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풍력발전기용 대형단조품 소재기술(2)-제2장 풍력발전용 소재기술-신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2016(15)
재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 8번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘기후변화대응 소재’다. 태양전지, 풍력발전, 연료전지, 에너지효율화 및 경량화, 수소생산 및 이산화탄소 전환, 공기정화 및 수처리 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2016’을 연재한다.

풍력발전기, 극한 환경 소재·기술 必



■ 타워 플랜지(Tower flange)

타워 플랜지는 타워의 연결에 필요한 이음새 부품으로서 보통 한 타워에 5∼7개의 플랜지가 사용된다. 타워의 하단부터 하부 플랜지(bottom flange), 중간 플랜지(middle flange), 상부 플랜지(top flange) 등으로 구성되어 있으며 플랜지 제작은 용접에 의해 주로 이루어져 왔으나, 현재 대형 링 롤링 밀 설비의 증가로 링 롤링 가공으로 제작이 되고 있다. 링 롤링 밀(ring rolling mill) 가공 방식은 투입 소재의 양과 가공량이 절감되며, 작업시간도 단축되어 제작 단가를 낮출 수 있다. 타워 플랜지 소재는 S355NL과 같은 저합금강이 주로 사용되며 형태로는 L-플랜지와 T-플랜지로 나눌 수 있다.

타워 및 타워 플랜지의 작업공정을 잠시 살펴보자. 용접은 타워의 제조에서 가장 중요한 작업공정이며 고급기술자의 고도의 경험을 요구하는 부분으로 일반적인 절차는 다음과 같다. 벤딩(bending)이 이루어진 각 타워의 섹션은 셸(shell)의 길이방향으로 용접하고, 원통 셸 간 용접은 다음 섹션에 연결하기 위하여 이루어진다. 셸 간 용접은 서서히 회전하는 굴림 베드(rolling bed)에서 이루어진다. 용접기술자가 분체용접기를 이용하여 외부로부터 용접하는 동안 다른 작업자는 내부에서 대응하여 같은 지점을 용접해 나간다.

용접법으로는 특수용접인 CO2 용접이 많이 사용된다. 용접선은 완전히 스며들게 하고 추후 연마과정을 거치고 초음파나 X-선 장비로 검사하고 중요부위의 용접선은 전수검사를 수행한다. 용접공정은 GB/T19001-2000idt ISO9001 :2000 규정 등에 따른다. 용접작업을 끝낸 타워섹션은 다양한 표면처리 과정을 거쳐서 부식방지와 미관을 위한 도장작업을 거친다. 표면의 도장이 안착되도록 입자를 이용하여 녹 제거와 표면 거칠기를 높이기 위하여 회수하여 사용하는 금속알갱이(metal grit)를 분사하는 블라스트작업(blast process)과정을 거친다. 탈지 과정을 거친 후 적용되는 도장용 페인트는 대개 액상 페인트를 airless spray gun으로 분사하여 도장과 건조과정을 거친다. 풍력터빈의 기초는 너셀과 타워의 무게를 지탱하고, 최대 극한 풍하중을 견딜 수 있도록 설계된다. 따라서 타워 기초는 극한하중조건(extreme wind condition)에서 풍력터빈이 전복되지 않게 견딜 수 있도록 하는 것이 기본 설계 개념이다.

풍력발전용 타워는 풍력발전기를 지지하는 구조물로서 현재 건설되고 있는 상용 대형 풍력발전기의 타워구조는 <그림 3-2-2-6(a)>에서 보듯이 주로 강 파이프식 타워(steel tubular towers) 구조이다. 약 20~30m 간격으로 용접을 통해 제작되며 각 끝부분은 플랜지와 볼트로 연결되어 있다. 타워 플랜지는 타워의 연결에 필요한 구성품으로서 6∼7개의 플랜지가 한 세트를 이룬다. 지름이 가장 큰 bottom flange와 middle flange, top flange로 구분되며 <그림 3-2-2-6(b)>에 실제 타워 플랜지를 나타내었다. 일반적으로 타워 플랜지의 제조방식은 크게 용접(welding)에 의한 방식과 링 압연(ring rolling)방식으로 구분할 수 있다. 전자는 이음매가 있는 경우이고, 후자는 이음매가 없는 경우로 구분된다. 기존에는 용접에 의해 대형 플랜지를 제조했으나, 최근에는 대형 링 밀(ring mill) 설비의 증가와 더불어 후자에 의한 방식으로 많이 제작된다. 링 압연 방식은 투입소재와 가공량의 절감, 작업시간의 단축으로 제작단가를 줄일 수 있고, 원주 방향의 미세조직이 연신되어 내외압에 대한 저항성이 높아지는 등 양호한 기계적 특성을 얻을 수 있다. 또한, 링 압연 가공 전 업셋팅(upsetting)과 코깅공정(cogging)을 통해 충분한 단조비를 가하기 때문에 요구 물성치를 만족시키기 위한 품질 열처리가 용접방식에 비해 간단한 장점이 있다. 한편, 타워 플랜지는 S355NL(대응소재 : A350LF2N, A694F42, F490G, ST52.3)과 같은 저합금강이 주로 사용되며, 소재의 특성으로 용접성이 좋고, 일반강보다 강도 및 충격치가 우수하며, Al 첨가를 통해 조직 미세화를 얻어낸 강종이다. <그림 3-2-2-10>과 <표 3-2-2-2>에 실제품에 대한 미세조직과 기계적 특성을 나타내었다. 이러한 타워 플랜지 소재의 미세조직은 미세 펄라이트(pearlite)와 페라이트(ferrite)로 구성되며 충격에너지 값은 27J 이상을 요구하고 있다.

■ 요/피치 시스템(Yaw/Pitch bearing)

1) 피치 시스템(pitch system)

피치 시스템은 전기 제어 장치에 의해 초당 수회씩 전력 출력을 측정하여 적정 출력을 초과하거나 감소하게 되면, 출력 제어를 위해 즉시 블레이드 제어장치로 신호를 보내 블레이드의 각도를 조정함으로써 항상 일정한 적정 출력을 유지할 수 있도록 하는 시스템이다. 블레이드(blade)의 피치 조절을 통해 기동 풍속 이상 시 로터의 기동 토크를 충분히 얻기 위한 기동운전, 정격 풍속 이상에서의 정격 출력을 일정하게 유지하기 위한 정격운전, 강 풍속(cut-out 풍속 이상)시 또는 저 풍속(cut-in 풍속 이하)시의 정지와 같은 기능도 수행하게 된다. 피치시스템을 사용하는 풍력터빈의 설계는 출력변화에 따른 신속하고 정확한 블레이드 피치제어를 구현하기 위해 공기역학적인 블레이드 설계가 이루어져야 하며, 실속(stall) 제어형 풍력터빈보다 비해 설계가 어렵고 전기식 또는 유압식 구동부 및 제어장치 설치비용이 추가되는 단점이 있다. 하지만 출력 변동에 따른 장치부하를 감소시킬 수 있고 항상 일정한 출력을 유지할 수 있으므로 전력 생산량을 크게 증가시킬 수 있다.

피치 시스템은 구동 방식에 따라 능동 피치 시스템(active pitch system)과 수동 피치 시스템(passive pitch system)으로 구분된다. 능동 피치 시스템은 사용되는 엑츄에이터(구동기, actuator)의 종류에 따라 전기식(electrical)과 유압식(hydraulic)으로 구분된다. 피치 시스템은 로터-블레이드 베어링(rotor-blade bearing), 구동요소(actuators elements), 블레이드 피칭 드라이브(blade pitching drive), 전원 공급장치(power supply), 비상 블레이드 피칭시스템(emergency blade pitching system) 등으로 구성된다.


링 압연, 기술 향상에 타워플랜지 제조방식 증가

주축, 설계 수명만큼의 신뢰성·엄격한 관리 요구



2) 요 시스템(yaw system)

요 시스템은 풍력발전시스템의 로터(rotor)와 너셀(nacelle)을 바람이 불어오는 방향으로 향하게 하여 풍력발전시스템의 효율을 최대가 되게 하고, 풍력발전시스템 전체에 작용하는 피로 하중을 감소시키는 역할을 한다. 풍력발전기의 블레이드가 바람에 수직하게 향하지 않는 경우 즉, 바람의 방향과 주축이 일치하지 않을 경우 요 오차가 발생하게 되는데, 이것은 바람에 포함된 에너지 일부가 풍력터빈의 회전면을 그냥 통과하여 풍력발전기의 출력이 낮아짐을 의미한다. 이런 점을 이용하여 요 오차를 발생시킴으로써 출력을 제어하는 방법은 출력 제어에서는 좋은 방법이 될 수 있지만, 바람이 불어오는 블레이드 면에는 반대 면보다 더 큰 힘(bending torque)이 작용하기 때문에 풍력발전기에 불규칙한 부하를 가하게 된다. 그러므로 블레이드의 방향이 바람이 불어오는 방향과 같지 않고 요 오차가 발생한 채로 운전하는 풍력터빈은 바람을 정면으로 받는 풍력발전기에 비해서 더 큰 피로하중을 받게 되며, 이는 풍력발전기의 수명을 단축시키는 직접적인 원인이 된다. 따라서 운전 중 발생할 수 있는 모든 하중 조건에 대하여 풍력발전시스템의 너셀을 바람의 방향과 일치시킬 수 있게 하는 요 제어 방법을 선택해야 한다.

요 시스템은 타워와 회전하는 너셀을 연결하고 지지하는 요 베어링(yaw bearing), 요잉(yawing)을 수행하기 위한 동력 시스템을 총칭하는 요 드라이브(yaw drive), 너셀을 고정하기 위한 요 브레이크(yaw brake), 너셀이 일정방향으로 장시간 회전하게 되면서 발생할 수 있는 송전케이블의 꼬임을 방지 할 수 있는 케이블 꼬임 계수기(cable twist counter) 등으로 구성된다.

요 베어링은 고정된 타워와 회전하는 너셀을 연결하고 지지하는 역할을 한다. 따라서 로터를 통해 너셀에 작용하는 바람의 힘을 타워로 전달하는 주요경로가 된다. 풍력발전기용 요 베어링에는 구름 베어링(rolling bearing) 혹은 미끄럼 베어링(slide plate bearing)이 사용되고 있다. 베어링은 크게 볼(ball), 내륜(inner ring), 외륜(outer ring)으로 구성되며 내륜은 너셀내의 메인 프레임과 연결되고 외륜은 타워에 볼트로 체결된다. 다음의 그림은 요 베어링의 예를 나타낸다.

타워에 설치되는 요 베어링은 베어링의 내륜 또는 외륜, 다시 말해 내치형 베어링(그림 3-2-2-13)과 외치형 베어링(그림 3-2-2-14)으로 구분할 수 있다. 외치형을 타워에 장착하면 요 드라이브는 베어링 내부에 위치하게 되므로 드라이브의 안정성이 높은 장점이 있다. 그러나 고려해야 할 사항은 요 드라이브와 브레이크를 타워 안의 공간에 배치하기가 어렵다는 점이다. 결론적으로 대부분의 내치형 베어링과 외치형 베어링 사이에는 큰 차이점이 존재하지 않으며 다만 공간적 차이가 있고 내치형이 해상 풍력발전에서 안정성이 조금 더 높다는 이점이 있다. 다음의 표는 내치형 베어링과 외치형 베어링을 비교한 것이다.

3) 피치 및 요 베어링 형상과 소재

풍력발전용 피치 베어링은 날개의 경사각(pitch) 조절로 출력을 능동적으로 제어하며, 변화하는 풍력에 대응하여 최적의 출력을 나타내야 하므로 정밀 성형가공과 가공기술이 필수적으로 요구된다. 피치 베어링의 소재는 42CrMo4(대응규격 : SCM440) 등의 기계구조용 합금강이 주로 사용되며, 다음의 그림은 실제 피치 베어링 형상이다.

한편, 요 베어링은 바람의 반대방향으로 풍력터빈 로터(rotor)를 회전시키는 역할을 하는 요 시스템에서 고정된 타워와 회전하는 너셀을 연결하고 지지하는 기어 타입의 핵심부품이다. 요 베어링은 타워 플랜지 등과 같은 단순 링 부품과 달리 요 오차 설계, 성형 정밀도, 조직 균일성 등의 제품 요구특성이 까다로우며, 정밀 기어가공 기술은 물론 고주파 열처리 등에 의한 표면 경화 기술을 요구하고 있다. 요 베어링 소재는 피치 베어링 소재와 같은 42CrMo4(대응규격 : SCM440) 등의 기계구조용 합금강이 주로 사용된다. 최근 들어 요 베어링 소재의 충격치를 향상시키기 위해 V첨가 강종을 활용하고 있는 추세에 있다. <그림 3-2-2-16>은 요 베어링의 실제 형상을 나타낸 것이고, <표 3-2-2-4>에 요구되는 기계적 특성을 나타내었다.

■ 주축 (Rotor shaft / Main shaft / Low-speed shaft)

주축은 블레이드로부터 전달되는 고 토크, 저속의 회전력을 증속기 또는 발전기에 전달하는 핵심 부품이다. 다음의 그림과 같이 주축(main shaft)은 회전력 전달 특성 및 장착 위치 특성에 따라 저속축(low-speed shaft), 로터 회전축(rotor shaft), 터빈축(turbine shaft)으로 불리기도 한다.

주축은 로터 자중(rotor weight), 토크(torque), 추력(thrust), 축 방향 하중(lateral force)으로부터 발생하는 피로하중(fatigue load)을 지지하면서 풍력발전기의 설계 수명만큼 신뢰성이 유지되어야 하므로 초기 제작 시 원소재의 선정부터 최종 제품까지 엄격한 관리를 필요로 한다.

1) 주축의 분류

주축을 용도, 형상 및 작용하중에 따라 분류하면 다음과 같다.

○ 용도 : 축의 회전에 의해 동력을 전달하므로 전동축(transmission shaft)
○ 형상 : 축의 중심선이 직선이므로 직선축(straigth shaft)
○ 작용하중 : 굽힘과 비틀림 등 2가지 이상의 하중을 동시에 받는 축

축에 작용하는 굽힘 모멘트를 감소시키기 위해서는 다음의 그림과 같이 테이퍼(taper) 형태의 주축을 사용하는 방법이 있다.

주축은 블레이드로부터 전달되는 토크 진동(torque oscillation)을 감쇠시키기 위해서 적정 수준의 비틀림 굽힘성(torsional flexibility)을 가져야 하나, 로터로부터 전달되는 하중을 포함한 여러 형태의 하중들을 지지하기 위해서는 굽힘에 대해서도 강인한 특성을 가져야 한다. 이 특성을 모두 만족시키기 위하여 주축은 두 동심축 즉, 큰 강성을 가지고 있어 하중을 지탱할 수 있는 외부의 축(primary shaft)과 적정수준의 비틀림 굽힘성을 가지고 있어 토크만을 전달하는 내부의 중공축(quill shaft)으로 구성되기도 한다. 다음의 그림이 그 예이다.

주축은 로터 허브를 발전기 로터(rotor of generator)에 연결해주는 역할을 하며, 너셀 주프레임과 연결된 외팔보 형태의 고정축 상에 장착될 수 있도록 제작된다. 다음의 그림은 주축 형상의 예이다.

주축의 설계 시에는 하중에 의한 강도, 굽힘 및 비틀림 변형 등의 특성뿐만 아니라 축의 위험속도도 반드시 고려해야 한다. 축의 처짐 및 비틀림 변형이 급격히 발생하면 축은 탄성체이므로 이것을 회복하려는 에너지가 발생하고, 이 에너지는 운동에너지로 변환되어 축의 원형을 중심으로 변형을 반복하게 된다. 이때 외력의 변화에 의한 주기가 축 자체의 고유진동수(natural frequency)와 일치하였을 때 공진(resonance) 현상이 생겨 진폭은 점차 커져서 축의 탄성한도를 초과하면 축이 파괴된다. 이처럼 축의 고유진동수와 일치하는 축의 회전속도를 축의 위험 속도(critical speed)라 부른다. 공진 진동수는 다차항으로 되어 있지만, 1차항이 가장 위험하므로 일반적으로 1차항을 대상으로 위험속도를 결정한다. 축의 상용 운전속도는 그 축의 고유진동수로부터 25% 이상 떨어지도록 하여야 한다.

2) 주축의 재료

주축의 재료로는 큰 내마모성과 강인성을 가지는 크롬-니켈-몰리브덴 합금강인 34CrNiMo6(대비규격 : AISI 4337, 4340), 42CrMo4(SCM440) 및 36CrNiMo6 등이 주로 사용된다. 항복강도가 약600N/mm2, 최대인장강도가 800N/mm2 이상, V-notch Charpy 충격치가 35J 이상인 30CrNiMo8 소재도 사용된다. <그림 3-2-2-18>과 <그림 3-2-2-19>에 로터 회전축의 모습과 조질 처리(quenching and tempering)에 의해 열처리된 미세조직을 나타내었다. 이러한 로터 회전축 소재의 미세조직은 고온 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite) 조직, 즉 솔바이트(sorbite) 조직과 일부 탄화물이 석출된 형태를 보이며, 강도와 인성이 잘 조합된 특성을 부여하는 조직을 나타낸다. 로터 회전축은 블레이드의 회전 운동에너지를 증속 장치에 전달하는 부품으로서 풍력발전기의 설계수명만큼 건전성이 유지되어야 하므로 초기에 개발할 때 원소재의 선정부터 최종제품까지 엄격한 관리를 필요로 한다.

일반적으로 자유형 단조공정으로 제조 한 후에 조질 처리(quenching and tempering)에 의해 열처리가 수행된다. 다음의 표는 로터 회전축에서 요구되는 기계적 특성과 현재 국내에서 생산되는 로터 회전축의 일반적인 특성을 나타내었다.
<그림 3-2-2-5>풍력터빈용 타워 셸의 제조(사진제공 : 재료연구소)
<그림 3-2-2-6>풍력터빈용 타워(a) 조립 및 타워 플랜지(b)(사진제공 : 재료연구소)
<그림 3-2-2-7>타워 내부의 형상(사진제공 : 재료연구소)
<그림 3-2-2-8>타워 플랜지가 부착된 타워의 단면(사진제공 : 재료연구소)
<그림 3-2-2-10>전자 피치 시스템(a)과 로터 허브 내의 전자 피치 시스템(b)(사진제공 : 재료연구소)
<그림 3-2-2-11>요 베어링의 예(사진제공 : 재료연구소)
<그림 3-2-2-13>풍력터빈용 피치 베어링(1.5MW급)(a)과 풍력발전용 요 베어링(b)(사진제공 : 재료연구소)
<그림 3-2-2-14>주축과 베어링을 포함하는 일반적인 너셀 구조의 예(사진제공 : 재료연구소)
<그림 3-2-2-15>테이퍼 형태 주축(The Nordex N60 Turbine)(사진제공 : 재료연구소)
<그림 3-2-2-16>이동 동심축(Mod-5B/3.2MW, Boeing 1988)(사진제공 : 재료연구소)
<그림 3-2-2-17>주축 형상의 예(사진제공 : 재료연구소)
<그림 3-2-2-18>풍력발전용 로터 회전축(사진제공 : 재료연구소)

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