하이브리드 복합재 플라이휠 로터에 작용하는 내압의 효과

Abstract

필라멘트 와인딩 공정으로 제작된 고속 회전용 복합재 플라이휠 로터는 층간분리 현상에 의해 에너지 저장용량이 저하된다. 그리고 기존의 링 타입 허브는 복합재 로터 내측면에 인장력을 가하게 되고, 이는 로터내의 반경방향 인장응력을 가중시켜 로터의 한계 회전수를 저하시킨다. 복합재 로터의 응력해석을 위해서 2차원 평형방정식과 경계조건이 사용되었고, 이를 근거로 강도비를 최소화시키는 최적의 내압이 존재함을 수치적으로 제시하였다. 이러한 최적의 내압을 발생시키기 위해서 원주방향으로 분할된 스플릿 타입 허브를 제안하고, 링 타입과 스플릿 타입 허브의 두께변화에 따른 내압분포의 영향을 제시하였다. 스플릿 타입 허브의 유효성을 검증하기 위해 허브를 포함한 복합재 로터를 제작한 다음, 최대 회전수 40,000rpm까지 파손 없이 스핀 테스트를 수행하였다. 동시에 로터 표면에 4개의 원주방향 및 반경방향 스트레인게이지를 부착하여 변형률을 무선으로 측정하였다. 측정된 변형률은 해석결과와 매우 잘 일치하였다. 특히 반경방향의 응력을 크게 낮출 수 있었고, 반경방향으로 모두 압축 변형률이 발생함을 확인하였다. 결국 스플릿 타입 허브는 플라이휠 로터의 단점인 반경방향의 낮은 강도를 보안하는 효과를 나타내어, 저장에너지 밀도를 증가시킴으로써 대형 고출력 플라이휠 에너지 저장 시스템의 개발 가능성을 제시하였다. The delamination in the filament-wound composite flywheel rotor often lowers the performance of the flywheel energy storage system. A conventional ring type hub usually causes tensile stresses on the inner surface of the composite rotor, resulting in lowering the maximum rotational speed of the rotor. In this work, the stress and strain distributions within a hybrid composite rotor were derived from the two-dimensional governing equation with the specified boundary conditions, and an optimum pressure at the inner surface of the rotor was proposed to minimize the strength ratio and maximize the storage energy. A split type hub was introduced to apply the calculated optimum pressure at the inner surface, and a spin test was performed up to 40,000 rpm to demonstrate the performance of the split type hub with radial and circumferential strains measured using a wireless telemetry system. From the analysis and the test, it was found that the split type hub successfully generates a compressive pressure on the inner surface of the rotor, which can enhance the performance of the composite rotor by lowering the strength ratio within the rotor.