KR20140061302A

KR20140061302A - 축류 터빈용 로터 구조체 및 그의 설치 방법

Info

Publication number: KR20140061302A
Application number: KR1020137023590A
Authority: KR
Inventors: 패트릭 헨네스; 알렉산더 사우어
Original assignee: 보이트 파텐트 게엠베하
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2014-05-21
Also published as: DE102011013547A1; EP2683939A2; JP2014507599A; WO2012119771A3; US20130302169A1; WO2012119771A8; WO2012119771A2; CA2825235A1

Abstract

본 발명은, 축방향 및 원주 방향을 정하는 대응 회전축을 갖는 구동축과, 복수의 로터 블레이드를 갖는 로터를 구비하고, 복수의 로터 블레이드는 각각 축방향으로 영향을 미칠 수 있는 프로파일된 로터 블레이드부 및 블레이드 고정부를 포함하는 로터 구조체에 관한 것으로, 각 블레이드 고정부는 제1 접촉 영역 및 제2 접촉 영역을 포함하고, 제1 접촉 영역은 이웃해 있는 제1 로터 블레이드의 블레이드 고정부 상에 적어도 간접적으로 지지되고, 제2 접촉 영역은 이웃해 있는 제2 로터 블레이드의 블레이드 고정부 상에 적어도 간접적으로 지지된다. 본 발명에 따른 블레이드 고정부는, 로터 블레이드와 구동축 사이의 연결이, 설치 위치에 있을 때, 구동축 상의 축방향 단면과 마주하는 블레이드 고정부의 축방향 단면 상에 형성되도록, 구동축에 형상 끼워맞춤 방식 및/또는 나사 연결로 고정되고, 또한 각 로터 블레이드에 있어서 프로파일된 로터 블레이드부와 블레이드 고정부 사이의 연결부가 잘록한 부분이 없는 외부 윤곽을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

축류 터빈용 로터 구조체 및 그의 설치 방법 {ROTOR ARRANGEMENT FOR AN AXIAL TURBINE AND A METHOD FOR MOUNTING SAME}

본 발명은 축류 터빈용 로터 구조체에 관한 것으로, 특히 수평 회전축을 갖는 조력 발전소 또는 풍력 발전소에 있어서 프로펠러형 로터를 구비하는 로터 구조체 및 그의 설치 방법에 관한 것이다.

수평 방향으로 정렬되어 나셀(nacelle) 상에서 회전하는 구동축을 가지며, 프로펠러형 터빈에 의해 구동되는 조력 발전소가 알려져 있으며, 이는 수평 로터 구조의 풍력 발전소 설계에 대응한다. 조력 발전소에 있어서, 이러한 유형을 갖는 축류 터빈의 로터는, 그 주위로 자유로운 흐름을 갖는 유닛으로서 구현되거나, 흐름 가속을 위해 벤추리(Venturi) 구조를 갖는 재킷 하우징(jacket housing)에 의해 포위된다. 이하에서 설명하는 로터 구조체는, 추가로, 송풍기와 같은 축방향 유체 흐름 장치에도 전용될 수 있다.

연속적인 해류 또는 조류(tidal current)와 같이, 물이 모인 곳에서의 느린 흐름을 효율적으로 에너지로 이용하기 위해서는, 대규모의 로터가 필요하다. 해당 필요 사항들은 풍력 분야, 특히 해양 플랜트에서도 요구된다. 이로 인해, 구동축에 대하여 회전이 고정되도록 연결되어 있는 허브(hub)의 로터 블레이드 부착부 영역에는 큰 힘 및 토크가 발생된다. 그에 따라, 조력 발전소의 경우, 달의 위상에 의해 야기되는 조류의 주기적인 변화는 날씨에 의해 강한 영향을 받기 때문에, 로터 블레이드 부착부에 있어서 큰 부하를 받는 부품들은 충분한 안전 준비를 갖고 설계되어야 한다. 따라서, 각 발전소 위치에 있어서의 파도, 바람의 방향, 그리고 물이 모인 곳의 바닥에 존재하는 지형에 따라, 기상학적으로 영향을 받는 흐름이 발생하고, 이는 결과적으로 로터에 변동 부하를 발생시킨다.

또한, 조력 발전소에 있어서는, 보다 어려운 메인터넌스(maintenance) 작업을 위한 접근성 때문에, 강성적으로 연결된 로터 블레이드를 갖는 단순 플랜트 개념이 바람직하다. 대부분의 경우에 있어서, 수직축 주위로 플랜트를 회전시키기 위한 부가적인 장치는 생략하는 대신에, 양방향 유입 흐름을 가질 수 있는 로터 블레이드를 구비한 로터가 사용된다. 이로 인해, 과부하 발생시에는, 풍력 발전소에 통상적으로 이용되는 설계의 경우에서처럼, 피치 각도 조정에 의해 로터 블레이드가 베인(vane) 위치로 옮겨질 수는 없다. 또한, 흐름으로부터 플랜트 전체가 회전될 수도 없다. 따라서, 조력 발전소의 경우, 로터 블레이드 부착부의 구조적 안정성을 위해 높은 기준이 생기게 되고, 이는 결과적으로 무겁고, 대규모이며, 비싼 고정용 부품들로 이어지게 된다.

이에 관하여 알려진 조력 발전소의 축류 터빈용 로터 설계는, 개별적인 로터 블레이드를 허브 상에 별개로 장착가능한 모듈식 구성의 로터에 관한 것이다. 이 목적을 위해, 허브에는 로터 블레이드의 블레이드 고정부를 위한 리셉터클(receptacle)이 구비된다. 이러한 블레이드 고정부는 통상적으로 원통형으로 적용되며, 흐름 영역(flow field)과 상호 작용하며 높은 구조적 안정성의 프로파일된(profiled) 로터 블레이드부로 바뀌는 과도 영역(transition region)이 형성된다. 이 목적을 위해, 예컨대 국제공개공보 WO 2010/125478 A1이 참조된다. 통상적으로 원통형 블레이드 고정부는, 직접적으로 이웃해 있는 프로파일된 로터 블레이드부의 익현(chord) 길이보다 작고, 또한 이 영역에서의 프로파일 두께보다도 큰 직경을 갖는다. 따라서, 잘록한 부분이 존재하게 되고, 만일 로터 블레이드에 부하가 생기는 경우, 잘록한 부분으로부터 노치 효과(notch effect)가 발생되어, 부가적인 구조적 보강재에 의해 단단히 고정되어야 한다.

또한, 알려져 있는 블레이드 고정부는 통상적으로 허브측 단부 상에 고정용 플랜지를 가지며, 고정용 플랜지는, 로터 블레이드의 블레이드 고정부와 그에 인접해 있는 회전 유닛의 허브 부분과의 사이에 나사 연결부를 형성하는데 이용된다. 이러한 로터 블레이드 고정이, 예컨대 미국특허공보 US 6,305,905 B1에 풍력 발전소용으로 개시되어 있다. 조력 발전소의 허브 상에 있는, 대응하는 로터 블레이드의 고정용 플랜지는 영국 공개특허공보 GB 2467226 A로부터 얻어지며, 여기서는, 프로파일된 로터 블레이드부와 하나의 부품으로 형성된 플랜지 형상의 블레이드 고정부가, 허브 부분 상에서 고정되도록 고정용 링에 의해 덮여있다. 추가적인 로터 블레이드 부착부에 대해서는 미국특허공보 US 5,173,023 및 영국 공개특허공보 GB 502409가 참조된다.

국제공개공보 WO 2010/125478 미국특허공보 US 6,305,905 영국 공개특허공보 GB 2467226 미국특허공보 US 5,173,023 영국 공개특허공보 GB 502409

본 발명은, 개별적으로 설치가능한 복수의 로터 블레이드를 구비하고 있는 축류 터빈용 로터 구조체로서, 로터 블레이드 고정부의 구조적 안정성이 높고, 인접한 구동축으로 힘 및 토크가 효율적으로 전달되는 특징이 있는 로터 구조체를 구체화하는 목적에 기초하고 있다. 또한, 개별적인 로터 블레이드를 간단히 교체할 수 있도록 하는 로터 블레이드 설계가 요망된다. 또한, 특히 조력 발전소를 운전하는데 사용되며, 양방향 유입 흐름을 가질 수 있는 축류 터빈을 구현하는데 적절한 로터 구조체가 바람직하다. 로터 구조체는, 단지 개별적인 로터 블레이드에만 작용하는, 특히 비대칭적인 부하 피크를 흡수할 수 있어야 하고, 또한 설계 및 제조에 있어서 간단해야 한다. 또한, 그러한 로터 블레이드 구조체의 설치 방법이 요망된다.

본 발명은 독립 청구항의 특징에 의해 달성된다. 본 발명자들은, 개별적인 로터 블레이드를 허브에 고정하는 대신에, 일체로 된 허브 부품을 생략함으로써, 로터 블레이드 마운트(mount)의 적재 능력이 향상되는 것을 인식했다. 본 발명에 따르면, 대체가능한 로터 블레이드에 개별적인 허브 분할부(hub segment)들이 할당된다. 이들 허브 분할부는, 적어도 원주(circumferential) 방향으로, 그리고 적어도 간접적으로 서로에 대해 지지하는 블레이드 고정부를 형성한다.

바람직하게는, 양방향 유입 흐름을 가질 수 있는 로터에 있어서, 블레이드 고정부들 사이의 원주 방향으로 가해지는 힘들이 조정될 뿐만 아니라, 부가적으로 원주 방향의 견인력 및 축방향 힘 성분들이, 이웃해 있는 블레이드 고정부의 착탈 가능한 연결부에 의해 흡수된다. 바람직하게는, 착탈 가능한 연결 수단으로서 나사 연결 및/또는 형상 끼워맞춤 연결이 고려되며, 그 결과 플랜트 메인터넌스시에 개별적인 로터 블레이드가 독립적으로 조정 또는 대체될 수 있다. 유리한 실시형태로서, 블레이드 고정부는, 각각의 이웃해 있는 블레이드 고정부와의 상호 작용에 의해, 구동축 상에 설치가 행해진 후에 분할된 허브 부분을 형성한다.

본 발명에 따른 로터 블레이드 구조체의 각 로터 블레이드는, 프로파일된 블레이드부 및 블레이드 고정부를 포함하고, 블레이드 고정부는, 바람직하게는 블레이드부와 재료상으로 합쳐지며, 이웃해 있는 로터의 대응 블레이드 고정부 상에 지지되고/지지되거나 블레이드 고정부상에 착탈 가능하게 연결된다. 로터 블레이드의 프로파일된 로터부는, 흐름 영역과 이용 가능 방식으로 상호 작용하는 로터 블레이드의 일부를 나타낸다. 물이 많은 곳에서의 흐름에 의해 구동되는 경우, 프로파일된 로터 블레이드부는, 그에 따라 적합하게 된 블레이드 프로파일을 갖는 로터 블레이드의 유체역학적 작용 부분이다. 조력 발전소용 양방향 유입 흐름을 가질 수 있는 로터의 경우에는, 이러한 목적을 위해 대칭적인 프로파일이 이용되며, 예컨대 이중축(double-axis) 대칭 프로파일을 위해 타원형 구조가 제공될 수 있다. 다른 방법으로, 벌지(bulge) 프로파일을 갖는 점 대칭 프로파일, 즉 휘어져서 길게 뻗치는 에지(edge) 프로파일이 이용될 수 있다.

각 로터 블레이드는, 지정된 블레이드 고정부 및 프로파일된 로터 블레이드부가 하나의 부품으로 이루어지는 실시 형태를 갖는 것이 특히 바람직하다. 로터 블레이드는 GFRP(유리 섬유 강화 플라스틱) 또는 CFRP(탄소 섬유 강화 플라스틱) 재료나 강(steel)으로부터 제조될 수 있으며, 이웃한 로터 블레이드의 블레이드 고정부에 힘을 전달하는데 이용되는 블레이드 고정부의 접촉 영역에, 내마모성 재료,예컨대 금속으로 제조된 결합 부재를 매립하여(embedding) 강화시키는 것이 바람직하다. 추가적으로 유리한 형태로서, 블레이드 고정부는 주조 부품으로서 제조된다. 그 위에 강, CFRP, 또는 GFRP로 제조되는 프로파일된 로터 블레이드부가 재료상으로 합쳐지게 된다.

다른 실시 형태로서, 프로파일된 로터 블레이드의 제1 부분을 형성하는 블레이드 밑동부(stub)는 블레이드 고정부에 재료상으로 합쳐지고, 프로파일된 로터 블레이드부의 제2 부분은 블레이드 밑동부에 착탈가능하게 연결된다. 프로파일된 로터 블레이드부의 제1 부분에서부터 제2 부분으로의 과도부는, 과부하의 경우에 플랜트 전체를 심각한 파손으로부터 안전하게 지키는 의도된 파단점으로서 실행될 수 있다. 또한, 로터 블레이드의 굽힘-회전 연결을 구현하기 위해, 이 과도 영역에 탄성을 부여할 수도 있다.

블레이드 고정부는 로터 구조체의 구동축에 형상 끼워맞춤 방식 및/또는 나사 연결에 의해 고정되어, 각각의 개별적인 로터 블레이드는 구동축에 회전 고정 방식으로 연결된다. 이 연결은 1 이상의 중간 부재를 통해 전달될 수 있고, 그 결과 적어도 간접적으로 로터 블레이드의 회전 고정 연결이 제공된다. 본 발명에 따른 로터 블레이드 구조체에서는, 프로파일된 로터 블레이드부로부터 전해지는 힘 및 토크의 일부분만이 로터 블레이드의 구동축으로의 각 연결부에 전달되는데, 그 이유는 작용하는 힘의 나머지 부분은 이웃해 있는 블레이드 고정부의 상호 지지에 의해 흡수되기 때문이다.

바람직한 실시 형태에서, 로터 블레이드와 구동축 사이의 연결은, 설치 위치에서 구동축 상의 축방향 단면에 마주하는 블레이드 고정부의 축방향 단면 상에서 구현된다. 로터 블레이드로 유입하는 흐름에 의해, 특히 전단 부하가 축방향으로 발생하고, 그 결과 이웃한 블레이드 고정부의 접촉 영역에 원주 방향의 힘 성분이 생긴다. 이러한 이유로 인해, 본 발명의 유리한 실시 형태에서, 각 블레이드 고정부는, 상술한 구동축과의 제3 접촉 영역뿐만 아니라, 제1 접촉 영역 및 제2 접촉 영역을 포함한다. 제1 접촉 영역 및 제2 접촉 영역은 공간적으로 분할되어 있는 것이 바람직하다. 다른 방법으로, 제1 접촉 영역 및 제2 접촉 영역은 서로 인접해 있고 서로 합쳐져 있다.

제1 및 제2 접촉 영역은, 각각 직접적으로 이웃해 있는 로터 블레이드와의 상호 작용에 의해 정해진다. 제1 실시 형태에서, 제1 접촉 영역은 직접적으로 이웃해 있는 제1 로터 블레이드의 블레이드 고정부에 적어도 간접적으로 지지되고, 그에 따라 제2 접촉 영역은 직접적으로 이웃해 있는 제2 로터 블레이드의 블레이드 고정부에 적어도 간접적으로 지지된다. 따라서, 축방향으로의 흐름을 갖는 축류 터빈의 로터는 흐름이 진행해 가는 쪽으로 작동하도록 구현될 수 있다. 양방향 유입 흐름을 가질 수 있는 로터, 즉 흐름이 진행해 가는 쪽 및 흐름이 진행해 오는 쪽의 양쪽에서 작동할 수 있는 로터에서, 제1 접촉 영역 및 제2 접촉 영역은, 이웃해 있는 로터 블레이드의 인접한 블레이드 고정부 각각에 착탈가능하게 연결되기 위한 수단을 갖는 것이 바람직하다. 이들 수단은 나사 연결 및/또는 형상 끼워맞춤 연결 형태로 구현될 수 있다.

접촉 영역은, 기계적으로 부하를 덜 받는 중간 블레이드 영역 내에 배치되는 것이 특히 바람직하다. 따라서, 이들 중간 블레이드 영역은, 이웃해 있는 로터 블레이드들 사이의 분할 평면에 대한 원주 방향으로의 각도 오프셋(angular offset)이 최대 ±30°, 바람직하게는 최대 ±15°로 구획(define)된다. 분할 평면은, 개별적인 로터 블레이드가 지정되고, 또한 구동축의 회전축과, 추가로, 프로파일된 로터 블레이드부로부터 블레이드 고정부로의 과도부의 특징적인 직선에 의해 각각 걸쳐 있는 인접한 로터 평면들 사이의 중앙으로 신장된다. 가장 단순한 경우로, 반경 방향 빔(beam) 구조를 갖는 로터 블레이드, 즉 프로파일된 로터 블레이드부의 관통선이 반경 방향으로 직선을 따르는 로터 블레이드가 형성된다. 이 경우, 로터 평면은 상기 관통선 및 회전축에 의해 정해진다.

그러나, 프로파일된 로터 블레이드부는 낫 모양으로 연장하는 경우가 생길 수 있다. 그래서, 프로파일된 로터 블레이드부는, 회전축에 대해 축방향 대칭으로 구획되는 로터 평면에서 신장하지만, 그의 관통선은 직선을 따르지 않는 실시 형태를 생각할 수 있다. 또한, 프로파일된 로터 블레이드부가 로터 평면을 이탈하도록 휘어진 경우를 생각할 수 있다. 이렇게 공간을 차지하면서 적용되는 프로파일된 로터 블레이드부에 있어서, 블레이드 고정부로부터 프로파일된 로터 블레이드부로의 과도부에 있는 소정의 프로파일부에 로터 평면을 확립하기 위해, 특징점, 예컨대 프로파일 절반 두께에 있는 익현 상의 점이 선택된다. 그러면, 이 점을 통과하여 반경 방향으로 연장하는 직선과, 또한 회전축에 의해 로터 평면이 구획된다.

3개 이상의 로터 블레이드를 갖는 로터의 경우에, 중간 블레이드 영역은, 서로 인접하여 위치된 로터 평면들을 갖는 로터 평면 부분에 의해 형성되는 각도의 40 - 60% 각도 간격에 있는 것이 바람직하다. 비틀림 힘보다 전단력이 실질적으로 더 높게 작용하는 로터의 경우에, 블레이드 고정부의 나머지 영역과 관련하여, 중간 영역에는 부하가 덜 걸리게 된다. 이웃해 있는 로터 블레이드의 블레이드 고정부를 위한 연결 부재는 이 영역에 위치하는 것이 유리하다. 이들 연결 부재는, 예컨대 형상 끼워맞춤 방식으로 맞물리는 부품들, 그리고 로터의 축방향으로의 상대적인 이동에 의해 서로 고정될 수 있는 부품들을 나타낼 수 있다.

본 발명의 유리한 실시 형태에 따르면, 이웃해 있는 블레이드 고정부들 사이에, 특히 서로를 향하여 마주보고 있는 접촉 영역들 사이에 탄성 중간층이 형성된다. 이러한 목적을 위해, 통상적으로 방수 평면 베어링을 구현하는데 사용되는, 높은 수용력(carrying capacity)을 갖는 엘라스토머 재료가 고려된다. 이들 재료는 통상적으로 압력을 수용할 수 있고, 경질/연질 쌍에 대해 높은 내마모성을 갖는다. 충격 부하때문에 일어나는, 이웃한 로터 블레이드의 어느 정도의 상대적인 이동이 탄성 중간층에 의해 보상될 수 있다.

다른 실시 형태로, 이웃한 로터 블레이드의 블레이드 고정부들 사이에 부가적인 중간 부재를 이용하여 착탈 가능 연결을 조정하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 알려진 허브 부품들과 반대로, 이들 중간 부재는 일체형 구조를 형성하지 않고, 오히려 공간적으로 분할되어 배치되는 별개의 부품들로서 구현된다. 본 발명의 다른 실시 형태에 있어서, 이들 중간 부재는 로터 블레이드의 설치 위치를 각각의 위치에 적합하게 할 수 있다. 이로 인해, 표준화된 로터 블레이드가 이용될 수 있고, 중간 부재를 대응하여 선택함으로써, 로터 블레이드 구조의 변화, 특히 프로파일된 로터 블레이드부의 받음각의 변화를 이용할 수 있게 된다.

특히, 고정된 상태에서, 로터의 블레이드 고정부 전체가, 로터에 인접해 있는 구동축의 축 부분을 수용하는데 이용되는 중앙 공동 영역(central free region)을 둘러싸는 실시 형태가 바람직하다. 특히 중앙 공동 영역의 외형은, 원형을 벗어나도록, 그리고 대응하여 상보적으로 구현된 축 연결 부분과 형상 끼워 맞춤을 통해, 로터로부터 발생되는 구동 토크를 전달하도록 설계되는 것이 바람직하다.

부하를 덜 받는 중간 블레이드 영역 내로 연결 부재가 배치될 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 실시 형태에 따르면, 프로파일된 로터 블레이드부로부터 블레이드 고정부로의 과도부에서의 노치 효과가 감소될 수 있다. 이러한 효과는, 허브 부분상의 오목부 내로 수용되기 위해 이전의 블레이드 고정부가 갖는 통상적인 원통형 설계가, 개별적인 로터 블레이드에 허브 분할부를 지정하는 것으로 대체되기 때문에 달성되는 것이다. 이로부터, 분할된 허브 부분 없이 대규모의 블레이드 고정부가 생기고, 이는 로터 블레이드를 함께 합침으로써 발생되어, 크기가 증가하게 된다.

노치 효과를 감소하기 위해서는, 프로파일된 로터 블레이드부와 블레이드 고정부 사이에 과도 영역을 확립하는 로터 블레이드의 반경 방향 영역에, 잘록한 부분이 없는 것이 바람직하다. 결과적으로, 과도 영역은, 반경 방향 외측으로 제한 반경 보다 위의 로터 블레이드를 연속적으로 끝이 가늘어지게 하는 것이 특히 바람직하다. 또한, 구조적 안정성을 위해 필수적인 프로파일 영역, 즉 프로파일 러그(profile lug)가, 프로파일된 로터 블레이드부 상에서 블레이드 고정부의 횡방향 신장부보다 다소 넘어서도록 돌출해 있는 실시 형태도 생각할 수 있다. 이 부착 영역에서의 프로파일 익현은, 노치 효과의 발생을 실질적으로 증가시키지 않고, 블레이드 고정부의 횡방향 신장부를 20%까지 초과할 수 있다.

도 1은, 부분적으로 설치된 상태인 본 발명에 따른 로터 구조체의 제1 실시 형태의 사시도를 나타낸다.
도 2는 부분적으로 설치된 상태인 본 발명에 따른 로터 구조체의 제2 실시 형태의 사시도를 나타낸다.
도 3은 다른 실시 형태의 로터 설계를 축 방향으로 평행하게 투영한 도면을 나타낸다.
도 4는 도 3의 세부를 확대도로 나타낸다.
도 5는 구동축에 설치된 상태로 도 3에 따른 로터를 구비하는 본 발명에 따른 로터 구조체를 나타낸다.
도 6은 추가적으로 다른 형태의 로터 설계를 축 방향으로 평행하게 투영한 도면을 나타낸다.

이하에서는, 도면에 기초하여, 예시적인 실시 형태에 대해 더욱 자세히 설명한다.

도 1은, 구동축(1)과, 3개의 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)를 갖는 로터(20)를 구비하고 있는 본 발명에 따른 로터 구조체를 단순화하여 개략적으로 나타내는 도면이다. 구동축(1)은, 축방향(22) 및 원주 방향(23)을 정하는 회전축(21)을 포함한다. 각 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)는, 흐름 영역과 상호 작용하기 위한 프로파일된 로터 블레이드부(3.1, 3.2, 3.3)와, 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)를 포함한다. 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)는 구동축(1)에 회전 고정 방식으로 연결된다. 이러한 목적을 위해, 제1 축방향 단면(end face)(24) 상의 보어홀(borehole; 17.1,..., 17.n)이 이용되며, 이것은 구동축(1)의 축방향 단면(26)상의 나사산이 형성된 보어홀(27.1,...27.n)과 부합한다.

로터 블레이드(2.1)에 있어서 프로파일된 로터 블레이드부(3.1)는, 예시된 바람직한 설계에서는 지정된 블레이드 고정부(4.1)와 재료상으로 합쳐져 있다. 또한, 로터 블레이드(2.2, 2.3)도, 각각의 프로파일된 로터 블레이드부(3.2, 3.3)와 지정된 블레이드 고정부(4.2, 4.3)와의 사이에 재료상의 결합이 있도록 설계된다. 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)는 다른 건설 재료로 제작될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 주조 부품뿐만 아니라, GFRP 및 CFRP에 기초한 강 및 섬유 복합재가 고려된다. 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)를 구현하기 위해 다른 재료들을 결합하는 것도 생각해 볼 수 있다.

각각의 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)는, 서로 이격된 판형상 부재들로 형성되는 제1 축방향 단면(24) 및 제2 축방향 단면(25)을 포함한다. 판형상 부재들은, 설치 상태에서 구동축(21)의 축방향 절단면으로 연장하는 경계판에 의해, 제1 접촉 영역(7.1, 7.2, 7.3) 및 제2 접촉 영역(8.1, 8.2, 8.3)에서 연결되고, 그 결과 경량이지만 내비틀림성(torsion-resistant) 구조가 형성되고, 박스형 구조의 측면 개구부(32)를 통해 작업물을 설치하기 위한 용이한 접근성이 제공된다.

설치 상태에서, 제1 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)의 제1 접촉 영역(7.1, 7.2, 7.3)은, 직접적으로 이웃해 있는 각 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)의 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)상의 제2 접촉 영역(8.1, 8.2, 8.3)과 서로 마주하고 있다. 설치 상태에서 서로를 향해 면하고 있는 제1 접촉 영역(7.1, 7.2, 7.3)과 제2 접촉 영역(8.1, 8.2, 8.3)은 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)의 원주 방향(23)으로의 상호 지지를 위해 이용된다.

도 1에 도시된 유입 흐름 방향(28)에 있어서, 로터(20)는 흐름이 진행해가는 쪽에 위치한다. 따라서, 프로파일된 로터 블레이드부(3.1, 3.2, 3.3)상에 생기는 전단력은, 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)에서, 결과적으로 원주 방향(23)으로 선화(線畵)로 그려진 힘 성분(29.1, 29.2)이 되고, 이는 블레이드 고정부(4.1, 4.2)의 상호 접촉에 의해 흡수된다.

도 2는 양방향 유입 흐름을 가질 수 있는 로터 구조체를 위한 본 발명의 다른 실시형태를 나타내며, 여기서는 선화로 힘 성분(29.3, 29.4)으로 그려진, 번갈아 변하는 압축력 및 견인력을 흡수하기 위해, 제1 접촉 영역(7.1, 7.2, 7.3) 및 제2 접촉 영역(8.1, 8.2, 8.3)에 고정 수단이 형성된다. 이러한 목적을 위한 예로서, 이미 설치된 부품들에 대하여 각 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)의 축방향 이동에 의해 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)가 함께 결합될 수 있는 도브테일형(dovetail-shaped) 고정 부재(10.1,..., 10.5)가 도시되어 있다. 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)의 추가적인, 착탈가능한 연결부로서 나사산이 형성된 볼트가 이용된다 - 도 2에는 이러한 목적을 위한 예로서 고정 부재(6)가 도시되어 있다.

도 3에 추가 실시형태가 도시된다. 도 3은, 도 5에 선화로 그려진 구동축(1)상에 고정하기 위한 보어홀(17.1-17.n)을 갖는 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)에 있어서 제1 축방향 단면(24)의 수평 방향으로의 투영도를 나타낸다. 도 4는, 프로파일된 로터 블레이드부(3.1, 3.2, 3.3)의 종축(9.1, 9.2, 9.3)에 의해 확립된 평면에서의 절단면으로서, 블레이드 고정부(4.2)의 제2 접촉 영역(8.2)과 블레이드 고정부(4.3)의 제1 접촉 영역(7.3)을 확대하여 나타낸 도면이다. 접촉 영역(8.2, 7.3)은, 나사산이 형성된 볼트(11.1, 11.2)에 의해 착탈 가능하게 연결되며, 탄성 중간 부재(13)를 둘러싸고 탄성 중간 부재(13)에 압축 응력을 부여한다. 이 목적을 위해 탄성 평면 베어링 재료가 적합하며, 예컨대 엘라스토머 재료 Orkot®이 적합하다. 탄성 중간 부재(13)에 의해, 비대칭 부하의 경우에 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)의 어느 정도의 이동성이 허용된다.

또한, 도 4로부터 명백한 것처럼, 도시된 바람직한 실시 형태에서는, 박스형 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)에 측면 개구부(31)가 형성되어, 로터 블레이드 부착물의 무게가 감소되고, 또한 축 부착에 이용되는 설치용 보어홀(17.1 - 17.n)로의 접근성이 허용된다.

또한, 도 4는, 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)의 상호 지지점들이, 프로파일된 로터 블레이드부(3.1, 3.2, 3.3)로의 과도부에서의 힘 도입 영역들 사이의 중간 블레이드 영역(18.1, 18.2, 18.3)에 적용되는 것을 나타낸다. 명확화를 위해, 블레이드 고정부(4.1)의 제2 접촉 영역(8.2)과 블레이드 고정부(4.2)의 제1 접촉 영역(7.2) 사이에 분할 평면(32)이 선화로 그려져 있으며, 분할 평면은, 지면에 수직한 면(축방향)과 함께 로터 블레이드(2.1, 2.2)의 로터 평면을 확립하는 프로파일된 로터 블레이드부(3.1, 3.2)의 종축(9.1, 9.2)들 사이의 절반 각도에 위치한다. 로터(20)가 작동하는 동안 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)의 나머지 부분들과 관련하여 더욱 약한 부하를 받는 영역은, ±15°의 최대 각도 오프셋으로 정해지는 중간 블레이드 영역(18.1, 18.2, 18.3) 내에 위치한다.

프로파일된 로터 블레이드부(3.1, 3.2, 3.3)와 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3) 사이의 과도 영역(19.1, 19.2, 19.3)을 유리하게 설계함으로써 추가적인 구조적 보강이 이루어진다. 도 3에 따른 유리한 실시 형태는, 잘록한 부분이 없는 외부 윤곽을 나타내고 있어, 로터 블레이드 부착부에서의 노치 효과가 감소된다. 특히, 특정 반경에서부터, 블레이드 고정부에서 프로파일된 로터 블레이드부(3.1, 3.2, 3.3)까지 반경 방향 외측을 향하여 연속적으로 점점 가늘어지게 형성되는 것이 바람직하다.

유리한 실시 형태로서, 서로 착탈 가능하게 연결되는 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)의 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)는, 설치 상태에서, 중앙 공동 영역(14)을 갖는 분할된(segmented) 허브 부분(5)을 형성한다. 도 3에 도시된 실시 형태에서, 중앙 공동 영역(14)은 로터 평면에서의 절단과 관련하여 삼각형으로 형성된다. 이와 같이 원형으로부터 벗어난 분할된 허브 부분(5)의 중앙 공동 영역(14)으로 인해, 로터(20)의 모든 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)가 연속적으로 설치된 후에, 형상 끼워맞춤이 이루어지는 구동축(1)의 상보적 축 연결부(16) 상으로 로터 블레이드가 가압될 수 있다. 이것은 로터(20)의 제2 축방향 단면(25)의 수평 방향 투영도로 도 5에 도시되어 있다. 감춰져 있는, 보어홀(17.1,..., 17.n)(도 5에서는 보이지 않음)을 갖는 제1 축방향 단면(24)은, 고정을 위해 구동축(1)의 축방향 단면(26)을 향해 가압된다. 이러한 방식으로 설치되는 로터(20)는, 각각의 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)가 추가적인 로터 부품들에 대한 또는 구동축(1)에 대한 상대적 위치에 대하여 개별적으로 대체되거나 재조정되는 메인터넌스 목적을 위해 부분적으로 설치될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 타원형 구멍을 이용하여 어느 정도의 설치 자유도를 허용하는 보어홀(17.1,...17.n)을 생각할 수 있다. 다른 실시 형태(자세히 도시되지 않음)로서, 구동축(1)에 착탈 가능하게 연결되는 잠금 부재(securing element)가 축 연결부(16)에 인접하고, 설치 위치에서 잠금 부재가 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)의 제2 축방향 단면(25)과 겹쳐져서 제2 축방향 단면(25)을 축방향으로 고정한다.

도 6에 도시된 실시 형태에서는, 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)의 착탈 가능한 연결을 구현하기 위해 중간 부재(13.1, 13.2, 13.3)가 이용된다. 이들은, 공간적으로 분할되도록 배치되고 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)를 결합하는데 이용되는 별개의 부품들을 나타낸다. 다른 실시 형태(도면에 도시되지 않음)로서, 중간 부재(13.1, 13.2, 13.3)는 구동축(1)의 축 연결부(16)와 형상 끼워맞춤될 수 있다.

또한, 특정 플랜트에 적합하게 되는 중간 부재(13.1, 13.2, 13.3)가 사용되는 실시 형태로서, 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)의 기울기 설정을 실행하는 실시 형태를 생각할 수 있다. 이러한 경우에, 인접한 구동축(1)을 향하는 로터(20)의 단면 상에 발생하는 불규칙함은, 안정된 접촉을 위해, 적절하게 조정된 쐐기 부재로 지지되어야 한다. 추가적인 실시 형태들은 다음의 특허청구범위로부터 유래될 것이다.

1 구동축
2.1, 2.2, 2.3 로터 블레이드
3.1, 3.2, 3.3 프로파일된 로터 블레이드부
4.1, 4.2, 4.3 블레이드 고정부
5 분할된 허브 부분
6 고정 부재
7.1, 7.2, 7.3 제1 접촉 영역
8.1, 8.2, 8.3 제2 접촉 영역
9.1, 9.2, 9.3 종축
10.1,..., 10.6 형상 끼워맞춤(formfitting) 고정 부재
11.1, 11.2 나사산이 형성된 볼트
12.1, 12.2, 12.3 탄성 중간층
13.1, 13.2, 13.3 중간 블레이드 영역
14 중앙 공동 영역
16 축 연결부
17.1,..., 17.n 보어홀
18.1, 18.2, 18.3 로터 블레이드 중간 영역
19.1, 19.2, 19.3 과도 영역(transition region)
20 로터
21 회전축
22 축방향
23 원주 방향
24 제1 축방향 단면(end face)
25 제2 축방향 단면
26 축방향 단면
27.1,..., 27.n 나사산이 형성된 보어홀
28 유입 흐름 방향
29.1, 29.2 힘 성분
29.3, 29.4 힘 성분
30.1, 30.2, 30.3 전단력
31 측면 개구부
32 분할 평면
33 각도 오프셋(angular offset)

Claims

축방향(22) 및 원주 방향(23)을 정하는 지정된 회전축(21)을 갖는 구동축(1)과,
복수의 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)를 가지며, 각 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)가, 상기 축방향(22)으로의 유입 흐름을 가질 수 있는 프로파일된(profiled) 로터 블레이드부(3.1, 3.2, 3.3) 및 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)를 구비하는 로터(20)를 포함하고,
각 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)는 제1 접촉 영역(7.1, 7.2, 7.3) 및 제2 접촉 영역(8.1, 8.2, 8.3)을 포함하고, 상기 제1 접촉 영역(7.1, 7.2, 7.3)은 이웃해 있는 제1 로터 블레이드의 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)에 적어도 간접적으로 지지되고, 상기 제2 접촉 영역(8.1, 8.2, 8.3)은 이웃해 있는 제2 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)의 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)에 적어도 간접적으로 지지되는 로터 구조체에 있어서,
상기 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)는 상기 구동축(1) 상에 형상 끼워맞춤 방식 및/또는 나사 연결부(17.1,...,17.n)에 의해 고정되어, 설치 위치에서 구동축상의 축방향 단면에 마주하는 블레이드 고정부의 축방향 단면상에서 로터 블레이드와 구동축 사이의 연결부가 존재하고, 각 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)에 있어서, 프로파일된 로터 블레이드부(3.1, 3.2, 3.3)로부터 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)로의 과도부는 잘록한 부분이 없는 외부 윤곽을 갖는 것을 특징으로 하는 로터 구조체.
제1항에 있어서,
상기 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3) 또는 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3) 및 중간 부재(13.1, 13.2, 13.3)의 전체는 로터(20)의 분할된 허브 부분(5)을 형성하는 것을 특징으로 하는 로터 구조체.
제1항에 있어서,
상기 제1 접촉 영역(7.1, 7.2, 7.3) 및 제2 접촉 영역(8.1, 8.2, 8.3)은 각각 이웃한 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)의 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)에 착탈가능하게 연결되고, 상기 착탈가능한 연결은 나사 연결 및/또는 형상 끼워맞춤 연결로서 행해지는 것을 특징으로 하는 로터 구조체.
제1항에 있어서,
상기 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)의 제1 접촉 영역(7.1, 7.2, 7.3) 및 제2 접촉 영역(8.1, 8.2, 8.3)은 각각 중간 블레이드 영역(18.1, 18.2, 18.3)에 배치되고, 이웃한 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)들 사이의 분할 평면(32)에 대하여 상기 중간 블레이드 영역의 상기 원주 방향으로의 각도 오프셋은 최대로 ±30°인 것을 특징으로 하는 로터 구조체.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
이웃한 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)의 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3) 사이에 탄성 중간층(12.1, 12.2, 12.3)을 갖는 중간 부재(13.1, 13.2, 13.3)가 형성되는 것을 특징으로 하는 로터 구조체.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 로터(20)는 공간적으로 분할되어 배치되는 복수의 독립된 중간 부재(13.1, 13.2, 13.3)를 구비하여, 이웃한 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)와 착탈 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 로터 구조체.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
각 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)의 지정된, 프로파일된 로터 블레이드부(3.1, 3.2, 3.3) 및 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)는 재료상으로 합쳐져 있는 것을 특징으로 하는 로터 구조체.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프로파일된 로터 블레이드부(3.1, 3.2, 3.3)의 제1 부분을 형성하는 블레이드 기부(stump)는, 각 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)에 재료상으로 합쳐지고, 상기 프로파일된 로터 블레이드부(3.1, 3.2, 3.3)의 제2 부분은 상기 블레이드 기부에 착탈 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 로터 구조체.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)는 상기 로터(20)의 중앙 공동 영역(14)을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 로터 구조체.
제9항에 있어서,
로터 평면에서 상기 중앙 공동 영역(14)의 윤곽은 원형 윤곽으로부터 벗어나 있는 것을 특징으로 하는 로터 구조체.
축방향(22) 및 원주 방향(23)을 정하는 지정된 회전축(21)을 갖는 구동축(1)과,
복수의 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)를 가지며, 각 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)가, 상기 축방향(22)으로의 유입 흐름을 가질 수 있는 프로파일된 로터 블레이드부(3.1, 3.2, 3.3) 및 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)를 구비하고, 상기 프로파일된 로터 블레이드부(3.1, 3.2, 3.3)로부터 상기 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)로의 과도부는 잘록한 부분이 없는 외부 윤곽을 갖는 로터(20)를 포함하고 있는 로터 구조체의 설치 방법으로서,
각 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)는 제1 접촉 영역(7.1, 7.2, 7.3) 및 제2 접촉 영역(8.1, 8.2, 8.3)을 포함하고, 상기 제1 접촉 영역(7.1, 7.2, 7.3)은 이웃해 있는 제1 로터 블레이드의 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)에 대하여 적어도 간접적으로 지지되도록 안내되고, 상기 제2 접촉 영역(8.1, 8.2, 8.3)은 이웃해 있는 제2 로터 블레이드(2.1, 2.2, 2.3)의 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)에 대하여 적어도 간접적으로 지지되도록 안내되며,
상기 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3)는 상기 구동축(1)에 형상 끼워맞춤 방식 및/또는 나사 연결부(17.1,..., 17.n)에 의해 고정되어, 설치 위치에서 상기 구동축 상의 축방향 단면에 마주하는 블레이드 고정부의 축방향 단면 상에서 구동축과 로터 블레이드 사이에 연결부가 존재하는 로터 구조체의 설치 방법.
제11항에 있어서,
상기 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3) 또는 블레이드 고정부(4.1, 4.2, 4.3) 및 중간 부재(13.1, 13.2, 13.3)의 전체는 로터(20)의 분할된 허브 부분(5)을 형성하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 로터 구조체의 설치 방법.