KR20150078691A - 플랫 백 에어포일 및 이를 포함하는 풍력발전기의 블레이드 - Google Patents

플랫 백 에어포일 및 이를 포함하는 풍력발전기의 블레이드 Download PDF

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KR20150078691A
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신형기
방형준
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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은 풍력발전기의 블레이드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대형 풍력발전기의 블레이드 루트 부에 뒷전이 판상으로 이루어진 플랫 백 에어포일 형상을 적용하여 블레이드 루트부의 강도를 증가시킨 플랫 백 에어포일 형상을 갖는 풍력발전기의 블레이드에 관한 것이다.

Description

플랫 백 에어포일 및 이를 포함하는 풍력발전기의 블레이드{Flat Back Airfoil and Blade for Wind Turbine Generator having the Same}
본 발명은 뒷전이 판상으로 이루어진 플랫 백 에어포일에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대형 풍력발전기의 블레이드 루트부에 플랫 백 에어포일을 적용하여 블레이드 루트부의 강도를 증가시킨 플랫 백 에어포일 및 이를 포함하는 풍력발전기의 블레이드에 관한 것이다.
바람의 힘을 이용하여 전기에너지를 발생시키는 풍력발전기는 산업의 발달과 인구 증가에 의한 석유, 석탄, 천연가스 등의 천연자원의 고갈에 따라 대체 에너지원으로 많은 연구가 진행되고 있다.
풍력발전이란 공기 유동이 갖는 운동에너지를 기계적 에너지로 변환시킨 후 다시 전기에너지를 생산하는 기술로서, 자연에 존재하는 바람을 에너지원으로 이용하므로 비용이 들지 않으면서도 친환경적인 바, 점차 사용 범위가 증가하고 있다.
풍력발전기의 구조는 도 1에 도시한 바와 같이, 지면상에 세워지는 고층의 타워(1) 상단에 블레이드(3)를 회동 지지하는 낫셀(2)을 회전 가능하도록 설치하고, 낫셀(2) 내부에는 증속기, 발전기 및 제어장치(미도시)를 두어, 블레이드(3)의 회전력이 허브(4)를 거쳐 주축을 통해 발전기에 이르도록 구성된다. 한편, 공기 유동 후류에 해당하는 낫셀(2)의 상단에는 풍향풍속계(5)가 배치된다. 이는 바람의 속도에 따라 전체 시스템을 최적 제어하고 발전량을 모니터링하기 위함인데, 풍향풍속계(5)에서 측정되는 풍향과 풍속에 기반하여 블레이드(3)의 피치 각도를 조절하고 낫셀(2)의 방향을 유동 방향으로 전환하여 발전 효율을 극대화한다.
최근에는 상기와 같은 풍력발전기가 대형화되면서, 블레이드(3)의 길이가 길어짐에 따라 블레이드(3)의 부피와 무게도 증가하고 있는 실정이다.
이에 따라 블레이드의 루트(root, 허브(4) 축에 가까운 측단)에 가해지는 하중이 커짐에 따라 도 2에 도시한 바와 같은 통상의 에어포일(300, 뒷전이 날카로운 형상)을 갖는 블레이드(3)의 경우 공력 성능은 우수하나, 강도가 약해 적용이 불가능한 문제점이 있다.
따라서 최근에는 블레이드의 뒷전이 판상으로 이루어진 플랫 백 에어포일(Flat back Airfoil)을 적용하여 강도를 보강시킨 기술이 공지된 바 있으나, 블레이드 전체를 플랫 백 에어포일 형상으로 구성할 경우 구조적 강도는 증가하지만, 공력 성능이 에어포일 단면 형상을 갖는 블레이드에 비해 크게 떨어지고, 소음이 증가하는 문제점이 발생한다.
따라서 대형 풍력발전기에 적용되는 길이가 긴 블레이드에 있어서, 구조적 강도가 보장되고, 공력 성능이 기존의 에어포일 단면 형상을 갖는 블레이드에 비해 떨어지지 않으며, 소음을 최소화한 플랫 백 에어포일 및 이를 포함하는 풍력발전기의 블레이드의 개발이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 풍력발전기용 블레이드에 뒷전이 판상으로 이루어진 플랫 백 에어포일부를 적용하되, 강도를 증가시키고 공력 성능을 개선한 플랫 백 에어포일을 제공함에 있다.
또한, 상술된 플랫 백 에어포일의 적용부위를 블레이드의 루트부에 근접한 곳으로 제한하여 블레이드의 강도를 증가시키고 공력 성능을 개선한 플랫 백 에어포일을 포함하는 풍력발전기의 블레이드를 제공함에 있다.
아울러 플랫 백 에어포일로 되는 강도보강부와, 이웃하는 블레이드 루트 측에는 단면이 원통형으로 이루어진 루트부를 구성하여 블레이드 루트의 강도를 추가 보강하고, 강도보강부와 이웃하는 블레이드 팁 측에는 단면이 에어포일 형상으로 이루어진 에어포일부를 구성하여 공력 성능을 향상시킨 플랫 백 에어포일을 포함하는 풍력발전기의 블레이드를 제공함에 있다.
본 발명의 플랫 백 에어포일은, 앞전 및 뒷전과, 상기 앞전과 뒷전 사이에 형성되는 윗면 및 아랫면을 포함하는 에어포일에 있어서, 상기 뒷전이 판상으로 이루어진 플랫 백 에어포일로 이루어지며, 상기 윗면과 아랫면의 뒷전부 프로파일(profile)은 상기 앞전을 기준으로 하여 아래의 표에 대응하는 수평좌표값(x/c)과, 수직좌표값(y/c)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 플랫 백 에어포일.
Figure pat00001
다른 실시 예의 본 발명의 플랫 백 에어포일은, 앞전 및 뒷전과, 상기 앞전과 뒷전 사이에 형성되는 윗면 및 아랫면을 포함하는 에어포일에 있어서, 상기 뒷전이 판상으로 이루어진 플랫 백 에어포일로 이루어지며, 상기 윗면과 아랫면의 뒷전부 프로파일(profile)은 상기 앞전을 기준으로 하여 아래의 표에 대응하는 수평좌표값(x/c)과, 수직좌표값(y/c)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 플랫 백 에어포일.
Figure pat00002
본 발명의 풍력발전기용 블레이드는, 앞전 및 뒷전과, 상기 앞전과 뒷전 사이에 형성되는 윗면 및 아랫면을 포함하는 풍력발전기용 블레이드에 있어서, 상기 블레이드는, 상기 뒷전이 판상으로 이루어진 플랫 백 에어포일 형상을 갖는 강도보강부; 를 포함하며, 상기 강도보강부는, 상기 블레이드의 루트 측에 근접하여 형성되는, 플랫 백 에어포일을 포함한다.
이때, 상기 강도보강부는, 상기 블레이드의 루트를 기준으로 상기 블레이드 길이의 15%~25% 사이에 형성된다.
또한, 상기 블레이드는, 상기 강도보강부의 상기 블레이드 루트 측에 형성된 루트부; 및 상기 강도보강부의 상기 블레이드 팁 측에 형성된 에어포일부; 를 포함하며, 상기 루트부는 단면이 원통형으로 이루어지며, 상기 에어포일부는 단면이 통상의 에어포일형으로 이루어진다.
또한, 상기 강도보강부의 최대 두께 지점은, 상기 강도보강부의 코드길이 대비 30~40% 사이에 위치한다.
또한, 상기 강도보강부의 두께비는 40~45%, 면적비는 28~32% 이다.
또한, 상기 강도보강부의 코드길이는, 상기 에어포일부의 코드길이에 대응된다.
아울러, 상기 강도보강부의 뒷전 두께비는 약 10% 이다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 플랫 백 에어포일 및 이를 포함하는 풍력발전기의 블레이드는, 플랫 백 에어포일이 적용된 강도보강부를 통해 블레이드 루트 측의 강도를 증가시켜 대형 풍력발전기에 적용 가능한 강도를 갖고, 에어포일부를 통해 기존의 에어포일 단면 형상을 갖는 블레이드와 유사한 수준의 공력 성능을 갖는 장점이 있다.
도 1은 풍력발전기 사시도
도 2는 일반적인 에어포일의 단면도
도 3은 본 발명의 제1 실시 예의 플랫 백 에어포일 단면도
도 4는 본 발명의 제2 실시 예의 플랫 백 에어포일 단면도
도 5는 본 발명의 제1 실시 예의 플랫 백 에어포일 공력 성능표
도 6은 본 발명의 제2 실시 예의 플랫 백 에어포일 공력 성능표
도 7은 본 발명의 풍력발전기 블레이드 사시도
도 8은 본 발명의 루트부 단면도(도 5의 AA')
도 9는 본 발명의 강도보강부 단면도(도 5의 BB')
도 10은 본 발명의 에어포일부 단면도(도 5의 CC')
본 발명의 풍력발전기 블레이드를 설명하기에 앞서 상기 블레이드에 적용되는 에어포일 단면 형상의 용어 및 구조에 대하여 간단히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 통상의 에어포일(300)은 앞전(Leading edge)(210)과, 앞전(210)으로부터 공간을 가지며 형성되는 뒷전(Trailing edge)(220)과, 앞전(210)과 뒷전(220) 사이에 형성되는 윗면(upper surface)(240) 및 아랫면(lower surface)(250)을 포함한다.
코드길이(chord length)(230)는 에어포일(300) 단면의 수평방향 최대길이를 의미한다. 또한 두께비(Thickness-ratio)는 에어포일(300)의 임의의 단면에서의 두께(t)/코드길이(c)로 정의한다. 또한 면적비(area-ratio)는 에어포일(300)의 임의의 단면에서 에어포일의 단면적/코드길이(c)로 정의한다.
에어포일(300)의 단면 형상에는, 캠버(Mean Camber Line)(260)가 존재한다. 캠버(260)는 에어포일(300)의 윗면(240)과 아랫면(250)의 중간지점을 앞전(210)에서부터 뒷전(220)까지 연결한 선이다.
일반적으로 내부 구조물의 제작을 위하여 두께비가 높아야 한다. 그러나 두께비가 커지면 에어포일(300)의 공력 성능이 감소하게 된다. 그러므로 두께비는 구조물 응력설계와 에어포일 성능설계에서 타협점이 존재하게 된다. 일반적인 연구결과에 따르면 에어포일(300)의 두께는 얇아질수록 성능향상이 있으나 지나치게 얇으면 내부 구조물의 제작 및 구조 강도에 문제가 생길 수 있기 때문이다.
본 발명은 풍력발전기용 블레이드에 관한 것으로, 공력 성능을 유지하며, 블레이드 루트부의 강도를 보강하기 위해 뒷전이 판상으로 이루어진 플랫 백 에어포일부를 블레이드의 루트부에 적용한 것을 특징으로 한다.
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3에는, 본 발명의 제1 실시 예의 플랫 백 에어포일 형상이 도시되어 있다. 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에어포일(KWA031-400)은 통상의 풍력발전기용 에어포일에 비해 뒤전부를 판상으로 구성하여 에어포일 강도를 증가시켜 대형 풍력발전기에 적용 가능하도록 구성하였다. 즉 도시된 바와 같이 플랫 백 에어포일은 윗면, 아랫면 및 판상으로 형성된 뒷전을 포함한다.
본 발명의 제1 실시 예의 플랫 백 에어포일은 두께비가 40%이고, 면적비 28%를 만족하도록 설계되었으며, 뒷전의 두께비는 10%, 최대양력계수는 1.2 이상을 만족하도록 설계되었다.
상술된 본 발명의 에어포일(KWA031-400)의 자세한 형상은 아래 표 1과 같다. 앞전부는 종래의 에어포일 형상과 유사하므로, 뒷전부의 좌표만 언급하기로 한다. 표의 x/c 값과, y/c 값은 모두 코드길이(230)에 의해 무차원화 된 값이다.
Upper Surface x/c Upper Surface
y/c		 Lower Surface
x/c		 Lower Surface
y/c
1.000000 0.051556 1.000000 -0.045938
0.989879 0.055062 0.990016 -0.045818
0.973591 0.060543 0.976140 -0.046104
0.955893 0.066278 0.962978 -0.046839
0.936670 0.072278 0.950163 -0.047961
0.915779 0.078570 0.937476 -0.049442
0.893081 0.085202 0.924762 -0.051275
0.868483 0.092214 0.911896 -0.053461
0.842015 0.099628 0.898770 -0.056014
0.813920 0.107412 0.885278 -0.058953
0.784683 0.115464 0.871311 -0.062304
0.754960 0.123616 0.856750 -0.066104
0.725421 0.131677 0.841460 -0.070394
0.696589 0.139480 0.825287 -0.075227
0.668805 0.146902 0.808049 -0.080664
0.642262 0.153867 0.789550 -0.086767
0.617055 0.160326 0.769591 -0.093594
0.593214 0.166258 0.748055 -0.101154
0.570712 0.171657 0.725075 -0.109345
0.549485 0.176530 0.701309 -0.117846
도 4에는, 본 발명의 제2 실시 예의 플랫 백 에어포일 형상이 도시되어 있다. 본 발명의 제2 실시 예에 따른 에어포일(KWA031-450)은 통상의 풍력발전기용 에어포일에 비해 뒤전부를 판상으로 구성하여 에어포일 강도를 증가시켜 대형 풍력발전기에 적용 가능하도록 구성하였다. 즉 도시된 바와 같이 플랫 백 에어포일은 윗면, 아랫면 및 판상으로 형성된 뒷전을 포함한다.
본 발명의 제2 실시 예의 플랫 백 에어포일은 두께비가 45%이고, 면적비 32%를 만족하도록 설계되었으며, 뒷전의 두께비는 10%, 최대양력계수는 1.2 이상을 만족하도록 설계되었다.
상술된 본 발명의 에어포일(KWA031-450)의 자세한 형상은 아래 표 2와 같다. 앞전부는 종래의 에어포일 형상과 유사하므로, 뒷전부의 좌표만 언급하기로 한다. 표의 x/c 값과, y/c 값은 모두 코드길이(230)에 의해 무차원화 된 값이다.
Upper Surface x/c Upper Surface
y/c		 Lower Surface
x/c		 Lower Surface
y/c
1.000000 0.058002 1.000000 -0.051682
0.988401 0.062521 0.988798 -0.051529
0.969908 0.069485 0.974111 -0.051916
0.949956 0.076685 0.960656 -0.052825
0.928300 0.084182 0.947806 -0.054155
0.904624 0.092078 0.935232 -0.055867
0.878604 0.100493 0.922728 -0.057949
0.850022 0.109532 0.910138 -0.060403
0.818965 0.119214 0.897329 -0.063244
0.786045 0.129401 0.884179 -0.066498
0.752381 0.139775 0.870560 -0.070199
0.719196 0.149942 0.856333 -0.074393
0.687364 0.159596 0.841336 -0.079141
0.657348 0.168555 0.825376 -0.084518
0.629320 0.176740 0.808219 -0.090616
0.603286 0.184131 0.789588 -0.097544
0.579155 0.190746 0.769179 -0.105416
0.556775 0.196627 0.746759 -0.114295
0.535967 0.201826 0.722456 -0.124064
0.516541 0.206401 0.697255 -0.134216
도 5에는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 플랫 백 에어포일(KWA031-400)의 공력 성능을 나타낸 표가 도시되어 있고, 도 6에는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 플랫 백 에어포일(KWA032-450)의 공력 성능을 나타낸 표가 도시되어 있다. 표의 가로축은 받음각(Angle of Attack, AOA)을 나타내고, 표의 세로축은 양력계수(Cl)를 나타낸다.
본 발명의 플랫 백 에어포일(KWA031-400, KWA032-450)는 통상의 에어포일에 비해 뒷전의 두께가 증가 하였으나, 도시된 바와 같이 기존의 에어포일과 유사한 양력계수를 유지함을 알 수 있다.
이하 상기와 같은 본 발명의 플랫 백 에어포일이 적용된 본 발명의 플랫 백 에어포일을 포함하는 풍력발전기의 블레이드(100)에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 7에는 본 발명의 일실시 예에 따른 풍력발전기 블레이드(100)의 사시도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 블레이드(100)는 루트부(110), 강도보강부(150) 및 에어포일부(120)를 포함하여 구성된다. 즉 블레이드(100)는 루트에서 팁 방향을 따라 루트부(110), 강도보강부(150) 및 에어포일부(120)가 순차적으로 구성될 수 있다.
도 8에는 루트부(110)의 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 루트부(110)는 단면이 원통형으로 이루어져 블레이드(100)의 루트 강도를 보강하기 위해 구성된다. 루트부(110)는 강도는 보장되지만 공력 성능이 떨어지므로, 블레이드(100)의 루트를 기준으로 상기 블레이드(100) 길이의 15~20% 까지 형성될 수 있다. 더욱 바람직하게 18% 미만 까지 형성될 수 있다.
도 9에는 강도보강부(150)의 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 강도보강부(150)는 상술된 본 발명의 제1 실시 예 또는 제2 실시 예의 플랫 백 에어포일 형상이 적용될 수 있다. 강도보강부(150)는 윗면(151), 아랫면(152)과, 판상으로 형성된 뒷전(155)을 포함한다. 강도보강부(150)는 루트부(110)와 에어포일부(120)를 연결하며, 블레이드(100)의 루트부 강도를 보강하고, 공력 성능 저하를 방지하도록 구성된다. 강도보강부(150)는 블레이드(100)의 루트를 기준으로 상기 블레이드(100) 길이의 15~20% 사이에 형성될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 18~20% 사이에 형성될 수 있다. 강도보강부(150)의 코드길이(C2)는 에어포일부(120)의 코드길이(C1)와 같도록 구성될 수 있다. 따라서 강도보강부(150)는 통상의 에어포일부와 같은 코드길이 대비 단면적이 증가되기 때문에 구조적 강성이 향상된다.
강도보강부(150)의 최대 두께 위치는 앞전을 기준으로 코드길이 대비 30~40% 사이에 위치될 수 있다. 상기와 같은 구성을 통해 기존 에어포일 형상과 유사성을 유지하며, 구조 설계 시 에어포일 내부에 설치되는 스파(spar)의 위치를 일정하게 유지시키며, 기존 에어포일 형상과 유사한 수준의 공력성능을 확보할 수 있다. 아울러 강도보강부(150)의 두께비는 40~45%이고, 면적비는 28~32%로 적용될 수 있다. 또한 뒷전의 두께비는 10%가 적용될 수 있다. 이는 상술된 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시 예의 플랫 백 에어포일 형상의 실험 데이터를 기준으로 소정의 공력성능을 만족시키기 위함이다.
도 5에는 에어포일부(120)의 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 에어포일부(120)는 윗면(121)과 아랫면(122)을 포함하는 통상의 풍력발전기용 에어포일로 이루어져 블레이드(100)의 공력 성능을 향상시키기 위해 구성된다. 에어포일부(120)는 블레이드(100)의 루트를 기준으로 상기 블레이드(100) 길이의 18~22%부터 블레이드 팁까지 형성될 수 있다. 더욱 바람직하게 20%를 초과하여 블레이드 팁까지 형성될 수 있다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
100 : 블레이드
110 : 루트부
120 : 에어포일부 121 : 윗면
122 : 아랫면
150 : 강도보강부 151 : 윗면
152 : 아랫면 155 : 뒷전
C1 : 에어포일부 코드길이 C2 : 강도보강부 코드길이

Claims (9)

  1. 앞전 및 뒷전과, 상기 앞전과 뒷전 사이에 형성되는 윗면 및 아랫면을 포함하는 에어포일에 있어서,
    상기 뒷전이 판상으로 이루어진 플랫 백 에어포일로 이루어지며,
    상기 윗면과 아랫면의 뒷전부 프로파일(profile)은 상기 앞전을 기준으로 하여 아래의 표에 대응하는 수평좌표값(x/c)과, 수직좌표값(y/c)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 플랫 백 에어포일.
    Figure pat00003

  2. 앞전 및 뒷전과, 상기 앞전과 뒷전 사이에 형성되는 윗면 및 아랫면을 포함하는 에어포일에 있어서,
    상기 뒷전이 판상으로 이루어진 플랫 백 에어포일로 이루어지며,
    상기 윗면과 아랫면의 뒷전부 프로파일(profile)은 상기 앞전을 기준으로 하여 아래의 표에 대응하는 수평좌표값(x/c)과, 수직좌표값(y/c)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 플랫 백 에어포일.
    Figure pat00004

  3. 앞전 및 뒷전과, 상기 앞전과 뒷전 사이에 형성되는 윗면 및 아랫면을 포함하는 풍력발전기용 블레이드에 있어서,
    상기 블레이드는,
    상기 뒷전이 판상으로 이루어진 플랫 백 에어포일 형상을 갖는 강도보강부; 를 포함하며,
    상기 강도보강부는,
    상기 블레이드의 루트 측에 근접하여 형성되는, 플랫 백 에어포일을 포함하는 풍력발전기의 블레이드.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 강도보강부는,
    상기 블레이드의 루트를 기준으로 상기 블레이드 길이의 15%~25% 사이에 형성되는, 플랫 백 에어포일을 포함하는 풍력발전기의 블레이드.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 블레이드는,
    상기 강도보강부의 상기 블레이드 루트 측에 형성된 루트부; 및
    상기 강도보강부의 상기 블레이드 팁 측에 형성된 에어포일부; 를 포함하며,
    상기 루트부는 단면이 원통형으로 이루어지며, 상기 에어포일부는 단면이 통상의 에어포일형으로 이루어진, 플랫 백 에어포일을 포함하는 풍력발전기의 블레이드.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 강도보강부의 최대 두께 지점은, 상기 강도보강부의 코드길이 대비 30~40% 사이에 위치하는, 플랫 백 에어포일을 포함하는 풍력발전기의 블레이드.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 강도보강부의 두께비는 40~45%, 면적비는 28~32% 인, 플랫 백 에어포일을 포함하는 풍력발전기의 블레이드.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 강도보강부의 코드길이는, 상기 에어포일부의 코드길이에 대응되는, 플랫 백 에어포일을 포함하는 풍력발전기의 블레이드.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 강도보강부의 뒷전 두께비는 약 10% 인, 플랫 백 에어포일을 포함하는 풍력발전기의 블레이드.
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