KR 웹진 165호

1. 풍력발전용 블레이드 일반

풍력발전기는 바람에 의한 운동 에너지를 활용하여, 블레이드를 회전시켜 기계적 에너지로 전환, 이를 발전기를 통해 전기적 에너지로 변환하게 된다. 따라서 블레이드는 풍력 발전기 설계에 있어 가장 핵심적인 부분

으로 간주될 수 있으나, 동시에 하중을 발생시키는 주요 구성품으로, 설계 및 제작에 있어 풍력발전기의 효율과 경제성을 결정하는 중요한 요소가 된다.

풍력발전용 블레이드 설계 시에는 출력 및 효율, 블레이드 팁-타워 간격, 극한 및 피로한계상태, 좌굴안정성, 수송, 제작 및 에너지생산단가(COE, cost of energy) 등의 상호작용을 종합적으로 고려해야 하기 때문에 공력설계와 구조설계는 독립적으로 수행 될 수 없으며, 전체 시스템 특성이 충분히 고려된 통합하중해석의 반복수행을 통해 최적의 블레이드 설계결과를 얻는 것이 중요하다.

일반적으로, 공력설계 관점에서는 목표출력 및 효율, 연간에너지생산량(AEP, annual energy production),

축 하중 및 소음 등이 중요한 설계 고려사항으로 간주되며, 코드길이(chord length)가 길수록, 얇은 에어포일을 적용할수록 우수한 성능의 블레이드 공력설계가 가능하다. 하지만 이러한 설계는 하중, 제작비용, 총질량, 이송 등의 문제점을 유발 할 수 있기 때문에 구조설계와 상충관계(trade-offs)에 놓이게 된다.

 

[블레이드 길이에 따른 무게 분포 및 사용 재료]

 

2. 블레이드 설계의 흐름

블레이드 설계사양이 결정되면, 공력설계 파트는 에어포일 후보군을 선정하고 시험 혹은 수치해석을 통해

신뢰성 있는 에어포일 성능데이터를 확보하여 기본공력설계 및 성능해석을 수행한다. 기본공력설계는 일반적으로 BEM에 의해 수행되며, 출력/효율/하중 등의 평가결과에 따라 설계최적화 과정을 거치게 된다.

최적설계과정에서 설계조건을 만족하는 경우 최종적인 공력설계정보가 구조설계로 전달되며, 구조설계 파트에서는 재료 및 제조공정 등을 고려하여 설계 컨셉을 결정 한 후 내부 구조물 및 적층패턴 설계를 수행한다.

 

블레이드 구조설계가 완료되면 국제표준 혹은 산업체 가이드라인에 따른 구조건전성 평가를 통해 설계유효성을 검증하는데, 이때 설계수명기간 동안 블레이드에 작용하는 극한 및 피로하중이 요구된다.

따라서, 초기 구조설계 후 하중해석 수행에 필수적으로 요구되는 블레이드 국부단면에서의 질량 및 강성분포를 얻기 위한 등가빔 모델이 요구된다. 하중해석파트는 적용기준을 참고하여 설계하중케이스를 정의한 후

공-탄성해석을 통해 블레이드에 작용하는 극한 및 피로하중 해석결과를 도출하며, 구조설계파트는 최종적

으로 이를 적용한 유한요소해석을 통해 팁-타워 간극, 극한한계상태, 피로한계상태 및 구조안정성 등에 대한 해석결과를 얻는다. 이후, 해석결과들이 판정기준을 모두 만족하는 경우 블레이드 설계가 종료되며 만족하지 않는 경우에는 재설계가 수행된다.

 

[공력 설계가 완료된 블레이드 모습]

 

3. 공력설계

공력설계를 통해 정격풍속에서의 목표출력과 효율을 만족할 수 있는 블레이드 길이, 국부단면에서의

에어포일 시리즈 배치, 코드길이와 비틀림 각도를 결정 할 수 있다. 공력설계는 기본공력설계로부터 시작

하며, 루트(Root)부터 팁(Tip)까지 설계자에 의해 사전 정의된 2차원 국부단면에서의 코드길이 및 비틀림

각도를 계산한다. 코드길이와 비틀림 각도는 다음과 같은 절차에 따라 식 (1)~(4)에 의해 계산되며, 그 결과는 아래 그래프와 같다.

 

 

         [Chord length 분포]                                            [Twist angle 분포]

 

4. 구조설계

본 연구에서, 2MW의 정격출력, IEC 바람등급 IIa, 길이 40.1m의 설계사양을 갖는 블레이드를 목표로 설계

되었다. 사용된 재료는 단방향, 2축 및 3축 유리섬유가 사용되었으며, 수지 친화력이 높은 PVC 폼을 적용하였다. 원할한 블레이드 구조 설계를 위해 설계에 사용된 주요 재료와 이에 대한 위치를 바탕으로 블레이드를

총 11개의 세부 파트로 구분하여 설계를 진행하였다.

ㆍ Pressure side spar cap
ㆍ Suction side spar cap
ㆍ First & second shear web
ㆍ Trailing edge
ㆍ Blade root
ㆍ Extra root 등 (총 11개 파트)

 

[주요 부분별 무게 비율 및 설계 변경에 다른 무게 증감률]

또한, 이와 별도로 최적의 블레이드 구조 설계를 위해, 블레이드의 주요 구성품인 스파캡의 두께 및 분포에 대한 최적 설계 접근법을 적용하였다. 본 연구에서는 설계 조건과 용량이 서로 다른 블레이드의 스파 캡 두께비가 유사한 경향을 나타냄에 착안하여 스파 캡 두께비의 추세선 예측을 통해 효율적인 초기 적층설계 방법을 제안하였으며, 초기 적층 설계 시 반복 계산의 횟수를 줄임과 동시에 최적설계를 위한 개발기간의 단축이 가능 할 것으로 판단된다.

아래의 그림과 같이 초기 적층설 계를 위한 추세선의 예측을 위해 TPI, LM windpower, NREL등 타 블레이드의 스파 캡 두께 비를 조사하였고, 계산된 식과 같은 6차식 커브 피팅(curve fitting) 함수를 얻었다. 이를 이용해 블레이드의 스파 캡 두께 비를 재계산 하였고, 단방향 섬유의 단위 두께를 나누어 최종적으로 필요한 적층 수를 계산하였다.

 

하중계산을 통해 도출한 하중 결과값으로부터 블레이드 길이방향으로 높은 하중 분포를 나타낸 4 종류의

하중 조건(최대 면 내 방향, 최소 면 내 방향, 최대 면 외 방향, 최소 면 외 방향)이 극한강도 평가를 위해 선정되었다. 이후 각각의 하중 조건을 적용한 극한 및 피로강도 해석, 안정성 해석, 모달(modal) 해석, 팁 변형 량 해석을 통해 블레이드 구조건전성이 평가 되었고 결과 정리는 아래의 그림과 같다.

 

[블레이드 설계평가 결과 정리]

5. 결론

수 차례의 반복적인 구조 설계를 통해 최종 블레이드 구조설계를 완료하였으며, 구조설계 과정에서 구조해석 결과 분석 및 상용 블레이드 특성값과의 비교를 통한 스파캡 및 폼두께 최적화가 수행되었다. 이와 함께

블레이드 최대 변형과 타워와의 안정성을 확인하였고, 복합재로 이루어진 블레이드의 특성을 고려하여

라미네이트 파손 평가, 좌굴 안정성 평가, 샌드위치 구조물 평가, 볼트 연결부 평가, 피로 수명 평가 등의

다양한 평가를 수행하였다.

본 연구를 통해 KR 고유의 블레이드 모델 개발을 완료하였고, 본 연구에서 습득된 기술을 활용하여, 다양한 추가 연구의 진행과 블레이드 설계평가등의 기술에 활용이 가능할 것으로 예상된다.

 

[설계 완료된 2MW 풍력터빈 블레이드]