• 한국생산제조학회지
• /
• 제19권2호
• /
• pp.288-294
• /
• 2010

In recent years, wind energy has been the world's fastest growing source of energy. This paper describes the structural design and analysis of composite blade for 2 kW-level HAWT (horizontal axis wind turbine). The aerodynamic design and force, which are required to design and analyze a composite blade structurally, are calculated through BEMT(blade element momentum theory) implemented in public code PROPID. To obtain the equivalent material properties of filament wound composite blades, the rule-of-mixture is applied using the basic material properties of fiber and matrix, respectively. Lay-up sequence, ply thickness and ply angle are designed to satisfy the loading conditions. Structural analysis by using commercial software ABAQUS is performed to compute the displacement and strength ratio of filament wound composite blades.

• 해양환경안전학회지
• /
• 제28권7호
• /
• pp.1222-1230
• /
• 2022

로터 블레이드는 조류발전 터빈의 매우 중요한 구성 요소로서, 해수의 높은 밀도로 인해 큰 추력(Trust force)와 하중(Load)의 영향을 받는다. 따라서 블레이드의 형상 및 구조 설계를 통한 성능과 복합소재를 적용한 블레이드의 구조적 안전성을 반드시 확보해야 한다. 본 연구에서는 블레이드 설계 기법인 BEM(Blade Element Momentum) 이론을 이용해 1MW급 대형 터빈 블레이드를 설계하였으며, 터빈 블레이드의 재료는 강화섬유 중의 하나인 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics)를 기본으로 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)를 샌드위치 구조에 적용해 블레이드 단면을 적층(Lay-up)하였다. 또한 유동의 변화에 따른 구조적 안전성을 평가하기 위해 유체-구조 연성해석(Fluid-Structure Interactive Analysis, FSI) 기법을 이용한 선형적 탄성범위 안의 정적 하중해석을 수행하였으며, 블레이드의 팁 변형량, 변형률, 파손지수를 분석해 구조적 안전성을 평가하였다. 결과적으로, CFRP가 적용된 Model-B의 경우 팁 변형량과 블레이드의 중량을 감소시켰으며, 파손지수 IRF(Inverse Reserce Factor)가 Model-A의 3.0^*V_r를 제외한 모든 하중 영역에서 1.0 이하를 지시해 안전성을 확보할 수 있었다. 향후 블레이드의 재료변경과 적층 패턴의 재설계뿐 아니라 다양한 파손이론을 적용해 구조건전성을 평가할 예정이다.

• 한국소음진동공학회:학술대회논문집
• /
• 한국소음진동공학회 2008년도 추계학술대회논문집
• /
• pp.256-263
• /
• 2008

The assumed modes method is developed to derive a set of linear differential equations describing the motion of a flexible wind turbine blade and to propose an approach to investigate the forced responses result from various wind excitations. In this work, we have adopted Euler beam theory and considered that the root of the blade is clamped at the rigid hub. And the aerodynamic parameters and forces are determined based on Blade Element Momentum (BEM) theory and quasi-steady airfoil aerodynamics. Numerical calculations show that this method gives good results and it can be used fur modeling and the forced vibration analysis including the coupling effect of wind-turbine blades, as well as turbo-machinery blades, aircraft propellers or helicopter rotor blades which may be considered as straight non-uniform beams with built-in pre-twist.

• 한국항공우주학회지
• /
• 제31권1호
• /
• pp.49-57
• /
• 2003

일반적으로 회전익 공기역학에서 기초적인 해석 도구로 이용되고 있는 운동량 이론 (구동 원반 이론)과 깃 요소법을 부메랑에 적용하여 그 비행 궤적을 예측하여 보았다. 실제로 부메랑을 제작하여 수치 모사의 결과와도 비교하고 물리적인 직관을 얻었다. 실제로 부메랑을 제작하여 수치 모사의 결과와도 비교하고 물리적인 직관을 얻었다. 수치 해석과 실험 모두에서 이륙한 부메랑은 마치 ‘날으는 회전차’와 같이 세차 운동을 수반하면서 헬리콥터 모드로부터 오토자이로 모드로 전이하여 가는 것을 관찰할 수 있었다. 전체 시스템은 극도로 비선형적이어서 초기 조건에 매우 민감함을 보였다. 인자들을 변화시키면 다양한 비행 궤적들을 얻을 수 있다.

• International Journal of Fluid Machinery and Systems
• /
• 제9권2호
• /
• pp.129-136
• /
• 2016

An experimental investigation was carried out to improve the performance of a counter-rotating type horizontal-axis tidal stream power unit. Front and rear blades were designed separately based on modified blade element momentum (BEM) theory, and their performances at different conditions of blade tip speed ratio were measured in a wind tunnel. Three different groups of blades were designed successively, and the results showed that Group3 possessed the highest power coefficient of 0.44 and was the most satisfactory model. This experiment shows that properly increasing diameter and reducing chord length will benefit the performance of the blade.

• 한국태양에너지학회 논문집
• /
• 제33권1호
• /
• pp.40-47
• /
• 2013

An aerodynamic design tool was developed for small wind turbine blades based on the blade element momentum theory. The lift and drag coefficients of blades that are needed for aerodynamic blade design were obtained in real time from the Xfoil program developed at University of Illinois. While running, the developed tool automatically accesses the Xfoil program, runs it with proper aerodynamic and airfoil properties, and finally obtains lift and drag coefficients. The obtained aerodynamic coefficients are then used to find out optimal twist angles and chord lengths of the airfoils. The developed tool was used to design a wind turbine blade using low Reynolds number airfoils, SG6040 and SG6043 to have its maximum power coefficient at a specified tip speed ratio. The performance of the blade was verified by a commercial code well known for its prediction accuracies.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
• /
• 한국신재생에너지학회 2009년도 추계학술대회 논문집
• /
• pp.473-473
• /
• 2009

There have been many academic researches on the aerodynamic design of wind turbine based on blade element method (BEM) and momentum theory (MT, or actuating disk theory). However, in the real world, the turbine blade design requires many additional constraints more than theoretical analysis. The standard procedure is studied in the present paper to design new blades for the wind turbine system ranged from the small size from 1 to 10 kW. From the experience of full design of a 10 kW blade, the authors tried to set up a standard procedure for the aerodynamic design based on IEC 61400-2. Wind-turbine scale, rotating speed, and geometrical chord/twist distribution at the segmented span positions are calculated with a suitable BEM/MT code, and the geometrical shape of tip and root should be modified after considering various parameters: wing-tip vortex, aerodynamic noise, turbine efficiency, structural safety, convenience of fabrication, and even economic factor likes price, etc. The evaluated data is passed to the next procedure of structural design, but some of them should still be corresponded with each other: the fluid-structure interaction is one of those problems not yet solved, for example. Consequently, the design procedure of small wind-turbine blades is set up for the mass production of commercial products in this research.

• 한국해양환경ㆍ에너지학회지
• /
• 제18권2호
• /
• pp.123-132
• /
• 2015

본 연구에서는 10 MW급 부유식 파력-해상풍력 연계형 발전시스템에 설치되는 다수 풍력발전기의 배치 설계를 수행하고, 전산유체역학 해석기법을 통해 다수 풍력발전기의 성능을 평가하였다. 날개요소운동량이론을 기반으로 한 풍력발전 단지 설계용 프로그램 WindPRO를 이용하여, 발전시스템의 적지 환경 풍황조건에 대해 최대에너지를 생산할 수 있는 배치 설계를 도출하였고, ANSYS CFX를 이용하여 다수 풍력발전기간의 후류 간섭영향을 발전기 성능 측면에서 검토하여, 근거리 다수 풍력발전기간의 후류 간섭이 시스템에 미치는 영향을 평가하였다.

• 한국항공우주학회지
• /
• 제33권9호
• /
• pp.16-26
• /
• 2005

본 연구에서는 틸트로터 항공기 개념을 채택하고 있는 스마트무인기의 프롭로터 공력형상 설계를 수행하였다. 틸트로터 항공기의 프롭로터는 단일 형상의 로터가 회전익과 고정익의 두 가지의 비행모드에서 운용되어야 하므로 회전익으로서의 로터와 고정익으로서의 프로펠러 요구 성능을 동시에 만족할 수 있도록 형상 설계가 이루어 져야 한다. 프롭로터의 공력형상 설계는 로터의 성능, 비행체의 공력성능, 그리고 엔진의 성능데이터를 결합하여 이루어 졌다. 모멘텀-깃요소 이론에 바탕을 둔 로터의 성능해석코드에 대한 검증은 TRAM 데이터와의 비교를 통해 이루어 졌다. 프롭로터의 공력형상 설계는 틸트로터 항공기의 고정익과 회전익 성능을 동시에 만족할 수 있는 형상을 구현하기 위하여 다양한 형태의 성능 맵이 작성되었고, 이들 선도 위에서 최적의 성능이 구현될 수 있는 성능 및 형상 파라메타가 결정되도록 하였다.

• 한국유체기계학회 논문집
• /
• 제18권2호
• /
• pp.14-21
• /
• 2015

Design lifetime of a wind turbine is required to be at least 20 years. The most important step to ensure the deign is to evaluate the loads on the wind turbine as accurately as possible. In this study, extreme design load of a offshore wind turbine using Garrad Hassan (GH) Bladed and National Renewable Energy Laboratory (NREL) FAST codes are calculated considering structural dynamic loads. These wind turbine aeroelastic analysis codes are high efficiency for the rapid numerical analysis scheme. But, these codes are mainly based on the mathematical and semi-empirical theories such as unsteady blade element momentum (UBEM) theory, generalized dynamic wake (GDW), dynamic inflow model, dynamic stall model, and tower influence model. Thus, advanced CFD-dynamic coupling method is also applied to conduct cross verification with FAST and GH Bladed codes. If the unsteady characteristics of wind condition are strong, such as extreme design wind condition, it is possible to occur the error in analysis results. The NREL 5 MW offshore wind turbine model as a benchmark case is practically considered for the comparison of calculated designed loads. Computational analyses for typical design load conditions such as normal turbulence model (NTM), normal wind profile (NWP), extreme operation gust (EOG), and extreme direction change (EDC) have been conducted and those results are quantitatively compared with each other. It is importantly shown that there are somewhat differences as maximum amount of 18% among numerical tools depending on the design load cases.