KR101187302B1 - 윙박스로 경량화된 풍력 발전 장치용 블레이드, 윙박스 제조공구 및 제조방법 - Google Patents

윙박스로 경량화된 풍력 발전 장치용 블레이드, 윙박스 제조공구 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

내부에 윙박스가 구비되어 경량화된 풍력 발전 장치용 블레이드가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치용 블레이드는, 내부에 캐비티(cavity)가 형성된 윙박스와; 윙박스의 측면에 결합되는 힘 전달체와; 윙박스 및 힘 전달체를 덮도록 배치되는 외판 조립체를 포함하며, 내부에 캐비티가 형성된 복합소재를 포함하는 윙박스를 블레이드 내부에 결합시킴으로써 블레이드의 강도를 증가시키면서도 블레이드 전체의 질량이 감소되는 효과가 있다.

Description

윙박스로 경량화된 풍력 발전 장치용 블레이드, 윙박스 제조공구 및 제조방법{Lightweight blade with wingbox for wind power generating device, wingbox manufacturing tool and method}
본 발명은 풍력 발전 장치용 블레이드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부에 윙박스(wingbox)가 구비되어 경량화된 풍력 발전 장치용 블레이드에 관한 것이다.
풍력 발전이란 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기역학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 로터(rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고, 이 기계적 에너지로 전기를 얻는 기술이다.
이러한 풍력 발전은 어느 곳에나 산재되어 있는 무공해, 무한정의 청정에너지인 바람을 동력원으로 이용한다. 따라서, 기존의 화석연료나 우라늄 등을 이용한 발전방식과 달리 발열에 의한 열공해나 대기오염, 방사능 누출 등의 문제가 없어 환경에 미치는 영향이 거의 없어 친환경적이며, 국토를 효율적으로 이용할 수 있다. 또한, 대규모 발전 단지의 경우에는 발전 단가도 기존의 발전 방식과 경쟁 가능한 수준의 신 에너지 발전 기술이다.
풍력 발전 장치는 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평형 및 수직형으로 분류되고, 주요 구성요소로는 바람에 의해 회전 작동되는 풍차날개와, 풍차날개의 회전작동에 의해 발생되는 동력에 의해 발전작동을 행하는 발전기와, 풍차날개에서 발생되는 동력을 발전기로 전달하는 동력전달수단을 포함한다.
풍차날개는, 회전축과, 회전축을 중심으로 방사상으로 배치되며 축방향에 대해 일정각도만큼 일정하게 기울어지게 배치된 복수의 블레이드를 포함한다. 블레이드가 축방향에 대해 일정각도만큼 일정하게 기울어지게 배치되어 있어 축방향으로 불어오는 바람의 힘에 의해 회전 작동되며, 이러한 회전 작동이 동력전달수단에 의해 발전기로 전달되어 발전기가 가동되고 발전이 이루어진다.
도 1은 종래 풍력 발전 장치용 블레이드의 분해 사시도이다. 도 1을 참조하면, 블레이드(1)는 상부 외판(2a), 하부 외판(2b), 스파(3), 플랜지(4)를 포함한다.
하부 외판(2b)에 스파(3)의 하측을 결합하고, 다시 스파(3)의 상측에 상부 외판(2a)을 결합시키며, 스파(3)의 일단에 플랜지(4)를 연결하여 조립함으로써 블레이드(1)가 완성된다. 플랜지(4)는 블레이드(1)를 회전축에 부착하기 위한 부분으로, 복수의 나사구멍이 형성되어 있을 수 있다.
스파(3)는 블레이드(1)의 길이 방향으로 설치되는 구조물로서, 블레이드(1)가 바람에 의해 회전하면서 발생하는 추력 분포로 인해 굽힘이 발생할 때 상부 외판(2a)과 하부 외판(2b)의 좌굴(挫屈)을 방지하는 역할을 한다. 또한, 프로파일 항력(Lift force on profile)이 스파(3)를 중심으로 약 2/3 정도가 집중됨으로써 토션 모멘트(torsion moment)를 견딜 수 있는 역할도 한다.
이를 위해 종래 풍력 발전용 블레이드(1)는 상부 외판(2a)과 하부 외판(2b)의 복합소재 층의 두께를 증가시켜 블레이드 굽힘에 의한 좌굴을 방지할 수 있었으나, 이 경우 토션 모멘트의 저항력을 원하는 방향으로 증대시킬 수 없는 문제점이 있었다.
또한, 종래 풍력 발전용 블레이드(1)는 음각 공구를 이용하여 제조되는 관계로, 복합소재 내의 레진(resin)과 섬유(fiber)의 비율이 약 40:60 정도가 된다. 복합소재 내의 레진과 섬유의 이상적인 비율은 60:40 정도로서, 음각 공구를 이용하여 제조된 블레이드는 그 비율이 최적화되지 못하여 강성이 떨어지는 문제점이 있었다. 이를 보상하기 위해 전술한 것과 같이 상부 외판(2a)과 하부 외판(2b)의 두께를 증가시키는 경우 블레이드의 무게가 증가되며, 이로 인해 회전축의 회전 관성이 증가하고 블레이드 상의 중력 부하가 증가하는 문제점이 있었다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 발명은 내부에 캐비티(cavity)가 형성된 복합소재를 포함하는 윙박스를 블레이드 내부에 결합시킴으로써 블레이드의 강도(强度)를 증가시키면서도 블레이드 전체의 질량이 감소된 풍력 발전 장치용 블레이드를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 빼기 구배(勾配)를 가지고 있어 내부에 캐비티가 형성된 윙박스를 제조한 후 원활하게 분리하는 것이 가능하여 블레이드의 제조를 용이하게 하고 그 제조시간 및 제조비용을 절감시키는 윙박스 제조용 공구 및 이를 이용한 윙박스 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력 발전 장치용 블레이드로서, 내부에 캐비티(cavity)가 형성된 윙박스와; 윙박스의 측면에 결합되는 힘 전달체와; 윙박스 및 힘 전달체를 덮도록 배치되는 외판 조립체를 포함하는 풍력 발전 장치용 블레이드가 제공된다.
윙박스는, 캐비티를 형성하는 내부 스킨과, 내부에 내부 스킨을 수용하고 외측면 일부가 외판 조립체의 내측면과 만나는 외부 스킨과, 내부 스킨과 외부 스킨 사이의 공간을 채워 외부 스킨을 지지하는 보강용 샌드위치 코어를 포함할 수 있다.
캐비티는 풍력 발전 장치용 블레이드의 밑면부로부터 말단까지 길이방향으로 그 단면적이 감소하는 테이퍼(taper) 형상을 가질 수 있다.
내부 스킨은 빼기 구배가 형성된 윙박스 제조공구의 표면에 복합소재 시트를 돌려 감고 경화시켜 제조될 수 있다.
외부 스킨은 복합소재 시트를 돌려 감고 경화시켜 제조될 수 있다.
여기서, 내부 스킨의 중첩 영역 및 외부 스킨의 중첩 영역 중 하나 이상은 풍력 발전 장치용 블레이드의 노즈(nose)에 인접할 수 있다.
또는 내부 스킨의 중첩 영역 및 외부 스킨의 중첩 영역 중 하나 이상은 풍력 발전 장치용 블레이드의 테일(tail)에 인접할 수 있다.
힘 전달체는 상부 외판 및 하부 외판에 가해지는 프로파일 항력 및 프로파일 저항력을 윙박스로 전달할 수 있다.
힘 전달체는, 평행하게 이격된 복수의 리브와, 인접한 리브들 사이에 배치되는 지지용 샌드위치 코어를 포함할 수 있다. 여기서, 리브 및 지지용 샌드위치 코어 중 하나 이상은 외판 조립체의 곡률 변화에 따라 결합 위치에 필요한 형상으로 개별 성형될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 풍력 발전 장치용 블레이드에 내장되는 윙박스를 제조하기 위한 윙박스 제조공구로서, 일단에 밑판이 결합되고 타단을 향해 길이 방향으로 빼기 구배를 가지도록 복수의 몸체편이 일렬로 배열되어 용접 결합된 용접부와; 풍력 발전 장치용 블레이드의 밑면부에 인접한 외판 조립체의 곡률에 대응되는 외측 형상을 가지며, 용접부에 끼움 결합되도록 내부에 빼기 구배를 가지는 관통공이 형성된 몰딩부를 포함하는 윙박스 제조공구가 제공된다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 풍력 발전 장치용 블레이드에 구비되는 윙박스를 제조하는 방법으로서, (a) 빼기 구배를 가지는 윙박스 제조공구의 몸체 표면에 제1 크기의 복합소재 시트를 돌려 감아 내부 스킨을 형성하는 단계; (b) 내부 스킨의 상하면에 내부 스킨과 풍력 발전 장치용 블레이드의 외판 조립체 사이의 공간을 채우는 보강용 샌드위치 코어를 부착하는 단계; (c) 내부 스킨과 보강용 샌드위치 코어를 감싸도록 제2 크기의 복합소재 시트를 돌려 감아 외부 스킨을 형성하는 단계; 및 (d) 윙박스 제조공구를 분리시키는 단계를 포함하는 윙박스 제조방법이 제공된다.
제1 크기는 윙박스 제조공구의 몸체 표면의 표면적 이상일 수 있다.
제2 크기는 내부 스킨과, 내부 스킨에 부착된 보강용 샌드위치 코어로 이루어진 구조물의 외부 표면적 이상일 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 내부에 캐비티가 형성된 복합소재를 포함하는 윙박스를 블레이드 내부에 결합시킴으로써 블레이드의 강도를 증가시키면서도 블레이드 전체의 질량이 감소되는 효과가 있다.
또한, 빼기 구배를 가지고 있어 내부에 캐비티가 형성된 윙박스를 제조한 후 원활하게 분리하는 것이 가능하여 블레이드의 제조를 용이하게 하고 그 제조시간 및 제조비용을 절감시킬 수 있다.
도 1은 종래 풍력 발전 장치용 블레이드의 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치용 블레이드의 분해 사시도.
도 3은 힘 전달체의 분해 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치용 블레이드의 단면도로서, 힘 전달체를 생략한 도면.
도 5는 완성된 풍력 발전 장치용 블레이드의 사시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 윙박스 제조공구의 구성요소를 나타낸 도면 및 결합 사시도.
도 7은 윙박스를 제조한 이후 윙박스 제조공구를 분리하는 과정을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 윙박스 제조방법의 순서도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치용 블레이드의 분해 사시도이고, 도 3은 힘 전달체의 분해 사시도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치용 블레이드의 단면도로서, 힘 전달체를 생략한 도면이고, 도 5는 완성된 풍력 발전 장치용 블레이드의 사시도이다. 도 2 내지 도 5를 참조하면, 풍력 발전 장치용 블레이드(10), 윙박스(11), 외판 조립체(12), 힘 전달체(13a, 13b), 상부 외판(12a), 하부 외판(12b), 리브(21), 지지용 샌드위치 코어(22), 플랜지(14), 내부 스킨(31), 보강용 샌드위치 코어(32a, 32b), 외부 스킨(33), 캐비티(15), 노즈(16), 테일(17), 공간(41, 42), 밑면부(18), 말단(19)이 도시되어 있다.
본 명세서에 첨부된 도면들에서는 외판 조립체(12)가 상부 외판(12a)과 하부 외판(12b)으로 구성되어 내부에 윙박스(11)와 힘 전달체(13a, 13b)를 덮도록 배치되어 조립되는 것으로 도시되어 있지만, 그 성형방법에 따라 양측 외판으로 구성되어 조립될 수도 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치용 블레이드(10)는 내부에 캐비티(15)가 형성된 윙박스(11)를 내부 지지 구조물로서 이용함으로써 경량화가 가능하며, 복합소재 시트를 이용하여 간단하게 윙박스(11)를 제조할 수 있어 제조비용을 감소시키면서도 원하는 성질을 가지도록, 특히 강성을 증대시켜 외판 조립체(12)의 두께를 감소시킬 수 있고 경량화가 가능한 특징을 가지고 있다.
풍력 발전 장치용 블레이드(10)는 내부에 캐비티(15)가 형성된 윙박스(11)가 길이방향으로 주축을 구성하고, 윙박스(11)의 측면에 힘 전달체(13a, 13b)가 결합되며, 외판 조립체(12)가 윙박스(11)와 힘 전달체(13a, 13b)를 덮도록 배치된다.
윙박스(11)는 풍력 발전 장치용 블레이드(10)가 풍력 발전 장치의 회전축과 연결되록 하는 플랜지(14)에 인접한 밑면부(18)에서 말단(19)까지 길이방향으로 연장되는 지지 구조물로서, 내부에 캐비티(15)가 형성되어 있고 복합소재로 구성되어 있어 강도 및 강성을 증대시키면서도 경량화가 가능하도록 한다.
이러한 윙박스(11)는 복합소재로 구성된 내부 스킨(31)과 외부 스킨(33)의 2중 구조를 가진다. 외부 스킨(33)은 내부에 내부 스킨(31)을 수용하고 있으며, 외측면 일부는 외판 조립체(12)의 내측면과 만나 외판 조립체(12)를 지지하고 있다.
필요에 따라 내부 스킨(31)과 외부 스킨(33) 사이의 공간에 보강용 샌드위치 코어(32a, 32b)를 채움으로써 외부 스킨(33)에 의해 지지되는 외판 조립체(12)의 두께가 얇더라도 외력에 의해 형상이 변형되지 않도록 하고, 외판 조립체(12)가 필요로 하는 곡률에 따른 표면 형상을 가질 수 있도록 한다. 이 경우 내부 스킨(31)의 상하면과 외부 스킨(33) 사이의 공간에 보강용 샌드위치 코어(32a, 32b)를 부착시키고, 외부 스킨(33)은 내부 스킨(31)과 보강용 샌드위치 코어(32a, 32b)를 모두 감싸는 형상이 된다.
내부 스킨(31) 및 외부 스킨(33) 중 하나 이상은 레진과 섬유가 필요로 하는 강성을 가지도록 정해진 비율(예를 들면, 레진:섬유의 비율이 60:40)로 최적화된 복합소재 시트를 이용하여 제조될 수 있다. 여기서, 복합소재 시트는 섬유의 종류에 따라 탄소섬유 시트, 유리섬유 시트, 아라미드섬유 시트 등일 수 있다.
후술할 윙박스 제조공구의 표면에 복합소재 시트를 돌려 감고 경화시킴으로써 윙박스 제조공구의 몸체 형상에 상응하는 캐비티(15)를 가지는 내부 스킨(31)이 제조될 수 있다.
여기서, 캐비티(15)는 밑면부(18)로부터 말단(19)까지의 길이방향으로 그 단면적이 감소하는 테이펴(taper) 형상을 가질 수 있다. 이는 후술할 윙박스 제조공구의 몸체가 그 단면적이 길이방향으로 감소하는 테이퍼 형상으로, 윙박스 제조 이후에 윙박스 제조공구를 원활하게 분리하기 위한 빼기 구배를 가지고 있기 때문이다.
또한, 내부 스킨용 복합소재 시트는 윙박스 제조공구의 몸체 표면을 돌려 감은 경우에 일정 영역 이상이 겹쳐지는 중첩 영역이 존재(A 참조)하는 정도 크기의 복합소재 시트일 수 있다. 윙박스(11)의 단면이 개곡선(open curve)일 경우 그 강도가 현격하게 떨어지게 되는 바, 이를 방지하기 위해 본 발명에서는 윙박스(11)의 단면이 폐곡선(looped curve)이 되도록 하며, 이를 위해 복합소재 시트가 전술한 중첩 영역을 가지도록 한다.
이러한 중첩 영역의 크기는 대략 10~50mm 정도이며, 윙박스(11)의 측면에 위치하여 최종적으로 풍력 발전 장치용 블레이드(10)로 조립된 경우에 노즈(nose)(16) 혹은 테일(tail)(17)에 근접하도록 할 수 있다. 이는 중첩 영역이 노즈(16) 혹은 테일(17)에 근접하지 않고 상측 혹은 하측에 위치하여 외판 조립체(12)의 상부 외판(12a) 혹은 하부 외판(12b)과 근접하게 되는 경우 윙박스(11)와 외판조립체(12) 사이를 접합하는 부분의 면이 불균일하게 되어 그 접합 강도가 떨어지는 문제점이 있기 때문이다.
또한, 중첩 영역이 테일(17)에 근접한 경우보다 노즈(16)에 근접하게 위치하면 무게 중심이 노즈(16)에 근접하게 되고 공기탄성역학적인(Aeroelastic) 측면에서 유리한 장점이 있다.
보강용 샌드위치 코어(32a, 32b)는 구조적 발포체(structural foam)일 수 있다. 보강용 샌드위치 코어(32a, 32b)는 다공질 복합소재로 이루어진 코어층과, 코어층의 양측에 적층된 커버층으로 이루어진다. 이러한 보강용 샌드위치 코어(32a, 32b)의 재질은 폴리메타크릴이미드(polymethacrylimide), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC), 폴리우레탄(polyurethane) 등일 수 있다.
외부 스킨(33) 역시 내부 스킨(31)과 마찬가지로 복합소재 시트가 이용될 수 있다. 이 경우 외부 스킨용 복합소재 시트는 내부 스킨(31) 및 그 상하면에 부착된 보강용 샌드위치 코어(32a, 32b)를 모두 감싸는 것이 가능하며, 돌려 감은 경우 일정 영역 이상이 겹쳐지는 중첩 영역이 존재하도록 하는 정도의 크기를 가질 수 있다.
외부 스킨(33)의 중첩 영역(A 참조)의 크기는 대략 10~50mm 정도이며, 윙박스(11)의 측면에 위치하여 최종적으로 풍력 발전 장치용 블레이드(10)로 조립된 경우에 노즈(16) 혹은 테일(17)에 근접하도록 할 수 있다.
윙박스(11)의 일단에는 플랜지(14)가 결합되어 있다. 복합소재 시트를 돌려 감아 내부 스킨(31) 또는/및 외부 스킨(32)을 제조할 때, 밑면부(18)에 배치된 플랜지(14)의 연결부재도 함께 돌려 감은 후 경화시킴으로써 플랜지(14)를 윙박스(11)의 일단에 결합시킬 수 있다.
플랜지(14)는 강(steel) 재질로 구성되며, 최종 완성된 풍력 발전 장치용 블레이드(10)가 회전축에 결합될 수 있도록 한다. 이를 위해 플랜지(14)에는 복수의 나사구멍이 형성되어 있을 수 있다.
힘 전달체(13a, 13b)는 윙박스(11)의 측면에 결합되며, 외판 조립체(12)에 대한 주요 지지부를 제공하여, 외판 조립체(12)에 가해지는 프로파일 항력과 프로파일 저항력을 윙박스(11)로 전달하는 역할을 한다.
도 3을 참조하면, 힘 전달체(13a)는 평행하게 이격된 복수의 리브(21)와, 인접한 리브들(21) 사이의 공간을 채우는 지지용 샌드위치 코어(22)를 포함한다. 도 3에서는 하나의 지지용 샌드위치 코어(22)만이 도시되어 있지만, 평행하게 이격된 리브들(21) 사이마다 지지용 샌드위치 코어가 개재될 수 있음은 물론이다. 또한, 하나의 힘 전달체(13a)에 대해서만 도시되어 있으나, 다른 힘 전달체(13b) 역시 동일한 구성에 유사한 형상을 가짐을 이해할 수 있을 것이다.
리브(21)는 복합소재로 구성되며, 에지 일부분이 윙박스(11)에 결합되고, 에지 나머지 일부분이 외판 조립체(12)에 부착되어 외판 조립체(12)에 대한 주요 지지부를 제공한다. 이 경우 리브(21)는 외판 조립체(12)에 가해지는 프로파일 항력과 프로파일 저항력을 윙박스(11)로 전달하게 된다.
지지용 샌드위치 코어(22)는 구조적 발포체일 수 있다. 지지용 샌드위치 코어(22)는 다공질 복합소재로 이루어진 코어층과, 코어층의 양측에 적층된 커버층으로 이루어진다. 이러한 지지용 샌드위치 코어(22)의 재질은 폴리메타크릴이미드, 폴리염화비닐, 폴리우레탄 등일 수 있다.
인접한 리브들(21) 사이의 공간을 채워 프로파일 항력이나 프로파일 저항력을 전달하는 과정에 리브(21)가 쓰러지지 않고 그 힘을 제대로 전달할 수 있도록 리브(21)를 지지하는 역할을 한다.
본 발명에서 외판 조립체(12)의 경우 표면 곡률이 변화하기 때문에, 각각의 리브(21)와 지지용 샌드위치 코어(22)는 그 결합 위치에 따라 필요한 형상으로 개별 성형될 수 있다. 즉, 윙박스(11)를 기준으로 블레이드의 테일 쪽의 제1 공간(41)과 노즈 쪽의 제2 공간(42)에 각각 별도의 힘 전달체(13a, 13b)가 배치, 결합될 수 있으며, 그 형상은 각 공간(41, 42)의 형상에 대응하도록 성형될 수 있다.
외판 조립체(12)는 풍력 발전 장치용 블레이드(10)의 표면을 이루는 부분으로, 바람에 의한 프로파일 항력과 프로파일 저항력을 받는다.
윙박스(11), 힘 전달체(13a, 13b), 외판 조립체(12)가 모두 결합된 풍력 발전 장치용 블레이드(10)가 도 5에 도시되어 있다. 참조번호 50은 풍력 발전 장치용 블레이드(10)를 풍력 발전 장치의 회전축에 결합할 때 이용되는, 플랜지(14)의 각 나사구멍에 삽입된 나사를 나타낸다.
이하에서는 전술한 것과 같이 내부에 캐비티가 형성된 윙박스를 제조하기 위해 이용되는 윙박스 제조공구 및 이를 이용하여 윙박스를 제조하는 방법을 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 윙박스 제조공구의 구성요소를 나타낸 도면 및 결합 사시도이고, 도 7은 윙박스를 제조한 이후 윙박스 제조공구를 분리하는 과정을 나타낸 도면이다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 윙박스 제조공구(60), 밑판(61), 용접부(62), 몰딩부(65), 윙박스(11)가 도시되어 있다.
윙박스 제조공구(60)는 몸체 표면에 복합소재 시트를 돌려 감음으로써 내부에 캐비티가 형성된 소정 형상의 지지 구조물 형상을 가지는 윙박스를 제조하는 데 이용된다.
윙박스 제조공구(60)는 용접부(62)와 몰딩부(65)로 이루어진 몸체와, 밑판(61)을 포함한다.
밑판(61)에는 플랜지 위치 정렬용 나사 구성이 형성되어 있어, 우선적으로 몸체에 끼움 결합한 플랜지(14)에 미리 형성되어 있는 나사 구멍에 대응시킨 후 나사와 같은 체결 수단을 이용하여 밑판(61)과 플랜지(14)를 결합함으로써, 플랜지(14)가 정위치에 정렬되도록 한다.
추후 복합소재 시트를 이용하여 윙박스 제조공구(60)의 몸체를 돌려감을 때 밑판(61)에 결합된 플랜지(14)의 연결부재도 함께 돌려 감음으로써, 일단에 플랜지(14)가 연결된 윙박스(11)의 제조가 가능하다.
윙박스 제조공구(60)의 몸체는 일단에 밑판(61)이 결합되고 타단을 향해 길이방향으로 빼기 구배를 가지고 있어 윙박스 제조 이후에 윙박스 제조공구(60)를 화살표 방향으로 빼냄으로써 완성된 윙박스로부터 원활하게 분리될 수 있도록 한다(도 7 참조).
또한, 필요로 하는 비율의 레진과 섬유가 포함된 복합소재 시트를 이용함으로써 윙박스의 강도 및 강성을 증대시킬 수 있고, 간단한 구조를 가지면서도 용이하게 윙박스 제조가 가능하여 제조시간 및 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
용접부(62)는 몸체편들(63)이 일렬로 배열되어 용접 결합되어 있다. 각 몸체편들(63)은 금속 재질로서, 그 위치에 따라 몸체의 일단으로부터 타단을 향해 빼기 구배를 가지도록 하는 형상을 가지도록 프레스 성형된 제품일 수 있다.
몰딩부(65)는 용접부(62)와 같은 평면으로는 구현되지 않는 부분에 대한 형상 구현을 위한 부분으로, 특히 풍력 발전 장치용 블레이드의 외판 조립체 중 플랜지에 인접한 부분에서의 곡률에 대응하는 외측 형상을 가지고 있다. 또한, 내부에는 관통공(66)이 형성되어 있어 용접부(62)에 끼움 결합이 가능하다. 관통공(66)은 용접부(62)가 가지는 빼기 구배에 대응하는 테이퍼 형상일 수 있다. 몰딩부(65)는 석고 혹은 에폭시(epoxy)와 같은 재질로 이루어지며, 음각 공구를 이용하여 제조될 수 있다.
밑판(61)은 윙박스 중 플랜지에 대응하는 부분이다. 윙박스의 내부 스킨에 해당하는 복합소재 시트가 돌려 감아지는 과정 중에 밑판(61)에 의해 임시 고정된 플랜지의 연결부재 상에 함께 돌려 감아지고 경화됨으로써 플랜지가 윙박스의 일단에 결합되도록 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 윙박스 제조방법의 순서도이다. 이에 따르면, 도 6 및 도 7에 도시된 윙박스 제조공구(60)를 이용하여 도 2 내지 도 6에 도시된 윙박스(11)를 제조하는 방법을 나타내고 있다.
윙박스는 크게 내부 스킨, 보강용 샌드위치 코어, 외부 스킨으로 구분되며, 제조방법 역시 내부 스킨 형성, 보강용 샌드위치 코어 부착, 외부 스킨 형성, 윙박스 제조공구 분리로 구분된다.
내부 스킨을 형성(단계 S110)하기 위해서, 우선 윙박스 제조공구의 몸체 표면에 제1 크기의 복합소재 시트를 돌려 감고(단계 S112), 미리 정해진 방법에 따라 돌려 감긴 복합소재 시트를 경화시킨다(단계 S114). 제1 크기는 윙박스 제조공구의 몸체 표면을 모두 감싸는 것이 가능하며, 일정 크기 이상의 중첩 영역이 생길 수 있도록 하는 크기이다. 따라서, 윙박스 제조공구의 몸체 표면의 표면적 이상인 것이 바람직하다.
여기서, 내부 스킨용 복합소재 시트는 레진과 섬유를 원하는 비율로 구성하는 것이 가능하며, 예를 들면 레진:섬유의 비율을 실질적으로 60:40 정도로 구성하여, 힘 전달체를 통해 전달되는 프로파일 항력과 프로파일 저항력에 의한 블레이드의 좌굴을 방지하기에 충분한 강도와 강성을 가지도록 할 수 있다.
내부 스킨이 형성된 후, 내부 스킨의 상하면에 보강용 샌드위치 코어를 부착시킨다(단계 S120). 보강용 샌드위치 코어는 내부 스킨과 외부 스킨 사이의 공간을 채우기 위한 것으로, 해당 공간을 채움으로써 외부 스킨이 지지하게 되는 외판 조립체가 필요로 하는 곡률을 가지는 표면 형상을 유지하도록 할 수 있다.
이후 외부 스킨을 형성(단계 S130)하기 위해서, 내부 스킨과 보강용 샌드위치 코어를 모두 감싸도록 제2 크기의 복합소재 시트를 돌려 감고(단계 S132), 미리 정해진 방법에 따라 돌려 감긴 복합소재 시트를 경화시킨다(단계 S134).
제2 크기는 내부 스킨과 그 상하면에 부착된 보강용 샌드위치 코어를 모두 감싸는 것이 가능하며, 일정 크기 이상의 중첩 영역이 생길 수 있도록 하는 크기이다. 따라서, 제1 크기보다는 커야 하며, 내부 스킨과 그 상하면에 부착된 보강용 샌드위치 코어로 이루어진 구조물의 외부 표면적 이상인 것이 바람직하다.
여기서, 외부 스킨용 복합소재 시트 역시 레진과 섬유를 원하는 비율로 구성하는 것이 가능하며, 예를 들면 레진:섬유의 비율을 실질적으로 60:40 정도로 구성하여, 힘 전달체를 통해 전달되는 프로파일 항력과 프로파일 저항력에 의한 블레이드의 좌굴을 방지하기에 충분한 강도와 강성을 가지도록 할 수 있다.
본 실시예에서는 내부 스킨과 외부 스킨을 형성하기 위해서 개별적인 경화 과정이 필요한 것으로 설명하였지만, 필요에 따라 다른 실시예에서는 내부 스킨을 형성하기 위한 제1 복합소재 시트를 돌여 감고 보강용 샌드위치 코어를 부착시킨 후 외부 스킨을 형성하기 위한 제2 복합소재 시트를 돌려 감고서 제1 복합소재 시트와 제2 복합소재 시트가 동시에 경화되도록 할 수도 있을 것이다.
내부 스킨 형성, 보강용 샌드위치 코어 부착, 외부 스킨 형성이 완료된 이후에, 윙박스 제조공구를 분리시킴(단계 S140)으로써 내부에 캐비티가 형성된 윙박스가 완성된다.
윙박스 제조공구의 분리는 일방향으로 윙박스 제조공구를 빼내기 작업하면 될 뿐이어서 매우 간단한 공정으로, 윙박스를 제조하는 데 있어서 제조시간이나 제조비용을 절감하는 효과가 있다.
윙박스 제조공구의 분리는, 윙박스의 측면에 힘 전달체를 결합시키고, 윙박스와 힘 전달체를 덮도록 배치되는 외판 조립체를 조립시킴으로써 풍력 발전 장치용 블레이드를 완성하는 과정 중 필요로 하는 때에 이루어질 수도 있을 것이다. 이는 윙박스 제조공구가 풍력 발전 장치용 블레이드의 조립 과정에서 그 조립을 방해하지 않기 때문이며, 따라서 윙박스 제조공구는 풍력 발전 장치용 블레이드에 대해서 보다 견고한 조립이 이루질 수 있도록 하는 지지대 역할 수행도 가능하다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1, 10: 풍력 발전 장치용 블레이드 2a, 12a: 상부 외판
2b, 12b: 하부 외판 12: 외판 조립체
3: 스파 4, 14: 플랜지
11: 윙박스 13a, 13b: 힘 전달체
15: 캐비티 21: 리브
22: 지지용 샌드위치 코어 31: 내부 스킨
32a, 32b: 보강용 샌드위치 코어 33: 외부 스킨
41, 42: 공간 16: 노즈
17: 테일 18: 밑면부
19: 말단 50: 나사
60: 윙박스 제조공구 61: 밑판
62: 용접부 63: 몸체편
65: 몰딩부 66: 관통공

Claims (14)

  1. 풍력 발전 장치용 블레이드로서,
    내부에 캐비티(cavity)가 형성된 윙박스와;
    상기 윙박스의 측면에 결합되는 힘 전달체와;
    상부 외판과 하부 외판으로 구성되어 상기 윙박스 및 상기 힘 전달체를 덮도록 배치되는 외판 조립체를 포함하되,
    상기 힘 전달체는, 평행하게 이격된 복수의 리브와, 인접한 리브들 사이에 배치되는 지지용 샌드위치 코어를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치용 블레이드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 윙박스는, 상기 캐비티를 형성하는 내부 스킨과, 내부에 상기 내부 스킨을 수용하고 외측면 일부가 상기 외판 조립체의 내측면과 만나는 외부 스킨과, 상기 내부 스킨과 상기 외부 스킨 사이의 공간을 채워 상기 외부 스킨을 지지하는 보강용 샌드위치 코어를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치용 블레이드.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 캐비티는 상기 풍력 발전 장치용 블레이드의 밑면부로부터 말단까지 길이방향으로 그 단면적이 감소하는 테이퍼(taper) 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치용 블레이드.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 내부 스킨은 빼기 구배가 형성된 윙박스 제조공구의 표면 전체를 감싸도록 복합소재 시트를 1회 돌려 감고 경화시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치용 블레이드.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 외부 스킨은 상기 내부 스킨과 상기 내부 스킨에 부착된 상기 보강용 샌드위치 코어로 이루어진 구조물의 표면 전체를 감싸도록 복합소재 시트를 1회 돌려 감고 경화시켜 제조된 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치용 블레이드.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 내부 스킨으로 제조된 복합소재 시트의 중첩 영역은 상기 풍력 발전 장치용 블레이드의 노즈(nose) 및 테일(tail) 중 어느 하나에 인접한 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치용 블레이드.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 외부 스킨으로 제조된 복합소재 시트의 중첩 영역 중 하나 이상은 상기 풍력 발전 장치용 블레이드의 노즈 및 테일 중 어느 하나에 인접한 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치용 블레이드.

  8. 제1항에 있어서,
    상기 힘 전달체는 상기 상부 외판 및 상기 하부 외판에 가해지는 프로파일 항력 및 프로파일 저항력을 상기 윙박스로 전달하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치용 블레이드.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 리브 및 상기 지지용 샌드위치 코어 중 하나 이상은 상기 외판 조립체의 곡률 변화에 따라 결합 위치에 필요한 형상으로 개별 성형되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치용 블레이드.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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