풍력발전기용 메인 베어링의 유한요소해석 기법에 관한 연구 = A Study on Finite Element Analysis Techniques for Wind Turbine Main Bearings

국문 초록 (Abstract)

풍력발전기(Wind turbine)용 메인 베어링은 로터(Rotor)에 작용하는 축 방향 하중, 반경 방향 하중, 전도 모멘트, 중력 등 복합 하중의 영향을 받는 핵심 부품이다. 최근 풍력발전기의 용량 증가로 인해 메인 베어링에 작용하는 하중과 변형이 함께 증가하고 있으며, 이에 따라 접촉 응력 및 피로 수명 예측의 중요성이 더욱 커지고 있다. 그러나 국내에서는 풍력발전기용 메인 베어링의 설계 및 해석 기술이 제한적이며, 국외 베어링 공급사에 대한 의존도가 높은 실정이다. 메인 베어링 해석은 다물체 동역학 시뮬레이션(MBS, Multi body simulation)을 중심으로 수행되는 경우가 많으나, 국부 접촉 응력 평가 측면에서는 한계가 존재한다.
본 연구에서는 풍력발전기용 테이퍼 롤러 베어링(TRB, Tapered roller bearing)을 대상으로 유한요소해석(FEA, Finite element analysis) 기반의 해석 기법을 제안하였다. 계산 효율 향상을 위해 구름 요소를 헤르츠 접촉(Hertz contact) 이론 기반의 비선형 스프링 요소(Spring element)로 치환하였으며[10], ISO/TS 16281 및 선행연구에서 제시된 스프링 강성 산정식을 적용하여 모델의 신뢰성을 확보하였다[15][16]. 또한 크라우닝(Crowning)이 적용된 구름 요소의 형상을 고려하여 스프링 강성을 보정함으로써 실제 운전 조건을 보다 정밀하게 반영하였다. 스프링 요소가 적용된 전체 모델 해석을 통해 베어링의 변형 및 하중 분포를 산정하고, 최대 하중 발생 구간을 서브 모델로 분리한 뒤 Cut boundary constraint를 적용하여 국부 접촉 응력 및 접촉 압력을 정밀하게 분석하였다.
해석 결과, 유한요소해석 기반 하중 분포 및 접촉 응력 결과는 베어링 공급사에서 제공한 다물체 동역학 시뮬레이션 결과와 유사한 경향을 보였으며, 최대 하중 발생 위치 및 접촉 압력의 유사성을 확인하였다. 이를 통해 본 연구에서 제안한 유한요소해석 기반 해석 기법은 다물체 동역학 시뮬레이션을 사용하지 않고도 메인 베어링의 하중 분포와 국부 접촉 응력을 예측하는 데 활용 가능함을 확인하였다. 본 연구 결과는 향후 메인 베어링의 설계 검증, 성능 평가 및 국산화 기술 개발을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 내용 4
• 3. 논문 구성 7
• II. TRB 유한요소해석 9
• 1. 스프링 강성의 계산 9
• 2. 크라우닝 롤러의 스프링 요소 처리 13
• 3. 전체 모델 유한요소해석17
• 가. 분할 모델 예압해석18
• 나. 전체 모델 예압해석20
• 다. 서브 모델 예압해석23
• 4. 메인 베어링 구조해석 26
• 가. 전체 모델 setting27
• 나. 전체 모델 유한요소해석 결과33
• 다. 서브 모델 유한요소해석 36
• 라. 서브 모델 유한요소해석 결과39
• III. 유한요소해석과 MBS 결과 비교 45
• 1. 유한요소해석 하중 분포와 MBS 하중 분포 결과 비교 45
• 2. 유한요소해석 Contact Pressure와 MBS 결과 비교47
• 3. 유한요소해석 Pressure와 MBS pressure 결과 비교 49
• IV. 결론51
• 참고문헌 52
• Abstract 55
• 감사의 글57