KR102458953B1 - 피치 컨트롤 시스템 - Google Patents

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KR102458953B1
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리안 마이클 란달
춘메이 첸
제임스 라우리 알렉산더
렌 관유
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칭다오 유니버시티
칭다오 란달 에어로다이나믹 엔지니어링, 엘엘씨
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Abstract

피치 제어 시스템은 허브 축 주위에 배치되는 허브 상에 적어도 2개의 블레이드 하우징을 포함하는 허브를 특징된다. 상기 블레이드 하우징에는 그와 결합하는 대응하는 블레이드가 있다. 상기 블레이드는 하우징 종 방향 축을 따라 나선 경로의 세그먼트를 중심으로 상기 허브 축을 향해 그리고 허브 축으로부터 멀어지게 나선형으로 움직이고 각 블레이드의 피치의 변화에 영향을 미친다. 하나 이상의 탄성 부재는 상기 블레이드를 허브 축을 향해 직접 또는 간접적으로 끌어당긴다. 하우징 종축 주위로 블레이드가 나선형으로 움직이는데 효과적인 피치 메커니즘이 있다. 블레이드에 가해지는 원심력이 하우징-종 방향으로 반대 탄성력을 초과할 때(다른 힘을 무시함) 블레이드는 허브 축으로부터 멀어지게 나선형으로 움직인다. 반대로, 상기 원심력이 상기 탄성력보다 작을 때 블레이드는 허브 축을 향해 나선형으로 움직인다. 허브 축에 직교하는 가상 평면이 있다. 하우징-종축은 가상 평면에 대하여 30도 이하의 각도를 갖는다.

Description

피치 컨트롤 시스템
본 발명은 블레이드(blade)를 회전시키기 위한 피치 제어 시스템(pitch control system)에 관한 것이다.
터보 기계(Turbomachine)는 일반적으로 하나 이상의 회전 블레이드(rotating blade)의 원형 어레이를 포함한다. 이러한 어레이에는 축류 팬(axial fan), 원심 팬(centrifugal fan), 믹스드 팬(mixed fan), 프로펠러, 로터 및 풍력 터빈 블레이드(wind turbine blade)가 포함된다. 이러한 모든 블레이드는 고정 피치(fixed pitch) 또는 가변 피치(variable pitch)일 수 있다. 고정 피치 시스템은 일반적으로 회전 속도를 변경하여 원하는 매개 변수 값(예를 들어 유량)을 얻는 반면에 일부 가변 피치 시스템은 회전 속도를 거의 일정하게 유지한다(예를 들어 헬리콥터 로터).
고성능 또는 에너지 집약적인 터보 기계의 경우 공기 역학적 효율(aerodynamic efficiency), 추력(thrust) 또는 기타 관심있는 매개 변수를 최대화하기 위해 피치와 회전 속도를 모두 제어하는 것이 좋다. 성능 최적화 이외에도 피치 제어 시스템은 오버 스피닝(over-spinning)과 같은 문제를 해결할 수 있다.
기존의 많은 피치 제어 시스템은 다소 조잡(crude)하다. 피치는 레버를 움직이는 사람에 의해 수동으로 제어될 수 있으며, 이는 피치 및 회전 속도의 차선의(sub-optimal) 조합을 초래한다. 가변 피치 프로펠러의 경우, 조종사는 이륙 전에 한 번 그리고 크루즈(cruise) 동안 다시 프로펠러의 피치를 능동적으로 설정할 수 있다. 이 경우 피치는 몇 시간 동안 두 번 변경된다. 비행 내내 회전 속도에 따라 피치가 자동으로 지속적으로 변하면 연료 소비 감소, 범위 확대 및 내구성 향상 등의 이점이 있다.
기존 피치 제어 시스템은 블레이드 피치를 자동으로 지속적으로 변경할 수 있다. 예를 들어, 헬리콥터는 복잡한 링키지(linkages), 스워시 판(swashplate) 및 기타 메커니즘을 사용하여 반복적인 블레이드 피치 사이클(blade-pitching cycle)을 발생시킨다. 상기 블레이드 피치 사이클은 헬리콥터의 롤 및 피치를 제어하는데 사용된다. 이러한 피치 제어 시스템은 좁은 응용 범위 내에서만 적합하다.
기존의 고급(advanced) 피치 제어 시스템은 가변 회전 속도 작동(variable rotation-rate operation) 중에도 블레이드 피치를 지속적으로 자동으로 조정할 수 있지만 복잡성과 비용으로 인해 널리 사용되지는 않는다. 많은 터보 기계는 RC 항공기 프로펠러를 포함하여 소형 블레이드에 적합한 더 단순하고 저렴한 시스템의 이점을 얻을 수 있다.
현재 고급 피치 제어 시스템은 대형 풍력 터빈을 포함하여 비용이 많이 드는 대형 터보 기계에 거의 독점적으로 적용된다. 대형 풍력 터빈의 경우 이러한 시스템은 일반적으로 각 블레이드에 대해 별도의 모터를 포함한다. 각 모터에는 톱니(teeth)에 맞물리고(mate with) 블레이드에 끼어들거나(cut into) 블레이드에 부착된 부품으로 끼어드는 피니언(pinion)을 포함한다. 모터는 풍속계, 온도계, 회전 속도계 및 기타 센서에서 수집한 내부 프로그래밍 및 데이터를 기반으로 온 보드 컴퓨터에서 전기 명령을 수신한다. 기능적이지만 이러한 시스템은 복잡하고 비싸다. 센서에 에러가 발생하거나 고장이 발생하면 시스템 성능이 저하되거나 심각한 손상이 발생하거나 풍력 터빈 작동이 완전히 중단될 수 있다. 이러한 시스템에는 낙뢰, 정전 및 기타 전기 시스템 고장뿐만 아니라 사람이 명령을 보내거나 설정을 변경하거나 소프트웨어를 업데이트할 때 발생할 수 있는 사용자 오류가 발생할 수 있다. 원격 위치의 높은 타워에서 유지 보수를 수행할 수 있으므로 다운 타임(Down-time)이 비쌀 수 있다. 대형 터보 기계의 경우에도 종래 기술은 보다 간단하고 신뢰성있는 피치 제어 시스템을 사용하여 개선될 수 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하는 터보 기계용 블레이드 피치 제어 시스템이다. 상기 피치 제어 시스템(100)은 적어도 2개의 블레이드 하우징(2)을 갖는 허브(12)를 포함한다. 상기 블레이드 하우징(2)은 상기 허브 축(40) 주위에 원형 배열로 배치된다. 블레이드(1)는 각각의 블레이드 하우징(2)과 결합하고(engages with), 따라서 상기 블레이드(1)의 피치 변화에 영향을 미치기 위하여 상기 블레이드(1)가 나선형 경로(43)의 세그먼트를 중심으로 상기 허브 축(40)을 향해서 그리고 상기 허브 축(40)으로부터 멀어지게 나선형으로 이동한다. 나선형의 방향은 하우징-종축(41)을 따른다. 상기　허브 축(40)에 직교하는(orthogonal) 가상 평면(imaginary plane)(42)을 고려한다. 상기 하우징-종축(housing-longitudinal axis)(41)은 상기 가상 평면(42)에 대해 각도(θ)에 있다. θ의 크기는 30도보다 작거나 같다.
하나 이상의 탄성 부재(3)는 상기 블레이드(2)를 상기 허브 축(40)을 향해 직접 또는 간접적으로 끌어당긴다(draw). 피치 메커니즘(4)은 상기 블레이드(1)가 하우징-종축(41)을 따라 나선형으로 이동하게 한다. 상기 블레이드(1)는 탄성력 및 원심력을 받는다. 상기 탄성력은 하나 이상의 탄성 부재로부터 나온다. 상기 원심력은 허브(12) 회전의 결과로 발생하며, 이는 블레이드(1)가 상기 허브 축(40)을 중심으로 회전하게 한다. 각각의 힘은 상기 하우징 종축(41)으로 대향하는 구성 요소(opposing component)를 갖는다. 원심력 성분이 탄성력의 성분(component of elastic force)보다 클 때 상기 블레이드(1)는 상기 허브 축(40)으로부터 멀어진다(drawn away)(공기 역학, 중력, 마찰 등 다른 힘을 무시함). 원심력 성분이 탄성력 성분보다 작을 때, 상기 블레이드(1)는 허브 축(40)을 향해 당겨진다(drawn toward).
상기 피치 메커니즘(4)은 나선형 경로(43)의 세그먼트를 따라 연장되는 가이드(5) 및 가이드-결합 부(6)를 포함하고, 상기 가이드(5) 및 가이드-결합부(6)는 상기 블레이드(1)가 하우징-종축(41)을 따라 나선형으로 움직이는 것을 용이하게 하도록 서로를 따라 미끄러지거나 롤링(rolling)하는 것을 포함하는 구속 운동 관계(constrained-motion relationship)를 포함한다.
블레이드 하우징(2)은 각각 내부 측면(44) 및 외부 측면(45)의 2개의 측면을 포함할 수 있다. 블레이드 루트(16)는 또한 내부(46) 및 외부(47)의 2개의 측면을 포함할 수 있다. 가이드(5)와 가이드 결합부(6)를 구성하는 두 가지 방법이 있다. 먼저 상기 가이드(5)는 블레이드 루트의 측면(46, 47) 상에 배치된 가이드-결합부와 함께 상기 블레이드 하우징의 측면(44, 45) 상에 배치될 수 있다. 대안적으로, 각각의 가이드는 상기 블레이드 루트의 측면(46, 47)에 배치될 수 있고 가이드-결합 부품은 상기 블레이드 하우징의 측면(44, 45)에 배치될 수 있다. 상기 블레이드 루트(16) 및/또는 상기 블레이드 하우징(2) 상에 베어링 세트가 배치되어 상기 블레이드 루트(16)와 블레이드 하우징(2) 사이 또는 상기 가이드(5)와 상기 가이드 결합부(6) 사이의 마찰을 감소시킬 수 있다. 회전 덮개(13)는 상기 허브(12) 상에 배치되고 상기 허브 축(40)을 중심으로 회전한다. 실질적으로 돔 또는 원뿔 모양이다.
탄성 부재(3)는 상기 허브(12) 및/또는 블레이드 하우징(2) 내에 배치된다. 상기　탄성 부재(3)는 일 단부에서 블레이드 루트(16)에 및 블레이드 하우징(2), 허브(12), 샤프트(10), 회전 덮개(13) 또는 블레이드 중량 어셈블리(7)에 직접 또는 간접적으로 부착될 수 있다.
블레이드 루트(16)의 외부 직경은 블레이드 루트(16)가 대응하는 블레이드 하우징(2) 내로 미끄러지도록 블레이드 하우징(2)의 내부 직경보다 작을 수 있다. 대안적으로, 블레이드 루트(16)는 상기 블레이드 루트(16)가 대응하는 블레이드 하우징(2) 위로 미끄러지도록(slide over) 대응하는 하우징(2)의 외부 직경보다 큰 내부 직경을 가질 수 있다. 상기 블레이드 하우징(2)은 상기 허브(12) 내에 전체적으로 또는 부분적으로 포함되거나 상기 허브(12) 외부에 완전히 놓일(lie completely) 수 있다.
상기 피치 제어 시스템은 블레이드 중량 어셈블리(7)를 추가로 포함할 수 있으며, 이는 다른 블레이드에 대한 블레이드의 종 방향 위치에 대한 블레이드 중량의 불균형 효과에 전체적으로 또는 부분적으로 대응한다(couteracts). 상기 블레이드 중량 어셈블리(7)는 트랙(8) 및 트랙 결합부(9)를 포함한다. 상기 트랙(8)은 상기 허브 축(40) 주위에 배치되어 폐쇄 루프(closed-loop)를 형성한다. 상기 트랙 결합부(9)는 상기 트랙(8) 주위를 이동하도록 구속된다(constrained). 상기 트랙(8)은 비원형 단면을 가질 수 있고 및/또는 상기 허브 축(40)으로부터 수직으로 오프셋(vertically-offset)될 수 있다.
상기 피치 제어 시스템의 일부 실시 예는 상기 하우징-종축(41)과 정렬되는 나선형 스프링인 탄성 부재(3)를 이용할 수 있다. 상기 탄성 부재(3)는 상기 허브(12), 측벽(27) 및 블레이드 하우징(2)을 통과하고 일 단부에서 상기블레이드 루트(16)와 다른 단부에서 상기 블레이드 웨이트 어셈블리(7)에 연결된다.
피치 제어 시스템의 바람직한 실시 예는 원통형 트랙(8)을 사용하고, 이의 트랙 결합부(9)는 또한 원통형이며 트랙(8) 및 허브 축(40)과 동심(concentric)이다. 상기 트랙 결합부(9)는 상기 트랙(8)을 중심으로 회전한다. 바람직한 실시 예는 탄성 부재(3)를 이용하고, 이는 트랙(8)의 내부 또는 외부를 둘러싸고 상기 트랙 결합부(9)에 연결되는 비틀림 스프링(torsion spring)(48)이다.
바람직한 실시 예는 또한 상기 허브 축(40) 주위에 원형 배열로 로드(19)를 사용한다. 상기 로드에는 각각 두 개의 단부가 있다. 일단부는 블레이드 루트(16) 또는 블레이드 하우징(2) 안에 있으며 블레이드 루트(16)에 직접 또는 간접적으로 연결된다. 다른 단부는 상기 허브 측벽(27)을 통해 허브(12)로 통과하여 암(24)의 한쪽 단부와 피봇식으로 연결된다. 상기 암(24)의 다른 단부는 트랙 결합부(9)와 피봇식으로 연결된다. 부싱(22)은 상기 로드(19)가 안팎으로 미끄러질(slides in-and-out) 때 상기 로드(19)와 상기 허브 측벽(27) 사이의 마찰을 줄이기 위해 사용된다. 상기 블레이드(1)가 상기 로드(19)에 대해 회전할 때 베어링(20)이 마찰을 감소시키기 위해 사용된다.
종래 기술과 비교하여, 본 발명의 장점은 다음과 같다:
1) 광범위한 적용성
2) 간단함
3) 저렴한 비용
4) 낮은 유지 보수
5) 내구성
6) 다음의 영향을 받지 않는 신뢰성:
a. 전력 손실
b. 전자 장치 고장
c. 센서 부정확성, 또는
d. 사용자 오류
도 1A는 중요한 평면(important plane) 및 축과 나란히(alongside) 3-블레이드 프로펠러 또는 터빈을 포함하는 피치 제어 시스템을 도시한다;
도 1B는 블레이드 하우징(blade housings)에 대한 의도된 평면 외 범위 제한(intended out-of-plane range restriction)을 정의한다;
도 2는 모터에 부착된 피치 제어 시스템을 도시한 도면이다;
도 3은 상기 모터 또는 발전기를 둘러싸는 하우징을 포함하는 피치 제어 시스템을 도시한다;
도 4는 실시 예 A에 대한 단일 블레이드 및 블레이드 하우징의 확대도이다;
도 5는 실시 예 A의 분해도이다;
도 6은 실시 예 A의 투시 분해도이다;
도 7은 블레이드 루트(blade root)가 상기 블레이드 하우징 위로 미끄러지는 실시 예 A의 다른 형태이다;
도 8은 상기 블레이드 루트상의 가이드 및 상기 블레이드 하우징 상의 가이드 결합부(guide-mating parts)를 도시한 도면이다;
도 9는 저 마찰 가이드 결합부(ow-friction guide-mating part)를 도시한다;
도 10은 실시 예 A를 도시하지만 허브 내부 블레이드 하우징(hub-internal blade housings)을 도시한다;
도 11은 실시 예 A에 대한 대안적인 고정부(retention part)를 도시한다;
도 12는 블레이드 웨이트 조립체(blade weight assembly)를 포함하는 실시 예 B의 단면도이다;
도 13은 실시 예 B의 모터 커버를 도시한다;
도 14는 실시 예 B를 위한 모터의 예를 도시한다;
도 15는 실시 예 B에 대한 조립된 블레이드 및 블레이드 하우징을 도시한다;
도 16은 실시 예 B에 대한 블레이드 및 블레이드 하우징의 분해도이다;
도 17은 예시적인 트랙 결합부(track-mating part)의 등각도(isometric view )이다;
도 18은 예시적인 트랙을 제공한다;
도 19는 트랙의 단면도이다;
도 20은 트랙의 분해도이다;
도 21은 트랙 결합 부품이 설치된 트랙을 도시한다;
도 22는 트랙 비-원형 및 수직 오프셋(track non-circularity and vertical-offset)을 명확하게 나타내는 트랙 결합부를 포함하는 트랙의 전면 투시도이다;
도 23은 트랙 결합부에 부착된 탄성 부재를 도시한다;
도 24는 지구-고정(earth-fixed) 및 바디-고정(body-fixed) 좌표 시스템을 도시한다;
도 25는 블레이드가 받는 중요한 힘과 모멘트를 나타낸다;
도 26은 "정상" 및 "비정상"을 설명하기 위해 사용되는 직교 좌표계를 도시한다;
도 27은 허브 고정 시스템에 대한 가이드 기반 좌표 시스템(orthogonal coordinate system)을 도시한다;
도 28은 회전 커버가 제거된 실시 예 C를 도시한다;
도 29는 실시 예 C 블레이드 및 블레이드 하우징의 분해도이다;
도 30은 실시 예 C 블레이드 및 블레이드 하우징의 다른 분해도이다;
도 31은 조립된 실시 예 C의 단면도이다;
도 32는 실시 예 C의 허브 내부 부품(hub-internal parts)의 분해도이다;
도 33은 경로를 따라 가이드 컷을 포함하는 블레이드 루트의 외부 측면 상의 나선형 경로의 세그먼트를 도시한다.
역학(DYNAMICS)
블레이드(Blades)는 허브(hub) 주위에 원형 배열로 배치된 블레이드 하우징(blade housing)에 장착된다. 모든 회전 블레이드에 상기 허브 회전 속도(hub rotation-rate)의 제곱(square)에 비례하는 원심력이 가해진다. 상기 회전 속도가 빠를수록 블레이드를 허브에서 빼내는 원심력이 높아진다. 상기 원심력은 탄성 부재(elastic member)에 의해 견딜 수 있다(resisted). 논의를 위해 상기 탄성 부재가 선형 스프링이며 회전 속도가 증가함에 따라 늘어난다고 일시적으로 가정한다. 상기 스프링이 늘어남에 따라 상기 블레이드는 가이드(guide) 및 가이드 결합부(guide-mating part)로 인해 세로축을 중심으로 회전한다. 가이드 결합부는 회전 속도가 증가함에 따라 (프로펠러의 경우와 같이) 피치를 엄격하게 증가시키거나 (터빈의 경우와 같이) 안전 범위에서 피치를 증가시킨 다음 회전 속도가 너무 높아지면 피치를 줄이거나 제로 아웃하도록 설계할 수 있다.
상기 피치 제어 시스템은 사소하지 않은 설계 프로세스를 가지므로, 당업자는 독립적으로 생각할 수 없다. 주어진 응용 분야에 적합한 설계를 생성할 수 있도록 역학 및 동작을 분석하려면 상기 시스템의 역학 모델(dynamic model)을 만들어야 한다. 이 프로세스를 설명하기 위해, 예시적인 역학 모델은 실시 예 B의 블레이드 웨이트 조립체(blade weight assembly)와 함께 수직 평면에서 일정한 속도의 허브 회전을 위해 도출된다. 이는 블레이드 웨이트 어셈블리가 없는 작동에 대응하도록 쉽게 수정될 수 있으며(실시 예 A), 실시 예 C를 포함하는 피치 제어 시스템의 다양한 다른 실시 예에 대한 모델링에 대한 통찰력을 제공할 것이다.
동일한 원점(origin)을 가진 지구 고정(Earth-fixed) 및 허브 고정(hub-fixed) 좌표 시스템을 정의하는 것이 유용하다. XYZ는 지구 고정 시스템이고 xyz는 허브 고정 시스템이다(도 24 참조). 두 시스템의 중심은 블레이드 하우징의 중심선이 교차하는 곳에 위치한다. X 축은 수직이고 Y 축은 상기 페이지에서 나오고 Z 축은 수평이다. y 및 Y 축은 항상 동일 선상에 있지만 허브가 임의의 각도 β를 통해 회전함에 따라 x 및 z 축의 방향이 변경되므로, 따라서 z 축은 항상 하나의 블레이드 하우징의 중심선을 따라 가리킨다.
어긋남(disturbances)에 대한 반응을 포함하여 동작을 모델링하고 이해하기 위해 블레이드에 가해지는 힘과 모멘트를 고려해야 한다. 이러한 힘은 공기 역학, 중력, 가이드와 가이드 결합부 간의 상호 작용, 원심력, 탄성력 및 블레이드와 블레이드 하우징 간의 상호 작용에서 비롯된다. 도 25에 제공된 대로 자유도 다이어그램(free-body diagram)은 상기 힘과 모멘트를 이해하는데 도움이된다.
A, C, R 및 G의 네 가지 핵심 사항이 있다. A는 상기 블레이드의 공기역학 중심(aerodynamic center)이며 공기 역학적 힘(
Figure 112020052129892-pct00001
)과 모멘트(
Figure 112020052129892-pct00002
)가 적용되는 지점이다. x 및 y 축에 대한 공기 역학적 모멘트와 같이 z-방향의 공기 역학적 힘은 무시할 수 있다고 가정한다.
C는 상기 블레이드의 질량 중심이며 원심력(
Figure 112020052129892-pct00003
)과 무게(
Figure 112020052129892-pct00004
)가 적용되는 지점이다. 상기 블레이드의 무게는 상기 블레이드가 회전함에 따라 다른 허브 고정 좌표 방향으로 작용할 수 있다. 불행하게도, 상기 무게는 일반적으로 xz 평면에서 작용하고 z-방향으로 힘에 기여하여 궁극적으로 각 블레이드의 피치 각도를 설정하는 블레이드-당김 힘(blade-pulling force)의 주기적 변화를 초래한다. 각 블레이드의 피치 각도가 주기적으로(cyclically) 변화함에 따라, 적용된 모든 힘과 모멘트의 주기적 변화는 블레이드 회전수(frequency)에서 발생한다. 상기 블레이드 중력 어셈블리(blade gravity assembly)는 상기 블레이드가 사이클 상단에 있을 때 블레이드를 푸쉬-업(pushing up)하고 블레이드가 사이클 하단에 있을 때 풀링-업(pulling-up)하여 이 효과를 수정하도록 설계되었다. 결과적으로 상기 블레이드의 z-위치는 상기 허브의 회전 속도에만 의존하고, 각도 위치 β에 의존하지 않는다(the z-position of the blade will not depend on its angular position, β, only on the rotation rate of the hub). 수학적으로 각도 위치 β의 함수로 상기 스프링 자유 길이(free-length of the spring)(
Figure 112020052129892-pct00005
)를 변경하여 블레이드 무게 어셈블리(blade weight assembly)의 효과를 모델링 할 수 있다.
중요한 고려 사항은 상기 블레이드 무게 어셈블리와 관련된 추가 비용과 문제(complication)를 피할 수 있는지 여부이다. 상기 블레이드의 무게는 일정하고 상기 원심력은 상기 허브 회전 속도의 제곱에 비례하므로 큰 회전 속도의 경우 원심력이 무게를 지배한다. 또한, 팁(tip)을 향하여 더 높은 질량 밀도를 갖는 블레이드를 설계함으로써 상기 블레이드 중량의 효과가 감소할 수 있으며, 이는 상기 중량에 비해 원심력을 추가로 증가시킨다. 공명(resonance)을 피하기 위해, 고유 주파수가 회전 속도 도메인을 벗어나도록 시스템을 설계할 수 있다. 상기 시스템의 댐핑을 적용하고 조정할 수도 있다. 스트링에 의해 회전 중심에 연결된 수직 평면에서 간단한 점 질량(point mass) 회전을 고려해야 한다. 점 질량이 가장 낮은 위치에 있을 때 원심력과 무게는 같은 방향으로 작용하며, 이 경우 줄의 장력은 다음과 같다:
Figure 112020052129892-pct00006
; 여기서 l은 줄의 길이이고 g는 중력의 가속도이다. 작은 UAV의 경우, 프로펠러 반경은 0.1m일 수 있으며, 아마도 0.035m의 "스트링 길이"에 해당한다. 작은 UAV의 프로펠러 회전 속도는 비행 중 78.5-130.9 rad/s일 수 있으므로 이러한 주파수는 시스템 고유 주파수로 피해야 한다. 질량 및 스트링으로 모델링된 소형 UAV 케이스의 경우 중력은 전체 허브 회전 속도 범위에서 원심력의 1.6% ~ 4.5%이다. 이 경우 피치 진동이 적으므로 블레이드 무게 어셈블리를 모두 생략하는 것이 실용적일 수 있다. 회전이 수평면에 있거나 중력 없이 작동하는 모든 시스템은 블레이드 웨이트 어셈블리 없이 완벽하게 작동한다. 다른 예로서, 블레이드 길이 및 질량이 각각 40m 및 5500kg인 1.05 rad/s에서 수직 평면에 회전하는 전형적인 대형 풍력 터빈을 고려한다. 이 경우 중력은 원심력의 67%이므로 블레이드 무게 어셈블리가 필요하다.
점 R은 반력(reaction force)(
Figure 112020052129892-pct00007
)과 모멘트(
Figure 112020052129892-pct00008
)가 적용되는 것으로 가정되는 점이다. 실제로, 블레이드 루트(blade root)를 통한 반력의 분포는 아마도 블레이드 하우징에 대한 블레이드 루트의 원활한 변환을 용이하게 하는 하나 이상의 베어링을 통한 루트 하우징 상호 작용(root-housing interaction)의 세부 사항에 의존할 것이다. 이 예에서 점 R은 원형 단면의 중심에서 상기 블레이드 하우징의 바깥쪽 가장자리에 그려진다. 우리가 세부 사항에 관심이 없다면, 정확한 반력-모멘트 시스템이 임의의 추정된 적용 지점에 대해 결정될 수 있기 때문에 R의 위치는 다소 임의적이 된다. z-방향의 반력과 모멘트는 무시할 정도로 작다(윤활이 양호함, 마찰 없음). 탄성력(
Figure 112020052129892-pct00009
)은 또한 기하학적 결과인 점 R을 통과한다.
마지막 키 포인트는 G이다. 이것은 상기 가이드 결합부의 평면에서 원형 단면의 중심에 있다. 반작용(reaction)과 가이드-결합부 힘을 분리함으로써 가이드-결합부는 적용된 하중을 견딜 수 있도록 적절히 설계될 수 있다. 이 예에서, 가이드 결합부에 가해지는 힘은 해당 모멘트(
Figure 112020052129892-pct00010
)와 함께 지점 G에 적용되는 하나의 힘(
Figure 112020052129892-pct00011
)으로 모델링된다. 가이드 및 가이드 결합부는 다양한 방식으로 설계될 수 있다. 도 26은 가이드 결합부의 팁이 가이드의 하단에 닿지 않도록 가이드 깊이가 적절하다고 가정한 예이다. 결과적으로, 가이드 바이노멀 방향(guide binormal direction)(
Figure 112020052129892-pct00012
)으로 가이드 결합부에 가해지는 힘이 없다. 또한, 가이드 접선 방향(guide-tangent direction)(
Figure 112020052129892-pct00013
)으로 가이드 결합부에 가해지는 힘이 없도록 마찰은 무시된다. 따라서 도 26과 같이 가이드는 가이드 정상 방향(guide-normal direction)(
Figure 112020052129892-pct00014
)으로만 가이드 결합부에 가해지는 힘으로 모델링된다. 완벽하게 단단한 블레이드가 가정되고 운동 방정식이 도출된다:
Figure 112020052129892-pct00015
상기 6가지 운동 방정식에는 8개의 미지수가 있다:
Figure 112020052129892-pct00016
,
Figure 112020052129892-pct00017
,
Figure 112020052129892-pct00018
,
Figure 112020052129892-pct00019
,
Figure 112020052129892-pct00020
,
Figure 112020052129892-pct00021
,
Figure 112020052129892-pct00022
,
Figure 112020052129892-pct00023
; 그러나 트랙-롤러 상호 작용(track-roller interactions)에 관한 더 많은 방정식을 작성할 수 있다.
Figure 112020052129892-pct00024
3개의 새로운 방정식이 작성되었으며, 4개의 새로운 미지수가 도입되었다:
Figure 112020052129892-pct00025
,
Figure 112020052129892-pct00026
,
Figure 112020052129892-pct00027
,
Figure 112020052129892-pct00028
, 그러나
Figure 112020052129892-pct00029
는 가이드 디자인 과정에서 결정된다. 이 후
Figure 112020052129892-pct00030
,
Figure 112020052129892-pct00031
및
Figure 112020052129892-pct00032
는 하나의 미지수인
Figure 112020052129892-pct00033
가 되고, 우리는 9개의 미지수를 가진 9개의 방정식을 갖게 되는데, 이것은 고유한 솔루션을 가진 풀 수 있는 시스템(solvable system)이다.
가이드 디자인은 이 특정 발명에 신규성이 있다. 도 27과 같이
Figure 112020052129892-pct00034
가 되도록 가이드의 안쪽 가장자리에서 시작하는 g-첨자 좌표계(g-subscripted coordinate system)를 정의하는 것이 편리하다. 이 예에서 각 가이드는 블레이드 하우징의 중심선에서 일정한 반경 거리를 유지하여 원통형 좌표를 자연스럽게 만든다.
Figure 112020052129892-pct00035
Figure 112020052129892-pct00036
는 하나의 변수
Figure 112020052129892-pct00037
의 함수로서 표현될 수 있으며, 여기서 함수
Figure 112020052129892-pct00038
는 블레이드가 특정
Figure 112020052129892-pct00039
위치로 당겨질 때 블레이드의 피치 각도를 결정한다. 특정 도메인 내에서 작동하는 특정 블레이드 설계에 대해 여러 최적의 회전 속도/피치 조합을 계산할 수 있다.
Figure 112020052129892-pct00040
를 얻기 위해 영역 내에서 최적의 회전 속도/피치 포인트에 곡선 맞춤을 적용할 수 있다. 기본 허브 고정 데카르트 좌표계(hub-fixed Cartesian coordinate system)로 다시 변환하면 트랙에 대한 유용한 설명이 도출된다:
Figure 112020052129892-pct00041
다음으로 가이드의 곡선 길이 "s"는 z의 함수로 결정됩니다.
Figure 112020052129892-pct00042
Figure 112020052129892-pct00043
등을 소개하면서 단위 법선 벡터를 다음과 같이 결정한다.
Figure 112020052129892-pct00044
원심력은 다음과 같이 모델링된다:
Figure 112020052129892-pct00045
여기서 m은 블레이드의 질량이고
Figure 112020052129892-pct00046
는 허브 회전 속도이며
Figure 112020052129892-pct00047
는 블레이드의 질량 중심의 위치이며
Figure 112020052129892-pct00048
의 함수이다.
허브 회전이 수직 평면에 있는 경우 블레이드 무게에는 y-구성 요소가 없다. 이 경우 허브 고정 좌표계의 무게로 인한 힘은 다음과 같이 블레이드의 회전 각도에 따라 달라진다:
Figure 112020052129892-pct00049
탄성 요소(elastic element)가 상기 블레이드에 가하는 힘보다 작동 범위에 대해 선형인 스프링으로 가정하면 다음과 같이 모델링된다:
Figure 112020052129892-pct00050
여기서 ks는 선형 스프링 상수이고 zs0은 제로 스프링 압축 또는 신장에 해당하는 블레이드 롤러의 z-위치이다. zs0은 z-방향 Wz에서 블레이드의 무게를 상쇄하도록 설계되었다. 그것은 허브 회전 각도 β의 알려진 함수가 된다. 상기 블레이드의 피치는 스프링을 비틀고 연장시킨다. (1) 상기 스프링 모멘트가 상당하고(significant) (2) 커플링이 무시되고 (3) 비틀림으로 인한 모멘트가 선형으로 가정되면 다음:
Figure 112020052129892-pct00051
여기서 τs는 비틀림 스프링 상수이고 θs0은 제로 스프링 트위스트에 해당하는 피치 각도이다. 전술한 바와 같이, 상기 블레이드에 가해지는 순 반력(net reaction force) 및 모멘트는 이전에 도출된 운동 방정식을 사용하여 결정될 수 있다.
상기한 바와 같이, 하우징을 따른 블레이드의 변환(translation)은 블레이드 디스크 직경의 변화 및 결과적으로 특정 블레이드 섹션에서의 회전으로 인한 속도를 야기할 것이다. 변환이 상당한(significant) 경우, 제시된 모델에서는 이러한 공기 역학적 영향을 무시할 수 없다. 이 경우 블레이드에 가해지는 공기 역학적 힘과 모멘트에 특별한 주의를 기울여야 하며 블레이드 디스크 영역의 변화도 고려해야 한다.
구조
상기 피치 제어 시스템의 상이한 구조적 표현을 설명하기 위해 3개의 샘플 실시 예가 제공된다. 상기 피치 제어 시스템의 모든 샘플 실시 예는 블레이드(1), 블레이드 하우징(2), 탄성 부재(3), 가이드(5) 및 가이드 결합부(6)를 포함하는 피치 메커니즘(4), 샤프트(10), 허브(12), 회전 덮개(13) 및 모터(14)를 포함한다. 2개의 샘플 실시 예는 트랙(8) 및 트랙-결합부(9)를 포함하는 블레이드 중량 어셈블리(blade weight assembly)(7)를 포함한다.
상기 허브, 블레이드 하우징 및 블레이드는 모두 샤프트와 함께 회전한다. 블레이드는 원운동을 유지하기 위해 구심력을 필요로하며, 이는 각 블레이드에 직접 또는 간접적으로 연결된 탄성 구성요소(elastic element)에 의해 제공된다. 상기 샤프트가 더 빨리 회전할수록 탄성 부재의 신축(stretching)이 커지고 상기 블레이드의 외향 이동(outward translation)이 커진다.
피칭 메커니즘(Pitching mechanism)은 블레이드가 세로 방향으로 이동(translate)될 때마다 길이 방향 축을 중심으로 피치하도록(pitch) 가이드(guiding)함으로써 블레이드 이동을 블레이드 피칭(blade pitching)으로 변환한다. 달성하기 위해 이 가이드는 블레이드 하우징 또는 블레이드 루트에 배치된다. 해당 가이드 결합부는 블레이드 루트 또는 블레이드 하우징에 배치된다. 각각의 회전 속도에서 원하는 피치가 달성되도록 가이드는 가이드 결합부에 힘을 가하고 그들을 따라 이동시킨다. 응용 분야에 따라, 피치와 회전 속도의 최적 조합을 유지하여 공기 역학적 효율을 극대화하도록 피칭 메커니즘을 설계할 수 있다. 대안적으로, 모터는 더 넓은 범위의 유속(flow speed)을 생성하면서 더 좁은 범위의 회전 속도를 갖도록 설계될 수 있다. 터빈의 경우, 피칭 메커니즘은 회전 속도가 지나치게 높아짐에 따라 피치를 줄여 과속 보호 기능을 제공할 수 있다. 피치 메커니즘은 일반적으로 블레이드 회전 속도로 블레이드 피치를 높이도록 설계된다. 이 경우 각 블레이드가 바깥쪽으로(outward) 움직일 때 피치 각도가 점차 증가한다. 반대로, 각 블레이드가 안쪽으로 움직일 때 피치 각이 점차 감소한다.
도 33은 나선형 경로(43)의 세그먼트를 따르는 블레이드 루트(47)의 외부 측면 상에 배치된 3개의 가이드(5)의 예를 제공한다. 예시적인 가이드는 대응하는 블레이드 하우징(2)의 내부 측면에 배치된 가이드 결합부(6) 위로 미끄러질 수 있게 하는 설치 섹션(installation section)(55)을 포함한다. 예시적인 가이드는 증가하는(increasing) 피치 섹션(53)을 포함하고, 이는 회전 속도가 증가함에 따라 피치를 증가시킨다. 회전 속도가 안전 임계 값에 도달하면 상기 블레이드는 계속 바깥쪽으로 이동하지만 피치는 감소하는 피치 섹션(54)을 통해 감소한다.
샤프트가 일정한 속도로 회전하면 각 블레이드의 순력(net force)과 모멘트가 균형을 이루고 샤프트에 대한 균일한 원 운동 상태가 각 블레이드에 의해 실현된다. 적절하게 설계 및 제작될 때 각 블레이드는 대략 동등한 길이 양(longitudinal amount)으로 이동하고 대략 동등한 양을 피치한다(pitch). 관성(Inertial) 및 공기 역학적 힘은 블레이드 디스크에 대해 균형이 잘 맞으며 진동을 유발하는 경향이 거의 없다. 블레이드 디스크 축(허브 축)이 수직 방향(중력에 평행)인 시스템 또는 높은 회전 속도 시스템에는 블레이드 중량 어셈블리가 필요하지 않다. 이러한 시스템의 예로는 모든 크기의 멀티 로터(수직 방향 블레이드 디스크 축) 및 소형 RC 비행기 프로펠러(높은 회전 속도)가 있다.
실시예 A
도 1에 도시된 바와 같이 복수의 블레이드 하우징(2)은 상기 허브(12) 주위에 원형 어레이로 배치된다. 회전 덮개(13)가 상기 허브에 부착된다. 상기 허브(12)는 모터(14)에 부착되어 있다(도 2). 상기 모터와 허브 사이에 기어 박스가 있을 수 있다. 상기 모터-허브 결합 기술은 콜릿(collet), 스크류 장착 플레이트(screw-mounting plate) 또는 다른 메커니즘을 포함할 수 있다. 모터는 일반적으로 도 3과 같이 모터 덮개(15)를 사용한다.
블레이드 하우징(2)을 사용하면 블레이드(1)를 허브 주위에 장착할 수 있다. 본 실시 예의 상기 블레이드 하우징(2)은 블레이드(1) 용 장착 구멍(mounting holes)(28)을 갖는다. 블레이드 하우징 및 블레이드 루트(16)는 원통형 튜브처럼 형성될 수 있다. 블레이드 하우징은 각각의 블레이드가 실질적으로 블레이드-종 방향(blade-longitudinal direction)으로 이동하는 것을 제한하지 않는다. 블레이드 하우징을 기준으로 한 블레이드 이동(translation)은 기존 망원경의 확장 또는 축소를 연상시킨다. 반경 방향 선형 베어링(radial linear bearing), 윤활 또는 기타 마찰-감소 시스템을 사용하여 블레이드 하우징과 관련하여 블레이드를 부드럽게 이동할 수 있다. 블레이드 루트의 외부 직경이 블레이드 하우징의 내부 직경보다 작은 경우, 블레이드 루트는 도 4와 같이 블레이드 하우징으로 미끄러질 수 있다.
실시 예 A에서, 탄성 부재(3)는 나선형 스프링으로서 도시되어 있다. 나사형 패스너(threaded fasteners)를 수용하기 위해 상기 탄성 부재(도 5)의 각 엔드 플레이트(endplate)에 구멍이 있다. 상기 블레이드 루트(도 6)와 허브에는 또한 상기 패스너를 수용할 수 있는 구멍이 있다. 각 탄성 부재의 한쪽 끝은 블레이드 루트에 연결되고 다른 쪽 끝은 허브에 연결된다. 상기 탄성 부재는 블레이드 하우징의 중심 및 블레이드 루트의 중심을 통과한다. 각 블레이드 루트 및 블레이드 하우징의 내부 측면은 압축시 탄성 요소가 좌굴(buckling)되는 것을 방지한다. 가이드는 상기 블레이드 하우징의 내부 측면에 대해 원주 방향으로 배치된다. 그것들은 내부 측면으로 끼워진(cut into) 홈으로 묘사된다.
가이드 결합부(6)는 상기 블레이드 루트를 둘러싸는 돌출된 너브(protruding nubs)의 원형 배열로 표시된다. 상기 블레이드 상기 루트가 블레이드 하우징으로 미끄러지면서 가이드 결합부가 상기 가이드로 미끄러져 들어간다. 나사식 패스너는 도 6에서 알 수 있듯이 탄성 부재의 부착되지 않은 끝을 상기 허브 내부에서 블레이드 하우징(2) 또는 허브 측벽(27)에 볼트로 고정하는 데 사용된다.
블레이드가 블레이드 하우징에 장착되면 블레이드가 상기 블레이드 하우징에서 미끄러지지 않도록 고정부(retention part)(11)가 설치된다. 고정부의 예는 가요성 링을 통한 슬릿 컷(slit cut)을 포함하는 가요성 링(flexible ring)으로 표시되어, 이는 당겨서 열고, 블레이드 하우징의 오픈 팁에 대하여 위치시켜 나사산 패스너로 고정할 수 있다(An example retention part is shown as a flexible ring with a slit cut through it such that it can be pulled open, placed against the open tip of a blade housing, and secured with threaded fasteners). 그것은 가이드의 오픈 끝을 덥는다.
상기 블레이드 루트의 내경이 블레이드 하우징의 외경보다 더 크게 제조되어 상기 블레이드 루트가 상기 블레이드 하우징 위로 미끄러지는 실시 예 A의 대안적인 버전이 도 7에 도시되어 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 고정부는 함께 제공되어 블레이드 루트의 오픈 팁에 나사로 고정되는 두 개의 개별 피스(separate pieces)로 구성될 수 있다. 가이드는 블레이드 하우징에 있을 필요는 없다: 그들은 또한 블레이드 루트에 놓을 수 있다. 가이드가 블레이드 루트에 배치될 때 가이드 결합부는 블레이드 하우징에 배치해야 한다(도 8 참조).
도 8과 9에서 볼 수 있듯이 가이드 결합부는 블레이드 루트 또는 블레이드 하우징 주위의 다른 종 방향 위치에 2개의 원형 어레이를 포함할 수 있다. 2개의 원형 어레이의 종 방향 분리는 블레이드 벤딩(blade bending)을 지원하고 블레이드 루트와 하우징 사이의 바인딩을 방지하며 내부 및 외부 변환 표면이 서로 직접 접촉하는 것을 방지하며 사용자가 반경 방향 선형 베어링을 생략할 수 있다. 블레이드 루트 및 블레이드 하우징의 단면 형상은 블레이드와 블레이드 하우징 사이에 충분히 큰 갭 크기가 제공되는 경우 원형일 필요는 없다.
독특한 유형의 특수 제작된 마찰 감소 시스템은 도 9에 나와 있다. 가이드 결합부는 두 개의 베어링을 포함한다: 하나는 법선(normal)(17)과 하나는 종법선(binormal)(18). 상기 법선 베어링은 종법선 베어링과 직각인 축을 중심으로 회전한다. 상기 종법선 베어링은 상기 법선 베어링 내에 위치하며 사용 중에 홈-모양(groove-like) 가이드의 바닥과 접촉한다. 상기 종법선 베어링은 끌지(dragging) 않고 상기 가이드를 따라 접선 방향으로 구부러지도록 기울어져 있다(The binormal bearings are angled to roll tangentially along the guides without dragging). 법선 베어링은 홈-모양 가이드의 너비(width)보다 약간 작게 만들어진다. 결과적으로 그들은 한 번에 하나의 가이드 벽에만 접촉하므로 드래그(dragging)하지 않고 회전한다. 상기 종법선 베어링은 법선 베어링의 중심에 위치할 필요는 없다: 그들은 또한 완전히 분리될 수 있다.
블레이드 하우징은 일반적으로 뭉툭한(blunt) 물체이므로 유체 흐름에 노출될 때 흐름 분리 및 난류를 유발할 수 있다. 허브-대-팁 비율(hub-to-tip ratios)이 작은 터보 기계의 경우 블레이드 하우징이 허브 밖으로 튀어나와 흐름에 노출되지만 해당 역류(adverse flow) 영향은 최소화된다. 허브 대 팁 비율이 큰 터보 머신의 경우 블레이드 하우징은 도 10과 같이 상기 허브로 부분적으로 또는 완전히 둘러싸일 수 있다. 이 경우 외부 흐름에 노출되지 않으므로 유체 분리(flow separation), 후방 난기류(wake-turbulence) 및 블레이드 하우징 위로 드래그가 줄어든다.
사용되는 블레이드는 축 팬 블레이드(axial fan blades)를 포함하여 모든 유형이 될 수 있다(도 10). 블레이드 하우징을 통해 가이드를 완전히(all-the-way) 절단(cut)할 수 있다. 또한 고정부는 도 11과 같이 허브 내부에 있는 스냅 링으로 구성될 수 있다.
실시예 B
일부 적용의 경우, 하우징-종 방향으로 작용하는 블레이드 중량의 구성 요소에 대응하기 위해 블레이드 중량 어셈블리를 포함할 필요가 있다. 상기 블레이드 중량 어셈블리는 상기 샤프트에 대한 블레이드의 회전 각도에 관계없이 이 구성 요소에 대응할 수 있다. 블레이드 중량 어셈블리에 대한 필요성은 각 블레이드의 중량과 상기 허브 축의 수평 방향(중력 방향에 수직)에 얼마나 가깝게 위치하는지에 따라 증가한다. 상기 허브 중량이 증가함에 따라 블레이드 중량 어셈블리의 필요성이 감소하고 상기 허브 축이 수직 일 때(중력 방향과 평행) 0이 된다. 실시 예 B의 블레이드 중량 어셈블리는 상당히 다양한 블레이드 디스크-배향(예를 들어, 전체 규모 프로펠러 구동 전투기)을 갖는 응용에 적합하지 않다.
실시 예 B는 도 12에 도시되어 있다. 모터 하우징(15) 내부에는 모터(14)가 있다. 상기 모터 및 모터 하우징은 각각 도 13 및 14에 도시되어 있다. 이 예시적인 실시 예에서, 상기 허브(12)의 후면판(backplate)(26)은 상기 모터의 샤프트(10)에 용접되는 플레이트에 볼트로 고정된다. 일반적으로 허브를 샤프트에 부착하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 이 중 어떤 것이든 사용할 수 있다. 실시 예 B의 경우, 회전 덮개(rotating cover)(13)는 나사형 패스너를 사용하여 주변부 주위에서 상기 허브의 측벽(27)에 부착된다. 후면판과 측벽을 일체형으로 사용하여 블레이드 하우징을 만들 수 있다. 대안적으로, 블레이드 하우징은 블레이드 하우징의 외부 측면에 나사산을 배치하고 상기 측벽에 대응하는 나사산 구멍을 배치함으로써 별도로 제조된 다음 측벽에 부착될 수 있다. 패스너 배열의 사용 또는 접착제와의 결합을 포함하여 허브 측벽 및 개별적으로 생산된 블레이드 하우징을 결합하는 다른 많은 방법이 있다. 사용된 기술에 관계없이 설치 후 블레이드 하우징과 가이드의 방향이 올바른지 확인해야 한다.
실시 예 B의 경우, 트랙 결합부(9)는 도 15에 도시된 바와 같이 롤러로 도시되어 있다. 도 16과 같이 여러 볼트를 사용하여 탄성 요소에 부착된다. 다른 부착 방법도 동일하다. 실시 예 B는 8개의 휠(도 17)을 포함하지만, 더 많거나 적은 휠이 사용될 수 있다. 실시 예 B와 유사한 실시 예의 경우, 트랙-결합부 당 적어도 4개의 휠이 권장된다.
블레이드 중량 어셈블리의 트랙(8)은 원형일 필요는 없는 폐쇄 루프를 형성한다(도 18). 도시된 실시 예에서, 상기 트랙은 또한 원형일 필요는 없는 3개의 동심 부분(도 19)을 사용하여 구성된 2개의 평행한 직사각형 채널과 유사하다. 최후방(aftmost) 동심 부분(concentric part)은 나사형 패스너로 모터 하우징에 고정된다. 각 동심 부분에는 주변을 관통하는 구멍 배열이 있으며 다른 동심 부분과 함께 고정된다(도 20). 트랙-결합부는 상기 트랙(8)의 동심 부분 3개가 함께 고정됨에 따라 트랙 내에 배치된다(도 21). 트랙-결합부는 상기 트랙을 따라 이동하도록 만들어지고 동심 부분을 분해하지 않으면 상기 트랙에서 분리할 수 없다(도 22). 상기 트랙은 허브 축에서 수직으로 오프셋(vertically-offset)되어 있으며 각 블레이드마다 하나의 트랙 결합부가 있다.
상기 탄성 요소(3)는 모두 나사산 패스너를 사용하여 일 단부(도 23)에서 트랙-결합부(9)에, 다른 쪽에서 블레이드 루트(16)에 부착된 나선형 스프링입니다. 상기 블레이드(1)는 실시 예 A에서와 같이 고정부(11)를 사용하여 블레이드 하우징(2) 내에 유지된다.
원통형 블레이드 하우징의 내경과 유사한 직경을 갖는 허브를 통한 구멍이 있다(도 12, 16). 실시 예 B의 경우, 상기 탄성 요소는 측벽 및 블레이드 하우징의 구멍을 통과하여 블레이드 루트에 연결되는 스프링으로 도시되어 있다. 상기 블레이드 하우징은 트랙쪽으로 더 안쪽으로 확장되어 압축 중 탄성 요소의 좌굴을 방지한다. 또한 트랙과 측벽 사이의 갭에서 상기 탄성 요소의 측면 변형을 방지한다.
트랙-결합부는 상기 트랙을 따라 이동하도록 강제되기 때문에, 각각의 탄성 요소의 일 단부는 트랙을 따라 이동해야 한다. 이는 샤프트가 회전함에 따라 탄성 요소의 내부-단부(inner-end)를 이동시키는 효과가 있다. 상기 탄성 요소의 내부-단부의 이동은 길이 방향으로 각 블레이드의 무게를 상쇄하도록 설계된다.
블레이드는 중량 벡터가 항상 아래를 향하는 동안 샤프트와 함께 주기적으로 회전한다. 중량 벡터 성분은 블레이드 종 방향을 향하고 원심력 벡터를 가감할 수 있다. 결과적으로 원심력에 대한 블레이드 중량의 원치 않는 주기적인 기여(periodic contribution)가 있다.
블레이드 디스크 축이 수평(중력에 수직)이고 블레이드가 가장 낮은 위치에 있을 때 상기 블레이드의 중량은 원심력에 가해져 부착된 탄성 요소에 과도한 인장 변형이 발생한다. 그 결과 블레이드가 너무 아래쪽으로 이동한다.
이를 방지하기 위해(To counter this) 상기 트랙은 상기 탄성 요소의 내부 단부가 허브 축을 향해 위쪽으로 이동하도록 한다(도 22). 블레이드가 회전 상단에 있고 그 중량이 원심력에 반대하는 경우 반대(opposite)가 발생한다. 이 경우, 탄성 요소의 인장 변형이 불충분하여 상기 블레이드가 충분히 위쪽으로 이동하지 않는다. 보상하기 위해, 상기 트랙은 탄성 요소의 내부 단부가 상기 허브 축으로부터 멀어지도록 더 위쪽으로 이동하게 한다. 상기 허브 축은 상기 샤프트와 동일 선상에 있다.
실시예 C
실시 예 C는 로드(19), 베어링(20), 리테이너(retainers)(21), 부싱(bushings)(22), 커넥터(23), 암(24) 및 핀(25)을 포함하는 추가 부품을 포함한다. 실시 예 C의 일반적인 isometric view는 회전 커버가 제거된 상태로 도 28에 제공된다.
실시 예 C에서 블레이드(1)와 블레이드 하우징(2)은 다음과 같이 결합된다: 별도로 제작된 슬리브 형 가이드(5)가 블레이드 하우징(2)에 삽입된다. 가이드에는 하나 이상의 키(29)가 있고 블레이드 하우징에는 하나 이상의 키 구멍(30)이 있다. 도 29와 같이 키와 키 구멍은 가이드와 블레이드 하우징 사이의 회전을 방지하기 위해 함께 결합된다.
로드(19)는 베어링(20) 내로 그리고 리테이너(21)를 통해 삽입된다. 상기 베어링은 리테이너의 함몰부(depression)에 안착된다. 리테이너는 주변에 나사산이 있다. 각 블레이드 루트(16)는 도 30에서 볼 수 있듯이 원통형 내부 표면을 따라 스레드된다(threaded). 상기 리테이너(21)는 상기 블레이드 루트(16) 내에 나사 결합되어 상기 로드(19)와 베어링(20)을 상기 블레이드 루트에 연결한다. 상기 베어링(20)은 스러스트 베어링(thrust bearing)이며; 상기 로드(19)는 블레이드의 길이 방향을 따라 미끄러질 수 있지만, 상기 로드(19)는 블레이드 루트, 베어링 및 리테이너로부터 완전히 인출(fully-withdrawn)되는 것을 방지하기 위해 일 단부에 헤드를 포함한다. 상기 블레이드 루트의 깊이가 불충분하여 상기 로드가 너무 안쪽으로 미끄러질 수 없다. 각 로드의 다른 단부에는 도 31에서 볼 수 있듯이 나중에 암(24)에 연결하기 위한 핀(25)을 수용하는 구멍이 있다.
각 블레이드 하우징의 루트에는 구멍이 있다. 상기 구멍은 상기 허브(18)의 측벽(27)을 통과한다. 부싱(22)은 각 구멍에 설치된다. 블레이드 루트에는 가이드(5)로 미끄려저 들어가는 가이드 결합부(6)를 포함한다. 동시에 로드는 부싱과 측벽을 통해 상기 허브로 미끄러진다. 스냅 링 형태의 고정부(11)는 각각의 블레이드 하우징의 외부에 설치되어 대응하는 슬리브-형 가이드 및 블레이드 루트를 고정시킨다. 각 로드(19)의 자유 단부는 각 암(24)의 일단에 고정되어 있다.
실시 예 C는 도 28에 도시된 바와 같이 블레이드 중량 어셈블리(7)를 갖는다. 그것은 단지 하나의 트랙(8)을 보유하는데, 이는 실질적으로 막대 또는 튜브형이며 상기 허브의 중심에 위치하고 상기 허브의 회전축과 정렬된다. 상기 튜브형 트랙은 후면판(26)의 내부 표면으로부터 바깥쪽으로 돌출한다. 단지 하나의 트랙 결합부(9)만이 있으며, 이는 또한 실질적으로 관형 또는 링-형상이며; 그것은 트랙 바닥 근처의 작은 단(small step)에서 멈출 때까지 트랙 위로 미끄러진다. 상기 트랙과 트랙 결합부는 동심원(concentric)이다.
나선형 비틀림 스프링(helical torsion spring) 형태의 탄성 요소(3)는 그것을 둘러싸는 트랙을 따라 아래쪽으로 미끄러져 움직인다. 대안적으로, 상기 탄성 요소는 상기 트랙 결합부 위로 미끄러질 수 있다. 상기 탄성 요소는 일단부에서 트랙과 다른 단부에서 트랙 결합부에 고정된다. 상기 트랙 결합부는 상기 트랙 주위를 회전할 수 있지만 트랙을 따라 이동할 수는 없다. 상기 트랙 결합부 회전은 탄성 요소에 의해 저항된다(resisted).
상기 트랙 결합부는 도 32에 도시된 바와 같이 그 주위에 배치된 부착부(attachment parts)(31)를 포함한다. 각 암의 일 단부는 상기 부착부에 고정되고 다른 단부는 로드에 고정된다. 핀-조인트(Pinned-joints)는 해당 트랙 결합부 및 로드에 대한 각 암의 평면 회전을 허용한다. 실시 예 C의 핀(25)은 하나의 헤드(도 32)를 갖는 클레비스 핀(clevis pins)일 수 있다.
상기 튜브형 트랙의 상부 내부 표면은 회전 덮개(13)의 설치를 용이하게 하기 위해 나사산이 형성되어 있다. 상기 회전 커버는 상기 허브의 상류 측(upstream side)과 짝을 이루며 허브와 동축(coaxial)이다. 상기 회전 커버는 내부 돔 또는 원추형(inner dome or cone-like) 표면의 중심으로부터 안쪽으로 돌출되는 중앙 튜브형 커넥터(23)를 포함한다. 상기 커넥터(23)는 상기 회전 커버가 상기 트랙에 나사로 고정될 수 있도록 한쪽 단부에 나사산이 있다. 대안적으로, 상기 커넥터는 트랙의 내부 직경보다 큰 내부 직경을 가질 수 있고 상기 트랙을 스크류 오버(screw-over)할 수 있다. 상기 회전 덮개(13)의 개방 단부 주변에는 단(step)이 있다. 상기 단은 상기 측벽(27)의 개방 단부를 따라 단과 정합하여 상기 회전 커버와 측벽 사이에 매끄러운 연속 표면을 제공한다.
상기 허브가 회전할 때 그것을 조이는 경향이 있는 회전 덮개에 대해 모멘트가 가해진다(When the hub rotates a moment is exerted about the rotating cover that tends to tighten it). 동시에 원심력이 상기 블레이드에서 바깥쪽으로 당겨져 로드가 바깥쪽으로 이동한다. 바깥쪽 이동(Outward translation)은 상기 고정된 암을 통해 트랙 결합부 회전으로 변환된다. 상기 트랙 결합부에 대한 모멘트 밸런스에 도달하면 외부 변환이 중지된다. 변형된 탄성 요소로부터 발생하는 모멘트와 블레이드에 가해지는 원심력으로 인한 모멘트 사이에서 균형이 발생한다.
3개의 블레이드는 모두 블레이드 무게나 블레이드 방향에 관계없이 동일한 회전 속도에서 기계적으로 동일한 피치를 갖도록 강제된다. 블레이드 디스크 바닥 근처에 있는 블레이드는 외력을 증가시킨다. 동시에 블레이드 디스크 상단 근처의 다른 블레이드는 외력을 줄인다. 이러한 방식으로 블레이드 무게의 영향은 블레이드 디스크 경사각 또는 로컬 중력 가속도에 관계없이 자동으로 취소된다(canceled-out). 우주, 화성, 수평면, 수직면 또는 그 사이의 어느 곳에서나 잘 작동한다. 실시 예 C의 블레이드 웨이트 조립체는 모든 블레이드에 힘을 가하여 기계적으로 동시에 동일한 종 방향 위치 및 피치를 갖도록 한다. 가이드 중 하나에 과도한 마찰이 있으면 해당 블레이드가 다른 블레이드의 피치 각도에서 벗어나지 않는다.
설명된 피치 제어 시스템은 정전, 센서 부정확성 또는 사용자 오류의 영향을 받지 않는 완전히 기계적인 메커니즘을 채택한다. 이 접근 방식은 시스템 안정성을 향상시킨다. 전반적인 구조는 매우 간단하다. 제조 및 유지 보수 비용은 합리적으로 낮을 것으로 예상된다.
전술한 본 발명의 설명은 당업자가 현재 최선의 모드인 것으로 간주되는 것을 만들고 사용할 수 있게 하지만, 당업자는 본 명세서의 특정 실시 예, 공정 및 예의 변형, 조합 및 등가물의 존재를 이해하고 인식할 것이다. 그러므로 본 발명은 전술한 실시 예, 프로세스 및 예에 의해 제한되지 않고 본 발명의 범위 및 사상 내에서 모든 실시 예 및 프로세스에 의해 제한되어야 한다.
정의
"샤프트(Shaft)"는 상기 허브와 블레이드가 회전하는 샤프트를 나타낸다. 이 샤프트는 모터에 직접 연결되거나 기어 박스 또는 다른 연결 장치를 통해 연결될 수 있다.
본 특허의 목적을 위한 "모터(Motor)"는 모터, 엔진 및 발전기를 포함하는 것으로 해석된다. 상기 "모터"는 회전 블레이드를 구동시키거나 구동된다.
"탄성 부재(Elastic member)"는 블레이드에 직접 또는 간접적으로 연결된 비-강성 부품 또는 부품 세트를 의미하고, 이는 블레이드 하우징에 대한 블레이드의 변형에 저항할 수 있다.
"가이드(Guide)"는 올바르게 설계된 가이드 결합부가 그것을 따라 이동하도록 하는 트랙, 그루브, 슬롯, 채널, 경로, 레일, 바, 로드 또는 기타 장치를 의미한다. "가이드"는 특히 피치 메커니즘(pitch mechanism)에 적용된다.
"가이드 결합부(Guide-mating part)"는 가이드와 결합할 수 있는 돌출부(protruding part), 페그(peg), 텅(tongue), 롤러, 휠, 슬라이더, 링 또는 기타 장치를 나타내고, 상기 가이드를 따라 이동하도록 강제된다. "가이드 결합부"는 특히 피치 메커니즘에 적용된다.
"트랙"은 올바르게 설계된 트랙 결합부가 상기 트랙을 따라 이동하도록 강제하는 트랙, 그루브, 슬롯, 채널, 경로, 레일, 바, 로드, 튜브 또는 기타 장치를 나타낸다. "트랙"은 특히 블레이드 중량 어셈블리에 적용된다.
"트랙 결합부(Track-mating part)"는 트랙을 따라 이동하도록 트랙과 정합할 수 있는 임의의 돌출부, 텅, 롤러, 휠, 슬라이더, 칼라(collar), 튜브 또는 다른 장치를 지칭한다. "트랙 결합부"는 특히 블레이드 중량 어셈블리에 적용된다.
"고정부(Retention part)"는 블레이드가 해당 블레이드 하우징에서 미끄러지거나 빠져나올 정도로 충분히 바깥쪽으로 이동하는 것을 방지하는 모든 부품을 말한다. 고정부는 링 모양일 필요는 없다.
"피치 메커니즘(Pitch mechanism)"은 블레이드가 블레이드 하우징에 대해 이동될 때 블레이드가 피치되도록 강제하는데 사용되는 메커니즘 또는 메커니즘 세트를 의미한다.
"블레이드 중량 어셈블리(Blade weight assembly)"는 블레이드 피치 각도에 대한 블레이드 중량의 영향을 부분적으로 또는 완전히 대응(counteract)하는 부품의 어셈블리를 의미한다.
"나선형(Helical)" 및 "나선형(Spiral)"은 평면이 원통형 표면 주위를 감쌀 때 평면에 그려진 임의의선으로 형성된 곡선 또는 곡선을 따른 이동을 나타낸다.
"임의의 선"은 곡선이거나 비-연속 파생(non-continuous derivatives)(매끄럽지 않은)을 갖는 라인을 포함한다.
"실린더", "원통형" 및 "원통형인"은 정확한(right), 고체 또는 원형 실린더로 제한되는 것으로 해석되어서는 안된다.
1 - 블레이드(blade); 2 - 블레이드 하우징(blade housing); 3 - 탄성 부재(elastic member); 4 - 피치 메커니즘(pitch mechanism) 5 - 가이드(guide); 6 - 가이드 결합부(guide-mating part); 7 - 블레이드 중량 어셈블리(blade weight assembly); 8 - 트랙(track); 9 - 트랙 결합부(track-mating part); 10 - 샤프트(shaft); 11 - 고정부(retention part); 12 - 허브(hub); 13 - 회전 덮개(rotating cover); 14 - 모터(motor); 15 - 모터 덮개(motor cover); 16 - 블레이드 루트(blade root); 17 - 법선 베어링(normal bearing); 18 - 종법선 베어링(binormal bearing); 19 - 로드(rod); 20 - 베어링(bearing); 21 - 리테이너(retainer); 22 - 부싱(bushing); 23 - 커넥터(connector); 24 - 암(arm); 25 - 핀(pin); 26 - 후면판(backplate); 27 - 측벽(sidewall); 28 - 장착 구멍(mounting hole); 29 - 키(key); 30 - 키홀(keyhole); 31 - 부착부(attachment parts); 40 - 허브 축(hub axis); 41 - 상기 블레이드 하우징의 종축(longitudinal axis of the blade housing); 42 - 가상 평면(imaginary plane); 43 - 나선형 경로의 세그먼트(segment of helical path); 44 - 블레이드 하우징의 측면 내부 표면(lateral interior surface of blade housing); 45 - 블레이드 하우징의 외부 측면(lateral exterior surface of blade housing); 46 - 블레이드 루트의 측면 내부 표면(lateral interior surface of blade root); 47 - 블레이드 루트의 측면 외부 표면(lateral exterior surface of blade root); 48 - 비틀림 스프링(torsion spring); 49 - 로드의 제1단부(first end of the rod); 50 - 로드의 제2단부(second end of the rod); 51 - 암의 제1단부(first end of the arm); 52 - 암의 제2단부(second end of the arm); 53 - 증가하는 피치 섹션(increasing pitch section); 54 - 감소하는 피치 섹션(decreasing pitch section); 55 - 설치 섹션(installation section); 100 - 피치 컨트롤 시스템(pitch control system);

Claims (19)

  1. (a) 허브(12);
    (b) 허브 축(40) 주위에서 상기 허브(12) 상에 배치된 블레이드 하우징(2);
    (c) 상기 허브 축(40)에 직교하는 가상 평면 B(42);
    (d) 상기 블레이드 하우징(2)과 결합하는 블레이드(1):
    (a) 상기 블레이드(1)의 피치의 변화에 영향을 주기 위해 나선형 경로(43)의 세그먼트를 중심으로 상기 허브 축(40)을 향해 그리고 상기 허브 축(40)으로부터 멀어지는 방향으로 나선형으로 구성되고, 상기 나선형의 방향은 하우징-종축(41)을 따르고, 상기 하우징-종축(41)은 평면 B(42)에 대해 각도 θ를 가지며, 여기서 각도 θ는 ｜θ｜≤30°로 정의된 크기를 가지며;
    (b) 여기서 2개 이상의 블레이드(1)와 블레이드 하우징(2)를 포함함;
    (e) 탄성 부재(3), 여기서 탄성 부재(3)는 상기 블레이드(1)를 허브 축(40)을 향해 직접 또는 간접적으로 끌어 당김; 및
    (f) 상기 블레이드(1)가 하기와 같이, 하우징-종축(41) 주위를 나선형으로 움직이는데 효과적인 피치 메커니즘(4):을 포함하고,
    (a) 다른 힘을 무시하고, 원심력이 상기 하우징-종축(41)에서 반대 탄성력(opposing elastic force)보다 클 때, 상기 허브 축(40)으로부터 멀어짐(away from), 여기서 두 힘은 상기 블레이드(1)에 가해지고, 상기 원심력은 허브(12) 회전으로부터 발생하고 상기 탄성력은 하나 이상의 탄성 부재(3)에서 발생함; 또는
    (b) 다른 힘을 무시하고, 상기 원심력이 상기 하우징-종축(41)에서 상기 탄성력보다 작을 때, 상기 허브 축(40)을 향함(toward);
    여기서 상기 피치 메커니즘(4)은 나선형 경로의 세그먼트를 따라 신장되는 가이드(5); 및 가이드 결합부(6)를 포함하고, 상기 가이드(5) 및 가이드 결합부(6)는 블레이드(1)가 하우징-종축(41)을 따라 나선형으로 이동하는 것을 돕기 위해 서로를 따라 미끄러지거나(sliding) 롤링(rolling)하는 것을 수반하는 구속 운동 관계(constrained-motion relationship)를 가지며,
    상기 피치 메커니즘은 다른 블레이드에 대한 블레이드의 하우징-종 방향 위치에서 블레이드 중량의 불균형 효과를 전체적으로 또는 부분적으로 상쇄하는, 블레이드 중량 어셈블리(7)를 더 포함하며,
    여기서 상기 블레이드 중량 어셈블리(7)는 (a) 상기 허브 축(40) 주위에 배치되는 트랙(8); 및 (b) 트랙-결합부(9)를 포함하고, 여기서 상기 트랙-결합부(9)는 상기 트랙(8) 주위로 이동하도록 제한되는 피치 컨트롤 시스템(100).
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    (a) 상기 가이드(5)는 상기 블레이드 하우징(2)의 측면(44, 45)에 배치되고; 및
    (b) 상기 가이드 결합부(6)는 블레이드 루트(16)의 측면(46, 47)에 배치되는 피치 컨트롤 시스템(100).
  4. 제1항에 있어서,
    (a) 상기 가이드(5)는 블레이드 루트(16)의 측면(46, 47) 표면에 배치되고; 및
    (b) 상기 가이드 결합부(6)는 상기 블레이드 하우징(2)의 측면(44, 45)에 배치되는 피치 컨트롤 시스템(100).
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    (a) 블레이드 루트(16)의 내부 직경은 그것의 대응하는 하우징(2)의 외부 직경보다 크며; 및
    (b) 블레이드 루트(16)는 그것의 대응하는 블레이드 하우징(2) 위로 미끄러져 움직이는 피치 컨트롤 시스템(100).
  9. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드 하우징(2)은 상기 허브(12) 내에 전체적으로 또는 부분적으로 포함되는 피치 컨트롤 시스템(100).
  10. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드 하우징(2)은 상기 허브(12)의 외부 측면을 넘어 반경 방향 바깥쪽으로(outward) 연장되는 피치 컨트롤 시스템(100).
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 트랙(8)은 상기 허브 축(40)으로부터 수직으로 오프셋(vertically-offset)된 비원형 단면 또는 중심을 포함하는 피치 컨트롤 시스템(100).
  14. 제1항에 있어서,
    탄성 부재(3)는
    (a) 상기 하우징-종축(41)과 정렬되고;
    (b) 상기 허브(12), 측벽(27) 및 블레이드 하우징(2)을 통과하고;
    (c) 한쪽 단부에서 블레이드 루트(16)와 다른 단부에서 블레이드 중량 어셈블리(7)에 연결되는 나선형 스프링인 피치 컨트롤 시스템(100).
  15. 제1항에 있어서,
    (a) 상기 트랙(8)은 원통 형상이며; 및
    (b) 상기 트랙 결합부(9)는 원통형이며 상기 트랙(8)과 동심(concentric with)이며,
    여기서 상기 트랙 결합부(9)는 상기 트랙(8)을 중심으로 회전하는 피치 컨트롤 시스템(100).
  16. 제1항에 있어서,
    (a) 제1단부 및 제2단부를 포함하는 로드(19);
    (b) 제1단부 및 제2단부를 포함하는 암(24)을 더 포함하고,
    상기 로드(19)의 제1단부는 블레이드 루트(16) 또는 블레이드 하우징(2) 내에 위치하고 상기 허브(12)의 측벽에 있는 구멍을 통과하고,
    상기 로드(19)의 제2단부는 상기 암(24)의 제1단부와 피봇식으로 연결되며, 그의 제2단부는 트랙-결합부(9)와 피봇식으로 연결되는 피치 컨트롤 시스템(100).
  17. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 부재(3)는 상기 트랙(8)의 내부 또는 외부를 둘러싸고 트랙 결합부(9)에 연결되는 비틀림 스프링(48)인 피치 컨트롤 시스템(100).
  18. 제1항에 있어서,
    (a) 로드(19)가 측벽(27)을 통해 상기 허브(12)의 안팎으로 미끄러질 때 마찰을 감소시키기에 효과적인 부싱(22)이 로드(19) 주위에 배치되고; 및
    (b) 베어링(20)은 상기 블레이드(1)가 상기 로드(19)에 대해 회전함에 따라 마찰을 감소시키는 피치 컨트롤 시스템(100).
  19. 삭제
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