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문제 정의
- 본 논문은 선행된 2 MW 급 블레이드(KR40.1b) 공력-구조 최적설계 및 시스템 통합 하중해석 결과를 적용한 블레이드 구조 건전성 평가를 목적으로 한다.
- 본 연구에서는 Multi-MW 급 풍력발전용 블레이드 공력-구조 통합설계(KR40.1b) 및 시스템 통합하중해석 결과를 바탕으로 국제인증기관(한국선급)의 기술기준에 따른 구조건전성평가를 수행 하였다. 구조건전성 평가를 위해 극한 및 피로강도 해석, 좌굴 안정성 해석, 팁 변형 해석을 수행하였으며, 판정기준을 모두 만족함에 따라 KR 40.
- 코어 파손은 면 외 방향 전단하중에 의해 코어가 파손되는 것을 말하며, 면재의 주름은 압축하중에 의해 면재가 국부적으로 좌굴되는 현상을 말한다. 본 연구에서는 샌드위치 구조물의 코어 파손과 면재 주름 파손에 대한 평가를 수행하였다.
제안 방법
- 구조건전성평가에 필요한 블레이드 하중의 획득을 위해 풍력터빈 시스템이 고려된 통합하중해석을 수행하였고, 4 종류(93°, 138°, 280.7°, 342.9°)의 방향별 블레이드 하중(Mx, My) 해석결과 중 일부를 Fig. 2와 Fig. 3에 나타내었다.
- 샌드위치 구조물의 파손은 면재와 코어 간의 층간 분리(Delamination), 전단 하중에 의한 코어의 파손, 압축 하중에 의한 면재의 주름으로 구분할 수 있다. 면재와 코어가 분리되는 층간 분리 현상은 이종 재료인 면재와 코어가 접착되어 제작되는 샌드위치 구조물의 제작 특성 때문에 발생되며, 면재와 코어 사이의 접착 계면의 파손 여부를 평가한다.
- 본 연구에서는 블레이드 피로 수명 평가를 위해 Markov 행렬의 작용 사이클과 굿맨 선도의 허용 사이클을 식 (6)에 적용하여 블레이드의 요소별 피로수명을 계산하였다. 재료에 적용된 부분 안전 계수는 1.
- 본 연구에서는 시스템 통합 하중해석에 의해 계산된 하중해석 결과 중 피로 하중의 95 % 이상을 차지하는 My(Flap-Wise)와 Mx(Edge-Wise)만을 고려하였다. 피로 수명 평가는 다음과 같은 순서로 진행되며, (9) 이를 도식화하면 Fig.
- 이상과 같은 피로 해석의 수행을 위해서는 가해지는 특정 하중의 작용 사이클 수와 함께, 해당 하중에 대한 재료의 저항 한계 값인 허용 하중 사이클 수가 필요하다. 본 연구에서는 시스템 통합하중 해석을 통해 블레이드에 가해지는 특정 하중 및 작용 사이클 수를 Markov 행렬의 형태로 얻었다.
- 블레이드 선형 좌굴해석을 통해 극한하중이 작용하는 조건에서의 좌굴 안정성 평가를 수행하였다. 선형 좌굴해석은 실제 구조물의 불완전성과 비 선형성을 고려하여 실제의 하중-변위 거동을 통해 해를 찾는 비선형 좌굴 해석에 비해 해의 정확도가 떨어지는 단점이 있지만, 계산 시간이 상대적으로 빠르기 때문에 비선형 해석에 앞서 우선적으로 시도할 수 있는 방법이다.
- 1b 블레이드 표면은 적층 도면에 따라 약 420개로 분할되었고, 최종적으로 생성된 표면격자 수는 25,041개이며, shell 181 요소형태의 쿼드(Quad) 격자가 사용되었다. 시스템 통합하중해석을 통해 얻어진 극한 하중은 블레이드의 길이방향을 따라 정의된 12개 단면에 개별적으로 부여되었으며, 경계조건으로써 블레이드 루트부에 완전구속조건을 적용하였다.
- 유한요소해석을 통해 4 종류의 극한하중조건(Mx,max, Mx,min, My,max, My,min)에서의 블레이드 최대팁 변형 해석을 수행하였고, Fig. 5에 팁 변형 평가결과와 적용하중(PLE, Polar Load Envelope)을 동시에 나타내었다. 최대 팁 변형 평가기준은 팁-타워 최대 허용간격(8.
- 본 연구를 통해 개발된 블레이드의 구조설계 및 해석에 적용된 재료 물성데이터를 Table 4에 나타내었다. 탄성 율, 푸아송 비, 인장 및 압축강도 값은 참고문헌(2,3)을 통해 얻었으며, 재료에 대한 부분 안전 계수 값은 평가항목에 따라 선택적으로 적용되었다. 블레이드의 대부분을 구성하고 있는 복합재료는 제조공정에 따라 물성치 변화의 폭이 넓기 때문에, 설계평가 시 재료에 대한 부분안전계수가 선택적으로 적용된다.
- 파손 판정은 시편 시험을 통해 확보한 허용 층간 전단응력(Allowable Inter-Laminar Shear Stress)과 유한요소해석을 통해 계산된 층간 전단응력의 비교를 통해 수행된다. 코어 파손은 면 외 방향 전단하중에 의해 코어가 파손되는 것을 말하며, 면재의 주름은 압축하중에 의해 면재가 국부적으로 좌굴되는 현상을 말한다.
- 634이며, (사)한국선급의 기술기준을 따른다. 피로 수명 평가는 Table 5에 나타낸 7개의 피로 평가 단면, 2개의 하중(Mx, My) 조건, 2개의 평가 부위(스파 캡 및 후연)와 2개의 최대 및 최소 변형률의 조합에 따라, 총 56 개 조건에 대해 수행되었다.
대상 데이터
- 효율적인 유한요소 및 적층 모델링을 위해서는 3차원 블레이드 형상 모델링이 완료된 후, 도면에 근거한 표면 분할과정이 필요하다. KR 40.1b 블레이드 표면은 적층 도면에 따라 약 420개로 분할되었고, 최종적으로 생성된 표면격자 수는 25,041개이며, shell 181 요소형태의 쿼드(Quad) 격자가 사용되었다. 시스템 통합하중해석을 통해 얻어진 극한 하중은 블레이드의 길이방향을 따라 정의된 12개 단면에 개별적으로 부여되었으며, 경계조건으로써 블레이드 루트부에 완전구속조건을 적용하였다.
- 5 %의 공력효율을 가지며, 정격 운전조건에서 최대 축 추력 250 kN을 발생시킨다. 구조 및 적층 설계를 위해 E-glass, 에폭시 및 PVC core 재료가 사용되었으며, 블레이드 총 중량은 7.39 ton이다. Fig.
- 본 연구의 설계평가 대상 블레이드(이하 KR 40.1b)는 공력-구조 통합설계를 통해 Table 1의 목표사양을 만족하도록 설계되었다. 공력설계는 BEM(Blade Element Momentum Theory)에 근거한 최적설계도구인 KR-SWB v.
이론/모형
- 1b)는 공력-구조 통합설계를 통해 Table 1의 목표사양을 만족하도록 설계되었다. 공력설계는 BEM(Blade Element Momentum Theory)에 근거한 최적설계도구인 KR-SWB v.1.0(1)에 의해 수행되었으며, 루트(Root)로부터 팁(Tip)까지 DU-00-W2-401, DU-97-W-350, DU-91-W2-300, DU-00-W-212, NACA 64-618 에어포일이 적용되었다. 성능해석결과 49.
- 현재 다양한 복합재료 파손 판정기준이 존재하지만, 대부분의 풍력터빈 인증기관들은 섬유와 수지에 대한 개별적인 파손평가를 위해 Puck(6)이 제안한 파손기준의 적용을 권장한다. 따라서 본 연구에서는 섬유 및 섬유 간 파손 판정을 위해 Puck의 파손 판정 기준을 적용하였다.
- 본 연구에서는 복합재료 적층 모델링을 위해 ANSYS-ACP를 이용했고, 적층 도면을 비교적 정확하게 모사할 수 있는 lay-up base 방법으로 수행되었다. 유한요소해석은 ANSYS-Workbench를 이용하였다.
- 블레이드 설계평가는 (사)한국선급의 기술기준(4)에 따라 수행되었고, Table 3에 판정기준과 하중 및 재료에 대한 부분 안전 계수를 요약하여 나타내었다.
- 블레이드 팁 변형에 대한 판정기준은 설계 시 결정된 팁-타워 최대 허용안전거리의 70% 이내를 적용하였고, 라미네이트, 좌굴안정성 및 코어재료의 극한강도 평가를 위해 안전율의 역수인 IRF(Inverse Reserve Factor) 개념을 적용하였다.
- 본 연구에서는 복합재료 적층 모델링을 위해 ANSYS-ACP를 이용했고, 적층 도면을 비교적 정확하게 모사할 수 있는 lay-up base 방법으로 수행되었다. 유한요소해석은 ANSYS-Workbench를 이용하였다. Fig.
성능/효과
- 면재 주름 파손의 경우, 코어 파손에 비해 상대적으로 낮은 값을 나타내었으며, 국부적으로 높은 파손 지수를 보이는 코어 파손과는 달리 대체로 균일한 파손 지수를 나타냈다. KR 40.1b 블레이드는 코어 및 면재 주름 파손 해석결과에서 모든 하중 조건에 대한 IRF 값이 1 이하로 나타남에 따라, 안전한 것으로 평가되었다.
- 1b의 경우 해당 위치에서의 전연 부와 후연 부의 폼 두께가 일정하게 유지됨에 따라 스파 캡과 주변부의 두께차이가 발생한다. 따라서 결과적으로 굽힘 모멘트에 의한 압축 하중의 집중 발생 가능성이 큰 루트 근방의 전 후연 부와, 주변부와의 두께 차이가 크게 나타나는 스파 캡 부위에서의 좌굴 위험성이 높은 것으로 나타났다. 선형 좌굴해석 결과, 모든 하중 조건에서 임계 하중 계수가 1 이상으로 나타남에 따라 KR40.
- 섬유 파손 해석결과 루트 부와 스파 캡에서 상대적으로 높은 파손지수가 나타났으며, 수지 파손은 높은 비틀림 하중을 받는 전단 웹과 루트 부에서 높은 파손지수를 나타내었다. 또한, 바람하중에 대한 직접적인 영향을 받는 플랩 방향(My,max, My,min) 극한 하중 조건에서 상대적으로 높은 파손지수가 발생하였으며, 최대 섬유 및 수지 파손 지수는 My,max 조건에서 각각 0.39(FF)와 0.68(IFF)로 나타남에 따라, KR40.1b 블레이드는 극한 하중 조건에서 충분한 안전여유를 확보하는 것으로 평가할 수 있다.
- 7~8에 나타내었다. 모든 해석결과로부터 IRF(Inverse Reserve Factor) 값이 1 이하로 나타남에 따라, 극한 하중 조건에서의 섬유 및 수지 파손은 없다고 평가 할 수 있다.
- 본 연구의 설계평가에 적용된 부분안전계수 값들은 IEC 61400-1 제 3판(5) 보다 다소 높은 수준이며, 해외 인증기관 역시 국제표준 대비 다소 높은 안전계수를 채택하고 있다.
- 따라서 결과적으로 굽힘 모멘트에 의한 압축 하중의 집중 발생 가능성이 큰 루트 근방의 전 후연 부와, 주변부와의 두께 차이가 크게 나타나는 스파 캡 부위에서의 좌굴 위험성이 높은 것으로 나타났다. 선형 좌굴해석 결과, 모든 하중 조건에서 임계 하중 계수가 1 이상으로 나타남에 따라 KR40.1b는 좌굴 안정성을 만족하는 것으로 평가할 수 있다.
- 섬유 파손 해석결과 루트 부와 스파 캡에서 상대적으로 높은 파손지수가 나타났으며, 수지 파손은 높은 비틀림 하중을 받는 전단 웹과 루트 부에서 높은 파손지수를 나타내었다. 또한, 바람하중에 대한 직접적인 영향을 받는 플랩 방향(My,max, My,min) 극한 하중 조건에서 상대적으로 높은 파손지수가 발생하였으며, 최대 섬유 및 수지 파손 지수는 My,max 조건에서 각각 0.
- 해석결과, Flap Wise 방향으로의 팁 변형이 크게 나타났으며 Edge Wise 방향으로는 1 m 미만으로 나타났다. 최대 팁 변형은 My,min 조건에서 3.74 m로 나타났으며, 판정기준 대비 36 %의 충분한 안전여유를 갖는 것으로 확인되었다.
- 코어 파손의 경우, 모든 극한하중 조건에서 면재 주름 파손에 비해 파손지수가 높은 값을 나타냈으며, 특히 전단 웹, 루트 근방의 전연 부 및 후연 부에서 높은 파손지수가 확인되었다. 평가 결과를 통해 전단 웹이 높은 전단 하중을 지지하고 있음을 확인하였고, 루트 근방의 전연 부 및 후연 부에서 높은 파손지수가 나타남을 알 수 있 었다.
- 코어 파손의 경우, 모든 극한하중 조건에서 면재 주름 파손에 비해 파손지수가 높은 값을 나타냈으며, 특히 전단 웹, 루트 근방의 전연 부 및 후연 부에서 높은 파손지수가 확인되었다. 평가 결과를 통해 전단 웹이 높은 전단 하중을 지지하고 있음을 확인하였고, 루트 근방의 전연 부 및 후연 부에서 높은 파손지수가 나타남을 알 수 있 었다. 플랩방향 최대하중인 My,max 조건에서 가장 높은 파손 지수인 0.
- 3 m)의 70 % 이내이며, 하중 및 재료에 대한 안전계수는 적용되지 않는다. 해석결과, Flap Wise 방향으로의 팁 변형이 크게 나타났으며 Edge Wise 방향으로는 1 m 미만으로 나타났다. 최대 팁 변형은 My,min 조건에서 3.
후속연구
- 1b 블레이드 설계는 성공적으로 수행되었다고 평가할 수 있다. 그러나 현재 상용화 되고 있는 2 MW 급 블레이드와 경쟁 가능한 수준의 블레이드 설계를 위해서는 총 중량을 7 ton 이하로 유지 할 필요가 있으며, 이는 루트 근방 폼 코어 재료보강 및 스파 캡 적층 최적설계를 통해 구현 가능 할 것으로 판단된다.
- 그러나 코어 파손과 좌굴 안정성 평가 결과는 팁 변형에 비해 상대적으로 낮은 안전여유를 갖는 것으로 나타났기 때문에, 경량화 설계 과정에서 평가기준을 만족할 수 없을 가능성이 있다. 따라서 스파 캡 부의 적층 최적화와 동시에, 상대적으로 높은 국부 응력이 발생하는 블레이드 루트 근방에서는 향후 폼 코어 재료의 보강이 필요할 것으로 판단된다.
- 평가 결과를 통해 전단 웹이 높은 전단 하중을 지지하고 있음을 확인하였고, 루트 근방의 전연 부 및 후연 부에서 높은 파손지수가 나타남을 알 수 있 었다. 플랩방향 최대하중인 My,max 조건에서 가장 높은 파손 지수인 0.84가 나타났고, 루트 근방에 작용하는 전단하중에 대한 높은 저항성을 확보하기 위해서는 해당 부위의 코어 두께를 늘리거나, 다축 복합재의 적층수를 증가시키는 등의 설계개선이 필요한 것으로 판단된다. 면재 주름 파손의 경우, 코어 파손에 비해 상대적으로 낮은 값을 나타내었으며, 국부적으로 높은 파손 지수를 보이는 코어 파손과는 달리 대체로 균일한 파손 지수를 나타냈다.
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