KR102694590B1 - Blade of horizontal axis wind turbine - Google Patents
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Abstract
수평축 윈드 터빈의 블레이드는 리딩 에지와 트레일링 에지 사이에 형성되는 압력면과 흡입면, 상기 압력면과 상기 흡입면에 각각 연통되는 에어 채널, 그리고 상기 에어 채널에 설치되어 상기 에어 채널을 흐르는 공기 흐름에 의해 회전하도록 구성되는 패들 휠을 포함한다. 에어 채널에 배치되는 패들 휠에 의해 흡입면 상으로 주기적 조화 공기 흐름을 분사할 수 있어 흡입면 상의 공기 흐름의 분리 영역을 줄일 수 있고 그에 의해 공지 저항의 저감 및 공기역학적 효율의 향상이 가능하다.A blade of a horizontal axis wind turbine includes a pressure surface and a suction surface formed between a leading edge and a trailing edge, air channels respectively communicating with the pressure surface and the suction surface, and a paddle wheel installed in the air channel and configured to rotate by an air flow flowing through the air channel. A periodic harmonized air flow can be injected onto the suction surface by the paddle wheel arranged in the air channel, thereby reducing a separation area of the air flow on the suction surface, thereby enabling reduction of air resistance and improvement of aerodynamic efficiency.
Description
본 발명은 풍력 발전에 사용되는 수평축 윈드 터빈(HAWT, horizontal axis wind turbine)의 블레이드에 관한 것이다.The present invention relates to a blade of a horizontal axis wind turbine (HAWT) used for wind power generation.
수평축 윈드 터빈은 바람의 힘에 회전하는 블레이드가 수평으로 배열되어 회전하는 축을 돌려 발전이 이루어지도록 하는 장치이며 풍력 발전을 위한 장치로 널리 사용되고 있다.A horizontal axis wind turbine is a device that rotates blades horizontally in response to the power of the wind, turning a rotating shaft to generate electricity, and is widely used as a device for wind power generation.
발전 효율의 향상을 위해 윈드 터빈 블레이드의 공기역학적 성능을 높이는 것이 요구되고 있다. 등록특허공보 제10-1509199호 등에는 공기역학적 성능의 향상을 위해 블레이드의 압력면과 흡입면을 연결하는 공기 채널을 형성하는 방법이 소개되었으나, 이러한 방법들은 블레이드에 형성되는 공기역학적 특성에 보다 적극적으로 대처할 수 없어 공기역학적 성능의 향상에 한계를 가졌다.In order to improve power generation efficiency, it is required to improve the aerodynamic performance of wind turbine blades. Patent Publication No. 10-1509199, etc. introduces a method of forming an air channel connecting the pressure surface and the suction surface of a blade to improve aerodynamic performance. However, these methods cannot actively deal with the aerodynamic characteristics formed in the blade, and thus have limitations in improving aerodynamic performance.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 흡입면에서의 공기 흐름의 분리 영역을 줄여 공기 저항을 낮추고 공기역학적 효율을 높일 수 있는 수평축 윈드 터빈의 블레이드를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a blade of a horizontal axis wind turbine capable of reducing air resistance and increasing aerodynamic efficiency by reducing the separation area of air flow at the suction surface.
본 발명의 실시예에 따른 수평축 윈드 터빈의 블레이드는 리딩 에지와 트레일링 에지 사이에 형성되는 압력면과 흡입면, 상기 압력면과 상기 흡입면에 각각 연통되는 에어 채널, 그리고 상기 에어 채널에 설치되어 상기 에어 채널을 흐르는 공기 흐름에 의해 회전하도록 구성되는 패들 휠을 포함한다.A blade of a horizontal axis wind turbine according to an embodiment of the present invention includes a pressure surface and a suction surface formed between a leading edge and a trailing edge, air channels respectively communicating with the pressure surface and the suction surface, and a paddle wheel installed in the air channel and configured to rotate by an air flow flowing through the air channel.
블레이드는 상기 에어 채널에 연결되는 원통형 캐비티를 더 포함할 수 있고, 상기 패들 휠은 상기 원통형 캐비티에 설치될 수 있다.The blade may further include a cylindrical cavity connected to the air channel, and the paddle wheel may be installed in the cylindrical cavity.
상기 에어 채널은 상기 압력면 상을 흐르는 공기 흐름 중 일부가 유입되어 상기 패들 휠을 회전시킨 후 상기 흡입면 상으로 분사되도록 구성될 수 있고, 상기 패들 휠은 상기 흡입면 상으로 배출되는 상기 공기 흐름이 주기적 조화 흐름의 형태로 분사되도록 구성될 수 있다.The above air channel may be configured so that a portion of the air flow flowing over the pressure surface is introduced to rotate the paddle wheel and then sprayed onto the suction surface, and the paddle wheel may be configured so that the air flow discharged onto the suction surface is sprayed in the form of a periodic harmonic flow.
상기 패들 휠은 주기적 조화 흐름의 형성을 위해 방사상으로 배열되는 복수의 패들 블레이드를 포함할 수 있다.The above paddle wheel may include a plurality of paddle blades arranged radially to form a periodic harmonic flow.
본 발명에 의하면, 에어 채널에 배치되는 패들 휠에 의해 흡입면 상으로 주기적 조화 공기 흐름을 분사할 수 있어 흡입면 상의 공기 흐름의 분리 영역을 줄일 수 있고 그에 의해 공기 저항의 저감 및 공기역학적 효율의 향상이 가능하다.According to the present invention, a periodic harmonized air flow can be injected onto a suction surface by a paddle wheel arranged in an air channel, thereby reducing a separation area of air flow on the suction surface, thereby reducing air resistance and improving aerodynamic efficiency.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수평축 윈드 터빈의 블레이드의 개략적 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수평축 윈드 터빈의 블레이드의 정면도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절개한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수평축 윈드 터빈의 블레이드의 일부를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수평축 윈드 터빈의 블레이드의 패들 휠의 개략적 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수평축 윈드 터빈의 블레이드의 에어포일과 기존 에어포일에 대한 공기 흐름의 수치해석 결과를 보여주는 도면이다.FIG. 1 is a schematic perspective view of a blade of a horizontal axis wind turbine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a front view of a blade of a horizontal axis wind turbine according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a cross-sectional view taken along line Ⅲ-Ⅲ of Figure 2.
FIG. 4 is a drawing showing a part of a blade of a horizontal axis wind turbine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic perspective view of a paddle wheel of a blade of a horizontal axis wind turbine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a drawing showing the results of numerical analysis of air flow for an airfoil of a blade of a horizontal axis wind turbine according to an embodiment of the present invention and an existing airfoil.
아래에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 설명된 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the described embodiments.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수평축 윈드 터빈의 블레이드(10)는 스템(stem)(11)과 전이부(transition)(13)를 통해 허브(hub)에 연결될 수 있다. 즉 스템(11)은 허브에 연결되고, 전이부(13)는 스템(11)과 블레이드(10)를 연결할 수 있다.Referring to FIGS. 1 to 3, a blade (10) of a horizontal axis wind turbine according to an embodiment of the present invention can be connected to a hub through a stem (11) and a transition (13). That is, the stem (11) is connected to the hub, and the transition (13) can connect the stem (11) and the blade (10).
블레이드(10)의 양단은 루트(root)(20)와 팁(tip)(30)에 의해 정의되고 루트(20)로부터 팁(30)을 향하는 방향, 즉 스팬(span) 방향으로 연장되어 형성된다. 그리고 블레이드(10)의 전단 및 후단은 각각 리딩 에지(leading edge)(40) 및 트레일링 에지(trailing edge)(50)를 형성한다. 블레이드(10)는 에어포일(airfoil) 형태의 단면을 가질 수 있으며, 에어포일 형태의 단면을 가지는 블레이드(10)는 그 양측에 압력면(pressure surface)(60)과 흡입면(suction surface)(70)을 형성한다. 압력면(60)과 흡입면(70)은 서로 마주하도록 배치되며 리딩 에지(40)와 트레일링 에지(50)를 각각 연결하는 면으로 형성된다.The two ends of the blade (10) are defined by the root (20) and the tip (30) and are formed to extend in a direction from the root (20) toward the tip (30), i.e., in the span direction. In addition, the front and rear ends of the blade (10) form a leading edge (40) and a trailing edge (50), respectively. The blade (10) may have a cross-section in the shape of an airfoil, and the blade (10) having a cross-section in the shape of an airfoil forms a pressure surface (60) and a suction surface (70) on both sides thereof. The pressure surface (60) and the suction surface (70) are arranged to face each other and are formed as surfaces connecting the leading edge (40) and the trailing edge (50), respectively.
블레이드(10)는 압력면(60)과 흡입면(70)을 연결하는 에어 채널(air channel)(80)을 형성한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 에어 채널(80)은 복수로 구비될 수 있으며 복수의 에어 채널(80)은 스팬 방향을 따라 배열될 수 있다. 에어 채널(80)은 블레이드(10)를 관통하여 양측에 위치하는 압력면(60)과 흡입면(70)을 유체적으로 서로 연결한다. 이에 따라 에어 채널(80)은 압력면(60)과 흡입면(70)을 연결하는 공기 통로의 역할을 하고, 블레이드(10)의 회전 시에 공기 압력이 더 높은 압력면(60) 쪽의 공기가 에어 채널(80)을 통과하여 흡입면(70) 측으로 이동한다.The blade (10) forms an air channel (80) connecting the pressure surface (60) and the suction surface (70). As illustrated in FIG. 1, a plurality of air channels (80) may be provided, and the plurality of air channels (80) may be arranged along the span direction. The air channel (80) penetrates the blade (10) and fluidically connects the pressure surface (60) and the suction surface (70) located on both sides. Accordingly, the air channel (80) functions as an air passage connecting the pressure surface (60) and the suction surface (70), and when the blade (10) rotates, the air on the pressure surface (60) side, where the air pressure is higher, passes through the air channel (80) and moves to the suction surface (70) side.
에어 채널(80)은 리딩 에지(40) 근처에 위치하는 압력면(60) 상의 포인트(61)에서 트레일링 에지(50) 근처에 위치하는 흡입면(70) 상의 포인트(71)까지 연장되도록 블레이드(10)를 관통하도록 형성될 수 있다. 에어 채널(80)은 전방 벽(81)과 서로 분리된 후방 벽(82, 83)에 의해 경계가 이루어진다. 전방 벽(81)은 리딩 에지(40)에 더 가깝게 위치되고, 후방 벽(82, 83)은 전방 벽(82)과 이격되게 트레일링 에지(50)에 더 가깝게 위치된다.An air channel (80) can be formed to extend through the blade (10) from a point (61) on the pressure surface (60) located near the leading edge (40) to a point (71) on the suction surface (70) located near the trailing edge (50). The air channel (80) is bounded by a front wall (81) and rear walls (82, 83) separated from each other. The front wall (81) is located closer to the leading edge (40), and the rear walls (82, 83) are located closer to the trailing edge (50) and spaced apart from the front wall (82).
후방 벽(82, 83)은 두 부분으로 분할될 수 있으며, 원통형 캐비티(84)가 두 개의 후방 벽(82, 83) 사이에 구비될 수 있다. 흡입면(70) 상을 흐르는 공기 흐름에 조화 진동(harmonic vibrations)을 부가하기 위한 패들 휠(paddle wheel)(90)이 캐비티(84)에 배치된다. 패들 휠(90)은 공기 흐름의 능동적 제어를 위한 장치이며 이를 통해 블레이드(10)의 에어포일에 작용하는 저항을 줄일 수 있다. 패들 휠(90)은 에어 채널(80)을 흐르는 공기 흐름에 의해 회전될 수 있도록 구성될 수도 있고, 다른 실시예에서는 별도로 모터와 같은 구동 장치를 통해 강제적으로 회전될 수 있도록 구성될 수도 있다.The rear wall (82, 83) may be divided into two parts, and a cylindrical cavity (84) may be provided between the two rear walls (82, 83). A paddle wheel (90) for adding harmonic vibrations to the air flow flowing over the suction surface (70) is disposed in the cavity (84). The paddle wheel (90) is a device for active control of the air flow, thereby reducing the resistance acting on the airfoil of the blade (10). The paddle wheel (90) may be configured to be rotated by the air flow flowing through the air channel (80), or in another embodiment, may be configured to be forcibly rotated by a separate driving device such as a motor.
도 5를 참조하면, 패들 휠(90)은 방사상으로 배열되는 복수의 패들 블레이드(paddle blade)(91)를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 패들 휠(90)이 캐비티(84)에 위치된 상태에서 패들 블레이드(91)의 일부가 에어 채널(80)에 위치된다. 이에 의해 패들 휠(90)이 에어 채널(80)을 흐르는 공기에 의해 회전축을 중심으로 회전할 수 있으며, 패들 휠(90)은 소정 회전 속도로 회전하고 에어 채널(80)을 통해 흡입면(70) 상을 흐르는 공기 흐름에 조화 제트 흐름(harmonic jet flow)이 분사되도록 할 수 있다. 복수의 패들 블레이드(91)를 포함하는 패들 휠(90)은 분사되는 조화 흐름을 생성하는 변동 흐름(fluctuating flow)을 생성하고, 분사되는 조화 흐름의 주파수는 패들 휠(90)의 회전 속도와 패들 블레이드(91)의 개수에 따라 결정될 수 있다. 조화 흐름은 흡입면(70) 상에서 분리되는 흐름에 일정 크기의 외부 에너지를 공급하고, 이것은 분리되는 영역을 약화시키고 큰 분리 영역을 작은 볼텍스로 전환시킨다.Referring to FIG. 5, the paddle wheel (90) may include a plurality of paddle blades (91) arranged radially. As illustrated in FIG. 3, when the paddle wheel (90) is positioned in the cavity (84), a portion of the paddle blades (91) are positioned in the air channel (80). Accordingly, the paddle wheel (90) can be rotated around the rotation axis by the air flowing in the air channel (80), and the paddle wheel (90) can be rotated at a predetermined rotation speed and spray a harmonic jet flow into the air flow flowing over the suction surface (70) through the air channel (80). The paddle wheel (90) including the plurality of paddle blades (91) generates a fluctuating flow that generates the sprayed harmonic flow, and the frequency of the sprayed harmonic flow can be determined according to the rotation speed of the paddle wheel (90) and the number of paddle blades (91). The harmonic flow supplies a certain amount of external energy to the flow separating on the suction surface (70), which weakens the separating area and converts a large separating area into a small vortex.
도 6은 S809 에어포일에 대한 수치해석 결과를 보여주는 도면이다. 도 6의 (a)에는 에어 채널이 없는 에어포일의 수치해석 결과가 나타나 있고, (b)에는 에어 채널이 있는 에어포일의 수치해석 결과가 나타나 있고, (c)에는 에어 채널에 패들 휠이 설치된 에어포일의 수치해석 결과가 나타나 있다. 에어 채널에 패들 휠을 설치하는 경우 유동의 분리 위치가 트레일링 에지를 향해 이동하고 이에 의해 에어포일의 흡입면 상의 분리 영역의 크기가 감소하는 것을 알 수 있다.Fig. 6 is a drawing showing the results of numerical analysis for the S809 airfoil. Fig. 6 (a) shows the results of numerical analysis for an airfoil without an air channel, (b) shows the results of numerical analysis for an airfoil with an air channel, and (c) shows the results of numerical analysis for an airfoil with a paddle wheel installed in the air channel. It can be seen that when a paddle wheel is installed in the air channel, the separation location of the flow moves toward the trailing edge, thereby reducing the size of the separation area on the suction surface of the airfoil.
정상상태 공기 유동이 압력면(60) 상에서 에어 채널(80)의 입구로 유입되고, 에어 채널(80)을 흐르는 공기 유동에 의해 패들 휠(90)이 회전한다. 패들 휠(90)의 회전의 결과 외부 에너지가 에어 채널(80)을 흐르는 공기 흐름에 부가된다. 패들 휠(90)의 회전은 조화 현상이기 때문에, 패들 휠(90)의 하류 측의 공기 흐름에 조화(주기) 변동이 부가된다. 이에 의해 정상상태 유동과 조화 임펄스에 결합에 의해 생성된 하이브리드 유동이 흡입면(70)의 분리 영역으로 분사되고 흡입면(70) 상의 분리된 공기에 외부 모멘텀을 부가한다. 이에 의해 흡입면 상의 공기 흐름의 분리 영역 및 그 강도가 감소되고 생성되는 양력이 증가된다.A steady-state air flow is introduced into the inlet of the air channel (80) on the pressure surface (60), and the paddle wheel (90) is rotated by the air flow flowing through the air channel (80). As a result of the rotation of the paddle wheel (90), external energy is added to the air flow flowing through the air channel (80). Since the rotation of the paddle wheel (90) is a harmonic phenomenon, a harmonic (periodic) variation is added to the air flow on the downstream side of the paddle wheel (90). Thereby, a hybrid flow generated by the combination of the steady-state flow and the harmonic impulse is injected into the separation area of the suction surface (70) and adds an external momentum to the separated air on the suction surface (70). Thereby, the separation area and the intensity of the air flow on the suction surface are reduced, and the generated lift is increased.
위에서 본 발명의 실시예에 대해 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.Although the embodiments of the present invention have been described above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims also fall within the scope of the present invention.
10: 수평축 윈드 터빈의 블레이드
11: 스템
13: 전이부
20: 루트
30: 팁
40: 리딩 에지
50: 트레일링 에지
60: 압력면
70: 흡입면
80: 에어 채널
81: 전방 벽
82, 83: 후방 벽
90: 패들 휠
91: 패들 블레이드10: Blades of a horizontal axis wind turbine
11: Stem
13: Transition
20: Root
30: Tips
40: Leading Edge
50: Trailing Edge
60: Pressure surface
70: Suction surface
80: Air Channel
81: Front wall
82, 83: Rear wall
90: Paddle Wheel
91: Paddle Blade
Claims (4)
리딩 에지와 트레일링 에지 사이에 형성되는 압력면과 흡입면,
상기 압력면과 상기 흡입면에 각각 연통되는 에어 채널,
상기 에어 채널에 연결되는 원통형 캐비티, 그리고
상기 에어 채널을 흐르는 공기 흐름에 의해 회전하도록 상기 원통형 캐비티에 설치되는 패들 휠
을 포함하는 수평축 윈드 터빈의 블레이드.In the blades of horizontal axis wind turbines,
The pressure surface and suction surface formed between the leading edge and the trailing edge,
Air channels each connected to the pressure surface and the suction surface,
a cylindrical cavity connected to the above air channel, and
A paddle wheel installed in the cylindrical cavity so as to rotate by the air flow flowing through the air channel.
Blades of a horizontal axis wind turbine including:
상기 에어 채널은 상기 압력면 상을 흐르는 공기 흐름 중 일부가 유입되어 상기 패들 휠을 회전시킨 후 상기 흡입면 상으로 분사되도록 구성되고,
상기 패들 휠은 상기 흡입면 상으로 배출되는 상기 공기 흐름이 주기적 조화 흐름의 형태로 분사되도록 구성되는
수평축 윈드 터빈의 블레이드.In the first paragraph,
The above air channel is configured so that a portion of the air flow flowing over the pressure surface is introduced to rotate the paddle wheel and then sprayed onto the suction surface.
The above paddle wheel is configured so that the air flow discharged onto the suction surface is sprayed in the form of a periodic harmonic flow.
Blades of a horizontal axis wind turbine.
상기 패들 휠은 주기적 조화 흐름의 형성을 위해 방사상으로 배열되는 복수의 패들 블레이드를 포함하는 수평축 윈드 터빈의 블레이드.In the third paragraph,
The above paddle wheel is a blade of a horizontal axis wind turbine comprising a plurality of paddle blades arranged radially to form a periodic harmonic flow.
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