KR102053892B1 - 터빈용 로터 블레이드 - Google Patents

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요하네스 제로밀러
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칼스텐 헤르만
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안드리츠 하이드로 게엠베하
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Abstract

본 발명은 터빈용 로터 블레이드(1)와 관련이 있다. 본 발명에 따르면, 이 로터 블레이드(1)는 상기 로터 블레이드의 하단부에 캐비티(10) 및 적어도 두 개의 리브(32, 32', 42, 42', 52, 52', 62, 62', 72, 72')를 가진다. 본 발명은 터빈, 특히 본 발명에 따른 최소 두 개, 바람직하게는 세 개의 로터 블레이드(1)를 갖는 조류 발전용 터빈과 추가로 관련이 있다. 본 발명에 따른 본 디자인은 로터 블레이드가 더 작은 하단부의 직경을 갖더라도 충분히 안정적임을 보여주며, 에너지 회수를 위한 로터 블레이드의 전체적인 길이의 비율이 실질적으로 증가할 수 있음을 보여준다.

Description

터빈용 로터 블레이드{ROTOR BLADE FOR A TURBINE}
본 발명은 캐비티(10)를 구비하는 터빈용 로터 블레이드(1)에 관한 것이다. 이러한 유형의 터빈에는 풍력 터빈, 해류 발전용 터빈, 조류 발전용 터빈이 포함된다.
베이스, 즉 터빈 허브에 연결되는 지점에서, 로터 블레이드는 아주 큰 토크에 노출되는데, 이로 인해 매우 크고 비싼 플랜지 이음이 필요하고, 이러한 플랜지 이음은 필요한 강성을 보장하기 위한 것이기도 하다. 이러한 유형의 플랜지 이음은 예를 들면, WO 2010/084320 A2 또는 WO 2011/077454로부터 공지되어 있다. 그러므로 블레이드의 형태는 또한 이러한 기하학적 치수로 구성되어야 하며, 에너지 생성에 최적화될 수는 없다. 게다가, US 3,310,116에서의 선박의 프로펠러와 같이, 허브 위에 주조되거나 용접되는 블레이드 또는 베인이 있다. 더욱이, WO 02/42638 A1은 내부 캐비티를 가진 터빈 블레이드를 보여주는데, 그 블레이드는 이등분으로 구성되며, 한쪽에 스테이(stay) 또는 리브가 제공된다. 저널과 리브들 간의 연결은 없다.
본 발명의 목적은 쉽게 허브에 고정될 수 있고, 에너지 생성을 위해 조정될 수 있는 외형을 가진 로터 블레이드를 만드는 것이다.
그러므로 본 발명은 로터 블레이드가 그것의 하단부에 캐비티 및 최소 두 개의 리브를 갖는 것을 특징으로 하며, 저널은 터빈 로터의 허브에 연결되기 위하여 제공되고, 맨 밑바닥의 리브 안의 정확하게 들어맞는 개구를 통하여 로터 블레이드의 하단부 안으로 삽입되어 맨 꼭대기의 리브까지 도달하고, 리브에 형태-고정(form-locked) 또는 힘-고정(force-locked)을 하며 리세스 안으로 삽입되고, 최소 하나의 콘 또는 레지를 가지며 리브와 힘-고정 연결로서 연결된다. 그러므로 로터 블레이드는 하단부가 더 작은 직경을 갖더라도 충분히 안정적이며, 에너지를 생성하는 데에 사용되는 로터 블레이드의 전체적인 길이의 비율은 상당히 증가할 수 있다. 저널과 로터 블레이드의 안정적인 연결의 결과로서, 벤딩 모멘트뿐 아니라 토크 또한 효과적으로 전달될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 블레이드가 강으로 제조되는 것을 특징으로 한다. 블레이드는 결과적으로 더욱 작게 만들어질 수 있다. 그것은 강판으로부터 용접될 수 있지만, 베이스는 또한 상황에 따라 주물일 수 있다.
본 발명의 바람직한 개발은 저널이 축 방향으로 배치된 최소 하나의 볼트를 이용하여 최소 하나의 리브에 연결되는 것, 또한 그것이 방사상의 방향으로 배치된 볼트 또는 핀을 이용하여 각각이 최소 하나의 리브에 연결될 수 있는 것도 특징으로 한다.
본 발명의 대안적인 실시예는 저널이 제1 콘 또는 레지와 반대 방향으로 기울어진 다른 콘 또는 레지를 가질 수 있는 것을 특징으로 한다. 결과적으로, 블레이드에 작용하는 힘은 저널에, 다음으로 허브에 바람직하게 전달될 수 있다.
다른 콘 또는 레지와 형태-고정 연결로 결합할 수 있도록 고정 링이 바람직하게 제공되는 경우, 블레이드는 위치에 쉽게 고정될 수 있고 힘이 전달된다.
본 발명에 따른 개발은 최소 하나의 리브에 연결된 타이 로드가 제공되는 것을 특징으로 한다. 이러한 방식으로, 체결 디바이스는 쉽게 사전에 조립될 수 있고 결과적으로 현장에서의 조립 시간을 줄이게 된다. 이것은 저널이 최소 두 개의 리브에 타이 로드를 프리스트레싱 함에 의하여 힘-고정 연결로 결합하는 경우에 특히 바람직하다.
다른 대안으로서, 저널은 최소 두 개의 리브에 형태-적합하게 끝날 수 있으며, 클램핑 링을 이용하여 형태-고정 및 힘-고정 연결로서 고정될 수 있다.
본 발명은 또한 터빈, 특히 상기 기재된 대로 설정된 적어도 두 개, 바람직하게는 세 개의 로터 블레이드를 갖는 조류 발전용 터빈과 관련이 있다. 안정적인 로터 블레이드는 특히 조류 발전용 터빈에서 필요로 하는데, 이 경우 본 발명에 따른 로터 블레이드가 아주 작은 공간 내에서 에너지를 잘 변환하는 이점을 가진다. 여러 개의 블레이드 또한 제공될 수 있을 것이다. 특히나 강철 디자인은 조류 발전용 터빈 또는 유입식 발전용 터빈(run-of-river turbine)을 위한 콤팩트하고 안정적인 구조를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 터빈의 배치를 보여준다.
도 2는 블레이드와 축의 연결을 보여준다.
도 3은 저널과 블레이드 간의 연결부의 제1 변형례를 보여준다.
도 4는 저널과 블레이드 간의 연결부의 다른 변형례를 보여준다.
도 5는 저널과 블레이드 간의 연결부의, 본 발명에 따른 다른 변형례를 보여준다.
도 6a, 도 6b, 도 6c는 도 5의 변형례에 따른 저널의 조립을 보여준다.
도 6d는 도 6a, 도 6b, 도 6c에 따른 실시예의 변형례를 보여준다. 그리고
도 7은 저널과 블레이드 간의 연결부의, 본 발명에 따른 다른 변형례를 보여준다.
이하에서 도면에 도시된 예시들에 기초하여 본 발명을 설명한다.
도 1은 조류 에너지를 활용하는 데에 사용되는 터빈의 배치를 보여준다. 예를 들면, 이 터빈은 허브(4)를 통해서 축(5)에 연결되는 세 개의 로터 블레이드(1)를 가진다. 하지만 두 개, 네 개 또는 더 많은 블레이드 또한 사용될 수 있다.
도 2는 로터 블레이드(1)가 어떻게 축(5)에 연결되는지 보여준다. 여기에, 로터 블레이드(1)의 저널(2)은 베어링 또는 다른 체결 디바이스(3)를 통해서, 축에 영구적으로 연결된 허브(4) 안에 고정될 것이다. 여기에, 최적의 에너지 생산을 위하여, 조류 안에 로터 블레이드를 회전시키는 데에 사용될 수 있는 디바이스가 제공될 수 있다.
도 3은 저널(2) 및 로터 블레이드(1) 간의 연결부의, 발명에 따른 변형례를 이제 보여준다. 로터 블레이드(1)의 하단부(31)는 리브(32, 32')의 형태를 한 동력 전달 요소를 캐비티(10) 안에 포함한다. 저널(2)은 맨 밑바닥의 리브(32) 안의 정확하게 들어맞는 개구(33)를 통하여 로터 블레이드(1)의 하단부(31) 안으로 삽입되어 맨 꼭대기의 리브(32')까지 도달하고, 리세스(34) 안으로 삽입된다. 개구(33)와 유사한 개구를 각각이 가진 다른 리브는 맨 밑바닥의 리브(32) 및 맨 꼭대기의 리브(32') 사이에 배치될 수 있다. 저널(2)은 또한, 저널(2)이 완전히 리세스(34) 안으로 삽입되는 순간에 맨 밑바닥의 리브(32)와 외부에서 같은 높이에서 끝나는 리밋-스톱(35)을 가진다. 볼트(37)는 로터 블레이드의 하단부(31) 안의 개구(36)를 통하여 삽입되고, 저널(2)의 축에 고정된다. 축 방향으로 배치된 여러 개의 볼트는 또한, 예를 들면 볼트 서클과 같이 배열되어 삽입될 수 있다. 결과적으로, 맨 밑바닥 리브(32) 및 맨 꼭대기 리브(32')는 서로 클램핑되고, 이 방식으로 발생하는 힘, 특히 비틀림 힘을 효율적으로 전달할 수 있다.
도 4는 도 3과 유사한 로터 블레이드(1)의 배열을 보여주며, 리브(42, 42')의 형태를 한 동력 전달 요소는 로터 블레이드(1)의 하단부(41) 안의 캐비티(10) 안에 위치한다. 저널(2)은 맨 밑바닥의 리브(42) 안의 정확하게 들어맞는 개구(43)를 통하여 로터 블레이드(1)의 하단부(41) 안으로 삽입되고, 맨 꼭대기의 리브(42')까지 도달하고, 개구(44)를 통하여 삽입된다. 개구(43)와 유사한 개구를 각각이 가진 다른 리브는 또한 맨 밑바닥의 리브(42) 및 맨 꼭대기의 리브(42') 사이에 배치될 수 있다. 저널(2)은 또한, 저널(2)이 맨 꼭대기의 리브(42') 안의 개구(44)를 통해서 확장되는 순간에, 맨 밑바닥의 리브(42)와 외부에서 같은 높이에서 끝나는 리밋-스톱(45)을 가진다. 스터드 볼트(47)는 로터 블레이드(1)의 하단부에 원주 방향으로 분산된 하나 또는 여러 개의 구멍(46)을 통하여 삽입되고, 저널(2) 안에 타이트하게 나사 고정된다. 물론, 원주 방향으로 분산된 여러 개의 스터드 볼트(47)를 삽입하는 것도 가능하다. 결과적으로, 벤딩 모멘트와 토크는 효율적으로 전달될 수 있다.
도 5는 저널(2) 및 로터 블레이드(1)간의 연결부의, 발명에 따른 다른 변형례를 보여준다. 여기에 역시, 리브(52, 52')의 형태를 한 동력 전달 요소가 로터 블레이드(1)의 캐비티(10) 안의 하단부(51) 안에 있고, 추가 리브 또한 삽입할 수 있다. 저널(2)은 여기에 두 개의 콘 모양의 영역(56, 58)을 가진다. 저널(2)의 꼭대기 영역(56)은 맨 꼭대기 리브(52') 안의 콘 모양의 개구(54)와 마찬가지로 정확하게 들어맞는다. 저널(2)의 하부의 콘 모양의 영역(58) 또한 맨 밑바닥의 리브(52)의 개구(53)에 들어맞는 콘 모양의 고정 링(55)과 마찬가지로 구성되며, 조립 과정을 용이하게 하기 위하여 조인트(joint)가 고정 링(55) 및 개구(53) 사이에 제공될 수 있다. 고정 링(55)은 이제 타이 로드(57)를 이용하여 꼭대기 리브(52') 쪽으로 압력을 받는다. 저널(2)의 꼭대기의 콘 모양의 영역(56)이 평평한 각도를 갖는 경우에, 셀프 로킹(self-locking)되고 발생하는 토크 및 축 방향 힘을 흡수 가능한 장점이 있다. 저널(2)의 하부의 콘 모양의 영역(58)은 유리하게도, 분해를 더욱 쉽게 만들어주는 급경사각을 가진다. 체결의 변형례를 이용하면 저널은 낮은 가격으로 제조될 수 있고, 또한 예를 들면 페더 키웨이(feather keyway) 또는 트래버스 홀(traverse hole)과 같이 약한 부분을 만드는 어떤 종류의 노치도 없게 된다. 힘은 최소 두 개의 리브(52, 52')를 통하여 로터 블레이드(1)로 전달할 수 있으며, 이것은 선형의 블레이드 구조를 가능하게 한다.
도 6a, 6b 그리고 6c는 이제 도 5에서 보이는 저널(2) 및 로터 블레이드(1) 간의 연결부의, 본 발명에 따른 조립 과정을 보여준다. 첫 번째로, 원피스 고정 링(65)은 상부의 콘 모양의 영역(66) 및 하부의 콘 모양의 영역(68)을 가진 저널(2) 위로 밀리고, 그다음 저널 베어링(3)이 탑재된다(도 6a).
반면에, 타이 로드(67)는 로터 블레이드(1)의 꼭대기 리브(62') 안에 사전 조립된다. 그다음, 고정 링(65)이 사전 조립된 저널(2)은, 그것의 꼭대기의 콘 모양의 영역(66)이 맨 꼭대기의 리브(62') 안의 개구(64) 안에 캐비티(10)를 향하여 래치(latch)될 때까지 맨 밑바닥의 리브(62) 안의 개구(63)를 통하여 삽입된다(도 6b).
그런 다음, 타이 로드(67)는 고정 링(65)을, 그것이 맨 밑바닥의 리브(62) 안의 개구(63) 안으로 래치되고 저널(2)의 하부의 콘 모양의 파트(68) 위에 얹힐 때까지 민다. 다음에, 고정 링(65)은 너트(69)를 통하여 타이 로드(67)에 볼트 고정되고, 결과적으로 저널(2)의 두 개의 콘 모양의 영역(66, 68)은 맨 밑바닥의 리브(62) 및 맨 꼭대기의 리브(62')에 클램핑 연결됨으로써, 동력 전달을 틈새 없이 얻을 수 있다(도 6c).
도 6d는 도 6a, 6b, 6c에 따른 실시예의 변형례를 보여준다. 상부 및 하부의 콘 모양의 영역 대신에, 하나의 각각의 레지(66', 68'), 즉 단(step)이 제공되며, 두 개의 레지(66', 68')들 사이의 저널(2)은 고정 저널 축보다 더 큰 직경을 가지며, 타이 로드(67)를 이용하여 블레이드(1)의 리브(62, 62')와 힘-고정 연결로 결합한다.
도 7은 이제 두 개의 리브(72, 72')가 로터 블레이드의 하단부(71)에서 다시 보이고, 여기에 여러 개의 리브 또한 제공되는 경우에, 저널(2) 및 로터 블레이드(1)간의 연결부의, 발명에 따른 다른 변형례를 보여준다. 맨 밑바닥의 리브(72)는 여기에 저널(2)을 위한 개구(73)를 형성하는 플랜지(76)를 가진다.
게다가, 저널(2)의 리밋 스톱(75)은 또한 플랜지와 같은 에지를 가진다. 원피스로도 투피스로도 될 수 있는 클램핑 링(77)은 이제 두 개의 플랜지 둘레에 탑재된다. 발생하는 토크와 축 방향 힘을 효율적으로 흡수 가능한 방식과 유사하게 이것은 저널(2)을 로터 블레이드(1)에 결합한다.

Claims (7)

  1. 캐비티(10)를 구비한, 터빈용 로터 블레이드에 있어서,
    캐비티 안에서 로터 블레이드(1)의 하단부에 최소 두 개의 리브(32, 32', 42, 42', 52, 52', 62, 62', 72, 72')를 가지고,
    터빈 로터의 허브(4)와의 결합을 위해 저널(2)이 제공되고, 상기 저널(2)은 맨 밑바닥의 리브 안의 정확하게 들어맞는 개구를 통하여 로터 블레이드의 하단부 안으로 삽입되어 맨 꼭대기의 리브까지 도달하며, 리브(32, 32', 42, 42', 52, 52', 62, 62', 72, 72')와 형태-고정(form-locked) 또는 힘-고정(force-locked)을 하며 리세스 안으로 삽입되고, 저널의 꼭대기 영역에 최소 하나의 콘(56, 66) 또는 레지(66')를 가지며 맨 꼭대기의 리브(52', 62')와 힘-고정 연결로서 연결되며,
    저널(2)이 축 방향으로 배치된 최소 하나의 볼트(37)를 이용하여 최소 하나의 리브(32')에 연결되는 것을 특징으로 하는 터빈용 로터 블레이드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    로터 블레이드(1)가 강으로 제조되는 것을 특징으로 하는 터빈용 로터 블레이드.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    저널(2)이 방사상의 방향으로 배치된 최소 하나의 볼트 또는 핀(47)을 이용하여 최소 하나의 리브(42')에 각각이 연결되는 것을 특징으로 하는 터빈용 로터 블레이드.
  4. 청구항 1에 있어서,
    저널(2)이 다른 콘(58, 68) 또는 레지(68')를 가지며, 다른 콘(58, 68)이 제1 콘(56, 66)의 반대 방향으로 기울어질 수 있는 것을 특징으로 하는 터빈용 로터 블레이드.
  5. 청구항 4에 있어서,
    다른 콘(58, 68)과 형태-고정 연결로 결합할 수 있도록 고정 링(55, 65)이 제공되는 것을 특징으로 하는 터빈용 로터 블레이드.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    최소 하나의 리브(52', 62')에 연결된 타이 로드(57, 67)가 제공되는 것을 특징으로 하는 터빈용 로터 블레이드.
  7. 청구항 6에 있어서,
    타이 로드(57, 67)를 프리스트레싱(pre-stressing)하여, 저널(2)이 최소 두 개의 리브(52, 52', 62, 62')와 힘-고정 연결로 결합되는 것을 특징으로 하는 터빈용 로터 블레이드.
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