KR20100128200A - 질량 가변부를 포함하는 회전 날개를 가진 회전체 - Google Patents

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KR20100128200A
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Abstract

질량 가변부를 포함하는 회전 날개를 가진 회전체가 개시된다.
개시되는 회전 날개를 가진 회전체는 허브와, 상기 허브에서 연장되는 회전 날개를 포함하여 회전될 수 있는 것으로서, 상기 회전체의 회전에 따라 상기 회전체의 회전 중심에 대한 상기 회전체의 질량 분포가 가변되도록 하는 질량 가변부;를 포함한다.
개시되는 회전 날개를 가진 회전체에 의하면, 회전체가 회전체의 회전에 따라 회전체의 회전 중심에 대한 회전체의 질량 분포가 가변되도록 하는 질량 가변부를 포함함으로써, 회전체의 회전 속도가 증가할수록 질량 가변부에 의해 회전체의 질량이 회전체의 회전 중심에서 원심력 방향으로 멀어지도록 분포하게 하여, 회전체의 회전력을 증대시킬 수 있고, 회전체의 회전 속도가 감소할수록 질량 가변부에 의해 회전체의 질량이 회전체의 회전 중심으로 원심력 방향의 역방향으로 가까워지도록 분포하게 하거나, 회전체가 저속으로 회전을 시작할 때 회전체의 질량이 회전체의 회전 중심에 가까운 위치에 분포하게 하여, 회전체의 회전을 위해 요구되는 외력의 크기 증대를 최소화시킬 수 있으므로, 회전체의 작동 효율이 향상될 수 있는 장점이 있다.

Description

질량 가변부를 포함하는 회전 날개를 가진 회전체{Rotating body having rotor blades comprising mass changing portion}
본 발명은 질량 가변부를 포함하는 회전 날개를 가진 회전체에 관한 것이다.
회전 날개를 가진 회전체는 회전 중심이 되는 허브와, 상기 허브에서 방사형으로 연장되는 복수 개의 회전 날개로 구성된 것이다. 이러한 회전 날개를 가진 회전체는 풍력 발전기에 적용되는 경우 불어오는 바람에 의해 회전되면서 발전이 가능하도록 하고, 선박, 항공기 등에 적용되는 경우 회전축의 회전력에 의해 회전되면서 추진이 가능하도록 한다.
그러나, 종래의 회전 날개를 가진 회전체에 의하면, 출력 향상을 통한 작동 효율 향상에 한계가 있었다. 회전체가 가지는 회전 날개 수를 증가시키면 출력이 증가될 수는 있으나, 그 날개 수의 증가에 따라 출력의 증가율은 점차 감소하게 되고, 날개 수의 증가는 회전체의 중량을 증가시킴은 물론 제작, 건설 비용을 증가시키는 원인이 될 수 있다. 따라서, 그러한 회전 날개 수를 증가시키지 아니하면서도, 그 작동 효율 향상을 위한 연구가 요망되고 있다.
본 발명은 그 작동 효율이 향상될 수 있는 구조를 가진 질량 가변부를 포함하는 회전 날개를 가진 회전체를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 회전 날개를 가진 회전체는 허브와, 상기 허브에서 연장되는 회전 날개를 포함하여 회전될 수 있는 것으로서,
상기 회전체의 회전에 따라 상기 회전체의 회전 중심에 대한 상기 회전체의 질량 분포가 가변되도록 하는 질량 가변부;를 포함한다.
상기 질량 가변부는 상기 회전체의 회전 속도가 증가할수록 상기 회전체의 질량이 상기 회전체의 회전 중심에서 원심력 방향으로 멀어지도록 분포하게 하고, 상기 회전체의 회전 속도가 감소할수록 상기 회전체의 질량이 상기 회전체의 회전 중심으로 원심력 방향의 역방향으로 가까워지도록 분포하게 할 수 있다.
상기 질량 가변부는 소정 질량을 가진 질량추와, 상기 질량추에 그 일단이 연결되고, 상기 회전체에 그 타단이 연결된 탄성 부재와, 상기 질량추의 이동을 안내하는 가이드 부재를 포함하고, 상기 회전체의 회전 속도가 증가할수록, 원심력에 의해 상기 질량추는 상기 회전체의 회전 중심에서 원심력 방향으로 멀어지도록 상기 가이드 부재에 의해 안내되면서 이동되고, 상기 탄성 부재는 늘어나면서 복원력을 축적하며, 상기 회전체의 회전 속도가 감소할수록, 상기 탄성 부재의 복원력에 의해 상기 질량추는 상기 회전체의 회전 중심으로 원심력 방향의 역방향으로 가까 워지도록 상기 가이드 부재에 의해 안내되면서 이동될 수 있다.
상기 질량 가변부는 소정 질량을 가진 질량추와, 상기 회전체의 회전을 감지하는 감지 센서와, 상기 질량추를 상기 회전 날개의 길이 방향을 따라 이동시킬 수 있는 이동 부재와, 상기 감지 센서에 의해 감지되는 상기 회전체의 단위 시간당 회전 횟수에서 상기 회전체의 회전 속도를 산출하고, 상기 산출된 회전 속도에 따라 상기 질량추가 상기 회전 날개 상에서 이동되도록 상기 이동 부재를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 회전체의 회전 속도가 증가할수록, 상기 질량추가 상기 회전체의 회전 중심에서 원심력 방향으로 멀어지도록 상기 이동 부재에 의해 상기 질량추가 이동되고, 상기 회전체의 회전 속도가 감소할수록, 상기 질량추가 상기 회전체의 회전 중심으로 원심력 방향의 역방향으로 가까워지도록 상기 이동 부재에 의해 상기 질량추가 이동될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 회전 날개를 가진 회전체에 의하면, 회전체가 회전체의 회전에 따라 회전체의 회전 중심에 대한 회전체의 질량 분포가 가변되도록 하는 질량 가변부를 포함함으로써, 회전체의 회전 속도가 증가할수록 질량 가변부에 의해 회전체의 질량이 회전체의 회전 중심에서 원심력 방향으로 멀어지도록 분포하게 하여, 회전체의 회전력을 증대시킬 수 있고, 회전체의 회전 속도가 감소할수록 질량 가변부에 의해 회전체의 질량이 회전체의 회전 중심으로 원심력 방향의 역방향으로 가까워지도록 분포하게 하거나, 회전체가 저속으로 회전을 시작할 때 회전체의 질량이 회전체의 회전 중심에 가까운 위치에 분포하게 하여, 회전체의 회 전을 위해 요구되는 외력의 크기 증대를 최소화시킬 수 있으므로, 회전체의 작동 효율이 향상될 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 질량 가변부를 포함하는 회전 날개를 가진 회전체에 대하여 설명한다. 이러한 회전 날개를 가진 회전체는 풍력 발전기의 회전체로서 적용될 수 있음은 물론이고, 선박, 항공기 등의 추진을 위한 회전체로도 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질량 가변부를 포함하는 회전 날개를 가진 회전체의 모습을 보이는 정면도이고, 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질량 가변부를 포함하는 회전 날개를 가진 회전체가 정지 또는 저속 회전시일 때의 내부 모습을 보이는 길이 방향의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질량 가변부를 포함하는 회전 날개를 가진 회전체가 고속 회전시일 때의 내부 모습을 보이는 길이 방향의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질량 가변부를 포함하는 회전 날개를 가진 회전체의 폭 방향의 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 함께 참조하면, 본 실시예에 따른 회전 날개를 가진 회전체(100)는 허브(110)와, 복수 개의 주 회전 날개(120)와, 질량 가변부(140)를 포함한다.
상기 허브(110)는 상기 복수 개의 주 회전 날개(120)가 방사형으로 연장되는 것이다. 이러한 허브(110)는 회전축에 연결되는데, 상기 허브(110)가 연결된 회전축이 풍력 발전기에 연결되면 상기 회전 날개를 가진 회전체(100)는 불어오는 바람 에 의해 회전되면서 발전이 가능하도록 하고, 상기 허브(110)가 연결된 회전축이 선박, 항공기 등의 엔진에 연결되면 회전력에 의해 회전되면서 추진이 가능하도록 한다.
상기 복수 개의 주 회전 날개(120)는 상기 허브(110)를 중심으로 서로 간에 동일한 각도 간격을 두고 방사형으로 연장되는 것이다.
상기 질량 가변부(140)는 질량추(130)와, 질량추 연결체(141)와, 연결체 가이드 홀(142)과, 회전축(143)과, 바퀴(144)와, 바퀴 안내홀 형성부(145)와, 탄성 부재(146)를 포함하고, 상기 주 회전 날개(120) 내에 형성되어, 상기 회전체(100)의 회전에 따라 상기 회전체(100)의 회전 중심에 대한 상기 회전체(100)의 질량 분포가 가변되도록 한다.
상기 질량추(130)는 소정 질량을 가진 것이다.
상기 질량추 연결체(141)는 상기 질량추(130)와 연결되는 것이고, 상기 질량추 연결체(141)의 하부 양측으로 상기 회전축(143)이 연장되고, 상기 각 회전축(143)에 상기 바퀴(144)가 각각 회전 가능하게 연결된다.
상기 연결체 가이드 홀(142)은 상기 주 회전 날개(120)의 내측면부에 형성되는 소정 길이의 곧은 홀로서, 상기 연결체 가이드 홀(142)에는 상기 질량추 연결체(141)가 관통된다. 상기 연결체 가이드 홀(142)의 크기는 상기 질량추 연결체(141)의 폭보다는 크게 형성되고, 상기 질량추 연결체(141)와 바퀴(144)의 결합체의 크기보다는 작게 형성되어, 상기 연결체 가이드 홀(142)을 따라 상기 질량추 연결체(141)가 매끄럽게 이동되면서도, 상기 질량추 연결체(141)의 임의 이탈을 방 지시킬 수 있다. 상기 연결체 가이드 홀(142)은 상기 질량추(130)가 상기 허브(110) 부근의 상기 주 회전 날개(120) 부분에서 상기 주 회전 날개(120)의 팁 부분까지 이동될 수 있도록 상기 주 회전 날개(120)의 길이 방향을 따라 길게 형성된다.
상기 바퀴 안내홀 형성부(145)는 상기 주 회전 날개(120)의 내측면부와 외피 사이의 공간에 형성된 것으로, 상기 바퀴(144)가 이동 가능하도록 하면서 그 임의 이탈을 방지시키는 것이다. 이러한 바퀴 안내홀 형성부(145)의 단면은 예시적으로 사각 박스 형태로 이루어질 수 있다.
상기 바퀴 안내홀 형성부(145) 내에 상기 질량추 연결체(141)와 상기 바퀴(144)의 결합체가 삽입되면, 상기 질량추 연결체(141)와 상기 바퀴(144)의 결합체는 상기 연결체 가이드 홀(142) 및 상기 바퀴 안내홀 형성부(145)에서 임의 이탈되지 아니하면서, 상기 질량추 연결체(141)가 상기 연결체 가이드 홀(142)을 따라 이동될 수 있게 된다. 상기 질량추 연결체(141) 상단에 상기 질량추(130)가 연결되면, 상기 질량추 연결체(141)의 이동에 따라 상기 질량추(130)가 상기 주 회전 날개(120)의 허브(110) 부근 부분에서 그 팁 부분까지 이동될 수 있다.
여기서, 상기 질량추 연결체(141), 상기 연결체 가이드 홀(142), 상기 회전축(143), 상기 바퀴(144) 및 상기 바퀴 안내홀 형성부(145)는 상기 질량추(130)의 이동을 안내하는 것으로, 가이드 부재로 정의될 수 있다.
상기 탄성 부재(146)는 상기 질량추(130) 또는 상기 질량추 연결체(141)에 그 일단이 연결되고, 상기 회전체(100)의 일정 부분, 예를 들어 상기 주 회전 날 개(120)의 허브(110) 부근 부분에 그 타단이 연결되어, 상기 질량추(130)에 탄성을 제공한다. 그러면, 상기 탄성 부재(146)는 상기 질량추(130)가 상기 주 회전 날개(120)의 팁 부분으로 이동될수록 늘어나면서 복원력을 축적하고, 원심력 등 외력이 제거되었을 때 상기 질량추(130)가 상기 주 회전 날개(120)의 허브(110) 부근 부분으로 원위치되도록 복원력을 제공한다.
이하에서는 상기 회전체(100)의 작동에 대하여 설명한다.
먼저, 상기 회전체(100)가 정지되었을 때, 또는 저속으로 회전될 때에는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 질량추(130)가 상기 탄성 부재(146)에 연결된 상태로 상기 허브(110) 부근 부분에 위치된다. 그러면, 상기 질량추(130)가 상기 주 회전 날개(120)의 팁 부분에 있는 경우 등에 비해, 상기 회전체(100)의 회전에 요구되는 외력을 크기 증대를 최소화시킬 수 있다.
그 후, 상기 회전체(100)의 회전 속도가 증가할수록, 상기 회전체(100)의 회전 중심인 상기 허브(110)를 중심으로 한 원심력의 크기가 증가되고, 그에 따라 상기 질량추 연결체(141)가 상기 연결체 가이드 홀(142)을 따라 이동하게 되고, 그에 따라 상기 질량추 연결체(141)에 연결된 상기 질량추(130)의 위치도 이동되어, 상기 회전체(100)의 회전 중심에서 원심력 방향으로 멀어지게 된다. 이 때, 상기 탄성 부재(146)는 상기 질량추(130)의 이동량만큼 늘어나면서 복원력을 축적하게 된다.
상기 회전체(100)의 회전 속도가 일정 속도 이상의 고속인 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 질량추(130)는 그 이동 한계점인 상기 주 회전 날개(120)의 팁 부분에 위치되고, 상기 탄성 부재(146)는 최대로 늘어나게 되고, 그 복원력도 최대가 된다. 그러면, 상기 질량추(130)가 상기 주 회전 날개(120)의 팁 부분의 질량을 증가시키게 되므로, 상기 회전체(100)의 회전력이 더욱 증대될 수 있다.
한편, 상기 회전체(100)의 회전 속도가 감소하게 되면, 상기 질량추(130)에 가해지는 원심력이 점차 약해지게 되고, 그에 따라 상기 탄성 부재(146)의 복원력에 의해 상기 질량추(130)가 상기 회전체(100)의 회전 중심으로 원심력 방향의 역방향으로 가까워지게 된다. 상기 회전체(100)가 일정 속도 이하의 저속 또는 정지하는 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 질량추(130)는 그 이동 한계점인 상기 주 회전 날개(120)의 허브(110) 부근 부분에 위치된다.
상기와 같이, 상기 회전체(100)는 상기 회전체(100)의 회전에 따라 상기 회전체(100)의 회전 중심에 대한 상기 회전체(100)의 질량 분포가 가변되도록 하는 질량 가변부(140)를 포함함으로써, 상기 회전체(100)의 회전 속도가 증가할수록 상기 질량 가변부(140)에 의해 상기 회전체(100)의 질량이 상기 회전체(100)의 회전 중심에서 원심력 방향으로 멀어지도록 분포하게 하여, 상기 회전체(100)의 회전력을 증대시킬 수 있고, 상기 회전체(100)의 회전 속도가 감소할수록 상기 질량 가변부(140)에 의해 상기 회전체(100)의 질량이 상기 회전체(100)의 회전 중심으로 원심력 방향의 역방향으로 가까워지도록 분포하게 하거나, 상기 회전체(100)가 저속으로 회전을 시작할 때 상기 회전체(100)의 질량이 상기 회전체(100)의 회전 중심에 가까운 위치에 분포하게 하여, 상기 회전체(100)의 회전을 위해 요구되는 외력의 크기 증대를 최소화시킬 수 있으므로, 상기 회전체(100)의 작동 효율이 향상될 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 따른 질량 가변부를 포함하는 회전 날개를 가진 회전체에 대하여 설명한다. 이러한 설명을 수행함에 있어서, 상기된 본 발명의 제 1 실시예에서 이미 기재된 내용과 중복되는 설명은 그에 갈음하고, 여기서는 생략하기로 한다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 질량 가변부를 포함하는 회전 날개를 가진 회전체의 구성을 보이는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 회전체는 질량 가변부(240)를 포함하고, 상기 질량 가변부(240)는 질량추(230)와, 질량추 연결체(241)와, 바퀴(242)와, 이동 바닥(244)과, 연결체 가이드 홀(246)과, 구동 모터(247)와, 제어부(248)와, 감지 센서(249)를 포함한다.
상기 바퀴(242)는 상기 질량추 연결체(241)의 하부에 회전 가능하게 연결되고, 그 외주면에 기어(243)가 형성된다. 상기 이동 바닥(244)은 상기 회전체의 주 회전 날개 상에 형성되는 것으로, 그 상단에 상기 바퀴(242)의 기어(243)에 맞물릴 수 있는 기어(245)가 형성된다. 그러면, 상기 바퀴(242)와 상기 이동 바닥(244)의 각 기어(243, 245)가 맞물린 상태로 상기 질량추 연결체(241)가 안내되면서 이동될 수 있고, 그에 따라 상기 질량추(230)도 이동될 수 있다.
상기 구동 모터(247)는 상기 제어부(248)의 명령에 따라 작동되어, 상기 바퀴(242)를 회전시켜, 상기 질량추(230)가 이동될 수 있는 구동력을 제공한다.
여기서, 상기 질량추 연결체(241), 상기 바퀴(242), 상기 이동 바닥(244), 상기 연결체 가이드 홀(246) 및 상기 구동 모터(247)는 상기 질량추(230)를 상기 회전체의 회전 날개의 길이 방향을 따라 이동시킬 수 있는 것으로, 이동 부재로 정의될 수 있다.
상기 감지 센서(249)는 상기 회전체의 회전을 감지한다. 이러한 감지 센서(249)로 홀 센서 등이 제시될 수 있다. 상기 감지 센서(249)는 상기 회전체의 허브 부근의 회전 날개 상에 설치되어, 상기 회전체가 연결되는 피연결체, 예를 들어 풍력 발전기 등에 설치된 상대물을 인식함으로써, 상기 회전체의 회전을 감지할 수 있다.
상기 제어부(248)는 상기 감지 센서(249)에서 감지되는 상기 회전체의 단위 시간당 회전 횟수에서 상기 회전체의 회전 속도를 산출하고, 상기 산출된 회전 속도에 따라 상기 질량추(230)가 상기 회전 날개 상에서 요구되는 위치로 이동되도록 상기 이동 부재, 상세히는 상기 구동 모터(247)를 제어한다.
상기 제어부(249)는 상기 회전체의 회전 속도가 증가할수록, 상기 질량추(230)가 상기 회전체의 회전 중심에서 원심력 방향으로 멀어지도록 상기 이동 부재를 제어하고, 상기 회전체의 회전 속도가 감소할수록, 상기 질량추(230)가 상기 회전체의 회전 중심으로 원심력 방향의 역방향으로 가까워지도록 상기 이동 부재를 제어한다.
상기에서 본 발명은 특정한 실시예에 관하여 도시되고 설명되었지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음 을 알 수 있을 것이다. 그렇지만 이러한 수정 및 변형 구조들은 모두 본 발명의 권리범위 내에 포함되는 것임을 분명하게 밝혀두고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 질량 가변부를 포함하는 회전 날개를 가진 회전체에 의하면, 그 작동 효율이 향상될 수 있으므로, 그 산업상 이용 가능성이 높다고 하겠다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질량 가변부를 포함하는 회전 날개를 가진 회전체의 모습을 보이는 정면도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질량 가변부를 포함하는 회전 날개를 가진 회전체가 정지 또는 저속 회전시일 때의 내부 모습을 보이는 길이 방향의 단면도.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질량 가변부를 포함하는 회전 날개를 가진 회전체가 고속 회전시일 때의 내부 모습을 보이는 길이 방향의 단면도.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질량 가변부를 포함하는 회전 날개를 가진 회전체의 폭 방향의 단면도.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 질량 가변부를 포함하는 회전 날개를 가진 회전체의 구성을 보이는 도면.

Claims (4)

  1. 허브와, 상기 허브에서 연장되는 회전 날개를 포함하여 회전될 수 있는 회전체에 있어서,
    상기 회전체의 회전에 따라 상기 회전체의 회전 중심에 대한 상기 회전체의 질량 분포가 가변되도록 하는 질량 가변부;를 포함하는 회전 날개를 가진 회전체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 질량 가변부는 상기 회전체의 회전 속도가 증가할수록 상기 회전체의 질량이 상기 회전체의 회전 중심에서 원심력 방향으로 멀어지도록 분포하게 하고, 상기 회전체의 회전 속도가 감소할수록 상기 회전체의 질량이 상기 회전체의 회전 중심으로 원심력 방향의 역방향으로 가까워지도록 분포하게 하는 것을 특징으로 하는 회전 날개를 가진 회전체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 질량 가변부는
    소정 질량을 가진 질량추와,
    상기 질량추에 그 일단이 연결되고, 상기 회전체에 그 타단이 연결된 탄성 부재와,
    상기 질량추의 이동을 안내하는 가이드 부재를 포함하고,
    상기 회전체의 회전 속도가 증가할수록, 원심력에 의해 상기 질량추는 상기 회전체의 회전 중심에서 원심력 방향으로 멀어지도록 상기 가이드 부재에 의해 안내되면서 이동되고, 상기 탄성 부재는 늘어나면서 복원력을 축적하며,
    상기 회전체의 회전 속도가 감소할수록, 상기 탄성 부재의 복원력에 의해 상기 질량추는 상기 회전체의 회전 중심으로 원심력 방향의 역방향으로 가까워지도록 상기 가이드 부재에 의해 안내되면서 이동되는 것을 특징으로 하는 회전 날개를 가진 회전체.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 질량 가변부는
    소정 질량을 가진 질량추와,
    상기 회전체의 회전을 감지하는 감지 센서와,
    상기 질량추를 상기 회전 날개의 길이 방향을 따라 이동시킬 수 있는 이동 부재와,
    상기 감지 센서에 의해 감지되는 상기 회전체의 단위 시간당 회전 횟수에서 상기 회전체의 회전 속도를 산출하고, 상기 산출된 회전 속도에 따라 상기 질량추가 상기 회전 날개 상에서 이동되도록 상기 이동 부재를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 회전체의 회전 속도가 증가할수록, 상기 질량추가 상기 회전체의 회전 중심에서 원심력 방향으로 멀어지도록 상기 이동 부재에 의해 상기 질량추가 이동 되고,
    상기 회전체의 회전 속도가 감소할수록, 상기 질량추가 상기 회전체의 회전 중심으로 원심력 방향의 역방향으로 가까워지도록 상기 이동 부재에 의해 상기 질량추가 이동되는 것을 특징으로 하는 회전 날개를 가진 회전체.
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