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역설계 과정을 활용한 3kW급 소형풍력발전기 블레이드의 CAD 데이터 생성 및 공력해석 = CAD Data Generation and Aerodynamic Analysis of 3 kW Small Wind Turbine Blades Designed Through the Reverse Design Process
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학술지명
설비공학 논문집(Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering)
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2022
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Korean
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KCI우수등재
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학술저널
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456-471(16쪽)
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Recently, new and renewable power generation facilities have increased the use of parts imported from major developed countries. Therefore, in case of a breakdown, repair takes a long time, consequently affecting manufacturing time and maintenance of the facility standards. In this study, after 3D scanning of the wind generator blade through the reverse design process, a model for CAD/CAM/CAE was designed and the aerodynamic performance was analyzed to verify its performance. The performance of the reverse design blade was 6.01% different from the currently available product, but there was a 2.28% difference if the wind speed was 5m/s or higher confirming its efficiency and similarity with the currently available product. In addition, drawings necessary for blade manufacturing could be produced and 10 airfoil shapes were obtained. Through this, it is possible to reverse the design and apply it in the design and manufacturing industries such as automobiles, agricultural machinery, aircraft, and military industries, and it is a potential basis for localization and a means to secure domestic technologies.
더보기본 연구에서는 역설계를 기반으로 터빈 블레이드와 같은 비교적 소형 제품에 대한 역설계와 구조해석만 수행하는 것이 아닌 2.5 m에 달하는 풍력발전기 블레이드의 역설계와 그 결과물을 활용하여 공력해석을 수행하여 역설계 프로세스의 효용성을 검증하였다.
역설계 모델에 대한 공력해석 결과는, 역설계 대상이었던 기존 상용 블레이드의 제원과 비교한 결과, 풍속의 3 m/s부터 10 m/s까지 시동풍속을 제외한 출력 성능 평균의 차이가 6.02%로 확인되었지만, 풍속이 5 m/s 이후의 해석 결과는 그 성능의 차이가 2.28% 이하로 매우 정확하고 유사한 경향성을 나타낸다.
또한 역설계 과정의 결과물은, 최적 설계의 기반으로 활용하여 주요 설계변수의 분석을 통해 환경(부지 및 풍속 등)에 맞는 설계 목적에 따라 설계자의 의도와 부합하도록 설계변경을 수행할 수 있으며, 제조공정과 같은 CAD/CAM/CAE에 활용 가능하여 국내의 자체 기술력을 확보하는 국산화의 기반이 될 수 있다.
본 연구에서는 3D 스캐너를 활용한 풍력터빈 블레이드에 대해 오픈소스 코드를 활용하여 해석을 수행하였지만, 국산화 및 성능향상을 위해 Ansys-사(社)의 Fluent를 활용하여 로터의 공기역학적 형상과 무개, 반대 방향으로 작용하는 토크 등을 고려한 해석으로 가변적인 회전속도를 도출하고, 설계변경에 따른 가변적인 공력 효율을 연동하여 최적화된 블레이드를 설계를 수행하고, 정밀 가공하여 풍동실험을 통해 그 결과를 검증하는 연구를 진행해 보고자 한다.
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