 바람을 받는 면적이 크기 때문에 바람이 세게 부는 경우 각각의 나선형 날개(110)가 받는 힘은 매우 커서, 기존의 일반 풍력 발전기용 날개에서와는 달리 나선형 날개(110)들에 떨림 현상이 생기는 것을 발견하였다. 이 떨림 현상이 반복되다 보면 나선형 날개(110)들이 파손될 수 있음도 알아차렸다.Meanwhile, the inventor of the present invention has found that the
본 발명자는 이러한 나선형 날개의 떨림 현상을 해결하고자 나선형 날개(110)의 두께를 크게 하는 것을 생각해보았으나 나선형 날개(110)의 두께가 커지면 발전 효율이 떨어지고 날개 제작에 드는 비용과 시간이 증가하고, 날개를 운반하기도 어려워진다.The present inventor has considered to increase the thickness of the
본 발명자는 나선형 날개의 두께를 증가시키지 않으면서도 나선형 날개(110)들의 떨림 현상을 해결할 수 있는 방안을 모색하여, 본 발명에 따른 날개 연결구(140)를 통해 나선형 날개(110)들의 바깥쪽 가장자리를 회전축(120)을 향하며 회전축에 대해 경사진 방향으로 서로 연결하여 보강하는 방법을 안출하였다.The present inventor has found a way to solve the tremble phenomenon of the
나선형 날개(110) 3개를 사용하는 본 실시 예에서는 날개 연결구(140) 3개를 사용하여 120도 간격으로 세 군데에 설치하는 것을 먼저 고려해볼 수 있고, 필요에 따라 이웃하는 날개 연결구(140)들 사이에 1개씩 3개 정도 더 설치할 수도 있다. 나선형 날개(110)가 회전축(120)에 부착된 상태에서 가장 떨림이 많이 발행할 수 있는 부분은 회전축(120)에서 가장 멀리 배치되는 부분이므로 나선형 날개(110)의 가장 넓은 부분의 바깥쪽 모서리 부근 및 이웃 나선형 날개(110) 이에 대응되는 위치에 구멍을 각각 형성하고 이 구멍들을 통해 날개 연결구(140)를 설치하여 나선형 날개(110)들을 지지한다. 때에 따라 구멍은 나선형 날개(110)를 회전축(120)에 부착하기 전에 미리 형성해 둘 수 있다.In the present embodiment using three
날개 연결구(140)는 2개 이상의 나선형 날개(110)를 관통하며 외주면에 나선(142)이 형성된 연결봉(141)과 나선에 결합되는 너트(143)를 포함하여 구성되는 데 이에 대해서는 도 6에서 8을 통해 더 자세히 설명한다.The
도 6은 날개 연결구가 나선형 날개에 결합한 부분의 확대도이고, 도 7은 도 6 경사부재와 와셔를 나타낸 사시도이다.Fig. 6 is an enlarged view of a portion where the vane coupling is engaged with the spiral vane; and Fig. 7 is a perspective view showing the inclined member and the washer of Fig.
도 5를 함께 참고하면, 본 발명에 따른 날개 연결구(140)는 2개 이상의 나선형 날개(110)를 관통하며 외주면에 나선(142)이 형성된 연결봉(141)을 갖춘다. 나선(142)은 너트(143)가 체결되는 부위에만 부분적으로 형성된 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 날개 연결구(140)는 경사부재(144)를 갖춘다. 경사부재(144)는 나선형 날개(110)의 표면이 원주 방향을 따라 곡률 반경이 변하면서 경사지게 배치된 것을 보상하여 와셔(145)와 너트(143)가 회전축(120)의 중심을 향해 그리고 회전축(120)에 경사진 방향으로 날개 표면에 균일하게 힘을 가할 수 있도록 하기 위한 것이다. 이러한 경사부재(144)는 나선형 날개(110)의 표면에 면접촉하는 부분으로 그 모습은 도 7에 도시되어 있다. 도 6과 7을 통해 알 수 있는 바와 같이 경사부재(144)는 중심부에 연결봉(141)의 통과를 허용하는 구멍(144a)을 가지며, 쐐기형상을 하고 있다. 이러한 경사부재(144)로는 폴리우레탄 등의 탄성을 가지는 고무재료나 알루미늄으로 만든 것이 적당하고, 때에 따라 플라스틱이나 철재로 만들 것도 사용될 수 있다. 바람직하게, 경사부재(144)의 상면에는 와셔를 장착할 수 있는 홈이 형성되어 있다. 경사부재(144) 대신에 나선형 날개(110) 표면에 경사부재 형태의 경사부가 일체로 형성될 수 있다. 이 경우, 경사부는 경사면을 가지는 돌기 형태를 할 것이다. 인젝션 몰드 방식으로 나선형 날개(110)를 만들 때 특히 그러하다.Referring to FIG. 5, the
경사부재(144) 바깥쪽으로 와셔(145)가 결합되어 있고, 그 바깥으로 나선(142)에 결합하여 와셔(145)와 경사부재(144)를 나선형 날개(110) 표면을 향해 가압하여주는 너트(143)가 결합되어 있다. 그리고 너트(143)가 풀려 나선형 날개(110) 간의 연결이 너슨 해지는 것을 방지하기 위해 너트 풀림 방지핀(146)이 연결봉(141)에 결합되어 있다. 이러한 경사부재(144), 와셔(145), 너트(143) 및 너트 풀림 방지핀(146)은 나선형 날개(110)의 양쪽 표면에 모두 설치될 수 있지만, 나선형 날개(110)는 주로 바깥쪽으로 변형을 함으로 일반적으로는 바깥쪽 부분에만 설치하는 것도 무방하다.A
너트 풀림 방지핀(146) 대신에, 바람직하게, 체결부위에 실리콘 충전재(Sillicon Filler)를 강제 주입하고 커버를 씌우는 방법을 사용할 수 있다. 이때 너트(143)로는 시중에 판매되고 있는 엔와이록 너트(Nylock nut)로 알려진 나이론 삽입 너트(Nylon insert net)가 적당하다.Instead of the nut releasing
그 외에 더블 너트를 사용하는 것을 생각해볼 수 있으나 너트의 풀림방지를 완전하게 보장하는 측면에서는 바로 앞에서 설명한 것보다는 바람직하지 않다. 또 너트를 용접으로 볼트에 고정하는 방식, 연결봉(141) 끝을 구부리는 방식, 나사산을 손상시키는 방식, "U"자 형태의 부재를 날개 가장자리에 끼워서 고정하는 방식을 이용할 수 있는 데, 각각의 방식에 따라 장단점이 있으므로 나선형 날개 유닛의 크기나 용처 등에 따라 선택하여 사용할 수 있다.In addition to this, it is possible to consider using a double nut, but this is not preferable to the one described above in terms of completely ensuring the prevention of loosening of the nut. It is also possible to use a method of fixing the nut to the bolt by welding, a method of bending the end of the connecting
더 나아가 록타이트(Loctite) 같은 접착제를 이용한 화학적 결합방식이 이용될 수 있다.Furthermore, a chemical bonding method using an adhesive such as Loctite can be used.
내구성을 좋게 하고 튼튼하게 하기 위해서는 가급적 경사부재(144)를 사용하는 것이 바람직 하지만, 때에 따라, 경사부재(144)를 사용하지 않고 구성하여도 된다. 경사부재(144)를 사용하지 않아도 구조상 크게 문제되지는 않는다. It is preferable to use the
도 8은 날개 연결구의 변형 예를 설명하기 위한 부분 확대도이다.8 is a partial enlarged view for explaining a modified example of the blade connector.
때에 따라, 도 6과 7에서 설명한 경사부재 대신에 구면이 형성된 부재들을 이용하여 본 발명에 따른 날개 연결구(140)를 구성할 수 있다.In some cases, the
즉, 본 발명에 따른 날개 연결구(140)는 2개 이상의 나선형 날개(110)를 관통하며 외주면에 나선(142)이 형성된 연결봉(141)을 갖춘다. 연결봉(141) 외주면에는 나선형 날개(110) 표면쪽 내측에 제1구면부재(147)가 결합되어 있다. 이 제1구면부재(147)는 내측면이 나선형 날개(110) 표면에 면접촉하고 있다. 제1구면부재(147)의 외면은 바깥으로 볼록한 볼록구면으로 형성되어 있다. 제1구면부재(147) 바깥으로 오목구면이 형성된 제2구면부재(148)가 설치되어 있다. 오목구면은 볼록구면에 결합하여 나선형 날개(110) 표면의 경사를 보상하여 와셔(145)와 너트(143)가 회전축(120)의 중심을 향해 그리고 회전축(120)에 경사진 방향으로 날개 표면에 균일하게 힘을 가할 수 있도록 하는 역할을 한다. 오목구면과 볼록구면의 형성 위치는 서로 바뀔 수 있다. 본 발명에 따른 날개 연결구(140)는 연결봉(141) 외주면에 결합되고 제2구면부재(148) 바깥으로 배치된 와셔(145) 및 나선(142)에 결합하여 제1, 제2구면부재(147, 148)와 와셔(145)를 나선형 날개(110) 표면을 향해 가압하여주는 너트(143)를 갖추고 있다.That is, the
나머지는 도 6과 6을 통해 설명한 것과 같다.The remainder is the same as described in FIGS. 6 and 6.
도 9는 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛을 이용한 풍력발전기를 나타낸 측단면도이다.9 is a side cross-sectional view illustrating a wind power generator using a spiral blade unit according to the present invention.
도 9에 나타낸 풍력 발전기(200)는 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛(100)을 갖추고 있다. 이 나선형 날개 유닛(100)은 회전축(120)이 수평으로 배치된 상태에서, 그 양단이 지지프레임(150)에 지지가 된 상태로 회전축(120)을 중심으로 회전 가능케 설치되어 있다.The
회전축(120)의 일단에는 발전기(160)가 결합되고, 타단에는 RPM 측정기(170)가 설치되어 있다. 바람직하게, 회전축(170)의 타단 쪽에는 풍속이 매우 강할 때에도 일정 RPM을 초과하지 않도록 하기 위한 브레이크가 더 설치된다. 날개가 너무 빨리 돌아가면 날개 등이 파손되는 문제가 생길 수 있다.A
때에 따라, 점검이나 수리 등을 위해 필요 시 나선형 날개 유닛(100)의 회전을 멈출 수 있도록 하기 위한 회전 멈춤용 브레이크 등도 더 설치될 수 있다. 여기에서 발전기(160)와 브레이크는 그 설치위치를 서로 바꾸어 설치될 수 있음은 물론이다. 어떤 경우에는, 발전기(160)와 브레이크가 같은 쪽에 설치될 수도 있을 것이다.A rotation stopping brake for stopping the rotation of the
지지프레임(150)은 지주(180)에 회전 가능케 설치된 수직축(182)에 결합되어 수직축(182)을 중심으로 제자리 회전 가능케 설치되어 있다.The
이에 따라 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛(100)은 지지프레임(150)에 지지가 된 상태로 자체의 회전축(120)을 중심으로 회전할 수 있는 상태에서 바람의 방향에 따라 수직축(182)을 회전 중심으로 하여 수평방향으로도 회전할 수 있다.Accordingly, the
도 9의 상태에서, 화살표 방향으로 바람이 부는 경우, 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛(100)은 도 9의 상태에서 회전축(120)을 중심으로 회전하면서 발전기(160)를 구동하여 발전한다. 회전축(120)의 회전수는 RPM 측정기(170)에서 측정되어 표시된다. RPM 측정기(170)에서 측정된 데이터와 발전량을 참고하여 바람의 세기에 따른 발전 량 등을 산정하여 풍력 발전기(160)의 관리에 활용할 수 있다.In the state of FIG. 9, when the wind is blown in the direction of the arrow, the
화살표 방향으로 불던 바람의 방향이 바뀌는 경우, 나선형 날개(110)들은 좌우에 받는 바람의 힘에 불균형이 생기고, 이에 따라 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛(100)은 수직축(182)을 중심으로 회전하여 나선형 날개(110)들에 좌우로 작용하는 힘이 균형을 이루도록 한다. When the direction of the wind blowing in the direction of the arrow changes, the
이에 따라 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛(100)은 지지프레임(150)에 지지가 된 상태로 수직축(182)을 중심으로 하여 바람이 불어오는 방향으로 자동으로 회동하게 된다.Accordingly, the
본 발명은 유체의 흐름, 특히 바람을 운동에너지로 변환하고 이것으로부터 전기에너지를 얻을 수 있게 하는 데 사용되는 나선형 날개 유닛의 제조에 이용될 가능성이 있다.The present invention is likely to be used in the manufacture of spiral wing units that are used to convert the flow of fluids, particularly wind, into kinetic energy and obtain electrical energy therefrom.
100: 나선형 날개 유닛 110: 나선형 날개
120: 회전축 122: 나사산
130: FRP 적층부 140: 날개 연결구
150: 지지프레임 160: 발전기
170: RPM 측정기 180: 지주
182: 수직축100: Spiral wing unit 110: Spiral wing
120: rotation axis 122:
130: FRP laminated portion 140: wing connector
150: support frame 160: generator
170: RPM Meter 180: Holding
182:
Claims (13)
나선형 날개들을 각각 제작하는 단계;
외주면에 요철이 형성된 회전축을 준비하는 단계;
상기 나선형 날개들과 상기 회전축을 서로 부착하기 위한 자세로 지그에 고정하는 단계; 및
상기 나선형 날개들의 뿌리 부분과 상기 요철이 형성된 상기 회전축 외주면에 걸쳐서 FRP 성형법으로 FRP 성형재료를 덧붙여가면서 반복 적층 하여 상기 나선형 날개들을 상기 회전축 외주면에 고정하는 날개 고정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나선형 날개 유닛 제조방법.In the method of making the helical wing unit by fixing the helical wings around the rotational axis,
Fabricating each of the spiral wings;
Preparing a rotating shaft having an uneven surface on an outer peripheral surface thereof;
Fixing the spiral wings to the jig in a posture for attaching the rotary shaft to each other; And
And a blade fixing step of fixing the helical blades to the outer circumferential surface of the rotating shaft by repeatedly laminating the FRP forming material over the roots of the helical blades and the outer circumferential surface of the rotating shaft having the concavities and convexities by an FRP molding method, Unit manufacturing method.
상기 나선형 날개들의 뿌리 부분과 상기 회전축 외주면은 FRP 성형법으로 FRP 성형재료를 덧붙여가면서 반복하여 적층 하여 성형한 FRP 적층부에 의해 서로 고정되어 있고,
상기 회전축의 외주면에는 상기 FRP 적층부의 견고한 고정을 위한 요철이 형성된 것을 특징으로 하는 나선형 날개 유닛.In a spiral wing unit having a rotating shaft and a plurality of helical wings attached with a root portion along the circumferential surface of the rotating shaft,
Wherein the root portion of the helical wings and the outer circumferential surface of the rotating shaft are fixed to each other by an FRP laminated portion formed by repeatedly laminating the FRP molding material while the FRP molding material is added thereto,
And a ridge and groove for firmly fixing the FRP laminated portion is formed on an outer circumferential surface of the rotating shaft.
상기 나선형 날개 유닛의 회전축 양단을 수평으로 그리고 회전 가능케 지지하는 지지프레임; 및
상기 회전축에 결합되어 발전하는 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.A spiral wing unit according to any one of claims 4 to 10;
A support frame for horizontally and rotatably supporting both ends of the rotary shaft of the helical wing unit; And
And a generator connected to the rotating shaft and generating electric power.
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