기초세굴을 고려한 모노파일식 해상풍력 터빈의 동적 불안정성 해석

Abstract

풍력 터빈의 설계에 있어 정격 풍속을 비롯한 운영 조건 및 극한 풍속 등 극한 조건에서의 구조 안전성과 로터 블레이드의 회전에 따른 동적 불안정성 등을 반드시 검토하여야 한다. 기존 육상풍력 터빈의 경우 기초 강성이 매우 큰 콘크리트 기초를 주로 사용하기 때문에 터빈 기초의 강성 저하에 따른 동적 불안정성 발생 가능성이 상대적으로 높지 않으나, 해상풍력 터빈의 경우 해상 지반 기초의 세굴 등에 의한 지반 강성 저하로 인하여 동적 불안정성이 발생할 가능성이 높게 존재한다. 현재까지 세굴 자체에 대한 연구는 보고된 바 있으나 이러한 세굴에 의한 동적 불안정성 증가 등에 관한 연구는 보고된 바 없다.이 연구에서는 공개되어 있는 NREL 5MW 풍력 터빈의 제원과 서남해안 해상에서 추진되고 있는 2.5GW 해상풍력 단지 개발사업의 지반조사 결과를 바탕으로 파일 기초에 대한 지반 스프링의 p-y 관계곡선을 분석하고, 세굴 깊이를 직경의 0.5배, 1.0배, 1.5배로 고려하여 세굴 발생에 따른 고유주파수 변동을 분석하였다. 그리고 이러한 고유주파수를 풍력 터빈의 운영 시 공진이 발생할 수 있는 1P, 3P 주파수와 비교하여 동적 불안정성 발생 가능성을 검토하였다.다음의 그림 1은 세굴이 직경의 0.5배, 1.0배, 그리고 1.5배까지 발생하는 경우, 상재하중의 변화 등을 적용하여 구한 지반 스프링의 p-y 관계곡선이며, 그림 2는 이와 같이 구한 세굴 시의 p-y 관계를 이용하여 구한 해상풍력 터빈의 고유주파수이다. 파일 기초의 하단부를 육상풍력과 같이 고정(Case 2)하지 않고, 지반 강성만으로 지지력을 확보하여 어느 정도의 변위를 허용하는 것으로 고려할 경우(Case 3) 1차 모드의 고유주파수가 1P 주파수 범위 내에 용하기 때문에 터빈 기초의 강성 저하에 따른 동적 불안정성 발생 가능성이 상대적으로 높지 않으나, 해상풍력 터빈의 경우 해상 지반 기초의 세굴 등에 의한 지반 강성 저하로 인하여 동적 불안정성이 발생할 가능성이 높게 존재한다. 현재까지 세굴 자체에 대한 연구는 보고된 바 있으나 이러한 세굴에 의한 동적 불안정성 증가 등에 관한 연구는 보고된 바 없다.이 연구에서는 공개되어 있는 NREL 5MW 풍력 터빈의 제원과 서남해안 해상에서 추진되고 있는 2.5GW 해상풍력 단지 개발사업의 지반조사 결과를 바탕으로 파일 기초에 대한 지반 스프링의 p-y 관계곡선을 분석하고, 세굴 깊이를 직경의 0.5배, 1.0배, 1.5배로 고려하여 세굴 발생에 따른 고유주파수 변동을 분석하였다. 그리고 이러한 고유주파수를 풍력 터빈의 운영 시 공진이 발생할 수 있는 1P, 3P 주파수와 비교하여 동적 불안정성 발생 가능성을 검토하였다.다음의 그림 1은 세굴이 직경의 0.5배, 1.0배, 그리고 1.5배까지 발생하는 경우, 상재하중의 변화 등을 적용하여 구한 지반 스프링의 p-y 관계곡선이며, 그림 2는 이와 같이 구한 세굴 시의 p-y 관계를 이용하여 구한 해상풍력 터빈의 고유주파수이다. 파일 기초의 하단부를 육상풍력과 같이 고정(Case 2)하지 않고, 지반 강성만으로 지지력을 확보하여 어느 정도의 변위를 허용하는 것으로 고려할 경우(Case 3) 1차 모드의 고유주파수가 1P 주파수 범위 내에