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문제 정의
- 본 연구에서는 기존 연구(7)를 통하여 도출된 혼합법칙에 의한 기계적 물성치 및 구조설계 결과를 도입하였다. Table 3 은 이러한 구조설계의 적층 순서 및 적층 두께를 나타낸 것으로써 해석의 편이성 및 제작 공정의 현실을 고려하여 블레이드 길이를 10 개의 섹션으로 분할하여 각 섹션에 적층 순서 등을 적용하였다.
- 본 연구에서는 소형 복합재 블레이드의 구조적 건전성 평가를 위하여 구조시험시의 경계 및 하중 조건을 모사한 구조해석 및 실규모 구조시험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 소형 복합재 블레이드의 구조적 건전성 평가를 위하여 기존 연구를 통하여 설계된 블레이드를 대상으로 실규모 구조시험시의 경계 및 하중 조건을 모사한 구조해석을 실시하였다. 또한 이러한 구조해석의 타당성 평가 및 IEC 61400-2 의 구조시험 요구조건에 대응하기 위해 플랩방향(flapwise)으로의 실 규모 구조시험(full scale structural testing) 을 수행하였다.
제안 방법
- (1) 블레이드 요소법 및 운동량 이론을 접목한 공력해석을 통하여 블레이드에 가해지는 하중을 산출하였다. 또한 IEC 61400-2 규격에 따른 최악조건에서의 하중 해석을 수행하였다.
- 공력학적 해석 방법은 Table 1 의 풍력발전기 사양에 대하여 블레이드 요소법(blade element method, BEM) 및 운동량 이론(momentum theory)을 접목한 공력해석을 통하여 블레이드에 가해지는 하중을 산출하였다. 또한 IEC 61400-2 에 따른 단순 하중 해석은 동 규격에 명시되어 있는 하중 케이스 (load case)에 대하여 수행되었으며 이 중 최악조건에 해당하는 Case H (parked wind loading) 조건하에서 하중 해석을 수행하였다.
- 구조시험의 기계작 부하 조건의 모사를 위하여 허브 부분을 제외한 1.3 m 의 55 % 지점에 ±25 mm 폭을 주어 상부표피(upper skin) 에 절점하중으로 부여하였다.
- (1) 블레이드 요소법 및 운동량 이론을 접목한 공력해석을 통하여 블레이드에 가해지는 하중을 산출하였다. 또한 IEC 61400-2 규격에 따른 최악조건에서의 하중 해석을 수행하였다.
- 공력학적 해석 방법은 Table 1 의 풍력발전기 사양에 대하여 블레이드 요소법(blade element method, BEM) 및 운동량 이론(momentum theory)을 접목한 공력해석을 통하여 블레이드에 가해지는 하중을 산출하였다. 또한 IEC 61400-2 에 따른 단순 하중 해석은 동 규격에 명시되어 있는 하중 케이스 (load case)에 대하여 수행되었으며 이 중 최악조건에 해당하는 Case H (parked wind loading) 조건하에서 하중 해석을 수행하였다. Table 4 는 이러한 공력학적 해석 및 IEC 61400-2 Case H 에 따른 하중 해석 결과를 이용하여 블레이드 루트 부위에 작용하는 굽힘 및 비틀림 모멘트 값을 정리하여 나타낸 것이다.
- 본 연구에서는 소형 복합재 블레이드의 구조적 건전성 평가를 위하여 기존 연구를 통하여 설계된 블레이드를 대상으로 실규모 구조시험시의 경계 및 하중 조건을 모사한 구조해석을 실시하였다. 또한 이러한 구조해석의 타당성 평가 및 IEC 61400-2 의 구조시험 요구조건에 대응하기 위해 플랩방향(flapwise)으로의 실 규모 구조시험(full scale structural testing) 을 수행하였다.
- 복합재 블레이드 구조설계의 건전성 및 이의 구조적 반응 평가를 위하여 Table 4 의 시험하중을 기준으로 40, 60, 80, 100 및 110 %까지 하중을 부하한 경우에 대한 해석을 수행하였다.
- 복합재 블레이드 구조설계의 정확성, 파괴 저항성 및 국부 변형률 거동 평가를 위하여 실규모 블레이드에 대한 구조시험을 실시하였다. Fig.
- 실 규모 구조시험은 바람에 의해 하중을 받는 방향인 블레이드 플랩 방향으로 공력 설계에 의하여 산출된 공력하중 및 IEC 61400-2 의 극한 하중 조건인 Case H(parked wind loading)의 경우를 적용하여 수행되었다. 이 경우 작용 하중은 시험하중의 40, 60, 80 및 100 %의 하중을 가하였다.
- 1 절의 실규모 구조시험 조건에 대한 구조해석을 실시하였다. 여기서 경계조건은 허브(hub) 부분의 X, Y, Z 방향 및 Y, Z 회전방향 의 자유도를 구속하였다. 구조시험의 기계작 부하 조건의 모사를 위하여 허브 부분을 제외한 1.
- 이와 같이 구성된 복합재 블레이드의 유한요소 모델을 이용하여 2.1 절의 실규모 구조시험 조건에 대한 구조해석을 실시하였다. 여기서 경계조건은 허브(hub) 부분의 X, Y, Z 방향 및 Y, Z 회전방향 의 자유도를 구속하였다.
- 한편, 복합재 블레이드는 면내 제원에 비하여 두께가 얇은 구조물로서 국부 좌굴(local buckling)의 위험성이 존재한다. 이의 확인을 위해 유한요소 해석을 통하여 구한 블레이드 길이방향(spanwise)의 국부 변형률(local strain)의 변화 거동을 Fig. 5 에 제시하였다. 단, 여기서 최악하중 조건인 Bending II 에 해당하는 국부 변형률만을 제시하였다.
- Table 3 은 이러한 구조설계의 적층 순서 및 적층 두께를 나타낸 것으로써 해석의 편이성 및 제작 공정의 현실을 고려하여 블레이드 길이를 10 개의 섹션으로 분할하여 각 섹션에 적층 순서 등을 적용하였다. 특히 블레이드의 경량화를 고려하여 끝단(tip) 부분으로 갈수록 두께가 얇아 지도록 설계하였다.
- 한편 복합재 블레이드의 경우, 인장 파손과 더불어 가장 위험한 좌굴 파손의 상대적 발생 가능성을 평가하기 위하여 Fig. 8 의 압축 변형률을 보다 면밀히 검토하였다. 결과 루트부와 하중 작용점 중간 부위에서 국부 좌굴 현상이 발생할 가능성이 타 위치보다 상대적으로 높은 것으로 판단된다.
대상 데이터
- 본 연구의 대상이 되는 블레이드가 사용되는 소형 풍력발전기는 정격 풍속 10.5 m/s 및 정격 용량 1.5 kW 의 3 엽 블레이드 소형 풍력발전기(3-bladed small wind turbine)이다. Table 1 은 이의 기본 설계사양을 나타낸 것이다.
- 본 연구의 블레이드는 DBL600E 삼축(triaxial) Glass/Epoxy 복합재료를 기본으로 블레이드 루트 부위에 폴리우레탄 폼을 이용하여 제작 되었으며 이들의 물성치는 Table 2 와 같다. 제조공법은 진공 성형 핸드 레이업(vacuum assisted hand layup)을 사용하였으며 상온에서 경화하였다.
데이터처리
- 초소형 풍력 발전기용 복합재료 블레이드가 주어진 설계 목적을 만족하는지 평가하기 위해 상용 소프트웨어인 ABAQUS(6)를 이용하여 구조해석을 수행하였다. 전체 유한요소 모델은 쉘 요소(shell element)의 4 절점을 가진 S4R 과 3 절점의 S3R 을 사용되었으며 요소의 개수는 19035 개 이고, 절점(node)의 개수는 19074 개이다.
이론/모형
- 또한 이러한 복합재 블레이드에 작용하는 하중조건은 공력학적 해석 방법(aerodynamic analysis)(8) 및 IEC 61400-2 의 단순 하중 계산(simple load calculation) 방법에 의하여 결정되었다.
- 이와 같은 하중조건을 가지고 허브 부분을 제외한 블레이드 길이의 55 % 지점에 폭 ±25 mm 의 하중 부하장치(load saddle)를 장착하여 하중을 가하였다. 이때 사용된 계측기는 부하하중 측정용 로드셀(loadcell) 및 블레이드의 변위를 측정하기 위한 LVDT(linear variable displacement transducer)를 사용하였다. 특히 2 개의 LVDT 는 하중 작용점과 블레이드의 끝단에 설치하였다.
- 본 연구의 블레이드는 DBL600E 삼축(triaxial) Glass/Epoxy 복합재료를 기본으로 블레이드 루트 부위에 폴리우레탄 폼을 이용하여 제작 되었으며 이들의 물성치는 Table 2 와 같다. 제조공법은 진공 성형 핸드 레이업(vacuum assisted hand layup)을 사용하였으며 상온에서 경화하였다.
성능/효과
- (2) 실규모 구조시험을 모사한 유한요소해석을 수행한 결과, 블레이드의 최대 인장 응력 및 압축 변형률은 각각 루트부 및 중간부위에서 발생하는 것으로 평가되었다.
- (3) 복합재 블레이드에 대한 실규모 구조시험 결과, 좌굴과 관련된 압축변형률은 블레이드 중간부위에서 최대값으로 평가되었지만 실제 좌굴의 발생가능성은 매우 낮은 것으로 평가되었다.
- 8 의 압축 변형률을 보다 면밀히 검토하였다. 결과 루트부와 하중 작용점 중간 부위에서 국부 좌굴 현상이 발생할 가능성이 타 위치보다 상대적으로 높은 것으로 판단된다. 이러한 현상은 루트부 후면부가 전면부에 비하여 상대적으로 볼록한 형태의 공력 형상을 가지므로 국부좌굴 현상의 발생이 어려운 기하학적 특성에 기인한다고 판단된다.
- 4 의 유한요소해석 결과와 함께 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 구조시험결과는 유한요소해석 결과와 잘 일치하고 있으며 이로부터 구조설계의 건전성을 확인할 수 있었다. 또한 최악 하중조건인 Bending II 의 경우 시험하중의 약 110 %에서 최초 파손이 발생하는 결과를 얻어 복합재 블레이드의 파괴 저항성을 확인할 수 있었다.
- 이러한 현상은 루트부 후면부가 전면부에 비하여 상대적으로 볼록한 형태의 공력 형상을 가지므로 국부좌굴 현상의 발생이 어려운 기하학적 특성에 기인한다고 판단된다. 단, 국부 변형률 크기 자체만으로 좌굴의 절대적 발생 가능성을 평가하는 것은 곤란하고 유한요소해석 등의 자료와 종합적으로 평가해야 하며 이를 위하여 기존 연구(7)와 함께 판단한 결과 좌굴 현상의 발생 가능성은 매우 낮은 것으로 평가되었다.
- 그림에서 알 수 있듯이 블레이드의 하중-변위 곡선은 작용하중의 크기와 관계없이 매우 선형적인 거동을 나타내고 있으며 이는 복합재료의 선형적인 하중-변형 거동에 기인한 것으로 판단된다. 또한 변위 측정 위치에 따른 하중-변위 선도의 경우 블레이드 끝단에서의 변위가 매우 크므로 하중-변위 곡선의 기울기가 변화하는 결과를 나타내었으며 하중조건이 상이한 경우에도 유사한 경향임이 확인되었다. 단, 작용하중이 보다 큰 Bending II 하중 조건의 경우 하중이 매우 큰 경우라도 선형적인 변형 거동을 보이고 있다.
- 그림에서 알 수 있듯이 구조시험결과는 유한요소해석 결과와 잘 일치하고 있으며 이로부터 구조설계의 건전성을 확인할 수 있었다. 또한 최악 하중조건인 Bending II 의 경우 시험하중의 약 110 %에서 최초 파손이 발생하는 결과를 얻어 복합재 블레이드의 파괴 저항성을 확인할 수 있었다.
- 또한 이러한 오차는 블레이드 루트부에서만 발생하고 그 외의 위치에서는 해석과 실험결과는 상당히 유사한 결과를 보이고 있다. 이로부터 구조설계시 적용된 유한요소 모델의 정확성 및 블레이드 끝단으로 이동할수록 인장 변형률보다는 압축 변형률이 상대적으로 점차 증가하는 현상을 알 수 있다.
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