해상풍력 블레이드 설계 번역(한국어 원본)서론
풍력 발전기의 핵심 부품인 블레이드는 해상풍력발전 기술과 함께 점차 대형화 추세에 있으며, 풍력발전기 기술 선도국들은 빠르게 증가하고 있는 해상풍력 발전 시장을 선점하기 위해 블레이드에 대한 설계기술 개발을 활발히 진행하고 있다. 세계 풍력 시장을 이끌고 있는 풍력 시스템 기업들은 대부분 풍력 블레이드를 핵심 부품으로 분류하여 자체 설계 및 제작을 수행하고 있고, 미국의 SNL(Sandia National Laboratory), 네덜란드의 ECN(Energy Research Centre of Netherlands)과 같은 국가 연구소에서는 자국 정부의 지원을 받아 대형 블레이드 기술 개발을 활발히 진행 중에 있다. 한국의 풍력 블레이드 개발은 대부분 풍력발전기 개발 국가과제의 일환으로 수행되어 왔으며, 최근 다수의 한국의 풍력 시스템 제조사에서 대형 블레이드 설계 및 평가에 대한 기술을 확보하기 위해 노력하고 있다.
블레이드 설계 과정에서는 공력설계, 구조설계, 하중해석, 구조해석의 과정이 반복적으로 수행되며, 각각의 과정이 독립적이지 않기 때문에 최적의 설계 사양을 찾기 위해 상당히 많은 시간이 소요된다. 특히, 블레이드 개발 시간을 단축하기 위해서는 초기 구조설계가 중요하다. 또한, 하중해석은 주로 공탄성 하중해석 프로그램을 이용하여 계산을 수행하게 되는데, 이 경우에 터빈 시스템 전체를 구성해야 하는 어려움이 있고, 계산 및 후처리에 상당한 시간이 소요된다. 따라서 초기 설계의 경우, 개발 기간 단축을 위해서 신속한 절차의 적용이 요구된다.
본 연구에서는 블레이드 구조 설계 및 평가를 수행함에 있어서, 구조 설계 변경에도 간단하고 신속하게 설계평가를 할 수 있는 방법을 나타내었다. 먼저, 기존 블레이드 구조 특성 데이터를 이용한 2MW CFRP 블레이드의 구조설계를 수행하였고, 단방향 유동-구조 연성해석에 의한 정상운전 조건에서의 하중을 도출하여, 블레이드 구조건전성을 평가하였다. 이를 통해서 기존의 GFRP 모델과의 구조 성능의 차이를 확인하고자 하였고, 초기 단계의 구조 설계 및 평가 과정에서 새로운 절차의 가능성을 확인하고자 하였다.
블레이드 설계 절차
본 연구의 초점은 블레이드 개발 기간을 단축하기 위해서 초기 구조설계의 과정을 기존의 “구조설계-시스템 통합 하중해석-구조건전성 평가” 방법이 아닌, 새로운 절차에 의해서 초기 구조설계를 수행할 수 있는 방법을 개발하는 것이다. Fig. 1에 기존 방식에 의한 블레이드 설계 방식과 본 연구를 통해 새롭게 제안하는 설계 방식을 비교하여 나타내었다. 그림을 통해 확인할 수 있는 것과 같이 기존 방식에 의한 블레이드 설계는 초기 설계 과정에서 시스템 통합하중해석 방식에 의해 하중 계산을 수행하므로 그에 수반되는 공력 및 구조 특성치 계산, 하중 해석을 위한 터빈 시스템 구성 등의 복잡한 과정을 거치게 되며, 하중 계산 및 후처리에 상당한 시간이 소요된다. 또한, 구조 평가를 통해서 설계 기준을 만족하지 못한 경우에는 재설계가 수행되게 되는데 이 경우에도 구조 특성치 재계산, 터빈 시스템 재구성, 하중 재계산 및 후처리 등의 중복적인 작업이 필요하다. 본 연구를 통해 새로 제안하는 설계 프로세스는 초기 구조설계 단계에서 단방향 유체-구조 연성해석 방법을 적용하여 블레이드에 작용하는 표면압력을 도출하고, 이 하중을 이용하여 구조평가를 하는 절차이다. 이 방법은 초기 구조설계 단계에서의 재설계가 수행되더라도 새롭게 만들어진 구조모델에 이미 계산된 CFD 압력을 적용하여 추가적인 절차 없이 바로 구조물에 작용하는 응력과 변형률을 확인할 수 있기 때문에 기존의 방법보다 상당히 단순한 절차에 의해 초기 구조설계가 가능하다고 할 수 있다. 또한, 초기 구조설계 단계에서 기존에 설계된 블레이드의 구조 특성치를 최대한 이용해서 설계함으로써 초기 설계 단계에서의 시행착오를 줄이고, 신속한 초기 설계안을 도출하는 것을 목표로 하였다.
하중 산정
블레이드 표면 압력을 계산하기 위해 3차원 비압축성 Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식을 이용하여 해석을 수행하였으며, 상용프로그램 FLUENT 14.0을 이용하였다. 난류모델 (turbulence model)은 Realizable k-ε 모델을 사용하였다. 난류모델의 조건을 만족시키기 위해서 블레이드 표면에서의 y+ 값을 조절하였으며 경계층 (boundary layer) 내의 정확한 흐름 예측을 위하여 블레이드 표면으로부터 1.2의 증가비 (growth rate)로 20층의 격자를 쌓았다. 그림 2에 해석 전체 도메인을 나타내었다. 해석대상 블레이드를 주변으로 전후로 2D, 3D 반경방향으로 6D의 공간을 확보하여 교란에 대한 충분한 거리를 확보하였다. 블레이드는 No-slip (wall) 조건을 주었으며, 입구는 균일속도 유입조건, 출구는 평균정압 출구조건, 좌, 우 경계면은 회전주기 조건을 적용하였다.
전체 해석 도메인의 격자 개수는 500만개이며, 결과의 정확성을 위해서 모든 격자는 HEXA 격자로 구성하였다. 정상해석을 통하여 균일 풍속 (4m/s, 6m/s, 8m/s, 11m/s)에서 수치해석을 수행하였으며 표 1에 나타내었다. 결과의 수렴 판정기준으로 RMS residual 값의 범위를 10-4로 정하였다.
CFD 해석을 통해서 풍력터빈 정상운전 조건(11.5 m/s)에서의 블레이드에 작용하는 표면압력을 도출하였고, 그 압력을 블레이드 구조모델에 매핑(mapping)하였다. 하중 매핑 결과는 그림 3에 나타내었다. 그림을 통해 확인할 수 있는 것과 같이 CFD에서 계산된 유동에 의한 블레이드의 표면 압력이 블레이드 구조 모델에 적용이 되었으며, 계산된 압력은 블레이드 유한요소 모델의 각 절점에 x, y, z 방향의 힘(force)으로 변환되어 블레이드 구조모델에 적용되어 졌다. 일반적인 풍력 블레이드 하중해석 및 구조 평가 방법은 BEM 기반의 시스템하중해석에 의해 하중을 계산하고, 계산된 하중을 힘(force) 혹은 모멘트(moment) 형태로 구조 모델에 적용하게 된다. 반면, 본 연구에서 적용한 단방향 유체-구조연성해석 방법은 CFD 해석을 통해 도출된 표면 압력 데이터를 구조모델에 바로 적용하는 방법이기 때문에 보다 실제에 가까운 하중이라고 할 수 있으며, 구조 평가 결과에 대한 보다 나은 신뢰성을 기대할 수 있다고 판단된다. |
해상풍력 블레이드 설계 번역(영어 번역본)Introduction
The size of blade, a core component of wind power generator, continues to expand, as offshore wind power technologies advance. Leading countries in the field of wind power generator are actively developing their design technologies for blade in order to preoccupy the offshore wind power market. Wind power system companies, who are leading the global market, design and manufacture blades on their own, as they consider blade as a core part. State-run research institutes, such as SNL (Sandia National Laboratory) of the United States and Energy Research Centre of Netherlands (ECN) of the Netherlands, are proactively developing large blade technologies with their respective government’s assistance. In South Korea, development of wind power blade was often a part of the government’s wind power generator projects. Many Korean manufacturers of wind power system recently attempt to secure technologies on large blade design and evaluation.
A cycle of aerodynamic design, structural design, load analysis and structural analysis repeats when designing a blade, and each process is not entirely independent, thus significant amount of time is required in order to find the optimal design specifications. In particular, preliminary structural design is critical to reduce time spent to develop a blade. Further, load analysis commonly uses aeroelastic load analysis program, which comes with the challenge of having to build the entire turbine system, and consumes much time for calculation and after treatment. Therefore, the process has to be implemented promptly in the preliminary design in order to reduce the development period.
This study suggests a method that allows simple and quick design assessment regardless of changes in structural design. First, the structure was designed for 2MW CFRP blade by using data on the structural characteristics of the conventional blade, and the blade’s structural integrity was evaluated by calculating the load under normal operation based on uni-directional fluid-structure interaction analysis, aiming at confirming differences in the structural performance of the conventional GFRP model and the new method, and the possibility of adopting new procedure for preliminary structural design and assessment.
Blade Design Procedure
This study focused on developing a solution, which will enable a new procedure to be adopted in preliminary structural design, without repeating the traditional cycle of structural design, integrated system load analysis, and structural integrity assessment. Figure 1 compares the new design solution suggested here and the traditional approach. As indicated in Figure 1, the conventional method uses integrated system load analysis for load calculation, thus requiring a complex process of calculating the aerodynamics and structural characteristics, and formation of turbine system for load analysis along with a significant amount of time required for load analysis and after treatment. In addition, redesign is necessary if structural evaluation determines that the design does not comply with the design criteria. In this case, the above mentioned process has to be repeated. On the other hand, the new design approach proposed in this article adopts uni-directional fluid-structure interaction analysis in the early stage of structural design to calculate surface pressure put on the blade, and use the result for structural evaluation. By using the new method, strain and stress on the structure may be confirmed by applying the calculated CFD pressure to the newly designed model without taking additional procedures even when a redesign is performed in preliminary structural design, thus making it much simpler than the conventional approach. Further, the new method aims to promptly develop preliminary design and reduce trial and errors in the stage of preliminary design by utilizing the structural characteristics of the existing blade to the extent possible.
Load Analysis
Three-dimensional incompressible Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) was used to calculate the surface pressure of blade. A commercial program called FLUENT 14.0 was used, while Realizable k-ε served as turbulence model. Y+ value on the blade surface was adjusted in order to meet the conditions of the turbulence model. Twenty-layer grid was formed with a growth rate of 1.2 from the blade surface for accurate prediction of flow within the boundary layer. Figure 2 shows the entire domain analyzed. Sufficient distance was secured against disturbances by having 6D space in 2D and 3D radial directions around the blade. No-slip (wall) condition was provided to the blade, the entrance, the exit, the left and right boundary surfaces were applied with the conditions of uniform speed inflow, average static pressure, and rotational period, respectively.
The number of grid in the analyzed domain was 5 million. All of the grids were formed in hexagonal shape for precision of results. Table 1 shows the results of numerical analysis conducted with uniform wind speeds of 4m/s, 6m/s, 8m/s and 11m/s. The range of RMS residual value was set at 10-4 as a criteria for determining whether to accept the result,
Surface pressure on the blade in normal operation of wind turbine (11.5 m/s) was calculated through CFD analysis, and the pressure was mapped onto the blade structural model. Figure 3 presents the load mapping results. As indicated by Figure 3, the blade’s surface pressure from the flow calculated in the CFD analysis was applied in the blade’s structural model. The calculated pressure was converted into forces in x, y and z directions at each nodal point of the structural model. In conventional load analysis and structural evaluation for wind power blade, BEM-based system load analysis calculates the load, which will then be applied to the structural model as a form of force or moment. On the other hand, the uni-directional fluid-structural interaction analysis suggested by this study applies surface pressure data gained from the CFD analysis directly into structural model, thus providing more realistic load and improving reliability of the structural assessment results. |
