KR20120041677A - 풍력 터빈 블레이드 - Google Patents

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KR20120041677A
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vortex
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blades
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옌스 요르겐 외스터가르트 크리스텐센
카르스텐 트루
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본원 발명은 풍력 터빈의 블레이드에 관한 것이다. 그러한 블레이드는 블레이드-표면에 위치되는 하나 이상의 와류-발생장치를 포함한다. 와류-발생장치는 상기 블레이드의 공기 역학적인 특성에 기여하는 방식으로 구성되고 정렬된다. 와류-발생장치는 플랫폼 및 연장-부분을 포함한다. 블레이드는 와류-발생장치의 플랫폼의 적어도 일부를 수용하도록 구성되고 정렬된 함몰부를 포함한다. 플랫폼이 적어도 부분적으로 함몰부 내에 고정된다.

Description

풍력 터빈 블레이드{BLADE OF A WIND TURBINE}
본원 발명은 풍력 터빈의 블레이드에 관한 것이고 그리고 그러한 블레이드의 개장(retrofit; 改裝)-방법에 관한 것이다.
풍력 터빈 블레이드 옆에서 유리한 와류(vortex)를 생성하기 위해서 성형된 장치를 이용하는 것이 공지되어 있다. 이러한 장치들이 "와류 발생장치"로 공지되어 있다.
와류는 풍력 터빈 블레이드의 표면을 따른 공기 유동에 영향을 미치기 위해서 사용된다. 예를 들어, 와류 발생장치는 블레이드를 따른 공기의 정체(stall)에 대해서 반작용하도록 사용된다. 따라서, 블레이드의 회전 운동이 그러한 발생장치에 의해서 개선된다.
WO 0015961 A1에는 복수의 와류 발생장치를 구비한 풍력 터빈 블레이드가 개시되어 있다. 그러한 와류 발생장치들은 블레이드의 풍하(風下; lee) 표면으로부터 돌출하고 그리고 소위 "경계 층 분리"를 제어하기 위해서 이용된다.
WO 2008113350 에는 풍력 터빈 블레이드의 바람직한 디자인이 개시되어 있다. 이러한 블레이드는 하위-경계(sub-boundary) 층 와류 발생장치의 하나 또는 둘 이상의 평행한 열(rows)을 나타낸다. 결과적인 블레이드는 정체(stall)에 대해서 저항력을 가지고(be resistant to) 그리고 결과적인 블레이드로부터 높은 최대 양력(lift) 계수를 획득한다.
도 5는 와류 발생장치(25)의 열을 포함하는 블레이드(15)를 도시한다.
도 6에서는 단면 A-A'를 참조한다.
예를 들어 접착(glue)에 의해서 와류 발생장치(25)의 열을 블레이드(15)에 부착하는 것이 공지되어 있다.
이러한 상황은 도 6에 도시되어 있다. 와류 발생장치(66)는 플랫폼(또는 베이스먼트 또는 베이시스)(46) 및 연장 부분(36)을 포함하며, 상기 연장 부분은 핀(fin)과 유사하게 형성될 수 있을 것이다.
와류 발생장치(66)는 접착된 연결부(56)에 의해서 풍력 터빈 블레이드(16)와 연결되는 한편, 접착제가 블레이드(16)의 표면과 플랫폼(46) 사이에 도포된다. 연장 부분(36)은 접착된 연결부(56)로부터 그리고 블레이드(16)로부터 연장하고 그리고 또 와류를 발생시킨다.
해안가-풍력 터빈의 경우에 20년 이상의 수명이 요구되기 때문에, 도포된 접착제에 의한 긴-지속시간의 연결부를 보장하는 것이 문제가 될 수 있을 것이다.
이러한 해결방식의 추가적인 단점은 와류 발생장치의 공기역학적인 특성이:
- 연장 부분(36)에 의해서, 그리고
- 블레이드(16)의 표면을 연장함으로써, 플랫폼(46)에 의해서, 또한
- 접착된 연결부(56)의 높이에 의해서
영향을 받는다는 것이다.
이러한 특징들의 조합으로 인해서 의도되지 않은 블레이드-특성들이 초래될 수 있다.
블레이드 옆에 와류 발생장치를 통합하는 것이 공지되어 있다. 그러한 와류 발생장치들은 블레이드의 제조-프로세스 중에 통합되고 그에 따라 제조된 블레이드의 표면을 제공한다.
이러한 경우에, 와류-발생장치는 블레이드의 전체 수명 동안 고정되나, 추후에 와류 발생장치를 조정할 필요가 있는 경우에, 블레이드의 표면에서 와류 발생장치를 조정하는 것이 불가능해진다.
그에 따라, 본원 발명의 목적은 와류-발생장치를 포함하는 개선된 풍력 터빈의 블레이드를 제공하는 것이며, 그러한 와류-발생장치는 블레이드에 작용하는 주변 영향을 오랜 시간 동안 견뎌야 할 것이고 그리고 필요한 경우에 와류-발생장치를 블레이드-상황에 맞춰 조정할 수 있을 것이다.
이러한 목적은 특허청구범위 제1항의 특징들에 의해서 그리고 제12항의 특징들에 의해서 달성된다.
바람직한 구성들이 종속항의 청구대상으로 기재되어 있다.
본원 발명에 따라서, 풍력 터빈의 블레이드는 하나 이상의 와류-발생장치를 포함하고, 그러한 와류-발생장치는 블레이드-표면에 위치된다. 와류-발생장치는 블레이드의 공기 역학적인 특성에 기여하는 방식으로 구성되고 정렬된다.
와류-발생장치는 플랫폼 및 연장-부분을 포함한다. 블레이드는 함몰부(recess)를 포함하고, 그러한 함몰부는 와류-발생장치의 플랫폼의 적어도 일부를 수용하도록 구성되고 정렬된다. 플랫폼은 함몰부 내에서 적어도 부분적으로 고정된다.
바람직하게, 함몰부는 블레이드가 제조되는 동안에 블레이드의 표면 내로 형성된다. 와류-발생장치는 추후에 개장(retrofit)으로서 조정되고, 정렬되며 위치된다.
밀링 가공에 의해서 블레이드의 표면 내로 함몰부를 형성할 수도 있을 것이다. 그에 따라, 풍력-터빈-사이트(site) 상의 허브에 이미 장착된 블레이드도 조정할 수 있을 것이다.
본원 발명에 따른 블레이드의 특성은 종래 기술의 블레이드의 특성들 보다 더 잘 예측될 수 있을 것이다.
함몰부로 인해서 그리고 와류-발생장치의 플랫폼과의 상호작용으로 인해서, 연결부가 결빙, 염분, 서리 등과 같은 주변의 영향으로부터 보호된다. 그에 따라, 연결부는 오랜 시간 동안 안정적으로 유지된다.
제조 중에 블레이드 내로 형성될 수 있는 또는 추후에 블레이드 내로 밀링 가공될 수 있는 함몰부로 인해서, 필요한 경우에, 블레이드를 개장할 수 있을 것이다. 심지어는 손상된 와류-발생장치를 필요에 따라 용이하게 제거할 수 있을 것이다.
추후에, 와류-발생장치의 위치 및/또는 분포를 조정 및/또는 개선하는 것도 가능하다. 이는 풍력 터빈의 사이트(위치)에 따라서(in dependency to) 또는 다른 사이트-특이(specific) 영향들에 따라서 이루어질 수 있을 것이다.
바람직하게, 와류-발생장치 또는 복수의 와류-발생장치가 벨트 또는 스트립 상에 정렬된다. 그러한 스트립은 복수의 와류-발생장치들이 매우 용이하게 그리고 짧은 시간에 위치될 수 있게 한다. 이러한 경우에, 벨트 또는 스트립은 바람직하게 플랫폼의 일체형 부분이 된다. 함몰부는 벨트 또는 스트립을 와류-발생장치의 플랫폼과 함께 통합하도록 성형된다.
다른 이점은 블레이드와 와류-발생장치 사이의 전체 부착 표면이 증대된다는 것이고 그에 따라 와류-발생장치가 블레이드에 견고하게 부착된다는 것이다.
추가적인 이점은, 와류-발생장치가 (플랫폼의 높이의 관점에서 그리고 연장 유닛의 관점에서) 정확한 위치에 항상 설치된다는 것이다. 그에 따라, 와류-발생장치는 정렬되고 지정된 최적 위치에 배치된다.
따라서, 블레이드들의 세트는 와류-발생장치(들)의 양호하게-규정된(well-defined) 위치로 인해서 동일한 특성들을 나타낸다. 또한, 특성들이 매우 용이하게 재생될 수 있을 것이다.
함몰부는 블레이드가 제조되는 동안에 블레이드 내로 형성될 수 있다. 예를 들어, 플랫폼의 의도된 형상을 고려한 음각 주조(cast) 또는 압인(imprint)을 나타내는 프로파일이 이용될 수 있을 것이다.
그러한 프로파일이 몰드 내로 도입될 수 있고, 이는 바람직하게 "진공 보조형 수지 이송 몰딩(Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding; VARTM)"-프로세스 에서 이용될 수 있을 것이다.
이하에서는 첨부 도면들을 참조하여 본원 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본원 발명을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본원 발명에 따른 구성으로서, 와류-발생장치가 블레이드-표면에 적용된 것을 도시한 도면이다.
도 3은 본원 발명에 따른 구성으로서, 다른 와류-발생장치가 블레이드-표면에 적용된 것을 도시한 도면이다.
도 4는 도 3을 참조하여 도 3을 보다 구체적으로 도시한 도면이다.
도 5는 서두에 기재한 바와 같은 와류 발생장치의 열을 포함하는 종래 기술의 블레이드를 도시한 도면이다.
도 6은 본원 명세서의 도입부에서 설명한 바와 같이 접착제로 블레이드에 부착된 와류 발생장치들의 열을 도시한 도면이다.
도 1은 본원 발명에 따른 바람직한 구성을 도시한다.
와류-발생장치(61)는 플랫폼(41) 및 연장-부분(31)을 포함한다.
플랫폼은 연장-부분(31)에 대한 베이스먼트 또는 베이스로서 이용된다.
연장-부분(31)은 바람직하게 핀과 같은 형상을 가진다.
와류-발생장치(61)의 플랫폼(41)이 함몰부(71) 내에 정렬된다.
함몰부(71)는 블레이드(11)의 통합된(integrated) 부분이고 그리고 블레이드(11)가 제조되는 동안에 블레이드(11) 내로 형성되고 성형될 수 있을 것이다.
함몰부(71)는 예를 들어 풍력 터빈 사이트에서 추후에 블레이드(11) 내로 밀링 가공될 수 있을 것이다.
플랫폼(41)을 함몰부(71) 내에 고정하기 위해서 연결부(51)가 제공된다. 이는 접착제, 아교, 실리콘 또는 접착제가 도포된 양면 테입에 의해서 이루어질 수 있을 것이다.
플랫폼(41)의 표면 및 함몰부(71)의 내측 표면이 서로 상호작용하여 고정된 기계적인 연결부를 형성하도록, 플랫폼(41)의 표면 및 함몰부(71)의 내측 표면이 성형될 수 있을 것이다. 하나의 구조적인 또는 기계적인 구성으로서, 공지된 "도프테일(dovetail) 구성을 예로 들 수 있을 것이며, 그러한 도프테일 구성은 플랫폼을 함몰부 내에 연결하기 위해서 이용될 수 있을 것이다.
바람직하게, 연장-부분(31) 만이 블레이드(11)의 표면으로부터 연장된다. 그에 따라, 블레이드-특성에 대해서 연장-부분(31) 만이 기여하게 되며, 그에 따라 그 특성들에 대해서 보다 잘 예측할 수 있을 것이다.
함몰부(71)로 인해서, 연결부(51)가 주변 영향으로부터 보호된다. 강우, 결빙, 염분, 서리 등의 영향이 감소된다. 그에 따라, 연결부가 오랜 시간 동안 안정적으로 유지된다.
블레이드 내로 함몰부를 성형하고 형성하기 위해서 이용되는 다양한 방식으로 인해서, 추후에 블레이드를 개장할 수도 있을 것이다.
심지어는 손상된 와류-발생장치(61)를 용이하게 제거하고 그리고 교환할 수도 있을 것이다.
추후에 와류-발생장치(61)의 위치를 변경하고 및/또는 분포를 변경하고 및/또는 그 수를 조정할 수도 있을 것이다. 바람직하게, 이러한 작업은 풍력 터빈 사이트에 따라서 또는 사이트-특이 영향에 따라서 이루어질 수 있을 것이다.
바람직하게, 와류-발생장치 또는 복수의 와류-발생장치가 벨트 또는 스트립(여기에서는 상세하게 도시하지 않음) 상에 정렬된다. 그에 따라, 스트립이 플랫폼(41)의 통합된 부분이 될 수 있을 것이다. 스트립으로 인해서, 복수의 와류-발생장치를 짧은 시간에 그리고 매우 용이하게 배치할 수 있을 것이다.
도 2는 와류-발생장치가 블레이드-표면에 적용된 본원 발명에 따른 구성을 도시한다.
와류-발생장치(62)는 도 1에 도시된 바와 같이 플랫폼 및 연장-부분을 포함한다.
와류-발생장치(62)의 플랫폼은 함몰부(72) 내에 정렬된다.
함몰부(72)는 전술한 바와 같이 블레이드(11)의 통합된 부분이 되고 그리고 블레이드(12) 내로 형성될 수 있을 것이다.
양면 접착 테입(DST)을 이용하여, 와류-발생장치(62)를 플랫폼(전술한 바와 같이 도 1에 따라서)을 통해서 함몰부(72) 내로 정렬 및 사전-고정(pre-fix)할 수 있을 것이다.
다음에, 와류-발생장치(62)의 플랫폼과 함몰부(72)의 벽들 사이의 잔류 갭(gap)이 고정 물질(FI)로 충진되며, 상기 고정 물질은 예를 들어 실리콘 또는 소위 "구조적 충진제"를 포함한다.
이러한 단계는 와류-발생장치를 오랜 시간 동안 고정하기 위해서 그리고 그 내부에 물, 결빙, 염분 등이 고이지 않도록 보장하기 위해서 이루어진다.
전술한 바와 같이, 블레이드 내로 함몰부를 가져오거나 또는 형성하거나 또는 성형하기 위한 작업 및/또는 와류-발생장치-플랫폼을 함몰부 내부에 고정하는 작업은 풍력-터빈 사이트의 옆에서 또는 심지어 블레이드가 제조되는 장소 옆에서 이루어질 수 있을 것이다.
만약 함몰부가 제조-사이트 옆에서의(asides) 밀링 가공에 의해서 블레이드 내로 성형된다면, 와류-발생장치(62)가 심지어는 이러한 장소의 옆에서 또는 심지어는 풍력-터빈-사이트의 옆에서 고정되고 배치될 수 있을 것이다.
바람직하게, 본원 발명은 블레이드의 특성들을 테스트하고 그리고 평가를 위해서 또는 추가적인 용도를 위해서 블레이드를 최적화하는 그러한 테스트 사이트의 옆에서 이용될 수 있을 것이다.
도 3 및 도 4는 본원 발명에 따른 다른 구성을 도시하며, 그러한 구성에서 와류-발생장치(63)가 다른 방식으로 블레이드(13)의 표면에 적용된다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 와류 발생장치(63)는 플랫폼 및 연장-부분을 포함한다.
와류-발생장치(63)의 플랫폼은 함몰부(73) 내에 정렬된다.
함몰부(73)는 블레이드(13)의 표면의 통합된 부분이고 그리고 전술한 바와 같이 형성되고 성형될 수 있을 것이다.
접착제(AD)가 함몰부(73) 내로 도포되고 그리고 와류 발생장치(63)의 플랫폼을 함몰부(73) 내에 정렬시키고 고정하기 위해서 이용된다(전술한 바와 같이 도 1 및 도 2에 따름).
와류-발생장치(63)는 함몰부(73) 내로 가압되고 그리고 그 플랫폼은 그 내부에 위치된다. 와류-발생장치(63)의 플랫폼 주위의 실질적으로 모든 "자유 공간"이 접착제(AD)로 충진되도록 하는 방식으로 접착제(AD)가 함몰부(73) 내부에 분포된다.
그에 따라, 플랫폼의 표면과 함몰부(73)의 측벽들 사이의 갭이 접착제로 완전히 충진되도록 하는 방식으로 접착제(AD)의 양이 선택된다.
부가적인 양의 수지(ADH)가 갭을 폐쇄하도록 하는 방식으로 접착제(AD)의 양이 또한 선택되며, 상기 갭은 블레이드의 표면과 플랫폼의 상부 표면에 의해서 형성된다. 그에 따라, 원주방향 테두리(rim) 또는 비드(bead)가 이러한 접촉 라인을 따라서 또는 이러한 갭을 따라서 정렬된다.
그러한 테두리는 물 및 결빙을 회피하기 위해서 공격 면적을 최소화할 수 있게 보장한다.
필요한 경우에, 예를 들어 "습식-조건(wet-condition)" 또는 "건식-조건"에서 테두리를 추후에 제거할 수 있을 것이다.
요약하면, 본원 발명은 전술한 바와 같이 블레이드에 관한 것이고 그리고 블레이드를 개장하기 위한 방법에 관한 것이다.
또한, 본원 발명은 블레이드에 관한 것이며, 그러한 블레이드는 특허청구범위의 방법의 단계들에 따라서 와류-발생장치를 이용하여 개장되도록 준비된다.
또한, 본원 발명은 와류-발생장치에 관한 것으로서, 그러한 와류-발생장치는 특허청구범위의 방법의 단계들에 따라서 블레이드-개장을 위해서 사용되도록 준비된다.

Claims (16)

  1. 풍력 터빈의 블레이드로서:
    - 블레이드는 블레이드-표면에 위치되는 하나 이상의 와류-발생장치를 포함하고, 상기 와류-발생장치는 상기 블레이드의 공기 역학적인 특성에 기여하는 방식으로 구성되고 정렬되며,
    - 상기 와류-발생장치는 플랫폼 및 연장-부분을 포함하며,
    - 상기 블레이드는 상기 와류-발생장치의 플랫폼의 적어도 일부를 수용하도록 구성되고 정렬된 함몰부를 포함하며,
    - 상기 플랫폼이 상기 함몰부 내에 고정되는
    풍력 터빈의 블레이드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 함몰부가 상기 블레이드의 통합된 부분이고, 상기 함몰부는 상기 블레이드가 제조되는 동안에 블레이드 내로 형성되고 또는 상기 함몰부는 이미 만들어진 블레이드 내로 추후에 형성되는
    풍력 터빈의 블레이드.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플랫폼이 함몰부와 연결되고 및/또는 아교에 의해서, 접착제에 의해서, 실리콘에 의해서 또는 접착제를 가지는 양면 접착 테입에 의해서 함몰부 내에 고정되는
    풍력 터빈의 블레이드.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플랫폼이 함몰부와 연결되고 및/또는 도프테일형 표면-구조물에 의해서 함몰부 내에 고정되는
    풍력 터빈의 블레이드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    전체 플랫폼이 함몰부 내로 정렬되고 그에 따라 연장-부분만이 블레이드-특성에 기여하는
    풍력 터빈의 블레이드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 함몰부와 상기 플랫폼 사이의 연결부가 강우, 결빙, 염분 및/또는 서리와 같은 주변 영향으로부터 적어도 보호되는 방식으로 상기 연결부가 구성되고 정렬되는
    풍력 터빈의 블레이드.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드가 복수의 함몰부를 포함하고, 상기 복수의 함몰부는 제조 중에 블레이드 내로 성형되고 또는 추후에 블레이드 내로 성형되어, 복수의 와류-발생장치로 블레이드를 개장할 수 있게 하는
    풍력 터빈의 블레이드.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드가 복수의 함몰부를 포함하고, 상기 복수의 함몰부는 제조 중에 블레이드 내로 성형되고 또는 추후에 블레이드 내로 성형되어, 사이트-특이 영향들에 따라서 블레이드-특성에 영향을 미치기 위한 개장으로서 복수의 와류-발생장치의 조정 및 분포를 가능하게 하는
    풍력 터빈의 블레이드.
  9. 제 1 항, 제 7 항 및 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 와류-발생장치가 그들의 플랫폼에 의해서 벨트 또는 스트립 상에 정렬되는
    풍력 터빈의 블레이드.
  10. 제 9 항에 있어서,
    - 상기 벨트 또는 스트립이 상기 플랫폼의 통합된 부분이고, 그리고
    - 상기 벨트 또는 스트립이 상기 플랫폼-고정을 위해서 상기 함몰부와 상호작용하는 방식으로 정렬되고 디자인되는
    풍력 터빈의 블레이드.
  11. 제 1 항에 있어서,
    - 상기 블레이드가 제조되는 동안에 또는 상기 블레이드가 미리-제조된 후에, 상기 함몰부가 상기 블레이드로 통합되도록 하는 방식으로 구성되고, 그리고
    - 상기 와류-발생장치가 추후의 개장으로서 와류-발생장치의 플랫폼에 의해서 상기 함몰부와 연결되는 방식으로 구성되는
    풍력 터빈의 블레이드.
  12. 풍력 터빈의 블레이드를 개장하는 방법으로서:
    - 하나 이상의 함몰부가 블레이드의 제조 중에 블레이드의 표면 내로 형성되고 또는 추후에 블레이드의 표면 내로 형성되고,
    - 블레이드의 공기 역학적 특성에 기여하기 위해서 추후에 와류-발생장치가 상기 블레이드에 위치되고,
    - 함몰부가 와류-발생장치의 플랫폼의 적어도 일부를 수용하는 방식으로, 플랫폼 및 연장-부분을 포함하는 와류-발생장치가 플랫폼을 통해서 함몰부 내로 가압되며, 그리고
    - 상기 플랫폼이 상기 함몰부 내에 고정되는
    풍력 터빈의 블레이드를 개장하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    - 양면 접착 테입을 이용하여 와류-발생장치의 플랫폼을 함몰부 내에 정렬시키고 그리고 위치시키며, 그리고
    - 상기 와류-발생장치의 플랫폼과 함몰부의 벽 사이의 잔류 갭이 고정-물질로 충진되는
    풍력 터빈의 블레이드를 개장하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    - 접착제를 이용하여 와류-발생장치의 플랫폼을 함몰부 내에 정렬시키고 그리고 위치시키며, 그리고
    - 상기 와류-발생장치가 함몰부 내로 가압될 때, 상기 접착제가 함몰부 내부에 분포되어 상기 와류-발생장치의 플랫폼 주위의 실질적으로 모든 자유 공간을 충진하는
    풍력 터빈의 블레이드를 개장하는 방법.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따라 와류-발생장치로 개장되도록 준비되는
    블레이드.
  16. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 블레이드-개장을 위해서 이용되도록 준비되는
    와류-발생장치.
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