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제안 방법
- 아라미드섬유는 고강도, 고탄성, 고내열성 및 전기절연성 등이 탁월하고 가격대비 우수하며 특히 파라계 아라미드 섬유는 탁월한 절단저항력으로 방탄 등 인성 및 강도가 요구되는 소재에 사용되고 있다.9) 따라서 본 연구에서는 CFRP/GFRP 복합재료로 구성된 3MW급 대형 풍력발전기 블레이드에 대하여 외부스킨 부분을 아라미드섬유로 대체한 경우에 대하여 바람의 속도를 고려하여 강도평가를 연성해석으로 수행하였다. 해석에 사용된 아라미드섬유는 진동흡수성과 압축강도 및 변형 저항성이 뛰어나 항공분야에 사용되는 Kevlar 49를 상정하였으며 아라미드섬유 보강 전후의 블레이드 강도변화를 비교 평가하여 강도 향상에 미치는 영향을 조사하였다.
- 본 연구에서는 로터 블레이드의 기존 스킨에 사용되는 GFRP를 대신하여 아라미드섬유인Kevlar 49를 상정하여 보강한 전후의 로터 블레이드의 강도변화를 바람의 속도를 고려하여 평가하였다.
- 세부적인 블레이드 적층은 기존 연구의 결과11)를 적용하여 Fig. 2와 같이 외부 표면에서부터 스킨 (GFRP or Kevlar 49)-UD–발사코어–평직CFRP스킨으로 구성하였다.
- 유동해석을 수행하기 위한 바람의 적용기준은 우리나라 최대 평균 풍속인 10~12 m/s와 최대설계기준 및 돌풍으로 인한 평균 풍속 70 m/s 조건을 부여하여 로터 블레이드가 받는 압력해석을 수행하였다. Fig.
- 10) 바람에 의한 블레이드 변위가 유동장에 영향이 크지 않는 로터 블레이드는 One-way FSI 기법으로 해석하는 것이 바람직하다. 평가는 먼저 유동해석을 통해 로터 블레이드에 작용하는 압력을 외력으로 구한 후에 이에 대한 결과를 구조해석에 적용하여 수행하였다.
- 9) 따라서 본 연구에서는 CFRP/GFRP 복합재료로 구성된 3MW급 대형 풍력발전기 블레이드에 대하여 외부스킨 부분을 아라미드섬유로 대체한 경우에 대하여 바람의 속도를 고려하여 강도평가를 연성해석으로 수행하였다. 해석에 사용된 아라미드섬유는 진동흡수성과 압축강도 및 변형 저항성이 뛰어나 항공분야에 사용되는 Kevlar 49를 상정하였으며 아라미드섬유 보강 전후의 블레이드 강도변화를 비교 평가하여 강도 향상에 미치는 영향을 조사하였다. 얻어진 결과는 향후 대형 블레이드의 경량화 추세에 따라 손상부위를 최소화하는 최적설계에 반영하여 경제성과 안전성의 개발에 기여할 것으로 여겨진다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 모델은 3MW급 대형 풍력 발전기에 사용되는 풍력 블레이드 모델을 대상으로 하였다. 전장 길이는 42.
- 1에 나타내었다. 사용된 CFRP 복합재는 CF 3327 EPC인 평직 강화 프리프레그를 적층하여 이용하였고 아라미드 섬유는 Kevlar 49를 적용하였다. 세부적인 블레이드 적층은 기존 연구의 결과11)를 적용하여 Fig.
- 본 연구에서 사용된 모델은 3MW급 대형 풍력 발전기에 사용되는 풍력 블레이드 모델을 대상으로 하였다. 전장 길이는 42.65 m이며, 최장 폭이 3.456 m로 CATIA로 설계된 3차원 모델링을 Fig. 1에 나타내었다. 사용된 CFRP 복합재는 CF 3327 EPC인 평직 강화 프리프레그를 적층하여 이용하였고 아라미드 섬유는 Kevlar 49를 적용하였다.
이론/모형
- 난류 모델은 풍력발전 유동해석 분야에서 널리 사용되는 k-ω 모델 기반의 SST(Shear Stress Transport) 모델12)을 적용하였다.
- 난류 유동장의 수치해석기법은 RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) 방정식을 적용하였으며, 유한 체적 법을 지배방정식으로 하여 이산화했다. 난류 모델은 풍력발전 유동해석 분야에서 널리 사용되는 k-ω 모델 기반의 SST(Shear Stress Transport) 모델12)을 적용하였다.
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