KR20130064087A - 풍차 날개, 이것을 구비한 풍력 발전 장치 및 풍차 날개의 설계 방법 - Google Patents

풍차 날개, 이것을 구비한 풍력 발전 장치 및 풍차 날개의 설계 방법 Download PDF

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고오지 후카미
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

플랫 백 날개형을 구비하고, 공력 특성이나 강성이 우수한 풍차 날개 및 이것을 구비한 풍력 발전 장치 및 풍차 날개의 설계 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 풍차 날개(1)는, 날개 선단부(2)와, 허브(112)에 연결되는 날개 근부(4)와, 상기 날개 선단부(2)와 상기 날개 근부(4) 사이에 위치하는 날개형부(6)를 구비한다. 날개형부(6)는, 적어도, 코드 길이(LC)에 대한 최대 두께(tMAX)의 비율을 도시하는 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하가 되는 날개 길이 방향에서 영역에 있어서, 후방 모서리(8)가 두께를 갖는 플랫 백 날개형(10)을 갖는다. 플랫 백 날개형(10)은, 상기 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 상기 영역에 있어서, 상기 최대 두께(tMAX)에 대한 후방 모서리(8)의 두께(tTE)의 비율을 나타내는 후방 모서리 두께비(Y)가 5% 이상 YH% 이하이며, YH는, 상기 날개 두께비(X)를 사용하여, YH=1.5X-30으로 나타낸다.

Description

풍차 날개, 이것을 구비한 풍력 발전 장치 및 풍차 날개의 설계 방법{WIND TURBINE BLADE, WINDTURBINE GENERATOR WITH THE SAME AND METHOD OF DESIGNING THE SAME}
본 발명은, 풍차 날개, 이것을 구비한 풍력 발전 장치 및 풍차 날개의 설계 방법에 관한 것이다.
최근, 지구 환경 보전의 관점에서, 풍력을 이용한 풍력 발전 장치의 보급이 진행되고 있다. 풍력 발전 장치는, 바람의 운동에너지를 날개(정확하게는 날개를 포함하는 로터 전체)의 회전에너지로 변환하고, 또한 이 회전에너지를 발전기에서 전력으로 변환하게 되어 있다.
풍력 발전 장치에 의한 발전 출력(풍차 출력)은, 다음 식으로 나타내고, 날개 효율이 높고, 날개 직경이 클수록 향상한다.
[수학식 1]
풍차 출력=1/2×공기 밀도×(풍속)3×날개 효율×변환 효율×π×(날개 직경/2)2
여기서, 날개 효율은, 바람의 운동에너지를 날개(정확하게는 날개를 포함하는 로터 전체)의 회전에너지로 변환할 때의 효율이다. 또한, 변환 효율은, 로터의 회전에너지를 발전기에 전달하고, 발전기에서 전력을 생성할 때의 효율이다.
그런데, 날개 효율에는, 이론상의 상한값(베츠 한계=0.593)이 존재하는 것으로 알려져 있다. 즉, 이론상의 최대 효율에서조차, 바람의 운동에너지 중 59.3% 밖에, 날개(정확하게는 날개를 포함하는 로터 전체)의 회전에너지로 변환할 수 없다. 실제의 풍차 날개에서는, 풍차 후류의 스월의 영향이나, 공기 저항의 존재때문에, 실현할 수 있는 날개 효율은 최대이어도 0.5 정도가 된다. 현재, 실용화되어 있는 풍차 날개의 날개 효율은, 전형값으로서 0.49 정도이기 때문에, 날개 설계의 개량에 의해 날개 효율을 개선할 수 있는 여지는, 기껏 0.01(현상의 날개 효율 전체에 대하여 2%) 정도에 지나지 않는다. 게다가, 날개 설계의 개량은, 소음 증대나 비설계점에 있어서의 효율 저하를 초래할 우려가 있어, 바람직하지 않은 경우도 있다. 따라서, 날개 효율의 개선에 의해, 풍력 발전 장치의 발전 출력을 대폭으로 높이는 것은 어렵다.
한편, 날개 직경은 그 자승으로 발전 출력에 영향을 미치기 때문에, 발전 출력의 향상을 위해서는 날개 직경의 확대가 효과적이다. 그러나, 날개 직경의 확대는, 풍차 날개가 바람에 받는 하중(공력 하중)의 증대 및 풍차 날개의 중량 증가에 수반하는 하중(중량 하중)의 증대를 초래하기 때문에, 로터를 지지하는 너셀의 대형화, 나아가서는 비용 증가의 요인이 된다. 따라서, 날개형(풍차 날개의 단면 형상)을 고안하고, 풍차 날개의 코드 길이를 짧게 해서 풍차 날개가 바람에 받는 하중(공력 하중)을 저감하는 동시에, 풍차 날개의 중량 증가에 수반하는 하중(중량 하중)의 증대를 억제하는 것을 생각할 수 있다.
따라서, 풍차 날개의 허브측에 가까운 부분의 후방 모서리(트레일링 엣지)를 두껍게 한 플랫 백 날개형이 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 내지 5 및 비특허 문헌 1 참조).
구체적으로는, 특허 문헌 1에는, 좌표에 의해 규정된 복수의 플랫 백 날개형을 갖는 풍차 날개가 기재되어 있다. 특허 문헌 2에는, 후방 모서리 주변에 있어서의 날개 두께가 후방 모서리에 다가갈수록 커지는 다이버젠트 형상의 플랫 백 날개형이 기재되어 있다. 또 특허 문헌 3에는, 플랫 백 날개형 인서트를 사용해서 플랫 백 날개형을 갖는 풍차 날개를 제조하는 기술이 개시되어 있다. 또 특허 문헌 4에는, 소음을 저감하기 위한 스플리터 플레이트를 후방 모서리에 설치한 플랫 백 날개형의 풍차 날개가 개시되어 있다. 또 특허 문헌 5에는, 날카로운 후방 모서리를 갖는 초기 날개형에 대하여 블레이드 엘리먼트를 추가 설치하고, 후방 모서리에 두께를 갖게 해서 플랫 백 날개형으로 하는 것이 개시되어 있다. 또한, 비특허 문헌 1에는, 복수의 계산 방법을 사용하여, 플랫 백 날개형의 공력 특성을 평가한 결과가 기재되어 있다.
도 15는, 플랫 백 날개형을 구비한 풍차 날개를 도시하는 도이다. 풍차 날개(100)는, 후방 모서리(8)가 두께를 갖기 때문에, 후방 모서리(8)의 후류측 영역(102)에 웨이크가 발생해서 영역(102)이 부압이 되는 성질을 갖는다. 후방 모서리(8)의 후류측 영역(102)의 부압은, 배측면(14)을 따라 흘러드는 공기류를 흡인하여, 배측면(14)에 있어서의 경계층의 박리를 늦춘다. 즉, 후방 모서리(8)의 후류측 영역(102)에 발생하는 부압에 의해 공기류를 배측면(14)으로 끌어당김으로써, 경계층의 박리가 억제되고, 배측면(14)에 있어서의 경계층의 박리점이 후방 모서리(8) 근방까지 후류측으로 어긋난다(경계층의 박리점이 후방 모서리(8) 근방에 고정된다). 그로 인해, 날카로운 후방 모서리를 갖는 종래의 날개형에 비해, 높은 받음각까지 양력을 발생시킬 수 있다. 따라서, 코드(16)의 길이(코드 길이)를 짧게 해도 충분한 양력이 얻어지기 때문에, 코드 길이를 저감하고, 풍차 날개가 바람에 받는 하중(공력 하중)을 작게 할 수 있다. 또 플랫 백 날개형에서는, 후방 모서리가 두께를 갖기 때문에, 날카로운 후방 모서리를 갖는 종래의 날개형에 비해 단면 계수가 우수하므로, 강도를 확보하면서 중량을 저감할 수 있다.
또한, 플랫 백 날개형에 관한 것은 아니지만, 특허 문헌 6에는, 날개형부와 날개 근부 사이의 천이부에 있어서, 후방 모서리 주변의 복측면에 부가 영역을 설치해서 양력을 증대시키도록 한 풍차 날개가 개시되어 있다.
미국 특허 제7883324호 명세서 미국 특허 출원 공개 제2009/0263252호 명세서 미국 특허 출원 공개 제2010/0143146호 명세서 유럽 특허 출원 공개 제2063106호 명세서 유럽 특허 출원 공개 제2031242호 명세서 유럽 특허 출원 공개 제1845258호 명세서
K. J. Standish 외 1명, 「Aerodynamic Analysis of Blunt Trai1ing Edge Airfoils」, Journal of Solar Energy Engineering, 2003년 11월, vo1. 125, p.479-487
그런데, 일반적인 풍차 날개는, 정격 회전수에 도달하는 풍속보다 높은 고 풍속 영역에서는, 날개 근부에 가까운 날개 길이 방향 위치일수록, 풍속 상승에 수반하는 받음각의 증가량이 크고, 받음각이 커지기 쉽다고 하는 경향이 있다. 이것에 대해서, 도 15에 도시하는 속도 삼각형을 사용해서 설명한다. 도 15에 있어서, 풍차 날개(100)는 화살표(R)의 방향으로 회전한다. 풍차 날개(100)는, 코드(16)가 날개 회전 방향(R)에 대하여 각도(θ)를 이루도록 배치되어 있다. 이 각도(θ)는, 코드(16)의 연장선(L1)과 날개 회전 방향(R)에 평행한 직선(L2) 사이의 각도이며, 풍차 날개(100)의 설치 각(피치각)을 의미한다. 또한, 상대 풍속 벡터(W)는, 날개 회전 방향(R)으로 회전하고 있는 풍차 날개(100)에 대한 바람의 상대적인 속도 벡터이며, 풍차 날개(100)의 회전 방향에 대하여 직각 방향에서 분사하는 바람의 속도 벡터(A)와, 풍차 날개(100)의 주속 벡터(rΩ)를 합성한 벡터이다. 그리고, 이 상대 풍속 벡터(W)와 코드(16)의 연장선(L1) 사이의 각도(α)가, 풍차 날개(100)의 받음각이다. 여기서, 정격 회전수에 도달하는 풍속보다 높은 고 풍속 영역에서는, 풍차 날개(100)의 회전수는 정격 회전수로 유지되기 때문에, 주속 벡터(rΩ)는 일정하다. 그로 인해, 풍속이 상승하고, 바람의 속도 벡터(A)가 커지면, 그만큼만 풍차 날개(100)의 받음각(α)은 커진다. 그 받음각(α)의 증가량은, 주속 벡터(rΩ)가 작은 날개 근부측의 날개 길이 방향 위치일수록 크다. 즉, 주속 벡터(rΩ)가 작은 날개 근부측의 날개 길이 방향 위치일수록, 풍속 상승에 수반하는 받음각(α)의 증가량이 크고, 받음각(α)이 커지기 쉽다고 하는 경향이 있다.
따라서, 날개 근부측에 가까운 영역에서는, 후방 모서리에 두께를 갖게 해서 (플랫 백 날개형을 채용해서), 높은 받음각까지 양력을 유지하는 것이 기대된다. 후방 모서리에 두께를 갖게 하면, 양력뿐만 아니라 저항력도 증대해버리지만, 날개 근부에 가까운 영역에서는, 양력 증대라고 하는 장점 쪽이 저항력 증대라고 하는 단점보다 크기 때문에, 후방 모서리를 두껍게 하는 것의 기술적 이득이 크다(즉, 높은 양항비를 실현할 수 있다). 반대로, 날개 선단부측에 근접할수록, 플랫 백 날개형을 채용하는 것에 의한 저항력 증대라고 하는 단점이, 양력 증대라고 하는 장점에 비교해서 뛰어나게 되고, 후방 모서리를 두껍게 함으로써 양항비가 오히려 작아질 경우도 있다.
본 발명자는, 검토의 결과, 코드 길이에 대한 최대 두께의 비율을 나타내는 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하가 되도록 비교적 날개 근부에 가까운 영역에서 있어서, 후방 모서리에 두께를 갖게 하는 것의 기술적 이득이 크다(즉, 높은 양항비를 실현할 수 있다)고 하는 지식을 얻었다. 그로 인해, 이 영역에 있어서의 플랫 백 날개형의 후방 모서리 두께를 적절한 범위 내로 설정하고, 공력 특성이나 강성의 개선을 도모하는 것이 중요하다고 생각된다.
그런데, 플랫 백 날개형에 관한 지식은 아직 그다지 축적되어 있지 않고, 상술한 영역에 있어서의 플랫 백 날개형의 후방 모서리 두께를 어떤 범위로 설정할지에 있어서 충분한 지식은 존재하지 않는다. 특허 문헌 1 내지 6 및 비특허 문헌 1에 있어서도, 상술한 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 영역에 있어서, 플랫 백 날개형의 후방 모서리의 두께를 어떤 범위로 할지에 대해서, 구체적인 개시는 이루어지지 않고 있다.
본 발명은, 상술한 사정에 감안해서 이루어진 것이며, 플랫 백 날개형을 구비하고, 공력 특성이나 강성이 우수한 풍차 날개 및 이것을 구비한 풍력 발전 장치 및 풍차 날개의 설계 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 풍차 날개는, 날개 선단부와, 풍차의 허브에 연결되는 날개 근부와, 상기 날개 선단부와 상기 날개 근부 사이에 위치하고, 적어도, 코드 길이(LC)에 대한 최대 두께(tMAX)의 비율을 나타내는 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하가 되는 날개 길이 방향의 영역에 있어서, 후방 모서리가 두께를 갖는 플랫 백 날개형을 갖는 날개형부를 구비하는 풍차 날개로서, 상기 플랫 백 날개형은, 상기 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 상기 영역에 있어서, 상기 최대 두께(tMAX)에 대한 후방 모서리의 두께(tTE )의 비율을 나타내는 후방 모서리의 두께 비(Y)가 5% 이상 YH% 이하이며, YH가, 상기 날개 두께비(X)를 사용하여, YH=1.5X-30으로 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명자의 지식에 따르면, 날개 두께비(X)가 40% 이상 5Q% 이하가 되는 날개 근부측에 비교적 가까운 영역에 있어서, 후방 모서리에 두께를 갖게 해서 플랫 백 날개형으로 함으로써, 양항비 특성을 효과적으로 개선할 수 있다. 따라서, 상기 풍차 날개에서는, 적어도, 날개 두께비(X)가 40 내지 50%인 날개 길이 방향의 영역에서는, 후방 모서리에 두께를 갖게 한 플랫 백 날개형으로 하고 있다. 또한, 상기 풍차 날개에서는, 날개 두께비(X)가 40 내지 50%인 상기 영역에 있어서 후방 모서리 두께비(Y)를 5% 이상으로 함으로써, 후방 모서리의 후류측의 웨이크에 기인해서 발생하는 부압에 의해, 복측면에 있어서의 경계층의 박리를 효과적으로 늦출 수 있다. 즉, 후방 모서리의 후류측에 발생하는 부압에 의해 공기류를 복측면으로 끌어당기고, 복측면에서의 경계층의 박리를 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 높은 받음각까지 양력을 발생시킬 수 있다(높은 받음각까지 실속하지 않는 고양력 특성을 실현할 수 있다). 또한, 후방 모서리 두께비(Y)를 5% 이상으로 함으로써, 풍차 날개의 단면 계수가 향상하므로, 강도를 유지하면서 풍차 날개의 경량화를 도모할 수 있다. 그런데, 후방 모서리 두께비(Y)를 크게 해서 후단부를 두껍게 하면, 양력뿐만 아니라 저항력도 증대하기 때문에, 후단부를 두껍게 하면 할수록 양항비(=양력/저항력)가 커져 공력 특성이 개선되는 것은 아니다. 본 발명자의 검토 결과에 따르면, 후방 모서리 두께비(Y)를 상한값(YH)(=15X-30)보다 크게 하면, 양력의 증가분보다 저항력의 증가분 쪽이 뛰어나게 되고, 거의 모든 받음각 범위에 있어서 양항비의 충분한 개선 효과가 보여지지 않게 된다. 이 점, 상기 풍차 날개에서는, 날개 두께비(X)가 40 내지 50%인 상기 영역에 있어서 후방 모서리 두께비(Y)를 상한값(YH)(=1.5X-30) 이하로 했으므로, 적어도 일부의 받음각 범위에 있어서 양항비의 충분한 개선 효과를 향수할 수 있다.
상기 풍차 날개에 있어서, 상기 풍차 날개의 회전 반경(R)에 대한 최대 코드 길이(LCMAX)의 비율을 나타내는 파라미터(S)와, 상기 날개 선단부의 주속 및 날개단 대표 코드 길이의 곱을 상기 회전 반경(R)으로 나눈 파라미터(T)가 T≤-5S+5의 관계를 만족할 경우, 상기 플랫 백 날개형은, 상기 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 상기 영역에 있어서, 상기 후방 모서리 두께비(Y)가 X-20≤Y≤1.5X-30이며, 상기 파라미터(S)와 상기 파라미터(T)가 T≥-5S+6의 관계를 만족할 경우, 상기 플랫 백 날개형은, 상기 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 상기 영역에 있어서, 상기 후방 모서리 두께비(Y)가 5≤Y≤0.5X-5이며, 상기 파라미터(S)와 상기 파라미터(T)가 -5S+5<T<-5S+6의 관계를 만족할 경우, 상기 플랫 백 날개형은, 상기 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 상기 영역에 있어서, 상기 후방 모서리 두께비(Y)가 0.5X-5<Y<X-20이어도 좋다. 또한, 상기 날개단 대표 코드 길이는, 상기 회전 반경(R)에 대한 비가 0.8인 날개 반경 위치(r)에 있어서의 코드 길이이다.
여기서, 파라미터(S 및 T)의 기술적 의미에 대해서, 도 16(a) 내지 (d)를 이용해서 설명한다.
일반적인 풍차에서는, 풍속이 커트 인 풍속(V1) 이상에 도달한 후, 정격 회전수에 도달하는 풍속(V2)이 되기까지의 사이, 성능(효율)이 최적(최대)이 되는 대략 일정한 주속비(최적 주속비 또는 설계 주속비라고 한다)로 운전된다(도 16(b) 참조). 여기서, 주속비는, 풍차 날개의 존재의 영향을 받지 않는 무한 상류측의 풍속(상류 풍속)을 사용하여, 날개단 주속[rpm]/상류 풍속[m/s]으로 나타낸다. 풍속이 커트 인 풍속(V1) 내지 정격 회전수에 도달하는 풍속(V2)의 가변속 영역에서는, 주속비가 최적 주속비(설계 주속비)로 유지되도록 바람의 속도 벡터(A)의 변화에 따라서 주속 벡터(W)가 변화되고, 받음각(α)은 풍차 날개에 적합한 대략 일정치(=최적 받음각(αopt)로 유지된다(도 16(b) 및 (d) 참조). 이에 대해, 풍속이 정격 회전수에 도달하는 풍속(V2)에 도달한 후, 회전수는 일정치(정격 회전수)로 유지되기 때문에, 주속 벡터(rΩ)는 거의 일정한 크기로 유지된다. 그로 인해, 정격 회전수에 도달하는 풍속(V2) 내지 정격 출력에 도달하는 풍속(V3)의 고 풍속 영역에서는, 풍속이 상승하면, 주속 벡터(rΩ)가 일정하게 유지된 채, 바람의 속도 벡터(A)만이 커지고, 결과적으로 풍차 날개의 받음각(α)은 커진다(도 16(d) 참조). 이 받음각(α)의 증가 경향은, 풍차 출력이 정격 출력에 도달하는 풍속(정격 풍속)(V3)까지 계속한다. 그리고, 정격 풍속(V3)에 도달한 후, 풍차 날개의 피치 제어에 의해 받음각(α)이 저감되어서 풍차 출력이 일정하게 유지된다. 또한, V2 내지 V3 사이에서도 피치 제어가 작용하여 도 16에 도시하는 각 상황과 약간 다른 경우도 있다.
그런데, 정격 회전수에 도달하는 풍속(V2 ) 내지 정격 출력에 도달하는 풍속(V3)의 고 풍속 영역에 있어서의, 상류 풍속의 상승분에 대한 받음각(α)의 증대량(도 16(d)의 그래프의 기울기)은, 코드 길이의 영향을 받는다. 가령 코드 길이가 제로인 풍차 날개이면, 무한 상류측의 풍속의 상승분만 바람의 속도 벡터(A)의 크기가 증가하고, 이 속도 벡터(A)의 크기의 증가량에 따라서 풍차 날개의 받음각(α)이 커진다. 그러나, 현실의 풍차 날개의 코드 길이는 제로가 아니기 때문에, 풍차 날개를 향해서 실제로 흘러 오는 바람의 속도 벡터(A)의 크기는, 풍차 날개의 존재의 영향을 적지 않게 받게 되고, 무한 상류측의 풍속(상류 풍속)의 상승분보다 작은 양밖에 증가하지 않는다. 그리고, 풍차 날개의 코드 길이가 커질수록, 풍차 날개의 존재의 영향을 무시할 수 없게 되기 때문에, 무한 상류측의 풍속(상류 풍속)이 상승했을 때의 바람의 속도 벡터(A)의 크기의 증가량은 작아진다. 따라서, 무한 상류측의 풍속의 상승분에 대한 받음각(α)의 증대량(즉, 풍속에 대한 받음각의 변화 감도, 보다 구체적으로는 도 16(d)에 있어서의 그래프의 기울기)은, 코드 길이가 커질수록 작아진다. 그렇다면, 풍차 날개의 회전 반경(R)에 대한 최대 코드 길이(LCMAX)의 비율을 나타내는 파라미터(S)는, 풍차 날개의 코드 길이의 크기 정도를 나타내는 무차원수이기 때문에, 이 파라미터(S)가 커질수록 풍속에 대한 받음각의 변화 감도는 작아진다. 즉, 파라미터(S)는, 풍속에 대한 받음각의 변화 감도(무한 상류측의 풍속의 상승분에 대한 받음각(α)의 증대량)의 지표이다.
또한, 도 16(d)로부터 명백해진 바와 같이, 정격 회전수에 도달하는 풍속(V2)과 정격 출력에 도달하는 풍속(정격 풍속)(V3)의 풍속차(=V3-V2)가 클수록, 풍차의 운전 범위 내에 있어서 취할 수 있는 받음각의 최대값(αMAX)이 커진다. 그로 인해, (특히 날개 근측의 날개 길이 방향 위치에 있어서) 받음각이 실속 각을 초과할 가능성이 높아지고, 높은 받음각까지 실속하지 않도록 풍차 날개를 설계하는 것이 중요해진다. 여기서, 정격 풍속(V3)은 많은 풍차에서 약 1Om/s 부근의 값(전형적으로는 11 내지 12m/S)이기 때문에, 풍차의 운전 범위 내에 있어서 취할 수 있는 받음각의 최대값(αMAX)은 주로 정격 회전수에 도달하는 풍속(V2)에 의해 지배된다. 즉, 정격 회전수에 도달하는 풍속(V2)이 작을수록, 상기 풍속차(V3-V2)가 커지고, 그만큼만 최적 받음각(αopt)으로부터의 받음각의 상승량이 커지고, 받음각의 최대값(αMAX)이 증대한다. 그리고, 이 풍속(V2)은 날개단 주속/설계 주속비로 주어진다. 또한, 설계 주속비는, 풍차 날개의 코드 길이 분포와 강한 상관을 갖고, 공기역학의 사실로서, 설계 주속비와, 코드 길이/회전 반경(R)이 약 반비례의 관계에 있다. 또한, 코드 길이는 풍차 날개의 날개 길이 방향에 다른 값으로 분포하지만, 풍차 날개의 성능에 가장 영향도가 강한 날개단 대표 코드 길이(=회전 반경(R)에 대한 비가 0.8인 날개 반경 위치(r)에 있어서의 코드 길이)에 의해 잘 대표된다. 즉, 1/설계 주속비∝날개단 대표 코드 길이/회전 반경(R)의 관계가 성립하기 때문에, 날개 선단부의 주속 및 날개단 대표 코드 길이의 곱을 회전 반경(R)으로 나눈 파라미터(T)는, 정격 회전수에 도달하는 풍속(V2)의 크기를 나타낸다(T=날개단 주속×날개단 대표 코드 길이/회전 반경(R)∝날개단 주속/설계 주속비, 즉 T∝풍속(V2)의 관계가 대강 성립한다). 그렇다면, 정격 풍속(V3)은 많은 풍차에서 같은 값을 채용하기 때문에, 정격 회전수에 도달하는 풍속(V2)의 크기를 나타내는 파라미터(T)는, 상기 풍속차(V3-V2)의 크기를 의미하는 것으로 되고, 결과적으로는 풍차 날개의 운전 범위 내에 있어서의 받음각의 최대값(αMAX)의 크기의 정도를 나타낸다. 구체적으로는, 파라미터(T)가 크고 풍속(V2)이 클 경우에는, 풍속차(V3-V2)가 작아지고, 그만큼 최적 받음각(αopt)으로부터의 받음각의 상승량은 작기 때문에, 받음각의 최대값(αMAX)도 비교적 작다. 반대로, 파라미터(T)가 작고 풍속(V2)이 작을 경우, 풍속차(V3-V2)가 커지고, 그만큼 최적 받음각(αopt)으로부터의 받음각의 상승량은 크기 때문에, 받음각의 최대값(αMAX)도 비교적 크다.
따라서, 파라미터(S 및 T)가 T≤-5S+5의 관계를 만족하는 경우에는, T≥-5S+6의 경우에 비해, 같은 파라미터(T)(정격 회전수에 도달하는 풍속과 정격 풍속과의 차)에 대해서 보면, 파라미터(S)는 작다(즉, 풍속에 대한 받음각(α)의 변화 감도는 크다). 그로 인해, 정격 회전수에 도달하는 풍속으로부터 정격 풍속까지 풍속이 상승하기까지 사이에, 풍차 날개의 받음각(α)이 증대하는 양은 크다. 또한, 같은 파라미터(S)에 대해서 보아도, 파라미터(S 및 T)가 T≤-5S+5의 관계를 만족하는 경우에는, T≥-5S+6의 경우에 비해 파라미터(T)가 작기(즉, 풍속차(V3-V2)가 크기) 때문에, 정격 회전수에 도달하는 풍속으로부터 정격 풍속까지 풍속이 상승하기까지의 사이에 풍차 날개의 받음각(α)이 증대하는 양은 크다. 즉, 파라미터(S 및 T)가 T≤-5S+5의 관계를 만족할 경우, 정격 회전수에 도달하고나서 정격 출력에 이르기까지의 풍차의 운전 범위에 있어서, 풍차 날개의 받음각(α)은 비교적 높은 값까지 증가하게 된다. 따라서, 이 경우에는, 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 영역에 있어서 후방 모서리 두께비(Y)를 X-20≤Y≤1.5X-30으로 설정하고, 높은 받음각(α)까지 복측면에 있어서의 경계층의 박리를 억제하는 것이 유효하다. 반대로, 파라미터(S 및 T)가 T≥-5S+6을 만족하는 경우에는, T≤-5S+5의 경우에 비해, 같은 파라미터(T)(정격 회전수에 도달하는 풍속과 정격 풍속과의 차)에 대해서 보면, 파라미터(S)가 크다(즉, 풍속에 대한 받음각(α)의 변화 감도가 작다). 그로 인해, 정격 회전수에 도달하는 풍속으로부터 정격 풍속까지 풍속이 상승하기까지의 사이에, 풍차 날개의 받음각(α)이 증대하는 양은 작다. 또한, 같은 파라미터(S)에 대해서 보아도, 파라미터(S 및 T)가 T≤-5S+5의 관계를 만족하는 경우에는, T≥-5S+6의 경우에 비해 파라미터(T)가 크기(즉, 풍속차(V3-V2)가 작기) 때문에, 정격 회전수에 도달하는 풍속으로부터 정격 풍속까지 풍속이 상승하기까지의 사이에 풍차 날개의 받음각(α)이 증대하는 양은 작다. 즉, 파라미터(S 및 T)가 T≥-5S+6의 관계를 만족할 경우, 정격 회전수에 도달하고나서 정격 출력에 이르기까지의 풍차의 운전 범위에 있어서, 풍차 날개의 받음각(α)은 그만큼 증가하지 않는다. 따라서, 이 경우에는, 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 영역에 있어서 후방 모서리 두께비(Y)를 5≤Y≤0.5X-5로 설정하고, 후단부 두께를 필요 최소한으로 제한하고, 저항력의 증가를 억제하면서, 양력을 증가시킬 수 있다.
또한, 파라미터(S 및 T)가 -5S+5<T<-5S+6의 관계를 만족하는 경우에는, 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 영역에 있어서 후방 모서리 두께비(Y)를 0.5X-5<Y<X-20으로 설정하고, 후단부 두께를 적절한 범위 내로 유지하고, 어느 정도의 받음각(α)까지 경계층의 박리를 억제하는 동시에, 저항력의 증가를 어느 정도 억제할 수 있다.
상기 풍차 날개에 있어서, 상기 플랫 백 날개형은, 상기 날개 두께비(X)가 35% 이상 40% 이하가 되는 날개 길이 방향의 영역에 있어서, 상기 날개 두께비(X)와 상기 후방 모서리 두께비(Y)가 X-35≤Y≤4X-130을 만족하도록 규정되어 있어도 된다. 이렇게 후방 모서리 두께비(Y)를 X-35 이상으로 함으로써, 후방 모서리의 후류측 웨이크에 기인해서 발생하는 부압에 의해, 복측면에 있어서의 경계층의 박리를 효과적으로 늦추고, 높은 받음각까지 양력을 발생시킬 수 있다. 또한, 후방 모서리 두께비(Y)를 X-35 이상으로 함으로써, 풍차 날개의 단면 계수의 개선에 의해, 강도를 유지하면서 풍차 날개의 경량화를 도모할 수 있다. 한편, 후방 모서리 두께비(Y)를 4X-130 이하로 함으로써, 적어도 어느 한쪽의 받음각 범위에 있어서 양항비의 개선 효과를 향수할 수 있다.
상기 풍차 날개에 있어서, 상기 플랫 백 날개형은, 후방 모서리가 날카로운 기준 날개형의 복측면과 배측면과의 간격을 넓혀서 상기 기준 날개형의 상기 날카로운 후방 모서리를 두껍게 한 단면 형상으로서 규정되고, 상기 날개형부에는, 상기 플랫 백 날개형의 복측면으로부터, 상기 플랫 백 날개형의 상기 후방 모서리보다 후방으로 연속적으로 연장시킨 오목 형상 만곡면 또는 평면으로 이루어지는 복측 연장 설치면이 설치되어 있고, 상기 복측 연장 설치면은, 후류측을 향함에 따라서 상기 플랫 백 날개형의 코드로부터 이격되도록 상기 코드에 대하여 경사져 있어도 된다. 이와 같이, 플랫 백 날개형의 복측면으로부터 후방으로 연장시킨 오목 형상 만곡면 또는 평면으로 이루어지는 복측 연장 설치면을 설치함으로써, 플랫 백 날개형의 복측에 있어서의 공기(바람)의 흐름을 하향(복측면으로부터 이격되는 방향)으로 변향시켜, 풍차 날개에 작용하는 양력을 증대시킬 수 있다.
상기 복측 연장 설치면을 설치할 경우, 상기 날개형부에는, 상기 플랫 백 날개형의 배측면에서, 상기 플랫 백 날개형의 상기 후방 모서리보다 후방으로 연장하는 배측 연장 설치면이 설치되어 있고, 상기 복측 연장 설치면 및 상기 배측 연장 설치면은, 각각, 상기 플랫 백 날개형의 상기 후방 모서리로부터 후방으로 연장하도록 설치된 연장 설치부의 복측의 외표면과 배측의 외표면으로서, 상기 연장 설치부의 후단부면과 상기 배측 연장 설치면이 이루는 각도는, 상기 플랫 백 날개형의 상기 복측면과 상기 후방 모서리의 단부면이 이루는 각도에 비교해서 작게 해도 좋다.
이에 의해, 플랫 백 날개형의 상기 후방 모서리로부터 후방으로 연장하도록 설치된 연장 설치부의 후단부면과 상기 배측 연장 설치면이 이루는 각도를 예각에 근접할 수 있다. 따라서, 연장 설치부의 후류에 있어서의 부압에 의해, 배측면을 따라 흘러드는 공기류를 보다 강하게 흡인하여, 배측면에 있어서의 경계층의 박리를 보다 한층 늦출 수 있다.
또한, 플랫 백 날개형과는 별체로서 연장 설치부를 형성하고, 이 연장 설치부를 플랫 백 날개형에 부가하도록 하면, 플랫 백 날개형의 후방 모서리의 강성과, 풍차 날개의 버클링 강도와, 풍차 날개를 구성하는 복측 외피 및 배측 외피의 접착 강도를 향상시킬 수 있다.
또는, 상기 복측 연장 설치면을 설치할 경우, 상기 복측 연장 설치면은, 상기 플랫 백 날개형의 상기 후방 모서리로부터 후방으로 연장하도록 설치된 연장 설치부의 복측의 외표면으로서, 상기 연장 설치부의 배측의 외표면은, 상기 플랫 백 날개형의 상기 배측면과 상기 후방 모서리와의 교점보다도 복측의 위치에 있어서, 상기 플랫 백 날개형의 상기 후방 모서리의 단부면과 교차하고 있고, 상기 플랫 백 날개형의 상기 배측면과 상기 후방 모서리와의 상기 교점은, 상기 연장 설치부에 덮어져 있지 않아도 좋다.
이와 같이, 플랫 백 날개형의 배측면과 후방 모서리와의 교점을 연장 설치부에 의해 덮지 않고 노출시킴으로써, 플랫 백 날개형의 경계층 박리의 억제 효과에 영향을 미치는 일 없이, 복측 연장 설치면에 의한 양력 증대 효과를 얻을 수 있다.
상기 풍차 날개에 있어서, 상기 플랫 백 날개형은, 후방 모서리가 날카로운 기준 날개형의 복측면과 배측면과의 간격을 넓혀서 상기 기준 날개형의 상기 날카로운 후방 모서리를 두껍게 한 단면 형상으로서 규정되고, 상기 날개형부에는, 상기 플랫 백 날개형의 상기 후방 모서리와, 상기 플랫 백 날개형의 복측면 및 배측면의 상기 후방 모서리측의 부분을 덮는 피복부가 설치되어 있고, 상기 피복부의 복측의 외표면은, 상기 플랫 백 날개형의 복측면으로부터 연속적으로 연장하고 있는 오목 형상 만곡면 또는 평면이며, 또한, 후류측을 향함에 따라서 상기 플랫 백 날개형의 코드로부터 이격되도록 상기 코드에 대하여 경사져 있어도 된다.
이와 같이, 플랫 백 날개형의 후방 모서리측을 덮는 피복부의 복측 외표면을, 플랫 백 날개형의 복측면으로부터 후방으로 연장시킨 오목 형상 만곡면 또는 평면으로 함으로써, 플랫 백 날개형의 복측에 있어서의 공기(바람)의 흐름을 하향(복측면으로부터 이격되는 방향)으로 변향시키고, 풍차 날개에 작용하는 양력을 증대시킬 수 있다.
또한, 플랫 백 날개형의 후방 모서리측을 피복부로 덮음으로써, 후방 모서리의 강성이나, 풍차 날개의 버클링 강도를 향상시킬 수 있다.
상기 풍차 날개에 있어서, 상기 날개형부는, 날개 길이 방향에 관해서 트위스트되어 있고, 상기 플랫 백 날개형의 상기 후방 모서리의 단부면이 트위스트되어있지 않은 평면 또는 곡면이 이루어지도록, 상기 단부면이 상기 플랫 백 날개형의 코드의 직교면에 대하여 이루는 각도(θ)를 날개 길이 방향에 관해서 다르게 해도 좋다.
이에 의해, 플랫 백 날개형의 후방 모서리의 단부면(후방 모서리면)이 트위스트되어있지 않은(비틀어지지 않은) 평면 또는 곡면이 되므로, 풍차 날개의 제조를 용이하게 행할 수 있다.
또한, 각도(θ)는, 날개 근부에 근접함에 따라서 커지도록 해도 좋다.
풍차 날개는, 일반적으로, 날개 근부에 가까운 날개 길이 방향 위치일수록, 풍속 상승에 수반하는 받음각의 증가량이 크고, 받음각이 커지기 쉽다고 하는 경향이 있다. 따라서, 날개 근부에 근접할수록 상기 각도(θ)를 크게 함으로써, 플랫 백 날개형의 배측면과 후방 모서리면 사이의 각도를 예각에 근접하고, 날개 근부에 근접할수록, 보다 높은 받음각까지 양력을 발생시킬 수 있다(보다 높은 받음각까지 실속하지 않는 고 양력 특성을 실현할 수 있다).
상기 풍차 날개에 있어서, 상기 플랫 백 날개형은, 상기 플랫 백 날개형의 복측면을 형성하는 복측 외피와, 상기 플랫 백 날개형의 배측면을 형성하는 배측 외피가, 상기 후방 모서리에 있어서 폐쇄하고 있지 않고, 상기 복측 외피와 상기 배측 외피는, 상기 후방 모서리 근처의 위치에 있어서, 상기 복측 외피와 상기 배측 외피 사이에 설치되어 날개 길이 방향으로 연장하는 후방 모서리 거더를 통해서 접합되어 있어도 된다.
후방 모서리 거더를 통해서 복측 외피와 배측 외피를 접합함으로써, 복측 외피와 배측 외피가 후방 모서리에 있어서 폐쇄하지 않아도, 충분한 강도를 확보할 수 있다. 또한, 후방 모서리가 개방되어 있어도, 이것이 복측 및 배측에 있어서의 바람의 흐름에 영향을 미치는 일은 거의 없다. 또한, 후방 모서리를 폐쇄하지 않음으로써, 후방 모서리 거더가 외부에 노출하여, 후방 모서리 거더의 설치 상태를 확인할 수 있어서 유리하다.
본 발명에 따르면, 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하가 되는 날개 근부측에 비교적 가까운 영역에 있어서, 후방 모서리에 두께를 갖게 해서 플랫 백 날개형으로 함으로써, 양항비 특성을 효과적으로 개선할 수 있다.
또한, 날개 두께비(X)가 40 내지 50%인 상기 영역에 있어서 후방 모서리 두께비(Y)를 5% 이상으로 했으므로, 후방 모서리의 후류측 웨이크에 기인해서 발생하는 부압에 의해, 배측면에 있어서의 경계층의 박리를 효과적으로 늦출 수 있다. 즉, 후방 모서리의 후류측에 발생하는 부압에 의해 공기류를 배측면으로 끌어당기고, 배측면에서의 경계층의 박리를 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 높은 받음각까지 양력을 발생시킬 수 있다. 또한, 후방 모서리 두께비(Y)를 5% 이상으로 함으로써, 풍차 날개의 단면 계수가 향상하므로, 강도를 유지하면서 풍차 날개의 경량화를 도모할 수 있다. 또한, 날개 두께비(X)가 40 내지 50%인 상기 영역에 있어서 후방 모서리 두께비(Y)를 상한값(YH)(=1.5X-30) 이하로 했으므로, 적어도 일부의 받음각 범위에 있어서 양항비의 충분한 개선 효과를 향수할 수 있다.
도 1은 풍력 발전 장치의 구성예를 도시하는 도이다.
도 2는 제1 실시 형태에 관한 풍차 날개의 구성예를 도시하는 사시도이다.
도 3은 플랫 백 날개형의 일례를 나타내는 도이다.
도 4는, (a)는 도 2에 있어서의 A-A 단면도, (b)는 도 2에 있어서의 B-B 단면도, (c)는 도 2에 있어서의 C-C 단면도이다.
도 5는 플랫 백 날개형의 형상 결정시에 사용하는 설정 에어리어를 도시하는 그래프이다.
도 6은 도 5에 도시하는 설정 에어리어 중 제1 내지 제3 에어리어의 어느 하나를 선택하기 위한 맵을 도시하는 도이다.
도 7은 풍차 날개의 내부 구조의 예를 나타내는 도이다.
도 8은 풍차 날개의 내부 구조의 다른 예를 도시하는 도이다.
도 9는 제2 실시 형태의 풍차 날개의 예를 나타내는 도이다.
도 10은 제2 실시 형태의 풍차 날개의 다른 예를 도시하는 도이다.
도 11은 제3 실시 형태의 풍차 날개의 예를 나타내는 도이다.
도 12는 제3 실시 형태의 풍차 날개의 다른 예를 도시하는 도이다.
도 13은 제4 실시 형태의 풍차 날개의 예를 나타내는 도이다.
도 14는 제4 실시 형태의 풍차 날개의 다른 예를 도시하는 도이다.
도 15는 플랫 백 날개형을 구비한 풍차 날개를 도시하는 도이다.
도 16은 일반적인 풍차의 운전 조건을 도시하는 도이며, (a)는 상류 풍속과 풍차의 회전수와의 관계를 도시하는 그래프이며, (b)는 상류 풍속과 주속비와의 관계를 도시하는 그래프이며, (c)는 상류 풍속과 풍차 출력과의 관계를 도시하는 그래프이며, (d)는 상류 풍속과 받음각과의 관계를 도시하는 그래프이다.
이하, 첨부 도면에 따라서 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다. 단, 이 실시 형태에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은, 특정적인 기재가 없는 한 본 발명의 범위를 이것에 한정하는 취지가 아니고, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 상세하게 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 각종 개량이나 변형을 행해도 좋은 것은 말할 필요도 없다.
[제1 실시 형태]
가장 먼저, 제1 실시 형태에 관한 풍차 날개에 대해서 설명한다. 도 1은, 풍력 발전 장치의 구성예를 도시하는 도이다. 도 2는, 제1 실시 형태에 관한 풍차 날개를 도시하는 사시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 풍력 발전 장치(110)는, 1개 이상(이 예에서는 3개)의 풍차 날개(1)와, 풍차 날개(1)가 설치되는 허브(112)와, 풍차 날개(1) 및 허브(112)를 포함하는 로터를 지지하는 너셀(114)과, 너셀(114)을 선회 가능하게 지지하는 타워(116)를 구비한다. 또한, 로터의 회전은 도시하지 않은 발전기에 입력되어, 상기 발전기에 있어서 전력이 생성되도록 되어 있다. 풍차 날개(1)의 허브(112)에의 설치는, 풍차 날개(1)의 날개 근부(4)를 허브(112)에 임의의 체결 부재를 사용해서 고정함으로써 행해진다.
도 2에 도시한 바와 같이, 풍차 날개(1)는, 날개 선단부(2)와, 풍차의 허브(112)(도 1 참조)에 연결되는 날개 근부(4)와, 날개 선단부(2)와 날개 근부(4)와의 사이에 위치하는 날개형부(6)를 구비하고 있다. 날개형부(6)는, 전방 모서리(리딩 엣지)(7)와 후방 모서리(트레일링 엣지)(8)를 갖는다. 날개형부(6)의 후방 모서리(8)는, 적어도 일부가 두께를 갖도록 형성되어 있다. 바꾸어 말하면, 날개형부(6)는, 후방 모서리(8)가 두꺼운 플랫 백 날개형(10)을 적어도 일부에 갖고 있다.
여기서, 날개형부(6)의 플랫 백 날개형(10)에 대해서 설명한다. 도 3(a) 및 (b)는, 플랫 백 날개형(10)의 예를 나타내는 도이다.
도 3(a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 플랫 백 날개형(10)의 외형은, 복측면(압력측: pressure side)(12)과, 배측면(흡인측: suction side)(14)에 의해 형성된다. 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리(8)는, 후방 모서리 두께(tTE)를 갖고 있다. 또한, 전방 모서리(7)와 후방 모서리(8)(정확하게는, 후방 모서리면(9)의 날개 두께 방향에 있어서의 중점)를 연결하는 코드(익현선)(16)는, 코드 길이(LC)를 갖고 있다. 또한, 도 3(b)에 도시한 바와 같이, 코드(16)에 대하여 후방 모서리면(9)이 경사져 있을 경우, 복측면(12) 및 배측면(14)의 양쪽에 교차하는 가장 후류측의 코드(16)의 직교면(N)에 있어서의 두께를 후단부 두께(tTE)라고 한다.
도 3(a) 및 (b)에 도시하는 예에서는, 플랫 백 날개형(10)의 두께(즉 복측면(12)과 배측면(14)과의 거리)는, 전방 모서리(7)로부터 후방 모서리(8)를 향함에 따라서 제로로부터 서서히 증가해서 최대 두께(tMAX)를 맞이한 후, 서서히 작아져, 최종적으로는 후방 모서리 두께(tTE)가 된다.
플랫 백 날개형(10)은, 후방 모서리가 날카로운 기준 날개형(20)의 복측면(22)과 배측면(24)과의 간격을 넓히고, 상기 기준 날개형(20)의 날카로운 후단부를 두껍게 한 단면 형상으로서 규정되는 것이 바람직하다. 즉, 기준 날개형(20)의 날카로운 후방 모서리를 절단하는 컷백법이 아니고, 기준 날개형(20)의 날카로운 후방 모서리를 개방하는 오픈업법에 의해, 플랫 백 날개형(10)을 규정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 3(a)에 도시한 바와 같이, 캠버 라인(26)을 중심선으로 해서, 기준 날개형(20)의 복측면(22) 및 배측면(24)의 위치를 외측으로 같은 양 어긋나게 함으로써, 각각, 플랫 백 날개형(10)의 복측면(12)과 배측면(14)을 얻도록 해도 좋다. 또한, 캠버 라인(26)은, 기준 날개형(20)의 복측면(22)과 배측면(24)과의 중점을 연결한 선이며, 날개형의 공력적 성질에 영향을 미치는 중요한 인자의 하나이다. 이와 같이, 캠버 라인(26)을 중심선으로 해서, 기준 날개형(20)의 복측면(22) 및 배측면(24)의 위치를 외측으로 같은 양 어긋나게 함으로써, 공력적 성질에 영향을 미치는 캠버 라인(26)을 유지한 채, 후방 모서리에 두께를 갖게 한 플랫 백 날개형(10)이 얻어진다.
또한, 기준 날개형(20)으로서, 항공기용의 날개형(예를 들어 NACA 날개형)을 전용해도 좋고, 풍차 전용의 날개형(예를 들어 DU 날개형이나 MEL 날개형)을 사용해도 된다.
또한, 풍차 날개(1)가, 도 2에 도시한 바와 같이 날개 길이 방향에 관해서 트위스트되어 있을 경우, 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리(8)의 단부면(후방 모서리면)(9)이 비틀림이 없는 평면 또는 곡면이 되도록, 후방 모서리(8)의 단부면(9)의 코드(16)의 직교면에 대하여 이루는 각도(θ)를 날개 길이 방향에 관해서 다르게 해도 좋다.
도 4(a) 내지 (c)는, 순서대로, 도 2에 있어서의 A-A 단면도, B-B 단면도, C-C 단면도이다. 도 4(a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이, 플랫 백 날개형(10)의 후단부면(9)이 코드(16)의 직교면(17)에 대하여 이루는 각도(θ)는, 날개 근부(4)측에 근접함에 따라서 커진다(θ1>θ2>θ3). 이렇게 후방 모서리(8)의 단부면(9)과 직교면(17) 사이의 각도(θ)를 날개 길이 방향에 관해서 다르게 함으로써, 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리(8)의 단부면(9)을 비틀림이 없는 평면 또는 곡면으로서 형성할 수 있다. 따라서, 풍차 날개(1)의 제조를 용이하게 행할 수 있다. 또한, 도 2에는 후방 모서리(8)의 단부면(후방 모서리면)(9)이 날개 길이 방향에 관해서 만곡한 곡면인 예를 나타냈다.
또한, 날개 근부(4)측에 근접함에 따라서 각도(θ)를 크게 함으로써, 배측면(14)과 후방 모서리면(9) 사이의 각도를 예각에 근접하고, 날개 근부(4)에 근접할수록, 보다 높은 받음각까지 양력을 발생시킬 수 있다(보다 높은 받음각까지 실속하지 않는 고양력 특성을 실현할 수 있다).
또한, 후방 모서리(8)의 단부면(9)과 직교면(17) 사이의 각도(θ)는, 플랫 백 날개형(10)이 적용되기 시작하는 점(도 2에 도시하는 플랫 백 개시점(11))에 있어서 제로이며, 플랫 백 개시점(11)으로부터 날개 근부(4)에 근접함에 따라서 상기 각도(θ)가 서서히 커지도록 하고, 후방 모서리(8)의 단부면(9)을 비틀림이 없는 평면 또는 곡면으로 해도 좋다. 또한, 통상 날개 근부에서는 원기둥 모양의 형상으로 된다.
본 실시 형태에서는, 플랫 백 날개형(1O)의 형상은, 코드 길이(LC)에 대한 최대 두께(tMAX)의 비율을 나타내는 날개 두께비(X)(=tMAX/LC)와, 최대 두께(tMAX)에 대한 후방 모서리 두께(tTE)의 비율을 나타내는 후방 모서리 두께비(Y)(=tTE/tMAX)와의 관계에 의해 규정된다.
도 5는, 플랫 백 날개형(10)의 형상 결정시에 사용하는 설정 에어리어를 도시하는 그래프이다. 본 실시 형태에서는, 플랫 백 날개형(10)의 형상은, 임의의 날개 두께비(X)에 있어서의 후방 모서리 두께비(Y)가 하한값(YL)과 상한값(YH)으로 둘러싸이는 허용 에어리어(30) 내에 수습되도록 결정된다. 또한, 일반적인 풍차 날개에서는, 날개 근부(4)로부터 날개 선단(2)측에 가까이 감에 따라서 날개 두께비(X)가 작아지는 것으로 알려져 있다. 도 5에는, 도면 좌측으로부터 도면 우측을 향함에 따라서 날개 두께비(X)가 작아지기 때문에, 도면 좌측이 날개 근부(4)측이며, 도면 우측이 날개 선단부(2)측이다.
날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 날개 근부(4)측에 비교적 가까운 영역에서는, 허용 에어리어(30)의 하한값(YL)은 5%이며, 허용 에어리어(30)의 상한값(YH)은 YH=1.5X-30이다. 즉, 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 경우, 플랫 백 날개형(10)의 형상은, 날개 두께비(X)와 후방 모서리 두께비(Y)가, 5%≤Y≤1.5X-30의 관계를 만족하도록 결정된다. 날개 두께비(X)가 40 내지 50%인 상기 영역에 있어서 후방 모서리 두께비(Y)를 5% 이상으로 함으로써, 후방 모서리(8)의 후류측의 웨이크에 기인해서 발생하는 부압에 의해, 배측면(14)에 있어서의 경계층의 박리를 효과적으로 늦출 수 있다. 즉, 후방 모서리(8)의 후류측에 발생하는 부압에 의해 공기류를 배측면(14)으로 끌어당기고, 배측면(14)로부터의 경계층의 박리를 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 높은 받음각까지 양력을 발생시킬 수 있다(높은 받음각까지 실속하지 않는 고양력 특성을 실현할 수 있다). 또한, 후방 모서리 두께비(Y)를 5% 이상으로 함으로써, 풍차 날개(1)의 단면 계수가 향상하므로, 강도를 유지하면서 풍차 날개(1)의 경량화를 도모할 수 있다. 한편, 날개 두께비(X)가 40 내지 50%인 상기 영역에 있어서 후방 모서리 두께비(Y)를 상한값(YH)(=1.5X-30) 이하로 함으로써, 적어도 일부의 받음각 범위에 있어서 양항비의 충분한 개선 효과를 향수할 수 있다.
또한, 날개 두께비(X)가 35% 이상 40% 미만인 영역에서는, 허용 에어리어(30)의 하한값(YL)은 YL=X-35이며, 허용 에어리어(30)의 상한값(YH)은 YH=4X-130이다. 즉, 날개 두께비(X)가 35% 이상 40% 미만인 경우, 플랫 백 날개형(10)의 형상은, 날개 두께비(X)와 후방 모서리 두께비(Y)가, X-35≤Y≤4X-130의 관계를 만족하도록 결정된다. 이렇게 후방 모서리 두께비(Y)를 X-35 이상으로 함으로써, 후방 모서리(8)의 후류측의 웨이크에 기인해서 발생하는 부압에 의해, 배측면(14)에 있어서의 경계층의 박리를 효과적으로 늦추고, 높은 받음각까지 양력을 발생시킬 수 있다. 또한, 후방 모서리 두께비(Y)를 X-35 이상으로 함으로써, 풍차 날개(1)의 단면 계수의 개선에 의해, 강도를 유지하면서 풍차 날개(1)의 경량화를 도모할 수 있다. 한편, 후방 모서리 두께비(Y)를 4X-130 이하로 함으로써, 적어도 어느 한쪽의 받음각 범위에 있어서 양항비의 개선 효과를 향수할 수 있다.
또한, 날개 두께비(X)가 35% 미만인 날개 선단(2)측에 가까운 영역에서는, 플랫 백 개시점(11)(도 2 참조)을 향해서 날개 두께비(X)가 감소함에 따라서, 후방 모서리 두께비(Y)를 서서히 작게 해 간다. 이때, 도 5에 도시한 바와 같이, 후방 모서리 두께비(Y)가 상한값(YH)(=X-25) 이하가 되도록, 후방 모서리 두께비(Y)를 서서히 작게 해도 좋다. 또한, 제조면에서의 사정상, 후방 모서리(8)의 두께를 제로로 할 수는 없기 때문에, 플랫 백 개시점(11)보다 날개 선단(2)측에 있어서의 후방 모서리 두께비(Y)는 완전하게 제로일 필요는 없다.
또한, 본 실시 형태에서는, 날개 두께비(X)가 35 내지 50%인 범위에 있어서의 허용 에어리어(30)를, 제1 에어리어(32), 제2 에어리어(34), 제3 에어리어(36)로 3분할하고, 풍차 날개(1)의 사양에 따라서 어느 하나의 에어리어를 선택하고, 플랫 백 날개형(10)의 형상을 결정한다. 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 범위에서는, 제1 에어리어(32)는 X-20≤Y≤1.5X-30의 관계를 만족하는 영역이며, 제2 에어리어(34)는 0.5X-5<Y<X-20의 관계를 만족하는 영역이며, 제3 에어리어(36)는 5%≤Y≤0.5X-5의 관계를 만족하는 영역이다. 또 날개 두께비(X)가 35% 이상 40% 미만인 범위에서는, 제1 에어리어(32)는 3X-100≤Y≤4X-130을 만족하는 영역이며, 제2 에어리어(34)는 2X-65<Y<3X-100의 관계를 만족하는 영역이며, 제3 에어리어는 X-35≤Y≤2X-65의 관계를 만족하는 영역이다.
여기서, 풍차 날개(1)의 사양에 따라서 어느 하나의 에어리어(32, 34, 36)를 선택하는 방법에 대해서 설명한다. 도 6은, 제1 에어리어(32), 제2 에어리어(34) 및 제3 에어리어(36)를 선택하기 위한 맵을 도시하는 도이다. 동도에 도시하는 맵에서는, 횡축으로서 파라미터(S)를 사용하고, 종축으로서 파라미터(T)를 사용하고 있다. 파라미터(S)는, 풍차 날개(1)의 회전 반경(R)(도 1 참조)에 대한 최대 코드 길이(LCMAX)(도 1 참조)의 비율을 도시하는 파라미터이다(즉, S=LCMAX/R). 이 파라미터(S)는, 풍속에 대한 받음각(α)의 변화 감도(무한 상류측의 풍속의 상승분에 대한 받음각(α)의 증대량)를 나타내는 지표이다. 한편, 파라미터(T)는, 날개 선단부(2)의 주속(RΩ)(도 1 참조) 및 날개단 대표 코드 길이(Lr)의 곱을 회전 반경(R)으로 나눈 파라미터이다(즉, T=RΩ×Lr/R). 이 파라미터(T)는, 정격 회전수에 도달하는 풍속(V2)과 정격 풍속(정격 출력에 대응하는 풍속)(V3)과의 차를 나타내는 지표이다.
도 6에 도시하는 맵에서는, T=-5S+5로 나타내는 직선과, T=-5S+6으로 나타내는 직선을 경계로 해서, 3개의 영역 A 내지 C로 구분되어 있다. 즉, T≤-5S+5를 만족할 경우를 영역 A라고 하고, -5S+5<T<-5S+6을 만족하는 경우를 영역 B라고 하고, T≥-5S+6을 만족할 경우를 영역 C라고 한다.
파라미터(S 및 T)가 T≤-5S+5의 관계를 만족할 경우(영역 A)는, T≥-5S+6의 경우(영역 C)에 비해, 같은 파라미터(T)(정격 회전수에 도달하는 풍속과 정격 풍속과의 차)에 대해서 보면, 파라미터(S)가 작다(즉, 풍속에 대한 받음각(α)의 변화 감도가 크다). 또한, 같은 파라미터(S)에 대해서 보면, 영역 A는 영역 C에 비해 파라미터(T)(정격 회전수에 도달하는 풍속(V2))가 작다(즉, 풍속차(V3-V2)가 크다). 따라서, 파라미터(S 및 T)가 영역 A에 속하는 것 같은 풍차 날개(1)의 사양의 경우, 도 5의 허용 에어리어(30) 중 제1 에어리어(32)를 선택하고, 플랫 백 날개형(10)의 형상을 결정한다. 즉, 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 범위에서는 X-20≤Y≤1.5X-30의 관계를 만족하고, 날개 두께비(X)가 35% 이상 40% 미만인 범위에서는 3X-100≤Y≤4X-l30의 관계를 만족하도록, 플랫 백 날개형(10)의 형상을 결정한다. 이에 의해, 허용 에어리어(30)의 범위 내에서 후방 모서리 두께비(Y)를 비교적 크게 설정하고, 높은 받음각(α)까지 복측면(l4)에 있어서의 경계층의 박리를 억제할 수 있다.
반대로, 파라미터(S 및 T)가 T≥-5S+6을 만족할 경우(영역 C)는, T≤-5S+5의 경우(영역 A)에 비해, 같은 파라미터(T)(정격 회전수에 도달하는 풍속과 정격 풍속과의 차)에 대해서 보면, 파라미터(S)는 크다(즉, 풍속에 대한 받음각(α)의 변화 감도가 작다). 또한, 같은 파라미터(S)에 대해서 보면, 영역 A는 영역 C에 비해 파라미터(T)(정격 회전수에 도달하는 풍속(V2))가 크다(즉, 풍속차(V3-V2)가 작다). 따라서, 파라미터(S 및 T)가 영역 C에 속하는 것 같은 풍차 날개(1)의 사양의 경우, 도 5의 허용 에어리어(30) 중 제3 에어리어(36)를 선택하고, 플랫 백 날개형(10)의 형상을 결정한다. 즉, 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 범위에서는 5%≤Y≤0.5X-5의 관계를 만족하고, 날개 두께비(X)가 35% 이상 40% 미만인 범위에서는 X-35≤Y≤2X-65을 만족하도록, 플랫 백 날개형(10)의 형상을 결정한다. 이에 의해, 허용 에어리어(30)의 범위 내에서 후방 모서리 두께비(Y)를 비교적 작게 설정하고, 후단부 두께(tTE)를 필요 최소한으로 제한하고, 저항력의 증가를 억제하면서, 양력을 증가시킬 수 있다.
또한, 파라미터(S 및 T)가 -5S+6<T<-5S+5의 관계를 만족할 경우(영역 B)는, 도 5의 허용 에어리어(30) 중 제2 에어리어(34)를 선택한다. 즉, 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 범위에서는 0.5X-5<Y<X-20의 관계를 만족하고, 날개 두께비(X)가 35% 이상 40% 미만인 범위에서는 2X-65<Y<3X-100을 만족하도록, 플랫 백 날개형(10)의 형상을 결정한다. 이에 의해, 허용 에어리어(30)의 범위 내에서 후단부 두께비(Y)를 적당한 값으로 설정하고, 어느 정도의 받음각(α)까지 경계층의 박리를 억제하는 동시에, 저항력의 증가를 어느 정도 억제할 수 있다.
다음에, 상기 형상의 플랫 백 날개형(10)을 갖는 풍차 날개(1)의 내부 구조에 대해서 설명한다. 도 7은, 풍차 날개(1)의 내부 구조의 예를 나타내는 도이다. 도 8(a) 및 (b)는, 풍차 날개(1)의 내부 구조의 다른 예를 도시하는 도이다.
도 7 및 8에 도시하는 풍차 날개(1)는, 상술한 플랫 백 날개형(10)으로 규정되는 단면 형상을 갖는다. 풍차 날개(1)는, 플랫 백 날개형(10)의 복측면(12)을 형성하는 복측 외피(42)와, 플랫 백 날개형(10)의 배측면(14)을 형성하는 배측 외피(44)와, 복측 외피(42) 및 배측 외피(44) 사이에 설치되는 메인 거더(46) 및 후방 모서리 거더(48)를 갖는다.
메인 거더(46)는, 복측 외피(42)와 배측 외피(44) 사이의 풍차 날개(1)의 내부 공간에 있어서, 풍차 날개(1)의 날개 길이 방향으로 연장하고 있다. 또한, 메인 거더(46)는, 복측 외피(42)와 배측 외피(44)의 내면에 접착 고정되는 스파 캡(46A)과, 스파 캡(46A) 사이에 설치되는 전단 웹(shear web)(46B)으로 구성된다.
메인 거더(46)보다 후방 모서리(8) 부근의 위치에는, 후방 모서리 거더(48)가 설치되어 있다. 후방 모서리 거더(48)는, 메인 거더(46)와 마찬가지로, 복측 외피(42)와 배측 외피(44) 사이의 풍차 날개(1)의 내부 공간에 있어서, 풍차 날개(1)의 날개 길이 방향으로 연장하고 있다. 또한, 후방 모서리 거더(48)는, 복측 외피(42)와 배측 외피(44)의 내면에 접착 고정되는 스파 캡(48A)과, 스파 캡(48A) 사이에 설치되는 전단 웹(48B)으로 구성된다.
복측 외피(42) 및 배측 외피(44)는, 도 7에 도시한 바와 같이 후방 모서리(8)에 있어서 폐쇄되어 있어도 좋지만, 도 8(a) 및 (b)에 도시한 바와 같이 후방 모서리(8)에 있어서 폐쇄되어 있지 않아도 좋다. 복측 외피(42)와 배측 외피(44)는, 후방 모서리 거더(48)를 통해서 접합되어 있기 때문에, 후방 모서리(8)에 있어서 폐쇄되어 있지 않아도, 충분한 강도를 확보할 수 있다. 또한, 후방 모서리(8)가 개방되어 있어도, 이것이 복측 및 배측에 있어서의 바람의 흐름에 영향을 미치는 일은 거의 없기 때문에, 공력적인 성능을 유지할 수 있다. 또한, 후방 모서리(8)가 개방되어 있어 후방 모서리 거더(48)가 외부에 노출되어 있기 때문에, 후방 모서리 거더(48)의 설치 상태(스파 캡(48A)과 외피 내면과의 접착 상태)를 확인할 수 있어서 유리하다.
또한, 복측 외피(42) 및 배측 외피(44)의 적어도 한쪽은, 후방 모서리 거더(48)보다 후류측으로는 연장하고 있지 않은 구성도 채용할 수 있다. 예를 들어, 도 8(b)에 도시한 바와 같이, 배측 외피(44)를 후방 모서리 거더(48)의 위치까지 연장시키고, 그것보다 후류측에는 배측 외피(44)를 연장시키지 않는 것도 가능하다.
[제2 실시 형태]
다음에, 제2 실시 형태에 관한 풍차 날개에 대해서 설명한다. 본 실시 형태의 풍차 날개는, 날개형부(6)의 플랫 백 날개형(10)에 연장 설치부를 부가한 것을 제외하면, 제1 실시 형태의 풍차 날개(1)와 같다. 따라서, 여기서는, 제1 실시 형태의 풍차 날개(1)와 다른 점, 즉 플랫 백 날개형(10)에 부가되는 연장 설치부를 중심으로 설명한다.
도 9는, 플랫 백 날개형(10)에 부가된 연장 설치부의 일례를 나타내는 도이다. 동도에 도시한 바와 같이, 연장 설치부(50)는, 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리(8)로부터 후방으로 연장하도록 설치되어 있다. 연장 설치부(50)는, 플랫 백 날개형(10)의 복측면(12)으로부터 후방 모서리(8)보다 후방으로 연장시킨 복측 연장 설치면(52)과, 플랫 백 날개형(10)의 배측면(14)으로부터 후방 모서리(8)보다 후방으로 연장시킨 배측 연장 설치면(54)을 갖는다.
또한, 플랫 백 날개형(10) 자체의 형상은, 제1 실시 형태와 같은 방법에 의해 결정된다.
복측 연장 설치면(52)은, 플랫 백 날개형(10)의 복측면(12)으로부터 연속적으로 연장한 오목 형상 만곡면 또는 평면이다. 이 복측 연장 설치면(52)은, 연장 설치부(50)의 후단부면(56)에 가까이 감에 따라 코드(16)로부터 이격되도록(복측을 향하도록), 코드(16)에 대하여 경사져 있다. 그로 인해, 플랫 백 날개형(10)의 복측에 있어서의 공기(바람)의 흐름이 복측 연장 설치면(52)에 의해 보다 한층 하향(복측면(12)으로부터 이격되는 방향)으로 변향되어, 풍차 날개(1)에 작용하는 양력이 증대한다.
또한, 연장 설치부(50)의 후단부면(56)은, 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리(8)의 단부면(후방 모서리면)(9)에 대략 평행하게 설치되어 있다.
연장 설치부(50)는, 풍차 날개의 날개형의 설계시에, 플랫 백 날개형(10)의 공력 특성을 변화시키기 위해서 부가해도 좋다. 즉, 공력 특성의 개선을 목적으로 해서 연장 설치부(50)를 플랫 백 날개형(10)에 부가해서 풍차 날개의 날개형을 설계하고, 상기 설계된 날개형이 얻어지도록 복측 외피(42) 및 배측 외피(44)(도 7 및 8 참조)를 성형해도 좋다. 이에 의해, 연장 설치부(50)의 복측 연장 설치면(52)에 의해 공력 특성이 개선된 풍차 날개를 간소한 방법에 의해 저비용으로 제조할 수 있다.
또는, 연장 설치부(50)는, 풍차 날개의 제조시 또는 개조시에, 플랫 백 날개형(10)과는 별체로서 형성되어, 플랫 백 날개형(10)에 부가되어도 좋다. 이 경우, 연장 설치부(50)를 섬유 강화 플라스틱(FRP)으로 형성하고, 플랫 백 날개형(10)에 접착 고정해도 좋다. 이와 같이, 연장 설치부(50)를 플랫 백 날개형(10)과는 별체로서 형성하는 경우, 다음과 같은 이점이 있다.
우선, 복측 연장 설치면(52)의 형상에 따라서는, 연장 설치부(50) 및 플랫 백 날개형(10)을 일체적으로 형성하는 것이 어려운 경우가 있고, 복측 연장 설치면(52)의 형상의 자유도가 제한되는 경우가 있다. 따라서, 연장 설치부(50)를 플랫 백 날개형(10)과는 별체로 형성함으로써, 복측 연장 설치면(52)의 임의의 형상을 채용할 수 있고, 플랫 백 날개형(10)의 공력 특성을 보다 한층 개선할 수 있다.
또한, 풍차가 설치되는 지역에 따라 풍차 날개의 적절한 코드 길이(LC)가 상이하기 때문에, 각 지역에 따른 코드 길이(LC)를 실현할 필요가 발생할 경우가 있다. 예를 들어, 풍차의 소음을 작게 할 필요가 있는 주택지나 시가지 주변의 지역에서는, 소음 저감의 관점에서, 풍차의 정격 회전수를 내리는 동시에, 정격 회전수의 감소에 따라서 코드 길이(LC)를 크게 할 필요가 있다. 한편, 소음이 문제가 안되는 산간부 등의 지역에서는, 풍차 날개의 수송을 쉽게 하는 관점에서, 반대로 코드 길이(LC)를 가능한 한 작게 할 필요가 있다. 따라서, 연장 설치부(50)를 플랫 백 날개형(10)과는 별체로 형성함으로써, 지역에 따라 사양이 다른 풍차 날개의 몰드(성형형)를 공통화하면서, 각 지역에 따른 코드 길이(LC)를 실현할 수 있다.
또한, 플랫 백 날개형은 최근 열심히 연구되고 있지만, 플랫 백 날개형에 관한 풍동 시험 데이터는 아직 그다지 축적되어 있지 않고, 플랫 백 날개형(10)이 소기의 공력 특성(특히 양항비)을 갖고 있지 않은 것도 생각할 수 있다. 이러한 경우, 플랫 백 날개형(10)의 공력 특성을 보완할 목적으로, 플랫 백 날개형(10)에 연장 설치부(50)를 추가 설치하고, 소기의 공력 특성을 실현할 수 있다.
또한, 플랫 백 날개형(10)과는 별체로 형성된 연장 설치부(50)를 부가함으로써, 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리(8)의 강성이나, 풍차 날개의 버클링 강도나, 복측 외피(42) 및 배측 외피(44)의 접착 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 연장 설치부(50)는, 도 9에 도시한 예에 한정되지 않고, 다양한 형상을 채용할 수 있다. 도 l0은, 연장 설치부(50)의 다른 형상 예를 나타내는 도이다.
도 10(a)에 도시하는 예에서는, 연장 설치부(50)의 후단부면(56)은, 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리면(9)에 대하여 경사져 있고, 복측 연장 설치면(52)을 배측 연장 설치면(54)보다 길게 연장되어 있다. 이에 의해, 긴 복측 연장 설치면(52)에 의해 양력을 보다 한층 증대시킬 수 있다.
도 10(b)에 도시하는 예에서는, 연장 설치부(50)의 후단부면(56)은 오목해져 있고, 후단부면(56)과 배측 연장 설치면(54)이 이루는 각도는, 플랫 백 날개형(10)의 배측면(14)과 후방 모서리면(9)이 이루는 각도에 비교해서 작아져 있다. 이에 의해, 후단부면(56)과 배측 연장 설치면(54)과의 교점이 예각에 가까워지고, 연장 설치부(50)의 후류에 있어서의 부압에 의해, 배측면(14)(및 배측 연장 설치면(54))을 따라 흐르는 공기류를 보다 강하게 흡인하여, 배측에 있어서의 경계층의 박리를 보다 한층 늦출 수 있다.
도 10(c)에 도시하는 예에서는, 연장 설치부(50)에는 배측 연장 설치면(54)이 설치되어 있지 않고, 연장 설치부(50)의 후단부면(56)은, 플랫 백 날개형(l0)의 배측면(14)과 후방 모서리면(9)과의 교점에 접속되어 있다. 이에 의해, 복측 연장 설치면(52)에 의해 양력을 증대시킬 수 있다. 또한, 복측 연장 설치면(52)은, 플랫 백 날개형(10)의 복측면(l2)으로부터 연속적으로 연장한 오목 형상 만곡면이다.
도 10(d)에 도시하는 예는, 연장 설치부(50)의 복측 연장 설치면(52)을 평면으로 형성한 점을 제외하면, 도 10(c)에 도시하는 예와 같다.
도 10(e)에 도시하는 예는, 연장 설치부(50)의 후단부면(56)을 오목하게 하고, 후단부면(56)과 배측 연장 설치면(54)이 이루는 각도를, 플랫 백 날개형(10)의 배측면(14)과 후방 모서리면(9)이 이루는 각도에 비교해서 작게 한 점을 제외하면, 도 10(d)에 도시하는 예와 같다.
도 10(f)에 도시하는 예에서는, 연장 설치부(50)의 후단부면(56)이 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리면(9)의 도중(후방 모서리면(9)과 배측면(14)과의 교점보다 복측의 위치)에 접속되어 있고, 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리면(9)과 배측면(14)과의 교점이 노출되어 있다. 그로 인해, 후방 모서리면(9)과 배측면(14)과의 교점에 있어서의 플랫 백 날개형(10)의 경계층의 박리 억제 효과에 영향을 미치는 일이 없고, 연장 설치부(50)의 복측 연장 설치면(52)에 의한 양력 증대 효과를 얻을 수 있다.
도 10(g)에 도시하는 예는, 연장 설치부(50)의 복측 연장 설치면(52)을 평면이 아닌 오목 형상 만곡면으로 한 것을 제외하면, 도 10(f)에 도시하는 예와 같다.
도 10(h)에 도시하는 예에서는, 연장 설치부(50)는, 판형상 부재에 의해 구성되어 있고, 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리면(9)과 복측면(12)과의 교점에 접속되어 있다. 그리고, 판형상 부재로 이루어지는 연장 설치부(50)의 복측면에 의해 복측 연장 설치면(52)이 구성되어 있다.
이렇게 판형상 부재로 이루어지는 연장 설치부(50)를 사용함으로써, 플랫 백 날개형(l0)의 후방 모서리면(9)과 배측면(14)과의 교점이 노출하고, 상기 교점에 있어서의 플랫 백 날개형(10)의 경계층의 박리 억제 효과에 영향을 미치는 일 없이, 연장 설치부(50)의 복측 연장 설치면(52)에 의한 양력 증대 효과를 얻을 수 있다.
도 10(i)에 도시하는 예는, 연장 설치부(50)의 복측 연장 설치면(52)을 평면이 아닌 오목 형상 만곡면으로 한 것을 제외하면, 도 10(f)에 도시하는 예와 같다.
[제3 실시 형태]
다음에 제3 실시 형태에 관한 풍차 날개에 대해서 설명한다. 본 실시 형태의 풍차 날개는, 날개형부(6)의 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리(8) 주변을 피복부에 의해 덮은 것을 제외하면, 제1 실시 형태의 풍차 날개(1)와 같다. 따라서, 여기서는, 제1 실시 형태의 풍차 날개(1)와 다른 점, 즉 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리(8) 주변을 덮는 피복부를 중심으로 설명한다.
도 l1은, 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리(8) 주변을 덮는 피복부의 일례를 나타내는 도이다. 도 12는, 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리(8) 주변을 덮는 피복부의 다른 예를 도시하는 도이다.
도 11에 도시한 바와 같이, 피복부(60)는, 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리면(9)과, 복측면(12) 및 배측면(14)의 후방 모서리(8)측 부분을 덮고 있다. 피복부(60)의 복측의 외표면(62)은, 플랫 백 날개형(10)의 복측면(12)으로부터 연속적으로 연장하고 있다. 마찬가지로, 피복부(60)의 배측의 외표면(64)은, 플랫 백 날개형(10)의 배측면(14)으로부터 연속적으로 연장하고 있다.
또한, 플랫 백 날개형(10)의 형상은, 제1 실시 형태와 같은 방법에 의해 결정되고 있다.
피복부(60)의 복측의 외표면(62)은, 플랫 백 날개형(10)의 복측면(12)으로부터 연속적으로 연장한 오목 형상 만곡면 또는 평면이다. 피복부(60)의 복측의 외표면(62)은, 피복부(60)의 후단부면(66)에 가까이 감에 따라서 코드(16)로부터 이격되도록(복측을 향하도록), 코드(16)에 대하여 경사져 있다. 그로 인해, 플랫 백 날개형(10)의 복측에 있어서의 공기(바람)의 흐름이 피복부(60)의 외표면(62)에 의해 보다 한층 하향(복측면(12)로부터 이격되는 방향)으로 변향되어, 풍차 날개에 작용하는 양력이 증대한다.
또한, 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리(8) 주변을 피복부(60)에 의해 덮음으로써, 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리(8)의 강성이나, 풍차 날개의 버클링 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 도 l1에는 피복부(60)의 후단부면(66)이 평면인 예를 나타냈지만, 피복부(60)의 후단부면(66)은 도 12에 도시하는 바와 같이 오목해져 있어도 된다. 이와 같이, 피복부(60)의 후단부면(66)을 오목하게 함으로써, 후단부면(66)과 배측의 외표면(64)이 이루는 각도를, 플랫 백 날개형(10)의 배측면(14)과 후방 모서리면(9)이 이루는 각도에 비교해서 작게 할 수도 있다. 이에 의해, 후단부면(66)과 배측의 외표면(64)과의 교점이 예각에 가깝게 되고, 피복부(60)의 후류에 있어서의 부압에 의해, 배측면(14)(및 배측의 외표면(64))을 따라 흐르는 공기류를 보다 강하게 흡인하여, 배측에 있어서의 경계층의 박리를 보다 한층 늦출 수 있다.
[제4 실시 형태]
다음에, 제4 실시 형태에 관한 풍차 날개에 대해서 설명한다. 본 실시 형태의 풍차 날개는, 제1 실시 형태에 있어서 도 4(a) 내지 (c)를 이용해서 설명한 플랫 백 날개형(10)(후단부면(9)의 코드(16)의 직교면에 대하여 이루는 각도(θ)를 날개 길이 방향에 관해서 다르게 한 플랫 백 날개형)에 연장 설치부를 부가한 것이다. 그 이외의 본 실시 형태의 풍차 날개의 구성은, 제1 실시 형태의 풍차 날개(1)와 같기 때문에, 여기에서는 제1 실시 형태의 풍차 날개(1)와는 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 13은, 제4 실시 형태의 풍차 날개의 예를 나타내는 도이다. 도 14는, 제4 실시 형태의 풍차 날개의 다른 예를 도시하는 도이다.
본 실시 형태의 풍차 날개에서는, 플랫 백 날개형(10)은, 도 4(a) 내지 (c)를 이용해서 제1 실시 형태에서 설명한 바와 같이, 플랫 백 날개형(10)의 후단부면(9)이 코드(16)의 직교면(17)에 대하여 이루는 각도(θ)는, 날개 근부(4)측에 근접함에 따라서 커지도록 날개 길이 방향에 관해서 다르게 되어 있다. 이에 의해, 플랫 백 날개형(10)의 후단부면(9)을 비틀림이 없는 평면 또는 곡면으로 해서, 풍차 날개(1)의 제조를 용이하게 행할 수 있게 하고 있다.
그런데, 이와 같이, 후단부면(9)을 트위스트 되어있지 않은 평면 또는 곡면으로 하는 목적에서 각도(θ)를 날개 길이 방향에 관해서 다르게 하면, 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리(8)의 형상의 자유도가 제한되어버린다.
따라서, 본 실시 형태에서는, 후방 모서리(8)로부터 후방으로 연장하도록 연장 설치부(70)를 설치하고, 연장 설치부(70)에 의해 후방 모서리(8)의 형상을 임의로 조정할 수 있게 한다. 연장 설치부(70)는, 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리(8)보다 후방으로 연장시킨 복측 연장면(72)을 갖는다. 복측 연장면(72)은, 플랫 백 날개형(10)의 복측면(12)로부터 연속적으로 연장한 오목 형상 만곡면 또는 평면이다. 이 복측 연장 설치면(72)은, 연장 설치부(70)의 후단부면(76)에 가까이 감에 따라서 코드(16)로부터 이격되도록(복측을 향하도록), 코드(l6)에 대하여 경사져 있다. 그로 인해, 플랫 백 날개형(10)의 복측에 있어서의 공기(바람)의 흐름이 복측 연장 설치면(72)에 의해 보다 한층 하향(복측면(12)으로부터 이격되는 방향)으로 변향되어, 풍차 날개에 작용하는 양력이 증대한다.
또한, 연장 설치부(70)의 형상은 도 13에 도시하는 예에 한정되지 않고, 다양한 형상을 채용할 수 있다. 예를 들어, 도 14(a)에 도시한 바와 같이, 연장 설치부(70)의 복측 연장 설치면(72)을 오목 형상 만곡면으로 해도 좋다. 또 도 14(b) 및 (c)에 도시하는 예에서는, 연장 설치부(70)의 후단부면(76)이 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리면(9)의 도중(후방 모서리면(9)과 배측면(14)과의 교점보다 복측의 위치)에 접속되어 있고, 플랫 백 날개형(10)의 후방 모서리면(9)과 배측면(14)과의 교점이 노출되어 있다. 그로 인해, 후방 모서리면(9)과 배측면(14)과의 교점에 있어서의 플랫 백 날개형(10)의 경계층의 박리 억제 효과에 영향을 미치는 일 없이, 연장 설치부(50)의 복측 연장 설치면(52)에 의한 양력 증대 효과를 얻을 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 상술한 제1 내지 제4 실시 형태에서는, 적어도, 코드 길이(LC)에 대한 최대 두께(tMAX)의 비율을 도시하는 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하가 되는 날개 길이 방향의 영역에서는 날개형부(6)를 플랫 백 날개형(l0)으로 하고, 또한, 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 상기 영역에 있어서, 최대 두께(tMAX)에 대한 후방 모서리의 두께(tTE)의 비율을 나타내는 후방 모서리 두께비(Y)가 5% 이상 YH(=1.5X-30)% 이하가 되도록 플랫 백 날개형(10)의 형상을 결정하도록 했다.
상술한 제l 내지 제4 실시 형태에 따르면, 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하가 되는 날개 근부측에 비교적 가까운 영역에 있어서, 후방 모서리에 두께를 갖게 해서 플랫 백 날개형으로 함으로써, 양항비 특성을 효과적으로 개선할 수 있다.
또한, 날개 두께비(X)가 40 내지 50%인 상기 영역에 있어서 후방 모서리 두께비(Y)를 5% 이상으로 했으므로, 높은 받음각까지 양력을 발생시킬 수 있는 동시에, 풍차 날개의 단면 계수가 향상하므로, 강도를 유지하면서 풍차 날개의 경량화를 도모할 수 있다.
또한, 날개 두께비(X)가 40 내지 50%인 상기 영역에 있어서 후방 모서리 두께비(Y)를 상한값 YH(=1.5X-30) 이하로 했으므로, 적어도 일부의 받음각 범위에 있어서 양항비의 충분한 개선 효과를 향수할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 상세하게 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 각종 개량이나 변형을 행해도 좋은 것은 말할 필요도 없다. 예를 들어, 상술한 제1 실시 형태 내지 제4 실시 형태를 임의로 조합해서 실시해도 좋다.
1 풍차 날개
2 날개 선단부
4 날개 근부
6 날개형부
7 전방 모서리(리딩 엣지)
8 후방 모서리(트레일링 엣지)
9 단면(후방 모서리면)
10 플랫 백 날개형
12 복측면
14 배측면
16 코드(익현선)
17 직교면
20 기준 날개형
22 복측면
24 배측면
26 캠버 라인
30 허용 에어리어
32 제1 에어리어
34 제2 에어리어
36 제3 에어리어
42 복측 외피
44 배측 외피
46 메인 거더
46A 스파 캡
46B 전단 웹
48 후방 모서리 거더
48A 스파 캡
48B 전단 웹
50 연장 설치부
52 복측 연장 설치면
54 배측 연장 설치면
56 후단부면
60 피복부
62 복측 외표면
64 배측 외표면
66 후단부면
70 연장 설치부
72 복측 연장 설치면
76 후단부면
100 풍차 날개
l02 후류측 영역
110 풍력 발전 장치
112 하부
114 너셀
116 타워

Claims (12)

  1. 날개 선단부와,
    풍차의 허브에 연결되는 날개 근부와,
    상기 날개 선단부와 상기 날개 근부 사이에 위치하고, 적어도, 코드 길이(LC)에 대한 최대 두께(tMAX)의 비율을 나타내는 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하가 되는 날개 길이 방향의 영역에 있어서, 후방 모서리가 두께를 갖는 플랫 백 날개형을 갖는 날개형부를 구비하는 풍차 날개로서,
    상기 플랫 백 날개형은, 상기 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 상기 영역에 있어서, 상기 최대 두께(tMAX)에 대한 후방 모서리의 두께(tTE)의 비율을 나타내는 후방 모서리 두께비(Y)가 5% 이상 YH% 이하이며,
    YH는, 상기 날개 두께비(X)를 사용하여, YH=1.5X-30으로 나타내는 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 풍차 날개의 회전 반경(R)에 대한 최대 코드 길이(LCMAX)의 비율을 나타내는 파라미터(S)와, 상기 날개 선단부의 주속 및 날개단 대표 코드 길이의 곱을 상기 회전 반경(R)으로 나눈 파라미터(T)가 T≤-5S+5의 관계를 만족할 경우, 상기 플랫 백 날개형은, 상기 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 상기 영역에 있어서, 상기 후방 모서리 두께비(Y)가 X-20≤Y≤1.5X-30이며,
    상기 파라미터(S)와 상기 파라미터(T)가 T≥-5S+6의 관계를 만족할 경우, 상기 플랫 백 날개형은, 상기 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 상기 영역에 있어서, 상기 후방 모서리 두께비(Y)가 5≤Y≤0.5X-5이며,
    상기 파라미터(S)와 상기 파라미터(T)가 -5S+5<T<-5S+6의 관계를 만족할 경우, 상기 플랫 백 날개형은, 상기 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 상기 영역에 있어서, 상기 후방 모서리 두께비(Y)가 0.5X-5<Y<X-20이며,
    상기 날개단 대표 코드 길이는, 상기 회전 반경(R)에 대한 비가 0.8인 날개 반경 위치(r)에 있어서의 코드 길이인 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플랫 백 날개형은, 상기 날개 두께비(X)가 35% 이상 40% 이하가 되는 날개 길이 방향의 영역에 있어서, 상기 날개 두께비(X)와 상기 후방 모서리 두께비(Y)가 X-35≤Y≤4X-130을 만족하는 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 플랫 백 날개형은, 후방 모서리가 날카로운 기준 날개형의 복측면과 배측면과의 간격을 넓혀서 상기 기준 날개형의 상기 날카로운 후방 모서리를 두껍게 한 단면 형상으로서 규정되고,
    상기 날개형부에는, 상기 플랫 백 날개형의 복측면으로부터, 상기 플랫 백 날개형의 상기 후방 모서리보다 후방으로 연속적으로 연장시킨 오목 형상 만곡면 또는 평면으로 이루어지는 복측 연장 설치면이 설치되어 있고,
    상기 복측 연장 설치면은, 후류측을 향함에 따라서 상기 플랫 백 날개형의 코드로부터 이격되도록 상기 코드에 대하여 경사져 있는 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 날개형부에는, 상기 플랫 백 날개형의 배측면에서, 상기 플랫 백 날개형의 상기 후방 모서리보다 후방으로 연장하는 배측 연장 설치면이 설치되어 있고,
    상기 복측 연장 설치면 및 상기 배측 연장 설치면은, 각각, 상기 플랫 백 날개형의 상기 후방 모서리로부터 후방으로 연장하도록 설치된 연장 설치부의 복측의 외표면과 배측의 외표면이며,
    상기 연장 설치부의 후단부면과 상기 배측 연장 설치면이 이루는 각도는, 상기 플랫 백 날개형의 상기 배측면과 상기 후방 모서리의 단부면이 이루는 각도에 비교해서 작은 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 복측 연장 설치면은, 상기 플랫 백 날개형의 상기 후방 모서리로부터 후방으로 연장하도록 설치된 연장 설치부의 복측의 외표면이며,
    상기 연장 설치부의 배측의 외표면은, 상기 플랫 백 날개형의 상기 배측면과 상기 후방 모서리와의 교점보다 복측의 위치에 있어서, 상기 플랫 백 날개형의 상기 후방 모서리의 단부면과 교차하고 있고,
    상기 플랫 백 날개형의 상기 배측면과 상기 후방 모서리와의 상기 교점은, 상기 연장 설치부로 덮어져 있지 않은 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 플랫 백 날개형은, 후방 모서리가 날카로운 기준 날개형의 복측면과 배측면과의 간격을 넓혀서 상기 기준 날개형의 상기 날카로운 후방 모서리를 두껍게 한 단면 형상으로서 규정되고,
    상기 날개형부에는, 상기 플랫 백 날개형의 상기 후방 모서리와, 상기 플랫 백 날개형의 복측면 및 배측면의 상기 후방 모서리측의 부분을 덮는 피복부가 설치되어 있고,
    상기 피복부의 복측의 외표면은, 상기 플랫 백 날개형의 복측면으로부터 연속적으로 연장하고 있는 오목 형상 만곡면 또는 평면이며, 또한, 후류측을 향함에 따라서 상기 플랫 백 날개형의 코드로부터 이격되도록 상기 코드에 대하여 경사져 있는 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 날개형부는, 날개 길이 방향에 관해서 트위스트 되어 있고,
    상기 플랫 백 날개형의 상기 후방 모서리의 단부면이 트위스트 되어있지 않은 평면 또는 곡면이 이루어지도록, 상기 단부면이 상기 플랫 백 날개형의 코드의 직교면에 대하여 이루는 각도(θ)를 날개 길이 방향에 관해서 다르게 한 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 플랫 백 날개형은, 상기 날개 근부에 근접함에 따라서 상기 각도(θ)가 커지는 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 플랫 백 날개형은, 상기 플랫 백 날개형의 복측면을 형성하는 복측 외피와, 상기 플랫 백 날개형의 배측면을 형성하는 배측 외피가, 상기 후방 모서리에 있어서 폐쇄되어 있지 않고,
    상기 복측 외피와 상기 배측 외피는, 상기 후방 모서리 근처의 위치에 있어서, 상기 복측 외피와 상기 배측 외피 사이에 설치되어 날개 길이 방향으로 연장하는 후방 모서리 거더를 통해서 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  11. 제1항에 기재된 풍차 날개를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
  12. 날개 선단부와, 풍차의 허브에 연결되는 날개 근부와, 상기 날개 선단부와 상기 날개 근부 사이에 위치하는 날개형부를 구비하는 풍차 날개의 설계 방법으로서,
    상기 날개형부는, 적어도, 코드 길이(LC)에 대한 최대 두께(tMAX)의 비율을 나타내는 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하가 되는 날개 길이 방향의 영역에 있어서, 후방 모서리가 두께를 갖는 플랫 백 날개형으로 하고,
    상기 플랫 백 날개형은, 상기 날개 두께비(X)가 40% 이상 50% 이하인 상기 영역에 있어서, 상기 최대 두께(tMAX)에 대한 후방 모서리의 두께(tTE)의 비율을 나타내는 후방 모서리 두께비(Y)가 5% 이상 YH% 이하이며, YH는, 상기 날개 두께비(X)를 사용하여, YH=1.5X-30으로 나타내는 것 같은 형상으로 하는 것을 특징으로 하는 풍차 날개의 설계 방법.
KR1020127034093A 2011-10-12 2011-10-12 풍차 날개, 이것을 구비한 풍력 발전 장치 및 풍차 날개의 설계 방법 KR20130064087A (ko)

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