측정시스템을 이용한 풍력 터빈 프레임 구조물의 해석 하중 도출 및 적용 = Load deduction and application of finite element analysis for wind turbine frame structure using measurement system

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1970년대 초 발생한 오일쇼크 이후 풍력터빈의 설계 기술은 비약적으로 발전하였다. 오일가격의 상승에 자극되어진 많은 나라들은 그 경제적인 이유를 들어 대형 풍력 터빈의 개발에 도전하였다. 최근 10년 동안 이와 같은 대형 풍력 터빈의 주요 이슈로 떠오른 것은 대형화에 따른 무게 증가와 관련하여 얼마나 신뢰성을 확보 할 수 있는가이다. 이러한 문제 해결을 위해 선진사 및 많은 기관들에 의해 수 많은 노력들이 기울여져 왔으나 대부분의 연구는 블레이드나 기어박스, 또는 터빈 컨트롤에 대한 이론적 접근들이 대다수를 이루었다. 특히 메인 프레임 같은 구조물의 경우 그 신뢰성에 대해 아무리 강조해도 지나침이 없음에도 불구하고 단지 FEM 결과에 의존하고 있는 형국이다. 이는 구조물에 대한 별다른 검증 절차가 존재하지 않으며 또한 실질적인 테스트가 힘들기 때문이다. 결국 프레임 구조물은 보수적인 설계가 이루어 질 수 밖에 없으며 이는 설계의 최적화에 걸림돌이 되고 있다. 본 연구는 하중 분포 및 터빈의 거동 등의 실제 측정 데이터를 활용하여, 현업에서 사용되고 있는 몇 가지 FEM해석 방법을 응용, 비교하여 실제와 근접한 결과를 얻고자 하였다. 이를 위해 FEM 해석에 대한 실질 적인 입력 하중을 얻고자 다양한 측정이 이루어 졌으며 스트레인과 변위가 주요한 인자로 선택되었다. 실질적인 구조물 평가를 위한 절차로 첫째, 측정 데이터로 부터 시뮬레이션 하중을 위한 파라미터들을 선정되었다. 메인프레임의 해석에 필요한 입력하중이 블레이드 및 메인 샤프트, 타워의 데이터로 부터 취해졌으며 또한 난류강도 윈드쉬어 등의 외부 환경 조건과 블레이드 불평형 등의 인자들 역시 고려되었다. 둘째, 측정 데이터를 통해 도출된 설계 하중으로 FEA가 수행되었다. FEA는 메인 샤프트 및 베어링에 대한 경계조건 변경을 통해 수행되었으며 그 결과는 구조물의 각 핫스팟에서 측정된 스트레인과 비교되었다. 최종적으로 경계조건에 따라 구조물이 보수적으로 설계될 수 있음을 확인하였고, 결과적으로 응력의 흐름과 각 요소의 조건을 고려한 해석 조건이 실질적인 터빈의 거동에 가까운 결과를 가짐을 확인하였다.
Advisors
이순복researcherLee, Soon-Bok
Description
한국과학기술원 : 기계공학전공,
Publisher
한국과학기술원
Issue Date
2013
Identifier
514820/325007  / 020113010
Language
kor
Description

학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공, 2013.2, [ x, 85 p. ]

Keywords

풍력터빈; 구조물; 메인 프레임; 하중 측정 시스템; Wind turbine; Structure; Main frame; Load measurement system; FEA; 유한 요소 해석

URI
http://hdl.handle.net/10203/181782
Link
http://library.kaist.ac.kr/search/detail/view.do?bibCtrlNo=514820&flag=dissertation
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ME-Theses_Master(석사논문)
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