[논문]풍력발전시스템 타워의 플랜지 국부 응력 평가 기법 연구

원종범; 이강수; 박종빈; 김만응; 한성곤; 이상래

풍력발전시스템 타워의 플랜지 국부 응력 평가 기법 연구
A Study on the Method of Local Stress Evaluation for the Wind Turbine Tower Flange 원문보기

원종범 ((사)한국선급 에너지환경사업단) , 이강수 ((사)한국선급 에너지환경사업단) , 박종빈 ((사)한국선급 에너지환경사업단) , 김만응 ((사)한국선급 에너지환경사업단) , 한성곤 (대우조선해양) , 이상래 (대우조선해양)

본 논문은 풍력발전 시스템의 하부 지지 구조물인 타워의 플랜지 연결부 설계 평가를 위한 플랜지 모델건전성 평가 기법에 대해 다룬다. 일반적으로 풍력발전 시스템 타워의 연결부는 Ring-형 플랜지의 형태를 가지고 있다. 이러한 ring-형 플랜지에 대한 설계 기준 및 방법은 풍력 발전 시스템 기술기준 등 에 명시되어있다. 이러한 설계 기준을 따르는 플랜지 연결부에 대해 구조 및 체결 볼트의 건전성 평가를 위해 하중평가 전용 프로그램인 GH-Bladed 3.8를 통해 생성된 하중 데이터를 유한요소 범용 프로그램인 Ansys 12.0에 접목하여 구조해석을 수행 하였다. 해석 방법은 풍력발전시스템의 타워를 셸 요소로 모델링하여 계산한 해석 결과를 플랜지 모델의 경계면에 적용 시켜 해석하는 submodeling 기법과 타워를 빔의 형태로 단순화 화여 계산한 거동 결과를 플랜지 모델에 적용하는 기법을 사용 하였다. 이 두 가지의 해석 기법으로 도출된 결과의 비교를 통하여 해석 결과 신뢰성을 평가하고 효율적이고 합리적인 방법을 제시하고자 하였다.

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문제 정의

- 플랜지 해석의 경우 일반적으로 플랜지를 볼트체결 단위로 세분화 하여 모델링하여 평가하는 방법이 일반적이나 본 논문에서는 플랜지 전체를 모델링 하여 해석함으로써 상대적으로 실제거동에 가까운 결과를 도출하고자 하였다.
그러나 현재까지 연구된 결과는 플랜지 국부 모델을 통한 해석 및 실험 연구에 국한 되어 있다. 본 논문에서는 ring-형 플랜지에 실제 발생하는 외부 환경 하중 및 기계적 하중을 접목하여 플랜지 체결용 볼트에 발생하는 하중을 평가하고자 하였다. 해석 방법은 서브모델링 기법을 사용하여 셸 요소로 모델링한 타워의 해석 결과로부터 플랜지 모델의 경계면에 이를 적용하여 계산한 것과 타워를 빔의 형태로 치환하여 계산한 결과를 플랜지 모델에 적용하여 계산한 방법을 사용 하였다.
본 논문에서는 풍력발전 시스템의 타워 플랜지에 대해 submodeling 기법을 이용한 경우와 빔 형태로 치환하여 결과값을 플랜지에 적용하여 해석한 경우의 비교 및 분석을 통하여 해석 결과 신뢰성을 평가하고 효율적이고 합리적인 방법을 제시하고자 하였으며 결론은 다음과 같다.

제안 방법

해석 모델은 볼트가 각각 10개, 100개인 플랜지 모델을 선택 하였으며 이 두 가지의 결과 및 그 경향을 해석 방법에 따라 비교 하였다.
본 논문에서는 ring-형 플랜지에 실제 발생하는 외부 환경 하중 및 기계적 하중을 접목하여 플랜지 체결용 볼트에 발생하는 하중을 평가하고자 하였다. 해석 방법은 서브모델링 기법을 사용하여 셸 요소로 모델링한 타워의 해석 결과로부터 플랜지 모델의 경계면에 이를 적용하여 계산한 것과 타워를 빔의 형태로 치환하여 계산한 결과를 플랜지 모델에 적용하여 계산한 방법을 사용 하였다. 하중해석은 GH-Bladed를 사용하였으며 구조해석은 Ansys 12.

대상 데이터

타워를 빔으로 치환하여 계산 하는 방법의 경우 위의 submodeling 기법과 유사한 과정을 거치며 다른 점은 셸요소의 경계 조건을 가져오는 대신 빔요소를 통해 계산된 타워의 플랜지 위치에 해당하는 절점에서의 거동 결과를 적용하여 해석한다. 타워의 하부의 구속조건은 6 DOF를 구속하였다.

데이터처리

해석 방법은 서브모델링 기법을 사용하여 셸 요소로 모델링한 타워의 해석 결과로부터 플랜지 모델의 경계면에 이를 적용하여 계산한 것과 타워를 빔의 형태로 치환하여 계산한 결과를 플랜지 모델에 적용하여 계산한 방법을 사용 하였다. 하중해석은 GH-Bladed를 사용하였으며 구조해석은 Ansys 12.0 을 사용하여 해석 하였다.

이론/모형

타워의 모델링은 빔 형태와 셸형태의 모델을 사용하였으며 플랜지 모델은 3D 솔리드 요소를 사용하여 모델링 하였다. 플랜지 모델에 적용된 체결용 볼트는 빔 요소를 사용하였으며 빔 요소와 플랜지 사이의 체결 조건을 구현하기 위하여 강체 빔 모델을 사용하였다.
타워의 모델링은 빔 형태와 셸형태의 모델을 사용하였으며 플랜지 모델은 3D 솔리드 요소를 사용하여 모델링 하였다. 플랜지 모델에 적용된 체결용 볼트는 빔 요소를 사용하였으며 빔 요소와 플랜지 사이의 체결 조건을 구현하기 위하여 강체 빔 모델을 사용하였다.

성능/효과

- 플랜지 해석을 위해 두 가지 해석 기법을 적용하였으며 각각의 해석 결과는 장력에서 볼트 개수 차이별 모델에서 각각 116%, 132% 차이를 보였다.
위의 결과를 바탕으로 두 해석 기법간의 차이를 비교하여 보면 두 결과 값 간의 차이가 10개의 볼트를 체결한 경우 그림 6과 7에서 보는 바와 같이 장력에서 116%의 차이를 보였으며 방향별 전단력의 경우 각각 831%, 961%의 차이를 보였다. 또한 100개의 볼트를 체결한 경우 장력에서 132%의 차이를 보였으며 방향별 전단력의 경우 각각 734%, 827%의 차이를 보였다. 이는 빔 모델 치환 타워의 결과 값을 방향별 변위 및 각 축의 회전 변위 값을 적용하는 과정에서 Shell 모델과는 적용 방법이 상이한 부분에서 차이를 보이는 것으로 보인다.
또한 빔의 거동 결과를 적용하여 해석한 볼트가 10개인 플랜지의 경우 최대 작용 장력이 123000 N, 방향별 각각의 전단력이 39636 N, 26566 N으로 나타났으며, 볼트가 100개인 플랜지의 경우 최대 작용 장력이 101000 N, 방향별 각각의 전단력이 13177 N, 17307 N으로 나타났다.
위의 결과를 바탕으로 두 해석 기법간의 차이를 비교하여 보면 두 결과 값 간의 차이가 10개의 볼트를 체결한 경우 그림 6과 7에서 보는 바와 같이 장력에서 116%의 차이를 보였으며 방향별 전단력의 경우 각각 831%, 961%의 차이를 보였다. 또한 100개의 볼트를 체결한 경우 장력에서 132%의 차이를 보였으며 방향별 전단력의 경우 각각 734%, 827%의 차이를 보였다.
위의 표 6에서 보는 바와 같이 각각의 해석 방법에 따라 도출된 결과는 submodeling 기법을 사용한 볼트가 10개인 플랜지의 경우 최대 작용 장력이 106000 N, 방향별 각각의 전단력이 4766.9 N, 2762.9 N으로 나타났으며 볼트가 100개인 플랜지의 경우 최대 작용 장력이 76200 N, 방향별 각각의 전단력이 3170.1 N, 2090.3 N으로 나타 났다.
체결용 볼트에 발생하는 하중 결과를 살펴보면 아래 표 5과 같다. 체결용 볼트에 발생하는 최대 인장력은 볼트가 100개를 기준으로 봤을 때 101000 N이며 전단력 최대 값은 방향에 따라서 각각 23277 N, 17307 N으로 나타났다. 그 밖의 확인 요소 중 굽힙 모멘트 및 비틀림 모멘트의 경우 위와 같은 플랜지 모델의 경우 상대적으로 매우 작은 값을 가지므로 고려하지 않아도 될 것으로 판단된다
체결용 볼트에 발생하는 하중 결과를 살펴보면 아래 표 4와 같다. 체결용 볼트에 발생하는 최대 인장력은 볼트가 100개를 기준으로 봤을 때 76200 N이며 전단력 최대 값은 방향에 따라서 각각 3170N, 2090N으로 나타났다. 그 밖의 확인 요소 중 굽힙 모멘트 및 비틀림 모멘트의 경우 위와 같은 플랜지 모델의 경우 상대적으로 매우 작은 값을 가지므로 고려하지 않아도 될 것으로 판단된다.

후속연구

- 향후 플랜지의 구조 건전성 해석 및 적용 볼트 선택을 위한 구조해석 시 위의 결과 값의 차이를 인지하고 각각의 상황에 맞는 방법을 택하는 것이 중요 하겠다. 특히, 볼트의 인장력 관점에서 접근 시 빔 모델을 사용한 방법을 사용하는 것은 큰 무리가 없겠으나 전단력, 굽힘 모멘트, 비틀림 모멘트 등의 결과를 확인 하고자 할 경우 적합하지 않을 것으로 판단된다.

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