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문제 정의
- 유연성 있는 디스크 팩은 얇은 판을 적층하여 사용되며 통상 3 ~ 4장을 하나로 조립한다. 본 연구에서는 6t, 7t, 9t의 상용하는 유리섬유강화플라스틱 판을 이용하기 위하여 유한요소해석을 통해 최적의 두께와 적층횟수를 결정하려 하였다.
- 본 연구에서는 커플링의 허용 변형량과 전달 토크를 만족하는 유리강화플라스틱 디스크 팩을 설계하기 위하여 유한요소해석을 수행하였다. 원소재 두께는 Tsai-Wu손상계수를 이용하여 최적화하였다.
제안 방법
- (3) 일체형 토크리미터의 개발을 위하여 마찰계수와 볼트의 토크 계수를 실험적으로 구하였다. 이를 토대로 20kNm에서 미끄럼이 발생되도록 설계, 제작된 토크리미터의 미끄럼토크는 19.
- 2MW급 풍력발전기용 고속 커플링의 주요 부품인 디스크 팩과 토크리미터의 설계, 유한요소해석 및 검증시험을 통하여 다음의 결론에 도달 하였다.
- 원소재 두께는 Tsai-Wu손상계수를 이용하여 최적화하였다. 과부하 방지용 토크리미터는 마찰차 형식으로 설계하였고, 볼트의 축력과 마찰계수를 실험적으로 구하여 설계의 정확성을 확보하였다.
- 동판과 강판사이의 마찰계수를 구하기 위하여 수평 마찰식 마찰시험기를 이용하여 시험을 진행하였다. 하중레벨은 200N, 300N으로 설정하고 상대 습동 거리는 10mm, 시험속도는 1Hz로 하여 각각의 시편에 대하여 3회 시험을 진행하였다.
- 설계된 고속커플링의 성능을 평가하기 위하여 전달토크, 슬립토크, 절연저항 시험을 실시하여 부품 설계의 타당성과 제품의 안정성을 검증하였다.
- 2MW 고속커플링의 경우 1kV의 전압에서 100M Ω 이상의 절연저항이 요구된다. 시험방법은 스페이셔 어셈블리 양단에 1kV의 전압을 인가하여 절연저항을 측정하였다. 시험결과 시험장비의 최대 값인 2000MΩ이상의 우수한 절연성이 확보됨을 확인하였다.
- 동판과 강판사이의 마찰계수를 구하기 위하여 수평 마찰식 마찰시험기를 이용하여 시험을 진행하였다. 하중레벨은 200N, 300N으로 설정하고 상대 습동 거리는 10mm, 시험속도는 1Hz로 하여 각각의 시편에 대하여 3회 시험을 진행하였다. 시험결과 기동 마찰계수의 평균값은 0.
- GL규정에 따라 커플링 해석의 최대하중은 미끄럼토크를 사용할 수 있다. 하지만 본 연구에서는 안전계수를 고려하여 최대 전달토크를 40 kNm로 설정하였다[1].
대상 데이터
- 디스크 팩의 유한요소모델을 Figure 5에 나타내었다. 유한요소의 타입은 복합재 적층 능력과 비선형성이 고려되는 셸(Shell)요소인 4 Node Finite Strain Shell인 Shell181을 사용하였다. 요소의 총갯수는 14,000개이며, 유한요소해석은 적층 물성치 방법을 사용하였다[6][7].
이론/모형
- 발전기와 기어박스의 연결은 각 부품의 축과 커플링의 허브를 볼트 축력으로 조립하는 Taper Fitting방식이 적용되었다. 조립형상은 Figure 10과 같으며 조립을 위한 축력(F0)은 토크계수와 전달하는 목표 Torque에 필요한 면압을 이용하여 식 (5)로부터 계산되었다.
- 유한요소의 타입은 복합재 적층 능력과 비선형성이 고려되는 셸(Shell)요소인 4 Node Finite Strain Shell인 Shell181을 사용하였다. 요소의 총갯수는 14,000개이며, 유한요소해석은 적층 물성치 방법을 사용하였다[6][7].
- 본 연구에서는 커플링의 허용 변형량과 전달 토크를 만족하는 유리강화플라스틱 디스크 팩을 설계하기 위하여 유한요소해석을 수행하였다. 원소재 두께는 Tsai-Wu손상계수를 이용하여 최적화하였다. 과부하 방지용 토크리미터는 마찰차 형식으로 설계하였고, 볼트의 축력과 마찰계수를 실험적으로 구하여 설계의 정확성을 확보하였다.
- 유한요소 해석결과에서 디스크 팩의 파손여부는 Tsai-wu 지수값을 이용하여 판단하였다. 해석결과 7t의 경우가 동일 하중과 변형조건에서 가장 적은 Tsai-wu 지수값을 나타내고 있어 강도적인 측면에서 가장 안정적임 알 수 있다.
- 유한요소해석을 수행하기 위하여 상용 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS 13 Classic을 사용하였다. 디스크 팩의 유한요소모델을 Figure 5에 나타내었다.
성능/효과
- (1) 0°, 90°로 적층된 6t, 7t, 9t 두께로 설계된 유리섬유강화플라스틱 디스크 팩에 대하여 유한요소해석을 수행하였고, 그 결과 7t 소재가 가장 안정적인 결과를 나타냄을 확인하였다.
- (2) 최적의 조건인 7t로 제작된 디스크 팩에 20kNm, 40kNm의 전달토크를 인가하였을 때 해석과 동일하게 파손이 발생되지 않았다. 하지만 목표하중을 초과한 토크에서는 파손이 발생되어 유한 요소 해석결과가 타당함을 확인하였다.
- (4) 유리강화섬유소재로 제작된 고속커플링의 절연저항은 고속커플링의 요구조건을 만족하는 우수한 절연저항을 나타내었다.
- (5) 개발된 풍력발전기용 고속커플링의 성능시험을 통하여 기능상 요구되는 전달토크, 미끄럼토크 및 절연저항을 만족함을 확인하였다. 개발된 풍력용 고속커플링의 실용화를 위해서 내구성 검증을 위한 실증시험의 진행이 필요하다.
- 10.9T M16 볼트에 255 Nm의 체결토크를 부과하는 시험을 3회 실시하였을 때 평균적으로 볼트에 가해지는 축력은 95,710N 이었다. 볼트의 직경이 0.
- 디스크 팩과 스페이셔 어셈블리가 조립된 상태에서 최대 토크 전달이 성공적임을 확인하였고, 파손은 발생하지 않아 해석이 안정적임을 확인하였다.
- 9T M16 볼트에 255 Nm의 체결토크를 부과하는 시험을 3회 실시하였을 때 평균적으로 볼트에 가해지는 축력은 95,710N 이었다. 볼트의 직경이 0.016m임으로 볼트에 가해지는 응력은 476MPa이며 항복강도가 900MPa 이하임으로 탄성영역내에서 시험이 진행되었음을 확인하였다. 각각의 실험에서 구한 볼트 축력을 이용하여 계산된 평균 토크계수는 0.
- 설계 목표 값인 20kNm에 대하여 실제 19.4kNm 에서 슬립이 발생하였으며 2.5%의 오차를 나타냈다. 토크리미터의 허용범위가 15%임을 감안하여 설계 방안이 적절함을 확인할 수 있다.
- 시험결과 시험장비의 최대 값인 2000MΩ이상의 우수한 절연성이 확보됨을 확인하였다.
- (3) 일체형 토크리미터의 개발을 위하여 마찰계수와 볼트의 토크 계수를 실험적으로 구하였다. 이를 토대로 20kNm에서 미끄럼이 발생되도록 설계, 제작된 토크리미터의 미끄럼토크는 19.4 kNm로써 토크리미터의 설계가 안정적임을 확인 하였다.
- 5%의 오차를 나타냈다. 토크리미터의 허용범위가 15%임을 감안하여 설계 방안이 적절함을 확인할 수 있다.
후속연구
- 5%의 미끄럼 토크의 차이는 마찰판의 조도의 차이에서 발생할 수 있다. 또한 실제 전달 토크는 미소면적당 작용하는 수직하중에 대한 마찰력의 합산임으로 식 (3)에서 토크의 작용점(Rave)을 마찰판의 외경과 내경의 평균값이 아닌 면적의 중심점을 적용할 경우 보다 정확한 예측이 가능할 것으로 판단된다.
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