Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea (한국전산구조공학회논문집)

Computational Structural Engineering Institute of Korea (한국전산구조공학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

A Comparative Study on Structural Performance of Wind Turbine Composite Blades with Room-Temperature and Radiation Curing

상온 및 방사선 경화 복합재 풍력 블레이드의 구조성능 비교

  • 전재흥 (전북대학교 항공우주공학과 대학원) ;
  • 김성준 (전북대학교 항공우주공학과 대학원) ;
  • 신의섭 (전북대학교 항공우주공학과)
  • Received : 2011.12.08
  • Accepted : 2012.05.04
  • Published : 2012.06.30
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

In this paper, cross-sectional stiffnesses, static stresses, and dynamic natural frequencies are analyzed to examine the structural performance of wind turbine composite blades. The material properties of composite materials are based on room-temperature and radiation curing processes. The cross-sectional stiffnesses of composite blades are calculated by applying a beam theory with solid-profile cross sections. The wind turbine blades are modeled with a finite element program, and static analyses are carried out to check the maximum displacement and stress of the blades. In addition, dynamic analyses are performed to predict the rotating natural frequencies of the composite blades including the effects of centrifugal force. By comparing these analysis results, mainly owing to the material properties of composite materials, an improvement in the structural performance of the blades according to the curing process is investigated.

본 논문에서는 상온 및 방사선 경화 복합재 풍력 블레이드의 구조성능을 비교하기 위하여 단면 강성, 정적응력 및 동적 고유 진동수를 해석하였다. 먼저 상온 및 방사선 경화공정에 의한 복합재료 시편의 탄성계수 등 물성 값을 적용하였다. 블레이드의 단면 강성 값은 고형 복합재료 보 이론을 적용하여 유한요소 적분법으로 계산하였다. 허브 체결부위를 포함한 소형 풍력 블레이드를 상용 유한요소 프로그램으로 모델링하여 최대 변위와 응력분포 등을 확인하였다. 또한, 풍력 블레이드의 회전속도에 따른 원심력 효과를 고려하여 고유 진동수 해석을 병행하였다. 이와 같은 일련의 해석결과를 상호 비교함으로써, 상온 및 방사선 경화 복합재료의 물성 값 차이에서 기인하는 풍력 블레이드의 구조성능 변화를 정량적으로 분석하였다.

Keywords

References

  1. 박민호, 김민영, 김원호, 조원제 (1997) 전기중합법에 의한 열가소성 수지 탄소섬유 강화 복합재료의 제조와 내방사선성, 한국공업화학회지, 8(3), pp.489-501.
  2. 박일주 (2011) 임의의 단면 형상을 갖는 복합재료 회전익의 모델링 및 동특성 해석, 박사학위, 건국대학교.
  3. 이강수, 이정탁, 손충렬, 김건훈 (2007) 해상 풍력 발전용 Tubular와 Jacket Type Tower의 진동 특성에 관한 연구, 한국전산구조공학회 논문집, 20(5), pp.615-621.
  4. 최현철, 김동현, 김동만, 박강균 (2010) 풍하중 효과를 고려한 MW급 풍력발전기 타워의 지진응답 해석, 한국전산구조공학회 논문집, 23(2), pp.209-215.
  5. 한국기계연구원 (2011) 시험성적서, 1043-0044-0046, 한국기계연구원 부설 재료연구소.
  6. 한국원자력연구원 (2011) 방사선 융합기술 이용 첨단 고분자 소재 및 가공기술개발, 70007021, 지식경제부.
  7. Boey, F.Y.C., Yap, B.H., Chia, L. (1999) Microwave Curing of Epoxy-Amine System: Effect of Curing Agent on the Rate Enhancement, Polymer Testing, 18(2), pp.93-109. https://doi.org/10.1016/S0142-9418(98)00014-2
  8. Christos, K. (2010) Design and Analysis of Composite Structures with Applications to Aerospace Structures, Willey, Chichester, UK, pp.300-306.
  9. Glauser, T., Johansson, M., Hult, A. (2000) Electron- Beam Curing of Thick Thermoset Composites: Effect of Temperature and Fiber, Macromolecular Materials and Engineering, 274(1), pp.20-24. https://doi.org/10.1002/(SICI)1439-2054(20000101)274:1<20::AID-MAME20>3.0.CO;2-E
  10. Gurkan, S., Mustafa, S. (2008) Dynamic Stability Analysis of Pretwisted Aerofoil Cross-Section Blade Packet under Rotating Conditions, International Jounal of Mechanical Sciences, 50(1), pp.1-13. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2007.06.001
  11. Nho, Y.C., Kang, P.H., Park, J.S. (2004) The Characteristics of Epoxy Resin Cured by g-ray and E-beam, Radiation Physics and Chemistry, 71, pp.241-244.
  12. Park, I.J., Jung, S.N., Kim, D.H., Yun, C.Y. (2008) General Purpose Cross-Section Analysis Program for Composite Rotor Blades, International Journal of Mechanical Sciences, 50(1), pp.77-85.
  13. Park, S.J., Kim, H.C. (2001) Thermal Stability and Toughening of Epoxy Resin with Polysulfone Resin, Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 39(1), pp.121-128. https://doi.org/10.1002/1099-0488(20010101)39:1<121::AID-POLB110>3.0.CO;2-N
  14. Rosiak, J., Gueven, O., Czvikovszky, T., Lavalle, M., Berejka, A., Meisel, D., Hug, G., La Verne, J., Zagorski, Z.P., Cleland, M.R., Chmielewski, A.G. (2004) Advances in Radiation Chemistry of Polymers, IAEA-TECDOC-1420, pp.1-134.
  15. Wei, H., Lu, Y., Shi, W., Tuan, H., Chen, Y. (2001) UV Curing Behavior of Methacrylated Hyperbranched Poly(amine-ester)s, Journal of Applied Polymer Science, 80(1), pp.51-57. https://doi.org/10.1002/1097-4628(20010404)80:1<51::AID-APP1074>3.0.CO;2-W
  16. Yun, H.M., Dicarlo, J.A. (1996) Thermomechanical Behavior of Advanced SiC Fiber Multifilament Tows, NASA Technical Memorandum, 107366, pp. 1-10.