KR101794037B1

KR101794037B1 - 나선형 블레이드 제조방법

Info

Publication number: KR101794037B1
Application number: KR1020160057543A
Authority: KR
Inventors: 박상후; 양성문; 지호성; 백준호; 마리너스 미에레메트; 김봉식; 민성규
Original assignee: 부산대학교 산학협력단; 주식회사 에스코알티에스
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2017-11-07

Abstract

본 발명은, 나선형 블레이드 제조방법에 있어서, 벤딩대상 판재를 준비하는 단계와; 상하로 배치된 한 쌍의 원추형롤러 사이와, 상기 원추형롤러의 양측에 수평으로 배치된 한 쌍의 원통형롤러의 상부를 지나가도록 상기 판재를 인입하는 단계와; 상기 원추형롤러의 회전을 통해 상기 판재가 이동할 때 상기 원통형롤러 간의 높이차 및 배치각도를 변화시켜 가변곡률을 갖도록 상기 판재를 벤딩하여 블레이드유니트를 형성하는 단계와; 상기 블레이드유니트를 복수 개로 구성하여 샤프트에 결합하는 단계를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 복수의 롤러 간 높이차 및 각도배치를 조절하여 가변곡률을 갖도록 연속적으로 벤딩가능한 효과를 얻을 수 있다.

Description

나선형 블레이드 제조방법 {Method of manufacturing a spiral blade}

본 발명은 나선형 블레이드 제조방법에 있어서, 더욱 상세하게는 복수의 롤러 간 높이차 및 각도배치를 조절하여 가변곡률을 갖도록 연속적으로 벤딩가능한 나선형 블레이드 제조방법에 관한 것이다.

항공, 에너지, 조선, 건설 산업 또는 풍력 발전 타워의 제조에 널리 사용되는 블레이드(blade)는 동체나 여러 가지 부품들을 구성하는 데 필수적으로 사용되고 있는 구성 중 하나이다. 이러한 블레이드를 제조하는 종래기술로는 복수의 블레이드가 서로 동일한 크기 및 형상을 가지도록 '대한민국특허청 공개특허 제10-2009-0128159호 고강도 경량화된 풍력 회전익 제조 방법'과 같이 1 및 2차 가공금형에서 피가공물을 가공하여 블레이드의 심재를 이루도록 한 후 심재의 표면재를 접합하고, 심재와 표면재를 열매체유공급금형에서 융착 및 냉각시켜 블레이드를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 하지만 이와 같이 블레이드 형상의 금형을 이용하여 블레이드를 제조할 경우 블레이드의 크기가 커질수록 그에 따라 금형의 크기가 증가하여야 하는데, 블레이드의 크기에 맞춰 금형의 크기가 증가하는 데에는 한계가 있다. 특히 조선 또는 건설 산업의 경우 대형 블레이드 형상을 제조해야 하는데, 이는 금형을 이용하여 제조하기는 거의 불가능하다. 따라서 대형 판재를 벤딩하여 블레이드를 제조하는 기술을 이용하여야 한다.

판재를 벤딩하는 기술 중 하나인 롤 포밍(roll forming) 공정은, 최근 판재를 이용하여 동체나 여러 가지 부품들을 구성하는 데 필수적으로 사용되고 있다. 롤 포밍 공정은 다양한 사이즈 및 형상의 롤을 통해 판재를 벤딩하여 블레이드를 제조하는 공정으로, 이중 곡률을 갖는 플라스틱 판재 또는 금속 판재를 블레이드로 가공하는 데 이용되고 있다. 종래의 롤 포밍 공정은 '대한민국특허청 등록특허 제10-0181702호 유리시이트 굽힘 방법 및 장치' 및 '대한민국특허청 공개특허 제10-2012-0130324호 롤러 베어링 케이지를 위한 통합된 롤링 및 벤딩 공정'과 같이 종래의 롤 벤딩 장치는 3롤 또는 4롤 벤딩 머신으로 나누어져 있으며, 원하는 목적 형상에 따라 롤의 형태를 다르게 사용하고 있다.

롤의 형태는 일정한 곡률을 지닌 conical-type 또는 cylindrical-type이 있는데, 이러한 롤을 이용할 경우 블레이드를 제작하는 데 있어 일정한 곡률을 가진 형상으로 제작이 국한되어 있어 3차원 다중 곡률의 복잡한 스파이럴 형상의 블레이드를 제작하는 데 어려움이 있다.

대한민국특허청 공개특허 제10-2009-0128159호 대한민국특허청 등록특허 제10-0181702호 대한민국특허청 공개특허 제10-2012-0130324호

따라서 본 발명의 목적은 복수의 롤러 간 높이차 및 각도배치를 조절하여 가변곡률을 갖도록 연속적으로 벤딩가능한 나선형 블레이드 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적은, 벤딩대상 판재를 준비하는 단계와; 상하로 배치된 한 쌍의 원추형롤러 사이와, 상기 원추형롤러의 양측에 수평으로 배치된 한 쌍의 하부원통형롤러의 상부를 지나가도록 상기 판재를 인입하는 단계와; 상기 원추형롤러의 회전을 통해 상기 판재가 이동할 때 상기 원통형롤러 간의 높이차 및 배치각도를 변화시켜 가변곡률을 갖도록 상기 판재를 벤딩하여 블레이드유니트를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나선형 블레이드 제조방법에 의해 달성된다.

여기서, 상기 벤딩대상 판재를 준비하는 단계는, 원판을 준비하는 단계와; 상기 원판의 반지름인 제1직선, 상기 제1직선과 대향하는 영역에 상기 제1직선과 평행하도록 형성된 제2직선, 상기 제1직선 및 상기 제2직선을 연결하는 제1곡선을 따라 상기 원판을 재단하는 단계를 포함하거나, 상기 벤딩대상 판재를 준비하는 단계는, 원판을 준비하는 단계와; 상기 원판의 반지름인 제1직선, 상기 제1직선과 대향하는 영역에 상기 제1직선과 어긋나는 각도로 형성된 제2직선, 상기 제1직선 및 상기 제2직선을 연결하는 제1곡선을 따라 상기 원판을 재단하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 원판을 재단하는 단계는, 상기 원판의 외주연에 형성되는 임의의 곡선인 제2곡선에 의해 추가 재단되며, 상기 판재를 벤딩하여 블레이드유니트를 형성하는 단계는, 상기 판재가 인출되는 영역에 배치된 상기 하부원통형롤러의 위치를 상승시켜 상기 하부원통형롤러의 높이차를 변화시킴과 동시에 상기 판재가 인출되는 영역에 배치된 상기 하부원통형롤러의 외주측 단부를 상기 원추형롤러로부터 이격시켜 상기 하부원통형롤러의 배치각도를 변화시킴으로 인해 상기 판재가 길이방향 곡률을 갖도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 판재를 벤딩하여 블레이드유니트를 형성하는 단계는, 한 쌍의 상기 하부원통형롤러의 상부에 한 쌍의 상부원통형롤러를 배치하여 상기 판재가 상기 상부원통형롤러의 하부를 지나가도록 하고, 상기 판재가 인출되는 영역에 배치된 상기 상부원통형롤러 및 상기 하부원통형롤러를 경사지게 상승시켜 특정 위치에서 외주방향 이중곡률을 갖도록 상기 판재를 벤딩하며, 상기 판재가 인출되는 영역에 배치되며 경사진 상기 상부원통형롤러 및 상기 하부원통형롤러는 상기 판재의 외주방향에 배치된 일단부가 타단부보다 낮은 높이에 있도록 배치되는 것이 바람직하며, 한 쌍의 상기 상부원통형롤러는 상기 판재의 찍힘현상을 방지하도록 타단부가 돔(dome) 형상 또는 부드러운 접촉이 되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 판재를 벤딩하여 블레이드유니트를 형성하는 단계는, 상기 판재가 가변곡률로 벤딩되도록 상기 판재를 임의의 원호길이로 구간을 나누고 각 구간에 따른 곡률중심을 결정하며, 상기 판재를 벤딩할 때 각 구간에 해당되는 곡률중심과 상기 원추형롤러의 단부중심을 맞춰 상기 원추형롤러를 회전시키며, 상기 판재를 각 구간으로 나눈 원호길이는 상기 하부원통형롤러에 인입되는 상기 판재의 일단에서 타단으로 갈수록 점진적으로 감소하며, 상기 판재를 나눈 구간은 각 구간의 평균 곡률 각도가 1 내지 2°차이인 것이 바람직하다.

상기 판재를 벤딩하여 블레이드유니트를 형성하는 단계는, 상기 판재의 곡률각도가 6 내지 15°로 연속적으로 가변되도록 상기 원통형롤러의 각도를 조절하며, 상기 판재를 벤딩하여 블레이드유니트를 형성하는 단계는, 상기 판재의 단부가 벤딩되는 지점에서 상기 판재를 축방향으로 당겨 상기 판재의 인접 영역간 거리를 감소시키는 것이 바람직하며, 상기 블레이드유니트를 형성하는 단계 이후에, 상기 블레이드유니트를 복수 개로 구성하여 샤프트에 결합하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 블레이드유니트를 복수 개로 구성하여 샤프트에 결합하는 단계는, 상기 블레이드유니트의 곡률각도가 큰 단부를 상기 샤프트에 결합하며, 복수의 상기 블레이드유니트가 서로 동일한 각도로 상기 샤프트에 결합되는 것이 바람직하다.

상기한 목적은 또한, 상기의 제조방법을 통해 제조되는 복수의 블레이드유니트를 포함하는 것을 특징으로 하는 나선형 블레이드에 의해서도 달성된다.

상술한 본 발명의 구성에 따르면 더욱 상세하게는 복수의 롤러 간 높이차 및 각도배치를 조절하여 가변곡률을 갖도록 연속적으로 벤딩가능한 효과를 얻을 수 있다.

또한 상부원통형롤러에 의해 내, 외주 방향으로 안장(saddle) 형태의 이중 곡률을 구현할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나선형 블레이드의 조립사시도이고,
도 2는 나선형 블레이드의 분해사시도이고,
도 3은 나선형 블레이드 제조방법의 순서도이고,
도 4 및 도 5는 벤딩대상 판재의 정면도이고,
도 6 내지 9는 벤딩대상 판재의 벤딩 과정을 나타낸 상태도이고,
도 10은 이중곡률을 갖는 나선형 블레이드유니트의 사시도이고,
도 11은 블레이드유니트의 이중굽힘 형상을 나타내는 사시도이고,
도 12는 벤딩대상 판재의 곡률중심 및 교차중심을 나타낸 상태도이고,
도 13은 블레이드유니트의 가변곡률을 나타낸 정면도 및 측면도이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 나선형 블레이드 및 그 제조방법을 상세히 설명한다.

본 발명을 통해 제조되는 나선형 블레이드(1)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 샤프트(30)와, 샤프트(30)에 결합되며 벤딩대상 판재(10)의 벤딩을 통해 얻어지는 복수의 블레이드유니트(50)를 포함한다.

이러한 나선형 블레이드(1)를 제조하는 방법은 도 3에 도시된 바와 같이, 벤딩대상 판재(10)를 준비하는 단계로 먼저, 원판을 준비한다(S1).

원판의 경우에는 금속소재로 이루어진 원판인 것이 바람직하다. 금속소재가 아닌 플라스틱과 같은 소재의 경우에는 사출성형으로 블레이드를 형성하기 쉬우나, 금속소재의 경우 특히 1m 이상의 대형 금속 블레이드를 제조할 경우 사출성형으로 불가능하기 때문에 벤딩 방법을 이용하여 블레이드를 제조해야 한다. 이를 위해 본 발명에서는 벤딩 방법 중 롤을 이용한 롤포밍(roll-forming) 공법을 이용하여 금속소재 블레이드유니트(50)를 제조한다. 금속소재의 경우 시중에 판매되는 모든 금속을 사용 가능하나, 본 발명에서는 스테인레스 스틸(stainless steel)을 사용하는 것이 가장 바람직하다.

원판을 재단하여 벤딩대상 판재를 형성한다(S2).

금속소재로 이루어진 원판을 블레이드유니트(50) 형상에 맞게 레이저 커팅(laser cutting) 공법을 이용하여 재단하여 도 4에 도시된 벤딩대상 판재(10a)를 형성한다. 원판의 재단이 이루어지는 드로잉 선은 원판의 반지름에 해당하는 제1직선(11a)과, 원판을 반으로 나누었을 경우 제1직선(11a)에 대향하는 영역에 평행하도록 형성된 제2직선(12a)과, 제1직선(11a) 및 제2직선(12a)을 연결하는 곡선(14a)으로 이루어진다. 드로잉 선을 좀 더 상세히 설명하면, 제2직선(12a)의 경우 최종으로 원판이 재단되어 형성되는 판재(10a)의 면적이 원판의 전체면적 중 1/2보다 작은 면적을 갖도록 재단되며, 곡선(14a)의 경우 제1직선(11a) 및 제2직선(12a)을 따라 함몰되도록 형성된다.

또한 경우에 따라서 제2직선(12a)의 1/10 내지 1/5배의 단부 길이영역에 제2직선(12a)과 직각되도록 제3직선(13a)이 형성되며, 제3직선(13a)을 재단하여 제2직선(12a)의 단부를 제거할 수 있다. 판재(10a)의 벤딩을 통해 형성되는 블레이드유니트(50)가 샤프트(30)에 결합할 때 블레이드유니트(50)의 단부에 의해 원하는 형상으로 제대로 결합되지 않고 단부가 방해하는 경우가 생기는데, 이를 해결하기 위해 제3직선(13a)을 추가로 드로잉하게 된다. 이와 같이 제1직선(11a), 제2직선(12a), 제3직선(13a) 및 제1곡선(14a)으로 이루어진 드로잉 선을 따라 원판을 재단한다.

벤딩대상 판재(10a)는 도 4 뿐 아니라 도 5와 같은 형상으로 재단될 수도 있다. 도 5에 도시된 판재(10b)는 원판의 반지름에 해당하는 제1직선(11b)과, 원판을 반으로 나누었을 경우 제1직선(11b)에 대향하는 영역에 제1직선(11b)과 어긋나는 각도로 형성된 제2직선(12b)과, 제1직선(11b) 및 제2직선(12b)을 연결하는 제1곡선(11b)을 따라 원판을 재단하게 된다. 이는 도 4와 유사하나 제2직선(12b)이 제1직선(11b)과 평행하지 않는다는 점에서 차이가 있다.

또한 필요에 따라서 원하는 블레이드유니트(50)의 형상을 위해 도 4 및 도 5의 상태로 재단된 원판을 원판의 외주연에 형성되는 임의의 곡선인 제2곡선(15b)을 추가하고, 제2곡선(15b)에 의해 외주연이 추가 재단될 수도 있다. 외주연이 재단된 상태는 도 5를 통해 확인할 수 있다.

벤딩대상 판재(10)를 롤러 사이에 인입한다(S3).

S1 및 S2 단계를 통해 준비되는 벤딩대상 판재(10)를 도 6a 및 도 6b와 같이 한 쌍의 원추형롤러(100) 및 한 쌍의 하부원통형롤러(300)에 인입한다. 원추형롤러(100)를 이용한 롤 포밍 공정의 경우 일반적으로 큰 원추각을 갖는 형상을 만들기 위한 공정이다. 특히 블레이드유니트(50)의 성형을 위한 롤 벤더(roll bender)는 크게 판재의 이송을 위한 상, 하부에 배치되는 원추형롤러(conical roller, 100)와, 벤딩에 의한 곡률생성을 위한 하부원통형롤러(cylinderical roller, 300)로 구성된다. 이와 같은 롤 벤더에 벤딩대상 판재(10)를 상하로 배치된 한 쌍의 원추형롤러(100) 사이와, 원추형롤러(100)의 양측에 수평으로 배치된 한 쌍의 하부원통형롤러(300)의 상부를 지나가도록 인입한다.

경우에 따라서 도 7a 내지 7c에 도시된 바와 같이 한 쌍의 하부원통형롤러(300)의 상부에 한 쌍의 상부원통형롤러(500)를 배치할 수 있으며, 판재(10)는 하부원통형롤러(300)와 상부원통형롤러(500)의 사이를 지나 다시 하부원통형롤러(300)와 원추형롤러(100) 사이로 인입될 수 있다. 하부원통형롤러(300)는 판재(10) 전체에 곡률을 주도록 벤딩하기 때문에 판재(10)의 반지름과 길이가 같거나 더 길게 형성되는데 비해, 상부원통형롤러(500)의 경우 작동의 편의성을 위해 판재(10)의 반지름보다 짧은 길이로 형성되는 것이 바람직하나 경우에 따라서 하부원통형롤러(300)와 동일한 길이로 형성되어도 무방하다. 또한 외주측 단부를 벤딩하면서 상부원통형롤러(500)의 단부가 판재(10)와 접촉하게 되는데 이때 판재(10)에 스크레치 또는 찍힘 현상이 발생하는 것을 방지하도록 상부원통형롤러(500)의 단부는 둥근 돔(dome) 형상 또는 부드러운 접촉이 되는 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

판재(10)를 벤딩하여 블레이드유니트(50)를 형성한다(S4).

원추형롤러(100)의 회전을 통해 판재(10)가 이동할 때 하부원통형롤러(300) 간의 높이차 및 배치각도를 변화시켜 가변곡률을 갖도록 판재(10)를 벤딩하여 블레이드유니트(50)를 형성한다. 하부원통형롤러(300) 간 높이차 및 배치각도를 변화시키는 방법으로는, 도 8a 및 8b에 도시된 바와 같이 한 쌍의 하부원통형롤러(300) 중 판재(10)가 인출되는 영역에 배치된 하부원통형롤러(300)의 위치를 상승시켜 하부원통형롤러(300)의 높이차를 변화시키고, 마찬가지로 도 9a 및 9b와 같이 판재(10)가 인출되는 영역에 배치된 하부원통형롤러(300)의 외주측 단부를 원추형롤러(100)로부터 이격시켜 하부원통형롤러(300)의 배치각도를 변화시킨다. 이와 같은 도 6, 8 및 9 과정인 높이차 및 배치각도의 변화는 제조 시간을 고려할 경우 동시에 일어나는 것이 바람직하나 경우에 따라서 각각 순차적으로 반복되도록 일어날 수도 있다.

하부원통형롤러(300) 간 높이차 및 배치각도를 변화시키는 다른 방법으로는, 한 쌍의 하부원통형롤러(300)를 각각 상승 및 하강시켜 하부원통형롤러(300) 간 높이차를 변경시킬 수 있으며, 배치각도 변화의 경우에도 한 쌍의 하부원통형롤러(300)의 각 외주측 단부를 원추형롤러(100)로부터 이격시켜 변경 가능하다. 이러한 높이차 및 배치각도 변화 또한 동시에 일어나는 것이 바람직하나 경우에 따라서 순차적으로 일어날 수도 있다.

도 6, 8 및 9의 과정을 통해 형성되는 블레이드유니트(50)는 길이방향으로의 곡률을 갖지만 외주방향으로의 곡률은 갖지 못한다. 하지만 도 7에 도시된 바와 같이 상부원통형롤러(500)를 포함할 경우 도 10에 도시된 바와 같이 외주측 곡률을 가질 수 있으며, 길이방향으로는 가변곡률과 외주측의 곡률을 가지는 이중곡률을 나타내는 블레이드유니트(50)를 형성할 수 있다. 한 쌍의 하부원통형롤러(300)의 상부에 한 쌍의 상부원통형롤러(500)를 배치하여 판재(10)가 상부원통형롤러(500)의 하부를 지나가도록 하고, 판재(10)가 인출되는 영역에 배치된 상부원통형롤러(500) 및 하부원통형롤러(300)를 경사지게 상승시켜 원하는 부분에 외주방향으로 이중곡률을 갖도록 한다. 즉 판재(10)가 인출되는 영역에 배치되는 상부원통형롤러(500) 및 하부원통형롤러(300)는 경사진 상태가 되도록 배치되며, 이때 외주방향에 배치된 상부원통형롤러(500) 및 하부원통형롤러(300)의 일단부가 타단부보다 낮은 높이에 있도록 배치한다. 상부원통형롤러(500) 및 하부원통형롤러(300)가 경사지도록 배치됨에 의해 판재의 외주측을 가압하게 되고, 이와 같이 외주측 곡률을 형성할 경우 흔히 말하는 나팔관 형상의 단부를 포함한 블레이드유니트를 형성할 수 있게 된다. 외주방향 곡률의 경우 굽어지는 정도는 상부원통형롤러(500) 및 하부원통형롤러(300)의 경사 각도에 의해서 조절된다.

또한 하부원통형롤러(300)가 판재(10)를 벤딩하는 방향과 상부원통형롤러(500)가 벤딩하는 방향이 서로 반대로 굽힘을 주도록 할 수도 있다. 이는 상부원통형롤러(500) 및 하부원통형롤러(300)가 원추형롤러(100)와 각도가 틀어진 상태로 벤딩되어 판재(10)의 내주곡률과 외주곡률이 독립적으로 형성되는 안장(saddle) 형태의 이중굽힘을 발생시킬 수도 있다. 이때 상부원통형롤러(500)는 샤프트(30)에 결합하는 부분의 곡률 형성에 영향을 미치고, 하부원통형롤러(300)는 바깥방향에서 가변하는 곡률 형성에 영향을 미친다. 내주곡률은 전반적으로 작은 곡률반경을 가지고, 외주곡률은 처음과 끝 구간의 곡률반경 차이가 크다. 여기서 하부원통형롤러(300)에 의해 발생되는 내주곡률의 곡률반경이 작아지게 되면서 외주곡률의 곡률반경이 작아지게 되는데 외주곡률의 곡률반경이 큰 부분은 이 때문에 성형이 용이하지 않다. 따라서 외주곡률의 곡률반경이 큰 구간에서 상부원통형롤러(500)가 하부원통형롤러(300)의 반대방향으로 굽힘을 발생시켜 도 11에 도시된 바와 같이 이중굽힘이 발생하도록 한다.

공정에서 벤딩에 의한 곡률반경은 측면의 하부원통형롤러(300)의 이동량에 따른 높이차에 의해서 생성된다. 본 발명의 경우 판재(10)를 벤딩할 때 동일한 각도로 벤딩하는 것이 아닌 가변곡률을 갖도록 벤딩하기 때문에 하부원통형롤러(300)의 높이차 및 배치각도가 변경됨에 따라 원추형롤러(100)의 회전중심도 가변되어야 한다. 즉 판재(10)가 벤딩됨에 의해 원추형롤러(100)의 회전중심이 공정 중에 이동되어야 한다. 이러한 원추형롤러(100)의 회전중심은 다음과 같은 방법을 통해 결정된다.

도 12에 도시된 바와 같이 판재(10)가 가변곡률로 벤딩되도록 판재(10)를 임의의 원호길이를 갖도록 구간을 나누고, 각 구간에 따른 곡률중심을 예를 들어 C_a, C_b, C_c, C_d 및 C_e로 결정한다. 여기서 임의의 원호길이는 하부원통형롤러(300)에 인입되는 판재(10)의 일단에서 타단으로 갈수록 그 길이가 점진적으로 감소하도록 구간을 나누는 것이 바람직하다.

구간의 개수와 동일한 개수로 형성된 곡률중심은 판재(10)가 해당 구간을 지나갈 때 즉, C_a 곡률중심에 해당하는 구간을 지나갈 때에 원추형롤러(100)의 중심은 C_a에 맞추고, C_a 곡률중심에 해당하는 구간을 지나 C_b에 해당하는 구간을 지나갈 때에는 원추형롤러(100)의 중심을 C_b에 맞춰 판재(10)가 가변곡률로 벤딩되도록 한다. 여기서 판재(10)를 임의의 원호길이로 나눈 구간은 각 구간의 평균 곡률각도가 1 내지 2°차이인 것이 바람직하다. 각 구간의 경우 연속적인 가변곡률로 벤딩되기 때문에 구간 내에도 곡률이 서로 다른 각도로 이루어져 있다. 따라서 구간 내 곡률의 평균 곡률각도를 정하고, 이 곡률각도가 옆에 배치된 구간과 1 내지 2°차이가 되도록 구간을 나누는 것이 바람직하다. 각 구간 차이가 1°미만일 경우 블레이드유니트(50)에 가변곡률이 거의 나타나지 않으며, 2°를 초과할 경우 블레이드유니트(50)가 급한 곡률을 가져 원하는 형상이 제대로 이루어지지 않는다.

여기서 판재(10)의 곡률각도는 6 내지 15° 연속적으로 가변되도록 하부원통형롤러(300)의 각도를 조절하는 것이 바람직한데, 곡률각도가 6°미만일 경우 바람이 약할 경우 블레이드유니트(50)가 제대로 회전하지 않을 수 있으며, 15°를 초과할 경우 충분한 블레이드유니트(50)의 길이를 형성하지 못한다. 더 바람직한 곡률각도는 7 내지 11°이며, 이 각도의 블레이드유니트(50)를 블레이드(1)에 적용할 경우 적은 회전수에서 최대 발전효율을 얻을 수 있다. 특히 내부에 가해지는 풍하중이 최대가 되어 유동방향이 시계방향과 반시계방향에서 각각 최대 회전수를 나타낸다.

판재(10)를 벤딩하여 블레이드유니트(50)를 형성하는 단계에서 추가적으로 블레이드유니트(50)의 단부를 당기는 과정을 더 포함할 수 있다. 즉 판재(10)의 단부가 벤딩되는 지점에서 판재(10)를 축방향으로 당겨 판재의 인접 영역간 거리를 감소시킬 수 있다. 길이대비 효과적으로 유체를 이동시킬 수 있는 원리인 아르키메데스 스크류(Archimedes' screw) 원리에 의하면, 중심점의 경우 바깥쪽 영역에 비해 인접 영역간 거리가 매우 좁은 것을 확인할 수 있다. 따라서 이러한 구조를 본 발명의 블레이드(1)에 적용하여 유체 이동에 따른 효율을 증가시키기 위하여 블레이드유니트(50) 중 중심영역에 배치될 판재(10)의 단부를 축방향으로 당겨 판재의 인접 영역간 거리를 감소시키는 것이 바람직하다.

블레이드유니트(50)를 복수 개로 구성하여 샤프트(30)에 결합한다(S5).

S1 내지 S4를 통해 벤딩 형성된 블레이드유니트(50)를 복수 개로 구성하고 이를 샤프트(30)에 결합하여 도 1에 도시된 바와 같이 최종적으로 나선형 블레이드(1)를 얻는다. 블레이드유니트(50)를 샤프트(30)에 결합할 때 블레이드유니트(50)의 곡률각도가 큰 단부가 샤프트(30)를 향하도록 배치한 후, 샤프트(30)에 용접과 같은 방법을 통해 결합한다. 이때 샤프트(30)에 결합되는 복수의 블레이드유니트(50)는 서로 동일한 각도로 샤프트(30)에 결합되는 것이 바람직한데, 이를 상세히 설명하면 두 개의 블레이드유니트(50)가 샤프트(30)에 결합될 경우 배치각도가 180°가 되도록 하고, 세 개의 블레이드유니트(50)가 샤프트(30)에 결합될 경우 배치각도가 120°가 되도록 하며, 네 개의 블레이드유니트(50)의 경우 서로 이격각도가 90°가 되도록 한다. 이 중 세 개의 블레이드유니트(50)가 배치된 나선형 블레이드(1)가 가장 바람직하다.

이와 같은 방법을 통해 제조된 나선형 블레이드(1)의 분석 결과는 다음과 같다.

도 13에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 나선형 블레이드(1)는 세 개의 블레이드유니트(50)가 하나의 샤프트(30)에 서로 120° 간격으로 연결되어 있는 구조이며, 강성증대를 위해 블레이드유니트(50) 사이를 금속막대로 연결하였다. 도 1과 같은 형상으로 제조되는 나선형 블레이드(1)의 총 길이(L)는 536mm, 직경(D)은 750mm이며, 각 블레이드유니트(50)는 샤프트(30)에 대해 대칭적인 구조로 측면에서 보았을 때 삼각뿔 모양의 형상을 지니고 있다. 나선형 블레이드(1) 형상의 바깥쪽 곡률반경(radius of curvature)은 390mm에서 60mm까지 연속적으로 변하는 가변곡률(R_a1 to R_a6)을 가지고 있으며, 블레이드유니트(50)를 펼쳤을 때 블랭크의 길이(L_b)는 850mm, 직경(2R_b)는 약 928mm이다. 더욱 상세한 곡률반경은 R_a1 = 351.0mm, R_a2 = 306.3mm, R_a3 = 254.4mm, R_a4 = 190.4mm, R_a5 = 128.6mm, R_a6 = 77.7mm 이다.

이러한 나선형 블레이드(1)는 연속적인 가변곡률을 가지고 있기 때문에 각각의 곡률중심이 상이하다. 따라서 가변곡률의 나선형 블레이드(1)를 얻기 위해서는 본 발명과 같이 한 쌍의 원뿔형롤러(100), 한 쌍의 하부원통형롤러(300) 및 한 쌍의 상부원통형롤러(500)를 준비하고, 벤딩대상 판재(1)의 원호를 기준으로 몇 개의 구간으로 나누어 구간별 평균 곡률값을 이용하여 원뿔형롤러(100), 하부원통형롤러(300) 및 상부원통형롤러(500)를 연속적으로 구동시켜 블레이드유니트(50)를 제작하는 것이 바람직하다.

1: 나선형 블레이드 10: 벤딩대상 판재
11: 제1직선 12: 제2직선
13: 제3직선 14: 곡선
30: 샤프트 50: 블레이드유니트
100: 원추형롤러 300: 하부원통형롤러
500: 상부원통형롤러

Claims

벤딩대상 판재를 준비하는 단계와;
상하로 배치된 한 쌍의 원추형롤러 사이와, 상기 원추형롤러의 양측에 수평으로 배치된 한 쌍의 하부원통형롤러의 상부를 지나가도록 상기 판재를 인입하는 단계와;
상기 원추형롤러의 회전을 통해 상기 판재가 이동할 때 상기 원통형롤러 간의 높이차 및 배치각도를 변화시켜 가변곡률을 갖도록 상기 판재를 벤딩하여 블레이드유니트를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 판재를 벤딩하여 블레이드유니트를 형성하는 단계는,
상기 판재가 인출되는 영역에 배치된 상기 하부원통형롤러의 위치를 상승시켜 상기 하부원통형롤러의 높이차를 변화시킴과 동시에 상기 판재가 인출되는 영역에 배치된 상기 하부원통형롤러의 외주측 단부를 상기 원추형롤러로부터 이격시켜 상기 하부원통형롤러의 배치각도를 변화시킴으로 인해 상기 판재가 길이방향 곡률을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 나선형 블레이드 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 벤딩대상 판재를 준비하는 단계는,
원판을 준비하는 단계와;
상기 원판의 반지름인 제1직선, 상기 제1직선과 대향하는 영역에 상기 제1직선과 평행하도록 형성된 제2직선, 상기 제1직선 및 상기 제2직선을 연결하는 제1곡선을 따라 상기 원판을 재단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나선형 블레이드 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 벤딩대상 판재를 준비하는 단계는,
원판을 준비하는 단계와;
상기 원판의 반지름인 제1직선, 상기 제1직선과 대향하는 영역에 상기 제1직선과 어긋나는 각도로 형성된 제2직선, 상기 제1직선 및 상기 제2직선을 연결하는 제1곡선을 따라 상기 원판을 재단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나선형 블레이드 제조방법.
제 3항에 있어서,
상기 원판을 재단하는 단계는,
상기 원판의 외주연에 형성되는 임의의 곡선인 제2곡선에 의해 추가 재단되는 것을 특징으로 하는 나선형 블레이드 제조방법.
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제 1항에 있어서,
상기 판재를 벤딩하여 블레이드유니트를 형성하는 단계는,
한 쌍의 상기 하부원통형롤러의 상부에 한 쌍의 상부원통형롤러를 배치하여 상기 판재가 상기 상부원통형롤러의 하부를 지나가도록 하고, 상기 판재가 인출되는 영역에 배치된 상기 상부원통형롤러 및 상기 하부원통형롤러를 경사지게 상승시켜 외주방향 이중곡률을 갖도록 상기 판재를 벤딩하는 것을 특징으로 하는 나선형 블레이드 제조방법.
제 6항에 있어서,
상기 판재를 벤딩하여 블레이드유니트를 형성하는 단계는,
상기 하부원통형롤러가 상기 판재를 벤딩하는 방향과 상기 상부원통형롤러가 상기 판재를 벤딩하는 방향이 서로 반대로 굽힘을 주도록 하여, 상기 상부원통형롤러 및 상기 하부원통형롤러가 상기 원추형롤러와 각도가 틀어진 상태로 벤딩되어 상기 판재의 내주곡률과 외주곡률이 독립적으로 형성되는 안장(saddle) 형태의 이중굽힘이 발생하는 것을 특징으로 하는 나선형 블레이드 제조방법.
제 6항에 있어서,
상기 판재가 인출되는 영역에 배치되며 경사진 상기 상부원통형롤러 및 상기 하부원통형롤러는 상기 판재의 외주방향에 배치된 일단부가 타단부보다 낮은 높이에 있도록 배치되는 것을 특징으로 하는 나선형 블레이드 제조방법.
제 8항에 있어서,
한 쌍의 상기 상부원통형롤러는 타단부가 돔(dome) 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 나선형 블레이드 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 판재를 벤딩하여 블레이드유니트를 형성하는 단계는,
상기 판재가 가변곡률로 벤딩되도록 상기 판재를 임의의 원호길이로 구간을 나누고 각 구간에 따른 곡률중심을 결정하며, 상기 판재를 벤딩할 때 각 구간에 해당되는 곡률중심과 상기 원추형롤러의 단부중심을 맞춰 상기 원추형롤러를 회전시키는 것을 특징으로 하는 나선형 블레이드 제조방법.
제 10항에 있어서,
상기 판재를 각 구간으로 나눈 원호길이는 상기 하부원통형롤러에 인입되는 상기 판재의 일단에서 타단으로 갈수록 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 나선형 블레이드 제조방법.
제 10항에 있어서,
상기 판재를 나눈 구간은 각 구간의 평균 곡률 각도가 1 내지 2°차이인 것을 특징으로 하는 나선형 블레이드 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 판재를 벤딩하여 블레이드유니트를 형성하는 단계는,
상기 판재의 곡률각도가 6 내지 15°로 연속적으로 가변되도록 상기 원통형롤러의 각도를 조절하는 것을 특징으로 하는 나선형 블레이드 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 판재를 벤딩하여 블레이드유니트를 형성하는 단계는,
상기 판재의 단부가 벤딩되는 지점에서 상기 판재를 축방향으로 당겨 상기 판재의 인접 영역간 거리를 감소시키는 것을 특징으로 하는 나선형 블레이드 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 블레이드유니트를 형성하는 단계 이후에,
상기 블레이드유니트를 복수 개로 구성하여 샤프트에 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나선형 블레이드 제조방법.
제 15항에 있어서,
상기 블레이드유니트를 복수 개로 구성하여 샤프트에 결합하는 단계는,
상기 블레이드유니트의 곡률각도가 큰 단부를 상기 샤프트에 결합하는 것을 특징으로 하는 나선형 블레이드 제조방법.
제 15항에 있어서,
상기 블레이드유니트를 복수 개로 구성하여 샤프트에 결합하는 단계는,
복수의 상기 블레이드유니트가 서로 동일한 각도로 상기 샤프트에 결합되는 것을 특징으로 하는 나선형 블레이드 제조방법.
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