KR102096816B1

KR102096816B1 - 풍력 터빈 회전자 블레이드

Info

Publication number: KR102096816B1
Application number: KR1020130115334A
Authority: KR
Inventors: 페터 푸글상
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2020-05-28
Also published as: EP2713044B2; CN103711651A; EP2713044A1; JP6656788B2; BR102013025213A2; MX2013011010A; AU2013213758A1; EP2713044B1; US20140093382A1; AU2013213758B2; CN103711651B; KR20140042740A; JP2014070638A; CA2828577A1

Abstract

본 발명은 루트 부분(10) 및 에어포일 부분(19)을 포함하는 풍력 터빈 회전자 블레이드를 설명하며, 상기 블레이드(1)는 상기 블레이드(1)가 0.45 이상의 두께 계수를 가지는 두꺼워진 존으로서, 상기 두꺼워진 존(TZ)은 상기 블레이드(1)의 내측 허브 단부로부터 외측으로 상기 블레이드(1)의 에어포일 부분(19) 내로 연장하는 두꺼워진 존; 및 상기 두꺼워진 존(TZ)의 적어도 일 부분에 걸쳐 상기 블레이드(1)의 압력 측(11) 상에 배열되고 블레이드 양력을 증가시키기 위해 실시되는 스포일러(3) 및 전방 에지(12)와 후방 에지(13) 사이에 배열되는 소용돌이 발생기(2)를 포함하여 소용돌이 발생기(2)와 스포일러(3) 사이에 부착된 기류(42)를 유지하기 위해 실시되는 기류 교정 배열체(2, 3)를 포함한다. 본 발명은 또한 0.45 이상의 두께 계수를 가지는 블레이드(1)의 구역에 대한 풍력 터빈 회전자 블레이드(1)의 압력 측(11)에 걸쳐 기류를 교정하기 위한 기류 교정 배열체(2, 3)를 설명한다.

Description

풍력 터빈 회전자 블레이드 {WIND TURBINE ROTOR BLADE}

본 발명은 풍력 터빈 회전자 블레이드, 풍력 터빈, 및 기류 교정 배열체를 설명한다.

종래의 풍력 터빈에서, 보통 3개인, 다수의 블레이드들은 바람 내로 지향될 수 있는 허브 상으로 장착된다. 각각의 블레이드는 보통 피치 시스템에 의해 허브에 연결되어 블레이드의 피치각 또는 "받음각(angle of attack)"은 필요한 만큼, 예를 들면 블레이드가 바람으로부터 더 많은 에너지를 추출하거나 큰 바람 상태들 동안 페더(feather)를 향하여 블레이드들을 피칭하는 것을 허용하도록 조정될 수 있다. 동작 동안, 블레이드들은 바람으로부터의 운동 에너지를 회전자의 회전 에너지로 변환하여 발전기를 구동시킨다. 약 수(several) 메가와트의 고 정격 용량(power rating)을 구비한 풍력 터빈이 개발되고 있다. 이 같은 대형 풍력 터빈에 대해, 가능한 많은 에너지가 바람으로부터 추출될 수 있도록 블레이드들을 설계하는 것이 중요하다. 이는 이용가능한 표면적을 증가시키기 위해 블레이드 길이를 연장함으로써 성취될 수 있다. 그러나, 블레이드의 최대 길이는 원하지 않는 소음 레벨들을 회피하도록 통상적으로 블레이드 선단 속도에 의해 제한된다. 긴 블레이드들과 관련된 다른 문제는 더 얇은 외측 단부들이 굽혀질 수 있어 풍력 터빈 타워와 충돌할 수 있다는 것이다. 이러한 이유 때문에, 허브(및 나셀)는 충돌의 위험을 최소화하도록 수평으로부터 몇 도(a few degrees)만큼 상방으로 기울어질 수 있다.

블레이드 효율을 최대화하기 위한 방법의 문제에 대한 하나의 접근 방법에 있어서, 블레이드의 시위(chord) 길이는 루트(root)를 향하여 증가될 수 있어, 블레이드의 가장 넓은 지점이 허브에 근접된다. 그러나, 이 같은 블레이드 설계는 타워 상에서 더 높은 부하, 더 많은 제조 비용들, 및 블레이드를 운반하는데 있어서의 난점들을 초래한다.

블레이드 충돌 양태에 초점을 맞추는 다른 접근 방법에서, 더 긴 블레이드는 단지 통상적인 유리 섬유 대신 탄소 섬유를 이용함으로써 더 단단하게 제조된다. 그러나, 이 같은 블레이드들은 종래의 유리 섬유 블레이드들보다 더 고가이며 풍력 터빈의 총 비용을 상당히 증가시킬 수 있다.

다른 접근 방법에서, 루트 부분에 근접하여 더 가늘고 이에 의해 "더 두꺼운" 블레이드 설계와 조합되는 스포일러의 사용이 고려된다, 즉 블레이드는 라운드형(round) 루트 부분과 더 편평한 에어포일 부분 사이의 전이 구역(transition region)에서 약 0.5의 비교적 큰 두께 계수를 가진다. 에어포일의 섹션에서 두꺼운 계수는 상기 섹션의 시위 길이에 대해 가장 긴 수직선의 비율로서 정의된다. 약 2 m의 직경을 갖는 원형 루트 부분에 대한 이러한 블레이드 설계에서, 전이 구역에서의 시위 길이들은 블레이드의 하부 구역들에서 블레이드 상의 인장 하중들을 감소시키기 위해 비교적 짧게 유지된다. 스포일러는 상대적으로 두꺼운 전이 구역에서 블레이드의 성능을 향상시키기기 위해 작용한다. 그러나, 전이 구역에서 큰 두께 계수는 블레이드가 회전함에 따라 기류(air flow)가 블레이드의 압력 측으로부터 분리되는 것을 초래할 수 있다. 결과적으로, 블레이드의 양력 계수가 감소되며, 스포일러의 효과가 약화되며, 블레이드의 효율이 또한 감소된다.

따라서 본 발명의 목적은 위에서 언급된 문제점들을 극복하는 향상된 블레이드 설계를 제공하는 것이다.

이러한 목적은 청구항 1의 풍력 터빈 회전자 블레이드에 의해; 청구항 13의 풍력 터빈에 의해; 그리고 청구항 14의 기류 교정 배열체에 의해 성취된다.

본 발명에 따라, 루트 부분 및 에어포일 부분을 포함하는 풍력 터빈 회전자 블레이드는 블레이드가 0.45 이상의 두께 계수를 가지는, 두꺼워진 존(thickened zone) 및 두꺼워진 존의 적어도 일 부분에 걸쳐 블레이드의 압력 측상에 배열된 기류 교정 배열체를 포함하며, 상기 두꺼워진 존은 블레이드의 내부 허브 단부로부터 블레이드의 에어포일 부분 내로 외측으로 연장하고, 상기 기류 교정 배열체는 블레이드의 후방 에지(trailing edge)를 따라 배열되고 블레이드 양력을 증가시키기 위해 실시되는(realize) 스포일러; 및 소용돌이 발생기를 포함하며 소용돌이 발생기는 전방 에지(leading edge)와 후방 에지 사이에 배열되고 소용돌이 발생기 및 스포일러 사이에 부착된 기류를 유지하기 위해, 즉 기류가 압력 측의 표면 위에 계속 부착되어 있는 것을 보장하기 위해 실시된다.

본 발명에 따른 풍력 터빈 블레이드의 장점은 두꺼운 블레이드 부분의 공기 역학적 특성들이 상당히 향상되어, 두꺼운 블레이드 설계가 임의의 이 같은 두꺼운 블레이드 부분이 루트 부분과 에어포일 부분 사이의 비교적 짧은 쇼울더(shoulder) 또는 전이 영역으로 최대로 제한되는 종래 기술의 블레이드들에 비해, 블레이드의 상당히 더 긴 부분에 걸쳐 심지어 블레이드의 전체 길이 또는 스팬(span)에 걸쳐 실행될 수 있다. 스포일러 및 소용돌이 발생기는 블레이드의 공기 역학적 특성들을 향상시키기 위해 함께 작용한다. 소용돌이 발생기 또는 "난류 촉진기(turbulator)"는 국부적 난류를 일으켜서 활성화된 공기를 혼합하거나 섞도록 작용하여, 스포일러의 방향으로 블레이드 압력 측의 표면을 따라 경계 층 위에 계속 부착되도록 조장한다. 기류가 후방(aft) 또는 블레이드의 후방 에지 구역에서 스포일러를 향하여 압력 측을 따라 이동할 때 이러한 기류는 안정화되어 표면에 계속 부착되어 있다. 스포일러는 따라서 이러한 더 두꺼운 회전자 블레이드의 공기 역학적 특성들을 향상시키는 목적을 충족할 수 있다. 소용돌이 발생기와 스포일러의 조합은 낮은 회전 속도에 의해 큰 회전자들 상의 블레이드 횡단면들을 위한 통상적인 범위인 특히 5°내지 25°의 받음각에 대해 향상된 성능을 초래한다. 또한, 블레이드의 두꺼워진 존이 "더 편평한" 블레이드(바람으로부터 에너지를 추출하기 위해 쇼울더 구역에서 더 넓어야 함)에 비해 더 낮은 전체 드래그(drag)(표면 마찰 및 베어 드래그(bare drag)) 및 더 높은 양력 계수와 관련되기 때문에, 본 발명에 따른 블레이드는 루트 부분에 인접한 하부 구역들에서 비교적 좁은 형태 또는 형상을 가지는 것이 실시될 수 있다. 또한, 소용돌이 발생기 및 스포일러의 유리한 조합을 이용함으로써, 스포일러 자체는 상대적으로 작게 제조될 수 있는데, 이는 상대적인 소형 스포일러 조차 항상 기류와 "만나도록" 기류가 계속 부착되어 있는 것을 소용돌이 발생기가 보장하기 때문이다. "소형 스포일러"는 상대적으로 낮은 높이를 가진 스포일러로서 이해되어야 한다. 이러한 유리한 양태들은 더 간단한 몰드 성형들에 의한 그리고 낮은 풍력 하중에 대해 더 간단한 스포일러 설계를 구비한 더 간단한 제조 공정; 덜 취약한 후방 에지를 구비한 더 튼튼한 블레이드 설계; 및 풍력 터빈 조립 장소로의 블레이드의 더 경제적인 운반을 허용한다.

본 발명에 따른 풍력 터빈 블레이드의 추가 장점은 블레이드 상에서 더 바깥쪽의 두꺼워진 존의 존재는 유리하게는 블레이드 강성을 증가시키고 이에 의해 블레이드 타워 충돌들을 방지시키는데 도움이 된다는 것이다. 기류 교정 배열체와 조합되는 두꺼워진 존은 바깥쪽 구역에서 비교적 두꺼운 블레이드에도 불구하고 유리한 압력 측 기류가 유지되는 것을 보장한다.

본 발명에 따라, 풍력 터빈은 다수의 회전자 블레이드들을 가지며, 여기에서 하나 이상의 회전자 블레이드가 본 발명에 따른 회전자 블레이드를 포함한다. 바람직하게는 이 같은 풍력 터빈은 본 발명에 따라 3개의 본질적으로 동일한 회전자 블레이드들을 갖는다.

이 같은 풍력 터빈의 장점은 본 발명에 따른 회전자 블레이드의 임의의 연장된 두꺼워진 존이 양력 계수의 손실 및 드래그에서의 증가를 최소화한다는 것인데, 그렇지 않으면 증가된 상대적인 두께를 가지는 블레이드가 예상된다. 본 발명에 따른 풍력 터빈은 따라서 바람으로부터 추출되는 에너지에서 더 효과적이다. "두꺼운" 블레이드의 증가된 강성은 또한 이 같은 풍력 터빈에서 유익한데, 이는 타워 충돌들을 회피하도록 상당한 양의 고가의 탄소 섬유와 통합되는 것이 필요하지 않기 때문이다.

본 발명에 따라, 풍력 터빈 회전자 블레이드에 걸친 기류를 교정하기 위한 기류 교정 배열체는 0.45 이상의 두께 계수를 가지는 블레이드의 구역에서 블레이드의 압력 측에 부착하기 위해 실시된 소용돌이 발생기 및 스포일러를 포함하며; 여기서 소용돌이 발생기는 스포일러의 방향으로 부착된 기류를 유지하기 위한 치수를 가진다.

본 발명에 따른 기류 교정 배열체의 장점은 소용돌이 발생기 또는 "난류 촉진기"의 조합된 작용이 블레이드의 임의의 더 두꺼운 구역에 걸친 블레이드의 양력 계수를 상당히 증가시킬 수 있다는 것이다. 이 같은 기류 교정 배열체는 착수로부터 블레이드 설계에 통합될 수 있거나, 개량 절차(retrofitting procedure)에서 존재하는 블레이드에 부가될 수 있다.

아래의 상세한 설명으로부터 나타나는 바와 같이 본 발명의 특히 유용한 실시예들 및 특징들은 종속 청구항들에 의해 부여된다. 상이한 청구항 카테고리들의 특징들은 여기서 설명되지 않은 추가의 실시예가 부여되도록 적절히 조합될 수 있다.

아래에서, 회전자 블레이드가 타워의 상부에 장착되는 나셀(nacelle) 내에 수용되는 수평 축 샤프트를 구비한 풍력 터빈에서 사용하기 위한 것으로 가정할 수 있다. 블레이드는 허브에서 시작하여 허브로부터 외측으로 연장하는 것으로 간주될 수 있다. 또한, 아래에서, 용어들 "소용돌이 발생기" 및 "난류 촉진기"는 상호 교환하여 사용될 수 있다. 용어 "두꺼워진 존"은 위에서 정의된 바와 같이 아래에서 사용될 때, 0.45 이상의 두께 계수를 가지는 풍력 터빈 블레이드의 부분을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 용어들 "두꺼운(thick)" 및 "두꺼워진(thicken)"은 단지 블레이드 섹션의 기하학적 구성을 설명하는 두께 계수의 정의, 즉 시위에 대한 횡단부(transverse)의 비율에 관한 것이고, 반드시 블레이드의 질량 또는 중량에서의 어떠한 증가와도 관련되는 것은 아니다.

위에서 설명된 바와 같이, 종래 기술의 블레이드들에서의 두께 계수는 일반적으로 에어포일 부분에 걸쳐 매우 낮게 유지되었다. 전형적인 "편평한 에어포일에 걸친 두께 계수(τ)는 약 0.25일 수 있다. 종래 기술의 설계들은 일반적으로 양력을 최대화하기 위해 비교적 편평한 에어포일 섹션을 성형하는 방법에 초점을 맞춘다. 이 같은 편평한 에어포일들에 대해, 압력 측에 걸친 기류는 분리되지 않아서, 이러한 양태가 종래 기술의 블레이드들의 바깥쪽 섹션들에 대해 고려되지 않았다. 더 두꺼운 블레이드 부분들은 불가피할 수 있는 쇼울더 또는 전이 구역들에서 필수로서 간주되었으며, 이 쇼울더 또는 전이 구역들에서, 원형 루트 부분이 더 편평한 에어포일 부분 내로 이어지는데, 이는 종래 기술의 실시들에서 기류가 압력 측 위로 통과할 때 임의의 이 같은 두꺼운 블레이드 섹션이 기류의 박리(breaking away)와 관련되기 때문이다. 이러한 이유 때문에, 종래 기술의 블레이드 설계들은 일반적으로 불가피할 수 있는 전이 또는 쇼울더 부분들을 가능한 짧은 존으로 제한하는데 초점을 맞추었다.

본 발명에 따른 블레이드는 이를 최소화할 것을 요구하는 제약으로서 이를 간주하는 대신 높은 두께 계수의 가능성들을 수용하는 상이한 접근 방법을 고려하는 결과로서 개발되었다.

따라서, 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 회전자 블레이드는 회전자 부분과 에어포일 부분 사이의 두꺼워진 존 내의 전이 부분을 포함하며 이 전이 부분은 블레이드 스팬의 30% 이상까지, 더욱 바람직하게는 50% 이상까지, 심지어 70%까지 또는 70%를 초과하여 연장한다. 여기서 및 아래에서, 용어 "전이 부분"은 두께 계수가 블레이드의 에어포일 부분에서 높은 값으로부터(예를 들면, 원형 루트 부분 내의 1.0의 값으로부터) 낮은 값을 향하여 감소하는 블레이드의 부분을 지칭한다. 따라서 본 발명에 따른 블레이드는 명확하게 종래의 블레이드(불가피할 수 있는 쇼울더 또는 전이 구역을 가능한 짧게 유지하기 위해 노력함) 보다 상당히 더 긴 전이 부분을 가진다. 기류 교정 배열체는 기류가 더 두꺼운 블레이드의 압력 측에 걸쳐, 블레이드의 증가된 회전 속도 때문에 받음각이 작은 블레이드 스팬을 따라 심지어 바깥쪽(outboard)으로 비교적 멀리 계속 부착되어 있는 것을 보장한다.

두꺼워진 존은 전이 부분을 넘어 블레이드의 길이를 따라 외측으로 아주 약간의 거리로 연장할 수 있으며, 심지어 블레이드의 전체 길이에 걸쳐 연장할 수 있다. 바람직하게는, 두꺼워진 존은 블레이드 스팬의 30% 이상, 더욱 바람직하게는 블레이드 스팬의 50% 이상에 걸쳐 연장하고 심지어 블레이드 스팬의 70% 까지 또는 이를 초과하여 연장할 수 있다. 본 발명에 따른 회전자 블레이드의 추가의 바람직한 실시예에서, 이에 따라, 두께 계수는 블레이드의 에어포일 부분에서 0.45 이상, 더욱 바람직하게는 0.6 이상을 포함한다. 이는 두께 계수가 에어포일 부분에 걸쳐 낮게 유지되고 0.25 내지 0.3의 값을 좀처럼 초과하지 않는 종래의 블레이드 설계와 명확히 대비된다. 본 발명에 따른 회전자 블레이드에서, 두꺼운 블레이드 설계는 블레이드의 길이의 대부분(much)에 대해 사용될 수 있으며, 전이 부분은 대부분 또는 심지어 전체의 "두꺼워진 존"에 걸쳐 연장할 수 있다.

본 발명에 따른 회전자 블레이드의 하나의 바람직한 실시예에서, 소용돌이 발생기는 특히 두꺼워진 존이 블레이드 선단으로 완전히 연장하지 않을 때 두꺼워진 존의 길이를 따라 연장하도록 배열된다. 예를 들면, 두꺼워진 존은 허브로부터 블레이드의 길이의 2/3에 걸쳐 외측으로 연장할 수 있으며, 블레이드 에어포일은 블레이드의 나머지에 걸쳐 보통 낮은 두께 계수를 가지도록 설계될 수 있다.

블레이드를 따라 소정의 거리에서 압력 측으로부터 박리되는 기류의 경향은 회전자 블레이드를 따른 상기 지점에서 두께 계수에 종속할 수 있다. 예를 들면, 블레이드를 따라 거리가 증가함에 따라, 두께 계수가 예를 들면 루트 섹션에서 1.0의 값으로부터 전이 구역에서 약 0.7의 값을 통하여 블레이드를 따라 더 바깥쪽으로 약 0.45의 값으로 점차적으로 감소될 수 있다. 압력 측으로부터 블레이드를 따라 비교적 외측으로 먼 지점에서 박리하는 기류의 경향은 허브에 더 근접한 지점에서보다 더 적어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 소용돌이 발생기는 두께 계수가 0.45를 초과하는 두꺼워진 존의 길이를 따라 연장하도록 배열된다.

압력 측의 역풍 부분(upwind portion)에 걸친 유입 기류는 층류이며 회전자 블레이드의 길이 방향 축선에 대해 본질적으로 수직하게 이동하는 것으로 간주될 수 있다. 난류를 발생시키기 위해, 이에 따라, 소용돌이 발생기는 바람직하게는 기류의 이동 경로가 변형되는 방식으로, 그러나 블레이드로부터 멀어지게 기류를 편향시키지 않는 방식으로 유입 기류를 편향시키기 위해 실시된다. 따라서, 이를 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 소용돌이 발생기는 외측으로 돌출하는 소용돌이 발생기 요소들 또는 "핀(fin)들"의 개방 배열체를 포함한다. 이 요소들은 바람직하게는 블레이드를 따라 선형 방식으로 배열된다. 개방 배열체는 유입하는 공기가 소용돌이 발생기 요소들 사이로 통과하는 것을 허용한다. 바람직하게는, 각각의 소용돌이 발생기 요소는 공기를 소정의 정도로 "교란"하고 공기를 통로로부터 편향하여(통로는 그렇지 않으면 공기를 받아 들임), 소용돌이 발생기 요소 상의 바람 하중을 일으키며, 이는 이어서 공기를 "혼합하는" 소용돌이들의 생성 또는 "발산(shedding)"을 초래한다. 예를 들면, 소용돌이 발생기는 유입 기류에 대해 본질적으로 평행한 소용돌이 발생기 요소들의 개방 배열체를 포함할 수 있지만, 이는 기류를 편향시키는 "꼬리 단부들"을 형성하며 공기를 혼합하거나 섞어서 공기를 난류로 만든다. 대안적으로, 본 발명의 추가의 바람직한 실시예에서, 소용돌이 발생기 요소들은 엇각들로, 예를 들면 지그재그 패턴 또는 엇갈린 패턴으로 배열된다. 유입 기류가 소용돌이 발생기로 유입하는 것을 허용하도록, 인접한 소용돌이 발생기 요소들은 바람직하게는 적절한 거리 만큼 분리된다. 소용돌이 발생기 요소들 사이의 거리는 요소들의 높이의 배수일 수 있다. 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 소용돌이 발생기 요소는 본질적인 삼각형 형상을 포함하며, 소용돌이 발생기 요소는 블레이드 상에 배열되어 소용돌이 발생기 요소의 정점이 본질적으로 블레이드의 전방 에지를 향하여 지향된다. 이러한 방식으로, 기류가 소용돌이 발생기에서 나올 때만 기류가 난류가 된다. 소용돌이 발생기 요소들은 임의의 적절한 재료, 예를 들면, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 또는 소용돌이 발생기 요소들의 내구성을 위해 선택된 적절한 재료들의 혼합물(brend)로 제조될 수 있다.

난류의 크기는 소용돌이 발생기의 치수들에 종속될 수 있다. 바람직하게는, 소용돌이 발생기는, 블레이드 압력 측의 후방 부분에 걸쳐 부착되는 유동을 유지하는데에 필요한 양 만큼만 난류를 유발하는 치수를 가진다. 따라서, 본 발명의 추가의 바람직한 실시예에서, 소용돌이 발생기 요소의 높이는 블레이드의 대응하는 시위 길이의 최대 2.0%, 더욱 바람직하게는 최대 1%, 가장 바람직하게는 최대 0.125%를 포함한다. 소용돌이 발생기 요소의 길이는 이의 높이로부터 유도될 수 있으며 예를 들면 이의 높이의 4 내지 5배이다. 본 발명에 따른 기류 교정 배열체의 하나의 예시적인 실시예에서, 소용돌이 발생기 요소의 높이는 약 3m의 시위에 대해 1.5 cm일 수 있으며, 길이가 약 7cm일 수 있으며, 인접한 소용돌이 발생기 요소들의 단부들 사이의 거리가 약 6cm일 수 있다.

본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 스포일러는 블레이드의 압력 측이 소용돌이 발생기와 블레이드의 후방 에지 사이의 오목형 표면을 포함하도록 실시된다. 이러한 방식으로, 스포일러는 양력을 증가시키는 작용을 한다. 바람직하게는, 스포일러는 블레이드의 후방 에지에서 본질적으로 편평한 외부 표면을 포함한다. 이는 뭉툭한 후방 에지를 의미하는 것으로 이해되어야 하며, 예를 들면 후방 에지는 상당한 깊이를 가질 수 있고 본질적으로 시위에 대해 수직할 수 있다. 압력 측 상의 오목한 내부 표면 및 편평한 후방 에지를 가지는 이 같은 스포일러 설계는 본 발명에 따른 블레이드가 양력에 대하여 유사하거나 심지어 우수한 성능을 구비하고 종래의 블레이드보다 더 폭이 좁을 수 있는 것을 의미한다. 더욱이, 스포일러를 이의 기능에서 유효하게 "보조"하도록 소용돌이 발생기를 실행함으로써, 스포일러는 더 작게 제조될 수 있다, 즉 낮은 깊이 또는 높이로 제조될 수 있다. 이는 블레이드를 제조하고 운반하기가 더 용이하고 더 경제적이 되게 한다.

본 발명에 따른 기류 교정 배열체가 제조될 때 기류 교정 배열체가 회전자 블레이드 상에서 실시될 수 있다. 예를 들면, 스포일러는 블레이드의 부분으로서 자체적으로 성형될 수 있으며, 소용돌이 발생기들은 성형 절차 후 및 블레이드가 허브에 장착되기 전 블레이드의 압력 측의 외부 표면 내에 매립될 수 있다. 물론, 존재하는 블레이드들은 이 같은 기류 교정 배열체에 의해 개량될 수 있다. 이의 길이의 일 부분 위에 두꺼워진 존을 가지는 임의의 블레이드의 성능이 상기 두꺼워진 존을 따라 이 같은 기류 교정 배열체의 부가에 의해 향상될 수 있다. 이를 위해, 본 발명에 따른 기류 교정 배열체에서, 소용돌이 발생기는 바람직하게는 캐리어 스트립 상으로 장착된 복수의 소용돌이 발생기 요소들을 포함하며, 상기 캐리어 스트립은 회전자 블레이드 표면에 부착하기 위해 실시된다. 예를 들면, 이 같은 캐리어는 어느 정도 가요적일 수 있어서 난류 촉진기가 블레이드의 곡률을 따르거나 전방 에지 또는 후방 에지에 대해 소정의 거리를 유지하는 것을 허용한다. 특히 선호하는 실시에서, 소용돌이 발생기는 접착 스트립 상에 장착된 복수의 소용돌이 발생기 요소들로서 실시된다. 유사하게, 스포일러는 또한 이미 존재하는 블레이드의 후방 에지에 장착하기 위해 또는 덮기 위해 그리고 이미 존재하는 스포일러를 대체하기 위해 실시될 수 있다.

이 같이 두꺼워진 존을 따라 이미 제위치에 적절한 스포일러를 가지는 블레이드에 대해, 소용돌이 발생기의 부가는 블레이드의 성능을 상당히 향상시키기에 충분할 수 있다.

본 발명의 다른 목적들 및 특징들은 첨부 도면들과 관련하여 고려된 아래의 상세한 설명들로부터 명백하게 될 것이다. 그러나, 도면들이 단지 예시의 목적을 위해 설계되며 본 발명의 제한들의 의미로서 설계되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 블레이드의 개략적인 도면을 보여주며,
도 2는 종래 기술의 블레이드의 횡단면도를 보여주며,
도 3은 도 1의 블레이드의 횡단면도를 보여주며,
도 4는 도 1의 블레이드 상에 이용된 소용돌이 발생기의 측면도를 보여주며,
도 5는 도 1의 블레이드 및 종래의 블레이드를 위한 축 방향 간섭율(interference factor)의 제 1 플로트(plot)를 보여주며,
도 6은 도 1의 블레이드 및 두꺼운 블레이드를 위한 축방향 간섭율의 제 2 플로트를 보여주며,
도 7은 종래 기술의 두꺼운 블레이드 및 도 1의 블레이드에 대한 성능 계수의 플로트를 보여주며,
도 8은 도 1의 종래의 블레이드 및 블레이드를 위한 양력 계수의 플로트를 도시하며,
도 9는 종래의 블레이드 및 본 발명의 두 개의 실시예에 따른 블레이드들에 대한 두께 계수의 플로트를 보여준다.

도면들에서, 동일한 도면부호는 도처에서 동일한 대상들을 지칭한다. 도면들에서의 대상은 반드시 실척으로 도시되지는 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드(1)의 개략적인 도면을 보여준다. 블레이드(1)는 약 40 m 또는 그 초과의 길이(L)를 가질 수 있으며, 심지어 길이가 80 m를 초과할 수 있다. 도면은 블레이드의 압력 측(11) 상의 블레이드(1)의 일 부분을 따라 스포일러(3) 및 소용돌이 발생기(2)를 포함하는 기류 교정 배열체의 배치를 보여준다. 기류 교정 배열체(2, 3)의 크기는 블레이드의 두께 계수에 종속할 수 있다. 예를 들면, 기류 교정 배열체(2, 3)는 블레이드 상에 장착될 수 있고 및/또는 0.45를 초과하는 두께 계수를 가지는 임의의 블레이드 섹션에 대한 블레이드의 부분으로서 형성될 수 있다. 기류 교정 배열체(2, 3)는 블레이드(1)의 루트 단부(10)에 근접하여 시작한다. 스포일러(3)는 블레이드(1)의 후방 에지(13)를 따라 장착되며, 반면 난류 촉진기는 후방 에지(13)와 전방 에지(12) 사이에 장착된다. 원형 루트 부분(10)에서, 두께 계수는 단순히 1.0이다. 전이 부분(18)에 걸쳐, 두께 계수는 원형 루트 단부에서 1.0의 값으로부터 작아져서(down) 두꺼워진 존(TZ)의 단부 까지 유지되는 0.45를 초과하는 비교적 높은 두께 계수로 매끄럽게 감소될 수 있다. 여기서, 도 1에 도시된 예시적인 블레이드(1)에서, 두꺼워진 존(TZ)은 블레이드 스팬(L)의 약 60%로 연장한다. 물론, 두꺼워진 존(TZ)은 에어포일 부분(19) 내로 바깥쪽으로 추가로 연장할 수 있으며, 심지어 블레이드(1)의 전체 길이(L)에 걸쳐 연장할 수 있다.

도 2는 종래 기술의 블레이드(100)의 횡단면도를 보여준다. 블레이드는 유입 기류(4) 내로 또는 받음각(α)에서 "상대 풍(relative wind)"에 직면한다. 유입 기류(4)는 블레이드(100)가 회전자 평면을 통하여 이동할 때 블레이드(100) 주위로 변위되어, 블레이드(100)의 흡입 측(114)에 걸친 기류가 블레이드(100)의 압력 측(111)에 걸친 기류보다 낮은 압력을 가진다. 도면은 시위 라인(c), 및 가장 긴 횡단부(t)를 표시한다. 블레이드(100)에 대한 두께 계수(τ)는 비율 t/c이다. 높은 τ값에 대해, 기류는 압력 측(111)에 걸쳐 기류의 층류 성질을 유지할 수 없을 것이며, 그 결과 블레이드 횡단면의 가장 깊은 지점과 후방 에지(113) 사이의 구역(40)에서 표시된 바와 같이 기류가 박리될 것이다. 후방 에지(113)에 장착된 임의의 스포일러(103)는 효과가 없게 될 것인데, 이는 이 같은 스포일러가 표면에 부착되는 층류 기류와 관련하여서만 유용하기 때문이다.

도 3은 도 1의 블레이드(1)의 횡단면도를 도시한다. 다시, 블레이드(1)는 받음각(α)에서의 유입 기류(4) 내로 직면하고 유입 기류(4)는 블레이드(1)가 회전자 평면을 통하여 이동함에 따라 블레이드(1) 주위로 변위되어, 블레이드의 흡입 측(14)에 걸친 기류는 블레이드(1)의 압력 측(11)에 걸친 기류보다 낮은 압력을 가진다. 위에서 도 2에 도시된 횡단면과 유사한 횡단면에 대해, 본 발명의 이러한 실시예에 따른 블레이드(1)의 압력 측(11)에 걸친 기류는 후방 에지(13)에 장착된 스포일러(3)의 구역에서의 향상된 기류(42)를 특징으로 하는데, 이는 소용돌이 발생기(2)가 소용돌이(41)들에 의해 표시된 바와 같이, 블레이드(1)의 압력 측(11)에 걸친 기류를 활성화하고(energize) 기류가 스포일러(3)를 향하여 이동함에 따라 기류가 계속 부착되며, 즉 블레이드의 표면에 근접한 것을 유효하게 보장하기 때문이다. 이는 블레이드의 표면에 근접한 경계 층을 "혼합"하거나 활성화하는 소용돌이(41)들 내의 에너지에 의한다. 이에 따라 기류는 블레이드의 압력 측에 걸쳐 스포일러(3)에 완전히 계속 부착되어 있다. 스포일러(3)의 유효성은 이에 따라 심지어 높은 두께 계수(τ)에 대해서도 보장된다. 소용돌이 발생기(2) 또는 난류 촉진기(2)는 바람직하게는 이 같은 난류 촉진기(2)의 부재시 기류가 압력 측(11)으로부터 분리되도록 의도되는 지점 앞에 블레이드의 가장 깊은 지점에 인접하게, 즉 횡단부(t)의 일 측부로 그리고 스포일러(3)의 방향으로 장착된다.

도 4는 도 1의 블레이드(1)의 압력 측(11) 상에 장착된 소용돌이 발생기(2)의 측면도를 보여준다. 소용돌이 발생기(2)는 블레이드(1)의 가장 깊은 부분을 따라 연장하는 라인의 측부에 지그재그 방식으로 배열된 일련의 삼각형 소용돌이 발생기 요소(20)들을 포함하여, 각각의 삼각형 요소(20)의 정점은 전방 에지(12)를 향하여 하나의 각도로 지향되며 각각의 삼각형 요소(20)의 기부가 후방 에지(13)를 향하여 지향된다. 삼각형 요소(20)들의 높이는 도면에 과장되게 도시된다. 삼각형 요소(20)의 실제 높이는 블레이드 시위, 즉 블레이드(1)를 따른 상기 지점에서 시위의 길이의 최대 약 2%를 포함한다. 블레이드 시위의 단지 약 0.125%의 가장 작은 높이는 심지어 기류가 압력 측 위에 계속 부착되어 있는 것을 보장하면서 난류의 최소 양을 도입하기에 충분할 수 있어, 스포일러는 이 기류와 "만난다(see)".

도 5는 회전자 블레이드 길이(X-축)에 걸쳐, 도 1의 두꺼운 블레이드(도면에서 곡선(50)으로 표시됨, 실선)에 대한 그리고 종래 기술의 "얇은 에어포일" 블레이드(도면에서 곡선(51)로 표시됨, 점선)에 대한 축방향 간섭율("a")의 제 1 플로트를 보여준다. 축방향 간섭율("a")은 회전자가 바람으로부터 에너지를 얼마나 잘 추출하는지의 측정치이며 방정식을 이용하여 계산될 수 있다:

여기서, ν는 회전자 상류의 풍속이고, ν₁은 회전자 평면에서의 풍속이다. 축방향 간섭율은 1/3의 이론적 최대치를 갖는다.

도면에 도시된 바와 같이, 종래의 블레이드에 대한 축방향 간섭율은 하부 블레이드 구역들에서 표시된 딥(dip)을 디스플레이한다. 상기 구역들에서, 블레이드의 성능은 오히려 저급하다(poor). 본 발명의 블레이드는 심지어 임계적 하부 블레이드 구역들에서, 이의 전체 길이에 걸쳐 축방향 간섭율의 상당히 높은 값들을 가진다.

도 6은 회전자 블레이드 길이(x-축)에 걸쳐, 소용돌이 발생기들을 구비하지 않은 두꺼운 블레이드(도면에서 곡선(61)으로 표시됨, 점선)에 대한 및 도 1의 두꺼운 블레이드(위의 도 5의 곡선(50)에 대응하고 도 6에서 곡선(60)으로 표시됨, 실선)에 대한 축방향 간섭율("a")의 제 2 플로트를 보여준다. 도면에 도시된 바와 같이, 어떠한 소용돌이 발생기들도 없이 두꺼운 블레이드를 위한 축방향 간섭율은 이의 길이 대부분에 걸쳐 매우 저급하고 위의 도 5에서 도시된 바와 같은 종래의 블레이드에 대한 것보다 상당히 더 저급하다. 이는 블레이드의 압력 측으로부터 박리되는 기류의 경향에 의해 설명될 수 있으며, 종래의 블레이드들의 더 편평한 에어포일 설계에 대한 이유이다. 대비하면, 본 발명의 블레이드는 간단히 두꺼운 블레이드 존에 걸쳐 소용돌이 발생기 및 스포일러의 조합으로 기류를 "교정"함으로써, 이의 전체 길이에 걸친 축방향 간섭율의 상당히 더 높은 값들을 가진다.

도 7은 특별한 피치각 또는 받음각에 대한 블레이드 스팬(X-축)에 걸쳐 소용돌이 발생기들을 구비하지 않는 두꺼운 블레이드(곡선(71)으로 표시됨, 점선)에 대한 및 도 1의 블레이드(곡선(70)으로 표시됨, 매끄러운 라인)에 대한 성능 계수(c_P)의 플로트를 보여준다. 성능 계수(c_P)는 바람으로부터 추출된 전력 대 "이용가능한" 전력의 비율이며, 약 0.59의 이론적인 최대치를 가지며, 반면 풍력 터빈 블레이드에 대해 실제로 최대 0.5가 더 현실적이다. 도면에 도시된 바와 같이, 두꺼운 블레이드 상의 소용돌이 발생기들의 부재는 블레이드의 하부 구역에서 블레이드 길이의 약 절반까지 매우 저급한 성능을 초래한다. 소용돌이 발생기 및 스포일러의 조합으로 본 발명에 따른 블레이드는 두꺼운 블레이드 존에 걸쳐 매우 높은 성능 계수(c_P)를 산출(deliver)하여이의 길이의 대부분에 걸쳐 실시가능한 최대 0.5에 근접한 값에 도달한다. 곡선(70, 71)들은 블레이드 스팬의 나머지 에 걸쳐 통합한다.

도 8은 받음각(X-축)에 대해 소용돌이 발생기를 구비하지 않은 두꺼운 블레이드(곡선(81)에 의해 표시됨, 점선)에 대한 그리고 도 1의 블레이드(곡선(80)에 의해 표시됨, 매끄러운 라인)에 대한 양력 계수(c_L)의 플로트를 보여준다. 심지어 매우 낮은 또는 음의 받음각에서, 본 발명의 블레이드는 어떠한 소용돌이 발생기들도 없는 두꺼운 블레이드보다 더 높은 양력 계수를 산출한다. 이는 압력 측에 걸쳐 통과하는 공기 상의 소용돌이 발생기의 긍정적인 효과에 의해 설명될 수 있다, 즉 난류 촉진기들에 의해 유발되는 난류는 공기가 스포일러의 방향으로 부착된 기류를 유지시키며, 이에 의해 스포일러가 블레이드 양력을 증가시키는 스포일러의 기능을 충족하도록 한다. 본 발명의 블레이드의 유용한 성능은 약 25°까지의 받음각들에 대해 계속된다.

도 9는 종래의 블레이드(곡선(91)으로 표시됨, 파단선)에 대한 및 본 발명의 두 개의 실시예들에 따른 블레이드들(곡선(90) 및 곡선(90')으로 표시됨, 매끄러운 라인)에 대한 블레이드 길이에 대한 두께 계수(τ)의 플로트를 보여준다. 종래의 블레이드는 이의 길이의 대부분에 걸쳐 더 편평한 에어포일을 특징으로 하며, 이 같은 블레이드의 임의의 두꺼운 부분은 블레이드의 기부 또는 허브 단부에 근접한, 원형 루트 부분과 에어포일 사이의 불가피할 수 있지만 짧은 전이부로 총 블레이드 길이의 약 10% 내지 20%로 제한된다. 따라서, 이의 길이의 대부분에 걸쳐, 종래의 블레이드는 0.25 미만이거나 0.25인 두께 계수(τ)를 가진다. 압력 측 위에 부착된 기류를 보장하기 위해 두꺼워진 존을 따라 스포일러 및 소용돌이 발생기들을 구비한 본 발명의 실시예에 따른 두꺼운 블레이드는 이의 길이의 대부분에 걸쳐 약 0.5(곡선(90))까지, 또는 심지어 약 0.6(곡선(90'))까지의 두께 계수(τ)를 가질 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 블레이드 설계는 루트 부분을 지나서 신속히 두께 계수를 줄이는 시도를 하지 않으며, 대신 두께 계수는 전이 부분(18)에 걸쳐 상대적으로 높게 남아 있을 수 있어, 이의 길이의 약 5% 내지 50%의 블레이드의 상대적으로 긴 부분에 걸쳐 단지 점차적으로 감소하며 심지어 에어포일 부분(19)에 걸쳐 높게 남아 있을 수 있다.

비록 본 발명이 이에 대한 바람직한 실시예들 및 변형예들의 형태로 공개되지만, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 부가 수정들 및 변형들이 본 발명에 대해 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.

명료성을 위해, 본 명세서를 통하여 단수 형태("a" 또는 "an")의 사용은 복수 형태를 배제하지는 않으며, "포함하는(comprising)"은 다른 단계들 또는 요소들을 배제하지 않는다는 것이 이해되어야 한다.

Claims

루트 부분(root portion; 10) 및 에어포일 부분(19)을 포함하는 풍력 터빈 회전자 블레이드(1)로서,
상기 블레이드(1)는
상기 블레이드(1)가 0.45 이상 1 미만의 두께 계수를 가지는 두꺼워진 존(thickened zone; TZ)으로서, 상기 두꺼워진 존(TZ)은 상기 블레이드(1)의 루트 부분(10)으로부터 상기 블레이드(1)의 에어포일 부분(19)으로 외측으로 연장하는, 두꺼워진 존; 및
상기 두꺼워진 존(TZ)의 적어도 일 부분에 걸쳐 상기 블레이드(1)의 압력 측(11) 상에 배열된 기류 교정 배열체(2, 3)로서, 상기 기류 교정 배열체(2, 3)는 블레이드 양력을 증가시키도록 구현되는 스포일러(3); 및 전방 에지(12)와 후방 에지(13) 사이에 배열되는 소용돌이 발생기(2)를 포함하여 상기 소용돌이 발생기(2)와 상기 스포일러(3) 사이에 부착된 기류(airflow; 42)를 유지하기 위해 구현되는, 기류 교정 배열체(2, 3)를 포함하고,
상기 소용돌이 발생기(2)는, 두께 계수가 0.45 이상 1 미만의 상기 두꺼워진 존(TZ)의 길이를 따라 연장하도록 배열되고,
상기 소용돌이 발생기(2)는 소용돌이 발생기 요소(20)들의 개방 배열체를 포함하고, 소용돌이 발생기 요소(20)들은 상기 블레이드(1)로부터 외측으로 돌출하고, 상기 개방 배열체는 유입 기류(incoming air)가 소용돌이 발생기 요소(20)들 사이로 지나가도록 허용하며,
상기 소용돌이 발생기 요소(20)의 높이는 상기 블레이드(1)의 대응하는 시위 길이(chord length; c)의 최대 0.125%를 포함하는,
풍력 터빈 회전자 블레이드.
제 1 항에 있어서,
상기 두께 계수는 상기 블레이드(1)의 에어포일 부분(19)에서 0.45 이상을 포함하는,
풍력 터빈 회전자 블레이드.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 루트 부분(10)과 상기 에어포일 부분(19) 사이의 상기 두꺼워진 존(TZ)에 전이 부분(transition portion; 18)을 포함하며, 상기 전이 부분(18)은 상기 블레이드 길이(L)의 30% 이상까지 연장하는,
풍력 터빈 회전자 블레이드.
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제 1 항에 있어서,
상기 소용돌이 발생기 요소(20)들은 엇각으로 배열되는,
풍력 터빈 회전자 블레이드.
제 1 항에 있어서,
소용돌이 발생기 요소(20)는 본질적으로 삼각형 형상을 포함하며, 상기 소용돌이 발생기 요소(20)는 상기 블레이드(1) 상에 배열되어 상기 소용돌이 발생기 요소(20)의 정점이 본질적으로 상기 블레이드(1)의 전방 에지(12)를 향하여 지향되는,
풍력 터빈 회전자 블레이드.
삭제
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 스포일러(3)는 상기 블레이드(1)의 후방 에지(13)에서 본질적으로 편평한 외측 표면(30)을 포함하는,
풍력 터빈 회전자 블레이드.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 스포일러(3)는 상기 블레이드(1)의 압력 측(11)이 상기 소용돌이 발생기(2)와 상기 스포일러(3)의 외부 표면(30) 사이에 오목 표면을 포함하도록 구현되는,
풍력 터빈 회전자 블레이드.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
2 m 이상의 직경을 구비한 루트 부분(10);
40 m 이상의 블레이드 스팬(L)을 포함하며,
상기 두꺼워진 존(TZ)은 상기 블레이드 스팬의 30% 이상으로 연장하고, 상기 스포일러(3) 및 상기 소용돌이 발생기(2)는 상기 두꺼워진 존(TZ)의 길이를 따라 연장하는,
풍력 터빈 회전자 블레이드.
다수의 회전자 블레이드(1)가 구비된 풍력 터빈으로서,
하나 이상의 회전자 블레이드(1)가 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 회전자 블레이드(1)를 포함하는,
다수의 회전자 블레이드가 구비된 풍력 터빈.
풍력 터빈 회전자 블레이드(1)의 압력 측(11)에 걸쳐 기류를 교정하기 위한 기류 교정 배열체(2, 3)로서,
상기 기류 교정 배열체(2, 3)는
상기 블레이드(1)의 압력 측(11)에 부착을 위해 구현되는 스포일러(3); 및
상기 블레이드(1)의 압력 측(11)에 부착하기 위해 구현되는 소용돌이 발생기(2)를 포함하며,
상기 소용돌이 발생기(2)는 0.45 이상 1 미만의 두께 계수를 가지는 상기 블레이드(1)의 구역에 대해 상기 스포일러(3)와 상기 소용돌이 발생기(2) 사이의 상기 블레이드(1)의 압력 측(11)에 걸쳐 부착된 기류(42)를 유지하기 위한 치수를 가지고,
상기 소용돌이 발생기(2)는, 0.45 이상 1 미만의 두께 계수를 가지는 상기 블레이드(1)의 구역의 길이를 따라 연장하도록 배열되고,
상기 소용돌이 발생기(2)는 소용돌이 발생기 요소(20)들의 개방 배열체를 포함하고, 소용돌이 발생기 요소(20)들은 상기 블레이드(1)로부터 외측으로 돌출하고, 상기 개방 배열체는 유입 기류(4)가 소용돌이 발생기 요소(20)들 사이로 지나가도록 허용하며,
상기 소용돌이 발생기 요소(20)의 높이는 상기 블레이드(1)의 대응하는 시위 길이(c)의 최대 0.125%를 포함하는,
풍력 터빈 회전자 블레이드의 압력 측에 걸쳐 기류를 교정하기 위한 기류 교정 배열체.
제 14 항에 있어서,
상기 소용돌이 발생기(2)는 캐리어 스트립 상으로 장착된 복수의 소용돌이 발생기 요소(20)들을 포함하며, 상기 캐리어 스트립은 상기 회전자 블레이드(1) 압력 측(11)에 부착하도록 구현되는,
풍력 터빈 회전자 블레이드의 압력 측에 걸쳐 기류를 교정하기 위한 기류 교정 배열체.