목 차◇ 풍력발전기 선정 이유◇ 풍력발전기 주요 부품◇ 풍력발전기 블레이드○ 블레이드 동작원리○ 블레이드 재료선정○ 블레이드 제작공정◇ 풍력발전기 허브○ 허브의 재료선정○ 허브의 제작공정◇ 고찰◇ Item 선정이유: 지금까지 에너지의 대부분을 화석연료에 의존하여 동력을 얻었다. 그러나 그로인해 지구온난화가 새로운 문제로 오르고 있다. 또 얼마 지나지 않아 화석연료도 바닥을 드러낼 것이라는 경고가 나오고 있다. 이러한 이유들 때문에 세계는 공해가 없으면서 에너지원으로 쓸 수 있는 신재생 에너지에 크게 관심을 기울이고 있다. 특히 에너지 소비와 온실가스 배출이 많으면서도 새로운 에너지원 확보율이 낮은 우리나라는 이에 대한 관심이 더욱 필요하다.이러한 시대의 요구에 발맞춰 앞으로 지속적으로 에너지를 사용할 수 있고 그에 따른 부가가치를 창출할 수 있는 아이템을 선정하기 위해서 풍력발전기를 택했다.◇ 풍력발전기 주요 부품[10KW][주요 부품]① 블레이드 베어링② 로터 멈춤 장치: 긴급 시 회전자(roter)를 멈추기 위한 디스크 브레이크③ 저속축 :회전자가 약 30~60rpm에서 저속 축을 회전시킴④ 기어박스: 발전에 필요한 터빈의 회전속도를 증가시킴⑤ 변압기⑥ 허브: 블레이드를 고정하는 주철 구조물⑦ 블레이드: 바람의 운동에너지를 기계적 회전에너지로 변환시킴⑧ 유압장치: 정지장치의 제동을 해제하기 위해 유압을 가하는 장치⑨ 정지 브레이크⑩ 발전기: 기계적 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 장치◇ 풍력발전기 블레이드○ 블레이드 동작 원리풍력블레이드는 위의 그림에서 보는 것과 같이 3개의 블레이드를 가지는 프로펠러의 형태이다. 이는 양력을 적극적으로 활용하는 형태라고 할 수 있다.풍력 블레이드가 바람의 운동에너지를 양력을 통하여 기계적인 에너지로 전환하는 것은 오른쪽 그림에서 설명되어 있다. 바람의 속도 벡터와 회전에 의한 블레이드의 속도 벡터를 합하면 블레이드 단면에 비스듬한 각도로 들어오는 공기의 속도를 가지게 된다. 블레이드의 단면 형상을 에어포일이라고 하는데 양력에 의해 발생하게 된다. 이와 같은 양력이 항력에 비해 100배 이상 발생하는 에어포일 형상 덕분에 블레이드는 전체 면적의 10%도 차지하지 않으면서 충분한 효율을 낼 수 있다. 양력이 항력이 비해 100배 이상 발생해서 생기는 효과전인 역할은 비행기의 예에서 알 수 있다. 에어포일은 비행기 날개의 단면을 구성하는데 이 에어포일의 양력 대 항력비 덕분에 비행기는 동체와 기타 다른 부분으로 구성되어 있는 것을 포함하더라도 전체 비행기의 양력 대 항력비는 10~20이 된다. 이 이야기는 비행기 무게의 1/10의 추력만을 가지고도 비행기가 공중에 뜰 수 있는 충분한 힘을 만들 수 있다는 이야기이다. 풍력 블레이드도 이와 마찬가지로 과거 수직축 풍력 발전기에서 사용되는 항력을 회전에 필요한 토크로 이용하는 것이 아닌 양력을 토크가 발생하도록 적극적으로 이용함으로써 현재의 블레이드는 전체 효율이 0.5에 근접하게 되었다.○ 블레이드의 재료 선정10KW 블레이드 오웬스 코닝사의 DB830, CDDB1170 Gless 직조매트와 Hexion 사의 RIM135 상온용 Epoxy Resin을 채택하였고, 블레이드의 상. 하부 스킨과 스파의 결합을 위해 접착제를 적용하였으며 3가지 종류의 블레이드에 대해 유연성 및 다양성을 확보하기 위하여 Carbon 소재를 부분적으로 적용하였다.[블레이드 상. 하부와 스킨][적용재료][Carbon Mat Spec][Glass Mat Spec][Infusion resin Spec][Hardener Spec][Adhesive Spec]○ 블레이드 제작공정복합재료를 성형하는 방법은 여러 가지가 있으나 소재의 종류와 제품의 형상에 따라 적합한 성형 공법을 선택하여야 한다. 블레이드를 만드는 제조 공법에는 Hand Lay-up, Prepreg 적층(진공성형), VARTM 공법이 주로 사용되고 있다. Hand Lay-up 공법은 제품의 크기에 제한을 거의 받지 않으며 가격이 저렴하다는 장점이 있다 . 그러나 고품질의 제품을 얻기 위해서는 숙련을 요하고, 생산단가도 저렴하여 복합재료 대형구조물이나 복잡한 3차원 구조물 성형에 유리하다. 그러므로 10KW의 블레이드를 제조하는 방법으로 VARTM 공법을 이용 할 것이다.[진공성형법] [hand lay-up 법][공정 흐름도]1.몰드 설계블레이드는 크게 상현 스킨, 하형 스킨, 스파로 나누어진다. 따라서 3개의 성형 치구로 구성되며 몰드 재질은 제작성, 운용성, 복합 재료와의 열팽창 차이를 최소화하기 위해 FRP를 사용하여 제작하였다.[몰드 형상]각각의 몰드는 실제형상보다 크게 설계하여 성형 시 진공 배깅이 가능하도록 설계하였다. 또한 120℃에서도 경화 작업이 가능하게끔 몰드를 제작 할 것이다.2.스킨 몰드 제작스킨 몰드는 성형과 조립을 동시에 가능하도록 제작하여 조립성에 주안점을 두어 제작하였다. 블레이드의 경우 설계된 형상을 기초하여 목형을 제작하였다. 이렇게 제작된 목형은 표면 사상 및 후처리 공정을 거쳐 (b)와 같이 유리 섬유 sheet를 적충하고 수지를 함침 시켜 몰드의 형상을 갖추게 된다. 조립 치구 활용 및 몰드의 형태를 유지시키기 위해 (c)와 같이 나무를 이용하여 하부에 Frame을 적충 한 후 경화 시켰다.제작된 상형 몰드에 (d)와 같이 하형의 각 Section별 Airfoil 형상 판재를 배열하여 목형을 제작한 후 표면 사상을 하게 되면 (e)와 같은 하형의 목현이 완성된다. (f)와 같이 표면 사상 및 후처리 작업 후 몰드의 표면을 형성하는 겔코트를 도포한다. 하형 제작과 동일한 방법으로 (g)~(i)공정 거쳐 (j)와 같은 상형과 하형의 스킨 몰드를 제작하였다. 조글 몰드는 제작성, 조립성, 치수 안정성을 고려하여 상형 몰드의 Leading edge부분에서 FRP로 1:1 대칭으로 추출하고 제작하여 하형의 Leading edge부분에 조립하였다. (l)는 조글 몰드를 하형 몰드에 조립한 사진이다.[블레이드 스킨 몰드 제작 공정]3.스파 몰드 제작설계한 형상을 기초로 하여 스파 목형을 제작한다. 제작되어진 목형에 표면 사상 및 후처리, 스파 모들 형상][블레이드 성형]1. 몰드의 전처리블레이드를 성형하기 위한 전 처리 단계로, 성형 후 제품의 탈 형을 용이하게 하기 위하여 각각의 몰드 표면에 이형처리를 행하였다. 사용된 이형체는 미국 DEXTER사의 FREKOTE 700- NC를 사용하였다. 먼저 아세톤으로 몰드의 표면을 깨끗하게 세척하고 건조시킨 후, 이형체를 3~4회 도포 후 건조가 완료 되면 최종적으로 다시 이형제를 1회 도포시킨 후 건조 시켰다. 이때 이형처리 시 진공작업을 위해 몰드의 끝단에 종이테이프를 이용하여 Masking을 실시하였다.2.원소재 적층블레이드의 구조 안정성을 확보하기 위하여 원소재는 섬유의 끊임이 없이 재단하여 각각 적층하였다. Airfoil 형상이 복잡한 구역에서는 원소재 적층 시 소재 고정용으로 사용되는 미국 AIRTECH사의 Airtac 2를 사용하여 Airfoil 형상을 유지 하도록 gaus서 소재를 적층하였다.3. 성형원소재 적층이 완료되면 VARTM 공정이 가능하도록 필 플라이를 적층하였다. 필 플라이는 제품의 경화완료시 제품과 유로망등의 이형 및 잉여레진의 흡수를 위한 목적이다. 유로망은 수지 주입 시 수지의 유동을 원활하게 하는 역할을 담당하며, 수지 주입구는 일반적인 주입포트보다 단시간 내에 동일한 수지 충전을 위하여 Omega Flow를 몰드의 길이 방향으로 설치하여 성형하였다. 유로망 설치는 수지의 함침 속도를 높여 함침 시간을 단축할 수 있고, 유로망 적층수를 달리하면 수지 함침의 속도를 부분적으로 제어가능하게 하고, 또한 미함침 영역을 방지할 수 있다.[블레이드 성형 개략도]4.진공작업(Bagging)유로망 설치와 Omege Flow 설치가 완료되면 몰드 끝단에 길이 방향으로 좌. 우측에 각각 3군데의 수지 벤트를 설치하면서 시런트를 적층한다. Bagging Film을 이용하여 1차 Bagging을 시행하였다. 섬유의 체적을 줄이고 수지과잉부분을 방지하기 위해서 Bagging을 수차례 반복 압착하고 굴곡부위를 확실히 눌러 주어 형상을 유공 탈포를 행하였다. 수지 주입은 진공하에서 이루어졌고, 수지의 충전 과정을 살펴보면서 수지가 진공 벤트와 연결되어 있는 호스를 통해 흘러나오기 시작하면 연결되어 있는 호스를 하나씩 잠근다. 전제 벤트를 막음 후에 완전 함침을 위해서 압입을 20분간 유지 후 수지 주입구를 완전히 차단하여 상온 경화 시켰다.6. 탈형수지 벤트에서 완전히 경화된 상태를 확인 후 몰드에서 Bagging Film, Omege Flow, Resin Flow, Peel Ply 순으로 제거한다. 탈형 작업시 최대한 제품에 손상을 주지 않도록 주의를 하면서 실시하였다. 탈형이 된 블레이드는 EOP(End Of Part) line 기준으로 Trimming 작업을 실시하였다.7. 조립Trimming 작업이 완료 되면 각각의 몰드에 형상을 삽입하여 가공된 상태를 점검하였다. 블레이드는 순수 접착제로만 조립이 되므로 표면 사상을 하여 표면의 접착력을 증대 시켰다. 또한 표면에 표피 보정 재를 이용하여 표면을 보정하였다. 좌우측의 스파를 접착하여 스파 위치를 확인하고 조립시 사용되어진 접착제는 PLEXUS사에서 제공하는 MA560-1을 1:1 비율로 배합하여 상 하형 스킨과 스파의 접착 면에 충분히 도포하여 조립한다. 접착 후 상형 몰드를 하형 몰드에 Clamping 하여 블레이드의 Airfoil 형상이 유지하도록 경화를 실시한다.8. 후처리 및 도장조립 완료 후 표면 사상 및 표면에 표피 보정 재를 이용하여 표면을 보정하였다. Root부는 블레이드에 작용하는 하중을 지지하기 위하여 추가 보강을 적용하였다. 추가보강은 유리섬유 매트를 이용하여 hand lay-up으로 보강 후 Shrink Tape 을 사용하여 압착한다.◇허브○허브의 재료선정풍력터빈의 허브 어셈블리는 로터 블레이드에 작용되는 힘을 회전력으로 변환시키는 모듈/부품으로 허브, 3개의 블레이드와 연결되는 피치 베어링과 링 부품 등의 관련 단조부품으로 구성된다. 여기서, 허브는 로터 블레이드에 가해지는 굽힘 모멘트로 인해서 용접이 아닌 주조3%
