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표제지 2

목차 5

국문요약 9

Ⅰ. 서론 10

Ⅱ. 본론 12

제1절 이론적 배경 12

1. 풍력 터빈 산업 동향 12

2. 풍력 터빈 블레이드 전연부 침식 현상 20

3. 풍력 터빈 블레이드 전연부 코팅층의 강우 침식 메커니즘 25

4. 보호 솔루션의 재료 특성을 이용한 침식 수명 예측 모델 28

5. 초음파를 이용한 전연부 보호 솔루션 진동 감쇠 특성 분석 방법 32

6. 풍력 터빈 블레이드 전연부 보호 솔루션의 강우 침식 시험 관련 표준 38

7. 강우 침식 시험 장비 개발 동향 45

8. 풍력 터빈 블레이드 전연부 보호 솔루션 개발 동향 48

9. 블레이드 전연부 보호 솔루션의 침식 거동 연구를 위한 소재 선정 50

제2절 챔버형 강우 침식 시험 장비 개발 및 침식 거동 연구 53

1. 챔버형 강우 침식 시험 장비 설계 및 제작 53

2. 챔버형 강우 침식 시험 장비 운영 조건 검증 59

3. 챔버형 강우 침식 시험 장비 시험품 홀더 제작 63

4. 해외 기관과의 침식 경향 비교 검증 68

5. 에폭시 재료 강우 침식 시험 71

6. 결과 및 고찰 77

제3절 룸챔버형 강우 침식 시험 장비 개발 및 침식 거동 연구 78

1. 룸챔버형 강우 침식 시험 장비 설계 및 제작 78

2. 룸챔버형 강우 침식 시험 장비 운영 조건 검증 93

3. 룸챔버형 강우 침식 시험 장비 시험품 홀더 및 Reference 시험품 제작 97

4. 룸챔버형 강우 침식 시험 장비 Erosion rate 산출 103

5. 결과 및 고찰 110

제4절 폴리머 세라믹 분말 복합 재료 적용 보호 솔루션 개발 및 평가 111

1. 폴리우레아 레진 특성 분석 111

2. SiC 분말 특성 분석 117

3. 폴리우레아 레진/SiC 분말 복합 필름 개발 122

4. 폴리우레아 레진/SiC 분말 복합 필름 특성 분석 126

5. 폴리우레아 레진/SiC 분말 복합 필름의 강우 침식 시험 130

6. 결과 및 고찰 149

Ⅲ. 결론 151

참고문헌 153

ABSTRACT 158

표목차 6

Table. 1. Average Capacity Factor of Wind Turbines 15

Table. 2. Test Procedure of the ASTM G73-10 Standard 40

Table. 3. Properties of Reference Material 41

Table. 4. Rain Erosion Testing System Specifications by Institution 46

Table. 5. Properties of Polyurea in Study 51

Table. 6. Specification of Rain Erosion Testing System 58

Table. 7. Motor RPM Test Result 60

Table. 8. Droplet Size Test Result 61

Table. 9. Droplet Frequency Test Result 62

Table. 10. Design Specifications of Air Foil NACA 63(4)-021 65

Table. 11. Tip Speed Calculation Result 67

Table. 12. Rain Erosion Comparison Test Conditions 69

Table. 13. Rain Erosion Test Conditions 72

Table. 14. Rain Erosion Test Result 74

Table. 15. Specification of Rain Erosion Tester 92

Table. 16. Rotational Speed of Room Chamer Type Rain Erosion Tester 94

Table. 17. Droplet Size Test Result 95

Table. 18. Droplet Frequency Test Result 96

Table. 19. Design Specifications of Air Foil NACA 63(4)-021 99

Table. 20. Rain Erosion Test Conditions of Al1100 Specimens 104

Table. 21. Rain Erosion Test Result of Al1100 Alloy Specimens 108

Table. 22. Evaluation Results of Polyurea Film Properties 112

Table. 23. Particle Size Measurement Data of SiC Powder 119

Table. 24. XRF Analysis Result of SiC Powder 120

Table. 25. Coating Process of Leading Edge Protection Solution 124

Table. 26. Process Conditions for Composite Material Film 125

Table. 27. Properties Data of Composite Films 129

Table. 28. Rain Erosion Test Conditions of Polyurea Resin + SiC Powder 131

Table. 29. Rain Erosion Test Results According to SiC Powder Particle Size 132

Table. 30. Rain Erosion Test Results According to SiC Powder Contents 135

Table. 31. Estimated Time Interval Data Sheet 139

Table. 32. Mass Loss as a Function of Tip Speed 141

Table. 33. Erosion Rate and Acceleration Factor as a Function of Tip Speed 142

Table. 34. Tabulated Data Used to Generate the Log-Log-Plot in Fig. 88 148

그림목차 7

Fig. 1. Predictions about the Method of Power Generation 13

Fig. 2. Cumulative Offshore Wind Capacity 2011-2017 14

Fig. 3. Power and Rotor Diameters of Existing and Planned Onshore Wind Farms 16

Fig. 4. Power and Rotor Diameters of Existing and Planned Offshore Wind Farms 17

Fig. 5. Global Floating Offshore Wind Energy Projects by Depth, Country, and Project 18

Fig. 6. Cumulative Floating Offshore Wind Capacity 19

Fig. 7. Cross-Section of a Wind Turbine Blade 21

Fig. 8. Erosion Image of Blade Leading Edge 22

Fig. 9. Materials Used in a Typical Blade Cross Section 23

Fig. 10. A Particular Leading Edge Protection System Configuration on the Blade Surface 24

Fig. 11. a) Shock Wave Propagation Occurring upon Rain Drop Impact on a Solid Surface, b)... 26

Fig. 12. Liquid Droplet-Solid Surface Interaction Depicted From Numerical Simulation 27

Fig. 13. Map of Impedance Values as Input Data for the Erosion Lifetime Modeling Equations in... 31

Fig. 14. Example of How an Acoustic Impedance Measurement of Viscoelastic Materials used... 34

Fig. 15. Average Impedance Measurements with the 2.5 and 5.0 ㎒ Probe 35

Fig. 16. Experimental Setup for Measuring the Speed of Sound... 36

Fig. 17. Geometry for the Measurement of Sound Speed Between... 37

Fig. 18. An Example of a Rain Erosion Testing System Concept Presented in the ASTM G73-10... 39

Fig. 19. Well Behaved and Anomalous Cumulative... 42

Fig. 20. Typical Erosion-Time Pattern and Parameters... 43

Fig. 21. Procedures for Drawing Maximum-Slope Lines 44

Fig. 22. Rain Erosion Testing System by Institution 47

Fig. 23. Acoustic Material Properties for Materials and Classes of Materials 52

Fig. 24. Design Drawing Image of Drive Unit 54

Fig. 25. Design Drawing Image of Nozzle Unit 55

Fig. 26. Rain Erosion Testing System Design Drawing 56

Fig. 27. Rain Erosion Testing System & Main Units 57

Fig. 28. Design Drawing Image of Rain Erosion Test Sample Holder 64

Fig. 29. Schematic Representation of Multi Nozzle 66

Fig. 30. Rain Erosion Comparison Test Result Image 70

Fig. 31. Rain Erosion Test Result Image of Epoxy 73

Fig. 32. Cumulative Erosion-Time Curve Graph of Epoxy 75

Fig. 33. Erosion Image of Epoxy Specimen 76

Fig. 34. Schematic of a Room Chamber Type Rain Erosion Tester 81

Fig. 35. Configuration of the Prototype with a Servo Motor and an Al6061 Plate... 82

Fig. 36. Schematic of the Rain Simulation Module 83

Fig. 37. Manufacturing Process of the Simulated Rain Module 84

Fig. 38. Rotating Module for the Rain Erosion Tester 85

Fig. 39. Design Schematic of the Safety Guard 86

Fig. 40. Installation of Safety Guard Walls and a STS304 Mesh Ceiling 87

Fig. 41. Urethane Waterproofing of the Floor... 88

Fig. 42. Design Schematic of the Rain Erosion Tester 89

Fig. 43. Internal and External Views of the Rain Erosion Tester 90

Fig. 44. Operational View of the Rain Erosion Tester 91

Fig. 45. Air Foil NACA 63(4)-421 98

Fig. 46. Design Drawing of the Specimen Holder, Coupling Part and Fabricated... 100

Fig. 47. XRD Diffraction Peak Pattern of Al1100 Alloy Specimen 101

Fig. 48. Indentation Geometry of the Vicker's Hardness Test for Al1100 Alloy Specimen 102

Fig. 49. Rain Erosion Test Specimen Geometry Based on Al1100 Alloy 105

Fig. 50. Erosion-Induced Surface Profile Changes of the Specimen 106

Fig. 51. Al1100 Alloy Specimen Image at Duration Time 240 Min 107

Fig. 52. Cumulative Erosion-Time Curve Graph of Al1100 Alloy Specimens 109

Fig. 53. FT-IR Analysis Results of Polyurea Film 113

Fig. 54. TG-DTA Analysis Results of Polyurea Film 114

Fig. 55. Sound Speed Test Image 115

Fig. 56. Surface Observation Image of Polyurea Film 116

Fig. 57. FE-SEM Image of SiC Powder 118

Fig. 58. XRD Analysis Patterns of SiC Powders with Different Particle Sizes 121

Fig. 59. Changes in Properties of SiC Powder by Particle Size 127

Fig. 60. Variation of Properties with SiC Powder Content 128

Fig. 61. Correlation Between SiC Content, Acoustic Impedance and Mass Loss 134

Fig. 62. Rain Erosion Test Results According to SiC Powder Content 136

Fig. 63. Effect of Tip Speed on Mass Loss 140

Fig. 64. Sepectimen Geometry for Rain Erosion Testing at a 105 ㎧ tip speed 143

Fig. 65. Sepectimen Geometry for Rain Erosion Testing at a 120 ㎧ tip speed 144

Fig. 66. Sepectimen Geometry for Rain Erosion Testing at a 135 ㎧ tip speed 145

Fig. 67. Sepectimen Geometry for Rain Erosion Testing at a 150 ㎧ tip speed 146

Fig. 68. Log-log Plot of Erosion Rate Versus Impact Velocity. The... 147

초록보기

 풍력 산업의 대형화 및 해상화 추세에 따라 블레이드 전연부의 침식은 연간 에너지 생산량 (AEP) 감소, 유지보수 비용 증가, 발전기의 신뢰성 저하 등 심각한 문제로 대두되고 있다. 본 연구는 풍력 발전기 블레이드 전연부(Leading Edge)의 강우 침식 문제 해결을 위해, 국내 최초로 ASTM G73-10 표준 기반의 강우 침식 시험 장비를 개발하고, 다양한 보호 솔루션의 침식 거동을 체계적으로 평가하였다. 본 논문은 챔버형 장비를 기반으로 단점을 보완하여 룸 챔버형 강우 침식 시험 장비를 설계·제작하였으며, 최대 150 m/s의 회전 속도, 2열 구조의 노즐 배치, 액적 크기(평균 2.91 mm) 및 낙하 빈도(4 ~ 11 Hz) 제어를 통해 실제 풍력 블레이드 운전 환경을 정밀하게 모사하였다.

시험 장비의 신뢰성과 반복성을 확보하기 위해, 표준 시험편(Al1100계)과 에폭시, 폴리우레아 /SiC 복합 필름 등 다양한 보호 솔루션을 적용하여 강우 침식 시험을 수행하였다. 에폭시 및 Al1100계 기준 시험편의 최대 침식률은 각각 0.0023 g/min, 0.0025 g/min으로 ASTM G73-10 표 준의 요구 조건을 충족함을 확인하였다. 복합 필름 평가에서는 SiC 분말의 입도가 작을수록, 그리고 8.8 wt.% 수준의 최적 투입량에서 가장 우수한 내침식성을 보였다. 음향임피던스, 경도, 표면거칠기 등 재료 특성과 침식 저항성 간의 상관관계를 정량적으로 규명하였고, 침식률의 속도 의존성은 멱법칙(Power Law) 모델로 설명되어 속도지수 n=8.30이 도출되었다. 이는 블레이드 회전 속도의 증가가 침식률에 지수적으로 큰 영향을 미침을 의미한다.

또한, 본 연구는 보호 솔루션의 내침식성 향상을 위한 재료 설계 지침을 제시하고, 국내 기업 의 신소재 개발 및 가속 수명 평가 기술의 자립 기반을 마련하였다. 향후 본 시스템과 데이터 는 다양한 점탄성, 금속, 자성, 복합재료 기반의 전연부 보호 코팅제 개발, 실장 전 가속 내구 성 평가, 블레이드 실장 시 수명 예측 등 풍력 산업 전반에 걸쳐 실질적인 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구는 국내 풍력 블레이드 산업의 경쟁력 강화와 신뢰성 향상에 중요한 토대를 제공한다.

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