KR101290479B1 - 풍차 로터 설계 방법, 풍차 로터 설계 지원 장치, 풍차 로터 설계 지원 프로그램 및 풍차 로터 - Google Patents

풍차 로터 설계 방법, 풍차 로터 설계 지원 장치, 풍차 로터 설계 지원 프로그램 및 풍차 로터 Download PDF

Info

Publication number
KR101290479B1
KR101290479B1 KR1020117012037A KR20117012037A KR101290479B1 KR 101290479 B1 KR101290479 B1 KR 101290479B1 KR 1020117012037 A KR1020117012037 A KR 1020117012037A KR 20117012037 A KR20117012037 A KR 20117012037A KR 101290479 B1 KR101290479 B1 KR 101290479B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
blade
windmill
rotor
windmill blade
axis
Prior art date
Application number
KR1020117012037A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20120073156A (ko
Inventor
히데야스 후지오카
아키히로 나카무라
다카오 구로이와
요시유키 하야시
요시히코 하야시
Original Assignee
미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤 filed Critical 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Publication of KR20120073156A publication Critical patent/KR20120073156A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101290479B1 publication Critical patent/KR101290479B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors
    • F03D1/0608—Rotors characterised by their aerodynamic shape
    • F03D1/0633—Rotors characterised by their aerodynamic shape of the blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/06—Rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/38—Blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/20—Rotors
    • F05B2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05B2240/301—Cross-section characteristics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/10—Purpose of the control system
    • F05B2270/20—Purpose of the control system to optimise the performance of a machine
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

로터 헤드와, 로터 헤드에 형성된 베어링과, 베어링에 장착된 풍차 블레이드를 구비하는 풍차 로터의 설계 방법이 제공된다. 당해 풍차 로터 설계 방법은, 풍차 로터를 구비하는 풍력 발전 장치의 운전 환경을 나타내는 운전 환경 데이터와 풍차 블레이드의 설계 데이터를 부여하는 것과, 운전 환경 데이터와 설계 데이터로부터, 그 운전 환경에 있어서의 풍차 블레이드의 길이 방향의 각 위치에 있어서의 풍차 블레이드의 블레이드 질량 중심의 위치를 산출하는 것과, 산출된 블레이드 질량 중심의 위치와 풍차 블레이드의 길이 방향의 각 위치에 있어서의 단위 길이당 질량의 곱을 풍차 블레이드의 블레이드 루트에서부터 블레이드 선단까지 적분하여 얻어지는 적분값에 의존하는 값인 평가값을 산출하는 것을 구비하고 있다.

Description

풍차 로터 설계 방법, 풍차 로터 설계 지원 장치, 풍차 로터 설계 지원 프로그램 및 풍차 로터{WIND TURBINE ROTOR DESIGNING METHOD, WIND TURBINE ROTOR DESIGN SUPPORT DEVICE, WIND TURBINE ROTOR DESIGN SUPPORT PROGRAM AND WIND TURBINE ROTOR}
본 발명은 풍차 로터 설계 방법, 풍차 로터 설계 지원 장치 및 풍차 로터에 관한 것이고, 특히 풍력 발전 장치에 있어서 사용되는 풍차 블레이드 (blade) 가 타워에 접촉하는 것을 방지하고, 또한, 피치 모멘트를 저감시키기 위한 설계 기술에 관한 것이다.
업윈드형 풍력 발전 장치의 풍차 로터 직경의 확대, 즉 풍차 블레이드의 장대화에 수반되는 한 가지 문제는, 바람 하중에 의한 풍차 블레이드의 휨량의 증대이다. 풍차 블레이드의 휨량이 증대하면, 풍차 블레이드가 타워에 접촉될 우려가 있기 때문에, 풍력 발전 장치는 풍차 블레이드의 휨량을 고려하여 풍차 블레이드의 타워에 대한 접촉을 방지하도록 설계될 필요가 있다.
풍차 블레이드의 타워에 대한 접촉을 방지하기 위한 방법이 3 가지 알려져 있다. 제 1 방법은, 풍차 블레이드의 피치축 (풍차 블레이드가 선회하는 축) 을 바람이 불어오는 측으로 기울여 두는 (콘각 (cone angle) 을 형성하는) 것이다. 제 2 방법은, 풍차 블레이드를 바람이 불어오는 측으로 굽혀 두는 것 (프리 벤드 (pre-bend)) 이다. 제 3 방법은, 블레이드 루트부 장착면을 피치축에 대하여 경사각을 갖게 하여, 풍차 블레이드를 피치축에 대하여 비스듬히 장착하는 것 (루트 컷 (root cut)) 이다. 이들 방법은 모두 풍차 블레이드의 선단을 타워로부터 멀리하여, 풍차 블레이드의 타워에 대한 접촉을 유효하게 방지한다. 이와 같은 기술은, 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제2009/0304513 A1, 미국 특허 제6,582,196 B1, 미국 특허 출원 공보 제2010/0104444 A1 및 독일 특허 출원 제10 2006 041 383 A1 에 개시되어 있다.
그러나, 단지 이들 방법을 채용해도 풍차 블레이드가 장대화되어 블레이드 선회 베어링에 작용하는 하중의 불균형이 증대하면, 풍차 블레이드를 피치축 둘레로 선회시키기 위해 필요한 피치 모멘트가 증대한다는 문제는 해소되지 않는다. 오히려, 경우에 따라서는 반대로 블레이드 선회 베어링에 작용하는 하중의 불균형이 증대할 우려조차 있다. 피치 모멘트가 증대하면, 로터 헤드에 탑재시키는 피치 제어 기구의 구동 능력의 증대가 필요해지고, 이는 풍력 발전 장치의 설계상 바람직하지 않다. 그러나, 풍차 블레이드의 설계에 의해 풍차 블레이드를 피치축 둘레로 선회시키기 위해 필요한 피치 모멘트를 저감시킬 수 있으면, 이와 같은 문제는 회피할 수 있다.
그리고, 발명자의 검토에 의하면, 최적의 설계 방법을 채용함으로써, 풍차 블레이드를 피치축 둘레로 선회시키기 위해 필요한 피치 모멘트를 저감시킬 수 있다. 상기 서술한 공지 기술에서는 피치 모멘트의 저감에 대하여 아무런 언급이 없다.
미국 특허 출원 공개 제2009/0304513 A1 미국 특허 제6,582,196 B1 미국 특허 출원 공보 제2010/0104444 A1 독일 특허 출원 제10 2006 041 383 A1
따라서, 본 발명의 목적은, 풍차 블레이드를 피치축 둘레로 선회시키기 위해 필요한 피치 모멘트를 저감시키기 위한 설계 기술을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 하나의 관점에 있어서는, 로터 헤드와, 로터 헤드에 형성된 베어링과, 베어링에 장착된 풍차 블레이드를 구비하는 풍차 로터의 설계 방법이 제공된다. 당해 풍차 로터 설계 방법은, 풍차 로터를 구비하는 풍력 발전 장치의 운전 환경을 나타내는 운전 환경 데이터와 풍차 블레이드의 설계 데이터를 부여하는 것과, 운전 환경 데이터와 설계 데이터로부터, 그 운전 환경에 있어서의 풍차 블레이드의 길이 방향의 각 위치에 있어서의 풍차 블레이드의 블레이드 질량 중심의 위치를 산출하는 것과, 산출된 블레이드 질량 중심의 위치와 풍차 블레이드의 길이 방향의 각 위치에 있어서의 단위 길이당 질량의 곱을, 풍차 블레이드의 블레이드 루트에서부터 블레이드 선단까지 적분하여 얻어지는 적분값에 의존하는 값인 평가값을 산출하는 것을 구비하고 있다.
일 실시형태에서는, 운전 환경 데이터가, 풍력 발전 장치의 정격 풍속을 나타내는 제 1 데이터와, 풍력 발전 장치의 운전이 허용되는 최저 기온 또는 그 최저 기온에 대응하는 공기 밀도를 나타내는 제 2 데이터를 포함하고 있는 것이 바람직하다.
또한, 평가값 (F) 은 하기 식 (1) :
Figure 112011039535517-pct00001
을 사용하여 산출되어도 된다. 단, 식 (1) 에 있어서, z 축은 베어링의 중심축을 따른 방향으로 정의되고, x 축은 z 축에 수직이 되고, 또한, x 축과 z 축을 포함하는 평면이 풍차 로터의 회전면에 수직이 되도록 정해진다, x(z) 는, z 축 상의 위치 (z) 에 있어서의, 운전 환경에 있어서의 풍차 블레이드의 블레이드 질량 중심의 x 축 방향의 위치이고, m(z) 는 z 축 상의 위치 (z) 에 있어서의 풍차 블레이드의 단위 길이당 질량이다. z0 은 풍차 블레이드의 블레이드 루트의 z 축 상의 위치이고, z1 은 블레이드 선단의 z 축 상의 위치이다.
일 실시형태에서는, x(z) 가 하기 식 :
ｘ（ｚ）＝Δｘ（ｚ）－ΔｘＰＲＥ（ｚ）－ｚｓｉｎθ
을 사용하여 산출된다. 여기서, Δx(z) 는, 그 운전 환경에 있어서의, 바람 하중에 의한 상기 x 축 방향의 상기 블레이드 질량 중심의 변위이고, 풍차 블레이드의 프리 벤드량 (ΔxPRE(z)) 은, 좌표 (z) 에 있어서의, 무부하시에 있어서의 상기 풍차 블레이드의 상기 블레이드 질량 중심의 상기 x 축 방향의 위치이고, 루트 컷 경사각 (θ) 은, 상기 풍차 블레이드의 블레이드 루트부에 있어서의 상기 풍차 블레이드의 연신 방향과 상기 베어링의 중심축 사이의 각이다.
당해 풍차 로터 설계 방법에 있어서는, 추가로, 상기 적분값을 감소시키도록 상기 설계 데이터가 수정되는 것이 바람직하다.
풍차 블레이드의 블레이드 루트부가 원통형인 경우, 블레이드 루트부에 있어서의 풍차 블레이드의 연신 방향이, 원통형의 중심선으로서 정의되어도 된다.
본 발명의 다른 관점에서는, 로터 헤드와 로터 헤드에 형성된 베어링과, 베어링에 장착된 풍차 블레이드를 구비하는 풍차 로터의 설계 지원 장치가 제공된다. 당해 설계 지원 장치는, 풍차 로터를 구비하는 풍력 발전 장치의 운전 환경을 나타내는 운전 환경 데이터와 풍차 블레이드의 설계 데이터를 기억하기 위한 기억 장치와, 연산 장치를 구비한다, 연산 장치는, 운전 환경 데이터와 설계 데이터로부터, 운전 환경에 있어서의 풍차 블레이드의 길이 방향의 각 위치에 있어서의 풍차 블레이드의 블레이드 질량 중심의 위치를 산출함과 함께, 산출된 블레이드 질량 중심의 위치와 풍차 블레이드의 길이 방향의 각 위치에 있어서의 단위 길이당 질량의 곱을 풍차 블레이드의 블레이드 루트에서부터 블레이드 선단까지 적분하여 얻어지는 적분값에 의존하는 값인 평가값을 산출하도록 프로그램되어 있다.
본 발명의 또 다른 관점에서는, 로터 헤드와 로터 헤드에 형성된 베어링과, 베어링에 장착된 풍차 블레이드를 구비하는 풍차 로터의 설계 지원 프로그램이 제공된다. 당해 설계 지원 프로그램은, 컴퓨터에, 하기 순서 : 기억 장치에 준비된, 풍차 로터를 구비하는 풍력 발전 장치의 운전 환경을 나타내는 운전 환경 데이터와 풍차 블레이드의 설계 데이터에 기초하여, 운전 환경에 있어서의 풍차 블레이드의 길이 방향의 각 위치에 있어서의 풍차 블레이드의 블레이드 질량 중심의 위치를 산출하는 순서, 및, 산출된 블레이드 질량 중심의 위치와 풍차 블레이드의 길이 방향의 각 위치에 있어서의 단위 길이당 질량의 곱을 풍차 블레이드의 블레이드 루트에서부터 블레이드 선단까지 적분하여 얻어지는 적분값에 의존하는 값인 평가값을 산출하는 순서를 실행시킨다.
본 발명의 또 다른 관점에서는, 풍차 로터가, 로터 헤드와, 로터 헤드에 형성된 베어링과, 베어링에 장착된 풍차 블레이드를 구비하고 있다. 제 1 방향을 베어링의 중심축을 따른 방향으로 정하고, 제 2 방향을 제 1 방향에 수직이 되고, 또한, 제 1 방향과 제 2 방향으로 규정되는 평면이 풍차 로터의 회전면에 수직이 되도록 정하였을 때, 풍차 블레이드가, 기온이 풍차 로터를 구비한 풍력 발전 장치의 운전이 허용되는 최저 기온이며, 또한, 정격 풍속의 바람이 불고 있는 경우에 있어서의 바람 하중에 의한 풍차 블레이드의 블레이드 질량 중심의 제 2 방향의 변위의, 풍차 블레이드의 블레이드 루트에서부터의 제 1 방향의 거리에 대한 변화의 커브에 대하여 블레이드 루트 이외에서 블레이드 질량 중심이 베어링의 중심축에 일치하는 일치 위치에 있어서의 접선을 그었을 때에, 커브 중 일치 위치로부터 떨어져 있는 부분이 접선과 베어링의 중심축 사이에 위치하는 것과 같은 형상으로 형성되어 있다.
본 발명에 의하면, 풍차 블레이드를 피치축 둘레로 선회시키기 위해 필요한 피치 모멘트를 저감시키기 위한 설계 기술이 제공된다.
도 1 은, 일 실시형태에 있어서의 풍력 발전 장치의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 2 는, 일 실시형태에 있어서의 로터 헤드와 풍차 블레이드의 접속 구조의 예를 나타내는 사시도이다.
도 3a 는, 풍차 블레이드의 블레이드면의 형상의 예를 나타내는 평면도이다.
도 3b 는, 익현 (blade chord) 방향에서 본 풍차 블레이드의 구조를 나타내는 정면도이다.
도 4 는, 풍차 로터의 베어링의 중심축과, 풍차 블레이드의 블레이드 루트부의 중심선의 관계를 도시하는 측면도이다.
도 5 는, 「루트 컷」을 채용하지 않는 경우에 있어서의, 풍차 블레이드의 블레이드 루트부와 A-A 단면에 있어서의 블레이드 단면의 위치 관계를 도시하고 있다.
도 6 은, 「프리 벤드」를 채용하고 「루트 컷」을 채용하지 않는 경우에 있어서의, 블레이드 질량 중심의 바람이 불어오는 방향 (x 축 방향) 의 위치의, 블레이드 루트에서부터의 피치축 방향 (z 축 방향) 의 위치에 대한 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7 은, 「루트 컷」을 채용하는 경우에 있어서의, 풍차 블레이드의 블레이드 루트부와, A-A 단면 및 B-B 단면에 있어서의 블레이드 단면의 위치 관계를 도시하고 있다.
도 8 은, 「프리 벤드」와 「루트 컷」을 채용하는 경우에 있어서의, 블레이드 질량 중심의 바람이 불어오는 방향 (x 축 방향) 의 위치의, 블레이드 루트에서부터의 피치축 방향 (z 축 방향) 의 위치에 대한 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9 는, 바람직한 풍차 블레이드에 있어서의, 블레이드 질량 중심의 바람이 불어오는 방향 (x 축 방향) 의 위치의, 블레이드 루트에서부터의 피치축 방향 (z 축 방향) 의 위치에 대한 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10 은, 일 실시형태에 있어서의 풍차 로터 설계 지원 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1 은 일 실시형태에 있어서의 업윈드형 풍력 발전 장치의 구성을 나타내는 측면도이다. 풍력 발전 장치 (1) 는, 기초 (7) 에 세워 형성되는 타워 (2) 와, 타워 (2) 의 상단에 설치되는 나셀 (3) 과, 풍차 로터 (4) 를 구비하고 있다. 풍차 로터 (4) 는, 나셀 (3) 에 대하여 회전 가능하게 장착된 로터 헤드 (5) 와, 로터 헤드 (5) 에 장착된 3 장의 풍차 블레이드 (6) 를 구비하고 있다. 풍차 로터 (4) 의 회전축 (풍차 회전축 (4a)) 은, 수평을 향하거나, 또는, 바람이 불어오는 쪽을 향하여 수평보다 약간 상방을 향하도록 되어 있다. 풍력에 의해 풍차 로터 (4) 가 회전하면 풍력 발전 장치 (1) 는 전력을 발생시키고, 풍력 발전 장치 (1) 에 접속된 전력 계통에 전력을 공급한다.
도 2 는 로터 헤드 (5) 와 풍차 블레이드 (6) 의 접속 구조의 예를 나타내는 사시도이다. 로터 헤드 (5) 에는, 3 개의 베어링 (8) (1 개만 도시) 이 장착되어 있다. 베어링 (8) 은, 풍차 블레이드 (6) 를 선회 가능하게 지지하고 있고, 베어링 (8) 의 중심축이, 풍차 블레이드 (6) 의 회전 중심축, 즉 피치축이다. 베어링 (8) 에 의해 풍차 블레이드 (6) 의 피치각이 가변으로 되어 있다.
도 3a 및 도 3b 는 풍차 블레이드 (6) 의 구조의 예를 나타내는 도면이다. 도 3a 는 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드면의 형상을 나타내고 있고, 도 3b 는 풍차 블레이드 (6) 를 익현 (blade chord) 방향에서 본 구조를 나타내고 있다. 본 실시형태에서는, 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 루트부 (6a) 가 원통형으로 형성되어 있는 한편, 풍차 블레이드 (6) 의 중앙부 및 선단부에서는 익형 (blade shape) 이 형성되어 있다. 익형이 형성되어 있는 부분과 블레이드 루트부 (6a) 는 매끄럽게 접합되어 있다. 추가로, 본 실시형태에서는, 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드면 중, 바람이 불어오는 측의 블레이드면 (6c) 이 오목면이 되도록 형성됨과 함께 바람이 불어가는 측의 블레이드면 (6d) 이 볼록면이 되도록 형성되고, 이로 인해 풍차 블레이드 (6) 의 선단 부분이 바람이 불어오는 방향을 향하여 굽혀져 있다. 이는, 후술하는 바와 같이, 풍차 블레이드 (6) 와 타워 (2) 사이의 접촉을 방지하기 위해서이다. 도 3a 및 도 3b 에 있어서는, 블레이드 루트부 (6a) 에 있어서의 풍차 블레이드 (6) 의 중심선 (및 그 연장선) 이, 부호 10 으로서 도시되어 있다. 도 3b 에 나타내고 있는 바와 같이, 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 선단 (6b) 은, 중심선 (10) 에 대하여 바람이 불어오는 방향으로 어긋나 위치하고 있다. 또한, 도 3a 및 도 3b 에 있어서는, 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 루트가 부호 6e 로서 도시되어 있다.
도 4 는, 베어링 (8) 의 중심축 (즉, 피치축) 과, 블레이드 루트부 (6a) 의 중심선 (10) 의 관계를 도시하는 측면도이다. 피치축은, 도 4 에서는 부호 9 로 참조되어 있다. 이하의 설명에서 사용되는 용어를, 도 4 를 참조하면서 다음과 같이 정의한다 :
(1) 풍차 회전면
풍차 회전면 (12) 은 풍차 회전축 (4a) 에 수직인 평면이다.
(2) 콘각
콘각 (α) 이란 피치축 (9) 과 풍차 회전면 (12) 이 이루는 각이다. 보다 엄밀하게는, 피치축 (9) 을 포함하고 풍차 회전면 (12) 에 수직인 면과 풍차 회전면 (12) 에 의해 형성되는 직선과 피치축 (9) 이 이루는 각이다.
(3) 루트 컷 경사각
루트 컷 경사각 (θ) 이란 블레이드 루트부 (6a) 에 있어서의 풍차 블레이드 (6) 의 연신 방향과 피치축 (9) 이 이루는 각이다. 여기서, 본 실시형태에서는 블레이드 루트부 (6a) 가 원통형으로 형성되어 있기 때문에, 루트 컷 경사각 (θ) 은, 당해 블레이드 루트부 (6a) 의 원통형의 중심선과 피치축 (9) 이 이루는 각으로서 정의된다. 본 실시형태에서는, 원통형의 블레이드 루트부 (6a) 가 비스듬히 잘라내짐으로써, 0 이 아닌 루트 컷 경사각 (θ) 이 부여되어 있다.
여기서, z 축 방향을 피치축 (9) 을 따른 방향으로 정의한다. 단, 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 루트 (6e) 에 있어서 z ＝ 0 이다. 추가로, z 축 방향에 수직이며, 또한, 바람이 불어오는 측을 향한 방향을 x 축 방향으로 정의한다. 여기서, x 축 방향은, x 축 방향과 z 축 방향에 의해 정의되는 평면이 풍차 회전면 (12) 과 수직이 되도록 결정된다.
상기 서술되어 있는 바와 같이, 풍차 블레이드 (6) 의 타워 (2) 에 대한 접촉을 방지하기 위한 기술은 3 가지 알려져 있다 :
제 1 방법은, 풍차 블레이드 (6) 의 피치축 (풍차 블레이드 (6) 의 회전 중심축) 을 바람이 불어오는 측으로 기울여 두는 것이다. 이는, 상기 서술한 콘각 (α) 을 0 이 아니게 설정하는 것을 의미하고 있다. 이 방법을, 이하에서는 「0 이 아닌 콘각」이라고 부르기로 한다.
제 2 방법은, 제작시에 풍차 블레이드 (6) 의 선단 부분을 바람이 불어오는 측으로 굽혀 두는 것이다. 이 방법을, 이하에서는 「프리 벤드」라고 부르기로 한다.
제 3 방법은, 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 루트부 (6a) 를 비스듬히 절단하여, 풍차 블레이드 (6) 를 피치축 (9) 에 대하여 비스듬히 장착하는 것이다. 이는, 상기 서술한 루트 컷 경사각 (θ) 을 0 이 아니게 설정하는 것을 의미하고 있다. 이 방법을 이하에서는 「루트 컷」이라고 부르기로 한다.
이들 방법은 모두 풍차 블레이드 (6) 의 타워 (2) 에 대한 접촉을 방지하기 위하여 유효하다. 가장 간편하고 널리 사용되는 방법은 「0 이 아닌 콘각」이지만, 풍차 블레이드 (6) 가 장대한 경우에는 「0 이 아닌 콘각」만으로는, 풍차 블레이드 (6) 의 타워 (2) 에 대한 접촉을 방지할 수 없다. 따라서, 발명자의 검토에 의하면, 「0 이 아닌 콘각」에 다른 방법을 조합하는 것이 바람직하다.
여기서, 발명자의 한 가지 지견은, 「0 이 아닌 콘각」, 「프리 벤드」, 및 「루트 컷」은 각각 피치 모멘트 (Mzb) (풍차 블레이드 (6) 를 피치축 (9) 둘레로 선회시키기 위해 필요한 모멘트) 에 대한 영향이 상이하여, 이들 방법을 적절히 조합함으로써, 피치 모멘트 (Mzb) 를 저감시킬 수 있다는 것이다. 이하에서는, 「0 이 아닌 콘각」, 「프리 벤드」, 및 「루트 컷」이 피치 모멘트 (Mzb) 에 미치는 영향에 대하여 논의한다.
「0 이 아닌 콘각」만을 채용하는 경우, 무하중시에 풍차 블레이드 (6) 가 피치축 (9) 상에 있다. 따라서, 「0 이 아닌 콘각」만을 채용하면, 바람 하중에 의해 풍차 블레이드 (6) 가 휜 경우에 풍차 블레이드 (6) 의 선단 부분이 피치축 (9) 으로부터 멀어져, 피치 모멘트 (Mzb) 가 증대하게 된다.
한편, 「프리 벤드」를 채용하면, 바람 하중에 의해 풍차 블레이드 (6) 가 휜 경우에 풍차 블레이드 (6) 의 선단 부분이 피치축 (9) 에 보다 근접하게 할 수 있기 때문에, 피치 모멘트 (Mzb) 를 저감시킬 수 있다.
여기서, 발명자의 검토에 의하면, 피치 모멘트 (Mzb) 의 저감에 가장 유효한 것은 「루트 컷」이다. 이하에서는, 도 5 ∼ 도 9 를 참조하면서 「루트 컷」에 의한 피치 모멘트 (Mzb) 의 저감 효과를 설명한다.
도 5 는, 「루트 컷」을 채용하지 않는 경우에 있어서의, 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 루트부 (6a) 와 블레이드 단면 (11A) 의 위치 관계를 도시하고 있다. 여기서, 도 5 의 좌측 도면은 풍차 블레이드 (6) 가 방위각 270°에 위치하는 경우의 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 루트부 (6a) 와 블레이드 단면 (11A) 의 위치 관계를 도시하고, 우측 도면은 풍차 블레이드 (6) 가 방위각 90°에 위치하는 경우의 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 루트부 (6a) 와 블레이드 단면 (11A) 의 위치 관계를 도시하고 있다. 여기서, 본 명세서에 있어서 「방위각」이란, 풍차 회전축 (4a) 의 둘레 방향에 있어서의 풍차 블레이드 (6) 의 위치를 의미하고 있고, 풍차 블레이드 (6) 가 연직 상방향 또는 그것에 가장 가까운 방향에 위치하고 있는 경우에 방위각을 0°로 정의한다. 블레이드 단면 (11A) 은, 도 3a 및 도 3b 의 A-A 단면 내, 즉 풍차 블레이드 (6) 의 중간에서부터 약간 블레이드 선단 (6b) 근처의 위치에 있어서의 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 단면이다.
도 5 에 도시되어 있는 바와 같이, 바람 하중이 가해지면 풍차 블레이드 (6) 가 휘기 때문에, 블레이드 단면 (11A) 은 피치축 (9) 으로부터 멀어진다. 풍차 블레이드 (6) 의 휨량에 비례하여, 풍차 블레이드 (6) 의 자중과 공력(空力)에 의해, 풍차 블레이드 (6) 를 선회시키는 베어링 (8) 에는 비대칭인 하중이 작용하여 피치 모멘트 (Mzb) 는 증가한다. 도 6 은 「프리 벤드」를 채용하고 「루트 컷」을 채용하지 않는 경우에 있어서의, 블레이드 질량 중심의 바람이 불어오는 방향 (x 축 방향) 의 위치 (x(z)) 의, 블레이드 루트 (6e) 에서부터의 피치축 방향 (z 축 방향) 의 위치 (z) 에 대한 변화를 나타내는 그래프이다. 여기서, 피치축 방향의 위치 (z) 에 있어서의 블레이드 질량 중심의 위치 (x(z)) 란, 위치 (z) 를 통과하여 피치축 (9) 에 수직인 블레이드 단면에 대하여 계산한 블레이드 질량 중심의 위치를 의미하고 있다. 무부하시에는, 풍차 블레이드 (6) 의 굽혀진 선단 부분이 피치축 (9) 으로부터 바람이 불어오는 방향으로 다소 떨어져 위치하고 있지만, 전체적으로는 블레이드 질량 중심이 피치축 (9) 의 근방에 위치하고 있다. 정격 풍속에 대응하는 바람 하중이 가해지면, 풍차 블레이드 (6) 가 바람이 불어가는 측으로 휘어, 블레이드 질량 중심은 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 선단 (6b) 에 가까워질수록 피치축 (9) 으로부터 멀어진다. 이로 인해, 풍차 블레이드 (6) 를 선회시키는 베어링 (8) 에 작용하는 하중의 비대칭성이 증가하여, 풍차 블레이드 (6) 를 피치축 (9) 둘레로 선회시키는 데에 필요한 피치 모멘트 (Mzb) 가 증대한다.
한편, 도 7 은, 「루트 컷」을 채용하는 경우에 있어서의, 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 루트부 (6a) 와 블레이드 단면 (11A, 11B) 의 위치 관계를 도시하고 있다. 도 7 의 좌측 도면은 풍차 블레이드 (6) 가 방위각 270°에 위치하는 경우의 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 루트부 (6a) 와 블레이드 단면 (11A, 11B) 의 위치 관계를 도시하고, 우측 도면은 풍차 블레이드 (6) 가 방위각 90°에 위치하는 경우의 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 루트부 (6a) 와 블레이드 단면 (11A, 11B) 의 위치 관계를 도시하고 있다. 여기서, 블레이드 단면 (11B) 은, 도 3a 및 도 3b 의 B-B 단면 내, 즉 풍차 블레이드 (6) 의 중간에서부터 약간 블레이드 루트 (6e) 근처의 위치에 있어서의 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 단면이다. 즉, 블레이드 단면 (11A) 은 상대적으로 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 선단 (6b) 으로부터 떨어져 위치하고 있고, 블레이드 단면 (11B) 은 상대적으로 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 루트부 (6a) 의 가까이에 위치하고 있다.
「루트 컷」을 채용한 풍차 블레이드 (6) 의 한 가지 특징은, 바람 하중에 의해 풍차 블레이드 (6) 가 휜 경우에, 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 루트부 (6a) 에 가까운 부분이 피치축 (9) 에 대하여 바람이 불어오는 측에 위치하는 것에 반해, 블레이드 선단 (6b) 에 가까운 부분이 피치축 (9) 에 대하여 바람이 불어가는 측에 위치하는 것이다. 이는, 도 7 에서는, 방위각 270°, 90°의 어떠한 경우에도 블레이드 단면 (11A, 11B) 이, 피치축 (9) 을 사이에 두고 반대측에 위치하고 있는 것에 의해 도시되어 있다. 또한, 도 8 에 나타내고 있는 바와 같이, 영역 B 에서는 블레이드 질량 중심이 피치축 (9) 에 대하여 바람이 불어오는 측에 위치하고 있고, 영역 A 에서는 블레이드 질량 중심이 피치축 (9) 에 대하여 바람이 불어가는 측에 위치하고 있다. 이로 인해, 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 루트부 (6a) 에 가까운 부분과 블레이드 선단 (6b) 에 가까운 부분의 자중에 의한 피치 모멘트 (Mzb) 가 서로 상쇄되어, 풍차 블레이드 (6) 를 피치축 (9) 둘레로 선회시키기 위해 필요한 피치 모멘트 (Mzb) 가 저감된다.
여기서, 피치 모멘트 (Mzb) 가 작아지도록 풍차 로터 (4) 를 설계할 때에는, 피치 모멘트 (Mzb) 가 풍력 발전 장치 (1) 의 운전 환경에 의존하는 것에 유의할 필요가 있다. 가장 피치 모멘트 (Mzb) 를 최대로 하는 것은, 기온이 풍력 발전 장치 (1) 의 운전이 허용되는 최저 기온이며, 또한, 정격 풍속의 바람이 불고 있는 것과 같은 운전 환경에서 풍력 발전 장치 (1) 가 운전되고 있는 경우이다. 즉, 기온은 공기 밀도에 관계되어 있고, 기온이 최저 기온인 경우에 가장 커진다. 또한, 풍력 발전 장치 (1) 는 일반적으로 실제 풍속이 정격 풍속보다 작은 경우에는, 풍차 블레이드 (6) 는 피치각이 최소 상태인 파인 (fine) 상태 (받는 풍력 에너지가 최대인 상태) 또는 그 근방의 피치각으로 제어되고, 실제 풍속이 정격 풍속을 초과하면, 풍속의 증대와 함께 피치각이 증대되어 패더 (feather) 상태 (받는 풍력 에너지가 최소인 상태) 에 근접해진다. 이와 같은 운전이 이루어지는 경우에는, 실제 풍속이 정격 풍속인 경우에 피치 모멘트 (Mzb) 가 최대가 된다. 결과적으로, 기온이 풍력 발전 장치 (1) 의 운전이 허용되는 최저 기온이며, 또한, 정격 풍속의 바람이 불고 있는 경우에 피치 모멘트 (Mzb) 가 최대가 되기 때문에, 이 경우에 대하여 피치 모멘트 (Mzb) 가 저감되도록 풍차 로터 (4) 를 설계하는 것이 바람직하다.
바람직한 풍차 로터 (4) 의 설계의 예로는, 피치 모멘트 (Mzb) 가 최대가 되는 조건 (즉, 기온이 풍력 발전 장치 (1) 의 운전이 허용되는 최저 기온이며, 또한, 정격 풍속의 바람이 불고 있는 경우) 에, 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 질량 중심의 바람이 불어오는 방향의 위치 (x(z)) 의, 블레이드 루트 (6e) 에서부터의 피치축 방향 (z 축 방향) 의 위치 (z) 에 대한 변화의 커브가, 다음의 조건을 만족하는 것을 들 수 있다 (도 9 참조).
조건 :
블레이드 루트 (6e) 이외에서 블레이드 질량 중심의 위치 (x(z)) 가 피치축 (9) 에 일치하는 위치 (Q) 에 있어서의 접선 (L) 을 그었을 때에, 당해 커브 중 위치 (Q) 로부터 떨어져 있는 부분이 접선 (L) 과 피치축 (9) (z 축) 사이에 위치하고 있다.
이와 같은 조건을 만족시키도록 풍차 블레이드 (6) 를 설계하면, 풍차 블레이드 (6) 가 휘었을 때에 피치축 (9) 보다 바람이 불어오는 측에 있는 부분과 바람이 불어가는 측에 있는 부분의 밸런스를 향상시켜, 피치 모멘트 (Mzb) 를 저감시킬 수 있다.
피치 모멘트 (Mzb) 의 저감만을 생각하면 「루트 컷」을 채용하는 것이 중요하고, 「0 이 아닌 콘각」, 「프리 벤드」를 채용하는 것이 반드시 필요하지는 않다는 것에 유의해야 한다. 한편, 풍차 블레이드 (6) 와 타워 (2) 의 접촉을 방지한다는 관점에서는, 「0 이 아닌 콘각」 및/또는 「프리 벤드」를 채용하는 것은 유용하다. 따라서, 실제의 풍차 로터 (4) 의 전체로는 「0 이 아닌 콘각」 및/또는 「프리 벤드」에 추가하여 「루트 컷」을 채용하는 것이 바람직하다.
여기서, 「루트 컷」을 채용하는 경우에는, 루트 컷 경사각 (θ) 의 최적화가 중요해진다. 루트 컷 경사각 (θ) 이 지나치게 커지면, 바람 하중에 의해 풍차 블레이드 (6) 가 휘었을 때에 피치축 (9) 보다 바람이 불어오는 측에 있는 부분과 바람이 불어가는 측에 있는 부분의 밸런스가 무너져, 오히려 피치 모멘트 (Mzb) 가 증대해 버린다. 또한, 「프리 벤드」가 채용되어 있는 경우에는, 풍차 블레이드 (6) 가 휘었을 때에 피치축 (9) 보다 바람이 불어오는 측에 있는 부분과 바람이 불어가는 측에 있는 부분의 밸런스는, 「프리 벤드」의 정도에도 의존한다. 따라서, 루트 컷 경사각 (θ) 을 최적으로 결정하기 위해서는, 풍차 블레이드 (6) 의 각 위치에 있어서의 프리 벤드량 (즉, 무부하시에 있어서의, 풍차 블레이드 (6) 의 피치축 방향의 각 위치에 있어서의 블레이드 질량 중심의 x 축 방향의 위치) 을 고려해야 한다. 이하에서는, 루트 컷 경사각 (θ) 을 최적으로 설계하기 위한 방법을 논의한다.
상기 서술한 바와 같이, 풍차 블레이드 (6) 를 피치축 (9) 둘레로 선회시키기 위해 필요한 피치 모멘트 (Mzb) 를 저감시키기 위해서는, 풍차 블레이드 (6) 의, 피치축 (9) 보다 바람이 불어오는 측에 있는 부분과 바람이 불어가는 측에 있는 부분의 피치 모멘트 (Mzb) 간 밸런스가 중요하다. 이와 같은 밸런스를 평가하는 한 가지 방법은, 바람 하중이 가해진 상태에서의 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 질량 중심의 위치 (x(z)) 와, 풍차 블레이드 (6) 의 z 축 방향의 각 위치에 있어서의 단위 길이당 질량 (m(z)) 의 곱을 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 루트 (6e) 에서부터 블레이드 선단 (6b) 까지 적분하여 얻어지는 적분값 (f) 에 기초하여 평가값을 산출하는 것이다. 적분값 (f) 을 식으로 나타내면, 다음 식 (1) 과 같이 된다 :
Figure 112011039535517-pct00002
여기서, z 는 z 축 방향 (피치축 (9) 의 방향) 에 있어서의 위치이고, z0 은 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 루트 (6e) 의 z 축 상의 위치이며, z1 은 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 선단 (6b) 의 상기 z 축 상의 위치이다.
일 실시형태에서는, 적분값 (f) 을 그대로 평가값으로서 사용할 수 있다. 이 경우, 평가값 (F) 은 다음 식 (2) 로 나타내어진다 :
Figure 112011039535517-pct00003
평가값 (F) 은, 적분값 (f) 그 자체가 아니어도 되고, 적분값 (f) 에 어떠한 연산을 실시하여 얻어지는 값이어도 되며, 또한, 적분값 (f) 이외의 파라미터를 고려하여 산출한 값이어도 된다.
일 실시형태에서는, 바람 하중이 가해진 상태에서의 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 질량 중심의 위치 (x(z)) 를 하기 식 (3) 으로 산출해도 된다 :
ｘ（ｚ）＝Δｘ（ｚ）－ΔｘＰＲＥ（ｚ）－ｚｓｉｎθ， …（３）
여기서, Δx(z) 는 바람 하중에 의한 x 축 방향의 블레이드 질량 중심의 변위 (displacement) 이고, ΔxPRE(z) 는 위치 (z) 에 있어서의 풍차 블레이드 (6) 의 프리 벤드량, 즉, 무부하시에 있어서의, 위치 (z) 에 있어서의 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 질량 중심의 x 축 방향의 위치이고, θ 는 루트 컷 경사각, 즉, 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 루트부 (6a) 에 있어서의 풍차 블레이드 (6) 의 연신 방향과 베어링 (8) 의 중심축 사이의 각이다.
이 경우, 식 (2), (3) 으로부터 다음 식 (4) :
Figure 112011039535517-pct00004
가 얻어지고, 일 실시형태에서는 식 (4) 를 사용하여 평가값 (F) 을 얻어도 된다. 또한, 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 루트 (6e) 의 위치에 있어서 z ＝ 0 이고, 블레이드 선단 (6b) 의 위치에 있어서 z ＝ R 인 경우 (즉, 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 길이가 R 인 경우), 다음 식 (5) 가 얻어진다 :
Figure 112011039535517-pct00005
일 실시형태에서는 식 (5) 를 사용하여 평가값 (F) 을 얻어도 된다.
여기서, 바람 하중을 받은 경우에 있어서의 블레이드 질량 중심의 위치 (x(z)) (또는, 바람 하중에 의한 블레이드 질량 중심의 변위 (Δx(z))) 는, 풍력 발전 장치 (1) 가 운전되는 운전 환경에 의존하는 값이다. 운전 환경으로는, 공기 밀도, 기온, 풍속을 들 수 있다. 여기서, 공기 밀도는 기온에 의존하고 있기 때문에, 공기 밀도와 기온은 기본적으로 등가인 파라미터라는 것에 유의해야 한다. 일 실시형태에서는, 평가값 (F) 은 기온 (T) 과 풍속 (v) 에 의존하는 함수로서 산출된다. 원하는 기온 (T) 과 풍속 (v) 에 대하여 위치 (x(z)) (또는 변위 (Δx(z))) 를 산출하고, 또한, 산출한 위치 (x(z)) (또는 변위 (Δx(z))) 로부터 평가값 (F) 을 산출함으로써, 풍차 블레이드 (6) 의 피치축 (9) 보다 바람이 불어오는 측에 있는 부분과 바람이 불어가는 측에 있는 부분의 피치 모멘트 (Mzb) 간 밸런스를 당해 기온 (T) 과 풍속 (v) 에 대하여 평가할 수 있다. 그 대신에, 평가값 (F) 이 공기 밀도 (ρ) 와 풍속 (v) 에 의존하는 함수로서 산출되어도 된다. 이 경우, 풍차 블레이드 (6) 의 피치축 (9) 보다 바람이 불어오는 측에 있는 부분과 바람이 불어가는 측에 있는 부분의 피치 모멘트 (Mzb) 간 밸런스를 당해 공기 밀도 (ρ) 와 풍속 (v) 에 대하여 평가할 수 있다.
여기서, 풍차 블레이드 (6) 를 피치축 (9) 둘레로 선회시키기 위해 필요한 피치 모멘트 (Mzb) 가 최대가 되는 것은, 상기 서술한 바와 같이, 기온 (T) 이 풍력 발전 장치 (1) 의 운전이 허용되는 최저 기온 (TLOW) 이고 (또는, 공기 밀도 (ρ) 가 최대 공기 밀도 (ρMAX) 이고), 풍속 (v) 이 정격 풍속 (vRATED) 인 경우이다. 따라서, 최저 기온 (TLOW) (또는 최대 공기 밀도 (ρMAX)) 및 정격 풍속 (vRATED) 에 대한 블레이드 질량 중심의 위치 (x(z)) (또는 변위 (Δx(z))) 를 산출하고, 산출된 위치 (x(z)) (또는 변위 (Δx(z))) 를 사용하여 산출된 평가값 (F) 은, 풍차 블레이드 (6) 의 A 영역의 부분과 B 영역의 부분의 자중에 의한 피치 모멘트 (Mzb) 간 밸런스를 평가하기 위해 가장 적합한 값이다. 최저 기온 (TLOW) (또는 최대 공기 밀도 (ρMAX)), 정격 풍속 (vRATED) 에 대하여 산출된 평가값 (F) 을 최소로 하도록 루트 컷 경사각 (θ) 과 풍차 블레이드 (6) 의 형상 (특히 프리 벤드량 (ΔxPRE(z))) 을 정하면, 풍차 블레이드 (6) 를 피치축 (9) 둘레로 선회시키기 위해 필요한 피치 모멘트 (Mzb) 를 보다 저감시킬 수 있다.
이와 같은 설계 방법은, 도 10 에 도시되어 있는 풍차 로터 설계 지원 장치 (20) 를 사용하여 실시할 수 있다. 풍차 로터 설계 지원 장치 (20) 는, 입력 장치 (21) 와, 출력 장치 (22) 와, CPU (23) 와, 메모리 (24) 와, 외부 기억 장치 (25) 를 구비하는 컴퓨터로서 구성되어 있다. 입력 장치 (21) 와 출력 장치 (22) 는, 풍차 로터 설계 지원 장치 (20) 의 맨-머신 인터페이스를 구성하고 있다. 입력 장치 (21) 는, 예를 들어 키보드나 마우스를 구비하고 있다. 출력 장치 (22) 는, 예를 들어 모니터나 프린터를 구비하고 있다. 외부 기억 장치 (25) 에는 풍차 로터 설계 지원 프로그램 (26) 이 인스톨되어 있다. 풍차 로터 설계 지원 프로그램 (26) 은, 상기한 설계 방법을 지원하기 위한 컴퓨터 프로그램이다. CPU (23) 는, 메모리 (24) 를 사용하여 풍차 로터 설계 지원 프로그램 (26) 을 실행한다. 풍차 로터 설계 지원 프로그램 (26) 은, 원하는 운전 환경 (예를 들어, 기온 (T), 공기 밀도 (ρ), 풍속 (v)) 에 대하여 바람 하중을 받은 경우의 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 질량 중심의 바람이 불어오는 방향 (x 축 방향) 의 위치 (x(z)) 또는 바람 하중에 의한 변위 (Δx(z)) 를 산출하는 시뮬레이터와, 상기한 평가값 (F) 을 산출하는 코드 모듈과, 풍차 블레이드 (6) 의 구조를 설계하는 구조 설계 툴을 포함하고 있다.
이하에서는, 도 10 의 풍차 로터 설계 지원 장치 (20) 를 사용하여 풍차 블레이드 (6) 를 설계하는 순서의 바람직한 실시예를 설명한다. 이하에서는, 최저 기온 (TLOW) 과 정격 풍속 (vRATED) 으로부터 식 (5) 를 사용하여 평가값 (F) 을 산출하는 경우에 대하여 설명한다. 단, 식 (2), (4) 를 사용하여도 동일한 순서로 평가값을 산출할 수 있는 것, 및 최저 기온 (TLOW) 대신에 최대 공기 밀도 (ρMAX) 를 사용해도 되는 것은 당업자에게는 자명할 것이다.
외부 기억 장치 (25) 에는 미리 풍차 블레이드 (6) 의 설계 데이터가 준비된다. 이 설계 데이터는, 풍차 블레이드 (6) 의 구조를 나타내는 데이터 (풍차 블레이드 (6) 의 위치 (z) 에 있어서의 프리 벤드량 (ΔxPRE(z)), 풍차 블레이드 (6) 의 블레이드 길이 (R), 및 위치 (z) 에 있어서의 풍차 블레이드 (6) 의 단위 길이당 질량 (m(z)) 등) 과, 그 밖의 기계적 특성을 나타내는 데이터를 포함하고 있다. 설계 데이터는, 풍차 로터 설계 지원 프로그램 (26) 의 구조 설계 툴을 사용하여 작성되어도 되고, 또한, 입력 장치 (21) 를 사용하여 외부로부터 부여되어도 된다.
또한, 풍력 발전 장치 (1) 의 운전이 허용되는 최저 기온 (TLOW) 과 정격 풍속 (vRATED) 이 입력 장치 (22) 를 통해 입력되어, 외부 기억 장치 (25) 에 기억된다.
풍차 로터 설계 지원 프로그램 (26) 은, 부여된 최저 기온 (TLOW) 과 정격 풍속 (vRATED) 에 대하여, 바람 하중에 의한 블레이드 질량 중심의 바람이 불어오는 방향 (x 축 방향) 의 변위 (Δx(z)) 를, 시뮬레이터를 사용하여 산출한다. 변위 (Δx(z)) 의 산출에 있어서는 풍차 블레이드 (6) 의 설계 데이터가 사용된다. 산출된 바람 하중에 의한 블레이드 질량 중심의 바람이 불어오는 방향 (x 축 방향) 의 변위 (Δx(z)) 는 외부 기억 장치 (25) 에 기억된다.
또한, 풍차 로터 설계 지원 프로그램 (26) 은 상기 식 (5) 를 사용하여 평가값 (F) 을 산출한다. 이 평가값 (F) 은, 풍차 블레이드 (6) 의 피치축 (9) 보다 바람이 불어오는 측에 있는 부분과 바람이 불어가는 측에 있는 부분의 피치 모멘트 (Mzb) 간 밸런스의 정도를 나타내고 있다. 평가값 (F) 이 작을수록, 풍차 블레이드 (6) 의 피치축 (9) 둘레의 선회에 필요한 피치 모멘트 (Mzb) 가 작아진다.
평가값 (F) 을 본 사용자는, 필요하면 풍차 로터 설계 지원 프로그램 (26) 의 구조 설계 툴을 사용하여 풍차 블레이드 (6) 의 설계 데이터를 수정해도 된다. 필요에 따라 프리 벤드량 (ΔxPRE(z)) 및/또는 루트 컷 경사각 (θ) 을 수정함으로써 평가값 (F) 을 작게, 즉 풍차 블레이드 (6) 의 피치축 (9) 둘레의 선회에 필요한 피치 모멘트 (Mzb) 를 작게 할 수 있다. 여기서, 식 (5) 를 사용하여 평가값 (F) 을 산출하는 경우에는, 평가값 (F) 을 작게 하는 것은, 식 (1) 의 적분값 (f) 을 작게 하는 것과 등가인 것에 유의해야 한다. 설계 데이터의 수정에는 풍차 로터 설계 지원 프로그램 (26) 의 구조 설계 툴을 사용해도 된다.
이상의 설계 순서에 의하면, 피치축 (9) 둘레의 선회에 필요한 피치 모멘트 (Mzb) 가 작은 풍차 블레이드 (6) 를 설계할 수 있다.

Claims (9)

  1. 로터 헤드, 상기 로터 헤드에 형성된 베어링, 및 상기 베어링에 장착된 풍차 블레이드를 구비하는 풍차 로터의 설계 방법으로서,
    상기 풍차 블레이드는 루트 컷에 더하여, 프리 벤드를 사용하거나 0 이 아닌 콘각 및 프리 벤드를 사용하여 구성되고,
    상기 풍차 로터를 구비하는 풍력 발전 장치의 운전 환경을 나타내는 운전 환경 데이터와 상기 풍차 블레이드의 설계 데이터를 부여하는 것과,
    상기 운전 환경 데이터와 상기 설계 데이터로부터, 상기 운전 환경에 있어서의 상기 풍차 블레이드의 길이 방향의 각 위치에 있어서의 상기 풍차 블레이드의 블레이드 질량 중심의 위치를 산출하는 것과,
    산출된 상기 블레이드 질량 중심의 위치와 상기 풍차 블레이드의 길이 방향의 각 위치에 있어서의 단위 길이당 질량의 곱을 상기 풍차 블레이드의 블레이드 루트에서부터 블레이드 선단까지 적분하여 얻어지는 적분값에 의존하는 값인 평가값을 산출하는 것과,
    상기 평가값에 기초하여, 상기 적분값을 최소로 하도록, 루트 컷 경사각 및 상기 풍차 블레이드의 길이 방향의 각 위치에 있어서의 프리 벤드량을 결정하는 것을 구비하는 풍차 로터 설계 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 운전 환경 데이터가, 상기 풍력 발전 장치의 정격 풍속을 나타내는 제 1 데이터와, 상기 풍력 발전 장치의 운전이 허용되는 최저 기온 또는 상기 최저 기온에 대응하는 공기 밀도를 나타내는 제 2 데이터를 포함하는 풍차 로터 설계 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 평가값이, 하기 식 (1) :
    Figure 112011039535517-pct00006

    을 사용하여 산출되는 풍차 로터 설계 방법.
    단, 식 (1) 에 있어서, z 축은 상기 베어링의 중심축을 따른 방향으로 정의되고, x 축은 상기 z 축에 수직이 되고, 또한, 상기 x 축과 상기 z 축을 포함하는 평면이 상기 풍차 로터의 회전면에 수직이 되도록 정해지고,
    F 는 상기 평가값이고,
    x(z) 는, 상기 z 축 상의 위치 (z) 에 있어서의, 상기 운전 환경에 있어서의 상기 풍차 블레이드의 블레이드 질량 중심의 상기 x 축 방향의 위치이고,
    m(z) 는, z 축 상의 위치 (z) 에 있어서의 상기 풍차 블레이드의 단위 길이당 질량이고,
    z0 은, 상기 블레이드 루트의 상기 z 축 상의 위치이고,
    z1 은, 상기 블레이드 선단의 상기 z 축 상의 위치임.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 x(z) 가 하기 식 (2) :
    ｘ（ｚ）＝Δｘ（ｚ）－ΔｘＰＲＥ（ｚ）－ｚｓｉｎθ， …（２）
    를 사용하여 산출되는 풍차 로터 설계 방법.
    여기서, Δx(z) 는, 상기 운전 환경에 있어서의, 바람 하중에 의한 상기 x 축 방향의 상기 블레이드 질량 중심의 변위이고,
    상기 풍차 블레이드의 프리 벤드량 (ΔxPRE(z)) 은, 위치 (z) 에 있어서의, 무부하시에 있어서의 상기 풍차 블레이드의 상기 블레이드 질량 중심의 상기 x 축 방향의 위치이고,
    상기 루트 컷 경사각 (θ) 은, 상기 풍차 블레이드의 블레이드 루트부에 있어서의 상기 풍차 블레이드의 연신 방향과 상기 베어링의 중심축 사이의 각임.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가로, 상기 적분값을 감소시키도록 상기 설계 데이터를 수정하는 것을 구비하는 풍차 로터 설계 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 풍차 블레이드의 상기 블레이드 루트부는 원통형이고,
    상기 블레이드 루트부에 있어서의 상기 풍차 블레이드의 연신 방향이, 상기 원통형의 중심선으로서 정의되는 풍차 로터 설계 방법.
  7. 로터 헤드와 상기 로터 헤드에 형성된 베어링과, 상기 베어링에 장착된 풍차 블레이드를 구비하는 풍차 로터의 설계 지원 장치로서,
    상기 풍차 블레이드는 루트 컷에 더하여, 프리 벤드를 사용하거나 0 이 아닌 콘각 및 프리 벤드를 사용하여 구성되고,
    상기 풍차 로터를 구비하는 풍력 발전 장치의 운전 환경을 나타내는 운전 환경 데이터와 상기 풍차 블레이드의 설계 데이터를 기억하기 위한 기억 장치와,
    연산 장치를 구비하고,
    상기 연산 장치가, 상기 운전 환경 데이터와 상기 설계 데이터로부터, 상기 운전 환경에 있어서의 상기 풍차 블레이드의 길이 방향의 각 위치에 있어서의 상기 풍차 블레이드의 블레이드 질량 중심의 위치를 산출함과 함께, 산출된 상기 블레이드 질량 중심의 위치와 상기 풍차 블레이드의 길이 방향의 각 위치에 있어서의 단위 길이당 질량의 곱을 상기 풍차 블레이드의 블레이드 루트에서부터 블레이드 선단까지 적분하여 얻어지는 적분값에 의존하는 값인 평가값을 산출하며, 상기 평가값에 기초하여, 상기 적분값을 최소로 하도록, 루트 컷 경사각 및 상기 풍차 블레이드의 길이 방향의 각 위치에 있어서의 프리 벤드량을 결정하도록 프로그램된 풍차 로터의 설계 지원 장치.
  8. 로터 헤드와 상기 로터 헤드에 형성된 베어링과, 상기 베어링에 장착된 풍차 블레이드를 구비하고, 상기 풍차 블레이드는 루트 컷에 더하여, 프리 벤드를 사용하거나 0 이 아닌 콘각 및 프리 벤드를 사용하여 구성되는 풍차 로터의 설계 지원 프로그램을 기록하는 기록 매체로서,
    컴퓨터에, 하기 순서 :
    기억 장치에 준비된, 상기 풍차 로터를 구비하는 풍력 발전 장치의 운전 환경을 나타내는 운전 환경 데이터와 상기 풍차 블레이드의 설계 데이터에 기초하여, 상기 운전 환경에 있어서의 상기 풍차 블레이드의 길이 방향의 각 위치에 있어서의 상기 풍차 블레이드의 블레이드 질량 중심의 위치를 산출하는 순서,
    산출된 상기 블레이드 질량 중심의 위치와 상기 풍차 블레이드의 길이 방향의 각 위치에 있어서의 단위 길이당 질량의 곱을 상기 풍차 블레이드의 블레이드 루트에서부터 블레이드 선단까지 적분하여 얻어지는 적분값에 의존하는 값인 평가값을 산출하는 순서, 및
    상기 평가값에 기초하여, 상기 적분값을 최소로 하도록, 루트 컷 경사각 및 상기 풍차 블레이드의 길이 방향의 각 위치에 있어서의 프리 벤드량을 결정하는 순서를 실행시키는 풍차 로터의 설계 지원 프로그램을 기록하는 기록 매체.
  9. 로터 헤드와,
    상기 로터 헤드에 형성된 베어링과,
    상기 베어링에 장착된 풍차 블레이드를 구비한 풍차 로터로서,
    상기 풍차 블레이드는 루트 컷에 더하여, 프리 벤드를 사용하거나 0 이 아닌 콘각 및 프리 벤드를 사용하여 구성되고,
    제 1 방향을 상기 베어링의 중심축을 따른 방향으로 정하고, 제 2 방향을 상기 제 1 방향에 수직이 되고, 또한, 상기 제 1 방향과 상기 제 2 방향으로 규정되는 평면이 상기 풍차 로터의 회전면에 수직이 되도록 정하였을 때,
    상기 풍차 블레이드가, 기온이 상기 풍차 로터를 구비한 풍력 발전 장치의 운전이 허용되는 최저 기온인 경우의, 또한, 정격 풍속의 바람이 불고 있는 경우에 있어서의 상기 풍차 블레이드의 블레이드 질량 중심의 상기 제 2 방향의 위치의, 상기 풍차 블레이드의 블레이드 루트에서부터의 상기 제 1 방향의 거리에 대한 변화의 커브에 대하여 상기 블레이드 루트 이외에서 상기 블레이드 질량 중심이 상기 베어링의 중심축에 일치하는 위치에 있어서의 접선을 그었을 때에, 상기 커브 중 상기 일치하는 위치로부터 떨어져 있는 부분이 상기 접선과 상기 베어링의 중심축 사이에 위치하는 것과 같은 형상으로 형성되어 있도록, 루트 컷 경사각 및 상기 풍차 블레이드의 길이 방향의 각 위치에 있어서의 프리 벤드량이 결정되어있는 풍차 로터.
KR1020117012037A 2010-08-31 2010-08-31 풍차 로터 설계 방법, 풍차 로터 설계 지원 장치, 풍차 로터 설계 지원 프로그램 및 풍차 로터 KR101290479B1 (ko)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2010/064838 WO2012029134A1 (ja) 2010-08-31 2010-08-31 風車ロータ設計方法、風車ロータ設計支援装置、風車ロータ設計支援プログラム及び風車ロータ

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120073156A KR20120073156A (ko) 2012-07-04
KR101290479B1 true KR101290479B1 (ko) 2013-07-26

Family

ID=45697515

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020117012037A KR101290479B1 (ko) 2010-08-31 2010-08-31 풍차 로터 설계 방법, 풍차 로터 설계 지원 장치, 풍차 로터 설계 지원 프로그램 및 풍차 로터

Country Status (9)

Country Link
US (1) US8700362B2 (ko)
EP (1) EP2613047B1 (ko)
JP (1) JP5200117B2 (ko)
KR (1) KR101290479B1 (ko)
CN (1) CN102713272B (ko)
BR (1) BRPI1005500A2 (ko)
CA (1) CA2722354A1 (ko)
MX (1) MX2011005676A (ko)
WO (1) WO2012029134A1 (ko)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011050777A1 (de) * 2011-05-31 2012-12-06 Dewind Europe Gmbh Rotor und Rotorblatt für eine Windkraftanlage
US20130315746A1 (en) * 2012-05-26 2013-11-28 Sinomatech Wind Power Blade Co., Ltd. Wind blades and producing method thereof
KR101711630B1 (ko) * 2014-09-23 2017-03-03 한국생산기술연구원 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법, 이에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈 및 자가 발전 시스템
CN104346500A (zh) * 2014-11-24 2015-02-11 沈阳化工大学 一种风力机叶片优化设计方法
KR101722189B1 (ko) 2015-07-16 2017-03-31 삼성중공업 주식회사 풍력 발전기 및 그 운용방법
CN110520619B (zh) * 2016-12-08 2022-02-22 赛创尼克株式会社 能量转换装置、包含其的能量转换系统及其运转方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006041383A1 (de) * 2006-08-29 2008-03-20 Euros Entwicklungsgesellschaft für Windkraftanlagen mbH Windenergieanlage mit konusförmig angeordneten Rotorblättern
JP2009287564A (ja) 2008-05-29 2009-12-10 General Electric Co <Ge> 風力タービンにおけるエネルギー捕捉を増大させるための装置及び方法
US20100104444A1 (en) 2007-02-28 2010-04-29 Garcia Andujar Juan Carlos Blade for wind turbines

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1144947C (zh) 1997-09-04 2004-04-07 Lm玻璃纤维有限公司 风车转子和用于该风车转子的机翼型叶片
JP2001132615A (ja) * 1999-11-11 2001-05-18 Hitachi Zosen Corp 発電用プロペラ形風車
US20030066934A1 (en) * 2001-09-06 2003-04-10 Bolonkin Alexander Alexandrovich Method of utilization a flow energy and power installation for it
NO20014597L (no) 2001-09-21 2003-03-24 Hammerfest Stroem As Fremgangsmåte for fremstilling av vingeblad for friströmsturbin
US6923622B1 (en) * 2002-03-07 2005-08-02 Clipper Windpower Technology, Inc. Mechanism for extendable rotor blades for power generating wind and ocean current turbines and means for counter-balancing the extendable rotor blade
US6972498B2 (en) * 2002-05-28 2005-12-06 General Electric Company Variable diameter wind turbine rotor blades
US6902370B2 (en) * 2002-06-04 2005-06-07 Energy Unlimited, Inc. Telescoping wind turbine blade
US7298056B2 (en) * 2005-08-31 2007-11-20 Integrated Power Technology Corporation Turbine-integrated hydrofoil
EP2013472A2 (en) * 2006-05-04 2009-01-14 Daniel Farb Return and limited motion in energy capture devices
DE202006013519U1 (de) 2006-08-29 2006-12-21 Euros Entwicklungsgesellschaft für Windkraftanlagen mbH Windenergieanlage mit konusförmig angeordneten Rotorblättern
KR100810990B1 (ko) * 2006-10-18 2008-03-11 주식회사 에어로네트 제트 휠 방식의 수직축 터빈을 채용한 풍력발전시스템
US20080164698A1 (en) * 2007-01-10 2008-07-10 Gilbert Habets Method and device to measure, test and monitor turbine performance and conditions
DK2078852T4 (da) * 2008-01-11 2022-07-04 Siemens Gamesa Renewable Energy As Rotorvinge til en vindmølle
WO2009140435A1 (en) * 2008-05-13 2009-11-19 Purdue Research Foundation Monitoring of wind turbines
US8714928B2 (en) 2008-06-06 2014-05-06 General Electric Company Rotor assembly for a wind turbine and method of assembling the same
US20110101692A1 (en) * 2008-07-16 2011-05-05 Nykolai Bilaniuk Airborne wind powered generator
US8882462B2 (en) * 2008-12-09 2014-11-11 Sikorsky Aircraft Corporation Lead stop for rotor system with fluid-elastomeric lead/lag damper
US8231347B2 (en) * 2009-02-04 2012-07-31 Frontier Wind, Llc Mass-centralizing blade extension drive mount locations for wind turbine
US8443571B2 (en) * 2009-09-19 2013-05-21 Btpatent Llc Wind power equipment and assembly

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006041383A1 (de) * 2006-08-29 2008-03-20 Euros Entwicklungsgesellschaft für Windkraftanlagen mbH Windenergieanlage mit konusförmig angeordneten Rotorblättern
US20100104444A1 (en) 2007-02-28 2010-04-29 Garcia Andujar Juan Carlos Blade for wind turbines
JP2009287564A (ja) 2008-05-29 2009-12-10 General Electric Co <Ge> 風力タービンにおけるエネルギー捕捉を増大させるための装置及び方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN102713272B (zh) 2014-12-10
JPWO2012029134A1 (ja) 2013-10-28
WO2012029134A1 (ja) 2012-03-08
EP2613047B1 (en) 2018-07-11
BRPI1005500A2 (pt) 2016-02-16
CA2722354A1 (en) 2012-02-29
US8700362B2 (en) 2014-04-15
US20120051892A1 (en) 2012-03-01
EP2613047A1 (en) 2013-07-10
EP2613047A4 (en) 2017-06-14
CN102713272A (zh) 2012-10-03
MX2011005676A (es) 2012-05-21
JP5200117B2 (ja) 2013-05-15
KR20120073156A (ko) 2012-07-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101290479B1 (ko) 풍차 로터 설계 방법, 풍차 로터 설계 지원 장치, 풍차 로터 설계 지원 프로그램 및 풍차 로터
CN101403368B (zh) 风力涡轮机转子叶片及可调桨距式风力涡轮机
JP4690829B2 (ja) 水平軸風車
EP3722594B1 (en) Wind turbine blade with flow blocking means and vortex generators
EP2169217A1 (en) Wind generator blade
US20110142672A1 (en) Wind turbine rotor blade with a suction side winglet
CN102787970B (zh) 风力涡轮机和相关的控制方法
EP3431750B1 (en) Method for determining arrangement position of vortex generator on wind turbine blade, method for producing wind turbine blade assembly, and wind turbine blade assembly
EP2362091A1 (en) Rotor blade vibration damping system
JP2013245564A (ja) 垂直軸風車用ブレード及び垂直軸風車
JP2017044088A (ja) 風力発電システム
Eggers, Jr et al. Modeling of yawing and furling behavior of small wind turbines
KR100816851B1 (ko) 풍력발전용 터빈 블레이드
Wanke et al. Qualitative yaw stability analysis of free-yawing downwind turbines
KR102499973B1 (ko) 수직축 풍차 및 풍력 발전 장치
JP6904766B2 (ja) 垂直軸風車および風力発電装置
JP2003278638A (ja) 垂直軸風車
JP6657488B2 (ja) ブレードのエルボー曲がり部を有する風車
AU2010249135B8 (en) Wind turbine rotor designing method, wind turbine rotor design support device, wind turbine rotor design support program and wind turbine rotor
CN113123926B (zh) 风力发电机组的变桨控制方法及系统
JP7089848B2 (ja) 垂直軸風車および風力発電装置
KR101963612B1 (ko) 저풍속 능동피치 제어용 풍력발전기의 블레이드
KR101334542B1 (ko) 풍력발전장치용 블레이드
JP7220018B2 (ja) 垂直軸風車および風力発電装置
CN118153221A (zh) 柔性叶片的设计方法、装置、介质以及柔性叶片

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee