KR20180088892A - 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드와 그것의 적용 - Google Patents

저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드와 그것의 적용 Download PDF

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KR20180088892A
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Abstract

저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드는 주 날개 컴포넌트들(A2, D2, K2)을 포함하고; 주 날개 컴포넌트들은 유선형 단면을 가지며, 단면들의 외부 윤곽들(outer contours)은 제1 날개 모양들이고; 또한 블레이드는 헤드 날개 조각(C1)을 포함하고; 헤드 날개 조각은 얇은 모양(flaky)이며; 헤드 날개 조각의 단면은 일 측에 볼록한 표면과 다른 측에 오목한 표면을 가지는 원호형이며; 헤드 날개 조각은 주 날개 컴포넌트들의 전방 에지 지점의 경사진 상부 측에 배열되고; 헤드 날개 조각의 오목한 표면은 주 날개 컴포넌트들에 직면하며; 제1 환기 공간(T1)은 주 날개 컴포넌트들과 헤드 날개 조각 사이에 배열된다. 블레이드의 날개 조각 구조를 개선함으로써, 블레이드의 Cp 값은 평균 풍속이 2-13m/s인 조건 하에서 단일-날개 블레이드의 것보다 훨씬 커서, 블레이드 성능이 보장되며; 원래의 날개 조각은 얇은 모양 부분으로 대체되고, 원래의 블레이드 에어포일의 형상은 얇은 모양 부분의 형상으로 전환될 수 있어서, 금형제작은 붕괴되고, 크기 가공 난이도 및 몰드의 비용은 저감되며; 따라서 블레이드의 제작비용이 명백하게 감소되고, 특히 20~50%로 저감될 수 있다.

Description

저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드와, 블레이드의 적용
본 출원은 2015년 12월 10일에 출원된 중국 특허출원서 제 201510907637.3호 "저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드와 이를 위한 제작 방법"의 우선권 및 2016년 9월 22일에 출원된 중국특허 제 201610842522.5호 "저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드와 이를 위한 제작방법"의 우선권의 이익들을 주장하며, 이의 전체 내용은 참조로써 이곳에 인용된다.
본 원은 유체-동력 장치(fluid-dynamic device)에 관한 것이며, 더 특별하게, 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드와 그것의 적용에 관한 것이다.
본 출원서에 공지된 바와 같이 풍력 에너지 이용 계수(wind energy utilization coefficient, Cp; 또한 풍력 에너지 이용 효율이라고도 함)는 블레이드의 가장 중요한 성능 파라미터(important performance parameter)이고; 블레이드의 Cp는 공기가 블레이드를 통해 유동할 때 생성되는 항력(drag force; 양-항력 비(lift-drag ratio))에 양력(lift force)의 비율과 관련이 있으며, 양-항력 비는 에어포일(airfoil)을 구성하는 유선형(streamlined shape)에 의해 결정되며, 따라서, 블레이드의 Cp는 구성된 에어포일의 모양에 의해 결정된다. 고-성능 풍력 발전 기술들(high-performance wind power generation technologies)의 개발과 조사에서 가장 핵심은 블레이드의 Cp를 개선하는 것이다.
현재 이용 가능한 양력-형 풍력 발전 제품들(lift-type wind power generation products)의 블레이드들은 각각 단일 날개 조각들(single wing piece)로 구성되어 있기 때문에, 낮은 풍속에서 성능이 떨어지는 문제가 있다. 트러스트-형(항력-형(drag-type)이라고도 함) 풍력 발전 제품들(trust-type wind power generation products)의 블레이드들은 낮은 Cp의 문제를 갖는다. 풍력 발전 비용을 줄이기 위한 주요 인자들 중 하나는 낮은 풍속에서 풍력 터빈들의 성능을 개선시키는 것이다.
이러한 관점에서, 낮은 풍속에서 존재하는 풍력 발전 제품들의 블레이드들의 성능이 떨어지는 문재를 해결하기 위해, 풍력 이용 효율이 개선되는 비용-효율적인 블레이드를 제공하는 것과 유체-동력 장치 내의 블레이드의 적용을 제공하는 것은 필요하다.
이러한 목적은 다음의 기술적인 구조(technical schemes)에 의해 달성된다.
저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드는 주 날개 컴포넌트(main wing component)를 포함하고, 주 날개 컴포넌트는 제1 에어포일을 형성하는 외부 프로파일, 유선형 단면을 가지고, 여기서, 블레이드는 시트의 형태인 헤드 날개 조각(head wing piece)을 더 포함하며, 헤드 날개 조각은 일 측에서 볼록한 표면(convex surface) 및 다른 측에서 오목한 표면(concave surface)을 구비하는 원호-형(arc-shaped) 단면을 갖고, 헤드 날개 조각은 주 날개 컴포넌트의 리딩-에지 지점(leading-edge point) 상에 경사지게(obliquely) 배열되며, 헤드 날개 조각의 오목한 표면은 주 날개 컴포넌트를 대면하고, 제1 환기 공간(first ventilation spac)은 주 날개 컴포넌트와 헤드 날개 조각 사이에 형성된다.
일 실시예에서, 외부 프로파일은 상부 프로파일의 일부와 레드 날개 조각의 볼록한 표면에 의해 정의되고 트레일링-에지 지점(trailing-edge points)와 주 날개 컴포넌트의 하부 프로파일은 제2 에어포일을 형성하고 제2 에어포일의 리딩-에지 지점은 헤드 날개 조각의 볼록한 표면에 위치된다.
일 실시예에서, 주 날개 컴포넌트와 주 날개 컴포넌트의 하부 프로파일에 가까운 헤드 날개 조각의 일 단부 사이의 갭은 제1 환기 공간의 공기 유입구(air inlet)이고, 주 날개 컴포넌트와 주 날개 컴포넌트의 상부 프로파일에 가까운 헤드 날개 조각의 일 단부 사이의 갭은 제1 환기 공간의 공기 배출구(air outlet)이며, 공기 유입구는 제1 환기 공간의 공기 배출구보다 더 큰 폭을 갖는다.
일 실시예에서, 제1 환기 공간의 공기 배출구의 공기 유출 방향(air outflow direction)은 주 날개 컴포넌트의 상부 프로파일의 대응 위치(corresponding location)에서 접선 방향(tangential direction)을 따른다.
일 실시예에서, 주 날개 컴포넌트는 꼬리 날개 조각(tail wing piece) 및 꼬리 날개 조각과 헤드 날개 조각 사이에 위치되는 적어도 하나의 중간 날개 조각(middle wing piece)을 포함하고, 제2 환기 공간은 제2 에어포일(second airfoil)의 하부 프로파일(lower profile)과 상부 프로파일(upper profile) 사이의 공기연통(air communication)을 달성하도록, 각각의, 중간 날개 조각과 꼬리 날개 조각 사이 및 인접 중간 날개들 사이에 형성되며, 제2 에어포일의 상부 프로파일에 가까운 제2 환기 공간의 개구는 제2 환기 공간의 공기 배출구이고, 공기 유입구는 제2 환기 공간의 공기 배출구보다 더 큰 폭을 갖는다.
일 실시예에서, 제2 환기 공간의 공기 배출구의 공기 유출 방향은 꼬리 날개 조각 또는 인접 후방 중간 날개 조각(adjacent rear middle wing piece)의 상부 프로파일의 대응 위치에서 접선 방향을 따른다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 중간 날개 조각은 제2 에어포일의 상부 프로파일을 따라 적어도 부분적으로 배열되는 시트 부재(sheet member)를 갖는다.
일 실시예에서, 중간 날개 조각은 제1 시트 부재(first sheet member)를 포함하고, 제1 시트 부재는 일 측에서 볼록한 표면 및 다른 측에서 오목한 표면을 구비하는 원호-형 단면을 가지며, 제1 시트 부재의 원호-형 볼록한 표면은 헤드 날개 조각에 가깝고, 제1 시트 부재는 제2 에어포일의 하부 프로파일에 가까운 하나의 단부와 제2 에어포일의 상부 프로파일에 위치되는 다른 단부를 갖는다.
일 실시예에서, 중간 날개 조각은 제2 시트 부재(second sheet member)를 더 포함하고, 제2 시트 부재의 일 단부는 제2 에어포일의 하부 프로파일에 가까운 제1 시트 부재의 일 단부와 연결되며, 제2 시트 부재는 제2 에어포일의 하부 프로파일을 따라서 배열되는 하부 구역을 포함한다.
일 실시예에서, 제2 시트 부재의 하부 구역은 헤드 날개 조각 쪽으로 연장하고, 이는 적어도 두 개의 날개 조각들이며, 적어도 두 개의 중간 날개 조각들은 헤드 날개 조각과 꼬리 날개 조각 사이에 순차적으로 배열되며, 꼬리 날개 조각에 가까운 중간 날개 조각들의 제2 시트 부재와 제1 시트 부재는 서로에 연결된다.
일 실시예에서, 제2 시트 부재의 하부 구역은 꼬리 날개 조각을 향하여 연장한다.
일 실시예에서, 제1 시트 부재와 그것에 연결되는 제2 시트 부재는 일체로 형성되고, 제1 시트 부재와 제2 시트 부재 사이의 교차로(intersection)는 부드럽고 곡선 처리(rounded)되었다.
일 실시예에서, 제2 시트 부재는 하부 구역과 연결되는 중앙 구역을 더 포함하고, 중앙 구역은 제2 시트 부재와 연결되는 제1 시트 부재 방향으로 접힌다.
일 실 실시예에서, 제2 시트 부재의 중앙 구역과 하부 구역 사이의 접힘 각도(bending angle)는 둔각(obtuse angle)이다.
일 실시예에서, 제2 시트 부재는 일 단부에서 중앙 구역과 연결되는 상부 구역을 더 포함하고 상부 구역의 다른 단부는 제1 시트 부재의 오목한 표면에 연결되거나 부착된다.
일 실시예에서, 제1 연결 부재는 제1 시트 부재의 오목한 표면과 제2 시트 부재의 중앙 구역 사이에 제공된다.
일 실시예에서, 제2 시트 부재의 상부 구역과 중앙 구역은 단면에서 연속적인 호(continuous arc)를 형성하고 제2 시트 부재의 상부 구역과 중앙 구역의 볼록한 표면들은 제1 시트 부재의 오목한 표면에 대면(face)한다.
일 실시예에서, 제2 시트 부재의 하부 구역은 제2 연결 부재를 통해 제1 시트 부재에 연결되고, 제2 시트 부재와 제2 연결 부재의 연결 및 제1 시트 부재와 제2 연결 부재의 연결은 부드럽고 곡선 처리된다.
일 실시예에서, 제2 시트 부재의 하부 구역과 제1 시트 부재의 연결은 부드럽고 곡선 처리되며, 그것의 내측에 제1 강화부재(first reinforcing member)가 제공된다.
일 실시예에서, 제1 시트 부재와 그곳에 연결되는 제2 시트 부재는 일체형으로 형성된다.
일 실시예에서, 제1 시트 부재와 제2 시트 부재는 닫힌 공동(closed cavity)을 형성하도록 연결되고, 이는 채움 바디(filling body)가 그 안에 제공된다.
일 실시예에서, 제1 시트 부재, 제2 시트 부재 및 채움 바디는 견고한 중간 날개 조각을 형성하도록 통합(integrated)된다.
일 실시예에서 중간 날개 조각은 꼬리 날개 조각과 제1 시트 부재의 오목한 표면 사이에 위치되는 제3 시트 부재를 더 포함하고, 제3 시트 부재는 상부 구역과 하부 구역을 포함하며, 제3 시트 부재의 하부 구역은 제2 에어포일의 하부 프로파일을 따라 배열되고, 제3 시트 부재의 상부 구역은 꼬리 날개 조각의 가까이에 제3 시트 부재의 하부 구역의 일 단부와 연결되고 제1 시트 부재를 향해 접힌다.
일 실시예에서, 제3 시트 부재의 하부 구역과 상부 구역은 일체로 형성되고, 제3 시트 부재의 하부 구역과 상부 구역의 교차로(intersection)는 부드럽고 곡선 처리된다.
일 실시예에서, 중간 날개 조각은 견고한 날개 컴포넌트를 포함하고, 견고한 날개 컴포넌트의 단면에서 보이는 바와 같이, 견고한 날개 컴포넌트는 헤드 날개 조각에 가까운 볼록한 표면, 꼬리 날개 조각에 가까운 오목한 표면 및 제2 에어포일의 하부 프로파일을 따라 배열되는 하부 측을 가지며, 하우 측은 견고한 날개 컴포넌트의 오목한 표면과 볼록한 표면의 하부 단부들과 연결되고, 각각의 견고한 날개 컴포넌트의 오목한 표면과 볼록한 표면의 상부 단부들은 서로 연결되며, 견고한 날개 컴포넌트의 볼록한 표면은 제2 에어포일의 상부 프로파일을 따라 적어도 부분적으로 배열된다.
일 실시예에서, 견고한 날개 컴포넌트의 오목한 표면과 하부 측의 연결 및 견고한 날개 컴포넌트의 볼록한 표면과 하부 측의 연결은 부드럽고 곡선 처리된다.
일 실시예에서, 꼬리 날개 조각은 유선형 단면을 가지고, 이것의 외부 프로파일은 제3 에어포일을 형성하며, 제3 에어포일의 하부 프로파일은 제2 에어포일의 하부 프로파일을 따라서 적어도 부분적으로 배열되며, 제3 에어포일의 상부 프로파일은 제2 에어포일의 상부 프로파일을 따라서 배열되고, 제3 에어포의 트레일링-에지 지점들은 제2 에어포일과 일치한다.
일 실시예에서, 꼬리 날개 조각은 견고한 구조(solid structure)를 갖는다.
일 실시예에서, 꼬리 날개 조각은 그것의 상부 프로파일을 따라 배열되는 제4 시트 부재(fourth sheet mem), 그것의 하부 프로파일을 따라 배열되는 제5 시트 부재(fifth sheet member)를 포함하고, 제4 시트 부재의 두 단부들은 제5 시트 부재의 두 단부들과 각각 연결된다.
일 실시예에서, 제4 시트 부재의 두 단부들은 각각 제4 연결 부재와 제3 연결 부재를 통해 제5 시트 부재의 두 단부들과 연결된다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 제2 강화 부재는 제5 시트 부재와 제4 시트 부재 사이에 배열된다.
일 실시예에서, 제4 시트 부재와 제5 시트 부재는 일체로 형성된다.
일 실시예에서, 헤드 날개 조각에 가까운 제5 시트 부재의 일 단부는 제2 에어포일의 하부 프로파일을 따라서 배열된 연장 구역(extending section)과 연결된다.
일 실시예에서, 헤드 날개 조각에 가까운 제4 시트 부재의 일 단부는 연장 구역과 부착되는 부착 구역(attaching section)과 연결된다.
일 실시예에서, 부착 구역과 제4 시트 부재는 일체로 형성된다.
일 실시예에서, 헤드 날개 조각에 가까운 연장 구역의 일 단부는 제2 에어포일의 상부 프로파일 쪽으로 접히는 접힘 구역(bending section)과 연결된다.
일 실시예에서, 접힘 구역, 연장 구역 및 제5 시트 부재는 일체로 형성된다.
일 실시예에서, 제4 시트 부재와 제5 시트 부재는 일체로 형성된다.
본 원은 유선형의 단면을 가지는 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드를 더 제공하고, 단면은 리딩-에지 지점, 트레일링-에지 지점 및 리딩-에지 지점과 트레일링-에지 지점을 연결하기 위한 상부 프로파일과 하부 프로파일에 정의되며, 블레이드의 상부 외부 에지 프로파일 표면은 블레이드의 석션 표면이고 상부 프로파일은 단면과 석션 표면의 교차선(intersection line)이며; 블레이드의 하부 외부 에지 프로파일 표면은 가압 표면이고, 하부 프로파일은 단면과 가압 표면의 교차선이고; 블레이드는 인접 날개 컴포넌트들 사이에 형성되는 환기 공간을 구비하는 날개 컴포넌트들의 그룹을 포함하고; 여기서 날개 컴포넌트들은 하나의 헤드 날개 조각과 하나의 꼬리 날개 조각을 포함하거나, 하나의 헤드 날개 조각, 적어도 하나의 중간 날개 조각 및 하나의 꼬리 날개 조각을 포함하고; 헤드 날개 조각은 리딩-에지 지점에 가까이에 리딩-에지 지점 상에 경사지게 배열되며, 꼬리 날개 조각은 트레일링-에지 지점에 가까이 있으며, 중간 날개 조각은 헤드 날개 조각과 고리 날개 조각 사이에 배열되고; 헤드 날개 조각은 일 측에 볼록한 표면과 다른 측에 오목한 표면을 가지는 원호형 시트이고, 헤드 날개 조각의 볼록한 표면은 트레일링-에지로부터 대면하며; 블레이드의 단면의 상부 프로파일은 헤드 날개 조각의 볼록한 표면 및 꼬리 날개 조각의 상부 부분 또는 상부 부분의 일부에 의해 정의되거나 헤드 날개 조각의 볼록한 표면과 꼬리날개 조각 및 중간 날개 조각의 상부 부분 및 상부 부분의 일부에 의해 정의되고; 블레이드 반면은 하부 프로파일은 꼬리 날개 조각의 하부 부분 또는 하부 부분의 일부에 의해 정의되거나 꼬리 날개 조각 및 중간 날개 조각의 하부 부분과 하부 부분의 일부에 의해 정의된다.
본 원은 조류를 이용하여 전력을 생성하는 수직 축 수력 터빈(vertical axis hydraulic turbine), 수평 축 풍력 터빈(horizontal axis wind turbine), 수력 터빈(hydraulic turbine), 스팀 터빈(steam turbine) 또는 스러스터(thruster) 수직 축 풍력 터빈(vertical axis wind turbine)에서 블레이드 로서 위에서 기술되는 저-속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드의 블레이드의 사용을 더 제공한다.
본 원은 다음의 유리한 효과를 갖는다.
블레이드의 날개 조각들의 구성을 개선함으로써, 본 원의 블레이드의 Cp는 2-13m/s의 평균 풍속에서 동일 외부 프로파일을 갖는 다중-날개 유체-수집 블레이드(multi-wing fluid-collecting blade)의 것보다 적지 않고 단일-날개 블레이드의 것보다 훨씬 높으며, 이에 의해 블레이드의 성능을 보장한다. 또한, 시트 부재들은 종래의 날개 대신에 이용되고, 따라서 블레이드의 종래의 날개의 형태는, 시트 부재들의 형태로 대체될 수 있고, 따라서 전체 제작 몰드는 복수 개의 서브 몰드들로 대체될 수 있으며, 이에 의해 몰드의 크기, 제작 난이도 및 비용을 줄인다. 그리고, 롤링(rolling), 스탬핑(stamping), 압출(extrusion)과 같은 매우 효율적인 제작 공정은 적용될 수 있고, 따라서 블레이드의 제작 비용은 상당히, 특히 20%-50%(풍력 터빈의 단위 용량이 높을수록 비용의 감소 정도가 거 커짐)로 저감될 수 있다. 또한, 본 원의 블레이드의 구성요소들은 개별적으로 제작될 수 있으며, 이는 풍력 터빈의 설치 위치 상에 블레이드 내로 이러한 구성요소들을 조립 가능하게 하며, 이에 의해 크고 중간-크기의 블레이드의 이송 비용을 상당히 줄일 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드들의 개략적인 구조도(schematic structural views)이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따라 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드들의 개략적인 구조도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 저속-유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드들의 개략적인 구조도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드의 개략적인 구조도이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드의 개략적인 구조도이다.
도 6a 내지 도 6o는 본 발명의 제6실시예에 따른 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드들의 개략적인 구조도이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 제7 실시예에 따른 저속 유체를 효율적은 이용할 수 있는 블레이드들의 개략적인 구조도다
도 8a 내지 도8d는 본 발명의 제8 실시예에 따른 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드들의 개략적인 구조도다.
도 9는 본 발명의 제9실시예를 따라 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드의 개략적인 구조도다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 제10 실시예에 따른 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드들의 개략적인 구조도다.
도 11은 본 발명의 제12 실시예에 따른 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 개략적인 구조도다.
도 12는 본 발명의 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 가압 표면(Slow)과 석션 표면(Sup), 외부 프로파일 외피(outer profile envelope)를 도시하는 개략적인 단면도다.
도 13은 본 원의 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드의 제1 환기 공간과 제2 환기 공간을 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 14는 네 개의 다른 형상들에서 본 원의 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드들의 가압 표면(Slow)과 석션 표면(Sup), 외부 프로파일 외피를 도시하는 개략적인 단면도다.
도 15a 및 도 15b는 도 3a의 블레이드들의 개략적인 단면도이며 이것의 외부 프로파일들은 각각의 X 및 Y 에어포일 규격(X and Y airfoil specifications)에 따라 디자인된다.
도 16a 내지 도 16d는, 각각의, 본 원의 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드들의 네 가지 예시들을 도시하는 개략도이다.
도 17은 본 원의 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드의 네 가지 적용 모드들을 개략적으로 도시한다,
도 18 세 개의-날개 유체-수집 블레이드와 두 종류의 단일-날개 블레이드들인, 본 원의 세 가지 예시들의 블레이드들의 동력 테스트 결과를 도시한다.
도 19는 도 18에서 도시되는 여섯 종류의 블레이드들의 힘의 비교를 도시하는 다이어그램이다.
본 원의 목적들, 기술적인 해결들 및 이접들을 명확하게 이해되도록 하기 위해, 본 원은 다음의 실시예들과 첨부된 도면들과 더 상세한 설명으로 기술될 것이다. 여기에서 기술되는 특정 실시예들이 본 원을 단지 설명하는 것이며 본 원을 제한하는 것이 아님은 이해되어야 한다.
특정 실시예들의 설명의 용이하게 하기 위해, 본 원의 블레이드들의 코드들(codes)은, 설명과 도면들에서 본 원의 블레이드들을 도시하는 파라미터들과 관련 용어들의 이해를 용이하게 하기 위해, 먼저 기술된다. 본 원의 블레이드들은 FW(n+m)nm의 일반 공식(general formula)으로 표현되며, 여기서 n은 시트의 형태인 날개 조각들의 수를 표시하고(원호-형 시트의 형태인 헤드 날개 조각, 원호-형 구조, 두-부분 1중 접힘 구조(two-part one-folded structure), S-같은 모양 또는 C-같은 모양을 갖는 중간 날개 조각을 포함함), m은 굴곡진 표면 바디 또는 견고한 블록의 형태인 날개 조각들의 수를 표시하며(s-같은 모양 또는 에어포일-같은 모양을 갖는 중간 날개 조각, 에어포일 구조 또는 덕빌 모양(duckbill shape) 또는 상향식 덕빌 모양(upturned duckbill shape)을 갖는 꼬리 날개 조각 견고한 블록의 형태인 중간/꼬리 날개 조각을 포함함), (n+m)은 n과 m의 합이다. 또한, 상기 일반 공식은 블레이드의 외부 프로파일이 만약 필요하다면, 예를 들어, FW(n+m)nmL로 표시하는 표준 에어포일(standard airfoil)이 LF-시리즈 에어포일과 FW(n+m)nmN로 표시하는 표준 에어포일이 NACA-시리즈 에어포일인 특정 표준 에어포일임을 표시하는, 기준 에어포일(reference airfoil)을 나타내는 문자를 포함할 수 있다.
본 원의 몇몇 블레이드들은 날개 조각들의 형상들에서 논리적인 순환(logical recurrence)을 갖는다. 그러한 블레이드들은 세가지 분류로 분류될 수 있으며, 각각 분류의 공식은 해당 분류의 특성이 반영되어야 한다. FW(n+m)nm에 관해서, 블레이드들의 일 분류를 위한 m 또는 n이 일정한 값(constant value)이고, 구성의 논리적인 반복을 갖는 블레이드들의 수는 (n+m)에 n 또는 m에 해당하는 특정 값을 이용할 필요가 없는 이러한 일정값을 감하여(minus) 반영될 수 있으며, 그 후 하나의 문자는 대응하는 날개 조각들의 구성의 논리적인 반복을 표시하게 n 또는 m을 대체하도록 이용될 수 있다.
구체적으로, FW(1+m)1B로 표시되는 블레이드들은 만곡된 표면 바디(curved surface body)의 형태인 m 개의 날개 조각들(B)와 하나의 시트 날개 조각(C1)으로 이루어지고, 여기서 m개의 날개 조각들(B) 중 중간 날개 조각들은 s-같은 모양이고 구성에서 논리적인 반복을 갖는다. 도 6a, FIG. 6b, FIG. 6d, FIG. 6h, FIG. 6l 및 FIG. 8a에서 FW31B s가 도시되고, FIG. 5a, FIG. 6e, FIG. 6f, FIG. 6g, FIG. 6i, FIG. 6j, FIG. 6k, FIG. 6m, FIG. 6n, FIG. 6o, FIG. 8b, FIG. 8c, 및 FIG. 8d에서 순서대로 도시되는 FW41B, FW51B 및 FW61B은 블레이드들의 이러한 종류의 예시이다.
FW(n+1)C1로 표시된 블레이드들은 만곡된 표면 바디의 형태인 하나의 날개 조각(B)과 n 개의 시트 날개 조각들(C)로 이루어지고, 여기서 n 시트 날개 조각들(C) 중 중간 날개 조각들은 C-같은 모양이며 구성에서 논리적인 반복(logical recurrence in configuration)을 갖는다. 도 4a에서 도시되는 FW4C1는 블레이드들의 이러한 종류의 일 예시이다.
FW(n+1)S1으로 표시되는 블레이드들은 만곡된 표면 바디의 형태인 하나의 날개 조각(B)과 n개의 시트 날개 조각들(C)로 이루어지고, 여기서 n 개의 시트 날개 조각들(C) 중 중간 날개 조각들은 S-같은 모양이며, 구성에서 논리적인 반복을 갖는다. 도 3b에서 순서대로 도시되는 FW4S1와 FW5S1은 이러한 블레이드들의 종류의 예시들이다.
조각들의 수(n, m)에 따라 블레이드들의 적용 용량(application capacity)을 분류하는 경우에, 1 내지 3의 범위의 n과 m을 갖는(1=n=3,1=m=3) 블레이드는 스몰 및 마이크로 사이즈(micro-sized) 풍력터빈들에 적용 가능하고, 1 내지 8의 범위인 n과 m을 갖는(1=n=8,1=m=8) 블레이드는 스몰 및 미디움 사이즈의 풍력 터빈들에 적용 가능하고, 1 내지 18의 범위인 n과 m을 갖는(1=n=18,1=m=18) 블레이드는 미디움 및 라지 사이즈 풍력 터빈들에 적용 가능하며, 1 내지 30의 범위인 n과 m을 갖는(1=n=30,1=m=30) 블레이드는 라지 사이즈 풍력 터빈에 적용 가능하다.
도 12는 점선으로 블레이드의 외부 프로파일의 외피를 도시하고, 여기서 석션 표면(상부 표면; Sup)과 가압 표면(하부 표면; Slow)은 블레이드의 리딩-에지 지점(a)과 트레일링-에지 지점(b)에 의해 경계지어지고 상부 및 하부 부분들에서 개별적으로 도시되며, a와 b 사이의 거리(ξ)는 블레이드의 날개 코드 길이(쇼트(short)를 위한 코드 길이)이다.
도 14는, 점선으로, 본 원의 FW211, FW4S1, FW312 및 FW41B의 리딩-에지 지점(a)과 트레일링-에지 지점(b)에 의해 경계 지어지는 석션 표면(Sup)과 가압 표면(Slow)을 도시한다.
제1 실시예
도 1a 내지 도 1c에서 도시된 바와 같이 본 원의 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드는 주 날개 컴포넌트(A2, D2, K2)를 포함하고, 주 날개 컴포넌트는 유선형 단면을 가지며, 그것의 외측 프로파일은 제1 에어포일을 형성함; 블레이드는 시트의 형태인 헤드 날개 조각(C1)을 더 포함하고, 헤드 날개 조각은 일 측에 볼록한 표면과 다른 측에 오목한 표면을 구비하는 원호-형 단면을 갖고, 헤드 날개 조각은 주 날개 컴포넌트의 리딩-에지 지점 상에 경사지게 배열되며, 헤드 날개 조각의 오목한 표면은 주 날개 컴포넌트를 대면하고, 제1 환기 공간(T1)은 주 날개 컴포넌트와 헤드 날개 조각 사이에 형성된다.
외부 프로파일은 상부 프로파일의 부분과 헤드 날개 조각의 볼록한 표면에 의해 정의되고, 주 날개 컴포넌트의 하부 프로파일과 트레일링-에지 지점(trailing-edge point)은 제2 에어포일을 형성하며, 제2 에어포일의 리딩-에지 지점은 헤드 날개 조각의 볼록한 프로파일에 위치된다. 제2 에어포일의 상부 프로파일에 의해 정의되는 표면은 석션 표면이고, 제2 에어포일의 하부 프로파일에 의해 정의되는 표면은 블레이드의 가압 표면이다.
또한, 주 날개 컴포넌트와 주 날개 컴포넌트의 하부 프로파일에 가까운 헤드 날개 조각의 일 단부 사이의 갭은 제1 환기 공간의 공기 유입구이고, 주 날개 컴포넌트와 주 날개 컴포넌트의 상부 프로파일에 가까운 헤드 날개 조각의 일 단부 사이의 갭은 제1 환기 공간의 공기 배출구이며, 공기 유입구는 제1 환기 공강의 공기 배출구보다 더 큰 폭을 갖는다.
제2 실시예
본 원의 블레이드가 대용량 유체-동력 장치(large-capacity fluid-dynamic device, 풍력 터빈)에 이용되는 경우에, 단일 날개에 의해 형성되는 주 날개 컴포넌트는 요구를 만족하지 못하고, 주 날개 컴포넌트는 헤드 날개 조각과 꼬리 날개 조각의 사이에 위치되는 적어도 하나의 중간 날개 조각과 하나의 꼬리 날개 조각을 더 포함하여야 하며, 여기서 제2 환기 공간들(T2)은 제2 에어포일의 하부 프로파일과 상부 프로파일 사이의 공기 연통을, 각각 달성하기 위한 중간 날개 조각과 꼬리 날개 조각 사이 및 인접 중간 날개 조각들 사이에서 형성되며, 제2 에어포일의 하부 프로파일에 가까운 제2 환기 공간의 개구는 제2 환기 공간의 공기 유입구이고, 제2 에어포일의 상부 프로파일에 가까운 제2 환기 공간의 개구는 제2 환기 공간의 공기 배출구이다.
도 13에서 도시된 다와 같이, 블레이드의 단면에서, 제1 환기 공간과 제2 환기 공간의 공기 유입구는 블레이드의 제2 에어포일의 하부 프로파일이 위치되는 측면 상에 위치되고, 제2 환기 공간 및 제1 환기 공간의 공기 배출구들은 블레이드의 제2 에어포일의 상부 프로파일이 위치되는 측면 상에 위치되며, 공기 유입구들의 폭(gen)은 공기 배출구의 폭(gex) 보다 크다. 석션 표면에 가까운 제2 환기 공간과 제1 환기 공간의 일부들은(제2 에어포일의 상부 프로파일) 공기 유동 방향을 따라 점진적으로 좁아진다. 제1 환기 공간의 공기 배출구의 공기 유출 방향은 주 날개 컴포넌트의 상부 프로파일의 대응 위치에서 접선 방향을 따른다. 제2 환기 공간의 공기 배출구의 공기 유출 방향은 꼬리 날개 조각 또는 인접 후방 중간 날개 조각의 상부 프로파일의 대응 위치에서 접선 방향을 따른다.
바람직하게, 적어도 하나의 중간 날개 조각은 제2 에어포일의 상부 프로파일을 따라 적어도 부분적으로 배열되는 시트 부재를 갖는다.
도 2a에서 도시되는 바와 같이, 중간 날개 조각(C2)은 제1 시트 부재(P1)를 포함하고, 제1 시트 부재는 일 측에 볼록한 표면과 다른 측에 오목한 표면을 구비하는 원호-형 단면을 가지며, 제1 시트 부재의 원호-형 볼록한 표면은 헤드 날개 조각에 가깝고, 제1 시트 부재는 제2 에어포일의 하부 프로파일에 가까운 일 단부와 제2 에어포일의 상부 프로파일에 위치되는 다른 단부를 갖는다.
제3 실시예
제3 실시예는 제2 실시예의 변형이다. 도 3a 및 도 3b에서 도시되는 바와 같은 실시예 3, 중간 날개 조각들(C3, C4)는 적어도 하나의 제2 시트 부재를 더 포함하고, 여기서 제2 시트 부재의 일 단부는 제2 에어포일의 하부 프로파일에 가까운 제1 시트 부재의 일 단부와 연결되며, 제2 시트 부재는 제2 에어포일의 하부 프로파일에 따라 배열되는 하부 구역(P2)를 포함한다.
특히, 제2 시트 부재의 하부 구역은 S-같은 모양의 중간 날개 조각을 형성하는 헤드 날개 조각 쪽으로 연장하고, 중간 날개 조각들은 적어도 두 개의 제1 시트 부재들을 포함하며, 적어도 두 개의 제1 시트 부재들은 헤드 날개 조각과 꼬리 날개 조각 사이에 순차적으로 배열되고, 제2 시트 부재는 꼬리 날개 조각 가까이에 중간 날개 조각의 제1 시트 부재와 연결된다.
제4 실시예
제4 실시예는, 도 4a에서 도시된 바와 같은 제2 시트 부재의 하부 구역이 C-같은 모양의 중간 날개 조각을 형성하는 꼬리 날개 조각 쪽으로 연장하는 제3 실시예와 상이하다.
제3 실시예와 제4 실시예에서, 제작을 용이하게 하기 위해 제1 시트 부재와 그것과 연결되는 제2 시트 부재는 일체로 형성되고, 제1 시트 부재와 제2 시트 부재 사이의 교차점(intersections)들은 부드럽고 곡선 처리된다.
제5 실시예
제5 실시예는 제4 실시예의 변형이다. 제5 실시예에서, 도 5에서 도시된 바와 같이, 제2 시트 부재는 일 단부에서 하부 구역과 연결되는 중앙 구역(P3)을 더 포함하고, 중앙 구역은 제2 시트 부재와 연결되는 제1 시트 쪽으로 접히며, 제2 시트 부재의 중앙 구역과 하부 구역 사이의 접힘 각도는 둔각이다.
제6 실시예
중간 날개 조각의 강도(strength)를 개선하기 위해, 제5 실시예는 제6 실시예 얻도록 변경된다. 제6 실시예에서, 도 6a 내지 도 6o에서 도시되는 바와 같이, 제2 시트 부재는 일 단부에서 중앙 구역(P3)과 연결되는 상부 구역(P4)을 더 포함하고, 상부 구역(P4)의 다른 단부는 제1 시트 부재(P1)의 오목한 표면에 연결 또는 부착되며, 이에 의해 s-같은 모양의 중간 날개 조각을 형성한다.
중간 날개 조각의 강도를 더욱 개선하기 위해, 도 5 및 도 6h에서 도시된 바와 같이, 제1 연결 부재들(N9, N11, N13)은 제2 시트 부재의 중앙 구역과 제1 시트 부재의 오목한 표면 사이에서 제공될 수 있다.
바람직하게, 도 6b 및 도 6c에서 도시되는 바와 같이, 제2 시트 부재의 하부 구역은 제2 연결 부재(L2)를 통해 제1 시트 부재와 연결되고, 제2 시트 부재와 제2 연결 부재의 연결 및 제1 시트 부재와 제2 연결 부재의 연결은 부드럽고 곡선 처리된다.
또 다른 바람직한 해결책은, 도 5a와 도 6d에서 도시되는 바와 같은, 제2 시트 부재의 하부 구역과 제1 시트 부재의 연결이 부드럽고 곡선 처리되고, 그것의 내측에 제1 강화 부재(N8, N6)이 제공된다.
제7 실시예
제7 실시예는 제6 실시예와 유사하다. 제7 실시예에서, 도 7a 내지 도 7c에서 도시된 바와 같이, 제2 시트 부재의 상부 구역과 중간 구역의 단면(cross sections)은 연속적인 호 모양을 정의하고, 제2 시트 부재의 상부 구역과 중앙 구역의 원호-형 볼록한 표면은 제1 시트 부재의 오목한 표면과 대면하고, 이에 의해 에어포일-같은 모양의 중간 날개 조각을 형성한다.
제작 비용을 줄이고 제작은 용이하게 하기 위해, 제1 시트 부재와 그것에 연결되는 제2 시트 부재는 속이 빈 중간 날개 조각(hollow middle wing piece)을 일체로 형성하도록 형성될 수 있다. 도 6h 내지 도 6o와 도 7b에서 도시되는 바와 같이, 도 6h 내지 도 6k 및 도 7b의 중간 날개 조각들은 압출성형(extrusion forming)에 의해 제작되고; 도 6l 내지 도 6o의 중간 날개 조각들은 압축 성형(press forming)과 조합되는 판금 공정(sheet metal process)에 의해 분리 시트 부재(separate sheet member)를 처리함으로써 제작된다.
제8 실시예
제8 실시예는 제8실시예의 중간 날개 조각이 견고한 구조를 갖는, 즉, 제2 시트 부재와 제1 시트 부재의 연결에 의해 형성되는 닫힌 공동이 내부에 채움 바디가 제공되는, 제7 실시예와 상이하다.
도 8a 내지 도 8d에서 도시되는 바와 같이, 제1 시트 부재, 제2 시트 부재 및 채움 바디는 견고한 구조를 갖는 중간 날개 조각을 형성하도록 함께 일체화된다.
제9 실시예
제9 실시예는 제2 실시예의 변형이다. 제9 실시예에서, 도 9에서 도시된 바와 같이, 중간 날개 조각은 꼬리 날개 조각(A4)과 제1 시트 부재(C2)의 오목한 표면 사이에 위치되는 제3 시트 부재(C3)를 더 포함하고, 제3 시트 부재는 상부 구역(Q2)과 하부 구역(Q1)을 포함하며, 제3 시트 부재의 하부 구역은 제2 에어포일의 하부 프로파일을 따라 배열되고, 제3 시트 부재의 상부 구역은 꼬리 날개 조각에 가까운 하부 구역의 일 단부에 연결되며, 제1 시트 부재 방향으로 접히고, 따라서, 중간 날개 조각은 2-부분 단일-각진 구조(two-part single-angled structure)를 갖는다.
바람직하게, 제3 시트 부재의 하부 구역과 상부 구역은 일체로 형성되고, 제3 시트 부재의 하부 구역과 상부 구역의 교차점은 부드럽고 곡선 처리된다.
제10 실시예
중간 날개 조각은 상기 실시예들에서 기술된 시트 부재을에 더하여 적어도 하나의 견고한 날개 컴포넌트를 더 포함하고, 도 10a 내지 도 10c에서 도시된 바와 같이, 견고한 날개 컴포넌트의 단면으로부터 도시되는 바와 같이, 견고한 날개 컴포넌트는 헤드 날개 조각에 가까운 볼록한 표면을 갖고, 하부측과 꼬리 날개 조각에 가까운 오목한 표면은 오목한 표면은 제2 에어포일의 하부 프로파일을 따라 배열되며, 하부측은 각각의 견고한 날개 컴포넌트의 오목한 표면과 볼록한 표면의 하부 단부들과 연결되고, 견고한 날개 컴포넌트의 오목한 표면과 볼록한 표면의 상부 단부들은 연결되며, 견고한 날개 컴포넌트의 볼록한 표면은 제2 에어포일의 상부 프로파일을 따라 적어도 부분적으로 배열된다.
바람직하게, 견고한 날개 컴포넌트의 볼록한 표면과 하부측의 연결과 견고한 날개 컴포넌트의 오목한 표면과 하부측의 연결은 부드럽고 곡선 처리된다.
제11 실시예
주 날개 컴포넌트의 꼬리 날개 조각은 다양한 형태들일 수 있다. 꼬리 날개 조각은 유선형 단면을 갖고, 그것의 외부 프로파일은 제3 에어포일을 형성하며, 제3 에어포일의 하부 프로파일은 제2 에어포일의 하부 프로파일을 따라서 적어도 부분적으로 배열되고, 제3 에어포일의 상부 프로파일은 제2 에어포일의 상부 프로파일을 따라 적어도 부분적으로 배열되며, 제3 에어포일의 트레일링-에지 지점들은 제2 에어포일의 것과 일치한다.
도 1a, 도 2a, 도 6c, 도 8a 내지 도 8d, 도 9 및 도 10a 내지 도 10c에서 도시된 바와 같이, 꼬리 날개 조각은 견고한 구조를 갖는다.
도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 6e 내지 도 6g에서 도시된 바와 같이, 꼬리 날개 조각은 그것의 상부 프로파일을 따라 배열되는 제4 시트 부재와 그것의 하부 프로파일을 따라 배열되는 제5 시트 부재를 포함하고, 제4 시트 부재의 두 단부들은 제5 시트 부재의 두 단부들과 각각 연결된다.
도 6b에서 도시된 바와 같이, 제4 시트 부재(E6)의 두 단부들은 제4 연결 부재(L8)와 제3 연결 부재(L5)를 통해 제5 시트 부재(E7)의 두 단부들과 각각 연결된다.
도 6a와 도 6h에서 도시되는 바와 같이, 꼬리 날개 조각의 강도를 개선하기 위해, 적어도 하나의 강화 부재(N4, N5)는 제4 시트 부재와 제5 시트 부재 사이에 배열되고, 여기서, 도 6h에서 도시되는 바와 같이, 그것들은 꼬리 날개 조각 내의 복수 개의 제2 강화 부재들(N5)이며, 이러한 제2 강화 부재들은 꼬리 날개 조각의 전방, 중앙 및 후방 구역들에 분포된다.
제12 실시예
제12 실시예는 제11실시예의 변형이다. 도 11a에서 도시되는 바와 같이, 제12실시예는 헤드 날개 조각에 가까운 제5 시트 부재(E4)의 일 단부가 연장 구역(R1)과 연결되며, 이는 제2 에어포일의 하부 프로파일을 따라 배열되고, 헤드 날개 조각에 가까운 제4 시트 부재(E3)의 일 단부가 연장 구역과 부착되는 부착 구역(R2)와 연결되며, 이에 의해, 덕빌-같은 모양 구조를 형성하는 제11 실시예와 상이하다.
바람직하게, 부착 구역과 제4 시트 부재는 일체형으로 형성된다.
도 7a 및 도 7c에서 도시되는 바와 같이, 헤드 날개 조각에 가까운 연장 구역의 일 단부는 제2 에어포일의 상부 프로파일 쪽으로 접히는 접힘 구역(R3)과 연결되고, 이에 의해 상향식 덕빌-같은 모양 구조를 형성한다.
도 7b는에서 도시되는 바와 같이, 접힘 구역, 연장 구역 및 제5 시트 부재는 일체로 형성된다.
도 1b, 도 1c, 도 5a, 도 6d, 도 6h 내지 도 6o, 도 7b 및 도 7c에서 도시된 바와 같이, 제4 시트 부재와 제5 시트 부재는, 중간 날개 조각의 제작과 유사하게, 일체로 형성되고, 반면에 꼬리 날개 조각은 대안적으로 압축 성형과 조합인 판금 공정 또는 압출 성형에 의해 제작된다.
도 15a 및 도 15b에서 도시된 바와 같이, 본 원의 블레이드의 제2 에어포일의 외부 프로파일들은 각각 X 및 Y 에어포일 특성들에 따라 설계된다. 블레이드의 트레일링 에지가 에어포일 만큼 예리하게 만들 수 없으므로, 블레이드의 리딩 에지 포인트들(a)은 에어포일의 것과 일치하고, 반면에 블레이드의 트레일링 에지 포인트들(b)과 일치하지 않는다.
도 16a 내지 도 16d는 도 3a의 FW4S1 블레이드, 도 6f의 FW41B, 도 6e의 FW31B 블레이드 및 도 10a의 FW312 블레이드 각각의 삼차원 도면을 도시한다. 본 원의 블레이드는 외부 프레임(도면에서 도시되지 않은)을 통해 헤드 날개 조각, 중간 날개 조각 및 꼬리 날개 조각을 함께 고정함으로써 형성될 수 있다.
도 17에도 도시된 바와 같이, 3-블레이드 풍력 터빈을 예로 들어서, 본 원의 블레이드는 네 개 모드들로 풍력터빈에 적용될 수 있다. H-수직 축 타입(H-vertical axis type), Q-수직 축 타입(Q-vertical axis type) 및 나선-수직 축 타입(helix-vertical axis type)인, 세가지 적용 모드들에서, 블레이드의 코드 길이(chord length)는 연장 방향으로 따라서 일정하게 남는다; 수평 축 타입인 나머지 하나의 적용 모드에서, 블레이드 코드의 길이는 풍력 터빈의 반경(radius)의 바깥 방향으로(outward)을 따라서 점진적으로 감소하며, 여기서 O는 풍력 터빈의 회전 축을 표시한다.
또한, 본 원의 블레이드는 수력 터빈, 스팀 터빈 또는 쓰러스터에서, 특히 조류(tidal flow)를 이용하여 전기를 생성하는 수직 축 수력 터빈에서 이용될 수 있다.
본 원의 저-속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드의 기술적인 효과를 확인하기 위하여, 여섯 종류의 블레이드들은 H-수직 축 풍력 터빈 상에 개별적으로 장착되고, 그것들의 동력 값들은 동력 곡선(power curves)에 맞추어 풍속을 변화시켜 측정된다. 도 18은 각 블레이드의 동력 곡선들을 도시하고, 도 19는 도 18의 동력 곡선들 사이의 비교를 도시한다. 여섯 종류의 블레이드들은 다음과 같다: 블레이드들의 외부 프로파일의 표준 에어포일과 같은 LF 에어포일을 이용하여 디자인되는 본 원의 FW41BL, FW31BL, FW312L 블레이드들, 상기 네 종류들의 블레이드들의 외부 프로파일의 표준 에어포일과 같은 LF 에어포일의 블레이드, 및 상기 LF블레이드와 같은 동일한 에어포일 파라미터들(c, xc , t)을 갖는 NACA 에어포일 블레이드.
도 18에 도시된 결과는 FW41BL 블레이드의 컷인 풍속(cut-in wind speed; Wi)이 1.5m/s인 것을 도시하고, G3d2L 블레이드와 FW312L 블레이드 및 FW31BL 블레이드의 컷인 풍속(Wi)은 모두 2m/s인 반면, LF 블레이와 NACA 블레이드의 컷인 풍속(Wi)은 각각 3.5m/s와 4m/s이다.
도 19에서 도시된 비교결과로부터 도시되는 바와 같이, 내림차순으로 나열된 동력 곡선들은 다음: FW41BL 블레이드, G3d2L 블레이드, FW312L 블레이드, FW31BL 블레이드, LF 블레이드 및 NACA 블레이드와 같다.
표 1은 여섯 종류의 블레이드들이 동일한 고-효율 풍력 터빈에 장착될 때, 13m/s 이상의 풍속(Wi)에서 측정되는, 회전의 시작에서(starting of rotation) 평형 회전 속도(equilibrium rotation speed)로 풍속, 컷-인 풍속(Wi) 및 가속 기간(T)에 따라 변화하는 풍력 이용 계수(wind power utilization coefficient; Cp)의 평균 Cp를 나타낸다.
성능 파라미터 블레이드
FW41BL G3d2L FW312L FW31BL LF 에어포일 NACA 에어포일
`Cp (13m/s 이상의 Wi에서의 평균) 0.50 0.47 0.47 0.46 0.33 0.27
컷-인 풍속 Wi(m/s) 1.5 2 3.5 4
회전 시작에서 평형 회전 속도로 가속 기간(T @Wi) 10-20 30－40 120－360
여섯 종류의 블레이드들이 동일 고-효율 풍력 터빈 상에 장착될 때, 풍속에 따라 변화하는 Cp의 평균 Cp
NACA 블레이드를 제외한 다섯 종류들의 블레이드들은 유사한 모양 또는 유사한 외부 프로파일을 갖는다. 다섯 종류들의 블레이드들 중에서, 환기 공간을 갖는 블레이드는 환기 공간의 구성요소는 블레이드들의 성능을 개선하도록 하는 주요 인자인 것을 표시하는, LF블레이드보다 더 졸은 성능을 갖고, 블레이드들의 성능 차이는 환기 공간의 수와 모양으로부터 주로 결정된다. NACA 블레이드는 항공기용으로 설계된 항공기 에어포일(aviation airfoil)이 수직 축 풍력 터빈에게 적합하기 않음을 표시하는, 가장 떨어지는 성능을 가진다.
전체적으로, 본 원의 블레이드의 Cp는 G3d2L 블레이드의 것보다 작지 않은 반면, 본 원의 블레이드의 가격은 적어도 20%로 G3d2L의 것보다 작고, 따라서 본 원의 블레이드는 더욱 비용-효율적이다.
본 원의 저-속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드를 제작하는 방법은 다음의 단계들을 실질적으로 포함한다.
단계 1. 처리를 위해 원료(raw materials)들을 선택하는 단계; 원료들은 연성 경량 금속 시트(ductile light metal sheets; 알루미늄 판, 알루미늄 합금 판을 포함하지만 이에 한정되지는 않음), 경량 합금 비-시트 소재들(알루미늄 합금, 알루미늄-마그네슘 합금을 포함하지만 이에 한정되지는 않음), 폴리머(PC, PU 및 ABS를 포함하지만 이에 안정되지는 않음), 또는 섬유-강화 복합체(유리 섬유 복합체, 탄소섬유 복합체, 케블라 섬유 복합체)을 포함한다.
단계 2. 원료의 타입에 따라서, 미리 결정된 모양(predetermined shape)을 갖는 시트 부재 내로 원료들을 제작하도록, 곡면 굴곡(curved surface rolling) 또는 곡면 몰드 또는 다이성형(curved surface mold or die forming)을 제공하는 단계; 다이성형 또는 곡면 몰드는 스탬핑(stamping), 압출, 사출 성형(extrusion, injection molding), 다이캐스팅(die casting), 느슨한 출링 다이성형 또는 패터닝 몰드 성형(loose tooling die forming or patterned mold forming)을 포함함;
특히, 원료들이 경량 금속 시트들인 경우, 곡면 롤링 또는 스탬핑을 적용하고; 원료들이 경량 합금 비-시트 물질들 또는 폴리머 물질들인 경우, 압출, 사출 성령 또는 다이캐스팅을 적용하며; 원료들이 섬유 강화 복합 재료인 경우, 다이 또는 패터닝 몰드 성형 또는 다이캐스팅을 적용함;
단계 3. 제작된 시트 부재를 이용하는 헤드 날개 조각, 중간 날개 조각 또는 꼬리 날개 조각을 형성하는 단계.
위에서 설명된 것은 본 원의 몇몇 실시예들이며, 그것들은 상대적으로 구체적이고 상세하지만, 그것들은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 당업자는 다양한 수정과 개선이 본 원의 컨셉을 벗어나지 않음을 이해할 것이고, 모든 이러한 수정 및 개선은 본 발명의 범위 내에 있다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 따라 달라질 것이다.
A2, D2, K2 : 주 날개 컴포넌트
B : 날개 조각
C : 시트 날개 조각
C1 : 시트 날개 조각
C2 : 중간 날개 조각, 제1 시트부재
C3 : 중간 날개 조각, 제3 시트 부재
E3 : 제4 시트 부재
E4 : 제5 시트 부재
E6 : 제4 시트 부재
E7 : 제5 시트 부재
L2 : 제2 연결부재
L5 : 제3 연결부재
L8 : 제4 연결부재
N4 : 강화부재
N5 : 제2 강화부재
N6, N8 : 제1 강화부재
N9, N11, N13 : 제1 연결부재
P1 : 제1 시트 부재
P2 : 하부 구역
P3 : 중앙 구역
P4 : 상부 구역
Q1 : 하부 구역
Q2 : 상부 구역
R1 : 연장 구역
R2 : 부착 구역
R3 : 접힘 구역
T1 : 제1 환기 공간
T2 : 제2 환기 공간
a : 리딩-에지 지점
b : 트레일링-에지 지점
Sup : 상부 표면, 석션 표면
Slow : 하부 표면, 가압 표면

Claims (40)

  1. 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드에 있어서,
    유선형 단면을 갖는 주 날개 컴포넌트를 포함하고, 상기 주 날개 컴포넌트의 외부 프로파일은 제1 에어포일을 형성하며,
    상기 블레이드는 시트의 형태인 헤드 날개 조각을 더 포함하고, 상기 헤드 날개 조각은 일 측에 볼록한 표면과 다른 측에 오목한 표면을 구비하는 원호형 단면을 가지며, 상기 헤드 날개 조각은 상기 주 날개 컴포넌트의 리딩-에지 지점 위에 경사지게 배열되며, 상기 헤드 날개 조각의 오목한 표면은 상기 주 날개 컴포넌트를 향하고, 제1 환기 공간은 상기 주 날개 컴포넌트와 상기 헤드 날개 조각 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드.
  2. 제 1항에 있어서,
    외부 프로파일은 상부 프로파일의 일부와 상기 헤드 날개 조각의 상기 볼록한 표면에 의해 정의되고, 상기 주 날개 컴포넌트의 하부 프로파일과 트레일링-에지 지점은 제2 에어포일을 형성하며, 상기 제2 에어포일의 리딩-에지 지점은 상기 헤드 날개 조각의 볼록한 프로파일에 위치되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 주 날개 컴포넌트와 상기 주 날개 컴포넌트의 상기 하부 프로파일에 가까운 상기 헤드 날개 조각의 일 단부 사이의 갭은 상기 제1 환기 공간의 공기 유입구이고, 상기 주 날개 컴포넌트와 상기 주 날개 컴포넌트의 상기 상부 프로파일에 가까운 상기 헤드 날개 조각의 일 단부 사이의 갭은 상기 제1 환기 공간의 공기 배출구이며, 상기 공기 유입구는 상기 제1 환기 공간의 상기 공기 배출구보다 더 큰 폭을 갖는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1 환기 공간의 상기 공기 배출구의 공기 유출 방향은 상기 주 날개 컴포넌트의 상기 상부 프로파일의 대응 위치에서 접선 방향을 따르는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주 날개 컴포넌트는 하나의 꼬리 날개 조각 및 상기 꼬리 날개 조각과 상기 헤드 날개 조각 사이에 위치되는 적어도 하나의 중간 날개 조각을 포함하고, 제2 환기 공간은 상기 제2 에어포일의 상기 하부 프로파일과 상기 상부 프로파일 사이에 공기 연통을 달성하도록, 각각 상기 꼬리 날개 조각과 상기 중간 날개 조각 사이 및 인접 중간 날개 조각들 사이에 형성되며, 상기 제2 에어포일의 상기 하부 프로파일에 가까운 상기 제2 환기 공간의 개구는 상기 제2 환기 공간의 공기 유입구이며, 상기 제2 에어포일의 상기 상부 프로파일에 가까운 상기 제2 환기 공간의 개구는 상기 제2 환기 공간의 공기 배출구고, 상기 공기 유입구는 상기 제2 환기 공간의 상기 공기 배출구보다 더 큰 폭을 갖 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제2 환기 공간의 상기 공기 배출구의 공기 유출 방향은 상기 꼬리 날개 조각 또는 인접 후방 중간 날개 조각의 상부 프로파일의 대응 위치에서 접선 방향을 따르는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  7. 제 5항에 있어서,
    적어도 하나의 중간 날개 조각은 상기 제2 에어포일의 상기 상부 프로파일을 따라 적어도 부분적으로 배열되는 시트 부재를 가지는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 중간 날개 조각은 제1 시트 부재를 포함하고, 상기 제1 시트 부재는 일 측에 볼록한 표면 및 다른 측에 오목한 표면을 구비하는 원호형 단면을 가지며, 상기 제1 시트 부재의 상기 원호형 볼록한 표면은 상기 헤드 날개 조각에 가까이 있고, 상기 제1 시트 부재는 상기 제2 에어포일의 상기 하부 프로파일에 가까운 일 단부와 상기 제2 에어포일의 상기 상부 프로파일에 위치되는 다른 단부를 갖는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 중간 날개 조각은 제2 시트 부재를 더 포함하고, 상기 제2 시트 부재의 일 단부는 상기 제2 에어포일의 상기 하부 프로파일에 가까운 상기 제1 시트 부재의 일 단부와 연결되고, 상기 제2 시트 부재는 제2 에어포일의 상기 하부 프로파일을 따라 배열되는 하부 구역을 포함하는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제2 시트 부재의 상기 하부 구역은 상기 헤드 날개 조각 방향으로 연장하고, 적어도 두 개의 중간 날개 조각들이 있으며, 상기 적어도 두 개의 중간 날개 조각들은 상기 헤드 날개 조각과 상기 꼬리 날개 조각 사이에 순차적으로 배열되고, 상기 꼬리 날개 조각에 가까운 상기 중간 날개 조각들의 상기 제1 시트 부재와 상기 제2 시트 부재는 서로에 연결되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 제2 시트 부재의 상기 하부 구역은 상기 꼬리 날개 조각 방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제1 시트 부재와 상기 제1 시트 부재에 연결되는 상기 제2 시트 부재는 일체로 형성되고, 상기 제1 시트 부재와 상기 제2 시트 부재 사이의 교차로는 부드럽고 곡선처리 되는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 제2 시트 부재는 상기 하부 구역과 연결되는 중앙 구역을 더 포함하고, 상기 중앙 구역은 상기 제2 시트 부재와 연결되는 상기 제1 시트 부재 방향으로 접히는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제2 시트 부재의 상기 중앙 구역과 상기 하부 구역 사이의 접힘 각도는 둔각인 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 제2 시트 부재는 일 단부에서 상기 중앙 구역과 연결되는 상부 구역을 더 포함하고, 상기 상부 구역의 다른 단부는 상기 제1 시트 부재의 상기 오목한 표면에 연결되거나 부착되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  16. 제 15항에 있어서,
    제1 연결 부재는 상기 제1 시트 부재의 상기 오목한 표면과 상기 제2 시트 부재의 상기 중앙 구역 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 제2 시트 부재의 상기 상부 구역과 상기 중앙 구역은 단면에서 연속적인 호를 형성하고, 상기 제2 시트 부재의 상기 상부 구역과 상기 중앙 구역의 볼록한 표면은 상기 제1 시트 부재의 상기 오목한 표면에 대면하는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  18. 제 13항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 시트 부재의 상기 하부 구역은 제2 연결 부재를 통해 제1 시트 부재에 연결되고, 상기 제2 시트 부재와 상기 제2 연결 부재의 연결 및 상기 제1 시트 부재와 상기 제2 연결 부재의 연결은 부드럽고 곡선 처리되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  19. 제 13항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 시트 부재의 하부 구역과 상기 제1 시트 부재의 연결은 부드럽고 곡선 처리되며, 내측면에 제1 강화부재가 제공되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  20. 제 13항 내지 제 15항 또는 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 시트 부재와 상기 제1 시트 부재에 연결되는 상기 제2 시트 부재는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  21. 제 15항에 있어서,
    상기 제1 시트 부재와 상기 제2 시트 부재는 안에 채움 바디가 제공되는, 닫힌 공동을 형성하도록 연결되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 제1 시트 부재, 상기 제2 시트 부재 및 상기 채움 바디는 견고한 중간 날개 조각으로 통합되는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  23. 제 8항에 있어서,
    상기 중간 날개 조각은 상기 꼬리 날개 조각과 상기 제1 시트 부재의 오목한 표면 사이에 위치되는 제3 시트 부재를 더 포함하고, 상기 제3 시트 부재는 하부 구역과 상부 구역을 포함하고, 상기 제3 시트 부재의 상기 하부 구역은 상기 제2 에어포일의 상기 하부 프로파일을 따라 배열되고, 상기 제3 시트 부재의 상기 상부 구역은 상기 꼬리 날개 조각에 가까운 상기 제3 시트 부재의 상기 하부 구역의 일 단부에 연결되며 상기 제1 시트 부재 방향으로 접혀지는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 제3 시트 부재의 상기 하부 구역과 상기 상부 구역은 일체로 형성되고, 상기 제3 시트 부재의 상기 상부 구역과 상기 하부 구역의 교차로는 부드럽고 곡선 처리되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  25. 제 5항에 있어서,
    상기 중간 날개 조각은 견고한 날개 컴포넌트를 포함하고, 상기 견고한 날개 컴포넌트의 단면에서 볼 때, 상기 견고한 날개 컴포넌트는 상기 헤드 날개 조각에 가까운 볼록한 표면, 상기 꼬리 날개 조각에 가까운 오목한 표면 및 상기 제2 에어포일의 상기 하부 프로파일을 따라 배열되는 하부측을 가지며, 상기 하부측은 각각의 상기 견고한 날개 컴포넌트의 상기 오목한 표면과 상기 볼록한 표면의 하부 단부들과 연결되고, 상기 견고한 날개 컴포넌트의 상기 오목한 표면과 상기 볼록한 표면의 상부 단부들은 서로 연결되고, 상기 견고한 날개 컴포넌트의 볼록한 표면은 상기 제2 에어포일의 상기 상부 프로파일을 따라서 적어도 부분적으로 배열되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 견고한 날개 컴포넌트의 볼록한 표면과 상기 하부 측의 연결 및 상기 견고한 날개 컴포넌트의 상기 오목한 표면과 상기 하부 측의 연결은 부드럽고 곡선 처리되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  27. 제 5항에 있어서,
    상기 꼬리 날개 조각은 유선형 단면을 가지고, 상기 꼬리 날개 조각의 외부 프로파일은 제3 에어포일을 형성하며, 상기 제3 에어포일의 하부 프로파일은 상기 제2 에어포일의 상기 하부 프로파일을 따라서 적어도 부분적으로 배열되며, 상기 제3 에어포일의 상부 프로파일은 상기 제2 에어포일의 상기 상부 프로파일을 따라서 적어도 부분적으로 배열되며, 상기 제3 에어포일의 트레일링-에지 지점들은 상기 제2 에어포일의 트레일링-에지와 일치하는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  28. 제 27항에 있어서,
    상기 꼬리 날개 조각은 견고한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  29. 제 27항에 있어서,
    상기 꼬리 날개 조각은 상기 꼬리 날개 조각의 상기 상부 프로파일을 따라 배열되는 제4 시트 부재와 상기 꼬리 날개 조각의 상기 하부 프로파일을 따라 배열되는 제5 시트 부재를 포함하고, 상기 제4 시트 부재의 두 단부들은 상기 제5 시트 부재의 두 단부들과 개별적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  30. 제 29항에 있어서,
    상기 제4 시트 부재의 두 단부들은 제3 연결 부재와 제4 연결 부재를 통해 상기 제5 시트 부재의 두 단부들과 개별적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  31. 제 29항에 있어서,
    적어도 하나의 제2 강화부재는 상기 제5 시트 부재와 상기 제4 시트 부재 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  32. 제 29항에 있어서,
    상기 제4 시트 부재와 상기 제5 시트 부재는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  33. 제 29항에 있어서,
    상기 헤드 날개 조각에 가까운 상기 제5 시트 부재의 일 단부는 상기 제2 에어포일의 상기 하부 프로파일을 따라 배열되는 연장 구역과 연결되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  34. 제 33항에 있어서,
    상기 헤드 날개 조각에 가까운 상기 제4 시트 부재의 일 단부는 상기 연장 구역과 부착되는 부착구역과 연결되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  35. 제 34항에 있어서,
    상기 부착구역과 상기 제4 시트 부재는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  36. 제 33항에 있어서,
    상기 헤드 날개 조각에 가까운 상기 연장 구역의 일 단부는 상기 제2 에어포일의 상기 상부 프로파일을 향해 접히는 접힘 구역과 연결되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  37. 제 36항에 있어서,
    상기 접힘 구역, 상기 연장 구역 및 상기 제5 시트 부재는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  38. 제 37항에 있어서,
    상기 제4 시트 부재 및 상기 제5 시트 부재는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  39. 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드에 있어서,
    유선형 단면을 갖고, 상기 단면은 리딩-에지 지점, 트레일링-에지 지점, 및 상기 리딩-에지 지점과 상기 트레일링-에지 지점을 연결하기 위한 상부 프로파일과 하부 프로파일에 의해 정의되며, 상기 블레이드의 상부 외부 에지 프로파일 표면은 상기 블레이드의 석션 표면이고, 상기 상부 프로파일은 상기 단면과 상기 석션 표면의 교차선이며; 상기 블레이드의 상기 하부 외부 에지 프로파일 표면은 가압 표면이고, 상기 하부 프로파일은 상기 단면과 상기 가압 표면의 교차선이며; 상기 블레이드는 인접 날개 컴포넌트들 사이에 형성되는 환기 공간을 구비하는 날개 컴포넌트들의 그룹을 포함하고;
    상기 날개 컴포넌트는 하나의 헤드 날개 조각과 하나의 꼬리 날개 조각을 포함하거나 하나의 헤드 날개 조각, 적어도 하나의 중간 날개 조각 및 하나의 꼬리 날개 조각을 포함하며; 상기 헤드 날개 조각은 상기 리딩-에지 지점에 가깝고 상기 리딩-에지 지점 상에 경사지게 배열되며, 상기 꼬리 날개 조각은 상기 트레일링-에지 지점에 가깝고, 상기 중간 날개 조각은 상기 꼬리 날개 조각과 상기 헤드 날개 조각 사이에 배열되며, 상기 헤드 날개 조각은 일 측에 볼록한 표면과 다른 측에 오목한 표면을 갖는 원-호형 시트이고, 상기 헤드 날개 조각의 볼록한 표면은 상기 트레일링 에지 지점에 대향하고; 상기 블레이드의 상기 단면의 상기 상부 프로파일은 상기 헤드 날개 조각의 볼록한 표면과 상기 꼬리 날개 조각의 상부 부분 또는 상기 상부 부분의 일부에 의해 정의되거나, 상기 헤드 날개 조각의 볼록한 표면 및 상기 꼬리 날개 조각과 상기 중간 날개 조각의 상부 부분들 또는 상부 부분의 일부에 의해 정의되며; 상기 블레이드의 상기 단면의 상기 하부 프로파일은 상기 꼬리 날개 조각의 하부 부분 또는 하부 부분의 일부에 의해 정의되거나, 상기 꼬리 날개 조각과 상기 중간 날개 조각의 하부 부분 또는 하부 부분의 일부에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는, 저속 유체를 효율적으로 이용하는 블레이드.
  40. 수직 축 풍력 터빈, 조류를 이용하여 전력을 생성하는 수직 축 수력 터빈, 수평 축 풍력 터빈, 수력 터빈, 스팀 터빈 또는 스러스터 내의 블레이드로써 청구항 제1항 내지 제39항 중 어느 한 항에 따른 저속 유체를 효율적으로 이용할 수 있는 블레이드의 이용방법.
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