• 한국해양환경ㆍ에너지학회지
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• 제17권3호
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• pp.167-173
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• 2014

본 연구에서는, 블레이드 요소-모멘텀 이론을 바탕으로, 최대 출력계수를 갖는 직경 80 cm의 실험실용 수평축 조류 터빈의 형상을 제시하고, 블레이드 피치각이 변할 때 출력계수의 변화 경향을 조사하였다. 또한 ANSYS-Fluent를 이용한 전산유체해석을 실시하여, 주어진 블레이드 피치각에 대하여 블레이드 요소-모멘텀 이론으로 계산한 출력계수를 검증하였다. 전산유체해석에는 계산 영역의 직경과 길이를 조류 터빈 반경의 15배로 하였고, 계산 영역의 경계에는 열린 경계조건을 인가하였다. 블레이드 요소-모멘텀 이론과 전산유체해석으로 계산한 조류 터빈의 최대 출력계수 약 48%로 서로 잘 일치하였다. 블레이드 피치각을 증가한 경우에는 두 방법으로 산출한 출력계수가 모두 감소하는 경향을 보였고, 그 값들도 서로 유사하였다. 이로부터, 블레이드 요소-모멘텀 이론을 기반으로 설계한 조류 터빈 형상 및 다양한 조건에서 대한 출력계수의 신뢰성을 확인하였다.

• Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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• 제35권1호
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• pp.96-101
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• 2011

본 연구에서는 수평축 조류발전용 터빈 블레이드 설계 및 성능평가가 가능하도록 블레이드 끝단 손실모델을 고려한 블레이드요소 운동량 이론을 적용하여 설계를 수행함으로써 관련 설계기법을 확립하였고 최종적으로 설계 및 성능평가를 위한 국산 소프트웨어의 개발을 완료하였다. 개발된 성능평가 소프트웨어인 MCT-Blade V2.0을 통해 2MW급 블레이드 설계 및 성능평가를 수행하였으며, ANSYS FLUENT 상용코드를 이용하여 BEMT에 의한 성능평가 결과의 타당성을 검증하였다. 2.5m/s 정격유속에서 BEMT에 의한 기계적 출력은 2,121kW로써 전기적 출력을 만족하였지만, CFD에 의한 기계적 출력은 1,901kW로써 목표출력에 다소 부족한 결과를 보였다.

• Wind and Structures
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• 제18권2호
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• pp.195-213
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• 2014

Recently, the horizontal axis rotor performance optimizer (HARP_Opt) tool was developed in the National Renewable Energy Laboratory, USA. This innovative tool is becoming more popular in the wind turbine industry and in the field of academic research. HARP_Optwas developed on the basis of two fundamental modules, namely, WT_Perf, a performance evaluator computer code using the blade element momentum theory; and a genetic algorithm module, which is used as an optimizer. A pattern search algorithm was more recently incorporated to enhance the optimization capability, especially the calculation time and consistency of the solutions. The blade optimization is an aspect that is highly dependent on experience and requires significant consideration on rotor control strategies, wind data, and generator type. In this study, the effects of rotor control strategies including fixed speed and fixed pitch, variable speed and fixed pitch, fixed speed and variable pitch, and variable speed and variable pitch algorithms on optimal blade shapes and rotor performance are investigated using optimized blade designs. The effects of environmental wind data and the objective functions used for optimization are also quantitatively evaluated using the HARP_Opt tool. Performance indices such as annual energy production, thrust, torque, and roof-flap moment forces are compared.

• 한국생산제조학회지
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• 제19권2호
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• pp.288-294
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• 2010

In recent years, wind energy has been the world's fastest growing source of energy. This paper describes the structural design and analysis of composite blade for 2 kW-level HAWT (horizontal axis wind turbine). The aerodynamic design and force, which are required to design and analyze a composite blade structurally, are calculated through BEMT(blade element momentum theory) implemented in public code PROPID. To obtain the equivalent material properties of filament wound composite blades, the rule-of-mixture is applied using the basic material properties of fiber and matrix, respectively. Lay-up sequence, ply thickness and ply angle are designed to satisfy the loading conditions. Structural analysis by using commercial software ABAQUS is performed to compute the displacement and strength ratio of filament wound composite blades.

• 유체기계공업학회:학술대회논문집
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• 유체기계공업학회 2004년도 유체기계 연구개발 발표회 논문집
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• pp.396-401
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• 2004

In this paper, a 1MW HAWT(FIL-1000) rotor blade has been designed by BEMT(Blade Element Momentum Theory) with Prandtl's tip loss. Also, a 3-D flow and performance analysis on the FIL-1000 rotor blade has been carried out by using the 3-D Navier-Stokes commercial solver (CFX-5.7) to provide more efficient design techniques to the large-scale HAWT engineers. The rated power and itsapproaching wind velocity at design point (TSR=7.5) are 1MW and 9.99m/s respectively. The rotor diameter is 54.5m and the rotating speed is 26.28rpm. Airfoils such as FFA W-301, DU91-W-250, DU93-W-210, NACA 63418, NACA 63415 consist of the rotor blade from hub to tip. Recent CFX version, 5.7 was adopted to simulate 3-D flow field and to analyze the performance characteristics of the rotor blade. Entire mesh node number is about 730,000 and it is generated by ICEM-CFD to achieve better mesh quality The predicted maximum power occurringat the design tip speed ratio is 931.45kW. Approaching to the root, the inflow angle becomes large, which causesthe blade to be stalled in the region. Therefore, k-$\omega$ SST turbulence model was used to predict the quantitative flow information more accurately. Application of commercial CFD code to optimum blade design and performance analysis was proved to be more effective environment to HAWT blade designers.

• 한국해양공학회지
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• 제29권5호
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• pp.366-372
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• 2015

Ocean energy is one of the most promising renewable energy resources. In particular, South Korea is one of the countries where it is economically and technically feasible to develop tidal current power plants to use tidal current energy. In this study, based on the design code for HARP_Opt (Horizontal axis rotor performance optimizer) developed by NREL (National Renewable Energy Laboratory) in the United States, and applying the BEMT (Blade element momentum theory) and GA (Genetic algorithm), the optimal shape design and performance evaluation of the horizontal axis rotor for a 200-kW-class tidal current turbine were performed using different numbers of blades (two or three) and a pitch control method (variable pitch or fixed pitch). As a result, the VSFP (Variable Speed Fixed Pitch) turbine with three blades showed the best performance. However, the performances of four different cases did not show significant differences. Hence, it is necessary when selecting the final design to consider the structural integrity related to the fatigue, along with the economic feasibility of manufacturing the blades.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.57.1-57.1
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• 2011

본 논문에서는 소음을 저감하고 구조적 안전도를 향상시키기 위하여 10kW급 소형 복합재 풍력터빈 블레이드를 해석, 설계하였다. 풍력터빈 블레이드 설계의 기본 사항에 맞추어 블레이드의 스팬 길이는 약 4m, 중량은 30kg 내외가 되도록 설정하였다. 풍력발전기용 블레이드는 경량화가 중요하므로 유리섬유복합재 (glass fiber reinforce pastics), 탄소섬유복합재 (carbon fiber reinforced plastics)가 사용되었다. 본 설계에서는 Carbon prepreg (WSN3KY), Carbon UD(UIN150c), E-glass 등을 사용하였다. 상용 유한요소 프로그램인 NASTRAN을 이용해 Carbon prepreg (WSN3KY), Carbon UD (UIN150c)의 탄소섬유복합재만으로 구성된 블레이드 구조해석을 수행한 결과 중량 조건 및 강도의 안전도는 충족되었으나, 높은 가격을 감안하여 E-glass와 조합하여 블레이드를 재설계할 예정이다. 이번 설계는 소형 풍력발전용 블레이드 설계이므로 좌굴은 고려하지 않았으며, 향후 필요에 따라서 좌굴 및 피로해석도 수행하여 검증할 예정이다. 그리고 블레이드가 복합재로 구성되면 감쇠력이 감소할 가능성이 있다. 탄소섬유복합재로만 구성된 블레이드 구조해석에서도 최대 40cm의 변형이 예측되었으며, 감쇠값 저하 문제도 고려하여야 될 것 같아 BEMT (Blade Element Momentum Theory) 공력모델을 이용해 구조-유체 연성 결합 해석을 수행할 계획이다.

• 한국항공우주학회지
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• 제35권10호
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• pp.875-883
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• 2007

본 연구는 실내 정찰 임무에 적합한 동축반전형 MAV 개발하는 것을 목표로 하였다. 현재 개발된 유사기종의 제품을 참조하여 초기사이징을 실시하고 BEMT기법을 이용하여 로터성능을 해석하였다. 또한 로터성능을 측정할 수 있는 실험장비를 구성하였다. 시제기의 진동발생 및 비행 불안정 문제는 NC머신을 이용해 부품을 정밀제작하고 스테빌라이져, 시소형태의 로터를 도입하여 해결하였다. 본 연구를 통하여 영상장비를 장착하고 비행가능한 기체를 제작하는데 성공하였으나, 향후 성능향상을 위한 별도의 로터설계가 필요한 것으로 보인다.

• 한국항공우주학회지
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• 제41권3호
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• pp.173-184
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• 2013

본 연구에서는 프로펠러나 헬리콥터 로터와 같은 회전체의 공력 최적 설계를 위한 다단 최적 설계 프레임워크를 제안한다. 이 프레임워크는 플랜폼 설계와 단면의 형상 설계를 반복적으로 수행하는 설계 전략을 통해 회전체의 공력 성능 향상을 목표로 한다. 플랜폼 설계의 단계에서는 유전 알고리즘과 2차원 CFD 데이터베이스 기반의 깃 요소 모멘텀 이론을 이용하여 빠른 시간에 회전체의 공력 특성을 평가하여 최적점을 탐색하였다. 플랜폼 설계 후 단면에 유입되는 유동 조건을 예측하여 단면 형상 최적 설계를 수행하였다. 설계 과정에서 보다 면밀하게 유동 특성이 분석될 수 있도록 2차원 N-S 해석자와 민감도 기반의 최적화 알고리즘을 통해 최적해를 탐색하였다. 단면 형상이 설계된 후에는 최적의 유동 조건을 산출할 수 있도록 플랜폼 설계를 반복적으로 수행하였다. 본 프레임워크를 1kW급 전기추진용 항공기 프로펠러 설계에 적용하여 그 유효성을 3차원 N-S 해석과 풍동 실험을 통해 검증하였다. 설계 후, 풍동 실험 결과를 기준으로 약 5%의 프로펠러 효율 증가를 얻을 수 있었다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.59.2-59.2
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• 2011

Although there are many activities on the construction of wind farm to produce amount of power from the wind, in practice power productions are not as much as its expected capabilities. This is because a lack of both the prediction of wind resources and the aerodynamic analysis on turbines with far wake effects. In far wake region, there are velocity deficits and increases of the turbulence intensity which lead to the power losses of the next turbine and the increases of dynamic loadings which could reduce system's life. The analysis on power losses and the increases of fatigue loadings in the wind farm is needed to prevent these unwanted consequences. Therefore, in this study velocity deficits have been predicted and aerodynamic analysis on turbines in the far wake is carried out from these velocity profiles. Ainslie's eddy viscosity wake model is adopted to determine a wake velocity and aerodynamic analysis on wind turbines is predicted by the numerical methods such as blade element momentum theory(BEMT) and vortex lattice method(VLM). The results show that velocity recovery is more rapid in the wake region with higher turbulence intensity. Since the velocity deficit is larger when the turbine has higher thrust coefficient, there is a huge aerodynamic power loss at the downstream turbine.