풍력터빈의 구조특성 평가에 관한 연구-Part1
A Study on the Evaluation of Structural Properties of Wind Turbine Blade-Part1
이 경 수*
Lee, Kyoung-Soo
Huque, Ziaul** Kommalapati, Raghava*** 한 상 을****
Han, Sang-Eul
Abstract
This paper presents the structural model development and verification processes of wind turbine blade. The National Renewable Energy Laboratory (NREL) Phase VI wind turbine which the wind tunnel and structural test data has publicly available is used for the study. The wind turbine assembled by blades, rotor, nacelle and tower. The wind blade connected to rotor. To make the whole turbine structural model, the mass and stiffness properties of all parts should be clear and given. However the wind blade, hub, nacelle, rotor and power generating machinery parts have difficulties to define the material properties because of the composite and assembling nature of that. Nowadays to increase the power generating coefficient and cost efficiency, the highly accurate aerodynamic loading evaluating technique should be developed. The Fluid-Structure Interaction (FSI) is the emerging new way to evaluate the aerodynamic force on the rotating wind blade. To perform the FSI analysis, the fluid and structural model which are sharing the associated interface topology have to be provided. In this paper, the structural model of blade development and verifying processes have been explained for Part1.
In following Part2 paper, the processes of whole turbine system will be discussing.
Keywords : Wind turbine blade, NREL Phase VI, Structural model, Aerodynamic force
Journal of the Korean Association for Spatial Structures Vol. 14, No. 4 (통권 58호), pp.47~54, December, 2014
1. 서론
1)풍력발전은 블레이드에 의해 풍력에너지의 공기 역학적 성능을 기계적 회전에너지로 변화시켜 전기 에너지를 생산하는 신재생 발전방식으로, 풍력터빈 의 효율을 극대화하기 위해서는 최적화된 풍력터빈 블레이드의 개발이 필수적이다.
풍력터빈 블레이드가 회전하기 위해서는 바람의 운동에너지를 블레이드가 효과적으로 흡수, 변환할 수 있어야 하며, 이를 위해서는 일반적으로 익형 (airfoil)의 블레이드 단면을 사용한다. 각각의 익형
* 정회원, Prairie View A&M Univ., 박사후과정 CEES, Prairie View A&M Univ.
** 정회원, Prof. Prairie View A&M Univ.
Dept. of Mech. Eng., Prairie View A&M
*** 정회원, Prof. Prairie View A&M Univ.
Dept. of Civil & Env. Eng., Prairie View A&M
**** 교신저자, 인하대학교 건축학부 교수, 공학박사 School of Architecture, Inha University Tel: 032-860-8592 Fax: 032-750-5837
단면은 양력(lift force)과 항력(drag force)의 공력 (aerodynamic load) 특성을 가지며, 블레이드 단면 에 발생한 공기역학적 성능을 극대화함으로써 블레 이드의 회전 혹은 발전효율을 향상시킨다.
풍력터빈 블레이드는 곡면의 복잡한 3차원 형상 을 가지기 때문에 블레이드 표면에서의 정확한 풍 하중의 산정 및 적용이 쉽지 않고, 일반적으로 유리 섬유보강재(GFRP)가 사용된 블레이드는 구성 재료 의 성질 및 제작과정에 따라 재료적 특성이 결정되 기 때문에 구조적 강성을 알기 위해서는 시편에 의 한 실험을 통해서 주로 결정된다.
만약 부정확한 공력 및 재료특성 평가가 이루어 진다면 비경제적인 설계에 의한 제작비의 상승 및 불안정설계에 의한 블레이드의 손상파괴가 발생할 수 있다. 따라서 풍력터빈 블레이드의 최적구조설계 를 위해서는 정확한 3차원 공력하중 및 블레이드단 면의 구조적 특성 파악이 이루어져야한다.
풍력터빈 블레이드는 바람에 의해서 회전하기 때 문에 회전하는 3차원 블레이드 표면의 풍압분포 특 성을 알기 위해서는 풍동실험(wind tunnel test)1),2)
과 같은 실험적인 방법과 전산유체역학(CFD)3),4),5),6)
, 블레이드 요소법(BEM)7),8),9),10)
, 보텍스법(VM)11)과 같은 수치해석법이 사용된다. 이중 블레이드 요소법 과 보텍스법은 블레이드의 3차원 곡면 기하학적인 형태를 모델링하지 않기 때문에 블레이드표면의 풍 압분포특성을 얻을 수 없으며, 2차원 혹은 3차원 풍 동실험결과를 통해서 얻은 공력계수(aerodynamic force coefficient)를 이용해야하는 한계가 있다. 일 반적으로 3차원 풍동실험의 수행이 쉽지 않은 상황 에서 2차원 익형에 대한 풍동실험결과를 사용할 경 우, 3차원의 실제와 상이한 공력특성평가에 의한 부 정확한 설계가 이루어질 수 있기 때문에, 3차원 모 델에 대한 풍동실험 혹은 이와 유사한 수치해석연 구의 수행은 필수적이라 할 수 있다.
풍동실험의 경우1),2), 블레이드 스팬길이에 걸쳐 단면에 규칙적으로 배열된 풍압공(pressure tab)과 변형게이지를 통해 블레이드 표면압력 및 허브에서 의 풍력을 계측할 수 있다. 실물크기 풍력터빈 블레 이드에 의한 풍동실험은 정확한 계측결과를 얻을 수 있는 방법이지만, 이를 실행하기 위해서는 초대 형 풍동실험장치들이 필요로 하는 어려움이 있으며, 블레이드의 설계를 위해서는 구조해석모델의 개발 이 별도로 이루어져야한다.
풍력터빈블레이드의 설계에 주로 사용되는 블레 이드 요소법7),8),9),10)
은 3차원 형태의 블레이드를 1차 원 빔요소로 치환한 후 각각의 단면에서 계산되는 풍하중을 절점하중으로 적용하여 블레이드의 거동 특성을 계산한다. 블레이드 요소법을 이용하면 적은 수의 요소만으로 매우 빠른 시간 안에 블레이드의 구조적 동거동특성을 파악할 수 있는 장점이 있으 나, 블레이드 요소법은 기본적으로 2차원 풍동실험 결과에 의존하고, 블레이드의 3차원적 공기역학적, 구조적 특성을 고려할 수 없는 한계가 있다. 또한 3 차원 곡면의 블레이드 구조적 특성을 1차원 보요소 로 치환할 시 블레이드단면특성 및 재료적 특성에 대한 검증이 요구된다.
풍동실험의 목적이 블레이드의 풍압 및 공력특성 을 평가함에 있다면, 풍동실험의 대안으로 시도되는 것으로 전산유체역학(CFD)이 있다. 전산유체역학을 이용하면 3차원 곡면형상의 블레이드표면의 풍압분 포 및 공력을 계산할 수 있기 때문에 풍동실험 결과 와 유사한 결과를 얻을 수 있다. 그러나 풍동실험결
과를 이용하는 블레이드 요소법에 비해서 수치해석 을 위한 노력 및 해석시간이 과대한 단점이 있다.
그러나 풍동실험이 연속적인 풍압분포결과를 얻 기 위해서 다수의 풍압공을 블레이드표면에 배치해 야함에 비해서 전산유체역학을 이용하면 연속적인 블레이드표면의 풍압분포특성을 매우 정밀하게 계 산할 수 있으며, 유체-구조 상호작용해석(FSI)해석12) 을 통해서 블레이드 표면의 풍압을 유한요소 모델 링된 블레이드구조물에 직접 적용할 수 있으며, 블 레이드 요소법과 달리 2차원 단면에서의 공력으로 변환하는 과정이 필요 없는 장점이 있다.
따라서 유체-구조 상호작용해석을 통해서 정밀한 계산결과를 얻을 수 있는 전산유체역학의 장점을 극대화하기 위해서는 3차원 블레이드의 구조모델의 개발 및 검증이 필수적이다. 그러나 주로 실험측정 을 통해서 단면의 재료 및 강성특성을 결정할 수 있 는 3차원 곡면형상의 블레이드 특성상, 구조해석모 델의 개발은 많은 경우에서 쉽지 않은 과정이다.
본 연구에서는 유체-구조 상호작용해석을 위한 기본연구로 NREL(National Renewable Energy Laboratory)에서 수행한 실물크기 NREL Phase VI
풍력터빈1),2)에 대한 유한요소 구조해석모델의 개발
및 검증과정을 다루고 있다. 이를 위한 첫 번째 논 문으로 상업용 유한요소 해석프로그램인 ANSYS를 이용하여 3차원 풍력터빈 블레이드의 유한요소모델 의 개발 및 검증과정을 설명하고 있으며, 이어지는 후속 논문에서는 블레이드를 포함한 전체 풍력터빈 의 유한요소모델 개발 및 검증과정을 다루고 있다.
NREL에서 제시한 강성 및 질량분포의 검토를 통하 여 풍력터빈 블레이드의 유효강성을 가정하였으며, 계측결과와의 비교를 통해서 개발된 유한요소모델 의 유효성 및 정확성을 검증하였다. 이때 NREL에 서 계측을 통하여 제시한 블레이드각 부분의 질량 성분을 참조하여, 절점질량 및 분포질량으로 설정하 였다. 본 연구를 통하여 향후 NREL Phase VI 풍력 터빈에 대한 유체-구조 상호작용해석 및 구조해석 을 수행할 예정이다.
2. NREL Phase VI 풍력터빈 블레이
드
<Fig. 1> NREL Phase VI wind turbine blade1),2) 풍력터빈 블레이드의 최적설계를 위해서는 3차원
풍동실험 결과가 필요하며, 이러한 필요성으로 NREL에서는 풍력터빈 블레이드에 대한 3차원 비정 상상태(unsteady) 거동특성을 파악하기 위해서 실 물크기 NREL Phase VI 풍력터빈 블레이드(지름 10.06m)를 개발하였고, NASA Ames Research Center(<Fig. 1>)에서 풍동실험 및 구조성능 평가 계측을 수행하였다1),2). 실제로 현장계측 실험결과, 풍력터빈 블레이드의 공기역학적 3차원 비정상상태 특성이 지배적인 거동임이 밝혀졌다.
NREL에서는 연구보고서를 통하여 실물크기 모 델에 대한다양한 정상, 비정상 상태에 대한 공기역 학적, 구조적 특성을 분석하였으며, 이후 많은 연구 자들의 비교 연구대상으로 사용되고 있다.
일반적인 풍동실험에서는 블레이드나 터빈은 변 형가능하지 않는 강체로 모델링한 후 블레이드 표 면 및 주변에서 발생하는 공기역학적 성능만을 계 측한다. 그러나 NREL Phase VI 풍력터빈의 경우, 실물크기의 풍력터빈에 대한 공기역학적 성능뿐만 아니라, 구조적 특성이 함께 제시되었으며, 이점이 NREL Phase VI 풍력터빈이 가지는 중요성 및 의의 라 할 수 있다. NREL에서 제시된 실험조건 및 결과
를 이용하면 전산유체역학해석과 구조해석을 통하 여 각각 공기역학적 성능과 구조적 성능을 평가할 수 있으며, 더 나아가서 유체-구조 상호작용해석을 수행할 수 있다.
NREL의 연구에서는 풍력터빈에 대한 실험계측 은 수행하였지만, 풍력터빈 구조물에 대한 해석결과 는 제시하지 않았는데, 그 이유는 풍력터빈을 구성 하는 블레이드, 허브, 샤프트, 나셀, 기어박스, 타워 등의 각 요소의 모델링이 실제로는 쉽지 않기 때문 이다1),2).
3. NREL Phase VI 블레이드 유한요 소모델의 개발
<Fig. 2>는 NREL의 정보를 바탕으로 본 연구에 서의 대상 풍력터빈 블레이드인 NREL Phase VI 블 레이드의 기하학적 정보를 설명하고 있다. <Fig. 3>
은 본 연구에서 제안하고 있는 블레이드 구조모델 의 캐드 및 메쉬모델로써, 상업용 유한요소프로그램 인 ANSYS를 이용하였으며, 비정형 곡면 형태고, 내
<Fig. 2> Geometry and sectional shape of blade1),2)
부가 비어있는 블레이드의 특성상 사면체 솔리드요 소를 사용하였고, 블레이드의 총 사면체수는 26,400 이다.
NREL Phase VI 풍력터빈의 경우, 터빈의 각 요
소 중, 블레이드와 타워의 구조적 특성은 가장 중요 한 성분이라 할 수 있다. 이중 타워의 역할은 상부 블레이드와 나셀을 지지하는 주요 구조체로써, 스틸 파이프로 구성되었기 때문에 강성, 질량 등의 성분
<Fig. 4> Blade stiffness and mass quantities along the span distance
<Fig. 3> CAD and mash model of blade
Components Material (Pa) Density
(kg/m3) Description
Case1 Case2
Blade E=1.560E+10 v=0.42
E=8.20E+10
v=0.42 1,035 Effective stiffness and density
Components Mass
(kg) Description Blade1 mass
(standard tip) 60.2 Effective mass Blade3 mass
(standard tip) 60.2 Effective mass
이 비교적 명확하다. 이에 비해서 블레이드는 <Fig.
2>에서 예시하는 것과 같이 단면의 형태가 곡선으 로 복잡하고, 복합재료로 이루어졌기 때문에 재료적 특성 및 구조강성을 예측하기 쉽지 않다. 실제로 NREL의 보고서에 따르면 블레이드에 대한 계측을 통해서 블레이드의 강성 및 질량분포를 결정하였다.
<Table 1>, <Table 2>는 각각 본 연구에서 적용한 풍력터빈의 강성 및 질량 특성을 설명한 것이다.
<Table 1> Material properties of blade
<Table 2> Blade mass
Mode NO.
Experiment (Hz) (Non- instrumented
blade)
Experiment (Hz) (Instrumented
blade)
Present study (Hz)
Description Case1 Case2
1 7.313 7.25 7.266 16.611 First flapwise eigen- frequency
2 9.062 8.9 12.653 28.288 First edgewise eigen- frequency
3 30.062 29.438 28.516 65.167 Second flapwise eigenfrequency
블레이드의 유효강성을 결정하기 위해서 파라메 트릭해석을 수행하였고, 본 고에서는 그중 2가지의 경우(<Table 1>)에 대한 결과를 소개함으로써, 본 연구에서 적용한 유효강성의 유효성을 검증하였다.
이때 블레이드는 NREL에서 제시한 질량크기를 유 지하기 위해서 가상의 유효질량밀도를 적용하였다.
<Fig. 4>는 블레이드 스팬길이에 따른 블레이드 의 축강성(axial stiffness, (Nm))과 질량분포를 나타 낸 것으로, 축강성의 경우 본 연구의 Case1과 Case2를 NREL1),2)에서 제시한의 축강성 예측치와 비교하여 나타내었다.
질량분포의 경우 본 연구에서 개발한 블레이드의 단위길이 당 질량은 전체적으로 NREL에서 제시한 수치와 비교적 잘 일치하였지만, 0.5m 이하의 루트 부위에서는 NREL에 비해서 더 작은 질량분포를 나 타내고 있다. NREL과 본 연구의 질량분포를 스팬 길이에 대해서 적분하면, NREL과 본 연구의 블레 이드 질량은 각각 94kg, 60.2kg으로 계산된다. 그러 나 NREL에서는 블레이드의 질량을 60.2kg이라 이 미 정의하였기 때문에1),2) <Fig. 4>에서 설명하고 있 는 블레이드 루트부위의 질량 및 강성에 대한 NREL의 계측정보가 과대평가되었거나 혹은 계측 시 블레이드 루트 삽입관이 포함되었다고 예상할 수 있다. 그러나 블레이드의 루트는 허브와 거리가 상대적으로 짧고 본 연구에서는 피치 샤프트가 블 레이드 루트와 연결되었기 때문에 블레이드 루트에 서의 강성 및 질량의 오차는 전체적인 구조적 거동 특성에 큰 영향이 없는 것으로 설명될 수 있으며, 이에 대한 추가적인 해석결과는 생략하였다.
<Table 3> Eigen-value analysis results according to the material properties
4. 블레이드의 고유치해석 결과
풍력터빈은 다양한 요소로 구성되어있다. 주요 구 조체는 상부의 로터, 나셀을 지지하는 타워이며, 블 레이드는 가장 유연한 구조성분이면서, 풍력터빈의 발전효율을 최대화하기 위해서 블레이드의 질량을 경량화 해야 한다. 따라서 블레이드가 전체 풍력터 빈의 진동성능에서 차지하는 비중은 크지 않음을 예측할 수 있다. 그러나 블레이드는 가장 유연한 구 조체이기 때문에 변형은 상대적으로 가장 크게 발 생한다. 이에 비해서 기계적 파트들인 허브, 샤프트, 나셀, 기어박스 등은 강성과 질량이 상대적으로 크 고, 전체 풍력터빈의 진동성능에서 차지하는 비중 또한 매우 크다.
<Table 3>은 블레이드 재료특성에 따른 고유치해 석결과를 나타낸 것이고, <Fig. 5>는 <Table 1>의 해석결과 중 Case1에 대한 고유치해석결과의 모드 형상을 진동수와 함께 나타낸 것이다.
<Table 3>에서 알 수 있듯이, NREL에서 계측한 실제 블레이드의 최소 진동수는 장치들이 고려되지 않았을 경우(Non-instrumented)와 장치들이 고려되 었을 경우(instrumented) 각각 7.313Hz와 7.25Hz로 계산되었다. 따라서 실제 블레이드에서 기계장치들 의 구조적 성능에 대한 영향은 미미한 것으로 판단 할 수 있다. 또한 본 연구의 블레이드 재료성질 Case1과 Case2에 의한 최소 진동수는 각각 7.266Hz, 16.611Hz으로 계산되었는데, Case1에 의 한 고유치 해석결과가 NREL의 실측결과와 매우 유 사함을 알 수 있었다. 그러나 블레이드 축강성 분포 평가 그래프(<Fig. 4>)에서 Case1이 Case2보다 NREL에서 제시한 축강성에 보다 더 큰 오차를 가 짐을 알 수 있다.
블레이드 유효강성의 결정시 NREL의 축강성과
<Fig. 5> Mode shape of blade : Case1 유사한 Case2를 선택하였을 경우, NREL의 측정치 에 비해서 고유치해석결과가 매우 큰 오차가 발생 하기 때문에, Case2의 축강성을 사용할 수 없게 된 다. 따라서 비록 축강성에서는 오차가 있지만, 고유 치해석에서 NREL의 측정치와 유사한 Case1을 본 연구의 블레이드 유효강성으로 선택할 수 있다. 혹 은 다른 의미에서 NREL에서 제시한 축강성이 과대 평가되었을 가능성도 존재한다.
<Fig. 5>에서 확인 할 수 있듯이, 블레이드의 1차, 2차, 3차 모드는 각각 플랩(flap)-에지-플랩 방향임 을 알 수 있는데, 이는 NREL의 계측결과와 동일하 다. 또한 2차, 3차모드에서 NREL의 고유진동수 측 정치와 오차가 발생하지만 전체적인 고유진동수의 패턴이 유사하기 때문에 본 연구의 블레이드유한요 소모델의 유효강성의 유효성을 확인할 수 있었다.
5. 결론
본 연구에서는 풍력터빈의 유효강성평가를 위한 첫 번째 논문으로 고유치해석을 통한 풍력터빈 블 레이드의 구조모델 개발 및 검증과정을 설명하였다.
풍력터빈의 구조모델 개발을 위해서 실물크기 풍
력터빈에 대한 실험결과가 공개된 NREL Phase VI 풍력터빈 블레이드를 대상으로 하였으며, NREL에 서 제시한 블레이드의 강성 및 질량데이터의 적용 하기 위해서 Case1, Case2로 구분하여 재료특성을 정의하였으며, 파라메트릭해석을 통하여 블레이드 의 유효강성을 결정하였다.
고유치해석결과 NREL에 비해서 축강성에서 오 차가 있는 Case1의 진동수가 NREL에서 제시한 계 측결과와 보다 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 따라 서 NREL에서 제시한 축강성이 과대평가되었을 가 능성이 존재함을 확인할 수 있었다. 또한 블레이드 내부에 삽입되는 기계장치들의 구조적 성능에 대한 영향은 미미한 것으로 판단할 수 있었다.
이어지는 후속논문에서는 블레이드를 포함한 전 체 풍력터빈의 구조모델 및 검증을 논할 예정이며, 이를 통하여 향후 풍력터빈의 유체-구조 상호작용 해석을 위한 구조모델에 대한 적용 가능성을 논할 예정이다.
감사의 글
This research was supported by a National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea Government (MEST) (No.
2012R1A2A2A01043088) and also supported by the National Science Foundation (NSF) through the Center for Energy and Environmental Sustainability (CEES), a CREST Center, Award no. 1036593.
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▪ Received : September 02, 2014
▪ Revised : November 18, 2014
▪ Accepted : November 26, 2014
