KR102099614B1 - 풍력발전기용 복합재 블레이드의 피로 수명 예측 방법 및 장치 - Google Patents

풍력발전기용 복합재 블레이드의 피로 수명 예측 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 실제 운전 환경에서 단순하중 뿐 아니라 복합하중의 영향까지도 고려하여 보다 정확한 피로수명 평가가 가능하도록 하는 풍력발전기용 복합재 블레이드의 피로 수명 예측 방법 및 장치에 관한 것으로, 이는 풍속별 풍속-시간 이력을 분석 대상 기간에 대해 생성 및 저장하는 단계; 외부 환경 인자와 풍력 발전기의 설계 특성 및 운전 전략 모두를 고려하는 통합하중해석을 통해 블레이드의 극한하중 및 방향별 하중을 획득하는 단계; 상기 극한하중을 적용한 유한요소 해석을 수행하여 상기 블레이드의 피로취약지점을 확인하고, 방향별 하중이 동시 적용될 때의 피로취약지점에서의 응력을 획득하는 단계; 상기 풍속-시간 이력과 상기 피로취약지점에서의 응력을 기반으로 복합 하중 조건에 따른 피로 응력 스펙트럼을 산출하는 단계; 및 상기 피로 응력 스펙트럼으로부터 피로 손상량을 산출하고, 상기 피로 손상량을 상기 블레이드의 피로 수명으로 환산 및 출력하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

풍력발전기용 복합재 블레이드의 피로 수명 예측 방법 및 장치{Method and apparatus for fatigue life evaluation of wind turbine composite blade}
본 발명은 풍력발전기용 복합재 블레이드의 피로 수명 예측 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 실제 운전 환경에서 단순하중 뿐 아니라 복합하중의 영향까지도 고려하여 보다 정확한 피로수명 평가가 가능하도록 하는 풍력발전기용 복합재 블레이드의 피로 수명 예측 방법 및 장치에 관한 것이다.
피로(fatigue)는, 재료가 주기적인 하중(cyclic loading)을 받을 때 발생하는 점진적이고 국부적인 구조적인 손상(progressive and localized structural damage)이다. 통상적으로, 응력(stress)이 낮고 변형(deformation)이 주로 탄성적인 경우의 고장에 대해 104 초과의 주기(cycle)들을 요구하는 상황들(고주기 피로 상황(highcycle fatigue situation)들로 알려짐)에 대부분의 주의가 집중되었다.
이러한 상황들에서, 재료 성능은 보통, S-N 곡선을 특징으로 하는데, S-N 곡선은, 고장에 대한 주기들(N)의 대수 계산자(logarithmic scale)에 대한 주기적 응력(S)의 크기를 그래프화(graph)한다. S-N 곡선들은, 고장에 대한 주기들의 수를 또한 카운트(count)하는 테스팅 머신(testing machine)에 의해 규칙적인 사인곡선 응력(regular sinusoidal stress)이 적용되는 경우를 특징으로 하는, 재료의 샘플들에 대한 테스트(test)들로부터 도출된다.
터빈 블레이드들은 터빈들의 핵심적인 컴포넌트(component)들이다. 하나의 블레이드의 고장이 다른 블레이드들을 손상시킬 수 있고, 전체 시스템의 작동불능시간(downtime)을 야기할 수 있다는 사실로 인해, 블레이드 고장은 고비용일 수 있고 그러므로, 블레이드 내구성(blade durability)을 개선하는 것은 터빈 시스템(turbine system)의 수명-주기 비용을 감소시키는 것을 도울 수 있다. 터빈 블레이드의 피로 수명은 내구성을 평가하기 위한 중요한 퀀터티(quantity)이다. 터빈 블레이드 피로 수명 분석에서, 응력 및 변형 필드(stress and strain field)들의 정확하고 신뢰적인 추정은, 주기들의 함수로서 크랙 길이 성장(crack length growth)을 특징으로 하는 S-N 곡선- 또는 da/dN-기반 방법들을 이용한 피로 수명 예측을 위해 중요하다. 터빈의 설계 단계 및 동작 단계 모두는, 터빈 블레이드들의 피로 수명의 평가들을 요구한다. 설계 단계에서, 모델 응력 결과(model stresses result)들에 기초하여, 핫 스팟(hot spot)들, 즉, 높은 응력들을 겪는 위치들을 로케이팅(locate)하기 위해, 상이한 동작 컨디션(operating condition)들 하에서 수치 실험(numerical experiment)들을 수행하기 위해, 유한 엘리먼트 모델(finite element model)들이 이용된다. 동작 단계에서, 그러한 핫 스팟들에 대한 응력 필드들을 간접적으로 평가하기 위해 접촉 또는 비-접촉 센서(contact or noncontact sensor)들을 이용하여 측정들이 이루어진다.
한편, 해상풍력발전기의 외부 환경조건 및 설계인자 등에 의하여 블레이드에 작용하는 하중에는 공력하중(aerodynamic force), 관성력(intertia force) 및 중력(gravity) 등의 매우 다양한 종류가 있으며, 이러한 하중은 익형 단면을 기준으로 방향에 따라 플랩방향, 에지방향 및 스팬방향 하중으로 분류될 수 있다.
또한 블레이드의 각 축에 작용하는 하중 및 모멘트 요소는 플랩방향 전단력, 에지방향 전단력, 스팬방향 인장력, 플랩방향 모멘트, 에지방향 모멘트 및 스팬방향 모멘트의 총 6가지로 구성되며, 블레이드 하중 획득 및 수명 평가 시에는 이를 기준으로 계산하여야 한다.
그러나 종래의 기술에서는 방향별 하중이 동시 인가되는 복합하중을 전혀 고려하지 못하는 한계가 있었다.
국내공개특허 제10-2015-0060930호(공개일자 : 2015.06.03.)
이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 실제 운전 환경에서 단순하중 뿐 아니라 복합하중의 영향까지도 고려하여 보다 정확한 피로수명 평가가 가능하도록 하는 풍력발전기용 복합재 블레이드의 피로 수명 예측 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 풍속별 풍속-시간 이력을 분석 대상 기간에 대해 생성 및 저장하는 단계; 외부 환경 인자와 풍력 발전기의 설계 특성 및 운전 전략 모두를 고려하는 통합하중해석을 통해 블레이드의 극한하중 및 방향별 하중을 획득하는 단계; 상기 극한하중을 적용한 유한요소 해석을 수행하여 상기 블레이드의 피로취약지점을 확인하고, 방향별 하중이 동시 적용될 때의 피로취약지점에서의 응력을 획득하는 단계; 상기 풍속-시간 이력과 상기 피로취약지점에서의 응력을 기반으로 복합 하중 조건에 따른 피로 응력 스펙트럼을 산출하는 단계; 및 상기 피로 응력 스펙트럼으로부터 피로 손상량을 산출하고, 상기 피로 손상량을 상기 블레이드의 피로 수명으로 환산 및 출력하는 단계를 포함하는 풍력발전기용 복합재 블레이드의 피로 수명 예측 방법을 제공한다.
상기 풍속-시간 이력은 난류 특성을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 블레이드의 하중 조건은 상기 블레이드의 하중 방향은 플랩방향(Flapwise), 엣지방향(edgewise), 스팬 방향(Spanwise)으로 정의되며, 상기 블레이드의 극한 하중은 플랩방향(Flapwise), 엣지방향(edgewise), 스팬 방향(Spanwise)에서 받는 힘(force) 및 모멘트(moment)의 최대값(maximum) 및 최소값(minimum)인 것을 특징으로 한다.
상기 피로 손상량을 산출하는 단계는 상기 피로 응력 스펙트럼을 정량화하고 0의 평균응력을 가지는 데이터로 변환하는 단계; 상기 피로 응력 스펙트럼와 상기 피로취약지점에 적용된 복합 재료의 S-N 곡선을 마이너 법칙에 적용하여 평균 풍속별 단위 피로손상을 산출하는 단계; 및 상기 평균 풍속별 단위 피로손상을 기반으로 상기 분석 대상 기간에 대한 피로 손상량을 산출하고, 상기 피로 손상량의 역수인 피로수명을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 피로 손상량을 산출하는 단계는 분석 대상 기간 동안 상기 블레이드가 평균 풍속별로 노출되는 빈도를 카운팅한 후, 상기 평균 풍속별 노출 빈도에 따라 상기 평균 풍속별 단위 피로손상을 누적 및 합산하여 분석 대상 기간에 대한 피로 손상량을 산출하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 풍속별 풍속-시간 이력을 분석 대상 기간에 대해 생성 및 저장하는 풍속 분석부; 외부 환경 인자와 풍력 발전기의 설계 특성 및 운전 전략 모두를 고려하는 통합하중해석을 통해 블레이드의 극한하중 및 방향별 하중을 획득하는 통합하중해석부; 상기 극한하중을 적용한 유한요소 해석을 수행하여 상기 블레이드의 피로취약지점을 확인하고, 방향별 하중이 동시 적용될 때의 피로취약지점에서의 응력을 획득하는 유한요소 해석부; 상기 풍속-시간 이력과 상기 피로취약지점에서의 응력을 기반으로 복합 하중 조건에 따른 피로 응력 스펙트럼을 산출하는 피로 응력 스펙트럼 산출부; 및 상기 피로 응력 스펙트럼으로부터 복합 하중 조건에 따른 피로 손상량을 산출하고, 상기 피로 손상량을 상기 블레이드의 피로 수명으로 환산 및 출력하는 피로수명 산출부를 포함하는 풍력발전기용 복합재 블레이드의 피로 수명 예측 장치를 제공한다.
본 발명은 실제 운전 환경에서 단순하중 뿐 아니라 복합하중의 영향까지도 고려하여, 블레이드 피로 수명을 평가할 수 있도록 함으로써, 그 정확도가 획기적으로 향상될 수 있도록 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 복합재 블레이드의 피로 균열 발생 수명 예측 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시에에 따른 풍속-시간 이력의 일례를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방향별 하중의 힘과 모멘트를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 일정 풍속하에서의 하중 분석 결과를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 방향별 하중을 블레이드 길이에 대하여 정리한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단순하중조건과 복합하중 조건에 따른 힘과 응력의 상관관계를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 복합재 블레이드의 피로 수명 예측 장치를 도시한 도면이다.
본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 복합재 블레이드의 피로 균열 발생 수명 예측 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 1을 참고하면, 본 발명의 방법은 크게 블레이드의 3차원 유한요소 모델을 생성하는 블레이드 유한요소 모델 생성 단계(S10), 풍속별 풍속-시간 이력을 분석 대상 기간에 대해 생성 및 저장하는 풍속 데이터 획득 단계(S20), 외부 환경 인자와 풍력 발전기의 설계 특성 및 운전 전략 모두를 고려하는 통합하중해석을 통해 블레이드의 극한하중 및 방향별 하중을 획득하는 통합 하중 해석 단계(S30), 상기 극한하중을 적용한 유한요소 해석을 수행하여 상기 블레이드의 피로취약지점을 확인하고, 방향별 하중이 동시 적용될 때의 피로취약지점에서의 응력을 획득하는 구조 해석 단계(S40), 피로취약지점에 적용된 복합 재료의 정적 및 피로 특성을 파악하는 재료 물성 평가 단계(S50), 상기 풍속-시간 이력과 상기 피로취약지점에서의 응력을 기반으로 복합 하중 조건에 따른 피로 응력 스펙트럼을 산출하는 피로 응력 스펙트럼 산출 단계(S60), 상기 피로 응력 스펙트럼으로부터 피로 손상량을 산출하고, 상기 피로 손상량을 상기 블레이드의 피로 수명으로 환산 및 출력하는 피로 수명 평가 단계(S70) 등을 포함할 수 있다.
이하, 각 단계의 동작 방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
블레이드 유한요소 모델 생성 단계(S10)
블레이드 설계도에 기재되어 있는 익형(airfoil), 재료(material) 및 적층(layup) 정보 등을 기반으로 블레이드의 3차원 형상, 즉 3차원 유한요소 모델을 생성한다. 이러한 블레이드 유한요소 모델은 절점(node)과 요소(element)로 정의되며, 경계조건(Boundary condition)은 루트(Loot) 부분의 X, Y, Z 방향 및 Y, Z 회전방향(Rotation direction)의 자유도를 구속할 수 있다.
풍속 데이터 획득 단계(S20)
기계구조물의 피로파괴는 시간에 따라 크기와 방향이 변화하는 하중이 반복적으로 작용함에 따라 그 내부에 손상이 발생하고, 이 손상이 누적되어 기계구조물을 구성하는 재료의 저항성보다 커질 경우 파괴가 발생하는 현상이다.
따라서 피로파괴의 원인을 분석하고 피로수명(즉, 파괴가 발생하는 시점)을 평가하기 위해서는, 시간에 따라 크기와 방향이 변화하는 하중인 하중-시간 이력(load-time history)의 확보가 필수 불가결하다.
이러한 하중-시간 이력(load-time history)을 산출하기 위해서는 풍속-시간 이력(wind speed-time history)이 필요한데, 이는 풍력발전기 블레이드에 적용되는 하중의 원천은 대부분 바람에 의한 것이기 때문이다.
이에 본 발명은 카이말 터불런스 모델(Kainal turbulence model) 및 IEC 61400-3의 난류 강도식을 활용하여, 도 3와 같이 4 ~ 24m/s의 풍속 범위에서 난류 강도가 적용된 각 풍속에서의 10분 길이의 1Hz 풍속-시간 이력을 생성한다.
이때, 풍속-시간 이력(wind speed-time history)의 시간 길이가 10분인 것은 풍력발전기 등의 설계에 가장 핵심적인 외부 환경인자인 풍속의 경우, 대규모 및 소규모의 기상 변화 영향을 상대적으로 적게 받는 바람장(wind field)이 통계학적 고정 상태(statistically stationary state)에 해당하며, 또한 이의 획득 및 하중 평가 시 소요되는 시간을 최소화하기 위한 시간 간격(time period)이 해상풍력발전기의 경우 보통 10분이기 때문이다.
한편, 풍력발전기는 운영기간동안 매우 넓은 범위의 속도를 갖는 바람에 노출되며, 이의 영향에 따라 블레이드에 작용하는 하중 특성이 달라진다. 이에 본 발명에서는 각 평균 풍속에 따른 년간 발생 시간을 적용하여, 분석 대상 기간 동안의 각 풍속별 노출 빈도(exposure frequency)를 산출하도록 한다. 즉, 분석 대상 기간(예를 들어, 1년, 2년)에 대응하는 기상 정보를 기반으로 분석 대상 기간 동안의 평균속도 j1의 노출 빈도와, 평균속도 j2의 노출 빈도를 각각 획득 및 저장하도록 한다.
통합 하중 해석 단계(S30)
풍력발전기는 변화 정도가 극심한 환경조건하에서 20년 이상의 설계수명을 확보하도록 요구되며, 또한 바람 등의 외부 인자와 발전기 구성 요소의 설계 인자 및 운전 전략 등의 영향을 동시에 받으므로 풍력발전기 주요 부분에 작용하는 하중은 매우 복합적인 형태로 존재한다. 따라서 풍력발전의 하중 계측 및 예측은 설계의 적절성과 안전성 판단을 위해 중요한 사항이지만, 실제로 운영 중인 풍력발전기의 하중을 정확하게 평가하는 것은 거의 불가능하다.
해상풍력발전기에 대한 국제적 설계 규격인 IEC 61400-3에서는 시동(start), 발전(power production), 발전 중 고장발생(power production plus occurrence of fault), 정상정지(normal stop), 비상정지(emergency stop), 아이들링(idling), 주차(parked) 및 수리(repair) 등의 운전조건과 풍력발전기의 수명 동안 경험하게 될 다양한 외부조건(external conditions)의 조합으로 설계 타당성 및 이의 성능을 평가한다.
특히, 풍력발전기의 설계 사항을 기본으로 하여 운전 조건, 풍황 및 파랑조건에 따라 고려되어야 할 각종 하중 조건에 대한 요구 사항을 Design Load Case(DLC)로 규정하고 있으며, 이를 기준으로 하여 풍력발전기의 출력성능과 더불어 다양한 하중(various loads) 획득을 위한 통합하중해석 절차가 규정된다.
이에 본 발명은 IEC 61400-3에 규정되어 있는 해석 조건 및 절차에 기반하여(즉, 외부 환경 인자와 풍력 발전기의 설계 특성 및 운전 전략 모두를 동시 고려하여) 통합하중해석을 수행하고, 이를 통해 블레이드의 극한 하중과 블레이드 방향별 하중을 파악하도록 한다.
본 발명의 통합하중해석 결과는 사전 정의된 블레이드의 경계조건에 따라 블레이드 루트(root) 부분에 작용하는 하중 조건으로, X, Y, Z 축 방향에서 받는 힘(force) 및 모멘트(moment)의 최대값(maximum) 및 최소값(minimum)으로 정의된다.
이때, X축, Y축, Z축 하중은 도 4에 도시된 바와 같이 블레이드의 시위선(chord line)을 기준으로 플랩방향(Flapwise), 엣지방향(edgewise), 스팬 방향(Spanwise) 하중이라고 지칭될 수 있으며, X 축 모멘트는 플랩방향(Flapwise) 하중에 의하여 생성된 모멘트(Edgewise moment), Y축 모멘트는 엣지방향(edgewise) 하중에 의하여 생성된 모멘트(Flapwise moment), Z축 모멘트는 공력 중심과 피치축의 편차에 의하여 생성된 스팬 모멘트로 지칭될 수 있다.
이와 같은 블레이드 하중은 해상풍력발전기의 운전조건 및 환경조건의 조합에 따라 해상풍력발전기의 운영 중 발생할 수 있는 하중을 나타낸 것으로서, 단위 풍속-시간 이력(unit wind-time history)을 이용하여 산출한 것이다.
구조 해석 단계(S40)
단계 S41에서는, 통합하중해석을 통해 파악된 극한 하중을 블레이드의 유한요소 모델에 적용하여 유한요소 해석을 수행함으로써, 블레이드의 피로취약 지점(fatigue critical locations, FCLs)을 확인하도록 한다. 이때, 피로취약 지점은 극한하중 또는 피로하중이 가해질 경우, 최대응력이 발생하는 지점이다.
다만, 이때의 극한 하중은 블레이드의 수직하중이므로, 통합하중해석 시 스팬각의 수직방향으로 산출된 하중을 좌표 변환하도록 한다. 따라서 각 하중 조건(load case) 별로 해석을 수행하여 최대 응력 값을 파악하고, 이를 기준으로 각 재료별로 최대 응력이 발생하는 지점을 확인한다.
그리고 단계 S42에서는 통합하중해석을 통해 파악된 블레이드 방향별 하중을 블레이드의 유한요소 모델에 적용하여 유한 요소 해석을 수행함으로써, 하중 방향별 FCLs에서의 응력을 획득하도록 한다.
참고로, 피로 응력 스펙트럼(fatigue stress spectrum)은 특정 FCL에 작용하는 응력-시간 이력(stress-time history)을 의미한다. 이러한 피로 응력 스펙트럼(fatigue stress spectrum)은 가장 지배적인 환경인자인 풍속-시간 이력(wind-time history)에 의해 발생한 하중-시간 이력(load-time history)와 FCLs에서의 응력 텐서-하중(stress tensor-load) 관계를 결합하여 획득하게 된다.
이에 피로 응력 스펙트럼(fatigue stress spectrum)을 구하기 위해서는 일정 풍속(steady wind)이 해상풍력발전기에 인가될 때의 블레이드의 방향별 하중을 먼저 구해야 한다. 이러한 일정 풍속(steady wind) 상황에서 구한 블레이드 하중은 추후 응력 텐서(stress tensor)를 구한 유한요소 해석의 하중 조건이 된다.
도 5는 이러한 목적 하에 수행된 일정 풍속하에서의 하중 분석 결과를 블레이드 각 방향별 하중으로 정리하여 나타낸 것이다. 여기서 하중해석 조건은 일정 풍속(steady wind)가 사용되었다는 것 이외에 다른 조건은 위에서 설명한 조건과 모두 동일하다.
도 5를 참고하면, 플랩방향(Flapwise) 하중은 풍속에 따라 증가하여 정격속도와 근접한 12m/sec에서 최대값을 가지며 이후 점차 감소함을 할 수 있다. 이는 정격 풍속보다 높은 속도의 바람이 불 경우, 피치 제어(pitch control)가 가동되어 블레이드에 의한 추력(thrust) 즉, 플랩방향(Flapwise)하중을 감소시키기 때문으로 판단된다.
이에 비하여 엣지방향(edgewise) 하중은 전반적으로 큰 하중이 발생하지 않으나, 하중이 꾸준히 증가하다가 16m/sec이후로 감소함을 확인하였다. 특히, 16m/sec에서 하중의 증가폭이 감소하고 25m/sec의 컷-아웃 풍속(cut-out wind speed)이후로 타 하중에 비하여 변화폭이 커짐을 알 수 있다. 이러한 거동은 풍속 크기의 직접적인 영향보다는 풍속에 따른 풍력발전기 제어 전략과 관련이 있는 것으로 판단된다. 즉, 정격 풍속 및 컷-아웃 풍속(cut-out wind speed) 조건에 따라 토크 제어(torque control)과 피치 제어(pitch control)로 제어 전략이 변경됨에 따라 블레이드가 바람을 받는 위치가 변동되고, 그 결과 엣지방향(edgewise) 의 하중 발생 경향성이 달라지는 것으로 판단된다.
블레이드의 회전 관성 하중인 스팬 방향(Spanwise) 하중의 경우에는 정격속도 이전에는 풍속에 따라 하중이 증가하다가 정격 풍속이후에는 거의 일정한 값을 가짐을 알 수 있다. 이 역시 정격풍속까지는 블레이드의 rpm이 지속적으로 증가하다가 정격 풍속이후에는 블레이드의 rpm이 거의 일정하게 유지되는 풍력발전기의 제어 전략과 관련이 있는 것으로 판단된다. 이와 같이 블레이드의 하중은 방향별 그 특성이 존재하며 이러한 특성은 풍속과 이에 따른 풍력발전기 제어 전력과 관련이 있는 것으로 판단된다.
도 6은 이러한 블레이드 방향별 하중을 블레이드 길이에 대하여 정리하여 나타낸 것으로, 도 6에서 각 블레이드 방향별 하중은 그 특성이 모두 상이하며 이로 인한 블레이드 내부의 응력 분포 역시 상이하다. 이로부터 블레이드 내부의 응력분포, 나아가 이의 피로수명을 정확히 평가하기 위해서는 블레이드 방향별 하중의 상호작용을 고려하는 것이 더욱 바람직함을 알 수 있다.
반면에 장기 내구성 평가를 위해서는 실제 운영 중인 블레이드의 변동 하중에 따른 하중-시간 이력(load-time history)가 필요하나, 상기에서 획득한 하중-시간 이력(load-time history)는 일정 풍속이 작용했을 경우의 블레이드 하중이므로 적용하지 못한다. 따라서 본 발명에서는 극한 하중 해석과 동일한 DCL에 따라 변동성이 있는 외부 환경 조건을 적용한 해석을 수행하도록 하였다.
특히, 장기 내구성 평가는 운용 시간과 밀접과 관계가 있으므로 각 평균 풍속에 따른 년간 발생 시간을 적용하기 위하여 각 풍속에 따른 시뮬레이션 분석을 수행하여 도 6과 같이 각 방향에 따라 풍속별로 1Hz 하중/모멘트-시간 이력(load/moment-time history)을 산출한다.
이와 같이 실제 운용 상황에서 구한 블레이드 하중은 차후 피로 응력 스펙트럼(fatigue stress spectrum)을 구하기 위한 조건이 된다.
계속하여, 도 7은 하중 방향별 힘(force) 및 모멘트(moment)가 개별적으로 작용하는 단순하중조건과 하중 방향별 힘(force) 및 모멘트(moment)가 동시에 작용하는 복합하중 조건하에서, 각 FCLs에서의 응력(stress)을 힘(force)과 모멘트(moment)에 따라 나타낸 것이다.
표 1은 힘(force)만 적용하였을 때의 응력, 2) 모멘트(Moment)만 적용하였을 때의 응력, 3) 1)과 2)의 응력 합, 4) 복합하중조건 적용 시, 응력 산출결과를 도시한 표이다.
Direction FCL no. Force(1)
[MPa]		 Moment (2)
[MPa]		 Force
+ moment (3)
[MPa]		 Load
(Force & moment (4))
[MPa]		 Error rate
[%]
Flapwise #1 4.49E-02 5.19E-05 4.49E-02 4.49E-02 0.010
#2 3.04E-01 2.62E-04 3.04E-01 3.04E-01 0.068
#3 6.46E-04 2.75E-07 6.47E-04 6.46E-04 0.020
#4 3.58E-02 3.15E-05 3.58E-02 3.58E-02 0.014
Edgwise #1 1.00E-02 1.05E-05 1.00E-02 1.00E-02 0.009
#2 2.64E-03 2.36E-06 2.64E-03 2.64E-03 0
#3 8.72E-04 7.65E-07 8.73E-04 8.73E-04 0
#4 5.18E-04 1.85E-06 5.19E-04 5.19E-04 0
Spanwise #1 7.64E-03 7.42E-06 7.64E-03 7.64E-03 0.094
#2 4.80E-02 5.31E-06 4.81E-02 4.81E-02 0.002
#3 2.27E-02 1.89E-06 2.27E-02 2.27E-02 0.018
#4 5.29E-03 2.85E-06 5.29E-03 5.29E-03 0.054
Combined #1 6.25E-02 6.36E-05 6.26E-02 6.26E-02 0.009
#2 3.27E-01 2.47E-04 3.27E-01 3.27E-01 0
#3 1.01E-03 1.18E-06 1.01E-03 1.01E-03 0
#4 3.80E-02 2.69E-05 3.80E-02 3.80E-02 0.005
Average - - - - - 0.018
1. Apply only force
2. Apply only moment
3. Plus only force result and only moment result ((1)+(2))
4. Apply force & moment
표1을 참고하면 플랩방향(Flapwise) 하중만이 작용하였을 때보다 모든 방향의 하중이 작용한 경우, 27% 이상 응력이 증가하여 가장 큰 응력 특성을 확인할 수 있었다. 이로부터 플랩방향(Flapwise) 하중이 블레이드의 응력 분포에 영향을 크게 받지만 엣지 방향(edgewise) 및 스팬 방향(Spanwise)의 하중 역시 응력의 크기에 일정부분 영향을 미침을 알 수 있다.
이에 본 발명에서는 블레이드 FCLs에서의 응력 분포 특성을 정확히 평가하기 위해, 단순하중 뿐 아니라 블레이드 방향별 하중이 모두 동시에 작용하는 복합하중효과까지 고려하도록 한다.
재료 물성 평가 단계(S50)
FCLs에 적용된 복합 재료에 대한 피로 시험을 수행함으로써, 수학식 1과 같은 재료의 정적 및 피로 특성이 반영된 S-N 곡선을 획득하도록 한다.
[수학식 1]
Figure 112018111053374-pat00001
이때, N f 는 피로수명, σa는 응력 진폭, A and B 는 피로 시험을 통해 획득된 상수값이다.
피로 응력 스펙트럼 산출 단계(S60)
피로 응력 스펙트럼(fatigue stress spectrum)은 특정 FCL에 작용하는 응력-시간 이력(stress-time history)을 의미한다. 이러한 피로 응력 스펙트럼(fatigue stress spectrum)은 가장 지배적인 환경인자인 풍속-시간 이력(wind-time history)에 의해 발생한 하중-시간 이력(load-time history)와 FCLs에서의 응력 텐서-하중(stress tensor-load) 관계를 결합하여 획득할 수 있다.
이에 본 발명은 외부환경 조건이 고려된 하중-시간 이력(load-time history)과 시스템의 운전 및 제어전략 등의 영향이 반영된 피로하중을 산출하고, 이러한 피로하중에 기반한 블레이드의 반응 특성을 고려하여 피로 응력-시간 이력(fatigue stress-time history) 즉, 피로 응력 스펙트럼(fatigue stress spectrum)을 산출하도록 한다.
이를 위해서는, 매 시간에 따른 하중-시간 이력(load-time history) 및 시스템 특성이 반영된 피로하중을 구하고, 이어 해당조건에서의 유한요소해석을 수행하여 동일 시간 단위에서의 피로 응력 스펙트럼을 구하는 것이 이상적이나, 이는 실제로 거의 불가능한 작업이다.
이에 본 발명에서는 앞서 설명한 바와 같이 난류 특성이 반영된 하중-시간 이력(load-time history) 시스템의 운전 및 제어전략이 반영된 피로하중을 산출하고, 이러한 피로하중과 블레이드의 반응 특성을 이용하여 피로 응력 스펙트럼(fatigue stress spectrum)을 산출하도록 한다. 도 8은 이와 같은 절차를 통하여 구한 피로 응력 스펙트럼의 일부를 나타낸 것이다.
피로 수명 평가 단계(S70)
피로 응력 스펙트럼(fatigue stress spectrum)을 이용하여 블레이드의 피로손상량을 파악하고, 더 나아가 피로손상량으로부터 피로 수명을 역산출할 수 있도록 한다.
이는 다음의 3단계 과정을 거쳐야 한다.
먼저, 단계 S71에서는 레인 플로어 싸이클 카운팅(Rainflow cycle counting)을 통해 피로 응력 스펙트럼(fatigue stress spectrum)을 정량화하여 응력범위(Stress range) 및 평균응력(Mean stress)으로 구분하는 마르코프 행렬(Markov matrix)을 획득한다. 그리고 굿맨 다이어그램(Goodman diagram)을 통해 정량화된 피로 응력 스펙트럼을 0의 평균응력을 가지는 데이터로 변환하도록 한다.
단계 S72에서는, 단계 S71을 통해 정량화된 피로 응력 스펙트럼(fatigue stress spectrum)과 단계 S50을 파악된 FCLs에 적용된 복합 재료에 대응되는 S-N 곡선을 수학식2의 마이너 법칙(Miner's rule)에 적용하여 단위 피로손상(Dj,unit)을 산출하도록 한다.
[수학식 2]
Figure 112018111053374-pat00002
이때, 평균 풍속 jth와 각 응력 레벨인 i 에서의 Nj,i 및 nj,i는 피로 수명 및 반복 횟수를 나타낸 것이다. 또한, Dj,unit 은 평균 풍속 jth일 때 단위 피로 손상이다.
이러한 평균 풍속 jth일 때 단위 피로손상(Dj,unit)은 10분 길이의 특정 평균 풍속에서의 힘/모멘트-시간 이력(force/moment-time history)을 바탕으로 한 피로 응력 스펙트럼(fatigue stress spectrum)에 대한 피로손상량이다.
단계 S73에서는 기 설정된 분석 대상 기간(예를 들어, 1년) 동안 각 평균 풍속의 노출 빈도(exposure frequency) 즉, 분석 대상 기간 동안 평균 풍속 jth 각각이 블레이드에 작용하는 빈도를 파악한 후, 평균 풍속 jth 각각의 빈도만큼 Dj,unit를 누적 및 합산함으로써, 분석 대상 기간의 피로손상량 Dj를 산출한다. 예를 들어, 평균속도 j1의 노출 빈도가 10번이고, 평균속도 j2의 노출 빈도가 20번이면, 평균속도 j1의 단위 피로손상을 10번 누적하고, 평균속도 j2의 단위 피로손상을 20번 누적한 후, 서로 합산하여 최종 피로손상량 Dj를 산출하도록 한다.
그리고 분석 대상 기간의 피로손상량 Dj의 역수를 통해 피로수명(year)을 추가 산출하도록 한다. 즉, 분석 대상 기간의 피로손상량을 피로수명으로 환산하도록 한다.
이러한 피로수명 평가 절차를 통하여, 표2에서와 같은 복합하중조건 및 단순하중조건하에서의 피로손상량 및 피로 수명을 산출할 수 있게 된다.
표 2를 참고하면, 먼저 단순하중조건의 경우, 플랩방향 하중만이 작용할 경우 #1에서 가장 짧은 피로수명을 가지며 에지방향 및 스팬방향 하중만이 작용할 경우에는 무한 수명을 가짐을 알 수 있다. 즉, 블레이드 방향별 하중이 개별적으로 작용하는 단순하중조건의 경우에는 블레이드 전체 피로수명에 대한 에지방향 및 스팬방향 하중의 영향은 무시할 만하다. 그러나 3종류의 블레이드 방향별 하중이 동시에 작용하는 복합하중조건하에서의 #1의 피로수명은 단순하중조건의 약 30%에 불과함을 확인할 수 있으며 이는 블레이드 방향별 하중의 상호작용에 기인한 것으로 판단된다.
따라서 실제 해상풍력발전기의 운전조건을 반영하기 위해서는 블레이드의 방향별 하중을 동시에 고려하는 복합하중조건하에서 피로수명 평가를 수행해야 함을 알 수 있다.
FCL Simplex load
 Combined load
Flapwise Edgewise Spanwise
# 1 4.52E+14 4.66E+13 7.197E+26 4.24E+13
# 2 3.96E+19 4.29E+27 1.86E+43 3.96E+19
# 3 4.14E+18 7.18E+14 6.28E+30 7.18E+14
# 4 2.04E+3 3.88E+3 6.24E+07 1.34E+3
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 복합재 블레이드의 피로 수명 예측 장치를 도시한 도면이다.
도 8을 참고하면, 본 발명의 장치(100)는 블레이드의 3차원 유한요소 모델을 생성하는 블레이드 유한요소 모델 생성부(110), 풍속별 풍속-시간 이력을 분석 대상 기간에 대해 생성 및 저장하는 풍속 분석부(120), 외부 환경 인자와 풍력 발전기의 설계 특성 및 운전 전략 모두를 고려하는 통합하중해석을 통해 블레이드의 극한하중 및 방향별 하중을 획득하는 통합하중해석부(130), 상기 극한하중을 적용한 유한요소 해석을 수행하여 상기 블레이드의 피로취약지점을 확인하고, 방향별 하중이 동시 적용될 때의 피로취약지점에서의 응력을 획득하는 유한요소 해석부(140), 상기 풍속-시간 이력과 상기 피로취약지점에서의 응력을 기반으로 복합 하중 조건에 따른 피로 응력 스펙트럼을 산출하는 피로 응력 스펙트럼 산출부(150), 및 상기 피로 응력 스펙트럼으로부터 복합 하중 조건에 따른 피로 손상량을 산출하고, 상기 피로 손상량을 상기 블레이드의 피로 수명으로 환산 및 출력하는 피로수명 산출부(160) 등을 포함할 수 있다.
이와 같이 구성 및 동작하는 본 발명의 피로 수명 예측 장치는 컴퓨팅 디바이스로 구현될 수 있으며, 이러한 컴퓨팅 디바이스는 개인 컴퓨터, 서버 컴퓨터, 핸드헬드 또는 랩탑 디바이스, 모바일 디바이스(모바일폰, PDA, 미디어 플레이어 등), 멀티프로세서 시스템, 소비자 전자기기, 미니 컴퓨터, 메인프레임 컴퓨터, 임의의 전술된 시스템 또는 디바이스를 포함하는 분산 컴퓨팅 환경 등을 포함하지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
컴퓨팅 디바이스는 적어도 하나의 프로세싱 유닛 및 메모리를 포함할 수 있다. 여기서, 프로세싱 유닛은 예를 들어 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU), 마이크로프로세서, 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC), Field Programmable Gate Arrays(FPGA) 등을 포함할 수 있으며, 복수의 코어를 가질 수 있다. 메모리는 휘발성 메모리(예를 들어, RAM 등), 비휘발성 메모리(예를 들어, ROM, 플래시 메모리 등) 또는 이들의 조합일 수 있다.
또한, 컴퓨팅 디바이스는 추가적인 스토리지를 포함할 수 있다. 스토리지는 자기 스토리지, 광학 스토리지 등을 포함하지만 이것으로 한정되지 않는다. 스토리지에는 본 명세서에 개진된 하나 이상의 실시예를 구현하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 명령이 저장될 수 있고, 운영 시스템, 애플리케이션 프로그램 등을 구현하기 위한 다른 컴퓨터 판독 가능한 명령도 저장될 수 있다. 스토리지에 저장된 컴퓨터 판독 가능한 명령은 프로세싱 유닛에 의해 실행되기 위해 메모리에 로딩될 수 있다.
또한, 컴퓨팅 디바이스는 입력 디바이스(들) 및 출력 디바이스(들)을 포함할 수 있다. 여기서, 입력 디바이스(들)은 예를 들어 키보드, 마우스, 펜, 음성 입력 디바이스, 터치 입력 디바이스, 적외선 카메라, 비디오 입력 디바이스 또는 임의의 다른 입력 디바이스 등을 포함할 수 있다. 또한, 출력 디바이스(들)은 예를 들어 하나 이상의 디스플레이, 스피커, 프린터 또는 임의의 다른 출력 디바이스 등을 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 디바이스는 다른 컴퓨팅 디바이스에 구비된 입력 디바이스 또는 출력 디바이스를 입력 디바이스(들)(1140) 또는 출력 디바이스(들)로서 사용할 수도 있다.
또한, 컴퓨팅 디바이스는 컴퓨팅 디바이스가 다른 디바이스(예를 들어, 컴퓨팅 디바이스)와 통신할 수 있게 하는 통신접속(들)(1160)을 포함할 수 있다. 여기서, 통신 접속(들)은 모뎀, 네트워크 인터페이스 카드(NIC), 통합 네트워크 인터페이스, 무선 주파수 송신기/수신기, 적외선 포트, USB 접속 또는 컴퓨팅 디바이스를 다른 컴퓨팅 디바이스에 접속시키기 위한 다른 인터페이스를 포함할 수 있다. 또한, 통신 접속(들)은 유선 접속 또는 무선 접속을 포함할 수 있다.
상술한 컴퓨팅 디바이스의 각 구성요소는 버스 등의 다양한 상호접속(예를 들어, 주변 구성요소 상호접속(PCI), USB, 펌웨어(IEEE 1394), 광학적 버스 구조 등)에 의해 접속될 수도 있고, 네트워크(1200)에 의해 상호접속될 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 "구성요소", "모듈", "시스템", "인터페이스" 등과 같은 용어들은 일반적으로 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 소프트웨어, 또는 실행중인 소프트웨어인 컴퓨터 관련 엔티티를 지칭하는 것이다. 예를 들어, 구성요소는 프로세서 상에서 실행중인 프로세스, 프로세서, 객체, 실행 가능물(executable), 실행 스레드, 프로그램 및/또는 컴퓨터일 수 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 컨트롤러 상에서 구동중인 애플리케이션 및 컨트롤러 모두가 구성요소일 수 있다. 하나 이상의 구성요소는 프로세스 및/또는 실행의 스레드 내에 존재할 수 있으며, 구성요소는 하나의 컴퓨터 상에서 로컬화될 수 있고, 둘 이상의 컴퓨터 사이에서 분산될 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 풍속별 풍속-시간 이력을 분석 대상 기간에 대해 생성 및 저장하는 단계;
    외부 환경 인자와 풍력 발전기의 설계 특성 및 운전 전략 모두를 고려하는 통합하중해석을 통해 블레이드의 극한하중 및 방향별 하중을 획득하는 단계;
    상기 극한하중을 적용한 유한요소 해석을 수행하여 블레이드의 피로취약지점을 확인하고, 블레이드의 방향별 하중이 동시 적용될 때의 피로취약지점에서의 응력을 획득하는 단계;
    상기 풍속-시간 이력과 상기 피로취약지점에서의 응력을 기반으로 복합 하중 조건에 따른 피로 응력 스펙트럼을 산출하는 단계; 및
    상기 피로 응력 스펙트럼으로부터 피로 손상량을 산출하고, 상기 피로 손상량을 상기 블레이드의 피로 수명으로 환산 및 출력하는 단계를 포함하며,
    상기 피로취약지점에서의 응력을 획득하는 단계는
    풍속 각각에서의 블레이드의 방향별 하중을 구한 후, 풍속에 따른 블레이드의 방향별 하중이 블레이드에 적용되었을 때의 응력 거동을 확인하기 위한 구조 해석을 수행함으로써, 블레이드의 방향별 하중이 동시 적용될 때의 피로취약지점에서의 응력을 획득하며,
    상기 풍속-시간 이력은
    카이말 터불런스 모델과 IEC 61400-3의 난류 강도식에 기반하여 획득되며,
    상기 복합 하중 조건은 블레이드 방향별 하중이 모두 동시에 작용하는 하중 조건인 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 복합재 블레이드의 피로 수명 예측 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 풍속-시간 이력은
    난류 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 복합재 블레이드의 피로 수명 예측 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 블레이드의 하중 조건은
    상기 블레이드의 하중 방향은 플랩방향(Flapwise), 엣지방향(edgewise), 스팬 방향(Spanwise)으로 정의되며, 상기 블레이드의 극한 하중은 플랩방향(Flapwise), 엣지방향(edgewise), 스팬 방향(Spanwise)에서 받는 힘(force) 및 모멘트(moment)의 최대값(maximum) 및 최소값(minimum)인 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 복합재 블레이드의 피로 수명 예측 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 피로 손상량을 산출하는 단계는
    상기 피로 응력 스펙트럼을 정량화하고 0의 평균응력을 가지는 데이터로 변환하는 단계;
    상기 피로 응력 스펙트럼와 상기 피로취약지점에 적용된 복합 재료의 S-N 곡선을 마이너 법칙에 적용하여 평균 풍속별 단위 피로손상을 산출하는 단계; 및
    상기 평균 풍속별 단위 피로손상을 기반으로 상기 분석 대상 기간에 대한 피로 손상량을 산출하고, 상기 피로 손상량의 역수인 피로수명을 산출하는 단계를 포함하는 풍력발전기용 복합재 블레이드의 피로 수명 예측 방법.
  5. 제4항이 있어서, 상기 피로 손상량을 산출하는 단계는
    분석 대상 기간 동안 상기 블레이드가 평균 풍속별로 노출되는 빈도를 카운팅한 후, 상기 평균 풍속별 노출 빈도에 따라 상기 평균 풍속별 단위 피로손상을 누적 및 합산하여 분석 대상 기간에 대한 피로 손상량을 산출하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 복합재 블레이드의 피로 수명 예측 방법.
  6. 풍속별 풍속-시간 이력을 분석 대상 기간에 대해 생성 및 저장하는 풍속 분석부;
    외부 환경 인자와 풍력 발전기의 설계 특성 및 운전 전략 모두를 고려하는 통합하중해석을 통해 블레이드의 극한하중 및 방향별 하중을 획득하는 통합하중해석부;
    상기 극한하중을 적용한 유한요소 해석을 수행하여 블레이드의 피로취약지점을 확인하고, 블레이드의 방향별 하중이 동시 적용될 때의 피로취약지점에서의 응력을 획득하는 유한요소 해석부;
    상기 풍속-시간 이력과 상기 피로취약지점에서의 응력을 기반으로 복합 하중 조건에 따른 피로 응력 스펙트럼을 산출하는 피로 응력 스펙트럼 산출부; 및
    상기 피로 응력 스펙트럼으로부터 복합 하중 조건에 따른 피로 손상량을 산출하고, 상기 피로 손상량을 상기 블레이드의 피로 수명으로 환산 및 출력하는 피로수명 산출부를 포함하며,
    상기 유한요소 해석부는
    풍속 각각에서의 블레이드의 방향별 하중을 구한 후, 풍속에 따른 블레이드의 방향별 하중이 블레이드에 적용되었을 때의 응력 거동을 확인하기 위한 구조 해석을 수행함으로써, 블레이드의 방향별 하중이 동시 적용될 때의 피로취약지점에서의 응력을 획득하며,
    상기 풍속-시간 이력은
    카이말 터불런스 모델과 IEC 61400-3의 난류 강도식에 기반하여 획득되며,
    상기 복합 하중 조건은 블레이드 방향별 하중이 모두 동시에 작용하는 하중 조건인 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 복합재 블레이드의 피로 수명 예측 장치.
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