KR20120136030A - 풍력발전기용 블레이드 및 풍력발전기 - Google Patents

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Abstract

풍력발전기용 블레이드가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드는, 상기 블레이드의 회전에 따라 와류가 발생되는 2차유동영역을 갖는 루트부의 전연부 상에 전방으로 완만하게 돌출되어, 상기 2차유동영역의 면적을 감소시키는 스웹트부;를 포함한다.

Description

풍력발전기용 블레이드 및 풍력발전기{blade of wind powergenerator and powergenerator}
본 발명은 풍력발전기용 블레이드 및 풍력발전기에 관한 것이다.
풍력발전기는 로터(rotor)와 같은 회전체를 이용하여 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산하는 장치로, 화석연료 대체 효과가 크고, 전기시설 보급이 어려운 낙후 지역에 경제성 있는 전력 보급이 가능하도록 하는 이점이 있어 에너지 분야에서 그 적용이 확장되고 있다.
일반적으로 풍력발전기는 풍향에 따라 위치가 변화되도록 후미에 방향타가 마련된 동체가 지주의 상부에 설치되고, 동체의 선단에는 로터가 회전 가능하게 설치며, 로터의 회전에 의해 발생된 유도기전력을 축전지에 저장하는 구조를 가진다.
풍력발전기의 로터는 블레이드와 허브로 이루어지고, 허브에 구동 장치를 설치하여 블레이드의 피치각을 조정하며, 블레이드는 단면이 익형으로 구성되고 루트부에서 선단부로 가면서 그 단면 형상이 연속적으로 변화되는 형상을 가진다.
바람에 의해 블레이드에는 양력과 항력이 작용하게 되는데, 바람으로 인한 항력에 기반하는 항력형 풍력발전기는 그 회전 속도가 바람의 속도를 넘을 수 없는데 반해, 날개에서 발생하는 양력에 기반하는 양력형 풍력발전기는 풍속보다 빠른 속도로 회전이 가능하여 풍력발전기의 고효율, 대형화 추세에 맞추어 적용되고 있다.
도 1은 일반적인 풍력발전용 블레이드 회전 시 유동 해석 결과를 도시한 평면도이고, 도 2의 (a), (b)는 블레이드 회전 시 박리영역에서의 와류(voltex)의 형태를 서로 다른 각도에서 도시한 사시도이다.
도 2의 (a), (b)에 도시된 빨간색 유선(sreamline)은 공기 흐름이 빠른 블레이드 상부의 저압면(suction surface)의 허브 근방에서 반경 방향으로 발달한 와류 구조를 나타내며, 흰색 유선은 공기 흐름이 느린 블레이드 하부의 고압면(pressure surface)의 허브 근방에서 반경 방향으로 발달한 와류 구조를 나타낸다.
도 1, 2를 참조하면, 블레이드는 직선형 전연을 가지고, 허브(hub)에 결합되는 루트(root)가 원형단면을 가지며, 표면을 유선형으로 매끄럽게 처리하여 블레이드의 회전, 이동에 의한 불필요한 공기 유동 발생을 방지하고 공력적 저항을 최소화하도록 한 구조를 가진다.
그러나, 허브(hub) 근방의 루트부 대부분에서는 블레이드 표면으로부터 유동이 이탈된 박리(separation) 영역(경계선(separation line)(SL) 후방의 블레이드 저압면(suction surface) 영역, 이하 '2차유동영역(secondary flow boundary layer)(SA)'이라 함)이 형성된다.
2차유동영역(SA)상에는 블레이드의 루트(root)부에서 발생하여 선단(tip)방향으로 연장형성되는 방사방향 기류(radial flow)(도 2의 (a), (b)에 도시된 와류의 소용돌이 중심부에 블레이드 길이 방향으로 연장되는 단부)가 발생되며, 최고 블레이드의 선단방향 70% 정도까지 영향을 미친다.
이러한 와류 및 방사방향 기류는 양력저하를 발생시켜 블레이드의 회전력을 약화시키는 요인으로 작용하게 되며, 블레이드 표면의 강한 압력 변동을 야기하여 공력 소음을 일으키게 된다.
이에 따라, 블레이드 회전 시 생성되는 2차유동영역, 와류 및 방사방향 기류의 형태 전환에 의해 풍력 발전기의 성능 향상을 구현할 수 있는 블레이드 형상 개발에 대한 노력이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예들은 허브에 결합되는 블레이드의 후연부에 발생되는 2차유동영역(secondary flow boundary layer)의 형태를 보다 공력 효율적인 형태로 변형시킬 수 있는 블레이드 구조를 제공함으로써 풍력 발전기의 성능 향상을 구현하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력발전기용 블레이드에 있어서, 상기 블레이드의 회전에 따라 와류가 발생되는 2차유동영역을 갖는 루트부의 전연부 상에 전방으로 완만하게 돌출되어, 상기 2차유동영역의 면적을 감소시키는 스웹트부;를 포함하는 풍력발전기용 블레이드가 제공될 수 있다.
또한, 상기 2차유동영역의 경계선을 후연부 측으로 이동시킬 수 있다.
또한, 상기 스웹트부는,상기 블레이드 전연부와 연속된 유선을 이루도록 연결 형성되며, 길이방향의 중간부에서 단부측으로 갈수록 전방 돌출 너비가 감소될 수 있다.
또한, 상기 스웹트부는, 허브와 결합되는 루트로부터 블레이드 전체 길이의 0.4 이내에 형성될 수 있다.
또한, 상기 스웹트부는, 블레이드 전체 길이의 0.25 내지 0.4 이하의 길이를 가질 수 있다.
또한, 상기 스웹트부는, 블레이드의 코드(chord)의 0.5 이하의 전방 돌출 너비를 가질 수 있다.
또한, 상기 스웹트부는, 블레이드의 최대코드를 갖는 부분에서 최대 전방 돌출 너비를 가질 수 있다.
또한, 상기 스웹트부는, 최대 전방 돌출 너비가 블레이드의 최대코드의 0.2이상 내지 0.5이하가 될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 블레이드가 장착되어 있는 풍력발전기가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 전연상에 전방으로 볼록한 형상으로 스웹트(swept)부를 형성함으로써, 블레이드의 후연부에 발생하게 되는 2차유동영역(secondary flow boundary layer)의 경계(separation line)부 형태를 루트(root)에 가까운 측은 보다 전방측으로, 선단(tip)에 가까운 측은 보다 후방측으로 변형시킬 수 있다.
블레이드의 선단에 가까울수록 실질적으로 토크(축회전력) 생성에 더 큰 영향을 끼치게 되므로, 상대적으로 루트에서 먼 영역에서 2차유동 발생을 저해하는 것에 의해, 루트에 가까운 일부에서 2차유동이 오히려 발달할지라도, 블레이드 전체적으로 토크를 증대시켜 풍력 발전기의 성능 향상을 구현할 수 있다.
도 1 - 일반적인 풍력발전용 블레이드의 회전 시 유동 해석 결과를 도시한 평면도
도 2 - 도 1의 블레이드 회전 시 박리영역에서의 와류(voltex)의 형태를 다양한 각도에서 도시한 사시도
도 3 - 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기의 블레이드를 도시한 평면도
도 4 - 도 3의 A-A선, B-B선, C-C선, D-D선 단면도
도 5 - 종래의 블레이드에서 발생되는 2차유동영역의 형태와 본 발명의 실시예에 따른 블레이드에서 발생되는 2차유동영역의 형태를 비교하여 도시한 개념도
도 6 - 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기의 블레이드 회전 시 유동 해석 결과를 도시한 평면도
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기의 블레이드를 도시한 평면도이고, 도 4의 (a), (b), (c), (d)는 각각 도 3의 A-A선, B-B선, C-C선, D-D선 단면도이다.
도 3, 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기의 블레이드는, 허브(hub)(미도시)에 결합되는 루트(root)부(10)와, 선단(tip)을 포함하는 선단(tip)부(20)와, 상기 루트부(10)의 전연(leading edge)(LE)에 형성되는 스웹트(swept)부(30)로 이루어진다.
상기 루트부(10)와 선단부(20)로 구성되는 블레이드 구조체는, 상기 허브와의 결합부인 루트(root)가 원형단면을 가지며, 상기 루트에서 선단(tip)까지 직선형으로 연장된 전연부를 가지면서 선단측으로 갈수록 단면이 축소되는 형상을 가진다.
상기 허브를 중심으로 블레이드 회전 시, 상기 루트부(10)의 후연(TE, trailing edge)부상에는, 상기 블레이트 표면을 따라 전방에서 후방측으로 이루어지던 공기 흐름이 블레이드 표면으로부터 탈리되고 전방에서 후방측으로 이루어지던 공기 흐름의 주류와 교차되는 2차유동(secondary flow)이 발생되는 2차유동영역(secondary flow boundary layer)(SA)이 형성된다.
상기 루트부(10)와 선단부(20)만으로 구성되고 상기와 같은 형상을 가지는 블레이드 구조체 적용 시, 상기 2차유동영역(SA)상에는 루트에 그 소용돌이의 중심부가 위치되고 블레이드의 길이방향(방사방향)을 따라 그 단부가 연장되는 형상의 와류(voltex)가 형성된다.(도 1, 2 참조)
상기 2차유동영역의 경계선(separation line)(SL)은 상기 루트부(10)상에서 블레이드의 길이방향을 따라 연장되면서도 상기 루트에서 선단측으로 갈수록 후연(TE)측으로 완만하게 굴곡된 형상을 가진다.
상기 스웹트부(30)는, 상기 루트부(10)의 직선형 전연부상에서 전방으로 완만하게 돌출된 부분으로, 도 4를 참조하면, 에어포일(air foil)의 전연부 형상을 가지고 상기 블레이드 전연부와 연속된 유선을 이루도록 연결 형성되며, 그 길이방향(블레이드의 길이방향과 동일)의 중간부가 가장 전방으로 돌출되고 그 길이방향의 가장자리측으로 갈수록 전방으로의 돌출 정도가 작아지는 형상을 가진다.
상기 스웹트부(30)는, 상기 루트부(10)상에 형성되는 상기 2차유동영역(SA)의 형태를 변환하여 블레이드 토크(축회전력)의 향상을 유도하기 위한 부분으로, 상기 2차유동영역(SA)에 영향을 끼칠 수 있는 범위에 걸쳐 형성되는 것이 바람직하다.
실험에 의해 도 1, 2에 도시된 바와 같은 형상의 블레이드에서는 루트에서 0.3~0.4R(R :블레이드 길이)에 해당되는 범위에 걸쳐 상기 2차유동영역(SA)이 발생하는 것을 확인한 바, 상기 스웹트부(30)를 상기 루트로부터 0~0.4R(블레이드 길이) 범위에 걸쳐 형성하였다.
또한, 상기 스웹트부(30) 형성에 의해 최대코드(max chord, 이하 'Cmax'로 기재한다) 위치가 변경되거나 루트의 단면형상이 변형되는 경우, 상기 2차유동영역(SA) 및 상기 2차유동영역(SA) 상에서의 기류의 전체적인 형태가 완전히 다른 형태로 전환될 수 있어 상기 스웹트부(30)의 형상(사양)에 따른 추후 블레이드 성능 예측 및 제어가 어려워진다.
따라서, 상기 스웹트부(30)를 적용함에 있어서는, 그 길이방향의 중간부가 상기 루트부(10)의 최대코드에 대응되는 지점에 위치되도록 한다. 즉, Cmax에 대응되는 지점에서 상기 스웹트부(30)의 전방 돌출너비가 최대가 되도록 한다.
상기 스웹트부(30)가 0.25R 미만의 길이, 0.2Cmax 미만의 전방 돌출 너비를 가지는 경우, 상기 2차유동영역(SA)의 변동에 영향을 끼치지 못하므로, 상기 스웹트부(30)는 0.25R 이상의 길이와 0.2Cmax 이상의 전방 돌출너비를 가지며, Cmax가 0.2R 지점에 형성되는 경우 최대 0.4R의 길이를 가질 수 있고, 무리한 기류 변동 방지를 위해 상한 0.5Cmax의 전방 돌출너비를 가진다.
도 3, 4에 도시된 본 발명의 제1실시예에서 블레이드의 Cmax는 0.2R 지점에 위치되며, 상기 스웹트부(30)는 Cmax 지점에서 0.3Cmax의 전방 돌출너비를 가지고(도 4의 (b)), 0.3R과 0.1R 지점에서 0.15C(chord)의 전방 돌출 너비를 가지며(도 4의 (a), (c)), 0.4R과 루트상에서는 전방 돌출 너비가 0인 형상을 가진다(도 4의 (d)).
Cmax의 위치, 블레이드 길이방향으로의 각 지점에서 상기 스웹트부(30)의 전방 돌출너비는 도 3, 4에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 형상에 한정되지 않고, 상기의 범위 내에서 다양한 실시예로 적용가능하다.
도 5의 (a), (b)는 각각 종래의 블레이드에서 발생되는 2차유동영역의 형태와 본 발명의 실시예에 따른 블레이드에서 발생되는 2차유동영역의 형태를 도시한 개념도이다.
도 5의 (a), (b)를 비교하여 확인할 수 있는 바와 같이, 상기 스웹트부(30)에 의해, 상기 2차유동영역의 경계선(separation line)(SL) 중 선단에 인접한 부분은 보다 후방측으로 이동되고, 루트에 인접한 부분은 보다 전방측으로 이동하게 된다.
상기 2차유동영역은 공기 흐름이 블레이드 표면으로 탈리되어 양력 손실을 발생시키게 되는 영역으로 그 전체적인 면적이 감소하게 되면 양력의 손실 또한 저감시킬 수 있으나, 실질적으로 토크는 힘×거리에 해당되는 값이므로 루트에서의 거리(r)가 보다 먼 위치에서의 2차유동영역이 보다 큰 악영향을 끼치게 된다.
이에 따라, 2차유동영역의 형태를 공력 효율적으로 변형시킴에 있어서는, 선단측에 보다 가까운 부분의 2차유동영역을 감소시키는 것에 의해 실질적인 토크 향상을 꾀할 수 있으며, 2차유동역역의 전체적인 면적이 상대적으로 감소되더라도 선단측에 보다 가까운 부분의 2차유동영역이 보다 확장된 형태라면 실질적인 토크 향상을 구현할 수 없다.
도 5의 (b)를 참조하면, 상기 스웹트부(30)의 선단부측 절반에서는 블레이드의 길이방향(방사방향)에 반대되는 방향(루트측으로의 구심방향)으로의 기류가 형성되어, 방사방향으로의 기류가 형성된 상기 2차유동영역(SA)의 경계선(SL) 위치를 후방측으로 후퇴시키게 된다.
상기 스웹트부(30)의 루트부측 절반에서는 블레이드의 길이방향과 동일한 방향으로의 기류가 추가로 형성되어 상기 2차유동영역의 경계선(SL) 위치를 전방측으로 오히려 발달시키게 되나, 상기와 같이 상기 스웹트부(30)의 선단부측에서 상기 2차유동영역(SA)의 경계선(SL) 위치를 후방측으로 후퇴시키는 작용에 의해 실질적으로는 토크를 향상시키게 된다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기의 블레이드 회전 시 유동 해석 결과를 도시한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기의 블레이드를 입체적으로 모델링하여 ANSYS로 유동 해석한 결과로서, 도 3에 도시된 형상과의 외관 차이는 해석 프로그램 화면상에서의 단순한 시각적 차이에 의한 것임을 밝혀둔다.
도 1, 도 6을 비교하면, 2차유동영역(SA) 중 상기 스웹트부(30) 후방에 위치한 부분에서, 상기 스웹트부(30) 중 선단에 인접한 절반부를 통과하는 유선(stream line)이, 도 1에서는 블레이드의 길이방향을 따라 직선형으로 연장된 형태를 가지는 것에 비해, 도 6에서는 전방측으로 완곡되며 전체 길이가 보다 짧아진 형태를 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 6에 도시된 경계선(SL)을 도 1에 도시된 경계선(SL)과 비교함으로써, 상기 2차유동영역(SA) 중 상기 스웹트부(30)의 루트부측 후방에 위치하는 영역의 전후방 너비는 확대되었으나, 상기 스웹트부(30)의 선단부측 후방에 위치하는 영역의 전후방 너비는 축소된 것을 확인할 수 있다.
블레이드가 대형화(예를 들어, 50m 길이 등)될수록 상기 루트부(10) 후연부상에서 2차유동 또한 발달하게 되므로, 블레이드의 대형화 추세에 맞추어 상기 스웹트부(30)를 공력 제어 요소로서 활용하여 블레이드 성능 향상을 기대할 수 있다.
블레이드가 대형화될수록 상기 스웹트부(30)의 설치 면적 또한 확대 적용되므로, 유리섬유(fiberglass)나 탄소섬유(carbon fiber)와 같이 중량에 비해 경도가 우수한 특성을 가지는 소재로 상기 스웹트부(30)를 구성하는 것이 바람직하며, 상기 스웹트부(30)를 일체 또는 다수로 분할 제작하여 상기 루트부(10) 전연부상에 결합할 수 있다.
10 : 루트부 20 : 선단부
30 : 스웹트부 SA : 2차유동영역
SL : 경계선 LE : 전연
TE : 후연

Claims (9)

  1. 풍력발전기용 블레이드에 있어서,
    상기 블레이드의 회전에 따라 와류가 발생되는 2차유동영역을 갖는 루트부의 전연부 상에 전방으로 완만하게 돌출되어, 상기 2차유동영역의 면적을 감소시키는 스웹트부;
    를 포함하는 풍력발전기용 블레이드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2차유동영역의 경계선을 후연부 측으로 이동시키는 것을 특징으로 하는풍력발전기용 블레이드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스웹트부는,
    상기 블레이드 전연부와 연속된 유선을 이루도록 연결 형성되며, 길이방향의 중간부에서 단부측으로 갈수록 전방 돌출 너비가 감소되는 풍력발전기용 블레이드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스웹트부는,
    허브와 결합되는 루트로부터 블레이드 전체 길이의 0.4 이내에 형성되는 풍력발전기용 블레이드.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스웹트부는,
    블레이드 전체 길이의 0.25 내지 0.4 이하의 길이를 가지는 풍력발전기용 블레이드.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 스웹트부는,
    블레이드의 코드(chord)의 0.5 이하의 전방 돌출 너비를 가지는 풍력발전기용 블레이드.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스웹트부는,
    블레이드의 최대코드를 갖는 부분에서 최대 전방 돌출 너비를 가지는 풍력발전기용 블레이드.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스웹트부는,
    최대 전방 돌출 너비가 블레이드의 최대코드의 0.2이상 내지 0.5이하인 풍력발전기용 블레이드.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 블레이드가 장착되어 있는 풍력발전기.
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