KR102151271B1 - 사출성형성을 개선한 나선형 날개 및 이를 가지는 나선형 날개 유닛 - Google Patents

Abstract

분할된 축 외주면에 나선판부가 형성된 나선형 날개를 언더컷 발생 없이 양질의 품질로 만들 수 있고, 사출성형으로 만들 수 있어서 나선형 날개 유닛의 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 나선형 날개가 개시된다. 상기 나선형 날개는 회전축에 고정되는 뿌리부와 상기 회전축의 길이 방향으로 흐르는 유체로부터 회전동력을 얻을 수 있도록 상기 뿌리부에서 상기 회전축의 반경방향으로 멀어지면서 나선형으로 성형되어 나선형 표면을 형성하는 나선판부를 가지는 나선형 날개에 있어서, 상기 뿌리부를 따라 일체로 형성되고 상기 회전축의 일부를 구성하기 위한 부분축부를 포함하고, 상기 나선판부의 뿌리부가 상기 부분축부의 외주면 둘레에 연결된 각도범위는 0도~240도 범위 이상이고 0도~350도 범위 이하인 것을 포함하는 구성을 한다.

Description

사출성형성을 개선한 나선형 날개 및 이를 가지는 나선형 날개 유닛{Spiral blade with improved injection moldability and Spiral blade unit having the same}

다양한 형태의 풍력발전기들이 알려져 있다. 본 발명은 이러한 풍력발전기에 적합하게 사용될 수 있는 나선형 날개와 이러한 날개들을 가지는 나선형 날개 유닛의 개선에 대한 것이다.

일반적으로, 풍력발전기는 회전축과 회전축에 결합되고 회전축 둘레로 배치되어 바람으로부터 회전력을 얻기 위한 복수의 날개를 가지는 날개 유닛을 구비한다.

날개가 나선형을 이루는 나선형 날개 유닛은 그 형상이 복잡하고 회전축의 외주면에 복수로, 바람직하게 3개 정도 부착되는 날개들의 배치구조 때문에 그 전체를 사출이나 주조의 방식으로 일체형으로 만들기는 매우 어렵다. 이에 따라 개개의 나선형 날개를 회전축과는 별도로 분리된 상태로 제작 후 회전축의 외주면에 일정 각도 간격으로 견고하게 고정하는 방식으로 나선형 날개 유닛을 만든다. 때에 따라, 나선형 날개에 분할된 회전축을 일체로 형성한 형태로 만든 것들을 분할된 회전축을 통해 서로 결합하여 나선형 날개 유닛을 만드는 방식도 있다. 이 경우에도, 각 나선형 날개는 나선판부가 분할된 축 외주면에 감긴 형태로 형성되어 있어서 사출성형으로 만들기는 매우 까다롭다.

본 발명은 이러한 나선형 날개 유닛을 만드는데 사용되는 나선형 날개와 이러한 나선형 날개들을 가지는 나선형 날개 유닛의 개선에 대한 것이다.

나선형 날개가 적용되는 나선형 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 있다. 본원의 발명자들은 이러한 문제를 해결하고자 날개 연결구를 사용하여 나선형 날개들끼리 연결하는 것을 개발하여 특허를 받은 바 있다.

이와 관련한 본 발명의 선행기술로는 본원의 발명자인 백준호와 미에레메트 마리너스 등이 개발하여 특허를 받은 10-1592289호(나선형 날개 유닛 및 그 제조 방법), 10-1578745호(나선형 날개 유닛과 풍력발전기 및 상기 나선형 날개 유닛을 위한 날개 연결구) 및 등록번호 10-1612238호(나선형 날개 유닛 및 풍력발전기)가 있다.

위와 같은 선행기술에서는 연결부재를 나선형 날개에 고정하기 위해 와셔와 너트 외에 나선형 날개의 곡면에 의한 경사를 보상하여주기 위한 경사면이 형성된 별도의 경사부재를 사용하였다.

선행기술의 경사부재는 나선형 날개와 면접촉하는 면을 나선형 날개의 표면과 일치되게 형성하여야 하는데, 나선형 날개의 표면이 평면이 아니고 곡면이므로 경사부재의 제조가 매우 어렵다.

더구나 나선형 날개의 표면은 그 위치에 따라 곡면 형상이 달라지므로 경사부재도 그 설치위치에 따라 다른 형태의 곡면을 가지는 것을 별도로 각각 만들어야 하므로 제조단가가 매우 높아진다는 문제점이 있다.

나선형 날개와의 접촉면적이 크지 않으므로 나선형 날개 표면과 접촉되는 경사부재의 표면을 평면으로 형성할 수 있으나 나선형 날개를 견고하게 연결하여 지지하는 성능이 저하되고 나선형 날개의 좁은 부분에 부분적으로 집중하중이 가해지게 하거나 가장자리에 틈새를 형성하여 소음발생의 원인을 제공할 수 있다.

위와 같은 문제점을 해결하기 위해 별도의 경사부재를 만드는 대신에 나선형 날개 표면에 경사면을 가지는 돌기 형태의 경사부를 일체로 형성하는 것을 생각해볼 수 있으나 본 발명의 기술분야에서 그 선례가 없는 것이어서 이에 대한 구체화 및 실용화를 위한 연구와 발명적 노력이 요구되고 되고 있다.

본 발명자는 나선형 날개 및 나선형 날개 유닛의 생산성을 향상하기 위해 분할된 축을 가지는 양질의 나선형 날개를 사출성형으로 만드는 것을 계속 연구해오고 있는 바, 이에 따르면, 사출성형 시 나선판부의 뿌리부 등에 언더컷이 발생하는 현상이 발생하는 문제가 있음을 알아차렸다.

본 발명의 목적은 분할된 축을 가지는 나선형 날개를 사출성형 시 나선판부의 뿌리부 등에 언더컷이 생기는 현상을 방지할 수 있는 나선형 날개를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 분할된 축 둘레로 나선판부가 형성되어 있으면서도 사출성형성이 뛰어난 나선형 날개 및 이를 이용한 나선형 날개 유닛을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 분할된 축 둘레로 나선판부가 형성되어 있으면서도 사출성형으로 나선형 날개를 만들 수 있도록 함으로써 나선판부의 위치에 따라 두께를 쉽게 조정하여 만들 수 있는 나선형 날개 및 이를 이용한 나선형 날개 유닛을 제공하는 데 있다.

발명의 또 다른 목적은 종래기술에 개시된 연결부재의 안전한 고정을 위한 경사부재의 기능을 블레이드 자체에 부가할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 연결부재와 나선형 날개간의 고정에 있어서 체결구와 나선형 날개 간에 면접촉으로 접촉이 이루어지도록 하여 응력 집중 및 마모 등에 의한 파괴를 방지하여 나선형 날개의 안정성 및 내구성을 향상시키는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 별도의 경사부재 없이도 날개 연결구를 통해 나선형 날개들을 서로 견고하게 연결하여 지지하여줄 수 있는 나선형 날개 및 이러한 날개들을 가지는 나선형 날개 유닛을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 종래기술의 경사부재를 대신할 수 있는 연결부재 고정부를 나선형 날개 표면에 일체로 형성하되 나선형 표면의 불연속으로 인한 나선형 날개 유닛의 성능저하를 최소화할 수 있는 나선형 날개 및 이러한 나선형 날개들을 가지는 나선형 날개 유닛을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 나선형 날개 표면에 일체로 형성되는 연결부재 고정부의 구성을 최적화함으로써 연결부재 고정부 설치로 인한 공기저항을 최소화함과 아울러 복수의 나선형 날개를 견고하게 연결하여 나선형 날개의 형상변화가 발생하지 않게 할 수 있는 나선형 날개 및 이러한 나선형 날개들을 가지는 나선형 날개 유닛을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 만들기 쉽고 나선형 날개가 회전축에 견고하게 고정된 상태를 유지할 수 있는 나선형 날개 및 이러한 나선형 날개들을 가지는 나선형 날개 유닛을 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 나선형 날개는 회전축에 고정되는 뿌리부와 상기 회전축의 길이 방향으로 흐르는 유체로부터 회전동력을 얻을 수 있도록 상기 뿌리부에서 상기 회전축의 반경방향으로 멀어지면서 나선형으로 성형되어 나선형 표면을 형성하는 나선판부를 가지는 나선형 날개에 있어서, 상기 뿌리부를 따라 일체로 형성되고 상기 회전축의 일부를 구성하기 위한 부분축부를 포함하고, 상기 나선판부의 뿌리부가 상기 부분축부의 외주면 둘레에 연결된 각도범위는 240도 범위 이상이고 350도 범위 이하인 구성을 한다.

상기 나선판부의 뿌리부가 상기 부분축부의 외주면 둘레에 연결된 각도범위는 270도 범위 이상이고 330도 범위 이하인 것이 바람직하다.

상기 나선판부의 선단부에 상기 나선판부의 뿌리부가 상기 부분축부의 외주면에 연결되는 각도범위를 줄이기 위해 나선형에서 상기 회전축의 중심을 향해 꺾여 상기 부분축부에 연결되는 변곡연결부가 형성된 것이 좋다.

상기 부분축부는 상기 회전축의 중심부 쪽에 비원형단면 홈이 형성된 것이고, 상기 부분축부의 외주면은 상기 부분축부의 길이방향을 따라 직선부와 트위스트부를 가지는 것이 바람직하다.

상기 나선판부의 선단부 가장자리를 따라 간격을 두고 배치되고 상기 나선형 표면에서 전면과 후면 중 적어도 한쪽으로 돌출되게 상기 나선판부에 일체로 형성되며 돌출된 부분에 연결부재의 통과를 위한 구멍이 뚫려 있고 상기 구멍 둘레의 전면과 후면에 체결구가 면접촉하는 상태로 상기 연결부재에 고정될 수 있도록 하기 위한 면접촉 체결면을 형성하는 복수의 연결부재 고정부를 포함하는 것이 좋다.

상기 면접촉 체결면은 평면 또는 구면을 포함하고, 간격을 두고 배치된 상기 연결부재 고정부 사이의 상기 나선판부의 선단부 가장자리에 연결부재 통과를 위한 구멍이 형성된 것이 바람직하다.

상기 연결부재 고정부는 전면과 후면 중 한쪽은 볼록하고 나머지 한쪽은 오목한 캡형으로 형성되거나 전면과 후면의 양쪽으로 볼록하고 동일 형상의 것을 서로 반대방향으로 배치한 형태일 수 있다.

때에 따라, 상기 연결부재 고정부는 반경방향보다는 원주방향으로 길게 그리고 원주방향으로 경사지게 배치될 수 있다.

상기 뿌리부의 양단 사이의 적어도 한 부분에는 복수의 나선형 날개의 부분축부를 묶을 수 있도록 하기 위한 밴드 통과를 위한 구멍이 형성될 수 있다.

상기 부분축부는 상기 회전축이 3개로 등분할된 형태인 120도 각도범위로 형성되고, 상기 비원형단면 홈은 내주면 간의 각도가 120도인 V자형 비원형단면 홈인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 나선형 날개 유닛은 부분축부를 통해 서로 결합된 적어도 2개 이상의 본 발명에 따른 나선형 날개를 포함하는 구성을 한다.

상기 나선형 날개 유닛은 2개 이상의 상기 나선형 날개의 동일 선상으로 배치된 연결부재 고정부의 구멍에 삽입된 연결부재; 및 2개 이상의 상기 나선형 날개의 전면과 후면에서 상기 연결부재에 각각 결합되어 동일 선상으로 배치된 상기 연결부재 고정부의 면접촉 체결면에 면접촉하는 상태로 상기 나선형 날개가 상기 연결부재에 대해 움직이지 못하도록 고정하여주는 복수의 체결구를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 나선형 날개 유닛은 3개의 상기 나선형 날개가 상기 부분축부를 통해 서로 결합되어 구성된 것을 포함하고, 동일 선상으로 배치된 상기 면접촉 체결면은 서로 평행하게 배치된 것이 좋다.

상기 체결구는 상기 연결부재의 외주면에 결합되는 와셔와 상기 연결부재에 형성된 나선에 결합되어 상기 와셔를 상기 면접촉 체결면을 향해 가압하는 너트를 포함하는 것이 바람직하다.

서로 결합된 상기 부분축부의 내부에 비원형단면의 구멍이 형성되고, 상기 비원형단면의 구멍에 비원형단면 축부재가 결합될 수 있다.

본 발명에 따르면 분할된 축 외주면에 나선판부가 형성된 나선형 날개를 언더컷 발생 없이 양질의 품질로 만들 수 있고, 사출성형으로 만들 수 있어서 나선형 날개 유닛의 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따르면 분할된 축 외주면에 나선판부가 형성된 나선형 날개를 사출성형으로 대량 생산을 할 수 있고, 나선형 날개의 두께를 나선판부의 위치에 따라 적정하게 조정할 수 있어서 최적화된 나선형 날개 유닛을 대량생산할 수 있다.

본 발명에 따르면 별도의 경사부재를 만드는데 따른 시간과 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 연결부재 고정부를 날개 제조방법에 따라 나선형 날개에 최적으로 형성하여 견고하게 나선형 날개들을 서로 연결할 수 있다.

본 발명에 따르면 연결부재 고정부 형성에 따라 발생하는 공기저항을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 나선형 날개들끼리 견고하게 연결할 수 있을 뿐만 아니라 나선형 날개가 회전축에 대해 견고하게 결합된 상태를 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 나선형 날개의 일례를 나타낸 확대 사시도,
도 2는 도 1 나선형 날개의 배면에서 보아 나타낸 확대 사시도,
도 3과 4는 다른 측면에 각각 보아 나타낸 연결부재 고정부의 확대도,
도 5는 도 1에 나타낸 3개의 나선형 날개가 회전축 둘레에 120도 간격으로 설치된 상태를 나타낸 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛의 측면도,
도 6은 연결부재와 체결구를 이용하여 도 6의 나선형 날개들을 서로 연결한 상태를 나타낸 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛의 측면도,
도 7과 8은 연결부재가 체결구를 통해 연결부재 고정부에 고정된 상태를 전면과 후면에서 보아 각각 나타낸 확대 사시도,
도 9는 본 발명에 따른 나선형 날개의 다른 예를 나타낸 확대 사시도,
도 10은 도 9에 나타낸 나선형 날개를 후면 쪽에서 보아 나타낸 확대 사시도,
도 11은 도 9에 나타낸 나선형 날개의 전면 쪽에서 보아 나타낸 확대 사시도,
도 12와 도 13은 연결부재 고정부의 예를 각각 나타낸 확대도,
도 14는 도 9에 나타낸 나선형 날개들을 부분축부를 통해 결합한 상태의 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛의 측면도,
도 15는 여러 개의 연결부재와 체결구를 사용하여 나선형 날개들을 연결한 상태를 나타낸 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛의 측면도,
도 16은 도 9에 나타낸 나선형 날개의 변형 예를 나타낸 사시도,
도 17과 도 18은 연결부재 고정부의 또 다른 예를 각각 나타낸 도면,
도 19는 본 발명에 따른 나선형 날개의 또 다른 예를 나타낸 확대 사시도,
도 20은 도 19 나선형 날개의 확대 정면도,
도 21은 3개의 도 19 나선형 날개와 비원형단면 축부재를 조립하여 만든 나선형날개 유닛의 사시도,
도 22는 도 21 나선형날개 유닛의 정면도,
도 23a~도23f는 60도씩 회전시킨 상태를 나타낸 도 19 나선형 날개의 측면사시도,
도 24와 도 25는 부분축부와 비원형단면 축부재의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 나선형 날개의 일례를 나타낸 확대 사시도이고, 도 2는 도 1 나선형 날개의 배면에서 보아 나타낸 확대 사시도이고, 도 3과 4는 다른 측면에 각각 보아 나타낸 연결부재 고정부의 확대도, 도 5는 도 1에 나타낸 3개의 나선형 날개가 회전축 둘레에 120도 간격으로 설치된 상태를 나타낸 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛의 측면도이고, 도 6은 연결부재와 체결구를 이용하여 나선형 날개들을 서로 연결한 상태를 나타낸 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛의 측면도, 도 7과 8은 연결부재가 체결구를 통해 연결부재 고정부에 고정된 상태를 전면과 후면에서 보아 각각 나타낸 확대 사시도이다.

도 1 내지 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 나선형 날개(110)는 회전축(130)에 고정하기 위한 뿌리부(111)와 회전축(130)의 길이 방향으로 흐르는 유체로부터 회전동력을 얻을 수 있도록 뿌리부(111)에서 회전축의 반경방향으로 멀어지면서 나선형으로 성형되어 전면과 후면에 나선형 표면(112a)을 형성하는 나선판부(112)를 가진다.

바람직하게, 뿌리부(111)는 회전축(130)에 직선으로 연결되는 부분(111a)과 회전축(130)의 둘레를 따라 나선형으로 감기면서 연결되는 부분(111b)을 가지도록 형성된다.

이러한 나선형 날개(110)에는 선단부 가장자리를 따라 간격을 두고 형성되어 회전축(130)에 설치된 나선형 날개(110)들을 서로 연결할 수 있도록 하기 위한 복수의 연결부재 고정부(120)가 설치되어 있다.

연결부재 고정부(120)는 나선형 표면(112a)에서 전면과 후면 중 적어도 한쪽으로 돌출되게 나선판부(112)에 일체로 형성된다. 이 연결부재 고정부(120)의 돌출된 부분에는 연결부재(150)의 통과를 위한 구멍(121)이 뚫려 있고, 구멍(121) 둘레의 전면과 후면에 체결구(160)가 면접촉하는 상태로 연결부재(150)에 고정될 수 있도록 하기 위한 면접촉 체결면(122)이 형성되어 있다. 면접촉 체결면(122)은 바람직하게 평면으로 형성된다. 때에 따라, 면접촉 체결면(122)은 구면이나 원통면 등으로도 형성될 수 있지만, 체결구(160)의 대응 표면도 그와 같은 형상으로 만들어야 하므로 제조하기가 까다롭고 제조 단가도 높아질 수 있다.

체결구(160)로는 연결부재(150)의 외주면에 형성된 나선(152)에 나사결합되는 너트(162)와 면접촉 체결면(122)에 접촉되게 설치되어 너트(162)에 의해 면접촉 체결면(122)을 향해 가압되는 와셔(164)가 사용된다. 와셔(164)로는 평면의 면접촉 체결면(122)에 맞게 평와셔가 사용된다.

이 실시 예에서, 연결부재 고정부(120)는 전면과 후면 중 한쪽은 볼록하고 나머지 한쪽은 오목한 반구형의 캡형으로 형성되어 있다. 이는 나선형 날개(110)의 안정적인 고정을 위한 것이다. 반구형(캡형)은 핸드 레이업 등의 방식으로 FRP로 제조할 때 발생하는 형상오차를 흡수할 수 있도록 해주고 성형작업을 하기 쉽게 해준다. 때에 따라, 연결부재 고정부(120)는, 공기 유동상 와류가 많이 발생할 수 있기는 하지만, 캡형이 아닌 삼각형/사각형/오각형 등의 기둥형상으로 형성될 수 있고, 면접촉 체결면(122)과 나선형 표면(112a) 사이의 연결부재 고정부(120) 측면이 구형이 아닌 만곡면이나 직선형 등으로 변경된 형상으로 형성될 수 있다.

FRP로 나선형 날개(110)를 만드는 경우, 나선형 날개(110)의 두께가 일정하므로, 연결부재 고정부(120)를 음각/양각으로 반구형으로 둥글게 만들고 둥글게 만든 연결부재 고정부(120)에 바람직하게 평면을 가지는 면접촉 체결면(122)을 형성한다. 연결부재 고정부(120)는 반구형 대신 타원형 또는 다이아몬드형이면서 한쪽으로 또는 양쪽으로 볼록한 형태로 형성될 수 있다. 이는 뒤에서 설명되는 사출방식으로 만드는 나선형 날개(110)에서도 마찬가지이다.

FRP로 나선형 날개(110)를 만드는 경우, 핸드 레이업(Hand-Layup) 방식으로 만들 수 있는데, 핸드 레이업 방식은 두께 조정이나 국지적인 형상 변경이 어렵다. 이를 극복할 수 있는 형상으로는 도 1 내지 6에 나타낸 바와 같은 반구형의 캡형이 가장 적합하다.

이 실시 예의 연결부재 고정부(120)는 바깥쪽이 높고 회전축(130)이 있는 중심부 쪽으로 갈수록 점점 낮아지는 형상을 하고 있다. 때에 따라, 연결부재 고정부(120)는 캡형이 아닌 삼각형, 사각형, 오각형 등의 다각형 기둥형상으로 형성될 수도 있지만, 이때에는 공기 유동상 와류가 상대적으로 많이 발생할 수 있다. 일정 범위 내에서 연결부재 고정부(120)의 형상이나 각도변경은 가능할 것이다.

연결부재 고정부(120)는 연결부재(150)의 고정부위에 대한 안정성을 확보할 수 있어야 하므로 나선(152)이 형성된 연결부재(150)와 너트(162)의 체결에 의한 응력을 분산시키는 형태가 요구된다. 이 때문에 경사각만을 맞추기 위해 나선형 날개(110)의 형상을 부분적으로 부적절한 형상으로 변경하면 응력이 집중되어 파괴 위험이 있고, 너무 넓게 형상 변경 시에는 공력특성에 영향을 줄 수 있어 응력의 분산을 위해, 연결부재 고정부(120)는 본 발명의 실시 예들에서 도면으로 나타낸 바와 같은 형태로 만드는 것이 바람직하다.

일반적으로, FRP로 나선형 날개(110)를 제조할 시 형상오차로 인해 미세조정이 어렵지만, 사출방식으로 제조할 시에는 응력분산을 위한 두께 변경, 돌출부 사면 등 다양한 조정하여 만들기가 쉽다.

사출방식으로 나선형 날개(110)를 만드는 경우, 금형에 의해 나선형 날개의 두께 변경이나 국지적인 형상을 형성할 수 있어 최적화가 가능해 더 안정적인 형태로 설계할 수 있다.

또한, 소재적인 특성상 열경화성 수지를 사용하는 FRP 제조방식의 소재보다 열가소성 수지를 사용하는 사출방식의 소재가 재료물성이 낮지만, 사출방식을 이용하는 경우 응력이 집중되는 나선형 날개의 안쪽에 대한 두께를 보강하고 응력집중이 낮은 부분에 대한 두께를 줄이는 방법으로 최적화가 가능하다. 또한 사출방식으로 제조할 시 대량생산이 가능하여 제조단가가 낮아지고 나선형 날개의 균질성이 확보되어 최종제품의 회전 균형이 FRP 제조방식으로 만들어진 것보다 좋다.

때에 따라, 연결부재 고정부(120)의 돌출 방향은 반대로 바뀔 수 있다. 또한, 연결부재 고정부(120)는 전면과 후면의 양쪽으로 볼록하게 형성될 수 있지만, 작업 공수가 많아지고 재료도 많이 소요되는 측면이 있다.

양측 가장자리의 두 연결부재 고정부(120) 사이의 나선판부(112)에는 연결부재(150)의 통과를 위한 통공(120a)이 형성되어 있다. 이 통공(120a) 역시 나선판부(112)의 선단부 가장자리를 따라 형성된다. 이렇게 통공(120a)으로 형성하는 것은, 연결부재(150)의 양쪽 끝에 결합되는 연결부재 고정부(120)가 안정적으로 고정 시 나선형 날개(110)의 강성이 어느 정도 확보되어 중간에 있는 나선형 날개(110)는 큰 힘을 받지 않을 뿐만 아니라 통공(120a)이 형성되는 부분의 나선형 표면(112a)이 면접촉 체결면(122)에 거의 평행한 평면에 가깝고, 또 FRP로 제조할 시 공장에서의 작업 공정을 줄일 수 있기 때문이다. 물론, 통공(120a)이 형성된 부분에 앞에서 설명한 바와 같은 형태의 연결부재 고정부(120)가 형성될 수 있다.

이 실시 예는 3개의 통공(120a)이 형성된 것을 예시하고 있으나, 때에 따라, 1개의 통공(120a)이 형성될 수 있고, 통공(120a) 대신 연결부재 고정부(120)가 더 형성될 수 있다. 통공(120a)을 통과한 부분에도 체결구(160)가 결합된다.

위와 같은 본 발명에 따른 나선형 날개(110)는 도 5에 나타낸 바와 같이 바람직하게 3개가 회전축(130) 둘레를 따라 일정 각도 간격으로 설치된다.

때에 따라, 2개나 4개의 나선형 날개(110)가 회전축(130) 둘레를 따라 설치될 수 있다.

도 6을 참고하면, 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛(100)은 회전축(130)과 3개의 나선형 날개(110)와 복수의 연결부재(150) 및 복수의 체결구(160)를 가진다.

각 나선형 날개(110)는 뿌리부(111)가 회전축(130)에 일정 각도 간격으로 고정되어 있고, 각 나선형 날개(110)의 동일 선상으로 배치된 연결부재 고정부(120)의 구멍(121)에는 연결부재(150)가 삽입되어 있다. 연결부재(150)는 이 상태에서 나선형 날개(110)의 전면과 후면 양쪽의 체결구(160)를 통해 나선형 날개(110)에 고정되어 있다.

본 발명에서, 체결구(160)는 2개 이상의 나선형 날개(110)의 전면과 후면에서 연결부재(150)에 각각 결합되며, 동일 선상으로 배치된 연결부재 고정부(120)의 면접촉 체결면(122)에 면접촉하는 상태로 나선형 날개(110)가 연결부재(150)에 대해 움직이지 못하도록 고정하여 준다.

나선형 날개(110)의 형상은 회전축에 대한 각도가 변하면서 회전축 둘레를 따라 나선형으로 형성되는 형태이므로, 직선으로 구성된 연결부재(150)와는, 이 실시 예에서, 세 곳의 접점이 발생하며, 각 접점에서의 나선형 날개(110)의 나선형 표면(112a)이 이루는 각이 각각의 나선형 날개(110)에서 서로 다르기 때문에 연결부재(150)와 각을 맞추어 연결부재(150)에 대해 수직에 가깝게 연결부재 고정부(120)의 면접촉 체결면(122)을 형성하여야 한다.

여기에서, 각 나선형 날개(110)의 동일 선상으로 배치된 연결부재 고정부(120)의 면접촉 체결면(122)은 서로 평행하다. 실제 제작 시에는 오차가 생길 수 있지만, 오차는 약 ㅁ5도 범위로 하는 것이 바람직하다.

또한, 필요할 때에는 한 나선형 날개(110)의 연결부재 고정부(120)와 다른 나선형 날개(110)의 통공(120a)에 연결부재(150)를 삽입하고 체결구(160)로 연결부재(150)에 결합함으로써 복수의 나선형 날개(110)를 연결부재(150)를 통해 서로 고정되게 연결할 수 있다.

도 5와 6은 회전축(130)에 나선형 날개(110)가 3개 설치된 것을 예시하고 있으나, 때에 따라, 2개 또는 4개의 나선형 날개(110)가 회전축(130) 둘레에 설치될 수 있다. 특수한 경우, 5개의 나선형 날개(110)가 회전축(130) 둘레에 설치될 수도 있다. 이는 뒤에서 설명되는 실시 예의 나선형 날개 유닛에서도 마찬가지이다.

도 7과 도 8에 나타낸 바와 같이, 연결부재(150)의 외주면에는 나선(152)이 형성되어 있다. 이 연결부재(150)는 구멍(121)으로 삽입되어 있다. 체결구(160)는 나선형 날개(110)의 전면 쪽과 후면 쪽에서 연결부재(150)의 외주면 형성된 나선(152)에 결합되는 너트(162)와 연결부재(150)의 외주면에 결합된 와셔(164)를 구비한다. 전면과 후면 양쪽의 와셔(164)는 면접촉 체결면(122)에 면접촉된 상태로 너트(162)에 의해 각각 가압되어 면접촉 체결면(122)을 잡아준다.

도 9는 본 발명에 따른 나선형 날개의 다른 예를 나타낸 확대 사시도이고, 도 10은 도 9에 나타낸 나선형 날개를 후면 쪽에서 보아 나타낸 확대 사시도이고, 도 11은 도 9에 나타낸 나선형 날개의 전면 쪽에서 보아 나타낸 확대 사시도이고, 도 12와 도 13은 연결부재 고정부의 예를 각각 나타낸 확대도, 도 14는 도 9에 나타낸 나선형 날개들을 부분축부를 통해 결합한 상태의 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛의 측면도이고, 도 15는 여러 개의 연결부재와 체결구를 사용하여 나선형 날개들을 연결한 상태를 나타낸 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛의 측면도이다.

도 9 내지 15에 나타낸 나선형 날개(110)에는 3개의 연결부재 고정부(120)가 나선판부(112)의 선단부를 따라 간격을 두고 형성되어 있다. 이 실시 예의 연결부재 고정부(120)는 설치된 위치에 따라 형상은 서로 다르지만 모두 전면과 후면의 양쪽으로 볼록하게 형성되어 있다. 선단부 양쪽 끝에 형성된 연결부재 고정부(120) 각각은 동일 형상의 것을 나선형 날개(110)의 전면과 후면 양측에서 서로 반대방향으로 배치한 형태를 취하고 있다. 양쪽 끝 사이의 중간에 형성된 연결부재 고정부(120)는 양쪽 끝의 연결부재 고정부(120)에 비해 작은 높이로 돌출되어 있고, 구멍(121)이 형성된 원통형의 형상을 하고 있다.

도 9 내지 15를 참고하면, 동일한 나선형 날개(110)에 형성되는 연결부재 고정부(120)라도 그 위치에 따라 다른 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 회전축(130)에서 멀리 떨어진 연결부재 고정부(120)는 도 12에 나타낸 바와 같이 구멍(121)이 형성된 원통형상의 것을 대각선 방향으로 절단한 형태로 하고, 회전축(130)에 가까이 있는 연결부재 고정부(120)는 도 13에 나타낸 바와 같이 회전축(130)에서 멀리 떨어진 연결부재 고정부(120)에서보다 원주방향으로 길게 타원형으로 배치된 형태를 취하고 있다. 면접촉 체결면(122)을 제외한 부분은 곡면 형상이나 여러 개의 평면이 각이 지게 만나서 이루는 형상을 할 수 있다. 타원형 대신 다이아몬드형을 취할 수 있음은 물론이다.

또한, 연결부재 고정부(120)는 바람직하게 반경방향보다는 원주방향으로 길게 그리고 원주방향으로 경사지게 배치된다. 이렇게 하는 경우, 나선형 날개 유닛(100)이 회전할 때 연결부재 고정부(120)로 인한 공기 저항을 최소화할 수 있다.

이 연결부재 고정부(120)에는 양쪽으로 볼록한 끝부분의 단면부에 면접촉 체결면(122)이 각각 형성되어 있다. 면접촉 체결면(122)은 바람직하게 평면으로 형성된다.

도 9 내지 11에 나타낸 나선형 날개(110)는 뿌리부(111)를 따라 일체로 형성된 부분축부(131)를 가진다. 이 부분축부(131)는 회전축(130)의 일부를 구성하는 부분으로, 도 14와 도 15에 나타낸 바와 같이 다른 나선형 날개(110)의 부분축부(131)와 결합하여 쉽게 나선형 날개 유닛(100)을 만들 수 있도록 해준다.

도 9 내지 11에서 알 수 있는 바와 같이, 나선형 날개(110)의 뿌리부(111)에는 간격을 두고 리브(115)가 형성되어 있다. 이 리브(115)는 뿌리부(111)를 부분축부(131)에 더욱 견고하게 연결할 수 있도록 하기 위한 것이다.

위와 같은 나선형 날개(110)는 금형을 이용한 사출성형으로 만드는 것이 바람직하다. 나선형 날개(110)를 사출성형으로 제조하는 경우, 앞에서 설명한 연결부재 고정부(120)의 형상은 다양하게 만들 수 있고, 나선판부(112)의 두께도 반경방향으로 변하도록 형성할 수 있다.

도 14와 도 15를 참고하면, 각 나선형 날개(110)의 동일 선상으로 배치된 연결부재 고정부(120)의 구멍(121)에는 연결부재(150)가 삽입된 상태에서 체결구(160)를 구성하는 너트(162)는 나선형 날개(110)의 전면과 후면에서 면접촉 체결면(122)과의 사이에 와셔(164)를 개재한 상태로 연결부재(150)에 각각 결합된다. 이 체결구(160)는 동일 선상으로 배치된 연결부재 고정부(120)의 면접촉 체결면(122)에 면접촉하는 상태로 나선형 날개(110)가 연결부재(150)에 대해 움직이지 못하도록 고정한다.

여기에서도, 각 나선형 날개(110)의 동일 선상으로 배치된 연결부재 고정부(120)의 면접촉 체결면(122)은 서로 평행한 것이 바람직하지만, 실제 제작 시에 다소의 오차가 생길 수 있다. 오차는 약 ㅁ5도 범위로 하는 것이 바람직하다.

나머지는 도 1 내지 도 6에서 설명한 것과 같다.

도 16은 도 9에 나타낸 나선형 날개의 변형 예를 나타낸 사시도이다.

때에 따라, 나선형 날개(110)의 뿌리부(111)에는 부분축부(131)와 접한 부분에 구멍(117)이 형성될 수 있다. 이 구멍(117)은 복수의 나선형 날개(110)의 부분축부(131)들을 밴드 등으로 일체로 묶을 수 있도록 하기 위한 것이다. 이러한 구멍(117)은 간격을 두고 2개 이상이 형성될 수 있다.

나머지는 도 9 내지 13을 통해 설명한 것과 같다.

도 17과 도 18은 연결부재 고정부의 또 다른 예를 각각 나타낸 도면이다.

때에 따라, 도 1 내지 6에서 설명한 나선형 날개(110)에서, 연결부재 고정부(120)는 도 17과 18에 나타낸 바와 같이 반경방향보다는 원주방향으로 길게 그리고 원주방향으로 경사지게 배치된 타원형 또는 다이아몬드형의 형상으로 구성될 수 있다.

나머지는 앞에서 설명한 것과 같다.

도 19는 본 발명에 따른 나선형 날개의 또 다른 예를 나타낸 확대 사시도이고, 도 20은 도 19 나선형 날개의 확대 정면도이고, 도 21은 3개의 도 19 나선형 날개와 비원형단면 축부재를 조립하여 만든 나선형날개 유닛의 사시도이고, 도 22는 도 21 나선형날개 유닛의 정면도이다.

도 19와 도 20에 나타낸 나선형 날개(110)는 나선판부(112)의 뿌리부(111)를 따라 일체로 형성되고 회전축(130)의 일부를 구성하기 위한 부분축부(131)를 가지는 것으로, 나선판부(112)의 뿌리부(111)가 부분축부(131)의 외주면 둘레에 연결된 각도범위를 360도 범위로 하던 것을 300도 범위로 한 것을 보여준다.

이 실시 예는 나선판부(112)의 뿌리부(111)가 부분축부(131)의 외주면에 연결되어 형성되는 각도범위를 줄이기 위해 나선판부(112)의 선단부에 나선형에서 회전축(130)의 중심을 향해 꺾여 부분축부(131)에 연결되는 변곡연결부(114)가 형성된 것을 보여준다. 도 19 내지 도 21에서 알 수 있는 바와 같이 나선판부(112)가 바깥쪽 가장자리에서 안쪽으로 부분축부(131)를 중심으로 나선형으로 진행하다가 부분축부(131) 부근에서 바람직하게, 회전축(130)의 중심을 향해 배치된 평판으로 이루어진 변곡연결부(114)를 통해 부분축부(131)에 일체로 연결된다. 이 실시 예에서, 변곡연결부(114)는 삼각형을 이루고 있다. 곡률이 변하는 부분의 두께는 주변부보다 두껍게 한 보강부(116)를 형성하여 강도를 보강한다.

이 실시 예는, 나선판부(112)가 부분축부(131)의 표면 둘레를 따라 연결되는 각도범위가 300도인 것을 예시하고 있으나, 나선판부(112)가 부분축부(131)의 표면 둘레를 따라 연결되는 각도범위는 최소 240도 범위 이상으로 형성하는 것이 좋고, 최대 350도 범위 이하로 형성하는 것이 좋다. 240도보다 작아지는 경우 나선판부의 면적 감소로 인해 발전효율이 많이 떨어지고, 350도를 초과하는 경우 사출성형 시 언더컷이 많이 발생한다.

바람직하기로는, 나선판부(112)가 부분축부(131)의 표면 둘레를 따라 연결되는 각도범위는 도 19에 예시한 300도 범위를 기준으로 약 30도 내에서 증감, 즉, 240도 범위 이상이고 330도 범위 이하인 것이 바람직하다.

이 실시 예에서, 부분축부(131)는 120도 각도범위로 형성되어, 3개의 나선형 날개(110)와 비원형단면 축부재(130a)가 결합되어 도 21과 22에 나타낸 바와 같은 나선형 날개 유닛(100)을 형성한다.

도시된 바와 같이, 부분축부(131)에는 회전축(130)의 중심부 쪽에 비원형단면 홈(132)이 형성되어 있다. 이 비원형단면 홈(132)은 도 21과 22에 나타낸 바와 같이 비원형단면 축부재(130a)가 결합되어 비원형단면 축부재(130a)가 나선형 날개(110)와 상대적인 회전을 하는 것을 방지하기 위한 것이다. 이러한 비원형단면 홈(132)을 가지는 부분축부(131)의 형상은 뒤에서 설명되는 도 23a~도23f를 보면 더 자세히 알 수 있다.

3개의 나선형 날개(110)가 이 부분축부(131)를 통해 서로 결합되면, V자형 비원형단면 홈(132)들에 의해 중앙부에 정육각형의 구멍이 형성되고, 여기에 도 21과 22에 나타낸 바와 같이 비원형단면 축부재(130a)의 육각형 단면부가 결합되어 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛(100)을 구성한다.

도 23a~도23f는 60도씩 회전시킨 상태를 나타낸 도 19 나선형 날개의 측면사시도이다.

도 23a~도23f에 나타낸 바와 같이, 부분축부(131)에는 회전축(130)의 중심부 쪽에 비원형단면 홈(132)이 형성되어 있다. 이 비원형단면 홈(132)은 앞의 도 21과 22에 나타낸 바와 같이 비원형단면 축부재(130a)가 결합되어 비원형단면 축부재(130a)가 나선형 날개(110)와 상대적인 회전을 하는 것을 방지하기 위한 것이다.

이 실시 예에서, 비원형단면 홈(132)은 내주면 간의 각도가 120도인 V자형 홈을 이루고 있다. 이러한 부분축부(131)의 외주면은 부분축부(131)의 길이방향을 따라 직선으로 배치된 직선부(131a)와 한 방향으로 꼬여 있는 트위스트부(131b)를 가진다. 이 직선부(131a)와 트위스트부(131b)의 상호작용으로 3개의 부분축부(131)가 서로 결합된 상태에서 풀리지 않고 견고한 상태를 유지한다. 직선부(131a)는 서로 결합되는 부분축부(131)의 1/2이상의 길이로 형성되고, 트위스트부(131b)는 1/2보다 작은 길이로 형성되는 것이 바람직하다. 직선부(131a)에 대한 트위스트부(131b)의 비틀림 각도는 180도 정도가 적당하고, 150도 내지 230도 범위 내, 바람직하게 150도 내지 210도 범위 내로 하는 것이 좋다.

3개의 나선형 날개(110)이 3개의 부분축부(131)를 통해 서로 결합되면, V자형 비원형단면 홈(132)들에 의해 중앙부에 정육각형의 구멍이 형성되고, 여기에 앞에서 설명한 비원형단면 축부재의 직선으로 배치된 육각형 단면부가 결합될 수 있다.

때에 따라, 비원형단면 홈(132)과 축부재(130) 역시 부분축부(131)의 외주면과 같이 한 방향으로 꼬인 부분을 가지도록 형성될 수 있음은 물론이다.

나머지는 앞에서 설명한 것과 같다.

도 24와 도 25는 부분축부와 비원형단면 축부재의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.

때에 따라, 도 24에 나타낸 바와 같이, 부분축부(131)의 안쪽면에 형성되는 비원형단면 홈(132)은 60도로 형성되어 3개의 부분축부(131)가 서로 결합된 상태에서 정삼각형의 구멍을 형성하도록 하고, 이 구멍에 삼각형의 단면을 가지는 비원형단면 축부재(130a)가 결합될 수 있다.

비원형단면 홈(132)과 비원형단면 축부재(130a)의 삼각형 모서리부는 둥글게 형성하는 것이 바람직하다.

위 실시 예에서는 3개의 나선형 날개가 결합되어 나선형 날개 유닛을 구성하는 것을 예시하고 설명하였으나, 때에 따라, 부분축부를 180도로 형성한 2개의 나선형 날개를 부분축부를 통해 서로 결합하여 나선형 날개 유닛을 구성하도록 할 수 있다. 또, 때에 따라 부분축부를 90도로 형성한 4개의 나선형 날개(110)를 부분축부를 통해 서로 결합하여 나선형 날개 유닛을 구성하도록 할 수 있다.

본 발명은 풍력 발전에 적합한 나선형 날개와 이러한 나선형 날개를 가지는 나선형 날개 유닛을 만드는데 이용될 가능성이 있다. 본 발명에 따른 나선형 날개 유닛은 때에 따라, 수력 발전에 이용될 가능성도 있다.

100: 나선형 날개 유닛 110: 나선형 날개
111: 뿌리부 111a: 직선으로 연결되는 부분
111b: 나선형으로 감기면서 연결되는 부분
112: 나선판부 112a: 나선형 표면
114: 변곡연결부 115: 리브
116: 보강부 117: 구멍
120: 연결부재 고정부 121: 구멍
122: 면접촉 체결면 130: 회전축
130a: 비원형단면 축부재 131: 부분축부
150: 연결부재 152: 나선
160: 체결구 162: 너트
164: 와셔

Claims (15)

1. 회전축에 고정되는 뿌리부와 상기 회전축의 길이 방향으로 흐르는 유체로부터 회전동력을 얻을 수 있도록 상기 뿌리부에서 상기 회전축의 반경방향으로 멀어지면서 나선형으로 성형되어 나선형 표면을 형성하는 나선판부를 가지는 나선형 날개에 있어서,
   상기 뿌리부를 따라 일체로 형성되고 상기 회전축의 일부를 구성하기 위한 부분축부를 포함하고,
   상기 나선판부의 상기 뿌리부가 상기 부분축부의 외주면 둘레에 연결된 각도범위는 240도 범위 이상이고 350도 범위 이하이고,
   상기 나선판부의 선단부에 상기 나선판부의 상기 뿌리부가 상기 부분축부의 외주면에 연결되는 각도범위를 줄이기 위해 나선형에서 상기 회전축의 중심을 향해 꺾여 상기 부분축부에 연결되는 변곡연결부가 형성된 것을 특징으로 하는 나선형 날개.
2. 제1항에서, 상기 나선판부의 상기 뿌리부가 상기 부분축부의 외주면 둘레에 연결된 각도범위는 270도 범위 이상이고 330도 범위 이하인 것을 특징으로 하는 나선형 날개.
3. 삭제
4. 제1항에서, 상기 부분축부는 상기 회전축의 중심부 쪽에 비원형단면 홈이 형성된 것이고, 상기 부분축부의 외주면은 상기 부분축부의 길이방향을 따라 직선부와 트위스트부를 가지는 것을 특징으로 하는 나선형 날개.
5. 제1항에서,
   상기 나선판부의 선단부 가장자리를 따라 간격을 두고 배치되고 상기 나선형 표면에서 전면과 후면 중 적어도 한쪽으로 돌출되게 상기 나선판부에 일체로 형성되며 돌출된 부분에 연결부재의 통과를 위한 구멍이 뚫려 있고 상기 구멍 둘레의 전면과 후면에 체결구가 면접촉하는 상태로 상기 연결부재에 고정될 수 있도록 하기 위한 면접촉 체결면을 형성하는 복수의 연결부재 고정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 나선형 날개.
6. 제5항에서, 상기 면접촉 체결면은 평면 또는 구면을 포함하고, 간격을 두고 배치된 상기 연결부재 고정부 사이의 상기 나선판부의 선단부 가장자리에 연결부재의 통과를 위한 구멍이 형성된 것을 특징으로 하는 나선형 날개.
7. 제5항에서, 상기 연결부재 고정부는 전면과 후면 중 한쪽은 볼록하고 나머지 한쪽은 오목한 캡형으로 형성되거나 전면과 후면의 양쪽으로 볼록하고 동일 형상의 것을 서로 반대방향으로 배치한 형태인 것을 특징으로 하는 나선형 날개.
8. 제5항에서, 상기 연결부재 고정부는 반경방향보다는 원주방향으로 길게 그리고 원주방향으로 경사지게 배치된 것을 특징으로 하는 나선형 날개.
9. 제1항에서, 상기 뿌리부의 양단 사이의 적어도 한 부분에는 복수의 상기 나선형 날개의 상기 부분축부를 묶을 수 있도록 하기 위한 밴드의 통과를 위한 구멍이 형성된 것을 특징으로 하는 나선형 날개.
10. 제4항에서, 상기 부분축부는 상기 회전축이 3개로 등분할된 형태인 120도 각도범위로 형성되고, 상기 비원형단면 홈은 내주면 간의 각도가 120도인 V자형 비원형단면 홈인 것을 특징으로 하는 나선형 날개.
11. 부분축부를 통해 서로 결합된 적어도 2개 이상의 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항의 나선형 날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 나선형 날개 유닛.
12. 제11항에서,
    상기 나선형 날개는 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항의 나선형 날개이고,
    2개 이상의 상기 나선형 날개의 동일 선상으로 배치된 연결부재 고정부의 구멍에 삽입된 연결부재; 및
    2개 이상의 상기 나선형 날개의 전면과 후면에서 상기 연결부재에 각각 결합되어 동일 선상으로 배치된 상기 연결부재 고정부의 면접촉 체결면에 면접촉하는 상태로 상기 나선형 날개가 상기 연결부재에 대해 움직이지 못하도록 고정하여주는 복수의 체결구를 포함하는 것을 특징으로 하는 나선형 날개 유닛.
13. 제12항에서, 3개의 상기 나선형 날개가 상기 부분축부를 통해 서로 결합되어 구성된 것을 포함하고, 동일 선상으로 배치된 상기 면접촉 체결면은 서로 평행하게 배치된 것을 특징으로 하는 나선형 날개 유닛.
14. 제12항에서, 상기 체결구는 상기 연결부재의 외주면에 결합되는 와셔와 상기 연결부재에 형성된 나선에 결합되어 상기 와셔를 상기 면접촉 체결면을 향해 가압하는 너트를 포함하는 것을 특징으로 하는 나선형 날개 유닛.
15. 제11항에서, 서로 결합된 상기 부분축부의 내부에 비원형단면의 구멍이 형성되고, 상기 비원형단면의 구멍에 비원형단면 축부재가 결합된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 나선형 날개 유닛.

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