<학술논문> DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-A.2013.37.11.1331 ISSN 1226-4873(Print) 2288-5226(Online)
반응표면법을 이용한 양항력형 수직축 풍력발전기 블레이드의 구조 최적 설계
§소기성* · 최찬웅* · 이동철* · 강기원*†
*군산대학교 기계공학과
Structural Optimization for Hybrid Vertical-Axis Wind Turbine Blade using Response Surface Method
Ki-Sung So* , Chan-Woong Choi* , Dong-Chul Lee* and Ki-Weon Kang*†
* Dept. of Mechanical Engineering, Kunsan Nat’l Univ.
(Received March 10, 2013 ; Revised September 4, 2013 ; Accepted September 14, 2013)
1. 서 론
소형 수직축 풍력발전기는 기동 토크가 작고 풍 향변화에 민감하지 않으므로 유동패턴이 불규칙한 도시형 풍력발전에 적합한 기종으로 평가되고 있 다. 이의 핵심부품으로서, 바람의 운동에너지를 기 계적 회전에너지로 전환(1)하는 수직축 풍력발전기 블레이드(Vertical axis wind turbine blade)는 기존의
수평축 풍력발전기 블레이드와는 상이하게 공력하 중(Aerodynamic force)뿐만 아니라 회전 중심축에서 이격되어 회전하는 특성으로 인하여 발생하는 높 은 원심력(Centrifugal force)에 대한 파손(Failure)이 발생할 가능성이 있다.(2)
이러한 파손 가능성을 평가하기 위하여 유한요소 해석(Finite element analysis)을 이용한 구조해석이 수 행되고 있으며, 해석에 대한 정확성 및 구조적 안전 성의 검증을 위해 구조시험이 수행되고 있다.(3,4) 예 를 들어 소형 수직축 풍력발전기의 블레이드 경우 공창덕 등(3)이 공력설계에서 구조시험의 연구를 수 행하였고, 소형 수평축 풍력발전기의 블레이드 경우 는 장윤정 등(4)이 구조 안전성 평가를 위해 구조시 Key Words: Blade(블레이드), Response Surface Method(반응표면법), Structural Design(구조 설계), Vertical-
Axis Wind Turbine(수직축 풍력발전기), Optimal Design(최적 설계)
초록: 본 논문에서는 반응표면법을 이용하여 양항력형 수직축 풍력발전기 블레이드의 구조 최적설계를 수행하였다. 선행연구의 구조해석 결과를 살펴보면 양항력형 수직축 풍력발전기 블레이드가 항복강도 이 상의 응력이 발생하였으므로, 구조적 안전성을 확보하고자 최적화 기법을 적용한 구조설계를 재수행하였 다. 이를 위해 먼저 블레이드에 발생하는 응력에 큰 영향을 주는 설계인자를 선정하였다. 이에 실험계획 법 기반 반응표면법을 적용하였다. 목적함수 및 제한조건은 각각 중량 및 허용응력으로 설정하였다. 또 한 중량 및 응력에 대한 설계인자의 영향을 평가하기 위한 민감도 해석을 수행하였다. 이러한 과정을 통 해 양항력형 수직축 풍력발전기 블레이드의 구조 최적 설계를 수행하였다.
Abstract: This study deals with the structural optimization of hybrid vertical-axis wind turbine blades using a response surface method (RSM). The structural analysis results suggest that the stress of hybrid vertical-axis wind turbine blades exceeds the yield strength. Optimization techniques are then applied to structural design to ensure a safe structure. First, the design factors that strongly influence the structural response are identified. The RSM was applied based on the design of experiments. The objective function and constraint terms set the weight and allowable stress, respectively.
Furthermore, sensitivity analysis was conducted to indicate the effects of the design factors on the stress and weight.
Finally, structural design was performed for the hybrid vertical-axis wind turbine blade.
§ 이 논문은 대한기계학회 신뢰성부문 2013 년도 춘계학술대회 (2013. 3. 27.-29., 제주대) 발표논문임.
† Corresponding Author, [email protected]
Ⓒ 2013 The Korean Society of Mechanical Engineers
소기성 · 최찬웅 · 이동철 · 강기원 1332
험 및 해석을 수행하였다. 이는 소형 풍력발전기의 관련 규제 규격인 IEC 61400-2(5)를 통해 연구하였지 만, 본 규격은 수평축 풍력발전기에 대해 국한되어 있으며 수직축 풍력발전기에 관한 국내외 규격이 없 는 실정이고, 블레이드 구조요소의 최적화에 대한 연구가 매우 부족한 상황이다.
한편 구조물의 다양한 구성요소를 고려한 구조 설계에 관한 연구로는 이중호 등(6)이 유한요소해 석과 반응표면법(response surface method)을 이용한 250kW 급 견인 유도전동기 최적 설계를 수행하였 고, 선효성 등(7)은 반응표면법을 이용한 전진 비행 하는 헬리콥터 로터 에어포일의 공력설계를 수행 하였다. 또한 이충희 등(8)은 사이클로이달 수직축 풍력발전기의 최적 설계를 수행하였고 저풍속에 유리한 블레이드를 설계하기 위해 양력특성을 띄 는 블레이드를 최적설계하였다. 이후로도 다양한 분야에서 반응표면법을 이용하여 적용한 연구가 수행되고 있지만, 소형 수직축 풍력발전기 블레이 드의 구조설계에 적용한 사례는 미미한 실정이다.
본 연구에서는 양항력의 특성을 모두 나타내는 복 합형 수직축 풍력발전기 블레이드를 대상으로 이에 대한 구조 최적화 설계를 수행하였다. 먼저 선행 연 구(2)에서 파악된 취약부위를 토대로 이의 구조 개선 을 위한 설계인자, 목적함수 및 제한조건을 설정하 였다. 이와 같이 설정된 설계인자에 실험계획법을 기반한 반응표면법을 적용한 구조최적화 설계를 수 행하였다. 또한, 응력 및 중량에 대한 설계인자의 영 향을 나타내는 민감도 해석을 수행하였다.
2. 해석 방법
본 연구의 대상이 되는 양항력형 수직축 풍력발 전기 블레이드는 정격 풍속 10m/s, 정격용량 400W 의 풍력발전기로서 Table 1 은 블레이드의 기본 설 계사양은 나타낸 것이며, Fig. 1 은 블레이드 3 차원 형상을 나타낸 것이다. 블레이드는 Al-5052 재료로 제작되었으며, 기계적 물성은 Table 2 와 같다.
2.1 반응표면법
어떤 물리적 양에 대한 반응표면은 실험이나 시 뮬레이션으로부터 얻은 수치 값들로부터 생성된다.
반응표면의 생성은 복잡한 시스템을 가진 공학 문 제의 오차를 제거하고 적은 계산 시간으로 시스템 에 가장 큰 영향을 미치는 요소를 찾아내어 설계 변수들 간의 상호작용을 알 수 있게 해준다. 반응 표면법을 이용한 최적설계는 이러한 반응표면을 국부영역에 적용시키면서 반복적으로 최적값을 찾
아가는 방법이다.(9)
반응표면 생성 시에 독립변수와 종속변수 간의 관계를 정확하게 파악하기란 거의 불가능하므로 여러 가지 후보 함수 중에서 적절한 것을 선택하 여야 한다.
본 연구에서는 회귀계수(Regression coefficient)를 구하기 쉽고 모델형태가 유연하며 이미 많이 적용 된 독립변수의 수가 k 인 2 차 회귀모형 식 (1)을 사용하였다.
∑
∑
≤
=
+ +
+
=
k
j i
j i ij k
i i
ix x x
y β β β ε
1
0 (1)
여기서 y 는 반응치 β0, βi, βij는 회귀상수 Xi, Xj는 독립변수이다. 또한 ε 은 반응치의 오차항이며 N(0, σ2)은 샘플자료에서 추정한 출력 값이 N 이면서 평균이 0 이고 분산 σ2을 가지는 정규분포를 따른 다는 의미이다.
그러나 비선형적인 변화를 감지할 수 없는 심플 렉스 계획법이나 2k 요인배치법 등으로는 회귀계 수를 추정 할 수 없기에 단점을 보완하고 적은 횟 수의 실험으로 곡면을 추정하기 위하여 중심점과 축점을 2k 요인실험에 추가시킨 실험계획법인 중 심합성계획법(Central Composite Design, CCD)을 사 용하였다.
2.2 구조해석 방법
양항력형 수직축 블레이드의 구조 안전성을 평 가하기 위해 상용 소프트웨어인 ABAQUS(10)을 사 용하여 제한조건 및 목적함수인 응력 및 중량에 대하여 평가하였다. 블레이드의 구조해석을 수행 하기 위하여 좌표축으로부터 Z 방향 229.25mm, 900mm, 1570.75mm 지점에 하중을 각각 1:2:1 의 비 율로 전체 하중인 2315.10N(2)을 나누어 Y 축 방향 으로 배분하였다. 또한 Z 축 458.50mm, 1331.50mm 부분에는 각각 േ5.00mm 영역을 완전구속 하였다.
Table 1 Specification for blade hybrid type vertical-axis wind turbine
Rated power 400W Rated wind speed 10m/s Cut-out wind speed 25m/s Extreme wind speed 30m/s Height of the rotor 1800mm Radius of the rotor 600mm
Table 2
Table 3 Initial structural directions
Fig. 1
Fig. 2
블레이드의 수에 비해 element)로 38762 개, 절점
3.1 구조설계인자설정 선행연구(2)
구조해석 결과 2 에서 알 로 162MPa 력이 발생하여 있다.
이러한 결과는 것으로 판단되어지고 원심력에 대한 방향 모두를 적설계를 수행하기
Al-5052
Loading Direction Tangential
Radial
Table 2 Mechanical properties of Al
Initial structural directions
Fig. 1 Geometry of VAWT
Fig. 2 Initial structural variables of result
블레이드의 형상은 두께 상당히 작기 모델링 하였다 절점(node)의
3. 결과
구조설계인자설정
(2)의 사용된 결과를 정리하여
수 있듯이 본 162MPa 이라는 항복강도
발생하여 구조적 결과는 각 부재의 판단되어지고,
대한 저항성
모두를 고려한 구조배치를 수행하기 위해
E(GPa) σ 70.3
Loading Direction σ max
Tangential
162.9
Mechanical properties of Al
Initial structural analysis of result
Geometry of VAWT
Initial structural variables of result
두께 방향의 작기 때문에 하였다. 전체
개수는 39249
결과 및 고찰
구조설계인자설정
수직축 블레이드의 정리하여 나타낸
본 연구의 수직축 항복강도 이상의
안전성이 확보되지 부재의 영향을
, 이의 해결을 등을 만족하고 구조배치를 변경하여 위해 독립변수를
σu(MPa)
193 0.33
max(MPa) 1.2 162.9
Mechanical properties of Al-5052
analysis of result for each
Geometry of VAWT blade
Initial structural variables of result
치수가 다른 쉘 요소(Shell 요소의 개수는 39249 개다.
고찰
블레이드의 모델의 Table 3 및 수직축 블레이드 이상의 매우 높은
확보되지 못하고 영향을 고려하지 않는
해결을 위해 공력 만족하고 접선과 반경
변경하여 구조최 독립변수를 선정하였다
ν σys(MPa) 0.33 89.6
σys(MPa)
89.6 for each
다른 치 (Shell 개수는
모델의 Fig.
블레이드 높은 응 못하고
않는 공력 및 반경 구조최 정하였다.
이러한 확인할 께,
트(ligament)]
웹의 으며 두께에 웹의 형상
한편 레이드에 관계로 않은 전계수가 수평축 61400 였다
3.2 초기 58.48MPa 여
최소화하기 을
(MPa) 89.6
)
Fig. 3 Details of the VAWT blade structure
Fig. 4
Fig. 5 Load and boundary condition of blade
이러한 독립변수는 확인할 수 있듯이
, 리딩 에지와 (ligament)]를 웹의 두께는 초기설계 으며, 리딩에지와 두께에 위치를 웹의 총 높이를 형상 및 경계조건은
한편 현재까지 레이드에 대한 관계로 안전계수 않은 상황이다.
전계수가 반드시 수평축 풍력발전기의 61400-2 에 의거하여 였다.
3.2 해석 결과 초기 해석결과
58.48MPa 을 초과하였으므로 이를 허용응력
최소화하기 위하여 사용하여 해석조건을
Details of the VAWT blade structure
Fig. 4 Modified
Load and boundary condition of blade
독립변수는 Fig. 3 에 있듯이 4 인자[에어포일 에지와 전단웹 중심의
선정하였다.
초기설계 두께와 리딩에지와 전단웹의
선정하였고,
고려하여 선정하였다 경계조건은 각각 Fig. 4 현재까지 양항력형
관련 규격이 안전계수(Safety factor)
. 그러나 구조 반드시 요구되므로 풍력발전기의 설계
의거하여 안전계수를
결과
해석결과 블레이드의 초과하였으므로 허용응력 이하로
위하여 상용 소프트웨어인 해석조건을 산출하였다
Details of the VAWT blade structure
Modified VAWT Blade
Load and boundary condition of blade
에 나타내었으며 에어포일 두께, 중심의 간격, 전단웹
. 에어포일 두께 두께와 동일한 1mm 전단웹의 간격은 에어포일
, 전단웹 리가멘트는 선정하였다. 모델의 Fig. 4 및 5 와 양항력형 수직축 풍력
규격이 제정되어 (Safety factor) 역시 정립되어
구조 안전성 평가에는 요구되므로 본 논문에서는
설계 표준 규격인 안전계수를 3.3 으로
블레이드의 응력이 초과하였으므로 반응표면법을
유지한 상태에서 소프트웨어인 산출하였다.
Details of the VAWT blade structure
VAWT Blade
Load and boundary condition of blade
나타내었으며, 그림에서 , 전단 웹 두 전단웹 리가멘 두께 및 전단 1mm 설정하였 에어포일 최대 리가멘트는 전단 모델의 3 차원
같다.
풍력발전기 블 제정되어 있지 않은 정립되어 있지 평가에는 안 논문에서는 소형 규격인 IEC 으로 설정하
응력이 허용응력 반응표면법을 이용하 상태에서 중량을 MINITAB(11) 그림에서
두 리가멘 전단 설정하였 최대 전단 차원
블 않은 있지 안 소형
IEC 설정하
허용응력 이용하
중량을
)
소기성 · 최찬웅 · 이동철 · 강기원 1334
Table 4 는 4 인자에 대한 중심합성계획법의 실험 배치(Design matrix)를 나타낸 것이다. 회전성 (Rotatability)을 유지해주는 α값을 2 로 설정하여 축점의 중심점으로부터 축방향으로 േߙ 만큼 떨어 져 min, max 값을 설정하였습니다. 실험횟수는 요 인실험점 2k , 축점 2k, 중심점 nc 를 사용하여 2k+2k+nc와 같이 나타내었으며, 중심점 nc 의 실험 결과의 신뢰도를 높이기 위해 6 번의 반복실험을 수행하였다. 총 실험 횟수는 4 인자의 변화에 따른 응력 및 중량의 변화를 고려하여 31 회 실험 점을 선택하였다. 초기조건 4 인자를 바탕으로 인자 수 준의 재배치를 위해 중심합성계획법을 사용하였으
Table 4 Central composite design of design matrix
며, 유의성을 검증하기 위하여 분산분석(Analysis of variance, ANOVA)을 사용하였다. Table 5 는 블레이드 의 4 인자에 대한 응력을 제한조건으로 하는 2 차 회 귀모형(Regression model)의 유의성을 검증하기 위하 여 분산분석한 결과이다. 표에서 확인 할 수 있듯이 DF 는 독립변수의 자유도, Seq SS 와 Adj SS 는 그룹 간 요인 제곱합 및 그룹 내 오차 제곱합, Adj MS 는 제곱합을 자유도로 나눈 평균 제곱, F 는 요인 MS 를 오차 MS 로 나눈 값이다. 또한 P 는 랜덤 오차를 통 해 관측된 값과 가설된 값 사이의 차이와 크기가 같 은 차이를 얻을 수 있는 확률로 0.05 보다 작으면 해 당 요인이 유의하다고 판단한다. 추정된 회귀모델의 계수를 살펴보면 1 차, 2 차 및 교호작용 항의 계수 중에서 P 값이 0.05 보다 큰 유의하지 않은 계수도 있지만, 추정 모델의 1 차, 2 차 및 교호작용항의 곡 면이 유의하거나 무시할 수 없어 모두 사용하였으며 오차항(Error term)의 경우 Table 3 에서 No. 25∼31 까 지 6 번의 순수반복 실험이 전산실험이기 때문에 오 차가 없으며 이때의 추정된 회귀방정식(Regression equation)의 결정계수는 87.58%로 실제 해석값과 ±3%
이내의 오차범위에서 블레이드의 응력을 추정 할 수 있다. 이에 대한 2 차 회귀방정식은 식 (2)와 같이 나 타난다.
Table 6 은 블레이드의 4 인자에 대한 중량을 목 적함수로 하는 2 차 회귀모형의 유의성을 검증하 기 위한 분산분석 결과이다. 추정된 회귀모델의 계수를 살펴보면, 1 차, 2 차 및 교호작용항의 계수
Table 5 ANOVA result of the stress No.
Air-foil thickness
(mm)
Shear web thickness
(mm)
Shear web position
(mm)
Shear web ligament
(mm)
1 1.25 1.75 55 7.5
2 1.75 1.75 55 7.5
3 1.25 2.25 55 7.5
4 1.75 2.25 55 7.5
5 1.25 1.75 65 7.5
6 1.75 1.75 65 7.5
7 1.25 2.25 65 7.5
8 1.75 2.25 65 7.5
9 1.25 1.75 55 12.5
10 1.75 1.75 55 12.5
11 1.25 2.25 55 12.5
12 1.75 2.25 55 12.5
13 1.25 1.75 65 12.5
14 1.75 1.75 65 12.5
15 1.25 2.25 65 12.5
16 1.75 2.25 65 12.5
17 1 2 60 10
18 2 2 60 10
19 1.5 1.5 60 10
20 1.5 2.5 60 10
21 1.5 2 50 10
22 1.5 2 70 10
23 1.5 2 60 5
24 1.5 2 60 15
25 1.5 2 60 10
26 1.5 2 60 10
27 1.5 2 60 10
28 1.5 2 60 10
29 1.5 2 60 10
30 1.5 2 60 10
31 1.5 2 60 10
DF Seq SS
Adj SS
Adj
MS F P
X1 1 571.35 571.35 571.35 73.09 0.000
X2 1 164.85 164.85 164.85 21.09 0.000
X3 1 0.01 0.01 0.01 0.00 0.971
X4 1 103.75 103.75 103.75 13.27 0.002
X12
1 3.05 6.424 6.424 0.82 0.378
X22
1 7.81 11.133 11.133 1.42 0.250
X32
1 19.50 20.610 20.61 2.64 0.124
X4
2 1 1.95 1.955 1.955 0.25 0.624
X1X2 1 2.64 2.641 2.641 0.34 0.569
X1X3 1 0.02 0.016 0.016 0.00 0.965
X1X4 1 6.89 6.891 6.891 0.88 0.362
X2X3 1 0.00 0.001 0.001 0.00 0.993
X2X4 1 0.39 0.391 0.391 0.05 0.826
X3X4 1 0.02 0.016 0.016 0.00 0.965
Error
term 16 125.08 125.07 7.817 - -
중에서 P 값이 0.05 보다 큰 유의하지 않은 계수는 오차항으로 풀링(Pooling)하였으며, 이 때의 추정된 회귀방정식의 결정 계수 R2 는 풀링 전후 모두 100%로 블레이드의 중량을 추정하는데 적합하다 고 볼 수 있다. 이에 식 (3)과 같이 2 차 회귀방정 식을 추정하였다.
65 2 1 18 1833 11 4333
25. - . X + . X stress=-
y
+4.09417X3 −1.745X4−7.58333X12 2 - . X32
X2 .
-998333 00339583 2+ . X1X2- . X1X3
X4 .
-00418333 65 0025
+1.05X1X4+0.005X2X3-0.25X2X4 + 00250. X3X4 (2)
0933333 2 1 0
24667 2 336667 0
= . + . X - . X
weight
y
2 X2 2 .
X1 . 4+ X .
-
000266667 002 +002
2+ . X1X2+ . X1X4
X4 . -
00002 002 0002 + 0180. X2X4 (3)
안전계수를 만족하고 중량을 최소화 할 수 있는 4 인자의 설계조건(Design conditions)들을 찾기 위 하여 반응표면법을 이용하여 근사된 목적함수와 제한조건식을 이용하여 최적화를 수행 할 수 있는 반응 최적화 도구를 사용하였고 Table 7 은 반응 최적화 도구를 사용한 후 나온 최적화된 결과값이 다. 그 결과 중량은 7.53kg 보다 약 43% 감소된
Table 6 ANOVA result of the weight DF Seq
SS
Adj SS
Adj
MS F P
X1 1 8.54427 8.54427 8.54427 2734165 0.000
X2 1 0.06407 0.06407 0.06407 20501 0.000
X3 1 0.00000 0.00000 0.00000 0 1.000
X4 1 0.22427 0.22427 0.22427 71765 0.000
X12
1 0.00005 0.00004 0.00004 14 0.002
X22
1 0.00005 0.00004 0.00004 14 0.002
X32
1 0.00000 0.00000 0.00000 0 1.000
X42 1 0.00004 0.00004 0.00004 14 0.002
X1X2 1 0.00003 0.00003 0.00003 8 0.012
X1X3 1 0.00000 0.00000 0.00000 0 1.000
X1X4 1 0.00002 0.00002 0.00002 8 0.012
X2X3 1 0.00000 0.00000 0.00000 0 1.000
X2X4 1 0.00202 0.00202 0.00202 648 0.000
X3X4 1 0.00000 0.00000 0.00000 0 1.000
Error
term 16 0.00005 0.00005 0.00000 - -
4.44kg 의 결과를 얻었고, 응력은 162MPa 보다 약 64% 감소된 58.46MPa 를 얻었다.
Table 7 Optimized structural variables Air-foil thickness, X1 1.5mm Shear web thickness, X2 2.5mm Shear web position, X3 53.5mm Shear web ligament, X4 15mm
Stress 58.46MPa
Weight 4.44kg
1.50 1.75 2.00 2.25 2.50
50 55 60 65 70 75 80
Airfoil Shear web
Average stress Stress changes in the thickness of the Airfoil & Shear web
Stress[MPa]
Thickness[mm]
(a) Airfoil & shear web thickness
50 55 60 65 70
50 55 60 65 70 75 80
Shear web
Average stress Stress changes in the Position of the Shear web
Stress[MPa]
Position[mm]
(b) Shear web position
6 8 10 12 14
50 55 60 65 70 75 80
Shear web
Average stress Stress changes in the ligament of the Shear web
Stress[MPa]
Ligament[mm]
(c) Shear web ligament Fig. 6 Sensitivity analysis on the stress
소기성 · 최찬웅 · 이동철 · 강기원 1336
1.50 1.75 2.00 2.25 2.50
4 5 6 7 8
Airfoil Shear web
Average weight
Weight changes in the thickness of the Airfoil & Shear web
Weight[kg]
Thickness[mm]
(a) Airfoil & shear web thickness
50 55 60 65 70
4 5 6 7 8
Shear web
Average weight
Weight changes in the Position of the Shear web
Weight[kg]
Position[mm]
(b) Shear web position
6 8 10 12 14
4 5 6 7 8
Shear web
Average weight
Weight changes in the ligament of the Shear web
Weight[kg]
Ligament[mm]
(c) Shear web ligament
Fig. 7 Sensitivity analysis on the weight
3.3 민감도 해석
양항력형 수직축 풍력발전기 블레이드의 4 인자 가 목적함수인 응력 및 중량에 미치는 영향을 알 아보기 위하여 민감도 해석을 수행하였다.
Fig. 6 은 응력에 대한 민감도 해석 결과를 나타 낸 것으로 Fig. 6(a)에서는 에어포일의 두께변화에 따른 응력의 변화를 나타낸 것이다.
전단 웹의 두께변화에서 1.75mm 에서 2.00mm 까지 응력이 상승되었는데 이는 최대응력 발생지
점의 위치가 변경됨에 따라 발생되는 현상으로 판 단되며, 이 부분을 제외한 나머지 부분에서 에어 포일의 두께 변화와 같이 2.25mm 까지 큰 폭으로 감소를 하고 있으며 2.25mm 부터는 두께의 변화 에 따른 응력의 변화가 거의 없음을 알 수 있다.
Fig. 6(b)에서는 전단 웹의 위치에 대해 변하는 응 력을 나타낸 것으로, 평균응력을 중심으로 응력의 변동 폭이 크지 않음을 확인하였다.
Fig. 6(c)는 전단웹 리가멘트 변화에 따른 응력의 변화를 나타내고 있으며, 전단웹의 위치와 같이 평균응력을 중심으로 변화하고 있다.
Fig. 7 은 중량에 대한 민감도 해석을 수행한 것 이다. Fig. 7(a)와 (b)는 에어포일 두께 및 전단 웹 두께의 변화에 따라 중량이 변하고 있으며, 전단 웹 또한 두께 증가에 중량이 증가하고 있다. Fig.
7(b) 전단 웹 위치는 중량에 많은 영향을 끼치지 않는다. Fig. 7(c)는 전단웹 리가멘트 변화에 대해 나타냈으며, 커질수록 중량이 증가하고 있다.
4. 결 론
본 연구는 반응표면법을 이용하여 양항력형 수 직축 풍력발전기 블레이드의 구조적 안전성에 미 치는 설계인자의 최적화에 대한 연구를 수행하였 고 다음과 같은 결과를 얻었다.
(1) 블레이드의 구조적 안전성에 영향을 미치는 4 인자로 에어포일과 전단 웹의 두께, 전단 웹의 위치, 전단웹 리가멘트를 선정하였으며, 이들의 응 력 및 중량에 대한 연관성을 확인하였다.
(2) 중심합성계획법을 상용소프트웨어 MINITAB 을 이용하여 실험 횟수를 31 번으로 최소화 시켰 으며, 분산분석(Analysis of variance, ANOVA)을 사 용하여 2 차 회귀모형의 유의성을 검증하였다.
(3) 중량은 초기조건 7.53kg 보다 약 43% 감소된 4.44kg 의 결과를 얻었으며, 응력은 초기 162MPa 보다 약 64% 감소된 58.48MPa 로 안전계수 3.3 을 만족하는 응력이 발생하여 구조적 안전성 확보 및 경량화를 하였다.
(4) 민감도 해석을 통하여 응력 및 중량에 크게 영향을 주는 인자를 확인 할 수 있었다.
후 기
본 연구는 산업통상자원부의 재원으로 한국에너 지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제(No. 20123021020010) 및 교육부의 재원으로 한국연구제단(NRF)의 지원을 받아 수행한 일반연
구자 지원사업(No.2013028068)의 결과물임을 밝힙 니다.
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