KR20140124797A - 기하학적 스위프를 갖는 풍력 터빈 블레이드 - Google Patents

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라세 길링
헨릭 프레드스룬드 한센
스코트 제이. 존슨
존 엠. 오브레치트
랸 에이. 시버스
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

스위핑 풍력 터빈 블레이드(20)는 블레이드(20)의 뿌리부(26)와 선단(28) 사이의 길이를 따라 연장하는 블레이드 몸체(24)를 포함한다. 피치 축선(36)은 블레이드(20)의 뿌리부(26)를 통하여 연장한다. 기준선(48)은 피치 축선(36)으로부터 편차를 규정하며 이의 길이를 따라 블레이드(20)의 스위핑 형상에 대응한다. 기준선(48)은 뿌리부(26)에서 0의 스위프, 뿌리부(26)에서 O의 기울기, 및 블레이드(20)의 뿌리부(26)로부터 선단(28) 까지의 길이의 25% 내의 세그먼트를 따라 양의 곡률(66)을 갖는다.

Description

기하학적 스위프를 갖는 풍력 터빈 블레이드 {WIND TURBINE BLADE HAVING A GEOMETRIC SWEEP}
본 발명은 풍력 터빈 블레이드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비틀어져 신축적으로 스위핑하는 풍력 터빈 블레이드(torsionally-flexible swept wind turbine blade) 및 이를 제조하는 방법들에 관한 것이다.
전형적으로, 풍력 터빈들은 그 위에 복수의 회전자 블레이드들이 장착되는 회전자; 나셀(nacelle)내에 수용되는 발전기 및 구동 트레인(drive train); 및 타워(tower)를 포함한다. 나셀 및 회전자는 전형적으로 타워의 상부에 장착된다. 작동 중, 회전자의 복수의 블레이드들은 바람으로부터 에너지를 수용하여 풍력 에너지를 구동 트레인을 통하여 회전자에 회전되게 커플링되는, 발전기를 구동하기 위해 사용되는 회전 토크(rotational torque)로 변환한다. 공력 탄성(aeroelastic)의 풍력 터빈 블레이드들이 풍력장 섭동들(난류, 전단, 요잉(yaw), 등)에 의해 야기된(created) 부하들을 감소시키기 위해 수동적으로 비틀어지는 블레이드들을 형성함으로써 풍력 터빈용 에너지 생산을 증가시키기 위한 이들의 잠재적 능력에 대해 연구되어 왔으며, 이에 의해 풍력 터빈의 출력을 증가시키게 될 정상 작동 상태들을 위해 더 큰 회전자를 설계하는 것을 가능하게 한다.
공지된 공력 탄성 블레이드들은 블레이드들의 바깥쪽 섹션 상의 블레이드 길이를 따라 연장하는 기준선에 대해 적어도 후방 스위프(backward sweep)를 가지는 블레이드들을 포함한다. 후방 스위프는 공력(aerodynamic force)이 블레이드의 국부적 구조 축선으로부터 이격하여 작용하는 것을 가능하게 하며, 이 공력은 이어서 구조 축선을 중심으로 국부적 비틀림 모멘트(twisting moment)를 야기한다. 비틀림 모멘트는 당연히(naturally) 낮은 공력 영각을 향한 블레이드의 자체-정정 유도 비틀림을 발생시켜, 비정상 상태들 동안 비정상적으로 높은 양력들을 수동적으로 방지한다.
본 발명은 도면들을 고려하여 아래의 설명에서 설명된다:
도 1은 본 발명의 양태에 따른 스위핑 블레이드(swept blade)를 가지는 풍력 터빈의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 양태에 따른 스위핑 풍력 터빈 블레이드의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 양태에 따른 직선형 블레이드의 축선에 대한 스위핑 블레이드용 기준선의 프로파일을 도시한다.
도 4는 본 발명의 다른 양태에 따른 스위핑 블레이드용 기준선의 프로파일을 도시한다.
도 5는 본 발명의 양태에 따른 3개의 상이한 기준선들의 스위프 형상들의 차이들을 도시한다.
도 6은 본 발명의 양태에 따른 3개의 상이한 스위프 형상들에 대한 블레이드 곡률의 차이들을 도시한다.
도 7은 본 발명의 양태에 따라 3개의 상이한 스위프 형상들을 구비한 블레이드에 대한 국부적 비틀림 모멘트들의 차이들을 도시한다.
본 발명의 발명가들은 공력 탄성 블레이드에서 전개되는 비틀림 모멘트가 풍력 터빈의 작동에 해로울 수 있다는 것을 인정하였는데, 이는 뿌리부(root)에서 인가되는 큰 모멘트들이 유압 블레이드 피치 제어 시스템(hydraulic blade pitch control system) 상에 응력을 생성하여 구성 부분들의 감소된 수명을 초래할 수 있기 때문이다. 또한, 본 발명의 발명가들은 개선된 스위프 형상을 가지는 비틀어져 신축가능하게 스위핑되는 풍력 터빈 블레이드를 혁신적으로 개발하였다. 상기 블레이드는 블레이드 뿌리부에서 전개된 국부적 비틀림 모멘트를 최소화하면서 자체-정정식의 본질적으로 안정된 비틀림 응답을 수동적으로 유도하기 위하여 공력 탄성 응답을 제공한다. 유용하게는, 블레이드 상의 감소된 부하들은 풍력 터빈에 대해 더 큰 에너지 출력을 제공할 수 있는 더 큰 회전자들이 제조되는 것을 가능하게 한다. 본 명세서에서 설명된 스위핑 블레이드들은 또한 공지된 스위핑 블레이드들에 비교되는 블레이드 길이를 따른 비틀림 모멘트들에 대한 더 매끄러운 구배 프로파일(smoother gradient profile)을 제공한다. 더 매끄러운 구배 프로파일은 비틀림 모멘트들에서의 큰 구배들이 기계적으로 바람직하지 않기 때문에 구조적 관점으로부터 유리하다.
지금부터 도면들을 참조하면, 도 1은 타워(12), 상기 타워(12) 상에 장착된 나셀(14), 및 허브(18) 및 미리 결정된 스위프 형상(22)을 가지는 복수의 스위핑 블레이드(20)들을 가지는 회전자(16)를 갖춘 풍력 터빈(10)을 예시한다. 도 2를 참조하면, x, y, 및 z 축선을 따라 x, y, 및 z 좌표들의 궤적을 규정하는 몸체(24)를 가지는 예시적인 스위핑 풍력 터빈 블레이드(20)가 도시되어 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 몸체(24)는 블레이드(20)의 선단(28)과 뿌리부(26) 사이의 길이(25)뿐만 아니라 블레이드(20)의 선행 에지(30)와 후행 에지(32) 사이를 따라 연장한다. 상기 몸체(24)는 선행 에지(30)와 후행 에지(32) 사이의 복수의 에어포일 횡단면(34)들을 규정한다. 피치 축선(36)은 뿌리부(26)로부터 블레이드 뿌리면에 대해 수직하게 배향되는 블레이드(20)의 몸체(24)를 통하여 스팬와이즈(spanwise)(x) 방향으로 연장한다. 스위프 형상(22)은 블레이드(20)의 안쪽 구역(40) 내의 안쪽 스위프(38) 및 블레이드(20)의 바깥쪽 구역(44) 내의 후부 스위프(42)를 포함한다. 전형적으로, 안쪽 구역(40)은 x 방향으로 블레이드(20)의 스팬(뿌리부(26)로부터 선단(28)까지의 길이)의 25% 또는 그 미만을 포함한다. 바깥쪽 구역(44)은 블레이드(20)의 스팬의 나머지를 포함한다.
도 3은 전형적인 종래 기술의 직선형 블레이드(46)(x 축선을 따른 점선) 및 위에서 설명된 바와 같은 블레이드(20)의 각각의 안쪽 및 바깥쪽 구역(40, 44)들에서 안쪽 스위프(38) 및 후부 스위프(42)를 가지는 예시적인 스위프 블레이드(20)의 반경 방향 위치를 따른 축선을 도시한다. 용어 "스위프(sweep)"는 이의 회전 평면에서의 직선형 블레이드 위치의 기준선으로부터 떨어진 블레이드 위치의 전방 또는 후방 편차를 지칭한다. 도 3에서, x 축선(직선형 블레이드의 기준선)은 블레이드(20)용 피치 축선(pitch axis; 36)과 동일한 공간을 차지한다. 돌풍(wind gust)이 후방 스위프(42)를 구비한 스위프 블레이드(20)와 충돌할 때, 면외방향(펄럭거리는 방향(flapwise)) 부하에서의 증가는 안쪽 구역(40)에서 섹션(section)들을 중심으로 한 피칭 모멘트(pitching moment)를 생성한다. 이러한 피칭 모멘트는 스위핑 블레이드(20)의 바깥쪽 구역(44)의 부분들을 유도하기 위한 작용을 하여 화살표(A)에 의해 도시된 바와 같이 바람 내로 블레이드(20)의 선행 에지(30)를 비틀어서 상기 섹션들의 공력 영각을 감소시키며, 이에 의해 그렇지 않으면 스위핑 블레이드(20)가 경험하게 될 일시적인 피크 부하를 개선한다. 또한, 도시된 바와 같이, 스위프 블레이드(20)의 안쪽 스위프(38)는 화살표(B)에 의해 도시된 바와 같이 반대 방향으로 비틀어져 블레이드(20)의 뿌리부(26) 근처의 피치 축선(36)을 중심으로한 국부적 비틀림 모멘트들을 상쇄시키도록 구성된다.
본 발명의 양태에 따라, 스위프 형상(22)은 블래이드 몸체를 따라 또는 블레이드 몸체를 통하여 연장하는 기준선에 대응하는데, 이 기준선 상에 외측 기하학적 형상이 설정될 수 있다. 도 3을 다시 참조하면, 피치 축선(36)으로부터 편차를 규정하고 스위핑 블레이드(20)(반경 방향 위치(R)로서 도시됨)의 길이(25)를 따라 스위프 형상(22)(도 1에 도시됨)에 대응하는 예시적인 기준선(48)이 도시되어 있다. 기준선(48)은 스위프 형상(50)을 가지며 축선을 제공하는데, 이 축선을 중심으로 복수의 에어포일 섹션(airfoil section)들이 임의의 적절한 구성으로 정렬될 수 있다. 기준선(48)이 설정되면, 스위핑 블레이드(20)의 블레이드 몸체(24)의 외측 기하학적 형상 및 블레이드 표면은 본 기술분야에서 주지된 방법들에 따라 설정될 수 있다.
일 실시예에서, 예를 들면, 외측 기하학적 형상은 복수의 에어포일 횡단면들, 예를 들면 에어포일(34)들(도 2)을 기준선(48)을 따라 비스듬하게 하거나 오프셋팅(offsetting)함으로써 결정될 수 있다. 오프셋팅은 기준선(48)을 따른 블레이드 횡단면 평면들을 정렬하는 것을 지칭하여 블레이드 횡단면들이 블레이드(20)를 통하여 연장하는 길이 방향 축선, 예를 들면 피치 축선(36)에 대해 수직하다. 다른 한편, 비스듬하게 하는 것은 기준선(48)을 따라 블레이드 횡단면들을 정렬하는 것을 포함하여 각각의 블레이드 횡단면이 스위프 형상(50)을 따르며 기준선(48) 상의 상기 지점에서 기준선의 접선에 대해 수직한 평면상에 놓인다. 대안적으로, 기준선(48)이 설정되면, 추가의 기술들이 컴퓨터 지원 도면(CAD) 로프팅(lofting) 기술들과 같이 스위핑 블레이드(20)의 몸체(24)(도 2에 도시됨)의 외측 기하학적 형상을 설계하도록 활용될 수 있으며, 여기에서 횡단면들은 CAD 컴퓨터 소프트웨어 루틴(computer software routine)들(스플라인(spline)들 등과 같은)의 사용을 통한 3차원 표면 내로 함께 매끄럽게 연결된다. 대안적인 실시예들에서, 블레이드 몸체(24)의 외측 기하학적 형상은 먼저 본 명세서에서 설명된 함수(들)에 따라 설정될 수 있으며 기준선(48)은 블레이드 몸체(24)의 형상으로부터 확인될 수 있다.
제한 없이, 스위핑 블레이드(20)의 기준선(48)은 탄성 축선, 1/4 시위선(quarter chord line), 질량 중심선, 전단 중심선, 선행 에지선, 후행 에지선, 또는 직선형 블레이드의 기준선에 대해 스위핑되는 임의의 다른 축선을 나타낼 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 기준선(48)의 스위프 형상(50)은 뿌리부(26)로부터 선단(28)까지의 블레이드(20)의 스팬(길이(25))을 나타내는 x-축선을 따라 도시된다. 기준선(48)은 블레이드(20)의 뿌리부(26)를 나타내는 지점(0, 0)에서 원점, 경사가 부호를 변화시키는 지점에서 또는 이 지점에 근접한 지점(α, β)에서의 스위프 형상(50)의 전이 지점(51), 및 블레이드(20)의 선단 스위프 크기(29)를 나타내는 포인트(R, γ)에서의 단자 단부를 포함할 수 있다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 기준선(48)은 블레이드(20)의 안쪽 구역(40)에서의 안쪽 스위프(38) 및 블레이드(20)의 바깥쪽 구역(44)에서의 후방 스위프(42)에 대응하는 형상(50)을 가지며, 각각의 스위프 형상은 피치 축선(36)에 대한 것이다.
기준선(48)의 스위프 형상(50)은 기준선(48)을 따른 임의의 지점에서 기울기(52) 및 곡률(54)의 정도를 포함한다. 기울기(52)는 임의의 특별한 지점에서 스위프 형상(50)에 접하는 선(56)에 의해 규정된다. 곡률(54)은 예를 들면, 곡률(54)의 제 1 구역(58)에서 기울기에서의 국부 공간적 변화율을 나타내며, 뿌리부(26)로부터 선단(28)으로의 방향으로 지점마다 기울기가 증가한다. 도 3을 참조하여 볼 수 있는 바와 같이, 기준선(48)은 안쪽 스위프(38) 및 후부 스위프(42)를 포함한다. 안쪽 스위프(38)는 제 1 곡률 구역(58)을 포함하며 제 1 곡률 구역은 0의 기울기를 가지는 제 1 지점(60) 및 양의 기울기를 가지는 기준선(48)을 따라 제 1 지점(60)으로부터 바깥쪽의 제 2 지점(62)을 포함한다. 제 1 곡률 구역(58)의 영역에서 제 1 지점(60)으로부터 제 2 지점(62)으로 적어도 양의 기울기 변화가 있기 때문에, 기준선(48)의 안쪽 스위프(38)(및 이에 따라 전형적으로 또한 블레이트(20))는 적어도 예시적인 지점(60, 62)들 사이의 세그먼트(segment)에서 양의 곡률(66)을 포함한다. 기준선(48) 상의 추가의 바깥쪽 지점(62)과 뿌리부(26) 사이에, 다른 방식으로 놓음으로써, 기울기 변화의 동시적인 전진율(forward rate)을 구비한 x-방향으로 증가하는 바깥쪽 위치를 구비한 y 방향으로 전방 변화를 구비한 세그먼트(예를 들면, 제 1 곡률 구역(58))가 있다.
양의 곡률(60)은 0의 기울기를 가지는 블레이드(20)의 안쪽 구역(40) 내의 임의의 지점에서 시작 지점을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 시작 지점은 블레이드(20)의 길이(25)의 첫번째 25% 내에 있다. 특별한 실시예에서, 양의 곡률(66)은 블레이드(20)의 뿌리부(26)에 시작 지점을 갖는다. 다른 실시예에서, 기울기(52)는 양의 곡률을 가진 뿌리부(26)에서 음이다. 기울기(52)는 모두 양의 스위프 곡률을 유지하면서 소정의 지점에서 0이 될 수 있어 더 바깥쪽으로 양이 될 수 있다.
도 3에 도시된 실시예에서, 기준선(48)은 뿌리부(26)에서 0의 스위프, 뿌리부(26)에서 0의 기울기, 및 블레이드(20)의 뿌리부(26)로부터 블레이드(20)의 선단(28)까지의 길이(25)의 25% 내의 세그먼트를 따라 양의 곡률(66)을 포함한다. 예를 들면, 비록 본 발명이 0의 기울기를 가지는 뿌리부(26)의 전방의 세그먼트로 제한되지 않는 것을 인정하지만, 제 1 지점(60)은 0의 기울기를 가지는 제1 세그먼트(64) 내에 위치된다. 단지 기준선(48)의 양의 곡률(66)이 뿌리부(26)로부터 시작하거나 0의 기울기를 가지는 뿌리부(26)로부터 바깥쪽 지점을 통하여 지나가는 것이 중요하다.
도 3을 다시 참조하면, 기준선(48)은 제 1 지점(72)과 제 2 지점(74)(제 1 지점(72) 보다 더 큰 음의 기울기를 가짐) 사이의 기준선(48)의 길이(25)의 제 2 부분(70)을 따라 제 2의 (음의) 곡률 구역(68)을 포함한다. 제 2 부분(70)은 아래 설명된 제 2 부분(73)으로서 상이하고 겹쳐지거나 동일한 길이 또는 영역의 기준선(48)을 규정할 수 있다. 전형적으로, 비록 본 발명이 이에 제한되지는 않지만, 제 2 부분(70)은 양의 곡률(66)을 따르는 블레이드(20)의 바깥쪽 구역 내에 있다. 그러나, 대안적인 일 실시예에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 기준선, 예를 들면 기준선(48d)은 또한 양의 곡률(66)을 유지하면서 음의 전방 스위프를 가지는 뿌리부(26)의 바깥쪽 지점(76)(또는 세그먼트)을 포함할 수 있다는 것이 고려된다. 단지 블레이드(20)의 뿌리부(26)로부터 선단(28)으로 길이(25)(반경 방향 위치(R))의 25% 내의 세그먼트를 따라 적어도 양의 곡률이 존재하는 것이 필요하다.
소정의 실시예들에서, 기준선(48)의 곡률(54)은 적어도 도 3에 도시된 바와 같이 연속 곡률(연속 곡선)(80)을 포함한다. 블레이드(20)의 외측 기하학적 형상이 전형적으로 기준선(48)의 형상에 대응하게 될 것이기 때문에, 블레이드(20)는 연속 곡률(80)을 또한 포함한다. 본 발명에 따라 연속 곡률 형상을 가지는 블레이드들은 유리하게는 뿌리부(26)를 향하여 점진적으로 0의 모멘트를 향하는 경향이 있음으로써 공지된 스위핑 블레이드들에 비해 블레이드(20)의 뿌리부(26) 근처의 비틀림 모멘트에 대해 더 매끄러운 구배 프로파일을 제공한다. 비틀림 모멘트들에서 큰 구배들이 바람직하지 않기 때문에 더 매끄러운 구배 프로파일이 구조적 관점으로부터 더 유리하다.
기준선(48)의 매개변수들, 예를 들면 스위프 형상(50), 기울기(52) 및 곡률(54)의 정도는 하나 또는 둘 이상의 수학적 함수들에 의해 규정될 수 있다. 일 실시예에서, 기준선(48)은 단일 함수에 의해 규정된다. 특별한 실시예에서, 스위핑 풍력 터빈 블레이드(20)는 두 개 또는 세 개 이상의 수학적 함수들에 따라 설정된다. 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, 기준선(48)은 제 1 함수에 의해 형성된 제 1 부분(71) 및 전이 지점(도면 부호 51에 의해 α, β에서 도시됨)에서의 제 1 함수에 인접한 길이의 제 2 부분을 따라 제 1 함수와 상이한 제 2 함수에 의해 형성된 제 2 부분(73)을 포함한다.
유리하게는, 각각 기준선의 일 부분을 규정하는, 임의의 두 개의 구별되는 함수들 사이의 전이 지점이 두 개의 함수들의 전이 지점에서 동일한 곡률을 가질 때 기준선(48)은 연속 곡률(80)을 포함한다. 예를 들면, 전이 지점(51)에서 종료되고 제 1 함수에 의해 나타나는 기준선(48)의 제 1 부분(71)의 곡률 및 전이 지점(51)에서 종료하고 제 2 함수에 의해 나타나는 기준선(48)의 제 2 부분(73)의 곡률이 동일할 때 기준선(48)은 연속 곡률(80)을 포함한다. 일 실시예에서, 기준선(48)은 전이 지점(51)에서 연속 기울기를 더 포함하여 제 1 함수의 기울기가 제 1 함수 및 제 2 함수의 전이 지점(51)에서 제 2 함수의 기울기와 동일하다.
추가 예시를 위해(그리고 제한 없이), 본 명세서에서의 비교를 위해 3개의 예시적인 스위프 형상 방법들이 제공된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 0에서 양의 기울기("+ 기울기 @ 0") 방법에 따라 스위핑되는 제 1 기준선(48a)이 도시되며, 여기에서 기준선(48a)은 블레이드(20)의 뿌리부(26)로부터 바로 증가하기 시작하는 양의 기울기(52)를 갖는다. 스위핑의 이러한 방법의 단점이 블레이드 상에 작용하는 공력들로부터 야기되는 국부적으로 축적된 비틀림 모멘트들이 뿌리부 섹션(root section) 근처에서 매우 크게 된다는 점에 주목된다. 이러한 축적된 비틀림 모멘트들은 구조적으로 바람직하지 않다. 도 5에 도시된 다른 실시예에서, 0의 기울기를 가지는 적어도 제 1 세그먼트(64) 및 양의 곡률(66)(도 3에 도시된 바와 같이)을 가지는 적어도 제 1 구역, 예를 들면 제 1 곡률 구역(58)을 가지는 0에서 0의 기울기("0 기울기 @ 0") 방법에 따라 형성될 수 있는 제 2 기준선(48b)이 도시된다. 세번째, 도 5에 도시된 또 다른 실시예에서, "0 기울기 @ 0" 방법(기준선(48b))에 대해 앞에서 논의된 곡률 연속성(80)을 추가하는 0에서 0의 기울기 연속 곡률("0 기울기 @ 0 CC") 방법에 따라 형성될 수 있는 제 3 기준선(48c)이 도시된다. 볼 수 있는 바와 같이, 기준선(48b 및 48c)들은 양 선들이 지점(α, β)에 도달할 때까지 겹쳐진다. 그 후, 기준선(48c)이 어떠한 다른 선들과도 겹쳐지지 않지만, 기준선(48a 및 48b)들은 겹쳐진다.
위에서 논의된 바와 같이, 블레이드(20)의 기준선(48)에 대한 스위프 형상(50)(및 이에 따라 전형적으로 블레이드(20)의 대응하는 스위프 형상(22))은 다항 함수와 같은, 하나 또는 둘 이상의 수학적 함수들에 의해 규정될 수 있다. 일 실시예에서, 다항 함수는 두 개 또는 세 개 이상의 다항 함수들을 포함하는 개별식 다항 함수이다. 도 5를 다시 참조하면, 예를 들면, 기준선들의 스위프 형상이 두 개 또는 세 개 이상의 함수들에 의해 형성될 수 있다. 도 5에 도시된 실시예들에서, 예를 들면 선(48c)에 대한 제 1 함수는 뿌리부(26)에서의 지점(0, 0)으로부터 지점(51)(α,β) 까지의 스위프 형상(50)을 형성하고 적어도 제 2 함수는 지점(51)(α,β)으로부터 블레이드(20)의 선단(28)에 대한 (R, γ) 까지의 스위프 형상(50)을 형성한다.
기준선(48a, 48b, 및 48c)들의 스위프 형상(50)을 나타내는 함수들 각각에 대해, 아래의 경계 조건이 존재한다.
y1(O) = 0 원점(0,0): 블레이드 뿌리부에서 시작
y1(α) = β (α,β) 통과
y2(α) = β 스위프 형상이 (α,β)에서 함수적으로 연속함
y1'(α) = 0 형상(50)의 최전방 지점이 (α,β)에 위치됨
y2'(α) = 0 기울기는 (α,β)에서 함수적으로 연속함
y2(R) = γ 형상이 (R, γ)에서 종료함
또한, 기준선(48a)에 대한 함수("+ 기울기 @ 0" 방법)는 아래의 정의를 더 포함한다.
a3 = 0 y1은 2차이고
b3 = 0 y2 는 2차이다.
"+ 기울기 @ 0" 방법은 이의 스위프 형상을 설명하기 위하여 두 개의 이차 함수들을 사용하며 스위프 형상에 대한 자유도(freedom)가 원점에서 양의 기울기를 갖는 것을 허용한다.
또한, 기준선(48b)에 대한 함수들("0 기울기 @ 0" 방법)은 아래의 정의들을 더 포함한다.
y1'(0) = 0 원점 (0,0)에서 0의 기울기
b3 = 0 y2 는 이차
"0 기울기 @ 0" 방법은 스위프 형상을 설명하기 위하여 하나의 3차 함수 및 하나의 2차 함수를 사용하며 스위프 형상에 대한 자유도가 원점에서 0의 기울기를 가지는 것을 허용한다.
또한, 기준선(48c)("0 기울기 @ 0 CC"(연속 곡률)) 방법에 대한 함수들은 아래의 정의들을 더 포함한다. "0 기울기 @ 0 CC" 방법은 스위프 형상을 설명하기 위하여 두 개의 3차 함수들을 사용하며 스위프 형상에 대한 자유도는 원점에서 0의 기울기를 가질 뿐만 아니라 연속 곡률을 포함하는 것을 허용한다.
y1'(0)=(0) 원점(0,0)에서 0의 기울기
y1"(α)=y2"(α) 곡률은 (α,β)에서 함수적으로 연속한다.
임계적으로, 연속 곡률(80)은 함수들이 기울기, 함수 및 곡률이 동일한 지점(α,β)의 어느 한 측부에서 두 개의 지점들을 가지는 기준선을 제공한다. 이러한 방식으로, 기준선(48c)을 구비한 것과 같이 연속 곡률(80)을 구비한 외측 기하학적 형상을 가지도록 구성된 블레이드(22)는 뿌리부(26)를 향하여 점진적으로 0의 모멘트를 향하는 경향에 의해 공지된 스위핑 블레이드들에 대해 블레이드(22)의 뿌리부(26) 근처의 비틀림 모멘트들에 대해 더 매끄러운 구배 프로파일을 제공한다.
상기 정의들을 포함하는 스위프 형상의 임의의 매개 변수화가 활용될 수 있다는 것이 고려된다. 도 5 그리고 위의 상세한 설명은 모두 개별적 다항 함수를 지칭하지만, 연속적 다항 매개변수화(또한 연속 곡률을 가짐), 불연속 푸리에 급수(discrete Fourier Series)(또한 연속 곡률을 가짐), 개별적 푸리에 급수(연속 곡률을 가질 수 있거나 가지지 않을 수 있음), 및 다항 또는 푸리에 급수 식들을 반드시 이용하지는 않는 다른 개별적 식들과 같은 다른 함수들이 기준선들의 스위프 형상을 정의하기 위해 이용될 수 있다.
이제 도 6을 참조하면, 특히 예시적인 블레이드(20)의 반경 방향 위치(스팬 방향 길이)를 따라 기준선(48a, 48b)들의 곡률과 대비될 때 기준선(48c)의 연속 곡률(80)이 명확하게 도시된다. 도시된 바와 같이, 단지 기준선(48c)만이 연속 곡률(80)을 갖는다. 구체적으로, 기준선(48a)("0에서 + 기울기" 방법에 대응함)은 곡률이 변화가 적거나 변화가 없는 지점(α,β)에 대한 세그먼트(82)를 포함한다. 또한, 기준선(48b)은 세그먼트(84)에 의해 도시된 바와 같이 지점(α,β)에 대한 기준선(48c)의 곡률을 따르지만, 기준선(48b)은 x=α에서 연속 곡률을 가지지 않는다. 대신, 기준선(48a) 및 기준선(48b)은 세그먼트(86)에 의해 도시된 바와 같이 x = α이후 실질적으로 유사하거나 동일한 곡률을 갖는다. 이와 같이, 단지 기준선(48c)이 연속 곡률을 가지며 세그먼트(84) 및 세그먼트(88)에 의해 도시된 바와 같이 지점(α,β) 이후 함수 형태가 변화하지 않는다.
도 7은 기준선(48a, 48b, 및 48c)들에 따라 제작된 예시적인 스위핑 블레이드를 위한 대응하는 국부적으로 축적된 비틀림 모멘트를 도시한다. 먼저, 도시된 바와 같이, 기준선(48b 및 48c)(각각 "0 기울기 @ 0" 및 "0 기울기 @ 0 CC" 방법에 따라 형성됨)들은 기준선(48a)('+기울기@0' 방법에 의해 형성됨)에 대해 완전히 반대(stark opposition)로 뿌리부(26) 근처의 0의 모멘트를 점진적으로 향하는 경향이 있다. 언급된 바와 같이, 점진적으로 뿌리부를 향하여 0의 모멘트를 향하는 경향이 있는 이러한 연속 비틀림-모멘트 분배는 상당히 더 구조적으로 양호하다. 또한 임계적으로, "0 기울기 @ 0" 방법 및 "0 기울기 @ 0 CC" 방법(기준선(48a 및 48b))에 비해, "0 기울기 @ 0 CC" 방법은 함수적 분리(x = α ~ 0.63)에서 구부림(kink; 90) 없이 비틀림-모멘트 분포를 가지며, 이에 따라 블레이드 구조에 유리한 상당히 더 매끄러운 구배 프로파일을 갖는다. 이러한 방식으로, 특히 이들의 기하학적 형상을 안내하기 위해 기준선(48b 및 48c)들을 사용하는 블레이드(20)는 블레이드(20)의 후부 스위프(42)에 의한 블레이드의 수동적인 비틀림으로부터 초래되는 비틀림 모멘트들을 잘 상쇄할 수 있다(도 2에 도시됨).
본 발명의 다양한 실시예들이 본 명세서에서 도시되고 설명되었지만, 이 같은 실시예들이 단지 예로서 제공된다는 것이 명백할 것이다. 다양한 변경들, 변화들 및 치환들이 본 명세서의 발명으로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명이 첨부된 청구범위의 사상 및 범주에 의해서만 제한되는 것이 의도된다.

Claims (19)

  1. 스위핑 풍력 터빈 블레이드(swept wind turbine blade)로서,
    상기 블레이드의 뿌리부와 선단 사이의 길이를 따라 연장하는 블레이드 몸체;
    상기 블레이드의 뿌리부를 통하여 연장하는 피치 축선;
    이의 길이를 따라 상기 블레이드의 스위핑 형상에 대응하는 상기 피치 축선으로부터의 편차를 규정하는 기준선을 포함하며,
    상기 기준선은:
    상기 뿌리부에서 0의 스위프(sweep);
    상기 뿌리부에서 0의 기울기;
    상기 블레이드의 뿌리부로부터 선단으로의 길이의 25% 내의 세그먼트를 따른 양의 곡률을 포함하는,
    스위핑 풍력 터빈 블레이드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준선은 뿌리부에서 양의 곡률을 포함하는,
    스위핑 풍력 터빈 블레이드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준선은:
    상기 길이의 제 1 부분을 따라 제 1 함수에 의해 규정된 제 1 곡률;
    전이 지점에서 제 1 함수와 인접한 길이의 제 2 부분을 따라 상기 제 1 함수와 상이한 제 2 함수에 의해 규정되는 제 2 곡률을 더 포함하며,
    상기 제 1 곡률의 기울기 및 상기 제 2 곡률의 기울기는 전이 지점에서 동일한,
    스위핑 풍력 터빈 블레이드.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 기준선은:
    상기 길이의 제 1 부분을 따라 제 1 함수에 의해 규정된 제 1 곡률;
    전이 지점에서 상기 제 1 함수와 인접한 길이의 제 2 부분을 따라 상기 제 1 함수와 상이한 제 2 함수에 의해 규정되는 제 2 곡률을 더 포함하며,
    상기 제 1 곡률의 기울기 및 상기 제 2 곡률의 기울기는 전이 지점에서 동일한,
    스위핑 풍력 터빈 블레이드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준선은:
    상기 길이의 제 1 부분을 따라 제 1 함수에 의해 규정된 제 1 곡률;
    전이 지점에서 제 1 함수와 인접한 길이의 제 2 부분을 따라 상기 제 1 함수와 상이한 제 2 함수에 의해 규정되는 제 2 곡률을 더 포함하며,
    상기 제 1 곡률 및 상기 제 2 곡률은 각각 전이 지점에서 종료되고 균등한 곡률을 가지는,
    스위핑 풍력 터빈 블레이드.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 곡률은 상기 뿌리부의 전방으로 0의 기울기를 가지는 세그먼트 상의 지점으로부터 연장하는,
    스위핑 풍력 터빈 블레이드.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 길이를 따라 양의 곡률로부터 바깥쪽에 음의 곡률을 더 포함하는,
    스위핑 풍력 터빈 블레이드.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준선은 상기 블레이드의 탄성 축선, 1/4 시위선, 질량 중심선, 전단 중심선, 선행 에지선, 및 후행 에지선으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 부재를 포함하는,
    스위핑 풍력 터빈 블레이드.
  9. 제 1 항의 스위핑 블레이드를 포함하는,
    풍력 터빈 회전자.
  10. 스위핑 풍력 터빈 블레이드로서,
    상기 블레이드의 뿌리부와 선단 사이의 길이를 따라 연장하는 블레이드 몸체;
    상기 블레이드 뿌리부를 통하여 연장하는 피치 축선; 및
    이의 길이를 따라 상기 블레이드의 스위핑 형상에 대응하는 상기 피치 축선으로부터의 편차를 규정하는 기준선을 포함하며,
    상기 기준선은:
    상기 뿌리부에서 0의 기울기;
    상기 길이의 제 1 부분을 따른 양의 곡률; 및
    상기 길이의 제 2 부분을 따른 음의 곡률을 포함하는,
    스위핑 풍력 터빈 블레이드.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 블레이드 뿌리부에서 시작하거나 상기 블레이드 뿌리부의 전방으로 제 1 부분 및 상기 제 1 부분으로부터 바깥쪽의 제 2 부분을 더 포함하는,
    스위핑 풍력 터빈 블레이드.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 블레이드 뿌리부에서 시작하거나 상기 블레이드 뿌리부의 전방으로 제 2 부분 및 상기 제 2 부분으로부터 바깥쪽에 제 1 부분을 더 포함하는,
    스위핑 풍력 터빈 블레이드.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 양의 곡률은 상기 길이의 제 1 부분을 따라 제 1 함수에 의해 규정되고 상기 음의 곡률은 전이 지점에서 상기 제 1 함수에 인접한 길이의 제 2 부분을 따라 제 1 함수와 상이한 제 2 함수에 의해 규정되며, 상기 양의 곡률의 기울기 및 상기 음의 곡률의 기울기가 전이 지점에서 동일한,
    스위핑 풍력 터빈 블레이드.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 기준선은 블레이드의 탄성 축선, 1/4 시위선, 질량 중심선, 전단 중심선, 선행 에지선, 및 후행 에지선으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 부재를 포함하는,
    스위핑 풍력 터빈 블레이드.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 양의 곡률은 상기 뿌리부의 전방으로 0의 기울기를 가지는 세그먼트로부터 연장하는,
    스위핑 풍력 터빈 블레이드.
  16. 제 10 항의 스위핑 풍력 터빈 블레이드를 포함하는,
    풍력 터빈 회전자.
  17. 스위핑 풍력 터빈 블레이드로서,
    상기 블레이드의 뿌리부와 선단 사이의 길이를 따라 연장하는 블레이드 몸체;
    상기 블레이드의 뿌리부를 통하여 연장하는 피치 축선;
    이의 길이를 따라 상기 블레이드의 스위핑 형상에 대응하는 상기 피치 축선으로부터 편차를 규정하는 기준선을 포함하며,
    상기 기준선은:
    상기 뿌리부에서 0의 스위프;
    상기 뿌리부에서 0의 기울기;
    상기 길이의 제 1 부분을 따라 제 1 함수에 의해 규정된 제 1 곡률;
    전이 지점에서 상기 제 1 함수에 인접한 길이의 제 2 부분을 따라 상기 제 1 함수와 상이한 제 2 함수에 의해 규정되는 제 2 곡률을 포함하며,
    상기 제 1 곡률의 기울기 및 상기 제 2 곡률의 기울기가 상기 전이 지점에서 동일한,
    스위핑 풍력 터빈 블레이드.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 양의 곡률은 상기 블레이드의 뿌리부에 배치되는,
    스위핑 풍력 터빈 블레이드.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 양의 곡률은 상기 블레이드의 뿌리부로부터 바깥쪽에 배치되는,
    스위핑 풍력 터빈 블레이드.
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