[논문]블레이드 성능예측을 위한 실속지연 모델 적용

신형기; 박지웅; 김호건; 이수갑; 김석우

블레이드 성능예측을 위한 실속지연 모델 적용
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신형기 (에너지기술연구원 풍력발전연구단) , 박지웅 (서울대학교 기계항공공학부) , 김호건 (서울대학교 기계항공공학부) , 이수갑 (서울대학교 기계항공공학부) , 김석우 (에너지기술연구원 풍력발전연구단)

BEMT나 wake method와 같이 2-D 에어포일의 데이터를 성능과 하중 해석에 이용하는 기법의 경우 에어포일 데이터의 정확도는 전체 결과에 큰 영향을 미친다. 풍력 블레이드와 같은 회정익에서는 2-D 에어포일 데이터를 실험 등을 통하여 정확히 얻어서 적용 시키더라도 예측 결과는 실제값과 큰 차이를 보이는 경우가 많다. 이는 회전익의 유동 특성에 의해 발생하는 실속 지연의 효과로 인한 것이며 이것은 입력에 사용되는 에어포일 데이터에는 반영되지 않으므로 자체적인 보정이 필요하다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 현재 제시되어 있는 실속 지연 모델을 살펴보고 이를 불레이드의 성능과 하중 해석에 저용시켜 보아 그 유효성에 대하여 살펴보았다.

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문제 정의

따라서 BEMT 또는 와동후류법(vortex wake method)에서는 적절한 실속 지연 모델의 적용이 필요하다. 본 연구에서는 두 가지 경우의 실속 지연 모델을 적용하여 실속 지연 모델이 적용되지 않은 경우의 해석과 비교해 보았다[3].

제안 방법

Head-on flow에서 NREL 모델의 실험은 풍속 7m/s, 10m/s, 13m/s, 15m/s, 20m/s, 25m/s에 대하여, 각각 회전수 71.9RPM, 72.1RPM 72.1RPM, 72.1RPM, 72RPM, 72.1RPM에서 수행 되었다. 이 실험 조건에서 실속지연 모델을 자유후류법와 결합하여 그 해석 결과에 대하여 대한 결과는 토크와 r/R=0.
적용하였다[7]. 본 연구의 계산에서는 S809 에어포일의 cl, cd값에 대하여 각각의 실속지연 모델을 적용하여 블레이드의 분포 하중 계산에서 보정치로 사용하였다. NREL 블레이드의 해석을 위한 에어포일 데이터는 오하이오 대학의 실험치 [8]를 사용하였다(그림 2).
앞의 단원에서 설명한 실속지연모델의 적용과 효용성을 보기 위하여 NREL의 UAE 실험에 대하여 적용하였다[7]. 본 연구의 계산에서는 S809 에어포일의 cl, cd값에 대하여 각각의 실속지연 모델을 적용하여 블레이드의 분포 하중 계산에서 보정치로 사용하였다.
자유후류모델에는 Corrigan 실속 지연 모델과 Du & Selig 실속 지연 모델의 2가지 실속 지연모델을 적용한 경우와 실속 지연 모델을 적용시키지 않은 경우에 대하여 계산을 수행하였다. 토크의 비교는 그림 4에서 볼 수 있다.

대상 데이터

본 연구의 계산에서는 S809 에어포일의 cl, cd값에 대하여 각각의 실속지연 모델을 적용하여 블레이드의 분포 하중 계산에서 보정치로 사용하였다. NREL 블레이드의 해석을 위한 에어포일 데이터는 오하이오 대학의 실험치 [8]를 사용하였다(그림 2). 그림 3은 Corrigan 실속 지연 모델이 적용된 S809 에어포일의 공력계수를 보여주고 있다.

데이터처리

1RPM에서 수행 되었다. 이 실험 조건에서 실속지연 모델을 자유후류법와 결합하여 그 해석 결과에 대하여 대한 결과는 토크와 r/R=0.3, 0.47, 0.63, 0.80, 0.95에서 측정된 Normal force coefficient와 비교 분석하였다.

이론/모형

유동 해석을 위해서는 기본적으로 자유 후류 기법을 개량한 FVE 모델[9], [10]을 사용하였으며 이에 대한 보정으로 앞서 이야기한 실속 제어 모델을 적용하였다.

성능/효과

이 경우는 속도 포텐셜에 기반한 블레이드의 패널과 자유 후류가모두 잘 적용되는 경우이며 보정에 사용되는 에어포일의 공력 계수도 무리없이 적용되는 경우이다. 따라서 10m/s이하의 풍속에서는 실속 지연모델 여부에 관계없이 실험치와 계산치가 잘 일치하는 것을 보여준다. 그러나 풍속이 증가함에따라 정속 회전 실속 제어형 블레이드의 특성으로 블레이드의 피치각과 회전수가 고정되어 있어블레이드의 유효 받음각이 점차로 증가하여 일부영역에서는 블레이드의 유효 받음각이 40도에 육박하게 된다.
위의 결과들은 BEMT 또는 vortex wake 기법을 사용하여 풍력 블레이드의 성능과 하중을 예측하는 방법에서 적절한 실속지연모델 적용의 중요성을 보여준다. 특히 정격 풍속 부근과 그 이상의 경우 실속 지연 모델의 적용 여부와 종류에 따라 큰 차이를 보여주고 있다.
Du & Selig 실속 지연 모델을적용한 경우 다른 모델의 경우에 비해 블레이드루트 부근에서 실험치와의 경향성이 잘 일치하고있다. 이것으로 보아 자유후류법에 Du & Selig 실속 지연 모델의 적용이 성능 및 하중 분표 예측에 가장 적절한 기법으로 판단된다.

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