KR20110104556A - 풍력 터빈용 로터 블레이드 및 이것의 제작방법 - Google Patents

풍력 터빈용 로터 블레이드 및 이것의 제작방법 Download PDF

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마크 핸콕
앤드류 헤지스
렌스 크리스티안 베르호프
안톤 베크
토마스 브론스키
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베스타스 윈드 시스템스 에이/에스
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Abstract

본 발명은 풍력 터빈용 로터 블레이드에 관한 것이다. 로터 블레이드는, 외피와 외피 내에 길이방향으로 연장된 중공형 구조체를 형성하는 익형체를 포함하고, 선두 웹, 추종 웹, 및 하나 이상의 부가 웹을 포함한다. 각각의 부가 웹은 허브 단부와 팁 단부 사이에 중간부를 한정한다. 각 부가 웹의 중간부는, 선두 웹 및 추종 웹으로부터 떨어져 이격되고, 팁 단부와 허브 단부 중의 적어도 하나는 선두 웹 또는 추종 웹과 일체를 이루거나 그에 연결된다. 본 발명은 로터 블레이드를 포함하는 풍력 터빈과, 그 로터 블레이드를 제작하는 방법에도 관련된다.

Description

풍력 터빈용 로터 블레이드 및 이것의 제작방법{A rotor blade for a wind turbine and a method for making the same}
본 발명은 길이방향으로 연장된 중공형 구조체를 한정하는 두 개의 웹(web)들을 구비한 익형체를 포함하는 풍력 터빈용 로터 블레이드에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 로터 블레이드를 포함하는 풍력 터빈 및 그 로터 블레이드를 제작하는 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 풍력 터빈용 로터 블레이드는로터 블레이드로부터 허브(hub)로 부하(load)를 전달하는 익형체를 포함한다. 사용 중의 블레이드에는 다양한 종류의 힘들이 작용한다. 첫 번째로는 블레이드의 길이방향으로 블레이드에 대해 작용하는 원심력이다. 이 힘은 허브 주위로의 블레이드의 회전에 의하여 유발된다. 두 번째는 로터 블레이드의 두께 방향, 즉 로터 블레이드의 풍상 측부와 풍하 측부를 통해 연장된 방향에서 로터 블레이드에 작용하는 힘이다. 이 힘은 블레이드에 작용하는 바람에 의하여 유발된다. 세 번째는 익현(chord) 방향, 즉 로터 블레이드의 선두 에지와 추종 에지를 통해 연장된 방향으로 로터 블레이드에 작용하는 힘이다. 이 힘은, 로터 블레이드가 수평 방향으로, 또는 수직 방향을 가로지르는 임의의 다른 방향으로 연장된 때에, 중력에 의하여 유발된다.
풍력 터빈의 크기가 증가함에 따라서, 로터 블레이드는 증가된 길이, 두께, 및 폭을 갖는다. 블레이드의 탄성 중심(centre of elasticity)은 블레이드 내부의 익형체의 위치에 크게 의존한다. 따라서, 블레이드의 폭이 증가됨에 따라서, 추종 에지 및/또는 선두 에지로부터 탄성 중심까지의 거리가 증가된다. 이것은, 블레이드가 위에서 설명된 힘들 중 세 번째의 힘, 즉 익현 방향에서의 힘에 더 취약하게 되게 하는데, 이것은 에지 방향으로의 강성도(stiffness)가 감소되기 때문이다.
본 발명은, 익현 방향으로 부하를 전달할 수 있는 능력이 향상된 로터 블레이드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 형태는 풍력 터빈용 로터 블레이드에 관한 것으로서, 로터 블레이드는 외피(shell) 및 익형체(spar)를 포함하고, 외피는 풍상 측부(windward side) 및 풍하 측부(leeward side)를 형성하며, 익형체는 외피 내에 길이방향으로 연장된 중공형 구조체(hollow structure)를 형성하고,
익형체는:
선두 웹(leading web);
추종 웹(trailing web); 및
하나 이상의 부가 웹(additional web)들;을 포함하며,
각각의 웹은 외피의 풍상 측부와 풍하 측부 사이에서 연장되고,
각각의 부가 웹은 허브 단부(hub end)와 팁 단부(tip end) 사이에 중간부(intermediate portion)를 한정하며,
각각의 부가 웹의 중간부는 선두 웹 및 추종 웹으로부터 떨어져 이격되고, 팁 단부와 허브 단부 중의 적어도 하나는 선두 웹 또는 추종 웹과 일체를 이루거나 또는 그에 연결된다.
본 발명의 일 장점은, 하나 이상의 부가 웹을 제공함으로써 익현 방향에서의 블레이드의 강성도(stiffness)가 증가될 수 있다는 것이다. 또한, 하나 이상의 부가 웹이 제공됨으로써, 로터 블레이드의 탄성 중심이 설계자의 선택에 따라서 선두 에지 또는 추종 에지를 향하여 이동될 수 있게 된다.
일반적으로, 부가 웹은 블레이드의 대부분에 걸쳐서 길이방향의 강성도를 보유한다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 문구에서, 선두 에지라는 용어는, 작동 중에 먼저 공기와 부딪치는 에지(가장자리)로서 이해되어야 할 것이다. 유사하게, 추종 에지라는 용어는, 로터 블레이드의 최후방측 부분을 지칭한다.
본 발명의 문구에서, "익현(chord)"이라는 용어는, 로터 블레이드의 길이를 따른 임의의 주어진 위치에서 로터 블레이드의 선두 에지로부터 추종 에지까지의 거리를 지칭한다.
또한, 본 발명의 문구에서, "두께"라는 용어는 로터 블레이드의 풍상 측부와 풍하 측부 사이의 거리를 지칭한다.
또한, 본 발명의 문구에서, 로터 블레이드의 '근위 단부(proximal end)'라 함은 허브 단부를 지칭하고, 로터 블레이드의 '원위 단부(distal end)'라 함은 팁(tip)을 지칭한다.
또한, 본 발명의 문구에서, 로터 블레이드의 "길이"이는 용어는 허브로부터 팁까지의 방향을 지칭한다. 본 발명에서 이 방향에서의 치수는 더 짧아지거나 더 길게 되는 것으로 기술된다. 달리 설명되지 않는다면, 길이방향은 길이의 방향으로 또는 실질적으로 상기 방향으로 연장되는 방향을 지칭한다.
나아가, "폭"이라는 용어는 선두 에지로부터 추종 에지로의 방향을 지칭하는바, 즉 로터 블레이드의 익현의 방향을 지칭한다. 본 발명에서 이 방향에서의 치수는 넓거나 좁다고 표현된다.
또한, 로터 블레이드의 "두께"라는 용어는, 로터 블레이드의 풍상 측부와 풍하 측부 사이에서 연장되는 방향을 지칭하는바, 즉 익현에 대해 횡단하는 방향을 지칭한다. 본 발명에서 이 방향에서의 치수들은 두껍거나 얇다고 표현된다.
익형체는 길이방향으로 연장된 중공형 구조체를 형성하는데, 그 중공형 구조체는 허브로부터 팁의 방향으로 연장될 수 있다. 익형체는 로터 블레이드로부터의 부하를 로터 블레이드의 허브로 전달하기 위하여 사용된다. 그러한 부하는 인장력, 압축력, 또는 토크(torque)일 수 있다.
익형체에 의하여 한정되는 길이방향으로 연장된 중공형 구조체는 길이방향에 대해 횡단하는 방향에서 임의의 형상, 예를 들어 사각형, 정사각형, 달걀형, 타원형, 초-타원형(super-elliptic), 또는 원형 형상의 단면을 가질 수 있다.
나아가, 익형체는 하나 이상의 부가 웹들을 포함하는데, 그 부가 웹들 각각은 허브 단부, 팁 단부, 및 극단부들 사이의 중간부를 한정한다. 중간부는 팁 단부와 허브 단부 사이에 위치된다는 것이 이해될 것이다. 익형체는 하나, 둘, 셋, 넷, 다섯 등과 같은 임의의 갯수의 부가 웹들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, (모두일 수도 있는) 하나 이상의 부가 웹들은 로터 블레이드의 선두 웹과 선두 에지 사이에 위치된다. 다른 일 실시예에서, (모두일 수도 있는) 하나 이상의 부가 웹들은 로터 블레이드의 추종 웹과 추종 에지 사이에 위치된다.
익형체, 즉 하나 이상의 웹 및/또는 하나 이상의 캡은, 탄소 섬유, 유리 섬유, 또는 바살트 섬유(basalt fibre)와 같은 섬유 재료를 포함한다. 일 실시예에서, 부가 웹은 그러한 섬유들 중의 한 가지 이상을 포함한다.
부가 웹들 각각은 중간부가 선두 웹 및 추종 웹으로부터 떨어져 이격되도록 배치되고, 팁 단부 및/또는 허브 단부는 선두 웹 또는 추종 웹과 일체로 되거나 그에 직접적으로 연결된다. 부가 웹의 일 실시예에서, 허브 단부는 선두 웹 또는 추종 웹과 일체로 되거나 또는 그에 직접적으로 연결되며, 중간부와 팁 단부 둘 다는 선두 웹 또는 추종 웹으로부터 떨어져 이격된다. 다른 일 실시예에서, 허브 단부와 중간부는 선두 웹 또는 추종 웹으로부터 떨어져 이격되고, 팁 단부는 선두 웹 또는 추종 웹과 일체로 되거나 그에 직접적으로 연결된다.
본 발명의 문구에서, "~에 직접적으로 연결된다"라는 표현은, 부가 웹의 일 표면이 선두 웹 또는 추종 웹의 표면에 맞닿는다는 것으로 이해되어야 할 것이다. 일부 실시예에서, 상기 맞닿는 표면은 부가 웹을 선두 웹 또는 추종 웹에 부착시키기 위하여 활용된다.
일 실시예에서, 외피는 선두 에지와 추종 에지를 형성하고, 로터 블레이드는 추종 에지와 익형체 사이에 배치된 추종 부가 웹을 한정한다. 또한, 상기 실시예에서는, 추종 부가 웹이 추종 에지의 영역에서 외피의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 추종 부가 웹은 외피의 추종 에지, 즉 추종 에지의 풍하 측부와 풍상 측부 둘 다를 한정하는 별도의 요소를 한정한다. 후자의 실시예에서, 전체 외피는 두 개의 외피 절반부들과 별도의 요소에 의하여 한정된다. 추종 부가 웹이 추종 에지의 일부를 한정하도록 설계함으로써, 보다 단순한 구조가 제공될 수 있다.
예를 들어, 추종 에지의 길이의 10 퍼센트(percent), 20 퍼센트, 25 퍼센트, 30 퍼센트, 33 퍼센트, 40 퍼센트, 50 퍼센트, 60 퍼센트, 66 퍼센트, 70 퍼센트, 75 퍼센트는 추종 부가 웹에 의하여 한정될 수 있다.
대안적으로 또는 보충적으로서, 선두 부가 웹은 선두 에지와 선두 웹 사이에 배치될 수 있다. 또한, 선두 부가 웹은 추종 에지의 영역에서 외피의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 선두 부가 웹은 외피의 선두 에지, 즉 선두 에지의 풍하 측부와 풍상 측부 둘 다를 한정하는 별도의 요소를 한정한다. 후자의 실시예에서, 외피 전체는 두 개의 외피 절반부들과 별도의 요소에 의해 한정될 수 있다.
예를 들어, 선두 에지의 길이의 10 퍼센트, 20 퍼센트, 25 퍼센트, 30 퍼센트, 33 퍼센트, 40 퍼센트, 50 퍼센트, 60 퍼센트, 66 퍼센트, 70 퍼센트, 75 퍼센트는 선두 부가 웹에 의하여 한정될 수 있다.
나아가, 하나 이상의 상호연결 요소가 제공될 수 있다. 상호연결 요소는, 상기 부가 웹의 중간부를 선두 웹 및 추종 웹으로부터 떨어져 이격시키기 위하여, 선두 웹 및 추종 웹 중의 하나와 부가 웹들 중의 하나에 맞닿게 배치될 수 있다.
상호연결 요소들은 제작 중에, 부가 웹이 로터 블레이드의 외피와 같은 다른 부분들에 고정될 때까지, 부가 웹을 선두 웹 및 추종 웹으로부터 떨어뜨려 이격되도록 그리고 이 위치에서 부가 웹을 유지하도록 하는데에 유용할 수 있다. 상호연결 요소들은, 부가 웹의 중간부 영역에서 부가 웹으로부터 선두/추종 웹으로 부하를 전달하는데에 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 선두 웹 및 추종 웹은 블레이드의 폭/익현 방향으로 연장된 적어도 하나의 캡에 의하여 상호연결된다. 일 실시예에서는, 하나의 캡이 제공되며, 그것은 선두 웹 및 추종 웹와 상호연결되어서, H 형상의 단면을 형성한다. 일 실시예에서, 풍하측 캡과 풍상측 캡이 제공되는데, 이들은 이들의 길이방향 에지에서 선두 웹 및 추종 웹에 의하여 상호연결되며, 이로써 길이방향으로 연장된 중공형 구조체가 형성된다.
후자의 실시예에서, 웹의 길이방향으로 연장된 에지들 각각은 두 개의 캡들 중 하나의 길이방향으로 연장된 에지에 연결/고정된다. 유사하게, 상기 실시예에서, 캡들의 길이방향으로 연장된 에지들 각각은 두 개의 웹들 중 하나의 길이방향으로 연장된 에지에 연결/고정된다.
풍하측 캡 및/또는 풍상측 캡은 로터 블레이드의 공기역학적 윤곽의 일부를 한정할 수 있다. 유사하게, 하나 이상의 부가 웹이, 전술된 바와 같이, 로터 블레이드의 선두 표면 또는 추종 표면의 일부를 한정할 수 있다. 익형체 및/또는 부가 웹이 로터 블레이드의 공기역학적 윤곽의 일부를 한정하도록 설계됨으로써, 보다 단순하고 종종 더 가벼운 설계안이 얻어질 수 있다.
부가 웹으로부터 선두 웹 또는 추종 웹으로 부하를 전달하기 위하여, 부가 웹은 선두/추종 웹에 직접적으로 연결되거나 또는 그와 일체를 이룬다. 일 실시예에서, 부가 웹은 선두 웹 또는 추종 웹과 일체를 이루어, V자 형상의 요소가 부가 웹과 추종/선두 웹 둘 다를 한정한다.
일 실시예에서, 길이방향으로 연장된 중공형 구조체는 부착 표면을 구비한 장착 구조체를 한정하는데, 그 부착 표면에는 하나 이상의 부가 웹이 부착되어서, 인장력이 부가 웹으로부터 장착 구조체로 전달되는 것을 가능하게 한다. 장착 구조체와 부가 웹은, 부가 웹의 중간부로부터 그 허브 단부를 향하여 볼 때에, 인장력이 부가 웹으로부터 장착 구조체로 점진적으로 전달되게 하도록 된 형상을 가질 수 있다.
특정의 일 실시예에서, 장착 구조체는 익형체의 외측 표면으로부터 연장된 테이퍼진 돌출부를 한정하는데, 그 연장은 로터 블레이드의 길이방향에 대해 0 내지 90도 사이의 각도로 연장된다. 또한, 상기 실시예에서, 부가 익형체는 테이퍼진 단부를 가질 수 있는데, 그 테이퍼진 단부는 테이퍼진 돌출부에 부착될 수 있고, 이로써 (겹쳐지는 영역에서) 장착 구조체와 부가 익형체의 접합 단면적이 일정하게 되거나, 또는 부가 웹의 중간부로부터 그것의 허브 단부를 향하여 볼 때에 겹쳐지는 영역에서 점진적으로 변화하게 된다. 이로 인하여, 부가 웹의 길이를 따른 응력의 급격한 변화가 방지될 수 있다는 장점이 있다.
일 실시예에서, 익형체의 테이퍼진 단부와 장착 구조체의 테이퍼진 돌출부는, 부가 웹으로부터 장착 구조체로 전달되는 힘의 가능한 많은 양이 전단 힘으로서 전달되어 법선 힘/인장력이 최소화되도록 설계된다. 이것은, 접착에 의한 접합이 법선 힘보다는 더 큰 양의 전단력을 전달할 수 있는 것이 보통이라는 점에서 장점이 된다.
부착을 위한 표면들이 부가 웹의 길이방향과 평행함에 가까워질수록, 접합 영역에서 법선방향의 응력보다는 전단 응력의 백분율(퍼센트)가 더 크게 된다는 것이 이해될 것이다. 또한, 두 개의 테이퍼진 표면들의 면적이 더 클수록, 일반적으로 전단 응력이 더 낮게 된다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 제2 형태는 본 발명의 제1 형태에 따른 로터 블레이드를 다수 포함하는 풍력 터빈에 관한 것이다. 제2 형태에 따른 발명은 제1 형태에 따른 발명의 요소들 및 특징들의 임의적 조합을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 제3 형태는 풍력 터빈용 로터 블레이드의 외피 내에 허브 부분(hub portion)과 팁 부분(tip portion)을 구비한 길이방향으로 연장된 중공형 구조체를 형성하도록 적합화된 익형체를 제작하는 방법에 관한 것으로서, 익형체는 익형체의 외측 표면으로부터 연장된 테이퍼진 장착 구조체를 한정하고 또한 부가 웹이 부착될 수 있는 부착 표면를 한정하여, 인장력이 부가 웹으로부터 장착 구조체로 전달되는 것을 허용하며,
익형체 제작 방법은:
익형체를 형성하도록, 만드렐(mandrel) 주위에 강화 재료 시트(sheet of reinforcing material)를 권취하는 단계;
익형체의 허브 부분 영역에 공간 한정 요소(space-defining element)를 제공하는 단계; 및
적어도 일부가 익형체의 외측 표면으로부터 떨어져 이격되는 테이퍼진 장착 구조체를 형성하도록, 공간 한정 요소 주위에 강화 재료 시트를 권취하는 단계;를 포함한다.
일 실시예에서, 공간 한정 요소의 적어도 일부는 쐐기 형상을 가지며 익형체에 제공되어서, 그 쐐기의 두께가 익형체의 허브 부분의 방향에서 감소한다. 다른 일 실시예에서, 공간 한정 요소의 적어도 일부는 발포 재료를 포함한다. 발포 재료를 제공함으로써 공간 한정 요소가 그 체적에 비하여 가벼울 수 있고, 따라서 익형체와 블레이드의 전체 하중에 경미한 영향을 제공할 뿐이라는 것이 이해될 것이다.
형상 형성 요소를 제공함에 의하여, 테이퍼진 장착 구조체가 익형체 형성 과정의 일부로서 용이하게 한정될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 강화 재료 시트에 의하여 형상 형성 요소를 제작함으로써, 강하고 가벼운 구조물이 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
제3 형태에 따른 발명은 제1 형태에 따른 발명의 요소들 및/또는 특징들의 임의적 조합을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하여, 익현 방향으로 부하를 전달할 수 있는 능력이 향상된 로터 블레이드가 제공된다.
이하에서는 하기의 도면들을 참조하여 본 발명의 예들에 관하여 설명한다.
도 1 및 도 3 은 로터 블레이드의 길이와 익현을 통하여 연장된 평면에서 본 로터 블레이드의 단면도이고,
도 2 는 로터 블레이드의 길이와 두께를 통하여 연장된 평면에서 본 로터 블레이드의 단면도이고,
도 4 내지 도 8 은 로터 블레이드의 길이에 대해 직각을 이루는 평면에서 본 로터 블레이드의 단면도들이고,
도 9 는 본 발명에 따른 익형체의 등거리도(isometric view)이고,
도 10 및 도 11 은 추종 부가 웹(trailing additional web)이 없는, 익형체의 단면도이고,
도 12 및 도 15 각각은 완성된 익형체, 즉 추종 부가 웹을 구비한 익형체의 등거리도이고,
도 13 및 도 14 는 도 12 및 도 15 의 익형체의 단면도이고,
도 16 은 도 17 의 단면도로서, 즉 추종 부가 웹을 익형체에 고정시키기 위한 장착 구조체를 구비한 익형체의 단면도이고,
도 17 에는 장착 구조체의 테이퍼진 돌출부를 한정하도록 제공된 발포체가 도시되어 있다.
도 1 에는 외피(101)를 구비한 풍력 터빈(미도시)용 로터 블레이드(100)가 도시되어 있는데, 그 외피(101)는 선두 에지(102), 추종 에지(104), 풍하 측부(103), 및 풍상 측부(105)를 형성한다. 로터 블레이드(100)는, 로터 블레이드(100)의 길이방향(108)으로 연장된 익형체(106)를 포함한다. 익형체(106)는 도 4 내지 도 8 에 도시된 바와 같이, 길이방향으로 연장된 공동(cavity; 109)을 갖는 중공형 구조체를 형성한다. 중공형 구조체는 풍하측 캡(110), 풍상측 캡(112), 선두 웹(114), 및 추종 웹(116)에 의해 한정된다. 캡들(110, 112) 및 웹들(114, 116) 각각에는, 캡들(110, 112) 및 웹들(114, 116)을 서로에 대해 부착시키는데에 이용되는 길이방향 에지(118)들이 형성된다. 따라서, 풍상측 캡(112)의 두 개의 길이방향 에지(118)들은 추종 웹(116)과 선두 웹(114)의 하측 길이방향 에지(118)들에 고정된다. 유사하게, 풍하측 캡(110)의 두 개의 길이방향 에지(118)들은 추종 웹(116)과 선두 웹(114)의 상측 길이방향 에지(118)들에 고정된다. 길이방향 에지(118)들에는, 도 5 에 도시된 바와 같이, 테이퍼진 단부 표면(120)들이 형성될 수 있는데, 이것은 캡들(110, 112) 및 웹들(114, 116)을 부착 과정 전에 그리고 부착 과정 중에 서로에 대해 정렬시키기 위한 것이다. 익형체는, 익형체(106)와 일체를 이루는 추종 부가 웹(122)을 더 포함하는데, 이에 관하여는 아래에서 설명하기로 한다. 추종 부가 웹(122)은 이격 요소(spacing element; 124)들에 의하여 추종 웹(116)으로부터 이격되는데, 그 이격 요소들은 추종 부가 웹(122)의 중간부(126)를 추종 웹(116)으로부터 이격시키기 위하여 사용된다. 또한, 추종 부가 웹(122)은 허브 단부(128)와 팁 단부(130)를 포함하며, 그 사이에는 도 12 및 도 15 에 도시된 바와 같이 중간부(126)가 제공된다. 도면들에 도시된 실시예에서는, 허브 단부(128)와 팁 단부(130) 둘 다가 익형체(106)와 일체를 이룬다. 따라서, 허브 단부(128)와 팁 단부(130) 둘 다의 길이방향 에지(118)들은 캡들(110, 112)의 길이방향 에지(118)들에 부착되고, 따라서 허브 단부(128)와 팁 단부(130)의 영역에서는 공동(109)이 부분적으로 추종 부가 웹(122)에 의하여 한정된다.
도 9 에는 익형체(106)의 조립 과정이 도시되어 있다. 처음에는, 캡들(110, 112) 및 웹들(114, 116)이 서로에 대해 부착된다. 후속하여, 상호연결 요소(124)들이 추종 웹(116)의 길이를 따라서 배치된다. 그 후, 추종 부가 웹(122)은, 추종 부가 웹(122)의 길이방향 에지(118)들이 캡들(110, 112)의 추종 길이방향 에지(118)들과 연결되게 되는 위치(도 13 에 도시됨)로 이동된다. 동시에, 추종 부가 웹(122)은 상호연결 요소(124)들과 접촉하게 되는데, 이것은 추종 부가 웹(122)과 추종 웹(116)이 도 12, 14, 및 15 에 도시된 바와 같이 떨어져 이격되게 한다. 도 12 및 도 15 로부터, 어떤 실시예에서는 추종 웹(116)이 추종 부가 웹(122)으로부터 길이방향으로 떨어져 이격될 수 있다는 것을 알 수 있는데, 이로써 추종 웹(116)과 추종 부가 웹(122) 사이에는 통로(132)가 형성될 수 있다.
도 16 및 도 17 에는 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있는데, 여기에서 장착 구조체는 익형체의 허브 단부에 형성된다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 익형체는 만드렐 주위로 강화층 시트(sheet of reinforcing layer)들을 권취함에 의하여 형성될 수 있다.
도 16 에는 테이퍼진 단부(136)를 형성하는 장착 구조체(134)를 포함하는 익형체(106)의 단면이 도시되어 있다. 장착 구조체(134)는 익형체(106)의 허브 단부(138)로부터 먼 방향으로 연장된다. 유사하게, 추종 부가 웹(122)은 테이퍼진 단부(140)를 형성하는데, 이것은 추종 부가 웹(122)이 허브 단부(138)의 방향으로 갈수록 더 좁아지게 한다. 테이퍼진 단부들 둘 다는 부착 표면(142)들을 형성하는데, 그 부착 표면들은 테이퍼진 단부들(138, 140)을 함께 부착시키기 위하여 사용된다. 두 개의 테이퍼진 단부들(138, 140)이 반대의 방향으로 테이퍼지기 때문에, 추종 부가 웹(122)의 두께는 겹쳐지는 영역에서 점진적으로 달라질 뿐이다. 따라서, 추종 부가 웹(122)에서의 응력의 갑작스러운 변화가 방지 또는 최소화된다.
도 16 으로부터, 부착 표면(142)들에 의하여 형성되는 평면이 부가 웹(122)의 전체적인 방향과 평행에 가깝게 된다는 것을 알 수 있을 것이다. 이것은, 부착의 영역에서, 인장 응력(tensile stress)/법선 응력(normal stress)에 대비되는 전단 응력(shear stress)의 비율이 높게 되게 한다. 다시 말하면, 부착 표면(142)들을 거쳐서 전달되는 힘의 현저한 양이 법선방향 힘/인장력보다는 전단력으로서 전달된다.
제작을 위하여, 제작 중에 익형체(106)의 외측 표면 상에는 테이퍼진 단부(138) 및 발포체(144)(형상 형성 요소; shape defining element)가 제공될 수 있다. 이것은 도 17 에 도시되어 있다.
처음에는 만드렐(미도시) 주위로 강화층 시트가 권취된다. 익형체의 원하는 반경방향 치수가 얻어진 때, 예를 들어 발포체(144)의 형태를 갖는 형상 형성 요소(shape-defining element)가 익형체에 배치되고, 강화층 시트를 권취하는 과정이 계속된다. 발포체(144)의 제공 덕분에, 강화층의 계속되는 권취로 인하여 발포체(144)의 영역에서 테이퍼진 부분이 쌓여지게 된다. 그 테이퍼진 부분은 도 16 에 도시되어 있다. 발포체를 이용함으로 인한 장점은, 그것이 가볍고 저렴하며, 따라서 최종 제품의 일부를 형성할 수 있다는 것이다. 다른 실시예에서는, 형상 형성 요소가 재활용되고, 예를 들어 금속으로 만들어진 것일 수 있다.
100: 로터 블레이드 101: 외피
102: 선두 에지 103: 풍하 측부
104: 추종 에지 105: 풍상 측부
106: 익형체 108: 길이방향
109: 공동 110: 풍하측 캡
112: 풍상측 캡 114: 선두 웹
116: 추종 웹 120: 테이퍼진 단부 표면
122: 추종 부가 웹 124: 이격 요소
126: 중간부 128: 허브 단부
130: 팁 단부

Claims (16)

  1. 풍력 터빈용 로터 블레이드(100)로서, 로터 블레이드(100)는 외피(shell; 101) 및 익형체(spar; 106)를 포함하고, 외피(101)는 풍상 측부(windward side; 103) 및 풍하 측부(leeward side; 105)를 형성하며, 익형체(106)는 외피(101) 내에 길이방향으로 연장된 중공형 구조체(hollow structure; 109)를 형성하고,
    익형체(106)는:
    선두 웹(leading web; 114);
    추종 웹(trailing web; 116); 및
    하나 이상의 부가 웹(additional web; 122)들;을 포함하며,
    각각의 웹(114,116,122)은 외피(101)의 풍상 측부(103)와 풍하 측부(105) 사이에서 연장되고,
    각각의 부가 웹(122)은 허브 단부(hub end; 128)와 팁 단부(tip end; 130) 사이에 중간부(intermediate portion; 126)를 한정하며,
    각각의 부가 웹(122)의 중간부(126)는 선두 웹(114) 및 추종 웹(116)으로부터 떨어져 이격되고, 팁 단부(128)와 허브 단부(130) 중의 적어도 하나는 선두 웹(114) 또는 추종 웹(116)과 일체를 이루거나 또는 그에 연결된, 풍력 터빈용 로터 블레이드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    외피(101)는 선두 에지(leading edge; 102)와 추종 에지(trailing edge; 104)를 형성하고, 로터 블레이드(100)는 추종 에지(104)와 추종 웹(116) 사이에 배치된 추종 부가 웹(122)을 한정하는, 풍력 터빈용 로터 블레이드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    추종 부가 웹(122)은, 추종 에지(104)의 영역에서 외피(101)의 적어도 일부를 형성하는, 풍력 터빈용 로터 블레이드.
  4. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    외피(101)는 선두 에지(102)와 추종 에지(104)를 형성하고, 로터 블레이드(100)는 선두 에지(102)와 선두 웹(114) 사이에 배치된 선두 부가 웹(122)을 한정하는, 로터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    선두 부가 웹(122)은, 선두 에지(102)의 영역에서 외피(101)의 적어도 일부를 형성하는, 풍력 터빈용 로터 블레이드.
  6. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    풍력 터빈용 로터 블레이드는, 상기 부가 웹(122)의 중간부(126)를 선두 웹(114) 및 추종 웹(116)으로부터 떨어져 이격시키기 위하여, 부가 웹들 중의 하나와 선두 웹 및 추종 웹 중의 하나와 닿도록 배치된 하나 이상의 상호연결 요소(interconnecting element; 124)를 더 포함하는, 풍력 터빈용 로터 블레이드.
  7. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    선두 웹 및 추종 웹은 적어도 하나의 캡(cap; 110, 112)에 의하여 상호연결된, 풍력 터빈용 로터 블레이드.
  8. 제 7 항에 있어서,
    풍력 터빈용 로터 블레이드는 풍하측 캡(leeward cap; 110) 및 풍상측 캡(windward cap; 112)을 포함하고, 풍하측 캡 및 풍상측 캡은 그들의 길이방향 에지(longitudinal edge; 118)들에서 선두 웹(114) 및 추종 웹(116)에 의하여 상호연결되어, 길이방향으로 연장된 중공형 구조체(109)를 한정하는, 풍력 터빈용 로터 블레이드.
  9. 제 8 항에 있어서,
    풍하측 캡 및/또는 풍상측 캡은, 로터 블레이드(100)의 공기역학적 윤곽(aerodynamic profile)의 일부를 한정하는, 풍력 터빈용 로터 블레이드.
  10. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    길이방향으로 연장된 중공형 구조체는 부착 표면(adhering surface; 142)을 구비한 장착 구조체(mounting structure; 134)를 한정하고, 그 부착 표면에는 하나 이상의 부가 웹(122)이 부착되어 인장력(tensile force)이 부가 웹(122)으로부터 장착 구조체(134)로 전달되는 것을 허용하는, 풍력 터빈용 로터 블레이드.
  11. 제 10 항에 있어서,
    장착 구조체(134) 및 부가 웹(122)은, 부가 웹(122)의 중간부(126)로부터 부가 웹의 허브 단부(138)를 향하여 볼 때, 인장력이 부가 웹(122)으로부터 장착 구조체(134)로 점진적으로 전달되도록 된 형상을 갖는, 풍력 터빈용 로터 블레이드.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    장착 구조체(134)는 익형체(106)의 외측 표면(outer surface)으로부터 연장된 테이퍼진 돌출부(tapered protrusion; 138)를 한정하고, 부가 익형체(122)는 테이퍼진 단부(tapered end; 140)를 가지며, 그 테이퍼진 단부는 테이퍼진 돌출부(138)에 부착되어, 부가 익형체(122)와 장착 구조체(134)의 접합 단면적(joint cross-sectional area)이, 일정하거나 또는 부가 웹(122)의 중간부(126)로부터 부가 웹의 허브 단부(138)를 향하여 볼 때에 겹쳐지는 영역에서 점진적으로 변화하는, 풍력 터빈용 로터 블레이드.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    장착 구조체(134)는 익형체(106)의 외측 표면으로부터 연장된 테이퍼진 돌출부(138)를 한정하고, 부가 익형체(122)는 테이퍼진 단부(140)를 갖는, 풍력 터빈용 로터 블레이드.
  14. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 따른 로터 블레이드를 다수 포함하는 풍력 터빈.
  15. 풍력 터빈용 로터 블레이드(100)의 외피(101) 내에 허브 부분(hub portion)과 팁 부분(tip portion)을 구비한 길이방향으로 연장된 중공형 구조체(109)를 형성하도록 적합화된 익형체(106)를 제작하는 방법으로서, 익형체(106)는 익형체(106)의 외측 표면으로부터 연장된 테이퍼진 장착 구조체(134)를 한정하고 또한 부가 웹(122)이 부착될 수 있는 부착 표면(142)를 한정하여, 인장력이 부가 웹(122)으로부터 장착 구조체(134)로 전달되는 것을 허용하며,
    익형체 제작 방법은:
    익형체(106)를 형성하도록, 만드렐(mandrel) 주위에 강화 재료 시트(sheet of reinforcing material)를 권취하는 단계;
    익형체(106)의 허브 부분 영역에 공간 한정 요소(space-defining element; 144)를 제공하는 단계; 및
    적어도 일부가 익형체(106)의 외측 표면으로부터 떨어져 이격되는 테이퍼진 장착 구조체(134)를 형성하도록, 공간 한정 요소(144) 주위에 강화 재료 시트를 권취하는 단계;를 포함하는, 익형체 제작 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    공간 한정 요소(144)는 쐐기(wedge)의 형상을 가지며 발포 재료(foamed material)로 이루어진, 익형체 제작 방법.
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