KR20140087653A - 풍력터빈 블레이드 설계 및 해석방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력터빈 블레이드의 설계 및 해석을 간편하게 수행하기 위한 풍력터빈 블레이드 설계 및 해석방법에 관한 것이다. 이를 위해 풍력터빈 핵심부품인 블레이드의 개념설계, 모델링(3차원 형상 모델링의 수행), 격자(유한요소 모델링의 수행), 하중조건, 응력평가 등에 대하여 후처리 결과로부터 자동으로 보고서를 생성해 주는 기능을 제공한다.

Description

풍력터빈 블레이드 설계 및 해석방법{Method for designing and analyzing wind turbine blade}
본 발명은 풍력터빈 블레이드의 설계 및 해석을 간편하게 수행하기 위한 풍력터빈 블레이드 설계 및 해석방법에 관한 것이다.
이를 위해 풍력터빈 핵심부품인 블레이드의 개념설계, 모델링(3차원 형상 모델링의 수행), 격자(유한요소 모델링의 수행), 하중조건, 응력평가 등에 대하여 후처리 결과로부터 자동으로 보고서를 생성해 주는 기능을 제공한다.
풍력산업은 바람을 이용한 발전단가가 저렴한 친환경 에너지로 기존의 화석연료 발전방식과 경쟁이 가능한 유망한 산업분야이다.
우리나라 에너지원 별 발전량을 비교하면 풍력은 수력 다음으로 높은 비중을 차지하며 향후에도 꾸준한 비율 상승이 예상된다.
하지만 풍력 부품 및 풍력 시스템의 시발점인 설계 SW, 해석 SW 및 엔지니어링 서비스 등은 실직적으로 해외 기술에 의존하고 있고 하드웨어와 소프트웨어의 조화로운 성장이 절실하다.
또한, 풍력터빈에서 가장 중요한 부품인 블레이드의 경우 전문적인 지식이 없으면, 설계 및 해석이 매우 어렵기 때문에 여기에 투자되는 시간과 인적자원이 매우 크다.
블레이드의 경우 일정한 섹션(Section)마다 에어포일(Airfoil)이라고 부르는 단면 형상을 지니게 된다. 이 에어포일의 경우 각 섹션마다 모두 동일한 것이 아니며, 블레이드의 설계 시 사용되는 단면 형상 데이타(Position, Chord length, Twist angle) 역시 모두 다르기 때문에, 모델링 시 각 섹션에 따른 반복적인 작업이 필수로 진행되게 된다.
블레이드 해석의 경우 격자를 생성하는 작업을 통해 유한요소 모델을 만들어주어야 하며, 하중과 구속 조건을 적용하는데 있어 전문적인 지식이 필요하다. 하지만, 블레이드의 설계 및 해석을 원하는 곳에서 항상 이러한 인적 자원이 마련되어 있지 않다는 문제점을 가진다.
블레이드의 설계 및 해석에 있어 섹션에 따른 형상의 변경이나 모델의 변경이 있을 때, 처음부터 그 모델링을 다시 해야만 하며, 이 때 유사한 형태의 모델링을 함에도 불구하고 시간의 투자가 많다는 문제점을 지닌다.
없음.
본 발명은 풍력터빈 부품 중 블레이드에 대한 설계, 해석 시에 가지는 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 각종 형상의 블레이드에 대하여 단순한 설계와 해석에 대한 정보의 입력 만으로도 간편하고 전문적인 지식이 없이도 설계와 해석을 수행하며 작업에 소모되는 시간을 대폭 절감하기 위한 엔지니어링 서비스 융합 소프트웨어 이다.
블레이드의 형상을 디자인 하는 디자인모듈(Design Module), 블레이드 상용 프로그램(ANSYS)과 연결되는 연결모듈(Connection Module), 최종 설계 및 해석된 정보를 보고하는 리포트 모듈(Report Module)을 포함하여 수행되는 풍력터빈 블레이드 설계 및 해석 방법에 있어서,
상기 디자인 모듈이, 블레이드 형상설계용 상용 프로그램(xfoil)과 블레이드의 설계 데이터를 주고 받으며 블레이드 형상 설계를 수행하는 단계(s100); 및
상기 설계된 블레이드 데이터로써, 블레이드 해석용 상용 프로그램(ANSYS)과 연동하여 블레이드 해석을 수행하는 단계(s200)를 포함하되,
상기 s100 단계에서는,
유저에 의하여, 블레이드의 설계 데이터가 그래픽유저인터페이스(GUI) 창을 통해서 입력되는 단계(s110);
상기 입력된 데이터가 블레이드 형상설계용 상용 프로그램(xfoil)에 전달되어져, 블레이드 형상 모델링 및 공력해석 모델이 생성된 뒤, 블레이드 공력해석이 수행됨으로써, 공력해석 결과와 최초 블레이드 설계치가 비교되어 수정된 동력계수를 반복 피드백함으로써 블레이드 형상이 결정되는 단계(s120);
상기 s120 단계 종료 후, 블레이드 형상설계용 상용 프로그램(xfoil)로부터 형상 데이터를 전달받는 단계(s130)를 포함하며,
상기 s200단계에서는 블레이드 해석용 상용 프로그램(ANSYS)과의 연결을 위한 연결모듈에 의하여, 상기 s130 단계의 전달받은 데이터를 블레이드 해석용 상용 프로그램(ANSYS)으로 전달하여, 블레이드의 코드길이, 트위스트앵글 및 포지션 데이터를 변수처리되고 유저가 원하는 형상의 블레이드가 자동 구성되도록 함을 특징으로 하며
상기 s100단계에서는
유저가 원하는 블레이드 형상 이름과 레이놀즈수(Reynolds Number), 마하수(Mach Number), 유체밀도(Fluid Density), 점성(Kinetic Viscosity) 데이터를 대화창을 통하여 입력되면, 블레이드 형상설계용 상용 프로그램(xfoil)을 통하여 결과값으로 코드길이(Chord length), 포지션(Position), 트위스트앵글(Twist angle) 값을 전달받도록 형성되는, 풍력터빈 블레이드 설계 및 해석방법이 제시된다.
본 발명의 풍력터빈 블레이드의 설계 및 해석을 위한 소프트웨어는 블레이드의 각 섹션에 따라 다르게 지정되는 Airfoil의 형상 및 설계 데이타(Position, Chord length, Twist angle)를 바탕으로 자동적으로 모델링이 이루어 지며, 이를 위해 사용자에 입력해야 할 정보는 기존의 작업에 비해 매우 간소하다.
기존의 블레이드 설계 시 사용자가 직접 블레이드의 섹션 마다 에어포일의 형상과 설계 데이타를 적용하여 모델링을 하고, 격자 작업 및 하중과 구속 조건의 적용을 수동적으로 해주어야 했던 것에 비하여 초기에 입력된 정보를 바탕으로 섹션 별 구성 및 형상의 구현과 격자 구현, 하중 및 구속의 적용까지 자동으로 이루어지기 때문에 기존에 발생하던 휴먼 에러(human error)의 발생을 최소한으로 줄일 수 있으며, 발생시에도 발생 원인을 쉽게 찾아 낼 수가 있다. 또한, 자동화로 인해 기존의 작업에 비하여 투자 시간이 비약적으로 줄어들게 된다.
기존의 블레이드 설계 및 해석 방식에 비하여 사용자에 의한 휴먼 에러가 줄고, 항상 일정한 규격에 따라 작업이 수행되기 때문에 해석상의 오차를 줄일 수 있는 효과를 가진다.
블레이드의 다양한 설계 데이타의 변경이나 에어포일 형상 변경에 대해서 손쉽고 빠르게 변경하여 해석 결과를 확인 할 수 있으므로, 다양한 설계 안의 검토가 가능하다.
도 1은 본 발명의 소프트웨어 전체 구성에 대한 개략적인 설명을 나타내는 흐름도
도 2a, 도 2b는 블레이드 설계 알고리즘
도 3은 풍력터빈 블레이드 설계식의 참고도
도 4는 본 발명의 해석 알고리즘 모듈 프로그래밍에 필요한 ANSYS WORKBENCH의 내부 구성언어 순서도
도 5는 본 발명의 플랫폼 모듈 설계도
도 6은 본 발명의 GUI 참고도
도 7은 본 발명의 해석 절차를 나타낸 순서도
도 8은 본 발명을 통해 구현된 블레이드의 모델링 결과
도 9는 구체적인 형상 설정 기능을 통하여 사용자가 원하는 코드길이, 포지션(Position), 트위스트앵글(Twist angle)을 가진 형태의 블레이드를 생성하는 장면
도 10은 본 발명을 통해 구현된 블레이드의 구조 및 유동 해석의 결과
도 11은 ANSYS를 통한 매뉴얼 방식의 블레이드 모델링 결과
도 12 및 도 13은 본 발명에 의한 오토매틱 방식의 블레이드 모델링 결과
도 14는 블레이드 출력성능 검증을 위한 자료이다.
이하, 본 발명의 풍력터빈 블레이드의 설계 및 해석 소프트웨어에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 소프트웨어 전체 구성에 대한 개략적인 설명을 나타내는 흐름도, 도 2a, 도 2b는 블레이드 설계 알고리즘, 도 3은 풍력터빈 블레이드 설계식의 참고도, 도 4는 본 발명의 해석 알고리즘 모듈 프로그래밍에 필요한 ANSYS WORKBENCH의 내부 구성언어 순서도, 도 5는 본 발명의 플랫폼 모듈 설계도, 도 6은 본 발명의 GUI 참고도, 도 7은 본 발명의 해석 절차를 나타낸 순서도, 도 8은 본 발명을 통해 구현된 블레이드의 모델링 결과, 도 9는 구체적인 형상 설정 기능을 통하여 사용자가 원하는 코드길이, 포지션(Position), 트위스트앵글(Twist angle)을 가진 형태의 블레이드를 생성하는 장면, 도 10은 본 발명을 통해 구현된 블레이드의 구조 및 유동 해석의 결과, 도 11은 ANSYS를 통한 매뉴얼 방식의 블레이드 모델링 결과, 도 12 및 도 13은 본 발명에 의한 오토매틱 방식의 블레이드 모델링 결과, 도 14는 블레이드 출력성능 검증을 위한 자료이다.
1. 본 발명의 전체 구성
도 1은 본 발명의 풍력터빈 블레이드의 설계 및 해석 소프트웨어의 전체 구성에 대한 흐름도를 나타내고 있다
편의상, 본 발명의 풍력터빈 블레이드 설계 및 해석 소프트웨어를 "윈블레이드(WINBLADE)"로 명명하기로 하며, 도면에서도 이 용어를 사용한다.
본 발명에서의 소프트웨어는 크게 두 개의 외부 프로그램과 연동이 된다.
즉, 본 발명의 윈블레이드는, 블레이드 설계시 블레이드 설계용 공개 프로그램인 엑스포일(xfoil), 해석은 블레이드 해석용 상용 프로그램인 앤시스(ANSYS)와 연동할 수 있는 모듈을 구비하여야 한다.
본 발명의 윈블레이드(WINBLADE)와 엑스포일(xfoil) 사이에서는, 풍력터빈 블레이드의 설계 데이터를 주고 받게 되며, 여기서 도출된 블레이드 설계값을 ANSYS와 연동하여 계산을 수행 한 후 성능 해석 결과값을 확인할 수 있는 형태로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명의 풍력터빈 블레이드의 설계 및 해석 소프트웨어의 구동에 있어서 공개소프트웨어인 xfoil과 상용 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS가 필수적으로 필요하다.
2. 플랫폼 모듈( Platform Module )
첨부된 도 5는 본 발명의 본 발명에서 구축된, 풍력터빈 블레이드 설계 및 해석 소프트웨어인 윈블레이드(WINBLADE)의 전체적인 프로그램 플랫폼 디자인 블록도로 나타낸 것이다
전체 본 발명에서 제시하는 윈블레이드 소프트웨어의 플랫폼은 디자인모듈(Design Module), ANSYS 연결모듈(Connection Module), 리포트 모듈(Report Module), 제어시스템 모듈(Conrol system Module) 및 수명주기모듈(Life cycle Module) 로 구성되어 있다.
디자인모듈(Design Module)의 여러 모듈 중에서, 블레이드 Module의 경우, 에어포일디자인(Airfoil Design)과 로터디자인(Rotor Design)으로 나뉜다.
사용자가 원하는 Airfoil의 형상 이름과 Reynolds Number, Mach Number, Fluid Density, Kinetic Viscosity, NCrit 와 같은 데이터를 대화창을 통하여 입력하게 되면, 공개 프로그램인 엑스포일(xfoil)을 통하여 결과 값으로 CL, CD, 코드길이(Chord length), 포지션(Position), 트위스트앵글(Twist angle) 값을 받을 수 있다.
본 발명의 윈블레이드(WINBLADE) 소프트웨어의 구동 절차를 설명한다.
도 6은 본 발명의 풍력터빈 블레이드 설계 및 해석 소프트웨어의 GUI 구성을 나타내고 있다.
먼저, 사용자가 원하는 블레이드의 설계 데이터를 윈블레이드 그래픽유저인터페이스(GUI) 창을 통해서 입력하게 되면, 자동적으로 xfoil과 연동하여 그래프 형태의 결과와 블레이드에 대한 3차원 형태의 모델링 결과를 표시해주게 된다.
여기서 사용자는 좀 더 구체적으로 원하는 형상의 블레이드 모양을 설정할 수 있으며, 설정된 데이터를 ANSYS와 연동하여 구조 해석 및 유동 해석을 수행하게 되며, 그 결과도 확인할 수 있게 된다.
도 6 상단에 프로그램 설정 및 구동에 필요한 메인메뉴(Main Menu)와 자주 사용하는 명령에 대한 툴 아이콘(Tool Icon)이 배치되어 있으며, 왼쪽에는 해석의 진행과 설정 상황을 보여주는 트리메뉴(Tree Menu)가 있다. 중앙에는 결과 그래프와 3D 모델을 보여주는 Graph & 3D View 메뉴가 구성되어 있다. 왼쪽 중앙부와 오른쪽 측면에는 선택한 기능에 대해 각각의 상세설정이 가능한 프라퍼티(Properties) 메뉴로 구성이 되어 있으며, 하단에는 작업의 진행 과정과 에러메시지(Error Message) 등의 출력이 가능한 Message & Output 창으로 구성되어 있다.
도 7에서는 본 발명의 풍력터빈 블레이드 설계 및 해석 소프트웨어의 해석 절차에 대한 순서를 표시하고 있다.
본 발명의 경우 필수적으로 구동에 있어서 엑스포일(xfoil)과 ANSYS를 필요로 하기 때문에 사용에 앞서 이들 프로그램들을 설치해주어야 하며, 프로그램 구동시 우선적으로 콘피규어(configure) 기능을 통해 설치된 xfoil의 경로를 정의해 주어야 한다. 도 7의 순서로 블레이드 설계 및 해석이 진행되며, 최종적인 블레이드 모델은 사용자의 필요에 따라서 CAD 파일 형태로의 엑스포트(Export) 또한 가능하다.
첨부된 도 8은 본 발명을 통해 구현된 블레이드의 모델링 결과이고, 도 9를 통한 구체적인 형상 설정 기능을 통하여 사용자가 원하는 코드길이, 포지션(Position), 트위스트앵글(Twist angle)을 가진 형태의 블레이드를 간편하게 생성할 수 있다. 여기서 구현된 블레이드의 설계 데이터를 ANSYS와 연동하여 3D 모델을 수행하게 되며, 다양한 정보에 대하여 보다 쉽고 빠르게 반복적인 모델링이 가능하다는 장점을 가질 수 있다.
도 10은 본 발명을 통해 구현된 블레이드의 구조 및 유동 해석의 결과이다. 사용자는 해석에 대한 지식이 전무하다 하더라도 자동화된 본 발명의 풍력터빈 블레이드 설계 및 해석 소프트웨어를 통하여 도 10과 같은 결과를 얻어낼 수 있다. 특히, 여러 모델에 대해서 해석의 수행 시 자동화된 모듈을 통하여 그 해석 수행 시간을 비약적으로 단축 시켜 줄 수 있다는 장점을 지닌다.
3. 블레이드 설계의 알고리즘
도 2a는 블레이드의 설계 알고리즘을 나타내고 있다. 도 2a를 참조하면 먼저 블레이드에 대한 설계식을 정립한다. 초기 가정한 동력계수로 모델링 및 해석을 진행하게 되고, 해석 결과의 동력계수로 반복역산을 수행하며, 계산된 동력계수를 본 발명의 풍력터빈 블레이드의 설계 및 해석 소프트웨어에 반영하게 된다. 그 후 설계 알고리즘을 통해 블레이드 설계 알고리즘을 수립하게 된다.
구체적인 블레이드 설계 순서는 도 2b에서 도시된 바와 같다.
블레이드의 정격출력, 블레이드 직경, 주속비 및 회전수를 계산하고 날개 끝 손실개수와 축, 접선 방향의 유도계수를 계산한다. 그리고 코드 길이, 유입각 및 트위스트앵글(비틀림각)을 계산한다. 이어서 블레이드 형상을 모델링을 하고 공력해석 모델을 생성한 뒤, 블레이드 공력해석을 수행(CFD)함으로써, 공력해석 결과와 최초 블레이드 설계치를 비교 검증하여, 수정된 동력계수를 반복 피드백함으로써 블레이드 형상을 결정한다.
본 발명의 풍력터빈 블레이드의 설계 및 해석 소프트웨어에 사용된 블레이드 설계식은 도 3에서 보여진다. 도 3과 같은 코드길이(Chord length), 트위스트 앵글(Twist angle) 등의 설계식을 통하여 자동화된 모델링을 수행하게 된다.
4. 블레이드 해석 알고리즘 모듈 프로그래밍
블레이드의 해석에는 ANSYS WorkBench 라는 상용 유한요소해석 프로그램을 사용할 수 있다. 도 4를 참조하면 ANSYS WorkBench의 경우 전체 프로그램은 Python, 3D 모델링과 구조 해석의 경우 Jscript, 유동 해석의 경우 Perl로 이루어져 있다.
본 발명의 풍력터빈 블레이드 설계 및 해석 소프트웨어인 윈블레이드(WINBLADE)와 ANSYS의 연결 모듈을 구성하기 위하여, ANSYS WorkBench의 내부 구성 언어를 파악하여 블레이드의 모델링과 구조 해석, 유동 해석에 해당하는 부분을 각 스크립트 언어를 통하여 자동화 하였다.
이러한 자동화의 기반을 만들기 위하여 블레이드 선행연구 논문의 레퍼런스 데이터를 이용하였다.
블레이드의 중요 설계 데이터인, 코드길이, 트위스트앵글 및 포지션 데이터(에어포일의 섹션별 위치를 표현하는 데이터임)를 변수처리하여 사용자가 원하는 형상의 블레이드를 자동적으로 구성할 수 있도록 하였다.
또한, 설계된 블레이드에 대하여 구조해석을 수행할 수 있는 FEM 모델을 만드는 작업과 함께 사용자가 원하는 구조하중과 구속조건을 적용할 수 있도록 Python과 Jscript를 통하여 해석 모듈을 구성하였다. 이와 함께, Ptython과 Perl스크립트를 통하여 유동해석을 위한 해석 모듈 또한 구성하였다. 두 모듈의 구동에 필요한 에어포일 데이터(Airfoil Data)는 Naca Series 중 임의의 형상을 통해 구성하였다.
5. 블레이드 모델 구현성능 검증
본 발명의 방법을 블레이드 모델 구현에 대하여 성능 검증을 하기 위하여 상용 프로그램인 ANSYS 와의 비교를 수행하였다.
각각 동일한 에어포일 형상(NACA63415)과 Position, Chord length, Twist angle)에 대하여 블레이드 모델링을 수행하였다.
먼저, ANSYS를 통해 매뉴얼 방식으로 블레이드를 모델링 하였고, 그 결과를 도 11에 나타내었다.
다음으로 본 발명에 따른 방식(WinBlade, 윈블레이드)을 통해 설계에 필요한 데이터를 오토매틱(Automatic) 방식으로 블레이드 모델을 구현하였고 그 결과를 도 12 및 도 13에 나타내었다.
결과를 살펴보면 두 방식 모두 올바른 형태의 블레이드 모델이 구현되었음을 확인할 수 있으며, 이는 본 발명 WinBlade를 통한 블레이드 모델링이 사용성에 있어 타당성이 있음을 확인할 수 있다.
6. 블레이드 출력성능 검증
본 발명에 의한 방법에 대한 블레이드 출력 성능 검증을 위하여 100kW 급 블레이드를 구성하였고, 해석에 사용된 레퍼런스 데이터는 다음 표와 같다.
Rated Power(kW) 100
Rated wind velocity(m/s) 10
Design TSR 6
Rotor diameter(m) 22.65
Rotational speed(rpm) 40.46
Air density(kg/m^3) 1.225
도 14에서 블레이드의 출력이 80.821 kW 됨을 확인할 수 있다. 이는 풍력 터빈의 유동해석의 경우 전이과정(Transient) 해석을 해야 정확한 결과 값을 알 수 있는 것에 비해 본 해석에서는 출력에 대한 검증을 위해 Steady 상태의 해석을 한 것과 더불어 해석 시간에 대한 효율을 높이고자 격자의 숫자를 제한한 것, 그리고 완전한 형상의 블레이드가 아닌 1/3 모델로 구성이 되어 난류의 영향이 제대로 적용되지 않았다는 점을 감안 할 때 80.821kW의 해석 결과는 CFD 자동화 모듈의 신빙성을 충분히 검증 해줄 수 있는 결과로 볼 수 있다.

Claims (2)

  1. 블레이드의 형상을 디자인 하는 디자인모듈(Design Module), 블레이드 상용 프로그램(ANSYS)과 연결되는 연결모듈(Connection Module), 최종 설계 및 해석된 정보를 보고하는 리포트 모듈(Report Module)을 포함하여 수행되는 풍력터빈 블레이드 설계 및 해석 방법에 있어서,
    상기 디자인 모듈이, 블레이드 형상설계용 공개 프로그램(xfoil)과 블레이드의 설계 데이터를 주고 받으며 블레이드 형상 설계를 수행하는 단계(s100); 및
    상기 설계된 블레이드 데이터로써, 블레이드 해석용 상용 프로그램(ANSYS)과 연동하여 블레이드 해석을 수행하는 단계(s200)를 포함하되,

    상기 s100 단계에서는,
    유저에 의하여, 블레이드의 설계 데이터가 그래픽유저인터페이스(GUI) 창을 통해서 입력되는 단계(s110);
    상기 입력된 데이터가 블레이드 형상설계용 공개 프로그램(xfoil)에 전달되어져, 블레이드 형상 모델링 및 공력해석 모델이 생성된 뒤, 블레이드 공력해석이 수행됨으로써, 공력해석 결과와 최초 블레이드 설계치가 비교되어 수정된 동력계수를 반복 피드백함으로써 블레이드 형상이 결정되는 단계(s120);
    상기 s120 단계 종료 후, 블레이드 형상설계용 공개 프로그램(xfoil)로부터 형상 데이터를 전달받는 단계(s130)를 포함하며,
    상기 s200단계에서는 블레이드 해석용 상용 프로그램(ANSYS)과의 연결을 위한 연결모듈에 의하여, 상기 s130 단계의 전달받은 데이터를 블레이드 해석용 상용 프로그램(ANSYS)으로 전달하여, 블레이드의 코드길이, 트위스트앵글 및 포지션 데이터를 변수처리되고 유저가 원하는 형상의 블레이드가 자동 구성되도록 함을 특징으로 하는,
    풍력터빈 블레이드 설계 및 해석방법.
  2. 청구항 1에 있어서, s100단계에서는
    유저가 원하는 블레이드 형상 이름과 레이놀즈수(Reynolds Number), 마하수(Mach Number), 유체밀도(Fluid Density), 점성(Kinetic Viscosity) 데이터를 대화창을 통하여 입력되면, 블레이드 형상설계용 공개 프로그램(xfoil)을 통하여 결과값으로 코드길이(Chord length), 포지션(Position), 트위스트앵글(Twist angle) 값을 전달받도록 형성되는, 풍력터빈 블레이드 설계 및 해석방법.

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