Since dynamic torque increases fatigue load on the drive train, dynamic analysis of its torsional modes becomes very important in large-scale wind turbine systems. To resolve this problem, leading wind turbine makers have developed commercial codes for dynamic analysis of wind turbine power train systems, which are extensively used in the industry. However, to effectively use such codes in practice, many input variables should be properly given, often requiring adjustment of the parameters in the modeling process based on ac-tual field operation data. Therefore, when the fundamental torsional natural frequency of the drive train and its frequency response are to be estimated in the design phase, it is often inconvenient to take advantage of the commercial codes for wind turbine dynamic analysis because of the time constraint.
In this work, for the efficient torsional vibration analysis, the modal analysis for the fundamental drive train torsional mode is attempted by using a two-disk model, which is common in drive train modeling in the wind turbine industry. In this model, two main lumped inertias for the rotor and the generator are connected by the overall drive train stiffness element, which has the viscoelastic and damping property. The benefits in use of the two-disk model are that it is simple, yet comprehensive to understand the drive train torsional vibration easily in practice and that fundamental modal analysis is the main concern in large-scale wind turbines considering its operating characteristics in torsion. In addition, the overall drive train torsional stiffness can be effectively estimated, which is the primary variable in wind turbine design as well as load analysis.
Although a simple model is used, the parameters of the model need to be adjusted for accurate prediction of the torsional behavior of the actual drive train system as follows. First, the two inertia values are adjusted to match the calculated results of natural frequency of the actual model that consists of all components of drive train. Second, the initial overall drive train stiffness is modified by adding the gearbox mount stiffness, which is right on the torque path of drive train. Finally, the effective blade flexibility is added into the overall drive train stiffness, based on the analysis of the well-known coupling phenomenon between the 1st collective mode and the 1st drive train torsion mode in bladed rotor systems by using the commercial code.
To evaluate the effectiveness of the improved simple model, the fundamental drive train natural frequency and the frequency response in torsion are checked using the field operation data. The coupling effect of gearbox mount and blade with drive train torsion are also experimentally inspected.
대형풍력발전기의 동적 토크는 시스템에 큰 피로하중을 일으키므로 구동 계통 비틀림 모드의 동특성 해석은 매우 중요하다. 이 문제를 해결하기 위하여 기존 풍력업체들이 풍력발전기 동특성 해석 전용 프로그램들을 개발하였고 현업에도 사용되고 있다. 그러나 풍력 발전기 동특성 해석 전용 프로그램을 현장에서 사용하기 위해서는 많은 입력 변수들을 결정해야 하고 모형화 후에도 실제 운전 중 관찰되는 시스템의 거동을 바탕으로 입력 변수에 대한 조정 과정이 필요할 때가 잦다. 구동계통의 기본 고유 진동수 및 주파수 응답을 설계 단계에서 검토하여야 할 경우에 시간적 제약 때문에 전용 해석 프로그램을 활용하기에 불편한 경우가 종종 발생한다.
이 논문에서는 풍력발전기 구동 계통의 비틀림 진동 해석을 효율적으로 수행하기 위하여 풍력발전기 업계에서 흔히 시행하고 있는 모형화 방법인 로터와 발전기로 대표되는2개의 집중 질량이 감쇠를 포함한 점탄성의 특성이 있는 전체 비틀림 강성으로 연결된 단순 모형을 이용하여 구동계통 기본 모드해석법을 제시한다. 2개의 집중 질량 모형을 이용한 진동 해석은 현업에서 큰 어려움 없이 해석적으로 접근할 수 있어 업무 활용도가 높다는 이점과 대형풍력 발전기의 운전 특성상 기본 모드가 해석의 주 관심사임을 고려할 때 효과적이다. 또한, 풍력발전기의 설계 및 하중해석에서의 주요 변수인 구동계통 전체 강성을 효과적으로 유도 할 수 있다.
단순 모형이지만 실제 구동계의 거동을 잘 예측할 수 있도록 모형의 매개변수를 3단계로 조정할 필요가 있다. 첫째는 두개의 관성질량 값은 실제 모든 구동계통의 요소들이 고려된 다 자유도 모형의 고유진동수 계산 결과와의 비교를 통해 수정한다. 둘째는, 구동 계통에서 토크의 전달 경로 상에 있는 증속기 마운트의 탄성을 초기 전체 구동계통 강성에 추가하여 보정한다. 마지막으로, 블레이드-축계에서 잘 알려진 블레이드1차 콜렉티브 모드와 구동계통 1차 비틀림 모드의 연성 현상을 상용 프로그램을 이용하여 확인한 후 블레이드 탄성을 구동계통 전체 비틀림 탄성에 반영하였다.
개선된 단순 해석 모형의 활용 적합성을 평가하기 위하여 실제 운전 데이터를 이용하여 기본 고유진동수 및 주파수 응답특성을 검증하였다. 또한, 모형화 과정에서 가정한 증속기 마운트와 블레이드 탄성의 구동계통에 대한 연성 현상에 대해서도 실험 자료를 이용하여 확인하였다.
