KR20080022602A - 풍력 발전 플랜트를 위한 회전자 날개 - Google Patents

풍력 발전 플랜트를 위한 회전자 날개 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력 발전 플랜트용 회전자 날개에 관한 것으로, 특히 선단부와 후단부를 지니고 공기동역학적 프로파일을 지닌 회전자 날개에 관한 것이다. 본 발명은 압력 면과 흡입면을 지니고 공기동역학적은 프로파일을 지닌 회전자 날개를 위한 회전자 날개 팁에 관한 것이다.
풍력 발전 플랜트에서 나오는 소음 레벨을 줄이기 위해서 회전자 날개는 회전자 날개 면에 있어서 회전자 날개의 후단부 방향으로 끝 부위가 굽어지거나 각도지도록 하는 형태를 지닌다. 이와 같은 점에서 본 발명은 끝에서 점을 이루지 않는 회전자 날개의 경우 유효 회전자 날개 면적은 날개 끝 부위에서 정확하게 축소되지 않으면서도 효과는 최대화할 수 있는 특징이 있다.
그러나, 회전자 날개의 끝 부위를 각지도록 하거나 굽어지도록 하는 것은 회전자 날개의 끝 영역에서 후단부가 뒤로 물러서게 함으로써 회전자 날개 후단부에서의 유속이 날개 끝 부위에서 시간 지연을 가지고 분리된다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 실시예로서, 회전자 날개는 '끝 부위'가 좁아지는 구조를 취할 수 있다. 회전자 날개 팁의 이와 같은 구성은 날개 깊이를 줄이면 날개 팁 주위에서 유속을 줄일 수 있게 되고, 그 결과 후단부 소용돌이까지 분포되었던 에너지를 줄일 수 있게 되면서도 유효 회전자 날개 면적 역시 감소시킨다. 회전자 날개 팁의 각도는 유효 회전자 날개 깊이가 각도진 회전자 날개 팁 끝까지 최적 값으로 남게 된다.
풍력발전, 회전자 날개, 날개 팁, 소음, 풍력발전소.

Description

풍력 발전 플랜트를 위한 회전자 날개{ROTOR BLADE FOR A WIND POWER PLANT}
본 발명은 풍력 발전 플랜트(wind power plant)의 회전자 날개(rotor blade)에 관한 것으로서, 특히 회전자 날개의 선단부(leading edge)와 후단부(trailing edge)를 포함하여 공기역학적(aerodynamic) 프로파일을 지닌 회전자 날개에 관한 것이다. 본 발명은 회전자 날개의 압력면(pressure side)과 흡입면(suction side), 위 아래 양면을 지니고 공기역학적 유선형 프로파일을 지닌 회전자 날개를 위한 회전자 날개 팁(rotor blade tip)에 관한 것으로서, 상기 회전자 날개 팁은 상기 회전자 날개의 압력면 쪽으로 날개 끝 부위(end region)에서 만곡(curved)되거나 각도가 진(angled) 것을 특징으로 하는 회전자 날개에 관한 것이다.
전술한 형태의 회전자 날개 및 회전자 날개 팁(rotor blade tip)에 관한 기술은 이미 당업계에 잘 알려져 왔다. 특히, 만곡된 형태의 회전자 날개 팁(curved rotor blade tip)은 제조업체인 에너콘(ENERCON)사가 생산한 회전자 날개에서 이미 사용되고 있다.
상기 알려진 회전자 날개 팁은 회전자 날개 끝단에 필연적으로 나타나는 단부 소용돌이(vortex)를 경감시키기 위한 의도에서 설계되며, 그 결과 불필요한 소 음이 발생하는 것을 방지한다.
당업계의 종래 기술로서 독일 특허 DE 197 38 278; DE 197 43 694,; DE 44 40 744; DE 196 14 220 및 DE 44 36 197에 개시되어 있다. 본 명세서에서 사용되는 기술 용어는 http://en.wikipedia.org/wiki/Airfoil 또는 2000년 SPRINGER 발간 에릭 하우(Eric Hau) 저서의 "Windturbine, Fundamentals, Technologies, Applications and Economics, (ISBN 3-540-57064-0)에 설명되어 있으며, 이들 당업계에서 사용하는 용어를 그대로 사용하기로 한다.
참고로, 도11 및 도12는 본 명세서에서 사용하는 용어의 이해를 돕기 위하여 당업계에서 사용하는 기술 용어를 지칭하여 설명하고 있다. 즉, 도11은 회전자 날개를 상하 수직 절단면으로 나타내고 있으며, 도12는 수평 절단면을 나타내고 있다. 도11에서 타원체 형태의 회전자 날개 단면에서 선단부(leading edge)와 후단부(trailing edge)가 도시되어 있으며, 선단부와 후단부를 잇는 직선을 익현(chord)라 부르며, 선단부에서 후단부까지의 거리를 익현 거리(chord length)라 부른다. 또한, 회전자 날개 단면에서 익현으로 이등분된 상부 영역을 상부 챔버(upper chamber), 아래 영역을 하부 챔버(lower chamber)라 부르고, 풍향과 익현 사이에 이루는 각도를 공격 각도(angle of attack)이라 부른다.
또한, 회전자 날개의 상부 챔버의 표면부는 공기 압력이 감소하는 영역으로서 흡입면(suction side)라 부르고, 하부 챔버의 표면부는 공기 압력이 증가하는 부위로서 압력면(pressure side)라 부른다. 또한, 도12를 참조하면, 회전자 날개의 실축(thread axis)가 도시되어 있으며, 실축은 회전자 날개 밑동에 접속되는 부 위로부터 끝 부위를 잇는 수평 방향의 중심축이 된다. 또한, 도12를 참조하면, 회전자 날개의 끝 부위가 도시되어 있으며, 소음 발생 되는 날개 팁 부위의 소용돌이(vortex)가 도시되어 있다.
본 명세서의 서두부에 기술된 종류의 회전자 날개는 역시 잘 알려져 있으며, 회전자 날개 팁은 타원형으로 끝마무리 되어 있다. 이와 같은 회전자 날개 팁의 구성은 회전자 날개 및 특히 그 끝에서부터 발생하는 소음 레벨을 줄이는 목적에서 설계된다.
풍력 발전 플랜트가 더 이상 개별 장치가 아니고 많은 곳에 자주 만날 수 있는 설비가 됨에 따라서, 풍력 발전 플랜트가 주거 지역 근교에 설치되기도 한다. 풍력 발전 플랜트를 설립하는 것을 승인받기 위해서는 플랜트에서 나오는 소음에 적어야 하며, 소음이 적게 발생하면 할수록 플랜트 건설이 쉽게 수용된다.
따라서, 본 발명의 목적은 풍력 발전 플랜트에서 나오는 소음의 레벨을 경감시킬 수 있는 기술을 제공하는데 있다. 본 명세서의 서두부에 기술된 종류의 풍력 발전 플랜트를 위한 회전자 날개(rotor blade)에 의해 상기 목적은 달성되는데, 즉, 회전자 날개면에서 회전자 날개의 후단부(trailing edge) 방향으로 날개 끝 부위에서 만곡(curved)되거나 각도 지도록(angled) 함으로써 달성된다.
이와 같은 관점에서, 본 발명은 날개 팁(tip)에서 하나의 점(point)을 이루 도록 하지 않도록 함으로써, 소음 경감 효과가 최대인 날개 끝 부위에서 회전자 날개 유효 면적이 축소되지 않도록 한다. 그러나, 회전자 날개의 끝 부위(end region)를 만곡시키거나 각도를 주는 것은, 회전자 날개의 끝 부위에 후단부를 후방으로 이동시켜서, 그 결과 회전자 날개 후단부에서 유속(flow)이 시간 지연(time delay)을 갖고 날개 끝 부위에서 분리되도록 하는 것이다.
이것은 회전자 날개 후단부로부터 분리되어 소용돌이 영향을 경감시키는 것이 되며, 동시에 이로부터 발생하는 소음을 줄이는 것이 된다. 날개 팁 주위의 유속과 플랜트 파일론(plant pylon)의 전면에서의 동적 공기압 사이의 작용이 본 발명에 의해 경감되는 것은 특히 바람받이 쪽의 회전자(windward rotor)인 경우에 더욱 두드러지게 된다.
이와 같은 관점에서, 시간 지연(time delay)은 회전자 날개의 실축(thread axis)에 대해 날개 끝 부위가 향하는 방향이 이루는 각도에 달려 있다. 상기 이루는 각도가 크면 클수록 발생 소음의 경감 정도가 더욱 개선된다.
그러나, 한편으로는 회전자 날개에 작용하는 비틀림 모멘트(torsional moment)는 날개의 후퇴각(sweep back)이 증가함에 따라 이에 비례하여 함께 증가하므로, 그 이루는 각도는 1°내지 45°, 더욱 바람직하게는 1°내지 15°가 좋다.
더욱이, 회전자 날개로부터 끝 부위로의 유체 전이(fluid transition)가 바람직한데, 이는 급작스런 만곡(abrupt bend)의 경우에서와 마찬가지로, 만곡 영역에서 추가의 압력 요동이 있을 수 있기 때문에 유체역학적으로 연속 전이가 바람직하기 때문이다. 이는 전력 및 소음에 있어서 감소를 초래한다.
본 발명의 양호한 실시예로서, 회전자 날개의 끝 부위에서 선정된 곡률 반경(radius of curvature)을 지니도록 할 수 있으며, 상기 곡률은 회전자 날개 끝을 향해 증가하도록 즉, 곡률 반경이 작아지도록 할 수 있다. 적절한 곡률을 선택함으로써, 회전자 날개의 끝 부분은 약 5°의 각도에서 기계적으로 만곡지도록 할 수 있으면서도 10°각도에 해당하는 공기 동역학(aerodynamic) 효과를 낼 수 있다.
즉, 공기 동역학적 유선형 특성을 양호하게 하면서도 소음을 많이 줄일 수 있게 된다. 그러나, 날개 후퇴각(sweep back) 구성에 기인해서 회전자 날개에 비틀림 모멘트가 증대될 수 있으며, 상기 비틀림 모멘트는 회전자 날개 접속부에 결과적으로 인가될 수 있다.
자연적으로 이것은 플랜트에 고 수준의 부하를 낳게 된다. 회전자 날개 접속부와 풍력 발전 플랜트의 후속 컴포넌트에 나타나는 부하의 배가 효과를 보상하기 위해, 회전자 날개의 중앙 영역, 즉 회전자 날개 밑동과 후단부(trailing edge) 쪽으로 후퇴한 끝 영역 사이의 영역이 날개의 선단부 방향으로 만곡지는 것이 바람직하다.
이 경우, 후방으로 후퇴한 날개 끝 부위의 외측 후단부가 후방으로 후퇴한 끝 부위가 없는 날개의 경우보다 더 깊지 않을 정도의 곡률이어야 한다. 이와 같이 함으로써, 반대 작용을 행사하는 비틀림 모멘트가 회전자 날개 그 자체에 나타나게 되고, 적절한 설계를 통해 상쇄되어서 회전자 날개 그 자체는 상기 부하에 달려 있지만, 회전자 날개 접속부와 풍력 발전 플랜트의 다른 부품은 추가의 부하를 받을 필요가 없어진다.
한편으로는, 조립을 쉽게 하고 또 다른 한편으로는 이미 만들어져 있는 기존의 회전자 날개에 본 발명에 따른 회전자 날개 팁을 재조립 구성하기 위하여, 날개 끝 부위는 회전자 날개 속으로 맞춰 조립되는 조립 부품의 형태인 것이 바람직하고, 그 길이는 회전자 날개 길이의 1/3 이상이어서는 아니되고, 바람직하게는 회전자 날개 길이의 약 1/10인 것이 좋다.
이 경우, 본 발명의 양호한 실시예로서, 회전자 날개 끝 부위(end region)는 속이 빈(hollow) 중공(中空) 형태일 수 있으며, 예를 들어서 공기 중의 수증기가 회전자 날개에서 응축되어, 회전자 날개가 회전 중에 원심력에 의해 회전자 날개 끝에 모이는 응축수 배출을 위한 개구부(opening)를 유속이 지나는 부위로부터 떨어진 종단에 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 날개 끝 부위의 효과를 증진하기 위하여, 본 발명은 날개 끝 부위를 지닌 회전자 날개를 위한 회전자 날개 팁(rotor blade tip)이 제공되며, 회전자 날개 팁은 회전자 날개 끝단 부위에 맞도록 설계된 독립된 부품의 형태가 될 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 실시예로서, 본 발명의 명세서 서두부에 기술된 종류의 회전자 날개 팁의 일 실시예는 소위 '외측부(outer region)'가 좁아지는 형태가 될 수 있다.
회전자 날개 팁을 이와 같이 구성하는 것은, 날개 깊이를 줄이는 것으로 해서 회전자 날개 팁 주위에서의 유속을 경감시키게 되고, 그 결과 후단부 소용돌이에 분포된 에너지를 경감시키고, 동시에 유효 회전자 면적을 줄이고자 하는 인식에 서 기초한 것이다.
회전자 날개 팁을 각지도록 구성하는 것은 회전자 날개 유효 깊이(effective depth)를 각진 회전자 날개 팁에 최적화시키는 구성을 의미한다. 접점(point)에 다다르는 영역은 회전자 날개의 압력면 방향의 날개면으로부터 선정된 각도로 확장된다.
이와 같은 구성에서, 회전자 날개 팁에서의 소용돌이는 회전자 날개면으로부터 멀어지게 되고 다른 면으로 이동하게 된다.
이와 같이 함으로써, 전술한 팁을 구비하고 있는 회전자 날개는 날개에서 발생하는 소음을 줄일 수 있는 효과가 있으며, 회전자 날개에서 나타나는 손실을 줄일 수 있게 된다. 여기서, 손실이란 단부 소용돌이 손실뿐 아니라 적절한 설계를 통해 개선될 수 있는 공기역학적 효율도 포함하고 있으며, 압력면과 흡입면 사이의 압력 강하 관점에서의 이점도 포함한다.
본 발명의 특징적 요소로서, 회전자 날개의 끝 부위는 수평 방향으로부터 70 ∼ 90°의 각도로 만곡될 수 있다.
이를 다시 설명하면, 회전자 날개 팁은 회전자 날개에 대해 70 ∼ 90°의 각도를 지니게 된다. 실험적 연구를 통해 최적의 결과는 상기 각도에서 얻을 수 있었다. 본 발명의 양호한 실시예로서, 회전자 날개 팁은 회전자 날개 속으로 끼워 맞추어 조립될 수 있는 독립된 형태의 부품으로 제작될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 회전자 날개 팁은 속이 빈 중공 형태이고, 바람직하게는 금속 재질로서, 특히 알루미늄이 바람직하다. 속이 빈 중공 구조를 통해 무게 를 경량화시킬 수 있고, 그 결과 취급이 쉬워 진다.
더욱이, 앞서 설명한 바와 같이 회전자 날개의 끝 부위와 유사하게 중공의 회전자 날개 팁도 속으로 따뜻한 공기를 흐르도록 함으로써 팁 주위에 얼음이 어는 것을 방지하거나 경감시킬 수 있다. 또한, 금속 재질로 만든 회전자 날개 팁은 낙뢰 보호 도체로 작용할 수 있으며, 그 결과 낙뢰 시에 낙뢰를 효율적으로 처리하는 피뢰침 역할을 수행하게 되어서 풍력 발전 플랜트를 효율적으로 보호하게 된다.
풍력 발전 플랜트에서 나오는 소음 레벨을 줄이기 위해서 회전자 날개는 회전자 날개 면에 있어서 회전자 날개의 후단부 방향으로 날개 끝 부위가 굽어지거나 각도지도록 하는 형태를 지닌다. 이와 같은 점에서 본 발명은 끝에서 점을 이루지 않는 회전자 날개의 경우 유효 회전자 날개 면적은 날개 끝 부위에서 정확하게 축소되지 않으면서도 효과는 최대화할 수 있는 특징이 있다.
그러나, 회전자 날개의 끝 부위를 각지도록 하거나 굽어지도록 하는 것은 회전자 날개의 끝 영역에서 후단부가 뒤로 물러서게 함으로써 회전자 날개 후단부에서의 유속이 날개 끝 부위에서 시간 지연을 가지고 분리된다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 실시예로서, 회전자 날개는 '날개 끝 부위'가 좁아지는 구조를 취할 수 있다. 회전자 날개 팁의 이와 같은 구성은 날개 깊이를 줄이면 날개 팁 주위에서 유속을 줄일 수 있게 되고, 그 결과 후단부 소용돌이까지 분포되었던 에너지를 줄일 수 있게 되면서도 유효 회전자 날개 면적 역시 감소시킨다. 회전자 날개 팁의 각도는 유효 회전자 날개 깊이가 각도진 회전자 날 개 팁 끝까지 최적 값으로 남게 된다.
본 발명의 양호한 실시예가 부속 청구항에 상세히 기술된다. 이하에서는 본 발명의 양호한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상술하기로 한다.
도1은 본 발명에 따른 풍력 발전 플랜트의 회전자 날개(10)를 보여주고 있다. 회전자 날개(10)에 실축(thread axis; 14)이 도시되어 있다. 여기서 실축(14)은 편의상의 개념적인 축으로서, 회전자 날개 형상을 이루기 위한 여러 날개 부품들이 구성된다.
회전자 날개(10)의 끝 부위(12)는 제1 실축(14)에 대해 선정된 각도 α만큼 굽어져 있다. 날개의 끝 부위(12)를 위한 제2 실축(16)이 도시되어 있으며, 두 실축(14, 16) 사이의 각도가 α된다. 도1에서 각도 α는 5°정도가 된다.
여기서, 각도 α의 크기는 소음의 크기와 부하의 크기 사이에서 절충되어야 한다. 따라서, 회전자 날개 끝 부위는 회전자 날개면에서 회전자 날개 후단부(20) 방향으로 굽어져 있다. 이와 같이 굽어짐으로 해서 한편으로는 후단부의 길이를 길게 하고, 그 결과 소용돌이 에너지를 더 넓게 분포하도록 한다. 다른 한편으로는 유속이 회전자 날개(10)의 후단부에 굽은 끝 부위(12)로 흐르게 되고, 이어서 회전자 날개(10)의 직선부로 흐르게 된다. 그 결과, 소음을 유발하는 소용돌이가 후에 나타나게 된다.
본 발명에 따른 회전자 날개(10)의 또 다른 양호한 실시예가 도2에 도시되어 있다. 도2를 참조하면, 실축(14, 16)이 나타나 있다. 도2에 나타낸 실시예의 특 징은 회전자 날개(10)로부터 끝 부위(12)로 전이가 이 경우에는 각도를 가지고 급격히 꺾여 있는 것이 아니라 곡률이 지니고서 완만하게 만곡되어 있음을 알 수 있다.
여기서, 곡률이 회전자 날개 팁을 향해 점차 증가하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 곡률 반경은 회전자 날개 팁을 향해서 감소하게 된다. 이 경우, 끝 부위(12)에서 회전자 날개 후단부(20)의 끝에서 회전자 날개의 중심을 향해 호접선(arc tangent)이 평행 되게 변위된다.
두 개의 실축(14, 16) 사이에 각도 β가 정의된다. 양호한 실시예로서, 각도 β는 10°가 될 수 있다. 여기서 10°각도는 회전자 날개 팁에서의 호접선과의 각도를 의미하며, 그러나 여기서 회전자 날개(10)의 후퇴각(sweep back)은 도1에 도시한 경우보다 크지 않다.
따라서, 공기 역학적 특성은 도1에 도시한 회전자 날개와 약간 정도 차이가 나지만, 음향 특성은 각도 β가 커짐에 따라서 더욱 개선된다.
이하에서는 도3을 참조해서 본 발명의 특성을 더욱 상세히 설명한다. 특별히, 회전자 날개(10)의 끝 부위(12)를 도3에 도시하였다. 이 경우 끝 부위(12)의 후단부는 도1에 설명된 실시예에 따른 방법과 동일하게 아래로 굽어져 있다. 이와 같은 변형은 도면부호 21로 나타내고 있다.
동시에 본 실시예의 경우 후단부(20)가 완만히 만곡(curved)되어 있다. 후단부(20, 21)에서의 바깥 회전자 블레이드 팁은 동일한 점에서 발생하며, 회전자 날개 깊이는 공기 역학적 관점에서 변동이 없다. 이 도면은 제1 실축(14; 최초의 날개 실축)을 보여주고 있다. 팁에서의 평행 된 호접선(17)이 도시되고 있으며, 끝 부위의 후단부(21)에 해당하는 제2 실축(16; 팁 실축)이 도시되어 있다.
각도 α와 각도 β가 역시 도시되어 있다. 여기서 각도 α는 5°가 바람직하다. 도1에 도시된 회전자 날개의 실시예로서 회전자 날개에 제1 실축(14)이 형성되고, 제2 실축(16)이 도시되어 있다.
각도 β는 제1 실축(14)과 도2에 나타낸 호접선(17)에 의해 정의된다. 여기서 각도 β는 10°가 바람직하다. 여기서, 도2에 나타낸 실시예의 장점을 쉽게 이해할 수 있게 된다.
도4는 본 발명에 따라 선단부(18)에 대하여 회전자 날개(10)의 후퇴각을 나타낸 도면이다. 도4에는 날개 후퇴각이 없을 경우를 가정하여 선단부(18)와 후단부(20)의 연장선(22, 23)을 나타내고 있다. 도4는 끝 부위(12)가 회전자 날개의 후단부 방향으로 회전자 날개의 끝 부위가 어느 정도 후퇴하도록 굽어져 있는지를 나타내고 있다.
도5는 본 발명에 따른 회전자 날개(10)의 또 다른 실시예를 보여주고 있으며, 본 실시예는 도4에 나타낸 실시예와 회전자 날개(10)의 선단부(18) 방향으로 중앙부(13)가 약간 돌출된 것을 특징으로 한다.
회전자 날개(10)의 각 부위 사이의 유체 이동의 장점이 날개각이 굽어진 구성에 의해 달성된다. 이와 같은 관점에서, 선단부(18) 방향으로 돌출한 만곡면은 회전자 날개의 끝 부위(12)의 최외곽점, 즉 후단부(20)의 방향으로의 후퇴각점이 회전자 날개의 개념상의 직선상의 구성을 나타내는 점선(22) 내에 나타난다.
이와 같은 구성을 통해서 끝 부위(12)에서 서로 반대 방향으로 작용하는 비틀림 모멘트가 생성되고, 회전자 날개 접속부에서 작동에 있어서 적절히 그 크기가 설계되면 서로 상쇄되는 효과가 있다.
도6은 본 발명에 따라 단부 호(edge arc; 30)를 구비한 회전자 날개(10)를 나타낸 도면으로서, 회전자 날개(10)의 흡입면(24)으로부터 회전자 날개(10)의 압력면으로 뻗어 있다. 단부 호(30)의 상단부(36)는 단부 소용돌이를 가능한 최소화 하기 위하여 가능한 작은 크기로 프로파일 두께가 설정되며, 그 결과 발생 소음의 레벨이 가능한 낮게 유지되게 된다.
단부 호(30)는 수평축으로부터 60°내지 90°사이의 각도로 굽어질 수 있다. 즉, 회전자 날개에 대해서 120°내지 90°의 각도로 굽어지도록 설계하는 것이 바람직하다. 이 부분이 도면에서 두 개의 위 방향으로 굽어진 부위(30, 31)로 도시되어 있으며, 그 중 하나는 점선으로 도시하였다.
도7은 본 발명에 따른 단부 호(30)의 제1 실시예의 전면을 나타낸 도면이다. 이 도면에서, 단부 호(30)의 후단부(34)와 상단부(36)는 직선적으로 곧게 뻗어 있으며, 회전자 날개 선단부(26)와 단부 호의 상단부(36)는 선정된 각도를 이룸으로써 회전자 날개의 흡입면(24)으로부터 뻗어있다.
이와 같은 구성을 통해서 단부 호 상단부(36)는 회전자 날개의 깊이 방향으로 그 길이가 짧아지게 되고, 이는 회전자 날개 흡입면(24)에서 보일 수 있다. 그 결과, 회전자 날개는 단부 호(30) 끝까지 공기 역학적으로 완전히 효율적인 깊이를 확보할 수 있게 되고, 단부 호 상단부(36)가 짧아지는 곳은 오직 단부 호(30)에서 뿐이다.
동시에, 회전자 날개 상단부에서 분기되는 단부 소용돌이(edge vortex)는 회전자 날개(10)의 평면으로부터 안내되어, 그 결과 단부 소용돌이는 날개면으로부터 안내된다.
도8은 도7에 도시된 단부 호(edge arc)의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 도7의 경우 회전자 날개의 장축(longitudinal axis)에 수직인 방향으로 뻗은 호 단부 후단부(34)를 제시하고 있는데 반하여, 도8에서는 상기 단부 호가 후단부(34) 방향으로도 후퇴되어 있는 특징이 있다.
이와 같이 날개를 후퇴하도록 만곡을 줌으로써, 유속이 단부 호로부터 분리되는 분리점(detachment point; 37)이 더욱 뒤로 물러서게 되며, 그 결과 단부 소용돌이의 에너지가 더욱 분포될 수 있고 소음 발생 레벨이 경감될 수 있다.
여기서, 작동 원리는 도9에 나타낸 단부 호(30)의 실시예와 매우 흡사하다. 여기서, 단부 소용돌이를 최소화할 수 있도록 가능한 단부 호(30)가 최적 설계될 수 있다.
이와 같은 목적에서, 단부 호 선단부(32)와 단부 호 후단부(34)는 선정된 만곡 형태, 특히 바람직하게는 상단부(36)에 대해 타원형 기울기를 갖도록 뻗어질 수 있다.
이 경우, 단부 호 상단부(36)는 회전자 날개 흡입면(24)으로부터 굽어지게 되고, 즉 압력면 방향으로 회전자 날개의 평면으로부터 굽어지게 된다. 단부 호 선단부(32)와 후단부(34)를 타원체 형상으로 구성함으로써 유속이 회전자 날개로부 터 분리되는 구간의 길이를 증대시킬 수 있다.
이로 인해 기존의 날개 형상에서와는 달리 날개 팁 주위의 유속이 매우 최소화될 수 있도록 소음 발생 레벨을 감소시킬 수 있게 된다. 호 단부의 각진 부위의 깊이 대 높이 비(ratio of depth to height; 여기서 깊이란 도9의 평면도에서 너비에 해당한다)는 1 : 0.8 에서 1 : 1.2 사이의 값, 특히 1 : 1이 바람직하다.
단부 호의 각진 부위의 높이의 단부 호 접속부에서의 회전자 날개 깊이의 비는 약 1 : 1 내지 1 : 1.3, 특히 1 : 1.4가 바람직하다. 이와 같은 관점에서, 단부 호의 각진 부위에서의 깊이 구성은 대략 쌍곡선 형태(평면도 상에서의 프로파일 너비)가 되고 최외곽 프로파일 섹션의 최상위 캡 포인트는 회전자 날개의 실축에 대해 약 30 ∼ 40%, 바람직하게는 깊이의 33%가 된다.
도10은 만곡된 날개 끝 부위(12)와 날개 끝 부위를 연결하는 단부 호(30)를 구비한 회전자 날개(10)를 나타낸 도면이다. 이 경우, 회전자 날개의 선단부(26)로부터 후단부(20) 및 단부 호(30)의 만곡면 내지 날개 끝 부위(12)의 만곡면이 분명히 도시되어 있다.
그 결과, 만곡된 날개 끝 부위(12)의 소음 발생 억제 효과와 각진 호(30)의 효과가 합쳐지고 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 회전자 날개가 풍력 발전 플랜트의 회전자의 부품으로 적용될 수 있다.
도1은 본 발명의 제1 실시예로서 끝 부위가 굽어진 회전 날개의 평면도.
도2는 본 발명의 제2 실시예에 따라 끝 부위가 굽어진 회전자 날개를 나타낸 도면.
도3은 본 발명의 제2 실시예를 나타낸 도면.
도4는 본 발명의 제2 실시예를 나타낸 도면.
도5는 본 발명의 제3 실시예로서 후퇴각을 형성한 회전자 날개를 나타낸 도면.
도6은 본 발명에 따라 회전자 날개 팁의 측면을 나타낸 도면.
도7은 본 발명에 따른 회전자 날개 팁의 전면을 나타낸 도면.
도8은 본 발명에 따른 회전자 날개 팁의 또 다른 실시예의 전면을 나타낸 도면.
도9는 본 발명에 따른 회전자 날개 팁의 또 다른 실시예의 전면을 나타낸 도면.
도10은 본 발명에 따라 설계된 끝 부위와 회전자 날개 팁을 구비한 회전자 날개를 나타내는 도면.
도11 및 도12는 본 명세서의 이해를 돕기 위하여 당업계에서 사용하는 기술 용어를 설명하는 도면.

Claims (28)

  1. 회전자 날개 팁(rotor blade tip)과;
    하부면은 압력이 증가하는 압력면(pressure side)으로 작용하고 상부면은 압력이 감소하는 흡입면(suction side)으로 작용하는 유선형의 단면 프로파일을 지닌 회전자 날개(rotor blade)로서,
    상기 회전자 날개의 선단부와 후단부 및 상기 회전자 날개 팁은 회전자 날개 밑동(rotor blade root)과 반대 편에 있고, 상기 회전자 날개 밑동에서 상기 회전자 날개가 회전자 허브에 부착될 수 있도록 구성되고, 상기 회전자 날개 팁은 날개 끝 부위에서 회전자 날개의 압력면 방향으로 굽어지거나 또는 각도지도록 구성된 것을 특징으로 하고, 상기 회전자 날개 팁은 단부 호(edge arc) 선단부(32)와 단부 호 후단부(34)를 포함하고, 상기 단부 호 선단부(32)와 상기 단부 호(edge arc) 후단부(34)는 단부 호(edge arc) 상단부(36) 방향으로 선정된 굽어진 경도(gradient)로 서로 동일하게 확장됨을 특징으로 하는 회전자 날개.
  2. 제1항에 있어서, 상기 회전자 날개의 압력면 방향으로 굽어지거나 또는 각도지도록 구성된 상기 회전자 날개 끝 부위에서 프로파일은 상기 회전자 날개 끝 부위의 프로파일로부터 유체 역학적으로 연속 전이됨을 특징으로 하는 회전자 날개.
  3. 제1항에 있어서, 상기 회전자 날개 끝 부위의 단면은 상기 회전자 날개(10) 의 나머지 부위의 단면에 대해 선정된 각도를 이루며 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 회전자 날개.
  4. 제1항에 있어서, 상기 회전자 날개 팁(30)은 독립 부품 형태로 되어 있으며 상기 회전자 날개(10) 속으로 맞춰 조립됨을 특징으로 하는 회전자 날개.
  5. 제4항에 있어서, 상기 회전자 날개 팁(30)은 상기 회전자 날개(10) 내부로 맞춰 조립될 수 있도록 단면 면적이 축소된 것을 특징으로 하는 회전자 날개.
  6. 제1항에 있어서, 상기 회전자 날개 팁(30)은 속이 빈 중공 형태임을 특징으로 하는 회전자 날개.
  7. 제6항에 있어서, 상기 회전자 날개 팁(30)의 종단에 배수를 위한 개구부가 제공되는 것을 특징으로 하는 회전자 날개.
  8. 제1항에 있어서, 상기 회전자 날개 팁은 금속 재질인 것을 특징으로 하는 회전자 날개.
  9. 제8항에 있어서, 상기 회전자 날개 팁의 금속 재질은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 회전자 날개.
  10. 제1항에 있어서, 상기 회전자 날개 팁의 굽어진 경도(gradient)는 타원체 형태인 것을 특징으로 하는 회전자 날개.
  11. 제8항에 있어서, 상기 회전자 날개(10)는 유리 섬유로 보강된 플라스틱 재를 포함하고, 번개 낙뢰 시에 전기 전도를 위한 도전 요소가 상기 회전자 날개(10)에 형성되고, 상기 날개 끝 부위(12)와 도전 접속을 이루는 것을 특징으로 하는 회전자 날개.
  12. 제11항에 있어서, 상기 회전자 날개는 상기 회전자 날개의 평면상에서 후단부(2) 방향으로 날개 끝 부위에서 굽어지거나(curved) 각도를 이루는(angled) 것을 특징으로 하는 회전자 날개.
  13. 제12항에 있어서, 상기 회전자 날개 끝 부위(12)는 상기 회전자 날개의 실축(14)에 대해 1°내지 45°의 각도를 이루어 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 회전자 날개.
  14. 제12항에 있어서, 상기 회전자 날개 끝 부위(12)는 상기 회전자 날개의 실축(14)에 대해 이루는 각도는 1°내지 15°의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 회전자 날개.
  15. 제1항에 있어서, 상기 회전자 날개(10)의 후단부는 상기 회전자 날개 끝 부위(12)의 후단부 속으로 유체 역학적으로 연속 전이됨을 특징으로 하는 회전자 날개.
  16. 제15항에 있어서, 상기 회전자 날개(10)의 후단부는 선정된 크기의 곡률(radius of curvature)을 지니는 것을 특징으로 하는 회전자 날개.
  17. 제16항에 있어서, 상기 회전자 날개(10)의 후단부가 지니는 곡률은 회전자 날개 끝 부위로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하는 회전자 날개.
  18. 제1항에 있어서, 상기 회전자 날개 팁(30)은 독립적 부품 형태로 되어서, 상기 회전자 날개(10)의 끝 부위(12) 속으로 맞추어 조립됨을 특징으로 하는 회전자 날개.
  19. 제18에 있어서, 상기 회전자 날개 끝 부위(12)의 길이는 상기 회전자 날개 전체 길이의 1/3 내의 범위로 형성함을 특징으로 하는 회전자 날개.
  20. 제18항에 있어서, 상기 회전자 날개 끝 부위는 상기 회전자 날개(10) 속으로 맞춰 조립되도록 축소된 단면적을 지닌 것을 특징으로 하는 회전자 날개.
  21. 제20항에 있어서, 상기 단면적이 축소된 단면 영역에 적어도 하나의 개구부가 제공됨을 특징으로 하는 회전자 날개.
  22. 제19항에 있어서, 상기 회전자 날개 끝 부위(12)는 속이 빈 중공 형태인 것을 특징으로 하는 회전자 날개.
  23. 제22항에 있어서, 상기 회전자 날개 종단에 배수를 위한 개구부가 제공됨을 특징으로 하는 회전자 날개.
  24. 제23항에 있어서, 상기 회전자 날개는 상기 개구부에 접하도록 튜브 부위가 제공됨을 특징으로 하는 회전자 날개.
  25. 제1항, 제2항 내지 제8항, 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자 날개 밑동(11)과 날개 끝 부위(12) 사이의 영역이 선단부 방향으로 각진 것을 특징으로 하는 회전자 날개.
  26. 제1항, 제2항 내지 제8항, 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자 날개(10)는 유리 섬유로 보강된 플라스틱재를 포함하고, 번개 낙뢰 시에 전기 전도를 위한 도전 요소가 상기 회전자 날개(10)에 형성되고 상기 날개 끝 부 위(12)와 도전 접속을 이루는 것을 특징으로 하는 회전자 날개.
  27. 제1항, 제2항 내지 제8항, 제9항 내지 제24항 중 어느 한 항에 따른 회전자 날개를 적어도 하나 구비한 회전자를 포함하는 풍력 발전 플랜트.
  28. 하부면은 압력이 증가하는 압력면(pressure side)으로 작용하고 상부면은 압력이 감소하는 흡입면(suction side)으로 작용하는 유선형의 단면 프로파일을 지닌 회전자 날개(rotor blade)를 위한 회전자 날개 팁으로서,
    상기 회전자 날개의 선단부와 후단부 및 상기 회전자 날개 팁은 회전자 날개 밑동(rotor blade root)과 반대 편에 있고, 상기 회전자 날개 밑동에서 상기 회전자 날개가 회전자 허브에 부착될 수 있도록 구성되고, 상기 회전자 날개 팁은 날개 끝 부위에서 회전자 날개의 압력면 방향으로 굽어지거나 또는 각도 지도록 구성된 것을 특징으로 하고, 상기 회전자 날개 팁은 단부 호(edge arc) 선단부(32)와 단부 호 후단부(34)를 포함하고, 상기 단부 호 선단부(32)와 상기 단부 호 후단부(34)는 단부 호(edge arc) 상단부(36) 방향으로 선정된 굽어진 경도(gradient)로 서로 동일하게 확장됨을 특징으로 하는 회전자 날개 팁.
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