Comparison of Aerodynamic Loads for Horizontal Axis Wind Turbine (I): with and without Turbulent Inflow

ABSTRACT Thisstudyfocusedontheaerodynamicloadsofthehorizontalaxiswindturbinebladeduetothenormalturbulenceinflowcondition.Normalturbulencemodel(NTM)includesthevariationsofwindspeedanddirection,anditischaracterizedbyturbulenceintensityandstandarddeviationofflowfluctuation.IEC61400-1recommendsthefatigueanalysisfortheNTMandthenormalwindprofile(NWP)conditions.TheaerodynamicloadsareobtainedatthebladehubandthelowspeeddriveshaftforMWclasshorizontalaxiswind turbine which is designed by using aerodynamically optimized procedure. The6-componentsofaerodynamicloadsareinvestigatedbetweennumericalresultsandloadcomponentsanalysis.FromthecalculatedresultsthemaximumamplitudesofoscillatedthrustandtorqueforLSSwithturbulentinflowconditionareabout5~8timeslargerthanthosewithnoturbulentinflowcondition.Itturnsoutthattheaerodynamicloadanalysiswithnormalturbulencemodelisessentialforstructuraldesignofthewindturbineblade. 초 록 본 연구에서는 난류 유입조건을 갖는 수평축 풍력터빈 블레이드의 공력 하중에 대해 초점을 맞추어 연구하였다.난류모델은 풍속과 방향에 대한 변동을 포함하며,그 특성은 난류강도와 표준편차로 표현된다.IEC61400-1에서는 정상 난류 모델과 정상 풍속 측면도에 대해서 피로해석을 수행하도록 규정하고 있다.이를 위해 공력 최적설계 절차를 통해 얻어낸 MW급 수평축 풍력터빈 블레이드 허브와 저속 회전축에 대한 공력하중 해석을 수행한다.공력하중 성분은 수치적인 절차를 통해 얻어내며 이를 블레이드 회전 특성을 고려하여 해석적으로 검토하였다.난류 조건을 고려했을 때의 최대 추력과 토크의 변동치는 난류 조건을 고려하지 않았을 때의 값들에 비해 5~8배 더 큰 값을 보였다.따라서 난류 조건을 반영한 하중 해석은 풍력터빈 블레이드의 구조설계에 있어서 필수적임을 확인하였다.KeyWords:NormalTurbulenceModel(NTM,정상 난류 모델),HorizontalAxisWindTurbine(HAWT,수평축 풍력 발전기),AerodynamicLoad(공력하중),BladeElementMomentumTheorem(BEMT,블레이드 요소 모멘텀 이론)