KR20090033905A - 신축식 로터 블레이드 구조체 - Google Patents

Abstract

발전 시스템으로서 터빈(5)이 타워 꼭대기(4) 또는 지하에 속박된다. 상기 터빈(5)은 로터 허브(9)에 연결된 주 블레이드(7)를 갖는 로터(6) 및 익스텐더 구역(2)을 포함한다. 유체의 흐름에 좀더 많이 혹은 적게 노출시키기 위해 확장된 위치 및 수축된 위치 사이에서 주 블레이드 안에서 익스텐더 블레이드의 위치를 조정한다. 상기 로터 블레이드의 익스텐더 블레이드 부분(2)이 수축되고 확장되는 모든 경우에, 상기 블레이드의 신축식 모듈까지 상기 로터 블레이드의 기부 블레이드 부분(8)의 구조적 빔의 확장에 의하여 에어포일 외형용 지지부를 신축식 로터 블레이드 구조화 한다.

스텐더 블레이드, 로터 블레이드, 에어포일, 블레이드 모듈 빔

Description

신축식 로터 블레이드 구조체 {RETRACTABLE ROTOR BLADE STRUCTURE}

본 발명은 풍력 터빈 및 해류 터빈과 같은 발전 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 신축적인 특징(telescoping feature),즉 확장시켰을 경우에는 로터 지름을 증가시켜 느린 풍속에서 더 많은 풍력 에너지를 포획할 수 있고 빠른 풍속에서는 날개를 줄여(집어넣어) 풍력에너지에 대한 노출을 감소시킬 수 있는 탈착식 외부 공기역학적 모듈(aerodynamic module)을 구비한 풍력 터빈 블레이드(wind turbine blade)용 구조 지지대(structural support)에 관한 것이다.

발명의 명칭이 "스토우드 로터(Stowed Rotor)"인 우드(Wood)의 1971년 9월 20일 등록된 미국 특허 제3,606,571호는, 비행기의 동체 꼭대기에 장착되어 있는 스토우드 로터를 설명하고 있다. 로터는 수직축에 장착되고 한 쌍의 로터 블레이드 유닛을 갖춘 회전식 수용 유닛(housing unit)을 포함하는데, 상기 한 쌍의 로터 블레이드 유닛은 상기 수용 유닛 내로 포개어 진다. 이륙과 수직 착륙 중에 수직 양력(vertical lift)을 제공하기 위해, 수용 유닛에서 로터 블레이드를 늘이고 줄이기 위한 메커니즘이 제공된다. 로터 블레이드들은 기계적으로 함께 쌍으로 연결되며 그 결과 한 로터 블레이드의 작동은 리프팅(lifting) 및 관성력이 불균형하게 인가되는 것을 방지하기 위하여 다른 로터 블레이드 유닛의 동일하며 중복적인 작 동이 필수적으로 수반된다. 로터 블레이드 조립체의 반동(편요:yaw)을 저지하기 위하여, 종래 헬리콥터에서는 비행기 후미에 프로펠러가 제공되었다.

상기 우드의 미국 특허는 항공 운행체를 위한 수직 양력을 생성하기 위한 스토우드 로터의 장치에 관한 것이다. 수용 유닛은 항공 운행체에 장착되고, 축에 대하여 회전가능한데, 상기 축은 수용 유닛에 신축적으로 장착되고 수용 유닛의 회전축을 대체로 가로지르게 배치되는 한 쌍의 로터 블레이드를 사용하여 대체로 양력 방향으로 정렬된다.

풍력 및 수력에 적용하는 것은 항공기를 위해 수직 양력을 제공하는 것과는 관련이 없다. 반면, 풍력 및 수류 시스템에서 로터들은 고정 구조체에 장착되고, 바람 또는 물의 흐름 방향에 대체로 정렬된 축에 대하여 회전가능하다. 우드의 특허에서, 수용 유닛은 항공기에 장착되고, 대체로 양력 방향에 정렬되되 바람 또는 물의 흐름에 정렬되지 않는 축에 대하여 회전가능하다. 풍력 및 수력에 적용하는 데 있어서, 로터들은 근본적으로 다른 결과를 이뤄내기 위해 근본적으로 다른 방식으로 사용된다. 즉, 로터들은 바람 또는 물과 정렬되어 그 결과 로터들은 그 유동에 의해 움직여져서 전기를 생산한다. 우드의 특허에서, 로터들이 양력 방향으로 정렬되어서 그 결과 로터들은 엔진에 의해 움직여져서 수직 양력이 생성되게 한다. 우드의 특허는 로터가 엔진에 의하여 작동되고 유동 매체(flowing medium)에 대하여 수직으로 움직이는 항공기에 적용하기 위한 가변성 지름의 로터용 메커니즘에 대하여 개시하고 있다. 우드의 특허는, 로터들이 유동 매체에 정렬되고 유동 매체에 의하여 구동되되 유동 매체에 대하여 움직이지는 않는, 풍력 또는 조류를 적용 하는 요건에 대하여는 언급하고 있지 않다.

발명의 명칭이 "동축 로터 편요 제어(Coaxial Rotor Yaw Control)"인 1974년 6월 4일자로 허여된 비엘라와의 미국 특허 제3,814,351호는, 일반적으로 부분적으로 확장되는 신축식 블레이드 첨단 부분을 구비한 동축 역회전 로터들을 개시하고 있다. 상부 로터 및 하부 로터들의 블레이드들은 상기 로터들 사이에서 순 토크(torque)의 합력을 생성하도록 서로 다르게 확장 및 수축될 수 있다. 상기 발명의 목적은 신축성 블레이드 첨단 부분을 제공함으로써 편요 제어를 제공하는 것이고, 상기 신축성 블레이드 첨단 부분은 다른 로터의 첨단 부분의 수축동안 다른 하나의 로터의 첨단 부분이 확장되는 파일롯-작동식 케이블 시스템(pilot-operated cable system)에 의하여 서로 상이하게 작동될 수 있다.

블레이드 각각은 중공 익형(hollow spar)으로 구성되어 있는데, 상기 중공 익형은 전연(leading edge)을 형성하고 블레이드의 주요 보강 부재이며 또한, 블레이드의 에어포일(airfoil) 외형을 완성하는 테이퍼지게 형성된 후연 부분이 된다. 블레이드 각각은 블레이드 익형(spar)의 선외 단부에 있는 공동 안으로 삽입된 하나의 단부를 구비하는 감소된 익현(翼弦: chord)의 첨단 부분을 구비하고, 이것은 상기 익형 안에서 자유롭게 활주 가능하다. 첨단 부분은, 피봇(pivot) 위에 전연을 따라 이격된 지점들에 장착된 익형 상의 두 개의 롤러와, 익형에 의하여 제 위치에 지탱되는 피봇들 상에 장착된 롤러들에 의하여 지지되어서 후연에 인접한 첨단 부분의 상부 및 바닥의 테이퍼지게 형성된 면들을 계합한다.

상부 로터의 첨단 부분 각각의 확장 및 수축은 로터 허브에 장착된 도르래로 중공 익현을 통하여 지나가고 첨단 부분의 선상(inboard) 단부에 부착된 케이블 또는 가요성 스트랩(strap)에 의하여 제어되는데, 상기 허브에 의하여 케이블이 중공 구동 샤프트를 통하여 아랫방향으로 향하게 된다. 구동 샤프트 내에서 상부 로터의 세 개의 블레이드로부터의 세 개의 케이블이 결합되어 하나의 케이블이 된다. 하부 로터의 첨단 부분들은 유사하게 케이블에 의하여 제어된다.

편요(yaw)를 제어하기 위하여, 케이블 중 하나는 연장되게 하고 다른 케이블은 수축시키는 방향타 페달을 내리 눌러서, 케이블 스풀(spool)들이 서로 반대로 회전하게 해서는, 한 케이블 스풀은 하나의 케이블 릴(cable reel) 위의 케이블(들)을 감고 다른 하나는 케이블(들)을 느슨하게 한다. 케이블들은 헬리콥터의 엔진에 의하여 구동되는 회전 블레이드들에 의하여 발생하는 원심력에 의한 그 축 상의 위치에 관계없이 바깥으로 지속적으로 압박되어지는 첨단 부분을 회전시킴으로 항상 팽팽하게 유지된다.

상기 비엘라와의 특허는 유동 매체에 대하여 고정되는 확장 가능한 로터 블레이드 시스템에 관해 발생하는 문제와, 유동 매체가 공기 또는 물 또는 다른 어떤 유체-유동 매체인지 언급하지 않고 있다.

상기 종래 기술 문헌들은, 로터가 엔진에 의하여 구동되고 유동 매체에 대해서 이동하는 항공 분야에서의 메커니즘을 기술하고 있다. 상기 문헌들은 풍력 또는 조류에 적용하는 요건들에 관하여 개시하고 있지 않은데, 로터는 유동 매체에 의하여 구동되되 유동 매체에 대하여 이동하지는 않고, 내구력 및 피로 저항성은 이러한 시스템의 성공에 있어 최고 수준이고, 로터에 작용하는 힘들은 각각의 회전 중 에 상당히 변화된다.

경사진 로터(tilt rotor) 및 항공기용의 가변적 지름의 로터를 제어하기 위하여 종래 기술에서 제시된 메커니즘은 피로 파괴에 영향을 받기 쉽고 광범위한 보수를 요한다. 풍력 터빈 및 조력 터빈은 확장 메커니즘 특성을 빠르게 열 화시킬 수 있는 환경 조건에서 작동한다. 보수 요건이 강화될수록 에너지 비용의 상승으로 이어지고, 이것은 결과적으로 재생 에너지 시스템의 경쟁력을 저하시킨다.

발명의 명칭이 "풍력 터빈(Wind Turbine) "인 1987년 12월 1일 허여된 제이미에슨의 미국 특허 제4,710,101호는, 이동 가능한 코 부분(moveable nose portion)들이 블레이드의 전연 내지 이와 인접하게 또한, 블레이드의 첨단 내지 이와 인접하게 위치하는 풍력 터빈을 개시하고 있다. 상기 코 부분은 블레이드의 길이 방향, 즉 블레이드의 방사상 바깥방향으로 정상의 수축 위치에서부터 이동 가능하다. 이러한 이동 가능한 부분은 에어포일 부분의 양력에 기여하고 또한, 항력(drag)을 생성하는 전진된 위치로 이동되어서는 로터의 회전 속도가 불필요하게 증가되는 것을 방지한다.

정상의 수축된 위치에서 상기 이동 가능한 부분은, 에어포일 부분의 공기역학적 형상과, 에어포일의 여타 부분으로 아주 부드럽게 상기 이동 가능한 부분으로부터 지나가는 공기의 흐름선에 부정적인 영향을 거의 미치지 않게 된다.

에어포일의 여타 부분의 선단면(leading face)은 이동 가능한 부분이 전진된 위치에 있을 때 항력 효과를 증가시키는 평평하거나 오목한 표면을 구비한다. 항력 효과를 증가시키는 것에 추가하여, 이동 가능한 부분들이 전진된 위치로 이동될 때 노출되는 에어포일 구역들의 여타 부분의 선단면들로부터 블리드 통로(bleed passage)가 안내될 수 있다. 상기 블리드 통로는 여타 에어포일 부분 각각의 주 표면으로 확장되어, 선단면으로부터 상기 주 표면으로 공기가 흐르게 하여 항력 증가와 유동의 분리를 야기할 수 있다. 노출된 부분은 사실 이동 가능한 부분의 작동 메커니즘 일부를 포함할 수 있고, 이것은 항력 효과를 훨씬 더 증가시킬 수 있다.

로터의 회전 속도가 인용될 수 있는 최댓값에 도달하면, 코 부분들은 반경 외측으로 이동한다. 코 부분들은 스프링의 회복력(return force)에 대한 원심력의 작용 하에서 움직이거나 또는 액추에이터의 조력을 함께 받아 움직이고, 선단면은 노출된다. 코 부분의 외측으로의 이동은 그 자체로 블레이드의 횡단면(cross-section)의 유효 변형을 야기해서는 블레이드의 첨단에서 에어포일 부분과 전혀 유사하기 않게 된다. 이것은 전력이 대부분 생산되는 곳의 블레이드 구역의 양력을 제거한다. 이것은 노출부에 훨씬 많은 항력을 생성하는데, 상기 노출부는 최대 항력을 생성하도록 기복(contour)이 형성되거나 울퉁불퉁하게 되는 선단면이다. 이동된 코 부분들은, 첨단의 정상 위치를 지나 있는 반경부에서 항력을 생성하고, 이 때 속도는 높아지고 효율성은 증대된다.

본 발명은 항력 도입 내지는 제동 없이 로터 구동 시의 효율성을 향상시키기 위하여 블레이드의 외측 말단위의 유효 공기 흐름을 향상시키는 로터 블레이드의 길이를 증가시키는 효과 즉, 상반된 효과에 관한 것이다.

발명의 명칭이 "풍차의 로터 구조(Rotor Construction of Windmill)"인1997년 5월 20일에 허여된 아이켈렌붐(Eikelenbloom)의 미국특허 제5,630,705호는 풍력 에너지(wind flow energy)를 기계적 에너지로 바꾸는 장치를 개시하고 있다. 상기 장치는 기부 구조체 및 상기 기부에 장착된 수평축을 갖는 로터를 구비한다. 로터는 다수의 세장형 로터 블레이드를 구비하고, 상기 로터 블레이드는 회전 지지부에 연결되고 그곳에서부터 방사상으로 확장된다. 로터 블레이드 각각 또는 그 일부는 로터 지지부의 회전축에 대한 소정의 방향으로 로터 블레이드 또는 그 일부의 종축을 기울이기 위하여 힌지 연결에 의해 로터 지지부에 연결된다. 로터 블레이드와 회전식 지지대 사이의 힌지 연결의 힌지 축은 로터 블레이드의 종축 및 상기 지지대 회전축에 대하여 모두 예각(acute angle)을 이룬다.

상대적으로 느린 풍속에서 사용되는 최대 풍력 제동(wind braking) 구역은, 로터 블레이드가 풍향에 직각일 때 달성되는데, 한편 풍향과 달리 로터 블레이드를 선회시키고 로터 블레이드 종축 둘레로 로터 블레이드를 선회시키는 것은 결과적으로 상대적으로 빠른 풍속에서 사용되는 보다 작은 풍력 제동 구역으로 귀결된다.

실제 풍속의 풍력 제동 구역의 조정능력을 증가시키기 위해, 로터 블레이드는 다수의 세장형 로터 블레이드 부품들에 의하여 형성되고, 상기 부품은 길이 방향으로 서로 완전히 또는 부분적으로 겹치는 위치에 놓이거나 또는 본질적으로 일렬로 놓이도록 구성된다. 그러한 로터 블레이드의 길이가 최소가 되도록, 로터 블레이드의 구성 부품들이 서로 완전히 겹쳐진다. 상기 로터 블레이드의 길이는 모든 로터 블레이드 구성 부품들이 서로 일직선에 놓일 때 최대가 된다.

상기 아이켈렌붐 특허의 도 5는 암(arm)에 힌지 연결된 세장형 중공 제1 로터 블레이드 부품을 도시한다. 제1 로터 블레이드 부품은 세장형 중공 제2 로터 블 레이드 부품을 포함한다. 다시 제2 로터 블레이드 부품은 세장형 제3 로터 블레이드 부품을 포함한다. 로터 블레이드 부품들은, 모터 드라이브, 스핀들(spindle) 및 제1 로터 블레이드 부품에 설치된 이동 가능한 부품 각각을 위한 와이어 케이블을 포함하는 별개 기구에 의하여 길이 방향으로 서로에 대해서 상대적으로 이동될 수 있다. 와이어는 스핀들에 감긴다. 와이어는 인장 응력과 압력 둘 모두를 받을 수 있고, 와이어, 스핀들 및 모터의 별개 장치가 로터 블레이드 부품을 서로 상대적으로 내외부로 이동시키기 위하여 제1 및 제2 모터 블레이드 부품에 각각 연결된다.

상기 아이켈렌붐 특허의 도 5에 도시된 장치의 단점은 제2 블레이드 부품이 활주되어 들어가는 제1 로터 블레이드가 제 2 블레이드의 형태를 수용하기 위하여 완전한 중공이어야 한다는 것이다. 현대의 대형 터빈에서, 블레이드는, 대형 풍력 및 수력 장치에서의 강도를 달성하기 위하여 보강 리브 지지부들이 필요한 정도의 크기이다. 케이블 메커니즘 그 자체는 대형 터빈에 적합하지 않은데, 그 이유는 와이어들이 인장 응력과 압력 모두를 받을 수 있어야 하고 그러한 케이블들이 무거운 물체를 옮기는 데는 사용할 수 없기 때문이다.

상기 설명에서 알 수 있듯이, 블레이드의 길이가 풍력 제동 구역이 변화되도록 조정될 수 있다는 것이 종래 기술에서 공지되어 있다. 종래기술 장치의 문제는 그 장치의 제작, 작동 및 수리를 복잡하게 하는 구성 부품의 개수이다.

발명의 명칭이 "전력을 생성하는 풍력 및 조류 터빈들과 설정된 로터 토크 제한점 이하에서 작동하기 위한 수단을 위한 확장식 로터 블레이드들(Extendable Rotor Blades For Power Generating Wind And Ocean Current Turbines And Means For Operating Below Set Rotor Torque Limits)"인 2004년 4월 27일에 허여된 제프리 에프. 딘(Geoffrey F. Deane)과 아미르 에스. 미카일(Amir S. Mikhail)에게 허여된 미국 특허 제6,726,439호는 확장식 로터 블레이드 제어에 관한 개시하고 있지만 풍력 또는 수력에 의해 구동되는 터빈의 로커 블레이드를 확장 및 수축시키기 위한 기구에 대해서는 상세하게 개시하고 있지 않다.

지름이 가변적인 로터 블레이드의 확장 블레이드(extension blade)들을 움직이기 위한 종래의 메커니즘은 무한 벨트, 와이어 케이블 및 익스텐더 블레이드(extender blade)에 부착된 리드-스크류(lead-screw) 메커니즘을 사용하였다.

무한 벨트들은 종축 운동의 바람직한 최댓값을 달성하기 위해 주 블레이드의 원위 단부로 확장되어야만 하는 단점을 가지고 있고, 상기 무한 벨트들은 생산이 복잡하고 주 블레이드의 외측 리치(outer reach)에 불필요한 중량을 추가적으로 더한다.

와이어 케이블은, 하나는 익스텐더 블레이드를 외측으로 이동시키는 것이고, 다른 하나는 익스텐더 블레이드를 안으로 끌어들이는 것인 두 개의 케이블을 요구하는 문제점이 있다. 또한 케이블들은 필요한 강도에 비해 무겁고, 원하는 정도의 종축 운동을 달성하기 위하여 주 블레이드의 원위 단부로 확장되어야만 하고, 또한 상기 케이블은 생산하기에 복잡하고 주 블레이드의 외부 리치에 불필요한 중량을 추가적으로 더한다.

리드 스크류 메커니즘은 나사식 리드 스크류(threaded lead screw)에 의하여 구동된 슬라이더 너트를 포함한다. 상기 리드 스크류 메커니즘은 필요한 강도에 비 해 무겁고, 최대 하중 하에서 토크가 리드 스크류를 회전하기에 적정한 안전 여유치를 가지고서 충분할 필요가 있는 무거운 가역 모터를 필요로 하며, 원하는 종방향 이동을 달성하기 위하여 주 블레이드 원위 단부로 확장되어야 하고, 생산하기에 복잡하고, 또한 주 블레이드의 외부 리치에 불필요한 중량을 추가적으로 부가되고 작동 중에 감김(bind-up)이 생기는 경향이 있어서 유지비용이 부가된다.

필요한 것은 확장식 로터 블레이드들의 확장과 수축을 용이하게 하고 경량이고 유지 관리가 손쉬우며 내구성이 있는 풍력 또는 조류 터빈용 메커니즘이다.

또한 필요한 것은, 사용 및 유지 관리를 위한 접근성이 양호하도록 모듈식이고 탈착식인 풍력 및 수력 터빈용 확장식 로터 블레이드 구조체이다.

본 발명은 로터 블레이드가 지나간 유체 유동의 횡단면적을 증가 및 감소시키기 위하여 로터 블레이드가 지나간 부분의 반경을 확장 및 수축시킬 수 있는 로터 블레이드를 포함하는 유체 유동(바람 또는 물) 전력 생성 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 터빈은 유체 유동에 대한 수평축에 정지되어 유지되는 구조체(예를 들어 높은 바람탑 또는 줄로 매은 수중 나셀(tethered underwater nacelle))에 장착된다. 터빈은 익스텐더 블레이드와 로터 버브에 연결된 주 블레이드를 구비한 로터를 포함한다. 익스텐더 블레이는 주 블레이드에 대해서 수축된 위치와 로터를 다소간 유체 유동에 노출시키는 보다 더 노출된 위치와의 사이에서 이동 가능하다. 익스텐더 블레이드를 위한 조정 장치는 주 블레이드 내에서 레일을 따라 이동하는 익스텐더 블레이드에 연결된 다수의 선형 베어링 카(linear-bearing car)들을 포함한다. 발전기는 전기 에너지 생성을 위하여 터빈에 연결된다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 확장식 로터 블레이드 구조체은, 상기 로터 블레이드의 익스텐더 블레이드 부분이 수축되고 확장되는 두 경우 모두에 있어서, 상기 로터 블레이드의 기부 블레이드 부분의 구조적 빔을 상기 블레이드의 신축식 모듈까지 연장함으로써 에어포일 쉘을 위한 지지부를 제공한다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 기부 블레이드 모듈 빔을 포함하는 기부 블레이트 모듈과, 기부 블레이드 모듈 빔에 연결되는 익스텐서 블레이드 모듈 빔을 포함하는 익스텐더 블레이드 모듈을 포함하고, 상기 익스텐서 블레이드 모듈은, 기부 블레이드 모듈과 익스텐더 블레이드에 연결되고 확장 및 수축을 위해 익스텐더 블레이으 모듈 빔 상에 있게 되는 캐리어 블레이드(carrier blade)를 구비하는 확장식 로터 블레이드 구조체가 제공된다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 사용과 유지 관리를 위하여 접근성이 좋도록 주 블레이드로부터 탈착될 수 있고 모듈식인 확장식 로터 블레이드 구조체가 제공된다.

도 1은 기부 부분, 캐리어 및 익스텐더 모듈을 구성하는 익스텐더(extender)를 포함하고, 확장식 로터 블레이드가 완전히 확장되어 있는 본 발명의 로터 블레이드의 사시도.

도 2는 익스텐더 모듈의 부착 단부가 기부 블레이드에 부착된 상태로 기부 블레이드가 도시된, 기부 블레이드 내의 익스텐더 모듈 빔을 도시한 도면.

도 3은 알루미늄 익형이 블레이드 익형 내에서 볼트 연결된 도 2의 익스텐더 모듈 빔 및 기부 블레이드 빔(익형)을 도시한 도면.

도 4는 캐리어 에어포일 쉘의 빔, 캐리어 에어포일 쉘 그 차체, 기부 모듈 및 기부 모듈의 캐리어 모듈의 부착 연결부를 도시하는 도 2에 도시된 장치들을 보다 상세하게 도시한 도면.

도 5는 캐리어 빔에 부착된 선형 카(linear car)들을 갖는 캐리어 에어포일 쉘의 빔, 선형 베어링용 가이드 레일들, 캐리어 에어포일 쉘 그 차체, 캐리어 모듈 면 플레이트 및 기부 모듈에 부착된 캐리어 모듈의 부착 연결부를 도시하는 도 4에서 도시된 장치들을 보다 상세하게 도시한 도면.

도 6은 도 5에 도시된 장치들의 절개도.

도 7은 하류 익스텐더 쉘과, 상류 익스텐더 쉘 및 그 사이의 간극과, 캐리어 에어포일 쉘 그 자체와, 캐리어 빔과, 익스텐더 외형 각각의 익스텐더 라이더 빔에 부착된 베어링을 도시하는 도 5에서 도시된 장치들의 횡단면도.

도 8은 선택적 실시예를 도시한 도 7과 유사한 횡단면도.

도 9는 금속 테이프, 지퍼, 또는 고무 클로져(closure)로 채워진 익스텐더 블레이드의 첨단 위의 슬롯을 도시한 도면.

도 10은 확장된 블레이드 모듈이 너셀 안에서 승강기에 의하여 올려지는 방법을 도해하는 풍력 터빈 타워를 도시한 도면.

도 11은 익스텐더 블레이드 모듈용 신속-분리 부착 메커니즘을 도시한 도면.

상기 도면들에서, 유사한 도면 부호는 도면에서 유사한 요소를 지칭한다. 도면에서의 다른 부품들의 크기는 스케일 또는 정확한 비율에 따른 것이 아닐 수 있고, 시각적 명확성 및 설명을 위한 목적에서 도해된 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

너셀(3) 안에서 승강기에 의하여 확장된 블레이드 모듈(2)이 어떻게 올려지는지를 나타내는 풍력 터빈 타워(1)의 도면 도 10을 참고하여 설명한다. 풍력-발전 기구는 터빈 너셀(3)에 수용 된 발전기를 포함하고, 상기 터빈 너셀(3)은 지면에 고정된 긴 타워 구조체(4)의 꼭대기에 장착된다. 터빈(5)은 수평면에서 자유롭게 회전하여 우세한 풍력 흐름 경로를 유지하는 경향이 있다. 터빈은 가변성 피치 블레이드(7)들을 갖는 로터(6)를 구비하고, 상기 블레이드(7)들 바람의 흐름에 대하여 회전한다. 로터 허브(9)에 부속된 루트 블레이드(root blade)라 호칭되는 블레이드 기부 구역(8) 및 가변성 지름 로터를 제공하기 위해 길이가 가변적인 익스텐더 블레이드(2)라고 호칭되는 블레이드 확장부(blade extension)를 블레이드 각각이 구비한다. 로터 지름은 느린 유체 속도에서도 최대한 로터(6)를 확장하고 유체 속도가 증가할 때 로터를 수축하도록 로터 지름이 제어되고 그 결과 로터에 의해 전달되거나 로터에 작용하는 하중이 설정된 한계를 초과하지 않는다. 풍력 발전 기구는 바람 흐름 경로에 있는 타워 구조체(4)에 의하여 유지되어 그 결과 발전 기구가 바람의 흐름에 정렬되어 평행하게 소정의 장소에 유지된다. 전기를 생산하기 위 하여 발전기가 터빈에 의하여 구동되고 상기 발전기는 다른 유닛 그리고/또는 전력 그리드에 교차-연결되는 전력 전달 케이블에 연결된다.

풍력 및 조력 터빈으로부터 획득되는 전력은 터빈의 로터 블레이드가 지나가는 횡단면 면적에 정비례하고, 종래 로터들은 회전 허브에 연결되고 길이가 고정된 블레이드를 사용한다. 유체 유동의 유입에 대하여 영각을 바꾸기 위하여, 주로 빠른 유속에서 전력의 발산을 위하여, 상기 블레이드는 피치가 가변적일 수 있다(즉, 종축들을 중심으로 선택적으로 회전 가능). 선택적으로, 상기 블레이드들은 피치가 조정되거나 또는 실속(失速)-조정(stall-regulated)될 수 있고, 이 때 블레이드 상승과 이에 따른 전력 획득이 풍속이 어느 정도의 공칭 값(nominal value)을 초과함으로서 급격히 떨어진다. 가변적인 피치 및 지름이 고정된 실속 조정된 로터 블레이드는 모두 종래 기술에 잘 알려져 있다. 상기 미국 특허 제6,726,439 B2호는 풍력 또는 수력 가동식 로터 조립체를 포함하는 풍력 또는 수력 에너지 변환기에 대해 기술하고 있다. 로터는 다수의 블레이드를 포함하고, 상기 블레이드는 가변적인 지름 로터를 제공하기 위하여 길이가 가변적이다. 로터 지름은 느린 유속에서 로터를 최대한 확장하고 유속이 증가하면 로터를 집어넣도록 제어되고 그 결과 로터에 의해 전달되거나 로터에 가해진 하중은 설정 한계(set limit)를 초과하지 않는다.

신축식 로터 블레이드(7)가 최대한 확장된 상태로, 기부 구역(8), 캐리어(10) 및 익스텐더 모듈(2)을 구성하는 익스텐더(11)를 포함하는 본 발명의 로터 블레이드(7)의 사시도인, 도 1을 참조하여 설명한다. 로터는 루트 블레이드(블레이드의 기부 구역(8)) 및 익스텐더 블레이드(11)를 구비한다. 선택적인 마찰 제동 기(friction brake)는 익스텐더 블레이드(11)가 바람직한 위치에 있을 때 익스텐더 모듈 빔을 고정하기위해 제공된다. 안전을 위해, 제동기는 가동되지 않을 때 적용되고 유압 시스템 또는 다른 가동 시스템에 의해 가동되었을 때 해제된다. 그에 따라 제동기는 항상 페일-세이프(fail-safe) 상태에 있게 된다.

본 발명은, 신장되었을 때 로터 직경을 증가시켜서 풍속이 느린 기간 동안에 보다 많은 풍력 에너지를 포획하면서 빠른 풍속에서는 풍력 에너지 노출이 감소되도록 수축되게 조정되는 신축적 특성을 가지는 탈착식 외부 공기역학적 모듈(2)을 구비한 풍력 터빈 블레이드(7)를 위한 구조적 지지부를 제공하는 방법 및 장치들에 관한 것이다.

익스텐더 블레이드 모듈(2)용 신속-분리 부착 메커니즘(13)이 도해된 도 11을 참고하여 설명한다. 도 11에 도시 되었듯이, 신축성 블레이드 부분(2)은 사용을 위하여 기부 블레이드(8)로부터 부착되고 분리될 수 있는 모듈(도 1)로서 고안되었다. 이것은 신축성 블레이드 시스템(2)에 중요한 특징인데, 상기 블레이드 시스템(2)은 기부 블레이드(8)로부터 분리되지 않아 운행과 교체에 있어서 문제가 될 수 있기 때문이다.

본 발명의 구조 시스템의 개발 근거는 에어포일 쉘이, 특히 풍력 추력, 중력 및 원심력으로부터 블레이드에 작용하는 힘에 대해서, 완벽한 튜브 형상이 그러한 것처럼 신축적으로 작동하도록 구조적으로 변경하기에 적합하지 않은 횡단면 형상을 가진다는 것이다. 그러므로 구조 시스템은, 수축될 때와 확장될 때 두 경우 모두에 있어서, 블레이드의 신축성 모듈(2)을 통하여 기부 블레이드(8)의 구조적 빔 (또는 익형)의 확장에 의하여 에어포일 쉘을 위한 지지부를 제공하려는 것이다.

기부 블레이드 내의 익스텐더 모듈 빔(12)을 도시하고, 익스텐더 모듈의 부착 단부가 부착되게 되는 기부 블레이드 빔(14), 캐리어 에어포일 쉘(10)의 빔(12), 캐리어 에어포일 쉘 그 자체, 빔 모듈(8, 14) 및 캐리어 모듈(10, 12)의 기부 모듈로의 부착 연결부(13)를 도시하는 도 2 내지 도 4를 참조한다. 구조적 구성요소는 이하 설명되는 실시예 a, b, c 중의 어느 하나 일 수 있다.

a. 모듈 부착 단부에서부터 확장되고, 부착 면판(faceplate)(15)(도 3)에 장착되고 또한 캐리어 에어포일 쉘(10)(도 4)을 통하여 확장되는 익스텐더 블레이드 모듈 빔(12)(도 2). 이러한 형태는 캐리어 에어포일 쉘(10)의 내부 상단 또는 내부 하단 둘 중 어느 한 곳에 부착되는 빔(12)을 구비하지 않는다.

캐리어 빔(12)에 부착된 선형 카(car)(16)들을 갖는 캐리어 에어포일 쉘(10)의 빔(12), 선형 베어링(16)용 가이드 레일(17)들, 캐리어 에어포일 쉘(10) 자체, 캐리어 모듈 면판(19) 및 기부 모듈(8, 14)로의 캐리어 모듈 (10, 12)의 부착 연결부(13)를 도시하는 도 4에서 도시된 장치들을 좀 더 상세하게 도시한 도 5와, 그리고 도 5에서 도시된 장치들의 절단면을 도시하는 도 6을 참조하여 설명한다.

캐리어 에어포일(10)이 구비한 유일한 구조적 지지부는 모듈 부착 단부 면판(face place)(19)(도 5)과, 캐리어 모듈 (10, 12)이 익스텐더 블레이드(11)와 겹치는 단부에 위치하는데, 상기 단부에서 캐리어 모듈은 익스텐더 블레이드 에어포일 쉘 위에 있고, 상기 익스텐더 블레이드 에어포일 쉘은 확장 또는 수축 작동 시에 각각의 위로 활주하는 모듈 캐리어 빔과 겹쳐 치는 익스텐더 빔을 포함한다.

b. 선택적 구조체(도 8)은 모듈의 캐리어 에어포일 쉘(10)의 내부 하단에만 부착되는 캐리어 빔(12)과, 그리고 캐리어 빔(12)에 올려져 있고 익스텐더 에어포일의 상부 내부에 부착된 익스텐더 쉘 에어포일(11)의 이중 또는 "라이더(rider)" 빔들이다. 이에 따라 슬롯(20)이, 익스텐더 에어포일 모듈의 캐리어 구역의 빔을 수용하고 있는 익스텐더 에어포일의 하부 표면상에서 길이 방향으로 연장된다.

c. 하류 익스텐더 쉘(11′), 상류 익스텐더 쉘(11″) 및 그 사이 간극, 캐리어 에어포일 쉘(10), 캐리어 빔(12) 및 익스텐더 쉘 각각의 익스텐더 라이더 빔 (21들)에 부착된 베어링(17)들을 도시하는 도 5에서 도시된 장치들의 횡단면도인 도 7을 참조하여 설명한다. 캐리어 빔(12)은 분할 익현 에어포일 형태로 익스텐더 에어포일(11)을 구비하여 "캐리어" 구역의 상부 및 하부 에어포일 쉘(10)의 내부에 부착되는데, 상기 분할 익현 에어포일은 두 편의 에어포일, 즉 전방 구역(상류 확장 쉘(11″)) 및 후방 구역(하류 확장 쉘(11′))이 되고, 상기 구역들 각각은 "라이더" 빔(21)을 포함하고, 상기 라이더 빔은 수직 캐리어 빔(12)상에서 활주한다. 또한 이것은 결과적으로, 익스텐더 분할 에어포일의 후방 구역(11′)과 에어포일의 전방 구역(11″) 사이의 익스텐더 에어포일(11)의 꼭대기와 하단 양쪽 모두 위의 길이 방향 슬롯 또는 간극으로 귀결된다..

이것은 결과적으로, 익스텐더 블레이드 모듈 빔(12)이 벽의 형태가 되고, 벽의 상부 및/또는 하부 에지는 캐리어 블레이드(10)에 연결되고, 익스텐더 블레이드(11)는 벽에 의하여 상류 익스텐더 쉘(11′) 및 하류 익스텐더 쉘(11″)로 나누어지게 되는 구조체이 된다.

캐리어 빔(12)(도 2) 및 인접한 라이더 빔(21)들은 선형의 베어링 카(16)(도 7)들을 인터페이스로서 구비한다. 선형 베어링 카(16)들은 주 블레이드(10)의 내부 빔(12)에 부착되고 상기 카가 올려지는 카 트랙(17)들은 신축성 첨단 블레이드 (11′, 11″)들의 라이더 빔(21)에 부착된다. 두 블레이드 사이는 1.5M가 겹쳐진다. 첨단 블레이드들은 블레이드 첨단에 의해 연결된 전연 구역(11″) 및 후연 구역 (11′)으로 구성되어 분할-에어포일 익스텐더(11)가 된다.

분할 에어포일 익스텐더(11)는 블레이드의 외부 요소가 확장될 때 후방 에어포일 구역(11′)과 전방 에어포일 구역(11″)을 기계적으로 상호연결하고, 블레이드가 수축할 때 기계적으로 연결을 해제하는 메커니즘을 구비할 수 있다.

상기 b 또는 c의 경우에, 익스텐더 블레이드(11)(도 7 및 도 8)는 에어포일 효율성을 열 화시킬 수 있는 길이 방향 슬롯(20)들을 구비한다. 금속 테이프, 지퍼 혹은 고무 클로져(22)로 채워져 있는 익스텐더 블레이드(11)의 꼭대기 위의 슬롯(20)을 도시하는 도 9를 참조하여 설명한다. 이러한 형태의 핵심적인 특징은 외부 블레이드가 확장될 때 에어포일(11)의 슬롯을 채우고, 외부 블레이드가 수축할 때 수축하거나 둥글게 말리는 얇은 강재 또는 플라스틱 스트립(측정 테이프(measuring tape)와 유사한)을 사용하는 것이다. 에어포일의 공기역학적 효율성을 유지하는 선택적 방법은, 외부 블레이드(11)가 확장될 때 길이 방향 슬롯을 채우기 위해 폐쇄하고, 또한 외부 블레이드가 수축할 때 개방하는 지퍼에 의한 것이다. 지퍼는 지퍼치형부를 갖는 섬유 또는 익스텐더 블레이드(11)의 작용에 의하여 특이하게 움직이는 겹쳐지는 고무 스트립과 같은 웨브 재료(web material)로 구성 될 수 있다.

상기 두 경우 모두에서, 외부 빔(21)들은 내부 빔(12)을 따라 활주하고 최대한 확장되었을 때 내부 및 외부 빔은 충분히 겹쳐져서 구조적 지지부를 확장된 외부 블레이드(11)에 이동시키면서 한편으로는 공기역학적으로 효율적인 형태를 유지한다.

도 11에서 도시된 바와 같이, 기부 블레이드의 빔의 구조적 지지부를 모듈의 빔으로 전달하는 신속 분리 정합 시스템(13)(quick release mating system)을 통하여 모듈은 기부 블레이드에 부착될 수 있다. 또한 기부 블레이드는 메커니즘을 가동하고 제어 기능을 수행하기 위해 모듈에 연결하는 제어 배선 및 전력을 가지고 있다.

도 10에서 도시된 바와 같이, 개방된 경우 사용 및 모듈 교체를 위하여 진입로(ramp)를 연장시키는 풍력 터빈 타워(4)에 있는 접이식 해치(24)(fold-down hatch) 및 포트(23)를 통하여 기부 블레이드의 모듈 부착 구역으로 접근할 수 있다. 모듈(2)의 제거 또는 부착은, 터빈 로터 허브(9)를 통하여 모듈(도 11) 위에 신속-분리 부착 지점(13)들의 주 블레이드 아래를 통하여 호이스트 케이블(25)을 공급하는 터빈(5)의 너셀(3)의 선상 승강기에 의해서 보조된다.

터빈 제어 유닛

발명의 명칭이 "전력을 생성하는 풍력 터빈 및 조력 터빈용 신축식 로터 블레이드 및 설정된 로터 토크 한계치 이하에서 가동하기 위한 수단(Retractable rotor blades for power generating wind and ocean current turbines and means for operating below set rotor torque limits)"인 2004년 4월 27일에 허여된 미카일 등의 미국 특허 제6,726,439호는, 로터가 다수의 블레이드를 포함하고, 블레이드들의 길이가 가변적이어서 직경이 가변적인 로터를 제공하도록 구성된 풍력 터빈을 개시하고 있다.

상기 특허 제6,726,439호에서 로터 직경은 느린 흐름 속도에서 최대한 로터를 확장하고 유체 속도가 증가하면 로터를 수축하도록 제어되어 그 결과 로터에 의해 전달되거나 로터에 가해지는 하중이 설정 제한을 초과하지 않게 된다. 토크(또는 추진력)가 경계 값 아래로 제한되기 위해 로터에 의해 전달되는 기계적인 토크(또는 추진력이 제어된다.) 이것은 연장된 로터 블레이드 형태가 조정 가능한 토크 및 추진력의 하중 제한 내에서 작동하도록 할 수 있는 장점이 있다. 이것은 다수의 풍력 터빈 파워트레인 제조 설계 또는 다른 제어 설정 포인트를 이용한 다양한 작동 조건에 적용을 가능하게 하고, 유사하게 기존에 설치된 풍력 터빈의 개장을 가능하게 한다.

제어 시스템은 하나 이상의 다음 센서 입력치를 사용하여, 다양한 로터 반지름, 로터 블레이드의 피치 및 로터의 회전율을 통제한다.

전력 출력의 측정치;

로터 회전 속도의 측정치;

로터 토크의 측정치;

확장식의 로터 블레이드의 위치 측정치;

로터 블레이드 피치 각의 측정치;

로터 블레이드의 휨 하중의 측정치; 및

지지 구조체상의 휨 하중의 측정치.

터빈 제어 유닛은 미국 특허 제6,726,439호에서 설명된 방법에 따라 제어 기능들을 수행한다. 즉, 제어 방법은 로터 시스템이 네 개의 구역 안에서 작동하게 제어 한다. 제1 구역은 컷-인(cut-in) 아래의 속도에 있는 구역이고, 제2 구역은 변화하는 전력 생성을 가져오는 중간 속도의 범위에 있는 구역이고, 제3 구역은 터빈이 하중을 제한하기 위하여 일정하거나 약간 감소하는 전력을 생산하는 더 높은 속도의 구역이고, 제4 구역은 터빈이 차단(cut-out)되는 아주 높은 속도의 구역이다.

게다가, 제어 방법은, 특정의 하중 상황 내에서 작동을 유지하기 위하여 버스를 통해서 선형 카들로 신호를 전송함으로써 로터 지름이 변화되는 제5 구역 안에서 작동하도록 로터 시스템을 제어한다. 특정의 하중 상황은, 정격 전력에 도달하기 위하여 필요한 유속 이하의 모든 바람 또는 물의 유속에서, 로터 직경이 특정된 로터 하중 제한 내에 유지되는 가능한 최대 직경까지 확장되도록 하는 것일 수 있다. 로터 하중 제한은, 예를 들면 로터 추진력 그리고/또는 샤프트 토크(shaft torque)의 제한일 수 있다. 신축식 로터 블레이드의 축방향 이동을 가능하게 하기 위하여, 두개의 제동기가 신호에 의하여 비활성화 되어야만 한다.

본 발명이 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 특정적으로 도시 및 설명되었으나, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서도 형태 및 세부 사항에서 앞서 설명된 것 등의 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 자명할 것이다.

Claims (13)

1. 신축식 로터 블레이드 구조체로서,

   상기 로터 블레이드의 익스텐더 블레이드 부분이 수축되고 확장되는 경우 모두에서, 익스텐더 블레이드의 신축식 모듈(telescoping module)까지 상기 로터 블레이드의 기부 블레이드 부분의 구조적 빔을 확장함으로써 에어포일 쉘을 위한 지지부를 제공하는 것을 특징으로 하는 신축식 로터 블레이드 구조체.
2. 제1항에 있어서,

   기부 블레이드 모듈 빔(14)을 구비하는 기부 블레이드 모듈(8)과,

   상기 기부 블레이드 모듈 빔(14)에 연결된 익스텐더 블레이드 모듈 빔(12)을 구비하는 익스텐더 블레이드 모듈(2)을 포함하고,

   상기 익스텐더 블레이드 모듈(2)은, 기부 블레이드 모듈(8)에 연결된 캐리어 블레이드(10)와, 확장과 수축을 위해 상기 익스텐더 블레이드 모듈 빔(12) 위에 올려지는 익스텐더 블레이드(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 신축식 로터 블레이드 구조체.
3. 제2항에 있어서,

   상기 익스텐더 블레이드 모듈(2)은 상기 기부 블레이드 모듈(8)에 탈착가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 신축식 로터 블레이드 구조체.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 익스텐더 블레이드(11)는 선형 베어링 카(linear bearing car)(16)들 및 각각의 안내 레일(17)들에 의하여 상기 익스텐더 블레이드 모듈 빔(12)에 연결되는 것을 특징으로 하는 신축식 로터 블레이드 구조체.
5. 제4항에 있어서,

   상기 선형 베어링 카(16)들은 상기 익스텐더 블레이드 모듈 빔(12)에 의하여 이동되는 것을 특징으로 하는 신축식 로터 블레이드 구조체.
6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 익스텐더 블레이드 모듈 빔(12)이 상기 캐리어 블레이드(10)와의 접촉으로부터 자유로운 것을 특징으로 하는 신축식 로터 블레이드 구조체.
7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 익스텐더 블레이드 모듈 빔(12)은 벽의 형태이고,

   상기 벽의 상부 또는 하부 에지는 상기 캐리어 블레이드(10)에 연결되는 것을 특징으로 하는 신축식 로터 블레이드 구조체.
8. 제2항 내지 제6항에 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 익스텐더 블레이드 모듈 빔(12)은 벽의 형태이고,

   상기 벽의 상부 또는 하부 에지는 상기 캐리어 블레이드(10)에 연결되고,

   상기 익스텐더 블레이드(11)는 상기 벽에 의해서 상류 익스텐더 쉘(11′) 및 하류 익스텐더 쉘(11″)로 분할되는 것을 특징으로 하는 신축식 로터 블레이드 구조체.
9. 제7항 또는 제 8항 중 어느 한 항에서,

   확장된 위치에서 익스텐더 블레이드(11)의 간극(20) 또는 그러한 간극들을 폐쇄하는 수단(22)을 포함하는 것을 특징으로 하는 신축식 로터 블레이드 구조체.
10. 유체 흐름에 대하여 고정되어 유지되는 구조체에 장착되고, 로터가 유체 흐름 방향과 함께 정렬되도록 상기 구조체 상에 위치되는 터빈과;

    로터 블레이드 확장부(rotor blade extension)로서, 로터 블레이드가 지나쳐간 유체 흐름의 횡단면적을 증가 및 감소시키기 위하여 상기 로터 블레이드가 지나간 부분의 반경을 확장 및 수축할 수 있는 로터 블레이드 확장부와;

    상기 로터 블레이드 확장부에 선형 움직임을 부가하는 레일상의 선형-베어링 카를 포함하는 상기 로터 블레이드용 조정 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체-유동 발전 시스템.
11. 제10항에 있어서,

    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 신축식 로터 블레이드 구조체을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체-흐름 발전 시스템.
12. 에어포일 쉘용 지지부를 제공하기 위한 신축식 로터 블레이드 방법으로서,

    익스텐더 블레이드의 신축성 모듈까지 상기 로터 블레이드의 기부 블레이드 부분의 구조적 빔을 확장하는 단계와;

    상기 구조적 빔을 따라 상기 로터 블레이드의 상기 익스텐더 블레이드 부분의 확장 및 수축시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어포일 쉘용 지지부를 제공하기 위한 신축식 로터 블레이드 방법.
13. 로터 허브 및 익스텐더 블레이드와 연결된 루트 블레이드를 구비한 로터를 포함하는 터빈을, 유체 유동에 대해서 고정되게 유지되는 구조체 위에 장착하는 단계와;

    유체-유동 방향에 따라 정렬되게 상기 터빈을 유지하는 단계와;

    상기 로터 블레이드의 확장부에 선형 운동을 부가하는 레일 위의 선형 베어링 카에 의하여 상기 루트 블레이드에 대해 확장된 위치와 적어도 부분적으로 수축된 위치와의 사이에서 상기 익스텐더 블레이드를 움직이는 단계와;

    상기 터빈의 출력을 전기 에너지로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체-유동 발전 방법.

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