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보고서 초록
목차
제1장 서론 14
제1절 연구개발의 필요성 및 동향 14
1. 연구개발의 중요성(필요성) 14
2. 풍력발전기 소음에 대한 이론적 배경 16
3. 연구개발의 국내·외 현황 18
4. 연구개발대상 기술의 차별성 22
제2절 연구개발의 목표 및 내용 25
1. 연구개발의 최종목표 25
2. 연도별 연구개발의 목표 및 내용 25
3. 연도별 연구개발의 추진일정 26
4. 연도별 연구성과(논문·특허 등)의 도출계획 27
5. 주요 연구계획 변경사항 27
제3절 평가의 착안점 및 기준 28
제2장 본론 30
제4절 연구개발의 추진전략·체계 및 연구수행 방법 30
1. 연구개발의 추진전략 30
2. 연차별 추진체계 31
3. 연차별 연구수행 방법 32
제5절 연구개발 실적 및 항목별 목표와 결과물 36
1. 풍력 발전기 회전체 소음 측정용 무향실 및 회전체 구축 36
2. 블레이드 및 리블렛 9종 설계 39
3. 블레이드 및 리블렛 9종 제작 44
4. 회전체 블레이드 구조 설계 및 해석 50
5. 회전체 블레이드 동특성 해석/실험 56
6. 회전체 기본 소음 측정 실험 60
7. 리블렛이 부착된 회전체 소음 특성 실험 및 결과와 분석 64
제6절 (위탁연구) 리블렛 효과 전산음향학적 모델링 및 해석 78
제3장 결론 96
제7절 연구의 결론 및 향후 과제 96
제8절 연구기자재 및 시설현황 98
제9절 논문 및 지적재산권 102
제4장 참고문헌 104
부록 108
부록 A: 회전체 제어 시스템 구성 및 Operation Manual 108
부록 B: 회전체 제작도면 116
부록 C: 블레이드 및 리블렛 제작도면 188
표 1-1. 대형 풍력발전기 소음 측정 샘플 (Alberts, 2006) 18
표 1-2. 중소형 풍력발전기 소음 측정 샘플 (Alberts, 2006) 19
표 1-3. 유럽의 주거지역 소음 규제 현황 (Alberts, 2006) 19
표 2-1. 리블렛 단면 형상 및 배치 간격에 의한 9가지 조합 42
표 2-2. 사용된 복합재의 물성치 44
표 2-3. 소음 측정용 리블렛 형상에 대한 이름표 - 기본 블레이드와 9종의 리블렛형상에 대한 소음올 측정 비교 하였다. 66
표 2-4. 전 주파수 구간에서 측정한 각 블레이드에 대한 소음 레벨 77
표 2-5. 전 주파수 구간에서 측정한 각 블레이드에 대한 소음 레벨 증감 - 기준 블레이드와의 차. 사각형 형상이 전반적으로 소음 감소 효과를 보임 77
표 2-6. NACA0015 익형 수치해석 조건 82
그림 1-1.풍력발전기의 소음원인 및 그 전달 경로 14
그림 1-2. 풍력발전기의 블레이드 영향에 의한 소음 원인 분석 15
그림 1-3. 주파수 특성으로 본 일반적인 풍력발전기 소음 종류 15
그림 1-4. 본 연구의 착안점이 된 올빼미 날개깃의 실물 사진 16
그림 1-5. 풍력 블레이드 소음이 발생되는 공기역학적 와류 구성도 (Brooks, 1989) 17
그림 1-6. 해외 특허 분석 - 여러 가지 표면 처리 기법을 통한 소음 저감 시도 사례 19
그림 1-7. 해외 특허 분석 - 익단처리를 통한 소음 저감 시도 사례 20
그림 1-8. 선박용 스크류 적용 사례 - 익단 형상 제어를 통한 와류 제어 21
그림 1-9. 선박용 스크류 적영사례 -면내와류 제어 사례 22
그림 1-10. 연구 제안자의 원 착상 스케치 및 CAD화 (2008.4)[원문불량;p.22] 23
그림 2-1. 소음 측정을 위하여 구축된 무향실 및 회전체 테스트 스탠드 32
그림 2-2. 소음 실험장치 구성도 33
그림 2-3. 평판형 익형에 대한 기초 실험 33
그림 2-4. NACA 0015를 이용한 블레이드 및 리블렛의 3D 도면 33
그림 2-5. 리블렛 및 블레이드의 상세 제작 도면 35
그림 2-6. 리블렛이 부착된 블레이드에 대한 소음 측정 장면 35
그림 2-7. 간이 무향실 평면도 36
그림 2-8. CATIA를 이용한 회전전체 링크 구조 및 스탠드 설계 37
그림 2-9. LMS VirtualLab를 이용한 링크 구성 및 DOF Analysis 37
그림 2-10. 제작된 회전체 구조 및 설치 후 모습 38
그림 2-11. 계측기기 설치 및 원격제어 패널 38
그림 2-12. 실험에 사용된 각종 계측 장비 39
그림 2-13. 기본 블레이드 3D 모델 및 사양 40
그림 2-14. 기본익형 대비 리블렛 길이 및 높이 40
그림 2-15. 리블렛 배치 간격 공식 41
그림 2-16. 사용된 리블렛 단면 3가지 형상 (타원형, 삼각형, 사각형) 41
그림 2-17. 리블렛 간격을 적용한 최종 블레이드 조립도 43
그림 2-18. 블레이드 및 Spar의 재질 및 적층 구조 44
그림 2-19. 블레이드 제작을 위한 금형 44
그림 2-20. 제작된 블레이드 단면 형상 45
그림 2-21. 리블렛 제작을 위한 금형 46
그림 2-22. 제작된 2가지 재질의 리블렛 47
그림 2-23. 필름 조립 타입 리블렛 조립도 및 전문 지그 48
그림 2-24. 필름 조립 타입 리블렛를 블레이드에 최종 조립한 모습 48
그림 2-25. 리블렛-블레이드 직접 접착 공법을 이용한 최종 9종의 블레이드 실물 49
그림 2-26. 기본 블레이드에 대한 모달 실험 결과 56
그림 2-27. 회전체에 대한 모달 실험 결과 - 1차 및 2차 굽힘 모드 57
그림 2-28. 회전체 본체에 대한 모달 실험 - 22 Hz, 86 Hz 부근에서 Peak detection 58
그림 2-29. ANSYS를 이용한 모달 해석 - Geometry 및 Mesh 59
그림 2-30. AKSYS 모달 해석 결과 및 실험 결과와의 비교 59
그림 2-31. 소음 측정을 위한 마이크로폰 배치 61
그림 2-32. 블레이드 없는 싱태에서의 소음 측정 - 저주파 대역의 기계적 소음과 광대역에서의 Harmonic 주파수 관찰된다. 전체 음압은 62 dB 61
그림 2-33. 블레이드를 장착한 상태에서의 소음 측정 - 전체 음압이 올라감. 광대역에서는 역시 블레이드 없는 상태에서 관찰 되었던 Harmonic 주파수가 동일하게 관찰됨. 이들 주파수는 기계적 소음으로 분류할 수 있음 62
그림 2-34. 블레이드 장착 유무에 따른 비교 - 블레이드 장착시 광대역폭 (5 kHz 이상) 에서의 확연한 소음 증가를 관찰할 수 있음. 저주파 대역에서의 부하에 의한 기계적 소음도 관찰됨. 63
그림 2-35. 300rpm-pitch 0도 에서의 리블렛별 소음 - 리블렛 부착시 오히려 소음이 증가하는데 이는 양력증가 없이 표면에 의한 형상 저항에서 발생하는 와류가 증가하여 vortex burst 에 의한 원인으로 유추된다. 66
그림 2-36. 300rpm-pitch 3도 에서의 리블렛별 소음 67
그림 2-37. 300rpm-pitch 6도 에서의 리블렛별 소음 - 리블랫 부착에 의한 소음 저감 효과를 확인 할 수 있다. 67
그림 2-38. 300rpm-pitch 9도 에서의 리블렛별 소음 - 리블렛 부착에 의한 소음저감 효과를 확인 할 수 있다. 사각형 단면의 효과가 주목된다. 68
그림 2-39. 300rpm-pitch 12도 에서의 리블렛별 소음 - 리블렛 부착에 확연한 의한 소음 저감 효과를 확인 할 수 있다. 특히 5-10kHz 광대역 폭에서의 소음 저감효과가 주목되며 전반적으로 모든 단면 형상에서 소음 저감 효과를 보고 있다. 68
그림 2-40. 240rpm-pitch 0도 에서의 리블렛별 소음 69
그림 2-41. 240rpm-pitch 3도 에서의 리블렛별 소음 69
그림 2-42. 240rpm-pitch 6도 에서의 리블렛별 소음 70
그림 2-43. 240rpm-pitch 9도 에서의 리블렛별 소음 70
그림 2-44. 240rpm-pitch 12도 에서의 리블렛별 소음 71
그림 2-45. e2 (타원형, 2도 간격) 블레이드의 피치별 소음 - 300rpm 72
그림 2-46. e15 (타원형, 1.5도 간격) 블레이드의 피치별 소음 - 300rpm 72
그림 2-47. e1 (타원형, 1도 간격) 블레이드의 피치별 소음 - 300rpm 73
그림 2-48. t2 (삼각형, 2도 간격) 블레이드의 피치별 소음 - 300rpm 73
그림 2-49. t15 (삼각형, 1.5도 간격) 블레이드의 피치별 소음 - 300rpm 74
그림 2-50. t1(삼각형, 1도 간격) 블레이드의 피치별 소음 - 300rpm 74
그림 2-51. r2 (사각형, 2도 간격) 블레이드의 피치별 소음 - 300rpm 75
그림 2-52. r15 (사각형, 1.5도 간격) 블레이드의 피치별 소음 - 300rpm 75
그림 2-53. r1 (사각형, 1도 간격) 블레이드의 피치별 소음 - 300rpm 76
그림 2-54. 2D NACA0015 Grid System 82
그림 2-55. Re＝1.6×106의 유동의 경우 (U0＝26.7m/s)(이미지참조) 83
그림 2-56. Re＝3.0×106의 유동의 경우 (U0＝50.1m/s)(이미지참조) 84
그림 2-57. Re＝6.0×106의 유동의 경우 (U0＝100.0m/s)(이미지참조) 85
그림 2-58. Re＝1.6×106의 표면 압력 스펙트럼 (U0＝26.7m/s)(이미지참조) 88
그림 2-59. Re＝3.0×106의 표면 압력 스펙트럼 (U0＝50.1m/s)(이미지참조) 89
그림 2-60. U0＝50.1m/s 일 경우 각도별 원방에서의 음압크기 비교(이미지참조) 90
그림 2-61. 3차원 Riblet-Wing Schematics 91
그림 2-62. z＝0 평면에서의 난류 유동에너지 92
그림 2-63. z＝0.01c 평면에서의 난류 유동에너지 93
그림 2-64. TBLTE 소음 스펙트럼비교 95
그림 B-1. 로터시스템 베이스 132
그림 B-2. 하우징A 134
그림 B-3. 하우징B 136
그림 B-4. 하우징C 138
그림 B-5. 주축 140
그림 B-6. 허브바디 142
그림 B-7. CP 제어고정부 144
그림 B-8. CP 제어회전부 146
그림 B-9. 허브축 148
그림 B-10. 허브B 152
그림 B-11. 칼라 154
그림 B-12. 링크A 156
그림 B-13. 링크B 158
그림 B-14. 로드 160
그림 B-15. 가이드 162
그림 B-16. 칼라 164
그림 B-17. 로드 166
그림 B-18. 연결봉 168
그림 B-19. 모터지지대 170
그림 B-20. 핀 172
그림 B-21. WP ROTOR SYSTEM 174
그림 B-22. 베이스H 175
그림 B-23. 베이스L 177
그림 B-24. 지주 179
그림 B-25. 리브 181
그림 B-26. 로터베이스L 183
그림 B-27. 로터지주 185
그림 B-28. 로터시스템 스탠드 어셈블리 187
그림 C-1. 목재 블레이드 사양 및 제작구상 도면 1 189
그림 C-2. 목재 블레이드 사양 및 제작구상 도면 2 190
그림 C-3. 목재 블레이드 사양 및 제작구상 도면 3 191
그림 C-4. 평판형 스틸 블레이드사양 및 도면 192
그림 C-5. 평판형 알미늄 블레이드 사양 및 도면 193
그림 C-6. 복합제 블레이드 사양 및 도면 194
그림 C-7. 타원형 리블렛 도면 1(△2) 195
그림 C-8. 타원형 리블렛 도면 2(△1.5) 196
그림 C-9. 타원형 리블렛 도면 3(△1) 197
그림 C-10. 삼각형 리블렛 도면 1(△2) 198
그림 C-11. 삼각형 리블렛 도면 2(△1.5) 199
그림 C-12. 삼각형 리블렛 도면 3(△1) 200
그림 C-13. 사각형 리블렛 도면 1(△2) 201
그림 C-14. 사각형 리블렛 도면 2(△1.5) 202
그림 C-15. 사각형 리블렛 도면 3(△1) 203
그림 C-16. 타원형 리블렛 블레이드 도면 1(△2) 204
그림 C-17. 타원형 리블렛 블레이드 도면 2(△1.5) 205
그림 C-18. 타원형 리블렛 블레이드 도면 3(△1) 206
그림 C-19. 삼각형 리블렛 블레이드 도면 1(△2) 207
그림 C-20. 삼각형 리블렛 블레이드 도면 2(△1.5) 208
그림 C-21. 삼각형 리블렛 블레이드 도면 3(△1) 209
그림 C-22. 사각형 리블렛 블레이드 도면 1(△2) 210
그림 C-23. 사각형 리블렛 블레이드 도면 2(△1.5) 211
그림 C-24. 사각형 리블렛 블레이드 도면 3(△1) 212
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