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문제 정의
- 본 논문에서는 풍력터빈의 허브 역할을 하는 소형풍력터빈의 블레이드 및 체결부를 대상으로 유한요소모델을 수립하고, 정격풍속 상태 및 한계 풍속 상태에서 구조적인 안정성 평가를 위해 상용 소프트웨어인 ANSYS를 이용하여 응력해석을 수행하고 구조적인 안정성을 확보하기 위하여 설계 변경 안을 제시하였다.
- 유한요소 모델을 이용한 모드해석은 시스템이 가지는 동특성을 분석하기 위하여 유한요소법을 이용하여 수치적으로 고유진동수와 고유모드를 추출하는 방법이다. 이 연구에서는 시스템 분석법으로 추출되어진 블레이드 체결부 부품들의 고유진동수와 고유모드를 비교하기 위하여 ANSYS를 이용하여 모델링된 각 부품의 유한요소 모델을 이용하여 모드해석을 수행하였다. 경계조건은 시스템 분석과 동일한 조건을 부여하기 위하여 자유단 상태에서 수행 되었으며, Table 3는 추출된 블레이드와 블레이드홀더의 모드해석 결과를 나타낸다.
제안 방법
- (1) 시스템 분석과 모드해석을 이용하여 각 부품과 유한요소 모델의 고유진동수와 고유모드를 추출하고 비교 분석을 통하여 실제 부품의 동특성을 가지는 유한요소 모델을 정립하였다.
- (2) 정립된 유한요소 모델을 이용하여 동적 응력해석을 수행하였다. 응력해석 결과 정격풍속 상태에서 발생하는 최대응력은 블레이드와 블레이드 홀더를 결합시키는 볼트에서 발생하였으며, 이는 안전계수가 3.
- (3) 응력해석결과를 바탕으로 취약부위로 판단되는 곳을 보강한 구조변경 모델을 만들었으며, 이 모델을 이용한 재해석을 통하여 한계풍속에서도 안정성 확보가 가능한 모델을 제시하였다.
- ANSYS에 의해서 만들어진 블레이드와 체결부의 유한요소 모델이 실제 블레이드와 체결부와 같은 동특성을 나타내는지 검증하기 위하여 블레이드와 체결부 부품의 실험적 모드해석 방법을 통하여 각 부품의 고유진동수와 고유모드를 추출하고 각 부품의 유한요소 모델을 이용한 모드해석을 통하여 구해진 고유진동수와 고유모드의 비교를 통하여 유한요소 모델을 검증하였다.
- 각 부품은 자유단 상태에서 실험하였으며, 충격 해머(impact hammer)를 이용하여 부품을 가진하고 가속도계(accelerometer)를 부착하여 가진에 대한 응답을 측정하였다. 실험에 대한 장치도는 Fig.
- 응력해석에 사용된 경계조건은 블레이드홀더의 가운데 구멍 부분에 회전을 제외한 변위를 구속시키는 Cylindrical조건을 사용하여 실제 작동상태에서 블레이드홀더의 움직임을 재연하였고, 위에 언급한 바와 같이 블레이드와 볼트의 접촉면에는 두 부품이 접촉을 유지하면서 움직이는 bonded조건을 이용하여 볼트의 나사선에 의하여 블레이드가 고정되는 것을 대신 하도록 하였다. 또한 선형해석을 위하여 블레이드와 블레이드홀더 그리고 볼트가 만나는 가로방향 접촉면에는 no separation조건을 이용하여 접촉면의 마찰계수를 무시하였다. 블레이드홀더는 풍속조건에 따른 회전속도를 가져 원심력이 작용하도록 하였다.
- 본 연구에서는 소형풍력터빈 체결부에 대하여 유한요소 해석모델을 확립하고 이를 이용하여 체결부에 대한 응력해석을 수행하였다. 이에 얻어진 결론은 다음과 같다.
- 블레이드 체결부의 동적 응력해석을 위하여 블레이드, 블레이드홀더, 플레이트, 볼트 및 너트를 모델링 하였으며, 유한요소 모델링에는 ANSYS를 사용하였다. Fig.
- 블레이드의 고정에 사용되는 볼트는 선형 해석을 위하여 나사선을 제거한 단순 모델링을 하였으며, 볼트에 사용되는 와셔를 모델링하여 볼트와 너트에 각각 부착하였다. 플레이트는 4963개의 요소와 1043개의 절점을 갖으며 볼트와 너트는 총 10241개의 요소와 39386개의 절점을 갖는다.
- 블레이드의 체결부를 이루고 있는 블레이드와 블레이드홀더의 각 단품의 유한요소 모델을 검증하였으며, 응력해석을 하기에 앞서 각 부품들을 조립한 모델을 검증하기 위하여 각 단품을 조립한 모델에 대하여 모드실험과 모드해석을 수행하였다. 조립체 모델의 체결부는 블레이드와 볼트의 접촉면에 두 부품이 접촉을 유지하면서 움직이는 bonded조건을 이용하였으며, 볼트가 만나는 가로 방향 접촉면에는 no separation조건을 적용 하였다.
- 블레이드홀더 지지대 사이의 응력발생을 줄이기 위하여 블레이드홀더의 밑판의 두께를 0.5mm 씩 증가 시키면서 응력해석을 수행하였으며. 응력 해석 시 사용된 경계조건과 하중조건은 기존의 해석조건과 동일하며, Fig.
- 응력해석에 사용된 경계조건은 블레이드홀더의 가운데 구멍 부분에 회전을 제외한 변위를 구속시키는 Cylindrical조건을 사용하여 실제 작동상태에서 블레이드홀더의 움직임을 재연하였고, 위에 언급한 바와 같이 블레이드와 볼트의 접촉면에는 두 부품이 접촉을 유지하면서 움직이는 bonded조건을 이용하여 볼트의 나사선에 의하여 블레이드가 고정되는 것을 대신 하도록 하였다. 또한 선형해석을 위하여 블레이드와 블레이드홀더 그리고 볼트가 만나는 가로방향 접촉면에는 no separation조건을 이용하여 접촉면의 마찰계수를 무시하였다.
- 실험적 모드해석 방법은 시스템의 고유한 특성을 알아내는 기법으로 측정 가능한 힘으로 시스템을 가진하고 응답신호를 측정하여 진폭 및 위상 등의 정보를 이용하여 시스템의 동특성을 알아내는 방법이다. 이 연구에서는 각 부품의 고유진동수를 추출하고 각 고유진동수별 고유모드를 추출하기 위하여 실험적 모드해석 방법을 이용하였다.
- 블레이드의 체결부를 이루고 있는 블레이드와 블레이드홀더의 각 단품의 유한요소 모델을 검증하였으며, 응력해석을 하기에 앞서 각 부품들을 조립한 모델을 검증하기 위하여 각 단품을 조립한 모델에 대하여 모드실험과 모드해석을 수행하였다. 조립체 모델의 체결부는 블레이드와 볼트의 접촉면에 두 부품이 접촉을 유지하면서 움직이는 bonded조건을 이용하였으며, 볼트가 만나는 가로 방향 접촉면에는 no separation조건을 적용 하였다.
대상 데이터
- 블레이드홀더의 재질은 스테인리스강(SUS304)으로 이루어져 있으며, 재료의 물성치는 밀도 7900kg/m3, 영률(Young's modulus) 193 GPa, 포아송비(Poisson's ratio) 0.29 이다.
- 해석에 사용된 풍력터빈은 1kW급 소형풍력터빈으로 Table 1은 그 제원을 나타낸다. 체결부의 구조는 블레이드홀더와 볼트 및 플레이드로 이루어져 있다.
데이터처리
- 5은 각각 블레이드와 블레이드홀더의 고유진동수별 실험적 방법과 유한요소 모델을 이용한 모드해석에서 추출된 모드형상을 나타낸다. 실험적 방법을 통하여 추출된 진동신호를 Matlab을 이용하여 각 고유진동수별 모드형상을 추출하였으며, 모델을 이용한 모드해석에 의하여 추출된 모드형상과 비교하여 나타내었다.
- 위에서 설명한 경계조건과 계산되어진 하중조건을 적용하여 응력해석을 수행하였으며, 그 결과는 Fig. 8~11과 같다. 정격풍속 상태에서 최대응력이 발생하는 부분은 블레이드홀더와 블레이드를 이어주는 볼트에서 발생하였으며, 그 크기는 80.
- 응력해석은 상용 소프트웨어인 ANSYS를 이용하여 각각 정격풍속 상태와 한계풍속 상태에서 수행되었다. 응력해석에 사용된 유한요소 모델은 블레이드홀더에 단품 블레이드를 볼트와 너트를 이용하여 체결한 모델을 사용하였으며, Fig.
이론/모형
- 응력해석에 사용된 블레이드에 작용하는 하중은 소형풍력터빈의 국제 규격인 IEC 61400-2(5)에서 명시되어 있는 약식 하중 계산 절차에 따라 계산되었다. 이 방법은 일반적으로 허브를 강체로 블레이드를 외팔보로 가정하여 계산되어지며, 다음과 같다.
- 응력해석은 상용 소프트웨어인 ANSYS를 이용하여 각각 정격풍속 상태와 한계풍속 상태에서 수행되었다. 응력해석에 사용된 유한요소 모델은 블레이드홀더에 단품 블레이드를 볼트와 너트를 이용하여 체결한 모델을 사용하였으며, Fig. 7는 응력해석에 사용된 체결부 모델을 나타낸다.
성능/효과
- 블레이드 체결부의 응력해석결과 한계풍속에서 블레이드홀더의 지지대 사이에서 발생하는 응력이 블레이드의 허용응력인 205 MPa보다 높은 245.11 MPa의 응력이 발생하는 것으로 나타났다. 따라서 블레이드홀더의 구조변경이 필요하다고 판단된다.
- 실험에 의해서 추출한 고유진동수와 해석에 의해서 구해진 고유진동수를 비교한 결과 1차 고유진동수에서 4차 고유진동수까지 10% 이내의 오차율을 보이고 있으며, 추출된 모드형상 또한 실험과 해석에 의한 형상이 같은 형태를 띠고 있다. 각 고유진동수별 모드형상을 Fig.
- (2) 정립된 유한요소 모델을 이용하여 동적 응력해석을 수행하였다. 응력해석 결과 정격풍속 상태에서 발생하는 최대응력은 블레이드와 블레이드 홀더를 결합시키는 볼트에서 발생하였으며, 이는 안전계수가 3.1로 충분한 안정성 확보가 가능하다.
- 응력해석 결과 한계풍속 조건에서 밑판의 두께가 2.5mm인 모델에서는 150.89 MPa의 응력이 발생했고, 3.0mm인 모델에서는 117.01 MPa의 응력이 발생하였다. 블레이드홀더의 밑면의 초기두께에서 2.
- 구조변경 모델의 응력해석 결과와 산출된 안전계수를 Table 7에 나타내었다. 해석결과에서 알 수 있듯이 블레이드홀더의 두께가 2.5mm 이상이 되어야 안전계수 1이상이 확보가 가능하며 3.0mm 이사일 경우 안전계수 1.7이상 확보가 가능하다.
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