KR20130094109A - Propeller blade geometry design for wind turbine by using nurbs - Google Patents

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KR20130094109A KR1020120015517A KR20120015517A KR20130094109A KR 20130094109 A KR20130094109 A KR 20130094109A KR 1020120015517 A KR1020120015517 A KR 1020120015517A KR 20120015517 A KR20120015517 A KR 20120015517A KR 20130094109 A KR20130094109 A KR 20130094109A
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Abstract

PURPOSE: A propeller blade shape design method using a non-uniform rational B-spline (NURBS) is provided to calculate the position of each calibration point by grafting an equation through a NURBS curve based on basic data, thereby easily clearly performing airfoil type expression of a blade. CONSTITUTION: Design data of a blade airfoil type is produced. A first parameter value of each point forming an airfoil type is produced according as the design data is grafted to a NURBS curve generation equation. The position of a calibration point of the each airfoil type is calculated by the operation of the corresponding first parameter value. The position of a final calibration point is calculated to a second parameter value after a second parameter value is produced through each calibration point position data. Curved surface data is produced according as the position of the final calibration is operated with a NURBS curve production equation.

Description

넙스(ＮＵＲＢＳ)를 이용한 프로펠러 블레이드 형상 설계방법{Propeller blade geometry design for wind turbine by using NURBS}Propeller blade geometry design for wind turbine by using NURBS}

본 발명은 풍력발전에 사용되는 프로펠러의 블레이드 형상 설계방법에 관한 것으로, 특히 블레이드의 기초 곡면 데이터를 NURBS로 이용해 곡면데이터를 생성함으로써, 곡면데이터의 수학적 표현이 명확이 이루어질 수 있을 뿐만 아니라, 곡면데이터를 손쉽게 생성시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
The present invention relates to a blade shape design method of a propeller used in wind power generation, and in particular, by generating the surface data using the basic surface data of the blade as NURBS, the mathematical expression of the surface data can be made clear, the surface data It is about a technology that can be easily generated.

일반적으로 풍력발전과 풍력양수, 풍력열변환 방식은 모두 바람의 운동에너지를 해당 형태의 에너지로 변환시키는 방식으로 이루어진다.In general, wind power generation, wind pumping, and wind heat conversion methods are all made by converting the kinetic energy of the wind into the energy of the corresponding form.

그 중 풍력발전설비는 설치 환경의 제약이 크지 않고 자연파괴나 환경오염 등의 부작용이 없어 전 세계적으로 널리 보급 및 추가 연구개발되고 있는 추세이다.Among them, wind power generation facilities are not limited by the installation environment and have no side effects such as natural destruction or environmental pollution.

이러한 풍력발전은 프로펠러가 풍력에 의해 회전하면서 그 회전력에 의해 발전장치에서 전기를 생성시키는 원리로 작동되는데, 이때 프로펠러의 블레이드 형상이 전체 발전효율에 큰 영향을 미친다.This wind power generation is operated on the principle that the propeller rotates by the wind to generate electricity in the generator by the rotational force, wherein the blade shape of the propeller greatly affects the overall power generation efficiency.

즉 풍력 시스템은 블레이드와 공기의 접촉을 통해 프로펠러가 회전하여 풍력을 전기에너지로 전환시키는 개념이므로, 블레이드의 공력특성이 전체 발전 효율에 큰 영향을 미칠 수밖에 없다.In other words, the wind system is a concept that the propeller rotates through the contact between the blade and the air to convert the wind into electrical energy, the aerodynamic characteristics of the blade has a big impact on the overall power generation efficiency.

프로펠러의 각 블레이드는 익형(Airfoil)과 유사한 단면 형상을 가지고 있으며, 블레이드는 이러한 형상에 의해 바람과 접촉되면서 양력을 발생시켜 프로펠러 전체의 회전력을 얻게 된다.Each blade of the propeller has a cross-sectional shape similar to an airfoil, and the blade generates a lift force in contact with the wind to obtain the rotational force of the entire propeller.

따라서 적정 회전력 확보를 위해서는 익형의 형상이 가장 중요하므로, 익형의 형태에 따라 블레이드의 전체 형상설계가 결정될 뿐만 아니라, 결국 전체 풍력발전 시스템의 성능과 효율 및 설비단가가 결정되는 중요한 요소가 된다.Therefore, the shape of the airfoil is the most important to secure proper rotational force. Therefore, not only the overall shape design of the blade is determined by the shape of the airfoil, but also the performance, efficiency, and cost of the entire wind power generation system are important factors.

따라서 풍력발전시스템의 설계단계에서 블레이드의 다양한 실험과 해석 등을 통해 익형에 의한 공력특성을 파악하는 것이 중요하다.Therefore, it is important to understand the aerodynamic characteristics of airfoils through various experiments and analysis of blades in the design stage of wind power generation system.

익형의 형상설계방법으로는 크게 Direct design methd와 Inverse design method가 있는데,Shape design methods of airfoil are largely direct design method and inverse design method.

그 중 Direct design method는 최초 기본 베이스 형상에서 익형의 형상을 반복적으로 변화시키고 그 과정에서 그에 따른 공력의 변화를 구해가며 최적의 형상을 찾는 방법으로, 실험계획법, 근사법, 유전적 기법, 구배기법 등 다양한 형태의 설계기법 적용이 가능할 뿐만 아니라, 공력뿐만 아니라 타 부분에 대한 최적 설계가 가능한 장점을 갖는다.Among them, the direct design method finds the optimal shape by repeatedly changing the shape of the airfoil from the initial basic base shape and the aerodynamic change according to the process. The design of the experiment, approximation method, genetic method, gradient method, etc. Not only can various design techniques be applied, but also the aerodynamic as well as the optimum design of other parts has the advantage.

하지만 해당 설계기법을 적용하기 위한 각각의 툴을 준비하기가 까다로워 많은 시간과 비용이 소요되는 단점을 갖는다.However, it is difficult to prepare each tool to apply the design technique, which is a time-consuming and expensive disadvantage.

그리고 Inverse design method는 최초의 익형 형상을 기본으로 하여 해당 익형 표면에서 원하는 Cp분포를 구성하고 이 분포를 해석하여 최적의 익형 형상을 역으로 만들어내는 방법으로, 데이터 계산시간이 짧으며 결과 또한 신속하게 추출되는 장점을 갖는다.The inverse design method is based on the first airfoil shape to construct the desired Cp distribution on the surface of the airfoil, and analyzes this distribution to inverse the optimal airfoil shape. Has the advantage of being extracted.

하지만 설계자의 숙련도와 경험 및 물리적인 이해도에 크게 의존할 수밖에 없어 다양한 변수의 적용이 상대적으로 어려운 단점을 갖는다.
However, it is very difficult to apply various variables because it depends on designer's skill, experience and physical understanding.

대한민국등록특허 제0340699호(2002.05.31)Republic of Korea Patent No. 0340699 (2002.05.31)

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로,The present invention has been proposed to solve these problems of the prior art,

기본 설계데이터를 바탕으로 익형 형상 데이터를 생성함에 있어서, 기존에 비해 명확한 수학적 연산을 통해 정확한 익형의 형상 설계가 가능하도록 함과 동시에 기존에 비해 설계과정을 간소화할 수 있는 In creating airfoil shape data based on basic design data, it is possible to design precise airfoil shape through clear mathematical calculations compared to the existing one and at the same time simplify the design process.

넙스를 이용한 프로펠러 블레이드 형상 설계방법을 제공하고자 한다.
An object of the present invention is to provide a method for designing a shape of a propeller blade using a noodle.

이를 위해 제안된 본 발명은,To this end,

블레이드 익형의 설계데이터 생성과정, 상기 설계데이터를 NURBS곡선 생성 수학식에 접목시켜 익형을 구성하는 각 지점의 1차파라메타값을 생성하고 해당 1차파라메타값을 연산하여 각 익형의 조정점 위치를 산출하는 과정, 상기 각 조정점위 위치데이터를 통해 2차파라메타값을 생성한 뒤 2차파라메타값으로 최종 조정점 위치를 산출하는 과정, 상기 각 최종 조정점들의 위치를 NURBS곡선 생성 수학식으로 연산하여 곡면데이터를 생성하는 과정을 포함한다.Design data generation process of blade airfoils, by combining the design data with the NURBS curve generation equation to generate the primary parameter value of each point constituting the airfoil and calculate the corresponding primary parameter value to calculate the control point position of each airfoil And generating a second parameter value through the position data of each adjustment point, and calculating a final adjustment point position using the second parameter value, and calculating the position of each final adjustment point by a NURBS curve generation equation. The process of generating data.

그리고 상기 NURBS곡선 생성 기본 수학식은

Figure pat00001
Pi: 조정점, R i,p(u): 유리기저함수(rational basis function)And the NURBS curve generation basic equation
Figure pat00001
P i : control point, R i , p (u): rational basis function

Figure pat00002
Figure pat00002

wi: 웨이트(weight), Ni ,p(u): 기본 비스플라인 기저함수(normalized B-spline basis function)이고, 상기 곡면데이터를 생성하기 위한 NURBS곡선 생성 수학식은,w i : weight, N i , p (u): a normalized B-spline basis function, and a NURBS curve generation equation for generating the curved data is

Figure pat00003
이다.
Figure pat00003
to be.

또한 상기 설계데이터(Qk)를 이용해 상기 1차파라메타값을 산출 및 이를 만족하는 NURBS곡선 생성 수학식은,

Figure pat00004
이고,
In addition, the primary parameter value is calculated using the design data Qk and a NURBS curve generation equation satisfying the
Figure pat00004
ego,

상기 위 식을 미지수 (n+1)개의 선형 연립방정식으로 행렬방식으로 표현한 식은,

Figure pat00005
이다.
The above equation is expressed by a matrix system with unknown (n + 1) linear simultaneous equations,
Figure pat00005
to be.

그리고 상기 위 수학식을 접목하여 보간법을 통해 곡선을 생성시키는 수학식은,

Figure pat00006
And by combining the above equation to generate a curve through the interpolation method,
Figure pat00006

Figure pat00007
Figure pat00007

Figure pat00008
이다.
Figure pat00008
to be.

이러한 본 발명은,This invention,

기본 데이터를 바탕으로 하여 NURBS곡선을 통한 수학식을 접목시켜 각 조정점의 위치 등을 산출함으로써, 블레이드의 익형 표현이 손쉽고 명확하게 이루어질 수 있는 효과를 갖는다.By calculating the position of each control point by integrating the equation through the NURBS curve on the basis of the basic data, the airfoil representation of the blade can be easily and clearly made.

도1 및 도2는 익형의 기본 설계데이터를 나타낸 표
도3은 기본 설계데이터의 정렬표
도4 및 도5는 도1의 데이터를 통해 생성된 익형의 기본 형상을 나타낸 도면
도6은 NURBS이용해 곡면이 생성된 블레이드의 도면1 and 2 are tables showing the basic design data of the airfoil
3 is an alignment table of basic design data
4 and 5 illustrate the basic shape of the airfoil generated through the data of FIG.
Figure 6 is a view of a blade generated surface using NURBS

이하 본 발명의 구체적인 구성 및 효과를 설명하도록 한다.Hereinafter, specific configurations and effects of the present invention will be described.

본 발명 NURBS를 이용한 프로펠러 블레이드 형상 설계방법은 크게 블레이드 익형의 설계데이터 생성과정과 상기 설계데이터를 NURBS곡선 생성 수학식에 접목시켜 익형을 구성하는 각 지점의 1차파라메타값을 생성하고 해당 1차파라메타값을 연산하여 각 익형의 조정점 위치를 산출하는 과정, 상기 각 조정점위 위치데이터를 통해 2차파라메타값을 생성한 뒤 2차파라메타값으로 최종 조정점 위치를 산출하는 과정 및 상기 각 최종 조정점들의 위치를 NURBS곡선 생성 수학식으로 연산하여 곡면데이터를 생성하는 과정으로 나뉘어진다.The propeller blade shape design method using the NURBS of the present invention largely combines the design data generation process of the blade airfoil and the design data with the NURBS curve generation equation to generate the primary parameter values of each point constituting the airfoil and the corresponding primary parameter. Calculating a control point position of each airfoil by calculating a value, generating a second parameter value through the position data of each control point, and calculating a final control point position using the second parameter value and each final control point. These positions are divided into a process of generating surface data by calculating the NURBS curve generation equation.

[도 1] 및 [도 2]는 블레이드 익형의 기본 설계데이터를 나타낸 표이고 [도 3]은 이 설계테이터의 정렬표이며 [도 4] 및 [도 5]는 이러한 설계데이터를 기초로 하여 생성된 익형의 기본 골격 도면이다.1 and 2 are tables showing basic design data of blade airfoil, 3 is an alignment table of this design data, and 4 and 5 are generated based on such design data. Skeletal drawing of a drawn airfoil.

이때 익형의 기본 골격은 각 설계테이터를 연산하여 각 조정점을 형성시키고 각 조정점을 연결하는 상하곡선이 합하여 생성된다.At this time, the basic skeleton of the airfoil is generated by calculating each design data to form each control point and adding up and down curves connecting the control points.

이때 이들 각 조정점들에 의한 익형이 일정한 방식에 의해 정렬되는 단면들을 보간법(Interpolation)을 통해 만들어진다. 이처럼 익형의 정렬되는 과정이 기본 골격 및 추후 곡면생성과정에서 기초 데이터로 사용되므로 매우 중용한 역할을 하게 된다.At this time, the cross sections in which airfoils by these control points are aligned in a constant manner are made through interpolation. As the airfoil alignment process is used as basic data in the basic skeleton and later curve generation process, it plays a very important role.

이렇게 익형의 기본골격을 형성하는 과정에서 각 설계테이터들은 [도 2]와 같은 방식으로 정렬된 후 연산 가공을 거치게 된다.In the process of forming a basic skeleton of the airfoil, each of the design data is arranged in the same manner as shown in FIG.

그 후 익형을 구성하는 각 지점의 1차, 2차파라메타값을 생성하고 그 파라메타값을 이용해 각 조정점 및 최종 조정점을 구하는 과정을 거치는데, 이때 NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)곡선 생성 수학식이 사용된다.After that, the first and second parameter values of each point constituting the airfoil are generated and the control points and the final adjustment points are calculated using the parameter values, and the Non-Uniform Rational B-Spline (NURBS) curve is used. The generation equation is used.

NURBS곡선의 일반식은,

Figure pat00009
인데,The general formula of the NURBS curve is
Figure pat00009
However,

여기서 Pi: 조정점, R i,p(u): 유리기저함수(rational basis function)이다.Where P i : control point, R i , p (u): rational basis function.

그리고

Figure pat00010
에서는,And
Figure pat00010
In,

wi: 웨이트(weight), Ni ,p(u): 기본 비스플라인 기저함수(normalized B-spline basis function)이 된다.w i : weight, N i , p (u): becomes a normalized B-spline basis function.

또한 이를 통해 곡면을 최종적으로 생성하기 위한 NURBS곡선 일반식은,In addition, the NURBS curve general formula to finally create the surface,

Figure pat00011
이다.
Figure pat00011
to be.

곡선이 설계데이터를 통과하는 보간을 위하여서는 각 설계점은 어떤 파라메타값(uk For interpolation where the curve passes through the design data, each design point must be a certain parameter value (u k).

)을 갖는 상태로 NURBS를 만족하여야 한다.NURBS must be satisfied with).

따라서 설계데이터를 Qi 로 나타내면 다음 식이 성립된다.Therefore, if the design data is expressed as Q i , the following equation is established.

Figure pat00012
Figure pat00012

이 식에서 Q점 하나마다 1개의 식이 성립되므로, (n+1)개의 미지수 P를 결정하기 위해서는 (n+1)개의 식이 필요하다. 즉 설계데이터의 개수에 따라 조정점의 개수가 동일하게 결정되는 것이다. Since one equation is established for each Q point in this equation, (n + 1) equations are required to determine (n + 1) unknown Ps. That is, the number of adjustment points is determined equally according to the number of design data.

이 식들은 미지수 (n+1)개 식(n+1)개의 선형연립장정식으로 행렬형식으로 표현하면 다음과 같다.These equations can be expressed in the form of a matrix of linear system of equations (n + 1) and (n + 1).

Figure pat00013

Figure pat00013

여기에서

Figure pat00014
,
Figure pat00015
은 각
Figure pat00016
점에 할당된 파라메타값이 되며, 이러한 파라메타값을 구하는 방법은 일반적인 equally spaced, chord length, centripetal 3가지 방법에 의해 이루어진다.From here
Figure pat00014
,
Figure pat00015
Is each
Figure pat00016
It becomes the parameter value assigned to the point, and there are three methods for obtaining these parameter values: equally spaced, chord length, and centripetal.

그리고 조정점

Figure pat00017
를 구하기 위해서는 위 식에서
Figure pat00018
행렬에 역행렬을 구하여 오른쪽에 곱하면 된다.And adjustment point
Figure pat00017
In order to find
Figure pat00018
We can get the inverse of the matrix and multiply it by the right side.

곡면의 보간법(Interpolation)은 곡선의 경우를 u, v 두 방향의 파라메타에 적용할 수 있는데, 1차파라메타를 사용하여 위의 식을 여러 번 적용하여 각 조정점들을 구하고 이들을 다시 설계데이터로 이용하여 2차파라메타로 최종 조점점들의 위치를 구한다.The interpolation of the surface can be applied to the parameters of the u and v two directions. The first parameter can be used several times to find each control point and use them as design data. The second parameter is used to find the position of the final point.

이때 거리에 기준을 둔 방법들은 각 행이나 열의 파라메타의 값이 각기 다를 수 있기 때문에, 각 행이나 열의 대표 값을 취하여 진행하고, 이렇게 구해진 파라메타값은 구해진 파라메타 값들에서 다른 파라메타 방향 쪽으로 같은 행이나 열의 값들의 평균값을 택하여 아래와 같이 진행한다.In this case, since distance-based methods may have different values of parameters of each row or column, the representative values of each row or column may be taken. Select the average of the values and proceed as follows.

Figure pat00019
Figure pat00019

Figure pat00020
Figure pat00020

Figure pat00021
Figure pat00021

참고로 이러한 곡면 생성과정은 각종 3D설계프로그램을 바탕으로 진행되어 [도 6]처럼 생성되고 최종 제작은 Rapid prototype machine등을 통해 제작된다.For reference, such a surface generation process is generated based on various 3D design programs, as shown in FIG. 6, and the final production is produced through a rapid prototype machine.


Claims (4)

블레이드 익형의 설계데이터 생성과정,
상기 설계데이터를 NURBS곡선 생성 수학식에 접목시켜 익형을 구성하는 각 지점의 1차파라메타값을 생성하고 해당 1차파라메타값을 연산하여 각 익형의 조정점 위치를 산출하는 과정,
상기 각 조정점위 위치데이터를 통해 2차파라메타값을 생성한 뒤 2차파라메타값으로 최종 조정점 위치를 산출하는 과정,
상기 각 최종 조정점들의 위치를 NURBS곡선 생성 수학식으로 연산하여 곡면데이터를 생성하는 과정
을 포함하는 넙스를 이용한 프로펠러 블레이드 형상 설계방법.
Blade airfoil design data generation process,
Grafting the design data into a NURBS curve generation equation to generate a primary parameter value of each point constituting the airfoil and calculating the corresponding primary parameter value to calculate an adjustment point position of each airfoil;
Generating a second parameter value from each of the adjustment point position data and calculating a final adjustment point position using the second parameter value;
A process of generating curved surface data by calculating the position of each final control point by a NURBS curve generation equation
Propeller blade shape design method using a horns comprising a.
제1항에서,
상기 NURBS곡선 생성 수학식은,

Figure pat00022


Pi: 조정점, R i,p(u): 유리기저함수(rational basis function)



Figure pat00023

wi: 웨이트(weight), Ni ,p(u): 기본 비스플라인 기저함수(normalized B-spline basis function)
이고,
상기 곡면데이터를 생성하기 위한 NURBS곡선 생성 수학식은,
Figure pat00024

인 넙스를 이용한 프로펠러 블레이드 형상 설계방법.

In claim 1,
The NURBS curve generation equation,

Figure pat00022


P i : control point, R i , p (u): rational basis function



Figure pat00023

w i : weight, N i , p (u): normalized B-spline basis function
ego,
A NURBS curve generation equation for generating the curved data is
Figure pat00024

Method for designing the propeller blade shape using an inflator.

제2항에서,
상기 설계데이터(Qk)를 이용해 상기 1차파라메타값을 산출 및 이를 만족하는 NURBS곡선 생성 수학식은,
Figure pat00025
이고,

상기 위 식을 미지수 (n+1)개의 선형 연립방정식으로 행렬방식으로 표현한 식은,
Figure pat00026
인
넙스를 이용한 프로펠러 블레이드 형상 설계방법.
3. The method of claim 2,
The first parameter parameter is calculated using the design data Qk and a NURBS curve generation equation satisfying the first parameter is
Figure pat00025
ego,

The above equation is expressed by a matrix system with unknown (n + 1) linear simultaneous equations,
Figure pat00026
sign
Method of designing the propeller blade shape using a horns.
제3항에서,
상기 제3항의 수학식을 접목하여 보간법을 통해 곡선을 생성시키는 수학식은,
Figure pat00027

Figure pat00028

Figure pat00029

인 넙스를 이용한 프로펠러 블레이드 형상 설계방법.


4. The method of claim 3,
Equation of generating a curve by interpolation by combining the equation of claim 3,
Figure pat00027

Figure pat00028

Figure pat00029

Method for designing the propeller blade shape using an inflator.


KR1020120015517A 2012-02-15 2012-02-15 Propeller blade geometry design for wind turbine by using nurbs KR20130094109A (en)

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