Aerodynamic and Structural Design for Medium Size Horizontal Axis Wind Turbine Rotor Blade with Composite Material

복합재를 이용한 수평축 풍력터빈 회전 날개의 공력 및 구조설계에 관한 연구

Nowadays, non-pollution energy sources have been strongly needed because of the exhaustion of fossil fuels and serious environmental problems. Because wind energy can be enormously obtained from natural atmosphere, this type of energy has lots of advantages in a economic and pollution point of view. This study has established the aerodynamic and structural design procedure of the rotor blade with an appropriate aerodynamic performance and structural strength for the 500㎾ medium class wind turbine system. The aerodynamic configuration of the rotor blade was determined by considering the wind condition in the typical local operation region, and based on this configuration aerodynamic performance analysis was performed. The rotor blade has the shell-spar structure based on glass/epoxy composite material and is composed of shank including metal joint parts and blade. Structural design was done by the developed design program in this study and structural analysis, for instance stress analysis, mode analysis and fatigue life estimation, was performed by the finite element method. As a result, a medium scale wind turbine rotor blade with starting characteristics of 4m/s wind speed, rated power of 500㎾ at 12m/s wind speed and over 20 years fatigue life has been designed.

무공해 에너지원은 화석에너지의 고갈과 환경오염의 심각한 문제로 인하여 절실히 요구되고 있는 실정이다. 그중 풍력발전 시스템은 타 에너지원에 비해 여러 가지 측면에서 유리한 점을 가지고 있다. 본 연구에서는 500㎾급 풍력발전 시스템을 개발함에 있어, 적합한 공력성능 및 구조성능을 가지는 회전날개 설계과정을 수행하였다. 공력설계는 운용지역의 풍황을 고려하여 회전날개의 외형을 결정하였고 이를 바탕으로 공력성능해석이 수행되었으며, 구조설계는 복합재료를 사용하여 쉘-스파 구조를 갖도록 설계하여 굽힘 및 비틀림 그리고 피로수명에 대한 구조해석이 수행되었다. 그 결과 4m/s의 미풍에서도 운용가능하며, 12m/s에서는 정격출력 500㎾를 생산할 수 있는 형상이 설계되었고, 또한 20년 이상의 피로수명이 확보되었으며, 공진 등의 동적인 문제도 발생하지 않음을 확인하였다.