KR102219323B1 - 풍력발전기용 스파이럴 블레이드의 고정구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전기용 스파이럴 블레이드의 고정구조로서, 이를 보다 상세히 설명하면 풍력발전기에 사용되는 조립식 나선형의 블레이드를 고정하는 구조에 관한 것으로서, 상기 본 발명은 구체적인 수단으로 샤프트의 외주면에 등각 분할되어 둘레 방향으로 접하도록 구성된 지지대와, 지지대의 일부는 샤프트의 길이방향으로 형성된 직진구간과 지지대의 나머지는 샤프트를 기준으로 나선형으로 형성된 나선구간과, 각 지지대의 외측에 외향 돌출되어 샤프트를 기준으로 나선형으로 형성된 블레이드와, 블레이드의 내측에서 지지대와 접하도록 블레이드를 관통되게 절개 형성된 절개공과, 절개공을 관통하면서 분할된 지지대를 샤프트에 가압 고정토록 외주면에 2개 또는 3개로 분할된 호형의 가압부재가 체결되는 클램프가 포함된 것을 특징으로 하며, 이러한 본 발명에 의해 레이드가 형성되는 지지대의 가운데를 견고하게 고정하므로 지지대 내지 블레이드가 회전하면서 한쪽으로 치우치는 것을 방지하여 풍압 발생에 의한 에너지효율 저하도 함께 방지하는 것이며, 진동과 소음도 함께 방지되는 등 다수의 효과를 기대할 수 있는 발명이다.

Description

풍력발전기용 스파이럴 블레이드의 고정구조{Fixed structure of spiral wind turbine blade}

본 발명은 풍력발전기용 스파이럴 블레이드의 고정구조로서, 이를 보다 상세히 설명하면 풍력발전기에 사용되는 조립식 나선형의 블레이드가 샤프트에 견고하게 고정되도록하는 구조에 관한 것이다.

풍력발전기에 사용되는 블레이드는 다양한 형태가 있는데, 그 중 회전축이 수평으로 향한 원추형의 스파이럴 블레이드의 경우 직경이 크기 않으면서도 높은 회전력으로 풍력발전에 사용된다.

상기 스파이럴 블레이드는 대한민국 등록특허 제1794037호(2017년 11월 07일자 공고)에 게재된 바와 같이 금속소재의 판재를 나선형으로 밴딩하여 형성한 블레이드를 샤프트에 용접과 같은 방법을 통해 결합하는 방법이 있으며, 또는 대한민국 등록특허 제1578745호(2015년 12월 21일자 공고)에 게재된 바와 같이 나선형 날개 유닛을 다양한 재질로 구성하되 날개 유닛이 회전축에 고정을 하고, 상기 고정성을 보완하기 위해서 날개 연결구 또는 링크부재를 부설하도록 구성된 기술이 있다.

하지만 상기와 같이 블레이드가 샤프트에 고정된 경우에는 스파이럴 블레이드 내지 풍력발전기를 유지 보수함에 있어서 블레이드에 점착된 이물의 청소, 파손되거나 파손의 우려가 있는 날개 내지 부품의 교체 등의 경우에 스파이럴 블레이드를 통째로 교체해야하는 문제가 있었다.

따라서 유지비용과 보수비용이 증가하고, 따라서 자연히 생산성이 저하되는 문제가 있었다.

또한 재질을 주물 등으로 제작하는 경우 무게가 무거워 회전에 풍력이 많이 필요해 풍력발전효율이 낮아지고, 주물 원가로 인해 제작비가 증가하는 문제도 있었다.

KR 10-1794037 B1 (2017.11.07.) KR 10-1578745 B1 (2015.12.21.)

본 발명에서는 상기한 종래 기술의 문제점들을 해결코자 새로운 기술을 창안한 것으로서, 본 발명은 풍력발전기용 스파이럴 블레이드의 고정구조를 개선하여 나선형의 블레이드가 회전할 때 원심력에 의해 샤프트로부터 분리되려는 현상을 방지하도록 견고히 고정하여 스파이럴 블레이드에 진동, 소음, 파손 등이 발생할 가능성을 낮출 수 있는 고정구조를 제공코자 함을 발명의 목적으로 한다.

이와 함께 별도로 기술하지는 않았으나 하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 청구범위를 감안하여 유추할 수 있는 범위 내의 또 다른 목적들도 본 발명의 전체 과제에 포함되는 것이다.

상기한 발명의 과제를 해결하기 위한 구체적인 수단으로 본 발명에서는 풍력발전기용 스파이럴 블레이드의 고정구조를 구성함에 있어서, 샤프트의 외주면에 등각 분할되어 둘레 방향으로 접하도록 구성된 지지대와, 지지대의 일부는 샤프트의 길이방향으로 형성된 직진구간과 지지대의 나머지는 샤프트를 기준으로 나선형으로 형성된 나선구간과, 각 지지대의 외측에 외향 돌출되어 샤프트를 기준으로 나선형으로 형성된 블레이드와, 블레이드의 내측에서 지지대와 접하도록 블레이드를 관통되게 절개 형성된 절개공과, 절개공을 관통하면서 분할된 지지대를 샤프트에 가압 고정토록 외주면에 2개 또는 3개로 분할된 호형의 가압부재가 체결되는 클램프가 포함된 것을 특징으로 한다.

클램프는 가압부재의 양측에서 타 가압부재가 마주보도록 대응되는 결합면과, 일측의 결합면에 형성된 결합공과, 타측의 결합면에 상기 결합공에 대응되어 체결되도록 형성된 결합홈과, 샤프트에 결합된 지지대 외측면에 형성된 가압대상면을 가압하도록 클램프의 내면에 형성된 고정가압면이 더 포함될 수 있다.

추가로 가압부재의 결합면에 구성되어 타 가압부재의 결합면과 인력(引力)이 작용토록 하는 자력부재가 더 포함될 수 있다.

상술한 과제 해결을 위한 구체적인 수단에 의하면, 샤프트에 블레이드가 용접 등에 의해 고정한 것이 아니므로 결합과 분리가 용이하며, 따라서 블레이드의 청소, 균열, 파손에 대비하여 교체가 용이하여 유지비용이 대폭 낮아지는 장점이 있다.

또한 블레이드가 형성되는 지지대의 가운데를 견고하게 고정하므로 지지대 내지 블레이드가 회전하면서 한쪽으로 치우치는 것을 방지하여 풍압 발생에 의한 에너지효율 저하도 함께 방지하는 것이며, 진동과 소음도 함께 방지되는 것이다.

따라서 이러한 고정부재는 풍력발전의 경제성과 사업성 증대시키는 등 그 기대되는 효과가 다대한 발명이다.

도 1은 본 발명의 일례를 보인 입체도
도 2는 본 발명의 일례를 분리하여 보인 입체도
도 3은 본 발명의 일례를 보인 측단면도
도 4는 본 발명의 클램프 결합을 자세히 보인 평단면도
도 5는 본 발명의 클램프 결합의 다른 실시예를 보인 평단면도

본 발명은 풍력발전기용 스파이럴 블레이드의 고정구조를 제공코자 하는 것으로서, 이를 하기에서 도면들과 함께 보다 구체적으로 설명토록 하며, 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 사용되는 용어들 역시 실시 예를 구체적으로 설명하기 위한 것일 뿐 해당 용어에 국한되어 해석해서는 아니 되는 것이다.

풍력발전기용 스파이럴 블레이드의 고정구조는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 샤프트(2)의 외주면에 등각 분할되어 둘레 방향으로 접하도록 구성된 지지대(3)와, 지지대(3)의 일부는 샤프트(2)의 길이방향으로 형성된 직선구간(3a)과 지지대(3)의 나머지는 샤프트(2)를 기준으로 나선형으로 형성된 나선구간(3b)과, 각 지지대(3)의 외측에 외향 돌출되어 샤프트를 기준으로 나선형으로 형성된 블레이드(4)와, 블레이드(4)의 내측에서 지지대(3)와 접하도록 블레이드(4)를 관통되게 절개 형성된 절개공(42)과, 절개공(42)을 관통하면서 분할된 지지대(3)를 샤프트(2)에 가압 고정토록 외주면에 체결되는 클램프(5)가 포함된 것을 특징으로 한다.

클램프(5)는 분할되어 외측이 호형인 가압부재(51)와, 가압부재(51)의 양측에서 타 가압부재(51)가 마주보도록 대응되는 결합면(52)과, 일측의 결합면(52)에 형성된 결합공(53)과, 타측의 결합면(52)에 상기 결합공(53)에 대응되어 체결되도록 형성된 결합홈(54)과, 샤프트(2)에 결합된 지지대(3) 외측면에 형성된 가압대상면(32)을 가압하도록 클램프(5)의 내면에 형성된 고정가압면(55)이 더 포함될 수 있다.

추가로 가압부재(51)의 결합면(52)에 구성되어 타 가압부재의 결합면(52)과 인력(引力)이 작용토록 하는 자력부재(52a)가 더 포함될 수 있다.

상기 구성을 보다 자세히 살펴보면 하기와 같으며, 스파이럴 블레이드(1)가 실제 풍력 발전기에 적용될 때는 회전축이 수평으로 누운 형상으로 사용되지만 본 발명에 대한 설명을 함에 있어서 구성의 이해를 돕기 위해 회전축을 세운 형태로 도시하였으며, 상하 등의 방향의 표현에 있어서 도면을 기준으로 한다.

기존에 주물 등으로 제작되는 스파이럴 블레이드의 제작상의 어려움과 높은 무게로 인하여, 탄소섬유(carbon fibers) 등의 가볍고 사출이 가능한 소재로 블레이드를 합성수지로 사출하여 수개의 합성수지 블레이드를 샤프트에 조립하는 방식으로 구성할 수 있다.

풍력에 의해 회전하는 블레이드(4)가 형성된 지지대(3)가 샤프트(2)에서 슬립되지 않고 동일한 회전비를 회전하도록 샤프트(2)와 지지대(3)에는 각각 슬림이 방지되는 구성이 포함된다.

키가 결합되거나 또는 볼팅 결합 등 다양한 방법이 있으나, 본 발명에서 예시하는 실시예는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 샤프트(2)에 길이방향의 다각면(21)이 형성되어, 상기 다각면에 대응되는 밀착면(31)이 지지대(3)의 내측에 형성토록 하는 것이다.

샤프트(2)에서 다각면(21)은 개수가 단면적이 작아져 샤프트(2)의 내구성이 약해지고, 다각면(21)의 개수가 너무 많아지면 단면의 형태가 원형에 가까워 지지대(3)가 회전했을 때 샤프트(2)에서 슬립이 발생할 우려가 있으므로, 다각면(21)의 면의 개수는 지지대(3)의 개수보다 2~3배가 바람직할 것이다.

상기 지지대(3)는 평면상에서 볼 때 샤프트(2)를 둘레방향으로 둘러쌓는 형상을 이루되, 블레이드(4)의 개수만큼 등각으로 길이방향으로 균등 분할 되도록 한다.

따라서 블레이드(4)의 개수만큼 지지대(3)를 샤프트(2)에 결합하면 원통형을 이루게 된다.

블레이드(4)의 개수는 일반적으로 120도 간격으로 3개가 형성되는 경우가 많으나 지지대(3) 내지 블레이드(4)의 개수는 필요에 따라 가감할 수 있을 것이다.

다만 지지대(3)에 결합되는 블레이드(4)가 측면 상 원추형을 이루도록 샤프트(2)를 기준으로 나선형으로 굽어지는 블레이드(4)의 형상을 사출하기 위해서 도 2에 도시된 바와 같이 지지대(3)의 상부는 샤프트(2)의 길이방향으로 직선구간(3a)를 이루고, 지지대(3)의 하부도 블레이드(4)의 나선형상에 따라 지지대(3)의 형상도 나선형의 나선구간(3b)를 이루게 된다.

직선구간(3a)에서는 블레이드(4)가 외향으로 돌출됨에 있어 샤프트(2)를 기준으로 하향으로 나선형으로 휘어지기 위한 연장구간으로 절곡부(41)를 갖게 된다.

지지대(3)의 상단은 블레이드(4)의 상단보다 높게 돌출되고, 지지대(3)의 하단은 블레이드(4)의 하단보다 낮게 돌출된다.

따라서 샤프트(2)에 결합된 지지대(3)의 상단과 하단에 각각 결합밴드(6)를 결합하면 지지대가 샤프트(2)에 고정되게 된다.

다만, 한 쌍의 결합밴드(6)에 의해 고정할 수 있는 스파이럴 블레이드(1)는 극소형일 경우에 한정되며, 스파이럴 블레이드(1)에서 샤프트(2)가 길거나 또는 블레이드(4)가 넓은 등 스파이럴 블레이드(1)의 크기가 커질 경우에는 결합밴드(6)만으로는 고정이 불안정하게 된다.

풍력에 의해 스파이럴 블레이드(1)가 회전하게 되면, 지지대(3)의 상하단만 고정되고, 블레이드(4)의 원심력에 의해 지지대(3)가 휘어지면서, 지지대의 가운데가 샤프트(2)로부터 이격되는 문제가 발생할 수 있는 것이다.

지지대(3)가 휘어지면 지지대(3)의 파손의 우려는 물론이거니와 불필요한 공기저항이 발생하여 발전효율이 낮아지고, 각 지지대별로 휘어진 정도가 다르게 되면 스파이럴 블레이드(1)가 편심되거 회전하여 진동내지 소음이 발생하는 등 다양한 문제가 발생하게 된다.

따라서 지지대(3)의 가운데를 샤프트(2)에 밀착 고정시키는 구성이 반드시 필요한 것이다.

지지대(3)의 외측면 가운데는 블레이드(4)가 외측으로 돌출되어 있어 결합밴드(6)로 체결이 불가능하므로, 본 발명에서는 스파이럴 블레이드(1) 고정을 위한 전용 클램프(5)를 더 구성하는 것이다.

지지대(3)의 외측면에 닿는 블레이드(4)의 내측이 일부 절개하여 절개공(42)을 형성한다.

상기 절개공(42)은 제조과정에 있어서 사출금형에 적용하여 절개공(42)이 형성되도록 사출하거나, 또는 사출 후 별도로 가공하여 절개공(42)이 형성되도록 할 수도 있다.

절개공(42)이 형성되면, 지지대(3)의 가운데가 노출되면서, 도 4에 도시된 바와 같이 평면상 지지대(3)를 샤프트(2)로 가압해야할 가압대상면(32)이 노출되게 된다.

상기 절개공(42)을 관통하여 가압대상면(32)에 가압부재(51)를 밀착시키도록 한다.

상기 가압부재(51)는 환형의 클램프(5)가 2~3개의 분할되는 것이 바람직하나 블레이드(4)의 개수에 맞춰서 분할될 수도 있다.

낱개의 가압부재(51)는 호형으로 형성되므로, 따라서 가압부재(51)를 모두 결합하면 환형 형상이 클램프(5)가 되는 것이며, 분할된 각도는 등각이 바람직하나 필요에 따라 비등각으로 분할 할 수도 있을 것이다.

낱개의 가압부재(51) 양측단은 대응되는 타 가압부재(51)와 마주보게 되는 결합면(52)이 형성된다.

낱개의 가압부재(51)의 한 쌍의 결합면(52) 중 일측은 육각렌치볼트와 같은 체결수단(56)이 걸림되도록 관통되는 결합공(53)이 형성되고, 타측은 체결수단(56)이 결합되는 암나사가 형성된 결합홈(54)이 형성된다.

따라서 가압부재에서 결합공(53)이 형성된 결합면(52)이 타 가압부재(51)의 결합홈(54)이 형성된 결합면(52)에 마주보도록 대응시키고, 체결수단(56)을 육각렌치와 같은 공구를 이용하여 체결시키면 한 쌍의 가압부재(51)가 결합되는 것이다.

서로 대응되는 결합면(52)은 맞닿아도 되지만, 클램프(5)의 고정성을 높이기 위해 결합면(52)이 소폭 이격되도록 체결될 수도 있다.

수 개의 가압부재(51)가 각각의 결합공(53)과 결합홈(54)에 의해 체결되면 원통형상의 클램프(5)가 된다.

클램프(5)의 내측면은 고정가압면(55)으로서 역할을 하여 지지대(3)의 가압대상면(32)에 밀착하여 지지대(3)를 샤프트(2)로 가압하여 고정하게 된다.

따라서 필요에 따라 고정가압면(55)의 내경이 가압대상면(32)의 외경보다 작게 형성하여 가압부재(51)에 체결되는 결속수단에 의해 높은 가압력을 갖게 되는 것이다.

또 다른 실시예로 가압부재(51)의 구성된 결합면(52)에 네오디뮴(Neodymium)같은 자석을 이용한 자력부재(52a)를 추가로 구성할 수 있다.

가압부재(51)가 자성체일 경우에는 한 쌍의 결합면(52) 중 일측에만 자력부재(52a)를 형성하고, 타 가압부재(51)의 자력부재(52a)가 형성되지 않은 결합면(52)에 결합할 수 있다.

가압부재(51)가 자성체가 아닐 경우 한 쌍의 결합면(52)에 각각 자력부재(52a)를 형성하되 일측은 N극이 외측을 바라보도록 형성하고, 타 측은 S극이 외측을 바라보록 형성한다.

극성이 가압부재(51)의 양측으로 서로 대칭되지 않도로 구성하면, 타 가압부재(51)의 자력부재(52a)와 대응하여 서로 인력(引力)이 발생하는 결합공(53)과 결합홈(54)의 자력부재(52a)끼리 붙고, 동일한 극성의 결합공(53)과 결합공(53) 또는 결합홈(54)과 결합홈(54)끼리는 서로 척력(斥力)이 발생하지 붙지 않고 밀어내게 되는 것이다.

상기와 같이 자력부재(52a)를 형성하면 가압부재(51)와 가압부재(51) 끼리 임시로 부착되게 되므로, 사용자가 좁은 스파이럴 블레이드(1)의 좁은 공간 내에서 체결수단(56)을 결합하기 용이해져 생산성이 향상되는 것이다.

이상과 같이 본 발명의 상세한 설명에는 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 기술범위에 벗어나지 않는 범위 내에서는 다양한 변형실시도 가능하다 할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상기 실시 예에 한정하여 정하여 질 것이 아니라 후술하는 특허청구범위의 기술들과 이들 기술로부터 균등한 기술수단들에까지 보호범위가 인정되어야 할 것이다.

1:스파이럴 블레이드
2:샤프트 21:다각면
3:지지대 3a:직선구간 3b:나선구간 31:밀착면 32:가압대상면
4:블레이드 41:절곡부 42:절개공
5:클램프 51:가압부재 52:결합면 52a:자력부재
53:결합공 54:결합홈 55:고정가압면 56:체결수단
6:결합밴드

Claims (2)

1. 샤프트(2)의 외주면에 등각 분할되어 둘레 방향으로 접하도록 구성된 지지대(3);
   각 지지대(3)의 외측에 외향 돌출되어 샤프트를 기준으로 나선형으로 형성된 블레이드(4);
   블레이드(4)의 내측에서 지지대(3)와 접하도록 블레이드(4)를 관통되게 절개 형성된 절개공(42);
   절개공(42)을 관통하면서 분할된 지지대(3)를 샤프트(2)에 가압 고정토록 방사상으로 2개 또는 3개로 분할된 호형의 가압부재(51)가 체결되는 클램프(5);
   가 포함되며,
   클램프(5)는
   가압부재(51)의 양측에서 타 가압부재(51)가 마주보도록 대응되는 결합면(52);
   일측의 결합면(52)에 형성된 결합공(53)과, 타측의 결합면(52)에 상기 결합공(53)에 대응되어 체결수단(56)으로 체결되도록 형성된 결합홈(54);
   샤프트(2)에 결합된 지지대(3) 외측면에 형성된 가압대상면(32)을 가압하도록 클램프(5)의 내면에 형성된 고정가압면(55);
   이 더 포함된 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 스파이럴 블레이드의 고정구조.
   
2. 삭제

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