KR20160082921A - 가속도 제어 기반의 공진 피로 시험 방법 및 장치 - Google Patents

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윤순호
강민규
이학구
이우경
김경덕
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 블레이드 가진기의 구동을 제어하는 방식으로 기존의 변위 신호 기반의 제어 방식을 탈피하여 가속도 신호 기반의 제어 방식을 구현한다. 본 발명의 실시예에 따른 시험 대상물의 공진 피로 시험 방법은 시험 대상물의 제1 단부를 고정한 후, 시험 대상물의 제1 단부와 제2 단부의 사이에 가진기를 설치한다. 이후, 가진기에 가진력을 인가하여 가진기를 구동하며, 시험 대상물을 기준으로 가진기의 이송질량의 상대 운동을 표현하는 가속도 신호를 수신하여 가진기의 구동을 제어한다.

Description

가속도 제어 기반의 공진 피로 시험 방법 및 장치 {Method and apparatus for resonance fatigue test based on acceleration control}
본 발명은 풍력 터빈 블레이드 등의 시험 대상물에 대한 공진 피로 시험에 관한 것이다.
풍력 터빈 블레이드는 풍력 발전기의 가장 특징적인 요소로서, 블레이드 성능에 의하여 전체 시스템의 성능과 수명이 결정된다고 해도 과언이 아니다. 최근의 MW급 블레이드는 길이가 수십 미터에 이르며 무게가 십 톤이 넘는 대형 구조물로서 구동 중 받게 되는 다양한 하중 조건을 고려하여 설계되어야 하고 시험을 통해 검증되어야 한다.
블레이드의 시험은 블레이드의 강도와 강성이 요구되는 설계하중을 충분히 견딜 수 있다는 것을 입증하기 위한 정하중 시험(static test)과, 설계수명 동안 받게 되는 피로하중에 대하여 블레이드의 내구성을 검증하기 위한 피로 시험(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.
일반적으로 풍력 터빈 블레이드의 피로 시험은 도 1에 도시된 바와 같은 피로 시험 장치(100)를 통해 이루어진다. 즉, 블레이드(110)의 루트(root)를 고정 장치(120, test stand)에 고정하여 외팔보(cantilever beam) 형태로 만들고, 가진기(130, exciter)와 같은 하중 부가 장치를 설치하여 블레이드(110)에 반복적인 힘을 인가함으로써 외팔보에 진동을 유발시키는 방식으로 이루어진다.
이때, 가진력의 크기를 조절하여 외팔보의 진동에 의해 발생되는 굽힘 모멘트(bending moment) 분포가 타겟(target) 굽힘 모멘트 분포 이상이 되도록 조건을 잡은 후, 공진 현상을 이용하여 블레이드를 일정 진폭으로 목표 사이클(cycle)만큼 진동시키면 시험이 완료된다. 목표 사이클은 일반적으로 100만에서 500만 회 정도로 설정되는데, 예를 들어 실규모 피로 시험은 100만 회의 사이클로 플랩방향(flapwise) 시험을 하고 200만 회의 사이클로 에지방향(edgewise) 시험을 하는 경우 약 3개월의 오랜 기간이 소요된다.
또한, 피로 시험은 강제변위 시험(forced-displacement testing)과 공진 시험(resonance testing)의 2가지 유형으로 분류되며, 요구되는 큰 변위를 제공할 수 있다는 점에서 공진 시험이 최근 주목받고 있다. 공진 시험은 가진기를 제어하여 전체 블레이드 구조물의 공진 주파수에 접근시킴으로써 공진이 발생하도록 하는 것으로, 작은 구동력으로도 블레이드를 큰 진폭으로 진동시킬 수 있으므로 피로 시험에 필요한 에너지를 크게 감소시킬 수 있다.
또한, 피로 시험은 블레이드를 플랩방향(flapwise)으로 가진시키는 플랩방향 시험과, 에지방향(edgewise)으로 가진시키는 에지방향 시험이 있다. 이 둘을 분리하여 각각 수행하는 것이 단축(single-axis) 시험이며, 동시에 수행하는 것이 2축(dual-axis) 시험이다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같은 종래의 공진 피로 시험에서는 가진기(130)의 스트로크(stroke) 제어 시, 제어신호의 파형과 실제 구현되는 파형 사이에 에러가 존재한다. 일반적으로 종래의 공진 피로 시험에서는 변위(displacement) 신호 기반의 제어 방식을 적용하고 있으나, 이러한 방식은 에러의 정밀한 검출 및 블레이드 응답특성의 정확한 해석이 어렵다는 문제점이 있다. 이에 대해서는 뒤에서 좀 더 자세히 설명한다.
1. 한국등록특허 제10-1438801호, 블레이드 피로 시험용 안착장치 및 이의 설치방법 2. 한국등록특허 제10-1418322호, 이송질량의 비를 최대화한 블레이드 피로 시험용 공진발생장치 및 이를 이용한 피로 시험 방법 3. 한국등록특허 제10-1482975호, 사이드로드를 감소시킨 블레이드 피로 시험용 공진발생장치 4. 미국등록특허 제8,621,934호, Dual-axis Resonance Testing of Wind Turbine Blades 5. 미국등록특허 제8,505,387호, Apparatus and Method for Applying a Cyclical Load to an Elongate Specimen
본 발명은 블레이드 가진기의 구동을 제어하는 방식으로서 기존의 변위 신호 기반의 제어 방식을 탈피하여 가속도 신호 기반의 제어 방식을 구현하기 위한 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 시험 대상물의 공진 피로 시험 방법은 (a) 상기 시험 대상물의 제1 단부를 고정하는 단계; (b) 상기 시험 대상물의 상기 제1 단부와 상기 제1 단부의 반대쪽인 제2 단부의 사이에 가진기를 설치하는 단계; (c) 상기 가진기에 가진력을 인가하여 상기 가진기를 구동하는 단계; 및 (d) 상기 시험 대상물을 기준으로 상기 가진기의 이송질량의 상대 운동을 표현하는 가속도 신호를 수신하여 상기 가진기의 구동을 제어하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 공진 피로 시험 방법에 있어서, 상기 가속도 신호는 상기 시험 대상물의 서로 다른 위치에 설치된 제1 가속도계 및 제2 가속도계로부터 각각 측정된 제1 가속도 신호와 제2 가속도 신호일 수 있다.
이 경우, 상기 제1 가속도계와 상기 제2 가속도계는 상기 시험 대상물의 상기 제1 단부로부터 동일한 거리에 설치될 수 있다. 아울러, 상기 (d) 단계는 상기 제1 가속도 신호와 상기 제2 가속도 신호의 차이가 사인곡선(sinusoidal)이 되도록 상기 가진기의 구동을 제어하는 단계일 수 있고, 또한 상기 (d) 단계는 상기 제1 가속도 신호와 상기 제2 가속도 신호의 차이에 의한 파형을 푸리에 변환하고 제1 주기의 고조파 성분을 제외한 나머지 주기의 고조파 성분을 제거하는 단계일 수 있다.
상기 공진 피로 시험 방법에 있어서, 상기 (c) 단계는 중력 방향 또는 상기 시험 대상물의 시험 방향 중의 어느 한 방향과 평행한 변위 경로를 따라 상기 가진기를 구동하는 단계일 수 있다.
상기 공진 피로 시험 방법에 있어서, 상기 (b) 단계는 상기 시험 대상물의 좌우 양측에 각각 상기 가진기를 설치하는 단계일 수 있다. 이 경우, 상기 (c) 단계는 중력 방향 또는 상기 시험 대상물의 시험 방향 중의 어느 한 방향과 평행한 제1 변위 경로를 따라, 상기 시험 대상물의 좌우 양측에 각각 설치된 상기 가진기를 구동하는 단계일 수 있다. 또한, 상기 (c) 단계는 상기 시험 대상물의 좌우 양측에 각각 설치된 상기 가진기 중 하나를 제1 변위 경로를 따라 구동하고, 다른 하나를 상기 제1 변위 경로와 평행하지 않은 제2 변위 경로를 따라 구동하는 단계일 수 있다.
상기 공진 피로 시험 방법에 있어서, 상기 (b) 단계는 상기 시험 대상물의 좌우 양측 중 적어도 한 곳 및 상기 시험 대상물의 상하 양측 중 적어도 한 곳에 각각 상기 가진기를 설치하는 단계일 수 있다. 이 경우, 상기 (c) 단계는 상기 시험 대상물의 좌우 양측 중 적어도 한 곳에 설치된 상기 가진기를 중력 방향 또는 상기 시험 대상물의 시험 방향 중의 어느 한 방향과 평행한 변위 경로를 따라 구동하고, 상기 시험 대상물의 상하 양측 중 적어도 한 곳에 설치된 상기 가진기를 상기 중력 방향 또는 상기 시험 대상물의 시험 방향 중의 어느 한 방향과 직각인 변위 경로를 따라 구동하는 단계일 수 있다.
상기 공진 피로 시험 방법에 있어서, 상기 시험 대상물은 풍력 터빈 블레이드, 교량, 빌딩, 요트 돛대, 및 진동이 발생 가능한 구조물 중의 어느 하나일 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 시험 대상물의 공진 피로 시험 방법은 (a) 상기 시험 대상물의 제1 단부를 고정하는 단계; (b) 상기 시험 대상물의 상기 제1 단부와 상기 제1 단부의 반대쪽인 제2 단부의 사이에 가진기를 설치하는 단계; (c) 상기 가진기에 구동신호를 인가하여 상기 가진기를 구동하는 단계; 및 (d) 상기 시험 대상물의 가속도 신호를 수신하여 상기 가진기의 구동을 제어하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 시험 대상물의 공진 피로 시험 장치는 상기 시험 대상물의 제1 단부를 고정하는 고정 장치; 상기 시험 대상물의 상기 제1 단부와 상기 제1 단부의 반대쪽인 제2 단부의 사이에 설치되며 상기 시험 대상물에 반복적인 힘을 인가하여 진동을 유발시키는 가진기; 상기 가진기와 전기적으로 연결되며 상기 가진기에 구동신호를 인가하는 컨트롤러; 상기 시험 대상물의 상기 제1 단부로부터 동일한 거리에서 상기 시험 대상물의 서로 다른 위치에 각각 설치되며 각각 제1 가속도 신호와 제2 가속도 신호를 측정하는 제1 가속도계와 제2 가속도계; 및 상기 제1 가속도계와 상기 제2 가속도계로부터 각각 상기 제1 가속도 신호와 상기 제2 가속도 신호를 수신하여 상기 제1 가속도 신호와 상기 제2 가속도 신호의 차이가 사인곡선(sinusoidal)이 되도록 상기 컨트롤러에 상기 구동신호를 제공하는 프로세서를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 블레이드 가진기의 스트로크 제어 시, 제어신호의 파형과 실제 구현되는 파형 사이에 발생하는 에러의 정확한 검출이 가능하며 블레이드 응답특성의 정확한 해석이 가능하므로, 보다 효율적이고 신뢰성 있는 피로 시험을 수행할 수 있다.
도 1은 일반적인 공진 피로 시험 장치의 개략도이다.
도 2는 블레이드 구동 시 가진기 이송질량의 상승 동작 및 하강 동작을 보여주는 도면이다.
도 3은 가진기의 스트로크 제어 시 제어신호의 변위 파형과 측정신호의 변위 파형을 보여주는 그래프이다.
도 4는 가진기 스트로크에 따른 변위, 속도, 가속도 파형을 보여주는 그래프이다.
도 5는 도 4에 도시된 변위 파형의 푸리에 변환 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 도 4에 도시된 가속도 파형의 푸리에 변환 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 블레이드의 응답 특성을 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 공진 피로 시험 장치의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 공진 피로 시험 방법의 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 공진 피로 시험 장치에서 블레이드에 설치된 가진기를 보여주는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 공진 피로 시험 장치의 가진기의 세부 구성을 보여주는 사시도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진 피로 시험 장치의 가진기의 세부 구성을 보여주는 사시도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 여기에 개시된 실시예들로 한정하여 해석되지 않아야 할 것이다. 개시된 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범위를 충분히 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 발명의 원리 및 특징들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 매우 다양한 실시예들에서 적용될 수 있을 것이다.
또한, 실시예들을 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 잘 알려져 있거나 본 발명과 직접 관련이 없는 사항에 대해서는 본 발명의 핵심을 흐리지 않고 명확히 전달하기 위하여 설명을 생략할 수 있다. 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 첨부 도면을 통틀어 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조번호를 부여한다.
기술 용어들 및 과학 용어들을 비롯하여 여기에 사용된 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 한편, 단수 형태로 기재되더라도, 문맥상 명백히 다르게 지시하지 않는 한, 복수 형태를 포함하는 것이다.
도 2는 블레이드 구동 시 가진기 이송질량의 상승 동작 및 하강 동작을 보여주는 도면이다. 또한, 도 3은 가진기의 스트로크 제어 시 제어신호의 변위 파형과 측정신호의 변위 파형을 보여주는 그래프이다. 또한, 도 4는 가진기 스트로크에 따른 변위, 속도, 가속도 파형을 보여주는 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 풍력 블레이드의 구동 시에는 가진기 이송질량(moving mass)의 상승 동작과 하강 동작에서 중력의 영향에 의해 블레이드에 작용하는 합력이 달라진다.
이에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 가진기의 스트로크(stroke) 제어 시, 제어신호의 파형(적색, 사인파)과 실제 구현되는 측정신호의 파형(흑색) 사이에는 에러가 존재하게 된다. 이러한 에러는 가진기의 최대 능력(capability)에 근접할수록 심해지게 된다.
즉, 도 2에 나타난 바와 같이, 가진기 이송질량의 상승 시에는 이송질량의 가속도와 중력가속도 방향이 동일하기 때문에 가진기에는 보다 많은 능력이 요구되지만, 이송질량의 하강 시에는 이송질량의 가속도와 중력가속도 방향이 상반되기 때문에 가진기에 요구되는 능력이 작아진다. 이러한 영향으로, 도 3에서 보는 바와 같이, 파형 상승 시의 구현 파형은 제어 파형(사인파)보다 늦게 상승하게 되며, 파형 하강 시의 구현 파형은 제어 파형보다 빠르게 하강하게 된다.
이러한 약간의 변위 에러를 가속도에서 보게 되면, 도 4에 도시된 바와 같이, 사인파에서 심각하게 왜곡된 가속도 파형이 발생하는 것을 볼 수 있다. 도 4의 변위 파형과 가속도 파형에 대하여 푸리에 변환(FFT; Fast Furrier Transform)을 수행한 결과가 도 5 및 도 6에 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 왜곡된 가속도 파형에 대해서 푸리에 변환을 수행할 경우, 1, 3, 5, … 주기의 고조파(harmonic) 성분들이 나오는 것을 알 수 있다. 이러한 고조파 성분들 중에서 1주기 성분은 피로 시험 셋업(setup) 상태의 블레이드가 가지는 제1 공진주파수의 제1 모드 형상(mode shape)을 발생시키나, 3, 5, … 주기의 고조파 성분들은 원하지 않는 다른 모드 형상들을 발생시키게 된다.
도 7은 왜곡된 가속도 파형에 의해서 제1 모드 형상 이외의 다른 모드 형상들이 함께 가진되기 때문에 발생되는 바람직하지 않는 블레이드의 응답 특성을 보여준다.
이상 설명한 바와 같은 현상이 2축 피로 시험에서 발생하여 측정 파형이 왜곡될 경우, 블레이드의 플랩방향(flapwise)과 에지방향(edgewise) 사이의 상호 간섭에 의해 발생하는 복잡한 계측 신호로부터 원하는 물리량을 추출해내는 것 자체가 불가능해진다. 따라서 정확한 피로 시험(특히, 2축 피로 시험)을 수행하기 위해서는 가속도 기반 제어가 이루어져야 한다.
본 발명은 공진 피로 시험에서의 가속도 기반 제어를 위한 것이며, 특히 블레이드 가속도계 신호와 가진기 가속도계 신호의 차이가 사인곡선(sinusoidal)이 되도록 제어하는 것이 특징이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 공진 피로 시험 장치 및 방법에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 공진 피로 시험 장치(100)의 개략도이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 공진 피로 시험 방법의 흐름도이다.
도 8과 도 9를 참조하면, 공진 피로 시험 장치(100)는 풍력 터빈 블레이드(110)와 같은 시험 대상물의 공진 피로 시험을 수행하기 위한 장치이다. 본 실시예의 시험 대상물은 풍력 터빈 블레이드이지만, 이는 예시를 위한 것일 뿐, 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다. 본 발명의 다른 실시예들에서 시험 대상물은 교량, 빌딩, 요트 돛대 등 진동이 발생 가능하고 피로 시험을 실시할 수 있는 모든 구조물들이 될 수 있다.
블레이드(110)는 루트(root)로 지칭되는 제1 단부(112)가 고정 장치(120, test stand)에 고정되어 외팔보(cantilever beam) 형태를 이룬다. 제1 단부(112)의 반대쪽인 블레이드(110)의 제2 단부(114)는 팁(tip)으로 지칭된다.
블레이드(110)의 제1 단부(112)와 제2 단부(114) 사이에는 가진기(130, exciter)가 설치된다. 가진기(130)는 후술하는 컨트롤러(156)의 제어에 따라 블레이드(110)에 반복적인 힘을 인가함으로써 블레이드(110)의 진동을 유발한다. 도 8에서 가진기(130)는 개략적으로 도시되었으며, 가진기(130)의 유형이나 세부 구조가 본 발명을 한정하지는 않는다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 공진 피로 시험 장치에서 블레이드에 설치된 가진기를 보여주는 사시도이고, 도 11과 도 12는 본 발명의 두 가지 실시예에 따른 공진 피로 시험 장치의 가진기의 세부 구성을 각각 보여주는 사시도이다.
실시예들에 따르면, 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 가진기(130)는 크게 결합부(10), 작동부(20), 연결부(30)로 구성된다. 가진기(130), 결합부(10), 작동부(20)는 각각 공진발생장치, 안착수단, 공진발생수단으로 지칭될 수도 있다.
가진기(130)의 결합부(10)는 가진기(130)를 블레이드(110)에 결합시키는 부위이다. 즉, 결합부(10)는 블레이드(110)의 횡단면과 동일 형상의 관통부를 구비하며 블레이드(110)가 관통부를 통과하는 상태로 블레이드(110)에 결합된다.
가진기(130)의 작동부(20)는 결합부(10)에 대하여(즉, 블레이드(110)에 대하여) 직선 왕복운동을 하여 블레이드(110)에 공진을 발생시키는 부위로서, 액추에이터(22, actuator)와 유량제어기(24)와 중량체(W, weight)를 구비한다. 액추에이터(22)는 로드(22a)와 몸체(22b)로 구성되며, 몸체(22b)에 결합된 유량제어기(24)의 제어에 따라 로드(22a)의 길이가 변동된다.
가진기(130)의 연결부(30)는 결합부(10)와 작동부(20)를 연결시키는 부위이다.
도 11과 도 12에 도시된 가진기(130)의 세부 구성 및 작동 방식은 다소 차이가 있다.
먼저 도 11에 도시된 실시예의 경우, 액추에이터 몸체(22b)가 결합부(10)에 연결되어 고정된다. 액추에이터 로드(22a)의 상하단에 사각 프레임이 체결되며, 이 프레임의 좌우 양측에 중량체(W)가 장착된다. 따라서 액추에이터 로드(22a)의 길이 변동에 따라 사각 프레임과 중량체(W)가 상하로 왕복운동을 한다. 이러한 왕복운동에 의한(즉, 스트로크에 의한) 가진력에 의하여 블레이드(110)가 진동하게 된다. 이 실시예의 경우, 상하로 동작하는 사각 프레임과 중량체를 통틀어 이송질량(moving mass)이라 지칭할 수 있다. 공진 피로 시험은 이러한 이송질량의 왕복운동 주파수를 조절함으로써 전체 블레이드 구조물의 공진 주파수에 접근시켜 공진이 발생하도록 하는 방식이다.
또한, 도 12에 도시된 실시예의 경우, 액추에이터 로드(22a)의 상하단에 체결된 프레임이 결합부(10)에 연결되어 고정된다. 중량체(W)는 프레임이 아닌 액추에이터 몸체(22a)에 장착된다. 즉, 이 실시예의 경우, 액추에이터 로드(22a)의 길이 변동에 따라 액추에이터 몸체(22a)가 상하로 왕복운동을 하며, 몸체(22a)에 결합된 유압제어기(24)와 중량체(W)도 함께 왕복운동을 한다. 따라서 이송질량은 액추에이터 몸체(22b), 유량제어기(24), 중량체(W)가 된다.
한편, 가진기(130)는 블레이드(110)의 좌우 양측에 설치될 수 있다. 가진기(130)가 좌우 양측에 설치된다는 의미는 이송질량이 블레이드(110)의 좌우 양측에 배치되는 것으로 충분하며, 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이 가진기(130) 자체는 하나의 구조물로 이루어질 수 있다. 블레이드(110)의 좌우 양측에 설치된 가진기(130)는 블레이드(110)에 플랩방향(도 8의 132, flapwise)의 가진력을 제공한다.
또한, 가진기(130)는 블레이드(110)의 상하 양측에 설치될 수 있다. 가진기(130)가 상하 양측에 설치된다는 의미는 이송질량이 블레이드(110)의 상하 양측에 배치되는 것으로 충분하며, 도 12에 도시된 바와 같이 가진기(130) 자체는 하나의 구조물로 이루어질 수 있다. 블레이드(110)의 상하 양측에 설치된 가진기(130)는 블레이드(110)에 에지방향(도 8의 134, edgewise)의 가진력을 제공한다. 도 12의 가진기(130)는 이송질량이 블레이드(110)의 상하 양측 뿐 아니라 좌우 양측에도 배치된 형태를 보여준다. 도 11의 경우, 블레이드(110)의 좌우 양측에만 이송질량이 배치된 형태를 예시하고 있으나, 이 경우에도 상하 양측 이송질량을 더 구비할 수 있다.
도 12의 경우에는 블레이드(110)의 좌우에 설치된 가진기와 상하에 설치된 가진기가 하나로 통합된 형태의 구조물로 구현된 예를 보여주고 있으나, 좌우로 설치된 가진기와 상하로 설치된 가진기가 별도의 구조물로 형성되어 블레이드(110)의 서로 다른 위치에 설치될 수도 있다.
다시 도 8과 도 9를 참조하면, 블레이드(110)에는 적어도 두 개의 가속도계(140, accelerometer)들이 설치된다. 도면이 복잡해지는 것을 피하기 위해 도 8에는 하나의 가속도계(140)만 도시되었으나, 가속도계(140)는 블레이드(110)에 설치되는 적어도 하나의 제1 가속도계와 가진기(130)에 설치되는 적어도 하나의 제2 가속도계로 이루어질 수 있다. 가속도계(140)는 블레이드(110)의 진동 및 가진기(130) 이송질량의 스트로크에 의하여 발생하는 물리량(즉, 가속도 신호)을 측정하여 프로세서(152)로 피드백한다. 제1 가속도계와 제2 가속도계는 블레이드(110)의 서로 다른 위치(즉, 블레이드와 가진기)에 설치되지만, 블레이드(110)의 제1 단부(112)로부터 동일한 거리에 설치되는 것이 바람직하다.
공진 피로 시험은 제어 시스템(150)에 의해 이루어진다. 제어 시스템(150)은 프로세서(152), 메모리(154), 컨트롤러(156)를 포함한다.
프로세서(152)는 가속도계(140)로부터 가속도 신호를 수신하며, 수신한 가속도 신호가 블레이드(110)를 기준으로 가진기(130) 이송질량의 상대 운동을 표현하도록 처리하고, 처리된 신호를 메모리(154)에 저장하며 컨트롤러(156)에 제공한다. 예컨대, 프로세서(152)는 제1 가속도계와 제2 가속도계로부터 각각 제1 가속도 신호와 제2 가속도 신호를 수신할 수 있으며, 제1 가속도 신호와 제2 가속도 신호의 차이가 사인곡선(sinusoidal)이 되도록 처리하여 구동신호를 생성할 수 있다. 이 경우, 프로세서(152)는 제1 가속도 신호와 제2 가속도 신호의 차이에 의한 파형을 푸리에 변환하고 제1 주기의 고조파 성분을 제외한 나머지 주기의 고조파 성분을 제거하여 제1 가속도 신호와 제2 가속도 신호의 차이가 사인곡선이 되도록 처리할 수 있다.
메모리(154)는 공진 피로 시험을 위한 조건들과 데이터를 저장한다. 예컨대, 시험조건은 블레이드(110)의 진동에 의해 발생하는 굽힘 모멘트(bending moment) 분포가 타겟 굽힘 모멘트 분포 이상이 되도록 하는 조건일 수 있다. 메모리(154)에 저장된 데이터는 예를 들어 피로 시험의 목표 사이클, 블레이드의 공진 주파수, 타겟 모멘트 하중, 프로세서(152)에 의하여 추출된 모멘트 하중 등이며, 각각의 데이터는 플랩방향과 에지방향에 따라 서로 다를 수 있다.
컨트롤러(156)는 가진기(130)와 전기적으로 연결되며 가진기(130)에 구동신호를 인가하여 가진력을 발생시킨다. 즉, 컨트롤러(156)는 프로세서(152)에 의하여 처리되고 메모리(154)에 저장된 구동신호(즉, 제어신호)를 가진기(130)에 인가하여 블레이드(110)를 일정 진폭으로 목표 사이클만큼 진동시킨다. 2축 시험의 경우, 컨트롤러(156)는 가진기(130)에 플랩방향 제어신호와 에지방향 제어신호를 별도로 인가할 수 있다. 이때, 플랩방향과 에지방향의 주파수는 서로 다를 수 있다.
컨트롤러(156)는 중력 방향 또는 블레이드(110)의 시험 방향(즉, 플랩방향 또는 에지방향) 중의 어느 한 방향과 평행한 변위 경로를 따라 가진기(130)를 구동할 수 있다. 전술한 바와 같이 가진기(130)가 블레이드(110)의 좌우 양측에 설치된 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤러(156)는 중력 방향 또는 블레이드(110)의 시험 방향 중의 어느 한 방향과 평행한 제1 변위 경로를 따라 좌우측 가진기(130)를 동일하게 구동할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨트롤러(156)는 중력 방향 또는 블레이드(110)의 시험 방향 중의 어느 한 방향과 평행한 제1 변위 경로를 따라 좌우측 가진기(130) 중 하나를 구동하고 제1 변위 경로와 평행하지 않은 제2 변위 경로를 따라 좌우측 가진기(130) 중 다른 하나를 구동할 수 있다.
또한, 가진기(130)가 블레이드(110)의 좌우 양측 중 적어도 한 곳 및 상하 양측 중 적어도 한 곳에 각각 설치된 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤러(156)는 중력 방향 또는 블레이드(110)의 시험 방향 중의 어느 한 방향과 평행한 변위 경로를 따라 좌우측 가진기(130)를 구동하고 직각인 변위 경로를 따라 상하측 가진기(130)를 구동할 수 있다.
본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위하여 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 피로 시험 장치(fatigue test apparatus)
110: 블레이드(blade)
112: 제1 단부(first end)
114: 제2 단부(second end)
120: 고정부(test stand)
130: 가진기(exciter)
132: 플랩방향(flapwise)
134: 에지방향(edgewise)
140: 가속도계(accelerometer)
150: 제어 시스템(control system)
152: 프로세서(processor)
154: 메모리(memory)
156: 컨트롤러(controller)
10: 결합부
20: 작동부
22: 액추에이터(actuator)
22a: 로드(rod)
22b: 몸체(body)
24: 유량제어기
30: 연결부
W: 중량체(weight)

Claims (14)

  1. 시험 대상물의 공진 피로 시험 방법에 있어서,
    (a) 상기 시험 대상물의 제1 단부를 고정하는 단계;
    (b) 상기 시험 대상물의 상기 제1 단부와 상기 제1 단부의 반대쪽인 제2 단부의 사이에 가진기를 설치하는 단계;
    (c) 상기 가진기에 가진력을 인가하여 상기 가진기를 구동하는 단계; 및
    (d) 상기 시험 대상물을 기준으로 상기 가진기의 이송질량의 상대 운동을 표현하는 가속도 신호를 수신하여 상기 가진기의 구동을 제어하는 단계;
    를 포함하는 시험 대상물의 공진 피로 시험 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가속도 신호는 상기 시험 대상물의 서로 다른 위치에 설치된 제1 가속도계 및 제2 가속도계로부터 각각 측정된 제1 가속도 신호와 제2 가속도 신호인 것을 특징으로 하는 시험 대상물의 공진 피로 시험 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 가속도계와 상기 제2 가속도계는 상기 시험 대상물의 상기 제1 단부로부터 동일한 거리에 설치되는 것을 특징으로 하는 시험 대상물의 공진 피로 시험 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 (d) 단계는 상기 제1 가속도 신호와 상기 제2 가속도 신호의 차이가 사인곡선(sinusoidal)이 되도록 상기 가진기의 구동을 제어하는 단계인 것을 특징으로 하는 시험 대상물의 공진 피로 시험 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (d) 단계는 상기 제1 가속도 신호와 상기 제2 가속도 신호의 차이에 의한 파형을 푸리에 변환하고 제1 주기의 고조파 성분을 제외한 나머지 주기의 고조파 성분을 제거하는 단계인 것을 특징으로 하는 시험 대상물의 공진 피로 시험 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 중력 방향 또는 상기 시험 대상물의 시험 방향 중의 어느 한 방향과 평행한 변위 경로를 따라 상기 가진기를 구동하는 단계인 것을 특징으로 하는 시험 대상물의 공진 피로 시험 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 상기 시험 대상물의 좌우 양측에 각각 상기 가진기를 설치하는 단계인 것을 특징으로 하는 시험 대상물의 공진 피로 시험 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 중력 방향 또는 상기 시험 대상물의 시험 방향 중의 어느 한 방향과 평행한 제1 변위 경로를 따라, 상기 시험 대상물의 좌우 양측에 각각 설치된 상기 가진기를 구동하는 단계인 것을 특징으로 하는 시험 대상물의 공진 피로 시험 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 상기 시험 대상물의 좌우 양측에 각각 설치된 상기 가진기 중 하나를 제1 변위 경로를 따라 구동하고, 다른 하나를 상기 제1 변위 경로와 평행하지 않은 제2 변위 경로를 따라 구동하는 단계인 것을 특징으로 하는 시험 대상물의 공진 피로 시험 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 상기 시험 대상물의 좌우 양측 중 적어도 한 곳 및 상기 시험 대상물의 상하 양측 중 적어도 한 곳에 각각 상기 가진기를 설치하는 단계인 것을 특징으로 하는 시험 대상물의 공진 피로 시험 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 상기 시험 대상물의 좌우 양측 중 적어도 한 곳에 설치된 상기 가진기를 중력 방향 또는 상기 시험 대상물의 시험 방향 중의 어느 한 방향과 평행한 변위 경로를 따라 구동하고, 상기 시험 대상물의 상하 양측 중 적어도 한 곳에 설치된 상기 가진기를 상기 중력 방향 또는 상기 시험 대상물의 시험 방향 중의 어느 한 방향과 직각인 변위 경로를 따라 구동하는 단계인 것을 특징으로 하는 시험 대상물의 공진 피로 시험 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 시험 대상물은 풍력 터빈 블레이드, 교량, 빌딩, 요트 돛대, 및 진동이 발생 가능한 구조물 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 시험 대상물의 공진 피로 시험 방법.
  13. 시험 대상물의 공진 피로 시험 방법에 있어서,
    (a) 상기 시험 대상물의 제1 단부를 고정하는 단계;
    (b) 상기 시험 대상물의 상기 제1 단부와 상기 제1 단부의 반대쪽인 제2 단부의 사이에 가진기를 설치하는 단계;
    (c) 상기 가진기에 구동신호를 인가하여 상기 가진기를 구동하는 단계; 및
    (d) 상기 시험 대상물의 가속도 신호를 수신하여 상기 가진기의 구동을 제어하는 단계;
    를 포함하는 시험 대상물의 공진 피로 시험 방법.
  14. 시험 대상물의 공진 피로 시험 장치에 있어서,
    상기 시험 대상물의 제1 단부를 고정하는 고정 장치;
    상기 시험 대상물의 상기 제1 단부와 상기 제1 단부의 반대쪽인 제2 단부의 사이에 설치되며 상기 시험 대상물에 반복적인 힘을 인가하여 진동을 유발시키는 가진기;
    상기 가진기와 전기적으로 연결되며 상기 가진기에 구동신호를 인가하는 컨트롤러;
    상기 시험 대상물의 상기 제1 단부로부터 동일한 거리에서 상기 시험 대상물의 서로 다른 위치에 각각 설치되며 각각 제1 가속도 신호와 제2 가속도 신호를 측정하는 제1 가속도계와 제2 가속도계; 및
    상기 제1 가속도계와 상기 제2 가속도계로부터 각각 상기 제1 가속도 신호와 상기 제2 가속도 신호를 수신하여 상기 제1 가속도 신호와 상기 제2 가속도 신호의 차이가 사인곡선(sinusoidal)이 되도록 상기 컨트롤러에 상기 구동신호를 제공하는 프로세서;
    를 포함하는 공진 피로 시험 장치.
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