본 발명은 풍력터빈용 에어포일에 관한 것으로서, 표면 거칠기에 둔감한 두께비 18%를 갖는 풍력터빈용 에어포일에 관한 것이다.The present invention relates to an airfoil for a wind turbine, and more particularly, to an airfoil for a wind turbine having a thickness ratio of 18% that is insensitive to surface roughness.
일반적으로, 바람의 힘을 이용하여 전기에너지를 발생시키는 풍력발전기는 산업의 발달과 인구 증가에 의한 석유, 석탄, 천연가스 등의 천연자원의 고갈에 따라 대체 에너지원으로 많은 연구가 진행되고 있다.In general, wind turbines, which generate electrical energy using the power of the wind, are being studied extensively as an alternative energy source due to the depletion of natural resources such as oil, coal, and natural gas caused by industrial development and population growth.
풍력발전이란 공기 유동이 갖는 운동에너지를 로터를 통해 기계적 에너지로 변환시킨 후 다시 발전기를 통해 전기에너지를 생산하는 기술로서, 자연에 존재하는 바람을 에너지원으로 이용하므로 비용이 들지 않으면서도 친환경적인 바, 점차 사용 범위가 증가하고 있다.Wind power generation is a technology that converts the kinetic energy of airflow into mechanical energy through a rotor, and then produces electrical energy through a generator. Since it uses the wind that exists in nature as an energy source, it is environmentally friendly and costs nothing, so its scope of use is gradually increasing.
종래의 풍력발전기의 구조는 지면상에 세워지는 고층의 타워 상단에 로터블레이드를 지지하는 나셀을 회전가능하도록 설치하고, 나셀 내부에는 증속기, 발전기 및 제어장치를 두어, 로터블레이드의 회전력이 허브를 거쳐 주축을 통해 발전기에 이르도록 구성된다. 한편, 공기 유동 후류에 해당하는 나셀의 상단에는 풍향풍속계가 배치된다. 이는 바람의 속도에 따라 전체 시스템을 최적 제어하고 풍속에 따른 발전량을 모니터링하기 위함인데, 풍향풍속계에서 측정되는 풍향과 풍속에 기반하여 로터블레이드의 피치 각도를 조절하고 나셀의 방향을 바람 방향으로 전환하여 발전 효율을 극대화한다.The structure of a conventional wind turbine is to install a nacelle that supports rotor blades on the top of a high-rise tower erected on the ground so that it can rotate, and to place a booster, a generator, and a control device inside the nacelle so that the rotational power of the rotor blades passes through the hub to the main shaft and reaches the generator. Meanwhile, a wind vane anemometer is placed on the top of the nacelle corresponding to the wake of the air flow. This is to optimally control the entire system according to the wind speed and to monitor the amount of power generation according to the wind speed. Based on the wind direction and wind speed measured by the wind vane anemometer, the pitch angle of the rotor blades is adjusted and the direction of the nacelle is changed to the wind direction to maximize power generation efficiency.
한편, 로터블레이드는 복수의 에어포일(airfoil) 형상을 스팬 방향(길이 방향)을 따라 분포시켜 3차원 형상을 얻는다. 로터블레이드의 익근(root) 쪽은 구조적인 강성을 위해 두꺼운 에어포일을 사용하고 로터블레이드의 팁(tip) 쪽에는 얇으면서 양항비(=양력계수/항력계수)가 우수한 에어포일을 사용하는 것이 보통이다.Meanwhile, the rotor blade obtains a three-dimensional shape by distributing multiple airfoil shapes along the span direction (length direction). The root side of the rotor blade usually uses a thick airfoil for structural rigidity, and the tip side of the rotor blade usually uses a thin airfoil with an excellent lift-to-drag ratio (=lift coefficient/drag coefficient).
풍력터빈 블레이드의 단면 형상인 에어포일은 블레이드에 회전토크를 발생시키는 역할을 한다. 즉, 에어포일에 입사되는 공기 흐름에 의해 받음각이 형성되고 받음각 α의 함수로 양력과 항력가 발생한다.The airfoil, which is the cross-sectional shape of the wind turbine blade, plays a role in generating rotational torque on the blade. That is, the angle of attack is formed by the air flow incident on the airfoil, and the lift is generated as a function of the angle of attack α. and resistance occurs.
여기서 받음각 α는 시위선(chord line)과 에어포일에 입사되는 바람방향이 이루는 각도로 정의한다.Here, the angle of attack α is the angle between the chord line and the wind incident on the airfoil. Defined by the angle formed by the direction.
도 1에서 로터면(rotor plane)은 풍력터빈 블레이드가 회전하는 면을 나타내고, 시위선과 에어포일 앞부분 형상이 만나는 점을 앞전(leading edge), 반대로 시위선과 에어포일 뒤의 날카로운 점과 만나는 곳을 뒷전(trailing edge)라 칭한다.In Figure 1, the rotor plane represents the plane on which the wind turbine blade rotates, and the point where the chord line and the shape of the front part of the airfoil meet is called the leading edge, and conversely, the point where the chord line and the sharp point at the back of the airfoil meet is called the trailing edge.
공기역학적으로 에어포일에는 양력과 항력가 발생되고, 이 두 힘을 무차원화한 계수를 양력계수과 항력계수라고 하며 수식으로 표현하면 다음과 같다.Aerodynamically, an airfoil has lift and resistance is generated, and the coefficient of these two forces is the dimensionless coefficient of the lift force. and drag coefficient It is expressed as a formula as follows.
위 식에서는 공기밀도,는 에어포일의 코드길이(즉 chord line 상에서 에어포일의 양 끝점 간의 거리),로 에어포일 입장에서의 상대적인 바람의 입사 속도를 의미한다.In the above equation is the air density, is the chord length of the airfoil (i.e. the distance between the two ends of the airfoil on the chord line), It refers to the relative wind incident velocity from the airfoil's point of view.
기존 풍력터빈 블레이드에 사용되는 에어포일의 종류는 다음과 같다.The types of airfoils used in existing wind turbine blades are as follows.
1. DU airfoil: 네덜란드 Delft 공과대학에서 개발한 풍력터빈용 에어포일 family.1. DU airfoil: A family of airfoils for wind turbines developed at Delft University of Technology in the Netherlands.
2. NREL S-series airfoil: 미국 재생에너지연구소에서 개발한 풍력터빈용 에어포일 family.2. NREL S-series airfoil: A family of airfoils for wind turbines developed by the U.S. Renewable Energy Laboratory.
3. RISØ airfoil: 덴마크 재생에너지연구소(RISØ)에서 개발한 풍력터빈용 에어포일 family.3. RISØ airfoil: A family of airfoils for wind turbines developed by the Danish Institute for Renewable Energy (RISØ).
4. FFA airfoil: 스웨덴 항공우주연구소에서 개발한 풍력터빈용 에어포일 family.4. FFA airfoil: A family of airfoils for wind turbines developed by the Swedish Aerospace Research Institute.
5. NACA airfoil: 미국 항공우주연구소에서 개발한 항공기용 에어포일 family(풍력터빈도 적용됨).5. NACA airfoil: A family of aircraft airfoils developed by the National Aeronautics and Astronautics Research Institute (also applied to wind turbines).
6. KW1 airfoil: 한국전력의 지원 하에 전북대학교에서 개발한 에어포일 family.6. KW1 airfoil: Airfoil family developed at Chonbuk National University with the support of Korea Electric Power Corporation.
일반적으로 에어포일의 공력성능 특성을 대표하는 값으로 양력과 항력의 비인 양항비(Lift-to-drag ratio)를 중요한 항으로 선정하고, 잘 설계된 에어포일은 양항비가 150을 넘는 에어포일을 찾을 수 있으며, 최대양항비가 발생하는 받음각을 최적받음각라고 칭한다.In general, the lift-to-drag ratio, which is the ratio of lift to drag, is selected as an important parameter to represent the aerodynamic performance characteristics of an airfoil, and a well-designed airfoil can be found with a lift-to-drag ratio exceeding 150, and the maximum lift-to-drag ratio The angle of attack at which the beam occurs is called the optimal angle of attack It is called.
이때, 풍력터빈을 운전하게 되면 블레이드는 허브를 중심으로 회전하면서 블레이드가 해수면에 가까이 지나가게 되면 수면상의 벌레나 먼지에 부딪칠 가능성이 증가함하고, 이렇게 블레이드 표면에 오염물질들(벌레 뿐 만 아니라, 먼지, 모래, 얼음조각 등)이 달라붙게 되어 표면 거칠기가 증가하면 공기역학적인 성능이 저하된다.At this time, when the wind turbine is operated, the blades rotate around the hub, and when the blades pass close to the sea surface, the possibility of hitting insects or dust on the water surface increases, and as contaminants (not only insects, but also dust, sand, ice chips, etc.) stick to the blade surface, the surface roughness increases, and the aerodynamic performance deteriorates.
공력성능의 저하 정도는 에어포일의 종류에 따라 차이를 보이며, 성능이 크게 저하되는 에어포일은 거칠기에 민감하다고 하고, 그렇지 않은 경우를 거칠기에 둔감하다고 표현한다. 특히 에어포일이 표면 거칠기에 민감하다는 것은 설계 관점에서 좋은 것이 아니며, 따라서 설계자는 표면 거칠기에 둔감한 에어포일을 선호하게 된다.The degree of degradation of aerodynamic performance varies depending on the type of airfoil, and airfoils that have significantly reduced performance are said to be sensitive to roughness, while those that do not are said to be insensitive to roughness. In particular, it is not good from a design perspective for an airfoil to be sensitive to surface roughness, and therefore designers prefer airfoils that are insensitive to surface roughness.
만일 에어포일이 표면 거칠기에 둔감하면 이를 이용하여 만든 풍력터빈 블레이드 표면상의 거칠기 증가에 따른 전력생산량의 감소가 둔화된다는 것을 의미하므로 이용률의 증가 효과를 얻을 수 있다. 여기서 이용률(capacity factor)이란 (실제 연간발전량)/(정격 출력으로 운전하였을 때 연간 발전량)을 의미한다.If the airfoil is insensitive to surface roughness, it means that the decrease in power generation due to the increase in roughness on the surface of the wind turbine blade made using it is slowed down, so the effect of increasing the capacity factor can be obtained. Here, the capacity factor means (actual annual power generation) / (annual power generation when operated at rated output).
따라서 표면 거칠기에 둔감한 에어포일은 이용률 증대, 즉 전력생산량의 증대를 얻어낼 수 있는 기술이다.Therefore, an airfoil that is insensitive to surface roughness is a technology that can increase utilization, that is, increase power production.
본 발명의 목적은 표면 거칠기에 둔감한 에어포일을 제안하여 전력생산량 등의 이용률 증대를 얻어낼 수 있도록 표면 거칠기가 둔감한 표면거칠기에 둔감한 두께비 18%의 대용량 풍력터빈 블레이드용 에어포일을 제공하는데 있다.The purpose of the present invention is to provide an airfoil for a large-capacity wind turbine blade having a thickness ratio of 18% and being insensitive to surface roughness so as to increase utilization rate such as power generation by proposing an airfoil that is insensitive to surface roughness.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 표면거칠기에 둔감한 두께비 18%의 대용량 풍력터빈 블레이드용 에어포일은, 풍력터빈 블레이드에 사용되는 에어포일에 있어서, 상기 에어포일은 윗면과 아랫면을 갖고, 두께비가 코드 길이의 18%이고, 상기 윗면은 모든 수평좌표값(x/c)에 대해서 수직좌표값(y/c)이 양의 값을 가지고, 상기 아랫면은 수평좌표값(x/c)이 0.845 ~ 0.967 범위 내에서는수직좌표값(y/c)이 양의 값을, 그 외의 범위에서는 음의 값을 가지는 것을 특징으로 한다.According to one embodiment of the present invention for solving the above technical problem, an airfoil for a large-capacity wind turbine blade having a thickness ratio of 18% and insensitive to surface roughness is provided, wherein the airfoil used in a wind turbine blade has an upper surface and a lower surface, a thickness ratio of 18% of a chord length, and the upper surface has a positive vertical coordinate value (y/c) for all horizontal coordinate values (x/c), and the lower surface has a positive vertical coordinate value (y/c) for a horizontal coordinate value (x/c) of 0.845 to 0.967, and a negative value in other ranges.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면거칠기에 둔감한 두께비 18%의 대용량 풍력터빈 블레이드용 에어포일은, 풍력터빈 블레이드에 사용되는 에어포일에 있어서, 상기 에어포일은 윗면과 아랫면을 갖고, 두께비가 코드 길이의 18%이고, 레이놀즈 수는 107 이며, 뒷전의 두께를 코드길이로 나눈 값의 퍼센티지는 0.5%이며, 자유천이(free transition)에서 최대 양항비는 138이며 받음각은 5도이며, 강제천이(forced transition)에서 최대 양항비는 105이며 받음각은 5도이며, 상기 에어포일의 두께가 최대가 되는 위치는 앞전으로부터 코드길이 대비 29.8%에 위치하며, 상기 에어포일의 켐버가 최대가 되는 위치는 앞전으로부터 코드길이 대비 59.9%에 위치하며, 아래의 표에 해당하는 수평좌표값(x/c)와 수직좌표값(y/c)의 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, an airfoil for a large-capacity wind turbine blade having a thickness ratio of 18% and insensitive to surface roughness is characterized in that, in an airfoil used in a wind turbine blade, the airfoil has an upper surface and a lower surface, a thickness ratio of 18% of a chord length, a Reynolds number of 107 , a percentage of the thickness of the trailing edge divided by the chord length of 0.5%, a maximum lift-to-drag ratio of 138 and an angle of attack of 5 degrees in a free transition, and a maximum lift-to-drag ratio of 105 and an angle of attack of 5 degrees in a forced transition, a position where the thickness of the airfoil is maximum is located at 29.8% of the chord length from the leading edge, a position where the camber of the airfoil is maximum is located at 59.9% of the chord length from the leading edge, and has a shape of horizontal coordinate values (x/c) and vertical coordinate values (y/c) corresponding to the table below. Do it.
본 발명의 표면거칠기에 둔감한 두께비 18%의 대용량 풍력터빈 블레이드용 에어포일은 다음과 같은 효과가 있다.The airfoil for a large-capacity wind turbine blade having a thickness ratio of 18% and insensitive to surface roughness of the present invention has the following effects.
첫째, 풍력터빈 로터의 출력이나 하중이 블레이드의 반경의 70~95% 범위의 바깥영역에서 대부분 발생되도록 적용할 수 있다.First, it can be applied so that the output or load of the wind turbine rotor is mostly generated in the outer region of 70 to 95% of the radius of the blade.
둘째, 에어포일을 블레이드의 바깥(outboard) 영역에 적용하도록 함으로써 블레이드 표면 거칠기의 변동에 따른 출력 저하를 크게 줄일 수 있고, 이로 인해 연간 발전량을 높일 수 있다.Second, by applying the airfoil to the outboard area of the blade, the output reduction due to variation in blade surface roughness can be significantly reduced, thereby increasing the annual power generation.
셋째, 대형 및 초대형 해상풍력 단지에 설치되는 풍력터빈 시스템의 블레이드 설계 및 제조에 활용할 수 있으므로 해상풍력단지의 이용률 증진을 통해 발전단지의 경제성을 높일 수 있다.Third, it can be used in the design and manufacture of blades for wind turbine systems installed in large and ultra-large offshore wind farms, thereby increasing the utilization rate of offshore wind farms and thus improving the economic feasibility of power generation complexes.
도 1은 일반적인 에어포일과 받음각, 양력, 항력, 코드 라인 도면.
도 2는 본 발명에 따른 에어포일의 형상을 설명하는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 에어포일의 받음각에 따른 양력계수 곡선.
도 4는 본 발명에 따른 에어포일의 받음각에 따른 항력계수 곡선.
도 5는 본 발명에 따른 에어포일의 자유천이와 강제천이의 경우에 대한 양항비 비교 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 에어포일의 자유천이와 강제천이의 경우에 대한 양항비의 비율 그래프.
도 7은 기존 NACA64-618 에어포일과 본 발명 KW1-18에어포일의 자유천이와 강제천이의 경우에 대한 양항비 비교 그래프.Figure 1 is a typical airfoil and its angle of attack, lift, drag, and chord line diagrams.
Figure 2 is a drawing explaining the shape of an airfoil according to the present invention.
Figure 3 is a lift coefficient curve according to the angle of attack of an airfoil according to the present invention.
Figure 4 is a drag coefficient curve according to the angle of attack of an airfoil according to the present invention.
Figure 5 is a graph comparing the lift-to-drag ratio for free and forced transitions of an airfoil according to the present invention.
Figure 6 is a graph of the ratio of lift-to-drag ratio for free and forced transitions of an airfoil according to the present invention.
Figure 7 is a graph comparing the lift-to-drag ratio for free and forced transitions of the existing NACA64-618 airfoil and the KW1-18 airfoil of the present invention.
이하, 본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면 도 2 내지 도 7을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.Hereinafter, in order to fully understand the present invention, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the attached drawings, FIGS. 2 to 7. The embodiments of the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described in detail below. It should be noted that in each drawing, the same components are sometimes depicted with the same reference numerals. Detailed descriptions of well-known functions and components that may unnecessarily obscure the gist of the present invention are omitted.
참고로, 본 발명의 에어포일의 외형 설계는 MIT 공과대학 Mark Drela 교수가 개발하여 공개한 XFOIL 프로그램을 사용하여 다음과 같은 절차를 통해 형상을 다음과 같은 기술적 원리에 의해 결정하였다.For reference, the external design of the airfoil of the present invention was determined by the following technical principles through the following procedure using the XFOIL program developed and made public by Professor Mark Drela of MIT's College of Engineering.
레이놀즈 수는 대용량 풍력터빈 블레이드 제작에 적용할 수 있는으로 설계하였고, 여기서 레이놀즈 수는 점성유동(viscous flow)의 특성을 대변하는 무차원 변수로서로 정의하고,는 공기의 점성계수이다.Reynolds number It can be applied to the production of large-capacity wind turbine blades. It was designed as, where the Reynolds number is a dimensionless variable representing the characteristics of viscous flow. Defined as, is the viscosity of air.
블레이드 제조가 용이하도록 코드 길이 대비 팁의 두께비가 0.5%가 되도록 하는 flat-back 에어포일 형상이다.It is a flat-back airfoil shape with a tip thickness ratio of 0.5% to the cord length to facilitate blade manufacturing.
에어포일의 표면이 매끈한 경우 자유천이(free transition)이 발생되며, 이 때 최대양항비가 발생하는 받음각을 최적받음각이라 칭하고, 이와 동일한 받음각에서 거칠기 효과로 에어포일 상부는 앞전에서 시위방향으로 5%, 에어포일 하부는 앞전에서 시위방향으로 10% 위치에서 강제천이(forced transition)가 발생하도록 하여 얻어낸 양항비 값이 대비 25% 미만으로 저감되도록 에어포일의 표면 형상을 설계하고 에어포일의 형상 좌표를 제시하였다.When the surface of the airfoil is smooth, a free transition occurs, and the maximum lift-to-drag ratio is achieved at this time. The angle of attack at which the beam occurs is called the optimal angle of attack It is called the lift-to-drag ratio, and the lift-to-weight ratio is obtained by forcing the upper part of the airfoil to transition 5% from the leading edge to the chord direction and the lower part of the airfoil to transition 10% from the leading edge to the chord direction at the same angle of attack due to the roughness effect. The value The surface shape of the airfoil was designed to reduce the contrast by less than 25%, and the shape coordinates of the airfoil were presented.
상기 본 발명의 기술적 원리에 따른 풍력터빈 블레이드에 사용되는 에어포일은 에어포일 가족(airfoil family)이라고 하여 서로 비슷한 형상이어야 한다. 여기서 비슷한 형상이라는 것은 에어포일의 최대 두께가 존재하는 코드(chord) 위치, 켐버(camber) 분포, 앞전(leading edge)의 곡률반경, 뒷전(trailing edge)의 두께 비율 등을 말하며, 전반적인 형상이 가족 구성원들의 얼굴이 서로 닮듯이 블레이드에 사용되는 여러 에어포일들의 형상이 서로 비슷해야 블레이드가 매끄럽고 공기역학적으로도 우수한 특징을 갖는다.The airfoils used in the wind turbine blade according to the technical principle of the present invention should have similar shapes, called an airfoil family. Here, similar shapes refer to the chord position where the maximum thickness of the airfoil exists, the camber distribution, the curvature radius of the leading edge, the thickness ratio of the trailing edge, etc., and just as the faces of family members resemble each other, the shapes of the various airfoils used in the blade should be similar to each other so that the blade is smooth and has excellent aerodynamic characteristics.
도 2를 참조하면, 본 발명인 KW1-18 에어포일(6)은 두께비가 코드 길이의 18%이면서 블레이드의 바깥쪽(outboard)에 사용되는 비교적 얇은 에어포일(6)로서, 표면거칠기에 둔감한 두께비 18%의 대용량 풍력터빈에 적용이 가능하다.Referring to FIG. 2, the KW1-18 airfoil (6) of the present invention is a relatively thin airfoil (6) used on the outer side (outboard) of a blade with a thickness ratio of 18% of the cord length, and can be applied to a large-capacity wind turbine with a thickness ratio of 18% that is insensitive to surface roughness.
도 3은 레이놀즈 수 (Reynolds number)가 107 인 경우에 대해 받음각에 따른 양력계수의 변동을 보여준 것으로서, 자유천이(free transition)인 경우와 강제천이(forced transsition)인 경우의 양력곡선의 카이는 거의 존재하지 않음을 알 수 있다.Figure 3 shows the variation of the lift coefficient according to the angle of attack for a Reynolds number of 107 , and it can be seen that the chi of the lift curves in the case of free transition and forced transition hardly exists.
도 4는 동일 레이놀즈 수에서 받음각에 따른 항력계수의 변동을 보여준 것으로서, 자유천이인 경우와 강제천이인 경우의 항력곡선의 차이는 -5도에서 5도 사이에서 두드러진 차이가 존재함을 알 수 있다.Figure 4 shows the variation of the drag coefficient according to the angle of attack at the same Reynolds number. It can be seen that there is a notable difference between the drag curves in the case of free transition and forced transition between -5 and 5 degrees.
도 5는 자유천이와 강제천이의 경우에 대한 양항비를 비교하여 나타낸 것으로서, 에어포일(6)은 자유천이(free transition) 조건에서 받음각일 때 최대 양항비(lift-to-drag ratio)가 138에 이르며, 거칠기 효과를 반영한 강제천이(forced transition, 앞전 아랫면에서 5%, 윗면에서 10% 코드 위치에서 천이)에서 동일한 받음각일 때 양항비는 105이다. 따라서 양항비의 감소량은 24%로서 거칠기에 매우 둔감함을 알 수 있다.Figure 5 shows the comparison of the lift-to-drag ratio for free transition and forced transition, and the airfoil (6) has an angle of attack under free transition conditions. When the lift-to-drag ratio reaches 138, the maximum lift-to-drag ratio is 138, and in the forced transition (transition at 5% chord position on the lower surface of the leading edge and 10% chord position on the upper surface) reflecting the roughness effect, the lift-to-drag ratio is 105 at the same angle of attack. Therefore, the reduction in the lift-to-drag ratio is 24%, which shows that it is very insensitive to roughness.
도 6은 에어포일(6)의 표면 거칠기에 대한 양항비의 비율을 나타낸 것으로서, 전체적으로 비율은 60% 이상이며, 받음각 5도에서 76%에 이르고 있음을 알 수 있다.Figure 6 shows the ratio of the lift-to-drag ratio to the surface roughness of the airfoil (6). It can be seen that the ratio is 60% or more overall, and reaches 76% at an angle of attack of 5 degrees.
도 7은 본 발명의 결과와 비교하기 위해 레이놀즈 수 (Reynolds number)가 107 로 동일한 경우에 NACA64-618 에어포일(6)에 대해서 받음각에 따른 양항비를 자유천이와 강제천이에 대해 비교하여 나타낸 것으로서, 이 에어포일(6)은 표면이 매끄러운 자유천이인 경우 받음각 3.5도에서 최대 양항비 188에 이르나, 도 6과 같은 조건의 표면 거칠기를 부여한 강제천이인 경우 양항비는 96에 지나지 않아 양항비 감소량이 49%에 해당하여 거의 절반 수준으로 감소하는 것을 보여주고 있다.FIG. 7 shows the lift-to-drag ratio according to the angle of attack for a NACA64-618 airfoil (6) in free and forced transitions in order to compare with the results of the present invention when the Reynolds number is the same as 107 . In this case, the airfoil (6) reaches a maximum lift-to-drag ratio of 188 at an angle of attack of 3.5 degrees in the case of a free transition with a smooth surface, but in the case of a forced transition with the same surface roughness as in FIG. 6 , the lift-to-drag ratio is only 96, which shows that the reduction in the lift-to-drag ratio corresponds to 49%, which is almost half.
기존 NACA64-618 에어포일을 강제천이시키면 본 발명의 KW1-18 에어포일(6)과는 다르게 대략 -5도에서 5도 범위에서 항력계수의 증가와 양력계수의 감소가 두드러진 결과를 보인다. NACA64-618 에어포일은 받음각 3.5도에서 최대 양항비가 매우 큰 값을 갖는 우수한 에어포일임에도 불구하고 에어포일 표면이 조금이라도 거칠어지면 공력성능을 대표하는 양항비는 절반 수준으로 감소하는 문제의 결과가 도출되었다.When the existing NACA64-618 airfoil is forced to transition, unlike the KW1-18 airfoil (6) of the present invention, a significant increase in the drag coefficient and a decrease in the lift coefficient are observed in the range of approximately -5 degrees to 5 degrees. Although the NACA64-618 airfoil is an excellent airfoil with a very large maximum lift-to-drag ratio at an angle of attack of 3.5 degrees, a problem was found in that the lift-to-drag ratio, which represents aerodynamic performance, decreases by half if the airfoil surface becomes even slightly rough.
따라서 기존 NACA64-618 에어포일은 본 발명의 KW1-18 에어포일(6)에 비해서 표면거칠기에 매우 민감한 에어포일임을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the existing NACA64-618 airfoil is an airfoil that is very sensitive to surface roughness compared to the KW1-18 airfoil (6) of the present invention.
이 처럼, 본 발명의 표면거칠기에 둔감한 두께비 18%의 대용량 풍력터빈 블레이드용 에어포일은 풍력터빈을 장시간 운전하다 보면 블레이드 표면에 모래 먼지나 벌레 등의 이물질로 인해 에어포일 표면에 거칠기가 증가하게 되며, 에어포일의 종류에 따라서 풍력터빈의 출력이 크게 감소하는 문제점을 해소하고자 블레이드 바깥 부분(팁 방향)에 두께비가 코드 길이 대비 18%를 적용하여 블레이드의 표면 거칠기에 둔감하도록 에어포일의 표면이 매끈한 자유천이 조건에서 받음각 5도인 경우 최대 양항비가 138에 이르며, 표면 거칠기를 부여한 강제천이 조건에서 동일 받음각에 대한 양향비는 24% 감소시킨 결과물이기 때문에 다음과 같은 효과가 있다.In this way, the airfoil for a large-capacity wind turbine blade with a thickness ratio of 18% and insensitive to surface roughness of the present invention solves the problem that when a wind turbine is operated for a long time, the surface roughness of the airfoil increases due to foreign substances such as sand, dust, and insects on the blade surface, and the output of the wind turbine decreases significantly depending on the type of airfoil. Accordingly, the thickness ratio of 18% to the chord length is applied to the outer part (tip direction) of the blade so that the airfoil surface is insensitive to the surface roughness of the blade. When the angle of attack is 5 degrees under a smooth free transition condition, the maximum lift-to-drag ratio reaches 138, and under a forced transition condition with surface roughness, the lift-to-drag ratio for the same angle of attack is reduced by 24%. Therefore, the following effects are obtained.
첫째, 풍력터빈 로터의 출력이나 하중이 블레이드의 반경의 70~95% 범위의 바깥영역에서 대부분 발생되도록 적용할 수 있다.First, it can be applied so that the output or load of the wind turbine rotor is mostly generated in the outer region of 70 to 95% of the radius of the blade.
둘째, 에어포일을 블레이드의 바깥(outboard) 영역에 적용하도록 함으로써 블레이드 표면 거칠기의 변동에 따른 출력 저하를 크게 줄일 수 있고, 이로 인해 연간 발전량을 높일 수 있다.Second, by applying the airfoil to the outboard area of the blade, the output reduction due to variation in blade surface roughness can be significantly reduced, thereby increasing the annual power generation.
셋째, 대형 및 초대형 해상풍력 단지에 설치되는 풍력터빈 시스템의 블레이드 설계 및 제조에 활용할 수 있으므로 해상풍력단지의 이용률 증진을 통해 발전단지의 경제성을 높일 수 있다.Third, it can be used in the design and manufacture of blades for wind turbine systems installed in large and ultra-large offshore wind farms, thereby increasing the utilization rate of offshore wind farms and thus improving the economic feasibility of power generation complexes.
한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.Meanwhile, the present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be implemented by modifying and changing the same within a scope that does not depart from the gist of the present invention, and the technical ideas to which such modifications and changes are applied should also be considered to fall within the scope of the following patent claims.
6 : 에어포일
t : 최대 두께
c : 코드 길이
: 양력
: 항력
α : 받음각6: Airfoil
t : maximum thickness
c: code length
: Solar calendar
: Resistance
α: angle of attack
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230018454AKR20240126100A (en) | 2023-02-13 | 2023-02-13 | 18% Thickness Airfoil for Large Scale Wind Turbine Blade with Insensitive to Surface Roughness |
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230018454AKR20240126100A (en) | 2023-02-13 | 2023-02-13 | 18% Thickness Airfoil for Large Scale Wind Turbine Blade with Insensitive to Surface Roughness |
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240126100Atrue KR20240126100A (en) | 2024-08-20 |
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230018454APendingKR20240126100A (en) | 2023-02-13 | 2023-02-13 | 18% Thickness Airfoil for Large Scale Wind Turbine Blade with Insensitive to Surface Roughness |
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240126100A (en) |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20070063610A (en) | 2002-06-05 | 2007-06-19 | 알로이즈 우벤 | Rotor blades for wind power |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20070063610A (en) | 2002-06-05 | 2007-06-19 | 알로이즈 우벤 | Rotor blades for wind power |
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Karthikeyan et al. | Review of aerodynamic developments on small horizontal axis wind turbine blade | |
| US8419373B1 (en) | Wind turbine blade, wind turbine generator equipped with wind turbine blade and method of designing wind turbine blade | |
| US8801387B2 (en) | Wind turbine blade and wind turbine generator including the same | |
| Schubel et al. | Wind turbine blade design review | |
| US20160177914A1 (en) | Rotor blade with vortex generators | |
| Lin et al. | Influence of leading-edge protuberances of fx63 airfoil for horizontal-axis wind turbine on power performance | |
| KR101216252B1 (en) | Aerogenerator blade of tip airfoil | |
| Balduzzi et al. | Some design guidelines to adapt a Darrieus vertical axis turbine for use in hydrokinetic applications | |
| CN104405596A (en) | Wind turbine generator system low-wind-speed airfoil section family | |
| KR20180049008A (en) | Determination and control method of fixed angle wind turbine blades | |
| Almukhtar | Effect of drag on the performance for an efficient wind turbine blade design | |
| JP5433554B2 (en) | Wind turbine blade, wind power generator equipped with the wind turbine blade, and wind turbine blade design method | |
| JP5479300B2 (en) | Wind turbine blade, wind power generator equipped with the wind turbine blade, and wind turbine blade design method | |
| KR101454258B1 (en) | 25% Thickness Airfoil for Large Scale Wind Turbine Blade | |
| KR20240126100A (en) | 18% Thickness Airfoil for Large Scale Wind Turbine Blade with Insensitive to Surface Roughness | |
| KR101454261B1 (en) | 40% Thickness Airfoil for Large Scale Wind Turbine Blade | |
| KR101454260B1 (en) | 35% Thickness Airfoil for Large Scale Wind Turbine Blade | |
| KR101454259B1 (en) | 30% Thickness Airfoil for Large Scale Wind Turbine Blade | |
| KR101216308B1 (en) | Aerogenerator blade of root airfoil | |
| KR101454257B1 (en) | 21% Thickness Airfoil for Large Scale Wind Turbine Blade | |
| JP5433553B2 (en) | Wind turbine blade, wind power generator equipped with the wind turbine blade, and wind turbine blade design method | |
| JP5574915B2 (en) | Wind turbine blade, wind power generator equipped with the wind turbine blade, and wind turbine blade design method | |
| JP5675270B2 (en) | Wind turbine blade, wind power generator equipped with the wind turbine blade, and wind turbine blade design method | |
| Seifi Davari et al. | Aerodynamic Performance Enhancement of Wind Turbine by Shape Optimization at Low Reynolds Numbers | |
| KR102606803B1 (en) | A blade for wind power generator |
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application | Patent event code:PA01091R01D Comment text:Patent Application Patent event date:20230213 | |
| PG1501 | Laying open of application |