도서지역 적용을 위한 230 kW급 풍력터빈의 발전기 내부 열유동해석

2.1 열유동해석을 위한 발전기 3D 모델

기존 발전기 내부유동장 및 외부유동장 모델링은 Fig. 1과 같으며, 풍력터빈 발전기의 열유동해석을 위하여 발전기 내부유동장 및 외부유동장을 설계 및 수정하였다. 발전기 외부유동장은 발전기 외경의 2배, 발전기 상하 방향으로 발전기 길이의 2배 이상으로 유동장을 설계 또한 기존 발전기의 형태가 원형의 대칭을 이루고 있으며, 수치해석 시간을 고려하여 발전기의 1/4만 열유동해석의 범위로 선정하였다.

Fig. 1

Fluid domain

Fig. 2∼4는 발전기 내부 발열부품(Rotor Yoke and Magnet, Coil and Stator Lamination) 및 발전기 프레임 3D 모델링 또한 원형의 대칭을 이루고 있어 전체 3D 모델링의 1/4만 해석 범위로 선정하였다.

Fig. 2

Generator Frame

Fig. 3

Rotor Yoke(Original) and Magnet

Fig. 4

Coil and Stator Lamination

발전기 공극부 냉각을 위한 공기 유동발생 구조물과 공기공급홀 발전기 내부 열유동 순환 개선을 위한 공랭식 공기공급홀 3D 모델링 기존 발전기 내부 Rotor Yoke의 구조에서 발전기의 구조적 안정성을 위한 직선의 Vane 형태를 Rotor 회전 시 공기 압축으로 인한 공기 순환 면적 확대를 위하여 Fig. 5와 같이 곡선 형태로 설계 하여 내부 공기를 공기공급홀 방향으로 유도하였다.

Fig. 5

Air Hole Type Rotor Yoke

또한, Magnet 사이에 내부 열유동 순환을 위한 공랭식 공기공급홀 을 Fig. 6과 같이 Case별 설계하였고 Rotor의 형태가 원형의 대칭을 이루고 있으며, Rotor Yoke의 Vane 형태가 곡선으로 설계에 따라 공기유량이 유입 및 유출 Rotor 부분을 설계함으로써 발전기의 1/4만 열유동해석의 범위로 선정하여 수치해석 결과의 신뢰성을 높이기 위하여 발전기를 구성하였다.

Fig. 6

Air Hole Design Between Magnet

1/4의 발전기 내부에 권선 54개를 1.667 deg으로 고정자(Stator Lamination)에 결합 및 배치, 영구자석은 Rotor Yoke tip 부분에 결합 및 배치하였으며, 고정자와 영구자석의 발전기 공극은 4 mm 선정하였다.

2.2 발전기 계산 격자

Table 1 발전기 내부 열유동해석을 수행하기 위하여 구성한 계산격자수이며, 계산의 수렴성 및 결과의 신뢰성을 위하여 Fig. 7과 같이 발전기 내부 발열부품 및 공기공급홀 주위의 격자밀도를 높게 구성하였다.

Table 1

Total Number of Mesh

Fig. 7

Grid of Rotor and Air Hole

2.3 발전기 내부 해석조건

발전기의 총 발전은 230kW이며, 발전기의 손실은 전자기해석을 통해 나온 손실의 결과 값을 Table 2와 같이 선정하여 발열부품별 손실 값을 적용하였다. 총 손실 값은 13,162 W이며, 열유동해석 범위가 발전기의 1/4 이므로 손실 값을 3,290.5 W로 선정하였다. 또한, Fig. 8과 같이 발전기 바깥쪽 부분에 풍속 10 m/s의 조건, 발전기 내부 Rotor 회전수는 35 min^-1 및 내부 유동장, 외부 유동장, 발열 부품의 초기 온도는 40℃로 선정하였으며, 회전영역과 고정역역을 동시에 포함하는 유동해석 기법 중 유동데이터를 두 영역에 서로 전달하기 위한 경계 조건으로 GGI기법 중 Frozen Rotor Interface 기법을 적용하였다.

Table 2

Boundary condition

Fig. 8

Boundary condition

2.4 발전기 내부 해석 결과

발전기 강제대류 열유동해석 결과는 Fig. 9∼12과 같이 No Air Hole 케이스에서 Rotor Yoke 최고 온도 110.82℃, 영구자석 최고온도 110.86℃, 권선 최고온도 123.9℃, 고정자 최고온도 122.87℃이며, 발전기 내부 최고온도는 고정자 바깥쪽 부분에서 122.87℃로 확인하였다.

Fig. 9

Temperature Distribution of Magnet

Fig. 10

Temperature Distribution of Rotor Yoke

Fig. 11

Temperature Distribution of Coil

Fig. 12

Temperature Distribution of Stator Lamination

또한, 2 Air Hole 케이스부터 6 Air Hole 케이스까지 공기 공급홀이 증가함에 따라 Rotor Yoke, 영구자석, 권선, 고정자 발열부품들의 온도가 점차적으로 낮아짐을 확인하였다.

Fig. 9∼12에서 공랭식 전체 공기 공급홀(Whole Air Hole) 적용 발전기 내부 온도 분포(Whole New Air Hole) 발전기 강제대류 열유동해석 결과는 Rotor Yoke 최고 온도 104.44℃, 영구자석 최고온도 104.46℃, 권선 최고온도 124.63℃, 고정자 최고온도 123.60℃이며, 발전기 내부 최고온도는 권선 바깥쪽 부분에서 124.63℃로 확인하였다.

공랭식 공기 공급홀 적용 발전기 내부 유선 및 압력 분포를 No Air Hole부터 Whole Air Hole 총 5 케이스로 분류하여 확인 결과 Fig. 13과 같이 공기 유선은 공기 공급홀 부분에서 활발히 활동적이며, Rotor 부분에서는 유동박리를 확인하였다. 또한, 모든 공기 공급홀 케이스에서 공기 유선의 유사함을 확인하였으며, Fig. 14에서 1구역의 공기 공급홀 부분에서 압력이 2구역 보다 상대적으로 높게 나타남에 따라서 유동의 흐름이 1구역에서 2구역으로 공기 공급홀을 통해 이동함을 확인하였지만, Rotor의 Vane과 Vane 사이 중앙부분에서 가장 낮은 압력분포를 확인하였다. 또한, Fig. 14의 3구역 부분에는 공기 공급홀 적용을 하지 않았지만 Fig. 15와 16과 같이 압력분포가 낮은 부분(2구역)에 공기 공급홀 적용에 따라 6 Air Hole부터 공기량이 상대적으로 많이 증가함을 확인하였다.

Fig. 13

Streamline at horizontal direction of Air hole(2 Air Holes)

Fig. 14

Pressure at horizontal direction of Air hole(2 Air Holes)

Fig. 15

Pressure at horizontal direction of Air hole(6 Air Holes)

Fig. 16

Pressure at horizontal direction of Air hole(Whole Air Holes)

전자기장 해석 프로그램을 이용하여 발전기 내부 손실 값을 적용하여 열유동해석 결과를 Table 3과 같이 정리하였으며, Rotor Yoke 상단 영구자석 사이 공랭식 Whole Air Hole 케이스를 적용한 Rotor Yoke가 기존 No Air Hole 케이스 Rotor Yoke보다 영구자석의 최고 온도를 대략 6.4℃ 낮추는 효과를 확인하였고, 효과가 가장 좋은 케이스는 6 Air Holes에서 영구자석의 최고 온도차가 6.5℃로 확인하였다.

Table 3

Temperature distribution(Initial temperature 40℃)

또한, Fig. 17과 같이 공기 공급홀이 증가할수록 공기 공급홀을 통과하는 공기량도 증가하지만, 발전기는 밀폐형으로 내부의 순환공기로만 냉각시키는 구조로서 공극에서 가열된 공기가 순환되는 동안 충분히 냉각 후 다시 공극으로 순환될 때 냉각효과를 가질 수 있다. 이러한 측면에서 볼 때 6 Air Holes 케이스보다 더 많은 공기 공급홀을 만들어 공기유량을 높여도 순환 공기가 충분히 냉각되지 못하여 냉각 효율이 더 이상 커지지 않고 있다고 판단되며, 영구자석의 온도는 Fig. 18 그래프에서 보이는 바와 같이 Whole Air Holes 케이스와 6 Air Holes 케이스를 비교한 결과 영구자석의 최고온도가 비슷함을 확인하였다.

Fig. 17

Flow rate of Air by case

Fig. 18

Magnet Temperature by case