KR20150119990A - 수평방향 가진을 이용한 풍력터빈 블레이드의 플랩방향 피로시험 방법 및 2축 공진 피로시험 방법 - Google Patents

수평방향 가진을 이용한 풍력터빈 블레이드의 플랩방향 피로시험 방법 및 2축 공진 피로시험 방법 Download PDF

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이학구
박지상
문진범
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 블레이드의 엣지방향이 지면과 대략 수직을 이루도록 고정장치에 장착하고, 가진기를 블레이드 표면에 장착하여 가진기의 이송질량(moving mass)의 움직임이 유발하는 플랩방향 관성력 성분과 공진현상을 이용하여 블레이드를 대략 수평방향으로 가진하도록 구성함으로써 기존에 수직방향으로 수행되고 있는 플랩방향 피로시험 방법에서 중력에 대한 가진기의 일을 제거하고 이로 인해 작은 하중능력(load capacity)의 가진기로 블레이드를 큰 진폭으로 진동시켜 시험기간을 대폭 단축할 수 있는 수평방향 가진을 이용한 풍력터빈 블레이드의 플랩방향 피로시험 방법 및 2축 공진 피로시험 방법에 관한 것이다.
이를 위해 블레이드의 진폭을 증대시켜 시험기간을 단축하기 위한 풍력터빈 블레이드의 플랩방향 피로시험 방법으로서, 블레이드의 엣지방향이 지면과 80도 내지 100도의 각도를 갖도록 블레이드를 고정장치에 고정하여 외팔보 형태로 만드는 제1 단계(S110); 이송질량이 움직이는 선 또는 면이 블레이드의 플랩방향과 -10도 내지 +10도의 각도를 갖도록 가진기를 상기 블레이드의 표면에 장착하는 제2 단계(S120); 및, 상기 가진기가 전체 블레이드 구조물의 공진 주파수 부근에서 상기 블레이드를 -10도 내지 +10도의 각도를 이루도록 진동시켜 시험을 수행하는 제3 단계(S130)를 포함한 수평방향 가진을 이용한 풍력터빈 블레이드의 플랩방향 피로시험 방법이 제공된다.

Description

수평방향 가진을 이용한 풍력터빈 블레이드의 플랩방향 피로시험 방법 및 2축 공진 피로시험 방법{Flapwise fatigue testing method and Dual-axis resornace fatige testing method of a wind turbine blade using excitation in horizontal direction}
본 발명은 풍력터빈 블레이드의 피로시험 방법(fatigue testing method)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 블레이드의 엣지방향이 지면과 대략 수직을 이루도록 고정장치에 장착하고, 가진기를 블레이드 표면에 장착하여 가진기의 이송질량(moving mass)의 움직임이 유발하는 플랩방향 관성력 성분과 공진현상을 이용하여 블레이드를 수평방향으로 가진하도록 구성함으로써 기존에 수직방향으로 수행되고 있는 플랩방향 피로시험 방법에서 중력에 대한 가진기의 일을 제거하고 이로 인해 작은 하중능력(load capacity)의 가진기로 블레이드를 큰 진폭으로 진동시켜 시험기간을 대폭 단축할 수 있는 수평방향 가진을 이용한 풍력터빈 블레이드의 플랩방향 피로시험 방법 및 2축 공진 피로시험 방법에 관한 것이다.
풍력터빈 시스템에 있어서 블레이드는 바람 에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 가장 핵심적인 부품으로써, 해상 풍력이 확대됨과 아울러 발전효율을 향상시키기 위하여 수 MW급으로 대형화되고 있는 추세이다.
풍력터빈 블레이드는 구동하는 동안 받게 되는 다양한 하중 조건을 고려하여 설계해야 함은 물론 실제 성능이 요구 규격을 만족하고 있음을 보장해야 한다. 특히, 20년 이상의 설계수명 동안 블레이드가 극한하중과 피로하중을 모두 견딜 수 있음을 입증하기 위해 인증시험을 통과해야 한다.
블레이드의 시험은 블레이드의 강도와 강성이 요구되는 설계하중을 충분히 견딜 수 있다는 것을 입증하기 위한 정하중 시험(static test)과, 설계수명 동안 받게되는 피로하중에 대해 블레이드의 내구성을 검증하기 위한 피로시험(fatigue test)으로 구분할 수 있다. 특히, 수 MW급 대형 블레이드의 경우에는 성능에 대한 신뢰성을 보장하기 위하여 국제 인증규격에 부합하는지 여부에 대한 실규모(full-scale) 시험을 수행하도록 의무화되어 있다.
이하, 종래에 수행되고 있었던 실규모 피로시험법에 대하여 설명한다. 피로시험은 일반적으로 블레이드를 플랩방향(flapwise direction)으로 가진시키는 플랩방향 시험과, 엣지방향(edgewise direction)으로 가진시키는 엣지방향 시험을 분리하여 수행한다. 이와 다른 방식으로 블레이드를 플랩방향과 엣지방향으로 동시에 가진시키는 2축 공진(dual-axis resonance) 시험법도 있다. 이때, 블레이드에 피로하중을 가하는 방법은 블레이드의 한 곳에 하중을 가하는 방식(single point loading)과, 블레이드의 여러 곳에 하중을 분산하여 가하는 방식(multi-point loading)이 있다.
피로시험을 시작하기에 앞서, 상술한 바와 같은 시험 종류에 따라 블레이드의 루트(root)를 고정장치(test stand)에 고정하여 외팔보(cantilever beam) 형태로 만든다. 그리고, 가진기(exciter)와 같은 하중 부가장치를 설치하고, 블레이드에 반복적인 힘을 인가하여 외팔보에 진동을 유발시킨다. 이때, 가진력의 크기를 조절하여 외팔보의 진동에 의해 발생되는 굽힘 모멘트 분포가 목표 시험 모멘트 분포 이상이 되도록 조건을 잡은 후, 공진 현상을 이용하여 블레이드를 일정 진폭으로 목표 사이클(cycle)만큼 진동시켜면 시험이 완료된다. 목표 사이클은 일반적으로 100만에서 500만 회의 사이클 정도로 설정된다.
이와 같은 실규모 피로시험은 예를 들면, 100만 회의 사이클로 플랩방향 시험을 하고, 200만 회의 사이클로 엣지방향 시험을 하는 경우 약 3개월이 소요될 정도로 오랜 기간 동안 진행된다.
도 1은 종래기술에 따른 회전질량을 이용한 풍력터빈 블레이드의 플랩방향 피로시험 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 종래기술에 따른 회전질량을 이용한 엣지방향 피로시험 방법을 설명하기 위한 도면이다.
과거에 주로 제조되었던 소형 블레이드의 경우에는 유압 액추에이터를 이용하여 블레이드에 직접하중을 인가하는 방식으로 피로시험을 수행하였다. 그러나, 블레이드가 점점 대형화되면서 시험의 효율성이 저하되었고, 이를 개선하기 위해 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 회전질량(rotational mass)을 이용한 공진 시험법이 덴마크 국립 에너지 연구소(RISO-DTU)에서 개발되었다. 회전질량을 이용한 피로시험은 도 1에서와 같이 엣지방향이 지면과 평행하도록 블레이드(100a)를 고정장치(200)에 장착한 상태에서 플랩방향 시험을 수행하였다. 그리고, 도 2에서와 같이 엣지방향이 지면과 수직을 이루도록 블레이드(100b)를 90°회전시킨 이후에 엣지방향 시험을 수행하였다.
한편, 플랩방향 시험 또는 엣지방향 시험을 위한 가진기(320, 320')를 블레이드(100)에 장착하게 된다. 이때, 가진기(320, 320')는 블레이드(100)의 표면에 고정되는 고정틀(322, 322')과, 고정틀(322, 322')의 상측에 배치된 모터(324) 및 편심추(326)를 구비하고 있다.
이와 같은 공진 시험법은 편심추(326)의 회전 주파수를 조절하여 가진기(320, 320')를 포함한 전체 블레이드 구조물의 공진 주파수에 접근시키면 공진(resonance) 현상이 유발되고, 이로 인해 편심추(326)를 구동시키는 작은 힘으로 블레이드(100)를 큰 진폭으로 진동시킬 수 있다.
한편, 도 1과 같이 플랩방향으로 시험하는 경우를 예로 들면 블레이드(100a)가 엣지방향으로 가진되는 것을 원하지 않기 때문에, 편심추(326)의 운동 궤적이 블레이드의 플랩방향 및 길이방향이 이루는 평면 상에 위치하도록 한다. 즉, 편심추(326)가 회전하는 면이 지면과 수직을 이루게 된다. 이때, 편심추(326)가 회전운동을 하기 때문에 평면 내에서 관성력이 발생하게 된다.
만약, 편심추(326)의 회전면을 수평으로 위치시키고 블레이드(100a, 100b)를 수평방향으로 시험하는 경우에는 편심추(326)에 작용하는 중력으로 인해 회전축과 편심추 사이에 위치한 지지부에 큰 굽힘하중이 작용하여 가진기(320, 320')의 구조 효율이 저하되고, 이로 인해 편심추(326)의 중량을 증가시켜 큰 가진력을 발생시키기가 어려워진다.
따라서, 종래기술에 따른 회전질량을 이용한 공진 시험법은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 편심추(326)의 회전면을 수직으로 위치시켜 회전축과 회전질량 사이의 지지부에 압축 및 인장만이 발생하도록 하였다. 결과적으로 회전질량을 이용한 공진 시험법은 플랩방향 및 엣지방향 시험 모두 수직방향으로만 피로시험을 수행하게 된다.
도 3은 종래기술에 따른 선형질량을 이용한 플랩방향 피로시험 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 종래기술에 따른 선형질량을 이용한 엣지방향 피로시험 방법을 설명하기 위한 도면이다. 미국의 신재생에너지 연구소(NREL: National Renewable Energy Laboratory)에서는 상술한 바와 같은 회전질량을 이용한 공진 시험법에서 편심추의 회전운동에 의한 평면 내 관성력을 선형 관성력으로 바꾸어줌으로써 원하지 않는 방향으로 가진력이 발생되는 것을 방지할 수 있는 피로시험 방법을 개발하였다. 이 피로시험 방법은 예를 들면 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 블레이드(100a)의 표면에 고정되는 고정틀(342)과, 고정틀(342)의 좌우측 또는 상하측에 배치된 한 쌍의 선형 엑추에이터(344, 344')로 구성된 가진기(340, 340')를 이용한다. 이때, 유압에 의해 작동하는 선형 액추에이터(344, 344')는 질량체를 직선 왕복운동시켜 관성력을 발생시키는 구조를 가지고 있으며, 이와 같은 선형질량(linear mass)의 왕복운동 주파수를 조절하여 전체 블레이드 구조물의 공진 주파수에 접근시키면 공진이 발생하게 된다.
한편, 상기 피로시험 방법은 도 4에 도시된 가진기(340')와 같이 선형 액추에이터(344')가 고정틀(342)에 수평으로 장착될 수 있기 때문에 도 3과 같이 플랩방향으로 피로시험을 수행한 이후에, 도 4와 같이 블레이드(100a)를 90°회전하지 않고서도 엣지방향 피로시험이 가능한 장점이 있다.
또한, 일반적으로 엣지방향 피로시험에서 블레이드(100a)의 진폭이 플랩방향 피로시험에 비해 약 1/4 정도로 작다. 따라서, 다수의 블레이드에 대한 시험을 수행하는 대규모 블레이드 시험동에서는 공간 활용을 최대화하기 위해 도 5에 도시된 바와 같이 블레이드 대변형이 발생되는 방향, 즉 플랩방향을 수직으로 배치시키고, 상대적으로 변형이 작은 엣지방향을 수평으로 배치시켜 다수의 블레이드 고정장치를 최소의 면적에 배치할 수 있도록 공간 활용을 최대화한다. 그리고, 블레이드를 수직방향으로 진동시켜 플랩방향 피로시험을 수행하고, 블레이드를 수평방향으로 진동시켜 엣지방향 피로시험을 수행하고 있다. 또한, 도 5에서 보는 바와 같이 정하중 시험 역시 블레이드에서 큰 변형이 발생하는 방향을 수직방향으로 위치시켜 시험동의 공간 활용을 최대화하고 있다.
즉, 종래기술에 따른 선형질량을 이용한 피로시험 방법은 상기 2가지 이유로 인해 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 블레이드(100a)를 수직방향으로 진동시켜 플랩방향 시험을 수행하고, 수평방향으로 엣지방향 피로시험을 수행해 왔다.
그러나, 상술한 바와 같은 종래기술에 따른 피로시험 방법은 풍력터빈 블레이드의 대형화 추세로 인해 한계에 부닥치고 있다. 최근 개발되고 있는 블레이드는 길이가 약 80m, 자중이 약 35ton에 이르고 있으며, 이와 같은 대형 블레이드에 대한 피로시험을 수행하기 위해서는 플랩방향 15m 내외, 엣지방향 3.5m 내외의 큰 진폭을 갖는 진동이 필요하다.
대형 블레이드의 피로시험을 수행하기 위해서는 아무리 공진을 이용한다 하더라도 블레이드가 진동함에 따라 발생하는 대규모 공기유동에 의한 감쇄(damping)를 극복할 수 있는 큰 가진력이 요구된다. 이러한 공기유동에 의한 감쇄를 줄이고자 도 6에 도시된 바와 같이 블레이드의 표면에 유선형의 페어링(fairing) 장치를 장착하는 방법(미국 공개특허 제2013-0020798호)이 제안된 바 있다.
그러나, 현재 기술은 70m 이상의 대형 블레이드의 경우 페어링을 장착한다 하더라도 기술의 한계에 도달하고 있다. 예를 들면, 기존 선형질량을 이용한 시험 방법을 이용하여 플랩방향으로 500만 회의 사이클, 엣지방향으로 500만 회의 사이클로 피로시험을 수행하는 경우 총 10개월 이상의 기간이 소요되고 있다.
한편, 공진 피로시험 방법에서 시험기간을 단축시키기 위해 가진기의 가진력을 증가시켜서 블레이드의 진폭을 늘리는 방법을 쉽게 생각할 수 있다. 즉, 관성력을 발생시키는 이송질량을 키우고, 이에 맞추어서 가진기의 하중능력(load capacity)을 증가시키는 것이다. 그러나, 이 방법의 경우 액추에이터를 포함한 가진기의 전체 무게를 증가시키기 때문에 블레이드에 장착하는 경우 블레이드의 처짐이 심하게 발생하는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해서는 가진기 전체 무게를 증가시키지 않고서도 블레이드의 가진 효율을 증가시킬 수 있는 방법, 즉 가진기의 하중능력 대비 가진기가 블레이드로 전달하는 가진력의 비율을 크게 개선할 수 있는 획기적인 기술이 필요하다.
미국 공개특허 제2013-0020798호
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 중력에 대한 가진기의 일을 제거하여 작은 하중능력의 가진기로 블레이드를 큰 진폭으로 진동시킴으로써 시험기간을 대폭 단축할 수 있는 수평방향 가진을 이용한 풍력터빈 블레이드의 플랩방향 피로시험 방법 및 2축 공진 피로시험 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여,
블레이드의 엣지방향이 지면과 80도 내지 100도의 각도를 갖도록 블레이드를 고정장치에 고정하여 외팔보 형태로 만드는 제1 단계(S210); 이송질량이 움직이는 선 또는 면이 블레이드의 플랩방향과 -10도 내지 +10도의 각도를 갖는 가진기와, 이송질량이 움직이는 선 또는 면이 블레이드의 엣지방향과 -10도 내지 +10도의 각도를 갖는 가진기를 상기 블레이드의 표면에 장착하는 제2 단계(S220); 및, 상기 가진기들이 상기 전체 블레이드 구조물의 플랩방향 공진 주파수 부근과 엣지방향 공진 주파수 부근에서 상기 블레이드를 각각 진동시키고, 이에 의해 발생되는 블레이드의 동시 공진을 이용하여 시험을 수행하는 제3 단계(S230)를 포함한 수평방향 가진을 이용한 풍력터빈 블레이드의 플랩방향 피로시험 방법이 제공된다.
이때, 상기 제1 단계(S110)는 상기 블레이드의 아웃보드에 위치한 단면의 엣지방향이 지면과 80° 내지 100°를 이루도록 하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 가진기는 직선 왕복운동하는 선형질량을 이용한 가진기일 수 있다. 이와 달리, 상기 가진기는 회전운동하는 회전질량을 이용한 가진기일 수도 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 블레이드의 엣지방향이 지면과 80도 내지 100도의 각도를 갖도록 블레이드를 고정장치에 고정하여 외팔보 형태로 만드는 제1 단계(S210); 이송질량이 움직이는 선 또는 면이 블레이드의 플랩방향과 -10도 내지 +10도의 각도를 갖는 가진기와, 이송질량이 움직이는 선 또는 면이 블레이드의 엣지방향과 -10도 내지 +10도의 각도를 갖는 가진기를 상기 블레이드의 표면에 장착하는 제2 단계(S220); 및, 상기 가진기들이 상기 전체 블레이드 구조물의 플랩방향 공진 주파수 부근과 엣지방향 공진 주파수 부근에서 상기 블레이드를 각각 진동시키고, 이에 의해 발생되는 블레이드의 동시 공진을 이용하여 시험을 수행하는 제3 단계(S230)를 포함하는 풍력터빈 블레이드의 2축 공진 피로시험 방법에 의해서도 달성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풍력터빈 블레이드의 플랩방향 피로시험 방법 및 2축 공진 피로시험 방법은 블레이드의 엣지방향이 지면과 대략 수직(예를 들어, 80도 내지 100도의 각도)을 이루도록 고정장치에 장착하고, 가진기를 블레이드 표면에 장착하여 가진기의 이송질량(moving mass)의 움직임이 유발하는 플랩방향 관성력 성분과 공진 현상을 이용하여 블레이드를 대략 수평방향(예를 들어, -10도 내지 +10도의 각도) 또는 대각방향으로 진동시켜 시험을 수행한다.
이로 인해, 본 발명에 따른 플랩방향 피로시험 방법은 중력에 대한 가진기의 일을 제거함으로써 작은 하중능력을 가진 가진기로 블레이드를 큰 진폭으로 진동시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 시험기간이 10개월 이상 소요되었던 기존 방법에 비해 피로시험의 기간을 3개월 이내로 대폭 단축할 수 있어 피로시험의 효율화 및 이에 따른 경제적 이득을 가져올 수 있다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 회전질량을 이용한 풍력터빈 블레이드의 플랩방향 피로시험 방법을 설명하기 위한 도면이고,
도 2는 종래기술에 따른 회전질량을 이용한 엣지방향 피로시험 방법을 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 종래기술에 따른 선형질량을 이용한 플랩방향 피로시험 방법을 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 종래기술에 따른 선형질량을 이용한 엣지방향 피로시험 방법을 설명하기 위한 도면이고,
도 5는 기존 대규모 블레이드 시험동에서 다수의 블레이드에 대해 정하중시험 및 피로시험을 수행하는 모습의 일례를 보여주는 도면이고,
도 6는 미국 공개특허 제2013-0020798호에 개시된 페어링 장치를 나타내는 도면이고,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풍력터빈 블레이드의 플랩방향 피로시험 방법을 나타내는 흐름도이고,
도 8은 본 발명에 따른 플랩방향 피로시험 방법에 있어서 선형질량을 이용하는 경우를 나타내는 도면이고,
도 9는 본 발명에 따른 플랩방향 피로시험 방법에 있어서 회전질량을 이용하는 경우를 나타내는 도면이고,
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풍력터빈 블레이드의 2축 공진 피로시험 방법을 나타내는 흐름도이고,
도 11은 본 발명에 따른 2축 공진 피로시험 방법을 설명하기 위한 도면이고,
도 12는 블레이드에 페어링 장치를 설치하여 피로시험을 수행하는 것을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 경우에는 그에 대한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 도면부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면에 표시되었다 하더라도 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
(플랩방향 피로시험 방법)
먼저, 도 7 내지 도 9을 참조하여 본 발명에 따른 풍력터빈 블레이드의 플랩방향 피로시험 방법에 대해서 설명한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풍력터빈 블레이드의 플랩방향 피로시험 방법을 나타내는 흐름도이고, 도 8은 본 발명에 따른 플랩방향 피로시험 방법에 있어서 선형질량을 이용하는 경우를 나타내는 도면이고, 도 9는 회전질량을 이용하는 경우를 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 플랩방향 피로시험 방법은 먼저, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 블레이드의 엣지방향이 지면과 대략 수직을 이루도록 블레이드(100b)의 루트(root)를 고정장치(test stand, 200)에 고정하여 외팔보(cantilever beam) 형태로 만든다(S110). 본 발명의 명세서에서 “대략 수직”은 블레이드의 엣지방향이 지면과 이루는 각도가 80도 내지 100도의 범위에 있는 것을 포함한다. 이때, 블레이드(100b)의 팁(tip) 근처의 아웃보드(out board)에 위치한 단면의 엣지방향이 지면과 80° 내지 100°를 이루는 것이 바람직하다.
다음으로, 이송질량이 움직이는 선 또는 면이 블레이드의 플랩방향과 대략 평행을 이루는 가진기(340, 320")를 블레이드(100b)의 표면에 장착한다(S120). 이때, 가진기는 도 8에 도시된 바와 같이 선형질량을 이용한 가진기(340)일 수 있다. 가진기(340)는 블레이드(100b)의 표면에 고정되는 고정틀(342)과, 고정틀(342)에 구비된 선형 액추에이터(344)로 구성될 수 있다. 이때, 선형 액추에이터(344)는 질량체를 대략 수평방향으로 직선 왕복운동시켜 관성력을 발생시키기 위해 유압을 이용할 수도 있다. 본 발명의 명세서에서 “대략 수평” 또는 “대략 평행”은 질량체의 이동선 또는 이동면이 블레이드의 플랩방향과 -10도 내지 +10도의 각도의 범위에 있는 것을 포함한다.
또한, 가진기는 도 9에 도시된 바와 같은 수평면 상에서 회전운동하는 회전질량을 이용한 가진기(320")일 수 있다. 가진기(320")는 고정틀(322), 모터(324") 및 편심추(326")로 구성될 수 있다. 이때, 편심추(326")의 운동 궤적이 지면과 대략 평행한 수평면 상에 위치한다.
한편, 가진기(340, 320")는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 블레이드(100b)의 일 위치에 1개 설치되어 한 곳에 하중을 가할 수 있으며(single point loading), 이와 달리 블레이드(100b)의 여러 위치에 분산 배치되어 여러 곳에 하중을 가할 수도 있다(multi-point loading). 또한, 블레이드에 가해지는 굽힘하중 분포를 조절하기 위한 추가질량(미도시)이 블레이드(100b)에 장착될 수도 있다.
마지막으로, 가진기(340, 320")가 전체 블레이드 구조물의 공진 주파수 부근에서 블레이드(100b)를 대략 수평방향으로 진동시켜 시험을 수행하게 된다(S130). 이때, 선형질량을 이용한 가진기(340)의 경우에는 선형질량의 왕복운동 주파수를 조절하여 전체 블레이드 구조물의 공진 주파수에 접근시켜 일치시킴으로써 공진이 일어나도록 한다. 그리고, 회전질량을 이용한 가진기(320")의 경우에는 편심추(326")의 회전 주파수를 조절하여 블레이드 구조물의 공진 주파수에 접근시키게 된다.
구체적으로, 가진기(340, 320")의 가진력의 크기를 조절하여 외팔보의 진동에 의해 발생되는 굽힘 모멘트 분포가 목표 시험 모멘트 분포 이상이 되도록 조건을 잡은 후, 공진 현상을 이용하여 블레이드를 일정 진폭으로 목표 사이클만큼 진동시키면 시험이 완료된다.
상기 단계들을 거쳐 수행되는 본 발명에 따른 플랩방향 피로시험 방법은 선형질량과 회전질량과 같은 이송질량의 움직임이 유발하는 플랩방향 관성력을 이용하여 블레이드(100b)를 대략 수평방향으로 진동시킨다. 이때, 본 발명은 중력에 대한 가진기의 일이 제거함으로써 작은 하중능력을 가진 가진기(340, 320")로 블레이드(100b)의 진폭을 증대시킬 수 있고, 이로 인해 블레이드(100b)의 시험기간을 대폭 단축할 수 있다.
이하, 종래기술에 따른 플랩방향 피로시험 방법과 비교하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
기존 수직방향으로 수행되는 선형질량을 이용한 플랩방향 피로시험 방법에 있어서 가진기(340)의 선형 액추에이터(344)가 받게 되는 힘은 선형질량에 의한 관성력, 블레이드의 수직방향 왕복운동에 의한 관성력 및 중력의 3가지 성분으로 구성된다. 피로시험은 공진 현상을 이용하기 때문에 액추에이터(344)의 직선 왕복운동과 블레이드(100b)의 직선 왕복운동은 90°의 위상차(phase difference)가 발생한다. 이때, 액추에이터(344)의 왕복운동이 선행하고 블레이드(100b)의 왕복운동이 후행한다. 예를 들면, 선형 액추에이터가 코사인(cosine) 함수로 움직이는 경우 블레이드는 사인(sine) 함수로 움직이게 된다. 따라서, 두 함수의 합성함수가 최대값을 가지는 위치에서 최대 관성력이 발생하며, 여기에 중력을 더하게 되면 액추에이터(344)가 받는 최대 하중이 얻어지게 된다.
상술한 3가지 성분의 힘 중에서 블레이드(100b)를 가진시키는데 사용되는 가진력은 선형질량의 직선 왕복운동에 의한 관성력 한가지이다. 예를 들면, 시험의 공진 주파수가 0.5Hz이고, 가진기(340)의 장착위치에서의 블레이드 진폭이 1m이고, 액추에이터(344)의 스트로크가 ±0.3m라고 가정하면 기존 플랩방향 피로시험 방법에서는 액추에이터가 받는 최대 하중의 약 14.7%만이 가진력으로 사용된다.
한편, 위와 동일한 조건에서 도 8에 도시된 바와 같이 수평방향으로 수행되는 본 발명에 따른 플랩방향 피로시험 방법은 상기 3가지 성분의 힘 중에서 중력이 선형 액추에이터(344)에 구비된 베어링에 작용하는 마찰력으로 치환된다. 이때, 베어링의 마찰계수를 0.05라고 가정하면 블레이드(100b)를 가진시키기 위한 가진력은 액추에이터가 받는 최대하중의 27.4%로 약 2배 가까이 가진효율이 상승하게 된다.
따라서, 플랩방향 피로시험을 기존 수직방향으로 수행하던 것에서 수평방향으로 수행하는 것으로 변경하는 것만으로 동일 용량의 액추에이터를 사용하여 약 2배 가까이 가진력을 증대시킬 수 있는 것이다.
IEC TS 61400-23의 국제표준을 따라 수행되는 대형 풍력터빈 블레이드의 피로시험에서 수명 곡선(S-N curve)의 경사 파라미터(slope parameter)를 나타내는 m값은 10을 사용하는 것이 일반적이며, 이는 500만 사이클을 100만 사이클로 단축시키기 위해서는 약 15%의 추가 가진력이 필요하다는 것을 의미한다. 따라서, 2배 가까이 가진력을 증대시킬 수 있다는 것은 시험기간을 획기적으로 단축시킬 수 있다는 것을 의미한다.
예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같이 3개의 블레이드 고정장치를 이용하여 3개의 블레이드를 동시에 수직방향으로 500만 사이클로 플랩방향 피로시험을 수행하는 것보다, 동일한 공간에서 1개의 블레이드 고정장치만을 이용하여 블레이드를 한번에 하나씩 수평방향으로 100만 사이클로 피로시험을 수행하는 것이 전체 시험기간을 약 3/5으로 단축시킬 수 있는 보다 효율적인 방법이 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 기존 수직방향의 피로시험 방법보다 높은 가진력으로 충분한 진폭을 구현할 수 있기 때문에 대형 블레이드의 형태 및 크기 등에 따라 시험기간을 1/2에서 1/10까지도 단축할 수 있다.
(2축 공진 피로시험 방법)
이하, 도 10 및 도 11을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풍력터빈 블레이드의 2축 공진 피로시험 방법에 대하여 설명한다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풍력터빈 블레이드의 2축 공진 피로시험 방법을 나타내는 흐름도이고, 도 11은 본 발명에 따른 2축 공진 피로시험 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 2축 공진(dual-axis resonance) 피로시험 방법은 먼저, 도 11에 도시된 바와 같이 블레이드의 엣지방향이 지면과 대략 수직을 이루도록 블레이드(100b)의 루트를 고정장치(200)에 고정하여 외팔보 형태로 만든다(S210). 이 단계는 앞서 설명한 플랩방향 피로시험 방법의 제1 단계(S110)와 동일하다.
다음으로, 이송질량이 움직이는 선 또는 면이 블레이드의 플랩방향과 대략 평행을 이루는 가진기(340")와, 이송질량이 움직이는 선 또는 면이 블레이드의 엣지방향과 대략 평행을 이루는 가진기(340"')를 블레이드(100b)의 표면에 장착한다(S210). 이때, 가진기(340", 340"')는 도 11에 도시된 바와 같이 선형질량을 이용한 가진기일 수 있으며, 이와 달리 회전질량을 이용한 가진기일 수도 있다. 또한, 블레이드에 가해지는 굽힘하중 분포를 조절하기 위한 추가질량(미도시)을 블레이드(100b)에 장착할 수도 있다.
마지막으로, 상기 가진기들(340", 340"')이 전체 블레이드 구조물의 플랩방향 공진 주파수 부근과 엣지방향 공진 주파수 부근에서 블레이드(100b)를 각각 진동시켜 시험을 수행하게 된다(S230). 즉, 본 발명에 따른 2축 공진 피로시험 방법은 블레이드를 엣지방향으로 가진시키는 가진기(340"')를 이용함으로써 2 방향의 가진이 동시에 발생한다는 점에서 앞서 설명한 플랩방향 피로시험 방법과 차이가 날뿐이고, 다른 부분은 동일한 작용 및 효과를 가지므로 중복된 설명은 생략하기로 한다.
도 12는 블레이드에 페어링 장치를 설치하여 피로시험을 수행하는 것을 나타내는 도면이다. 한편, 본 발명에 따른 플랩방향 피로시험 방법은 도 12에 도시된 바와 같이 블레이드(100b)에 페어링 장치(F)를 장치를 장착하여 피로시험시 발생하는 공기유동에 의한 감쇄를 줄여서 블레이드(100b)의 진폭을 더욱 증대시킬 수 있다. 이때, 본 실시예에 따른 페어링 장치(F)는 스티로폼과 같은 경량 소재를 이용하고, 대략 수평방향으로 진동하는 블레이드(100b)를 중심으로 좌우 대칭인 유선형의 단면을 가진다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
100a, 100b : 블레이드
200 : 고정장치
320, 320', 320": 회전질량을 이용한 가진기
322, 322', 322" : 고정틀
324, 324" : 모터
326, 326" : 편심추
340, 340', 340" : 선형질량을 이용한 가진기
342, : 고정틀
344, 344' : 선형 액추에이터
F : 페어링 장치

Claims (5)

  1. 블레이드의 진폭을 증대시켜 시험기간을 단축하기 위한 풍력터빈 블레이드의 플랩방향 피로시험 방법으로서,
    블레이드의 엣지방향이 지면과 80도 내지 100도의 각도를 갖도록 블레이드를 고정장치에 고정하여 외팔보 형태로 만드는 제1 단계(S110);
    이송질량이 움직이는 선 또는 면이 블레이드의 플랩방향과 -10도 내지 +10도의 각도를 갖도록 가진기를 상기 블레이드의 표면에 장착하는 제2 단계(S120); 및
    상기 가진기가 전체 블레이드 구조물의 공진 주파수 부근에서 상기 블레이드를 -10도 내지 +10도의 각도를 이루도록 진동시켜 시험을 수행하는 제3 단계(S130)를 포함한 수평방향 가진을 이용한 풍력터빈 블레이드의 플랩방향 피로시험 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단계(S110)는 상기 블레이드의 아웃보드에 위치한 단면의 엣지방향이 지면과 80° 내지 100°를 이루도록 하는 것을 특징으로 하는 수평방향 가진을 이용한 풍력터빈 블레이드의 플랩방향 피로시험 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가진기는 직선 왕복운동하는 선형질량을 이용한 가진기인 것을 특징으로 하는 수평방향 가진을 이용한 풍력터빈 블레이드의 플랩방향 피로시험 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가진기는 회전운동하는 회전질량을 이용한 가진기인 것을 특징으로 하는 수평방향 가진을 이용한 풍력터빈 블레이드의 플랩방향 피로시험 방법.
  5. 블레이드의 진폭을 증대시켜 시험기간을 단축하기 위한 풍력터빈 블레이드의 2축 공진 피로시험 방법으로서,
    블레이드의 엣지방향이 지면과 80도 내지 100도의 각도를 갖도록 블레이드를 고정장치에 고정하여 외팔보 형태로 만드는 제1 단계(S210);
    이송질량이 움직이는 선 또는 면이 블레이드의 플랩방향과 -10도 내지 +10도의 각도를 갖는 가진기와, 이송질량이 움직이는 선 또는 면이 블레이드의 엣지방향과 -10도 내지 +10도의 각도를 갖는 가진기를 상기 블레이드의 표면에 장착하는 제2 단계(S220); 및
    상기 가진기들이 상기 전체 블레이드 구조물의 플랩방향 공진 주파수 부근과 엣지방향 공진 주파수 부근에서 상기 블레이드를 각각 진동시키고, 이에 의해 발생되는 블레이드의 동시 공진을 이용하여 시험을 수행하는 제3 단계(S230)를 포함하는 풍력터빈 블레이드의 2축 공진 피로시험 방법.
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