KR20190017013A - 풍력 발전 설비의 로터 블레이드 - Google Patents

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KR20190017013A
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랄프 메싱
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보벤 프로퍼티즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 로터 회전축과 외부 반경을 갖는 풍력 발전 설비의 공기 역학 로터의 로터 블레이드에 관한 것으로, 로터 허브에 고정하기 위한 블레이드 루트, 블레이드 루트로부터 떨어져 있는 블레이드 팁, 블레이드 루트로부터 블레이드 팁으로 연장되는 블레이드 길이방향 축, 로터 블레이드의 이동 방향으로 전방을 향하는 블레이드 선단 에지, 로터 블레이드의 이동 방향으로 후방을 향하는 블레이드 후단 에지 및 블레이드 길이방향 축을 따라 변경되는 프로파일 섹션을 포함하고, 각각의 프로파일 섹션은 블레이드 선단 에지로부터 블레이드 후단 에지로 연장되는 현을 갖고, 각각의 현은 로터 평면에 대한 각도로서 설치각을 가지며, 상기 설치각은 블레이드 루트로부터 블레이드 팁을 향해서 블레이드 루트를 향하는 블레이드 내측 영역에서 먼저 감소하는 한편, 블레이드 중앙 영역에서 다시 증가하며, 블레이드 팁을 향하는 블레이드 팁 영역에서 다시 감소한다. 또한, 본 발명은 풍력 발전 설비의 로터 및 해당하는 풍력 발전 설비에 관한 것이다.

Description

풍력 발전 설비의 로터 블레이드
본 발명은 풍력 발전 설비의 로터 블레이드에 관한 것이다. 또한 본 발명은 풍력 발전 설비의 상응하는 로터에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상응하는 풍력 발전 설비에 관한 것이다.
풍력 발전 설비들은 일반적으로 공개되어 있으며, 오늘날 가장 흔히 접하게 되는 풍력 발전 설비 유형은 소위 수평축 풍력 발전 설비이다. 이러한 풍력 발전 설비에서 실질적으로 로터 평면에 배치된 로터 블레이드를 포함하는 로터는 실질적으로 수평 회전축을 중심으로 회전한다. 일반적으로 풍력 발전 설비는 평균 풍속에 대해 설계되고, 이 경우 로터 블레이드의 길이 또는 반경 및 풍력 발전 설비의 설치 위치에서 평균 풍속은 풍력 발전 설비에 의해 생성되는 전력과 관련된다.
전문가들은 로터 블레이드 길이방향 축에서 로터 블레이드 상의 위치를 로터의 외부 반경과 관련해서 각각의 위치의 반경이라고도 한다. 이로 인해 로터 블레이드 상의 해당 위치는 0 내지 1의 값을 갖는 반경으로서 제시될 수 있다. 로터 블레이드를 따른 위치의 설명을 위해 반경을 사용하는 것은, 로터 블레이드는 풍력 발전 설비의 로터에 장착하기 위한 의도된 용도에 따라 제공된다는 사실에 기초한다. 따라서 로터 블레이드는 항상 확실하게 로터에 편입되므로, 기준값으로서 반경의 사용이 고려된다. 정규화된 반경은 로터의 중심점, 즉 로터 회전축에서 값 0을 갖는다. 로터의 최외곽점을 나타내는 블레이드 팁에서 정규화된 반경은 값 1을 갖는다.
평균 풍속이 낮은 위치도 경제적으로 관심을 갖도록 만들기 위해, 새로 설계될 풍력 발전 설비에서 로터 블레이드의 길이 또는 반경은 점점 증가하고 있다. 풍력 발전 설비를 위한 로터 블레이드 설계 시 로터 블레이드의 기하학적 형상 및 프로파일과 관련해서 로터 블레이드의 공기 역학적 특성이 결정된다. 로터 블레이드 설계의 주요 기하학적 파라미터는 블레이드 깊이, 블레이드 두께, 결과적인 상대 두께 및 기하학적인 설치 각도이다. 로터 블레이드의 공기 역학적 특성은 실질적으로 로터 블레이드의 프로파일의 형상, 즉 기하학적 형상에 의존한다. 프로파일 섹션은 로터 블레이드 길이방향 축과 관련해서 로터 블레이드의 수직 섹션을 나타낸다. 로터 블레이드의 반경에 따라 변하는 회전 속도 및 변경되는 붙임각으로 인해, 반경이 점점 커짐에 따라 프로파일 섹션의 형태도 변경하는 것, 즉 변경되는 회전 속도에 대해 조정하는 것이 바람직하다.
이러한 프로파일은 로터 블레이드의 이동 방향으로, 즉 회전 방향으로 프로파일 선단 에지와 프로파일 선단 에지로부터 떨어져 있는 프로파일 후단 에지를 갖는다. 프로파일 노즈라고도 할 수 있는 프로파일 선단 에지는 노즈 반경이라고도 하는 선단 에지 반경으로 특징되고, 이 경우 프로파일 후단 에지의 각도는 일반적으로 예각으로 좁아진다. 프로파일 선단 에지와 프로파일 후단 에지 사이의 연결 직선을 현이라고 한다. 프로파일 선단 에지와 프로파일 후단 에지 사이의 간격은 프로파일 깊이라고 한다.
프로파일의 상부면, 즉 흡입면과 프로파일의 하부면, 즉 압력면 사이의 최대 길이를 프로파일 두께라고 한다. 프로파일 두께와 프로파일 깊이 사이의 비는 상대 프로파일 두께라고 한다. 프로파일이 높은 두께 및/또는 낮은 깊이를 갖는 경우에, 상대 프로파일 두께는 크다.
작동 시 공기가 프로파일 주변을 흐른다. 공기가 프로파일 선단 에지에 부딪혀서 결과되는 방향을 유입 방향이라고 한다. 결과되는 방향은 프로파일의 원주 속도와 풍력 발전 설비에 적용되는 풍속 및 풍향으로 이루어진다. 현과 유입 방향 사이의 각도를 프로파일의 받음각이라고 한다.
프로파일은 프로파일이 작동할 특정 작동 영역과 관련해서 설계된다. 작동 영역은 특히 예상되는 유입 속도에 의해 특징된다. 프로파일의 설계는 최대 받음각과 관련해서도 이루어진다. 더 높은 회전 속도로 인해 결과되는 유입 방향 및- 속도도 변경되기 때문에, 이로 인해 프로파일의 받음각이 변경된다. 국부적인 받음각은 최종적으로 로터 블레이드의 저항과 국부적인 양력을 결정한다. 특히, 풍력 발전 설비의 각각의 작동 상태에서 국부적인 받음각이, 일반적으로 양력이 급격하게 감소하고 저항이 크게 증가하여 공기 역학적 품질이 현저하게 저하되는 국부적 양의 실속각보다 작은 것이 특히 중요하다.
높은 양의 유효 받음각에서 프로파일의 흡입측에서 유동이 분리되는 유동 상태를 양의 실속(stall)이라고 한다. 프로파일이 적절하게 설계된 경우에 분리는 프로파일 후단 에지에서 시작되고, 유효 받음각이 점점 커질수록 프로파일 선단 에지의 방향으로 이동한다. 이러한 유동 상태는 로터 블레이드 설계에 의해, 특히 풍력 발전 설비의 각각의 작동 상태에 적합한 설치각의 선택에 의해 방지되어야 한다.
로터 블레이드의 비틀림에 의해 설치각은 유입 거동에 대해 조정된다. 설치각은 이 경우 휴지 상태에서 현과 로터 평면 사이의 각도로 파악된다.
최근의 풍력 발전 설비들은 소위 피치 조절 장치를 포함하고, 로터 블레이드 전체가 로터 블레이드 축을 중심으로 회전되는 작동 중에 프로파일의 받음각은 상기 피치 조절 장치에 의해 변경될 수 있다.
로터 블레이드의 길이 또는 반경의 확장 시, 로터 블레이드의 공기 역학적 특성에도 작용하는, 예를 들어 로터 블레이드의 충분한 강성을 보장하기 위해, 기계적 특성도 조정되어야 한다. 로터 블레이드의 순수한 강화는 그러나 로터 블레이드의 중량을 상당히 증가시킨다.
본 출원의 우선권 주장 출원 시 독일 특허청에 의해 하기 간행물, 즉 DE 10 2008 052 858 A1, DE 10 2009 060 650 A1, US 2014/0119915 A1, US 2014/0286787 A1, EP 0 100 131 A1 및 EP 2 840 255 A2가 조사되었다.
본 발명의 과제는 전술한 문제들 중 적어도 하나를 해결하는 것이다. 특히, 긴 로터 블레이드의 분리 거동 및 중량을 최적화하기 위한 해결 방법이 제안되어야 한다. 적어도 기존의 로터 블레이드에 대한 대안적인 해결 방법이 제안되어야 한다.
본 발명에 따라 청구항 제 1 항에 따른 로터 블레이드가 제안된다.
따라서 로터 회전축과 외부 반경을 갖는 풍력 발전 설비의 공기 역학 로터의 이러한 로터 블레이드는 로터 허브에 고정하기 위한 블레이드 루트, 블레이드 루트로부터 떨어져 있는 블레이드 팁, 블레이드 루트로부터 블레이드 팁으로 연장되는 블레이드 길이방향 축, 로터 블레이드의 이동 방향으로 전방을 향하는 블레이드 선단 에지, 로터 블레이드의 이동 방향으로 후방을 향하는 블레이드 후단 에지 및 블레이드 길이방향 축을 따라 변경되는 프로파일 섹션을 포함하고, 이 경우 각각의 프로파일 섹션은 블레이드 선단 에지로부터 블레이드 후단 에지로 연장되는 현을 갖고, 각각의 현은 로터 평면에 대한 각도로서 설치각을 가지며, 이 경우 설치각은 블레이드 루트로부터 블레이드 팁을 향해서 블레이드 루트를 향하는 블레이드 내측 영역에서 먼저 감소하고, 블레이드 중앙 영역에서 다시 증가하며, 블레이드 팁을 향하는 블레이드 팁 영역에서 다시 감소한다. 이 경우 및 본 발명의 추가 설명에서 설치각은 언피치(unpitched) 작동 상태, 즉 로터 블레이드가 바람에 의해 회전되지 않는 작동 상태와 관련된다. 이러한 작동 상태는 특히 하부 부분 하중 작동 시 존재한다.
블레이드는 또한 블레이드 루트에서 큰 설치각을 가질 수 있고, 상기 각도는 예를 들자면 60°의 값을 가질 수 있다. 이러한 설치각은 처음에는 블레이드 팁을 향해 점점 감소한다. 그러나 블레이드 팁에 도달하기 전에, 즉 블레이드 중앙 영역에서 설치각은 다시 증가한다. 블레이드 팁에 더 가까운 프로파일 섹션에서 설치각은, 블레이드 팁 근처에서 또는 블레이드 팁에서 상기 설치각이 최소값에 도달할 때까지, 다시 감소한다.
회전축에 대한 거리가 증가함에 따라 로터 블레이드 상의 각각의 지점, 즉 각각의 프로파일 섹션의 경로 속도가 증가하고 이로 인해 회전축에 대한 거리가 증가함에 따라 국부적인 유입 방향이 연속해서 변경되기 때문에, 로터 블레이드는 특히 비틀린다. 비틀림에 의해 받음각은 전체 반경에 걸쳐 가급적 일정하게 유지될 수 있다.
받음각을 로터의 전체 반경에 걸쳐 일정하게 유지하지 않는 것이 바람직할 수 있는 것으로 파악되었다. 이 경우, 실속을 방지하는 것 또한 중요한 것으로 파악되었다. 실속은 프로파일 또는 프로파일 섹션에도 의존한다. 특히, 두꺼운 프로파일은 더 얇은 프로파일의 경우보다 작은 받음각에서 이미 실속하는 경향이 있다는 것이 일반적으로 인식되어 왔다. 따라서 두꺼운 프로파일의 경우에 더 얇은 프로파일의 경우보다 작은 받음각을 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
이로부터, 설치각이 블레이드 중앙 영역에서 다시 증가함으로써, 국부적으로 받음각을 줄이는 것이 제안되었다. 로터 회전축으로부터 시작해서 설치각은 먼저 회전축으로부터의 거리가 증가할수록 감소하고, 따라서 경로 속도의 증가가 고려될 수 있는 것이 파악되었다. 그러나 이때 블레이드 중앙 영역에서 작은 받음각은, 설치각의 증가에 의해서야 상기 작은 받음각이 달성되도록 선택될 수 있다. 회전축에 대한 거리가 더 멀어질수록 다시 더 큰 받음각이 선택되고 및/또는 경로 속도의 증가가 다시 더 고려되어, 설치각은 다시 더 작게 선택된다.
여기에서는, 높은 상대 프로파일 두께를 갖는 프로파일이 블레이드 팁의 방향으로 더 외측으로 변동되고, 즉 로터 블레이드는 블레이드 중앙 영역에서 및/또는 블레이드 팁 영역에서 부분적으로 비교적 높은 상대 프로파일 두께를 갖는 경우에, 로터 블레이드의 구조적 특성, 특히 로터 블레이드의 질량 및 풍력 발전 설비에 작용하는 하중이 감소할 수 있다는 사실에도 기초한다.
특히 블레이드 팁을 향해 외측으로 두꺼운 프로파일의 변동에 의해 전술한 효과, 즉 작은 받음각에서 이미 실속이 발생할 수 있는 것이 분명해질 수 있다. 블레이드 중앙 영역의 두꺼운 블레이드 팁에서 유동 분리의 발생은 설치각의 제안된 추이에 의해 방지될 수 있다. 전력에 기반이 되고 소음에 민감한 영역들에서 발생하는 특히 후단 에지 분리는 제안된 해결 방법에 의해 방지될 수 있는 한편, 동시에 더 가볍고, 특히 더 큰 블레이드가 제공될 수 있다.
또한, 부분 영역에서만 설치각이 증가하는 경우, 예를 들어 설비의 소음 저감 운전을 위해 감소한 정격 속도로 작동 모드를 위해 전체 로터 블레이드의 최대로 필요한 피치각은 감소할 수 있는 것이 파악되었다. 먼저 실속이 예상되는 임계 영역에서 실제로 설치각이 변경되어, 거기에서 실속을 예상하기가 더 이상 쉽지 않은 경우, 전체 로터 블레이드는 전체적으로 덜 피치되어야 한다. 그렇지 않은 경우, 이러한 임계 영역은 전체 블레이드의 최대로 필요한 피치각을 결정한다. 본 발명에 따른 로터 블레이드는 따라서, 작동 시 유효 받음각을 줄이기 위해, 중앙 영역에서 설치각의 증가를 포함한다. 상대 프로파일 두께는 블레이드 팁을 향해 다시 감소하므로, 설치각도 더 작아질 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명에 따라서 설치각은 블레이드 루트의 영역에서 크고 블레이드 축을 따라 먼저 감소한 후에, 특정 영역에서 다시 증가하고, 이어서 다시 감소하는 설치각의 추이가 나타난다. 작동 시 로터 블레이드에서 유동의 분리는 증가한 상대 블레이드 두께를 갖는 중앙 영역에서도 설치각의 본 발명에 따른 이러한 추이에 의해 저지된다.
로터 블레이드의 다른 실시예는, 적어도 부분적으로 외부 반경과 관련해서 60% 이상의 영역에서 프로파일 섹션들은 0.25보다 큰 값을 갖는 상대 프로파일 두께를 갖는 것이 제안된다. 블레이드 팁 영역의 방향으로 높은 상대 프로파일 두께의 변동에 의해 중량, 질량 및 구조적 특성에 관해서 로터 블레이드의 개선이 달성된다. 이러한 방식으로 특히 작은 중량을 갖는 긴 로터 블레이드가 구현될 수 있고, 이 경우 동시에 증가한 상대 블레이드 두께를 갖는 특히 중앙 영역에서 로터 블레이드 상의 유동의 분리는 저지된다. 따라서 설치각의 추이의 제안된 해결 방법에 의해 로터의 60%의 더 밖에서도 비교적 두꺼운 프로파일이 구현될 수 있다. 이로 인해 비교적 긴 로터 블레이드가 구현될 수 있다.
로터 블레이드의 실시예는, 외부 반경과 관련해서 35% 내지 60%의 블레이드 중앙 영역에서 설치각이 증가하는 것을 제안한다. 더 큰 반경 영역을 향해 높은 상대 프로파일 두께의 변동으로 인해 높은 상대 프로파일 두께를 갖는 이러한 영역에서 한계 받음각, 즉 이러한 프로파일 섹션을 위한 최대로 허용된 받음각은 감소한다. 설치각의 증가는 이러한 효과를 저지한다. 프로파일의 설치각이 증가함에 따라 작동 시 유효 받음각은 감소한다. 이로 인해 이러한 영역에서 유동의 분리는 저지된다. 이로써 35% 내지 60%의 이러한 영역에서 큰 두께를 갖는 로터 블레이드 섹션이 제공될 수 있고, 이로 인해 양호한 지지 구조 및 비교적 작은 중량을 갖는 로터 블레이드를 길게 형성할 수 있다. 이로 인해 이러한 중앙 영역에서 그 밖에 매우 얇게 형성된 종래의 로터 블레이드에 비해 구조적 개선이 달성될 수 있다.
이로써 여기에서 블레이드 중앙 영역은 대략 외부 반경과 관련해서 35% 내지 60%의 반경에서 연장된다. 이러한 영역에서 설치각의 증가는 블레이드의 더 큰 반경 영역에서 큰 상대 프로파일 두께의 변동에 의해 나타나는 효과를 보상할 수 있는 것이 파악되었다. 추가로, 이러한 반경 영역에 걸쳐 상대 프로파일 두께의 증가는 특히 연장된 로터 블레이드의 구조적 또는 기계적 특성들에 대해 장점을 야기하는 것이 파악되었다. 또한, 35% 내지 80%의 영역에서 구조 개선은 두꺼운 프로파일을 사용함으로써 달성될 수 있는 것이 파악되었다. 이를 위해 35% 내지 60%의 언급된 영역에서 설치각의 증가가 제안되고, 이러한 증가는 80%까지 이르지 않아도 된다. 이로 인해 거기에서 작은 중량과 동시에 높은 강성이 달성된다. 더 외측의 영역에서, 즉 80% 이상의 위치를 위해 로터 블레이드가 두꺼워지는 것은 방지될 수 있다. 35% 내지 80%의 이러한 반경 영역으로 높은 상대 두께의 변동에 의해 이로써 로터 블레이드의 질량은 증가한 강성을 갖는 단순히 연장된 로터 블레이드에 비해 감소할 수 있다. 더 높은 프로파일 두께는 유동이 분리되기 전에, 이러한 영역에서 최대로 허용된 받음각의 감소를 야기한다. 따라서, 이러한 영역에서 설치각을 증가시키는 것이 제안되고, 이로써 유동의 분리를 저지하기 위해, 작동 중에 유효 받음각을 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 로터 블레이드의 실시예에서 설치각은 외부 반경과 관련해서 35% 내지 80%의 영역에서 국부적인 최대값을 갖는다. 국부적인 최대값은 블레이드 중앙 영역에서 설치각의 증가를 반영하고, 더 높은 반경 영역에서 높은 상대 프로파일 두께를 가능하게 한다. 국부적 최대값의 이러한 영역에서 상응하게 두꺼운 프로파일 및 구조적으로 강한 영역이 가능해질 수 있다.
로터 블레이드의 다른 실시예는, 외부 반경과 관련해서 80% 내지 100%의 영역에서 설치각은 국부적인, 특히 절대 최소값을 갖는 것을 제안한다. 상대 프로파일 두께는 블레이드 중앙 영역으로부터 블레이드 팁을 향해 감소하므로, 프로파일은 블레이드 팁을 향해 다시 얇아진다. 얇은 프로파일은 높은 최대 받음각을 가능하게 한다. 이로 인해 최대값을 통과한 후에 블레이드 팁을 향해 설치각이 감소할 수 있고, 블레이드 팁 영역에서 국부적 및/또는 절대 최소값을 가질 수 있다. 따라서 로터 평면에 대해 블레이드 팁 근처의 현은 작은 각도를 가질 수 있다. 바람직하게는 국부적 최대값과 국부적 최소값은 서로 적어도 15%의 차이를 가지므로, 연속적인 또는 점차적인 전이를 제공할 수 있다.
다른 실시예에 따라, 전체 로터 블레이드 길이 또는 반경에 걸쳐 현의 설치각은, 즉 여기에서 기준값으로서 이용되는 로터 평면과 관련해서 양의 값인 것이 제안된다. 블레이드 중앙 영역에서 설치각이 다시 증가함으로써 블레이드 팁의 방향으로 후속하는 로터 블레이드의 영역들도 선행 기술에 공개된 것보다 높은 설치각을 갖는다. 설치각의 추이는 블레이드 중앙 영역에서 반경에 걸쳐 다시 증가하므로, 상기 설치각은 전체 로터 반경에 걸쳐 양의 값이다.
로터 블레이드의 실시예에서 설치각은 외부 반경과 관련해서 30% 내지 40%의 영역에서 설치각은 4°이고, 외부 반경과 관련해서 45% 내지 60%의 영역에서 5°이고, 외부 반경과 관련해서 85% 내지 95%의 영역에서 대략 1°이다. 이러한 특수한 실시예는 긴 경량의 로터 블레이드를 가능하게 한다. 더 높은 반경 영역에서 높은 상대 블레이드 두께로 인해 그럼에도 로터 블레이드는 견고하다. 설치각은, 작동 시 프로파일 후단 에지에서 유동 분리가 발생하지 않도록 설계되고, 그렇지 않으면 이러한 유동 분리는 풍력 발전 설비의 수율 감소와 소음 증가를 야기한다.
로터 블레이드의 실시예에서 블레이드 내측 영역은 대략 외부 반경과 관련해서 35%의 반경까지 연장된다. 블레이드 내측 영역은, 설치각이 블레이드 루트로부터 블레이드 팁을 향해 감소하는 영역을 나타낸다. 이로써 상기 영역에서 원주 속도의 증가는 점점 더 커지는 반경에 의해 보상된다. 이로써 실질적으로 이러한 영역에서 프로파일의 받음각은 일정하다.
바람직하게는 로터 블레이드는 대략 60%의 반경 위치에서의 설치각 대 대략 40%의 반경 위치에서의 설치각의 비가 1.2보다 크고, 바람직하게는 1.5보다 크고, 특히 2보다 큰 것을 특징으로 한다. 따라서 40%의 반경 위치에 비해 대략 60%에서 설치각의 현저한 확장이 이루어진다. 이로 인해 설치각의 제 1 국부적 최소값의 영역으로부터 국부적 최대값으로 및 설치각의 후속하는 감소로 바람직한 전이가 달성될 수 있는 것이 파악되었다. 이를 위해 40% 및 60%의 위치들은, 블레이드의 두꺼운 부분의 제 1 영역을 특징짓는 특징적 위치이다.
로터 블레이드의 다른 실시예에서 블레이드 팁 영역들은 외부 반경과 관련해서 60% 보다 큰 반경에서 연장된다. 이로써, 전술한 바와 같이, 60%의 영역부터 상대 프로파일 두께는 다시 감소할 수 있는 것이 파악되었다. 블레이드 팁 영역은, 블레이드 팁 방향으로 설치각이 다시 감소하는 반경 영역이다. 설치각의 감소에 의해 이러한 영역에서 유효 받음각은 증가한다. 그러나 이러한 영역에서 상대 프로파일 두께는 감소하기 때문에, 로터 블레이드 상의 유동이 이러한 영역에서 여전히 유지되고 풍력 발전 설비의 전체 작동 영역에서 최대로 허용된 받음각은 미달되어 유지되는 것이 보장된다.
또한, 본 발명에 따라 로터 회전축과 외부 반경을 갖는 풍력 발전 설비의 로터가 제안되고, 이 경우 로터는 전술한 실시예들 중 하나에 따른 적어도 하나의 로터 블레이드를 포함한다.
또한, 이러한 로터를 포함하는 상응하는 풍력 발전 설비가 제안된다.
본 발명은 계속해서 첨부된 도면과 관련해서 실시예를 참고로 예를 들어 설명된다.
도 1a 내지 도 1c는 로터 반경에 걸쳐 상대 프로파일 두께 및 한계 받음각의 추이들을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 로터 반경에 걸쳐 상대 프로파일 두께의 본 발명에 따른 추이를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 로터 반경에 걸쳐 설치각의 본 발명에 따른 추이를 도시한 개략도.
도 4는 로터 블레이드의 실시예를 개략적으로 도시한 투시도.
도 5는 풍력 발전 설비를 개략적으로 도시한 투시도.
도 1a는 블레이드 길이방향 축을 따른 위치(r)에 따라 최대로 허용된 받음각(14'), 즉 스톨각 및 상대 프로파일 두께(16')의 추이들이 도시된 그래프를 나타낸다. 위치(r)은 로터의 외부 반경(R)과 관련해서 상기 위치의 상대 반경(r/R)에 의해 표준화되어 0 내지 1의 값으로 제시되고, 상기 값들은 따라서 0 내지 100%의 값에 상응한다. 도 1a는 선행 기술에 따른 로터 블레이드에서 일반적으로 주어지는 상황을 도시한다. 도 1a의 그래프에 오염된 또는 습윤한 로터 블레이드를 위한 한계각(14')으로서 스톨각(14')이 도시된다. 한계각(14')은 이 경우 풍력 발전 설비의 운전 시 로터 블레이드의 최대로 허용된 유효 받음각(αeff)으로 간주될 수 있다. 추가로 도 1a의 그래프에서 선행 기술의 로터 블레이드의 상대 프로파일 두께(d/t)의 추이(16')가 도시된다.
최대 받음각의 추이(14')와 상대 프로파일 두께(d/t)의 추이(16')는 서로 관련된다. 블레이드 루트의 영역에서 로터 블레이드는 높은 상대 프로파일 두께를 갖는다. 블레이드 팁에 비해 낮은 원주 속도로 인해 블레이드 루트의 영역에서 높은 최대 받음각(14')도 가능한데, 그 이유는 회전하는 로터 블레이드 상의 회전 효과가 경계층 흐름에 안정화 작용을 하기 때문이다. 블레이드 루트로부터 대략 r/R < 0.35의 반경 위치까지 최대로 허용된 받음각(14')은 감소한다. 로터 반경(r/R)이 증가함에 따라 상대 프로파일 두께는 감소하므로, 로터 블레이드의 프로파일은 더 가늘어진다. 프로파일의 깊이가 일정한 경우에, 예를 들어 프로파일의 두께는 더 작아질 수 있다. 반경이 증가함에 따라 원주 속도는 증가하고, 안정화 효과는 약화되며, 따라서 로터 반경이 증가함에 따라 최대로 허용된 받음각(14')도 먼저 감소한다.
로터 블레이드에 대한 공기의 붙임각은 또한 반경이 증가함에 따라 변경되는데, 그 이유는 반경이 증가함에 따라 로터 블레이드의 원주 속도는 커지기 때문이다. 도 1a의 그래프에는 작동 시 유효 받음각의 영역(18')이 도시된다. 유효 받음각은 하기식에 따라 국부적 붙임각에서 국부적 설치각을 감산하여 계산된다:
αeff(r) = α(r) -αBau(r)
상기 식에서, αeff(r)은 로터 위치(r)에서 유효 받음각을, α(r)은 로터 위치(r)에서 국부적 붙임각을 그리고 αBau(r)은 로터 위치(r)에서 국부적 설치각을 나타낸다. 이 경우 단순하게, 고려되는 로터 블레이드는 피치되지도 않고 비틀리지도 않으며 또는 피치각과 비틀림각이 설치각에 함께 고려되고, 특히 이에 합산되어 포함된다는 것이 가정되었다.
작동 시 유효 받음각의 영역(18')이 범위로서 도시되는데, 그 이유는 바람이 불규칙해기 때문에, 받음각도 작동 중에 보정될 수 없는 편차를 갖기 때문이다.
중앙 블레이드 영역에서 최대로 허용된 받음각(14')은 유효 받음각의 영역(18')에 포함되는데, 그 이유는 이러한 영역에서 상대 프로파일 두께(16')도 여전히 비교적 높기 때문이다. 이런 경우 풍력 발전 설비의 운전 시, 유효 받음각(18')이 최대로 허용된 받음각(14')을 초과하는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 경우가 발생하면, 이러한 영역에서 유동은 프로파일의 후단 에지에서부터 분리되기 시작하고, 이로써 로터 블레이드의 저항이 증가하고 전력 인출은 감소하는데, 그 이유는 양력값이 감소하기 때문이다. 이러한 임계 영역은 도 1a에서 도면부호 20'으로 표시된다. 임계 영역(20')에서 풍력 발전 설비의 운전은 반드시 방지되어야 한다.
로터 반경(r/R)이 증가함에 따라 상대 프로파일 두께(16')의 추가 감소에 의해서야 최대로 허용된 받음각(14')은 다시 증가하여, 유효 받음각(18')의 영역을 벗어난다. 최대로 허용된 받음각(14')의 추이는, 얇은 프로파일이 더 높은 허용 받음각을 갖는다는 사실을 기초로 한다.
예를 들어 6.5m/s보다 작은 약한 평균 풍력을 갖는 위치에서도 경제적으로 관심을 갖도록 만들기 위해, 로터 블레이드 길이들은 점점 더 증가한다. 본 발명에 따라, 로터 블레이드가 더 큰 반경 영역에 걸쳐 높은 상대 두께를 갖는 프로파일을 포함하는 경우에, 로터 블레이드 질량의 증가가 최소화될 수 있는 것이 파악되었다. 이로써, 상대 두께를 갖는 프로파일을 블레이드 팁의 방향으로 더 외측으로 변동시키는 것이 제안된다. 이로 인해 로터 블레이드의 구조적 특성 및 연장된 로터 블레이드의 공기 역학적 특성도 개선될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상대 프로파일 두께의 개략적인 추이는 도 1b에 도면부호 16"으로 도시된다. 도 1a의 추이 16'와 달리 도 1b의 상대 프로파일 두께의 추이 16"에서, 상대 프로파일 두께(d/t)는 더 높은 반경 영역(r/R)까지 높게 유지되는 것을 알 수 있다.
추이 16'과 16"의 비교는 도 2에 확대되어 도시된다. 도 2는 정규화된 로터 반경(r/R)에 걸쳐 도시된 상대 프로파일 두께(d/t)의 추이(16')와 추이(16")를 나타낸다. 화살표들에 의해 더 큰 로터 반경의 방향으로 높은 상대 프로파일 두께의 변동이 표시된다. 상대 프로파일 두께의 본 발명에 따른 추이(16")에 따라, 본 발명에 따른 로터 블레이드는 0.5보다 큰 반경 영역까지 높은 상대 프로파일 두께(d/t)를 갖는다. 예를 들어 본 발명에 따른 로터 블레이드는 0.6보다 큰 반경 영역에서 0.25보다 큰 상대 프로파일 두께(d/t)를 갖는다.
도 1b를 더 참조하면, 높은 반경 영역(r/R)의 높은 상대 프로파일 두께에 의해 최대로 허용된 받음각(14")도 높은 반경 영역(r/R)까지 변동된다. 따라서 작동 시 유효 받음각(18')이 최대로 허용된 받음각(14")보다 높을 수 있는 임계 영역도 확장된다. 이러한 확장된 임계 영역은 도 1b에서 도면부호 20"으로 표시되고, 대략 0.75 내지 0.8인 반경 영역(r/R)까지 연장된다. 높은 반경 영역으로 상대 프로파일 두께의 단순한 증가는 따라서 큰 임계 영역(20")을 야기하고, 상기 영역은 로터 반경(12)의 비교적 큰 영역에 걸쳐 연장된다. 이러한 임계 영역(20")에서 풍력 발전 설비의 운전은 어쨌든 방지되어야 한다.
본 발명에 따라, 중앙 영역에서 프로파일의 설치각의 변동에 의해 작동 시 임계 영역(20")이 조정될 수 있는 것이 파악되었다. 이를 위해 본 발명에 따라 중앙 블레이드 영역에서 프로파일의 설치각은 증가한다. 이로 인해 이러한 영역에서 작동 시 유효 받음각은 감소한다. 작동 시 유효 받음각의 새로운 영역은 도 1c에 도면부호 18"로 표시된다. 도 1c는 도 1b에도 공개된, 상대 프로파일 두께(16") 및 최대로 허용된 유효 받음각(14")의 추이들을 도시한다. 블레이드 중앙 영역에서 설치각의 증가에 의해 작동 시 유효 받음각(18")은 전술한 식에 따라 감소하여, 작동 시 유효 받음각(18")은 최대로 허용된 유효 받음각(14")을 초과하지 않는다. 이러한 방식으로, 풍력 발전 설비는 전체적인 설계 영역에서 로터 블레이드로부터 유동이 분리되는 임계 영역에서는 작동하지 않는 것이 달성된다.
도 3에 실시예에 따른 로터 블레이드의 설치각의 추이(28)가 도시된다. 도 3의 그래프에서 가로 좌표에 정규화된 로터 반경(r/R)이 도시되고, 세로 좌표에 설치각 αBau이 도시된다. 비교를 위해 선행 기술의 로터 블레이드의 설치각의 추이(26)가 도 3에 도시된다. 설치각의 추이(28)에서, 설치각은 블레이드 중앙 영역에서 먼저 감소하는 것을 알 수 있다. 상기 영역은 예를 들어 로터의 외부 반경과 관련해서 최대 35%일 수 있고, 이는 0.35의 정규화된 로터 반경에 상응한다. 블레이드 내측 영역에 블레이드 중앙 영역이 연결되고, 상기 중앙 영역은 실질적으로, 상기 영역에서 설치각(28)이 다시 증가하는 것을 특징으로 한다. 블레이드 중앙 영역은 예를 들어 외부 반경과 관련해서 대략 35 내지 60%의 영역에 걸쳐 연장될 수 있다. 이는 정규화된 로터 반경의 0.35 내지 0.6의 영역에 해당한다. 블레이드 중앙 영역에 블레이드 팁 영역이 연결되고, 상기 영역은, 이러한 영역에서 프로파일의 설치각이 다시 감소하는 것을 특징으로 한다. 이러한 영역은 예를 들어 외부 반경과 관련해서 60%보다 큰 반경에서 (0.6으로 정규화된 로터 반경) 연장될 수 있다.
도 3에서, 본 발명에 따른 로터 블레이드의 설치각의 추이(28)가 블레이드 중앙 영역에서 국부적 최대값을 갖는 것을 알 수 있다. 국부적 최대값 주변의 영역에서 설치각(28)은 외부 반경과 관련해서 10%의 반경 위치에서 설치각의 겨우 0.125배일 수 있다. 국부적 최대값의 통과 후에 외부 반경과 관련해서 60% 이상의 영역에서 설치각(28)은 외부 반경과 관련해서 0 내지 35%의 영역 내의 블레이드 중앙 영역에서보다 신속하게 감소하지 않는다. 블레이드 팁 영역에서 설치각의 추이(28)는 국부적 최소값을 갖는다. 특히, 블레이드 팁 영역에서 설치각의 추이(28)는 전역(global) 또는 절대 최소값을 갖는 것이 제공된다.
본 발명에 따른 로터 블레이드의 특수한 실시예에서, 블레이드 팁 근처의 가장 외측 블레이드 팁 영역에서 설치각은 다시 증가하는 것이 제공되고, 이는 도 3에서도 알 수 있다.
도 3의 그래프에서 가로 좌표는 설치각의 제로 라인을 나타낸다. 제로 라인은 실질적으로 풍력 발전 설비의 로터의 로터 평면에 상응하고, 이 경우 설치각은 특히 하부 부분 부하 작동 시 언피치 작동과 관련된다. 도 3은, 전체 반경에 걸쳐 설치각(28)이 양의 값인 것을 명확하게 도시한다. 그와 달리 설치각의 추이(26)는 선행 기술에서 블레이드 중앙 영역에서 또는 블레이드 팁 영역에서 설치각이 음의 값일 수 있는 로터 블레이드가 존재하는 것을 나타낸다.
도 4는 로터 블레이드의 실시예를 투시도에 개략적으로 도시한다. 로터 블레이드의 개별 영역에서 로터 반경을 따른 다양한 현이 도시된다. 5개의 현(30, 32, 34, 36, 38)이 도시되고, 상기 현들은 풍력 발전 설비의 로터의 로터 평면을 나타내는 기준 평면(40)에 대해 각도를 갖는다. 현(30)은 로터 평면(40)에 대해 큰 설치각(31)을 갖고, 대략 0.05의 반경 위치(r/R)에서 로터 블레이드의 블레이드 루트 근처의 현을 나타낸다. 설치각(31)은 상기 반경 위치에서 40°이다.
또한, 현(32)이 도시된다. 각도(33)는 로터 평면(40)에 대해 현(32)의 설치각(33)을 나타낸다. 설치각(33)은 대략 0.25의 로터 반경 r/R에서 대략 20°이다.
현(34)은 또한 블레이드 내측 영역의 현을 나타낸다. 현(34)의 설치각(35)은 그러나 현(32)의 설치각(33)보다 훨씬 작다. 설치각(35)은 대략 0.35의 로터 반경에서 4°이다.
현(36)은 블레이드 내측 영역의 현을 표시하고, 현(34)의 설치각(35)보다 큰 설치각(37)을 갖는다. 설치각(37)은 그러나 현(32)의 설치각(33)보다 작다. 설치각(37)은 대략 0.55의 로터 반경에서 6°이다.
현(38)은 블레이드 팁 근처의 블레이드 팁 영역의 현을 표시한다. 설치각(39)은 현(36)의 설치각(37) 및 현(34)의 설치각(35)보다 작다. 현(38)의 설치각(39)은 0.9의 로터 반경에서 1°이다.
설치각(31, 33, 35, 37, 39)은 도 3의 추이(28)를 반영하지만, 실제 크기가 아니라 개략적으로만 도시된다. 언급된 각도 수치 및 로터 블레이드 반경은 예시적일 뿐이며 제한되는 것은 아니다.
도 5는 타워(102)와 나셀(104)을 포함하는 본 발명에 따른 풍력 발전 설비(100)를 도시한다. 나셀(104)에 3개의 본 발명에 따른 로터 블레이드(108) 및 스피너(110)를 포함하는 본 발명에 따른 로터(106)가 배치된다. 로터(106)는 작동 시 풍력에 의해 회전 운동하고, 이로 인해 나셀(104) 내의 발전기를 구동한다.
개략적으로 도시된 로터 블레이드(108)는 예를 들어 블레이드 접속부 또는 블레이드 어댑터를 이용해서 풍력 발전 설비의 로터 허브에 고정될 수 있고, 상기 로터 허브는 스피너(110) 내부에 배치된다. 이러한 이유로 로터 블레이드의 각각의 변수들의 추이는 도 1a 내지 도 1c, 도 2 및 도 3의 좌측에서 비어 있는 영역을 갖고, 상기 영역은 실질적으로 로터 허브의 영역을 반영한다. 풍력 발전 설비(100)의 로터 블레이드(108)에 배치된 피치 장치에 의해 로터 블레이드는 그 길이방향 축을 중심으로 회전될 수 있고, 이로써 작동 중에 로터 블레이드의 설치각이 변경될 수 있다.

Claims (13)

  1. 로터 회전축과 외부 반경을 갖는 풍력 발전 설비의 공기 역학 로터의 로터 블레이드로서,
    - 로터 허브에 고정하기 위한 블레이드 루트,
    - 블레이드 루트로부터 떨어져 있는 블레이드 팁,
    - 블레이드 루트로부터 블레이드 팁으로 연장되는 블레이드 길이방향 축,
    - 로터 블레이드의 이동 방향으로 전방을 향하는 블레이드 선단 에지,
    - 로터 블레이드의 이동 방향으로 후방을 향하는 블레이드 후단 에지, 및
    - 블레이드 길이방향 축을 따라 변경되는 프로파일 섹션
    을 포함하고,
    - 각각의 프로파일 섹션은 블레이드 선단 에지로부터 블레이드 후단 에지로 연장되는 현을 갖고, 각각의 현은 로터 평면에 대한 각도로서 설치각을 가지며,
    상기 설치각은,
    블레이드 루트로부터 블레이드 팁을 향해서
    - 블레이드 루트를 향하는 블레이드 내측 영역에서 먼저 감소하고,
    - 블레이드 중앙 영역에서 다시 증가하며,
    - 블레이드 팁을 향하는 블레이드 팁 영역에서 다시 감소하는 것인 로터 블레이드.
  2. 제 1 항에 있어서, 적어도 부분적으로 외부 반경과 관련해서 60% 이상의 영역에서 프로파일 섹션들은 0.25보다 큰 값을 갖는 상대 프로파일 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 로터 블레이드.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 외부 반경과 관련해서 35% 내지 60%의 블레이드 중앙 영역에서 설치각이 증가하는 것을 특징으로 하는 로터 블레이드.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 외부 반경과 관련해서 35% 내지 80%의 영역에서 설치각이 국부적 최대값을 갖는 것을 특징으로 하는 로터 블레이드.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 외부 반경과 관련해서 80% 내지 100%의 영역에서 설치각은 국부적인, 특히 절대 최소값을 갖는 것을 특징으로 하는 로터 블레이드.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 전체 로터 블레이드 길이에 걸쳐 현의 설치각은 양의 값인 것을 특징으로 하는 로터 블레이드.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 설치각은 외부 반경과 관련해서 30% 내지 40%의 영역에서 4°이고, 외부 반경과 관련해서 45% 내지 60%의 영역에서 5°이고, 외부 반경과 관련해서 85% 내지 95%의 영역에서 대략 1°인 것을 특징으로 하는 로터 블레이드.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 블레이드 내측 영역은 외부 반경과 관련해서 대략 35%의 반경까지 연장되는 것을 특징으로 하는 로터 블레이드.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 대략 60%의 반경 위치에서의 설치각 대 40%의 반경 위치에서의 설치각의 비는 1.2 보다 크고, 바람직하게는 1.5보다 크고, 특히 2보다 큰 것을 특징으로 하는 로터 블레이드.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 블레이드 팁 영역은 외부 반경과 관련해서 60% 보다 큰 반경에서 연장되는 것을 특징으로 하는 로터 블레이드.
  11. 로터 회전축과 외부 반경을 갖는 풍력 발전 설비의 로터로서, 상기 로터는 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 로터 블레이드를 포함하는 것인 로터.
  12. 공기 역학 로터를 포함하는, 전류를 생성하기 위한 풍력 발전 설비에 있어서,
    로터는 적어도 하나의 로터 블레이드를 포함하고, 상기 로터 블레이드는,
    - 로터 허브에 고정하기 위한 블레이드 루트,
    - 블레이드 루트로부터 떨어져 있는 블레이드 팁,
    - 블레이드 루트로부터 블레이드 팁으로 연장되는 블레이드 길이방향 축,
    - 로터 블레이드의 이동 방향으로 전방을 향하는 블레이드 선단 에지,
    - 로터 블레이드의 이동 방향으로 후방을 향하는 블레이드 후단 에지, 및
    - 블레이드 길이방향 축을 따라 변경되는 프로파일 섹션
    을 포함하고,
    - 각각의 프로파일 섹션은 블레이드 선단 에지로부터 블레이드 후단 에지로 연장되는 현을 갖고, 각각의 현은 로터 평면에 대한 각도로서 설치각을 가지며,
    각각의 설치각은,
    블레이드 루트로부터 블레이드 팁을 향해서
    - 블레이드 루트를 향하는 블레이드 내측 영역에서 먼저 감소하고,
    - 블레이드 중앙 영역에서 다시 증가하며,
    - 블레이드 팁을 향하는 블레이드 팁 영역에서 다시 감소하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  13. 제 12 항에 있어서, 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 로터 블레이드 및/또는 제 11 항에 따른 로터를 포함하는 풍력 발전 설비.
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