대형 풍력 블레이드 적층 최적화를 통한 스파 구조 설계 연구

A Study on the Structural Design of a Spar Using Laminate Optimization for Large Wind Turbine Blade

Abstract

This study was conducted on the design of large wind power blades. The target blade is 20 MW class. After performing an aerodynamic design, it was verified through aerodynamic analysis. Structural loads were also calculated after aerodynamic design. A skin-spar structure was adopted as the structural design results were investigated for safety through structural analysis. The structural configuration. The structural design results were confirmed through laminate optimization of the spar flange and web. The final structural design result was analyzed as being safe.

기호설명

P : 동력 [W]

D : 직경(m)

V : 공기 밀도(m/s²)

λ₀ : 깃 끝 속도비

1. 서론

풍력 발전 시스템은 바람의 운동 에너지를 기계적 변환을 거쳐 전기를 발전시키는 시스템이다. 전세계적으로 친환경 에너지에 대한 관심이 많아지고 있는 추세로 풍력 에너지에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다. 특히 풍력 블레이드는 바람의 에너지를 이용하므로 신재생 에너지 중에서 각광을 받고 있다.

현재 세계의 풍력 블레이드 개발 방향은 대형화 되는 추세이다. 블레이드의 직경이 커지면 이에 따른 출력이 증가하기 때문에 블레이드 크기가 대형화 되고 있다. 국외의 블레이드 개발 현황을 분석해보면 크게 공력 형상 설계와 구조 설계로 나누어 볼 수 있다.

공력 설계에 대한 국외 연구 동향을 살펴보면 Ashuri 등이 20 MW 터빈 모델에 대해 공탄성을 고려한 설계를 수행하였다[1]. Cai C. 등은 대형 풍력 블레이드의 전연부와 후연부의 공력 하중을 분석한 연구를 수행하였다[2]. Bai C. 등은 수평축 대형 풍력 블레이드에 대한 공력 성능을 분석하는 수치 해석적 및 실험적 분석 연구를 수행하였다[3]. Devinant P 등은 높은 난류에서 풍력 블레이드의 에어포일의 공력 형상 변화에 대한 실험적 연구를 수행하였다[4]. Riberio 등은 풍력 블레이드의 다양한 에어포일 형상에 대하여 최적화 하는 기법에 대한 연구를 수행하였다[5]. Zhang D 등은 풍력 발전기 공력 하중과 공탄석 응답에 대한 유체-구조 연성 해석을 수행하였다[6]. Luo K 등은 카본 섬유복합재 적층 구조의 구조 손상 모니터링 연구를 수행하였다[7]. Kevin Cox 등은 유리 섬유와 탄소 섬유를 혼합한 하이브리드 복합 구조를 사용해 고풍속 지역용 10 MW 풍력 블레이드의 경량 설계를 개발하였다[8].

국내에서는 장서원 등이 8 MW급 대용량 풍력발전기용 요 감속기 치합전달오차에 따른 응답해석에 관한 연구를 수행하였다. 본 연구에서 1단 베어링의 외륜과 출력축 베어링의 안전성 평가를 수행하였다[9]. 심인환 등은 풍동시험을 활용하여 10 MW급 부유식 해상풍력터빈 운송 및 설치 과정에서 풍하중을 예측한 연구를 수행하였다[10]. 김지훈 등은 대형급 풍력 블레이드의 비틀림 주파수 측정에 관한 연구를 수행하였다[11]. 이준영 등은 수치해석을 활용하여 풍력발전 시스템의 유지 보수 기법을 연구하였다[12]. 안현정 등은 NREL 5 MW 표준 풍력 터빈을 기반으로 12 MW 풍력 터빈 블레이드를 설계하였[13].

본 연구에서는 대형 풍력 블레이드의 국내외 연구동향을 분석한 후 설계 목표를 20 MW로 결정한 후 공력 설계 및 구조 설계를 수행하였다. 설계 결과는 해석을 통해 검증하였으며, 최종 설계 결과를 분석하여 대형 블레이드 설계 기법을 제시하였다.

2. 공력 설계

2.1 공력 설계 이론

공력 설계 이론은 항공기 에어포일 이론을 기반으로 와류 이론과 블레이드 단면 요소 이론을 동시에 고려하여 공력 설계를 수행하였다. 세부 형상 설계 전에 전체 출력을 고려하여 직경을 결정한다.

공력 설계 절차는 블레이드 직경을 결정하고 적용할 에어포일을 선정하는 것으로 출발한다. 그 후 깃끝 속도비(tip speed ratio)와 블레이드의 비틀림 각(setting angle), 블레이드 시위(chord) 길이를 계산하여 공력 형상 모델링 하는 단계로 진행된다. 아래의 식 1과 식 2는 풍력 발전기의 요구조건 중 출력인 20 MW를 충족하기 위해서 목표 출력인 Pe를 사용하여 블레이드의 직경을 계산하기 위한 식이다. 블레이드는 효율을 고려하여 설계 되었다. 최정 결정된 직경은 230m이고, 비틀림 각은 24.92° 로 결정되었다. 아래 식에서 (1)식은 출력을 결정하는 식이다. 따라서 이를 응용하여 (2)식으로 직경을 결정한다. (3)식에서 N은 정격 회전 속도를 나타내는 식으로 깃 끝 속도비 λ₀를 7로 하고, 속도 V를 12.5m/s 로 하여 공력 설계를 수행하였다.

P = 0.2D²V³       (1)

\(\begin{align}D=\sqrt{\frac{P}{0.2 V^{3}}}\end{align}\)       (2)

\(\begin{align}N=\frac{\lambda_{0} V}{\pi D}\end{align}\)       (3)

본 연구에서 설계를 위해 선정된 에어포일 형상은 DU계열 5가지로 DU99 W 405LM, DU99 W 350LM, DU97 W 300, DU91 W2 250, DU93 W 210LM 등을 사용하였다. 아래 Fig. 1은 대표적인 DU99 W 450LM의 형상을 보여주고 있다. Fig. 2는 DU99 W 350LM 에어포일의 형상이다. Fig. 3은 DU93 W 210LM의 단면 형상을 보여주고 있다. Fig. 4는 블레이드 뿌리 부위에 적용된 DU99 W 405LM 에어포일의 양력과 항력 특성을 보여주고 있다. 본 연구에서 풍력 블레이드 에어포일을 분석하여 최대 양력계수와 최대 양항비 및 구조적 강도를 보장하는 두께를 가질 수 있는 다양한 에어포일을 분석하여 최종 선정하였다.

Fig. 1 Configuration of DU99 W 405LM airfoil

Fig. 2 Configuration of DU99 W 350LM airfoil

Fig. 3 Configuration of DU93 W 210LM Airfoil Model

Fig. 4 Aerodynamic Characteristic of DU99 W 405LM

2.2 공력 설계 및 해석

블레이드의 깃 끝 속도비는 블레이드가 3개인 현대의 풍력 터빈이 최대 효율을 받을 수 있는 6~ 8에서 7로 결정하여 비틀림 각(Twist angle)은 5.42° ~ 24.92°로 각 에어포일마다 유입각이 양항비가 좋은 각도를 선정하여 블레이드 뿌리 부위부터 블레이드 끝까지 15구간을 선형적으로 분할하여 설계하였다. 첫 번째 블레이드 뿌리 부위는 DU99 W 405LM으로 설계되었다. 두 번째 구역이 DU99 W 350으로 설계되었다. 순차적으로 최종 끝부분이 DU93 W 210LM으로 설계되었다. 다음 Fig. 5는 최종 공력 설계 형상을 보여주고 있다.

Fig. 5 Aerodynamic design result

공력 설계 결과의 검증은 동력 계수와 출력을 계산하여 동력이 요구 조건을 만족하는 분석하였다. 블레이드를 각 구간으로 분리하여 면적과 유입각과 양력 및 항력 계수를 사용하여 동력 계수를 구하여 분석하였다. 최종 깃 끗 속도비 7에서 24 MW 이상 도출되는 것을 확인하여 설계 목표 요구도인 20 MW를 초과하므로 충분히 설계 결과가 타당한 것으로 검토되었다.

Table 1에 깃 끝 속도비에 대한 출력을 계산한 결과를명시하였다.

Table. 1 Power Efficiency and Power of Designed Blade

3. 구조 설계

3.1 구조 설계

본 연구에서 구조 설계에 필요한 하중을 분석하기 위해 운용 중에 발생할 수 있는 극한 상황을 GL 규정에 명시된 돌풍 상황으로 선정하였다. 돌풍 상황에서 블레이드에 적용되는 하중은 정격 풍속인 12.5m/s에서 돌풍 계수를 고려해 준 20.8m/s를 적용하였다. 다양한 하중을 분석하여 정격 풍속에 돌풍이 적용된 하중이 가장 근한 하중으로 분석되어 이를 기준으로 구조 설계를 수행하였다.

블레이드에 작용하는 힘은 분포 하중, 전단력, 모멘트 순으로 계산하였다. 하중을 활용하여 flap wise와 chord wise 두 가지 방향에서 계산한 전단력과 굽힘 모멘트를 기반으로 구조 설계 하중으로 적용하였다.

구조 설계는 flap wise 방향의 하중을 고려하여 수행하였다. 공력 설계에서 블레이드의 외부 형상을 설계하였으며, 구조 설계에서는 구조물들의 두께를 계산하여 모델링을 진행해야 한다. 이때 고려해야 하는 구조물은 블레이드의 전체 외형을 담당하는 스킨과 내부 구조물인 스파의 구성물인 웹과 플랜지가 있다. 스킨은 플랩 와이즈 방향의 모멘트를 기반으로 설계하였고 웹과 플랜지는 플랩 와이즈 방향의 전단력을 기반으로 설계하였다.

20 MW급 풍력 발전기의 블레이드 설계에서 구조적 안전성과 고출력 요건을 충족하기 위해, 스킨, 웹, 플랜지의 재질로 복합재료를 선택하고, 각 부품의 섬유 방향과 두께를 최적화하였다. 스파는 총 3개의 스파가 적용되는 구조 형상을 채택하여 설계를 수행하였다. 스킨의 경우 유리섬유를 적용하여 경량화와 함께 높은 탄성 계수를 확보할 수 있도록 하였다. 유리섬유는 우수한 내구성과 탄성력이 좋으므로 블레이드 외부 구조에 적합하며, 블레이드에 가해지는 굽힘 하중에 대응할 수 있도록 +45도 및 -45도 각도로 적층하여 하중을 분산하였다. 물성치 시험은 한국기초과학지원연구원의 미래 모빌리티 플랫폼 신뢰성 핵심연구지원센터(군산)에서 정적강도시험기(NFEC-2007-10-001-003)를 활용하여 측정하였다.

플랜지와 웹에는 고강도 탄소섬유 복합재를 채택하여 블레이드의 구조적 강성과 장기 신뢰성을 보장하였다. 특히 웹은 블레이드 내부의 주요 지지 구조로서 탄성 계수가 높은 탄소섬유를 +45도 및 -45도 방향으로 적층하여 다방향 하중에 대한 저항성을 강화하였다. 이러한 배향은 블레이드 내부에서 발생하는 하중을 효과적으로 분산시키며, 블레이드 진동의 완화에도 기여한다. 플랜지는 탄소섬유를 0도 방향으로 적층하였다. Table 2에 스파 플랜지의 두께를 명시하였으며, Table 3에 스파 웹의 두께를 명시하였다. Fig. 6은 스킨-스파구조 형상의 단면을 보여주고 있다. Fig. 7은 구조 설계 결과에 대한 3차원 소프트웨어를 활용하여 모델링한 결과이다.

Table 2 Design of spar flange

Table 3 Design of spar web

Fig. 6 Skin-spar structural configuration

Fig. 7 3D-modeling of designed blade

3.2 구조 해석

본 연구에서 구조 설계 결과에 대한 구조 해석을 통해 구조 안전성을 평가하였다. 구조 해석은 상용 프로그램인 ANSYS R2 2024를 사용하였다. 경계 조건으로는 블레이드 끝단에 고정 경계 조건을 부여하였다. 하중 조건은 공력 중심으로 계산된 하중을 각 단면의 분할된 면의 비율을 고려하여 하중을 분배하였다. 또한 코드 와이즈 방향 원심력을 실린더 끝단인 블레이드 회전의 중심 부분에 적용하였다.

블레이드 모델링 과정에서 해석의 효율성을 높이기 위해 격자 설정은 주로 사각형 격자를 사용하는 방식으로 구성하였다. 사각형 격자는 블레이드의 복잡한 형상에도 비교적 균일한 해석 성능을 제공하며, 계산 속도와 안전성을 확보하는 데 유리한 특징을 가진다. 또한, 해석 작업의 용이성을 고려하여 격자 크기를 700mm로 설정하였다. 이는 구조 해석에 필요한 주요 변형 및 응력 분포를 상세히 확인할 수 있도록 하면서도 해석 시간을 줄일 수 있는 적절한 크기인 것으로 검증되었다. 생성된 노드(node)의 개수는 총 122,589개이며, 요소(element)의 수는 121,688개로 구성되었다. Fig. 8에 유한 요소 모델을 제시하였다. Fig. 9는 하중 조건과 경계조건을 보여주고 있다.

Fig. 8 Finite element modeling for structural analysis

Fig. 9 Applied load for structural analysis

구조 해석에 사용된 파손 모델은 Tasi-Wu, TasiHill, Hoffman, Hashin, Puck, Cuntze를 사용했으며 가장 낮은 값을 검토하여 안전성을 평가하였다. 초기 구조 설계 결과에 대한 구조 해석을 수행한 결과 대부분은 5이상으로 안전하였으나 국부적으로 스킨과 하부 플랜지 부분에서 1.4 이하로 다소 낮게 검토되는 부분이 분석되었다. 이는 플랜지가 모멘트를 견디지 못해 스킨 부위도 동일하게 낮게 나온느 것으로 판단되었다. Fig. 10에 1차 구조 해석 결과를 명시하였다.

Fig. 10 Safety factor distribution of lower flange

초기 구조 설계 결과의 구조 해석을 통한 안전성을 검토한 결과 일부 국부적으로 불안전한 부위가 검토되었다. 따라서 상부 플랜지와 웹 3개를 포함한 안전계수 1.5 이하 부위를 집중적으로 검토하여 하부 플랜지 부위의 적층수를 10% 추가 적층하여 두께를 보강하였다. 개선한 구조 설계 결과의 구조 해석 결과 플랜지에서 안전 계수는 1.74로 증가해 블레이드 전체 안전계수가 1.7 이상으로 개선되어 전반적으로 안전한 것으로 판단하였다. Fig. 11은 개선된 해석 결과이다.

Fig 11. Safety factor distribution of Web 1

Fig. 12 Safety factor distribution of modified blade

4. 결론

본 연구에서 대형 풍력 블레이드 연구 동향을 분석하였다. 최근 풍력 블레이드가 대형화 되고 있으며, 국내외에서 25 MW급의 대형 블레이드에 대한 연구가 진행 중이다. 본 연구에서는 향후 25MW 풍력 블레이드에 적용 가능한 대형 블레이드 공력 및 구조 설계기법에 대한 연구를 수행하였다.

본 연구에서는 보다 작은 형태로 20MW를 목표로 대형 블레이드를 설계하여 설계 결과를 검증하였다. 공력 설계는 블레이드 요소 이론과 와류 이론을 적용하여 공력 형상 설계를 수행하였다. 공력 설계 결과는 공력 해석을 통해 설계 결과의 타당성을 확인하였다. 공력 설계 결과 이후 구조 설계를 수행하였다. 구조설계 형상은 총 세 개의 스파를 갖는 구조 형태로 설계 하였다. 초기 구조 설계 결과는 좌굴 안정성을 검토하여 보완하였다. 최종 설계 결과는 구조 해석을 통해 구조 안전성을 검토하였다. 본 연구를 통해 제시한 대형 블레이드 개념 설계 기법은 타당한 것으로 제시되었다.

본 연구에서 설계한 풍력 터빈 블레이드의 구조적 모델은 설계 지점마다 코드 길이 방향으로 4등분 되어있는데 향후 제작 시 생기는 손상에 의한 복합재료의 물성치 저하가 구조에 미치는 영향에 대한 연구 등을 진행할 때 사용될 것으로 기대된다.

후기

이 논문은 2021년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구임(20213030020120, 해상풍력발전 블레이드의 전주기 신뢰성 향상을 위한 생산품질 및 유지관리 기술 개발)/ 이 논문은 2022년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구임(20224000000040).