초록 ▼

○ HAT 및 VAT 표준모델 선정
- 500kW급 수평축 표준터빈과 100kW급 수직축 표준터빈을 선정하여 수치해석 및 실험적인 방법으로 성능을 검토하고 진동해석을 통한 안정성 검토.
○ 터빈 표준설계용 계열자료 구축
- 터빈 표준설계용 DB 구축을 위하여 100kW~1MW급 HAT 및 30~300kW급 VAT 터빈의 설계 파라메터와 범위를 결정하고 수치해석적인 방법으로 성능계열자료를 확보.
○ 터빈 표준설계 및 맞춤설계 프로그램 개발
- 조류속도와 요구발전량에 부합하는 터빈 표준설계 프로그램 작성

○ HAT 및 VAT 표준모델 선정
- 500kW급 수평축 표준터빈과 100kW급 수직축 표준터빈을 선정하여 수치해석 및 실험적인 방법으로 성능을 검토하고 진동해석을 통한 안정성 검토.
○ 터빈 표준설계용 계열자료 구축
- 터빈 표준설계용 DB 구축을 위하여 100kW~1MW급 HAT 및 30~300kW급 VAT 터빈의 설계 파라메터와 범위를 결정하고 수치해석적인 방법으로 성능계열자료를 확보.
○ 터빈 표준설계 및 맞춤설계 프로그램 개발
- 조류속도와 요구발전량에 부합하는 터빈 표준설계 프로그램 작성.
- BEMT 알고리듬을 이용한 수평축 터빈 해석 프로그램 작성.
- DMS법을 이용한 수직축 터빈 2-D 해석 프로그램 작성.
- 수직축 터빈의 공진 회피를 위한 진동해석 프로그램 작성.
- 사용자 지향 GUI시스템과 연계하여 편리성 도모.

목차 Contents

• 신ㆍ재생에너지융합원천기술개발사업 최종보고서 제출서 ... 1
• 제출문 ... 2
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 7
• 목차 ... 17
• 제 1 장 서론 ... 31
• 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 31
• 1. 개발 대상 기술제품의 개요 ... 31
• 2. 기술개발 대상 및 제품의 중요성 ... 37
• 제 2 절 국내ㆍ외 관련 기술의 현황 ... 40
• 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적ㆍ경제적 파급효과 ... 46
• 1. 기술적 파급효과 ... 46
• 2. 경제적 파급효과 ... 46
• 제 2 장 기술개발 내용 및 방법 ... 47
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 47
• 제 2 절 연차별 개발 내용 및 범위 ... 50
• 1. 1차년도 개발 내용 및 범위 ... 50
• 2. 2차년도 개발 내용 및 범위 ... 50
• 3. 3차년도 개발 내용 및 범위 ... 51
• 제 3 장 기술개발 결과 ... 53
• 제 1 절 기술개발 개요 ... 53
• 제 2 절 수평축 터빈 표준설계 ... 63
• 1. 서론 ... 63
• 2. 기준 터빈 선정 ... 67
• 가. 국내 및 해외 조류발전용 터빈 조사 ... 67
• 나. 터빈 표준화 모델 선정 ... 67
• 1) 터빈 기초 설계 및 해석 이론 ... 67
• 가) 디스크 이론(Actuator Disk Concept) ... 67
• 나) 운동량 이론(Momentum Theory) ... 68
• 다) 동력계수(Power coefficient, CP) ... 70
• 라) 최대 동력계수(The Betz limits) ... 70
• 마) 축 추력계수(CT) ... 71
• 바) 로터 디스크 이론(Rotor Disk Theory) ... 71
• 사) 각 운동량 이론(Angular Momentum Theory) ... 72
• 아) 최대 동력(Maximum Power) ... 74
• 자) 날개 요소이론(Blade Element Theory) ... 75
• 차) 날개 요소 운동량이론(Blade Element Momentum Theory) ... 76
• 2) 100kW급 기준 터빈 설계 및 성능해석 ... 79
• 가) 날개 단면 선정연구 ... 79
• 나) 100kW급 조류발전용 터빈 형상 설계 ... 81
• 다. 터빈 성능검증을 위한 모형실험 ... 86
• 1) 모형실험 방법 선행 조사 및 실험장비 ... 86
• 2) 조류발전용 성능 실험장치 ... 87
• 3) 실험 터빈모형 제작 ... 89
• 4) 실험 절차 ... 90
• 5) 실험 장비 Calibration ... 91
• 6) 오차분석 ... 91
• 7) 실험결과 및 분석 ... 93
• 8) 계산결과 비교 ... 96
• 9) 결론 및 요약 ... 97
• 3. 표준 터빈 대표모델 범위 선정 및 설계 ... 97
• 가. Parametric study를 통한 계열 터빈 설계 ... 100
• 4. 터빈 Software Database 구축 및 구성 ... 102
• 가. 작동조건 Data ... 103
• 나. 터빈 형상 Data ... 103
• 다. 터빈 성능 Data ... 103
• 라. 전체 데이터 구성 예 ... 104
• 5. 조류발전용 터빈 표준설계 S/W ... 113
• 가. HAT 터빈 표준설계 S/W 시스템 모듈의 정의 ... 113
• 나. 표준설계 S/W 적용 이론 ... 114
• 1) 선박용 프로펠러 설계 최적화이론 ... 114
• 2) 수평축 터빈의 최적화 적용 이론 ... 117
• 다. 표준설계 S/W 구성 ... 121
• 6. 결론 ... 122
• 제 3 절 수평축 터빈 성능해석 ... 123
• 1. 서론 ... 123
• 2. 본론 ... 124
• 가. 날개 요소 운동량이론(Blade Element Momentum Theory;BEMT) ... 124
• 1) 운동량 이론(Momentum Theory) ... 125
• 2) 날개요소 이론(Blade Element Theory) ... 128
• 3) Coupling ... 129
• 가) The iteration equation of the tangential induction factor ... 129
• 나) The iteration equation of the axial induction factor ... 130
• 다) Correction for the turbulent wake state ... 131
• 라) Input for BEMT ... 132
• 마) Verification of the developed BEMT code ... 133
• 바) Model turbine performance analysis ... 136
• 나. 전산 유체 역학(Computation Fluid Dynamics;CFD) ... 137
• 1) Flow solver ... 137
• 2) Solution domain, mesh, and boundary conditions ... 138
• 3) Validation against experimental data ... 142
• 4) Model turbine performance analysis ... 144
• 3. 결론 ... 147
• 제 4 절 수직축 터빈 표준설계 ... 148
• 1. 서론 ... 148
• 2. 기준 터빈 선정 ... 148
• 가. 기초자료 조사 ... 148
• 나. 수치해석 기법 ... 149
• 1) 고정익의 유체력 해석 검증 ... 149
• 2) 회전하는 수직축 터빈 성능 해석 기법 ... 151
• 다. 수직축 터빈의 주요 설계변수 ... 153
• 1) 끝단속도비(Tip Speed Ratio, TSR) ... 154
• 2) 날개 형상 ... 155
• 3) 솔리디티(Solidity) ... 155
• 4) 유속 ... 157
• 5) 피치각 ... 158
• 6) 캠버(Camber) ... 160
• 라. 최종 선정된 표준터빈 ... 164
• 마. 모형실험 장치 구축 ... 164
• 1) 실험모형장치 개요 ... 164
• 2) 모형실험 결과 ... 166
• 3. 범위 선정 ... 167
• 가. 날개수 ... 167
• 나. 솔리디티 ... 168
• 다. 스팬직경비(H/D) ... 168
• 4. 회귀분석 및 최적화 과정 ... 169
• 가. 회귀분석(Regression analysis) ... 169
• 1) 레이놀즈 수 영향 ... 169
• 2) 솔리디티 영향 ... 182
• 3) 직경스팬비 영향 ... 188
• 나. 최적화과정(Optimization method) ... 190
• 1) 박용 프로펠러 설계에서의 최적화기법 ... 190
• 2) 수직축 터빈의 최적화기법 ... 193
• 5. 결론 ... 198
• 제 5 절 수직축 터빈 성능해석 ... 200
• 1. 서론 ... 200
• 2. 본론 ... 200
• 가. DMS (Double multiple streamtube) ... 200
• 나. DMS 모델의 연산 과정 ... 201
• 다. DMS 코드의 해석 결과 ... 208
• 3. 결론 ... 211
• 제 6 절 수직축 터빈 진동해석 ... 212
• 1. 서론 ... 212
• 가. 기술개발 배경 ... 212
• 나. 기술동향 및 개발내용 ... 212
• 2. 본론 ... 213
• 가. 유한요소법을 이용한 VAT의 고유진동해석 ... 213
• 1) 3차원 보 유한요소 ... 213
• 가) 강성/관성 행렬 ... 213
• 나) 좌표변환 ... 219
• 2) 부가수 질량 ... 221
• 가) 2차원 단면의 부가수 질량 계산 ... 221
• 나) 3차원 수정계수 정의 및 적용 ... 222
• 다) 부가수 질량의 적용 ... 225
• 나. 유한요소 해석 ... 226
• 1) 요소 결합 ... 226
• 2) 경계 조건 ... 228
• 3) 고유치 해석 ... 228
• 4) 접수 효과 평가 ... 229
• 다. 표준형 VAT 구조의 진동해석 모듈 개발 ... 230
• 1) VAT 진동해석 모듈 개발목적 ... 230
• 2) 표준형 VAT의 스트럿 부착 위치 최적화 ... 231
• 3) 표준형 VAT 성능해석 프로그램 개발개요 ... 235
• 가) 회전축 ... 237
• 나) 스트럿 ... 237
• 다) 블레이드 ... 238
• 라. 표준형 VAT의 수치해석 예 ... 239
• 1) 모형 VAT 모델(Model 12)의 비접수/접수 고유진동해석 ... 239
• 가) 수치해석 모델 제원 ... 239
• 나) 상부지지 터빈 모형(Model 1) 진동해석 결과 ... 242
• 다) 상ㆍ하부지지 터빈 모형(Model 2) 진동해석 결과 ... 246
• 2) 100kW 실형 VAT 모델 (Model 34)의 수치해석 ... 249
• 가) 수치해석 모델 제원 ... 249
• 나) 상부지지 터빈 구조(Model 3) 접수진동해석 결과 ... 251
• 다) 상ㆍ하부지지 터빈 모형(Model 4) 진동해석 결과 ... 254
• 3. 결론 ... 256
• 제 7 절 종합토론 ... 258
• 제 4 장 최종결과물 및 사업화 계획 ... 259
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 259
• 1. 연구개발 추진일정 ... 259
• 가. 1차년도 연구개발 내용 및 달성도 ... 259
• 나. 2차년도 연구개발 내용 및 달성도 ... 260
• 다. 3차년도 연구개발 내용 및 달성도 ... 262
• 2. 연구개발 추진 실적 ... 264
• 가. 지식재산권 ... 264
• 나. 논문 게재/발표 실적 ... 265
• 다. 기술이전 실적 ... 271
• 라. 인증/포상 실적 등 (국내 및 국외) ... 271
• 3. 기술개발 성과물 ... 272
• 가. 유형 성과물 ... 272
• 나. 무형 성과물 ... 273
• 제 2 절 연구개발 추진체계 ... 274
• 1. 기관별 역할 ... 274
• 2. 추진 내역 ... 276
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 277
• 1. 시장 현황 ... 277
• 2. 사업화 전망 ... 279
• 제 5 장 참고문헌 ... 280
• [부록 A1] User's Manual 개요 ... 283
• [부록 A2] User's Manual ... 286