KR101276303B1 - 풍력발전기 - Google Patents
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Abstract
풍력발전기가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기는, 복수의 블레이드, 상기 블레이드가 연결되어 회전하는 로터 허브, 및 상기 로터 허브의 회전축 방향으로 상기 로터 허브에 연결되는 메인 샤프트를 포함하되, 상기 로터 허브에 결합구멍이 형성되고, 상기 결합구멍에 결합되도록 상기 메인 샤프트에 결합돌기가 형성되며, 상기 결합구멍과 결합돌기는 상기 회전축 방향에 수직하는 단면이 다각형이다.
Description
본 발명은 풍력발전기에 관한 것이다.
풍력발전기(wind turbine)는 공기의 유동이 가지는 운동에너지의 공기역학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 블레이드와 허브로 이루어지는 회전자(rotor)를 회전시킴으로써 공기 유동의 운동에너지를 기계적 에너지로 변환시키고, 기계적 에너지를 이용하여 전기에너지를 생산한다.
일례를 들어 설명하면, 수평축 풍력발전기는 바람이 가진 운동에너지를 회전하는 동력으로 변환시키는 블레이드, 블레이드를 연결하는 로터 허브, 로터 허브에 연결되는 메인 샤프트, 메인 샤프트에 연결되어 전기에너지를 출력하는 발전기, 발전기를 수용하는 나셀, 및 요 시스템(yaw system)을 개재하여 나셀(nacelle)을 지지하는 타워를 포함한다.
즉, 로터 허브는 블레이드로부터 전달되는 공기 유동의 운동에너지를 메인 샤프트의 회전에너지로 전달하기 위하여, 메인 샤프트와 견고하게 연결되어야 한다. 일례를 들면, 로터 허브와 메인 샤프트는 서로 마주하도록 축 방향에 수직하는 방향으로 플랜지를 형성하고, 플랜지에 축 방향의 볼트 구멍을 형성하여, 볼트 구멍으로 볼트를 삽입하여 너트를 체결함으로써 플랜지를 통하여 상호 연결되어 토크를 전달한다. 이때, 양측 플랜지는 서로 마찰력을 받고, 볼트는 양측 플랜지에 의하여 전단하중을 받는다.
이와 같은 연결 구조는, 로터 허브에서 메인 샤프트로 안정적인 토크 전달을 위하여, 즉 양측 플랜지의 마찰력을 증가시키고 볼트가 받는 전단하중을 분산시키기 위하여, 플랜지에 형성되는 볼트 구멍의 필요 수량을 증가시키고, 이에 따라 전단하중을 받는 볼트 및 이에 결합되는 너트의 필요 수량을 증가시킨다.
본 발명의 일 실시예는 로터 허브와 메인 샤프트의 연결 구조를 단순하게 하고, 로터 허브와 메인 샤프트의 토크 전달을 안정적으로 구현하는 풍력발전기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기는, 복수의 블레이드; 상기 블레이드가 연결되어 회전하는 로터 허브; 및 상기 로터 허브의 회전축 방향으로 상기 로터 허브에 연결되는 메인 샤프트를 포함하되, 상기 로터 허브에 결합구멍이 형성되고, 상기 결합구멍에 결합되도록 상기 메인 샤프트에 결합돌기가 형성되며, 상기 결합구멍과 결합돌기는 상기 회전축 방향에 수직하는 단면이 다각형인 것을 특징으로 한다.
상기 결합구멍은, 상기 로터 허브에서, 내측에 위치하는 제1 결합구멍과 상기 제1 결합구멍보다 크게 형성되어 외측에 위치하는 제2 결합구멍을 포함할 수 있다.
상기 결합돌기는, 상기 제1 결합구멍에 대응하여 결합되는 제1 결합돌기와 상기 제1 결합돌기보다 크게 형성되어 상기 제2 결합구멍에 대응하여 결합되는 제2 결합돌기를 포함할 수 있다.
상기 제1 결합구멍과 제1 결합돌기는 상기 회전축 방향에 수직하는 단면이 다각형이고, 상기 제2 결합구멍과 제2 결합돌기는 상기 회전축 방향에 수직하는 단면이 원형일 수 있다.
상기 결합구멍과 상기 결합돌기는, 상기 로터 허브에서 상기 메인 샤프트로 토크를 전달하고 상기 로터 허브와 상기 메인 샤프트를 상기 회전축 방향으로 결합할 수 있다.
상기 로터 허브는, 상기 제1 결합구멍을 형성하여 상기 회전축 방향으로 연장되는 제1 결합부, 및 상기 제2 결합구멍을 형성하여 상기 회전축 방향에서 상기 제1 결합부의 반대 측으로 연장되는 제2 결합부를 포함할 수 있다.
상기 제1 결합부와 상기 제1 결합돌기에 각각 형성되는 제1 관통구멍과 제1 나사구멍에 고정볼트가 체결되고, 상기 제2 결합부와 상기 제2 결합돌기에 각각 형성되는 제2 관통구멍과 제2 나사구멍에 고정볼트가 체결될 수 있다.
상기 제1 결합부를 지지하고 상기 제1 결합돌기의 단부에 고정볼트로 고정되는 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 로터 허브는, 상기 결합구멍을 형성하여 상기 회전축 방향으로 연장되는 결합부를 포함하고, 상기 결합부를 지지하고 상기 결합돌기의 단부에 고정볼트로 고정되는 플레이트를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 로터 허브와 메인 샤프트의 연결 구조를 단순하게 하고, 로터 허브와 메인 샤프트의 토크 전달을 안정적으로 구현하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력발전기의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 로터 허브와 메인 샤프트의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 로터 허브와 메인 샤프트의 조립 상태의 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선 및 Ⅳ'-Ⅳ'선을 따라 자른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 풍력발전기의 로터 허브와 메인 샤프트의 분해 사시도이다.
도 6은 도 5의 로터 허브와 메인 샤프트의 조립 상태의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 풍력발전기의 로터 허브와 메인 샤프트의 분해 사시도이다.
도 8은 도 7의 로터 허브와 메인 샤프트의 조립 상태의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 풍력발전기의 로터 허브와 메인 샤프트의 조립 상태의 단면도이다.
도 2는 도 1의 로터 허브와 메인 샤프트의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 로터 허브와 메인 샤프트의 조립 상태의 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선 및 Ⅳ'-Ⅳ'선을 따라 자른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 풍력발전기의 로터 허브와 메인 샤프트의 분해 사시도이다.
도 6은 도 5의 로터 허브와 메인 샤프트의 조립 상태의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 풍력발전기의 로터 허브와 메인 샤프트의 분해 사시도이다.
도 8은 도 7의 로터 허브와 메인 샤프트의 조립 상태의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 풍력발전기의 로터 허브와 메인 샤프트의 조립 상태의 단면도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력발전기의 개략적인 구성도이다. 도 1을 참조하면, 제1 실시예의 풍력발전기는 타워(1)에 요 시스템(미도시)을 개재하여 나셀(2)을 장착하는 구조로 이루어진다.
풍력발전기는 바람의 유동에 따른 운동에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 블레이드(3), 블레이드(3)를 연결하는 로터 허브(4), 로터 허브(4)에 연결되는 메인 샤프트(5), 메인 샤프트(5)에 연결되는 증속기(6) 및 증속기(6)에 연결되는 발전기(7)를 포함한다.
로터 허브(4)는 나셀(2)에 회전 가능하게 장착되고, 메인 샤프트(5), 증속기(6) 및 발전기(7)는 나셀(2)에 내장된다. 타워(1)에 나셀(2)을 설치한 상태에서 블레이드(3)를 연결한 로터 허브(4)와 나셀(2)에서 돌출되는 메인 샤프트(5)를 조립함으로써 풍력발전기가 구성된다.
블레이드(3)는 복수로 구비되어 로터 허브(4)에 원주 방향을 따라 등각으로 배치되어 장착되고, 불어오는 바람의 운동에너지에 의하여 토크를 발생시킨다. 블레이드(3)는 일체로 형성되는 본체부(31)와 연결부(32)를 가진다.
본체부(31)는 바람을 받아 토크로 변환시키도록 유선형의 넓은 면적으로 형성된다. 연결부(32)는 바람을 통과시키도록 본체부(31)의 면적보다 좁은 면적으로 형성되어, 로터 허브(4)에 장착된다.
따라서 로터 허브(4)는 블레이드들(3)의 회전 중심을 형성하여 블레이드들(3)의 토크에 따라 회전 운동한다. 나셀(2)의 요잉 제어에 의하여, 로터 허브(4)의 선단과 블레이드들(3)은 바람이 불어오는 방향을 향하게 된다.
메인 샤프트(5)는 일측으로 로터 허브(4)에 연결되고 다른 일측으로 증속기(6)에 연결된다. 따라서 메인 샤프트(5)는 로터 허브(4)의 회전 중심에 결합되어, 로터 허브(4)의 토크를 증속기(6)로 전달한다.
증속기(6)는 로터 허브(4) 및 메인 샤프트(5)을 통하여 전달되는 블레이드(3)의 저속 회전수를 발전기(7)를 구동하는 고속 회전수로 증속시킨다. 발전기(7)는 증속기(6)에 연결되어 증속기(6)의 고속 회전으로 전기에너지를 출력한다.
도 2는 도 1의 로터 허브(4)와 메인 샤프트(5)의 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 로터 허브(4)와 메인 샤프트(5)의 조립 상태의 단면도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 로터 허브(4)와 메인 샤프트(5)는 결합구멍(41)과 결합돌기(51)의 결합 구조로 연결된다.
또한, 로터 허브(4)는 회전축 방향(메인 샤프트(5)의 길이 방향)에 교차하는 방향으로 로터 허브(4)의 원주 방향을 따라 등 간격으로 연결구멍(45)이 형성된다. 블레이드(3)의 연결부(32)는 연결구멍(45)에 연결된다.
한편, 로터 허브(4)는 회전 중심에 회전축 방향으로 관통된 결합구멍(41)이 형성된다. 메인 샤프트(5)는 결합구멍(41)에 결합될 수 있도록 회전축 방향으로 돌출하여 결합돌기(51)가 형성된다. 따라서 결합돌기(51)가 결합구멍(41)에 회전축 방향으로 삽입됨에 따라, 로터 허브(4)와 메인 샤프트(5)는 서로 연결된다. 즉 로터 허브(4)와 메인 샤프트(5)는 단순한 연결 구조로 연결된다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선 및 Ⅳ'-Ⅳ' 선을 따라 자른 단면도이다. 도 2 및 도 4a, 도 4b를 참조하면, 로터 허브(4)의 토크를 메인 샤프트(5)로 전달할 수 있도록, 로터 허브(4)와 메인 샤프트(5)는 다각형 결합 구조를 형성된다.
예를 들면, 로터 허브(4)의 결합구멍(41)과 메인 샤프트(5)의 결합돌기(51)는 서로 대응하여 결합되도록 회전축 방향에 수직하는 단면의 결합 구조가 삼각형으로 형성된다. 따라서 블레이드(3)를 통하여 로터 허브(4)로 전달되는 토크는 기계적으로 상호 결합되는 결합구멍(41)과 결합돌기(51)를 통하여 메인 샤프트(5)로 안정적으로 전달될 수 있다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 결합구멍(41)과 결합돌기(51)는 회전축 방향을 따라 계단 구조로 결합된다. 편의상, 본 실시예에서 계단 구조는 2단 구조로 형성된다.
로터 허브(4)에서, 결합구멍(41)은 직경 방향의 내측에 위치하는 제1 결합구멍(411)과, 제1 결합구멍(411)보다 크게 형성되어 외측에 위치하는 제2 결합구멍(412)을 포함한다.
메인 샤프트(5)에서, 결합돌기(51)는 제1 결합구멍(411)에 대응하여 결합되는 제1 결합돌기(511)와, 제1 결합돌기(511)보다 크게 형성되어 제2 결합구멍(412)에 대응하여 결합되는 제2 결합돌기(512)를 포함한다.
제1, 제2 결합구멍(411, 412)과 제1, 제2 결합돌기(511, 512)는 제1 실시예에서와 같이, 2결합으로 함께 형성될 수 있다. 2결합은 로터 허브(4)에서 메인 샤프트(5)의 축 처짐을 방지하여 결합을 안정적으로 유지할 수 있도록 한다.
도시하지 않았지만, 메인 샤프트가 제2 결합돌기 없이 제1 결합돌기만을 가지는 경우, 제1 결합구멍과 제1 결합돌기만이 결합될 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 제1 결합구멍(411)과 제1 결합돌기(511)는 회전축 방향에 직교하는 방향으로 절단한 단면에서, 삼각형 구조로 형성되어 결합된다. 따라서 삼각형 구조는 로터 허브(4)에서 메인 샤프트(5)로 토크를 안정적으로 전달할 수 있도록 한다(도 4a).
제2 결합구멍(412)과 제2 결합돌기(512)는 회전축 방향에 직교하는 방향으로 절단한 단면에서, 단면 원형 구조로 형성될 수 있다(도 4b). 또한, 제2 결합구멍과 제2 결합돌기는 단면 삼각형 구조로 형성되어 로터 허브와 메인 샤프트 사이에서 토크를 전달하고 로터 허브와 메인 샤프트를 회전축 방향으로 결합할 수 있도록 한다(미도시).
도 3 및 도 4a, 도 4b를 참조하면, 로터 허브(4)는 제1 결합구멍(411)이 형성되어 회전축 방향으로 연장되는 제1 결합부(421), 제2 결합구멍(412)이 형성되어 회전축 방향에서 제1 결합부(421)의 반대 측으로 연장되는 제2 결합부(422)를 포함한다. 이에 대응하여, 결합돌기(51)는 제1 결합부(421)에 제1 결합돌기(511)로 결합되고, 제2 결합부(422)에 제2 결합돌기(512)로 결합된다.
따라서 제1 결합부(421)와 제1 결합돌기(511)는 제1 고정부(F1)를 형성하고, 제2 결합부(422)와 제2 결합돌기(512)는 제2 고정부(F2)를 형성한다. 제1 실시예에서와 같이, 제1, 제2 고정부(F1, F2)는 함께 구비될 수도 있고, 어느 하나만 선택적으로 구비될 수 있다.
제1 고정부(F1)는 제1 결합부(421)와 제1 결합돌기(511)에 각각 형성되는 제1 관통구멍(H1)과 제1 나사구멍(S1)에 체결되는 고정볼트(8)로 형성된다.
제2 고정부(F2)는 제2 결합부(422)와 제2 결합돌기(512)에 각각 형성되는 제2 관통구멍(H2)과 제2 나사구멍(S2)에 체결되는 고정볼트(8)로 형성된다.
제1, 제2 고정부(F1, F2)에서 고정볼트(8)는 토크를 받지 않고, 단순히 메인 샤프트(5)에서 로터 허브(4)의 축 방향 이탈을 방지한다. 또한, 제1, 제2 고정부(F1, F2)는 로터 허브(4)와 메인 샤프트(5)의 상호 축 방향 삽입 범위를 설정한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 풍력발전기의 로터 허브(24)와 메인 샤프트(25)의 분해 사시도이고, 도 6은 도 5의 로터 허브(24)와 메인 샤프트(25)의 조립 상태의 단면도이다.
제2 실시예에서, 결합구멍(241)과 결합돌기(251)는 서로 대응하여 결합되도록 회전축 방향에 수직하는 단면의 결합 구조가 오각형으로 형성된다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 풍력발전기의 로터 허브(34)와 메인 샤프트(35)의 분해 사시도이고, 도 8은 도 7의 로터 허브(34)와 메인 샤프트(35)의 조립 상태의 단면도이다.
제3 실시예에서, 결합구멍(341)과 결합돌기(351)는 서로 대응하여 결합되도록 회전축 방향에 수직하는 단면의 결합 구조가 칠각형으로 형성된다.
제2, 제3 실시예는 결합구멍과 결합돌기의 결합구조가 다양한 다각형으로 형성될 수 있음을 예시한다. 또한, 더 이상 도시하지는 않았지만, 결합구멍과 결합돌기는 서로 대응하여 결합되도록 회전축 방향에 수직하는 단면의 결합 구조가 사각형, 육각형 및 팔각형 등으로 형성될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 풍력발전기의 로터 허브(4)와 메인 샤프트(5)의 조립 상태의 단면도이다. 도 9를 참조하면, 제1 결합부(421)와 제1 결합돌기(511) 및 플레이트(431)는 제3 고정부(F3)를 형성한다. 제3 고정부(F3)는 제1, 제2 고정부(F1, F2) 중 어느 하나와 함께 구비되거나, 도시된 바와 같이, 제1, 제2 고정부(F1, F2)와 함께 구비될 수 있다.
제3 고정부(F3)는 플레이트(431)가 제1 결합부(421)의 단부에 지지되고, 플레이트(431)가 제1 결합돌기(511)의 단부에 고정볼트(8)로 고정되어 형성된다. 따라서 제3 고정부(F3)에서 플레이트(431) 및 고정볼트(8)는 메인 샤프트(5)가 로터 허브(4)의 회전축 방향으로 이탈하는 것을 더 방지한다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 구조에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
1 : 타워 2 : 나셀
3 : 블레이드 4, 24, 34 : 로터 허브
5, 25, 35 : 메인 샤프트 6 : 증속기
7 : 발전기 8 : 고정볼트
31 : 본체부 32 : 연결부
41, 241, 341 : 결합구멍 45 : 연결구멍
51, 251, 351 : 결합돌기 411, 412 : 제1, 제2 결합구멍
421, 422 : 제1, 제2 결합부 511, 512 : 제1, 제2 결합돌기
431 : 플레이트 F1, F2, F3 : 제1, 제2, 제3 고정부
H1, H2 : 제1, 제2 관통구멍 S1, S2 : 제1, 제2 나사구멍
3 : 블레이드 4, 24, 34 : 로터 허브
5, 25, 35 : 메인 샤프트 6 : 증속기
7 : 발전기 8 : 고정볼트
31 : 본체부 32 : 연결부
41, 241, 341 : 결합구멍 45 : 연결구멍
51, 251, 351 : 결합돌기 411, 412 : 제1, 제2 결합구멍
421, 422 : 제1, 제2 결합부 511, 512 : 제1, 제2 결합돌기
431 : 플레이트 F1, F2, F3 : 제1, 제2, 제3 고정부
H1, H2 : 제1, 제2 관통구멍 S1, S2 : 제1, 제2 나사구멍
Claims (9)
- 복수의 블레이드;
상기 블레이드가 연결되어 회전하는 로터 허브; 및
상기 로터 허브의 회전축 방향으로 상기 로터 허브에 연결되는 메인 샤프트
를 포함하되,
상기 로터 허브에 결합구멍이 형성되고, 상기 결합구멍에 결합되도록 상기 메인 샤프트에 결합돌기가 형성되며,
상기 결합구멍과 결합돌기는 상기 회전축 방향에 수직하는 단면이 다각형이고,
상기 결합구멍은,
상기 로터 허브에서, 내측에 위치하는 제1 결합구멍과 외측에 위치하는 제2 결합구멍을 포함하고,
상기 결합돌기는,
상기 제1 결합구멍에 대응하여 결합되는 제1 결합돌기와 상기 제2 결합구멍에 대응하여 결합되는 제2 결합돌기를 포함하며,
상기 제1 결합구멍과 제1 결합돌기는 상기 회전축 방향에 수직하는 단면이 다각형이고,
상기 제2 결합구멍과 제2 결합돌기는 상기 회전축 방향에 수직하는 단면이 원형인 것을 특징으로 하는 풍력발전기. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 결합구멍은,
상기 제1 결합구멍보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기. - 제2 항에 있어서,
상기 제2 결합돌기는,
상기 제1 결합돌기보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기. - 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 결합구멍과 상기 결합돌기는,
상기 로터 허브에서 상기 메인 샤프트로 토크를 전달하고 상기 로터 허브와 상기 메인 샤프트를 상기 회전축 방향으로 결합하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기. - 제3 항에 있어서,
상기 로터 허브는,
상기 제1 결합구멍을 형성하여 상기 회전축 방향으로 연장되는 제1 결합부, 및
상기 제2 결합구멍을 형성하여 상기 회전축 방향에서 상기 제1 결합부의 반대 측으로 연장되는 제2 결합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기. - 제6 항에 있어서,
상기 제1 결합부와 상기 제1 결합돌기에 각각 형성되는 제1 관통구멍과 제1 나사구멍에 고정볼트가 체결되고,
상기 제2 결합부와 상기 제2 결합돌기에 각각 형성되는 제2 관통구멍과 제2 나사구멍에 고정볼트가 체결되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기. - 제6 항에 있어서,
상기 제1 결합부를 지지하고 상기 제1 결합돌기의 단부에 고정볼트로 고정되는 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기. - 복수의 블레이드;
상기 블레이드가 연결되어 회전하는 로터 허브; 및
상기 로터 허브의 회전축 방향으로 상기 로터 허브에 연결되는 메인 샤프트
를 포함하되,
상기 로터 허브에 결합구멍이 형성되고, 상기 결합구멍에 결합되도록 상기 메인 샤프트에 결합돌기가 형성되며,
상기 결합구멍과 결합돌기는 상기 회전축 방향에 수직하는 단면이 다각형이고,
상기 로터 허브는, 상기 결합구멍을 형성하여 상기 회전축 방향으로 연장되는 결합부를 포함하고,
상기 결합부를 지지하고 상기 결합돌기의 단부에 고정볼트로 고정되는 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
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