KR20140001430A - 풍력터빈 블레이드 보수용 드릴 및 이를 포함하는 블레이드 보수시스템 - Google Patents

풍력터빈 블레이드 보수용 드릴 및 이를 포함하는 블레이드 보수시스템 Download PDF

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Abstract

풍력터빈 블레이드 보수용 드릴 및 이를 포함하는 블레이드 보수시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 풍력터빈 블레이드 보수용 드릴은 블레이드를 절삭하는 몸체와, 상기 몸체 내측에 형성되며, 접착성의 충전재가 주입되는 중공부를 포함하되, 상기 몸체는 상기 중공부에 주입된 상기 충전재가 상기 몸체의 외측으로 유출되게 하는 다수의 관통홀을 포함한다.

Description

풍력터빈 블레이드 보수용 드릴 및 이를 포함하는 블레이드 보수시스템{DRILL USED FOR REPAIRING WIND TURBINE BLADE, AND BLADE REPAIRING SYSTEM INCLUDING THE SAME}
본 발명은 풍력터빈 블레이드 보수용 드릴 및 이를 포함하는 블레이드 보수시스템에 관한 것이다.
풍력터빈은 블레이드, 기어박스, 발전기, 제어시스템, 타워 등으로 이루어져 있다. 여기서, 블레이드는 바람의 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 풍력터빈의 핵심적인 구성요소이다. 블레이드는 높은 굽힘 하중과 원심력을 견딜 수 있도록 외형은 기체 역학적 익형(airfoil) 형상을 만들어 주는 쉘 구조, 내부는 박스 빔 구조와 샌드위치 판넬 구조로 이루어져 있다.
즉, 블레이드는 스파 캡(Spar cap), 전단 웹(Shear web), 스킨, 리딩 엣지, 트레일링 엣지로 구성되어 있다. 여기서, 스파 캡과 전단 웹은 박스 빔을 구성하여 대부분의 굽힘 하중과 전단 하중을 지탱한다. 그리고, 샌드위치 쉘 구조의 스킨과 단방향 섬유 적층부로 마련된 리딩 엣지 및 트레일링 엣지는 공력과 구조 하중을 함께 지탱하는 역할을 수행한다.
한편, 블레이드가 대형화됨에 따라 블레이드 재료의 비강성 및 비중량이 중요한 요소로 부각되고 있다. 블레이드의 재료는 비강도와 비강성이 우수한 섬유강화 고분자 복합재료로 대체되고 있으며, 보강섬유로는 E-glass 계통의 유리섬유가 주로 사용되고 있다. 최근에는 유리섬유보다 더 가볍고 강한 탄소섬유가 일부 하중부재로 사용되고 있다.
이러한 블레이드는 낙뢰, 외부충격, 자외선 노출에 의한 노화 등의 외부 환경과, 박리(Delamination), 접착결함(Adhesive flaws), 수지부족(Resin-poor or Dry spot) 등의 블레이드 제조결함에 의해 손상이 발생할 수 있다. 예컨대, 블레이드에 크랙 등의 손상이 발생한 경우, 사고위험을 높이고, 풍력터빈의 생산성 및 효율성을 떨어뜨리는 요인이 된다.
종래, 미국공개특허 제2011/0209347호(2011.09.01 공개)는 블레이드의 손상부위를 보수하기 위해 손상부위에 천공작업을 수행하고, 접착성의 유동액을 구멍에 투입시킨 후, 해당 손상부위의 주변에 추가로 천공작업을 수행하여 리벳 등의 고정부재로 고정하는 기술을 공개한 바 있다.
그러나, 이러한 종래기술은 천공작업이 수행되었던 부위가 약화되어 바람 등의 외부충격으로 인해 찢겨져 나갈 위험이 있다. 또한, 리벳 등의 고정부재로 블레이드의 손상부위 주변을 고정시키기 위해서는 추가작업 비용 및 시간이 소요되며, 추가로 뚫어진 구멍으로 인해 블레이드의 강성이 그 만큼 더 약화되어, 외부충격으로 인한 추가 파손이 발생할 수 있다.
미국공개특허 제2011/0209347호(2011.09.01 공개)
본 발명의 실시 예는 블레이드의 손상부위에 드릴을 압입시키고, 드릴 내측으로 주입된 접착성의 충전재가 드릴의 외측으로 유출되어 경화되도록 함으로써, 블레이드의 손상부위를 간편하고 효과적으로 보수할 수 있는 풍력터빈 블레이드 보수용 드릴 및 이를 포함하는 블레이드 보수시스템을 제공하고자 한다.
또한, 블레이드의 손상부위에 압입된 드릴을 그대로 유지시킨 상태에서 접착성의 충전재가 경화되도록 함으로써, 드릴에 의해 천공된 블레이드 손상부위의 강도가 약화되지 않도록 하여 추가 파손의 위험을 방지할 수 있는 풍력터빈 블레이드 보수용 드릴 및 이를 포함하는 블레이드 보수시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 블레이드를 절삭하는 몸체와, 상기 몸체 내측에 형성되며, 접착성의 충전재가 주입되는 중공부를 포함하되, 상기 몸체는 상기 중공부에 주입된 상기 충전재가 상기 몸체의 외측으로 유출되게 하는 다수의 관통홀을 포함하는 풍력터빈 블레이드 보수용 드릴이 제공될 수 있다.
상기 몸체는 외측에 형성되는 나선형 홈을 포함하고, 상기 관통홀은 상기 나선형 홈을 따라 형성될 수 있다.
상기 몸체는 상기 몸체의 내측에 형성되고, 상기 몸체를 회전시키는 장치가 결합되는 결합홈을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 풍력터빈 블레이드 보수용 드릴; 상기 드릴과 결합되어 상기 드릴을 구동시키는 드릴구동유닛; 및 상기 드릴로부터 상기 드릴구동유닛이 결합해제된 상태에서, 상기 드릴의 중공부로 상기 충전재를 주입시키는 충전재주입기;를 포함하는 블레이드 보수시스템이 제공될 수 있다.
상기 드릴구동유닛은 상기 결합홈에 탈착 가능하게 결합되는 결합부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 풍력터빈 블레이드 보수용 드릴 및 이를 포함하는 블레이드 보수시스템은 블레이드의 손상부위에 드릴을 압입시키고, 드릴 내측으로 주입된 접착성의 충전재가 드릴의 외측으로 유출되어 경화되도록 함으로써, 블레이드의 손상부위를 간편하고 효과적으로 보수할 수 있다.
또한, 블레이드의 손상부위에 압입된 드릴을 그대로 유지시킨 상태에서 접착성의 충전재가 경화되도록 함으로써, 드릴에 의해 천공된 블레이드 손상부위의 강도가 약화되지 않도록 하여 추가 파손의 위험을 방지할 수 있다.
도 1은 통상적인 풍력터빈의 블레이드에 손상이 가해진 형태를 도시한다.
도 2는 도 1의 블레이드의 손상부위를 보수하기 위한 블레이드 보수용 드릴의 사시도이다.
도 3은 도 2의 블레이드 보수용 드릴을 구동시키는 드릴구동유닛을 도시한다.
도 4와 도 5는 도 2의 블레이드 보수용 드릴을 이용하여 블레이드의 손상부위를 보수하는 과정을 도시한다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 통상적인 풍력터빈의 블레이드에 손상이 가해진 형태를 도시한다.
도 1을 참조하면, 풍력터빈(1)은 타워(5)와, 타워(5) 상부에 장착된 나셀(4), 및 다수의 블레이드(2)를 장착한 로터(3)를 포함한다. 여기서 블레이드(2)는 낙뢰, 외부충격, 자외선 노출에 의한 노화 등의 외부 환경과, 박리, 접착결함, 수지부족 등의 제조결함에 의해 손상이 발생할 수 있다. 예컨대, 블레이드(2)에는 크랙 등에 의한 손상부위(8)가 존재할 수 있다.
도 2는 도 1의 블레이드의 손상부위를 보수하기 위한 블레이드 보수용 드릴의 사시도이다. 그리고, 도 3은 도 2의 블레이드 보수용 드릴을 구동시키는 드릴구동유닛을 도시한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 블레이드 보수용 드릴(10)(이하, ‘드릴’ 이라 함)은 블레이드(2)에 존재하는 손상부위(8)를 보수하는 데에 사용된다. 즉, 블레이드(2)의 손상부위를 절삭하여 드릴(10)을 압입시킨 상태에서, 드릴(10) 내측으로 접착성의 충전재를 주입시켜 드릴(10)의 외측으로 유출되어 경화되도록 함으로써 블레이드(2)의 손상부위가 보수되도록 한다. 블레이드(2)의 손상부위는 손상이 가해진 부위와 해당 부위로부터 일정 범위의 주변영역을 포함하는 의미로 정의될 수 있다. 또한 이하에서는, 풍력터빈(1)의 블레이드(2)를 예로 들어서 설명하지만, 본 발명의 실시 예에 따른 드릴(10)이 반드시 풍력터빈(1)의 블레이드(2)에 한정되어 사용되는 것은 아니며, 복합재료로 구성된 다양한 구조물을 보수하는 데에도 활용될 수 있다. 복합재료로 구성된 구조물은 예컨대, FRP(Fiber Reinforced Plastics]) 물탱크 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 드릴(10)은 몸체(20)와 중공부(30)를 포함한다. 몸체(20)는 블레이드(2)를 절삭하며, 다수의 관통홀(27)이 나선형 홈(25)을 따라 형성되어 있다. 몸체(20)의 선단부(23)에는 블레이드(2) 절삭을 위한 절삭면(날)(23a)이 형성되어 있다. 또한, 나선형 홈(25)의 엣지면(25a)이 절삭면으로 형성되어 블레이드(2) 절삭의 효율성을 높일 수 있다.
중공부(30)는 몸체(20) 내측에 형성되며, 접착성의 충전재가 주입된다. 중공부(30)에 주입된 충전재는 상술한 관통홀(27)을 통해 몸체(20)의 외측으로 유출되어 경화된다.
또한, 중공부(30)의 내주면은 몸체(20)를 회전시키는 드릴구동유닛(40, 도 3 참조)이 결합되는 결합홈(32)이 형성되어 있다. 결합홈(32)이 중공부(30)의 내주면에 형성되어 있으므로, 통상적으로 구조물을 천공하는 드릴과 달리 몸체(20)가 블레이드(2)에 완전히 압입될 수 있다. 즉, 통상적으로 구조물을 천공하는 드릴은 드릴을 구동하는 장치가 드릴 외측에 결합되므로 드릴이 대상 구조물에 완전히 압입되기 어렵다. 이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 드릴(10)이 블레이드(2) 손상부위에 압입된 상태에서 드릴(10) 내측으로 충전재를 주입시켜, 충전재가 관통홀(27)을 통해 몸체(20)의 외측으로 유출되어 경화되도록 함으로써, 드릴(10)과 블레이드(2)가 일체화되어 천공이 이루어진 블레이드(2)의 손상부위가 약화되지 않도록 한다.
도 3을 참조하면, 드릴구동유닛(40)은 드릴(10)과 결합되어 드릴(10)을 구동시킨다. 이를 위해, 드릴구동유닛(40)은 드릴(10)의 중공부(30) 내주면에 형성된 결합홈(32)에 탈착 가능하게 결합되는 결합부(42)와, 드릴(10) 구동을 위한 구동부(44)를 포함한다.
한편, 도면에 도시하지 않았으나, 충전재주입기는 드릴(10)로부터 드릴구동유닛(40)이 결합해제된 상태에서, 드릴(10)의 중공부(30)로 충전재를 주입시킨다.
도 4와 도 5는 도 2의 블레이드 보수용 드릴을 이용하여 블레이드의 손상부위를 보수하는 과정을 도시한다.
이하, 도 2와 도 3에서 기술한 내용을 기초로, 도 4와 도 5를 통해 블레이드(2)의 손상부위(8)를 보수하는 과정에 대해서 설명하기로 한다. 여기서, 블레이드(2)의 리딩 엣지(2a)에 관통된 손상부위(8)가 존재한다고 가정한다.
도 4를 참조하면, 먼저 블레이드(2)의 손상부위(8)를 드릴(10)을 이용하여 절삭하고, 드릴(10)을 압입시킨다. 이때, 드릴구동유닛(40)과 결합되는 중공부(30)의 내측에 결합홈(32)이 형성되어 있어, 드릴(10)의 몸체(20)가 블레이드(2) 손상부위(8)에 대한 천공작업을 수행하면서 블레이드(2)의 손상부위(8)에 완전히 압입될 수 있다. 이러한 드릴(10)은 손상부위(8)에 하나 이상 압입될 수 있다.
다음으로, 블레이드(2)의 손상부위(8)에 대한 천공작업이 완료되면, 블레이드(2)의 손상부위(8)에 드릴(10)이 압입된 상태에서 드릴구동유닛(40)을 드릴(10)로부터 결합해제시킨다.
다음으로 도 5를 참조하면, 블레이드(2)의 손상부위(8)에 드릴(10)이 압입된 상태에서, 충전재주입기(미도시)를 이용하여 드릴(10)의 중공부(30) 내측으로 충전재(9)를 주입시킨다. 이때, 충전재(9)는 드릴(10)의 외측으로 유출되어 경화된다.
이와 같이, 블레이드(2)의 손상부위(8)에 압입된 드릴(10)을 그대로 유지시킨 상태에서 충전재(9)가 경화되도록 함으로써, 드릴(10)에 의해 천공된 블레이드(2) 손상부위(8)의 강도가 약화되지 않도록 하여 추가 파손의 위험을 방지할 수 있다. 또한, 블레이드(2)의 손상부위(8)를 보수하기 위해 드릴(10)이 천공이 이루어진 블레이드(2)의 손상부위(8)에 완전히 압입된 상태에서 충전재(9)가 주입됨으로써, 해당 블레이드(2)의 표면 외측으로 드릴(10)이 돌출되지 않아 매끄러운 블레이드(2) 표면을 유지할 수 있게 된다.
한편, 상술한 충전재(9)는 에폭시, 폴리에스터, 비닐에스터 및 시아노아크릴레이트 중 하나 이상의 수지로 마련될 수 있다. 에폭시 수지는 1분자 중에 2개 이상의 에폭시 기를 갖는 올리고머 화합물로 정의될 수 있다. 폴리에스터 수지는 경화속도가 빠르고 에폭시 수지와 비교해서 재료비용이 저렴한 이점이 있다. 비닐에스터 수지는 파괴인성이 높고, 유리섬유와의 접착성이 우수한 특징을 가진다.
또한, 충전재(9)는 상술한 수지에 조각난 강화섬유(Chopped fiber)가 함침된 형태로 마련될 수 있다. 또한, 강화섬유는 유리섬유, 탄소섬유 및 아라미드 섬유 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 여기서, 유리섬유는 용융된 유리를 연속섬유 또는 단섬유 형태로 제조될 수 있으며, 고온에 잘 견디고 불에 타지 않으며 화학적 내구성이 있기 때문에 부식되지 않는 특성이 있다. 또한, 탄소섬유는 높은 인장강도와 전단강도를 지니고 있으며 열적, 전기적 특성이 우수하다. 아라미드 섬유는 케블라 섬유를 포함할 수 있으며, 고온과 화염에 대한 강한 저항성을 가지고 있다.
이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
1: 풍력터빈 2: 블레이드
8: 손상부위 9: 충전재
10: 블레이드 보수용 드릴 20: 몸체
23: 선단부 25: 나선형 홈
27: 관통홀 30: 중공부
32: 결합홈 40: 드릴구동유닛
42: 결합부 44: 구동부

Claims (5)

  1. 블레이드를 절삭하는 몸체와,
    상기 몸체 내측에 형성되며, 접착성의 충전재가 주입되는 중공부를 포함하되,
    상기 몸체는 상기 중공부에 주입된 상기 충전재가 상기 몸체의 외측으로 유출되게 하는 다수의 관통홀을 포함하는 풍력터빈 블레이드 보수용 드릴.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 몸체는 외측에 형성되는 나선형 홈을 포함하고,
    상기 관통홀은 상기 나선형 홈을 따라 형성된 풍력터빈 블레이드 보수용 드릴.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 몸체는 상기 몸체의 내측에 형성되고, 상기 몸체를 회전시키는 장치가 결합되는 결합홈을 포함하는 풍력터빈 블레이드 보수용 드릴.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 풍력터빈 블레이드 보수용 드릴;
    상기 드릴과 결합되어 상기 드릴을 구동시키는 드릴구동유닛; 및
    상기 드릴로부터 상기 드릴구동유닛이 결합해제된 상태에서, 상기 드릴의 중공부로 상기 충전재를 주입시키는 충전재주입기;를 포함하는 블레이드 보수시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 드릴구동유닛은 상기 결합홈에 탈착 가능하게 결합되는 결합부를 포함하는 블레이드 보수시스템.
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