제4장 하중해석
4.4 극한하중해석
4.4.1 가동조건에서의 극한하중
Table 4.10 Significant wave height according to wind speed Hs [m] Wind speed [m/s]
1 7.49
3 11.94
5 16.38
7 20.83
9 25.27
11 29.72
Output Parameters for Blade 1 Tip Motions
“OoPDefl1“ represents the blade 1 out-of-plane tip deflection (relative to the pitch axis)
“IPDefl1“ represents the blade 1 in-plane tip deflection (relative to the pitch axis) Output Parameters for Blade 1 Root Loads
“RootMxc1“ represents the blade 1 in-plane moment (i.e., the moment caused by in-plane forces) at the blade root
“RootMyc1“ represents the blade 1 out-of-plane moment (i.e., the moment caused by out-of-plane forces) at the blade root
“RootMzc1“ represents the Blade 1 pitching moment at the blade root Output Parameters for Tower-Top Motions
“TTDspFA“ represents the tower-top / yaw bearing fore-aft (translational) deflection (relative to the undeflected position)
“TTDspSS“ represents the tower-top / yaw bearing side-to-side (translational) deflection (relative to the undeflected position)
Output Parameters for Tower Base Loads
“TwrBsMxt“ represents the tower base roll (or side-to-side) moment (i.e., the moment caused by side-to-side forces)
“TwrBsMyt“ represents the tower base pitching (or fore-aft) moment (i.e., the moment caused by fore-aft forces)
“TwrBsMzt“ represents the tower base yaw (or torsional) moment Output Parameters for Platform Motions
“PtfmSurge“ represents the platform horizontal surge (translational) displacement
“PtfmSway“ represents the platform horizontal sway (translational) displacement
“PtfmHeave“ represents the platform vertical heave (translational) displacement
“PtfmRoll“ represents the platform roll tilt angular (rotational) displacement
“PtfmPitch“ represents the platform pitch tilt angular (rotational) displacement
“PtfmYaw“ represents the platform yaw tilt angular (rotational) displacement
DLC1.1은 Cut-in wind speed부터 Cut-out wind speed까지의 NTM의 바람을 고려 하고, 파도는 일반해상상태의 조건이다. 난류강도는 C(0.12)를 사용하였다. 사용된 풍속 에 따른 유의파고 및 피크주기는 Table 4.11과 같다. 이는 앞에서 언급된 식(4.6)을 이 용하였으며, 풍속이 7 m/s 이하인 경우에는 유의파고 및 파주기가 동일하다.
DLC1.3은 Cut-in wind speed부터 Cut-out wind speed까지의 ETM의 바람을 고려
하고, 파도는 DLC1.1과 같은 일반해상상태의 조건이다. 한편 DLC1.6은 NTM의 바람 과 극한해상상태에서의 파도조건을 이용하여 해석을 수행하는 것이다. DLC1.6에 사용 된 극한해상상태는 식(4.5)을 통하여 50년 주기의 극한파고를 계산할 수 있다. 50년 주 기의 유의파고는 11.12 m이며, 피크주기는 14.17 s로 계산하였다. 극한하중은 Crunch 를 이용하여 통계 분석하였으며, 부분 안전 계수는 적용하지 않았다.
Table 4.11 Wind and wave conditions used in DLC1.1, 1.3
Fig4.3~12는 앞에서 언급한 23개의 파라미터 중에서 주요 파라미터 10개만을 분석 하여 풍속에 따른 평균값 또는 최댓값을 나타내었다. 또한 육상용 제어기를 사용했을 때와 부유식용 제어기를 사용했을 때의 동적응답을 비교해보았다. 이를 통해 부유식 해 상풍력발전시스템의 제어기는 네거티브 댐핑 현상을 완화하여 설계해야하는 것을 알 수 있다. Fig. 4.3, 4.4, 4.5는 각 풍속 별 발전기의 파워, 토크, 로터 회전 속도의 평균값 을 나타낸다. 왼쪽의 그림은 육상용 제어기를 사용했을 때를 나타내며, 오른쪽 그림은 부유식용 제어기를 사용했을 때를 나타낸다. 우선 부유식용 제어기를 사용한 결과에서 는 동일한 NTM의 바람을 사용한 조건인 DLC1.1과 1.6의 값은 유사하다. DLC1.3의 경우에는 ETM을 사용한 조건이며, 정격 풍속 이하에서는 파워 및 토크가 NTM에 비 하여 높게 나타나지만, 정격 풍속 부근에서는 높은 풍속의 편차로 상대적으로 출력이 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 세 조건 모두 정격 풍속인 11.3 m/s에서 정격 출력에 도달하지 못한 것을 확인할 수 있는데, 이는 난류 강도로 인하여 출력의 손실이 발생한 것임을 알 수 있다[47]. 육상용 제어기의 결과를 보면 정격 풍속 이후인 13 m/s에서도 정격출력에 도달하지 못하는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 네거티브 댐핑 현상을 완화하 지 못한다면 출력의 손실이 크게 발생한다는 점을 알 수 있다. 마찬가지로 토크 및 로 터 회전속도도 육상용 제어기를 사용하였을 때의 값이 작게 나타났다.
Wind speed [m/s] HS [m] TP [s]
~ 7 0.78 6.20
9 1.68 6.90
11 2.58 7.60
13 3.48 8.28
15 4.38 8.98
17 5.28 9.67
19 6.18 10.36
21 7.08 11.06
23 7.98 11.75
25 8.88 12.44
Fig. 4.3 Generator power in operation conditions
Fig. 4.4 Generator torque in operation conditions
Fig. 4.5 Rotor speed in operation conditions
Fig. 4.6, 4.7, 4.8, 4.9은 각 풍속 별 블레이드 및 타워의 변위 및 모멘트의 최댓값을 나타낸다. 왼쪽의 그림은 육상용 제어기를 사용했을 때를 나타내며, 오른쪽 그림은 부
유식용 제어기를 사용했을 때를 나타낸다. 우선 두 그림 모두 ETM을 사용한 DLC1.3 의 결과가 모든 풍속에서 가장 높게 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 또한 정격 풍속 이후의 풍속에서 육상용 제어기를 사용했을 때의 블레이드 및 타워의 변위가 약 1.4배 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 루트 모멘트 및 타워 하부 모멘트도 블레이드 및 타워의 변위와 비슷한 경향을 보이며, 약 1.4배 정도 차이가 나는 것을 확인할 수 있 다.
Fig. 4.6 Out-of-plane deflection in operation conditions
Fig. 4.7 Tower top displacement fore after in operation conditions
Fig. 4.8 Blade out-of-plane moment in operation conditions
Fig. 4.9 Tower base pitching moment in operation conditions
Fig. 4.10, 4.11, 4.12은 각 풍속 별 부유체 응답의 최댓값을 나타낸다. 왼쪽의 그림은 육상용 제어기를 사용했을 때를 나타내며, 오른쪽 그림은 부유식용 제어기를 사용했을 때를 나타낸다. 전후동요(Surge)는 정격 풍속 이전에는 대부분 풍속의 편차가 큰 DLC1.3의 응답이 가장 크게 나오지만, 정격 풍속 이후에는 피치 제어를 하기 때문에 파고가 더 높은 DLC1.6의 응답이 가장 크게 나오는 것을 확인할 수 있다. 전후동요 (Surge)는 육상용 제어기를 사용한 결과와 부유식용 제어기를 사용한 결과의 차이가 크 지 않는 것을 확인할 수 있다. 상하동요(Heave)는 동일한 파고를 사용한 DLC1.1과 1.3의 결과는 거의 같으며, 극한파고 조건을 적용한 DLC1.6에서의 응답이 모든 풍속에 서 높게 나오는 것을 확인할 수 있다. 상하동요(Heave)도 전후동요(Surge)와 마찬가지 로 육상용 제어기를 사용한 결과와 부유식용 제어기를 사용한 결과의 차이가 크지 않 는 것을 확인할 수 있다. 종동요(Pitch)는 제어기의 차이를 가장 잘 나타낸다. DLC1.3 의 17 m/s에서 약 2.3배의 가장 큰 응답 차이를 보여주고 있다. 따라서 부유식 해상풍 력발전시스템을 설계할 때에는 네거티브 댐핑 현상을 저감하는 제어기의 설계가 필수적
인 것을 알 수 있었다.
Fig. 4.10 Platform surge in operation conditions
Fig. 4.11 Platform heave in operation conditions
Fig. 4.12 Platform pitch in operation conditions
Table 4.12는 DLC1.1, DLC1.3, DLC1.6 중에서 23개의 파라미터가 최솟값 또는 최 댓값을 나타내는 하중 조건을 확인하였다. 표의 첫 번째 열에는 블레이드, 타워 등 특 정 하중을 나타내는 파라미터가 포함되고 세 번째 열에는 특정 하중조건의 이름을 나 타내었다. 하중조건의 이름은 DLC, 바람 조건, 파도 조건, 평균 풍속 등이 포함된다.
네 번째 열은 파라미터의 최솟값 또는 최댓값을 나타내었다. 서로 다른 DLC에서 동일 한 최솟값 또는 최댓값을 가진다면 풍속이 낮은 하중 조건을 작성하였다. DLC1.1, DLC1.3, DLC1.6에 대한 극한하중을 조사한 결과 특정한 하나의 하중조건이 전체 하 중을 지배하지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 총 23개의 파라미터의 최솟값 또는 최댓 값을 확인한 결과표에 나타난 조건은 14개이다. 즉, 풍속 또는 파도가 약하다고 해서 최솟값이 발생하는 것이 아니고, 풍속 또는 파도가 강하다고 해서 최댓값이 발생하는 것이 아니라는 것을 확인할 수 있다. 이는 전체 시스템의 다양한 하중들이 조합으로 인 하여 결정되며, 결론적으로 특정한 몇 개의 하중조건이 전체 하중을 지배한다고는 할 수 없다. 따라서 하중해석을 수행할 때에는 특정한 하중조건보다는 특정하중에 대한 면 밀한 분석이 이루어져야 할 것이다.
Table 4.12 Load cases and values showing maximum and minimum
DLC Value
Wind1VelX [m/s]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v25.out 36.4 Minimum DLC1.3_ETM_NSS_v03.out -1.6 Rotpwr
[kW]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v19.out 13,080 Minimum DLC1.3_ETM_NSS_v03.out -1.2 RotThrust
[kN]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v13.out 2,289 Minimum DLC1.6_NTM_ESS_v03.out -76.5 RotTorq
[kNm]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v23.out 10,200 Minimum DLC1.3_ETM_NSS_v03.out -3.6 GenPwr
[kW]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v15.out 12,840
Minimum DLC1.1_NTM_NSS_v03.out 0
GenTq [kNm]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v09.out 10,000
Minimum DLC1.1_NTM_NSS_v03.out 0
RotSpeed [rpm]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v19.out 12.5 Minimum DLC1.1_NTM_NSS_v03.out 0.6 BldPitch1
[deg]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v25.out 23.5
Minimum DLC1.1_NTM_NSS_v03.out 0
OoPDefl1 [m]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v11.out 11.8 Minimum DLC1.3_ETM_NSS_v25.out -7.9
IPDefl1 [m]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v25.out 4.4 Minimum DLC1.3_ETM_NSS_v25.out -3.2 RootMxc1
[kNm]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v25.out 22,160 Minimum DLC1.3_ETM_NSS_v25.out -14,370 RootMyc1
[kNm]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v09.out 45,580 Minimum DLC1.3_ETM_NSS_v25.out -22,160 RootMzc1
[kNm]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v25.out 121.6 Minimum DLC1.3_ETM_NSS_v25.out -1,011 TTDspFA
[m]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v11.out 1.0 Minimum DLC1.6_NTM_ESS_v03.out -0.3 TTDspSS
[m]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v25.out 0.2 Minimum DLC1.3_ETM_NSS_v25.out -0.4 TwrBsMxt
[kNm]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v25.out 132,800 Minimum DLC1.3_ETM_NSS_v25.out -83,410 TwrBsMyt
[kNm]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v11.out 368,400 Minimum DLC1.6_NTM_ESS_v23.out -98,440 TwrBsMzt
[kNm]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v25.out 29,240 Minimum DLC1.3_ETM_NSS_v25.out -28,280 PtfmSurge
[m]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v09.out 15.5 Minimum DLC1.6_NTM_ESS_v03.out -4.5 PtfmSway
[m]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v09.out 2.0 Minimum DLC1.3_ETM_NSS_v09.out -2.1 PtfmHeave
[m]
Maximum DLC1.6_NTM_ESS_v03.out 2.9 Minimum DLC1.6_NTM_ESS_v13.out -2.8 PtfmRoll
[deg]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v25.out 1.4 Minimum DLC1.3_ETM_NSS_v25.out -0.7 PtfmPitch
[deg]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v11.out 6.2 Minimum DLC1.6_NTM_ESS_v03.out -1.4 PtfmYaw
[deg]
Maximum DLC1.3_ETM_NSS_v13.out 4.5 Minimum DLC1.3_ETM_NSS_v07.out -5.3