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문제 정의
- 때문에 유럽에서는 이미 블레이드의 경량화와 구조적 강도 향상을 동시에 만족시킬 수 있는 방안에 대한 각종 연구가 진행 중에 있다 특히 최근 들어 지구온난화로 인해 태풍의 규모가 커지고 외부환경이 급변하고 있는 실정에 블레이드의 자중을 고려한 경량화 및 강도향상에 관한 연구는 필수적이다 7). 따라서 본 연구의 목적은 로터블레이드의 경량화와 구조적 강도향상에 있다. 이를 위해 경제성 등을 고려하여 블레이드 구조재료의 일부 층을 재료의 우수성이 입증된 CFRP로 대체하여 발전설비의 대형화에 대비한 경량화 및 강도 향상을 도모하고자 한다.
제안 방법
- 도모하였다. 또한 현재 양산 중인 모델에 대한 해석을 수행하여 두 모델에 대한 결과를 비교 . 검토하였다.
- 또한, 인장시험 시 시험기의 그립으로부터 손상을 방지하기 위하여 시험편 양 끝단에 에폭시 수지인 아랄다이트(araldite)로서 주재료인 폴리폴리머와 무수프탈산계인 경화제를 1:1의 중량비로 혼합하여 알루미늄 탭(두께 : 2.01皿)을 부착하였다. 인장시험을 할 경우에 탭 부위는 응력집중에 의한 파손 및 박리가 발생하기 쉽기 때문에 이것을 방지하기 위해 탭에 30。의 테이퍼 각을 주었다.
- 본 연구에서는 풍력발전설비의 대형화에 대비하여 블레이드의 경량화 및 구조적 강도향상을 위해 블레이드 구조 성능실험 중 하나인 Minimum Flap Wise test 조건을 부여하여 해석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 인장시험을 할 경우에 탭 부위는 응력집중에 의한 파손 및 박리가 발생하기 쉽기 때문에 이것을 방지하기 위해 탭에 30。의 테이퍼 각을 주었다. 시험편은 알루미늄 탭을 부착한 후 전기로(국내 K사, HY-8000S)에서 1001C로 30분간 열처리를 수행하여 탭의 접합강도를 강화시켜 시험편의 슬립을 최소화하였다.
- 따라서 본 연구의 목적은 로터블레이드의 경량화와 구조적 강도향상에 있다. 이를 위해 경제성 등을 고려하여 블레이드 구조재료의 일부 층을 재료의 우수성이 입증된 CFRP로 대체하여 발전설비의 대형화에 대비한 경량화 및 강도 향상을 도모하고자 한다.
- 평직 CFRP 복합재료의 탄성계수, 프아송비 및 인장강도 등 기본적인 기계적 재료 물성치 측정은 종횡 2방향 변형률 게이지를 부착한 인장 시험편으로 상온에서 만능동적 시험기 이사, 50kN)를 사용하여 구하였으며 ASTM D 3039를 참고하여 0.1mm/ min의 변위제어로 수행하였다. 세로 가로방향 변형률을 측정하기 위하여 Model 5100B Scanner(V사) 를 이용하였으며, 이때 얻어진 결과는 PC에 입력되고, 전용 데이터 처리 프로그램을 사용하여 신호를 분석하고 획득하였다.
대상 데이터
- 블레이드의 전장길이는 42.65m이며 최장폭이 3.456m 인 Neck지점에서부터 Shell 부분을 거쳐 블레이드의 끝부분으로 가면서 회전각을 주었다. Fig.
- 또한 현재 양산 중인 모델에 대한 해석을 수행하여 그 결과와 제시한 모델의 해석 결과를 비교하였다. 사용된 요소는 solid 10 절점 요소를 사용 하였으며 요소 수는 1, 278, 841만개이다. 유한요소법을 이용한 수치해석을 위해 본 연구에서는 해석경계조건은 Fig.
- 수치해석에 사용될 블레이드의 CFRP에 대한 재료 특성평가를 위해 국내 한국카본(주)에서 생산되는 CF 3327 EPCX두께 : 0.27mm)인 평직 탄소섬유 강화 프리프레그(plain woven caibon prepreg)를 이용하였다. 프리프레그의 섬유와 수지의 함유량은 Table 1에 나타내었다.
- 세로 각각 250x 250mtn로 절단하였다. 평직 CFRP 복합재료의 기계적 특성치를 평가하기 위해 사용되는 인장 시험편은 6플라이로 적층하였다. 적층된 프리프레그는 열 성형기에서 초기 온도를 135°C까지 상승시킨 이후 대략 2분 간격으로 1笆씩 상승시켜 최종성형온도를 140°C로 하였다.
-
1. 해석모델
해석대상인 블레이드는 3MW급 대형풍력발전기에 사용되는 모델의 규모를 대상으로 하였다
. 블레이드의 전장길이는 42.
데이터처리
- 0을 사용하였다. CATIA를 이용하여 블레이드를 모델링하였으며 이를 ANSYS 9.0에서 격자 분할 및 해석을 수행하였다.
- 따라서 본 연구에서 사용된 해석조건은 Minimum Flap Wise test 조건을 부여하였다. 또한 현재 양산 중인 모델에 대한 해석을 수행하여 그 결과와 제시한 모델의 해석 결과를 비교하였다. 사용된 요소는 solid 10 절점 요소를 사용 하였으며 요소 수는 1, 278, 841만개이다.
- 4에 도식화 하여 설명하였다. 상용해석프로그램인 ANSYS9.0을 사용하였다. CATIA를 이용하여 블레이드를 모델링하였으며 이를 ANSYS 9.
- 1mm/ min의 변위제어로 수행하였다. 세로 가로방향 변형률을 측정하기 위하여 Model 5100B Scanner(V사) 를 이용하였으며, 이때 얻어진 결과는 PC에 입력되고, 전용 데이터 처리 프로그램을 사용하여 신호를 분석하고 획득하였다.
이론/모형
- 입증된 것으로 여겨진다. 따라서 본 연구에서 사용된 해석조건은 Minimum Flap Wise test 조건을 부여하였다. 또한 현재 양산 중인 모델에 대한 해석을 수행하여 그 결과와 제시한 모델의 해석 결과를 비교하였다.
성능/효과
- Fig. 9의 (a) 와 (b) 는 블레이드 내부의 GFRP층과대체된 재료인 CFRP층에 대한 변위분포를 나타낸 그래프이다 GFRP블레이드의 경우 최대변위는 6.752m로 CFRP 블레이드의 경우는 3.994m로 각각 나타나 블레이드의 구조재료 중 한 층만 CFRP로 대체하여도 전체적인 변형 발생을 억제하는데 충분한 효과가 발휘됨을 확인하였다.
- 1) 블레이드 구조재 중 내부 한 층을 일방향 유리섬유에서 평직CFRP로 대체하여 해석한 결과 블레이드 전체적인 응력등고 분포가 GFRP모델에 비해 규칙적이고 낮은 응력 값을 나타내었으며 또한 twisted tip부분에서도 낮은 응력 값을 나타내 구조적 성능향상을 확인할 수 있었다.
- 2) 평직 CFRP로 대체한 모델의 경우 GFRP모델에 비해 변위 발생이 현격히 줄어든 것으로 나타나 블레이드 전체의 변형 발생을 억제할 수 있음을 확인하였다. 또한 GFRP와 평직 CFRP는 같은 단면두께를 가지는 모델에 대해 해석을 수행하였으므로 강도 향상이 증명된 CFRP 모델의 단면두께를 감소 시켜 추가적인 경량화를 이룰 수 있을 것으로 사료된다.
- 3) Hub 와 Neck 연결부에서는 두 모델 다 높은 응력 값을 나타내었다. 이는 본 연구에서 시도한 평직 CFRP 적용을 Neck과 Shell 부분에 대하여서만 시도하였고 해석결과를 바탕으로 연결부에 까지 적용을 넓힐 경우 블레이드 취약부인 Hub 와 Neck 연결부에 대한 보강이 충분히 이루어질 것으로 사료된다.
- 7의 (a) 와 (b) 는 블레이드의 twisted tip을 따라서 발생한 von Mis係 응력 값을 나타내었다. Hub 와 Neck 연결부에서 불규칙한 응력분포형태를 나타내었으며 twisted tip이 시작되는 8.434m에서 부 터 선형적인 증가를 나타내다 26.5m지점에서 GFRP 블레이드의 경우 최대값이 약 10.99MPa, CFRP 블레이드의 경우는 6.45M伊a로 나타났다.
- 6의 (a) 와 (b) 는 블레이드 표면의 종방 향을 따라서 발생한 von Mises 응력값을 나타내었다. 두 모델 다 블레이드의 Flap wise test 시에 가장 취약 부분인 Hub와 Neck의 연결부에서 높은 응력 값이 나타났다. 이 후 선형적인 증가를 나타내다 대략 26.
- 5의 (a)와 (b) 에 각각 나타내었다. 두 모델을 비교한 결과 CFRP 가 적용된 블레이드의 경우 내부 구조재료 중 대체한 CFRP층에 의한 하중 부담으로 인해 블레이드 전체적인 응력등고 분포의 변화단계가 GFRP모델에 비해 작게 나타났으며 낮은 응력값을 나타내고 있음을 알 수 있다.
- 8의 (a) 와 (b) 에 각각 블레이드 내부의 GFRP 층과 대체된 재료인 CFRP층에 대한 응력 등고선을 나타내었다. 두 모델을 비교한 결과 CFRP모델이 GFRP모델에 비해 응력등고 분포의 변화가 규칙적으로 나타났음을 알 수 있다.
- 본 연구에서는 재료 특성시험에서 확인한 결과를 토대로 블레이드 구조재료에 사용되는 일부의 GFRP층을 평직CFRP로 대체하여 경량화 및 강도 향상을 도모하였다. 또한 현재 양산 중인 모델에 대한 해석을 수행하여 두 모델에 대한 결과를 비교 .
- 2에 나타내었다. 응력-변형률 선도는 거의 파단 시까지 안정적으로 선형적인 관계를 보여주고 있으며, 최대 응력 l, 546MPa에서 급작파괴가 발생하였다. 얻어진 기계적 재료 특성치는 Table 2에 나타낸다.
- 두 모델 다 블레이드의 Flap wise test 시에 가장 취약 부분인 Hub와 Neck의 연결부에서 높은 응력 값이 나타났다. 이 후 선형적인 증가를 나타내다 대략 26.5m지점에서 최대응력이 발생하였는데 GFRP블레이드의 경우 55.89MPa, CFRP블레이드의 경우는 32.4MPa로 나타나 블레이드의 구조재료 중 한 층만 CFRP로 대체하여도 구조적인 강도 측면에서 충분한 효과가 발휘됨을 확인하였다. 또한 취약부분인 Hub와 Neck 연결부의 구조 및 구조재료의 변경을 통한 강도향상에 관한 연구가 추가적으로 필요함을 확인하였다.
- 나타내었다. 이는 본 연구에서 시도한 평직 CFRP 적용을 Neck과 Shell 부분에 대하여서만 시도하였고 해석결과를 바탕으로 연결부에 까지 적용을 넓힐 경우 블레이드 취약부인 Hub 와 Neck 연결부에 대한 보강이 충분히 이루어질 것으로 사료된다.
후속연구
- 또한 GFRP와 평직 CFRP는 같은 단면두께를 가지는 모델에 대해 해석을 수행하였으므로 강도 향상이 증명된 CFRP 모델의 단면두께를 감소 시켜 추가적인 경량화를 이룰 수 있을 것으로 사료된다.
- 4MPa로 나타나 블레이드의 구조재료 중 한 층만 CFRP로 대체하여도 구조적인 강도 측면에서 충분한 효과가 발휘됨을 확인하였다. 또한 취약부분인 Hub와 Neck 연결부의 구조 및 구조재료의 변경을 통한 강도향상에 관한 연구가 추가적으로 필요함을 확인하였다.
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