선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 소형풍력터빈-태양광 발전기 하이 브리드 가로등의 안정적인 운전을 위하여 터빈 블레이드의 응력, 변형량 및 모드특성을 분석하고, 터빈및 구조물의 설계변경을 통한 공진특성과 해결방안을 고찰하였다.
제안 방법
- 풍력-태양광 복합 가로등 구조특성을 평가하기 위하여 상용코드인 ANSYS Workbench Mechanical 128) 를 사용하였으며, 응력분포, 변형량 및 모드해석을 각각 수행하였다.
- 3은 구조해석에 사용된 경계조건을 나타낸다. 가로등 바닥면에 고정(fixed support) 조건을, 가로등과 터빈 블레이드의 회전부 경계조건으로 Non-separation 조건을 적용하였다. 가로등의 최대 변위를 고려하여 유동방향이 태양광 판넬 및 제어장치 판넬에 정면인 조건(Fig.
- 가로등 바닥면에 고정(fixed support) 조건을, 가로등과 터빈 블레이드의 회전부 경계조건으로 Non-separation 조건을 적용하였다. 가로등의 최대 변위를 고려하여 유동방향이 태양광 판넬 및 제어장치 판넬에 정면인 조건(Fig. 3)을 사용하였으며, 유속은 진동발생 조건인 5m/s를 적용하였다. 진동시작 속도는 낙동강 강변에 설치하여, 진동이 발생된 속도로 현장에서 측정하였다.
- 3)을 사용하였으며, 유속은 진동발생 조건인 5m/s를 적용하였다. 진동시작 속도는 낙동강 강변에 설치하여, 진동이 발생된 속도로 현장에서 측정하였다. 상대적으로 압력 영향이 작은 지지대와 회전관성이 지배적인 터빈 블레이드에 대해서는 압력조건을 고려하지 않았으며, 태양광 판넬 및 제어장치 판넬에 5m/s 유속의 동압에 해당하는 15Pa의 압력을 각각 적용하였다.
- 진동시작 속도는 낙동강 강변에 설치하여, 진동이 발생된 속도로 현장에서 측정하였다. 상대적으로 압력 영향이 작은 지지대와 회전관성이 지배적인 터빈 블레이드에 대해서는 압력조건을 고려하지 않았으며, 태양광 판넬 및 제어장치 판넬에 5m/s 유속의 동압에 해당하는 15Pa의 압력을 각각 적용하였다. 로터의 회전속도는 설계 최대 회전 조건인 180rpm을 적용하였다.
- 소형풍력-태양광 복합 가로등에서 바람 특성에 따라 다양한 하중을 받는 터빈 블레이드의 진동이 지지대 구조물 진동과 연계하여 공진을 일으키기 쉽다. 먼저 터빈 블레이드 단독의 진동특성을 구조해석을 통하여 분석하였다.
- Fig. 6은 터빈 블레이드의 구조해석용 경계조건으로, 터빈 블레이드 모듈의 하단부에 고정조건을 주었으며, 모드해석을 통하여 터빈 블레이드의 모드별 주파수와 변형패턴을 분석하였다.
- 본 연구에서는 공진특성을 평가하기 위하여 지지대의 두께 등의 형상변경을 통하여 캠벨선도(Campbell diagram)로 분석하였다. 캠벨선도 해석은 종축을 진동수로 하고, 횡축을 회전체의 회전수로 하여, 회전체의 익 통과주파수(BPF, Blade Passing Frequency) 와 전체 구조물의 고유진동수를 표기하여, 교차하는 지점의 임계속도(critical speed) 및 공진 주파수를 확인하는데 사용된다.
- 본 연구에서는 소형풍력터빈-태양광 발전기 하이브리드 가로등을 대상으로 구조해석을 통한 구조물의 변형 및 응력특성을 평가하였으며, 풍력터빈과 지지 구조물간의 공진회피 설계를 위한 형상변수 변경으로 캠벨선도를 평가하였으며, 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 그림에서 1, 2, 및 3은 날개 지지대, 날개 중심 지지대 및 블레이드 회전 지지대를 각각 나타낸다. 설계변수들은 기존형상 대비 25% 증가시켜 비교, 검토하였다. 설계변수 형상변경에 따른 1차 주파수 차이를 Table 2에 나타내었으며, 블레이드 중심지름 변화가 1차 모드 주파수 차이에 가장 민감한 것으로 확인되었다.
대상 데이터
- 1은 본 연구 대상인 풍력-태양광 복합 가로등을 나타낸다. 복합 가로등은 풍력터빈, 태양광 판넬, 지지대, 제어(축전)장치 4부분으로 구성되며, 복합가로등 풍력발전기로는 200W 수직축 터빈을 대상으로 하였다. 터빈은 3개의 블레이드를 갖으며, 높이는 1.
- 2는 복합 가로등의 구조특성 연구를 위하여 생성된 격자를 나타낸다. 해석격자는 Hex Dominant 한 조건에서 부분적으로 Tetrahedrons 격자를 이용하는 복합형격자(hybrid mesh)로 구성하였으며, 사용된 Shell 격자는 약 20만 노드이다. 즉 터빈 블레이드 날개에는 정렬격자를, 그 외 부위에는 비정렬격자를 사용하였으며, 주요 부위의 확대도를 Fig.
- 10에 나타낸다. 추가 적인 변수는 태양광 판넬 지지대, 2차 지지대 두께및 주 지지대 두께로 설정하였다. 기존모델 치수 및 수정모델의 치수를 Table 4 에 각각 나타낸다.
성능/효과
- 본 연구에서 사용된 터빈블레이드의 날개 수는 3개 이므로 3/rev의 기울기에 해당 하는 1차함수의 익 통과주파수와 Table 3에 해당하는 10차 모드까지의 고유진동수를 x축에 평행한 직선으로 나타내었다. 전체 구조물의 고유진동수와 익 통과주파수(3/rev)가 만나는 지점은 회전속도가 낮아서 위험성이 낮은 1, 2차 모드를 제외하고도 6개로, 전체 구조물이 터빈 블레이드와 공진될 수 있음을알 수 있다. 캠벨선도에서 180rpm 이하에서의 공진 점을 회피시키기 위해서는 저 주파수인 1, 2차 모드를 제외하고 3차 모드가 180rpm에서 9Hz 이상이 되는 주파수 특성을 갖는 것이 필요하다.
- Table 5에 수정모델에 대한 모드별 고유진동수를 10차 모드 까지 나타낸다. 1, 2차 모드에서의 약 3.1 Hz 외에 3차 모드부터는 9 Hz이상의 고유진동수가 확인되었으며, 이는 Fig. 11의 수정모델에 대한 캠벨선도에서 180rpm 이하의 공진주파수와 터빈 블레이드 익 통과주파수가 교차하는 지점이 없는 것을 확인할 수 있다.
- 이상의 연구를 통하여 재료 형상변수를 종합적으로 최적설계하면 터빈 블레이드와 지지 구조물간의 공진이 회피됨을 확인 할 수 있었다.
- 1) 터빈 블레이드의 회전력에 의해 블레이드 및 블레이드 지지부 연결지점에서 최대응력이 발생되며, 지지부의 두께가 20% 증가하면 응력이 30%감소됨을 알 수 있었다.
- 2) 터빈 블레이드 설계 구조물인 블레이드 회전 지지대, 터빈 블레이드 지지대 및 터빈 블레이드 중심지지대의 형상을 25% 각각 증가시켜 본 결과, 터빈 블레이드 중심지름 변화가 1차 모드 주파수 변화에 가장 민감함을 알 수 있었다.
- 3) 기존 구조물 전체에 대하여 모드해석을 수행한결과, 캠벨선도에서 터빈 블레이드의 회전수 구간별 공진 위험성이 확인되었으나, 설계 형상변수를 종합적으로 최적설계하면 터빈 블레이드와 지지구조물간의 공진이 회피됨을 확인 할 수 있었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.