볼과 레이스웨이간 예압이 고려된 풍력발전기용 피치 베어링 구조해석 기법에 관한 연구 = Structural Analysis of Pitch Bearing for Wind Power Generators Considering Preload

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 풍력발전기 피치 베어링 수명 예측을 위해 필요한 최대 Hertz 접촉 응력을 계산하기 위한 유한요소해석 기법을 제안한다. 대형 베어링을 유한요소법으로 해석하는 경우 많은 회전요소, 접촉점 그리고 거대한 모델 크기로 인해 많은 시간과 많은 컴퓨터 용량이 필요하여 이를 해결하고자 Cut-Boundary Constraints를 이용한 Sub-model 기법을 이용하였다. 스프링 요소를 이용한 모델과 볼 요소를 이용한 모델의 비교를 통해 스프링 모델의 한계를 설명하였으며, 풍력발전기용 피치 베어링의 예압을 고려하기 위해 볼과 레이스웨이의 접촉점 사이에 예압 조건을 적용하였다. 예압의 유무에 따른 최대 Hertz 접촉응력의 차이를 확인하기 위해 볼 모델을 4점 접촉 모델과 예압이 고려된 모델로 나누어 구조해석을 수행하였으며 예압에 의한 차이를 확인하였다. Sub-model 기법과 예압 조건의 타당성 검증을 위해 8MW급 피치 베어링 모델에 대한 유한요소해석과 NREL:DG03 이론에 따른 계산식을 통해 최대 Hertz 접촉 응력을 계산하여 안정성 평가를 수행하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study proposes a finite element analysis technique to calculate the maximum Hertz contact stress required for predicting wind turbine pitch bearing life. In the case of analyzing a large bearing by the finite element method, a lot of time and computer capacity are required due to many rotating elements, contact points, and a huge model size. The limitations of the spring model were explained through a comparison between spring model and ball model finite element analysis, and a preload condition was applied between the ball and raceway contact points to consider the shrink fitting of pitch bearings for wind turbines. In order to confirm the difference in maximum Hertz contact stress according to the presence or absence of preload, structural analysis was performed by dividing the ball model into a 4-point contact model and a model considering preload, and the difference by shrink fitting was confirmed. To verify the compatibility of the sub-model technique and the preload condition, stability evaluation was performed by calculating the maximum Hertz contact stress through finite element analysis of the 8MW-class pitch bearing model and the calculation formula according to the NREL:DG03 theory.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 1. 서론
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 연구 내용 5
• 1.3. 논문 구성 6
• 2. Cut Boundary Constraints를 이용한 Sub-model 기법 베어링 해석 7
• 2.1. Full model 유한요소해석 7
• 2.1.1. 스프링 요소 기법 11
• 2.1.2. 볼 모델 기법 14
• 2.1.3. Full model 유한요소해석 15
• 2.2. Sub-model 유한요소해석 19
• 2.2.1. Cut Boundary Constraint를 이용한 Sub-model 기법 21
• 2.2.2. Sub-Model 유한요소해석 22
• 2.3. 유한요소해석 결과 비교 22
• 3. 8MW급 풍력발전기 Pitch 베어링 구조해석 28
• 3.1. NREL:DG03에 따른 수치해석 29
• 3.1.1. 최대 Hertz 접촉 응력계산 29
• 3.2. 유한요소법을 이용한 구조해석 33
• 3.2.1. Full Model 유한요소해석 33
• 3.2.2. Sub-Model 유한요소해석 38
• 3.3. 수치해석과 구조해석 결과 비교 및 안정성 평가 44
• 4. 결론 45
• 참고문헌 47
• Abstract 49
• 감사의 글 50