[논문]풍력 로터 샤프트 경량화 설계 연구

한정영; 홍철현; 이진모; 한기봉; 이형우

doi:10.5916/jkosme.2014.38.4.389

풍력 로터 샤프트 경량화 설계 연구
A study on lightweight design for wind turbine rotor shaft 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.38 no.4, 2014년, pp.389 - 395

한정영 (Educational Center for Computer Aided Machine Design, Pusan National University) , 홍철현 (Educational Center for Computer Aided Machine Design, Pusan National University) , 이진모 (Taewoong Co. Ltd.) , 한기봉 (Department of Mechatronics Engineering, Jungwon University) , 이형우 (Department of Mechatronics Engineering, Jungwon University)

초록
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2MW급의 풍력 로터 샤프트의 경량화를 위한 최적설계를 수행하였다. 유한요소해석과 실험계획법을 이용하여 경량화를 위한 변수를 도출하였고, 이를 기반으로 샤프트의 치수 최적화를 수행하였다. 최적 설계안과 현재 설계의 발생응력과 중량을 체적을 통해 비교하여 타당성을 검증하였다. 이 과정을 통하여 중량을 현재보다 약 23 % 정도 줄일 수 있었다.

In this study, we discussed the weight reducing of 2 MW class of wind turbine rotor shaft by optimizing design method. The optimal design was applied to obtain get an optimized structure and parameters for the base structure using FEA and DOE. The results were verified by comparing the maximum von Mises stresses and maximum volume in the case of the existing design with those in the case of the optimized design. It was shown that the weight of a base structure can be reduced by about 23 %.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 2MW급 풍력발전기용 로터 샤프트 단조제품 개발을 위하여, 최적설계이론을 도입하고 유한요소해석을 이용하여 로터 샤프트 경량화를 위한 설계를 하고자 한다.
본 연구에서는 2MW급 풍력 터빈 로터 샤프트의 경량화 설계를 위한 효율적인 방법을 제시하였고, 해석도구로서 유한요소법을 사용하여 문제를 해결 하였다. 전체 중량의 약 23 % 정도의 중량 감소 효과를 얻었다.

가설 설정

Figure 4에 7MW급의 상사품인 2MW급 중공축 3차원 모델과 하중조건을 나타내었다. 베어링부에는 반경방향 자유도를 고정하였으며, 기어 부위는 완전고정으로 가정하였다. 그리고 하중조건은 ANSYS의 RBE3 명령을 이용하여 샤프트 전면에 분산되어 하중이 적용할 수 있도록 하였다.

제안 방법

2MW급 풍력로터 샤프트의 경량화 설계를 하기 위해, 먼저 형상과 관련된 설계인자를 선정한 후 실험계획법을 이용하여 유한요소해석을 수행하였다. 그 결과를 이용하여 유한요소해석 시간을 줄이기 위해 중량 감소에 영향을 크게 미치는 설계인자들을 재선정하였다.
7MW 상사품 모델에 적용하기 위해서 기존의 2MW급 중실축 및 중공축 로터 샤프트에 대한 구조해석을 수행하였다.
Table 1에 실험계획법에 따른 3수준 요인 설계인자 값을 나타내었으며, 설계인자에 따른 해석 경우를 Table 2에 나타내었다. 각 경우에 따라 유한요소해석을 수행하였다.
2MW급 풍력로터 샤프트의 경량화 설계를 하기 위해, 먼저 형상과 관련된 설계인자를 선정한 후 실험계획법을 이용하여 유한요소해석을 수행하였다. 그 결과를 이용하여 유한요소해석 시간을 줄이기 위해 중량 감소에 영향을 크게 미치는 설계인자들을 재선정하였다. 다시 선정된 설계인자들을 이용하여 유한요소해석 상용 프로그램인 ANSYS 13 Classic의 최적화 모듈을 이용하여 최적설계를 수행하였다.
베어링부에는 반경방향 자유도를 고정하였으며, 기어 부위는 완전고정으로 가정하였다. 그리고 하중조건은 ANSYS의 RBE3 명령을 이용하여 샤프트 전면에 분산되어 하중이 적용할 수 있도록 하였다. 하중 값은 2장에서 계산된 값을 적용하였다.
로터 샤프트의 설계인자의 구속조건으로 초기 값과 상한 및 하한 값을 Table 4에 나타내었다. 목적함수는 체적으로 설정하였으며 상태함수는 메인 샤프트의 단조강으로 많이 사용하는 34CrNiMo6강의 항복응력 값 630[MPa]이하로 설정하여 최적화 해석을 수행하였다.
본 연구에서 개발하고자하는 2MW급 풍력터빈 중공축 로터 샤프트는 실험계획법에 따른 설계인자 간 분석을 바탕으로, ANSYS 모듈 내의 최적화 알고리즘을 바탕으로 최적화 해석을 수행하였다.
설계인자 간의 주효과 분석을 위해 실험계획법에 따라 유한요소해석을 수행하였다. 설계변수는 3 수준 요인 설계를 수행하였다. Table 1에 실험계획법에 따른 3수준 요인 설계인자 값을 나타내었으며, 설계인자에 따른 해석 경우를 Table 2에 나타내었다.
실험계획법에 따라 유한요소해석을 수행한 후설계인자 간의 영향도를 분석하였다. Table 3에 해석 결과를 나타내었다.
다시 선정된 설계인자들을 이용하여 유한요소해석 상용 프로그램인 ANSYS 13 Classic의 최적화 모듈을 이용하여 최적설계를 수행하였다. 유한요소법을 이용한 최적설계는 항복응력을 제한조건으로, 목적함수는 최소중량으로 설정하여 수행하여 치수 최적 설계인자를 도출하고자 하였다.
유한요소해석과 실험계획법을 적용하여 샤프트의 경량화 설계인자를 분석하였다. 유한요소해석에는 범용 유한요소 코드인 ANSYS 13을 사용하였으며, 실험계획법을 적용하기 위해 MiniTap R14을이용하여 설계인자 사이의 주효과 분석을 하였다.

대상 데이터

기존 중실축 모델에 중공 반경을 적용하여 형상 치수와 관련된 설계인자를 선정하였으며, Figure 3에 선정된 설계인자를 나타내었다. 설계 변수의 변경과 3차원 모델링 구축의 편의성을 위해 ANSYS 13.
해석과 설계연구를 위해 대상이 되는 로터 샤프트의 상세 구조, 치수 및 구성 재질과 같은 기본 제원은 국내 유명 풍력시스템 업체인 H사의 도움을 받아 확보하였다.

데이터처리

그 결과를 이용하여 유한요소해석 시간을 줄이기 위해 중량 감소에 영향을 크게 미치는 설계인자들을 재선정하였다. 다시 선정된 설계인자들을 이용하여 유한요소해석 상용 프로그램인 ANSYS 13 Classic의 최적화 모듈을 이용하여 최적설계를 수행하였다. 유한요소법을 이용한 최적설계는 항복응력을 제한조건으로, 목적함수는 최소중량으로 설정하여 수행하여 치수 최적 설계인자를 도출하고자 하였다.
유한요소해석과 실험계획법을 적용하여 샤프트의 경량화 설계인자를 분석하였다. 유한요소해석에는 범용 유한요소 코드인 ANSYS 13을 사용하였으며, 실험계획법을 적용하기 위해 MiniTap R14을이용하여 설계인자 사이의 주효과 분석을 하였다.

이론/모형

기존 중실축 모델에 중공 반경을 적용하여 형상 치수와 관련된 설계인자를 선정하였으며, Figure 3에 선정된 설계인자를 나타내었다. 설계 변수의 변경과 3차원 모델링 구축의 편의성을 위해 ANSYS 13.0의 APDL(Ansys Parametric Design Language)을이용하였다.
설계인자 간의 주효과 분석을 위해 실험계획법에 따라 유한요소해석을 수행하였다. 설계변수는 3 수준 요인 설계를 수행하였다.
설계인자 간의 주효과 분석을 위해 실험계획법에 따라 유한요소해석을 수행하였다. 설계변수는 3 수준 요인 설계를 수행하였다.
중공축 로터 샤프트(A 모델 : 중실축 변형)의 설계인자를 분석하기 위해 설계인자를 선정한 후, 실험계획법(DOE)에 따라 구조해석을 수행하였다. 실험계획법은 다구찌 기법[9]을 적용하였으며, 분석을 위해 통계프로그램인 MiniTap R14를 사용하였다.
중공축 로터 샤프트(A 모델 : 중실축 변형)의 설계인자를 분석하기 위해 설계인자를 선정한 후, 실험계획법(DOE)에 따라 구조해석을 수행하였다. 실험계획법은 다구찌 기법[9]을 적용하였으며, 분석을 위해 통계프로그램인 MiniTap R14를 사용하였다.

성능/효과

로터 샤프트의 최적 설계 수행 결과, 비틀림 하중보다 굽힘 하중에서 더 큰 최대 응력이 발생하였으며, Table 5의 결과에서 굽힘 하중에서의 최종 체적값은 중실축 모델(체적:1.395E+09 m³)보다 약 23% 중량이 감소한 결과를 확인할 수 있었다.

후속연구

전체 중량의 약 23 % 정도의 중량 감소 효과를 얻었다. 향후, 다양한 최적설계기법을 적용한 설계가 이루어진다면 더욱 많은 중량 감소를 기대할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력발전 시스템의 특징은?	풍력발전 시스템은 블레이드, 메인 샤프트, 타워, 증속기, 발전기 및 각종 제어기 등으로 구성되어 있으며, 수명을 20년 이상 보장해야하므로 신뢰성 있는 제품만이 시장진입이 가능한 폐쇄적인 특징을 가지고 있다. 특히, 풍력발전기 핵심부품 중의 하나인 로터 샤프트는 블레이드로부터 전달되는 토크 진동(torque oscillation)을 감쇠시키기 위해서 적정 수준의 비틀림 가용성(torsional flexibility)을가져야 하지만 로터로부터 전달되는 하중을 포함한 여러 형태의 하중들을 지지하기 위해서는 굽힘에 대해서도 강인한 특성을 가져야 한다.
	본 연구의 2MW급 풍력발전기용 로터 샤프트 단조제품 개발 성과는 무엇인가?	본 연구에서는 2MW급 풍력 터빈 로터 샤프트의 경량화 설계를 위한 효율적인 방법을 제시하였고, 해석도구로서 유한요소법을 사용하여 문제를 해결 하였다. 전체 중량의 약 23 % 정도의 중량 감소 효과를 얻었다. 향후, 다양한 최적설계기법을 적용한 설계가 이루어진다면 더욱 많은 중량 감소를 기대할 수 있다.
	풍력발전 시스템은 어떻게 구성되어 있는가?	풍력발전 시스템은 블레이드, 메인 샤프트, 타워, 증속기, 발전기 및 각종 제어기 등으로 구성되어 있으며, 수명을 20년 이상 보장해야하므로 신뢰성 있는 제품만이 시장진입이 가능한 폐쇄적인 특징을 가지고 있다. 특히, 풍력발전기 핵심부품 중의 하나인 로터 샤프트는 블레이드로부터 전달되는 토크 진동(torque oscillation)을 감쇠시키기 위해서 적정 수준의 비틀림 가용성(torsional flexibility)을가져야 하지만 로터로부터 전달되는 하중을 포함한 여러 형태의 하중들을 지지하기 위해서는 굽힘에 대해서도 강인한 특성을 가져야 한다.

참고문헌 (9)

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상세보기
C. W. Lee, S. I. Lee, and J. S. Kim, "A study on the optimal design of mass reduction for engine connecting rod," Proceedings of The Korean Society of Mechanical Engineers Fall Conference, vol. 12, pp. 152-157, 2012.
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S. O. Park, J. H. Yoo, and S. J. Min, "Topology optimization of perpendicular magnetic recording system by considering magnetic nonlinearity," The Korean Society of Mechanical Engineers, vol. A 34, no. 7, pp. 821-827, 2010.

원문보기 상세보기
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D. K. Kim, "Design of experiment," GIJEON, pp. 395-396, 2008.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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