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수평축 풍력발전용 터빈의 공력성능 및 소음예측에 관한 수치적 연구

Title
수평축 풍력발전용 터빈의 공력성능 및 소음예측에 관한 수치적 연구
Alternative Title
A Numerical Study on the Aerodynamic Performance and the Prediction of Aero-acoustic Noise for the Horizontal Axis Wind Turbine
Author(s)
모장오
Publication Year
2009
Publisher
한국해양대학교 대학원
URI
http://kmou.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000002175365
http://repository.kmou.ac.kr/handle/2014.oak/9560
Abstract
본 연구는 상용 CFD 코드를 이용하여 수평축 풍력발전용 터빈의 고성능 및 저소음 최적 블레이드 형상설계 자료로 활용되기 위한 기초자료의 확보 및 공력성능 및 소음예측 기법의 확립에 관한 연구를 수행하였으며, 다음과 같이 요약 정리 할 수 있다.

1. 풍력터빈 2차원 에어포일 S809를 대상으로 난류모델 별 수치해석적 연구를 수행하여 난류모델 별 공력성능과 유동특성의 차이점을 확인 할 수 있었으며, transition SST 모델의 경우가 모든 받음각 조건에서 우수한 성능예측 결과를 보여주었다. 또한 k-ω SST 모델의 경우도 실속각 이전의 조건에서는 비교적 우수한 성능예측 결과를 나타내었다.

2. 블레이드 설계정보를 근거로 직접 형상을 구현한 NREL Phase Ⅵ 수평축 풍력터빈 블레이드를 대상으로 3차원 유동해석 및 공력성능 평가를 수행하였으며, 블레이드 흡입면에서 발생하는 복잡한 구조의 실속현상은 이론적으로 제시된 유동구조와 서로 상당히 잘 일치하고 있음을 확인하였다. 또한 로터 블레이드에 대한 공력성능(축토크)은 NASA Ames Research Center에서 수행된 실험결과와 비교되었으며 정격풍속 7m/s에서는 0.08%의 오차 내에서 비교적 정확하게 일치하고 있음을 확인하였다. 그리고 정격풍속의 경우, 전체토크기준으로 블레이드 스팬방향 0%지점에서 40%까지는 11%, 40%지점에서 100%까지는 89%의 토크비율을 가지는 것으로 확인되었다. 따라서 로터 블레이드 설계시 스팬방향 40%까지는 구조적인 관점에서, 40%지점에서 100%까지는 공기역학적 관점에서 설계접근이 이루어져 할 것으로 판단이 된다.

3. 공력소음 해석에 대한 CFD코드의 적용가능성 평가를 목적으로 검증모델인 자동차 엔진냉각용 슈라우드 팬에 대한 공력소음 수치해석을 수행하였다. 자동차 엔진냉각용 슈라우드 팬의 경우, 팬의 전방과 후방 위치에서의 속도분포는 실험결과와 잘 일치하였으며, 팬의 반경거리 0.5m지점에서 0°, 90°방향의 1st BPF A 보정 음압레벨은 실험결과와 8.6% 오차범위 내에서 비교적 잘 일치하고 있음을 확인하였다. 또한 거리가 두배 증가함에 따라 방향별로 각기 다른 감소율을 나태내고 있음을 확인하였다.

4. NREL Phase Ⅵ 수평축 풍력발전기에 대한 소음예측과 평가를 수행하였으며, 주기적이고 안정적인 축토크값은 실험결과와 약 0.8% 오차범위 내에서 잘 일치하였다. 정격풍속에서는 블레이드 팁에서 발생하는 와류와 팁표면과의 상호작용에 의해 발생하는 이극자 소음이 지배적이며, 풍속이 증가할수록 난류의 교란과 소산에 의한 사극자 소음이 54.3% 까지 증가함을 알 수 있었다. 또한 이극자 소음원과 사극자 소음원은 각기 다른 음압 감소율로 인해 허브 중심에서 거리가 두배 증가함에 따라 총음압레벨은 원거리에서는 약 5.2dB∼6.4dB, 근거리에서는 약 3.3dB∼6.0dB까지 각기 다른 감소율을 보였다. 그리고 음향파워레벨은 Hagg가 제안한 단순평가모델 결과와 비교적 잘 일치하였으며, 거리에 따른 음압레벨은 Wagner 등이 제안한 결과와 유사한 경향을 나타내었다. 또한 정격풍속에서 팁 플레이트가 설치된 해석의 경우, 팁 플레이트가 설치되어 있지 않은 기존의 결과보다 총음압레벨은 이극자소음(블레이드)은 1.9dB 감소가, 사극자소음은 0.9dB 증가가 되어 전체적으로 1.8dB 정도 감소가 되는 효과가 있었다.
i.e. the predictions of the aerodynamic performance and the aero-acoustic noise using commercial code, FLUENT for the two-bladed horizontal axis wind turbine of NREL(National Renewable Energy Laboratory) Phase Ⅵ.

The first category describes the flow characteristics and the aerodynamic performance for the 2D S809 airfoil and the 3D wind turbine blade, which is comprised of S809 airfoil at all spanwise locations. The computational investigation on the 2D S809 airfoil is first carried out for the purpose of applying appropriate turbulence model to the analysis of the wind turbine through the evaluation regarding to three turbulence models (k-ε, k-ω and transition SST turbulence models). The aerodynamic results of the transition SST model indicates the best agreement among the models. Also, k-ω model are in good agreement with experimental data below stall-generated angle. On the basis of the evaluation of turbulence models, the numerical study on 3D two-bladed wind turbine is performed for various wind speeds from 7m/s to 25.1m/s using k-ω turbulence model because of the computer hardware limitation in using the transition SST turbulence model. Performance results such as power coefficient, shaft torque and pressure coefficient show a good agreement with experimental data. However, root bending moment is over-predicted than the experimentally measured data by about 30% for the whole operating conditions. However, these results is in qualitative agreement with the measurement data.

The second category presents the study of the aero-acoustic noise on a shroud fan for engine cooling of automobile and the two-bladed wind turbine generator of NREL Phase Ⅵ including nacelle and tower using the LES(Large Eddy Simulation) and the FW-H model. The analysis on a shroud fan is fist conducted to evaluate the possibility of applying CFD commercial code to the aero-acoustic noise. The directivity at 1st BPF shows a good agreement with experimental results which are measured in the wind tunnel.

The computational investigation on aero-acoustic noise generated from wind turbine generator for various wind speeds is performed. The sound pressure level is reduced by about 3.3dB∼6.4dB with increasing distance by two times from the center of hub of the wind turbine. The sound power level is in good agreement with simple evaluation model suggested by Hagg. Also, in case of analysis of wind turbine with tip plates, the OSPL at P1 location is reduced by about 1.8dB in comparison to wind turbine without tip plates because of the effect of vortex control at blade tip.

Consequently, this methodology can overall be applicable as a guideline on the optimal blade design of wind turbines with high performance and low noise in the development of wind turbine systems.
Wind power is the conversion of wind energy into a useful form, such as electricity, using wind turbine. At the end of 2008, cumulative capacity of wind-powered generators all over the world was 122.2 GW. Wind power produces about 1.5% of worldwide electricity use, and is growing rapidly.

As the diameter of wind turbine blade increases more and more, it becomes difficult to predict the loading and the performance of blade by unsteady aerodynamic forces, which lead to a rise of the maintenance and a unit cost of wind turbine. Also, according to the tendency to large capacity of the wind power generator, rotational speed of wind turbine blade becomes reduced and the low frequency noise becomes relatively increased so that the radiated noise can has an effect on residents of neighborhoods.

This thesis focuses on the numerical investigation for the development of wind turbine blades with high performance and low noise. The study can be classified into two main categories
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