[논문]풍력발전시스템의 진동특성

김정수; 이형우; 박노길; 김영덕; 김수엽; 이동환

doi:10.5916/jkosme.2011.35.6.786

풍력발전시스템의 진동특성
Characteristic of Vibration in Windturbine System 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.35 no.6, 2011년, pp.786 - 795

김정수 (부산대학교 기계시스템설계 대학원) , 이형우 (부산대학교 기계기반융합부품소재인재양성센터) , 박노길 (부산대학교 기계공학부) , 김영덕 (S&T중공업) , 김수엽 (S&T중공업) , 이동환 (한국기계연구원)

초록
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본 연구에서는 블레이드, 증속기, 발전기, 케이스를 포함한 풍력 발전시스템의 진동 모델을 개발 하였다. 특히 유성기어열에서의 유성기어는 유연핀에 지지가 되어 있는데, 이는 비틀림만을 고려하지 않고 유성기어의 회전 방향의 접선방향으로의 병진 운동을 고려하였으며, 풍력발전시스템이 마운트에 지지되어 있는 특징을 고려하여 케이스에 의한 운동을 포함 하였다. 풍력발전 시스템의 진동특성을 파악하기위하여, 풍하중, 불평형, 치합전달오차에 등에 의한 자려가진원을 구하였고, 운전속도 범위 내에서 위험속도 분석을 하였다. 위험속도해석결과, 2단 치통과 주파수에 의해서 81.2Hz, 104.7Hz 모드에서 공진이 발생하며, 3단 치통과 주파수에 의해서 264.5Hz, 377Hz, 424.6Hz 모드에서 공진이 발생하는 것을 알 수 있었다. 또한, 공진이 발생하는 진동모드를 분석하여 진동저감 대책을 수립하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper described the characteristic of vibration in wind turbine system including gearbox housing, gear drive, blade, generator. Especially, in planetary gear set, planet gears are supported by flexible pin. So, in planet gear, to consider not only torsional movement but also lateral movement. And include housing movement, because wind turbine system is supported by mount. To find out the characteristic of vibration, take the excitation source and study campbell diagram in operating range. Results of campbell diagram, resonances are occurred at 81.2HZ, 104.7Hz by 2nd tooth passing frequency. And resonance are also occurred at 264.5HZ, 377Hz, 424.6Hz by 3th tooth passing frequency. From the result, take vibration reduced measures.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 블레이드, 증속기, 발전기, 케이스를 포함한 풍력 발전시스템의 진동 모델을 개발하고 진동 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 케이스 및 기어시스템이 포함된 증속기와 블레이드, 발전기 전체를 고려한 진동모델을 제안한다. 유성기어열에서 유성기어는 유연핀에 지지가 되어 있는데, 유연핀의 경우 유연핀과 결합되어 있는 케리어/지지판의 비틀림 운동에 의해서 유연핀의 중심지점에 병진운동이 발생하게 된다.
풍하중, 치합전달오차, 베어링, 불평형 등에 의한 진동 가진원을 구하고 운전속도 범위 내에서 위험속도 특성을 파악하고자한다.

제안 방법

(1) 풍력발전시스템의 구성 부품에 대한 수학적 진동모델을 개발하였다.
(3) 풍하중, 치통과 주파수, 질량 불평형등을 가진원으로 위험속도 해석을 수행하였다. 그 결과 치통과 주파수에 의해서 81.
로터 블레이드와 각 스테이지의 기어 요소부, 커플링, 발전기, 케이스, 지지판 등의 요소에 질량을 집중시켜 각 요소들을 수학적인 모형으로 모델링을 하였다. 각각의 기어 사이의 치 접촉부와 유성기어와 이를 지지하는 베어링부에는 사이에는 유성기어가 회전하는 방향으로의 접선방향으로 병진운동을 설정하고, 블레이드, 캐리어, 지지판등 요소들 사이에는 비틀림 스프링을 설정 하였다. 기어박스는 마운트를 통하여 지지 되기 때문에 이에 따른 전체적인 시스템에 미치는 영향을 고려하여야 한다.
[7]에서는 굽힘, 비틀림, 축력이 연성되어 있는 헬리컬기어 쌍에 대한 일반적인 진동모델을 수립하였다. 또, 헬리컬 기어쌍에 대한 진동모델의 타당성을 보이기위해, 치합전달오차로 발생하는 위험속도결과를 실험과 비교하였다.
풍력발전 시스템의 복잡한 구성요소들을 집중질량계로 수학적 모델링을 하였다. 로터 블레이드와 각 스테이지의 기어 요소부, 커플링, 발전기, 케이스, 지지판 등의 요소에 질량을 집중시켜 각 요소들을 수학적인 모형으로 모델링을 하였다. 각각의 기어 사이의 치 접촉부와 유성기어와 이를 지지하는 베어링부에는 사이에는 유성기어가 회전하는 방향으로의 접선방향으로 병진운동을 설정하고, 블레이드, 캐리어, 지지판등 요소들 사이에는 비틀림 스프링을 설정 하였다.
유성기어열에서 유성기어는 유연핀에 지지가 되어 있는데, 유연핀의 경우 유연핀과 결합되어 있는 케리어/지지판의 비틀림 운동에 의해서 유연핀의 중심지점에 병진운동이 발생하게 된다. 비틀림 요소에 의해서 발생하는 병진운동의 영향 무시하지 않고, 유연핀 중심점, 유성기어의 중심점을 지지베어링으로 연결하여 유성기어의 접선방향으로의 운동을 고려하여 진동모델을 수립하였다.
풍력발전시스템이 마운트에 지지되어 있는 특징을 고려하여 케이스의 비틀림에 의한 운동을 포함하였다. 여기서 또한 케이스의 비틀림운동에 의하여 발생하는 출력축의 병진운동을 고려하였다.
기어박스는 마운트를 통하여 지지 되기 때문에 이에 따른 전체적인 시스템에 미치는 영향을 고려하여야 한다. 이를 위하여 케이스를 지지하는 마운트를 양쪽에 각각 하나씩 설정하여 수학적 모델링에 추가하였다. 수학적 모델링을 하기 위하여 설정한 운동에너지 및 탄성에너지 요소명은 Table 1, 2에 나타내었다.
인볼류트 기어의 치변형으로 인한 진동모델은 두 기어의 기초원과 그 원의 작용선 방향으로 연결되는 1차원 스프링으로 모델링을 하였다.
종동기어-커플링-발전기 진동모델은 특별히 복잡하지 않다. 출력축1~2 사이에 커플링을 회전체로 보고 발전기 내부의 회전자도 회전체로 보고 집중 질량계로 모델링하였다.
풍력발전 시스템의 복잡한 구성요소들을 집중질량계로 수학적 모델링을 하였다. 로터 블레이드와 각 스테이지의 기어 요소부, 커플링, 발전기, 케이스, 지지판 등의 요소에 질량을 집중시켜 각 요소들을 수학적인 모형으로 모델링을 하였다.
풍력발전시스템이 마운트에 지지되어 있는 특징을 고려하여 케이스의 비틀림에 의한 운동을 포함하였다. 여기서 또한 케이스의 비틀림운동에 의하여 발생하는 출력축의 병진운동을 고려하였다.

성능/효과

(2) 고유 모드를 해석한 결과 요소들을 연결하는 연결축과 유성기어를 지지하는 베어링 및 케이스 마운트에서 진동을 유발하는 탄성 요소임을 확인하였다. 8차, 9차 모드에서 케이스의 운동에 의한 유성기어 지지핀의 병진운동을 살펴 볼 수 있었다.
(3) 풍하중, 치통과 주파수, 질량 불평형등을 가진원으로 위험속도 해석을 수행하였다. 그 결과 치통과 주파수에 의해서 81.2hz, 104.7hz, 210.9hz, 264.5hz, 377hz, 424.6hz 공진이 발생함을 알 수 있었다. 소음 및 진동을 저감하기 위하여 치형수정을 통하여 2단, 3단의 치합전달 오차를 줄여야 할 것으로 사료된다.
Figure 12는 기어의 치통과 주파수에 대해서 위험속도 해석을 한 결과를 나타내고 있다. 위험속도해석 결과, 2단 치통과 주파수에 의해서 81.2Hz, 104.7Hz 모드에서 공진이 발생하며, 3단 치통과 주파수에 의해서 264.5Hz, 377Hz, 424.6Hz 모드에서 공진이 발생하는 것을 알 수 있다.[Table 4]

후속연구

본 논문에서 제안한 풍력발전시스템 해석방법이 향후 풍력발전시스템 설계 및 연구에 크게 기여할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서는 무엇을 포함한 풍력 발전시스템의 진동 모델을 개발하였는가?	본 연구에서는 블레이드, 증속기, 발전기, 케이스를 포함한 풍력 발전시스템의 진동 모델을 개발 하였다. 특히 유성기어열에서의 유성기어는 유연핀에 지지가 되어 있는데, 이는 비틀림만을 고려하지 않고 유성기어의 회전 방향의 접선방향으로의 병진 운동을 고려하였으며, 풍력발전시스템이 마운트에 지지되어 있는 특징을 고려하여 케이스에 의한 운동을 포함 하였다.
	풍력발전시스템의 시장이 폐쇄적인 특징을 가지고 있는 이유는 무엇인가?	풍력발전 시스템은 블레이드, 타워, 증속기, 발전기 및 각종 제어기 등으로 구성되어 있으며, 수명을 20년 이상 보장해야하므로 신뢰성 있는 제품만이 시장진입이 가능한 폐쇄적인 특징을 가지고 있다. 특히, 풍력발전시스템의 대형화 추세에 따라 경량화 및 진동/소음을 고려한 고 신뢰성의 증속기 설계기술이 요구된다.
	이산화탄소 발생량을 제안한 도쿄의정서의 발표로 세계 각국들이 기술 개발에 심혈을 기울이고 있는 신재생 에너지로 언급된 것은 무엇인가?	최근 지구 온난화, 이상기후 현상, 유가급등 등의 문제로 화석연료를 대체할 친환경에너지에 대한 관심이 증가하고 있다. 그리고 이산화탄소 발생량을 제안한 교토의정서의 발표로 세계 각국들은 풍력에너지, 태양광, 해양에너지 등과 같은 신재생 에너지 기술개발에 더 많은 심혈을 기울이고 있다. 또한, 저탄소 녹색성장을 위한 유력 수단으로 신재생에너지 분야를 정부에서 강력하게 지원하고 나서고 있고, 이에 따라 풍력산업이 기존 조선 기계산업 등의 경쟁력에 더하여 신성장동력으로 주목을 받고 있다.

참고문헌 (7)

F. K. Choy, Y. K. Tu, M. Savage and D. P. Townsend, "Vibration signature and modal analysis of multi-stage gear transmission", Jouranl of the Franklin Institure, vol. 328, no. 2/3, pp. 281-298, 1991.

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F. K. Choy and Y. F. Ruan, "Modal simulation of gear box vibration with experimental correlation", Journal of Propulsion and Power, vol. 9, no. 2, pp. 301-306, 1993.

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A. Kahraman, H. N. Ozguven, D. R. Houser, and J. J. Zakrajsek, "Dynamic analysis of geared rotors by finite elements", Journal of Mechanical Design, Transactions of the American Society of Mechanical Engineers, vol. 114, pp. 507-514, 1992.

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A.Kahraman, "Dynamic analysis of a multi-mesh helical gear train", journal of mechanical design, Transaction of the ASME, vol. 116, pp. 706-712, 1994.

상세보기
이형우, 이동환, 박노길, "터보압축기의 진동특성에 관한 해석적 연구", 한국소음진동공학회지, 제 8권 제 6호, pp. 1069-1077, 1998.

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W. S, Ko, H. W. Lee and N. G. Park, "Development of a vibration model of a helical gear pair for vehicle transmission," International Journal of Automotive Technology, vol. 7, no. 4, pp. 477-483, 2006.

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H. W. Lee, S. H. Park, M. W. Park and N. G. Park, "Vibrational characteristics of automotive transmission," International Journal of Automotive Technology, vol. 10, no. 4, pp. 459-467, 2009.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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