After the early 1970s oil crisis, wind turbine design technology has experienced a revolution. Motivated by the oil price boost, many countries challenge to develop a large scale wind turbine for economic reasons. During the last decades, the main concern about large scale wind turbines has been a way how to guarantee its reliability from dramatically increased weight. Accordingly many studies were implemented to resolve this problem by wind R&D center and advanced wind turbine makers. Those researches are mainly concentrated on rotating components such as blades and gearbox or theoretical approach to control algorithm. A main frame is also one of the most critical components in respect of structural reliability. However so far, the verifi-cation methodology of main frame has not been actively developed but just dependent on FEM analysis without any verification process by field test data. These reasons are both absence of relevant standard and difficulty of performing test in wind turbine system. As a result, main frame of today is designed conservatively with high safety margin, which is obstacle of design optimization.
In this work, several FEM methods which were generally used in current wind turbine industry were studied to find out the best practical solution by comparison with field test data of load distribution and struc-tural behavior. For this study, load measurement system was implemented to measure almost every region of wind turbine so as to create input load for FEM analysis. Strain and displacement signals were selected for analysis of loads and static behavior respectively.
The realistic structural behavior was estimated as follows. First, required parameter for load simulation was generated from measured load data. Input load which effect on main frame was selected after comparison with each load of blades and main shaft as well as tower. External conditions including turbulence intensity and wind shear effect were considered. Blades unbalance situation was also considered. Seconds, FEA was implemented by using of derived design loads. It was simulated at various different boundary conditions between main shaft and bearing as well as tower. The calculation result was compared with measured strain values on each hotspot. Finally, it was proven that previous conventional FEA boundary condition could induce significantly conservative design. Consequently, analysis condition was optimized by adjusting simulation environments of stress flower and contact condition of each component.
1970년대 초 발생한 오일쇼크 이후 풍력터빈의 설계 기술은 비약적으로 발전하였다. 오일가격의 상승에 자극되어진 많은 나라들은 그 경제적인 이유를 들어 대형 풍력 터빈의 개발에 도전하였다. 최근 10년 동안 이와 같은 대형 풍력 터빈의 주요 이슈로 떠오른 것은 대형화에 따른 무게 증가와 관련하여 얼마나 신뢰성을 확보 할 수 있는가이다. 이러한 문제 해결을 위해 선진사 및 많은 기관들에 의해 수 많은 노력들이 기울여져 왔으나 대부분의 연구는 블레이드나 기어박스, 또는 터빈 컨트롤에 대한 이론적 접근들이 대다수를 이루었다. 특히 메인 프레임 같은 구조물의 경우 그 신뢰성에 대해 아무리 강조해도 지나침이 없음에도 불구하고 단지 FEM 결과에 의존하고 있는 형국이다. 이는 구조물에 대한 별다른 검증 절차가 존재하지 않으며 또한 실질적인 테스트가 힘들기 때문이다. 결국 프레임 구조물은 보수적인 설계가 이루어 질 수 밖에 없으며 이는 설계의 최적화에 걸림돌이 되고 있다.
본 연구는 하중 분포 및 터빈의 거동 등의 실제 측정 데이터를 활용하여, 현업에서 사용되고 있는 몇 가지 FEM해석 방법을 응용, 비교하여 실제와 근접한 결과를 얻고자 하였다. 이를 위해 FEM 해석에 대한 실질 적인 입력 하중을 얻고자 다양한 측정이 이루어 졌으며 스트레인과 변위가 주요한 인자로 선택되었다.
실질적인 구조물 평가를 위한 절차로 첫째, 측정 데이터로 부터 시뮬레이션 하중을 위한 파라미터들을 선정되었다. 메인프레임의 해석에 필요한 입력하중이 블레이드 및 메인 샤프트, 타워의 데이터로 부터 취해졌으며 또한 난류강도 윈드쉬어 등의 외부 환경 조건과 블레이드 불평형 등의 인자들 역시 고려되었다. 둘째, 측정 데이터를 통해 도출된 설계 하중으로 FEA가 수행되었다. FEA는 메인 샤프트 및 베어링에 대한 경계조건 변경을 통해 수행되었으며 그 결과는 구조물의 각 핫스팟에서 측정된 스트레인과 비교되었다. 최종적으로 경계조건에 따라 구조물이 보수적으로 설계될 수 있음을 확인하였고, 결과적으로 응력의 흐름과 각 요소의 조건을 고려한 해석 조건이 실질적인 터빈의 거동에 가까운 결과를 가짐을 확인하였다.
