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피치계 탄소섬유를 적용한 풍력발전기용 복합재 블레이드의 구조 안전성 평가
현영빈(Hyun-Young Bin),김학근(Hak-Geun Kim),전병욱(Byung-Wook Jeon),곽성종(Sung-Jong Kwak),강기원(Ki-Weon Kang) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4
최근 신재생에너지 발전량 확대에 따라 풍력발전기 효율을 극대화하고 있다. 이를 위해 주요 부품인 복합재 블레이드에 대한 설계 및 생산이 이루어지고 있다. 이러한 복합재 블레이드는 비강성, 비강도를 확보하기 위해 주로 Pan 계 탄소섬유를 적용하고 있다. 이는 발전단가 경쟁력이 취약할 수 있다. 이러한 발전 단가를 확보하기 위해서 Pan 계 탄소섬유보다 비강성이 높고, 유리섬유보다 비강도가 높은 저렴한 Pitch 계 탄소섬유 블레이드 설계 기준이 필요하다. 본 논문에서는 군산대학교가 자체 개발한 고유익형을 기반으로 한 KA-2 20kW 급 Pitch 계 블레이드 구조 안전성 평가를 위해서 구조 해석 및 구조 시험을 수행하였다. 이를 위한 하중 산출은 IEC61400-2 규정의 단순하중산출기법(simplified load calculation method)을 사용하였다. 블레이드의 구조 설계를 위해 좌굴 해석, 정적 해석, 모달 해석을 수행하여 구조안전성을 평가하였다. 이의 해석 검증을 위해 구조 시험을 진행하였으며 최대 설계하중조건에 대해 블레이드의 안전성 확보와 파손 특성을 평가하였다 The efficiency of wind turbines is being maximized according to the recent expansion of renewable energy generation. for this purpose the design and production of composite blades, which are major components being conducted. These composite blades mainly apply Pan-based carbon fiber to secure Specific Stiffness and Specific strength. This can weaken the competitiveness of the unit price of power generation. In order to secure these power generation unit prices, it is necessary to have blade design standards for Pitch-based carbon fiber blade which is more Specific Stiffness than Pan-based carbon fiber and has a more Specific strength than glass fiber. In this paper, structural analysis and structural tests were conducted to evaluate the structural safety of the KA-2 20kW class Pitch blade based on the original airfoil developed by kunsan national university. For the load calculation used the simplified load calculation method specified in IEC61400-2. Buckling analysis, static analysis, and modal analysis were performed for the structural design of the blade to evaluate the structural stability. A structural test was conducted to verify its analysis, and the stability and Breakage characteristics of the blade regarding for the maximum design load case.
풍력발전기용 복합재 블레이드 접합부 결함에 대한 피로하중하의 균열진전 특성 평가
김학근(Hak-Geu Kim),장윤정(Yun-Jung Jang),강기원(Ki-Weon Kang) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.11
Damages in composite blades for wind turbines can exist internal damage such as debonding, cracking and delamination due to manufacturing process defects or external fatigue loads. Among these damage modes, debonding occurring at the spar-shear web joint and the TE (Trailing edge) joint is a damage mode that has a large effect on structural stability. Therefore, it is necessary to analyze the debonding mechanism of the spar-shear web joint and the TE joint of the composite blade. For this, in order to define crack propagation in modeling, the energy release rate based on the fracture toughness and fatigue crack propagation rate in the specimen unit for the complex interlaminar fracture toughness is required. In order to acquire the mechanical properties of this adhesive model, the interlaminar fracture toughness acquisition test was performed for Mode I (openning), Mode II (three point bending), and Mixed mode (mixed bending) to calculate the interlaminar fracture toughness. In addition, to analyze the crack propagation characteristics, the energy release rate based on the crack propagation rate was calculated through the fatigue crack propagation test for Mode I. Finally, in order to secure the reliability of the damage modeling technique, the test and analysis results were compared and analyzed.
Wind Turbine Blade Design using Design of Experiments
강기원(Kang, Ki-Weon),이승표(Lee, Seung-Pyo),장세명(Chang, Se-Myong),이장호(Lee, Jang-Ho) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.11
This paper describes the structural design of small wind turbine blade by using design of experiments. Blade structure consists of skin, spar and foam. The materials for skin and spar are a kind of Glass/Epoxy and form is polyurethane. It has 7 lay-ups with different ply angle. A factorial design is applied to design the ply angles considering manufacturing constraints and to investigate the safety factor which is calculated by structural analysis. In order to perform the structural analysis, the commercial software ABAQUS is used. Tsai-Wu failure criterion is chosen to compute safety factor. The determination of the significance of effects in the experiments is made through the analysis of variance. The results show that ply angle at skin affects the safety factor of wind turbine blade. And from this result, optimal ply angles of composite blade are achieved.
1.5kW급 풍력발전기용 블레이드의 구조해석 및 구조시험
김홍관,이장호,장세명,강기원 한국유체기계학회 2010 한국유체기계학회 논문집 Vol.13 No.4
This paper describes the structural design and testing for 1.5kW class wind turbine composite blade. In order to calculate the equivalent material properties rule-of-mixture is applied. Lay-up sequence, ply thickness and ply angle are designed to satisfy the requirements for structural integrity. Structural analysis by using commercial software ABAQUS is performed to assess the static, buckling and vibration response. And to verify the structural analysis and design, the full scale structural test in flapwise direction was performed under single point loading according to loading conditions calculated by the aerodynamic analysis and Case H (Parked wind loading) in IEC 61400-2.
5Kw급 수평축 풍력 터빈 로터블레이드의 공력 설게 및 성능예측
김문오(Kim, Mun-Oh),김범석(Kim, Bum-Suk),모장오(Mo, Jang-Ho),이영호(Lee, Young-Ho) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06
현재 전 세계적으로 가장 널리 개발하고 보급되어지고 있는 풍력산업의 시장 규모는 매년 확대되고 있다. 특히 소형 풍력발전 시스템은 낙도 등의 전력 공급이 어려운 지역에 경제성 있는 전력 보급을 가능하게 한다. 국내의 미전화 지역과 일반 가정에서 풍력 에너지 자원을 적극 활용 개발하기 위해서 보다 우수한 성능의 풍력발전기용 블레이드를 설계하고자, 공기역학적인 최적설계에 대해 연구함으로써 추후 보급형 풍력발전 시스템의 개발에 필요한 설계 기술을 확립하고자한다. 본 연구는 설계된 블레이드의 유동해석 및 성능예측을 위하여 경제적으로 많은 지원이 필요한 대규모 풍동실험이 아닌 상용 CFD를 사용하여 보다 효율적으로 우수한 성능을 가지는 풍력 터빈을 설계함에 있다. Reynolds Averaged Navier-Stokes 방정식에 기반을 둔 CFD의 경우 이론적으로 명확한 해석이 가능하고, 실제 터빈의 운전 환경과 동일한 다양한 물리적 변수를 입력 데이터로서 활용할 수 있는 장점이 있기 때문에 풍력 터빈의 설계 과정에서 반영된 미소한 블레이드 형상변화 및 운전 조건의 변화에 따른 유동장의 변화 및 풍력터빈 성능을 정확히 예측할 수 있는 장점을 가지고 있다.
풍력발전기용 복합재 블레이드 접합부 결함에 대한 피로하중하의 균열진전 특성 평가
김학근(Hak-Guen Kim),장윤정(Yun-Jung Jang),강기원(Ki-Weon Kang) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7
손상 및 파손들은 제조 공정의 결함 또는 외부 피로 하중으로 인해 디본딩, 크랙 및 층간분리와 같은 내부 손상이 존재할 수 있다. 이러한 손상 모드 중에서 스파-전단웹 접합부와 TE(Trailing edge) 접합부에서 발생하는 디본딩(Debonding)이 구조적 안정에 대한 영향이 큰 손상 모드이다. 그러므로 복합재 블레이드의 스파-전단웹 접합부와 TE 접합부의 디본딩 매커니즘에 대하여 분석이 필요하다. 이를 위해 모델링의 균열진전에 대해 정의를 위해서는 복합적인 층간파괴인성에 대한 시편단위에서의 파괴인성과 피로균열진전 속도에 기반한 에너지해방률이 요구된다. 이러한 접착제 모델의 기계적 특성 습득을 위하여 Mode Ⅰ(opening), Mode Ⅱ(three point bending), Mixed mode(mixed bending)에 대한 층간 파괴 인성 습득 시험을 진행하여 층간파괴인성을 산출하였다. 또한, 균열진전 특성을 분석하기 위해서 Mode Ⅰ에 대한 피로균열진전 시험을 통해 균열진전속도에 기반한 에너지해방률을 산출하였다. 마지막으로, 손상모델링 기법에 대한 신뢰성을 확보하기 위해서 시험과 해석 결과를 비교분석 하였다.