KR101296675B1 - 풍력발전기용 블레이드의 팁 에어포일 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전기용 블레이드의 팁 에어포일에 관한 것으로, 특히 앞전과 상기 앞전으로부터 공간을 가지며 형성되는 뒷전과 상기 앞전과 뒷전 사이에 형성되는 윗면 및 아랫면으로 이루어지는 풍력발전기용 블레이드의 팁 에어포일에 있어서, 상기 팁 에어포일은 상기 윗면과 아랫면에 중심을 차례로 연결하는 캠버선에 상기 블레이드의 비틀림 변형과 양항비를 증가시키기 위한 변곡점을 갖는 형상으로 형성됨으로써, 받음각 급격히 커지는 강한 풍황 조건에서도 블레이드에 부분적 비틀림 변형이 발생하지 않아 블레이드가 최적의 공력성능을 낼 수 있고, 또 기존 블레이드의 팁 에어포일 형상보다 보다 더 높은 양항비를 발생시킴에 따라 블레이드의 안정성 및 에너지 생산 효율을 증대할 수 있는 특출한 발명이다.

Description

풍력발전기용 블레이드의 팁 에어포일{tip airfoil of blade for wind power generator}

본 발명은 풍력발전기용 블레이드의 팁 에어포일에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 블레이드보다 더 높은 양력비를 발생시켜 블레이드의 안정성 및 에너지 생산 효율을 증가시키는 풍력발전기용 블레이드의 팁 에어포일에 관한 것이다.

일반적으로 풍력발전기는 바람의 운동에너지를 블레이드와 발전기를 통해 전기에너지로 변환시키는 장치로서, 상기 풍력발전기는 국내에서는 도입 단계에 있으나 유럽 및 미국 등 선진국에서는 육상용 및 해상용으로 상용화되어 경제적이며 효용성이 높은 신 재생에너지원인 풍력 에너지가 많이 사용되고 있다.

따라서 풍력발전기를 돌리기 위한 블레이드는 기체 동역학적 이유에서 표면적이 작으면 작을수록 부하레벨이 작아지기 때문에 저 풍속, 저 풍량 영역에서 활용도가 떨어지며, 표면적이 크게 되면 풍속과 비례하여 회전력이 커져 부하 레벨이 커지기 때문에 관련된 특정 기체 동역학적 요구를 수용하는 외형을 지니고 있어야 한다.

그러므로 블레이드(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 블레이드(100)의 안쪽부분이 되는 루트 에어포일(10)과 블레이드(100)의 바깥부분이 되는 팁 에어포일(20)으로 이루어지고, 재료를 절약하고 무게를 낮추기 위하여 중공으로 이루어진 내부와 상기 외주를 보강섬유에 불포화폴리에스텔, 에폭시수지 등으로 적층하여 둘러싸며 기체 동역학적으로 유리한 형태를 갖는 표면으로 제조된다.

또, 블레이드의 팁 에어포일은 강한 풍황 조건에서도 하중을 완만히 분포시키면서 부분적 비틀림 변형도 억제하여 블레이드가 최적의 공력성능을 낼 수 있는 형상을 갖추어야 한다.

그러나 종래의 블레이드의 팁 에어포일은 주로 항공기용으로 개발되었기 때문에 풍력발전기용 블레이드와 운용조건이 매우 상이할 뿐 아니라 최적 성능 설계점도 달라 상당량의 성능 손실을 감수하여야만 하는 문제점이 있었다.

즉, 종래의 블레이드의 팁 에어포일은 받음각 급격히 커지는 강한 풍황 조건에서 부분적 비틀림 변형이 발생하는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 부분적 비틀림 변형이 발생하지 않도록 블레이드의 팁 에어포일을 형성하되, 기존의 블레이드보다 더 높은 양항비를 갖도록 하여 블레이드의 효율 및 성능이 한층 증대되도록 하는 것을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 앞전과 상기 앞전으로부터 공간을 가지며 형성되는 뒷전과 상기 앞전과 뒷전 사이에 형성되는 윗면 및 아랫면으로 이루어지는 풍력발전기용 블레이드의 팁 에어포일에 있어서, 상기 팁 에어포일은 상기 윗면과 아랫면에 중심을 차례로 연결하는 캠버선에 상기 블레이드의 비틀림 변형과 양항비를 증가시키기 위한 변곡점을 갖는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 팁 에어포일은 상기 블레이드 반경방향 40% 이후가 되는 상기 블레이드 바깥부분인 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 팁 에어포일의 최대양항비계수는 레이놀즈수 3.0E+06에서 1.5 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 팁 에어포일은 두께비가 18%이며, 두께비가 18%인 상기 팁 에어포일이 상기 변곡점을 갖도록 상기 윗면과 아랫면의 프로파일은 아래의 표에 대응하는 수평좌표값(x/c)과 수직좌표값(y/c)에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 팁 에어포일은 두께비가 25%이며, 두께비가 25%인 상기 팁 에어포일이 상기 변곡점을 갖도록 상기 윗면과 아랫면의 프로파일은 아래의 표에 대응하는 수평좌표값(x/c)과 수직좌표값(y/c)에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 블레이드의 팁 에어포일을 캠버선에 하나 이상의 변곡점을 갖도록 함으로써, 받음각 급격히 커지는 강한 풍황 조건에서도 블레이드에 부분적 비틀림 변형이 억제되어 블레이드가 최적의 공력성능을 낼 수 있다.

또 기존 블레이드의 팁 에어포일 형상보다 보다 더 높은 양항비를 발생시킴에 따라 블레이드의 안정성 및 에너지 생산 효율을 증대하는 경제적인 효과가 있다.

도 1은 풍력발전기용 블레이드를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 블레이드의 팁 에어포일을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 블레이드의 받음각과 양향비 사이의 그래프이다
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 블레이드의 팁 에어포일을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 블레이드의 받음각과 양향비 사이의 그래프이다

이하, 본 발명에 따른 풍력발전기용 블레이드의 팁 에어포일의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.

여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.

먼저, 본 발명을 설명하기 위해 블레이드의 팁 에어포일 구조를 정리한다.

도 2, 4에 도시된 바와 같이 상기 블레이드(100)의 팁 에어포일(20)의 앞전 (1) 및 뒷전(2)을 잇는 직선을 코드(5)이라 하고, 상기 블레이드(100)의 팁 에어포일(20)의 윗면(3) 및 아랫면(4)에 중심을 차례로 연결하는 선을 캠버선(7)이라 한다.

그리고 상기 코드(5)의 수직방향으로 상기 윗면(3) 및 아랫면(4)의 최대높이를 나타내는 것을 프로파일 최대두께(6)라 하고, 상기 코드(5)에서 평균 캠버선까지의 최대거리를 나타내는 것을 최대캠버선(8)이라 한다.

한편, 수평좌표값(x/c)는 코드(5) 길이를 말하며 수직좌표값(y/c)는 상기 코드(5) 길이에 따른 상기 윗면(3) 및 아랫면(4)의 두께를 말한다.

또, 도 3, 5에 도시된 바와 같이 양항비(cl/cd)는 양력(揚力)과 항력(抗力)의 비를 말하며, 받음각(AOA)이란 상기 코드와 불어오는 바람과 이루는 각을 의미한다.

또한, 두께비는 상기 블레이드의 임의의 위치에서의 두께/코드길이로 정의하며, 레이놀즈수는 유체역학적인 운전 조건을 나타내기 위해 사용되는 일반적인 무차원 계수이고, 최대양항비력계수는 상기 받음각에 따른 양항비의 최대크기를 말한다.

상기와 같은 구조 정의에 따른 본 발명은 도 2 내지 4에 도시된 바와 같이 앞전(1)과, 상기 앞전(1)으로부터 공간을 가지며 형성되는 뒷전(2)과, 상기 앞전(1)과 뒷전(2) 사이에 형성되는 윗면(3) 및 아랫면(4)으로 이루어지는 풍력발전기용 블레이드(100)의 팁 에어포일(20)에 있어서, 상기 팁 에어포일(20)은 상기 윗면(3)과 아랫면(4)에 중심을 차례로 연결하는 캠버선(7)에 상기 블레이드(100)의 비틀림 변형과 양항비를 증가시키기 위한 하나 이상의 변곡점(9)을 갖는 형상으로 형성되어 이루어진다.

이를 구체적으로 실시 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

도 1, 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 두께비 18%이고, 상기 블레이드(100) 반경방향 40% 이후가 되는 블레이드(100)의 팁 에어포일(20)으로, 상기 변곡점(9)을 갖도록 상기 윗면(3)과 아랫면(4)의 프로파일이 아래의 표 1에 대응하는 수평좌표값(x/c)과 수직좌표값(y/c)에 의해 형성된다.

상기와 같은 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 블레이드(100)의 팁 에어포일(20)은 상기 캠버선(7)에 곡선에서 오목한 모양이 바뀌는 점 즉, 하나의 변곡점(9)을 갖는 형상을 이룸으로써, 이 변곡점(9)을 통해 부분적인 비틀림 변형이 억제되고, 도 3에 도시된바 같이 기존 블레이드에 비해 최대양항비계수가 레이놀즈수 3.0E+06에서 1.5 이상을 이루게 된다.

또, 도 1, 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 두께비 25%이고, 상기 블레이드(100) 반경방향 40% 이후가 되는 블레이드(100)의 팁 에어포일(20)으로, 상기 변곡점(9)을 갖도록 상기 윗면(3)과 아랫면(4)의 프로파일이 아래의 표 2에 대응하는 수평좌표값(x/c)과 수직좌표값(y/c)에 의해 형성된다.

상기와 같은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 상기 블레이드(100)의 팁 에어포일(20)은 상기 캠버선(7)에 두개의 변곡점(9)을 갖는 형상을 이룸으로써, 이 변곡점(9)을 통해 부분적인 비틀림 변형이 억제되고, 도 5에 도시된바 같이 기존 블레이드(100)에 비해 최대양항비계수가 레이놀즈수 3.0E+06에서 1.5 이상을 이루게 된다.

1: 앞전 2: 뒷전
3: 윗면 4: 아랫면
5: 코드 6: 프로파일 최대두께
7: 캠버선 8: 최대캠버선
9: 변곡점 10: 루트 에어포일
20: 팁 에어포일 100: 블레이드

Claims (5)

1. 앞전과 상기 앞전으로부터 공간을 가지며 형성되는 뒷전과 상기 앞전과 뒷전 사이에 형성되는 윗면 및 아랫면으로 이루어지는 풍력발전기용 블레이드의 팁 에어포일에 있어서,
   상기 팁 에어포일은 상기 윗면과 아랫면에 중심을 차례로 연결하는 캠버선에 상기 블레이드의 비틀림 변형과 양항비를 증가시키기 위한 변곡점을 갖는 형상으로 형성되되,
   상기 팁 에어포일은 상기 블레이드 반경방향 40% 이후가 되는 상기 블레이드 바깥부분이고,
   상기 팁 에어포일의 최대양항비계수는 레이놀즈수 3.0E+06에서 1.5 이상이고,
   상기 팁 에어포일은 두께비가 18%이며, 두께비가 18%인 상기 팁 에어포일이 상기 변곡점을 갖도록 상기 윗면과 아랫면의 프로파일은 아래의 표에 대응하는 수평좌표값(x/c)과 수직좌표값(y/c)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 블레이드의 팁 에어포일.
   

   

   
   
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5. 앞전과 상기 앞전으로부터 공간을 가지며 형성되는 뒷전과 상기 앞전과 뒷전 사이에 형성되는 윗면 및 아랫면으로 이루어지는 풍력발전기용 블레이드의 팁 에어포일에 있어서,
   상기 팁 에어포일은 상기 윗면과 아랫면에 중심을 차례로 연결하는 캠버선에 상기 블레이드의 비틀림 변형과 양항비를 증가시키기 위한 변곡점을 갖는 형상으로 형성되되,
   상기 팁 에어포일은 상기 블레이드 반경방향 40% 이후가 되는 상기 블레이드 바깥부분이고,
   상기 팁 에어포일의 최대양항비계수는 레이놀즈수 3.0E+06에서 1.5 이상이고,
   상기 팁 에어포일은 두께비가 25%이며, 두께비가 25%인 상기 팁 에어포일이 상기 변곡점을 갖도록 상기 윗면과 아랫면의 프로파일은 아래의 표에 대응하는 수평좌표값(x/c)과 수직좌표값(y/c)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 블레이드의 팁 에어포일.
   

   

   
   

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