KR20150091173A - 로터 블레이드 트레일링 에지 - Google Patents

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KR20150091173A
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안드레 알트미쿠스
모하마드 캄루츠짜만
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보벤 프로퍼티즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 풍력 발전 설비의 공기 역학적 로터의 로터 블레이드를 위한 제조될 트레일링 에지를 계산하기 위한 방법에 관한 것으로, 로터 블레이드는 로터와 관련해서 방사방향 위치를 갖고, 로터 블레이드는 로터와 관련한 방사방향 위치에 의존하는 국부적인 블레이드 프로파일을 갖고, 트레일링 에지는 다수의 톱날을 포함하는 톱니형 경로를 갖고, 이 경우 각각의 톱날은 톱날 높이와 톱날 폭을 갖고, 톱날 높이 및/또는 톱날 폭은 그것의 방사방향 위치에 의존해서 및/또는 그것의 방사방향 위치의 국부적 블레이드 프로파일에 의존해서 계산된다.

Description

로터 블레이드 트레일링 에지{ROTOR BLADE TRAILING EDGE}
본 발명은 풍력 발전 설비의 로터 블레이드의 트레일링 에지의 형성 또는 제조될 트레일링 에지를 계산하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 로터 블레이드의 트레일링 에지 및 트레일링 에지를 갖는 로터 블레이드에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 트레일링 에지를 갖는 적어도 하나의 로터 블레이드를 포함하는 풍력 발전 설비에 관한 것이다.
퐁력 발전 설비들은 일반적으로 공개되어 있으며, 도 1은 공개된 풍력 발전 설비를 도시한다. 풍력 발전 설비의 효율을 위해 로터 블레이드 또는 로터 블레이드들의 디자인은 중요한 요소이다. 로터 블레이드의 기본적인 수평 섹션 외에 로터 블레이드 트레일링 에지도 로터 블레이드의 거동에 영향을 미친다.
이와 관련해서 다수의 톱날을 포함하는 톱니형 경로를 가진 톱니 모양의 트레일링 에지 또는 트레일링 에지들이 제안된다. 그러나 이러한 톱니 형상의 트레일링 에지의 제공은 복잡할 수 있고, 톱니형 트레일링 에지 또는 톱니 형상의 트레일링 에지의 제공은 적절하지 않은 비용을 야기하는 위험이 있다.
EP 0 653 367 A1호에 로터 블레이드의 메인 스파(spar)의 길이방향으로 트레일링 에지를 톱니 형상으로 형성하는 것이 공개되어 있다. 이로 인해 소음 저감이 이루어질 수 있다.
EP 1 314 885 B1호에 로터 블레이드의 메인 스파의 길이방향으로 트레일링 에지를 톱니 형상으로 그리고 동시에 탄성적으로 유연하게 형성하는 것이 공개되어 있다. 이로써 로터 블레이드가 발전기에 가하는 회전 모멘트의 증가가 이루어질 수 있다.
본 발명의 과제는 상기 문제들 중 적어도 하나의 문제를 해결하는 것이다. 특히 풍력 발전 설비의 로터 블레이드의 효율을 더욱 높이는 해결 방법이 제안되어야 한다. 본 발명의 과제는 특히, 소음 효과의 증가 없이 로터 블레이드의 효율성을 더욱 높이는 것이다. 적어도 대안 실시예가 제안되어야 한다.
상기 과제는 청구범위 제 1 항에 따른 방법에 의해 해결된다.
이를 위해 로터 블레이드의 메인 스파의 길이방향으로 톱니 형상으로 형성된 트레일링 에지를 갖는 로터 블레이드가 제안되고, 이 경우 간격 및/또는 길이는 블레이드 섹션 상의 국부적인 입사 유동 조건 및 그로 인해 발생하는 난류 경계층 두께 또는 거기에 형성되는 와류의 압력 변동의 코히렌스 길이 스케일(coherence length scales)에 의존한다. 바람직하게는 개별 톱니의 길이가 톱니마다 달라야 한다.
따라서 상응하게 다수의 톱날 또는 톱니를 갖고 - 이는 동의어로 사용되고 - 로터 블레이드로부터 실질적으로 후방으로, 즉 로터의 적절한 회전 운동으로부터 떨어져 있는 측면을 향해 테이퍼링되는 톱니 형상의 트레일링 에지가 제안된다. 상응하게 각각 2개의 톱날 또는 톱니 사이의 간극은 로터 블레이드를 향하는 방향으로 테이퍼링된다. 이러한 톱날은 높이, 즉 테이퍼링되는 간극이 끝나는 베이스 라인과 테이퍼링되는 톱날이 끝나는 피크 라인 사이의 간격을 갖고, 상기 높이는 피크 라인으로서 톱날 팁을 연결한다. 상기 베이스 라인과 피크 라인은 만곡된 라인일 수 있고, 블레이드 길이에 걸쳐 서로 가변적인 간격을 가질 수 있다.
개별 톱니들의 길이는 톱니의 높이 또는 톱날의 높이와 동의어일 수도 있고, 즉 톱날 높이라고 할 수 있다.
본 발명에 따라 청구범위 제 1 항에 따른 제조될 트레일링 에지를 계산하기 위한 방법이 제안된다. 따라서 풍력 발전 설비의 공기 역학적 로터의 로터 블레이드를 위한 제조될 트레일링 에지가 제안된다. 로터 블레이드는 로터 블레이드가 사용될 또는 사용되는 상기 로터와 관련해서 방사방향 위치를 갖는다. 트레일링 에지 및 로터 블레이드의 방사방향 위치는 따라서 항상 이러한 로터와 관련되고, 즉 로터의 회전축에 대한 간격과 관련된다. 이러한 고찰 방식은 또한 아직 조립되지 않은 로터 블레이드에 기초한다. 풍력 발전 설비의 로터 블레이드는 기본적으로 특수한 풍력 발전 설비에, 특히 이러한 로터 블레이드 및 일반적으로 2개의 로터 블레이드를 포함하는 로터에 매칭된다.
로터 블레이드는 또한 각각의 방사방향 위치마다 국부적인 블레이드 프로파일을 갖는다. 다시 말해서 각각의 블레이드 섹션은 그것의 방사방향 위치에 따라서 고유의 블레이드 프로파일을 갖는다.
트레일링 에지는 톱니형이라고 할 수도 있는, 다수의 톱날을 가진 톱니형 경로를 갖는다. 개별 톱날들은 이 경우 기본적으로 거울 대칭이고, 즉 예컨대 거의 동일한 2개의 경사 플랭크를 갖는다. 특히 상기 톱니들은 일반적으로 하나의 수직 경사 플랭크를 갖는 것이 아니라, 2개의 경사 플랭크를 갖는다.
각각의 톱날은 톱날 높이와 톱날 폭을 갖는다. 톱날 높이는 베이스 라인과 피크 라인 사이의 전술한 간격을 갖는다. 톱날 폭은 톱날들이 인접하는 테이퍼링되는 2개의 간극의 관련 단부의 간격이다. 제 1 근사치에서, 톱날의 폭은 인접한 톱날의 톱날 팁에 대한 상기 톱날의 톱날 팁의 간격이다. 즉 제안된 톱날 형상의 트레일링 에지의 톱날들은 바람직하게 서로 상이하지만, 이러한 차이는 바로 인접한 톱날의 경우에 비교적 작다.
톱날 높이 및 추가로 또는 대안으로서 톱날 폭은 그것의 방사방향 위치에 의존해서 계산되는 것이 제안된다. 이로써 각각의 톱날마다 방사방향 위치에 의존해서 각각 계산이 이루어진다. 결과적으로 이로 인해 개별적으로 계산된 그리고 상응하게 개별적인 크기를 가질 수 있는 다수의 톱날을 가진 트레일링 에지가 형성되고, 상기 톱날들은 특히 거의 연속해서 로터 블레이드 길이에 걸쳐 또는 방사방향 위치의 증가 또는 감소에 따라 변경된다.
톱날 높이 및 추가로 또는 대안으로서 톱날 폭은 바람직하게 그것의 방사방향 위치의 국부적인 블레이드 프로파일에 의존해서 계산된다. 이로써 하나의 톱날에서 그것의 방사방향 위치의 블레이드 프로파일이 고려되고, 즉 상기 방사방향 위치에서 블레이드 섹션의 프로파일이 고려된다.
실시예에 따라, 톱날 높이는 톱날 폭보다 크고, 톱날 폭은 톱날 높이로부터 계산되는 것이 제안된다. 상기 계산과 관련해서 톱날 높이 대 톱날 폭의 비는 0.5 내지 10, 특히 3 내지 5이다. 바람직하게 상기 비는 대략 값 4, 특히 값 2이다. 이로써 하기식에 따라 톱날 높이(H)로부터 톱날 폭(λ)이 계산된다:
λ = H / kn, kn = [0.5...10], 특히 kN = 2.
톱날은 이로 인해 비교적 가늘고 길며, 특히 예각으로 테이퍼링된다. 상기 범위의 비는, 이와 같이 개별적으로 계산된 톱날의 경우에 소음 최소화를 위해 특히 바람직한 것으로 입증되었다. 톱날 높이 대 톱날 폭이 정해진 비율 관계에 있으면, 특히 먼저 톱날 높이가 그리고 그로부터 톱날 폭이 계산되든 또는 톱날 폭이 계산된 후에야 그로부터 톱날 높이가 계산되든 마찬가지이다.
바람직하게 톱날들은 서로 상이한 톱날 폭 및/또는 상이한 톱날 높이를 갖고, 이로 인해 각각 서로 상이하다.
바람직하게 계산은, 약풍 위치를 위한 트레일링 에지에서 톱날의 톱날 높이는 프로파일 깊이와 관련해서 톱날의 방사방향 위치의 반경이 커질수록 감소하는 한편, 강풍 위치를 위한 톱날 트레일링 에지에서 톱날의 톱날 높이는 프로파일 깊이와 관련해서 톱날의 방사방향 위치의 반경이 커질수록 증가하도록 설계된다. 이는 풍력 등급 특정의 블레이드 설계에 기인한다.
풍력 에너지 산업에서 일반적으로, 위치는 풍력 등급에 따라 분류된다. 특히 해안 인근 또는 연안 위치에 있는 강풍 위치에서 기본적으로 강풍이 고려되어야 한다. 풍력 발전 설비, 특히 로터 블레이드는 상응하게 설계되므로, 요컨대 풍력 발전 설비, 특히 로터 블레이드는 강풍을 견딜 수 있고, 풍력 발전 설비가 운전될 수도 있고, 이 경우 약풍일 때 상기 풍력 발전 설비는, 약풍 위치의 풍력 발전 설비에 의해 가능한 것보다 더 적은 에너지를 풍력으로부터 생성할 수 있다.
상응하게 특히 내륙 지역에 주로 해당하는 약풍 위치의 풍력 발전 설비는, 운전 중에 강풍을 견디지 않아도 되거나 적어도 운전 중에 견디지 않아도 되도록, 적어도 강풍 위치의 풍력 발전 설비는 조절되지 않아도 되는 풍력에서 조절되도록 설계된다. 이를 위해 약풍 위치의 이러한 풍력 발전 설비는 약풍에서 풍력으로부터 더 많은 에너지를 생성할 수 있다. 이러한 분류는 당업자에게 잘 알려져 있고, 당업자는 때로는 다른 분류를 실시한다.
또한 실시예에 따라, 계산은 톱날 높이가 약풍 위치의 풍력 발전 설비의 로터 블레이드의 프로파일 깊이와 관련해서 반경이 커질수록 감소하도록 설계되는 것이 제안된다. 예를 들어 약풍 위치를 위한 트레일링 에지에서 최대 반경에 대해 0.6 내지 0.8의 정규화된 반경의 경우에 톱날 높이(H) 변동의 미분값이 계산된다:
Figure pct00001
특히 = -20
즉 톱날 높이의 감소가 제공되고, 이 경우 계수기에서 톱날 높이(H)는 프로파일 깊이 c에 대해 평가되고, 계수기에서 반경(r)은 로터 블레이드의 최대 반경(R)에 대해 평가된다. r/R = 0.75 내지 r/R = 0.9에서 프로파일 깊이와 관련한 톱날 높이는 바람직하게 일정한 패턴을 갖고, 따라서 r/R = 0.9에서야 다시 최대 반경(R)이 될 수 있다. 이는 도 10에서도 설명된다.
강풍 위치를 위한, 동일한 출력 등급의 풍력 발전 설비의 트레일링 에지의 경우에, 해당 비는 플러스일 수 있고, +20일 수 있는데, 그 이유는 톱날 깊이라고도 할 수 있는 톱날 높이가 증가하기 때문이다. 톱날 높이는 r/R이 0.85일 때 최대치에 도달하고 난 후에, 블레이드 팁을 향해 매우 단조적으로 감소한다.
이러한 풍력 등급에 따른 트레일링 에지의 계산은 풍력 등급에 따라 나타나는 다양한 문제들을 고려한다.
바람직하게 톱날 높이 및/또는 톱날 폭은 다항 관계식에 의해 국부적 반경에 의존해서 계산되고, 바람직하게는 제 4차 내지 제 8차, 특히 제 5차 또는 제 6차, 특히 약풍 위치의 경우에 제 6차 그리고 강풍 위치의 경우에 제 5차의 다항 관계식에 의해 계산된다. 톱날 높이의 특징적 패턴들은 약풍 위치와 강풍 위치 사이에서 기본적으로 다를 수 있다. 따라서 약풍 위치와 강풍 위치에 대해 상이한 차수의 다항식이 이용하는 것이 고려될 수 있다.
바람직하게 계산은 예상되는 하나 이상의 소음 스펙트럼에 의존해서 이루어진다. 추가로 또는 대안으로서 계산은 하나 이상의 운전점에 의존해서 이루어진다. 이로써 적어도 하나의 운전점에서 풍력 발전 설비의 거동을 구체적으로 고려하는 것이 제안된다. 이러한 운전점은 이와 관련해서 바람직한 고정된 운전점이고, 상기 운전점은 특히 풍속, 풍력 발전 설비의 로터의 회전 속도 및/또는 풍력 발전 설비의 생성된 출력에 의해 규정된다. 풍력에 대한 로터 블레이드의 받음각도 상기 운전점에 영향을 미칠 수있다.
이러한 적어도 하나의 운전점을 위해 예상되는 소음 스펙트럼이 결정되고, 즉 소음 레벨 또는 소음 강도 또는 상기 소음의 주파수에 따른 잡음 레벨이 규정된다. 이 경우 일반적으로 최대치를 갖는 주파수에 따른 곡선이 형성된다. 상기 스펙트럼은 계산을 위해 이용된다. 특히 상기 스펙트럼에 의해 최대치가 나타나는 주파수가 고려된다. 상기 주파수는 중심 주파수 또는 포인트 주파수라고 할 수 있고, 독일어 용어에서 주로 "피크 주파수"라고도 한다. 운전점이 변경되면, 새로운 스펙트럼 및 새로운 피크 주파수가 설정된다. 즉 각각의 톱날마다 개별적으로 다수의 운전점에서 주파수 스펙트럼 및 피크 주파수값이 기록될 수 있다. 해당 톱날의 계산을 위해 피크 주파수가 사용되고, 또한 규정된 다수의 피크 주파수로부터 하나의 주파수가 선택될 수 있다. 사용된 피크 주파수는 기록된 다수의 피크 주파수의 평균값으로서 형성될 수도 있다. 주파수 스펙트럼의 기록 및 평가는 도 6에서도 예시적으로 설명된다.
상기 주파수 스펙트럼 및 관련 피크 주파수들의 기록을 위해 예를 들어 풍동에서 조사가 실행될 수 있다. 또한 이러한 스펙트럼 및 피크 주파수를 결정하기 위한 시뮬레이션 방법이 있다.
설정된 운전점 및 가능한 경우 운전점의 변경도 특히 실제 운전점을 기초로 한다. 이 경우 풍력 발전 설비의 여러 제어 방법을 실시하므로, 각각의 풍속에 기본적으로 운전점이 할당된다. 적어도 이는 간단하게, 상이한 난류, 매우 강한 풍력, 매우 급격하게 증가하거나 감소하는 풍력과 같은 효과가 간단하게 고려되지 않을 때 전제될 수 있다. 바람직하게 이로 인해 2개 또는 3개 또는 4개의 실제 운전점이 해당 풍력 발전 설비가 고려해야 하는 풍속의 범위에서 선택된다.
관련 톱날, 특히 톱날 높이의 계산에 바람직하게 각각의 운전점에 할당된 유효 입사 유동 속도가 관련된다. 유효한 또는 국부적인 입사 유동 속도(Veff)는 로터 블레이드의 관점에서 해당 위치에서, 즉 해당 방사방향 위치에서 로터 블레이드의 이동 속도와 풍속의 백터합으로 상기 위치에 설정되는 속도이다.
바람직하게 계산은 관련된 국부적 프로파일에 의존해서 이루어진다. 이로써 프로파일은 계산에 관련되거나 풍동에서 조사 시에도 측정에 관련될 수 있다. 국부적 입사 유동 속도도 로터 블레이드의 위치 및/또는 프로파일 및 프로파일의 위치에 의존할 수 있다.
바람직하게 미리 정해진 방사방향 위치의 톱날 높이(H)의 계산은 관련 입사 유동 속도(Veff), 운전점의 소음 스펙트럼의 관련 피크 주파수(fpeak)로부터 및 경험적으로 결정될 수 있고 예를 들어 경험값으로서 제공될 수 있는 예정된 팩터(k)에 의존해서 이루어진다. 이에 기초해서 톱날 높이(H)는 하기식에 따라 계산된다.
Figure pct00002
상기 계산에 하기 고려 사항들이 기초가 된다.
톱날 높이(H)는 코코스 모델(Corcos model)[3]과 관련해서 및 이용해서 그리고 상수 팩터(c2)를 사용하여 하기 식에 따라 와류 압력 변동의 코히렌스 길이 스케일(Λp,3 또는 Λp3)로부터 계산된다:
Figure pct00003
상수(c2)는 경험적으로, 예를 들어 테스트 측정으로부터 결정될 수 있다. c2 를 위해 경험값들이 사용될 수도 있다. Λp3은 로터 블레이드가 사용되는 로터의 반경의 함수이다. 코히렌스 길이 스케일 Λp3은 대류 속도(Uc)와 독일어 용어에서 피크 주파수라고도 하는 중심 주파수(fpeak)로부터 하기식에 따라 계산될 수 있다:
Figure pct00004
대류 속도(Uc)는 블레이드 섹션 상의 국부적인 또는 유효한 입사 유동 속도(Veff)로부터 상수(c1)에 의해 계산되고, 상기 상수는 실험 또는 시뮬레이션에 의해 경험적으로 결정될 수 있고, 특히 하기 방정식에 따라 값 0.7을 갖는다(c1 = 0.7):
Figure pct00005
국부적인 또는 유효한 입사 유동 속도(Veff)는 간단히 BEM(블레이드 요소 모멘텀 방법;Blade Element Momentum method)으로도 공개된 블레이드 요소 펄스 방법을 이용해서 계산된다.
이러한 계산에 로터 블레이드의 설정 각도, 로터의 회전 속도, 풍속, 방사방향 위치에서 블레이드 섹션의 실제 반경과 블레이드 프로파일 및 로터 블레이드 상에서 로터 블레이드의 국부적인 트위스트 각도가 관여하고, 이를 위해 입사 유동 속도(Veff) 및 톱날 높이(H)가 계산되어야 한다. 계산은 따라서 실제 운전점에 대해 이루어진다.
피크 주파수(fpeak)는 조사된 운전점 및 로터와 관련해서 로터 블레이드 상의 조사된 방사방향 위치에서 최대 소음 레벨이 나타나고 또는 예상되는 주파수이다. 즉 트레일링 에지 소음 스펙트럼 또는 트레일링 에지 잡음 스펙트럼이 최대치를 갖는 주파수이다.
피크 주파수(fpeak)는 경험적으로, 예를 들어 풍동에서 전용 조사에 의해, 예를 들어 풍동 테스트 샘플의 트레일링 에지에 있는 다이내믹 압력 센서로 결정될 수 있거나, 국부적인 레이놀즈수(Re)에 대한 수치 음향 시뮬레이션으로 계산될 수 있다. 국부적인 레이놀즈수는 국부적인 붙임각(α), 국부적인 입사 유동 속도 및 국부적인 프로파일 깊이로부터 주어지고, 소위 BEM을 이용해서 결과로서 얻어질 수 도 있다. 또한 국부적인 블레이드 섹션의 2차원 프로파일 형상이 관련된다.
톱날 높이(H)는 이로써 입사 유동 속도(Veff) 대 소음 스펙트럼의 피크 주파수(fpeak)의 하기 비로부터 하기 식에 따라 계산된다:
Figure pct00006
Figure pct00007
이 경우 Veff와 fpeak는 로터 블레이드의 받음각, 로터의 회전 속도, 로터 블레이드 상에서, 톱날 높이(H)에 대해 정해지는 방사방향 위치의 블레이드 섹션의 실제 반경 및 블레이드 프로파일에 의존한다.
본 발명에 따라 또한 청구범위 제 9 항에 따른 트레일링 에지가 제안된다. 이러한 트레일링 에지는 톱날 높이와 톱날 폭을 갖는 톱날을 포함하는 톱니형 경로를 특징으로 하고, 이 경우 톱날 높이 및/또는 톱날 폭은 그것의 방사방향 위치에 의존하고 및/또는 방사방향 위치의 국부적인 블레이드 프로파일에 의존한다.
제조될 트레일링 에지를 계산하기 위한 전술한 방법의 적어도 하나의 실시예에 따른 관련성, 설명 및 장점들이 주어진다.
바람직하게는 전술한 실시예들 중 하나의 실시예에 따른 방법에 의해 계산된 트레일링 에지가 제안된다.
로터 블레이드를 위한 트레일링 에지는 로터 블레이드 트레일링 에지라고도 할 수 있다.
바람직하게 미리 정해진 방사방향 위치에서 톱날 높이(H)의 계산은 관련 코히렌스 길이 스케일(Λp3)으로부터 상수 팩터(c2)를 고려해서 하기식에 의해 이루어진다.
Figure pct00008
이로써 해당 반경의 톱날의 경우에 동일한 반경의 코히렌스 길이 스케일이 계산에 관련된다. 코히렌스 길이 스케일(Λp3)은 로터의 반경에 의존하는 함수이고, 따라서 트레일링 에지의 톱날 높이를 위해 반경에 의존하는 함수가 형성된다. 상수 팩터(c2)에 의해 상기 함수의 진폭은 비례적으로 확대 또는 축소될 수 있고, 이로 인해 상기 함수의 기본적인 패턴을 변경시키지 않는다. 매우 작은 c2를 갖는 패턴 및 매우 큰 c2를 갖는 다른 패턴에 의해 톱날 높이에 대한 바람직한 범위가 선택될 수 있는 영역이 형성될 수 있다.
바람직하게는 적어도 하나의 전술한 실시예에 따른 트레일링 에지를 가진 풍력 발전 설비의 로터 블레이드가 제안된다.
또한 바람직하게 하나, 특히 3개의 이러한 로터 블레이드를 포함하는 풍력 발전 설비가 제안된다.
하기에서 본 발명은 예시적으로 실시예들을 참고로 첨부된 도면과 관련해서 설명된다.
도 1은 풍력 발전 설비를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 다수의 톱날을 포함하는 톱니형 경로를 갖는 트레일링 에지를 가진 로터 블레이드를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 강풍 설비를 위한 개략적인 윤곽으로 및 이와 다른 약풍 설비를 위한 윤곽을 파선으로 표시한 로터 블레이드의 부분을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 4는 개략적으로 도시된 소용돌이 영역을 포함하는 로터 블레이드의 블레이드 섹션을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 반경에 의존하는 적어도 하나의 실시예에 따른 톱날 높이(H)의 패턴을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 실시예의 예시적으로 선택된 반경 위치에서 주파수 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 7은 BEM-계산에 기초하는 또는 것으로 계산된 국부적인 공기 역학적 파라미터를 도시한 도면이다.
도 8은 실시예에서 반경에 의존하는 피크 주파수를 도시한 도면이다.
도 9는 강풍 설비의 반경에 의존하는 톱날 높이(H)의 가능한 다양한 패턴들을 도시한 다이어그램이다.
도 10은 약풍 설비의 경우에 반경에 의존하는 톱날 높이(H)의 가능한 다양한 패턴들을 도시한 다이어그램이다.
도 11은 강풍- 및 약풍 설계의 무한 반경에 대해서 각각의 국부적인 프로파일 깊이에 정규화된 톱날 높이의 패턴을 도시한 다이어그램이다.
도 12a 및 도 12b는 강풍 설비를 위한 트레일링 에지를 도시한 도면이다.
도 13a 및 도 13b는 약풍 설비를 위한 트레일링 에지를 도시한 도면이다.
도면과 관련해서 실시예를 참고로 한 본 발명의 설명은 실질적으로 개략적으로 이루어지고, 각각의 도면에 설명된 요소들은 설명을 위해 과장될 수 있고, 다른 요소들은 단순화될 수 있다. 즉 예를 들어 도 1은 풍력 발전 설비를 그와 같이 개략적으로 도시하므로, 제공된 톱날 형상의 트레일링 에지를 볼 수 없다.
도 1은 타워(102)와 나셀(104)을 구비한 풍력 발전 설비(100)를 도시한다. 나셀(104)에 3개의 로터 블레이드(108)와 스피너(110)를 가진 로터(106)가 배치된다. 로터(106)는 작동 시 풍력에 의해 회전 운동하고, 이로 인해 나셀(104) 내의 발전기를 구동한다.
도 2는 간단하게 트레일링 에지라고도 하는 로터 블레이드 트레일링 에지(1)를 가진 로터 블레이드(2)를 개략적으로 도시한다. 허브(4)의 회전축(6)을 중심으로 회전하기 위해, 로터 블레이드는 적절하게 허브(4)에 고정되고, 이는 여기에서 개략적으로만 도시된다.
트레일링 에지(1)는 로터 블레이드(2)를 따라 차례로 배치된 다수의 톱날(8)을 포함하는 톱니형 경로를 갖는다. 톱날(8)을 포함하는 상기 트레일링 에지(1)는 이 경우 대략 로터 블레이드(2)의 외부 1/2에 배치된다. 각각의 톱날은 방사방향 위치를 갖고, 상기 방사방향 위치는 회전축(6)과 관련된다. 제 1 톱날(8)은 반경(r1)에서 시작하고 마지막 톱날(8)은 반경(r2)에서 끝나고, 상기 반경은 동시에 회전축(6)과 관련해서 로터 블레이드(2)의 전체 반경(R)에 상응한다.
각각의 톱날(8)은 높이(H)를 갖고, 상기 높이는 각각의 반경(r)에 의존한다. 톱날(8)의 높이(H)는 이로 인해 반경(r)의 함수이다.
H = f(r).
따라서 반경(r1)에서 톱날(8)의 높이는 높이 H(r1)이고, 마지막 톱날의 높이(H)는 높이 H(r2)이다. 각각의 톱날(8)의 폭은 도 2에서 그리스 문자 λ로 표시되고, 상기 폭은 또한 각각의 반경(r)에 의존하므로 λ(r)로 표시된다.
각각의 톱날(8)은 톱날 팁(10)을 갖고, 2개의 톱날(8) 사이에 각각 노치 팁(12)을 갖는 노치가 형성된다. 톱날 팁들(10)을 연결하는 라인은 에이펙스 라인(14;apex line)이라고 할 수 있고, 도 2에 점선으로 도시된다. 기본 라인 또는 베이스 라인(16)은 노치 팁들(12)을 연결하고, 도 2의 도시된 예에서 해당하는 경우처럼 로터 블레이드(2)의 후방 라인을 형성할 수 있고, 상기 라인이 로터 블레이드(2)의 트레일링 에지를 형성할 경우에, 도시된 톱니형 트레일링 에지(1)는 제공되지 않는다.
에이펙스 라인(14)과 기본 라인(16) 사이의 간격은 일정하지 않고, 각각의 반경(r)에서 거기에 배치된 톱날(8)의 높이(H)를 제시한다. 상응하게 톱날(8)의 높이(H)도 로터 블레이드(2)의 국부적인 반경(r)에 의존해서 변경된다. 설계 또는 고정 시 다수의 톱날들(8)은 도시된 폭(B1, B2)이 나타내는 것처럼 그룹화될 수 있다. 톱날(8), 특히 톱날(8)의 높이(H)의 계산은 각각의 블레이드 섹션의 프로파일에 의존하고, 설명을 위해 상기 블레이드 섹션(18)이 도시된다.
폭 λ 또는 λ(r)은 또한 반경(r)에 따라 변경될 수 있고, 특히 해당 톱날(8)의 높이(H)에 대해 고정된 비를 형성한다. 상기 비는 바람직하게 2이므로, 톱날(8)의 높이(H)는 동일한 톱날의 폭(λ)의 2배이다. 다른 실시예에 따라 높이(H) 대 폭(λ)의 비가 2보다 훨씬 큰 경우에, 제조 기술적으로 고려할 때 특히 이러한 톱날(8)을 사각형으로 또는 거의 사각형으로 형성하는 것이 바람직할 수 있으므로, 트레일링 에지의 경우에 일종의 빗살 구조가 형성되거나 트레일링 에지는 톱날 대신 피너클(pinnacle)을 갖는다.
도 3은 도 2의 로터 블레이드(2)와 다를 수 있는 로터 블레이드(2)를 도시한다. 도 3의 이러한 로터 블레이드(2)는 리딩(leading) 에지(20)와 트레일링 에지(1)를 갖고, 상기 트레일링 에지의 톱날 형상의 경로는 이 경우 명료함을 위해 도시되지 않는다. 리딩 에지(20)와 트레일링 에지(1)를 갖는 상기 로터 블레이드(2)는 강풍 설비의 로터 블레이드의 기본적인 형태를 설명한다. 이와 달리 트레일링 에지(1')는 점선으로 도시되고, 약풍 설비의 로터 블레이드(2)에, 즉 약풍 위치의 풍력 발전 설비에 관련된다. 설명을 위해 이 경우에도, 블레이드(2)의 회전 방향을 설명하기 위해 그리고 허브, 즉 회전축(6)을 향한 로터 블레이드(2)의 측면을 설명하기 위해 회전축(6)이 도시된다.
어떤 경우든 도 3의 도면으로부터, 약풍 설비의 로터 블레이드는 특히 외부 영역에서 강풍 설비의 로터 블레이드보다 가늘고 길게 형성되는 것을 알 수 있다. 도 3은 이것 만을 도시하고, 풍력 발전 설비의 출력 등급이 동일한 경우에 약풍 설비의 로터 블레이드는 약풍 설비의 로터 블레이드보다 길게, 즉 더 큰 반경을 갖는 것이 예상될 수 있는 것이 참조된다.
도 4는 풍력 발전 설비의 로터 블레이드(2)에서 유동 조건을 설명한다. 도 4는 이 경우 예를 들어 도 2에 따른 블레이드 섹션(18)일 수 있는 블레이드 섹션을 도시한다. 여기에서 라인으로만 표시된 유입되는 풍력(22)은 로터 블레이드(2)의 리딩 에지(20) 영역에 분배되어 먼저 균일하게 진행한다. 특히 압력측(24)에서 상기 풍력은 트레일링 에지(1)의 근처까지 균일하게 진행한다. 흡입측(26)에 경계층이 형성되고, 상기 경계층에서 소용돌이 또는 난류가 발생할 수 있다. 트레일링 에지에 점점 근접할수록 경계층의 두께는 증가한다. 두께는 이 경우 δ1로 표시된다. 트레일링 에지(1)를 향해 경계층(δ1)이 증가함으로써, 트레일링 에지(1)의 영역에 상응하게 더 큰 소용돌이 또는 난류가 형성된다. 특히 트레일링 에지(1)의 영역에서 거기에 소위 와류가 부딪힐 수 있다. 이러한 와류는 적어도 부분적으로 제안된 톱니형 트레일링 에지에 의해 소멸되고, 또는 형성도 저지된다. 이를 위해 톱날(8)(도 2에 따른)의 플랭크의 경사는 상기 와류에 맞게 가능한 한 조정되어야 한다. 또한 톱날(8)의 크기 또는 상기 톱날의 간극도 가능한 한 와류에 맞게 조정될 수 있다. 따라서 톱날 및 톱날의 간극은 더무 커도 너무 작아도 안되는 것이 밝혀졌다. 톱날 및 톱날의 간극이 크면, 상기 와류는 경우에 따라서 2개의 톱날 사이에서 유지될 수 있다. 톱날 및 톱날의 간극이 너무 작으면, 이것은 와류에 경미한게만 영향을 미친다. 이 경우 와류의 발생은 반경의 형태와 크기에 의존할 수 있는 것이 밝혀졌다. 톱날들은 이로써 반경에 의존하는 이러한 와류에 맞게 조정된다.
도 5는 반경(r)에 의존해서 트레일링 에지(1)의 톱니들(8)의 높이(H)의 예시적은 패턴을 도시한다. 도시된 패턴은 강풍 설비의 로터 블레이드의 패턴이다. 높이(H)는 이 경우 반경(r)이 커질수록 일단 증가한 후에 반경(r)이 더 커지면 다시 감소한다. 중간 곡선(H1)은 이러한 패턴을 도시한다. 또한 곡선(H2)이 도시되고, 상기 곡선은 높이(H)의 매우 작은, 가능한 패턴을 나타내고, 상응하게 높이(H)의 매우 큰 값 패턴을 나타내는 곡선(H3)이 도시된다. 상기 곡선들(H2, H3)은 경계 곡선을 형성하고, 상기 곡선들 내에서 곡선(H1)이 바람직하게 선택된다.
도 6은 4개의 주파수 스펙트럼(SPC1, SPC2, SPC3 및 SPC4)을 도시한다. 이는 예시적으로 선택된 4개의 반경 위치에서 기초가 되는 풍력 발전 설비의 설비 운전점의 소음 스펙트럼 또는 잡음 스펙트럼이다. 상기 4개의 주파수 스펙트럼(SPC1, SPC2, SPC3 및 SPC4)은 반경 위치들, r1= 0.39, r2=0.606, r3=0.779 또는 r4=0.989에서 기록되었다. 이에 대해 상응하게 피크 주파수들, fpeak1, fpeak2, fpeak3 및 fpeak4가 결정되었다. 상기 각각의 잡음 스펙트럼은 최대점을 갖고, 해당 주파수들은 전술한 바와 같이 계속해서 피크 주파수 fpeak로서 사용된다. 따라서 풍력 발전 설비의 운전점에서 로터 블레이드의 상이한 방사방향 위치의 소음 스펙트럼이 기록될 때, 이러한 결과가 얻어진다. 그로부터 피크 주파수의 최대치의 반경 의존적인 함수 및/또는 결과되는 계산된 톱날 높이 H(r)의 반경 의존적인 함수가 결정될 수 있다.
도 7은 로터 평면(28)을 따라 회전 속도(Ω)로 회전되는 로터 블레이드(2)의 예시적인 블레이드 섹션(18)에 대해 국부적인 공기 역학적 파라미터를 도시하고, 상기 파라미터는 BEM-계산을 위해 필요하고 또는 상기 계산에 의해 계산된다. 로터 회전 속도(Ω)에 대해 백터가 표시되고, 상기 벡터는 회전 속도의 실제 방향과 반대되므로, 이동에 대해 반대인 계산된 해당 풍력이 제시될 수 있다. 풍력 또는 풍속(VW)과 상기 계산된 풍력의 벡터합은 이로써 유효 입사 유동 속도(Veff)를 제공한다. 도 7은 또한 로터 회전 속도(Ω), 유효 받음각(α), 피치각과 로터 블레이드의 트위스트로 구성된 국부적인 설치각(β) 및 붙임각(π)을 도시한다. 또한 도시된 블레이드 섹션(18)의 국부적인 프로파일 깊이(c)가 표시된다. 다른 주요 변수들은 하기 표에 설명된다.
Ω[m/s] 회전 속도
α[°] 유효 받음각
β[°] 국부적인 설치각 = 국부적인 트위스트 각도 + 블레이드 피치각
λ[m] 또는 [mm] 톱날 폭
Λp,3[m] 또는 [mm] 피크 주파수 fpeak의 함수로서 와류 압력 변동의 폭방향 코히렌스 길이
ψ[°] 유입각
Veff[m/s] 유효 입사 유동 속도
VW[m/s] 풍속
a' 탄젠트 간섭 팩터
a 축방향 간섭 팩터
cl 양력계수
cn 수직 항력 계수
cd 저항 계수
ct 접선력 계수
c[m] 프로파일 깊이
c1 상수 = 0.7
c2 상수 = 4...12
dB(-) 데시벨(비가중)
fc[Hz] 1/3 옥타브 밴드 내 중주파수
fpeak[Hz] 예측 음압 레벨(Sound Pressure Level(SPL)에서 최대값을 갖는 주파수
h[m] 또는 [mm] 절반 톱날 높이
H[m] 또는 [mm] 톱날 높이 H=2h
Lp,ss[dB(-)] 프로파일 흡입측의 음압 레벨
최대 람다 p,3[mm] 음압 레벨 Lp,ss 및 피크 주파수 fpeak의 최대치와 관련한 코히렌스 길이Λp,3
r[m] 블레이드 상의 국부적 반경 위치
R[m] 로터 반경
Uc = 0.7Veff[m/s] 대류 속도(convective velocity)
BEM-계산과 관련한 이용은 참고문헌 [1]에서 알 수 있다.
특히 코히렌스 길이 스케일도 계산될 수 있다.
와류 압력 변동의 반경-/폭방향 코히렌스 길이 스케일은 코코스 모델[3]에 의해 하기 방정식,
Figure pct00009
에 따라 계산되었고,
상기 식에서
Figure pct00010
이고,
c1은 값 0.7을 갖는 상수이다. Uc는 대류 속도로서 공개된다. 반경-/폭방향 위치(r)의 블레이드 섹션 상의 유효한 또는 국부적인 입사 유동 속도(Veff)는 블레이드 요소 모멘텀 방법;Blade Element Momentum method-BEM)을 이용한 계산에 의해 결정된다(도 7 참조). BEM은 유효 받음각(α), 레이놀즈-(Re)- 및 마하(Ma)수와 같은 다른 필요한 모든 국부적 유동 파라미터도 제공한다. 파라미터 fpeak는 경계층의 트레일링 에지-잡음 스펙트럼이 최대치를 갖는 주파수이다. 상기 파라미터는 프로파일에서 프로파일-트레일링 에지 바로 근처의 지점에서 난류 경계층의 벽면 압력 변동의 주파수 스펙트럼이 측정되는 전용 풍동 실험에 의해 결정될 수 있거나, 수치적 방식으로 임의의 이론적인 잡음 예측 모델에 의해 결정될 수 있다.
잡음 스펙트럼 및 피크 주파수(fpeak)는 경험적으로, 예를 들어 풍동에서 전용 조사에 의해, 예를 들어 풍동 테스트 샘플의 트레일링 에지 상에서 다이내믹 압력 센서로 결정될 수 있거나, 국부적인 레이놀즈수(Re)를 위한 항공 음향적 시뮬레이션으로 계산될 수 있다. 국부적인 레이놀즈수는 국부적인 붙임각(α), 국부적인 입사 유동 속도 및 국부적인 프로파일 깊이로부터 주어지고, 상기 BEM에 의해 결과로서 얻어질 수도 있다. 또한 국부적인 블레이드 섹션의 2차원 프로파일 형상이 관련된다.
Λp3은 이 경우 블레이드 폭을 따른 각각의 프로파일에 대해 전술한 방법을 이용해서 결정된다.
트레일링 에지 톱날의 국부적인 구조적 치수의 규정을 위해 하기식이 사용되었다:
무한 반경의 함수로서 톱날 높이(H)
Figure pct00011
그리고 톱날 간격
Figure pct00012
.
상기 식에서 c2 = const는 4 내지 15의 값 범위의 경험적 상수이다. 바람직한 실시예에서 c2 = 8이다.
도 8은 운전점에 대해 반경에 의존해서 피크 주파수(fpeak)를 나타내는 다이어그램을 도시한다. 피크 주파수(fpeak1 내지 fpeak4)는 도 6의 피크 주파수에 상응하고, 도 6에 관해 설명된 바와 같이 얻어졌다. 도시는 반경에 대해 무한 도시를 선택하고, 즉 반경(r)을 최대 반경(R)에 정규화한다. 설명을 위해 반경(r)에 의존하는 기록된 다수의 피크 주파수들이 도시되고, 각각 하나의 라인과 관련된다. 도면은, 피크 주파수들이 반경이 커질수록 또한 높아지는 것을 나타낸다. 이로써 상기 도면으로부터, 최대 잡음의 주파수 또는 최대 소음의 주파수는 반경(r)이 커질수록 더 높은 값으로 이동하는 것을 알 수 있다. 이는, 양파형 난류라고도 할 수 있는 와류가 직경이 커질수록 작아지는 것을 설명할 수 있다.
도 9는 톱날 높이(H)를 최대 반경(R)에 정규화된 반경(r)에 의존해서 도시한다. 상기 다이어그램은 물론 도 10의 다이어그램에도 조사된 로터 블레이드의 대략 외부 1/3 영역만이 도시된다. 다이어그램에 11개의 개별값들(Hr)이 정규화된 반경에 의존해서 각각 작은 직방체로 도시된다. 상기 값들은, 각각 관련 반경에서 피크 주파수가 결정됨으로써, 개별적으로 검출되었다. 상기 개별 톱날 높이들(H)은 전체적으로 동일한 운전점과 관련된다. 상기 개별 값들(Hr)에 대해 곡선(H8)으로서 도시된 함수 관계가 결정되었다. 상기 곡선(H8)은 개별적으로 기록된 상기 값들(Hr)의 다항식 근사를 나타낸다. 다항식을 이용한 이러한 근사는 예를 들어, 표준 편차 또는 표준 편차의 제곱의 합이 최소화되도록 이루어질 수 있다. 기본적으로 다른 근사, 예를 들어 더 높거나 낮은 차수의 다항식이 이용될 수도 있다. 이러한 근사 패턴(H8)은 H = c2 · Λp3로서 제시될 수도 있고, 상기 식에서 c2는 값 8을 갖는다(c2 = 8). 이와 같이 결정된, 반경 의존적인 상기 함수(H8)는 이로써 운전점에 대해 반경에 의존하는 톱날의 높이의 패턴을 제시한다. 다른 운전점에 대해 톱날 높이(H)의 다른 패턴들이 형성되고, 이는 c2의 다른 값에 의해 재현될 수 있다.
상응하게 패턴들(H4, H10)은 다른 운전점에 대해 톱날 높이(H)의 상응하는 패턴들을 도시하고, 이 경우 각각 표시된 모든 반경들마다 관련 곡선(H4 또는 H10)의 운전점은 동일하다. 다른 운전점에 대해 개별 Hr-값의 기록은 불필요하고, 상기 다른 운전점에 대해 반경에 의존하는 톱날 높이(H)의 패턴을 양호한 정확도로 나타내기 위해, 상수(c2)의 변경으로 충분한 것이 입증되었다.
도 9는 7의 설계 주속비를 갖는 강풍 설비, 즉 모델 번호 E82의 Enercon사의 풍력 발전 설비와 관련해서 도시한다. 도 10은 도 9와 매우 유사한 패턴들을 도시하지만, 약풍 설비, 즉 E92-1 모델의 Enercon사의 설비에 대해 도시한다. 이 경우에도 상이한 운전점에 대해 높이 패턴들(H)이 도시되고, 명료함을 위해 여기에서 도 9와 동일한 기호들이 사용된다. 따라서 운전점에 대해 함수(H8)가 제공되고, 상기 함수는 5차 다항식에 의해 다수의 개별적으로 기록된 값들(Hr)을 근사시킨다. 다른 운전점에 대해 패턴(H4 또는 H10)이 형성된다. 함수 관계 H = c2 ·Λp3는 패턴들(H8, H4 및 H10)에 기초하고, 이 경우 c2 = 8, c2 = 4 또는 c2 = 10이다.
폭방향을 따른 연속 패턴을 얻기 위해, 따라서 상이한 개별 폭방향 위치들에서
Figure pct00013
이 계산되고, 최적의 곡선 적합을 이용해서 6차 다항식의 규정을 위해 이용된다. 이 경우 다항식항들의 개수, 즉
Figure pct00014
내지
Figure pct00015
은 식의 식별자로서 이용되고, 따라서 이는 5차 다항식이라고 한다.
무한 블레이드 반경의 함수로서 톱날 높이 H에 대해 주어지는 5차 다항식은 도 9에 따른 예에서 다음과 같다:
Figure pct00016
c2 =8일 때 도 9에서 패턴(H8)으로서 도시된 바람직한 패턴이 형성된다.
설계 사양은 도 9에서 경계 곡선들, c2 = 4일 때 H4 및 c2 = 10일 때 H10에 의해 제시된다. 정방형 기호를 포함하는 라인은 개별 위치에서 계산된 Λp3-값을 나타낸다.
도 10은 9의 설계 주속비를 갖는 약풍 설비의 설계를 도시한다. 또한 설계 사양은 도 9에서처럼 c2 = 4에 대해 H4 및 c2 = 10에 대해 H10으로 특징되었다. 정방형 기호를 포함하는 라인은 개별 위치에서 계산된 Λp3-값들의 패턴을 나타낸다. 이 경우 연속 패턴의 6차 다항식은 다음과 같다:
Figure pct00017
c2 = 8일 때 도 10에서 패턴 H8로 특징되는 바람직한 패턴이 형성된다. 다항식의 규정 범위는 무한 반경
Figure pct00018
= 0.5 내지 1.0에 걸쳐 연장된다. 바람직한 경우에 범위는
Figure pct00019
= 0.65 내지 1.0이지만, 적어도
Figure pct00020
= 0.7 내지 1.0의 범위가 포함되어야 한다.
Figure pct00021
< 0.6의 패턴이 관련되는 경우에, Λp3-값들의 확장된 계산이 이루어져야 하고, 팩터들은 다항식항에 맞게 조정되어야 한다.
또한 계산된 국부적인 Λp3-값들은 풍력 발전 설비의 고려된 운전점에서 국부적인 유동 상태에 의존한다. 따라서 톱날 높이- 및 간격(또는 등가로서
Figure pct00022
)최종적인 치수는, 톱니형 트레일링 에지가 풍력 발전 설비의 선택된 운전점에서 최적으로 정격 운전이 유효해지도록 선택되어야 한다.
코코스 모델에 의한
Figure pct00023
의 계산은 간단하지 않고, 더 정확히는 참고문헌[2]에 명시된 바와 같이 트레일링 에지 근처의 프로파일에서 풍동 내 벽면 압력 변동 측정의 2점 상관 관계에 의해 이루어질 수 있다.
도 11은 하나 또는 2개의 실시예에 대해 강풍- 및 약풍 설계의 무한 반경에 걸쳐 각각의 국부적 프로파일 깊이에 정규화된 톱날 높이의 패턴을 다이어그램에 도시한다. 강풍을 위한 설계의 경우에 다른 특성이 나타나는 것을 알 수 있다. 톱날 높이의 디자인 시 이를 고려하는 것이 제안된다.
이 경우 도 12a 및 도 12b, 도 13a 및 도 13b는 축척을 따른다. 톱날 높이(H)는 작은 국부적 반경 r1로부터 큰 국부적 반경 r2로 급격히 감소하는 것을 알 수 있다. 이를 설명하기 위해, 작은 반경 r1의 경우에 톱날 높이 H1가 표시되고, 큰 반경 r2의 경우에 작은 톱날 높이 H2가 표시된다. 도시된 트레일링 에지는 이 경우 별도로 형성되고, 강풍 설비를 위한 로터 블레이드에 설치될 수 있다. 도시된 트레일링 에지(1)는 이 경우 대략 12 m의 길이를 갖는다. 높이 H1는 높이 H2보다 훨씬 크고, 톱날(8)의 톱날 높이(H)는 먼저 동일하게 유지된 후에 큰, 즉 외부 반경 r2 을 향해 급격히 감소한다. 동시에 감소하는 프로파일 깊이로 인해 이로써 톱날(8)의 상대적 톱날 높이(H), 즉 각각의 프로파일 깊이와 관련된 톱날 높이는 먼저 증가한 후에, 로터 블레이드의 단부를 향해, 즉 r2에서 감소한다.
도 12b에 따른 사시도는 톱날 높이의 변화를 다시 도시한다. 또한 2개의 도면에서 톱날 높이와 함께 톱날 폭 또는 톱날 간격도 작아지는 것을 볼 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 약풍 설비를 위한 트레일링 에지(1)와 관련된다. 또한 톱날 높이 H1은 톱날 높이 H2를 향해 급격히 감소하는 것, 즉 작은 반경 r1으로부터 큰 반경 r2으로 감소하는 것을 볼 수 있다. 한편으로는 도 13a 그리고 다른 한편으로는 도 12a 및 도 12b의 반경들(r1, r2)의 크기는 상이하다. 한편으로는 도 12a 및 도 12b의 그리고 다른 한편으로 도 13a의 2개의 트레일링 에지들은 각각의 해당 로터 블레이드의 대략 외부 1/3에 제공된다. 2개의 트레일링 에지(1)는 또한 세그먼트(S1 내지 S5)로 세분되고, 이 경우 비교를 간단하게 하기 위해, 상이한 트레일링 에지(1)에도 불구하고 동일한 도면부호가 사용되었다. 도 13a의 트레일링 에지(1)의 제 5 세그먼트(S5)는 또한 다른 하위 세그먼트로 세분된다. 도 13a에서, 톱날 높이(H)는 제 2 세그먼트에서 감소한 한편, 도 12에 따른 강풍 설비를 위한 트레일링 에지의 제 2 세그먼트에서 감소는 제 2 세그먼트(S2)에 도시되지 않고, 또한 아직 제공되지 않았다. 이와 관련해서 도 12a 및 도 12b에 따른 강풍을 위한 트레일링 에지(1)의 톱날 높이(H)의 높이 패턴과 약풍 설비의 도 13a에 따른 패턴은 상이하다.
도 13b는 특히 톱날(8)의 가능한, 구조 공학적 구현을 설명하기 위해, 약풍 설비의 트레일링 에지(1)의 섹션을 도시한다. 따라서 먼저, 톱날들(8)이 베이스(30)에 의해 서로 연결되는 것을 알 수 있다. 톱날 높이(H)는 또한 노치 팁(12)이 배치되는 기본 라인 또는 베이스 라인(16)으로부터 측정된다. 도 13b는 또한 톱니 팁(10)에 작은 라운딩이 제공될 수 있는 것을 도시한다.
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제조 기술적으로 소정의 경로는 미리 정해진 트레일링 에지 탭이 자동화 커팅 공정에 의해 컴퓨터 제어 방식으로 가공됨으로써 바람직하게 형성된다.
1 트레일링 에지
2 로터 블레이드
4 허브
6 회전축
8 톱날
10 톱날 팁
12 노치 팁
16 베이스 섹션
18 블레이드 섹션
20 리딩 에지
24 압력측
26 흡입측
H 톱날 높이
λ 톱날 폭

Claims (19)

  1. 풍력 발전 설비의 공기 역학적 로터의 로터 블레이드를 위한 제조될 트레일링 에지를 계산하기 위한 방법으로서,
    - 로터 블레이드는 로터와 관련해서 방사방향 위치를 갖고,
    - 로터 블레이드는 로터와 관련한 방사방향 위치에 의존하는 국부적인 블레이드 프로파일을 갖고,
    - 트레일링 에지는 다수의 톱날을 포함하는 톱니형 경로를 갖고,
    - 각각의 톱날은 톱날 높이와 톱날 폭을 갖고,
    - 톱날 높이 및/또는 톱날 폭은 그것의 방사방향 위치에 의존해서 및/또는 그것의 방사방향 위치의 국부적 블레이드 프로파일에 의존해서 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 톱날 높이는 톱날 폭보다 크고, 톱날 폭은 톱날 높이로부터 계산되고, 상기 계산과 관련해서 톱날 높이 대 톱날 폭의 비는 0.5 내지 10이고, 특히 대략 값 2인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 톱날 높이 및/또는 톱날 폭은 다항 관계식에 의해, 바람직하게 제 4차 내지 제 8차, 특히 제 5차 또는 제 6차, 특히 약풍 위치의 경우에 제 6차 그리고 강풍 위치의 경우에 제 5차의 다항 관계식에 의해 그것의 국부적 반경에 의존하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 톱날들은 서로 상이한 톱날 폭 및/또는 톱날 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 계산은, 약풍 위치를 위한 트레일링 에지에서 톱날의 톱날 높이는 톱날의 방사방향 위치의 반경이 커질수록 강풍 위치를 위한 트레일링 에지에서보다 더욱 감소하도록 및/또는 약풍 위치를 위한 풍력 발전 설비의 트레일링 에지에서 동일한 상대적인 방사방향 위치의 톱날 높이는 강풍 위치를 위한, 동일한 출력 등급, 특히 동일한 정격 출력의 풍력 발전 설비의 트레일링 에지에서보다 작도록 설계되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 계산은 예상되는 하나 이상의 소음 스펙트럼에 의존해서 이루어지고 및/또는 하나 이상의 운전점에 의존해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 계산에 피크 주파수가 관여하고, 상기 피크 주파수는 풍력 발전 설비의 선택된 운전점의 예상되는 소음 스펙트럼의 최대 소음 발생의 주파수를 나타내거나, 예상되는 소음 스펙트럼의 해당하는 평균 주파수는 다수의 운전점을 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 계산은 관련된 국부적인 프로파일에 의존해서 및/또는 적어도 하나의 운전점에서 예상되는 국부적인 입사 유동 속도에 의존해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의, 특히 각각의 미리 정해진 방사방향 위치의 톱날 높이(H)의 계산은, 상수 팩터(c2)를 고려해서 관련 코히렌스 길이 스케일(Λp3)로부터, 특히 하기식,
    H = c2·Λp3
    에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의, 특히 각각의 미리 정해진 방사방향 위치의 톱날 높이(H)의 계산은 관련 입사 유동 속도(Veff), 소음 스펙트럼의 관련 피크 주파수(fpeak) 및 예정된 팩터(k)로부터, 하기식,
    Figure pct00024

    에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 풍력 발전 설비의 공기 역학적 로터의 로터 블레이드를 위한 트레일링 에지로서,
    - 로터 블레이드는 로터와 관련해서 방사방향 위치를 갖고,
    - 로터 블레이드는 로터와 관련한 방사방향 위치에 의존하는 국부적인 블레이드 프로파일을 갖고,
    - 트레일링 에지는 다수의 톱니를 포함하는 톱니형 경로를 갖고,
    - 각각의 톱날은 톱날 높이와 톱날 폭을 갖고,
    - 톱날 높이 및/또는 톱날 폭은 그것의 방사방향 위치에 의존하고 및/또는 그것의 방사방향 위치의 국부적인 블레이드 프로파일에 의존하는 것을 특징으로 하는 트레일링 에지.
  12. 제 11 항에 있어서, 톱날 높이는 톱날 폭보다 크고, 톱날 높이 대 톱날 폭의 비는 0.5 내지 10이고, 특히 대략 값 2인 것을 특징으로 하는 트레일링 에지.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 톱날 높이 및/또는 톱날 폭은 다항 함수에 의해, 바람직하게 제 4차 내지 제 8차, 특히 제 6차, 특히 약풍 위치의 경우에 제 6차 그리고 강풍 위치의 경우에 제 5차의 다항 함수에 의해 그것의 방사방향 반경에 의존하는 것을 특징으로 하는 트레일링 에지.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 톱날들은 서로 상이한 톱날 폭 및/또는 톱날 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 트레일링 에지.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 트레일링 에지.
  16. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 약풍 위치의 풍력 발전 설비를 위해 설계되고, 특히 톱날 높이는 반경이 커질수록 감소하는 것을 특징으로 하는 트레일링 에지.
  17. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 강풍 위치의 풍력 발전 설비를 위해 설계되고, 특히 톱날 높이는 반경이 커질수록 먼저 증가한 후에, 반경이 더 커지면 다시 감소하는 것을 특징으로 하는 트레일링 에지.
  18. 제 11 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 트레일링 에지를 갖는 풍력 발전 설비의 로터 블레이드.
  19. 제 18 항에 따른 로터 블레이드를 포함하는 풍력 발전 설비.
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