Effects of structural deformation on performance of a 550kW horizontal axis tidal current turbine were investigated for uniform flow through fluid-structure interaction (FSI) analysis. Structural analysis for one-dimensional beam model was performed using ABAQUS/Standard commercial program, and blade element momentum (BEM) method was also used to predict hydrodynamic forces and pitching moments. Coupling technique of both the structural and fluid analysis models for predicting performance and blade deformation under uniform flow condition has been developed. In order to investigate effects of blade deformations on hydrodynamic loads and performance, the present results obtained from fluid-structure interaction method were compared with those obtained from only BEM method. It is clearly seen that the differences between the two methods gradually increased with flow speeds. Also, the predicted results showed that hydrodynamic forces on the blade increased as an increase of flow speed. These hydrodynamic loads affect the blade deformations, which are caused by the variations of flow angles. For these reasons, the FSI results of hydrodynamic loads and performance significantly were under-estimated, compared to BEM results. It is also showed that blade may collide with its support structure due to large flapwise deflection. Thus, in order to overcome these limitations, optimization models (i.e. pre-bend blade, pre-bend/twist blade and origin blade with pre-cone angle) were proposed using sequential quadratic programing (SQP) optimization algorithm. It is seen that the power production of all optimization models is significantly increased at rated flow speed, compared to baseline model (original blade shape), and a pre-bend/twist blade model especially accomplished design objective performance. In addition, they made less possibility to collide with support structure. Therefore, these optimization models for improving the performance can be applied in design process of tidal current turbine blades.
본 연구에서는 조류력 터빈이 유체-구조 연계 해석을 통한 성능 및 구조 변형 해석을 수행하였다. 이를 위하여 구조 해석 프로그램 ABAQUS를 사용하여 기하학적 비선형성을 고려한 1차원 보 모델을 해석하였으며, 유체력 해석을 위하여 BEM (Blade Element Momentum) 모델을 구축하였다. 또한 구조 모델과 유체력 모델을 연계 하기 위한 유체-구조 연계 시스템을 구축하였다. 해석 모델은 NREL에서 개발한 가상의 550kw 수평축 조류력 터빈으로 허브 (직경 2m)와 두 개의 블레이드 (9m)로 구성되어 있다. 유속이 빨라질 경우 유체-구조 연계 해석 결과는 BEM 모델로 해석한 결과와 차이가 커지는 것을 확인 할 수 있다. 즉, 유속이 빨라짐에 따라 블레이드에 발생하는 유체력은 증가하며, 유체력으로 인하여 블레이드에 구조 변형이 일어난다. 그 결과 구조 변형으로 인해 유동의 받음각이 변화하고, 블레이드에 발생하는 유체력은 감소하게 된다. 따라서, 블레이드를 강체로 가정한 BEM 모델 해석 결과와 달리 유체-구조 연계 해석은 목표 성능에 도달하지 못하는 것을 알 수 있다. 본 연구의 유체-구조 연계 해석을 통해 조류력 터빈 설계 시 구조물 변형 효과를 고려하게 된다면, 더 정확한 성능을 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 일반적으로 flap방향의 처짐이 edge방향의 처짐보다 크게 발생함을 알 수 있다. 특히 정격유속에서 flap방향의 처짐이 블레이드 길이의 10%를 초과한다. 이러한 flap방향의 처짐은 로터를 지지하는 구조물과 충돌 할 수 있는 가능성이 존재함을 의미한다. 따라서 본 연구를 통해 블레이드 처짐으로 인한 지지대의 충돌을 사전에 방지할 수 있는 자료로 활용 가능하다고 판단된다. 유체-구조 연계 해석을 통하여 조류력 터빈 블레이드의 구조 변형으로 인한 성능의 감소와 타워 지지대와의 충돌 가능성에 대해서 확인하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 pre-cone 각도 최적화나 pre-bend 블레이드 설계를 사용하였다. 본 연구를 통하여 최적화 모델이 구조 변형을 고려하더라도 설계 목표 성능에 도달할 수 있음을 확인하였고, 이는 조류력 터빈의 실 운용 시 설계 목표 출력을 낼 수 있음을 의미한다. 또한 flap방향의 블레이드 처짐으로 인한 타워와의 충돌 가능성도 기존 블레이드와 비교하여 획기적으로 낮추었음을 확인하였다. 그러므로, 기존 조류력 터빈은 블레이드의 재설계가 필요하지 않은 pre-cone 각도 최적화를 통해 성능을 끌어 올리는 동시에 충돌 가능성을 낮출 수 있을 것으로 판단되며, 새롭게 개발하는 조류력 터빈의 경우 pre-bend/twist 블레이드를 도입함으로써 구조 변형으로 인한 성능 저하를 방지하고 타워 지지대와의 충돌 가능성도 낮출 수 있을 것으로 사료된다.
