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문제 정의
- 그러나 이는 기본적으로 수치해석적 방법으로서 실제 복합재 블레이드의 구조적 건전성에 대한 정확한 평가는 곤란한 관계로 이의 해결을 위해서 소형풍력발전시스템 관련 국제 규격인 IEC 61400-2(4)에서는 블레이드에 대한 구조시험을 요구하고 있다. 본 논문에서는 유한요소법을 통한 구조해석을 수행하여 복합재 블레이드의 강도, 변형, 좌굴 및 진동 특성을 평가하였다. 또한 이러한 구조해석의 타당성을 평가하고 IEC 61400-2의 구조시험관련 요구조건에 대응하기 위하여 플랩방향(Flapwise) 실규모 구조시험(Full scale structural testing)을 수행하여 이의 결과를 유한요소해석 결과와 비교ㆍ평가하였다.
가설 설정
- (8) F*xy는 generalized von Mises 항복 조건식과 동일하게 하기 위하여 –1/2로 가정하였다.
제안 방법
- 구조 해석은 상용 소프트웨어인 ABAQUS를 이용하여 정적해석(Static analysis), 좌굴해석(Buckling analysis) 및 모드해석(Modal analysis)을 수행하였다. 그리고 원심력을 부여하여 블레이드의 회전수에 따른 블레이드의 정적거동을 평가하였다.
- 복합재료로 구성된 초소형 블레이드에 대하여 정적해석을 수행하였고, 변위해석 결과를 Fig. 3에 도시하였다. 그림에서 알 수 있듯이 블레이드 허브에서의 변형은 0mm이고, 블레이드 끝으로 갈수록 변형이 크게 증가하고 있다.
- 본 연구에서는 초소형 풍력발전기용 블레이드를 상용 소프트웨어인 ABAQUS를 이용하여 구조해석 및 구조 시험을 수행하였으며 이에 얻어진 결과는 다음과 같다.
- 블레이드에 대한 구조시험은 바람에 의해 하중을 직접적으로 받는 플랩방향(Flapwise)에 대하여, 22.5m/sec의 풍속조건시의 작용 공력하중조건과 블레이드에 작용하는 플랩방향 모멘트가 가장 큰 IEC 61400-2의 Case H 조건 하에서 구조시험을 수행하였다. Table 8은 이러한 하중조건을 정리한 것이다.
- 블레이드의 구조해석을 수행하기 위하여 적용되는 경계조건은 허브(Hub) 부분의 X, Y, Z 방향 및 Y, Z 회전방향(Rotation direction)의 자유도를 구속하였으며, X 회전방향의 자유도의 구속을 풀어주었다. 작용하는 하중은 블레이드 각 요소(Blade element)에 작용하는 하중을 노드의 수로 나누어 절점하중(Nodal force)을 적용하였다.
- 를 이용하여 구조해석을 수행하였다. 블레이드의 형상은 두께 방향의 치수가 다른 치수에 비하여 상당히 작기 때문에 Fig. 1과 같은 쉘 요소(shell element)로 모델링하였다. 전체 유한 요소 모델은 쉘 요소중에서 4절점을 가진 S4R과 3절점의 S3R을 사용되었으며 요소의 개수는 19035개이고, 절점(Node)의 개수는 19074개이다.
- 실규모 구조시험은 바람에 의한 하중을 받는 방향인 플랩 방향으로, 공력해석을 통하여 산출된 공력하중 및 IEC 61400-2의 최악 하중조건인 Case H(Parked wind loading)의 경우를 적용하여 수행되었다. 이와 같은 하중 조건을 가지고 허브 부분을 제외한 블레이드 길이의 55%지점에 폭 ±25mm의 하중부하장치(load saddle)을 장착하여 하중을 가하였다.
- 이와 같은 하중 조건을 가지고 허브 부분을 제외한 블레이드 길이의 55 %지점에 ±25 mm의 폭의 하중부하장치(Load saddle)을 장착하고 상부 표피(Upper skin)에 하중을 가하였다.
- 블레이드의 구조해석을 수행하기 위하여 적용되는 경계조건은 허브(Hub) 부분의 X, Y, Z 방향 및 Y, Z 회전방향(Rotation direction)의 자유도를 구속하였으며, X 회전방향의 자유도의 구속을 풀어주었다. 작용하는 하중은 블레이드 각 요소(Blade element)에 작용하는 하중을 노드의 수로 나누어 절점하중(Nodal force)을 적용하였다. 실규모 구조 시험을 모사하기 위한 구조해석의 경우에는 허브 부분을 제외한 1.
대상 데이터
- 본 연구의 블레이드는 DBL600E 삼축(triaxial) Glass/Epoxy 복합재료를 기본으로 블레이드 루트부위에 폴리우레탄 폼을 삽입하여 제작되었으며 이들의 물성치는 Table 3 및 Table 4와 같다. 제조공법은 진공성형 핸드 레이업(Vacuum assisted hand layup)을 사용하였으며 상온에서 경화하였다.
- 1과 같은 쉘 요소(shell element)로 모델링하였다. 전체 유한 요소 모델은 쉘 요소중에서 4절점을 가진 S4R과 3절점의 S3R을 사용되었으며 요소의 개수는 19035개이고, 절점(Node)의 개수는 19074개이다.
데이터처리
- 본 논문에서는 유한요소법을 통한 구조해석을 수행하여 복합재 블레이드의 강도, 변형, 좌굴 및 진동 특성을 평가하였다. 또한 이러한 구조해석의 타당성을 평가하고 IEC 61400-2의 구조시험관련 요구조건에 대응하기 위하여 플랩방향(Flapwise) 실규모 구조시험(Full scale structural testing)을 수행하여 이의 결과를 유한요소해석 결과와 비교ㆍ평가하였다.
- 이러한 블레이드 구조설계시 사용된 유한요소해석의 타당성을 평가하기 위하여 블레이드 구조시험(Bending I 및 Bending II)과 동일한 경계 및 하중조건에 대한 유한요소해석을 수행하여 이의 결과를 구조시험결과와 비교하였다. 여기서 유한요소모델은 3.
이론/모형
- 구조 해석은 상용 소프트웨어인 ABAQUS를 이용하여 정적해석(Static analysis), 좌굴해석(Buckling analysis) 및 모드해석(Modal analysis)을 수행하였다. 그리고 원심력을 부여하여 블레이드의 회전수에 따른 블레이드의 정적거동을 평가하였다.
- 또한 적층 복합재료와 같은 이방성 재질에 대한 안전성 평가를 위하여 Tsai-Wu 파손 조건(Failure criterion)을 적용하였다. Tsai-Wu 항복 조건식은 2차원 응력의 경우 식 (1) 과같이 단순화 할 수 있다.
- 이와 같은 하중 조건을 가지고 허브 부분을 제외한 블레이드 길이의 55%지점에 폭 ±25mm의 하중부하장치(load saddle)을 장착하여 하중을 가하였다. 이때 사용된 계측기는 부하하중 측정용 로드셀(Loadcell) 및 블레이드의 변위를 측정하기 위한 LVDT(Linear variable displacement transducer)를 사용하였다. 여기서 2개의 LVDT는 하중 작용점과 블레이드의 끝단에 설치하였다.
- 본 연구의 블레이드는 DBL600E 삼축(triaxial) Glass/Epoxy 복합재료를 기본으로 블레이드 루트부위에 폴리우레탄 폼을 삽입하여 제작되었으며 이들의 물성치는 Table 3 및 Table 4와 같다. 제조공법은 진공성형 핸드 레이업(Vacuum assisted hand layup)을 사용하였으며 상온에서 경화하였다.
- 초소형 풍력발전기용 복합재료 블레이드가 주어진 설계조건을 만족하는지 평가하기 위하여 상용 소프트웨어인 ABAQUS(7)를 이용하여 구조해석을 수행하였다. 블레이드의 형상은 두께 방향의 치수가 다른 치수에 비하여 상당히 작기 때문에 Fig.
성능/효과
- 1) 복합재료 블레이드에서 설계 목적 값으로 얻어진 변형량은 150mm이며, 정적 해석을 통해 얻어진 최대 변형량은 23.47mm이므로 설계 목적보다 적게 변형하였고, strength ratio는 0.247보다 충분히 작아서 안전함을 알 수 있었다. 또한 정격 회전속도인 300RPM에서 공진이 발생하지 않으며, 좌굴 또한 발생하지 않아 안전함을 알수있었다.
- 2) 블레이드 구조시험 결과 플랩 방향에 대한 공력하중에 해당하는 하중을 기준으로 경우 일체의 손상이 발생하지 않았으며, 또한 IEC 61400-2에 의한 최악 조건의 하중을 111.3% 까지 견뎌 내어 최악조건에서 안전함을 알 수 있었다. 또한 유한요소해석 및 구조시험을 통하여 도출된 하중-변위 관계는 양자가 거의 일치하여 구조 해석의 결과는 적합하다고 판단된다.
- 2407로 설정하였다. 그림에서 알 수 있듯이, 정적해석결과 산출된 strength ratio는 0.1717이며 이로부터 본 연구에서 설계된 블레이드는 충분히 안전함을 알 수 있다.
- 12에서 알 수 있듯이 실험결과와 해석결과는 매우 잘 일치하고 있다. 따라서 본 연구에서 블레이드 구조해석 및 설계시 적용한 유한요소해석의 해석방법 및 결과는 타당하다고 판단된다.
- 그림에서 알 수 있듯이 가장 중요한 1차 고유주파수의 경우 300RPM의 회전속도에서 정격회전속도의 3배수(3P) 선과 근접하게 평가되었으나 기계구조물의 공진 여부를 판단할 경우 일반적으로 사용되는 기준, 즉 고유주파수와 외란주파수와의 간격이 5% 이상이어야 한다는 기준을 만족하고 있음을 알 수 있다. 따라서 본 연구의 블레이드는 이의 정격회전속도인 300RPM에서 공진이 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
- 이러한 팝인 현상은 블레이드 내부에 손상이 발생하기 시작한 점이라고 평가될 수 있으며 따라서 이러한 팝인 현상이 발생한 시점의 하중을 블레이드의 구조적 건전성을 확보할 수 있는 최대파손하중으로 평가할 수 있다고 판단된다. 따라서 본 연구의 블레이드의 파손하중은 설계하중의 111.3%로 평가되며 이는 IEC 61400-2의 요구조건을 만족하고 있음을 알 수 있다.
- 3% 까지 견뎌 내어 최악조건에서 안전함을 알 수 있었다. 또한 유한요소해석 및 구조시험을 통하여 도출된 하중-변위 관계는 양자가 거의 일치하여 구조 해석의 결과는 적합하다고 판단된다.
- 247보다 충분히 작아서 안전함을 알 수 있었다. 또한 정격 회전속도인 300RPM에서 공진이 발생하지 않으며, 좌굴 또한 발생하지 않아 안전함을 알수있었다.
- 그림에서 알 수 있듯이 블레이드 허브에서의 변형은 0mm이고, 블레이드 끝으로 갈수록 변형이 크게 증가하고 있다. 여기서 허용 변형량은 블레이드와 타워의 간섭을 방지할 수 있도록 150mm로 설정하였으며 22.5m/s의 바람이 불 때 최대 변형량은 23.47mm이므로 충분히 안전함을 알 수 있다.
- 11은 공력 하중조건 하에서 각 하중단계(40, 60, 80 및 100%)의 하중－변위선도에 대한 해석 및 실험 결과를 나타낸 것으로서 그림에서 알 수 있듯이 약간의 오차가 나타나고 있지만 이는 구조시험장치의 최대용량과 관계가 있는 것으로 판단된다. 즉 본 연구에서 사용한 로드 셀의 최대용량은 15kN이지만 Bending I의 최대 작용하중은 183.54N(100% 하중 수준 기준)에 불과하여 하중－변위 선도에 일정한 오차가 발생한 것으로 판단된다. 이에 비하여 작용하중이 상대적으로 큰(971.
후속연구
- 본 연구의 대상이 되는 복합재 블레이드는 정격풍속 10.5m/s, 정격 용량 1.5kW의 3엽 블레이드(3-bladed wind turbine) 초소형 풍력발전기에 사용될 예정이다. Table 1은 이러한 요구조건하에서 블레이드 요소법(Blade Element Method Theory, BEMT) 및 운동량 이론(Momentum theory)(5,6)을 접목한 공력해석 등을 통하여 도출된 블레이드의 기본 설계자료를 나타낸 것이다.
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