KR102568073B1 - 런너 유닛의 블레이드를 반전시키는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일반적으로는 조력 발전소의 런너 유닛(runner unit)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 그 런너 유닛의 블레이드를 반전시키는 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 장치는 반전될 블레이드에 작용하는 환형 피스톤을 포함하는 반전용 서보모터에 기초하기 때문에 관절형 기구들을 수반하는 공지의 해법에 비해 가볍고 보다 효율적이다.

Description

런너 유닛의 블레이드를 반전시키는 장치{DEVICE FOR REVERSING A BLADE OF A RUNNER UNIT}

본 발명은 일반적으로는 조력 발전소의 런너 유닛(runner unit)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 그 런너 유닛의 블레이드를 반전시키는 장치에 관한 것이다.

공지된 바와 같이, 조력 발전소는 조수의 에너지를 전기로 전환하도록 구성된다. 이를 위해, 조력 발전용 라군(tidal lagoon)의 경우에, 터빈 하우징이 바다와 라군(석호) 유역 사이에 배치된다. 터빈 하우징은 벌브 런너 유닛(bulb runner unit)을 포함할 수 있고, 이 런너 유닛은 그 상에 장착되어 물의 흐름에 의해 이동하는 복수의 블레이드를 포함할 수 있다. 벌브 런너는 발전기와 협동하는 회전 샤프트와 일체로 이루어진다.

조수의 수준에 의존하여, 바다의 수위("헤드(head)"라고도 알려짐)가 라군의 수위에 대해 상승하는 경우에, 물이 터빈을 통과해 흐르기 시작하여 에너지를 생성한다. 마찬가지로, 바다의 수위가 떨어지기 시작할 때, 충분한 헤드가 형성될 때까지 라군 내에 물을 보유함으로써 조수 헤드(tidal head)를 생성할 수 있다. 따라서, 그 프로세스는 반전될 수 있고, 물은 터빈을 통과해 라군에서 바다로 그 반대 방향으로 흐르게 된다. 이와 같이, 전기의 발생은 양방의 물의 흐름으로 발생하기 때문에 최대화한다.

하지만, 벌브 유닛에 장착된 블레이드는 통상 물의 흐름에 대해 고정된 방향을 갖는다. 이러한 구성의 결과로 통상, 물이 라군에서 바다로 흐르는 경우인 다이렉트 모드(direct mode)로 런너가 작동할 때에는 허용 가능한 효율을 보장하지만, 이와 동시에 리버스 모드(reverse mode)로 작동할 때에는 블레이드가 두 작동 모드 모두에서 동일한 경사를 유지하거나 적어도 블레이드가 그 반대 방향으로의 흐름에 대해 최적화된 프로파일을 갖기 때문에 상당한 효율 손실을 겪게 된다.

런너 유닛에 설치된 공지의 기구는 통상 대체로 40도 미만의 값, 어떤 경우에는 180도보다 훨씬 작은 값(제어 기구의 데드 센터(dead centre)로 인해)으로 제한된 회전 각도를 허용한다. 블레이드의 완전한 반전은 180도보다 큰 회전 각도, 예를 들면 220도 정도의 회전 각도에 상응할 것이다.

전술한 기술적 문제를 해결하려는 시도가 이하에서 논의할 미국 특허 제2951380호에 개시되어 있다.

도 1과 아울러, 도 2a 내지 도 2f에 도시한 순서를 참조하면, 제어 기구는 대체로 로드(10)를 통해 블레이드의 위치를 제어하는 피스톤(11)을 포함한 메인 서보모터(12)를 포함한다. 크로스헤드(8)가 로드(10)에 연결된다. 각 블레이드는 베어링들에 의해 지지된 저널(3)을 포함하며, 레버(6)가 베어링들 사이에서 저널에 키 이음에 의해 연결된다. 커넥팅 로드(7)가 일단부에서는 레버(6)에, 타단부에서는 크로스헤드(8)에 관절식으로 연결된다. 그러한 크랭크 기어는 데드 센터를 갖고 있고, 이러한 이유로 제어 기구는 보조 서보모터를 포함한다. 특히, 후자는 레버(6)에 고정되고 레버(6)의 동일 측에 위치하며, 크랭크의 축방향 평면에 대해 대칭인 이붙이 부채꼴부(tooth sector)(13)를 포함한다. 게다가, 추가적인 크랭크(14)가 이붙이 부채꼴부(15)에 고정되고, 허브 상에 장착된 핀(16)에서 회전한다. 커넥팅 로드(17)는 크랭크(14)의 단부에 관절식으로 연결되고 보조 서보모터(18)에 의해 구동된다. 도 2a 내지 도 2f의 순서에서 명확히 나타낸 바와 같이, 이붙이 부채꼴부(13, 15)는 메인 서보모터(12)가 레버를 그 데드 포지션에서 구동할 때에만 상호 작용한다(도 2b 내지 도 2e 참조). 그러면, 보조 기구는 이붙이 부채꼴부(15)가 부채꼴부(13)와 맞물리고 데드 센터를 통과하도록 구동된다. 두 기구의 협동으로 인해, 180도보다 큰 각도를 갖는 블레이드의 완전한 반전이 달성된다.

하지만, 개시한 기구는 기술적 단점을 갖고 있다. 실제로, 레버(6)의 추가적인 회전을 가능하게 하고 이에 따라 데드 존을 통과하기 위해, 보조 기구는 이붙이 부채꼴부(15)인 회전 기어에 기초한다. 이러한 이유로, 커넥팅 로드(17)에 작용하는 서보모터(18)인 보조 서보모터는 그에 관절식으로 연결된 크랭크(14)를 포함해야 한다.

상기한 기구에서의 그러한 피벗은 필연적으로 이동하는 2개의 요소의 존재, 즉 관절형 로드(17) 및 맞물리는 기어가 마련된 크랭크(4)의 존재를 수반하여, 그 기구를 보다 무겁게 하고 커넥팅 로드와 크랭크 간의 계면에서의 마모를 야기할 수 있다는 점을 이해할 것이다. 게다가, 허브는 크랭크(14)의 피벗으로서 기능하는 핀(16)과 서보모터(22)의 피벗으로 기능하는 핀(20)도 이들 모두가 그에 고정되기 때문에 지지하도록 설계되어야 한다.

본 발명의 과제는 실질적으로 독립 청구항 1에 따라 정의한 바와 같은 런너 유닛을 위한 블레이드를 반전시키는 장치를 제공함으로써 전술한 기술적 문제점을 해결하는 데에 있다.

본 발명의 다른 과제는 실질적으로 종속 청구항 10에 정의한 바와 같은 런너 유닛을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 양태에 따르면, 그 과제는, 런너 유닛의 블레이드를 반전시키는 장치로서: 블레이드의 트러니언 부분(trunnion portion)에 고정되고 런너 유닛에 회전 가능하게 장착된 환형 레버; 런너 유닛의 샤프트를 따라 왕복 운동하도록 된 제1 피스톤을 포함하고, 이 제1 피스톤이 환형 레버에 결합되어 제1 피스톤이 데드 존 포지션(dead zone position)에 도달할 때까지 블레이드의 제1 회전을 야기하도록 된 메인 서보모터; 데드 존 포지션으로부터 블레이드의 추가적인 회전을 야기하도록 배치된 제2 피스톤을 포함하는 반전용 서보모터; 및 제2 피스톤에 연결된 제1 단부와 환형 레버 상에 편심되게 고정된 제2 단부를 갖는 커넥팅 로드를 포함하는, 런너 유닛의 블레이드를 반전시키는 장치에 의해 달성된다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 반전용 서보모터는 런너 유닛의 샤프트를 따라 왕복 운동하도록 된다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 제2 피스톤은 환형 형상을 갖고 제1 피스톤에 동심으로 배치된다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 커넥팅 로드의 제1 단부는 제2 피스톤에 고정된 피벗과 협동하도록 배치된 아일렛(eyelet)을 구비하며, 이 아일렛은 메인 서보모터의 운동 중에 피벗에 대해 상대적으로 이동하도록 구성된다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 피벗은 제2 피스톤의 내벽에 위치한다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 반전용 서보모터는 유압식(oil-operated)이다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 환형 레버는 환형 레버의 회전 축선에 대해 편심된 핀을 포함하며, 이 핀은 메인 서보모터의 피스톤에 형성된 홈 내에 수용된다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 그 장치는 홈 내에서 핀 둘레에 배치되는 너트를 더 포함한다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 메인 서보모터는 유압식이다.

본 발명의 과제, 이점 및 기타 특징들은 단지 예시를 위해 제공된 바람직한 실시예에 대한 이하의 비한정적인 상세한 설명을 첨부 도면을 참조하여 읽을 시에 보다 명백해질 것이며, 그 도면에 걸쳐 유사한 도면 부호는 유사한 요소를 가리키는 데에 이용될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 블레이드를 반전시키는 제어 기구를 도시하며,
도 2a 내지 도 2f는 작동 중의 도 1의 제어 기구의 다양한 구성의 순서를 도시하며,
도 3은 본 발명에 따른 복수의 블레이드를 포함하는 런너 유닛의 사시도를 도시하며,
도 4는 본 발명에 따른 런너 유닛의 측단면도를 도시하며,
도 5 내지 도 9는 본 발명에 따른 장치에 의해 블레이드를 반전시키는 단계들의 순서로 런너의 정면 단면도를 도시한다.
이하, 예시적인 바람직한 실시예를 상기한 도면들을 참조하여 설명한다.

도 3을 참조하면, 전체적으로 도면 부호 3으로 나타낸 런너 유닛을 도시하고 있다. 런너 유닛(3)은 바다와 라군 유역 사이에 위치할 수 있는 조력 발전소(그 구성은 도시 생략) 내에 위치한다. 런너 유닛(3)은 허브 바디(33)를 포함하고, 이에 복수의 블레이드(2)가 장착된다. 각 블레이드(2)는 허브 바디(33)에 장착된 에어 포일(20)을 포함하며, 이는 다이렉트 모드로, 즉 화살표 A로 나타낸 방향을 따라 라군에서부터 바다로 발생하는 물의 흐름과, 리버스 모드로, 즉 화살표 B로 나타낸 방향을 따라 바다에서부터 라군으로 발생하는 물의 흐름에 의해 이동한다. 물의 흐름은 축선(R)을 중심으로 한 허브 바디(33)의 회전을 생성하며, 이 회전은 전기를 생성하도록 발전기(도시 생략)에 연결된 샤프트(보이지 않음)에 전달된다.

동일한 작동 원리는, 유체를 예를 들면 하측 저장조로부터 상측 저장조로 이동시키도록 런너를 모터-제너레이터에 의해 구동하는 소위 펌프 모드로 작동하는 런너에도 적용될 수 있다.

이하의 설명은 허브 바디(33)에 실질적으로 직교하게 배치된 회전 축선(S)을 중심으로 블레이드(2)를 반전시키는 장치에 관한 것이다. 본 발명의 따른 장치가 런너 유닛(3)의 각 블레이드(2)에 마련될 것이라는 점은 자명할 것이다.

이하, 후속한 도 4를 참조하면, 축선(R)과 회전 축선(S)을 모두 포함하는 평면을 따른 런너 유닛(3)의 단면도를 도시한다. 에어 포일(20)은 블레이드의 트러니언 부분(21)에 의해 허브 바디(33)에 회전 가능하게 연결되고, 그 트러니언 부분은 런너 유닛(3) 상에서 축선(S)을 중심으로 회전 가능한 환형 레버(4)에 고정된다. 환형 레버(4)는 메인 서보모터(5)에 결합되고, 이 메인 서보모터는 런너 유닛(3)의 샤프트(31)를 따라 왕복 운동하도록 된 피스톤(51)을 포함한다. 그 결합은, 바람직한 실시예에 대한 이하의 상세한 설명에서 명백해지는 바와 같이, 샤프트(31)를 따른 피스톤(51)의 위치가 회전 축선(S)에 대한 블레이드의 각도 위치를 결정하도록 구성된다.

바람직하게는, 메인 서보모터는 유압식이며, 피스톤(51)의 변위는 전용 가압 유체 공급 시스템(도시 생략)에 의해 챔버(513, 514) 내에 조성되는 압력의 차를 제어함으로써 발생한다. 보다 구체적으로, 챔버(513) 내의 압력에 의해 생성되는 추력(thrust)이 챔버(514)의 압력에 의해 생성되는 추력을 초과하는 경우에, 피스톤이 위로 이동하며, 그 반대의 경우에는 반대로 이동한다.

바람직하게는, 비한정적인 예시적인 실시예에서, 환형 레버(4)와 피스톤(51)은 환형 레버(4)에 일체로 형성되고 그 레버의 회전 축선인 축선(S)에 대해 편심된 핀(42)에 의해 결합된다. 핀(42)은 피스톤(51) 내로 형성된 홈 내에 수용된다.

런너 유닛(3)은 데드 존 너머로의 블레이드(2)의 부분적 회전을 수행하도록 전체적으로 도면 부호 1로 나타낸 장치를 그 내부에 포함한다. 이를 위해, 본 발명에 따른 장치(1)는 샤프트(31)를 따라 왕복 운동하도록 된 반전용 서보모터(6)를 포함하며, 이 반전용 서보모터는, 후속 도면을 참조하여 명확하게 설명하는 바와 같이, 메인 서보모터가 블레이드를 데드 존에 근접하게 위치시킨 후에 그 블레이드(2)를 추가적으로 회전시키도록 마련된 제2 피스톤(61)을 포함한다.

바람직하게는, 단면도로 도시한 제2 피스톤(61)은 환형 형상을 갖고 메인 서보모터(5)의 제1 피스톤(51)에 연결되도록 배치된다.

게다가, 장치(1)는 커넥팅 로드(7)를 포함하며, 이 커넥팅 로드는 제2 피스톤(61)에 연결된 제1 단부(71)와, 환형 레버(4) 상에 편심되게 고정된 제2 단부(72)를 갖는다.

후속한 도 5 내지 도 9의 순서를 참조하여, 블레이드를 반전시키는 장치의 작동 모드에 대해 상세하게 설명한다.

도 5는 런너 유닛(3)의 정면 단면도를 도시하며, 여기서 에어 포일(20)은 그 전방에 보이도록 도시되어 있다. 이 도면에서, 축선(R)은 여전히 보이는 반면, 회전 축선(S)은 도시한 단면 평면에 직교한다.

커넥팅 로드(7)가 반전용 서보모터의 제2 피스톤(61)과 환형 레버(4) 사이에 연결된다. 도 5에 도시한 구성에서, 블레이드의 반전을 수행하기 위해 런너(3)를 정지시킨 후, 메인 서보모터의 제1 피스톤(51)은 샤프트(31)에 대해 그 스트로크를 따른 하측 위치에 위치하는 반면, 서보모터(6)는 상측 위치에 위치한다.

이어서, 도 6에 도시한 바와 같이, 데드 존 부근에 도달할 때까지 블레이드(2)를 회전시키도록 제1 피스톤(51)이 위쪽으로 이동한다.

블레이드(2)의 반시계 방향 회전은 환형 레버(4)의 상응하는 회전을 결정하는데, 환형 레버가 커넥팅 로드(7)의 제2 단부(72)에 고정되어 있어 그 커넥팅 로드도 회전 운동에 끌어들여지게 된다. 반면, 도 6에서 명확히 볼 수 있는 바와 같이, 커넥팅 로드(7)의 제2 단부(71)는 제2 피스톤(61) 상에 고정된, 보다 구체적으로는 그 제2 피스톤의 내벽 상에 위치한 피벗(62)과 협동하도록 배치된 아일렛(73)을 구비한다. 아일렛(73)을 통한 커넥팅 로드(7)와 제2 피스톤(61) 간의 연결은 제1 피스톤(51)의 운동 중에 피벗(62)에 대한 커넥팅 로드(7)의 이동을 생성한다.

그 결과, 제1 피스톤(51)의 상향 이동과, 데드 존에 도달할 때까지의 블레이드(2)의 반시계방향 회전(또한 환형 레버(4)의 회전) 동안에, 커넥팅 로드(7)의 제2 단부(72)는 레버(4)의 회전을 따르게 되며, 또한 제2 피스톤(61)과 일체로 된 피벗(62)에 대한 운동을 결정하게 되는데, 그러면 제2 피스톤(61)은 상기한 회전에 영향을 받지 않는다.

런너의 전체적 기하학적 형상(예를 들면, 환형 레버(4)의 치수 및 환형 레버 상에서의 커넥팅 로드(7)의 편심율을 포함)을 고려한 아일렛의 적절한 사이즈가 메인 서보모터(5)와 반전용 서보모터(6)의 정확한 동기화를 보장하기 위해 필요하다.

블레이드(2)가 데드 존 내에 위치하고 있는 도 7을 참조하면, 피벗(62)이 아일렛(73)의 하단부에 맞대질 때까지 제2 피스톤(61)이 하향 운동을 시작한다. 이러한 형태에서, 피스톤(61)은 "마스터(master)"로 간주될 수 있는 반면, 피스톤(51)은 "슬레이브(slave)"로서 간주될 수 있다.

반전용 서보모터, 특히 제2 피스톤(61)도 유압식이며, 런너 유닛(3)의 샤프트(31)를 따른 왕복 운동을 가능하게 하도록 오일 공급 회로(도면에서는 도시 생략)에 연결되어 있다. 보다 구체적으로, 2개의 별개의 회로가 런너 유닛 내에 마련되는데, 그 중 하나는 상향 이동을 위해, 다른 하나는 하향 이동을 위해 마련된다.

후속한 도 8을 참조하면, 피스톤(61)의 운동은 커넥팅 로드(7)를 아래쪽으로 구동하며, 이에 따라 환형 레버(4)는 반시계 방향으로 더 회전하게 된다. 따라서, 환형 레버(4)의 그러한 추가적인 회전은 데드 존 너머로의 블레이드(2)의 추가적인 부분 회전을 결정한다.

이 시점에, 마지막 도 9에 도시한 바와 같이, 메인 서보모터(5)가 다시 작동되어, 블레이드(2)의 반전을 완료하도록 하향으로 이동된다. 블레이드의 완전한 회전이 수행된 후에, 런너 유닛(3)이 다시 작동될 수 있다.

본 발명을 한정된 수의 실시예들과 관련하여서만 상세하게 설명하였지만, 본 발명이 그러한 개시된 실시예에 한정되지 않는다는 점을 용이하게 이해할 것이다. 오히려, 본 발명은 본 발명의 사상 및 범위에 상응하는 이상에서 설명하지 않은 임의의 수의 변형, 수정, 대체 또는 그 등가 구성을 포함하도록 수정될 수도 있다. 추가로, 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 본 발명의 양태들이 전술한 실시예들 중 일부만을 포함할 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 전술한 상세한 설명에 의해 제한되는 것이 아니라, 첨부된 청구의 범위에 의해서만 제한된다.

1: 블레이드를 반전시키는 장치
2: 블레이드
3: 런너 유닛
4: 환형 레버
5: 메인 서보모터
6: 반전용 서보모터
7: 커넥팅 로드
51: 메인 서보모터의 제1 피스톤
61: 반전용 서보모터의 제2 피스톤
62: 피벗
71: 커넥팅 로드의 제1 단부
72: 커넥팅 로드의 제2 단부
73: 아일렛

Claims (10)

1. 런너 유닛(runner unit)(3)의 블레이드(2)를 반전시키는(reversing) 장치(1)로서:
   상기 블레이드(2)의 트러니언 부분(trunnion portion)(21)에 고정되고 상기 런너 유닛(3)에 회전 가능하게 장착된 환형 레버(4);
   상기 런너 유닛(3)의 샤프트(31)를 따라 왕복 운동하도록 된 제1 피스톤(51)을 포함하고, 이 제1 피스톤(51)이 상기 환형 레버(4)에 결합되어 상기 제1 피스톤(51)이 데드 존 포지션(dead zone position)에 도달할 때까지 상기 블레이드(2)의 제1 회전을 야기하도록 된 메인 서보모터(5); 및
   상기 데드 존 포지션으로부터 상기 블레이드(2)의 추가적인 회전을 야기하도록 배치된 제2 피스톤(61)을 포함하는 반전용 서보 모터(6)
   를 포함하는 장치(1)에 있어서,
   상기 제2 피스톤(61)에 연결된 제1 단부(71)와 상기 환형 레버(4) 상에 편심되게 고정된 제2 단부(72)를 갖는 커넥팅 로드(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 반전용 서보모터(6)는 상기 런너 유닛(3)의 샤프트(33)를 따라 왕복 운동하도록 된 것인 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 피스톤(61)은 환형 형상을 갖고 상기 제1 피스톤(51)에 동심으로 배치되는 것인 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 커넥팅 로드(7)의 제1 단부(71)는 상기 제2 피스톤(61)에 고정된 피벗(62)과 협동하도록 배치된 아일렛(eyelet)(73)을 구비하며, 상기 아일렛(73)은 상기 메인 서보모터(5)의 운동 중에 상기 피벗(62)에 대해 상대적으로 이동하도록 구성되는 것인 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 피벗(62)은 상기 제2 피스톤(61)의 내벽에 위치하는 것인 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반전용 서보모터(6)는 유압식인 것인 장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 환형 레버(4)는 상기 환형 레버(4)의 회전 축선에 대해 편심된 핀(42)을 포함하며, 상기 핀(42)은 상기 제1 피스톤(51)에 형성된 홈 내에 수용되는 것인 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 홈 내에서 상기 핀(42) 둘레에 배치된 너트(512)를 더 포함하는 것인 장치.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 메인 서보모터(5)는 유압식인 것인 장치.
10. 회전 가능하게 장착된 적어도 하나의 블레이드(2)를 포함하는 런너 유닛(3)에 있어서,
    제1항 또는 제2항에 따른 상기 블레이드(2)를 반전시키는 상기 장치(1)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 런너 유닛.

Images