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문제 정의
- 본 연구에서는 500W급 수직축 블레이드에 대한 공력 설계 및 구조 설계를 수행하여 설계 요구 조건을 만족하는지 검토하였다. 최종 블레이드 설계 결과를 제시하고 제작 및 구조 시험을 수행하여 구조 해석 결과와 비교하였다.
- 본 연구에서는 한국과 같은 지형에 적용이 가능하도록 양호한 저 풍속 시동 특성을 가지며 효율이 높은 500W급 소형 수직축 풍력터빈 시스템을 새롭게 제안하고 공력 및 구조에 관한 최적 설계를 수행하였다. 또한 설계된 풍력터빈에 대한 이론적인 성능해석을 수행하였으며, 시제품 제작 및 실험을 통하여 설계결과를 확인 하였다.
가설 설정
- 국내 평균 풍속이 8m/s인 전라도 여수 간여암의 2010년 1년 동안의 풍속 자료를 총 13개의 영역으로 나누었다. 풍속 2m/s이하는 풍력 터빈 시스템의 시동 풍속 이하이므로 회전 날개의 하중이 작용하지 않는다고 가정하였으며 풍속 20m/s~40m/s 영역에서는 회전 날개가 운용되지 않고 정지 되어 있는 영역으로써 이때의 하중은 최대 풍속인 40m/s의 하중으로 계산하였다.
제안 방법
- 공력시험을 위해 서영테크의 SYG-A208-600 발전기[11]를 사용하였으며, 3상을 단상으로 바꾸기 위해 정류기가 사용되었으며, 저항을 바꿔가며 전압측정기를 이용하여 최대 출력을 측정하였다. RPM 측정을 위해서 NI사의포토센서(photo sensor)와 랩뷰(Labview)로 만들어진 프로그램을 통해 데이터 분석을 수행하였다. Fig.
- 각 풍속에 대한 풍력 터빈의 RPM 및 회전 날개에 작용하는 하중은 앞서 제안했던 공력 설계 프로그램을 통해 획득하였다. 또한 공력 설계 프로그램을 통해 얻은 각 풍속영역에 대한 20년 동안의 싸이클(cycle)을 구하였다.
- 공력 설계 완료 후 구조 설계 요구 조건을 분석하여 구조 설계 하중을 산출하고 이를 바탕으로 구조 설계를 수행한다. 구조 설계 결과는 변형률 및 응력분포를 확인하기 위한 정하중 해석, 고유 진동수 해석, 좌굴 해석, 피로수명 해석을 수행하여 블레이드에 대한 안전성을 판단한다.
- 공력 설계는 Strickland 그리고 Sharpe에 의해 개발된 다중유관이론(Multi-Stream tube Theory)[5][6]을 기반으로 아래에 제시한 식을 통해 전산 해석코드를 작성하였으며, 현재 상용화 된 수직축 풍력터빈의 성능 시험과 비교하여 신뢰성을 확보한 후 수행하였다. 전산 해석 코드의 결과는 동력계수대 깃끝속도비로 출력되도록 작성되었으며 최적화된 공력 설계를 위해 설계변수를 각각 블레이드 수, 솔리디티(Solidity), 에어포일, 높이/반경 비 에 대하 parameter study를 통하여 최적화된 공력 형상을 결정 하였다.
- 또한 설계된 풍력터빈에 대한 이론적인 성능해석을 수행하였으며, 시제품 제작 및 실험을 통하여 설계결과를 확인 하였다. 공력 설계에서는 여러 가지 다양한 설계 변수 분석을 통해 각각의 설계변수에 따른 블레이드 설계결과를 충분히 검토하여 사용 목적에 맞도록 최적화하였다. 또한 상용 프로그램 ANSYS CFX를 이용하여 공력 해석을 수행하였다.
- 차량에 고정된 풍력터빈 시스템은 3 ~ 11m/s 사이의 다양한 풍속에서 출력이 측정되었으며 보다 더 정확한 실험을 수행하기 위하여 한 가지 풍속에 대해서 3km의 거리를 주행하며 출력이 측정되었다. 공력시험을 위해 서영테크의 SYG-A208-600 발전기[11]를 사용하였으며, 3상을 단상으로 바꾸기 위해 정류기가 사용되었으며, 저항을 바꿔가며 전압측정기를 이용하여 최대 출력을 측정하였다. RPM 측정을 위해서 NI사의포토센서(photo sensor)와 랩뷰(Labview)로 만들어진 프로그램을 통해 데이터 분석을 수행하였다.
- 공력해석은 상용코드인 ANSYS CFX를 이용하였으며, 블레이드는 회전 운동만 하기 때문에 블레이드 주위의 회전 영역과 그 외의 영역에서는 고정영역으로 구분하는 경계조건으로 적용하였다. 원통형 유동장의 반쪽 영역은 입구이며 그 반대는 출구 영역으로 설정하였으며, 설계한 값과 비교를 위해 정격 출력 조건인 입구에서는 풍속 8m/s를, 내부 회전영역은 167rpm으로 회전하도록 설정하였고, 출구와 유동장 윗부분에는 opening조건을 주었다.
- 공력 설계 완료 후 구조 설계 요구 조건을 분석하여 구조 설계 하중을 산출하고 이를 바탕으로 구조 설계를 수행한다. 구조 설계 결과는 변형률 및 응력분포를 확인하기 위한 정하중 해석, 고유 진동수 해석, 좌굴 해석, 피로수명 해석을 수행하여 블레이드에 대한 안전성을 판단한다. 구조 설계 후 시제품을 제작한 뒤 구조 시험 및 성능 시험을 통하여 해석 결과와 비교를 통해 해석 결과의 타당성을 검증하고 설계를 확정하게 된다.
- 하중 해석 결과 하중 조건 2에서 가장 큰 모멘트가 발생하여 구조 설계 기준은 하중 조건 2로 정하여 구조 설계를 수행하였다. 구조 설계 형상은 스킨-스파-폼 샌드위치 기본 구조를 기준으로 블레이드의 스킨과 스파의 두께를 결정하는 방법을 적용하였다. 기본 구조 형상은 Fig.
- 구조 설계 결과는 변형률 및 응력분포를 확인하기 위한 정하중 해석, 고유 진동수 해석, 좌굴 해석, 피로수명 해석을 수행하여 블레이드에 대한 안전성을 판단한다. 구조 설계 후 시제품을 제작한 뒤 구조 시험 및 성능 시험을 통하여 해석 결과와 비교를 통해 해석 결과의 타당성을 검증하고 설계를 확정하게 된다.
- 또한 블레이드의 제조 방법으로는 비용 절감을 위해 수적층(hand lay-up)에 의한 matched die molding을 고려하였다. 구조 해석은 유한요소법을 이용하여 응력 및 변형량을 해석하였으며, 굽힘 하중에 의한 국부 좌굴 문제를 고려하였고, 또한 피로 요구 수명 20년을 만족하는지 확인하기 위하여 하중 스펙트럼 생성 및 마이너 법칙을 통하여 확인 하였다. 그리고 이와 같은 방법으로 설계 및 해석된 블레이드의 시제품 제작을 통한 구조시험 및 성능 시험을 수행하여 구조해석 및 공력 해석의 결과를 입증하였다.
- 구조 해석은 유한요소법을 이용하여 응력 및 변형량을 해석하였으며, 굽힘 하중에 의한 국부 좌굴 문제를 고려하였고, 또한 피로 요구 수명 20년을 만족하는지 확인하기 위하여 하중 스펙트럼 생성 및 마이너 법칙을 통하여 확인 하였다. 그리고 이와 같은 방법으로 설계 및 해석된 블레이드의 시제품 제작을 통한 구조시험 및 성능 시험을 수행하여 구조해석 및 공력 해석의 결과를 입증하였다.
- 각 풍속에 대한 풍력 터빈의 RPM 및 회전 날개에 작용하는 하중은 앞서 제안했던 공력 설계 프로그램을 통해 획득하였다. 또한 공력 설계 프로그램을 통해 얻은 각 풍속영역에 대한 20년 동안의 싸이클(cycle)을 구하였다. 하중 스펙트럼(spectrum)에 의한 가변하중이력을 받는 상황에서 수명을 예측하기 위한 단순화된 하중 이력으로 줄이기 위하여 20년 동안 가장 싸이클(cycle)이 낮은 20m/s~40m/s 영역대의 싸이클(cycle)로 나누어 싸이클(cycle)비를 계산한 후 하나의 군으로 나타내었다.
- 구조 설계에서는 스킨-스파-폼(skin-spar-foam)의 샌드위치 기본 구조를 기준으로 구조 설계 및 해석을 하였으며, 사용 재질은 국내 업체에서 제조하여 그 물성이 입증된 유리섬유/에폭시(glass/epoxy)를 사용하였다. 또한 블레이드의 제조 방법으로는 비용 절감을 위해 수적층(hand lay-up)에 의한 matched die molding을 고려하였다. 구조 해석은 유한요소법을 이용하여 응력 및 변형량을 해석하였으며, 굽힘 하중에 의한 국부 좌굴 문제를 고려하였고, 또한 피로 요구 수명 20년을 만족하는지 확인하기 위하여 하중 스펙트럼 생성 및 마이너 법칙을 통하여 확인 하였다.
- 본 연구에서는 한국과 같은 지형에 적용이 가능하도록 양호한 저 풍속 시동 특성을 가지며 효율이 높은 500W급 소형 수직축 풍력터빈 시스템을 새롭게 제안하고 공력 및 구조에 관한 최적 설계를 수행하였다. 또한 설계된 풍력터빈에 대한 이론적인 성능해석을 수행하였으며, 시제품 제작 및 실험을 통하여 설계결과를 확인 하였다. 공력 설계에서는 여러 가지 다양한 설계 변수 분석을 통해 각각의 설계변수에 따른 블레이드 설계결과를 충분히 검토하여 사용 목적에 맞도록 최적화하였다.
- 블레이드 설계는 시스템 사양 정립 후 공력 설계를 수행한 후 구조 설계를 수행한다. 먼저 설계 요구 조건으로부터 블레이드의 크기 및 에어포일, 깃 끝 속도비 등을 결정하는 공력 설계를 수행하고, 공력 해석 및 공력 실험을 통하여 요구 성능 만족 여부를 검토한 후 설계를 개선하거나 확정하게 된다.
- 풍력발전용 회전날개는 요구 피로 수명 동안에 예상되는 반복 하중에 견딜 수 있어야 한다. 본 연구에서는 국내에서 평균 풍속이 8m/s인 지역의 풍속을 분석하여 공력 설계 프로그램을 이용해 하중 스펙트럼(spectrum)을 분석하였다. 그리고 마이너 법칙(miner‘s rule)을 통해 풍력 터빈 시스템의 수명 요구조건인 20년에 대한 구조의 건전성을 판단하였다[9][10].
- 이는 인구 밀집형 지역에 적용이 유리함을 가진다. 본 연구에서는 먼저 공력 형상 설계를 수행하고, 복합재료를 적용하여 스킨-스파-폼 샌드위치(skin-spar-foam sandwich) 구조를 채택하여 500W급 직접 구동형 수직축 블레이드의 구조 설계를 수행하였다. 적용된 재료는 경제적이면서 성능이 우수한 glass/epoxy가 적용되었다.
- 블레이드의 공력 형상 설계 이후에 구조 설계하중을 정의하고 구조 설계를 수행하였다. 구조 설계를 위한 하중은 공력 하중과 회전에 의한 원심하중을 고려하여 하중 조건을 정의하였다.
- 본 연구에는 Table 3과 같이 이러한 조건을 고려하여 정의된 하중을 명시하였다. 블레이드의 원심력과 돌풍등을 고려하여 구조 설계 하중을 정의한 후 각각의 하중 조건을 해석하였다. 하중 해석 결과 하중 조건 2에서 가장 큰 모멘트가 발생하여 구조 설계 기준은 하중 조건 2로 정하여 구조 설계를 수행하였다.
- 사용된 복합소재에 대한 S-N 곡선[7]과 하중 스펙트럼을 이용하여 누적손상을 계산하였으며 피로수명을 평가하기 위해 마이너 법칙을 통하여 피로수명 요구조건 20년에 대한 구조의 건전성을 판단하였다. 그러나 마이너 법칙에서 손상은 피로 한도 이상의 응력에 대해서만 고려되기 때문에 풍속 2~3m/s와 같이 피로 한도 이하의 응력에 대해서는 수정된 마이너 법칙을 적용하였으며, 최종 계산한 결과는 0.
- 블레이드와 타워를 연결하는 연결 지지대의 위치는 블레이드의 굽힘 모멘트가 최소화 되는 위치로 정하였다. 선행 연구를 통해 신뢰성이 확보된 단순 설계 방안(netting rule)와 혼합 설계 방안(rule of mixture)를 통하여 블레이드의 초기 구조 설계를 하였으며 설계 결과를 Table 4에 타나내었다[1][2].
- 시제품 제작을 위해 스티로폼을 이용한 mock-up을 제작하였으며, 이를 상면과 하면으로 분할하여 제작하였다. 제작된 몰드의 재질은 glass/epoxy이며, 경화 중에 압력을 받더라도 변형되지 않도록 충분한 강도를 갖도록 하였다.
- 설계된 블레이드의 공력 성능을 입증하기 위해 공력 시험이 수행되었으며 이를 위해 특별한 시험장치 및 타워(tower)가 제작되었다. 실험실 주변에는 바람이 일정치 못하고, 충분한 풍속이 나오지 않는 지역이므로 적재함이 있는 차량에 타워(tower)를 고정하여 실험하였다. 이 방법은 다른 논문을 통해 성능 시험에 적합함이 확인 되어 있다.
- 제작된 몰드의 재질은 glass/epoxy이며, 경화 중에 압력을 받더라도 변형되지 않도록 충분한 강도를 갖도록 하였다. 이렇게 제작된 몰드에 이형재를 바르고 겔코트를 도포한 후 hand lay-up 방법으로 유리섬유 및 에폭시를 적층하였으며, 상하면 몰드의 적층이 끝나게 되면 이들을 서로 결합한 후 내부에 우레탄 폼을 발포하는데, 이때 원래 부피의 약 3배정도로 팽창하는 폼의 발포압력을 이용하여 적층된 섬유를 몰드에 밀착하도록 하여 섬유 체적비가 향상하도록 하였다. Fig.
- 공력 설계는 Strickland 그리고 Sharpe에 의해 개발된 다중유관이론(Multi-Stream tube Theory)[5][6]을 기반으로 아래에 제시한 식을 통해 전산 해석코드를 작성하였으며, 현재 상용화 된 수직축 풍력터빈의 성능 시험과 비교하여 신뢰성을 확보한 후 수행하였다. 전산 해석 코드의 결과는 동력계수대 깃끝속도비로 출력되도록 작성되었으며 최적화된 공력 설계를 위해 설계변수를 각각 블레이드 수, 솔리디티(Solidity), 에어포일, 높이/반경 비 에 대하 parameter study를 통하여 최적화된 공력 형상을 결정 하였다. 설계 결과는 풍력 터빈의 출력계수는 다음과 같이 정의 된다.
- 제작된 시제품 블레이드를 정 하중 시험을 위해 설계하중을 3점 집중하중으로 모사하여 각각의 하중은 유압식 구조시험 장비를 활용하여 정하중 시험을 수행 하였다. Fig.
- 이 방법은 다른 논문을 통해 성능 시험에 적합함이 확인 되어 있다. 차량에 고정된 풍력터빈 시스템은 3 ~ 11m/s 사이의 다양한 풍속에서 출력이 측정되었으며 보다 더 정확한 실험을 수행하기 위하여 한 가지 풍속에 대해서 3km의 거리를 주행하며 출력이 측정되었다. 공력시험을 위해 서영테크의 SYG-A208-600 발전기[11]를 사용하였으며, 3상을 단상으로 바꾸기 위해 정류기가 사용되었으며, 저항을 바꿔가며 전압측정기를 이용하여 최대 출력을 측정하였다.
- 또한 공력 설계 프로그램을 통해 얻은 각 풍속영역에 대한 20년 동안의 싸이클(cycle)을 구하였다. 하중 스펙트럼(spectrum)에 의한 가변하중이력을 받는 상황에서 수명을 예측하기 위한 단순화된 하중 이력으로 줄이기 위하여 20년 동안 가장 싸이클(cycle)이 낮은 20m/s~40m/s 영역대의 싸이클(cycle)로 나누어 싸이클(cycle)비를 계산한 후 하나의 군으로 나타내었다. 상기 과정을 통해 생성된 하중스펙트럼(spectrum)은 무차원화된 값이다.
- 블레이드의 원심력과 돌풍등을 고려하여 구조 설계 하중을 정의한 후 각각의 하중 조건을 해석하였다. 하중 해석 결과 하중 조건 2에서 가장 큰 모멘트가 발생하여 구조 설계 기준은 하중 조건 2로 정하여 구조 설계를 수행하였다. 구조 설계 형상은 스킨-스파-폼 샌드위치 기본 구조를 기준으로 블레이드의 스킨과 스파의 두께를 결정하는 방법을 적용하였다.
대상 데이터
- 구조 설계에서는 스킨-스파-폼(skin-spar-foam)의 샌드위치 기본 구조를 기준으로 구조 설계 및 해석을 하였으며, 사용 재질은 국내 업체에서 제조하여 그 물성이 입증된 유리섬유/에폭시(glass/epoxy)를 사용하였다. 또한 블레이드의 제조 방법으로는 비용 절감을 위해 수적층(hand lay-up)에 의한 matched die molding을 고려하였다.
- 국내 평균 풍속이 8m/s인 전라도 여수 간여암의 2010년 1년 동안의 풍속 자료를 총 13개의 영역으로 나누었다. 풍속 2m/s이하는 풍력 터빈 시스템의 시동 풍속 이하이므로 회전 날개의 하중이 작용하지 않는다고 가정하였으며 풍속 20m/s~40m/s 영역에서는 회전 날개가 운용되지 않고 정지 되어 있는 영역으로써 이때의 하중은 최대 풍속인 40m/s의 하중으로 계산하였다.
- 3에 명시하였다. 사용된 재료는 구조적 강도 및 피로 수명이 뛰어나고 비교적 저렴한 Glass/epoxy Fabric을 적용하였다. 블레이드의 스킨은 주로 전단하중을 담당하므로 ±45로 적층하고, 스파는 주로 굽힘 하중을 담당하므로 (0/90)로 적층하였다.
- 설계된 블레이드의 공력 성능을 입증하기 위해 공력 시험이 수행되었으며 이를 위해 특별한 시험장치 및 타워(tower)가 제작되었다. 실험실 주변에는 바람이 일정치 못하고, 충분한 풍속이 나오지 않는 지역이므로 적재함이 있는 차량에 타워(tower)를 고정하여 실험하였다.
- 본 연구에서는 먼저 공력 형상 설계를 수행하고, 복합재료를 적용하여 스킨-스파-폼 샌드위치(skin-spar-foam sandwich) 구조를 채택하여 500W급 직접 구동형 수직축 블레이드의 구조 설계를 수행하였다. 적용된 재료는 경제적이면서 성능이 우수한 glass/epoxy가 적용되었다.
데이터처리
- 공력 설계에서는 여러 가지 다양한 설계 변수 분석을 통해 각각의 설계변수에 따른 블레이드 설계결과를 충분히 검토하여 사용 목적에 맞도록 최적화하였다. 또한 상용 프로그램 ANSYS CFX를 이용하여 공력 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 500W급 수직축 블레이드에 대한 공력 설계 및 구조 설계를 수행하여 설계 요구 조건을 만족하는지 검토하였다. 최종 블레이드 설계 결과를 제시하고 제작 및 구조 시험을 수행하여 구조 해석 결과와 비교하였다. 본 연구 대상 풍력 발전 시스템의 사양은 Table 1과 같다.
이론/모형
- 복합재료는 압축하중이 약하기 때문에 압축 응력이 작용하는 부위 안전성을 면밀히 검토해야 한다. 구조 해석을 위해 본 연구에서는 유한요소 상용 코드인 NASTRAN을 이용하여 구조 해석을 수행하였다. 해석 결과 스킨의 응력은 압축 응력이 86.
- 사용된 격자수는 총 17309개이며 y+는 10이하로 하였으며, 해석 난류 모델은 층류로부터 난류로의 천이영역에 대한 높은 신뢰성의 Κ - ω모델 기반인 SST 모델을 적용하였다.
- 02로 확인되었다. 안전성 검토를 위한 파괴 기준으로는 Tasi- Wu 파괴 이론을 적용 하였다. 본 연구 블레이드는 설계 단계에서 안전율 3이 고려되어 다양한 운용 환경 조건에서 구조안전성을 충분히 확보한 것으로 확인되었다.
성능/효과
- 사용된 복합소재에 대한 S-N 곡선[7]과 하중 스펙트럼을 이용하여 누적손상을 계산하였으며 피로수명을 평가하기 위해 마이너 법칙을 통하여 피로수명 요구조건 20년에 대한 구조의 건전성을 판단하였다. 그러나 마이너 법칙에서 손상은 피로 한도 이상의 응력에 대해서만 고려되기 때문에 풍속 2~3m/s와 같이 피로 한도 이하의 응력에 대해서는 수정된 마이너 법칙을 적용하였으며, 최종 계산한 결과는 0.7로서 피로 요구 수명 20년을 만족함을 확인 하였다.
- 안전성 검토를 위한 파괴 기준으로는 Tasi- Wu 파괴 이론을 적용 하였다. 본 연구 블레이드는 설계 단계에서 안전율 3이 고려되어 다양한 운용 환경 조건에서 구조안전성을 충분히 확보한 것으로 확인되었다. 해석 결과는 Table 5 에 나타 내었다.
- 11은 설계 프로그램을 통해 해석한 결과와 실험 결과를 비교한 것으로서 측정된 출력은 기계적 효율이 포함된 공기역학적 출력이며 계산된 출력은 순수한 공기역학적인 출력과 여기에 설계 단계에서 고려하였던 발전기 제작 회사에서 제공한 기계적 효율 83%를 적용하여 계산된 전기적인 출력이다. 본 풍력 터빈의 발전기는 정격 풍속에서 실험 결과 이론적인 계산 결과와 비교적 잘 일치함을 보였다. 그러나 풍속이 높아질수록 이론적인 계산 값과 비교적 높은 오차를 보였으며, 이는 발전기의 출력 범위와 블레이드의 실속 등에 의한 오차로 판단된다.
- 사용된 격자수는 총 17309개이며 y+는 10이하로 하였으며, 해석 난류 모델은 층류로부터 난류로의 천이영역에 대한 높은 신뢰성의 Κ - ω모델 기반인 SST 모델을 적용하였다. 실제 성능 시험에 사용될 발전기의 효율 등을 고려하여 공력 설계 목표는 600W를 목표로 하였으며, 유동 해석 결과 출력은 663W로 공력 설계 목표와 유사함을 확인 하였다. 전체적인 공력 형상과 스트림 라인의 모습은 Fig.
- 1MPa로 확인되었다. 응력 해석 이후 블레이드의 중요 검토 요소인 좌굴 해석 결과 좌굴 하중 배수는 1차 모드에서 1.02로 확인되었다. 안전성 검토를 위한 파괴 기준으로는 Tasi- Wu 파괴 이론을 적용 하였다.
- 구조 해석을 위해 본 연구에서는 유한요소 상용 코드인 NASTRAN을 이용하여 구조 해석을 수행하였다. 해석 결과 스킨의 응력은 압축 응력이 86.9MPa, 인장 응력이 97.4MPa로 확인되었으며, 스파의 응력은 32.9MPa, 인장 응력은 11.1MPa로 확인되었다. 응력 해석 이후 블레이드의 중요 검토 요소인 좌굴 해석 결과 좌굴 하중 배수는 1차 모드에서 1.
후속연구
- 해석 결과는 Table 5 에 나타 내었다. 또한 본 연구 대상 블레이드는 회전하는 구조물이므로 공진 여부를 반드시 검토해야 한다. 고유 진동수 해석은 구조물의 공진 여부를 검토하기 위해 MSC.
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