KR101454260B1 - 35% Thickness Airfoil for Large Scale Wind Turbine Blade - Google Patents

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유기완
강승희
박병목
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박준영
김지영
이재경
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한국전력공사
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Abstract

The present invention relates to a 35% thickness airfoil for a large scale wind turbine blade. The 35% thickness airfoil for a large scale wind turbine blade according to one embodiment of the present invention is used for a wind turbine. According to one embodiment of the present invention, the airfoil has an upper surface and a lower surface. The thickness is 35% of a cord length. According to one embodiment of the present invention, a maximum ratio (lift coefficient/drag coefficient) in free transition is 155. A maximum ratio in forced transistor is 69. More particularly, in an aspect of the present invention, the 35% thickness airfoil for a large scale wind turbine blade can include other embodiments.

Description

두께비 35%의 대용량 풍력터빈 블레이드용 에어포일{35% Thickness Airfoil for Large Scale Wind Turbine Blade}35% Thickness Airfoil for Large Scale Wind Turbine Blade for Large Capacity Wind Turbine Blades with 35%

본 발명은 풍력터빈용 에어포일에 관한 것으로서, 두께비 35%를 갖는 풍력터빈용 에어포일에 관한 것이다. The present invention relates to an airfoil for a wind turbine, and more particularly to an airfoil for a wind turbine having a thickness ratio of 35%.

바람의 힘을 이용하여 전기에너지를 발생시키는 풍력발전기는 산업의 발달과 인구 증가에 의한 석유, 석탄, 천연가스 등의 천연자원의 고갈에 따라 대체 에너지원으로 많은 연구가 진행되고 있다.Wind power generators that generate electric energy by using wind power are being studied as alternative energy sources due to depletion of natural resources such as petroleum, coal and natural gas due to development of industry and population increase.

풍력발전이란 공기 유동이 갖는 운동에너지를 기계적 에너지로 변환시킨 후 다시 전기에너지를 생산하는 기술로서, 자연에 존재하는 바람을 에너지원으로 이용하므로 비용이 들지 않으면서도 친환경적인 바, 점차 사용 범위가 증가하고 있다.Wind power generation is a technology to convert kinetic energy of air flow into mechanical energy and then to produce electric energy again. Since it uses natural wind as an energy source, it is eco-friendly without increasing cost. .

종래의 풍력발전기의 구조는 지면상에 세워지는 고층의 타워 상단에 로터블레이드를 회동 지지하는 나셀을 회전 가능하도록 설치하고, 나셀 내부에는 증속기, 발전기 및 제어장치를 두어, 로터블레이드의 회전력이 허브를 거쳐 주축을 통해 발전기에 이르도록 구성된다. 한편, 공기 유동 후류에 해당하는 나셀의 상단에는 풍향풍속계가 배치된다. 이는 바람의 속도에 따라 전체 시스템을 최적 제어하고 발전량을 모니터링하기 위함인데, 풍향풍속계에서 측정되는 풍향과 풍속에 기반하여 로터블레이드의 피치 각도를 조절하고 나셀의 방향을 유동 방향으로 전환하여 발전 효율을 극대화한다.In the structure of a conventional wind turbine generator, a nacelle for rotatably supporting a rotor blade is rotatably installed on the upper end of a tower of a high-rise tower on the ground. Inside the nacelle, a gearbox, a generator, To the generator via the main shaft. On the other hand, a wind direction anemometer is disposed at the upper end of the nacelle corresponding to the air flow wake. This is to control the entire system optimally according to the speed of the wind and to monitor the power generation. It adjusts the pitch angle of the rotor blades based on the wind direction and wind speed measured in the wind direction anemometer, Maximize.

한편, 로터블레이드는 복수의 에어포일(airfoil) 형상을 스팬 방향(길이 방향)을 따라 분포시켜 3차원 형상을 얻는다. 로터블레이드의 익근(root) 쪽은 구조적인 강성을 위해 두꺼운 에어포일을 사용하고 로터블레이드의 팁(tip) 쪽에는 얇으면서 양항비(=양력계수/항력계수)가 우수한 에어포일을 사용하는 것이 보통이다.On the other hand, the rotor blade obtains a three-dimensional shape by distributing a plurality of airfoil shapes along the span direction (longitudinal direction). The root side of the rotor blades should be thicker airfoils for structural stiffness and thinner on the tip of the rotor blades should be airfoils with better drag ratio (drag coefficient / drag coefficient) to be.

에어포일은 도 1에 도시한 바와 같이 코드(65)를 따라 분포되는 윗면(63, upper surface) 및 아랫면(64, lower surface)이 합쳐져 이루어지며, 에어포일(6)의 앞부분을 앞전(61, leading edge)라 하고, 뒷부분을 뒷전(62, trailing edge)라 칭한다. 앞전(61)은 통상적으로 앞전반경(611)을 갖도록 되어 있고, 에어포일(6)의 최대 두께(66) 및 코드 길이(도 2 참조)는 에어포일(6)의 성능을 결정짓는 중요한 변수중의 하나로 취급된다. 최대 두께(66)는 코드 길이로 나누어 두께비로 무차원화하여 사용되는 것이 보통이다.The airfoil is composed of an upper surface 63 and a lower surface 64 that are distributed along the cord 65 as shown in FIG. 1 and the front portion of the airfoil 6 is joined to the front surface 61, leading edge, and the trailing edge is referred to as trailing edge 62. The maximum thickness 66 and the cord length (see FIG. 2) of the airfoil 6 are important variables that determine the performance of the airfoil 6 . The maximum thickness 66 is usually used by dimensionlessly dividing by the cord length.

공지된 바와 같이 풍력발전기의 성능 및 효율은 로터블레이드의 단면을 이루는 각 에어포일(6)의 형상에 따라 좌우되고, 적절한 에어포일(6)의 선택은 장기간 운전되는 것이 보통인 풍력발전기에 있어서 중요하다.As is well known, the performance and efficiency of a wind turbine depend on the shape of each airfoil 6 that forms a cross section of the rotor blade, and the selection of an appropriate airfoil 6 is important for a wind turbine, Do.

그러나, 현재 풍력발전기에 사용되는 대부분의 에어포일(6)은 항공기용으로 개발된 것들이 보통이다. 유체역학적으로 중요한 변수인 레이놀즈 수(=밀도*코드 길이*풍속/공기의 점성 계수)로 예를 들어 보면, 항공기의 경우 운전 조건에서의 레이놀즈 수가 6,000,000 정도인데 반하여, 풍력발전기의 경우에는 500,000~1,600,000 사이에 불과하여, 운전조건이 전혀 다른 분야의 에어포일(6)이 풍력발전기의 로터블레이드 단면 형상으로 사용됨으로써 상당한 성능 저하를 감수해야만 했다.However, most of the airfoils 6 currently used in wind power generators are usually developed for aircraft. For example, the Reynolds number (= density * code length * wind velocity / air viscosity coefficient), which is an important hydrodynamically variable parameter, is about 500,000-1,600,000 for wind turbines And the airfoil 6 in an area completely different from the operating condition is used as the rotor blade cross-sectional shape of the wind power generator, so that a considerable performance deterioration has to be taken.

더욱이, 풍력발전기의 로터블레이드는 스팬이 10m 이상으로 대형이고, 외부 환경의 오염(먼지, 곤충의 시체, 습기, 결빙 등)에 지속적으로 노출되는 반면 청소는 용이하지 아니하여 오염에 따른 성능 저하가 예상됨에도 상기 영향을 고려하지 않은 채 항공기용으로 개발된 에어포일을 그대로 사용함으로써 더욱더 고효율 로터블레이드는 기대할 수 없었다.Furthermore, the rotor blade of the wind turbine is large with a span of 10 m or more and is continuously exposed to pollution of the external environment (dust, insect body, moisture, freezing), but cleaning is not easy, It is expected that a higher efficiency rotor blade could not be expected by using the airfoil developed for aircraft without considering the above effects.

풍력터빈용으로 사용되는 에어포일에는 네덜란드의 Delft University of Technology의 DU-W계열, 덴마크의 RIS0-DTU의 RIS0-A 와 RIS0-B 계열, Sweden 항공연구소의 FFA-W 계열, 독일 Stuttgart 대학의 AH 계열, 미국 NREL의 S 계열과 NACA 6 계열 등이 있다. 하나의 에어포일을 개발하기 위해서는 많게는 1~2년 정도의 시간과 인내와 노력의 집중과 예산을 요구하는 어려운 점이 있다. 이로 인해 위에 열거한 에어포일 계열 중 일부는 특허출원에 따라 사용 시 대가를 지불해야 하는 것도 존재한다. 또한 풍력터빈 블레이드는 허브 부분에서 강한 굽힘 모멘트 (bending moment)를 받게 되어 구조 적인 강성을 유지하기 위한 노력이 진행되어 왔다. 이에 따라 허브 부분에서는 에어포일 코드길이 대비 최 대두께비를 50% 정도로 하여 에어포일 단면적을 키움으로써 강성을 증가시켜서 구조적인 이점도 가지 면서 무게를 경감시킬 수 있는 노력이 진행되고 있다. 이러한 에어포일 중에는 에어포일의 뒷전 (trailing edge)이 일정한 두께를 갖도록 하는 flatback airfoil도 있다. 특히 일반적인 에어포일 뒷전은 두께가 얇고 끝이 날카로우나, 허브 근방에서는 강한 굽힘 모멘트에 의해 구조 설계의 어려움이 있어서 flatback airfoil을 사용한다면 그러한 어려움에서 탈피할 수 있다.
Airfoils used for wind turbines include the DU-W series of Delft University of Technology in the Netherlands, the RIS0-A and RIS0-B series of RIS0-DTU in Denmark, the FFA-W series of Sweden Aeronautical Research Institute, The NREL S series and the NACA 6 series. In order to develop an airfoil, it takes a lot of time and a lot of time and patience and effort to budget for a year or two. As a result, some of the above-mentioned airfoil series have to pay for their use according to the patent application. Efforts have also been made to maintain structural rigidity by receiving strong bending moments at the hub portion of the wind turbine blades. As a result, efforts have been made to reduce the weight of the hub by increasing the stiffness of the air foil by increasing the cross-sectional area of the air foil to 50% of the length of the airfoil cord. Among these airfoils, there is a flatback airfoil that allows the trailing edge of the airfoil to have a constant thickness. Particularly, in the case of a conventional airfoil, the thickness is thin and the tip is sharp. However, since the structure is difficult to design due to a strong bending moment in the vicinity of the hub, a flatback airfoil can be used.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 메가와트 규모의 대용량 풍력터빈 블레이드에 적용할 에어포일군 (airfoil family)을 제공하는 것에 있다. 구체적으로는, 에어포일 군에 속한 각각의 에어포일은 서로의 모양이나 공력특성이 닮음꼴이어야 한다는 것이고, 이러한 구조설계의 이점과 육안으로도 보기 좋은 매끈한 블레이드 형상을 완성할 수 있다. 두번째는 거칠기 민감도가 작은 에어포일을 제공하는 것이다. 표면 거칠기를 반영한 강제천이 (forced transition)를 통해 천이점이 최대한 앞부분으로 이동하였을 때의 양항비가 매끈한 에어포일에서의 자유천이 (free transition) 과정으로부터 얻어낸 양항비의 50% 이상이 되는 에어포일을 제공하는 것을 목적으로 한다. 두께비 30%를 초과하는 에어포일은 양항비 뿐만 아니라 높은 양력계수를 갖도록 제공하는 것을 목적으로 한다. 특히, 매끈한 상태의 에어포일의 공력특성을 극대화하되 넓은 범위의 받음각 영역에서 강제천이와 자유천이 상태의 양항비를 비교하여 거칠기 민감도가 작은 에어포일을 제공하는 것을 목적으로 한다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide an airfoil family applicable to large-capacity wind turbine blades of a megawatt scale. Specifically, each of the airfoils belonging to the airfoil group must have a similar shape to each other and aerodynamic characteristics, and the advantage of such a structural design and a smooth and smooth blade shape can be achieved with a naked eye. The second is to provide an airfoil with low roughness sensitivity. Providing an airfoil in which the transition ratio when the transition point moves as far as possible through the forced transition reflecting the surface roughness is greater than 50% of the leg ratio obtained from the free transition process in the smooth airfoil . The airfoil having a thickness ratio of more than 30% is intended to provide not only the port ratio but also a high lift coefficient. In particular, it is an object of the present invention to provide an airfoil having a small roughness sensitivity by maximizing aerodynamic characteristics of an airfoil in a smooth state, and comparing the ratio of the forced transition to the free transition state in a wide range of angle of attack angles.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 다음과 같은 과제 해결 수단을 제공한다. The present invention provides the following means for solving the above problems.

본 발명은 풍력터빈 블레이드에 사용되는 에어포일에 있어서, 상기 에어포일은 윗면과 아랫면을 갖고, 두께비가 코드 길이의 35%이고, 상기 윗면은 모든 수평좌표값(x/c)에 대해서 수직좌표값(y/c)가 양의 값을 가지고, 상기 아랫면은 수평좌표값(x/c)이 0.00초과 ~ 0.932 범위 내에서는 수직좌표값(y/c)의 절대값이 증가하다가 감소하며, 0.932 ~ 1.0 범위 내에서는 수직좌표값(y/c)의 절대값이 다시 증가하는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to an airfoil for use in a wind turbine blade, wherein the airfoil has an upper surface and a lower surface, the thickness ratio is 35% of the cord length, and the upper surface has a vertical coordinate value (x / (y / c) has a positive value, and the bottom surface has an absolute value of the vertical coordinate value (y / c) increased and decreased when the horizontal coordinate value (x / c) is in the range of more than 0.00 to 0.932, 1.0, the absolute value of the vertical coordinate value (y / c) increases again.

상기 에어포일은 아래의 표에 해당하는 수평좌표값(x/c)와 수직좌표값(y/c)의 형상을 갖는 것을 특징으로 한다. The airfoil has a shape of a horizontal coordinate value (x / c) and a vertical coordinate value (y / c) corresponding to the following table.

Figure 112013042507893-pat00001
Figure 112013042507893-pat00001

Figure 112013042507893-pat00002
Figure 112013042507893-pat00002

Figure 112013042507893-pat00003

Figure 112013042507893-pat00003

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다. The present invention has the following effects.

1. 에어포일 군에 속한 각각의 에어포일은 서로의 모양이나 공력특성이 닮음꼴이어야 한다는 것이고, 이러한 구조설계의 이점과 육안으로도 보기 좋은 매끈한 블레이드 형상을 제공한다. 1. Each airfoil belonging to the group of airfoils must have a similar shape and aerodynamic characteristics to each other, providing the advantage of such a structural design and a smooth blade shape that is also visually appealing.

2.거칠기 민감도가 작은 에어포일을 제공한다. 표면 거칠기를 반영한 강제천이 (forced transition)를 통해 천이점이 최대한 앞부분으로 이동하였을 때의 양항비가 매끈한 에어포일에서의 자유천이 (free transition) 과정으로부터 얻어낸 양항비의 50% 이상이 되는 에어포일을 제공하는 효과가 있다. 2. Provides airfoil with low roughness sensitivity. Providing an airfoil in which the transition ratio when the transition point moves as far as possible through the forced transition reflecting the surface roughness is greater than 50% of the leg ratio obtained from the free transition process in the smooth airfoil It is effective.

3. 두께비 30%를 초과하는 에어포일은 양항비 뿐만 아니라 높은 양력계수를 갖도록 제공하는 효과가 있다. 특히, 매끈한 상태의 에어포일의 공력특성을 극대화하되 넓은 범위의 받음각 영역에서 강제천이와 자유천이 상태의 양항비를 비교하여 거칠기 민감도가 작은 에어포일을 제공하는 효과가 있다.
3. The airfoil having a thickness ratio of more than 30% has an effect of providing a high lift coefficient as well as a lift ratio. Particularly, there is an effect of maximizing the aerodynamic characteristics of the airfoil in a smooth state, but providing an airfoil having a small roughness sensitivity by comparing the positive and negative ratios of the forced transition and the free transition state in a wide range of angle of attack angle.

도 1 및 도 2는 에어포일의 형상을 설명하는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 에어포일 군의 공력특성 데이터 테이블.
도 4는 본 발명에 따른 에어포일 군의 각 개별 에어포일 형상을 도시한 도면.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 에어포일과 기존 에이포일(DU) 군의 자유천이와 강제천이 조건에서의 최대 양항비와 양력계수들을 최대 양항비가 발생되는 받음각을 기준으로 하여 정리한 테이블.
도 7은 본 발명에 따른 에어포일의 양항비 및 양력계수의 결과 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 에어포일의 양항비 및 양력계수의 결과 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 에어포일의 형상을 도시한 도면.
도 10은 본 발명에 따른 에어포일의 양력 곡선.
도 11은 본 발명에 따른 에어포일의 항력 곡선.
1 and 2 are views for explaining the shape of an airfoil.
3 is a table of aerodynamic characteristics data of an airfoil group according to the present invention.
4 is a view showing each individual airfoil shape of an airfoil group according to the present invention;
FIG. 5 and FIG. 6 are tables of airfoils according to the present invention and the conventional airfoil (DU) group, which are based on the maximum angle of incidence and lift coefficients under the free transition and enforced conditions based on the angle of attack at which the maximum amount of airflow is generated.
7 is a graph of the resultant of the lift ratio and the lift ratio of the airfoil according to the present invention.
Figure 8 is a graph of the resultant of the airspeed < Desc / Clms Page number 10 >
9 is a view showing the shape of an airfoil according to the present invention.
10 is an elevation curve of an airfoil according to the present invention.
11 is a drag curve of an airfoil according to the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 용어가 동일하더라도 표시하는 부분이 상이하면 도면 부호가 일치하지 않음을 미리 말해두는 바이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. Even if the terms are the same, it is to be noted that when the portions to be displayed differ, the reference signs do not coincide.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 실험자 및 측정자와 같은 사용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. The terms first, second, etc. in this specification may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the relevant art and are to be interpreted in an ideal or overly formal sense unless explicitly defined in the present application Do not.

풍력터빈 블레이드(wind turbine blade)에 사용되는 에어포일(airfoil)의 공력성능은 연간 전력생산량(annual power generation)에 커다란 영향을 줄 수 있다. 풍력 발전기를 설치한 후 운전시간이 증가함에 따라 풍력터빈 블레이드 표면에는 먼지나 벌레 등의 이물질이 고착되어 표면 거칠기 (roughness)가 증가한다. 이러한 거칠기 변화는 경계층 천이에 영향을 주어 공력성능을 저하시키는 원인이 된다. 거칠기 민감도 (roughness sensitivity)가 작은 잘 설계된 에어포일은 블레이드 가동에 따른 표면 거칠기 증가의 영향을 덜 받음으로써 양항비의 저하 현상을 최소화 할 수 있다. 이렇게 설계된 에어포일은 결국 풍력 발전기의 이용률(capacity factor) 증진을 가져올 수 있는 중요한 인자로 작용한다. 거칠기가 공력성능에 미치는 영향은 천이점의 변동에서 그 원인을 찾을 수 있다. 특히 블레이드의 바깥부분(outboard)에서는 두께가 얇으면서 양항비가 우수한 에어포일을 요구한다. 따라서 두께비 25% 이하이면서 거칠기 민감도가 작은 에어포일의 개발이 주요 목표가 되며, 그 보다 더 두꺼운 에어포일의 경우에는 최대 양력계수와 양력 성능이 우수한 에어포일 개발에 목표를 둔다. The aerodynamic performance of airfoils used in wind turbine blades can have a significant impact on annual power generation. As the operation time increases after installing the wind turbine generator, foreign matter such as dust or insect is fixed on the surface of the wind turbine blade and the surface roughness is increased. This roughness change affects the boundary layer transition and causes the aerodynamic performance to deteriorate. A well-designed airfoil with a low roughness sensitivity can minimize the degradation of the port ratio by less influencing the surface roughness increase due to blade operation. The airfoil designed in this way is an important factor that can lead to the improvement of the capacity factor of the wind turbine. The effect of roughness on aerodynamic performance can be found in the variation of cloth advantage. Particularly in the outboard of the blade, it requires an airfoil having a thin thickness and excellent in terms of the cost ratio. Therefore, the development of airfoil with less than 25% thickness and low roughness sensitivity is the main objective, and in the case of thicker airfoil, the goal is development of airfoil with maximum lift coefficient and lift performance.

본 발명에서는 메가와트 규모의 대용량 풍력터빈 블레이드에 적용할 에어포일군 (airfoil family)을 제공하고자 한다. 이를 위해 에어포일 설계는 다음과 같은 점에 착안하였다. 첫번째 는 에어포일 군에 속한 각각의 에어포일은 서로의 모양이나 공력특성이 닮음꼴이어야 한다는 것이다. 그래야 구조설계의 이점과 육안으로도 보기 좋은 매끈한 블레이드 형상을 완성할 수 있다. 두번째는 거칠기 민감도가 작은 에어포일을 설계하는 것이다. 표면 거칠기를 반영한 강제천이 (forced transition)를 통해 천이점이 최대한 앞부분으로 이동하였을 때의 양항비가 매끈한 에어포일에서의 자유천이(free transition) 과정으로부터 얻어낸 양항비의 50 % 이상이 되도록 설계하는 것을 목표로 한다. 두께비 30 %를 초과하는 에어포일은 양항비 뿐만 아니라 높은 양력계수를 갖도록 설계하는 것도 목표로 한다. 수치계산을 위하여 XFOIL 프로그램을 사용하였으며, 설계의 초점은 매끈한 상태의 에어포일의 공력특성을 극대화하되 넓은 범위의 받음각 영역에서 강제천이와 자유천이 상태의 양항비를 비교하여 거칠기 민감도가 작은 에어포일을 개발하는 것을 목표로 한다. The present invention provides an airfoil family applicable to large-capacity wind turbine blades of a megawatt scale. To this end, the design of the airfoil focused on the following points. The first is that each airfoil belonging to the airfoil group should be similar in shape and aerodynamic characteristics to each other. This will allow you to complete the geometry of the structure and the shape of the blade, which is also visually pleasing to the naked eye. The second is to design airfoils with low roughness sensitivity. The aim is to design the load ratio to be more than 50% of the load ratio obtained from the free transition process in the smooth airfoil when the transition point is moved to the front as far as possible through the forced transition reflecting the surface roughness do. It is also aimed to design the airfoil having a thickness ratio of more than 30% so as to have a high lift coefficient as well as a port ratio. The XFOIL program was used for the numerical calculation. The focus of the design was to maximize the aerodynamic characteristics of the airfoil in a smooth state, and to compare the ratio of the forced transition to the free transition state in a wide range of angle of attack, It aims to develop.

이하, 에어포일 설계에 대한 방법에 대해 설명한다. Hereinafter, a method for airfoil design will be described.

블레이드 팁에 사용되는 18 % 두께비를 갖는 에어포일은 NACA64-618을 사용하는 것으로 하였으며, 다른 두께비를 갖는 에어포일은 도 3에 나타낸 바와 같이 두께와 켐버 분포로부터 기본 형상을 XFOIL에 입력하여 설계하였다. Reynolds 수는 5 MW급 이상의 대형 풍력터빈의 형상과 운전조건을 감안하여 10×106 으로 설정하였으며, flatback 에어포일 설계 개념을 도입하여 21 % 이상 두께의 에어포일에 대해서는 에어포일 뒷전에 두께가 존재하도록 하였다.Airfoils having a thickness ratio of 18% used for the blade tip were made using NACA64-618, and airfoils having different thickness ratios were designed by inputting XFOIL to the basic shape from the thickness and the Kember distribution as shown in Fig. The Reynolds number is set to 10 × 10 6 considering the shape and operating conditions of a large wind turbine of 5 MW or more. By adopting the flatback airfoil design concept, the thickness of the airfoil after 21% Respectively.

공력성능의 비교는 DU-W 계열의 에어포일 군으로 하여 공력특성이 비슷하거나 우세하도록 설계하는데 역점을 두었다. XFOIL은 층류경계층에서 난류경계층으로 천이하는 현상을 다룰 수 있다. 이때 천이 조건은 en 방법을 적용한다. 이 방법은 유동의 선형 불안정성에 의해서 2차원 Tollmien-Schlichting 파가 성장하는 것이 천이 유발 구조를 갖는 경우에 한하여 천이점을 예측하는 데에 적용이 가능하다. 여기서 평균적으로 풍동의 실험 결과와 맞추기 위해서는 n=9가 전형적인 값으로 이용된다. 이때 표면이 매끈한 경우에 대해서 자유 천이 현상에 의해 날개의 뒷전 혹은 그 앞에 en 조건을 만족하는 점이 천이점이 되며, 표면이 거친 에어포일에 대해서는 에어포일 앞전 임의의 위치에 강제적으로 천이점을 부여할 수 있다. 본 발명에서는 천이의 원인이 날개 앞전에서의 이물질 부착이므로 날개 윗면에서는 코드의 5%, 그리고 날개 아랫면에서는 코드의 10%를 천이 위치로 정하였다. 에어포일의 외형을 설계하는 방법에는 최적설계를 통해서 설계변수와 제약조건을 제시한 후 설계변수를 극대화시킬 수 있다. 그렇지만 본 발명에서처럼 블레이드에 사용하기 위한 여러 개의 에어포일 군의 형상을 결정하는 경우에는 에어포일의 외형이 가급적이면 닮은 꼴이어야 구조설계도 용이하고 매끈한 3차원 블레이드 형상을 얻어낼 수 있다. 즉 앞전 반경, 최대 두께 위치, 캠버, 캠버의 위치, 뒷전 두께, 에어포일 상면과 하면이 전체 두께에서 차지하는 비중 등이 서로 닮거나 각각 두께비가 증가함에 따라 점진적인 변화가 이루어져야 한다. 따라서 단순한 최적설계 기법만 가지고 6개 정도의 에어포일의 형상을 최적화 하기란 쉽지 않을 것으로 판단하여 XFOIL에서 제공하는 여러 가지 기능들을 조합하여 에어포일 외형을 결정하도록 초점을 두었다. 다만 설계를 빠르게 하기 위해서 초기 형상을 정하는 데에 특별한 기준은 없지만 공기역학적인 영감을 반영하여 특히 두께비가 커질수록 거칠기 민감도를 줄이기 위해 앞부분에 음의 켐버를 두고 에어포일의 뒷부분에서는 역켐버로 양력을 보상하도록 한다. 이러한 노력의 결과로 얻어낸 에어포일 군의 형상은 도 4와 같다. 특히 40 % 에어포일의 경우에는 원형 실린더와 부드러운 천이를 얻어내기 위해 NACA63-040 에어포일의 최대 두께 위치 앞부분은 타원 형상을 갖도록 변형하였다. The comparison of aerodynamic performance is focused on designing the aerofoil group of DU-W series so that aerodynamic characteristics are similar or superior. XFOIL can handle transitions from a laminar boundary layer to a turbulent boundary layer. At this time, the transition condition applies the e n method. This method can be applied to predicting the transition advantage only when the two-dimensional Tollmien-Schlichting wave grows due to the linear instability of the flow, if it has a transition inducing structure. Here, n = 9 is used as a typical value to match the wind tunnel test results on average. In this case, when the surface is smooth, the point where the e n condition is satisfied before or after the trailing edge of the wing due to the free transition phenomenon is a transition point. For a rough surface airfoil, a cloth edge is forcibly given to any position before the airfoil . In the present invention, 5% of the cord is positioned at the top of the wing, and 10% of the cord is positioned at the bottom of the wing. The method of designing the external shape of the airfoil can maximize the design variables by presenting design variables and constraints through optimum design. However, in the case of determining the shape of a plurality of airfoils for use in a blade as in the present invention, the outer shape of the airfoil should preferably be similar to that of the airfoil so that the structure can be designed easily and smoothly. That is, the advance radius, the maximum thickness position, the camber, the camber position, the trailing edge thickness, the weight of the upper surface of the airfoil, and the weight occupied by the lower surface should be gradually changed as the thickness ratio increases. Therefore, it was not easy to optimize the shape of six airfoils with a simple optimization technique, and we focused on determining the airfoil shape by combining various functions provided by XFOIL. However, there is no specific standard for determining the initial shape to speed up the design. However, to reflect the aerodynamic inspiration, the negative camber is placed in the front part to reduce the roughness sensitivity as the thickness ratio increases, Compensation. The shape of the airfoil group obtained as a result of such efforts is shown in Fig. Particularly in the case of 40% airfoil, the front portion of the NACA63-040 airfoil with the maximum thickness was deformed to have an elliptical shape in order to obtain a smooth transition with the circular cylinder.

설계된 에어포일과 DU에어포일 군의 자유천이와 강제천이 조건에서의 최대 양항비와 양력계수들을 최대양항비가 발생되는 받음각을 기준으로 정리하여 도 5 및 도 6에 도시하였다. Fig. 5 and Fig. 6 summarize the maximum airspeed and lift coefficients under the conditions of free transition and forced draft in the designed airfoil and DU airfoil group based on the angle of attack at which the maximum airspeed ratio is generated.

도 5 내지 도 8에서와 같이 새로이 개발된 에어포일은 DU 에어포일 군에 비해 두께비 30% 이하의 비교적 얇은 에어포일에서 전반적으로 양항비가 우수한 특성을 보이며, 두께비 30%를 초과하는 경우에는 상대적으로 높은 양력계수를 보여주고 있어 설계 목표를 만족한다고 볼 수 있다. As shown in FIGS. 5 to 8, the newly developed airfoil exhibits excellent overall air portability in a comparatively thin airfoil having a thickness ratio of 30% or less as compared with the DU airfoil group. When the thickness ratio exceeds 30%, the airfoil is relatively high It shows the lift coefficient and meets the design goal.

결론적으로, 5 MW 급 이상의 대용량 풍력터빈에 적합한 수평축 풍력터빈 용 에어포일 군을 개발하였다. 개발된 에어포일은 초기설정한 거칠기에 둔감하면 높은 양항비와 양력계수 목표를 만족하며, 두께비 30% 보다 얇은 에어포일의 경우 표면 거칠기를 반영한 강제천이와 매끈한 표면 상태의 자유천이에서의 양항비의 비율은 50%를 넘는 것으로 나타났다. 새로이 개발된 에어포일은 DU 에어포일 군에 비해 두께비 30 % 이하의 비교적 얇은 에어포일에서 전반적으로 양항비가 우수한 특성을 보이며, 두께비 30 %를 초과하는 경우에는 상대적으로 높은 양력계수를 보여주었다. In conclusion, we developed a group of airfoils for horizontal wind turbines suitable for large-capacity wind turbines of 5 MW and above. The developed airfoil satisfies the target of high lift ratio and lift coefficient if it is insensitive to the initially set roughness. For airfoils thinner than 30% of thickness, the forced airfoil reflects the surface roughness, The proportion was over 50%. The newly developed airfoil showed better overall aerodynamic performance than the DU airfoil with relatively thin airfoils with a thickness ratio of less than 30% and showed a relatively high lift coefficient when the thickness ratio exceeded 30%.

이하 두께비 35%의 에어포일에 대하여 좀더 구체적으로 설명하기로 한다. Hereinafter, the airfoil having a thickness ratio of 35% will be described in more detail.

본 발명은 풍력터빈 블레이드(wind turbine blade)의 공기역학적인 효율을 증대시킬 목적으로 개발한 에어포일 (airfoil)의 형상 좌표와 그 공력 특성에 대한 내용을 제공하고 있다. 여기서 효율이란 주어진 풍속에서 전기출력으로 변환되는 비율을 말하며, 공기역학적으로 우수한 형상을 갖는 풍력터빈용 에어포일은 풍력터빈의 이용률 (capacity factor)을 높이는 효과를 갖는다. 풍력터빈을 운용하는 발전사업자는 높은 이용률을 갖는 풍력터빈을 선호하게 되는데, 이는 이용률이 풍력발전기의 수입과 직결되기 때문이다. The present invention provides the shape coordinates of an airfoil developed for the purpose of increasing the aerodynamic efficiency of a wind turbine blade and the aerodynamic characteristics of the airfoil. Here, efficiency refers to the ratio of conversion from a given wind speed to electrical output, and an airfoil for a wind turbine having an aerodynamically superior shape has an effect of increasing the capacity factor of a wind turbine. Power generation companies that operate wind turbines prefer wind turbines with high utilization rates because utilization rates are directly linked to the import of wind turbines.

여기서 가장 중요한 기술이 블레이드를 구성하는 에어포일의 형상이다. 잘 설계된 에어포일 형상은 먼지나, 벌레, 결빙 등에 의해서 블레이드 표면의 거칠기 (roughness)가 증가하여도 출력이 크게 저하되지 않는 특성을 지녀야 한다. 블레이드 표면 거칠기는 출력을 50% 정도까지 감소시키게 되므로 우수한 에어포일의 사용은 풍력발전기의 시장 점유율을 높이는데 가장 중요한 역할을 한다.The most important technique here is the shape of the airfoil constituting the blade. The well-designed airfoil shape should have characteristics such that the output is not significantly reduced even if the roughness of the blade surface increases due to dust, worms, or freezing. Since the surface roughness of the blades reduces the power output by as much as 50%, the use of excellent airfoils plays an important role in increasing the market share of wind turbines.

풍력터빈 블레이드에 사용되는 에어포일은 에어포일 가족(airfoil family)이라고 하여 서로 비슷한 형상이어야 한다. 여기서 비슷한 형상이라는 것은 에어포일의 최대 두께가 존재하는 코드(chord) 위치, 켐버(camber) 분포, 앞전(leading edge)의 곡률반경, 뒷전(trailing edge)의 두께 비율 등을 말하며, 전반적인 형상이 가족 구성원들의 얼굴이 서로 닮 듯이 블레이드에 사용되는 여러 에어포일들의 형상이 서로 비슷해야 블레이드가 매끄럽고 공기역학적으로도 우수한 특징을 갖는다. 본 발명에 따른 KW1-35 에어포일은 두께비가 코드 길이의 35 %이면서 블레이드의 팁 쪽에 사용되는 비교적 얇은 에어포일로서 레이놀즈 수 (Reynolds number)가 107 대에서 높은 효율을 갖도록 개발하여 기존의 풍력터빈용 에어포일의 레이놀즈 수보다 3배 정도 높은 운용범위를 지니므로 5 MW급 이상의 대용량 풍력터빈에서 기존에 개발된 에어포일 보다 더 적합한 에어포일 특징을 갖는다. 이 에어포일은 자유천이(free transition) 조건에서 최대 양항비(lift-to-drag ratio)가 155에 이르며, 거칠기 효과를 반영한 강제천이(forced transition, 앞전 아랫면에서 5%, 윗면에서 10% 코드 위치에서 천이)에서 양항비는 69이다.
한편, 도 5에 표시된 바와 같이

Figure 112014090952891-pat00021
는 받음각을 의미하며, 자유천이(free transition)에서 받음각은 8.5이며, 강제천이(forced transition)에서 받음각은 6.0이다.
도 3에 표시된 TE t(%)는 에어포일 뒷전의 두께를 코드길이(c)로 나눈 값의 퍼센티지이며, 두께비가 코드길이(c)의 35%인 경우, 뒷전의 두께를 코드길이(c)로 나눈 값의 퍼센티지는 2.0%이다.
도 3에 표시된 바와 같이,
Figure 112014090952891-pat00022
는 에어포일의 두께가 최대가 되는 위치를 앞전에서 코드길이(c)의 몇 퍼센트인지 나타내는 값으로, 본 발명에서는 에어포일의 두께가 최대가 되는 위치는 앞전으로부터 코드길이(c) 대비 30%에 위치한다. Airfoils used in wind turbine blades should be similar in shape to each other as the airfoil family. Here, similar shape refers to chord position, camber distribution, radius of curvature of leading edge, thickness ratio of trailing edge, etc. where the maximum thickness of airfoil exists, As the faces of the members resemble each other, the shape of the various airfoils used in the blades must be similar to each other so that the blades are smooth and aerodynamically superior. The KW1-35 airfoil according to the present invention is a relatively thin airfoil having a thickness ratio of 35% of the cord length and used on the tip side of the blade, and has been developed to have a high Reynolds number of 10 7 , The airfoil has an operating range three times higher than the Reynolds number of the airfoil for airflow. This airfoil has a lift-to-drag ratio of up to 155 under free transition conditions, and a forced transition reflecting the roughness effect (5% at the front and 5% at the top) The transition ratio is 69).
On the other hand, as shown in Fig. 5
Figure 112014090952891-pat00021
Means the angle of attack, the angle of attack at free transition is 8.5, and the angle of attack at 6.0 for forced transition.
The TEt (%) shown in Fig. 3 is a percentage of the thickness of the rear airfoil divided by the cord length c. If the thickness ratio is 35% of the cord length c, Is 2.0%. ≪ / RTI >
As shown in Figure 3,
Figure 112014090952891-pat00022
In the present invention, the position where the thickness of the airfoil reaches the maximum is 30% of the cord length (c) from the leading edge. Located.

이하, 본 발명에 따른 KW1-35 에어포일의 형상 좌표는 다음과 같다. The shape coordinates of the KW1-35 airfoil according to the present invention are as follows.

도 9를 참조하여, x축의 값인 x/c(c는 코드길이)가 1인 지점으로부터 시작하여, 반시계 방향으로 y축의 값인 y/c(c는 코드길이)의 값을 2차원 데이터로 정리하였다. Referring to FIG. 9, values of y / c (c is a code length), which is a value in the y-axis in the counterclockwise direction starting from a point where x / c (c is a code length) Respectively.

Figure 112013042507893-pat00004
Figure 112013042507893-pat00004

Figure 112013042507893-pat00005
Figure 112013042507893-pat00005

Figure 112013042507893-pat00006

Figure 112013042507893-pat00006

도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 KW1-35 에어포일의 양력곡선 및 항력곡선을 나타낸다. 10 and 11 show the lift curve and the drag curves of the KW1-35 airfoil according to the present invention.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be possible.

6 : 에어포일
t : 최대 두께
c : 코드 길이
cl : 양력
cd : 항력
α : 받음각
6: Airfoil
t: maximum thickness
c: Code length
c l : lift
c d : Drag
α: Angle of attack

Claims (2)

삭제delete 풍력터빈 블레이드에 사용되는 에어포일에 있어서, 상기 에어포일은 윗면과 아랫면을 갖고, 두께비가 코드 길이의 35%이고,
레이놀즈 수는 107이며, 뒷전의 두께를 코드길이로 나눈 값의 퍼센티지는 2.0%이며,
자유천이(free transition)에서 최대 양항비는 155이며 받음각은 8.5이며,
강제천이(forced transition)에서 최대 양항비는 69이며 받음각은 6.0이며,
상기 에어포일의 두께가 최대가 되는 위치는 앞전으로부터 코드길이 대비 30%에 위치하며,
아래의 표에 해당하는 수평좌표값(x/c)과 수직좌표값(y/c)의 형상을 갖는 두께비 35%의 대용량 풍력터빈 블레이드용 에어포일.
Figure 112014090952891-pat00007

Figure 112014090952891-pat00008

Figure 112014090952891-pat00009

An airfoil for use in a wind turbine blade, the airfoil having an upper surface and a lower surface, wherein the thickness ratio is 35% of the cord length,
The Reynolds number is 10 7 , and the percentage of the thickness of the trailing edge divided by the cord length is 2.0%
In the free transition, the maximum heading ratio is 155, the angle of attack is 8.5,
In the forced transition, the maximum heading ratio is 69, the angle of attack is 6.0,
The position where the thickness of the airfoil reaches the maximum is located at 30% of the cord length from the front side,
Airfoil for large-capacity wind turbine blades with a thickness ratio of 35% with the form of horizontal coordinate value (x / c) and vertical coordinate value (y / c) corresponding to the table below.
Figure 112014090952891-pat00007

Figure 112014090952891-pat00008

Figure 112014090952891-pat00009

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