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문제 정의
- 검토한다. 본 연구에서는 수치 해석적 접근을 수행하였으므로 적용한 유한요소 코드인 MSC/DYTRAN을 이용한 조류 충돌 해석의 타당성 검증을 위하여 선행연구 결과와 비교 검토하였다 [7].
- 또한, 풍력발전 시스템은 일반적으로 50m/s의 풍속을 동반하는 폭풍이 부는 경우 작동을 제한하지만, 이 경우 역시 거센 바람에 휩쓸려 블레이드에 어떤 물체가 충돌할 가능성이 있다. 본 연구에서는 이 물체를 조류로 가정하여 폭풍이 부는 상황의 조류 충돌에 대한 해석을 수행하여 블레이드의 조류 충돌에 대한 안전성을 확인하고자 한다. 여기서 충돌 위치는 회전중심으로 터 0.
가설 설정
- 4m로 임의로 설정되었다. 본 연구 대상인 블레이드는 Glass/Epoxy 재질을 가지고있으므로 준등 방성으로 가정하여 해석을 수행하였다. Table 7은 블레이드와 조류에 적용된 물성값을 나타내고, Table 8은 해석결과값이고 Fig.
- 본 연구에서는 연구 대상 블레이드의 형상이 작고 국내에 가장 많이 서식하는 조류가 참새 이므로 충격 모델로 참새를 가정하였다. 조류형상은 앞뒤 반구에 원통형 형상으로 가정하여 구현하였으며 Fig.
- 조류형상은 앞뒤 반구에 원통형 형상으로 가정하여 구현하였으며 Fig. 12에 조류의 형상을 나타내었다. 결정된 조류 형상을 바탕으로 알루미늄 평판에 충돌해석을 수행하고 그 결과를 선행 연구 결과와 비교하여 신뢰성 검증을 시도하였다.
제안 방법
- 열선을 이용하여1차 몰드를 제작하였다. 1차 몰드는 스티로폼 재질이므로 에폭시 경화 중 발생되는 열에 의한 변형을 막기 위해 고온테 잎으로 코팅을 하였다. 코팅된 몰드 위에 이 형제와 켈 코트를 바른 뒤 유리섬유를 수적층하여 2차 몰드를 만든다.
- 12에 조류의 형상을 나타내었다. 결정된 조류 형상을 바탕으로 알루미늄 평판에 충돌해석을 수행하고 그 결과를 선행 연구 결과와 비교하여 신뢰성 검증을 시도하였다. 여기서 조류에 적용된 물성값은 Table 6에 나타냈다.
- 공력설계 완료 후 구조설계 요구 조건을 분석하여 구조설계 하중을 산출하고 이를 바탕으로 구조 설계를 수행한다. 구조 설계 결과는 변형율 및 응력분포를 확인하기 위한 정하중 해석, 고유진동수 해석, 좌굴해석, 피로수명 해석을 수행하여 블레이드에 대한 안전성을 판단한다.
- 수행한다. 구조 설계 결과는 변형율 및 응력분포를 확인하기 위한 정하중 해석, 고유진동수 해석, 좌굴해석, 피로수명 해석을 수행하여 블레이드에 대한 안전성을 판단한다. 다음으로 시제품을 제작한 뒤 구조시험을 수행하여 구조해석 결과와 비교를 통해 해석 결과의 타당성을 검증하고 설계를 확정하게 된다.
- 구조 설계 결과는 변형율 및 응력분포를 확인하기 위한 정하중 해석, 고유진동수 해석, 좌굴해석, 피로수명 해석을 수행하여 블레이드에 대한 안전성을 판단한다. 다음으로 시제품을 제작한 뒤 구조시험을 수행하여 구조해석 결과와 비교를 통해 해석 결과의 타당성을 검증하고 설계를 확정하게 된다. Fig.
- 먼저 설계요구 조건으로부터 블레이드의 크기 및 비틀림 각, 깃 끝 속도비 등의 공력설계를 수행하고, 공력해석 및 공력실험을 통하여 요구 성능 만족 여부를 검토한 후 설계를 개선하거나 확정하게 된다.
- 입증하기 위해 구조시험이 수행되어야 한다. 모델의 구조 시험은 본 연구팀이 보유하고 있는 항공기 구조물 시험 장치인 유압식 구조 하중시험 장치를 이용하여 수행하였다.
- 있다. 발전기에서 출력을 측정하기 위해 3상에서 단상으로 변환해주는 정류기를 사용하였으며, 저항을 가변하며 멀티 미터를 이용하여 최대 출력을 측정하였다. RPM 측정을 위해서 NI 사의 포토센서와 Labview를 적용한 프로그램을 사용하였다.
- 내부에 폼은 좌굴에 보다 더 강건한 구조를 만들기 위해 사용되었으며, 각 구획별 하중을 계산하여 길이 방향적 층수를 결정하였다. 복합재료 설계 방법을 적용하여 초기구조 설계 결과를 확정한 이후 구조해석을 통해 설계 개선하는 방법을 적용하였다. 최종적인 구조설계 결과는 Table 4에 나타내었다.
- 본 연구에서 국내 지역에 적합하고 가정에서 운용이 가능하도록 소음이 적은 500W급 저소 음 수평축 블레이드의 공력 및 구조설계를 수행하였다. 성능 해석 결과 설계요구 조건에 비해 높은 출력을 낼 수 있도록 잘 설계되었음을 확인하였다.
- 본 연구에서는 국내 가상과 같이 저풍속인 지역에서 우수한 성능을 발휘할 수 있고 가정에서 운용이 가능하도록 500W급 수평 축 블레이드의 공력 및 구조설계를 수행한 후구 조 시험 및 성능시험을 수행하여 해석 결과와 비교하였다. 적용된 재료는 경제적이면서 성능이 우수한 Glass/Epoxy가 적용되 었다 [3].
- 설계는 공력설계를 수행한 후 구조설계를 수행하였다. 먼저 설계요구 조건으로부터 블레이드의 크기 및 비틀림 각, 깃 끝 속도비 등의 공력설계를 수행하고, 공력해석 및 공력실험을 통하여 요구 성능 만족 여부를 검토한 후 설계를 개선하거나 확정하게 된다.
- 성능시험은 설계된 블레이드의 공력 성능을 입증하기 위해 수행되었으며 이를 위해 특별한 시험 징*치 및 타워가 제작되었다. 실험실 주변에는 바람이 일정치 못하고, 충분한 풍속이 나오지 않는 지역이므로 적재함이 있는 차량에 타워를 고정하여 실험하였다.
- 시제품 제작을 위해 블레이드 단면 형판을 주문하여 스티로폼과 열선을 이용하여1차 몰드를 제작하였다. 1차 몰드는 스티로폼 재질이므로 에폭시 경화 중 발생되는 열에 의한 변형을 막기 위해 고온테 잎으로 코팅을 하였다.
- 실험실 주변에는 바람이 일정치 못하고, 충분한 풍속이 나오지 않는 지역이므로 적재함이 있는 차량에 타워를 고정하여 실험하였다. 차량에 고정된 풍력 터빈 시스템은 3 ~ llm/s 사이의 다양한 풍속에서 출력이 측정되었으며 좀 더 정확한 실험을 한가지 풍속에 대해서 3km의 거리를 주행하며 출력이 측정되었다.
- NASTRAN을 사용하였다. 원심하중은 회전수를 적용하여 모사하였으며, 경계조건은 블레이드 뿌리 부위 고정 경계 조건을 적용하였고, 길이 방향으로 분포 하중을 적용하였다.
- 최종 몰드의 재질은 Glass/Epoxy이며, 경화 중에 압력을 받더라도 변형되지 않도록 충분한 두께를 갖도록 하였다. 이렇게 제작된 최종 몰드에 이형재 를 바르고 겔 코트를 도포한 후 블레이드 크기에 맞게 재단된 유리섬유 및 에폭시를 적층하였다. 상하면 몰드의 적층이 끝나게 되면 이들을 서로 볼트를 이용하여 결합한 후 내부에 우레탄폼을 발포하는데, 이때 원래 부피의 약 3배 정도로 팽창하는 폼의 발포 압력을 이용하여 적층된 섬유를 몰드에 밀착하도록 하였고, 에폭시가 몰드의 접착면을 따라 흘러나오도록 유도하여 섬유체적비가 향상되도록 하였다.
- 실험실 주변에는 바람이 일정치 못하고, 충분한 풍속이 나오지 않는 지역이므로 적재함이 있는 차량에 타워를 고정하여 실험하였다. 차량에 고정된 풍력 터빈 시스템은 3 ~ llm/s 사이의 다양한 풍속에서 출력이 측정되었으며 좀 더 정확한 실험을 한가지 풍속에 대해서 3km의 거리를 주행하며 출력이 측정되었다.
- 하중 Case 2를 바탕으로 구조적 강도와 경량화를 위해 블레이드의 구조형상은 Skin-Spar-Foam 샌드위치 구조 형태를 채택하여 설계하였다 [4].
- 항공기 조류 충돌에 관한 접근은 해석적 접근을 바탕으로 충돌 시험을 통해 해석 결과와 시험 결과를 통상 비교 검토한다. 본 연구에서는 수치 해석적 접근을 수행하였으므로 적용한 유한요소 코드인 MSC/DYTRAN을 이용한 조류 충돌 해석의 타당성 검증을 위하여 선행연구 결과와 비교 검토하였다 [7].
대상 데이터
- 공력시험을 위해 사용된 발전기는 서영테크의 SYG-A208-600-570발전기로서 효율이 높고 기어박스가 없어 소음이 적은 특징이 있다. 발전기에서 출력을 측정하기 위해 3상에서 단상으로 변환해주는 정류기를 사용하였으며, 저항을 가변하며 멀티 미터를 이용하여 최대 출력을 측정하였다.
- 또한, 구조설계 결과에 대한 FEM 해석을 통해 블레이드의 좌굴과 공진에 대한 안전성을 확인하였고, 피로 수명해석 결과 20년의 피로 수명을 확보하였다. 그리고 폭풍이 부는 악천후 속에 서 있을 수 있는 블레이드의 조류 충돌 모사 결과 안전 배수 1.
- 본 연구 대상 풍력발전 시스템은 수평축풍력 발전 시스템으로서 정격출력이 500W이며, 정격풍속은 8m/s이고, 블레이드의 직경은 2.5m이다 [4]. 기타 세부적인 공력설계 결과는 Table 1에 명시하였으며 공력형상은 Fig.
- 사용된 재료는 구조적 강도 및 피로수명이 뛰어나고 비교적 저렴한 Glass/Epoxy를 적용하였고 물성값은 Table 3에 나와 있다. 블레이드의 스킨은 주로 전단 하중을 담당하므로 ±45º로 적층하고, 스파는 주로 굽힘하중을 담당하므로 0º, 90º로적층하였다.
- 2에 나타내었다. 적용된 에어포일은 양항비고 높고 구조적으로 충분히 두꺼운 DU 93-W-210이다.
이론/모형
- MSC. NASTRAN을 사용하였다. 원심하중은 회전수를 적용하여 모사하였으며, 경계조건은 블레이드 뿌리 부위 고정 경계 조건을 적용하였고, 길이 방향으로 분포 하중을 적용하였다.
- 공력해석은 설계된 블레이드의 설계 요구 성능 만족 여부를 검토하기 위해 수행되었고 이를 위해 Betz의 이론과 깃 요소이론을 바탕으로 다욤과 같은 절차 및 방법을 적용하였다[4].
- 구조설계 결과에 대한 구조안전성 평가를 위해 본 연구에서는 구조 해석을 위해 유한요소 상용코드인 MSC. NASTRAN을 사용하였다.
- 05m이고 적용된 하중은 20kgf로 동일하다. 데이터 측정을 위해 Strain Recorder가사용되었으며. 구조 시험을 위한 장비는 Fig.
- 해석의 검증을 위해 조류의 모델링은 참고문헌과 동일하게 상용프로그램에서 제공하는 수력학적 유체 재질(Hydro Dynamic Material)을 사용하였다. 조류를 포함하는 오일러 영역은 8 절점 솔리드 요소를 사용하였다.
성능/효과
- 확인할 수 있다. Fig. 3은 깃 끝 속도비에 대한 동력계수의 변화를 분석한 것이고 Fig. 4는 동력계수를 이용하여 계산된 블레이드 출력 곡선으로서 정격풍속인 8m/s에서 요구 출력인 500W에 비하여 669W로 블레이드의 공력설계 요구 조건을 충분히 만족함을 확인하였다.
- 각하중 조건에 따른 선형 정적 해석 결과 충분한 안전율 413을 확보한 안전한 구조로 설계되었음을 확인하였다. 좌굴 안정성 평가 결과 또한 하중배수 120으로 운용 중 좌굴 안정성을 충분히 확보한 구조임을 확인하였다.
- 6과 7에 선형 정적 해석 결과 인 응력 분포와 변위를 나타내었다. 검토 결과 운용 중 공진에 대한 충분한 안전율을 확보한 것으로 확인되었다. 또한 S-N 손상기법과 Spera의 경험식을 이용하여 피로 수명평가 결과 블레이드의 주기 적 응력이 피로한계이하에서피로수명요구조건인 20년(3.
- 분석 결과 출력 생산은 4m/s에서 시작되며 6m/s에서 출력이 급상승함을 확인하였다. 그리고 실험 결과와 이론적인 계산 결과가 정격풍속 8m/s뿐만 아니라 다른 풍속에서도 비교적 잘 일치함을 확인하였다.
- 20년의 피로 수명을 확보하였다. 그리고 폭풍이 부는 악천후 속에 서 있을 수 있는 블레이드의 조류 충돌 모사 결과 안전 배수 1.6이 확보되는 안전한 구조물임을 확인하였고, 풍력발전용 블레이드 및 다른 구조물 설계시 적용하여 충돌에 대한 안전한 구조물을 설계할 수 있을 것으로 사료된다.
- 압력이 존재함을 알 수 있다. 동일조건 하에서 시험을 통해 측정된 참고문헌의 결과와 유사하게 충격 압력과 정상 상태 압력값이 비교적 잘 일치함을 확인 하였다.
- 검토 결과 운용 중 공진에 대한 충분한 안전율을 확보한 것으로 확인되었다. 또한 S-N 손상기법과 Spera의 경험식을 이용하여 피로 수명평가 결과 블레이드의 주기 적 응력이 피로한계이하에서피로수명요구조건인 20년(3.7×108 Cycles)을 충분히 만족함을 확인하였고 해석에 사용된 S-N선도와 FEM해석 결과는 Fig. 8 과 9에 나타내었다 [6]. 그리고 블레이드의 공진 여부를 검토하기 위한 고유 진동수 해석 결과 운용회전수 근처에서 공진이 발생하지 않음을 확인하였고 Fig.
- 또한, 차량을 이용한 블레이드 성능시험결과 성능해석 결과와 잘 일치하여 국내 기상에 적합한 블레이드가 설계되었음을 확인하였다.
- 측정된 출력은 기계적 효율이 포함된 공기역학적 출력이며 계산된 출력은 순수한 공기역학적인 출력과 여기에 효율 90%를 적용하여 계산된 전기적인 출력이다. 분석 결과 출력 생산은 4m/s에서 시작되며 6m/s에서 출력이 급상승함을 확인하였다. 그리고 실험 결과와 이론적인 계산 결과가 정격풍속 8m/s뿐만 아니라 다른 풍속에서도 비교적 잘 일치함을 확인하였다.
- 성능 해석 결과 깃 끝 속도비 7에 대해서 동력계수는 최대값을 가지며 그 외의 다른 깃 끝 속도비에서는 현저하게 감소함을 확인할 수 있다. Fig.
- 구조설계를 수행하였다. 성능 해석 결과 설계요구 조건에 비해 높은 출력을 낼 수 있도록 잘 설계되었음을 확인하였다.
- 시제품은 구조적 강도 및 피로수명이 뛰어난 Glass/Epoxy 를 적용하여 수적층으로 제작하였고, 유압식 구조시험 장비를 통해 load case 2의 하중을 모사하여 구조해석 결과와 시험 결과를 비교해본 결과 서로 잘 일치함을 확인하였다. 또한, 차량을 이용한 블레이드 성능시험결과 성능해석 결과와 잘 일치하여 국내 기상에 적합한 블레이드가 설계되었음을 확인하였다.
- 좌굴 안정성 평가 결과 또한 하중배수 120으로 운용 중 좌굴 안정성을 충분히 확보한 구조임을 확인하였다. Ftg.
후속연구
- 설계된 블레이드의 실제 거동이 이론적인 해석 결과와 잘 일치하는지 확인하여 이론 해석에서 제시한 안전 계수 등의 제반 사항을 입증하기 위해 구조시험이 수행되어야 한다. 모델의 구조 시험은 본 연구팀이 보유하고 있는 항공기 구조물 시험 장치인 유압식 구조 하중시험 장치를 이용하여 수행하였다.
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