KR20120018291A - 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계 - Google Patents

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스테픈 휴 살터
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로버트 조지 폭스
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Abstract

본 발명은 풍력 터빈 타워의 나셀과 같이 접근 불가능한 위치에 대형 유체 작동 기계를 필요로 하는 응용들에서 사용되는 가변 변위 유체 작동 기계에 관한 것이다. 상기 기계는 내주링 및 외주링을 포함하고, 내주링 및 외주링 중 하나는 구동 샤프트에 결합된 회전 가능한 링 캠을 포함하고, 다른 하나는 각각의 링 주위에 원주방향으로 이격된 복수의 반경방향으로 연장된 실린더를 포함한다. 외주링은 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재, 및 그 사이에 탈착 가능하게 지지될 수 있는 복수의 탈착 가능한 블록을 포함하고, 탈착 가능한 블록들은 피스톤 실린더 또는 링 캠 세그먼트를 포함한다. 탈착 가능한 블록들은 반경방향으로 분리 가능하여 정비 및 보수를 용이하게 하고, 내주링에 대한 반경방향 접근을 용이하게 한다. 내주링의 부품들이 또한 최종 갭을 통해 반경방향으로 분리될 수 있다. 탈착 가능한 블록들은 또한 기계의 질량이 다른 경우에서 필요한 것보다 작아질 수 있게 하는 구조적 기능을 가진다.

Description

가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계{VARIABLE DISPLACEMENT RADIAL PISTON FLUID WORKING MACHINE}
본 발명은 회전 링 캠을 구비한 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계에 관한 것이다. 본 발명은 특히 풍력 터빈 타워의 나셀과 같이 정비(maintenance)가 어려운 환경에서 사용되는 대형 유체 작동 기계에 관한 것이다.
유체 작동 기계는 유체 피동식 기계 및/또는 유체 구동식 기계, 예를 들어 펌프, 모터, 및 다양한 작동 모드에서 펌프 또는 모터로 작동할 수 있는 기계를 포함한다.
유체 작동 기계가 펌프로 작동할 때, 저압 매니폴드가 통상 유체의 순 소스(net source)로 작용하고, 고압 매니폴드가 통상 유체의 순 싱크(net sink)로 작용한다. 유체 작동 기계가 모터로 작동할 때, 고압 매니폴드가 통상 유체의 순 소스로 작용하고, 저압 매니폴드가 통상 유체의 순 싱크로 작용한다. 본 명세서 및 첨부된 청구범위에서, “고압 매니폴드” 및 “저압 매니폴드”라는 용어는 상대적인 것으로, 상대 압력들이 응용에 의해 결정된다. 본 발명의 일부 실시형태들에서, 저압 매니폴드 내부의 압력은 수 대기압과 같이 대기압보다 상당히 높지만, 정상 작동 중에 고압 매니폴드 내부의 압력보다는 낮을 것이다. 유체 작동 기계는 둘 이상의 저압 매니폴드 및 둘 이상의 고압 매니폴드를 구비할 수 있다.
대변위 링 캠 유체 작동 기계(즉, 대형 회전 환상 캠이 그 주위에 배치된 다수의 피스톤을 구동하는 유체 작동 기계로, 각각의 피스톤이 캠 회전마다 여러 번 순환됨)가 공지되었고, 저속 회전 입력의 비교적 고속 발전기(Rampen, Taylor & Riddoch, 풍력 터빈을 위한 무단 변속기, 2006년 12월 브레멘 DEWEK)가 존재하는 재생 에너지 응용에 사용되도록 제안되었다. 링 캠 유체 작동 기계는 통상, 파형 캠 상에서 롤링하고 실린더 내부의 피스톤을 구동하는 복수의 롤러를 구비한다. 피스톤들과 실린더들이 캠의 내측에서 회전할 수 있거나, 또는 캠이 피스톤들과 실린더들의 내측에서 회전할 수 있다. 비교적 작은 유압 모터들을 구동하는 이러한 펌프들이 풍력 터빈 발전기뿐만 아니라 조력 및 중력 공급 수력 발전기를 위한 견고한 가변 속도 변속기로 제안되었다. 예를 들어, 상기 작동 원리를 이용하여 가변 변위가 펌프, 모터, 또는 양자에 추가될 수 있었다.
그러나, 대형 링 캠 기계는 보수(repair)가 어렵고 고비용이며, 심지어 하나의 작동 챔버를 보수하기 위해 전체 몸체를 분해해야 한다. 상기 기계는 특히 재생 에너지 응용에서 고비용으로, 이는 무거운 펌프가 표면에 나와야 하고 통상 먼 위치에 대형의 고비용 크레인이 필요하기 때문이다.
따라서, 본 발명은 유체 작동 기계가 무겁고(예를 들어, 500kg 초과) 접근하기 어려운 위치에 있을 경우에도, 제자리에서 용이하게 보수될 수 있는 유체 작동 기계를 제공하고자 한다.
EP 0 692 071호는 모듈식 구성을 제안하였고, 여기서 링 캠은, 플랜지를 통해 회전 샤프트에 볼트 결합되고, 롤러들이 롤링하는 텅/홈 형성부에서 연결된 대향 단부들을 구비한 세그먼트들로 구성된다. 또한, 링 캠의 주위 또는 내부에서 서로 볼트 결합된 분리 가능한 피스톤/실린더 운반부들을 구비하는 것이 제안되었다. 이러한 기계는 작동 응용 시에 제자리에서 보수되기 어렵고, 이는 펌핑 모듈들이 이들의 분리를 방지하는 주변 프레임을 분해하지 않고 상기 프레임에 볼트 결합된 경우 기계의 지지 구조가 파손되기 때문이다.
EP 1 985 853호(Golle)는 피스톤 실린더들이 탈착될 수 있는 펌프를 개시하고, 내부 링 캠면이 단지 일부만 노출된다. 이는 샤프트를 펌프로부터 분리하지 않고 링 캠을 정비하는 것을 불가능하게 한다. 또한, Golle의 펌프는 피스톤 실린더들을 수용하는 보어들을 가진 단일 금속 몸체를 포함하고, 따라서 소정의 유체 변위에 대해 비교적 무겁다. 예를 들어, 풍력 터빈 발전기 나셀에 적합한 대형으로 제조된 경우, 펌프의 부품들에 접근하여 정비하기가 어려울 것이다.
따라서, 본 발명은 정비 중에 구조적 통일성(structural integrity)을 지킬 수 있는 유체 작동 기계를 제공하고자 한다. 이와 관련하여, 높은 토크 응용을 위한 대형 유체 작동 기계는, (펌프의 경우) 입력 또는 (모터의 경우) 하중의 토크 및 기계의 중량에 의해 발생한 상당한 힘에도 불구하고 구조적 통일성을 지키는 구조를 필요로 한다. 이는 대형 구조 부재, 예를 들어 대형 섀시 또는 하우징을 제공함으로써 가장 간단하게 얻어질 수 있다. 그러나, 최종 부품들의 질량이 상당할 수 있다. 본 발명은, 충분한 기계적 강도를 가지는 한편 사용 중에 통일성을 지키는 데 필요한 구조 부재들의 질량을 최소화하는 구조를 제공하고자 한다.
본 발명의 제1 양상에 따르면, 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계가 제공되고, 상기 유체 작동 기계는 내주링 및 내주링 주위의 (통상 동심의) 외주링으로, 내주링 및 외주링 중 하나는 회전 가능한 링 캠을 포함하고, 다른 하나는 각각의 링 주위에 원주방향으로 이격된 복수의 반경방향으로 연장된 실린더를 포함하고, 각각의 실린더는 내부에 피스톤이 왕복운동 가능하게 장착된 것인 내주링과 외주링; 및 링 캠에 결합된 구동 샤프트를 포함하며, 외주링은 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재, 및 그 사이에 탈착 가능하게 지지될 수 있는 복수의 탈착 가능한 블록을 포함하고, 복수의 탈착 가능한 블록들 각각은 (외주링이 복수의 반경방향으로 연장된 실린더를 포함하는 경우) 상기 복수의 실린더들 중 적어도 일부, 또는 (외주링이 링 캠을 포함하는 경우) 링 캠의 세그먼트를 포함하고, 상기 각각의 블록은 상기 하나 이상의 실린더를 링 캠의 일부에 대해 대향 관계(opposing relation)로 위치 결정하도록 장착 가능하여, 피스톤들이 (선택적으로, 캠 롤러와 같은 하나 이상의 다른 부품을 통해) 링 캠에 의해 구동될 수 있게 하고, 접근을 위해 내주링을 노출시키도록 탈착 가능하다.
그러므로, 링 캠이 피스톤들을 구동할 수 있도록 작동 중에 반드시 있어야만 하는 탈착 가능한 블록들은 개별적으로 분리 가능하여, 탈착 가능한 블록들뿐만 아니라 내주링의 일부인 복수의 실린더와 링 캠의 어느 부분이든 정비 및 보수를 용이하게 한다. 펌프는 통상 500kg이 넘는 질량을 가지며 접근 불가능한 위치(예를 들어, 풍력 터빈 설치 타워의 나셀)에 장착될 수 있기 때문에, (점검을 포함한) 정비 및 (교체를 포함한) 보수의 목적으로 내주링에 용이하게 접근하기 위한 수단이 실질적으로 상당한 이점이 있다. 반경방향 내주링의 일부에 접근하기 위해서는 단지 하나 또는 소수의 탈착 가능한 블록이 분리되면 된다. 아울러, 탈착 가능한 블록은 외주링의 통일성을 유지하는데 있어 구조적인 역할을 수행할 수 있고, 외주링의 전체 질량이 다른 경우에서보다 작아질 수 있게 한다.
통상적으로, 장치가 완전히 조립되면, 피스톤들은 이들에 장착된 롤러들을 통해 링 캠에 의해 구동된다. 각각의 실린더 및 그 각각의 피스톤은 함께 링 캠의 회전에 따라 사이클에 따라 변하는 체적을 가진 작동 챔버를 정의한다. 각각의 실린더의 일 단은 통상 조립된 기계 내에서 링 캠을 향해 안내되고, 실린더들은 내주링의 축에서 반경방향으로 멀리 또는 가까이에 연장되거나, 또는 보다 일반적으로는, 내주링의 축에서 반경방향으로 멀리 또는 가까이에 약간의 각도로 연장되어, 마찰에 의해 발생한 접선방향 힘을 견딜 수 있다.
통상적으로, 탈착 가능한 블록들은 반경방향 외부 이동에 의해 탈착 가능하고, 외주링의 주변부로부터 정비를 위한 접근을 용이하게 한다. 바람직하게, 탈착 가능한 블록들은 개별적으로 탈착 가능하다. 따라서, 하나 또는 적은 비율의 탈착 가능한 블록들이 분리되는 동안, 남은 장착된 블록들은 여전히 외주링의 통일성을 지지 및 유지하는데 있어 구조적인 역할을 수행할 수 있다.
축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재들 사이에 탈착 가능하게 지지된 탈착 가능한 블록들은 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재들 사이의 힘을 견디도록 작동할 수 있다.
실제로, 통상 구조 부재들 사이에 작용하는 상당한 힘이 있을 것이고, 탈착 가능한 블록들이 채용되어 이러한 힘을 견딜 수 있다. 이러한 힘은 수직 힘, 축방향 힘 및/또는 비틀림 힘일 수 있다. 구조 부재들 사이의 힘은 구동 샤프트 상에 지지된 기계의 부품들의 중량에 의해 발생한 힘, 피스톤들과 링 캠을 분리시키도록 작용한 반경방향 힘, 사용 중에 링 캠 상의 피스톤 작동에 의한 접선방향 힘을 포함한다. 또한, 구동 샤프트에 부과된 토크에 의해 발생한, 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재들 사이에 작용하는 전단력이 있을 수 있다.
축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재들 중 하나는 이를 통해 유체 작동 기계를 지지부에 결합시키는 결합부를 포함하거나 또는 상기 결합부에 부착될 수 있다.
이 경우, 따라서, (통상 베어링을 통해 구동 샤프트 상에 지지되는 중량 외에도) 유체 작동 기계의 중량이 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재 중 단 하나를 통해 지지될 수 있다. 이는 특히 대략 원환상형의 유체 작동 기계를 지지부에 부착하기 위한 편리한 메커니즘이다. 그러나, 축방향으로 이격된 제2 구조 부재의 중량은 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재 사이의 결합부에 의해 적어도 부분적으로 지지될 것이다. 이는 탈착 가능한 블록들에 의해 지지될 수 있는 또 다른 힘이다.
축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재 사이의 힘을 견디는 탈착 가능한 블록들의 기능은, 탈착 가능한 블록들이 실린더들을 포함하며 사용 중에 프리로드 압력을 가진 작동 유체, 예를 들어 적어도 두 대기압의 압력을 가진 작동 유체를 수용하는 체적을 정의한 실시형태들에서 추가로 이점이 있다. 유리하게, 탈착 가능한 블록들은 사용 중에 작동 챔버들로 공급된 프리로드 압력을 가진 작동 유체를 수용하는 실린더들의 외부에 있을 수 있는 체적을 정의할 수 있다. 작동 챔버들 내부의 최종 압력은 피스톤들을 (통상 캠 롤러들을 통해) 링 캠에 고정하는 압력을 제공하도록 돕는다. 이 경우, 가압 작동 유체는 추가적인 힘을 부과할 수 있고, 이러한 힘은 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재를 따로따로 강제하거나 또는 탈착 가능한 블록들을 반경방향 외부로 강제하도록 작용한다. 이 경우, 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재 사이에 작용한 힘을 견디도록 작동할 수 있는 탈착 가능한 블록들을 제공하는 것은 추가적인 이점이 있다.
그러므로, 제1 및 제2 구조 부재 사이에 작용한 힘을 견디고 실린더들 중 어느 하나 또는 일부 또는 링 캠의 세그먼트를 포함하는 탈착 가능한 블록을 제공함으로써, 상기 하나 또는 일부 실린더 또는 링 캠 세그먼트에 더하여 전술한 힘들 중 일부 또는 전체를 견디는 추가 강화 요소들에 대한 필요성이 감소하거나 없어진다. 그로 인해, 기계의 질량이 다른 경우에서보다 작아질 수 있다.
축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재 중 하나 또는 양자는 내주링의 일부인 복수의 실린더 및 링 캠의 어느 쪽이든 적어도 그 부분까지 반경방향 내부로, 또는 그 부분의 내측으로 연장될 수 있다. 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재 중 하나 또는 양자는 디스크형일 수 있다. 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재는 평행한 디스크일 수 있다.
축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재는 베어링 상에 독립적으로 장착될 수 있다. 구동 샤프트는 축방향으로 이격된 구조 부재들 중 적어도 하나를 관통하여 연장될 수 있다.
구동 샤프트는 축방향으로 이격된 구조 부재들 중 다른 하나를 관통하여 연장되거나 그 내부 또는 그 앞에서 끝날 수 있다. 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재는 통상 내주링의 양 측으로 연장된다. 예를 들어, 내주링이 링 캠을 포함하는 경우, 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재는 통상 링 캠의 양 측에 이격되어, 탈착 가능한 블록들을 링 캠의 주위에 지지한다. 내주링의 일부인 복수의 실린더 및 링 캠의 어느 쪽이든 통상 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재 사이에 위치한다. 실제로, 복수의 실린더 및 링 캠 양자는 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재 사이에 위치할 수 있다.
축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재 및 탈착 가능한 블록들은, 탈착 가능한 블록들을 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재 각각에 축방향 및 반경방향으로 볼트 고정하기 위한 연동 형성부들을 포함할 수 있다.
이는 조립된 구조에서 추가의 기계적인 힘을 제공한다. 축방향 볼트들은 축방향으로 이격된 구조 부재들을 모두 결합시키고, 예를 들어 탈착 가능한 블록들 내부의 프리로드 압력 또는 구조 부재들 중 하나의 중량에 의해 발생한 힘을 견딘다. 반경방향 볼트들은 프리로드 압력에 의해 발생한 전단력을 견딘다. 반경방향 볼트들은 통상 충분한 장력 하에서 적용되어 함께 반경방향 내부로 힘을 제공하고, 상기 힘은 (존재하는 경우) 작동 유체의 프리로드 압력에 의해 예상된, 탈착 가능한 블록들에 작용한 외부 힘, 및 사용 중에 캠 트랙의 회전 동안 피스톤들에 부과된 반경방향 힘을 초과하며, 따라서 반경방향 볼트들은 사용 중에 계속 장력 하에 유지된다.
바람직하게, 각각의 탈착 가능한 블록은, 탈착 가능한 블록을 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재 각각에, 원주방향으로 이격된 적어도 두 위치에서 (통상 대향 단부들에 인접하여) 축방향 및 반경방향으로 볼트 고정하는 연동 형성부들을 포함한다.
축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재 각각은 탈착 가능한 블록들과 맞물리는 반경방향 외면을 구비한 하나 이상의 견부를 포함할 수 있고, 탈착 가능한 블록들은 연동하는 반경방향 내면을 구비한다.
바람직하게, 탈착 가능한 블록의 적어도 일부 실린더들 또는 링 캠의 세그먼트는 탈착 가능한 블록의 몸체에 장착되고(이는 이후에 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재에 탈착 가능하게 장착될 수 있음), 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재에 직접 장착되지 않는다. 이는 탈착 가능한 블록들의 분리를 용이하게 한다.
견부들은 통상 각각의 축방향으로 이격된 구조 부재 주위에 링으로 연장된다. 견부들은 통상 축방향으로 이격된 구조 부재들의 원주에 위치하거나 또는 이에 인접하여 위치한다. 견부들은 탈착 가능한 블록들을 위치 결정하고, 특히 장착된 블록과 링 캠 사이의 거리를 정의하는 역할을 할 수 있다. 견부들은 탈착 가능한 블록들을 구조 부재들에 반경방향으로 볼트 고정하는 고정구(예를 들어, 볼트 홀)를 포함할 수 있다. 축방향으로 이격된 제1 및/또는 제2 구조 부재는 원형일 수 있고, 원주방향 견부들은 축방향으로 이격된 제1 또는 제2 구조 부재의 외부 반경보다 작은 반경일 수 있다.
탈착 가능한 블록들은 상기 하나 이상의 실린더를 포함하는 실린더 블록일 수 있고, 내주링은 링 캠을 포함할 수 있다. 이 경우, 링 캠은 복수의 링 캠 세그먼트(이들 각각은 링 캠의 캠면의 일부를 포함함)를 포함할 수 있고, 다른 경우라면 각각의 링 캠 세그먼트를 덮는 상기 또는 각각의 실린더 블록이 탈착될 때, 상기 링 캠 세그먼트들은 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재 사이에서 반경방향 외부로 개별적으로 분리 가능하다. 따라서, 실린더 블록들이 반경방향 외부로 분리될 수 있을 뿐만 아니라, 링 캠 세그먼트들이 반경방향 외부로 개별적으로 분리될 수 있다. 그러므로, 링 캠은 전체 링 캠을 노출시킬 필요 없이 개별 링 캠 세그먼트의 분리에 의해 정비 또는 교체될 수 있고, 이러한 전체 링 캠의 노출은 접근 불가능한 위치에 있는 대형 펌프의 경우 어렵고 시간 소모적이다.
탈착 가능한 블록들은 링 캠 세그먼트들을 포함할 수 있다. 이 경우, 내주링은 각각이 하나 이상의 실린더를 포함하는 복수의 실린더 블록을 포함할 수 있고, 이들은 분리된 링 캠 세그먼트에 의해 남겨진 공간을 통해 (통상 반경방향 내부로) 정비를 위해 접근 가능하다.
통상적으로, 외주링은 연속적이다. 통상적으로, 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재는 연속적이다(그리고, 각각은 통상 일체형 구조를 가진다). 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재는 연속적인 실질적으로 원형의 주변부를 구비할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 링 캠은 그 일 측 또는 양 측에 사이드 플레이트를 더 포함한다. 사이드 플레이트들은 링 캠의 원주 주위에서 연장되고, 롤러들(또는 상기 피스톤들과 링 캠 사이의 다른 작동 맞물림 수단)이 링 캠의 파형 면으로부터 (즉, 축방향으로) 슬라이딩하는 것을 방지한다.
통상적으로, 상기 또는 각각의 사이드 플레이트는 링 캠의 원주 주위에서 캠면의 가장자리와 접경한다. 그러므로, 사용 중에, 캠 롤러(또는 다른 캠 맞물림 부재)가 링 캠의 캠면에 대해 편향되고, 적어도 일부 작동 상태에서, 롤러가 각각의 사이드 플레이트의 내면과 접경하며, 사이드 플레이트들은 트랙 또는 트렌치를 정의하되, 링 캠이 캠 롤러에 대해 회전할 때, 캠 롤러는 상기 트랙 또는 트렌치 내에서 움직인다.
따라서, 본 발명의 다른 양상은 유체 작동 기계를 위한 링 캠으로 확장되며, 상기 링 캠은 캠면, 및 그 일 측 또는 양 측의 주위에서 연장되고 링 캠의 원주 주위에서 캠면의 가장자리와 접경하는 사이드 플레이트를 포함한다.
일부 실시형태들에서, 상기 각각의 사이드 플레이트는 캠면으로부터 고정 거리만큼 연장될 수 있다. 그러므로, 파형 캠면을 가진 링 캠의 사이드 플레이트도 파형 외주를 가질 것이다. 일부 실시형태들에서, 상기 각각의 사이드 플레이트는 캠면으로부터 상기 또는 각각의 롤러의 반경보다 작은, 바람직하게 훨씬 작은(예를 들어, 상기 각각의 롤러의 반경의 50% 미만, 25% 미만 또는 10% 미만) 거리만큼 연장된다.
사용 중에, 링 캠이 상기 각각의 롤러에 대해 회전할 때, (캠면의 원주의 주위에서) 롤러면과 캠면의 상대 속도는 ‘0’이다(또는 아주 작다). 캠면에 대한, 그리고 또한 상기 각각의 사이드 플레이트(또는 링 캠에 대해 고정된 임의의 객체 또는 특징부)에 대한 롤러 외면의 속도는 캠면으로부터의 거리에 따라 증가한다.
따라서, 롤러가 사이드 플레이트에 접경할 때는, 롤러와 사이드 플레이트의 상대 속도가 낮은 경우에 그러하다. 그러므로, 롤러는 캠면 상에서 측방향 (즉, 축방향) 이동이 방지되는 한편, 롤러와 사이드 플레이트 사이의 마찰이 최소화된다.
일부 실시형태들에서, 상기 각각의 사이드 플레이트의 외주는 실질적으로 원형이다.
(두 개의 사이드 플레이트를 구비한 링 캠의) 사이드 플레이트들의 대향하는 내면들은 평행하거나 또는 링 캠의 회전축으로부터의 거리에 따라 분기될 수 있다. 바람직하게, 상기 각각의 사이드 플레이트는 상기 각각의 롤러의 측면이 캠면을 만나는 각도(통상, 직각)와 동일한 각도로 캠면을 만난다. 상기 각각의 사이드 플레이트는 상기 롤러로부터 분기될 수 있다(따라서, 사용 중에, 롤러의 측면은 사이드 플레이트와 캠면 사이의 연결부에 인접하여서만 사이드 플레이트와 접촉한다).
링 캠(및 통상 상기 각각의 사이드 플레이트)은, 캠면과 상기 각각의 사이드 플레이트 사이의 연결부를 따라 상기 각각의 사이드 플레이트의 내면의 일부를 가로질러 연장된 접경부를 포함할 수 있다.
접경부는 캠면으로부터 고정 거리만큼 연장될 수 있다. 그러므로, 파형 캠면을 가진 캠의 사이드 플레이트는 파형 접경부를 구비할 것이다.
링 캠의 사이드 플레이트들의 대향하는 내면들 사이의 거리는 사이드 플레이트들과 캠면 사이의 각각의 연결부를 따른 접경부들 사이의 거리보다 크다.
상기 각각의 접경부는 통상 캠면으로부터 상기 또는 각각의 롤러의 반경보다 작은, 바람직하게 훨씬 작은(예를 들어, 상기 각각의 롤러의 반경의 50% 미만, 25% 미만 또는 10% 미만) 거리만큼 연장된다.
사이드 플레이트와 캠면 사이의 연결부를 따라 (상기 또는 각각의 롤러의 반경보다 작은, 바람직하게 훨씬 작은 거리만큼) 상기 사이드 플레이트의 내면의 일부를 가로질러 연장된 접경부는, 적어도 일부 작동 상태에서, 롤러가 캠면과 접촉하고 롤러가 정상 사용 중에 사이드 플레이트와의 직접 접촉이 방지되는 영역(통상 작은 영역)에서 상기 각각의 롤러와 접경할 수 있다.
사용 중에, 링 캠이 상기 각각의 롤러에 대해 회전할 때, (캠면의 원주의 주위에서) 롤러면과 캠면의 상대 속도는 ‘0’이다(또는 아주 작다). 캠면에 대한, 그리고 또한 상기 각각의 사이드 플레이트(또는 링 캠에 대해 고정된 임의의 객체 또는 특징부)에 대한 롤러 외면의 속도는 캠면으로부터의 거리에 따라 증가한다.
따라서, 롤러는, 롤러와 접경부의 상대 속도가 낮은 영역에서 접경부와 접경한다. 그러므로, 롤러는 접경부들에 의해 캠면 상에서 측방향 (즉, 축방향) 이동이 방지되는 한편, 롤러와 사이드 플레이트 사이의 마찰이 최소화된다.
전체 접경부 또는 접경부의 표면 재료는 사이드 플레이트의 재료와 상이한 재료일 수 있다. 접경부는 탄성 또는 저마찰 재료를 포함하거나 또는 상기 재료로 이루어질 수 있다. 접경부는 캠면과 상기 각각의 사이드 플레이트 사이의 연결부를 따라 사이드 플레이트의 표면에 형성된 내구성 및/또는 저마찰 코팅일 수 있다. 접경부는 사이드 플레이트의 재료로 형성될 수 있다. 사이드 플레이트 또는 사이드 플레이트 세그먼트와 접경부가 일체형일 수 있다.
두 개 이상의 링 캠을 구비한 실시형태들에서, 하나의 사이드 플레이트가 두 링 캠의 중간에 위치할 수 있고, 상기 사이드 플레이트는 롤러들이 양측 링 캠으로부터 슬라이딩하는 것을 방지하는 역할을 한다. 대안적으로, 상기 각각의 링 캠은 두 개의 (별개의 공유되지 않는) 사이드 플레이트를 구비할 수 있다.
사이드 플레이트들은 일체형이거나, 또는 다수의 사이드 플레이트 세그먼트를 포함할 수 있다. 그러므로, 각각의 링 캠 세그먼트는 사이드 플레이트 세그먼트(또는 링 캠 세그먼트의 파형 면의 양 측의 두 개의 사이드 플레이트 세그먼트)에 고정될 수 있다. 링 캠은 링 캠 세그먼트의 수와 같은 수 또는 더 적은 수 또는 더 많은 수의 사이드 플레이트 세그먼트를 포함할 수 있고, 이들은 상기 또는 각각의 링 캠의 원주의 각 측의 주위에 배치된다.
사이드 플레이트들(또는 경우에 따라, 사이드 플레이트 세그먼트들)은 볼트(또는 기타 적절한 고정구)에 의해 상기 세그먼트들에 고정될 수 있고, 상기 볼트는 사이드 플레이트(또는 사이드 플레이트 세그먼트)를 관통하여 링 캠 세그먼트 내로 연장되거나 이를 관통한다. 일부 실시형태들에서, 상기 각각의 볼트는 두 개 이상의 사이드 플레이트(또는 그 세그먼트)를 관통하여 두 개 이상의 링 캠의 두 개 이상의 세그먼트 내로 연장되거나 이를 관통한다.
사이드 플레이트 세그먼트들은 캠 세그먼트들로부터 각을 이루며 오프셋될 수 있고, 따라서 각각의 사이드 플레이트는 조립된 링 캠의 두 개 이상의 세그먼트와 중첩되고, 조립된 링 캠에서, 사이드 플레이트 세그먼트들 사이의 접합부는 세그먼트들 사이의 접합부와 정렬되거나 중첩되지 않는다. 이러한 중첩은 캠 세그먼트들을 축방향으로 (즉, 샤프트에 대해) 정렬하는 데에 사용될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 사이드 플레이트들은 샤프트에 고정되거나 또는 밸브들 및 작동 챔버들에 대해 고정될 수 있고, 따라서 캠 세그먼트들이 사이드 플레이트들 사이에서 이동한다.
일부 실시형태들에서, 사이드 플레이트 세그먼트들은 반경방향 외부로 분리 가능할 수 있다. 통상적으로, (상기 링 캠 세그먼트의 일 측 또는 양 측에서) 하나 이상의 사이드 플레이트 세그먼트에 고정된 상기 각각의 링 캠 세그먼트는 (링 캠 세그먼트 및 이에 고정된 하나 이상의 사이드 플레이트 세그먼트를 포함한) 링 캠 세그먼트 조립체로서 반경방향 외부로 분리 가능하다.
본 발명은 링 캠 세그먼트 및 이에 고정된 하나 이상의 사이드 플레이트 세그먼트를 포함하는 링 캠 세그먼트 조립체로 확장된다. 상기 각각의 사이드 플레이트 세그먼트의 바람직한 선택적인 특징들은 본원에 개시된 사이드 플레이트들의 바람직한 선택적인 특징들에 대응한다.
통상적으로, 하나 이상의 유체 매니폴드(예를 들어, 펌핑된 유체를 하중에 전달하는 고압 매니폴드)는 축방향으로 이격된 구조 부재들 중 적어도 하나를 통해 연장된다. 그러므로, 축방향으로 이격된 구조 부재들 중 적어도 하나는 통상 상기 작동 챔버들로부터 작동 유체를 받기 위한 복수의 포트를 포함한다. 상기 각각의 포트에 대해, 실린더 블록들로부터 포트를 통과하는 유체의 누출을 방지하기 위해 통상 시일이 구비된다. 포트들 중 어느 하나 또는 양자가 통상 역류방지 밸브를 포함한다.
축방향으로 이격된 구조 부재들 중 적어도 하나(통상 상기 견부)는 작동 유체를 받기 위한 하나 이상의 포트를 포함할 수 있고, 여기서 상기 각각의 실린더 블록은 작동 유체를 배출하기 위한 하나 이상의 연동 포트를 포함하고, 상기 포트들 중 어느 하나 또는 양자는 시일을 포함하고, 여기서 상기 포트들 및 상기 또는 각각의 시일은 반경방향 내면 또는 외면에 위치한다.
상기 또는 각각의 시일에 상당한 마찰을 부과함 없이, 탈착 가능한 블록들이 장착 및 탈착 과정 중에 축방향 면들에 대해 반경방향 내부 또는 반경방향 외부로 슬라이딩할 수 있기 때문에, 상기 포트들 및 상기 또는 각각의 시일이 축방향 면에 위치한 경우에서보다 시일의 파손 위험이 낮다. 이는 상기 또는 각각의 시일이 이와 결합된 포트를 포함하는 표면에 있는 경우에 특히 해당된다.
유체 작동 기계는 복수의 매니폴드, 및 각각이 작동 챔버와 매니폴드 사이의 유체 유동을 조절하도록 작동 가능한 복수의 밸브를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 작동 챔버와 매니폴드 사이에서 유체 유동을 조절하기 위해 포트 플레이트만을 채용한 기계와는 대조적으로, 밸브들을 채용하여 작동 챔버와 매니폴드 사이에서 유체 유동을 조절하는 기계에서, 실린더들이 고정되고 링 캠이 회전하는 것이 특히 유리하다.
유체 작동 기계는 예를 들어 각각의 작동 챔버와 저압 매니폴드 사이에서 유체 유동을 조절하는 체크 밸브, 및 각각의 작동 챔버와 고압 매니폴드 사이에서 유체 유동을 조절하는 체크 밸브 중 어느 하나 또는 양자를 구비한 유체 작동 펌프일 수 있다.
각각의 작동 챔버와 결합된 적어도 하나의 밸브는 능동 제어 밸브일 수 있다. 통상적으로, 각각의 작동 챔버와 결합된 적어도 하나의 밸브는 전자 제어 밸브일 수 있다. 전자 제어 밸브는, 능동 개방, 능동 폐쇄, 압력 차에 반한 능동 개방 상태 유지, 및 압력 차에 반한 능동 폐쇄 중 하나 이상이 될 수 있는 밸브를 나타낸다. 전자 제어 밸브들은 일부 상황에서만 능동 제어될 수 있고, 다른 상황에서는 수동 개방 또는 폐쇄될 수 있다.
유체 작동 기계는 제어기를 포함할 수 있고, 각각의 작동 챔버와 결합된 적어도 하나의 밸브는 사이클 별로 각각의 작동 챔버에 의한 작동 유체의 순 변위를 선택하도록 작동 챔버 체적의 사이클과의 위상 관계에 따라 제어기에 의해 제어 가능한 능동 제어 밸브일 수 있다. 유체 작동 기계는 예를 들어 EP 0 361 927호에 공지되어 있고, 이는 작동 챔버 체적의 사이클과의 위상 관계에 따라 전자 제어 ‘저압’ 포핏 밸브들을 개방하고/하거나 폐쇄함으로써 멀티-챔버 펌프를 통한 유체의 순 처리량을 제어하여, 펌프의 개별 작동 챔버와 저압 매니폴드 사이의 유체 연통을 조절하는 방법을 개시하였다. 결과로, 개별 챔버는 소정의 고정 체적의 유체를 변위시키도록 또는 유체의 순 변위가 없는 유휴 사이클을 수행하도록 제어기에 의해 사이클 별로 선택 가능하고, 그로 인해 펌프의 순 처리량이 동적으로 요구에 부합하도록 할 수 있다.
EP 0 494 236호는 이러한 원리를 발전시키고, 개별 작동 챔버와 고압 매니폴드 사이의 유체 연통을 조절하여 대안적인 작동 모드에서 펌프 또는 모터로 작동하는 유체 작동 기계의 제공을 용이하게 한 전자 제어 ‘고압’ 포핏 밸브들을 포함시켰다. EP 1 537 333호는 부분 사이클의 가능성을 도입하여, 개별 작동 챔버의 개별 사이클이 유체의 복수의 상이한 체적 중 임의의 체적을 변위시키게 하여 요구에 더 잘 부합하도록 하였다. 이러한 유형의 유체 작동 기계의 복잡성으로 인해, 특히 유리하게, 본 발명은 회전 링 캠을 가진 시스템을 제공하여 능동 제어 밸브들이 사용 중에 실질적으로 정지 상태로 유지될 수 있게 한다.
내주링 및 외주링은 상기 링들의 상대 반경방향 위치를 나타낸다. 실린더 또는 링 캠을 구비한 다른 링이 구비될 수 있다. 예를 들어, 펌프는 하나는 외부를 향하고 다른 하나는 내부를 향하는 두 개의 링 캠을 포함할 수 있고, 이들 각각은 복수의 반경방향으로 연장된 실린더를 구동한다. 어느 하나의 링이 복수의 링 캠을 포함할 수 있고, 복수의 실린더가 축방향으로 이격된 복수의 링에 배치될 수 있다. 또 다른 탈착 가능한 블록들이 상기 탈착 가능한 블록들의 반경 외부에 구비될 수 있고, 부품들의 세 개 이상의 동심 링들은 반경방향 외부로 분리될 수 있다.
본 발명의 제2 양상은 본 발명의 제1 양상에 따른 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계를 형성하도록 조립될 수 있는 부품 키트로 확장된다.
본 발명의 제3 양상은 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계 섀시로 확장되며, 상기 섀시는 내주링 및 내주링 주위의 (통상 동심의) 외주링으로, 내주링 및 외주링 중 하나는 회전 가능한 링 캠 지지 형성부(예를 들어, 링의 외주 또는 내주를 각각 포함할 수 있고, 내주링의 경우, 일부 실시형태들에서 회전 가능한 링 캠이 이에 일시적 또는 영구적으로 결합될 수 있음)를 포함하고, 다른 하나는 각각의 링 주위에 원주방향으로 이격된, 반경방향으로 연장된 실린더들을 지지하는 복수의 장착부(내주링의 경우, 실린더들이 그 내부에 영구적 또는 일시적으로 지지될 수 있음)를 포함하는 것인 내주링 및 외주링; 및 링 캠 지지 형성부를 구동 샤프트에 결합시키는 결합부(구동 샤프트와 링 캠 지지 형성부가 일체형인 경우, 영구 결합부일 수 있음)를 포함하며, 외주링은 복수의 탈착 가능한 블록을 탈착 가능하게 지지하기 위한 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재를 포함하고, 상기 복수의 탈착 가능한 블록들 각각은 상기 복수의 실린더들 중 적어도 일부 또는 링 캠의 세그먼트를 각각 포함하여 상기 하나 이상의 실린더를 링 캠의 일부에 대해 대향 관계로 위치 결정하여, 실린더 내부에 슬라이딩 가능하게 장착된 피스톤들이 링 캠에 의해 (선택적으로, 캠 롤러와 같은 하나 이상의 다른 부품을 통해) 구동될 수 있게 한다.
본 발명의 제2 및 제3 양상의 다른 바람직한 선택적인 특징들은 본 발명의 제1 양상에 대해 설명된 바람직한 선택적인 특징들에 대응한다.
또한, 본 발명의 제4 양상은 본 발명의 제1 양상에 따른 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계, 및 구동 샤프트에 장착된 복수의 블레이드를 포함하여 블레이드들이 회전함에 따라 링 캠에 토크를 전달하는 터빈을 포함하는 터빈 조립체로 확장된다.
터빈 조립체는 풍력 터빈 조립체일 수 있다. 통상적으로, 풍력 터빈 조립체는 타워를 포함하고, 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계는 타워 내부에 장착된다. 타워는 해면에 장착될 수 있고, 또는 부유하여 해면에 계류될 수 있다. 본 발명은 다른 경우라면 정비를 위한 펌프 접근이 힘들었을 위치에 특히 적용 가능하다. 그러나, 터빈 조립체는 흐르는 유체, 예를 들어 조류 흐름 또는 수력 발전소의 도관을 통해 또는 강에서 흐르는 물로부터 에너지를 받기 위한 터빈을 포함할 수 있다. 본 발명은 (구동 샤프트를 통해) 터빈에 의해 구동되는 펌프로 작동 가능한 본 발명의 제1 양상에 따른 유체 작동 기계를 포함하는 풍력 터빈 나셀로 확장된다.
유체 작동 기계의 구동 샤프트 및 터빈의 회전 샤프트 각각은 사용자가 구동 샤프트를 통해 터빈 블레이드들의 내부에 접근할 수 있도록 중공형으로 서로 연통될 수 있다.
본 발명의 제3 양상에 따르면, 본 발명의 제1 양상에 따른 가변 변위 기계 또는 본 발명의 제2 양상에 따른 터빈 조립체의 정비 방법이 제공되고, 상기 방법은 탈착 가능한 블록을 분리하고, (a) 탈착 가능한 블록을 정비하고 정비된 탈착 가능한 블록을 다시 장착하는 단계, (b) 탈착 가능한 교체용 블록을 탈착된 블록의 위치에 장착하는 단계, 및 (c) 탈착된 블록에 의해 남겨진 공간을 통해 내주링의 일부를 정비하는 단계 중 하나 이상을 수행하는 단계를 포함한다.
정비는 부품들의 검사, 보수, 교체를 포함한다. 탈착 가능한 블록은 축방향으로 이격된 구조 부재들로부터 통상 반경방향으로 분리된다. 탈착된 블록에 의해 남겨진 공간을 통해 내주링의 일부를 정비하는 단계는, 내주링의 일부(예를 들어, 내주링이 링 캠을 포함하는 경우, 링 캠 부분)를 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
분리되는 내주링의 일부는 반경방향으로 분리될 수 있다. 다음으로, 분리된 부분은 검사, 보수 또는 교체될 수 있다. 이후, 탈착된 블록 또는 탈착된 교체용 블록은 다시 적소에 장착된다.
도 1은 본 발명에 따른 유체 작동 기계를 포함한 풍력 터빈의 나셀의 부품들의 등각 투영도이다.
도 2는 조립된 유체 작동 기계, 및 (상이한 축척으로) 내부 부품들이 보이도록 하우징이 분리된 유체 작동 기계의 등각 투영도이다.
도 3은 하우징 없이 두 개의 실린더 블록이 분리된 유체 작동 기계의 등각 투영도이다.
도 4는 하우징 없이 두 개의 실린더 블록 및 링 캠 세그먼트가 분리된 유체 작동 기계의 등각 투영도이다.
도 5는 유체 작동 기계의 부품들의 분해 등각도이다.
도 6은 후방 단부 플레이트가 분리된 유체 작동 기계의 부품들의 일부 절개 측면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 유체 작동 기계의 반경방향 횡단면의 개략도이다.
도 8은 터빈 샤프트에 결합부가 추가된 점을 제외하고 도 7과 동일하다.
도 9는 유체 유동을 조절하는 밸브들 및 유체 작동 기계의 작동 챔버의 개략도이다.
도 10은 사용 중에 링 캠의 회전축에 수직인 링 캠 세그먼트 조립체의 횡단면도이다.
도 11은 사용 중에 링 캠의 회전축에 평행한 링 캠 세그먼트 조립체의 횡단면도이다.
이하, 본 발명의 예시적인 실시예가 풍력 터빈용 펌프를 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 본 발명에 따른 유체 작동 기계는 다수의 대안적인 응용을 위해 사용될 수 있다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, (가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계의 일 예인) 가변 변위 레이디얼 피스톤 펌프(1)는 풍력 터빈의 나셀(2)에서의 응용에 적합한 크기와 구성을 가지며, 여기서 터빈(4)에 의해 구동된다. 터빈은 터빈 샤프트(6)를 통해 펌프의 중공 구동 샤프트(8)에 연결된다. 출력 가압 유체를 사용하여 모터들(10)과 발전기들(12)을 구동한다. 펌프는 장착 플레이트(16)를 통해 섀시(14)에 연결된다. 펌프의 구동 샤프트는 중공이기 때문에 편리한 유로를 제공하고, 사용자가 다른 부품들의 정비 및 보수를 수행하기 위해, 예를 들어 풍력 터빈 블레이드들에 접근하기 위해 이를 통과할 수 있다.
펌프는 정비와 보수를 위해 내부 부품들이 보이도록 축방향으로 슬라이딩할 수 있는 하우징(20)과 제1 및 제2 단부 플레이트(18A, 18B)를 포함한다. 펌프는 구동 샤프트를 통해 연장된 축을 중심으로 대략 회전 대칭이다. 이 실시예에서, 펌프는 질량 및 크기를 최소화하기 위해 대략 드럼형이다. (후술하는) 실린더들의 배치는 대략 원형이어야 하지만, 펌프의 외주 형상은 그 기능에 있어 덜 중요하다.
펌프는 전체가 도면 부호 ‘21’로 표시된 내주링을 포함하고, 상기 내주링은, 함께 링 캠을 형성하는 복수의 파형 링 캠 세그먼트(23)가 사용 중에 탈착 가능하게 고정된 원환상형 링 캠 지지부(22)를 포함한다. 링 캠은 멀티-로브형이고, 이 실시예에서는 두 개의 링 캠이 서로 인접하며 축방향으로 이격된 상태로 링 캠 지지부에 장착된다.
펌프는 전체가 도면 부호 ‘24’로 표시된 외주링을 더 포함하고, 상기 외주링은 베어링들(28)을 통해 구동 샤프트(26)에 독립적으로 장착된 제1 및 제2 단부 플레이트(18A, 18B), 및 복수의 탈착 가능한 실린더 블록(30)을 포함한다. 구동 샤프트는 제1 및 제2 단부 플레이트 양자를 관통하여 연장되고, 단부 플레이트들은 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재 역할을 한다. 외주링은 연속적이다.
실린더 블록들은 도 7의 횡단면도에 도시된다. 각각은 피스톤(34)이 내부에 슬라이딩 가능하게 장착된 복수의 실린더(32)를 포함한다. 각각의 실린더 내부에서, 사이클에 따라 변하는 체적의 작동 챔버(36)가 피스톤 및 실린더의 내면에 의해 정의된다. 각각의 피스톤은 링 캠과 맞물려 구동되는 롤러(38)에 장착된다.
제1 및 제2 단부 플레이트 각각은 원형 견부(40A, 40B)를 포함하고, 상기 견부는 제1 및 제2 단부 플레이트의 외주부에 인접하지만 그 내부에 한정되어, 각각의 단부 플레이트 주위에 연장된다. 각각의 실린더 블록은 원형 견부 상에 탈착 가능하게 지지된다. 이는 각각의 실린더와 링 캠 사이의 거리를 정의하고 구조적인 강도를 제공한다. 각각의 실린더 블록은, 단부 플레이트들의 개구들 및 실린더들 사이로 실린더 블록을 관통하여 연장된 축방향 볼트들(42), 및 실린더 블록의 개구들을 통해 원형 견부들 내부로 연장된 반경방향 볼트들(44)에 의해 적소에 장착된다. 통상적으로, 축방향 볼트는 각각의 실린더 블록의 각각의 원주방향으로 이격된 단부를 향해 구비되고, 한 쌍의 반경방향 볼트(단부 플레이트마다 하나)는 각각의 실린더 블록의 각각의 원주방향으로 이격된 단부를 향해 제공된다.
외부 하우징과 실린더 블록들 사이의 체적은 펌프에 공급될 유압 유체를 받는 저압 매니폴드(46) 역할을 한다. 저압 매니폴드의 유체는 수 대기압의 프리로드 압력을 가진다. 이는 피스톤들을 링 캠에 대해 강제하도록 돕는다. 작동 유체가 도관(48) 및 전자 제어 밸브(50)를 통해 이 공동으로부터 각각의 작동 챔버로 공급된다. 다른 도관(52)이 체크 밸브(54)를 통해 유체를 받는 고압 매니폴드의 일부로 기능한다. 도관은 실린더 블록을 통해 연장되고, 제2 단부 플레이트의 견부와 실린더 블록의 포트들을 통해 반경방향 내부로 연장되어, 다른 출력 고압 유체용 도관들(56)로 연장된다. 각각의 연동 포트 쌍 중 적어도 하나가 시일을 구비한다. 제2 단부 플레이트는 고압 유체를 유압 모터와 같은 하중에 전달하는 유출 포트들(미도시)을 포함하고, 이후 유압 모터는 발전기를 구동한다.
조립된 기계에서, 실린더 블록들은 피스톤 실린더들을 위한 하우징 역할을 할 뿐만 아니라 구조적 통일성을 제공한다. 이들은 제1 및 제2 단부 플레이트 양자와 동일한 높이에 있고, 각각의 원주방향으로 이격된 단부는 사용 중에 축방향 및 반경방향으로 적소에 볼트 결합된다. 그러므로, 실린더 블록들은 사용 중에 단부 플레이트들 사이에 작용한 힘, 예를 들어 제1 단부 플레이트에만 부착된 장착 플레이트를 통해 주로 지지되는 펌프의 중량에 의해 발생한 힘, 및 구동 샤프트를 통해 그리고 피스톤들 상에 작용한 힘에 의해 발생한 비틀림 힘을 견딜 수 있으며, 반경방향으로 직접 연장되지 않지만 약간의 각도로 연장된다. 반경방향 볼트들은 또한 저압 매니폴드 내부의 프리로드 압력과 피스톤 상에 작용한 링 캠의 외력에 의해 발생한 실린더 블록들 상의 외력을 견디도록 작용한다.
(점검을 포함한) 정비 및 보수를 위해, 하우징은 도 2에 도시된 바와 같이 축방향으로 분리되고, 실린더 블록들이 노출된다. 하나 또는 소수의 실린더 블록이 도 3에 도시된 바와 같이 반경방향으로 분리될 수 있고, 링 캠면을 포함하는 내주링이 드러나며, 반경방향으로 접근될 수 있다. 통상적으로, 단지 하나 또는 소수의 실린더 블록이 즉시 탈착될 것이다. 실제로, 이들의 구조적 역할로 인해, 펌프가 적소에 장착된 동안, 소정의 수 이상의 실린더 블록을 동시에 분리하는 것이 가능하지 않을 수 있다. 다음으로, 실린더 블록 및 밸브, 피스톤 등과 같은 그 부품이 정비 및 보수될 수 있고, 이후 동일한 실린더 블록 또는 교체용 실린더 블록으로 교체될 수 있다.
하나 이상의 실린더 블록이 분리된 동안, 내주링이 정비될 수 있다. 링 캠의 세그먼트들은 도 4에 도시된 바와 같이 반경방향으로 분리되거나 제자리에서 정비 및 보수될 수 있고, 이후 필요에 따라 정비, 보수 또는 교체될 수 있다.
링 캠은 (링 캠의 적어도 일 측, 바람직하게 양 측에) 사이드 플레이트들(120)을 더 포함하고, 상기 사이드 플레이트들은 링 캠의 원주 주위에 연장되고, 롤러들(38)이 링 캠의 파형 면으로부터 슬라이딩하는 것을 방지한다. 두 개 이상의 링 캠을 구비한 실시형태들에서, 하나의 사이드 플레이트가 두 링 캠의 중간에 위치할 수 있고, 롤러들이 양측 링 캠으로부터 슬라이딩하는 것을 방지하는 역할을 한다. 대안적으로, 두 개 이상의 링 캠들 각각은 도 1 내지 도 10의 유체 작동 기계에 도시된 바와 같이 별개의 사이드 플레이트들을 구비할 수 있다.
사이드 플레이트들은 일체형이거나 또는 도 4 및 도 10에 가장 명확히 도시된 바와 같이 세그먼트형일 수 있다. 도 1 내지 도 10에 도시된 실시형태들에서, 각각의 링 캠 세그먼트가 사이드 플레이트 세그먼트(124)(및 통상 세그먼트의 파형 면의 양 측의 두 개의 사이드 플레이트 세그먼트)에 고정된다. 대안적인 실시형태들에서, 링 캠 세그먼트의 수보다 더 적은 수 또는 더 많은 수의 사이드 플레이트 세그먼트가 있을 수 있고, 이들은 상기 또는 각각의 링 캠의 원주의 각 측의 주위에 배치된다.
사이드 플레이트들은 크로스 볼트 홀들을 통해 연장된 볼트들(122)에 의해 세그먼트(23)에 고정된다. 볼트들 각각은 두 개 이상의 링 캠을 관통하여 연장될 수 있다.
사이드 플레이트 세그먼트들은 캠 세그먼트들로부터 각을 이루며 오프셋될 수 있고, 따라서 각각의 사이드 플레이트는 조립된 링 캠의 두 개 이상의 세그먼트와 중첩된다. 그러므로, 조립된 링 캠에서, 사이드 플레이트 세그먼트들 사이의 접합부가 세그먼트들 사이의 접합부와 정렬되거나 중첩되지 않고, 이러한 중첩은 (예를 들어, 조립 및 정비 동안, 또는 사용 중에 힘이 파형 면에 인가될 때 인접한 링 캠 세그먼트들의 서로에 대한 이동에 의해 초래되는 마모를 줄이기 위해) 캠 세그먼트들을 축방향으로 (즉, 샤프트에 대해) 정렬하는 데에 사용될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 사이드 플레이트들은 샤프트에 고정되거나 밸브들 및 작동 챔버들에 대해 고정될 수 있고, 따라서 캠 세그먼트들이 사이드 플레이트들 사이에서 이동한다.
도 10 및 도 11에 가장 잘 도시된 바와 같이, 사이드 플레이트들은 접경 스트립들(126)을 더 포함하고, 적어도 그 표면이 사이드 플레이트들과 캠면 사이의 연결부를 따라 연장된 탄성 및 저마찰 재료, 예를 들어 통상 PTFE 및/또는 청동면을 포함하는 건성 슬라이딩 베어링 재료로 이루어진다. 스트립들은 (롤러(36)의 반경에 비해) 단지 작은 거리만큼 캠면으로부터 연장된다. 사용 중에, 롤러는, 롤러와 사이드 플레이트의 상대 속도가 낮은 경우, 롤러와 캠면 사이의 접촉점에 인접하여 스트립들(126)과 접경하고, 그로 인해 사이드 플레이트에 대한 롤러의 속도가 더 높은 경우, 사이드 플레이트의 내면(128)과의 접촉이 방지된다. 따라서, 롤러는 캠면 상에서 측방향 (즉, 축방향) 이동이 방지되는 한편, 롤러와 사이드 플레이트 사이의 마찰이 최소화된다.
도 5는 펌프의 부품들을 도시한 분해도이다. 일부 실시형태들에서, 실린더 블록들의 구조적 역할로 인해, 펌프의 장착 시에 도시된 수의 실린더 블록을 동시에 분리하는 것이 통상 바람직하지 않거나 가능하지 않을 것이다. 그러나, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 단부 플레이트가 축방향으로 분리 가능하여, 전체 펌프를 탈착할 필요 없이 필요에 따라 베어링들에 접근하여 정비, 보수 또는 교체할 수 있다. 이는 펌프의 질량이 크레인 또는 기타 대형 리프팅 기어를 필요로 할 정도로 큰 반면에, 제2 단부 플레이트 및 실린더 블록들과 같은 개별 부품은 비교적 소형 리프팅 기어로 분리 가능할 수 있기 때문에 매우 유리하다.
통상적으로, 실린더 블록들은 리프팅 장치를 이용하여 외주링으로부터 반경방향으로 분리된다. 실린더 블록들은 장착될 때 축방향 및 반경방향 볼트에 의해 적소에 고정되고, 반경방향 볼트는 사용 중에 예상된 최대 외력을 초과하는 힘을 부과할 정도의 장력을 받고, 따라서 정상 작동 전체에 걸쳐 장력 하에 유지된다. 실린더 블록들이 반경방향으로 분리되기 때문에, 고압 유체를 제2 단부 플레이트에 전달하는 시일은 실린더 블록들의 내향 이동에 의해서만 압축되고, 전단력을 받지 않는다. 이 때, 실린더 블록들이 장착 및 탈착 중에 슬라이딩하는 축방향 면에 시일이 있다면, 전단력이 발생했을 것이다.
따라서, 본 발명은, 대형 풍력 발전과 같은 응용에 필요한 유체 작동 기계의 상당한 질량에도 불구하고, 풍력 터빈 타워의 나셀과 같이 접근이 어려운 위치에서 용이하게 정비 가능한 유체 작동 기계를 제공하였다.
도 1 내지 도 7에 도시된 실시예는 탈착 가능한 실린더 블록들을 포함하지만, 외주링이 링 캠을 포함하고 내주링이 실린더들을 포함하는 것이 가능할 것이다. 이 경우, 링 캠의 하나 이상의 평행한 세그먼트를 포함하는 탈착 가능한 링 캠 블록들이 제1 및 제2 단부 플레이트 사이에 탈착 가능하게 지지될 것이다. 하나 또는 수 개의 링 캠 블록을 분리함으로써 내주링에 접근할 것이고, 실린더들이 반경방향 접근 통로에 의해 정비, 보수, 교체를 위해 노출된다. 다시, 실린더는, 탈착된 링 캠 블록들에 의해 남겨진 제1 및 제2 단부 플레이트 사이의 공간을 통해 반경방향으로 분리 가능하게, 탈착 가능한 블록들 내에 구비될 수 있다.
다른 특징이 도 8에 도시된다. 펌프의 구동 샤프트(72)는 하나 이상의 축방향 볼트(70)에 의해 터빈 샤프트(74)에 편리하게 부착된다. 계면(76)은 면 스플라인, 키 또는 기타 결합부를 포함하거나 또는 마찰 구동부일 수 있다. 이는 예를 들어 수축 디스크 또는 플랜지 플레이트를 이용하여 펌프 구동 샤프트를 입력 샤프트에 결합시키는 통상의 배치보다 훨씬 더 실용적이다. 특히, 펌프는 상당한 축방향 인출 거리를 요구함 없이, 복잡한 차동 열팽창 기술 및 장비를 사용함 없이 매우 낮은 힘으로 터빈 샤프트에서 탈착될 수 있다. 사용 중에, 펌프의 중량의 일부는 통상 구동 샤프트 상에, 그리고 그로 인해 주축 베어링(78) 상에 지지되지만, 장착 플레이트가 정비가 필요한 경우 축방향 볼트들을 분리할 수 있을 정도의 추가적인 지지를 제공한다.
도시된 실시예는 레이디얼 피스톤 펌프이지만, 유체 작동 기계는 대안적으로 레이디얼 피스톤 모터, 또는 대안적인 작동 모드에서 펌프 또는 모터로 작동 가능하거나 동시에 양자로 작동 가능한 장치(일부 작동 챔버는 모터링을, 다른 작동 챔버는 펌핑을 수행함)일 수 있다.
다양한 유형의 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계가 공지되어 있고, 본 발명은 이러한 유형의 기계들 중 다수에 적용 가능하다. 그러나, 유체 작동 기계는, 작동 챔버 체적의 각각의 연속하는 사이클에서 개별 체적 사이클 동안 작동 챔버들에 의해 변위될 체적을 선택하도록 작동 가능한 유체 작동 기계일 수 있다. 도 9는 적절한 제어 장치의 개략도를 도시한다. 개별 작동 챔버(31)는 실린더(32)의 내면 및 피스톤(34)에 의해 정의된 체적을 가지며, 상기 피스톤은 롤러(32)를 통해 링 캠(26)으로부터 구동되고, 실린더 내부에서 왕복운동하여 작동 챔버의 체적을 사이클에 따라 변화시킨다. 작동 챔버 내부의 압력 또는 대안적으로 스프링(미도시)이 롤러를 링 캠과 접촉 상태로 유지한다. 샤프트 위치/속도 센서(60)는 샤프트의 순간 각위치 및 회전 속도를 측정하고, 전기적 연결(64)을 통해 제어기(62)에 알리며, 이는 제어기가 각각의 개별 작동 챔버의 사이클의 순간 위상을 판단할 수 있게 한다. 제어기는 일반적으로 사용 중에 저장 프로그램을 실행하는 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러이다.
작동 챔버는 저압 밸브(LPV)를 전자 작동식 면-실링 포핏 밸브(44)의 형태로 포함하며, 상기 밸브는 작동 챔버의 내부를 향하고, 작동 챔버로부터 저압 매니폴드(46)로 연장된 채널을 선택적으로 실링하도록 작동 가능하고, 상기 저압 매니폴드는 통상 사용 중에 (펌핑 모드에서) 유체의 순 소스 (또는 모터링의 경우, 싱크) 역할을 한다. LPV는 상시 개방형 솔레노이드 폐쇄형 밸브로, 흡입 행정 동안 작동 챔버 내부의 압력이 저압 매니폴드 내부의 압력보다 작을 때 수동적으로 개방되어 작동 챔버를 저압 매니폴드와 유체 연통되게 하지만, 제어기의 능동 제어에 의해 LPV 제어 라인(66)을 통해 선택적으로 폐쇄 가능하여 작동 챔버를 저압 매니폴드와 유체 연통 해제되게 한다. 상시 폐쇄형 솔레노이드 개방형 밸브와 같은 대안적인 전자 제어 밸브가 채용될 수 있다.
작동 챔버는 고압 밸브(HPV; 54)를 압력 작동식 송출 밸브의 형태로 더 포함한다. HPV는 작동 챔버로부터 외부를 향하고, 작동 챔버로부터 고압 매니폴드(52, 56)로 연장된 채널을 실링하도록 작동 가능하고, 상기 고압 매니폴드는 사용 중에 유체의 순 소스 또는 싱크 역할을 한다. HPV는 작동 챔버 내부의 압력이 고압 매니폴드 내부의 압력을 초과할 때 수동적으로 개방되는 상시 폐쇄형 압력 개방 체크 밸브 역할을 한다. HPV는 또한 상시 폐쇄형 솔레노이드 개방 체크 밸브 역할을 할 수 있다. 일단 HPV가 작동 챔버 내부의 압력에 의해 개방되면, 제어기는 HPV 제어 라인(68)을 통해 선택적으로 이를 개방 상태로 유지할 수 있다. HPV는 고압 매니폴드에 압력이 존재하지만 작동 챔버에 압력이 존재하지 않을 때 제어기의 제어에 의해 개방 가능하거나, 또는 부분적으로 개방 가능할 수 있다.
중요하게는, 제어기는 예를 들어, EP 0 361 927호, EP 0 494 236호, EP 1 537 333호에 공지된 방식으로 사이클 별로 주 저압 밸브를 폐쇄할 것인지 또는 개방 상태로 유지할 것인지를 판단할 뿐만 아니라, LPV와 HPV가 폐쇄되어야 한다고 판단한 사이클 동안 LPV와 HPV의 정확한 폐쇄 위상을 가변 작동 챔버 체적에 대해 변화시키고, 그로 인해 고압 매니폴드(52, 56) 또는 저압 매니폴드(46)로의/로부터의 유체의 시평균 순 변위를 결정하도록 작동 가능하다.
본원에 설명된 발명의 범위 내에서 추가 변경 및 수정이 이루어질 수 있다.

Claims (26)

  1. 내주링 및 내주링 주위의 외주링으로, 내주링 및 외주링 중 하나는 회전 가능한 링 캠을 포함하고, 다른 하나는 각각의 링 주위에 원주방향으로 이격된 복수의 반경방향으로 연장된 실린더를 포함하고, 각각의 실린더는 내부에 피스톤이 왕복운동 가능하게 장착된 것인 내주링과 외주링; 및
    링 캠에 결합된 구동 샤프트를 포함하며,
    외주링은 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재, 및 그 사이에 탈착 가능하게 지지될 수 있는 복수의 탈착 가능한 블록을 포함하고, 복수의 탈착 가능한 블록들 각각은 상기 복수의 실린더들 중 적어도 일부 또는 링 캠의 세그먼트를 포함하고, 상기 각각의 블록은 상기 하나 이상의 실린더를 링 캠의 일부에 대해 대향 관계로 위치 결정하도록 장착 가능하여, 피스톤들이 링 캠에 의해 구동될 수 있게 하고, 접근을 위해 내주링을 노출시키도록 탈착 가능한 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  2. 제1항에 있어서, 탈착 가능한 블록들은 개별적으로 탈착 가능한 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 탈착 가능한 블록들은 반경방향 외부 이동에 의해 탈착 가능한 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 탈착 가능한 블록의 적어도 일부 실린더들 또는 링 캠의 세그먼트는 탈착 가능한 블록의 몸체에 장착되고, 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재에 직접 장착되진 않는 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  5. 제1항에 있어서, 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재들 사이에 탈착 가능하게 지지된 탈착 가능한 블록들은 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재들 사이의 힘을 견디는 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서, 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재들 중 하나는 이를 통해 유체 작동 기계를 지지부에 결합시키는 결합부를 포함하거나 또는 상기 결합부에 부착된 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재는 베어링 상에 독립적으로 장착된 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 구동 샤프트는 축방향으로 이격된 구조 부재들 중 적어도 하나를 관통하여 연장된 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재 및 탈착 가능한 블록들은, 탈착 가능한 블록들을 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재 각각에 축방향 및 반경방향으로 볼트 고정하기 위한 연동 형성부들을 포함하는 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재 각각은 탈착 가능한 블록들과 맞물리는 반경방향 외면을 구비한 하나 이상의 견부를 포함하고, 탈착 가능한 블록들은 연동하는 반경방향 내면을 구비한 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 탈착 가능한 블록들은 상기 하나 이상의 실린더를 포함하는 실린더 블록들이고, 내주링은 링 캠을 포함하는 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  12. 제11항에 있어서, 링 캠은 복수의 링 캠 세그먼트를 포함하고, 다른 경우라면 각각의 링 캠 세그먼트를 덮는 상기 또는 각각의 실린더 블록이 탈착될 때, 상기 링 캠 세그먼트들은 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재 사이에서 반경방향 외부로 개별적으로 분리 가능한 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  13. 제12항에 있어서, 링 캠은 그 일 측 또는 양 측에 사이드 플레이트를 포함하고, 상기 각각의 사이드 플레이트는 캠면에 인접한 내면을 구비하고, 링 캠은 상기 각각의 사이드 플레이트의 내면의 일부를 가로질러 연장된 접경부를 더 포함하는 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  14. 제13항에 있어서, 상기 각각의 접경부는 탄성 또는 저마찰 재료를 포함하거나 또는 상기 재료로 이루어진 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 링 캠은 그 일 측 또는 양 측에 사이드 플레이트를 포함하고, 상기 또는 각각의 사이드 플레이트는 복수의 사이드 플레이트 세그먼트를 포함하는 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  16. 제15항에 있어서, 상기 각각의 사이드 플레이트 세그먼트는 상기 링 캠 세그먼트들로부터 각을 이루며 오프셋되고, 각각의 사이드 플레이트는 조립된 링 캠의 두 개 이상의 세그먼트와 중첩된 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 각각의 링 캠 세그먼트는 하나 이상의 사이드 플레이트 세그먼트에 고정된 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  18. 제17항에 있어서, 상기 각각의 링 캠 세그먼트 및 이에 고정된 하나 이상의 사이드 플레이트 세그먼트는 하나의 유닛으로서 반경방향 외부로 분리 가능한 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  19. 제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 축방향으로 이격된 구조 부재들 중 적어도 하나는 작동 유체를 받기 위한 하나 이상의 포트를 포함하고, 여기서 상기 각각의 실린더 블록은 작동 유체를 배출하기 위한 하나 이상의 연동 포트를 포함하고, 상기 포트들 중 어느 하나 또는 양자는 시일을 포함하고, 여기서 상기 포트들 및 상기 또는 각각의 시일은 반경방향 내면 또는 외면에 위치한 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 매니폴드, 및 각각이 작동 챔버와 매니폴드 사이의 유체 유동을 조절하도록 작동 가능한 복수의 밸브를 더 포함하는 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  21. 제20항에 있어서, 제어기를 포함하며,
    각각의 작동 챔버와 결합된 적어도 하나의 밸브는 사이클 별로 각각의 작동 챔버에 의한 작동 유체의 순 변위를 선택하도록 작동 챔버 체적의 사이클과의 위상 관계에 따라 제어기에 의해 제어 가능한 능동 제어 밸브인 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계를 형성하도록 조립될 수 있는 부품 키트.
  23. 내주링 및 내주링 주위의 외주링으로, 내주링 및 외주링 중 하나는 회전 가능한 링 캠 지지 형성부를 포함하고, 다른 하나는 각각의 링 주위에 원주방향으로 이격된, 반경방향으로 연장된 실린더들을 지지하는 복수의 장착부를 포함하는 것인 내주링 및 외주링; 및
    링 캠 지지 형성부를 구동 샤프트에 결합시키는 결합부를 포함하며,
    외주링은 복수의 탈착 가능한 블록을 탈착 가능하게 지지하기 위한 축방향으로 이격된 제1 및 제2 구조 부재를 포함하고, 상기 복수의 탈착 가능한 블록들 각각은 상기 복수의 실린더들 중 적어도 일부 또는 링 캠의 세그먼트를 포함하여 상기 하나 이상의 실린더를 링 캠의 일부에 대해 대향 관계로 위치 결정하여, 실린더 내부에 슬라이딩 가능하게 장착된 피스톤들이 링 캠에 의해 구동될 수 있게 한 것인 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계 섀시.
  24. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 가변 변위 레이디얼 피스톤 유체 작동 기계, 및 구동 샤프트에 장착된 복수의 블레이드를 포함하여 블레이드들이 회전함에 따라 링 캠에 토크를 전달하는 터빈을 포함하는 터빈 조립체.
  25. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 가변 변위 기계 또는 제24항에 따른 터빈 조립체의 정비 방법으로,
    탈착 가능한 블록을 분리하고, (a) 탈착 가능한 블록을 정비하고 정비된 탈착 가능한 블록을 다시 장착하는 단계, (b) 탈착 가능한 교체용 블록을 탈착된 블록의 위치에 장착하는 단계, 및 (c) 탈착된 블록에 의해 남겨진 공간을 통해 내주링의 일부를 정비하는 단계 중 하나 이상을 수행하는 단계를 포함하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 탈착된 블록에 의해 남겨진 공간을 통해 내주링의 일부를 정비하는 단계는 내주링의 일부를 분리하는 단계를 포함하는 것인 방법.
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