KR100816851B1 - 풍력발전용 터빈 블레이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전용 터빈 블레이드에 관한 것이다.

본 발명에 따른 터빈 블레이드는, 상기 터빈 블레이드의 루트를 포함하는 제1 영역과, 상기 터빈 블레이드의 자유단측 선단인 팁을 포함하는 제3 영역과, 상기 제1 영역과 제3 영역 사이에 위치하는 제2 영역으로 구성되며, 상기 제1 영역은 상기 루트로부터 일정거리 이격된 후연의 임의지점에 외측을 향해 돌출되는 만곡부를 가지는 동시에, 상기 루트에서 팁을 향하여 30°내외에서 10°내외로 팁의 가압면에 대하여 급격히 완만해지는 비틀림 각을 갖도록 트위스트되고, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역측에서 제3 영역측으로 갈수록 블레이드 폭이 점차 좁아지도록 후연이 완만한 경사각을 지니는 동시에, 상기 팁을 향하여 10°내외에서 1°내외로 팁의 가압면에 대하여 점차 완만해지는 비틀림 각을 갖도록 트위스트되며, 상기 제3 영역은 그 후연이 상기 제2 영역의 후연에 비해 급한 기울기를 가지면서 볼록하게 라운드지고, 그 단부는 일정 반경을 갖는 원호를 따라 라운드 처리된 것이 구성의 요지이다.

풍력발전, 블레이드, 루트(Root), 팁(Tip)

Description

풍력발전용 터빈 블레이드{Turbine blade for wind power generation}

도 1은 본 발명에 따른 풍력발전용 터빈 블레이드의 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 풍력발전용 터빈 블레이드의 정면도.

도 3은 도 2에 따른 풍력발전용 터빈 블레이드의 평면도.

도 4와 도 5는 각각 본 발명에 따른 풍력발전용 터빈 블레이드의 루트부터 팁까지의 거리 변화에 따른 폭 및 비틀림 각 변화량을 나타낸 그래프.

도 6은 본 발명에 따른 풍력발전용 터빈 블레이드 팁의 형상을 도식화한 도면.

도 7은 도 6에 따른 팁 형상을 취한 경우의 터빈 블레이드 전체적인 소음특성을 나타낸 그래프.

도 8은 본 발명에 따른 터빈 블레이드를 장착한 회전체의 출력 실험결과를 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1...터빈 블레이드 10a,10b,10c....제1,제2,제3 영역

12...루트 14...팁

15...가압면 16...흡입면

17...전연 18...후연

100a...만곡부 102...만곡점

본 발명은 풍력발전용 터빈 블레이드(Turbine blade)에 관한 것으로, 상세하게는, 저풍속, 저풍량 영역에서도 원활한 발전을 유도할 수 있고, 고풍속 영역에서는 회전체의 등속운동을 유도하여 회전수 증가에 따른 장치 부하 등의 기계적 손상을 줄일 수 있으며, 비교적 안정된 소음·진동 특성을 갖는 풍력발전용 터빈 블레이드에 관한 것이다.

풍력발전 설비를 위한 회전자 날개(이하, "블레이드"라 한다)는 이미 잘 알려져 있으며, 풍력발전 설비에서 흔히 볼 수 있다. 이와 같은 블레이드는 관련된 특정 기체 동역학(aerodynamics)적 요구를 수용하는 외형을 지니고 있다.

재료의 사용을 절약하고 무게를 낮추기 위해서, 상기 블레이드는 중공으로 이루어진 내부와, 상기 내부를 둘러싸며 기체 동역학적으로 유리한 형태를 갖는 표면으로 구성된다.

대용량 풍력발전 설비에 있어서, 상기 블레이드의 크기는 기체 동역학적 이유에서 매우 대형화된다. 그 결과, 한편으로 제조 및 운반에 영향을 주게 되고 다른 한편으로는 동작 중인 풍력발전 설비에 작용하는 부하에 영향을 준다.

특히, 블레이드의 크기가 증가함에 따라 이에 비례하여 날개의 표면 면적이 증가하게 되고, 그 결과 상기 블레이드에 의해 회전시에 풍압을 받는 면적이 증가하게 된다.

풍력발전 설비는 주어진 부하 조건에 따라 주어진 가이드 라인에 따라 설계되어야 한다. 이같은 가이드 라인은 한편으로는 동작 중에 나타나는 부하량(동작 부하라 칭함)이며, 또 다른 한편으로는 소위 극한 상황의 부하 조건이다.

극한 상황의 부하 조건은 예를 들어, 전력 네트워크 장애 발생, 블레이드 조절 장애, 대형 폭풍과 같은 교란 또는 비상 상황을 의미한다. 이러한 점에서, 블레이드에 의해 풍력발전 설비에 전달되는 부하는 바람에 노출되는 블레이드의 면적과 밀접한 관련이 있다.

최대 부하량(extreme load)을 산출하기 위해 전체 블레이드 표면 면적이 최대 풍속에 노출된 것으로 가정한 경우, 구동 트레인(drive train), 기계 운반자(machine carrier), 파일론(pylon) 및 기초시설(foundations)들과 같은 부속 부품들이 적절히 설계되어야 한다.

이는, 바람이 작용하는 표면적이 작으면 작을 수록, 즉 블레이드의 표면적이 작으면 작을 수록, 발전 설비가 설계되어야 하는 부하 레벨이 작아진다는 것을 의미한다. 그 결과, 재질 소모량이 적어지고 비용이 절감된다.

그러나, 풍력발전 설비를 작동시키기는데 필요한 최소한의 힘을 인가하기 위해서는, 즉 발전기를 돌리기 위해서는 기체 동역학적 이유에서 필요한 최소 표면적 크기는 전술한 개념과 서로 상충(相衝)된다. 이러한 점에서, 종래의 일반적으로 알려진 블레이드는 기술적 단점을 지니고 있다.

즉, 부하 레벨 및 비용 절감을 목적으로 바람에 노출되는 블레이드의 표면적을 작게하는 경우, 풍압이 전달되는 면적이 작기 때문에 저풍속, 저풍량 영역에서는 발전자체가 거의 불가능하여 장치의 활용도가 떨어지며, 바람에 노출되는 블레이드의 표면적을 크게하는 경우에는 풍속과 비례하여 블레이드의 회전력이 커지기 때문에 장치에 가해지는 부하 레벨이 커진다는 것이다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 안출한 것으로, 터빈 블레이드의 전체적인 형상 및 구조 개선을 통해, 저풍속, 저풍량 영역에서도 회전체의 회전을 유도할 수 있고, 그에 따라 풍력발전 설비의 활용도를 향상시킬 수 있으며, 고풍속 영역에서는 블레이드를 장착한 회전체의 등속운동을 유도하여 회전수 증가에 따른 장치 부하 등의 기계적 손상을 줄일 수 있는 풍력발전용 터빈 블레이드를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

또한 본 발명은, 터빈 블레이드의 팁구조 개선을 통해 비교적 안정된 소음·진동 특성을 갖는 풍력발전용 터빈 블레이드를 제공하는 데에 다른 목적이 있다.

상기한 목적으로 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 풍력발전용 터빈 블레이드에 있어서, 상기 터빈 블레이드의 루트를 포함하는 제1 영역과, 상기 터빈 블레이드의 자유단측 선단인 팁을 포함하는 제3 영역과, 상기 제1 영역과 제3 영역 사이에 위치하는 제2 영역으로 구성되며, 상기 제1 영역은 상기 루트로부터 일정거리 이격된 후연의 임의지점에 외측을 향해 돌출되는 만곡부를 가지는 동시에, 상기 루트에서 팁을 향하여 30°내외에서 10°내외로 팁의 가압면에 대하여 급격히 완만해지는 비틀림 각을 갖도록 트위스트되고, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역측에서 제3 영역측으로 갈수록 블레이드 폭이 점차 좁아지도록 후연이 완만한 경사각을 지니는 동시에, 상기 팁을 향하여 10°내외에서 1°내외로 팁의 가압면에 대하여 완만해지는 비틀림 각을 갖도록 트위스트되며, 상기 제3 영역은 그 후연이 상기 제2 영역의 후연에 비해 급한 기울기를 가지면서 볼록하게 라운드지고, 그 단부는 일정 반경을 갖는 원호를 따라 라운드 처리된 것을 특징으로 하는 풍력발전용 터빈 블레이드를 제공한다.

바람직하게는, 상기 제1 영역은, 상기 루트로부터 팁까지의 횡축방향 전체길이 L에 대하여, 루트로부터 L/4~L/3이 되는 지점까지의 영역을 포함하며, 상기 제3 영역은, 상기 루트로부터 팁까지의 횡축방향 전체길이 L에 대하여, 팁으로부터 L/4~L/3이 되는 지점까지의 영역을 포함한다.

또한, 상기 제1 영역에 형성되는 만곡부는, 상기 루트로부터 팁까지의 횡축방향 전체길이 L에 대하여, 루트로부터 L/6~L/5되는 후연 임의지점에 최대 만곡점이 형성도록 함이 바람직하며, 상기 최대 만곡점은, 제2 영역의 중앙부 제1 지점의 전연에 대한 후연의 폭에 비해 2~2.5배가 되도록 형성함이 더 바람직하다.

또한, 상기 제3 영역의 팁은, 오지(Ogee) 라인를 따르면서 그 단부는 일정 반경을 갖는 원호를 따라 라운드 처리된 형상일 수 있다.

이하, 첨부도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

우선, 첨부된 도면을 간략히 설명하면, 첨부도면 도 1은 본 발명에 따른 풍력발전용 터빈 블레이드의 사시도이며, 도 2는 본 발명에 따른 풍력발전용 터빈 블레이드의 정면도이고, 도 3은 도 2에 따른 풍력발전용 터빈 블레이드의 평면도이며, 도 4와 도 5는 각각 본 발명에 따른 풍력발전용 터빈 블레이드의 루트부터 팁까지의 거리 변화에 따른 폭 및 비틀림 각 변화량을 도시한 그래프이다.

본 발명의 설명하기에 앞서 일반적인 터빈 블레이드의 구성 및 명칭을 간략히 살펴보면, 터빈 블레이드(1)는, 허브(미도시)와 연결되는 부분인 루트(root;12)와, 블레이드 자유단측 선단에 해당하는 팁(Tip;14)과, 풍압을 받는 가압면(Pressure side;15) 및 그 이면의 흡입면(Suction side;16)과, 전연(leading edge;17) 및 후연(trailing edge;18)을 가진다(도 2 내지 도 3 참조).

위와 같은 용어를 기초로 본 발명의 구성을 구체적으로 살펴본다.

도 2 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 상기 터빈 블레이드는 크게, 터빈 블레이드의 루트(12)를 포함하는 제1 영역(10a)과, 상기 터빈 블레이드의 자유단측 선단인 팁(14)을 포함하는 제3 영역(10c)과, 상기 제1 영역(10a)과 제3 영역(10c) 사이에 위치하는 제2 영역(10b)으로 구성된다.

먼저, 제1 영역(10a)은 상기 루트(12)로부터 일정거리 이격된 후연(trailing edge;18)의 임의지점에 외측을 향해 돌출되는 만곡부(100a)를 가진다. 또한 상기 제1 영역(10a)은 블레이드 팁(14) 측의 가압면(15c)에 대해 상기 루트(12)에서 팁(14)을 향하여 급격히 변화되는 비틀림 각을 갖도록 트위스트되어 있다.

바람직하게, 상기 제1 영역(10a)은 블레이드의 루트(12)로부터 팁(14)까지의 횡축방향 전체길이 L에 대하여 루트로부터 L/4~L/3이 되는 지점까지의 영역을 포함한다. 이와 같은 제1 영역(10a)에 형성되는 상기 만곡부(100a)는, 상기 루트(12)로부터 팁(14)까지의 횡축방향 전체길이 L에 대하여 루트(12)로부터 L/6~L/5되는 후연(18) 임의지점에 최대 만곡점(102)을 형성하고 있다.

따라서, 루트(12)를 포함한 상기 제1 영역(10a)은 상기 만곡점(102)을 포함하는 상기 만곡부(100a)에 의하여 블레이드 전체에 있어 최대 폭을 갖으며, 그 형상은 대략 평면상에서 봤을 때 사다리꼴 형상을 취한다. 즉, 블레이드 설계기초상 최적의 공기역학적 프로파일이 구현되는 형상을 취하게 되는 것이다.

여기서, 상기 최대 만곡점(102)이 형성된 제1 영역의 폭(D1)은 바람직하게 제2 영역(10b)의 중앙부 제1 지점(100b) 즉, 블레이드 전체길이로 봤을 때 1/2되는 지점의 전연(17)에 대한 후연(18)의 폭(D2)에 비해 2~2.5배가 되도록 형성함이 좋을 것이다. 이는 상기 제1 지점(100b)의 블레이드 폭에 비교해 2배 미만이 되면 풍압을 받는 면적이 좁아져 저 풍압 및 저풍속 영역에서의 블레이드 회전력이 떨어져 효율적인 발전을 기대할 수 없으며, 2.5배를 초과하는 경우에는 블레이드의 전체적인 무게가 증가되어 무게중심 변화로 인해 블레이드의 회전력이 떨어지기 때문이다.

상기 제1 영역(10a)의 상기 비틀림 각은 도 5에서와 같이, 상기 루트(12)에서 팁(14)을 향하여 30°내외에서 10°내외로 팁(14)의 가압면(15c)에 대하여 급격 히 완만해지는 비틀림 각을 가지는 범위 안에 있다. 이같은 비틀림 각을 가지며 상기 제1 영역(10a)이 비틀림된 경우, 바람이 블레이드를 통과할 때 블레이드가 바람으로부터 보다 많은 에너지를 빼앗을 수 있어 낮은 풍속에서도 회전을 개시할 수 있다. 또한 블레이드의 회전속가 빨라질수록 블레이드 회전에 영향을 미치는 풍력에 의한 영향이 일정해진다. 즉, 풍속이 선형적으로 증가하는 경우, 블레이드는 어느 정도 속도에 도달한 뒤 등속운동이 유도될 수 있음을 의미한다.

다음, 제2 영역(10b)은 상기 제1 영역(10a)측에서 제3 영역(10c)측으로 갈수록 블레이드 폭이 점차 좁아지도록 그 후연(18)이 팁(14)을 향해 완만한 경사각을 지닌다. 동시에, 이와 같은 제2 영역(10b)은 팁(14)측 가압면(15)에 대해 상기 제1 영역(10a)과 마찬가지로 점차 완만해지는 비틀림 각을 갖도록 트위스트되어 있다.

즉, 상기 제2 영역(10b)은 제1 영역(10a)에서 제3 영역(10c)측으로 갈수록 전연(17)과 후연(18) 사이의 폭이 좁아지는 동시에 제1 영역(10a)에서 시작된 트위스트 즉, 비틀림이 제3 영역(10c)측으로 갈수록 소멸되는 형상을 갖는다.

여기서, 상기 비틀림 각은 바람직하게 도 5에서와 같이, 루트(12)에서 팁(14)을 향하여 10°내외에서 1°내외로 팁(14)의 가압면(15)에 대하여 점차 완만해지는 비틀림 각을 가지는 범위 안에 있다. 이와 같은 비틀림 각 역시 풍속의 선형적 증가에 따른 블레이드의 등속운동을 유도함에 있어 요구되는 최적의 각도이다.

한편, 제3 영역(10c)은 그 후연(18)이 상기 제2 영역(10b)의 후연(18)에 비해 급한 기울기를 가지면서 볼록하게 라운드지고, 그 단부는 일정 반경을 갖는 원 호를 따라 라운드 처리된 구조로 이루어진다. 이와 같은 제3 영역(10c)의 가압면 즉, 블레이드 팁측 가압면(15c)은 바람의 초기 입사각을 크게 하기 위해 지면과 평행한 바람의 유입방향과 수직으로 배치되어 있다.

바람직하게, 상기 제3 영역(10c)은 상기 루트(12)로부터 팁(14)까지의 횡축방향 전체길이 L에 대하여 블레이드 자유단측 선단인 팁(14)으로부터 L/4~L/3이 되는 지점까지의 영역을 포함한다. 이와 같은 제3 영역(10c)의 상기 팁(14)의 형상은 바람직하게, 도 6에서와 같이 전체적으로 오지(Ogee)라인(파선 참조)를 따르면서 그 단부는 일정 반경을 갖는 원호를 따라 라운드 처리된 형상을 취한다. 도 6에서 X축은 팁의 길이를 Y축을 팁의 폭을 각각 나타낸다.

도 7은 도 6에서와 같은 팁 형상을 취한 경우 본 발명에 따른 블레이드의 전체적인 음압레벨(Sound Pressure Level)과 팁이 종래 샤크핀(Shark-fin) 형상을 취한 경우의 음압레벨 차이를 나타낸 그래프이다.

도 7에서와 같이, 본 발명은 종래 샤크핀(Shark-fin) 형상의 팁을 갖는 블레이드에 비해 매우 안정된 소음특성을 가진다. 즉, 본 발명에 따른 블레이드 팁(14)이 도 6에 도식화 한 것과 같은 형상을 취하는 경우, 장치의 전체적인 소음 및 이과 관련한 진동 특성이 매우 안정되어 장치의 전체적인 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 도 8에 나타난 실험결과를 참조하여 설명한다.

도 8은 본 발명에 의한 터빈 블레이드를 장착한 회전체의 출력 실험결과를 나타낸 것으로, 풍속변화에 따른 출력의 변화를 보여주고 있다.

도 8에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 실험결과에 따르면, 일정구간 즉, 풍속이 3m/s~12m/s인 구간에서는 풍속이 클수록 그 출력도 선형적으로 커진다. 그러다가 풍속이 대략 12m/s되는 순간부터는 풍속과 관계없이 출력은 일정한 값을 갖는다.

이와 같은 결과는, 풍속이 일정 풍속(대략 12m/s)을 넘어선 경우, 본 발명에 따른 터빈 블레이드를 장착한 회전체가 풍속의 변화와는 상관없이 동일한 회전수를 유지하고 있음을 말해준다. 즉, 회전체는 어느 정도 속도에 도달한 뒤 풍속 증가에 영향을 받지 않으면서 일정한 속도로 등속운동을 하고 있음을 의미한다.

따라서, 본 발명에 따른 터빈 블레이드를 장착하는 경우, 풍속이 일정 풍속 넘어서면 풍속의 커짐과는 상관없이 동일한 회전수를 유지하므로, 지나치게 빠른 회전으로 인한 장치 부하 등의 기계적 손상이 현저히 줄어드는 이점이 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이나, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명인 풍력발전용 터빈 블레이드에 의하면, 저풍속, 저풍량 영역에서도 회전체의 회전을 유도할 수 있어 발전 설비의 활용성을 향상시키는데 기여할 수 있으며, 고풍속 영역에서는 블레이드를 포함한 회전체의 등속운동을 유도함에 따라 회전수 증가에 따른 장치 부하 등의 기계적 손상을 줄일 수 있다. 또한, 매우 안정된 소음·진동 특성을 가짐으로써 장치의 전체적인 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 풍력발전용 터빈 블레이드에 있어서,

   상기 터빈 블레이드의 루트를 포함하는 제1 영역과,

   상기 터빈 블레이드의 자유단측 선단인 팁을 포함하는 제3 영역과,

   상기 제1 영역과 제3 영역 사이에 위치하는 제2 영역으로 구성되며,

   상기 제1 영역은 상기 루트로부터 일정거리 이격된 후연의 임의지점에 외측을 향해 돌출되는 만곡부를 가지는 동시에, 상기 루트에서 팁을 향하여 30°에서 10°로 팁의 가압면에 대하여 급격히 완만해지는 비틀림 각을 갖도록 트위스트되고,

   상기 제2 영역은 상기 제1 영역측에서 제3 영역측으로 갈수록 블레이드 폭이 점차 좁아지도록 후연이 완만한 경사각을 지니는 동시에, 상기 팁을 향하여 10°에서 1°로 팁의 가압면에 대하여 점차 완만해지는 비틀림 각을 갖도록 트위스트되며,

   상기 제3 영역은 그 후연이 상기 제2 영역의 후연에 비해 급한 기울기를 가지면서 볼록하게 라운드지고, 그 단부는 일정 반경을 갖는 원호를 따라 라운드 처리된 것을 특징으로 하는 풍력발전용 터빈 블레이드.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 영역은, 상기 루트로부터 팁까지의 횡축방향 전체길이 L에 대하여, 루트로부터 L/4~L/3이 되는 지점까지의 영역을 포함하며, 상기 제3 영역은, 상기 루트로부터 팁까지의 횡축방향 전체길이 L에 대하여, 팁으로부터 L/4~L/3이 되는 지점까지의 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 터빈 블레이드.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제1 영역에 형성되는 만곡부는, 상기 루트로부터 팁까지의 횡축방향 전체길이 L에 대하여, 루트로부터 L/6~L/5되는 후연 임의지점에 최대 만곡점이 형성된 것을 특징으로 하는 풍력발전용 터빈 블레이드.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 최대 만곡점은, 제2 영역의 중앙부 제1 지점의 전연에 대한 후연의 폭에 비해 2~2.5배가 되도록 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 풍력발전용 터빈 블레이드.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제3 영역의 팁은, 오지(Ogee) 곡선을 따르면서 그 단부는 일정 반경을 갖는 원호를 따라 라운드 처리된 것을 특징으로 하는 풍력발전용 터빈 블레이드.

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