KR101541738B1 - 포스트 스톨 모델을 이용한 터빈 블레이드의 공력특성 예측방법 - Google Patents

포스트 스톨 모델을 이용한 터빈 블레이드의 공력특성 예측방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포스트 스톨 영역에서 터빈 블레이드의 공력특성을 정확하게 예측할 수 있는 포스트 스톨 모델을 이용한 터빈 블레이드의 공력특성 예측방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 레이놀즈수(Reynolds number)와 터빈 블레이드의 형상에 따라 결정되며 제1 받음각 범위에서의 받음각에 따른 상기 터빈 블레이드의 기초 공력데이터가 저장된 데이터 베이스로부터 입력데이터를 추출하는 추출단계; 그리고, 스톨(stall) 이후 영역에서 상기 터빈 블레이드에 작용하는 외부 환경을 고려한 포스트 스톨 모델이 구현된 알고리즘을 갖는 공력특성 연산부가 상기 입력데이터를 바탕으로 스톨 이후 제2 받음각 범위에서의 받음각에 따른 상기 터빈 블레이드의 예측 공력데이터를 산출하는 공력데이터 산출단계를 포함하며, 상기 포스트 스톨 모델은 상기 터빈 블레이드의 회전속도는 가변적이고, 상기 터빈 블레이드의 주변을 흐르는 공기의 자유속도는 일정하게 설정하는 것을 특징으로 하는 포스트 스톨 모델을 이용한 터빈 블레이드의 공력특성 예측방법을 제공한다.

Description

포스트 스톨 모델을 이용한 터빈 블레이드의 공력특성 예측방법{Predection method for aerodynamic characteristics of turbine blade using a post-stall model}
본 발명은 본 발명은 터빈 블레이드의 공력특성 예측방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 스톨 이후 영역에서 터빈 블레이드의 공력특성을 정확하게 예측할 수 있는 포스트 스톨 모델을 이용한 터빈 블레이드의 공력특성 예측방법에 관한 것이다.
일반적으로, 항공기 날개 또는 터빈 블레이드에 작용하는 합성속도(resultant velocity)와 시위선(chord line)이 이루는 각, 즉 받음각이 커지면 양력(lift force)이 커지게 된다.
터빈 블레이드의 경우 양력이 증가하게 되면, 토크가 증가하게 되어 파워가 증가하게 된다. 그러나 받음각이 계속 커지게 되면 스톨(stall)이 발생하게 되며, 스톨이 발생하게 되면 양력이 급속히 감소하여 토크가 감소하게 되고, 이로 인하여 파워가 급격히 떨어지게 된다.
상기 스톨이 발생한 이후 영역, 즉 포스트 스톨(post-stall) 영역에서의 양력 및 항력은 일반적인 공기역학 이론으로는 산출하기가 힘들기 때문에 통상적으로 실험을 통하여 얻게 된다.
그러나 종래에는 포스트 스톨 영역에서의 모든 물리적 상황에 대하여 실험할 수 없는 문제가 있다. 특히, 종래 방법에 따른 포스트 스톨영역에서의 공력특성값을 얻기 위하여 수행되어야 하는 실험은 많은 비용과 시간이 소요되는 문제가 있다.
따라서, 최근에는 포스트 스톨 영역에서의 물리적 조건들을 바탕으로 포스트 스톨 모델을 생성하고, 상기 포스트 스톨모델을 이용하여 포스트 스톨 영역에서의 양력 및 항력을 계산하기 위한 다양한 연구들이 수행되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2009-0101440호(발명의 명칭: 스톨 제어형 풍력터빈 내의 풍속을 유도하는 방법 및 시스템, 공개일: 2009년 09월 28일)
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 포스트 스톨 영역에서 터빈 블레이드의 공력특성을 정확하게 예측할 수 있는 포스트 스톨 모델을 이용한 터빈 블레이드의 공력특성 예측방법을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 레이놀즈수(Reynolds number)와 터빈 블레이드의 형상에 따라 결정되며 제1 받음각 범위에서의 받음각에 따른 상기 터빈 블레이드의 기초 공력데이터가 저장된 데이터 베이스로부터 입력데이터를 추출하는 추출단계; 그리고, 스톨(stall) 이후 영역에서 상기 터빈 블레이드에 작용하는 외부 환경을 고려한 포스트 스톨 모델이 구현된 알고리즘을 갖는 공력특성 연산부가 상기 입력데이터를 바탕으로 스톨 이후 제2 받음각 범위에서의 받음각에 따른 상기 터빈 블레이드의 예측 공력데이터를 산출하는 공력데이터 산출단계를 포함하며, 상기 포스트 스톨 모델은 상기 터빈 블레이드의 회전속도는 가변적이고, 상기 터빈 블레이드의 주변을 흐르는 공기의 자유속도는 일정하게 설정하는 것을 특징으로 하는 포스트 스톨 모델을 이용한 터빈 블레이드의 공력특성 예측방법을 제공한다.
상기 기초 공력데이터는 상기 터빈 블레이드의 단면형상에 따른 최대 항력계수, 상기 제1 받음각 범위에서의 받음각에 따른 제1 항력계수 및 제1 양력계수를 포함하며, 상기 입력데이터는 스톨 받음각과, 스톨 항력계수, 스톨 양력계수 및 상기 최대 항력계수를 포함할 수 있다.
상기 추출단계에서는 상기 제1 양력계수 중 가장 큰 값을 상기 스톨 양력계수로 설정하고, 상기 스톨 양력계수를 갖는 받음각을 상기 스톨 받음각으로 설정하고, 상기 스톨 받음각에서의 제1 항력계수를 상기 스톨 항력계수로 설정할 수 있다.
상기 예측 공력데이터는 상기 제2 받음각 범위에서의 받음각에 따른 제2 양력계수 및 제2 항력계수를 포함하며, 상기 제2 양력계수(CL) 및 상기 제2 항력계수(CD)는 하기의 수학식을 통하여 산출되며, 하기의 수학식에서 스톨 받음각(αs), 스톨 항력계수(CDS), 스톨 양력계수(CLS) 및 최대 항력계수(CDmax)는 상기 입력데이터로부터 설정될 수 있다.
[수학식]
Figure 112014082952836-pat00001
Figure 112014082952836-pat00002
또한, 상기 터빈 블레이드의 공력특성 예측방법은 상기 예측 공력데이터를 바탕으로 스톨 이후 상기 제2 받음각 범위에서의 받음각에 따라 상기 터빈 블레이드에 가해지는 토크 및 파워를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 포스트 스톨 모델을 이용한 터빈 블레이드의 공력특성 예측방법의 효과를 설명하면 다음과 같다.
첫째, 실험적으로 측정하기가 용이한 제1 받음각 영역에서의 기초 공력데이터와, 포스트 스톨 모델이 구현된 알고리즘을 바탕으로 실험적으로 측정하기 어려운 스톨 이후의 받음각에 따른 제2 항력계수 및 제2 양력계수를 예측할 수 있는 이점이 있다.
둘째, 본 발명에 따른 포스트 스톨 모델을 사용하여 스톨 이후 영역의 터빈 블레이드에 대한 공력특성을 예측하고, 이를 바탕으로 상기 터빈 블레이드의 토크 및 파워를 산출함으로써 스톨 영역 이후의 터빈 블레이드에 대한 토크 및 파워를 구하는데 있어서 소요되는 시간과 비용을 줄일 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 터빈 블레이드의 공력특성 예측방법의 흐름을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 터빈 블레이드의 단면에 가해지는 항력과 양력을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 포스트 스톨 모델이 구현된 알고리즘을 통하여 예측된 스톨 이후의 제2 양력계수 및 제2 항력계수를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 포스트 스톨 모델이 구현될 알고리즘을 통하여 예측된 스톨 이후의 파워계수와 실제 실험을 통하여 얻어진 파워계수의 비교결과를 나타낸 도면이다.
이하, 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시 예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.
도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 포스트 스톨 모델을 이용한 터빈 블레이드의 공력특성 예측방법을 설명하면 다음과 같다.
스톨 이후 터빈 블레이드의 공력특성을 예측하기 위한 예측 시스템은 레이놀즈수(Reynolds number)와 터빈 블레이드의 형상에 따른 상기 터빈 블레이드에 대한 기초 공력데이터가 저장된 데이터 베이스, 상기 기초 공력데이터에서 추출된 입력데이터가 입력되는 입력부, 상기 포스트 스톨 모델이 구현된 알고리즘을 갖는 공력특성 연산부, 상기 공력특성 연산부에서 산출된 예측 공력데이터를 출력하는 출력부를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 기초 공력데이터는 상기 터빈 블레이드의 단면형상에 따른 최대 항력계수, 제1 받음각 범위에서의 받음각에 따른 제1 항력계수 및 제1 양력계수를 포함한다.
여기서, 상기 제1 받음각의 범위는 상기 터빈 블레이드에 대한 공력데이터를 실험적으로 측정할 수 있는 받음각의 범위를 의미한다. 상기 제1 받음각의 범위에는 상기 터빈 블레이드에서 스톨이 발생하는 받음각인 스톨 받음각이 포함되어 있다.
상기 최대 항력계수는 상기 레이놀즈수(Reynolds number)와 상기 터빈 블레이드의 단면형상에 따라 달라질 수 있지만, 통상적으로 1.8 ~ 2.1 사이에서 결정된다.
또한, 상기 제1 항력계수와 상기 제1 양력계수도 상기 레이놀즈수(Reynolds number)와 상기 터빈 블레이드의 단면형상에 따라 다른 값을 가진다.
일례로 하기의 표1에서 도시된 바와 같이, 레이놀즈수(Reynolds number)가 260,000 이고, 터빈 블레이드의 단면형상이 NACA0012 인 경우의 받음각에 따른 제1 항력계수와 제1 양력계수의 값은 아래와 같다.
레이놀즈수(Reynolds number)가 260,000이며, 터빈 블레이드의 단면형상이 NACA0012 인 경우에서 받음각에 따른 제1 양력계수와 제1 항력계수
받음각(α) 제1 양력계수 제1 항력계수
0 0.0000 0.0091
1 0.1100 0.0092
2 0.2200 0.0096
3 0.3300 0.0102
4 0.4400 0.0111
5 0.5500 0.0127
6 0.6600 0.0139
7 0.7580 0.0153
8 0.8408 0.0169
9 0.8940 0.0185
10 0.5568 0.0186
11 0.5114 0.0482
12 0.3183 0.0779
13 0.2395 0.0871
14 0.2720 0.1385
15 0.3194 0.1900
상기 데이터 베이스에는 각각의 터빈 블레이드 형상에 대한 다양한 레이놀즈수(Reynolds number)의 조건에 대하여 받음각에 따른 제1 양력계수와 제1 항력계수가 저장되어 있다.
상기 입력데이터는 스톨 받음각과, 스톨 항력계수, 스톨 양력계수 및 상기 최대항력계수를 포함한다.
여기서, 상기 스톨 양력계수는 상기 제1 양력계수 중 가장 큰 값으로 설정되고, 상기 스톨 받음각은 상기 스톨 양력계수를 갖는 받음각으로 설정되고, 상기 스톨 항력계수는 상기 스톨 받음각에서의 제1 항력계수의 값으로 설정된다.
결과적으로, 상기 예측 공력데이터의 산출을 위하여 사용자에 의하여 원하는 터빈 블레이드의 단면형상과 레이놀즈수(Reynolds number)가 결정되면, 상기 입력부는 상기 데이터 베이스로부터 상기 터빈 블레이드에 대한 기초 공력데이터를 추출한 후, 상기 기초 공력데이터로부터 상기 입력데이터를 추출하게 된다.
추출된 상기 입력데이터는 상기 입력부를 통하여 상기 포스트 스톨 모델이 구현된 알고리즘을 갖는 상기 공력특성 연산부로 입력되고, 상기 공력특성 연산부는 상기 알고리즘의 연산을 통하여 상기 예측 공력데이터를 산출하게 된다.
물론, 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 않고, 사용자가 직접 상기 데이터 베이스로부터 상기 기초 공력데이터를 산출하고 상기 기초 공력데이터로부터 상기 입력데이터를 추출한 후 상기 입력부를 통하여 상기 공력특성 연산부로 입력할 수도 있을 것이다.
한편, 상기 공력특성 연산부는 상기 포스트 스톨 모델과 상기 입력데이터를 바탕으로 상기 예측 공력데이터를 산출하게 된다.
상기 포스트 스톨 모델은 스톨 이후 영역에서 상기 터빈 블레이드에 작용하는 외부환경을 고려한 모델이다. 통상적으로, 바람이 부는 영역에 터빈 블레이드가 위치하게 되면, 상기 터빈 블레이드의 주변에 공기가 흐르면서 상기 터빈 블레이드에 양력과 항력이 발생하게 되고, 상기 양력과 항력에 의하여 상기 터빈 블레이드가 회전하게 된다.
여기서, 상기 포스트 스톨 모델은 상기 터빈 블레이드의 주변을 흐르는 공기의 자유속도는 일정하다고 가정함과 동시에 상기 터빈 블레이드의 회전속도는 가변적이라고 가정한다. 상기 공기의 자유속도는 상기 터빈 블레이드에 의하여 영향을 받지 않은 위치에서 상기 공기의 속도를 의미한다.
상기 터빈 블레이드가 설치된 실제 외부환경에서는 상기 공기의 자유속도와 상기 터빈 블레이드의 속도는 모두 일정하지 않지만, 상기 실제 외부환경을 간단하면서도 근사적으로 모델링하기 위해서는 상기 공기의 자유속도와 상기 터빈 블레이드의 속도 중 어느 하나를 일정한 값으로 가정하여야 할 필요가 있다.
본 발명에 따른 상기 포스트 스톨 모델에서 상기 터빈 블레이드의 주변을 흐르는 공기의 자유속도를 일정하다고 가정함과 동시에 상기 터빈 블레이드의 회전속도를 가변적으로 모델링한 이유는 상기 예측 공력데이터를 산출하기 위한 알고리즘이 간단하기 때문이다.
상기 예측 공력데이터 중 상기 제2 받음각 범위에서의 받음각에 따른 제2 양력계수 및 제2 항력계수를 산출하기 위한 알고리즘은 다음과 같다.
도 2는 풍력터빈에 구비된 익형의 터빈 블레이드(10)의 단면에 작용하는 속도성분과 이로 인한 항력 및 양력을 간단하게 나타낸 도면이다.
도면부호 1은 풍력터빈의 반경방향 라인을 의미하며, 도면부호 2는 풍력터빈의 반경방향라인과 수직을 이루는 방향, 즉 터빈 블레이드의 시위라인(chord line)을 의미한다. 또한, 도 1에서 L은 양력을 의미하고, D는 항력을 의미하며, α는 받음각을 의미하며, UR은 합속도를 의미하고, UW는 공기의 자유속도를 의미하고, UΩ는 터빈 블레이드의 회전으로 인한 상기 터빈 블레이드의 선속도성분을 의미한다.
여기서, 토크를 발생시키는 토크힘(Q)는 상기 터빈 블레이드의 시위선을 따라 작용하는 상기 양력(L)과 항력(D)의 합이 된다. 즉, 상기 토크힘(Q)은 Lsinα-Dcosα로 표현될 수 있다.
상기 터빈 블레이드(10)에 가해지는 토크힘(Q)을 무차원화시키면 하기의 수학식 1로 나타난다.
Figure 112014082952836-pat00003
여기서,CQ는 토크힘 계수, CL은 제2 양력계수, CD는 제2 항력계수, α는 받음각을 나타낸다. 상기 제2 양력계수 및 상기 제2 항력계수는 실험값으로부터 얻어지는 제1 양력계수와 제1 양력계수와 구분하기 위하여 편의상 상기 포스트 스톨 모델에서 사용되는 용어이다.
한편, 상기 토크힘(Q)은 상기 토크힘 계수(CQ)와 상기 블레이드에 가해지는 속도들의 합인 합속도의 제곱값(UR 2 )에 비례하게 되므로, 하기의 수학식 2로 표현될 수 있다.
Figure 112014082952836-pat00004
또한, 상기 터빈 블레이드의 주변을 흐르는 공기의 자유속도는 일정하므로 상기 합속도의 제곱(UR 2 )을 상수 값인 상기 공기의 자유속도(UW ) 로 나누더라도 상기 수학식 2의 비례관계는 여전히 유지되므로, 상기 수학식 2는 하기의 수학식 3으로 표현될 수 있다.
Figure 112014082952836-pat00005
또한, 도 2에서 받음각(α)에 대한 삼각함수를 고려하면, 상기 수학식 3은 하기의 수학식 4로 표현될 수 있다.
Figure 112014082952836-pat00006
또한, 상기 수학식 1을 고려하면, 상기 수학식 4는 하기의 수학식 5로 표현될 수 있다.
Figure 112014082952836-pat00007
한편, 스톨 이후 영역에서의 제2 항력계수 및 제2 양력계수는 실험을 통한 일반 실험식인 하기의 수학식 6으로도 표현될 수 있다.
Figure 112014082952836-pat00008
Figure 112014082952836-pat00009
여기서, C1 및 D1은 임의의 상수이며, f1(α) 및 f2(α)는 받음각의 함수이다.
상기 수학식 6을 상기 수학식 5에 대입하게 되면 상기 수학식 5는 하기의 수학식 7로 표현될 수 있다.
Figure 112014082952836-pat00010
상기 수학식 7에서 두번째 부분의 괄호안에 기재된 값들의 계산차수(order of magnitude) 상에서 서로 근사하므로 하기의 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014082952836-pat00011
여기서, C는 임의의 상수이다.
한편, 상기 수학식 6에서 C1, D1,f1(α) 및 f2(α)를 결정하기 위하여 스톨영역에서 하기의 조건들, 즉 수학식 9, 수학식 10, 수학식 11, 수학식 12 및 수학식 13이 만족되어야 한다.
Figure 112014082952836-pat00012
Figure 112014082952836-pat00013
Figure 112014082952836-pat00014
Figure 112014082952836-pat00015
Figure 112014082952836-pat00016
여기서,αs는 스톨이 시작되는 받음각인 스톨 받음각이고, CDS는 상기 스톨 받음각에서의 항력계수인 스톨 항력계수, CLS는 상기 스톨 받음각에서의 양력계수인 스톨 양력계수, CDmax는 최대 항력계수를 의미한다.
상기 수학식 9는 스톨 받음각과, 상기 스톨 받음각 이후의 받음각에서는 토크힘(Q)은 일정한 값을 가짐으로 인하여 표현되는 조건이고, 상기 수학식 10은 받음각이 90°일때 가장 큰 항력계수를 가지므로 표현되는 조건이고, 상기 수학식 11은 받음각이 90°일때 항력계수는 상수 값이므로 표현되는 조건이고, 상기 수학식 12는 상기 스톨 받음각(αs)에서의 항력계수가 스톨 항력계수(CDS)이므로 표현되는 조건이고, 상기 수학식 13은 상기 스톨 받음각(αs)에서의 양력계수가 스톨 양력계수(CLS)이므로 표현되는 조건이다.
또한, 상기 수학식 6에서 f2(α)는 하기의 수학식 14로 가정되어 표현될 수 있다.
Figure 112014082952836-pat00017
상기 f2(α)가 상기 수학식 14로 표현됨으로 인하여, 상기 수학식 14에서 n이 증가할수록 상기 수학식 10과 상기 수학식 11을 만족시킬 수 있게 된다.
또한, f2(α)가 상기 수학식 14로 표현됨으로 인하여 상기 수학식 8은 하기의 수학식 15로 표현될 수 있다.
Figure 112014082952836-pat00018
여기서, C2는 임의의 상수이다.
상기 수학식 6 내지 상기 수학식 15로부터 상기 제2 양력계수(CL) 및 상기 제2 항력계수(CD)는 하기의 수학식 16으로 표현된다. 하기의 수학식 16을 유도하기 위한 구체적인 과정은 수학적 연산과정이므로 이에 상세한 설명은 생략한다.
Figure 112014082952836-pat00019
Figure 112014082952836-pat00020
결과적으로, 상기 스톨 받음각(αs), 상기 스톨 항력계수(CDS), 스톨 양력계수(CLS) 및 최대 항력계수(CDmax)의 값을 알게 되면, 스톨 이후 영영에서의 받음각에 따른 제2 양력계수(CL) 및 상기 제2 항력계수(CD)가 산출될 수 있다.
즉, 실험적으로 측정하기가 용이한 제1 받음각 영역에서의 기초 공력데이터와, 포스트 스톨 모델이 구현된 알고리즘을 바탕으로 실험적으로 측정하기 어려운 스톨 이후의 받음각에 따른 제2 항력계수 및 제2 양력계수를 예측할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 포스트 스톨 모델이 구현된 알고리즘에 따라 스톨 이후 영역에서 상기 터빈 블레이드의 제2 항력계수 및 제2 양력계수가 예측된 값을 나타낸 도면이다.
도 3의 제2 양력계수 및 제2 항력계수를 예측함에 사용된 기초 공력데이터는 상기 표 1에서의 값이다. 즉, 상기 기초 공력데이터로는 레이놀즈수(Reynolds number)가 260,000 이고, 터빈 블레이드의 단면형상이 NACA0012 인 경우의 받음각에 따른 제1 항력계수와 제1 양력계수의 값이다.
상기 기초 공력데이터에서 상기 입력데이터로는 상기 스톨 받음각(αs)은 9°이고, 상기 스톨 항력계수(CDS)는 0.0185 이고, 스톨 양력계수(CLS)는 0.8940이며, 최대 항력계수(CDmax)는 1.8이다.
한편, 본 발명에 따른 포스트 스톨 모델의 알고리즘에 따른 예측데이터를 바탕으로 예측되는 스톨 이후 상기 제2 받음각 범위에서의 받음각에 따라 상기 터빈 블레이드에 가해지는 파워계수와 측정 가능한 실제 실험을 통한 파워계수를 비교해보면 본 발명에 따른 포스트 스톨 모델을 이용한 터빈 블레이드의 공력특성 예측방법은 스톨 이후 영역의 공력특성을 효과적으로 예측하고 있음을 알 수 있다.
구체적으로, 도 4에는 블레이드 속도비(BSR: Blade Speed ratio)에 따른 파워계수(Cp)가 도시되어 있다. 상기 블레이드 속도비(BSR)는 터빈블레이드의 회전 각속도(Ω)와 풍력터빈의 반지름(R)의 곱한 값을 공기의 자유속도(Uw)의 값으로 나눈 값이다.
상기 풍력터빈의 반지름(R)은 풍력터빈의 회전 중심에서 상기 터빈 블레이드의 중심까지의 거리를 의미하고, 상기 공기의 자유속도(Uw)는 상기 터빈 블레이드에 의하여 영향을 받지 않은 위치에서 상기 공기의 속도를 의미한다. 또한, 상기 블레이드 속도비(BSR)가 4.3 이전 영역에 해당하는 부분이 스톨이 발생한 이후의 영역임을 의미한다.
따라서, 스톨 이후의 영역, 즉 상기 블레이드 속도비(BSR)가 4.3 보다 작은 영역에서는 본 발명에 따른 포스트 스톨 모델을 기반으로 하는 파워계수와 실제 실험을 통하여 얻은 파워계수의 값이 근사적임을 알 수 있다.
특히, 상기 포스트 스톨 모델에서 지수(n)의 차수가 증가할수록 본 발명에 따른 포스트 모델을 이용하여 예측된 파워계수가 실제 실험을 통하여 얻어진 파워계수와 근사한 값을 가짐을 알 수 있다.
여기서, 제2 양력계수 및 제2 항력계수를 바탕으로 파워계수를 산출하는 과정은 일반적으로 알려진 알고리즘을 사용하므로 상세한 내용은 생략한다.
예를 들면, 각각의 블레이드에 작용하는 상기 제2 양력계수 및 상기 제2 항력계수를 바탕으로 토크힘을 계산하게 되고, 상기 토크힘을 바탕으로 토크를 계산하게 되며, 상기 토크를 바탕으로 파워를 계산하게 된다.
물론, 상기 토크 및 파워를 계산하기 위해서는 상기 제2 양력계수, 상기 제2 항력계수뿐만 아니라, 공기의 밀도, 공기의 자유속도, 터빈 블레이드의 회전속도, 풍력터빈의 반경, 터빈 블레이드의 개수, 터빈 블레이드 단면의 코드 길이(chord length)를 포함하는 정보가 필요하다.
결과적으로, 본 발명에 따른 포스트 스톨 모델이 구현된 알고리즘을 사용하여 예측 공력데이터를 산출함으로써 실험적으로 측정하기 어려운 스톨 영역 이후의 공력데이터를 보다 정확하게 예측할 수 있게 된다.
도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 포스트 스톨 모델을 이용한 터빈 블레이드의 공력특성 예측 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 사용자는 공력특성을 예측하고자 하는 풍력터빈의 운전조건을 결정한다. 예를 들면, 상기 풍력터빈의 운전조건은 상기 풍력터빈에 구비된 터빈 블레이드의 형상과, 상기 풍력터빈이 운전되는 레이놀즈수(Reynolds number)를 포함한다.
다음으로, 상기 풍력터빈의 운전조건이 결정되면, 입력부는 상기 데이터 베이스로부터 상기 풍력터빈의 운전조건에 대응되는 상기 터빈 블레이드의 기초 공력데이터를 산출한다(S10).
여기서, 상기 기초 공력데이터는 상기 레이놀즈수(Reynolds number)와 상기 터빈 블레이드의 형상에 따라 결정되며 제1 받음각 범위에서의 받음각에 따른 제1 양력계수, 제1 양력계수를 포함한다.
다음으로, 상기 입력부는 상기 기초 공력데이터로부터 상기 공력특성 연산부에 입력될 입력데이터를 추출하여 상기 공력특성 연산부로 전송하게 된다(S20).
다음으로, 상기 공력특성 연산부는 상기 포스트 스톨 모델이 구현된 알고리즘과 상기 입력데이터를 바탕으로 스톨 이후 제2 받음각 범위에서의 받음각에 따른 상기 터빈 블레이드의 예측 공력데이터를 산출하게 된다(S30).
상기 포스트 스톨 모델에서는 공기의 자유속도를 일정하게 제어하고 상기 터빈 블레이드의 회전속도를 가변적으로 제어하게 되는데, 이는 포스트 스톨 모델을 간단하게 할 뿐만 아니라, 실제 풍동시험의 조건과도 근사적이다. 왜냐하면, 실제 풍동시험에 있어서, 풍동의 운전속도를 변화시켜 공기의 자유속도를 제어하는 것보다는 터빈 블레이드의 속도를 직접적으로 제어하는 것이 훨씬 안정적으로 제어할 수 있으면서도 간편하기 때문이다.
상기 예측 공력데이터는 상기 제2 받음각 범위에서의 받음각에 따른 제2 양력계수 및 제2 항력계수를 포함하며, 상기 제2 양력계수(CL) 및 상기 제2 항력계수(CD)는 상기 수학식 16을 통하여 산출되며, 상기 수학식16에서 스톨 받음각(αs), 스톨 항력계수(CDS), 스톨 양력계수(CLS) 및 최대 항력계수(CDmax)는 상기 입력데이터로부터 설정된다.
다음으로, 상기 터빈 블레이드의 예측 공력데이터를 바탕으로 스톨 이후 상기 제2 받음각 범위에서의 받음각에 따라 상기 터빈 블레이드에 가해지는 토크 및 파워를 산출하게 된다(S40).
물론, 상기 토크 및 파워를 산출하기 위해서는 공기의 밀도, 공기의 자유속도, 터빈 블레이드의 회전속도, 풍력터빈의 반경, 터빈 블레이드의 개수, 터빈 블레이드 단면의 코드 길이(chord length)를 포함하는 추가 입력데이터가 입력되어야 한다.
결과적으로, 상기 포스트 스톨 모델을 사용하여 스톨 이후 영역의 터빈 블레이드에 대한 공력특성을 예측하고, 이를 바탕으로 상기 터빈 블레이드의 토크 및 파워를 산출함으로써 스톨 영역 이후의 터빈 블레이드에 대한 토크 및 파워를 실험적으로 구하는데 있어서 소요되는 시간과 비용을 줄일 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정한 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형의 실시가 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.
1: 풍력터빈의 반경방향 라인 2: 터빈 블레이드의 시위라인
10: 터빈 블레이드

Claims (5)

  1. 레이놀즈수(Reynolds number)와 터빈 블레이드의 형상에 따라 결정되며 제1 받음각 범위에서의 받음각에 따른 상기 터빈 블레이드의 기초 공력데이터가 저장된 데이터 베이스로부터 입력데이터를 추출하는 추출단계; 그리고,
    스톨(stall) 이후 영역에서 상기 터빈 블레이드에 작용하는 외부 환경을 고려한 포스트 스톨 모델이 구현된 알고리즘을 갖는 공력특성 연산부가 상기 입력데이터를 바탕으로 스톨 이후 제2 받음각 범위에서의 받음각에 따른 상기 터빈 블레이드의 예측 공력데이터를 산출하는 공력데이터 산출단계를 포함하며,
    상기 포스트 스톨 모델은 상기 터빈 블레이드의 회전속도는 가변적이고, 상기 터빈 블레이드의 주변을 흐르는 공기의 자유속도는 일정하게 설정하는 것을 특징으로 하는 포스트 스톨 모델을 이용한 터빈 블레이드의 공력특성 예측방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기초 공력데이터는 상기 터빈 블레이드의 단면형상에 따른 최대 항력계수, 상기 제1 받음각 범위에서의 받음각에 따른 제1 항력계수 및 제1 양력계수를 포함하며, 상기 입력데이터는 스톨 받음각과, 스톨 항력계수, 스톨 양력계수 및 상기 최대 항력계수를 포함하는 것을 특징으로 하는 포스트 스톨 모델을 이용한 터빈 블레이드의 공력특성 예측방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 추출단계에서는 상기 제1 양력계수 중 가장 큰 값을 상기 스톨 양력계수로 설정하고, 상기 스톨 양력계수를 갖는 받음각을 상기 스톨 받음각으로 설정하고, 상기 스톨 받음각에서의 제1 항력계수를 상기 스톨 항력계수로 설정하는 것을 특징으로 하는 포스트 스톨 모델을 이용한 터빈 블레이드의 공력특성 예측방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 예측 공력데이터는 상기 제2 받음각 범위에서의 받음각에 따른 제2 양력계수 및 제2 항력계수를 포함하며, 상기 제2 양력계수(CL) 및 상기 제2 항력계수(CD)는 하기의 수학식을 통하여 산출되며, 하기의 수학식에서 스톨 받음각(αs), 스톨 항력계수(CDS), 스톨 양력계수(CLS) 및 최대 항력계수(CDmax)는 상기 입력데이터로부터 설정되는 것을 특징으로 하는 포스트 스톨 모델을 이용한 터빈 블레이드의 공력특성 예측방법.
    [수학식]
    Figure 112014082952836-pat00021

    Figure 112014082952836-pat00022
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 예측 공력데이터를 바탕으로 스톨 이후 상기 제2 받음각 범위에서의 받음각에 따라 상기 터빈 블레이드에 가해지는 토크 및 파워를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포스트 스톨 모델을 이용한 터빈 블레이드의 공력특성 예측방법.
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