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2020 Vol.33, Issue 2 Preview Page

Research Paper

Feasibility of Bladder Compression Molded Prepreg as Small Wind Turbine Blade Material

소형 풍력 터빈 블레이드 재료로서 블래더 가압 방식 몰드 성형 프리프레그의 타당성

Bo-Gun Yi1
,
Seong-Won Seo2
,
Myung-Ho Song3*
이 보건1
,
서 성원2
,
송 명호3*
1Graduate Student, Department of Mechanical, Robotics and Energy Engineering, Dongguk Univ.
2Researcher, Energy Storage System Development Part, LG Electronics
3Professor, Department of Mechanical, Robotics and Energy Engineering, Dongguk Univ.
1동국대학교 기계로봇에너지공학과 대학원생
2LG전자 ESS 개발팀 연구원
3동국대학교 기계로봇에너지공학과 교수
*Corresponding Author
30 April 2020. pp. 95-101
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Abstract

The wind turbine blades should be designed to possess a high stiffness and should be fabricated with a light and high strength material because they serve under extreme combination of lift and drag forces, converting kinetic energy of wind into shaft work. The goal of this study is to understand the basic knowledge required to curtail the process time consumed during the construction of small wind turbine blades using carbon fiber reinforced polymer (CFRP) prepeg composites. The configuration of turbine rotor was determined using the QBlade freeware program. The fluid dynamics module simulated the loads exerted by the wind of a specific speed, and the stress analysis module predicted the distributions of equivalent von Mises stress for representing the blade structures. It was suggested to modify the shape of test specimen from ASTM D638 to decrease the variance in measured tensile strengths. Then, a series of experiments were performed to confirm that the bladder compression molded CFRP prepreg can provide sufficient strength to small wind turbine blades and decrease the cure time simultaneously.

Keywords
bladder compression
heat curing
prepreg preform
wind turbine blade
tensile strength

풍력터빈 블레이드는 바람의 운동에너지를 축일로 변환하는 장치로서 상대적으로 고속 회전하면서 양력과 항력의 다양한 하중 조합과 진동에 견딜 수 있도록 내구 강도가 큰 경량의 재료를 선택하여 강성을 증가시키는 구조를 갖도록 설계되어야 한다. 본 연구는 CFRP 프리프레그를 사용하여 소형 풍력 블레이드를 제작하는 경우 공정 시간을 단축하는 기술을 개발하려는 목적으로 수행되었다. QBlade 수치해석 프로그램을 사용하여 블레이드의 형상을 결정하였다. 주어진 풍속에서 바람에 의해 부가되는 양력과 항력을 계산하는 유체역학 수치해석을 수행하고, 대표적인 블레이드 구조에 대해 블레이드 외피 재료에 가해지는 폰미세스 응력을 예측하는 재료역학 수치해석을 수행하였다. 인장 강도 시험의 불확실도를 개선하기 위해 ASTM D638 규정을 수정하여 새로운 시편의 형상을 제안하였고, 기존 형상의 인장 강도와 유사한 평균값을 얻되 파단 위치의 재현성이 향상됨을 확인하였다. 일련의 실험을 통해 소형 풍력 블레이드의 제작에 블래더 가압 방식을 적용하면 충분한 내구 강도를 확보하면서 공정시간을 단축할 수 있음을 확인하였다.

키워드
블래더 가압 몰드
가열 성형
프리프레그
풍력터빈 블레이드
인장 강도
References
1
Czél, G., Jalavand, M., Wisnom, M.R. (2016) Hybrid Specimens Eliminating Stress Concentrations in Tensile and Compressive Testing of Unidirectional Composites, Compos.: Part A, 91, pp.436~447.
10.1016/j.compositesa.2016.07.021
2
Davim, J.P., Reis, P. (2005) Damage and Dimensional Precision on Milling Carbon Fiber Reinforced Plastics Using Design Experiments, J. Mater. Proc. Technol., 160, pp.160~167.
10.1016/j.jmatprotec.2004.06.003
3
Dvorak, P. (2017) Small Wind Market Size Worth $1.79 Billion by 2025, CAGR: 14.3%: Grand View Research Inc., www. windpowerengineering.com/small-wind-market-size.
4
Harman, A., Risborg, A., Wang, C.H. (2008) Experimental Testing of BMI Lamenates with Stress Concentrations and the Evaluation of SIFT to Predict Failure, Compos. Struct., 86, pp.85~95.
10.1016/j.compstruct.2008.03.035
5
Herzog, D., Jaeschke, P., Meier, O., Haferkamp, H. (2008) Investigations on the Thermal Effect Caused by Laser Cutting with Respect to Static Strength of CFRP, Int. J. Mach. Tools & Manuf., 48, pp.1464~1473.
10.1016/j.ijmachtools.2008.04.007
6
Jureczko, M., Pawlak, M., Mezyk, A. (2005) Optimization of Wind Turbine Blades, J. Mater. Proc. Technol., 167, pp.463~471.
10.1016/j.jmatprotec.2005.06.055
7
Kashfuddoja, M., Prasath, R.G.R., Ramji, M. (2014) Study on Experimental Characterization of Carbon Fiber Reinforced Polymer Panel Using Digital Image Correlation: A Sensitivity Analysis, Opt. & Lasers Eng., 62, pp.71~30.
10.1016/j.optlaseng.2014.04.019
8
Korea Wind Energy Industry Association (KWEIA) (2018) 2018 Annual Report on Wind Energy Industry in Korea, KWEIA Report.
9
Martin, D. (2018) QBlade Short Manual, http://www.q-blade.org/.
10
Mone, C., Hand, M., Bolinger, M., Rand, J., Heimiller, D., Ho, J. (2017) 2015 Cost of Wind Energy Review, Technical Report, NREL/TP-6A20-66861, p.10.
10.2172/1366436
11
Noh, H.C., Yoon, Y.C. (2010) Effect of Random Poisson's Ratio on the Response Variability of Composite Plates, J. Comput. Struct. Eng. Inst. Korea, 23(6), pp.727~738.
12
Paiva, J.M.F., Mayer, S., Rezende, M.C. (2006) Comparison of Tensile Strength of Different Carbon Fabric Reinforced Epoxy Composites, Mater. Res., 9(1), pp.83~89.
10.1590/S1516-14392006000100016
13
Schubel, P.J., Crossley, R.J. (2012) Wind Turbine Blade Design, Energ., 5, pp.3425~3447.
10.3390/en5093425
14
Tang, X., Huang, X., Peng, R., Liu, X. (2015) A Direct Approach of Design Optimization for Small Horizontal Axis Wind Turbine Blades, CIRP 25th Design Conference Innovative Product Creation, pp.12~16.
10.1016/j.procir.2015.01.047
15
Weinert, K., Kempmann, C. (2004) Cutting Temperatures and Their Effects on the Machining Behaviour in Drilling Reinforced Plastic Composites, Adv. Eng. Mater., 6(8), pp.684~689.
10.1002/adem.200400025
Information
  • Publisher :Computational Structural Engineering Institute of Korea
  • Publisher(Ko) :한국전산구조공학회
  • Journal Title :Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
  • Journal Title(Ko) :한국전산구조공학회 논문집
  • Volume : 33
  • No :2
  • Pages :95-101
  • Received Date : 2019-12-08
  • Revised Date : 2019-12-18
  • Accepted Date : 2019-12-19
  • DOI :https://doi.org/10.7734/COSEIK.2020.33.2.95
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