제6장 외력 조건
6.2.1 풍하중 계산
풍속 자료는 기상청에서 얻을 수 있으며 울산 해양기상부이 자료를 분석한 [16]를 참고하였다. 획득 자료는 4.3 m 높이에서 측정된 풍속이므로 식(8)을 통해 hub 높 이로 확장한 풍속을 사용하였다. 여기서 IEC61400-1에서는 정상상태 풍속 전단으 로 α의 값을 0.14, 극한상태 풍속 전단으로 α의 값은 0.11로 적용할 것을 권장한 다. 극한상태에서는 Gumbel method를 이용한 극치 통계분석을 통해 얻어진 50년 회기주기의 풍속을 사용하여 Table 6.2와 같이 나타내었다.
단, Case12의 경우 예인선에 의해 견인되는 상태이기 때문에, 예인선의 속도를 풍 속이라 가정한다. DNV규정에서는 예인선 속도를 8~10 knots를 권장하며[17], 계 산에는 10 knots를 적용하였다.
4.1.3의 식(7)을 적용하며, 풍하중을 받는 투영면적은 시스템의 가동 상태 여부에 따라 달라진다. 시스템 가동 시, 상부 발전에서의 하중은 추력으로 대체되고 그 외 수면 상부로 노출된 부분은 기존의 바람하중을 적용할 수 있다. 타워 경사각이 최 대 10 deg. 인 것을 참고하여[18], 풍력 터빈이 10 deg. 기울어졌을 때 컨트롤 시 스템에 의해 정지된다는 가정을 하였다. 이는 직립 상태에서부터 10 deg.까지는 추 력에 의한 모멘트와 풍하중에 의한 모멘트가 모두 적용되며, 10 deg. 이후의 경사 각에서는 수면상부 전체 투영면적에 대한 풍하중에 의한 모멘트만 발생하도록 계산 하였다. 추력은 식(9)을 따른다.
추력 계수는 풍력 터빈 설계사 유니슨(주)로부터 획득한 정보를 이용하였으며, 적 용하는 풍속에 맞는 추력계수를 사용하였다. 풍속에 따른 추력계수는 Table 6.3과 Fig. 6.1에서 확인 가능하다. 이 정보를 통해 풍속에 따른 추력은 Fig. 6.2와 같이 나타난다.
추력은 가동 상태일 때만 적용되는 조건으로 Case1~4에만 해당되며, Case5~12 는 풍력 터빈이 정지되어 있는 상태이므로 추력에 의한 모멘트는 적용하지 않았다.
∙∙∙∙ (9) Height [m] Normal Wind Profile
Speed [m/s]
Extreme Wind Profile Speed [m/s]
4.30 6.41 31.96
99.35 9.96 45.18
Table 6.2. Normal wind speed and Extreme wind speed
∙
(8)6.2.2 해류하중 계산
해류 조건은 깊이에 따라 해류의 속도가 달리 나타나며, 바람에 의해서도 달라질 수 있다. 국립해양조사원의 보고서[19]에서 획득한 최대 유속 및 평균 유속의 자료 를 획득하였다. 이 데이터를 이용하여 DNVGL[20]에 있는 식(10~12)을 통해 구해 진 수심에 따라 평균 유속에 대한 해류 전단 및 극한 해상환경에서의 해류전단을 Table 6.4와 같이 구하였다. 이 때 풍속은 10 m 높이에서의 1시간 평균 풍속과 50 년 주기 극한 풍속을 적용하였다. 얻어진 수심에 따른 해류 속도를 이용하여 식
Wind Speed
[m/s] Thrust coefficient Wind Speed
[m/s] Thrust coefficient
3 1.0802 13 0.2681
4 0.8559 14 0.2119
5 0.7892 15 0.1713
6 0.7912 16 0.1410
7 0.7926 17 0.1178
8 0.7939 18 0.0997
9 0.7325 19 0.0855
10 0.6570 20 0.0740
11 0.4823 21 0.0646
12 0.3511 22 0.0569
Table 6.3. Thrust coefficient by wind speed
Fig. 6.2. Curve of thrust force Fig. 6.1. Curve of thrust coefficient
(13)에 따라 해류에 의한 하중을 계산하였다.
항력 계수는 해양기상부이 자료를 통해 얻은 평균 수온을 통해 ITTC의 해수 및 청수 특성표에서 동점성 계수를 획득하였다.[21] 이를 이용하여 레이놀즈 수를 구 한 뒤 Fig. 6.3의 원통형의 레이놀즈 수와 항력 계수의 관계그래프[22] 를 통해 찾 아낸 항력 계수를 사용하였다.
단, Case12의 경우 풍속과 동일하게 예인선의 속도를 해류속도라 가정하며, DNV 에서 권장하는 예인선 제한 속도인 8~10 knots 중 10 knots를 적용하였다.[17]
∙∙∙∙ (13)
Water Depth [m] Normal Current Profile Speed [m/s]
Extreme Current Profile Speed [m/s]
Surface 0.37 1.63
-1 0.37 1.61
-5 0.35 1.53
-10 0.33 1.43
-50 0.14 0.66
-90 0.13 0.61
-110 0.12 0.58
-130 0.11 0.53
-150 0.07 0.34
Table 6.4. Current speed by water depth
(10)
∙
(11) ∙