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에어포일 표면 거칠기 민감도가 풍력 블레이드 공력 설계에 미치는 영향에 대한 연구
신형기(Shin, Hyungki),방형준(Bang, Hyungjun),김수현(Kim, Soohyun),장문석(Jang, Moonseok) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.11
풍력발전기 블레이드 설계에 적용하기 위한 에어포일의 선택 혹은 설계에 있어서 가장 중요한 요소 가운데 하나는 표면 거칠기 변화에 따른 에어포일 성능의 민감도이다. 블레이드 표면은 대기 중의 먼지, 곤충 시체 등에 따라 계속적으로 오염되며 이는 에어포일의 설계 당시의 성능을 계속적으로 저감시킨다. 이러한 표면 거칠기의 증가는 에어포일의 종류에 따라 성능을 50% 이상 저감시키며 이는 블레이드의 설계 성능을 저감시키므로 블레이드 설계를 위한 에어포일 선정 단계에서 표면거칠기 민감도가 가능한 낮은 에어포일을 선정하여 블레이드의 공력 설계를 수행하게 된다. 본 연구에서는 표면 거칠기 변화로 인한 에어포일의 성능 저감이 실제 블레이드의 성능에 어떠한 영향을 주는지를 살펴 보았다. 에어포일은 표면이 깨끗한 상태와 ZZ 테입을 부착하여 표면이 심각하게 오염된 상황을 모사하여 두 경우 모두를 풍동 시험한 DU 에어포일 시리즈를 선정하였다. 3MW 급의 블레이드에 대하여 두께비 40%~18%의 에어포일을 적용하여 설계를 수행하였으며 두께비 30%~18%에어포일에 대하여 표면이 깨끗한 경우와 오염된 경우의 데이터를 적용하여 블레이드 성능 변화 및 다른 성능 변수들의 변화를 살펴보았다. 블레이드 성능에 대하여는 BEMT를 적용하여 설계 및 시뮬레이션을 수행하였다. 연구 결과 에어포일의 성능 저하는 블레이드 공력 효율에 있어서 8%의 저감을 나타내며 7%의 극한하중 저감을 보이는 것으로 나타났다.
후류와 타워의 영향을 고려한 수평축 풍력발전기 블레이드의 비정상 하중 예측을 위한 새로운 자유후류기법의 연구
신형기(Shin, Hyungki),박지웅(Park, Jiwoong),이수갑(Lee, Soongab),김주언(Kim, Jueon) 한국신재생에너지학회 2005 신재생에너지 Vol.1 No.1
A critical issue in the field of the rotor aerodynamics is the treatment of the wake. The wake is of primary importance in determining overall aerodynamic behavior, especially, a wind turbine blade includes the unsteady airloads problem. In this study, the wake generated by blades are depicted by a free wake model to analyse unsteady loading on blade and a new free wake model named Finite Vortex Element(FVE hereafter) is devised in order to include a wake-tower interaction. In this new free wake model, blade-wake-tower interaction is described by cutting a vortex filament when the filament collides with a tower. This FVE model is compared with a conventional free wake model and verified by a comparison with NRELand SNU wind tunnel model. A comparison with NREL and SNU data shows validity and effectiveness of devised FVE free wake model and an efficient.
신형기(Hyungki Shin),조종재(Jongjae Cho),조준현(Junhyun Cho),나호상(Ho-Sang Ra),최봉수(Bongsoo Choi),노철우(Chul Woo Roh),이범준(Beomjoon Lee),이길봉(Gilbong Lee),백영진(Young-Jin Baik),강영석(Youngseok Kang),허재성(Jaesung Huh) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集B Vol.42 No.5
본 논문에서는 초임계 이산화탄소(sCO₂) 발전 사이클에 적용되는 축류 터빈 개발에 대하여 다루고 있다. 초임계 이산화탄소 발전사이클의 경우 초임계 상태로 작동 유체가 유지됨으로써 높은 밀도와 낮은 비체적으로 인하여 기존의 스팀 랭킨 사이클에 비하여 터빈 크기를 1/20 이하로 소형화가 가능하다. 그러나 이러한 장점은 터보 머시너리 개발에는 상당한 난점으로 작용한다. 이산화탄소의 임계점 부근 및 고온/고압 조건에서의 운전되는 터빈의 경우 낮은 비체적으로 인한 높은 회전수와 고압 조건으로 인한 높은 축력이 개발상의 난점이 된다. 이의 해결을 위하여 본 연구에서는 부분유입 운전 방식으로 운전되는 충동형 축류 터빈을 개발하였다. 부분유입 충동형 터빈 개념을 적용하여 입구 조건 135bar, 392℃, 출구 조건 77bar, 질량 유량 1.74kg/s의 설계조건에서 지름 73mm, 날개 높이 8mm, 정격 회전수 45,000RPM의 터빈을 설계할 수 있었으며, 기계적인 안정성을 위하여 틸팅패드 베어링을 적용한 터빈 시스템을 개발하였다. 개발된 터빈은 최대 입구 조건 100 bar, 205 ℃에서 45분의 연속 운전을 수행하였다. The design of an axial impulse turbine that was installed for a supercritical CO2 (sCO2) cycle. An sCO2 power generation cycle could decrease turbomachinery size to one-twentieth of the current size due to a small specific volume compared with a typical steam power cycle. However, this small turbomachinery makes it difficult to develop prototype sCO2 cycle equipment. Major problems of sCO2 turbines are the small volume flow rate and huge axial force. The small volume flow rate and turbine size correspond to a high rotating speed. In addition, the turbine inlet pressure of the sCO2 cycle must be more than 100 bar and the outlet pressure over 77 bar to maintain the supercritical state; such high pressure results in a huge axial force. To overcome these difficulties, an axial impulse turbine that was operated in partial admission condition was chosen, and tilting pad bearings were applied for mechanical reliability. The geometry of the turbine is 73-mm rotor diameter, 8-mm blade height, and 45,000 rpm of operating speed at the inlet design condition of 135 bar and 392 ℃, outlet condition of 77 bar, and mass flow rate of 1.74 kg/s. The designed turbine was tested at the Korea Institute of Energy Research (KIER) Pilot Plant Laboratory. The test condition was that maximum pressure and temperature were 100 bar and 205 ℃, and the cycle and turbine operated for 45 min.
Wind tunnel effect analysis for MEXICO wind turbine model
신형기(Shin, Hyungki),임종수(Lim, Jongsoo),장문석(Jang, Moonseok) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.05
In this research, CFD calculation was implemented to analyze wind tunnel effect or rotor experiment in wind tunnel. One case included model wind turbine and all wind tunnel geometries. The other case include only rotor and nacelle system. Star-CCM+ was used for CFD analysis and rigid body motion around rotor area was applied to simulate rotating rotor. As for turbulence model, K-omega SST was used. The results were compared in 15m/s inflow condition. These results shows a good agreement with the measurement. Then, the result without wind tunnel was slightly different to the result with wind tunnel. Thus, in the case of Mexnex wind tunnel measurement, the wind tunnel don't affect the measurement result. Then, this wind tunnel and rotor size ratio can be reference for wind tunnel experiment of wind turbine rotor.
수평축 풍력블레이드의 비대칭 환경에서의 공력 해석을 위한 자유후류기법에 관한 연구
신형기(Hyungki Shin),박지웅(Jiwoong Park),이수갑(Soogab Lee),김석우(Seokwoo Kim) 한국유체기계학회 2006 유체기계 연구개발 발표회 논문집 Vol.- No.-
풍력 발전기의 블레이드는 다른 회전기와는 달리 항상 지면의 경계층, 요-에러에 의한 어긋난 유입류, 타워와의 간섭효과의 환경에서 운영된다. 따라서 정상운전상태에서도 이와 같은 환경에서 겪게 되는 공력하중의 해석이 블레이드의 설계에서 중요하게 요구된다. 본 연구에서는 이의 비정상 공력하중해석을 위하여 자유후류기법을 이용한 방법을 연구하였다. 특히, 타워와의 간섭해석을 위하여 FVE라 명명한 후류 모델을 개발하여 적용하였다.