지지 구조물에 따른 5MW급 해상풍력터빈의 극한하중특성 및 허용 가능한 공력 불균형에 관한 연구 :

김배성

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김배성 (군산대학교, 群山大學校)

지도교수: 姜基遠

발행연도: 2019

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2019

지지 구조물에 따른 5MW급 해상풍력터빈의 극한하중특성 및 허용 가능한 공력 불균형에 관한 연구

김배성 機械工學科 2019.01 학위논문

2015

NREL 5MW 해상풍력 터빈 자켓 구조물에 대한 구조 안정성 평가

김배성 , 강기원 대한기계학회 춘추학술대회 2015.04 학술대회자료

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본 논문에서는 NREL 5MW급 기본모델과 하부의 자켓과 모노파일 형식의 모델을 사용하여 지지구조물에 따른 상부구조물의 극한하중특성을 비교 평가하고, 블레이드 공력 불균형 하중해석을 통해 블레이드의 허용 가능한 피치각을 확인하여, 개별피치제어전략과 통합가능성을 위한 기초 설계자료를 제시하고자 한다.
이를 위해, NREL 5MW급 기본모델을 상부구조물로 하고 가장 범용적으로 사용되고 있는 UPWIND 보고서의 자켓과 DOWEC의 모노파일 형식의 지지구조물을 채택하여 각각의 해상풍력터빈을 구성하였다. 여기에 IEC61400-3에서 규정하는 해상환경조건을 고려한 설계하중조건으로 발전 중, 발전 중 고장 파킹상태를 적용하여 자켓 및 모노파일 형식에 따른 극한하중 해석을 수행하였고 상부구조물의 블레이드, 허브, 요 베어링, 타워 등에 미치는 극한 하중특성을 분석하였다. 이를 통해 최대 하중편차가 발생하는 TP구간의 하중요소를 확인하였고 민감도 해석을 수행하여 지지구조물의 설계인자에 대한 동적특성을 평가하였다.
다음으로, 블레이드의 공력 불균형 해석을 위해 해상풍력터빈의 피치제어구간의 풍속을 연구 범위로 설정하였고, 일정한 풍속조건을 가정하여 공력하중에 중점을 두고 해석을 수행하였다. 공력 불균형 조건은 블레이드의 개별 피치각을 0°~30°까지 2°간격으로 개별고정 조건을 설정한 후 자켓 및 모노파일 형식에 따라 각각 하중해석을 수행하였다. 하중 취득지점은 취약부인 허브와 TP 구간으로, 이 지점에 대한 하중 특성을 확인하였다. 각 지점의 힘과 모멘트의 x, y, z방향의 최대하중요소는 정량적인 하중해석을 위해 합성하중으로 변환하였고 여기에 통합피치제어 상태에서 해석된 기준하중과 비교하여 각 풍속에 대한 허용 가능한 피치영역을 확인하였다. 또한 개별피치제어전략과 통합가능성을 위해 인공신경망 기법을 이용하여 허용 가능한 피치영역을 제시하였다.

In this paper, we compared and evaluated the ultimate load characteristics of superstructure according to the substructures by using NREL 5MW base model, substructures consisted of jacket and monopile type model and we present basic design data for individual pitch control strategies and integration possibilities by confirm the allowable pitch angle of blades by imbalance load analysis of blade.
For this purpose, the offshore wind turbine was consist of the superstructure which was the NREL 5MW base model and substructure which was the most commonly used jacket type in UPWIND report and monopile type of DOWEC. The ultimate load analysis according to jacket and monopile type was performed by applying the design load cases considering the marine environmental conditions specified in IEC61400-3, during the power production condition, power production plus occurrence of fault condition and Standing still or idling condition. The ultimate load characteristics effected the superstructure, such as blades, stationary hubs, yaw bearings, and towers, were analyzed. From these results, the load factor of the TP section where the maximum load deviation occurs was identified and the dynamic characteristics of the substructures were evaluated by sensitivity analysis.
Next, In order to analyze the aerodynamic imbalance, the wind speed of the pitch control zone in the offshore wind turbine was set as the study range and the analysis was performed with a focus on aerodynamic loads assuming steady wind speed conditions. The aerodynamic imbalance condition was determined by setting the individual pitch angle of the blades from 0 degree to 30 degree at two degree intervals, and the load analysis was performed according to the jacket and the monopile type, respectively. The load acquisition point was the hub and TP section as a vulnerable part, and the load characteristics for this point are confirmed. The maximum loads at the point of x, y, z-direction were converted to a composite load for quantitative load analysis and the allowable pitch area for each wind speed was confirmed by comparison with the criteria load analyzed under collective pitch control. Also, for individual pitch control strategies and integration possibilities, we provided the allowable pitch area using artificial neural network technique.

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