6MW급 풍력발전기용 고속축 커플링 복합소재의 설계 및 안정성 향상에 대한 연구 융합공학과(기계공학) : 6MW급 풍력발전기용 고속축커플링 복합소재의 설계및안정성 향상에 대한 연구 = Development and Stability Enhansement of Composite Materials for High-Speed Shaft couplings in 6MW Wind Turbines

국문 초록 (Abstract)

6MW급 풍력발전기의 고속축 커플링 설계는 발전기의 장기적 운용에필수적인 안정성과 내구성을 요구하는 분야로, 고하중과 반복적인 회전 응력에 견디며 장기적인 피로 수명을 유지해야 한다. 본 연구는 기존 커플링구조에서 나타나는 공극 형성으로 인한 디본딩 현상으로 인해 기존에 수행된 커플링 구조를 바탕으로 설계 보완 및 핀 삽입에 대한 검증을 수행하였다. 특히 핀 삽입과 스페이서 보완을 통해 고속축 커플링의 구조적 안정성을 강화하고 피로 저항 능력을 향상시키는 방법을 탐구하였으며, 이 과정에서 다양한 마찰계수를 적용하여 성능 변화를 분석하였다.
기존 연구에서는 커플링의 스페이서 복합소재에 본딩으로 결합시켜 구조적 안전성을 확보하는 방법이 제한적으로 제시되었으나, 본 연구에서는 복합소재를 보완하고, 최적화된 핀의 위치를 비롯하여 새로운 설계 방안을 제시하였다. 연구 방법으로는 ANSYS24 R1 해석을 통해 커플링에 가해지는하중 조건에서의 응력 분포와 피로 수명을 정량적으로 평가하였으며, 다양한 시뮬레이션 조건 하에서 핀 보강이 구조적 안전성에 미치는 영향을 측정하였다. 특히 Augmented Lagrange 기법 등을 통해 해석의 정확도를 높이는 동시에, Nonlinear 옵션을 적용하여 실제 접촉 상황을 보다 정확하게반영하였다. 이를 통해 기존의 단순 해석에서 확인하기 어려운 세밀한 응력변화를 포착할 수 있었다.
분석 결과, 복합소재 스페이서에 핀을 적용했을 때 피로 수명이 기존 커플링 스페이서 대비 문제가 없었으며, 응력 집중이 분산되는 효과가 나타났다. 또한, 핀을 설계 방안대로 배치하였을 때 여러 마찰계수에 따라 응력분포와 Tsai-Wu계수, 피로 수명이 적절함을 확인하였다. 이러한 결과는 복합소재 핀의 적용이 풍력발전기 커플링의 내구성 향상에 크게 기여할 수있음을 시사한다. 고속 회전 시에도 안정성을 유지할 수 있는 복합소재 핀설계는 기존 금속 커플링 대비 구조적 안전성과 새로운 기법을 동시에 확보할 수 있는 대안으로, 대형 풍력발전기 시스템의 운용에 있어 필수적인설계 개선 요소로 활용될 가능성이 크다.
본 연구는 커플링 설계의 개선 방향을 제시하며, 이를 통해 장기적 내구성을 확보하고 풍력발전기의 효율적 운용에 기여할 수 있는 기초 자료를 제공하고자 한다. 다만, 본 연구에서 수행된 시뮬레이션 결과는 실제 운용 환경의 다양한 변수에 대한 완벽한 반영에는 한계가 있으며, 향후 실험적 검증을 통한 추가적인 최적화 연구가 필요하다. 이를 통해 풍력발전기 커플링설계가 보다 실질적인 효용성을 가지도록 발전시킬 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 내용 4
• 3. 논문 구성 6
• II. 고속축 커플링 복합소재의 유한요소해석 7
• 1. 복합소재 ACP 개요 7
• 가. 직교이방성 복합소재 8
• 나. ACP 모델링과 적용방법 9
• 2. 고속축 커플링 간략화 모델의 유한요소해석 11
• 가. 간략화 모델 유한요소해석 조건 11
• 나. 간략화 모델 유한요소해석 결과 17
• III. 고속축 커플링 피로해석 25
• 1. 피로해석 개요 및 결과 25
• IV. 파라미터 비교 및 분석 30
• 1. Pin 유무에 따른 해석 비교 30
• 2. 본딩량 조정에 따른 성능 분석 37
• 3. 마찰계수 변화에 따른 비교 분석 39
• 결론 43
• 참고문헌 45
• Abstract 47
• 감사의 글 50