[신기술] TVS의 회전익 자동 강성 조절 장치

강창대 기자
입력 2019.08.01 00:00

TVS의 회전익 자동 강성 조절 장치

진동제어로 소음은 낮추고, 수명은 늘린다

세계적으로 전체 발전량에서 재생에너지의 비중이 늘고 있다. 이에 따라 태양광과 풍력이 에너지원으로서 각광을 받고 있 다. 온실가스와 미세먼지 등 환경 문제의 대책으로 재생에너지 확대되고 있지만, 그 부작용도 종종 보고되고 있다. 태양광 모듈을 설치하기 위해 산림이 파괴되는 등 자연의 훼손이 발생하고 있기 때문이다. 그리고 풍력발전 시설도 늘고 있지만, 육상풍력 단지 인근은 그 소음과 저주파음이 골칫거리가 되고 있다. 풍력발전 소음에 노출된 주민들 가운데 멀미와 수면장 애, 이명과 공황장애 등을 호소하는 사례가 발생하거나 양식장 어류가 스트레스를 받아 폐사하는 일도 보고되기도 했다. 풍력발전기의 소음은 블레이드가 회전하면서 발생하는 진동에 기인한다. 이러한 진동은 풍력발전 설비의 수명에도 영향을 줄 수밖에 없다. 마침 풍력발전기 진동제어 기술의 개발 사례가 있어 이를 소개한다.

정리 강창대 기자

풍력발전은 바람으로 로터 블레이드(날개)를 돌려 전기 를 얻는 발전시스템으로, 바람을 기계적 회전 에너지로 변화하는 로터 블레이드와 이 회전 에너지를 전기로 변 환하는 발전장치로 구성되고, 이들을 타워가 떠받쳐 고도를 높이는 구조이다. 발전장치는 러셀이라는 부분 에 위치한다. 환경부가 발간한「 국내 풍력발전단지 소 음여향조사 연구」(한국교통대학교, 2016.12)에 따르면, 풍력발전의 소음은 러셀에 내장된 기계장치와 블레이 드에서 발생한다. 타워와 가까운 곳에서는 두 소음이 공존하지만, 타워로부터 멀어질수록 블레이드 소음이 주를 이룬다. 이때 소음원은 중심은 지상으로부터 약 50~100m 높이의 허브가 위치한 곳이다. 소음은 특히, 배경소음이 낮은 야간의 경우 주변 거주자들에게 더 큰 불쾌감을 유발하는 것으로 알려져 있다.

소음에 의한 피해를 줄이기 위해 육지로부터 원거리의 해상에 풍력발전 단지를 조성하는 방안 등이 제시되고 있지만, 가장 확실한 방법은 소음 자체를 저감하는 것 이다. 금오공과대학교 산학협력단의 노승훈 교수는 헬 리콥터의 로터 시스템에 발생하는 소음 저감 기술을 응 용해 풍력발전기 로터 블레이드의 진동을 92% 이상 줄 이는 기술을 개발했다.

[그림 1] 항력과 양력. 항력(위)은 비행할 때 동체 또는 회전익에 전달되는 저항력이며, 비행 속도, 비행기 형태, 날개 형태, 표 면 재질 등이 항력에 영향을 준다. 양력(아래)은 유체 속에서 수평으로 운동하는 물체가 수직 방향으로 받는 힘이다.

로터 진동의 원인‘ 공진

노승훈 교수가 발명한 회전익 자동 강성 조절 장치는 로터에 결합되는 회전익 고정단의 강성을 서로 상이하 게 조절하기 위한 동일한 질량의 강성 조절 부재와 관련된 것으로, 블레이드에 발생하는 와류 및 진동을 억 제하는 기술이다.

헬리콥터는 블레이드(날개)를 회전함으로써 발생하는 양력으로 비행하는 항공기다. 헬리콥터의 로터는 회전 중심부인 허브(hub), 회전익(rotor blade, 블레이드), 안 정바(stabilization bar), 경사판(swash plate), 피치조정 링키지 등으로 구성돼 있다. 구조적으로 헬리콥터 로터 에는 와류가 발생할 수 있다. 이는 헬기 주변 기체에 교 란이 생겨 동체를 심하게 흔들리게 하거나 심한 경우 추락사고의 원인이 될 수도 있다. 이러한 와류는 각 회 전익 간의 항력 편차와 양력 편차로 발생할 수 있다.

와류는 블레이드 간 항력과 양력의 불균형으로 발생되 기 때문에, 와류를 방지하거나 억제하기 위해서는 블레 이드 형상을 동일하게 설계해야 한다. 또한, 회전익 간의 질량 불균형은 처짐의 차이를 발생시키며, 이는 상이한 공기흐름을 유발하여 와류의 원인이 될 수 있다. 블레이 드의 생산 및 조립의 편의성과 편심에 의한 진동을 고려 했을 때, 블레이드를 동일 형상으로 제작하는 것은 생 산성, 제조경비, 진동 억제 등의 관점에서 유리하다.

이처럼 와류의 억제를 위해 블레이드 형상을 동일하게 해야 하지만, 문제는 질량과 구조가 같은 블레이드는 동 적 특성, 말하자면 고유진동수와 질량, 강성, 공기저항, 양력, 항력, 감쇠능 등이 동일하기 때문에 블레이드 간의 공진(resonance)을 일으 켜 큰 진동이 발생하게 된 다.

이렇게 발생한 진동은 소 음뿐만 아니라, 헬리콥터의 피로도를 증가시키는 주요 원인이 된다. 구조물의 여 러 구성 요소가 갖는 복수 의 고유진동수 중 동일한 고유진동수가 존재하거나, 구조물의 고유진동수와 작 동속도가 일치하면 공진이 발생하고, 공진은 진동을 더 욱 키움으로써 헬리콥터의 수명뿐만 아니라 심각한 안 전 문제를 유발할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위 해 다양한 장치가 연구 개발되고 있다. 그러나 동일한 형상의 회전익을 채택하면 공진이 유발되고, 공진을 회 피하기 위해 상이한 회전익을 적용하면 와류가 발생하 는 딜레마의 해결이 무엇보다 중요하다.

와류 및 공진 발생을 억제하는 기술

로터에 발생하는 와류와 공진을 억제하기 위해 고안된 것이 ‘회전익 자동 강성조절 장치’이다. 이 장치는 로터 에 결합된 회전익 고정단의 강성을 서로 상이하게 조절 함으로써 블레이드에 발생하는 와류 및 진동을 억제한 다. 이 장치를 구비할 경우, 공진에 의한 큰 진동을 줄이 기 위한 댐퍼나 구조 강성 강화립(rib) 등과 같은 별도의 장치가 필요하지 않아 비용을 절감시켜준다[그림 2].

‘회전익 자동 강성조절 장치’ 또는 ‘강정 조절 부재’는 블 레이드 각각의 일단부에 설치되어 진동의 종단점을 상 이하게 조절하여 블레이드 부재의 강성을 조절한다. 강 정 조절 부재에는 상하에 매트릭스 형태로 배열된 여러 개의 실린더가 있다. 상하의 동일한 위치에 있는 실린더 가 돌출하면서 블레이드 부재의 상면과 하면에 압력을 가해 고정시키는 방식으로 작동한다. 이때, 공진영역에 대응하여 실린더의 작동이 적어도 ±10%의 차이를 갖 도록 하여 공진 발생을 억제할 수 있다[그림 3]. 실린더 의 작동 방식은 유압실린더, 공압실린더 및 텔레스코픽 실린더 등을 사용할 수 있다.

아울러 이번에 개발된 회전익 자동 강성조절 장치는 블 레이드 부재에 부착된 진동 감지 센서가 획득한 주파 수 영역 신호에서 진동의 증가 시점을 인식해 작동될 수 있다. 또한, 회전하는 구조물로부터 회전속도를 감지해 공진영역에 접근하는 시점을 찾아 강성 조절 부재가 작동함으로써 공진의 발생을 미연에 방지할 수 있다.

풍력발전기 블레이드의 진동과 소음

풍력발전의 블레이드 소음은 원거리까지 전파돼 피해 범위가 크다. 이때 발생하는 소음이 인근 거주자의 건 강에 어떤 영향을 끼치는가에 대해서는 아직 뚜렷하게 밝혀진 바는 없지만, 스트레스를 호소하며 각종 증상 을 호소하는 사례가 끊이지 않는다. 뿐만 아니라, 해상 에 설치된 풍력발전기의 소음으로 인해 양식장 어류들이 스트레스를 받아 폐사하는 사례까지 보고되고 있 다. 에너지 생산에 있어 재생에너지의 비중을 늘리기 위해서는 풍력발전 역시 확대되어야 하나 풍력발전기 의 소음은 큰 걸림돌이 되고 있다.

기계의 안정성 측면에서도 진동과 소음을 억제할 필요 성이 크다. 진동은 기계 손상이나 내구성을 떨어뜨리는 원인이 되기 때문이다. 이는 발전효율에도 영향을 끼침 으로써 경제적 손실로 이어질 수 있다. 진동은 주로 블레 이드와 주축 베어링, 회전축 등에서 발생한다. 이들은 풍력발전기의 수명기간인 20여 년 동안 끊임없이 회전하 고, 이로 인해 발생한 큰 원심력이 지속적으로 작용한 다. 진동은 각각의 부품에 부식피로를 발생시켜 수명을 단축하기 때문에 높은 강도를 가진 소재를 필요로 한다. 이처럼 필요 수명을 확보하기 위해 과잉설계의 도입이 불 가피해지면 제조단가 역시 그만큼 오를 수밖에 없다. 그런데 금오공과대학교 산학협력단의 노승훈 교수가 개발한 회전익 자동 강성조절 장치는 풍력발전기의 로 터 블레이드에도 응용함으로써 공진에 의해 발생하는 진동과 소음을 억제할 수 있다.

금오공과대헉교 산학협력단은 노승훈 교수를 주축으 로 개발해온 진동제어 기술을 상용화하기 위해 2017년 에 벤처기업을 설립해 운영해오고 있다. 이 벤처기업은 ‘Total Vibration Solution’의 두음자를 딴 TVS(www. thetvs.co.kr)다. 노 교수는 TVS에서 CTO를 맡고 있다. TVS가 제공하는 솔루션에는 액티브댐퍼(Active damper)와 블레이드어댑터(Adaptor for blades) 등이 있다. 액티브댐퍼는 센서나 PCB, 액츄에이터(Actuator) 를 사용해 진동을 감지해 이를 억제하는 스마트키트 (Smart kit)다. 이 솔루션은 공장이나 원자력발전소의 파이프, 각종 로봇, 토목구조물, 기계설비, 계측 및 검 사 장비 등에 적용될 수 있다. 이외에도, TVS는 각종 토목구조물과 건축물, 선박과 항공기 등의 문제를 진 단하고 이에 대한 해결방안 등을 제시하는 활동을 펼 치고 있다. 그리고 블레이드어댑터는 블레이드 간의 공진을 제거하는 솔루션이다. 바로 이 솔루션이 헬리콥터 나 풍력발전기 터빈 블레이드에서 발생하는 공진을 억 제하는 기술이다. 블레이드어댑터는 선박의 프로펠러 뿐만 아니라, 틸트로터와 경비행기, 드론의 블레이드 등에도 적용할 수 있다고 한다.

진동 제어를 위해 TVS가 수행하는 프로세스는 주파수 분석으로부터 시작된다. 이를 통해 고유진동수나 진동 형 등 구조물의 진동 크기 및 동특성을 파악한다. 이후 구조물의 형상 크기를 반영하여 모델링(Modeling)을 진행하고 물성치와 결합조건, 작동 속도, 지지조건 등 을 적용하여 진동 크기 및 진동형을 분석한다. 그 다음, 실험결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 타당성을 검 토한 후, 구조물의 문제점을 분석해 안정화 설계안을 도출하거나 액티브댐퍼를 적용한다. 그리고 이후 개선 안과 액티브댐퍼 적용효과를 검토하면서 안정화의 완 성도를 살피고 필요할 경우 개선안을 수정하고 그 효 과를 확인하는 프로세스를 반복함으로써 최적의 결과 를 도출해낸다.

동일 형상 구조물의 고유진동수와 공진

동일한 형상을 한 구조물의 고유한 진동수에 의해 공진이 발생하는 원리는 실험을 통해 입증될 수 있 다. 빔 A와 B를 바이스(Vise)에 고정해 양단에 동 일한 형상의 외팔보를 설치하고 임펄스(Impulse) 형태의 외력을 가한 다음, ①과 ②의 위치에서 진 동을 분석한다[그림 4]. 이 실험의 결과, 빔A와 빔 B의 고유진동수가 같은 조건일 때 공진이 발생하 여 진동이 가장 커지는 것을 확인할 수 있다. 이때 두 빔 간의 공진을 없애면 공진에 의한 진동의 96% 가 소멸된다. 이 실험은 동일한 형상으로 이루어진 풍력발전기의 블레이드도 공진을 일으켜 진동과 소음을 발생시킬 수 있다는 것을 보여준다. 따라서 블레이드 간에 고유진동수가 다르게 설계를 하면 공진을 회피함으로써 진동을 억제할 수 있다. 블레 이드의 고정부 설계를 개선함으로써 얻은 진동제 어의 결과는 [표 1]과 같다.