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문제 정의
- 본 연구에서는 소형 풍력발전기용 블레이드를 대상으로 IEC 61400-2 에 의거한 구조 시험과 구조 해석을 수행하여 구조 안전성을 평가하였으며 이에 얻어진 결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 소형풍력발전시스템에 사용되는 복합재 블레이드를 대상으로 공력하중을 이용한 구조 시험과 구조 해석을 수행하여 구조설계의 정확성 및 안전성을 평가하였다. 그리고 블레이드 구조의 과잉 설계 가능성 최소화를 위하여 복합재 블레이드의 적층 방향 및 두께를 재선정하는 구조개선을 수행하였다.
제안 방법
- 가속도계를 부착한 블레이드의 표면을 임팩트 해머로 타격하였을 경우 발생하는 가속도를 측정하는 모달 시험을 수행하였다. 가속도계를 통해 도출된 결과를 고속 퓨리에 변환을 통해 Fig.
- 가속도계를 부착한 블레이드의 표면을 임팩트 해머로 타격하였을 경우 발생하는 가속도를 측정하는 모달 시험을 수행하였다. 가속도계를 통해 도출된 결과를 고속 퓨리에 변환을 통해 Fig. 5 와 같은 진동에 따른 진폭의 그래프로 도출하였다.
- 구조 시험 시 하중을 부하하였던 위치, 즉 루트 부를 제외한 블레이드의 55% 지점에 플랩 및 에지방향의 시험 하중을 절점의 개수로 나누는 절점하중방식을 적용하여 정적 해석(Static analysis)을 수행하였다. 이와 같은 해석을 통하여 복합재료와 같은 이방성 재질에 대한 안정성 평가 방법인 Tsai-Wu 파손 조건 식의 결과로서 강도비(Strength ratio) 분포인 Fig.
- 본 연구에서는 소형풍력발전시스템에 사용되는 복합재 블레이드를 대상으로 공력하중을 이용한 구조 시험과 구조 해석을 수행하여 구조설계의 정확성 및 안전성을 평가하였다. 그리고 블레이드 구조의 과잉 설계 가능성 최소화를 위하여 복합재 블레이드의 적층 방향 및 두께를 재선정하는 구조개선을 수행하였다.
- 05이므로 안전성은 충분하지만 과잉 설계로 인한 블레이드의 높은 무게 및 가격으로 인해 낮은 효율성을 가지는 것을 알 수 있다. 따라서 구조 설계의 개선이 요구되어 복합재료의 적층 두께 및 방향을 재선정하였다. 이 때 가장 큰 모멘트를 받는 루트부에서 끝단으로 갈수록 얇아지도록 적층 두께를 선정하여 이에 대한 해석을 반복 수행하였다.
- 강도비가 초기보다 증가하였지만 안전성 기준에서 벗어나지 않았으므로 안전성 및 효율성을 모두 포함하고 있다고 판단할 수 있다. 또한 블레이드는 회전하는 물체이므로 실제와 같은 조건을 부여하기 위하여 블레이드의 회전에 따른 각속도를 부여하여 회전에 따른 블레이드의 강도비 역시 평가하였다. 회전속도가 높아질수록 강도비가 증가하여 안전성이 감소하는 것을 볼 수 있다.
- 메쉬(Mesh)는 S4R 과 S3R 을 사용하였으며 요소(Element)의 개수는 선단 블레이드의 경우 11,621 개, 후단 블레이드의 경우 12,253 개이고, 절점(Node)의 개수는 선단 블레이드의 경우 11,648 개, 후단 블레이드의 경우 12,289개이다. 또한, 경계조건(Boundary condition)은 루트 부분의 X, Y, Z 방향 및 X, Y, Z 회전방향(Rotation direction)의 자유도를 구속하였다. 하중은 블레이드 각 요소에 작용하는 하중을 절점의 개수로 나누어 절점하중(Nodal force)을 적용하였다.
- 블레이드의 구조적 건전성 평가를 위한 구조 시험은 산출된 공력하중을 기반으로 하여 IEC 61400-2 및 IEC 61400-23(9)의 규정된 절차에 따라 굽힘 시험(Bending test)과 모달 시험(Modal test)을 수행하였다.
- 에서 산출된 모멘트를 이용하여 안전계수를 적용한 최대 모멘트를 결정하고 하중부하지점의 길이를 고려한 시험 하중을 산출하였다. 산출된 하중을 이용하여 블레이드에 파손이 발생할 때까지 하중을 가하는 굽힘 시험을 통해 최대 파손하중을 획득하였다(Table 2 참조).
- 선행 연구(11)에서 산출된 모멘트를 이용하여 안전계수를 적용한 최대 모멘트를 결정하고 하중부하지점의 길이를 고려한 시험 하중을 산출하였다. 산출된 하중을 이용하여 블레이드에 파손이 발생할 때까지 하중을 가하는 굽힘 시험을 통해 최대 파손하중을 획득하였다(Table 2 참조).
- 따라서 구조 설계의 개선이 요구되어 복합재료의 적층 두께 및 방향을 재선정하였다. 이 때 가장 큰 모멘트를 받는 루트부에서 끝단으로 갈수록 얇아지도록 적층 두께를 선정하여 이에 대한 해석을 반복 수행하였다. 여기서 해석 조건 중 강도비가 기준에 가까운 값을 갖는 조건을 최종 조건으로 선정하였다.
- 이 시험은 블레이드의 루트(Root)를 고정시키고, 루트부를 제외한 블레이드 길이의 55%지점에 폭 ±25mm 의 하중부하장치를 장착하여 하중을 부하한다.
- 따라서 8 개의 구간으로 적층 되어있는 선단 및 후단 블레이드의 두께를 Table 5 와 같이 수정하였다. 이러한 설계가 경제성 향상과 안전성을 포함하고 있는지를 확인하기 위하여 정적, 모달 및 좌굴 해석을 수행하였다.
- 또한, 경계조건(Boundary condition)은 루트 부분의 X, Y, Z 방향 및 X, Y, Z 회전방향(Rotation direction)의 자유도를 구속하였다. 하중은 블레이드 각 요소에 작용하는 하중을 절점의 개수로 나누어 절점하중(Nodal force)을 적용하였다.
- 회전구조물인 풍력발전기의 공진 가능성을 평가하기 위하여 블레이드의 회전에 따른 각속도를 부여하여 회전속도에 따른 고유진동수를 산출하였다. Fig.
대상 데이터
- 2 와 같은 쉘 요소 (Shell element)를 적용하였다. 메쉬(Mesh)는 S4R 과 S3R 을 사용하였으며 요소(Element)의 개수는 선단 블레이드의 경우 11,621 개, 후단 블레이드의 경우 12,253 개이고, 절점(Node)의 개수는 선단 블레이드의 경우 11,648 개, 후단 블레이드의 경우 12,289개이다. 또한, 경계조건(Boundary condition)은 루트 부분의 X, Y, Z 방향 및 X, Y, Z 회전방향(Rotation direction)의 자유도를 구속하였다.
- 본 연구의 대상이 되는 복합재 블레이드는 정격 풍속 10m/s, 정격용량 2kW 의 3 엽 블레이드 양방향 풍력발전기(Dual rotor wind turbine)에 사용될 예정이다. Table 1 은 이러한 요구 조건하에서 선단 (Front) 및 후단 블레이드(Rear blade)의 사양을 나타낸 것이다.
이론/모형
- 이러한 좌굴(Buckling) 현상은 블레이드 특성상 발생할 수 있는 대변형 상황이 가장 심각한 파손의 결과를 가져온다. 그러므로 좌굴 현상을 예방하기 위해서 좌굴 해석(Buckling analysis)을 수행하였다. IEC 61400-2 에 안전계수가 정해져 있다.
- 소형 풍력발전용 복합재 블레이드의 구조 해석의 타당성을 검토하기 위하여 상용 소프트웨어인 ABAQUS(10)를 이용하여 정지(Fixed) 및 회전조건 (Rotating condition)하의 해석을 수행하였다. 블레이드의 형상은 두께 방향의 치수가 다른 치수에 비하여 상당히 작기 때문에 Fig.
- 모달 시험은 블레이드 임의의 위치에 가속도 센서(Accelerometer)를 부착한 후 임팩트 해머(Impact hammer)로 블레이드 표면을 타격하여 가속도 및 변형률을 측정하는 시험이다. 이 시험을 통하여 가속도-시간 곡선 또는 변형률-시간 곡선을 얻어 고속 퓨리에 변환(fast Fourier transform, FFT)을 이용하여 고유진동수(Natural frequency)를 산출할 수 있다.
- 은 고유진동수와 외부진동수가 일치하는 부분이 있는지를 알아보는 지표로서 공진의 유무를 판단하는데 사용된다. 이를 이용하여 회전속도에 따른 고유진동수 변화와 블레이드 회전속도의 배수와의 관계를 Campbell diagram 으로 나타내었다(Fig. 9 참조). 본 연구의 대상인 블레이드는 3 엽이므로 1 배수(1P) 및 3 배수(3P) 등에 대하여 공진 가능성이 검토되어야 한다.
- 해석의 타당성을 검토하기 위하여 구조 시험과 동일조건에서 굽힘 해석(Bending analysis)과 모달해석(Modal analysis)를 수행하였다.(3)
성능/효과
- (1) 구조 시험을 수행한 결과 설계 하중에 비해 선단 블레이드는 40.70 배, 후단 블레이드는 35.94 배 크기 때문에 안전성이 있다고 판단되어지나, 과잉 설계의 가능성이 보여지므로 구조 개선이 필요하다는 것을 검증하였다.
- (2) 구조 해석을 통하여 선단 블레이드는 0.09 이하, 후단 블레이드는 0.17 이하의 강도비를 가지므로 관련 규격에서 요구하는 기준대비 필요 이상의 안전계수를 가짐이 확인되었다.
- (3) 선단 블레이드의 플랩방향은 10, 에지방향은 10.30, 후단 블레이드의 플랩방향은 5.58, 에지 방향은 7.57 을 가진다. IEC 61400-2 의 기준은 4.
- (3) 적층 설계 개선을 통해 수정된 결과 블레이드 중량의 경우, 선단 블레이드는 40%, 후단 블레이드는 25%만큼 감소하였다. 그리고 정적 해석을 통하여 0.
- 245 로 설정하였다.(3) 해석의 결과로서 선단 블레이드의 플랩방향은 0.1, 에지방향은 0.09, 후단 블레이드의 플랩방향은 0.17, 에지방향은 0.13 의 강도비를 가진다. 이의 결과 값은 기준 이내에 포함되므로 선단 및 후단 블레이드 모두 안전성이 있다고 판단할 수 있다.
- (3) 적층 설계 개선을 통해 수정된 결과 블레이드 중량의 경우, 선단 블레이드는 40%, 후단 블레이드는 25%만큼 감소하였다. 그리고 정적 해석을 통하여 0.22 이하의 강도비를 가진다는 것을 알 수 있었으며, 또한 모달 및 좌굴 해석을 통하여 공진 및 좌굴의 발생 가능성이 없음을 확인하였다.
- 1 은 플랩 방향의 시험 준비를 마친 상태를 나타낸 것이다. 이 시험을 통하여 하중-시간 곡선, 하중 작용점 및 블레이드 끝단에 대한 변위-시간 곡선과 변형률-시간 곡선을 얻을 수 있다. 이를 이용하여 하중-변위 곡선을 도출할 수 있으며 최대파손하중을 얻을 수 있다.
- 13 의 강도비를 가진다. 이의 결과 값은 기준 이내에 포함되므로 선단 및 후단 블레이드 모두 안전성이 있다고 판단할 수 있다.
후속연구
- 94 배를 가지므로 구조적 안전성이 있다고 판단되었다. 그러나 너무 높은 파손하중을 가지는 것으로 보아 과잉 설계의 가능성이 있음을 나타내므로 블레이드의 구조 설계의 개선이 필요하다고 판단된다. 이 때, Tip 은 블레이드 끝단을 나타낸다.
- 9 참조). 본 연구의 대상인 블레이드는 3 엽이므로 1 배수(1P) 및 3 배수(3P) 등에 대하여 공진 가능성이 검토되어야 한다. 즉, 제일 중요한 1 차 고유진동수의 경우 3 배수 선과 약 14% 이상의 차이를 가지므로 공진이 발생하지 않음을 알 수 있다.
- 이러한 과정을 통하여 획득된 설계 하중에 일정 수준의 안전 계수를 고려하여 블레이드에 가해지는 시험 또는 부하하중을 산출하게 된다. 블레이드의 구조적 건전성을 확인하기 위해서는 이러한 부하하중을 이용한 구조 시험을 통해 구조적 안전성을 판단하는 과정 및 구조 해석을 통해 얻은 블레이드의 실제 거동에 대한 이론적 결과와 일치하는지 확인이 필요하다.(4) 이러한 절차를 통하여 복합재 블레이드의 제작이 가능하나 이의 상용화를 위해서는 안전성뿐만 아니라 경제성도 확보되어야 한다.
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