KR102310153B1 - 세레이션들을 갖는 회전자 블레이드 - Google Patents

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만진더 제이. 싱
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지멘스 가메사 리뉴어블 에너지 아/에스
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Abstract

본 발명은 풍력 터빈(10)을 위한 회전자 블레이드(20)에 관한 것이며, 회전자 블레이드(20)는 회전자 블레이드(20)의 트레일링 에지 섹션(23)의 적어도 일부분을 따라 세레이션들(30)을 포함한다. 세레이션들(30)은 제1 치형(31) 및 적어도 제2 치형(32)을 포함하며, 제1 치형(31)은 제2 치형(32)으로부터 이격된다. 제1 치형(31)과 제2 치형(32) 사이의 영역(35)이 다공성 재료로 적어도 부분적으로 채워져서, 회전자 블레이드(20)의 트레일링 에지 섹션(23)에서의 잡음의 생성이 감소된다. 또한, 본 발명은 적어도 하나의 그러한 회전자 블레이드(20)를 포함하는 풍력 터빈(10)에 관한 것이다.

Description

세레이션들을 갖는 회전자 블레이드{ROTOR BLADE WITH SERRATIONS}
본 발명은, 종래의 회전자 블레이드(blade)들과 비교하여 회전자 블레이드의 트레일링 에지 섹션(trailing edge section)에서의 잡음의 생성이 감소되도록 구성되는, 풍력 터빈(turbine)을 위한 회전자 블레이드에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 그러한 회전자 블레이드 중 적어도 하나를 포함하는 풍력 터빈에 관한 것이다.
풍력 터빈의 회전자의 회전 축을 중심으로 한 회전자 블레이드의 회전 동안, 회전자 블레이드의 트레일링 에지 섹션에서는 잡음이 일반적으로 생성된다. 다른 것들 중에, 잡음의 주요 원인은 트레일링 에지와 경계 층의 난류 구조들의 상호작용이다. 문헌은, 평균 유동 방향과 트레일링 에지 사이의 각도가 약 90 도이면, 대부분의 잡음이 방출된다는 것을 나타낸다. 추가적으로, 트레일링 에지를 지나서 회전자 블레이드의 흡인 및 압력 측으로부터의 유동의 혼합 ―이는 유동 회수로 또한 지칭됨― 은 난류로 이어질 수 있으며, 이 난류는 또한, 풍력 터빈으로부터 생성되는 잡음에 악영향을 끼칠 수 있다.
이 잡음은, 특히, 풍력 터빈이 주거 지역에 가까운 육지에 설치되면 문제일 수 있다. 이 경우, 풍력 터빈에 의해 생성되고 있는 최대 허용가능 잡음을 표시하는 임계 값들이 일반적으로 적용된다.
따라서, 회전자 블레이드의 트레일링 에지 섹션에서 생성되는 잡음을 감소시키는 방법의 개념이 매우 유리하다.
선행 기술에서는, 풍력 터빈의 회전자 블레이드들의 잡음 감소에 관한 상이한 개념들이 존재한다. 하나의 접근법은, 회전자 블레이드의 트레일링 에지 섹션에 세레이션(serration)들, 이를테면 세레이트형 패널(serrated panel)의 제공이다. 세레이션들에 기인하여, 트레일링 에지와 기류의 방향 사이의 각도가 수정된다. 이 수정은 트레일링 에지에서 생성되는 잡음을 크게 감소시킬 수 있다.
회전자 블레이드들의 잡음 감소의 다른 접근법은, 트레일링 에지 섹션에 강모(bristle)들, 이를테면 브러쉬(brush), 또는 빗(comb)의 제공이다. 트레일링 에지에 빗-형 구조를 포함하는 풍력 터빈의 회전자 블레이드의 예가 특허 출원 미국 2007/0077150 A1에서 개시되었다. 여기서는, 트레일링 에지들과 경계 층의 난류 구조들의 상호작용에 기인하여 생성되는 잡음 뿐만 아니라 압력 회복에 의해 생성되는 난류에 기인하는 잡음을 감소시키기 위하여, 일렬로 정렬되며 회전자 블레이드의 트레일링 에지를 너머 돌출하는 복수의 가요성 강모들을 갖는 회전자 블레이드가 제공된다.
그러나, 언급된 개념들 중 하나를 적용함으로써 달성될 수 있는 잡음 감소는 불충분하며, 만족스럽지 않을 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 개선된 잡음 감소 잠재력을 갖는, 풍력 터빈을 위한 회전자 블레이드를 제공하는 것이다.
이 목적은 독립 청구항들의 발명의 요지에 의해 도달된다. 유리한 실시예들 및 수정들은 종속 청구항들에서 개시된다.
본 발명의 일 양상에 따라, 풍력 터빈을 위한 회전자 블레이드가 제공되며, 회전자 블레이드는 회전자 블레이드의 트레일링 에지 섹션의 적어도 일부분을 따라 세레이션들을 포함한다. 세레이션들은 제1 치형 및 적어도 제2 치형을 포함하며, 제1 치형은 제2 치형으로부터 이격된다. 또한, 제1 치형과 제2 치형 사이의 영역이 다공성 재료로 적어도 부분적으로 채워져서, 회전자 블레이드의 트레일링 에지 섹션에서의 잡음의 생성이 감소된다.
본 발명의 핵심 양상은, 세레이션들의 2 개의 인접한 치형들 사이에 다공성 재료를 제공함으로써, 인접한 치형들 사이에서 압력 측 및 흡인 측으로부터 합류하는(merging) 기류에 의해 생성되는 잡음이 감소되는 것이다. 다시 말해서, 종래의 세레이션들을 갖는 회전자 블레이드에서는, 치형들을 통과하는, 즉 2 개의 인접한 치형들 사이의 갭(gap) 또는 틈을 통과하는 기류의 제트(jet)가 회전자 블레이드의 압력 측 및 흡인 측으로부터의 압력 회복에 기인하여 잡음을 생성하지만, 인접한 치형들 사이의 다공성 재료는 트레일링 에지를 가로지르는 유동 방향으로의 압력 구배가 더욱 느리게 균등화될 수 있게 한다. 결과적으로, 음향 방출의 크기의 감소가 달성될 수 있다.
본 구성의 제2 양상 및 추가적인 장점은, 세레이션들의 구조와 비교하여 다공성 재료의 일반적으로 더 미세한 구조들이, 방출된 잡음의 주파수들이 증가하게 한다는 점이다. 높은 주파수들을 포함하는 잡음은 이 잡음이 낮은 주파수들을 갖는 잡음보다 주변 공기에서 더 급속히 약해진다는 장점들을 갖는다. 따라서, 지상의 관찰자에 의해 지각되는 음압 레벨(level)이 감소된다.
요컨대, 세레이션들 그리고 2 개의 인접한 치형들 사이의 다공성 재료를 포함하는 신규한 회전자 블레이드는, 흡인 측과 압력 측 사이의 압력 구배가 균등화되기 위한 더욱 안정적인 환경을 갖기 때문에, 잡음의 세기가 감소되며; 그리고 생성되는 잡음이, 세레이션들의 구조와 비교하여 다공성 재료의 더 미세한 구조에 기인하여, 일반적으로 더 높은 주파수들을 갖는다는 이중의 장점을 갖는다. 따라서, 전체적으로, 상당한 잡음 감소가 달성될 수 있다.
풍력 터빈은, 바람의 운동 에너지(energy)를 회전 운동으로, 즉, 풍력 터빈의 회전자의 회전 에너지로 변환하는 디바이스(device)로 지칭된다. 이 회전 에너지는 전기를 생성하기 위해 사용되도록 예정되어 있다.
제1 치형은 제2 치형으로부터 이격되며, 제2 치형은, 제1 치형의 팁(tip)이 제2 치형의 팁과 갭에 의해 분리된다는 점에서 이해되어야 한다. 또한, 일 대안으로서, 두 치형들의 기저(basis)는 미리 결정된 거리만큼 분리된다. 다른 대안으로서, 제1 치형 및 제2 치형은 그들의 기초(base)들에서 서로 밀접하게 인접하며, 그들의 팁들에서만 서로 분리된다.
제1 치형과 제2 치형 사이의 영역은 다공성 재료로 부분적으로 채워지거나, 또는 다공성 재료로 심지어 완전히 채워질 수 있다.
본 특허 출원의 맥락에서, 다공성 재료는, 제로(zero)가 아닌 %이며 100이 아닌 %인 개방 면적 분율(open area fraction)을 포함하는 재료로서 이해된다. 개방 면적 분율은, 다공성 재료에 의해 커버(cover)되는 총 면적과 비교하여 개방 공기 면적의 분율로서 정의된다.
설명적으로 말하면, 고체 섹션들에 의해 그리고 개구들을 갖는 섹션들에 의해 구성되는 임의의 재료는, 원칙적으로 회전자 블레이드의 세레이션들의 인접한 치형들 사이에 배열되기에 적합한 다공성 재료이다.
유리하게, 다공성 재료의 개방 면적 분율, 즉, 다공성 재료의 공극율은 10 %보다 크고, 그리고/또는 90 %보다 작다. 공극율의 정확한 바람직한 값은 압력 균등화가 얼마나 신속하게 요구되는지에 따라 좌우된다. 원칙적으로, 다공성 재료의 높은 공극율과 비교하여 낮은 공극율 설정은 더 빠른 균등화/회복을 허용한다는 것에 주목하다. 특히, 다공성 재료의 공극율은 20 %보다 크고, 그리고/또는 80 %보다 작다.
공극율은 바람직하게는, 압력 측과 흡인 측 사이에서 합류하는 기류들에 대한 다공성 재료의 원하는 영향에 대해 조정된다. 공극율에 대해 언급된 하한치 및 상한치는 효율적인 잡음 감소에 특히 적합한 것으로서 간주된다.
다공성 재료는 예컨대 규칙적인 패턴(pattern)으로 서로 연결되는 복수의 스트랜드(strand)들을 포함하는 메시(mesh)일 수 있다.
메시는 예컨대 평행한 스트랜드들의 제1 세트(set)와 평행한 스트랜드들의 제2 세트로 구성될 수 있으며, 평행한 스트랜드들의 세트들 둘 모두는 미리 결정된 각도로 배열된다. 이러한 미리 결정된 각도는 예컨대 90°일 수 있다.
다공성 재료로서 메시를 갖는 것의 장점은, 메시가 용이하게 이용가능하며 강건하다는 점이다. 또한, 메시에 의해 커버되는 총 면적과 비교하여 개방 공기 면적의 분율로서 정의되는 공극율은, 인접한 스트랜드들의 거리 및 스트랜드들의 두께에 의해 조정될 수 있다.
다른 실시예에서, 다공성 재료는 오픈 셀 발포체(open cell foam)로 만들어진다. 발포체는, 고체에서 가스(gas)의 포켓(pocket)들에 의해 형성되는 물질로서 이해된다.
오픈 셀 발포체를 사용하는 것이 유리한데, 그 이유는 오픈 셀 발포체가 서로 연결되는 가스의 포켓들에 의해 특성화되기 때문이다. 따라서, 압력 측으로부터의 공기는 상호연결된 가스 포켓들의 미로를 통해 흡인 측으로 유동할 수 있으며, 그 반대로도 가능하다.
인접한 치형들 사이의 다공성 재료로서 오픈 셀 발포체를 선택하는 것의 장점은, 다공성 재료의 공극율이 비교적 넓은 범위에서 선택될 수 있다는 점과, 오픈 셀 발포체 재료가 용이하게 이용가능하다는 점이다. 유리하게, 고체 망상 발포체가 사용된다.
본 발명의 다른 양상에서, 다공성 재료는 복수의 섬유들을 포함한다.
더욱 구체적으로, 복수의 섬유들은 또한, 다공성 재료로서 설명될 수 있다. 섬유들을 설명하는 이 방식은, 고체 섹션들에 의해 그리고 개구들을 갖는 섹션들에 의해 구성되는 재료인 것으로서 "다공성 재료"란 관념의 이해에 기반한다. 다시 말해서, 2 개의 인접한 치형들 사이의 영역이 고체 섬유들로 채워지고, 이들 섬유들이 이러한 영역 중 30 %를 점유하면, 이 영역은, 30 %의 공극율을 갖는 다공성 재료로 채워져 있는 것으로서 설명될 수 있다.
섬유들은 일반적으로, 그들의 두께를 크게 초과하는 길이를 갖는 것으로서 이해된다. 섬유들은 또한, 강모들 또는 브러쉬들로 지칭된다. 복수의 섬유들은 빗-형 구조로 이어질 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 회전자 블레이드는 적어도 20 미터(meter), 특히 적어도 30 미터의 길이를 갖는다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제1 치형의 코드와이즈 연장부(chordwise extension)는 5 미터 미만, 특히 3 미터 미만이다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 회전자 블레이드는 회전자 블레이드의 트레일링 에지 섹션의 적어도 일부분을 따라 세레이션들을 포함하며, 트레일링 에지 섹션의 이 일부분의 스팬와이즈 연장부(spanwise extension)는 50 센티미터(centimeter)를 초과하는데, 특히 1 미터를 초과한다.
다른 유리한 실시예에서, 섬유들은 실질적으로 서로 평행하게 배열된다. 특히, 실질적으로 평행한 섬유들은 실질적으로 회전자 블레이드의 코드와이즈 방향(chordwise direction)으로 배열된다. 코드와이즈 방향은 회전자 블레이드의 코드 라인(chord line)들의 방향인 것으로서 정의된다. 코드 라인들은 회전자 블레이드의 스팬(span)에 수직이며, 회전자 블레이드의 트레일링 에지와 회전자 블레이드의 리딩(leading) 에지를 연결한다. 흡인 측 또는 압력 측을 가로지르는 기류는 통상적으로, 실질적으로 코드와이즈 방향으로 또한 유동한다.
특히, 섬유들은 회전자 블레이드의 트레일링 에지를 향한 방향으로 테이퍼(taper)될 수 있다.
본 특허 출원의 맥락에서, 회전자 블레이드의 트레일링 에지가, 흡인 측 및 압력 측을 가로질러 유동하는 기류에 대해 하류에 가장 멀리 위치되는 회전자 블레이드의 일부인 것으로서 정의된다는 것에 주목하라. 트레일링 에지는 트레일링 에지 섹션의 일부이다.
어떤 세레이션들도 갖지 않는 회전자 블레이드의 트레일링 에지 등은 통상적으로, 직선의 형상을 갖는다. 세레이션들의 존재 시, 세레이션들의 윤곽은 회전자 블레이드의 트레일링 에지를 표현한다. 세레이션들 사이의 영역에 복수의 섬유들이 채워진 경우, 회전자 블레이드의 트레일링 에지가, 하류에 가장 멀리 위치되는 회전자 블레이드의 일부인 것으로서 정의된다는 정의에 관하여, 트레일링 에지는 섬유들의 외부 림(rim)과 세레이션들의 윤곽의 일부분 둘 모두에 의해 형성될 수 있다.
유리하게, 다공성 재료는 플라스틱(plastic)으로 만들어진다. 대안적으로, 다공성 재료, 특히 섬유들을 제작하기 위해 임의의 다른 재료, 이를테면 금속 또는 직물이 또한 사용될 수 있다.
플라스틱은, 그것이 비교적 비싸지 않고, 용이하게 이용가능하고, 무해하며, 강건하다는 장점을 갖는다. 특히, 마지막 장점은, 회전자 블레이드들이 가혹한 조건들에서 오랜 세월 동작하도록 예정되어 있기 때문에 중요하다. 섬유들의 보수 또는 교체가 복잡하고 비싸기 때문에, 언급된 바와 같은 그러한 긴 수명의 재료가 바람직하다.
다른 유리한 실시예에서, 복수의 섬유들은 회전자 블레이드의 코달 평면(chordal plane) 내에 배열되는 제1 부분, 및 회전자 블레이드의 코달 평면 밖에 배열되는 제2 부분을 포함한다.
코달 평면은, 회전자 블레이드의 복수의 코드 라인들에 의해 정의되는 평면으로서 정의된다. 언트위스트(untwisted) 회전자 블레이드의 경우, 코달 평면은 평평한 평면이다. 트위스트(twisted) 회전자 블레이드의 경우, 코드 라인들은, 이 코드 라인들이 서로 평행하지 않지만 이 코드 라인들이 서로를 향한 상이한 각도들을 포함하도록 서로에 대해 배열될 수 있다. 이 경우, 코달 평면은 만곡된 평면의 형상을 갖는다.
특히, 모든 세레이션들은 동일한 평면, 바람직하게는 회전자 블레이드의 코달 평면 내에 배열될 수 있다. 그 다음, 제1 옵션(option)에서, 복수의 섬유들은 또한, 코달 평면 내에 배열될 수 있다. 이는 제조 용이함의 장점을 갖는다.
대안적으로, 제2 부분의 복수의 섬유들은 또한, 코달 평면 밖에 있을 수 있다. 이는, 섬유들을 갖는 세레이션들의 잡음 감소 능력이 추가로 개선될 수 있다는 장점을 갖는다. 특히, 제2 부분은 회전자 블레이드의 트레일링 에지에 인접한데, 즉 하류에 있을 수 있다. 복수의 섬유들의 제2 부분에서 섬유들이 코달 평면 밖으로 영구적으로 휘어진다는 것에 주목하라. 그 외에도, 이 섬유들은, 회전자 블레이드의 트레일링 에지 섹션의 소정의, 특히 무거운 로딩(loading) 하에서 코달 평면 밖으로 추가로 휘어지거나 또는 벗어나게 될 수 있다. 이 경우는 또한, 가용성이며 수동적으로 휘어지는 트레일링 에지 섹션으로 지칭된다.
본 발명의 실시예에서, 섬유들은 이 실시예에서 단단한(stiff) 상태로서 또는 강성(rigid)으로서 구성될 수 있다.
일반적으로 그리고 위에서 설명된 특정 실시예로 제한되지 않고, 섬유들은 유리하게, 단단한 상태가 되도록 구성된다. 이는, 풍력 터빈의 통상적인 동작 조건들 하에서는, 즉, 초당 20 미터보다 낮은 풍속들에 대해서는, 실질적으로 섬유들의 어떤 휨도 발생하지 않는다는 것을 의미한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 섬유들은, 언급된 초당 20 미터의 풍속들보다 훨씬 아래에서 섬유들의 소정의 휨이 발생하도록 소정의 유연성을 특징으로 할 수 있다.
회전자 블레이드의 트레일링 에지는, 회전자 블레이드를 가로질러 유동하는 기류에 대해 하류에 가장 멀리 있는 회전자 블레이드의 선 또는 에지로서 정의된다. 복수의 섬유들은 제1 치형과 제2 치형 사이의 영역을 완전히 채울 수 있다. 따라서, 트레일링 에지는 실질적으로 직선으로서 설명될 수 있다.
대안적으로, 치형의 팁들에 인접한 전체 영역을 채우지만, 2 개의 인접한 치형들 사이의 중간에서는 이 영역의 일부를 완전히 채우지 않도록, 복수의 섬유들을 배열하는 것이 유리할 수 있다. 이는, 2 개의 인접한 치형들 사이에서 회전자 블레이드의 리딩 에지를 향해 시프트(shift)되는 트레일링 에지를 야기한다.
제1 치형 및/또는 제2 치형은 세레이션들에 대한 평면도로 볼 때 삼각형의 형상을 가질 수 있다. 특히, 삼각형의 형상은 팁 및 기초를 갖는 것으로서 설명될 수 있으며, 팁은 트레일링 에지를 향해 있게 되는데, 즉 팁은 심지어 트레일링 에지의 일부일 수 있으며, 치형의 기초는 회전자 블레이드의 리딩 에지를 향해 있게 된다. 치형들의 이러한 형상 및 배향은 부하 감소, 잡음 감소 및 회전자 블레이드의 양력(lift) 증가에 특히 유리한 것으로서 증명되었다.
풍력 터빈을 위한 회전자 블레이드의 트레일링 에지 섹션에서의 잡음의 생성을 감소시키는 것을 목적으로 하는 본 발명의 신규한 개념은 대안적으로, 다음과 같이 설명될 수 있다:
회전자 블레이드의 리딩 에지로부터 트레일링 에지를 향한 코드와이즈 방향으로 볼 때, 트레일링 에지 섹션은 코드와이즈 방향에 실질적으로 수직으로 연장되는 기초선(base line)으로 시작한다. 트레일링 에지를 향해 더 계속하면, 트레일링 에지 섹션은 제1 구역을 포함한다. 제1 구역은 실질적으로 고체 재료에 의해 특성화된다. 제1 구역은 일 측에서 기초선에 의해, 그리고 다른 측에서 제1 분할선에 의해 제한된다. 트레일링 에지를 향해 더 계속하면, 트레일링 에지 섹션은 제2 구역을 더 포함한다. 제2 구역은 실질적으로 다공성 재료에 의해 특성화된다. 제2 구역은 일 측에서 제1 분할선에 의해, 그리고 다른 측에서 제2 분할선에 의해 제한된다. 제2 분할선은 회전자 블레이드의 트레일링 에지와 일치한다.
제1 분할선 및 제2 분할선은 원칙적으로 임의의 형상을 가질 수 있다: 이들은 주기적인 또는 비-주기적인 직선 또는 곡선(curved)일 수 있으며, 그 도함수들은 스팬와이즈 방향(spanwise direction)으로 연속적 또는 불연속적일 수 있는 식이다. 일부 가능한 설계 선택들은 도면들 및 첨부된 설명에서 개시된다. 본 발명의 이 양상에 따른 유일한 요건은 제1 분할선이 제2 분할선보다 더 트레일링 에지를 향해 배열되지는 않는다는 것이다. 다시 말해서, 그것은 고체 재료에 의해 특성화되는 제1 구역이 소정의 스팬와이즈 구역들에서 트레일링 에지까지 연장되는 경우일 수 있지만, 그것은 리딩 에지로부터 트레일링 에지로의 코드와이즈 방향에서 볼 때 다공성 재료에 의해 특성화되는 제2 구역이 기초선과 제1 구역 사이에 있는 경우는 아닐 수 있다. 설명적으로 말하면, 제1 구역 및 제2 구역은, 공기가 먼저 제1의 고체 구역을 가로질러 유동하고 후속하여 제2의 다공성 구역을 가로질러 유동하도록, 그리고 그 반대로는 되지 않도록 배열된다.
본 발명은 추가로, 위에서 설명된 적어도 하나의 회전자 블레이드를 포함하는 풍력 터빈에 관한 것이다.
이제, 본 발명의 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 단지 예로서 설명되며, 이 도면들 중에서:
도 1은 풍력 터빈을 도시하고;
도 2는 풍력 터빈을 위한 신규한 회전자 블레이드를 도시하고;
도 3은 인접한 치형들 사이에 다공성 재료를 갖는 세레이트형 패널을 도시하고;
도 4는 제1 실시예에서 복수의 섬유들을 갖는 세레이션들을 도시하고;
도 5는 제2 실시예에서 복수의 섬유들을 갖는 세레이션들을 도시하고;
도 6은 제3 실시예에서 복수의 섬유들을 갖는 세레이션들을 도시하고;
도 7은 제4 실시예에서 복수의 섬유들을 갖는 세레이션들을 도시하고;
도 8은 제5 실시예에서 복수의 섬유들을 갖는 세레이션들을 도시하고;
도 9는 일 측에 핀(fin)들, 및 복수의 섬유들을 갖는 세레이션들을 도시하고;
도 10은 양측에 핀들, 및 복수의 섬유들을 갖는 세레이션들을 도시하고;
도 11은 리지(ridge)들 및 복수의 섬유들을 갖는 세레이션들을 도시하며; 그리고
도 12 내지 도 22는 회전자 블레이드의 트레일링 에지 섹션에 다공성 재료의 구역을 배열하는 방법의 상이한 변형들을 도시한다.
도면들에서의 예시는 개략적인 형태로 있다. 상이한 도면들에서, 유사한 또는 동일한 엘리먼트(element)들에 동일한 참조 기호들이 제공될 수 있다는 것이 주목된다.
도 1에서, 풍력 터빈(10)이 도시된다. 풍력 터빈(10)은 나셀(nacelle)(12) 및 타워(tower)(11)를 포함한다. 나셀(12)은 타워(11)의 상단에 장착된다. 나셀(12)은 요 베어링(yaw bearing)에 의해 타워(11)에 대해 회전가능하게 장착된다. 타워(11)에 대한 나셀(12)의 회전 축은 요 축으로 지칭된다.
풍력 터빈(10)은 또한, 3 개의 회전자 블레이드들(20)(그 중 2 개의 회전자 블레이드들(20)이 도 1에서 묘사됨)을 갖는 허브(hub)(13)를 포함한다.
허브(13)는 메인 베어링(main bearing)에 의해 나셀(12)에 대해 회전가능하게 장착된다. 허브(13)는 회전자 회전 축(14)을 중심으로 회전가능하게 장착된다.
풍력 터빈(10)은 또한, 주축을 포함하며, 이 주축은 허브(13)를 발전기(15)의 회전자에 연결한다. 허브(13)는 발전기(15)의 회전자에 직접적으로 연결되며, 따라서 풍력 터빈(10)은 기어리스(gearless) 직접 구동식 풍력 터빈으로 지칭된다. 대안으로서, 허브(13)는 또한, 기어박스(gearbox)를 통해 발전기(15)의 회전자에 연결될 수 있다. 이 유형의 풍력 터빈은 기어드(geared) 풍력 터빈으로 지칭된다.
발전기(15)는 나셀(12) 내에 수납된다. 이 발전기(15)는 회전자 및 고정자를 포함한다. 발전기(15)는, 회전자로부터의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해 배열 및 준비된다.
도 2는 풍력 터빈의 회전자 블레이드(20)를 도시한다. 회전자 블레이드(20)는 루트(root)(211)를 갖는 루트 섹션(21) 및 팁(221)을 갖는 팁 섹션(22)을 포함한다. 루트(211) 및 팁(221)은 회전자 블레이드(20)의 형상을 따르는 스팬(span)(26)에 의해 가상으로 연결된다. 회전자 블레이드가 직사각형 형상의 물체라면, 스팬(26)은 직선일 것이다. 그러나, 회전자 블레이드(20)가 가변 두께를 특징으로 하기 때문에, 스팬(26)은 약간 만곡되는데, 즉, 또한 휘어진다. 회전자 블레이드(20)가 자체적으로 휘어진다면, 스팬(26)도 역시 휘어질 것임에 주목하라.
회전자 블레이드(20)는 또한, 리딩 에지(241)를 갖는 리딩 에지 섹션(24) 및 트레일링 에지(231)를 갖는 트레일링 에지 섹션(23)을 포함한다.
트레일링 에지 섹션(23)은 트레일링 에지(231)를 둘러싼다. 마찬가지로, 리딩 에지 섹션(24)은 리딩 에지(241)를 둘러싼다.
각각의 스팬와이즈 포지션(position)에, 트레일링 에지(231)와 리딩 에지(241)를 연결하는 코드 라인(27)이 정의될 수 있다. 코드 라인(27)이 스팬(26)에 수직이라는 것에 주목하라. 코드 라인이 최대 코드(chord) 길이를 포함하는 구역에서 견부(shoulder)(28)가 정의된다.
도 2는 또한, 회전자 블레이드(20)의 아웃보드(outboard) 섹션에 위치되는 세레이션들(30)을 개시한다. 더욱 구체적으로, 세레이션들(30)은 회전자 블레이드(20)의 트레일링 에지 섹션(23)에 위치된다. 세레이션들(30)은 복수의 인접한 치형들을 포함한다. 치형들의 코드와이즈 연장부는 회전자 블레이드(20)의 팁(221)을 향해 감소한다. 복수의 섬유들이 세레이션들(30)의 인접한 치형들 사이의 영역(해칭된(hatched) 영역에 의해 상징됨)을 완전히 채운다는 것에 주목하라. 세레이션들(30)이 부착되는 회전자 블레이드의 아웃보드 섹션의 트레일링 에지(231)는 세레이션들(30)의 팁들과 섬유들의 최외곽 부분에 의해 표현된다.
도 3은 풍력 터빈을 위한 회전자 블레이드에 부착되기 위해 배열 및 준비되는 세레이트형 패널(41)을 도시한다. 세레이트형 패널(41)은 이 세레이트형 패널(41)의 세레이션들 사이에 다공성 재료를 포함한다. 모범적으로, 세레이트형 패널(41)은 플라스틱으로 만들어지며, 사출 성형에 의해 생산되었다. 세레이트형 패널(41)은, 세레이트형 패널(41)을 회전자 블레이드의 나머지 부분에 부착하기 위해 배열 및 준비되는 부착 부분(43)을 포함한다. 세레이트형 패널(41)은 또한, 세레이션들(30)을 갖는 부분을 포함한다. 세레이션들은 복수의 치형들을 포함한다. 특히, 제1 치형(31), 제2 치형(32), 제3 치형(33) 및 제4 치형(34)이 도 3에서 예시된다. 도 3에서 도시된 모든 치형들(31 - 34)은 실질적으로 동일한 형상, 즉, 평면도로 볼 때 삼각형의 형상을 갖는다. 삼각형들은 둥근 팁들을 포함한다. 대안적으로, 삼각형-형상의 치형들은 또한, 뾰족한 팁을 포함할 수 있다. 제1 치형(31)과 제2 치형(32) 사이의 영역(35)에, 메시가 배치된다. 메시는 압력 측으로부터 흡인 측으로의 압력 구배의 회복을 유리한 잡음 감소 방식으로 수정하기 위한 다공성 재료로서의 역할을 한다. 또한, 메시는 생성된 잡음의 주파수들을 더 높은 값들로 시프트(shift)하도록 설계된다. 메시는 실질적으로 서로 평행한 복수의 제1 스트랜드들로 만들어지며, 이 복수의 제1 스트랜드들은, 그 자체가 또한 실질적으로 서로 평행한 복수의 제2 스트랜드들과 교차한다. 따라서, 규칙적이고 재생가능한 다공성 재료가 획득된다. 메시는 제1 치형(31)과 제2 치형(32) 사이의 전체 영역(35)을 채운다. 이 메시는 또한, 세레이션들(30)의 추가적인 치형들(32, 33, 34) 사이의 영역들을 커버(cover)한다.
회전자 블레이드가 또한, 동일한(one) 패널이 스팬와이즈 방향으로 서로 나란히 줄세워진 복수의 세레이트형 패널들(41)을 포함할 수 있다는 것에 주목하라. 인접한 패널들은 유리하게, 그렇지 않으면 2 개의 인접한 패널들이 만나는 경계에 생성되었을 수 있는 빽빽 울리는 톤(whistle tone)들을 감소시키기 위하여, 그 측면들에서 겹쳐질 수 있다.
도 4는 다른 세레이트형 패널(41)을 도시한다. 이 실시예에서, 다공성 재료는 섬유들(42)의 세트에 의해 구현된다. 강모들 또는 바늘들로서 또한 설명될 수 있는 이들 섬유들(42)은 실질적으로 회전자 블레이드의 코드와이즈 방향으로 배향된다. 이는, 세레이트형 패널(41)을 나머지 회전자 블레이드에 부착한 후에 섬유들(42)이 코드와이즈 방향으로 배향되는 방식으로, 세레이트형 패널(42)이 회전자 블레이드의 나머지 부분에 부착되도록 배열 및 준비된다는 것으로 이해되어야 한다. 제1 치형(31)과 제2 치형(32) 사이의 섬유들(42) 전부가 대략 동일한 코드와이즈 포지션에서 끝난다는 것에 주목하라. 따라서, 직선의 트레일링 에지(231)가 획득된다.
그에 반해서, 제2 치형(32)과 제3 치형(33) 사이, 뿐만 아니라 제3 치형(33)과 제4 치형(34) 사이의 섬유들의 길이는 가변적이다. 이는, 일단 세레이트형 패널(41)이 나머지 회전자 블레이드에 부착되었다면, 수축되는, 즉, 리딩 에지를 향해 시프트되는 트레일링 에지(231)로 이어진다. 섬유들(42)의 그러한 형상은, 다공성 재료의 설계에서 더 많은 유연성이 주어지며, 잡음 감소에 관한 추가적인 개선 잠재력이 주어진다는 장점을 갖는다. 도 4의 실시예에서는, 섬유들(42)의 길이의 변동만이 구현된다. 이는, 여전히 모든 섬유들(42)이 회전자 블레이드의 코달 평면 내에 배열된다는 것을 의미한다.
도 5는 섬유들(42)이 제1 부분(36)에서는 코달 평면 내에 있지만, 이 섬유들(42)이 제2 부분(37)에서는 코달 평면의 밖에 있는, 본 발명의 실시예를 도시한다. 따라서, 단면도로 볼 때 다공성 재료의 물결 모양의 또는 웨이브가 있는(wavy) 형상이 획득된다. 이 설계는 또한, 잡음 감소의 추가적인 개선의 잠재력을 갖는다. 도 5가 제2 부분(37)에서 코달 평면 밖으로의 섬유들(42)의 영구적인 편향(deflection)을 예시하며, 극심한 로딩 하에서의 섬유들(42)의 휨(bending)을 예시하지 않는다는 것에 주목하라. 추가적으로, 섬유들(42)의 로딩에 기인하는 섬유들(42)의 배향의 변동들이 발생할 수 있다.
섬유들(42)이 트레일링 에지(231)를 향해 테이퍼되는 것이 유리할 수 있다. 이는 구조적 고려사항들 측면에서 유리할 수 있다.
섬유들의 길이 변동들에 관하여, 사인파(sine wave) 형상이 특히 유리할 수 있다.
인접한 치형들 사이의 섬유의 예시적 치수들은 직경이 2 밀리미터(millimeter)이며, 길이가 1 내지 10 센티미터(centimeter)일 수 있다.
도 6 내지 도 12는 세레이션들 및 복수의 섬유들이 구체적으로 구성 및 배열될 수 있는 방법의 예시적 실시예들을 개시한다.
도 6은 영역(35)에 의해 분리 및 이격되어 있는 제1 치형(31) 및 제2 치형(32)을 도시한다. 이 영역(35)에서, 복수의 섬유들(42)이 배열된다. 섬유들(42)은 실질적으로 서로 평행하게 배향된다. 추가적으로, 섬유들(42)은 이 방사상 포지션에서, 즉, 이 스팬와이즈 포지션에서 회전자 블레이드의 코드와이즈 방향에 실질적으로 평행하게 배향된다.
치형들(31, 32, 33, 34) 사이에서의 섬유들(42)의 어레인지먼트(arrangement)를 더욱 개략적인 방식으로 예시하는 도 4 및 도 5와 비교할 때, 도 6은 섬유들(42)의 예시적 구성 및 어레인지먼트를 더욱 상세한 방식으로 예시하려고 시도한다. 예컨대, 섬유들(42)은 3차원 물체들로서 묘사되며, 이는 섬유들(42)이 실제로 유리하게, 원하는 강성도를 제공하기 위하여 소정의 두께를 가질 수 있다는 것을 도시한다. 그 결과, 세레이션들(31, 32) 어느 것도 그렇지 않은 것처럼, 섬유들(42)은 풍력 터빈의 표준 동작 조건들 동안 실질적으로 휘어지지 않는다.
도 7은 본 발명의 대안적 실시예를 도시한다. 도 6에서 예시된 실시예와 비교하여, 이 실시예의 유일한 차이는 섬유들(42)의 코드와이즈 길이이다. 도 6의 실시예에서는, 결과가 회전자 블레이드의 직선의 트레일링 에지가 되도록 섬유들의 길이들이 선택되는 반면에, 도 7의 실시예에서는, 인접한 치형들(31, 32) 사이의 영역(35)의 중심 부분의 섬유들이 상대적으로 더 짧은 길이를 갖도록 선택된다.
도 8은 섬유들(42)을 구성 및 배열하는 방법의 다른 변형을 예시한다. 도 6의 실시예에서처럼, 결과가 회전자 블레이드의 직선의 트레일링 에지(231)가 되도록 섬유들(42)의 길이들은 선택된다. 차이로서, 섬유들(42)의 두께는 섬유들(42)의 개개의 팁들을 향해 감소한다. 다시 말해서, 섬유들(42)은 팁을 향해 테이퍼된다. 선택적으로, 세레이션들의 치형들(31, 32)은 또한, 감소하는 두께를 특징으로 한다.
도 9 내지 도 12는 섬유들을 갖는 세레이트형 패널들이 다른 에어로다이내믹 디바이스(aerodynamic device)들과 결합될 수 있는 방법의 다양한 예들을 도시한다.
도 9는 세레이트형 패널(41)의 치형들(31, 32)의 상류에 핀들(44)의 어레인지먼트를 예시한다. 핀들(44)은 회전자 블레이드를 가로지르는 기류를 조작하기 위한 다른 수단으로서 볼 수 있어서, 궁극적으로, 회전자 블레이드의 트레일링 에지 섹션에서 생성되는 잡음은 감소된다. 핀들(44)은 세레이트형 패널(41)의 일 측에, 예컨대 흡인 측에 배열될 수 있다.
대안적으로, 핀들(44)은 세레이트형 패널의 양측에, 즉, 압력 측 및 흡인 측 둘 모두에 또한 배열될 수 있다. 그러한 실시예는 도 10에서 예시된다. 회전자 블레이드의 흡인 측에 배열되는 핀들은 흡인 측 핀들(441)로 지칭되며, 회전자 블레이드의 압력 측에 배열되는 핀들은 압력 측 핀들(442)로 지칭된다.
도 11은 리지들(45)을 갖는 세레이트형 패널(41)의 실시예를 예시한다. 리지들(45)은, 기류를 유도하며 그리고/또는 기류의 스팬와이즈 코히어런스(coherence)를 끊기 위한 목적을 갖는다. 리지들은 (도 11에서 도시된 예에서처럼) 회전자 블레이드의 압력 측에, 회전자 블레이드의 흡인 측에, 또는 양측 모두에 배열될 수 있다. 리지들(45)은 세레이션들의 상류에 배열될 수 있으며, 섬유들(42)을 연장시킬 수 있다.
도 12 내지 도 22는 회전자 블레이드의 트레일링 에지 섹션(23)에 다공성 재료의 구역을 배열하는 방법의 상이한 변형들을 도시한다.
회전자 블레이드의 리딩 에지로부터 트레일링 에지를 향한 코드와이즈 방향(271)으로 볼 때, 트레일링 에지 섹션(23)은 코드와이즈 방향(271)에 실질적으로 수직으로 연장되는 기초선(f0)으로 시작한다. 트레일링 에지(231)를 향해 더 계속하면, 트레일링 에지 섹션(23)은 제1 구역(52)을 포함한다. 제1 구역(52)은 실질적으로 고체 재료에 의해 특성화된다. 제1 구역(52)은 일 측에서 기초선(f0)에 의해, 그리고 다른 측에서 제1 분할선(f1)에 의해 제한된다. 트레일링 에지(231)를 향해 더 계속하면, 트레일링 에지 섹션(23)은 제2 구역(53)을 더 포함한다. 제2 구역(53)은 실질적으로 다공성 재료에 의해 특성화된다. 제2 구역(53)은 일 측에서 제1 분할선(f1)에 의해, 그리고 다른 측에서 제2 분할선(f2)에 의해 제한된다. 제2 분할선(f2)은 회전자 블레이드의 트레일링 에지(231)와 일치한다.
제1 분할선(f1) 및 제2 분할선(f2)은 원칙적으로 임의의 형상을 가질 수 있다: 이들은 주기적인 또는 비-주기적인 직선 또는 곡선일 수 있으며, 그 도함수들은 (스팬와이즈 방향(272)으로) 연속적 또는 불연속적일 수 있는 식이다. 일부 가능한 설계 선택들이 도 12 내지 도 22에서 개시된다.
도 12에서, 제1 분할선(f1)은 세레이트형(serrated)이며, 제2 분할선(f2)은 직선이다.
도 13에서, 제1 분할선(f1) 및 제2 분할선(f2) 둘 모두는 세레이트형이다. 분할선들(f1, f2) 둘 모두는 동일한 주기성을 갖는다.
도 14의 실시예는 도 13의 실시예와 유사하지만, 제2 분할선(f2)의 세레이션들이 기초선(f0)을 향하는 대신에 기초선(f0)으로부터 멀어지는 쪽으로 가리키고 있다.
도 15의 실시예는 또한 도 13의 실시예와 유사하지만, 제2 분할선(f2)의 세레이션들이 평탄화되며, 이 세레이션들은 실제, 세레이션들 대신에 파형을 포함하는 것으로 더욱 닮는다.
도 16에서, 제1 분할선(f1) 및 제2 분할선(f2) 둘 모두는 파형을 포함한다. 분할선들(f1, f2) 둘 모두는 동일한 주기성을 갖는다.
도 17에서, 제1 분할선(f1)은 세레이트형이며, 제2 분할선은, 제1 구역(52)의 인접한 치형들 사이의 영역의 일부만이 다공성 재료로, 즉, 제2 구역(53)으로 채워지도록 선택된다.
도 18에서, 제1 분할선(f1) 및 제2 분할선(f2) 둘 모두는 펄스(pulse) 형태를 닮는다. 분할선들(f1, f2) 둘 모두는 동일한 주기성을 갖는다.
도 19에서, 제1 분할선(f1) 및 제2 분할선(f2) 둘 모두는 파형, 특히 사인파형을 포함한다. 제1 분할선들(f1)의 주기성은 제2 분할선(f2)의 주기성과 상이하다.
도 20에서, 제1 분할선(f1) 및 제2 분할선(f2) 둘 모두가 무작위 형태를 가져서, 무질서한 패턴(chaotic pattern)이 야기된다.
도 21의 실시예는 도 19를 닮지만, 두 분할선들(f1, f2)은 상이한 주기성들 대신에 동일한 주기성을 갖는다.
마지막으로, 도 22에서, 제1 분할선(f1) 및 제2 분할선(f2) 둘 모두는 직선이다.

Claims (15)

  1. 풍력 터빈(turbine)(10)을 위한 회전자 블레이드(blade)(20)로서,
    상기 회전자 블레이드(20)는 상기 회전자 블레이드(20)의 트레일링 에지 섹션(trailing edge section)(23)의 적어도 일부분을 따라 세레이션(serration)들(30)을 포함하며,
    상기 세레이션들(30)은 제1 치형(31) 및 적어도 제2 치형(32)을 포함하며, 그리고
    상기 제1 치형(31)은 상기 제2 치형(32)으로부터 이격되며,
    상기 제1 치형(31)과 상기 제2 치형(32) 사이의 영역(35)이 복수의 섬유들(42)로 적어도 부분적으로 채워져서, 상기 회전자 블레이드(20)의 상기 트레일링 에지 섹션(23)에서의 잡음의 생성이 감소되고,
    상기 복수의 섬유들(42)은 실질적으로 서로 평행하게, 그리고 실질적으로 상기 회전자 블레이드(20)의 코드와이즈 방향(chordwise direction)으로 배열되는 강성 섬유들(rigid fibers)이며, 상기 코드와이즈 방향은 상기 회전자 블레이드(20)의 리딩 에지(leading edge)로부터 트레일링 에지(trailing edge)를 향하는 방향이고,
    상기 강성 섬유들(42)은, 상기 회전자 블레이드(20)의 트레일링 에지(231)로부터 멀리 위치되는 상기 강성 섬유들의 단부들이 함께 소정의 형상을 형성하도록, 원하는 강성도(stiffness)를 제공하기 위하여 소정의 두께들을 갖는,
    풍력 터빈(10)을 위한 회전자 블레이드(20).
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 섬유들의 개방 면적 분율(open area fraction)은, 10 %보다 크거나, 90 %보다 작거나, 또는 10 %보다 크고 90 %보다 작은,
    풍력 터빈(10)을 위한 회전자 블레이드(20).
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 섬유들은 규칙적인 패턴(pattern)으로 서로 연결되는 복수의 스트랜드(strand)들을 포함하는 메시(mesh)를 형성하는,
    풍력 터빈(10)을 위한 회전자 블레이드(20).
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 섬유들은 오픈-셀 발포체(open-cell foam)로 만들어지는,
    풍력 터빈(10)을 위한 회전자 블레이드(20).
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 섬유들(42)은 상기 회전자 블레이드(20)의 트레일링 에지(231)를 향한 방향으로 테이퍼(taper)되는,
    풍력 터빈(10)을 위한 회전자 블레이드(20).
  8. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 섬유들은,
    상기 회전자 블레이드(20)의 코달 평면(chordal plane) 내에 배열되는 제1 부분(36), 및
    상기 회전자 블레이드(20)의 상기 코달 평면 밖에 배열되는 제2 부분(37)
    을 포함하는,
    풍력 터빈(10)을 위한 회전자 블레이드(20).
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 부분(37)은 상기 회전자 블레이드(20)의 트레일링 에지(231)에 인접한,
    풍력 터빈(10)을 위한 회전자 블레이드(20).
  10. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 섬유들은, 상기 제1 치형(31)의 팁(tip)과 상기 제2 치형(32)의 팁 사이의 상기 회전자 블레이드(20)의 트레일링 에지(231)가 실질적으로 직선으로 형성되도록 배열되는,
    풍력 터빈(10)을 위한 회전자 블레이드(20).
  11. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 섬유들은, 상기 제1 치형(31)의 팁과 상기 제2 치형(32)의 팁 사이의 상기 회전자 블레이드(20)의 트레일링 에지(231)가 상기 회전자 블레이드(20)의 리딩(leading) 에지(241)를 향한 방향에서 직선을 벗어나는 선으로 형성되도록 배열되는,
    풍력 터빈(10)을 위한 회전자 블레이드(20).
  12. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    에어로다이내믹 디바이스(aerodynamic device)를 가로질러 유동하고 있는 기류를 조종하기 위한 상기 에어로다이내믹 디바이스는 상기 제1 치형(31) 및 상기 제2 치형(32)의 상류에 장착되는,
    풍력 터빈(10)을 위한 회전자 블레이드(20).
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 에어로다이내믹 디바이스는, 상기 회전자 블레이드(20)의 압력 측(252)에 배열되거나, 상기 회전자 블레이드(20)의 흡인 측(251)에 배열되거나, 또는 상기 압력 측(252) 및 흡인 측(251)에 배열되는,
    풍력 터빈(10)을 위한 회전자 블레이드(20).
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 에어로다이내믹 디바이스는, 복수의 핀(fin)들(44, 441, 442)을 포함하거나, 복수의 리지(ridge)들(45)을 포함하거나, 또는 복수의 핀들(44, 441, 442) 및 복수의 리지들(45)을 포함하는,
    풍력 터빈(10)을 위한 회전자 블레이드(20).
  15. 제1 항 또는 제2 항에 따른 적어도 하나의 회전자 블레이드(20)를 갖는 풍력 터빈(10).
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