KR20020076248A - 풍력장치용 로터 블레이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력장치용 로터 블레이드(Rotor Blade)에 관한 것이다.

로터 블레이드의 효율성은 로터 블레이드의 측면 시위(Profile Chord)와 공기의 유입방향간의 각도를 나타내는 유입각(Afflux Angle)에 의해 결정된다. 특히, 풍력장치의 경우, 유입각은 로터의 회전속도를 나타내는 로터 블레이드 속도 및 바람의 방향에 의존한다. 상기 유입각은 풍속 V_Wind와 로터 블레이드 단부의 속도 V_Tip와의 합계 벡터로 특징지어진다. 상기 풍속 V_Wind와 로터 블레이드 단부의 속도 V_Tip와의 합계 벡터를 유효 유입속도 V_eff라 하며, 도1에 나타내었다.

그러므로 본 발명의 목적은 난기류성 바람의 흐름에 대한 로터 블레이드의 감도를 줄이는 것이다.

본 발명에서는, 서로 일체적으로 연결되어 있으며 또 서로 다른 고속 인덱스(High-Speed Indexes)를 위하여 설계되어 있는 적어도 두 개의 로터 블레이드 부분들로 세로방향으로 분할되어 있는 풍력장치용 로터 블레이드(Rotor Blade)를 제공하며, 여기에서 로터 블레이드 루트(Root)로부터 멀리 떨어져 있는 상기 로터 블레이드 부분의 최대 동력계수에 연관되는 고속 인덱스는, 상기 로터 블레이드 루트에 근접하여 배치되어 있는 상기 로터 블레이드 부분의 최대 동력계수에 연관되는 고속 인덱스보다 더 크다.

Description

풍력장치용 로터 블레이드{Rotor Blade for a Wind Power Installation}

로터 블레이드의 효율성은 로터 블레이드의 측면 시위(Profile Chord)와 공기의 유입방향간의 각도를 나타내는 유입각(Afflux Angle)에 의해 결정된다. 특히, 풍력장치의 경우, 유입각은 로터의 회전속도를 나타내는 로터 블레이드 속도 및 바람의 방향에 의존한다. 상기 유입각은 풍속 V_Wind와 로터 블레이드 단부의 속도 V_Tip와의 합계 벡터로 특징지어진다. 상기 풍속 V_Wind와 로터 블레이드 단부의 속도 V_Tip와의 합계 벡터를 유효 유입속도 V_eff라 하며, 도1에 나타내었다.

풍속이 변경되는 경우, 로터의 회전속도에 따라서 유입각 또한 변경되며, 로터 블레이드의 받음각(Angle of Attack)에 따라서 유입각이 또한 변경된다. 이로 인해서, 로터 블레이드에 작용하는 양력(Lift Force)이 변경되며, 결국에는 로터의 효율 수준이 변경된다. 비교적 저풍속을 나타내는 0°의 유입각에 의해서는, 양력이 매우 낮다. 유입각의 범위가 작을 때에는, 풍속에 따라서 최초 효율 수준은 최대 효율 수준까지 천천히 상승한다. 풍속이 더 상승하는 경우, 유입각은 바람의 흐름이 로터 블레이드 흡입측상에서 중단되는 값까지 상승한다. 상기 로터 블레이드 흡입측은 로터 블레이드의 측면을 말하며, 바람으로부터 비껴있다. 이때부터 계속하여, 풍속이 더 증가하면 할수록 효율 수준은 가파르게 떨어지는데, 이 부분을 "실속영역(Stall Region)"이라 한다.

도2는 상기 관계를 도시한 것이며, 여기에서 로터 블레이드의 동력계수(Power Coefficient) C_p를 고속 인덱스(High-Speed Index) λ의 함수로서 나타내었다. 이때, λ는 다음과 같다.

λ=V_Tip/V_Wind

주요 풍속 V_Wind에 대한 블레이드 단부에서의 로터 블레이드 속도 V_Tip의 비(比)를 나타내는 상기 수학식 2에 따라서, 고속 인덱스가 형성된다. 그러므로, 비교적 작은 유입각에 의한 제1 근사법에서는, 상기 고속 인덱스는 유입각에 반비례한다. 동력계수 C_p는 로터 블레이드의 효율에 비례한다.

도2는, 고속 인덱스가 떨어짐에 따라서, 동력계수 C_p가 처음에는 상승하다가 최대값 이후에서는 가파르게 떨어지는 것을 나타낸 것이다. 게다가, 도2에 도시하지는 않았지만, 유입각은 받음각에 따라서도 변화하기 때문에 동력계수는 로터 블레이드의 받음각에 또한 의존한다. 최적의 전력 수율을 위하여, 주어진 로터 블레이드와 풍속에 따라서 풍력장치가 C_p곡선의 최대값에서 동작하도록, 로터 블레이드의 받음각이 선택된다.

그러나, 대부분의 영역에서, 일정한 풍속에만 의존할 수는 없다. 일정한 속도로 로터가 회전될 때, 바람의 변화는 고속 인덱스의 변화를 포함한다. 그러나, 풍력장치의 동작중에 바람이 바뀌어도 가능한 한 높은 동력계수가 달성되기 때문에, 지금까지 풍력장치의 로터 회전속도는 회전의 가변속도 원리에 근거하여 풍속에 따라서 선형으로 조절되었다. 따라서, 고속 인덱스는 가능한 한 일정하게 유지되며, 로터 블레이드는 항상 최대 동력계수에 근접하여 동작된다. 상기 개념은 저수준의 난기류가 발생하는 위치에서 매우 잘 적용된다.

그러나, 바람이 매우 심한 경우, 대응하는 속도 및/또는 정확도에 관하여 로터 회전 속도가 조절되는 것을 추적하기란 거의 불가능하다. 흔히 평균값을 중심으로 한 풍속의 빠르고도 주요한 변화에 응하여, 로터 회전속도는 곧바로 이에 따를 수 없다. 그 결과, 특히 풍속이 가파른 상승세에 있는 경우, 유입각은 매우 커지게 된다. 이 때, 로터 블레이드의 유입측상에서의 바람의 흐름은 쇠퇴하며, 이에 의해 결과적으로는 양력이 없게 되거나 또는 기껏해야 대단히 감소된 양의 양력만이 있을 뿐이다. 따라서, 로터에 가해지는 회전우력(Torque)는 또한 즉시 떨어지며, 그 결과 회전속도가 부가적으로 떨어진다. 유입각이 또한 더 커지기 때문에 상기 효과는 자체 상승한다.

국부적으로 저수준의 난기류가 발생하는 위치에서, 상기에서와 유사한 문제가 발생한다. 예를 들어, 만일 로터의 원 내부의 오른편 부분에서만 풍속이 변경된다면, 이때 이런 난기류의 영역에 있는 로터 블레이드에서의 바람의 흐름은 쇠퇴한다. 이런 상황에서는 가변 회전속도 또한 어떠한 개선을 제공할 수가 없다.

독일 특허 공개 198 15 519호 공보는 수동 실속(Stall) 원리 또는 능동 실속 원리로 동작하는 풍력장치용 로터 블레이드를 개시하고 있다. 여기에서, 상기 로터 블레이드는 특정 측면의 인출 에지부(Edges)를 갖는다.

독일 특허 공개 44 28 731호 공보는 가변 길이를 갖는 풍력장치용 로터 블레이드를 개시하고 있다. 상기 로터 블레이드의 적어도 한 부분은 고정식 망원경 부분 및 이동식 망원경 부분을 갖는 망원경 배열의 형태로 구성된다.

독일 특허 공개 44 28 730호 공보는 내력(Load-Bearing) 공동(空洞) 측면으로부터 형성되어 있는 풍력 장치용의 금속 로터 블레이드를 개시하고 있다. 상기 금속 로터 블레이드는, 로터 블레이드의 전체 길이로 연장되어 있고, 블레이드 단부 쪽으로 갈수록 끝이 점점 가늘어지는 형상이며, 두 개의 다리 판들과 두 개의 구부러진 플랜지 판(Flange Plate)들로 구성되어 있다. 여기에서, 상기 플랜지 판들은 동시에 상기 공동 측면부 부분에서 로터 블레이드의 원하는 표면 윤곽선(Contour)을 형성한다.

독일 특허 공개 31 26 677호 공보는 고속 로터용의 로터 블레이드를 개시하고 있다. 이 경우, 로터 블레이드 부분이 풍력에 의해 조절될 수 있도록 블레이드 단부 부분은 개별적인 로터 블레이드 부분의 형태이고 또 상기 블레이드 단부 부분은 회축(Pivot Axis)을 지나서 로터 블레이드에 연결된다.

마지막으로 EP 특허 공개 0 675 285호 공보는 풍력장치용 로터 블레이드 날개(Vane)를 개시하고 있다. 여기에서, 가능한 최대 조도(Roughness)를 보장하기 위해서 상기 로터 블레이드는 시시각각으로 변하는 다수의 박(Foils)을 갖추고 있다.

바람이 심한 경우에는 풍력장치의 동작시에 가능한 한 실속영역으로 가지 않게 하기 위해서, 일반적으로 평균 풍속에 근거하여 풍력장치는 동력계수의 최대값에 관련되는 고속 인덱스를 다소 초과하는 고속 인덱스에서 동작되는 방식으로, 로터 회전속도가 조절된다. (도2 참조) 그 결과, 만일 대단히 크지는 않지만 바람이 갑자기 세진다면, 동력계수도 초기에는 커진다. 그러나, 만일 갑자기 아주 강한 바람이 일어난다면, 효율수준에 있어서 최대값은 여전히 초과되고 바람의 흐름은 중단되기 시작한다. 이것이 의미하는 바는, 상기 문제점이 여전이 만족스럽게 해결되지 못했다는 것이다. 또 다른 불리한 점은 선택된 회전속도에 의한 전력효율이 최대가 아니란 것이다.

본 발명은 풍력장치용 로터 블레이드(Rotor Blade)에 관한 것이다.

도1은 로터 블레이드의 측면의 단면도.

도2는 고속 인덱스 λ에 따른 로터 블레이드 동력계수 C_p를 나타낸 도면.

도3은 서로 다른 고속 인덱스를 위해서 설계되어 있는 두 부분으로 이루어진 일체형 로터 블레이드의 도해도.

도4는 고속 인덱스 λ에 따른, 로터 블레이드의 두 개의 로터 블레이드 부분들의 동력계수 커브들 C_p를 나타낸 도면.

도5는 두 개의 서로 다른 로터 블레이드 부분들을 갖는 로터 블레이드의 3차원 도면.

도6은 로터 블레이드 루트로부터 로터 블레이드 단부까지 로터 블레이드의 중첩된 측면의 단면도.

그러므로, 본 발명의 목적은 난기류성 바람의 흐름에 대한 로터 블레이드의 감도를 줄이는 것이다.

본 발명의 목적은 본 발명의 청구항 1의 특징을 갖는 로터 블레이드에 의해 달성된다. 유용한 개선점이 첨부한 청구항에 설명되어 있다.

바람의 흐름의 중단 과정을 더욱 면밀히 고려한다면 알 수 있겟지만, 종래의 로터 블레이드의 경우에는, 바람의 흐름의 중단은 로터 블레이드 루트 근방의 중심 부근 영역에서 항상 시작하여 로터 블레이드 단부까지 외부적으로 확장한다. 그러므로, 중심 부근의 로터 블레이드 영역에서의 바람의 흐름의 중단을 방지하는 것이 특히 바람직하다. 본 발명에서는, 서로 일체적으로 연결되어 있으며 또 서로 다른 고속 인덱스(High-Speed Indexes)를 위하여 설계되어 있는 적어도 두 개의 로터 블레이드 부분들로 세로방향으로 분할되어 있는 풍력장치용 로터 블레이드(Rotor Blade)를 제공하며, 여기에서 로터 블레이드 루트(Root)로부터 멀리 떨어져 있는 상기 로터 블레이드 부분의 최대 동력계수에 연관되는 고속 인덱스는, 상기 로터 블레이드 루트에 근접하여 배치되어 있는 상기 로터 블레이드 부분의 최대 동력계수에 연관되는 고속 인덱스보다 더 크다.

상기 로터 블레이드의 외부 단부는 여기에 작용하는 힘 및 로터 블레이드의 측면의 형상으로 인한 더 큰 회전우력 때문에 에너지 생산의 관점에서 결정적이며, 이것은 안정성을 고려하여 결정된다. 그러므로, 만일 바람의 흐름이 중단되는 현상을 완전하게 방지할 수 없다면, 로터 블레이드 루트 부근에 있는 내부영역만이라도 상기 바람의 흐름 중단을 방지하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 만일 각각의 이웃하는 로터 블레이드 부분들간의 천이부분(Transition)이 상기 로터 블레이드 부분들의 길이와 비교해 볼 때 비교적 짧다면, 내부영역에서 시작하는 바람의 흐름의 중단현상이 상기 천이부분에서 중지되어 로터 블레이드의 전체 길이로 전파될 수 없으며 특히 로터 블레이드 단부로 확대될 수 없기 때문에 상기 바람의 흐름 중단현상이 방지된다.

바람직하게는, 상기 목적을 위해서, 상기 선택된 천이부분은 개개의 로터 블레이드 부분의 길이의 1와 30% 사이를 포함한다. 상기 두 부분들의 중간 각도는 본발명의 실시예에서는 5°와 20°와의 사이 일 수 있다. 이런 방법으로, 각각의 바람의 상태에 의존하여, 로터 블레이드의 내부영역 및 로터 블레이드의 외부영역에서 유용한 유입각이 달성된다. 한편, 천이부분은 충분히 가파르기 때문에 바람의 흐름 중단현상이 전파되기 시작하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에서는 또한, 상기 흐름 중단현상을 방지하고 동시에 로터 블레이드의 효율 수준을 불필요하게 줄이지 않도록 하기 위해서, 상기 로터 블레이드를 보다 긴 내부 부분 및 보다 짧은 외부 부분으로 하위분할하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 첨부도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

도1에 나타낸 로터 블레이드의 외부 부분의 영역에서의 로터 블레이드의 측면의 단면도는, 로터 블레이드 단부 V_Tip에서의 로터 블레이드 속도와 풍속 V_Wind와의 관계 및 얻은 유입각도(Afflux Angle) α를 명확하게 도시한 것이다. 수학식 1에 따르면, 유효 유입속도 V_eff의 구성요소는 풍속 및 이 풍속에 수직인 로터 블레이드 속도이다. 풍속이 커지면 상기 구성요소가 커지게 되는 것이므로, 따라서 유입각도 α도 더 커지게 된다.

또, 풍속이 증가하면, 고속 인덱스 λ는 감소한다. 도2에 나타낸 바와 같이, 고속 인덱스가 감소함에 따라서 동력계수 곡선은 오른쪽으로부터 왼쪽으로 이동하게 되며, 어느 위치에서 동력계수의 최대값을 지나면 동력계수가 크게 떨어지는 실속영역(Stall Region)에 이르게 된다.

도3에 나타낸 로터 블레이드는, 로터 블레이드 루트(Rotor Blade Root) 1 및 두 개의 로터 블레이드 부분들 2, 4를 포함한다. 상기 두 개의 로터 블레이드 부분들의 천이(Transition)부분 3은 로터 블레이드 부분들 2, 4의 길이에 관련하여 측정된 것보다 짧으며, 도3에서 분할선에 의해 개략적으로만 도시된다. 보다 큰 로터 블레이드 부분 2는 로터 블레이드 부분의 측면 시위와 바람의 방향과의 사이에 보다 작은 받음각을 포함한다. 이에 의해, 상기 로터 블레이드 부분 2의 동력계수 최대값은 보다 낮은 고속 인덱스 λ(=6)에서 발생한다. 그러므로, 상기 로터 블레이드 부분 2는 보다 낮은 고속 인덱스를 위해서 설계된다. 그러므로, 상기 천이부분3은 1회전 동안 내부영역이 가야만 하는 보다 짧은 궤도 거리를 고려한 것이다. 이와는 대조적으로, 로터 블레이드 부분의 측면 시위와 바람의 방향과의 사이에 보다 큰 받음각을 갖는 보다 작은 로터 블레이드 부분 4는, 보다 큰 고속 인덱스 λ(=7)에서 동력계수 최대값에 도달한다.

도4에는, 도3의 로터 블레이드 부분 2(실선 5로 표시) 및 도3에 나타낸 로터 블레이드 부분 4(파선 5으로 표시)에 대하여, 고속 인덱스 λ에 따른 두 개의 동력계수 C_p의 변화를 도시한다.

따라서, 정상 동작(λ=7)에서, 로터 블레이드의 외부 단부 영역은 최적으로 동작되는데, 이것은 또한 풍력장치의 총생산과 관련이 있다. 내부영역(λ=6)은 왼쪽의 최대값이 됨으로써, 바람이 갑자기 세게 부는 경우에도 전체 블레이드가 실속 영역으로 가지 않는다. 만일 바람이 갑자기 세게 분다면, 외부영역(λ=7)은 실속 영역으로 이동하기 시작하지만 내부영역(λ=6)은 최적으로 동작된다. 만일 이런 일이 발생한다면, 이것은 전체 로터 블레이드의 작은 영역에서만 실속이 발생할 수 있다는 뜻이며, 따라서 상기 결과를 소위 "확장" 특성이라 한다. (도4 참조) 이것은 또한 하기의 용어에서 설명될 수 있다.

만일 풍속이 증가하여 고속 인덱스가 감소한다면, 로터 블레이드의 내부 부분의 경우에서와 같이 받음각이 비교적 작은 경우에는, 외부 영역 λ=7에서의 받음각과 비교하여, 비교적 낮은 고속 인덱스 λ=6을 갖는 상기 블레이드는 비교적 늦게 실속영역으로 간다. 요약하면, 이것이 의미하는 바는, 로터 회전속도가 너무 빨리 감소하지 않고, 안전한 동작점에 도달한다는 것이다. 그러므로, 상기 분할에 의해, 한층 넓어진 고속 인덱스에 따른 동력계수 특성 커브를 제공한다.

도5의 로터 블레이드는, 화살표로 나타낸 두 개의 로터 블레이드 부분들 2와 4간의 천이부분 3이 비교적 큰 또 하나의 실시예를 도시한 것이다. 다시 말하면, 상기 도5의 로터 블레이드는 도3의 실시예에서보다 더 많은 동종의 배치를 포함하며, 그 결과 그렇게 인상적인 외관으로 구성되지는 않는다. 원형의 측면을 갖는 전면부 1은 로터 블레이드 루트이다.

도6에 나타낸 중첩되어 있는 측면의 단면들은, 많은 부분들로 이루어진 로터 블레이드의 측면의 형상을 재생한 것이다. 로터 블레이드 루트 1에서 시작하여, 측면은 원형이고, 내부 로터 블레이드 부분 2의 단부 쪽으로 갈수록 점차로 물방울 형상이 되며 초기에는 좁은 측면에 약간 윗쪽으로 대향한다. 로터 블레이드 단부쪽으로 더 진행하면, 측면 시위가 수평면상에 있을 때까지 천이영역 3에서 측면은 좁은 측면에 대하여 아랫쪽으로 기울어짐으로써, 이에 의해 받음각이 증가된다. 이것은 로터 블레이드의 외부 부분 4가 시작하는 바로 그 위치이며, 로터 블레이드의 단부 쪽으로 갈수록 수평의 측면 시위의 형상을 가지면서 횡단면이 감소되는 것을 특징으로 한다. 상기 설명은 도5에 나타낸 바와 같이 실시예에 있어 보다 동종의 천이부분을 보여주는 것이며, 상기 천이부분은 로터 블레이드의 상대적으로 큰 부분으로 연장된다.

종래의 로터 블레이드의 경우에는, 바람의 흐름의 중단은 로터 블레이드 루트 근방의 중심 부근 영역에서 항상 시작하여 로터 블레이드 단부까지 외부적으로 확장한다. 그러므로, 중심 부근의 로터 블레이드 영역에서의 바람의 흐름의 중단을 방지하는 것이 특히 바람직하다.

따라서 본 발명의 로터 블레이드에 의해, 내부영역에서 시작하는 바람의 흐름의 중단현상이 천이부분에서 중지되어 로터 블레이드의 전체 길이로 전파될 수 없으며 특히 로터 블레이드 단부로 확대될 수 없기 때문에 상기 바람의 흐름 중단현상이 방지된다.

Claims (7)

1. 서로 일체적으로 연결되어 있으며 또 서로 다른 고속 인덱스(High-Speed Indexes)를 위하여 설계되어 있는 적어도 두 개의 로터 블레이드 부분들로 세로방향으로 분할되어 있는 풍력장치용 로터 블레이드(Rotor Blade)로서,

   로터 블레이드 루트(Root)로부터 멀리 떨어져 있는 상기 로터 블레이드 부분의 최대 동력계수에 연관되는 고속 인덱스는, 상기 로터 블레이드 루트에 근접하여 배치되어 있는 상기 로터 블레이드 부분의 최대 동력계수에 연관되는 고속 인덱스보다 더 큰 것을 특징으로 하는 로터 블레이드.
2. 제1항에 있어서, 상기 각각의 이웃하는 로터 블레이드 부분들간의 천이부분(Transition)은 상기 로터 블레이드 부분들의 길이와 비교해 볼 때 비교적 짧은 것을 특징으로 하는 로터 블레이드.
3. 제2항에 있어서, 상기 천이부분의 길이는 개개의 로터 블레이드 부분의 길이의 약 1~3%임을 특징으로 하는 로터 블레이드.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 이웃하는 로터 블레이드 부분들의 측면 시위(Profile Chord)들은 5°와 20°간의 범위내에 있는 어느 중간 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 로터 블레이드.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로터 블레이드는 보다 긴 내부 부분 및 보다 짧은 외부 부분으로 분할되는 것을 특징으로 하는 로터 블레이드.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로터 블레이드는 상기 로터 블레이드의 세로축을 중심으로 전체적으로 회전가능하게 실장되는 것을 특징으로 하는 로터 블레이드.
7. 제6항에 있어서, 상기 로터 블레이드는 능동적 피치(Pitch) 조절에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 로터 블레이드.