본 논문은 정상풍속과 돌발풍속을 수학적으로 모델링하고 풍향에 따라 전달되는 메인축에서의 전달모멘트를 조사하여 기어박스에 전달되는 풍하중의 특성을 파악하였다. 정상풍속은 지상에서 고도가 높아짐에 따라 속도가 증가하게 설정을 하였다. 풍하중에 의해서 메인축으로 전달되는 모멘트의 평균값과 하모닉값을 풍향 입사각을 $-45^{\circ}{\sim}45^{\circ}$로 변화를 주며 특성을 파악하였다. 또한 기어 트레인의 미스 얼라인먼트를 유발시키는 굽힘 모멘트의 특성을 파악하였다. 정상풍속모델에서는 블레이드의 3배수 주파수(3X)로 하는 토크의 가진이 생기며, 바람의 방향이 $+22.5^{\circ}$일 때 수평방향의 굽힘 모멘트가 주축으로 들어가는 토크의 50%수준으로 발생하는데 이는 수평방향으로의 탄성 축 휘임을 유발하여 치가 모서리에서 물림이 발생하게 하는 원인을 제공함을 알 수 있었다. 돌발풍속의 경우, 3X, 6X, 9X를 가진 주파수로 하는 토크의 가진이 바람의 방향이 +방향으로 커질수록 하모닉항의 상대 비율이 증가하였다.
본 논문은 정상풍속과 돌발풍속을 수학적으로 모델링하고 풍향에 따라 전달되는 메인축에서의 전달모멘트를 조사하여 기어박스에 전달되는 풍하중의 특성을 파악하였다. 정상풍속은 지상에서 고도가 높아짐에 따라 속도가 증가하게 설정을 하였다. 풍하중에 의해서 메인축으로 전달되는 모멘트의 평균값과 하모닉값을 풍향 입사각을 $-45^{\circ}{\sim}45^{\circ}$로 변화를 주며 특성을 파악하였다. 또한 기어 트레인의 미스 얼라인먼트를 유발시키는 굽힘 모멘트의 특성을 파악하였다. 정상풍속모델에서는 블레이드의 3배수 주파수(3X)로 하는 토크의 가진이 생기며, 바람의 방향이 $+22.5^{\circ}$일 때 수평방향의 굽힘 모멘트가 주축으로 들어가는 토크의 50%수준으로 발생하는데 이는 수평방향으로의 탄성 축 휘임을 유발하여 치가 모서리에서 물림이 발생하게 하는 원인을 제공함을 알 수 있었다. 돌발풍속의 경우, 3X, 6X, 9X를 가진 주파수로 하는 토크의 가진이 바람의 방향이 +방향으로 커질수록 하모닉항의 상대 비율이 증가하였다.
In this study, normal wind load and blast wind load are modeled mathematical. And the periodical torque and bending moments transmitted to the main shaft of wind turbine are investigated. A normal wind model assumed, of which the wind velocity is increased according to the height from ground. The av...
In this study, normal wind load and blast wind load are modeled mathematical. And the periodical torque and bending moments transmitted to the main shaft of wind turbine are investigated. A normal wind model assumed, of which the wind velocity is increased according to the height from ground. The average values and the harmonic terms of the transmitted moments are studied on the wind direction of range $-45^{\circ}{\sim}45^{\circ}$ and the bending moment characteristics are examined, which is regarded as the main source of the misalignment of gear train. In normal wind load case, excitation frequency is 3X (X : Rotor speed). When the wind direction is $+22.5^{\circ}$, the horizontal axis of bending moment occur the 50% of main torque. This result leads to edge contact of gear teeth by shaft elastic deformation. In blast wind load case, excitation frequency are 3X,6X,9X. Additional, in the (+) direction of wind load, relative harmonic percentage is increase.
In this study, normal wind load and blast wind load are modeled mathematical. And the periodical torque and bending moments transmitted to the main shaft of wind turbine are investigated. A normal wind model assumed, of which the wind velocity is increased according to the height from ground. The average values and the harmonic terms of the transmitted moments are studied on the wind direction of range $-45^{\circ}{\sim}45^{\circ}$ and the bending moment characteristics are examined, which is regarded as the main source of the misalignment of gear train. In normal wind load case, excitation frequency is 3X (X : Rotor speed). When the wind direction is $+22.5^{\circ}$, the horizontal axis of bending moment occur the 50% of main torque. This result leads to edge contact of gear teeth by shaft elastic deformation. In blast wind load case, excitation frequency are 3X,6X,9X. Additional, in the (+) direction of wind load, relative harmonic percentage is increase.
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문제 정의
본 연구는 정상풍속과 돌발풍속을 수학적으로 모델링하고 풍향에 따라 전달되는 메인축에서의 전달모멘트를 조사하여 기어박스에 전달되는 풍하중의 특성을 파악하는데 목적이 있다. 풍속 모델은 고도에 따라 속도분포가 변하는 정상풍속모델과 바람중심에서 정규분포로 속도가 변화되는 돌발풍속모델 둘로 나누었다.
블레이드의 형상 및 양력/항력계수는 [6]에서 제시된 일반적인 경우를 채택하였다. 풍향에 따른 메인축에 전달되는 풍하중을 토크와 굽힘모멘트에 대하여 계산하여 주파수 스펙트럼을 통하여 그 특성을 살피고 블레이드에서 발생하는 굽힘 및 토크 모멘트와 기어박스의 진동 가진원을 파악하여 풍력 발전기 설계에 필요한 기초자료로 삼고자 한다.
가설 설정
돌발풍속은 바람 중심으로부터 속도분포가 정규분포로 변한다고 가정하였다. 바람의 중심은 블레이드 중심을 기준으로 설정된다(Figure 2 참조).
제안 방법
Figure 11은 돌발풍속모델일 때 굽힘 모멘트의 하모닉 성분이다. 3X, 6X, 9X, 12X성분의 가진이 발생하는 것을 파악하였다. 또한, 보통 수평방향 굽힘모멘트의 평균값은 주축 전달토크의 25% 이하 수준이다.
돌발풍하중에서 바람의 중심이 블레이드 중심에서 블레이드의 끝 방향으로 변화되는 경우 산출되는 풍하중 모멘트를 시간역에서 살펴보았다.
본 연구에서는 여러 가지 운전 조건과 돌발상황을 고려하여 바람의 방향을 블레이드 방향 기준으로 좌우로 45°범위로 한정하여 모사실험하고자 한다. 모사실험은 정상풍속모델과 돌발풍속 모델에 대하여 수행하였다. 정상풍속 모델에서 사용한 계수는 높이가 30m일 때 풍속이 11m/s이고 계수 a는 0.
바람은 랜덤특성을 가지는 것이 일반적이나 본 연구에서는 메인축에 전달되는 굽힘모멘트의 특성을 검토하기 위하여 풍속을 정상풍속모델과 돌발 풍속 모델 둘로 설정하였다. 일반적으로 정상적인 바람은 지면에서 고도에 따라 변한다.
본 연구에서는 블레이드, 바람의 프로파일(profile)을 설계한 후, 항력, 양력의 원리에 의해서 풍하중 모멘트를 해석하여 얻은 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 여러 가지 운전 조건과 돌발상황을 고려하여 바람의 방향을 블레이드 방향 기준으로 좌우로 45°범위로 한정하여 모사실험하고자 한다.
연구에 사용한 블레이드는 반경에 무관하게 입사각이 10°로 일정하게 설정을 하여 피치각을 설정하였으며, 식 (4)를 통하여 블레이드의 chord길이를 설계 하였다.
본 연구는 정상풍속과 돌발풍속을 수학적으로 모델링하고 풍향에 따라 전달되는 메인축에서의 전달모멘트를 조사하여 기어박스에 전달되는 풍하중의 특성을 파악하는데 목적이 있다. 풍속 모델은 고도에 따라 속도분포가 변하는 정상풍속모델과 바람중심에서 정규분포로 속도가 변화되는 돌발풍속모델 둘로 나누었다. 블레이드의 형상 및 양력/항력계수는 [6]에서 제시된 일반적인 경우를 채택하였다.
이론/모형
항력/양력계수는 입사각의 크기에 따라 변한다. 본 연구에서는 양력, 항력계수를 Siegfried Heier[6]을 인용하였다. Figure 7은 본 연구에서 사용한 계수자료이다.
풍속 모델은 고도에 따라 속도분포가 변하는 정상풍속모델과 바람중심에서 정규분포로 속도가 변화되는 돌발풍속모델 둘로 나누었다. 블레이드의 형상 및 양력/항력계수는 [6]에서 제시된 일반적인 경우를 채택하였다. 풍향에 따른 메인축에 전달되는 풍하중을 토크와 굽힘모멘트에 대하여 계산하여 주파수 스펙트럼을 통하여 그 특성을 살피고 블레이드에서 발생하는 굽힘 및 토크 모멘트와 기어박스의 진동 가진원을 파악하여 풍력 발전기 설계에 필요한 기초자료로 삼고자 한다.
일반적으로 정상적인 바람은 지면에서 고도에 따라 변한다. 정상풍속모델에 대하여는 Hellmann exponent의 관계식[6]을 채택하여 식 (1)과 같이 정의하였다. 여기서 v10은 임이의 높이(h10)서의 속도이다.
성능/효과
(a) 3X,6X,9X를 가진주파수로 하는 토크의 가진이 바람의 방향이 +방향으로 커질수록 하모닉항의 상대 비율이 증가하였다. 1차 하모닉항은 가진 토크에 대한 상대비율이 5~20%이다.
(b) 바람의 방향이 + 22.5°일 때 수평방향의 굽힘 모멘트가 주축으로 들어가는 토크의 50%수준으로 발생하는데 이는 수평방향으로의 탄성 축 휘임을 유발하여 치가 모서리에서 물림이 발생하게 하는 원인을 제공함을 알 수 있었다.
(b) 수평방향으로의 굽힘모멘트 하모닉항 크기는 평균값에 비슷한 수준으로 발생하는데, 이는 풍력 시스템의 동력계를 수평방향으로 가진하는 진동원이므로 기어열의 치물림에서 치접촉 메카니즘이 더욱 복잡하게 거동함을 시사한다.
(c) 바람의 중심이 블레이드의 끝 방향으로 이동할수록 대칭으로 상쇄된 모멘트 효과가 줄어들어 평균값과 하모닉항의 크기가 증가함을 알 수 있다.
이것은 바람 중심이 블레이드 끝으로 이동하면서 대칭으로 빼치된 블레이드에서의 모멘트 상쇄효과가 줄어든 이유인 것으로 사료 된다. 결과적으로 돌발풍하중은 그 중이심이 블레이드 중심에서 벗어날수록 토크와 굽힘모멘트의 하모닉 항을 증대시키는 결과를 낳는다.
풍하중에 의해서 발생하는 메인축의 가진 주파수는 블레이드의 날개수에 비례하게 발생한다. 또한 일반 풍속일 때보다 돌발풍속으로 불어 들어 올 때, 진동을 야기하는 가진의 크기와 하모닉 주파수 성분이 더 많이 나타나는 것을 파악하였다.
Table 1-(c)에서 1차하모닉항의 가진토크의 상대비율이 대략 5~20% 임을 알 수 있다. 바람의 방향각도가 +방향으로 커질수록 하모닉 항의 상대비율은 증가하는 경향을 보여준다.
일반풍속 모델에서 토크의 가진 주파수는 3X영역에서 발생을 하며 전달토크의 하모닉항은 평균 값에 비해 상대적으로 1% 내외로 적은 것으로 나타났다. 바람의 방향각이 비틀어지는 경우는 가진 토크의 크기는 감소하는 것을 볼 수 있다(Fig .
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
신뢰성있는 풍력발전기 설계를 위해서 필요한 것은 무엇인가?
풍력발전기는 회전자를 통해 바람의 운동에너지를 흡수하여, 동력전달장치 및 발전기를 통해 최종적으로 전기에너지로 변환하는 장치이다. 따라서 신뢰성 있는 풍력발전기 설계를 위해서는 정상풍속과 돌발풍속에 따라 전달되는 메인축에서의 전달모멘트를 조사하여 기어박스에 전달되는 풍하중의 특성을 파악하는 것이 필요하다.
풍력발전기는 어떤 장치인가?
풍력발전기는 회전자를 통해 바람의 운동에너지를 흡수하여, 동력전달장치 및 발전기를 통해 최종적으로 전기에너지로 변환하는 장치이다. 따라서 신뢰성 있는 풍력발전기 설계를 위해서는 정상풍속과 돌발풍속에 따라 전달되는 메인축에서의 전달모멘트를 조사하여 기어박스에 전달되는 풍하중의 특성을 파악하는 것이 필요하다.
참고문헌 (7)
녹색성장위원회, 신재생에너지 발전전략, 2010. 10.13.
박지상, 정성훈, 황병선, "풍력터빈 블레이드의 설계/해석 및 시험 평가 시술", 기계와 재료, 제19권, 제2호, pp. 28-47, 2007.
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