최종 편집 : 2018 년 2 월 19 일 ( 월 ) 
 편집국 기자 2017 - 11 - 22 13 : 14 기획 인터뷰 > 기획 포커스 
 풍력 발전기 용 대형 단조품 소재 기술 ( 2 ) - 제 2 장 풍력 발전 용 소재 기술 - 신 소재 경제 신문 · 재료연구소 공동 기획 소재 기술 백서 2016 ( 15 ) 
 풍력 발전기 , 극한 환경 소재 · 기술 必 
 ■ 타워 플랜지 ( Tower flange ) 
 타워 플랜지 는 타워 의 연결 에 필요 한 이음새 부품 으로서 보통 한 타워 에 5 ∼ 7 개 의 플랜지 가 사용 된다 . 타워 의 하단 부터 하부 플랜지 ( bottom flange ) , 중간 플랜지 ( middle flange ) , 상부 플랜지 ( top flange ) 등 으로 구성 되 어 있 으며 플랜지 제작 은 용접 에 의해 주로 이루어져 왔으나 , 현재 대형 링 롤링 밀 설비 의 증가 로 링 롤링 가공 으로 제작 이 되 고 있 다 . 링 롤링 밀 ( ring rolling mill ) 가공 방식 은 투입 소재 의 양 과 가공 량 이 절감 되 며 , 작업 시간 도 단축 되 어 제작 단가 를 낮출 수 있 다 . 타워 플랜지 소재 는 S 355 NL 과 같 은 저합금강 이 주로 사용 되 며 형태 로 는 L - 플랜지 와 T - 플랜지 로 나눌 수 있 다 . 
 타워 및 타워 플랜지 의 작업 공정 을 잠시 살펴보 자 . 용접 은 타워 의 제조 에서 가장 중요 한 작업 공정 이 며 고급 기술자 의 고도 의 경험 을 요구 하 는 부분 으로 일반 적 인 절차 는 다음 과 같 다 . 벤딩 ( bending ) 이 이루어진 각 타워 의 섹션 은 셸 ( shell ) 의 길 이 방향 으로 용접 하 고 , 원통 셸 간 용접 은 다음 섹션 에 연결 하 기 위하 여 이루어진다 . 셸 간 용접 은 서서히 회전 하 는 굴림 베드 ( rolling bed ) 에서 이루어진다 . 용접기 술자 가 분체 용접기 를 이용 하 여 외부 로부터 용접 하 는 동안 다른 작업자 는 내부 에서 대응 하 여 같 은 지점 을 용접 해 나간다 . 
 용접 법 으로 는 특수 용접 인 CO 2 용접 이 많이 사용 된다 . 용접선 은 완전히 스며들 게 하 고 추후 연마 과정 을 거치 고 초음파 나 X - 선 장비 로 검사 하 고 중요 부위 의 용접선 은 전수 검사 를 수행 한다 . 용접공 정은 GB / T 19001 - 2000 idt ISO 9001 : 2000 규정 등 에 따른다 . 용접 작업 을 끝낸 타워 섹션 은 다양 한 표면 처리 과정 을 거쳐서 부식 방지 와 미관 을 위한 도장 작업 을 거친다 . 표면 의 도장 이 안착 되 도록 입자 를 이용 하 여 녹 제거 와 표면 거칠 기 를 높이 기 위하 여 회수 하 여 사용 하 는 금속 알갱이 ( metal grit ) 를 분사 하 는 블라스트 작업 ( blast process ) 과정 을 거친다 . 탈지 과정 을 거친 후 적용 되 는 도장 용 페인트 는 대개 액상 페인트 를 airless spray gun 으로 분사 하 여 도장 과 건조 과정 을 거친다 . 풍력 터빈 의 기초 는 너 셀 과 타워 의 무게 를 지탱 하 고 , 최대 극한 풍하중 을 견딜 수 있 도록 설계 된다 . 따라서 타워 기초 는 극한 하중 조건 ( extreme wind condition ) 에서 풍력 터빈 이 전복 되 지 않 게 견딜 수 있 도록 하 는 것 이 기본 설계 개념 이 다 . 
 풍력 발전 용 타워 는 풍력 발전기 를 지지 하 는 구조물 로서 현재 건설 되 고 있 는 상용 대형 풍력 발전기 의 타워 구조 는 에서 보 듯이 주로 강 파이프 식 타워 ( steel tubular towers ) 구조 이 다 . 약 20 ~ 30 m 간격 으로 용접 을 통해 제작 되 며 각 끝 부분 은 플랜지 와 볼트 로 연결 되 어 있 다 . 타워 플랜지 는 타워 의 연결 에 필요 한 구성 품 으로서 6 ∼ 7 개 의 플랜지 가 한 세트 를 이룬다 . 지름 이 가장 큰 bottom flange 와 middle flange , top flange 로 구분 되 며 에 실제 타워 플랜지 를 나타내 었 다 . 일반 적 으로 타워 플랜지 의 제조 방식 은 크 게 용접 ( welding ) 에 의한 방식 과 링 압연 ( ring rolling ) 방식 으로 구분 할 수 있 다 . 전자 는 이음매 가 있 는 경우 이 고 , 후자 는 이음매 가 없 는 경우 로 구분 된다 . 기존 에 는 용접 에 의해 대형 플랜지 를 제조 했으나 , 최근 에 는 대형 링 밀 ( ring mill ) 설비 의 증가 와 더불 어 후자 에 의한 방식 으로 많이 제작 된다 . 링 압연 방식 은 투입 소재 와 가공 량 의 절감 , 작업 시간 의 단축 으로 제작 단가 를 줄일 수 있 고 , 원주 방향 의 미세 조직 이 연신 되 어 내 외압 에 대한 저항성 이 높 아 지 는 등 양호 한 기계 적 특성 을 얻 을 수 있 다 . 또한 , 링 압연 가공 전 업 셋 팅 ( upsetting ) 과 코 깅공정 ( cogging ) 을 통해 충분 한 단조 비 를 가하 기 때문 에 요구 물성 치 를 만족 시키 기 위한 품질 열처리 가 용접 방식 에 비해 간단 한 장점 이 있 다 . 한편 , 타워 플랜지 는 S 355 NL ( 대응 소재 : A 350 LF 2 N , A 694 F 42 , F 490 G , ST 52 . 3 ) 과 같 은 저합금강 이 주로 사용 되 며 , 소재 의 특성 으로 용접 성 이 좋 고 , 일 반강 보다 강도 및 충격치 가 우수 하 며 , Al 첨가 를 통해 조직 미세화 를 얻 어 낸 강종 이 다 . 과 에 실 제품 에 대한 미세 조직 과 기계 적 특성 을 나타내 었 다 . 이러 한 타워 플랜지 소재 의 미세 조직 은 미세 펄라이트 ( pearlite ) 와 페라이트 ( ferrite ) 로 구성 되 며 충격 에너지 값 은 27 J 이상 을 요구 하 고 있 다 . 
 ■ 요 / 피치 시스템 ( Yaw / Pitch bearing ) 
 1 ) 피치 시스템 ( pitch system ) 
 피치 시스템 은 전기 제어 장치 에 의해 초당 수회 씩 전력 출력 을 측정 하 여 적정 출력 을 초과 하 거나 감소 하 게 되 면 , 출력 제어 를 위해 즉시 블레이드 제어 장치 로 신호 를 보내 블레이드 의 각도 를 조정 함 으로써 항상 일정 한 적정 출력 을 유지 할 수 있 도록 하 는 시스템 이 다 . 블레이드 ( blade ) 의 피치 조절 을 통해 기동 풍속 이상 시 로터 의 기동 토크 를 충분히 얻 기 위한 기동 운전 , 정격 풍속 이상 에서 의 정격 출력 을 일정 하 게 유지 하 기 위한 정격 운전 , 강 풍속 ( cut - out 풍속 이상 ) 시 또는 저 풍속 ( cut - in 풍속 이하 ) 시 의 정지 와 같 은 기능 도 수행 하 게 된다 . 피치 시스템 을 사용 하 는 풍력 터빈 의 설계 는 출력 변화 에 따른 신속 하 고 정확 한 블레이드 피치 제어 를 구현 하 기 위해 공기 역학 적 인 블레이드 설계 가 이루어져야 하 며 , 실속 ( stall ) 제어 형 풍력 터빈 보다 비해 설계 가 어렵 고 전기식 또는 유압식 구동 부 및 제 어 장치 설치 비용 이 추가 되 는 단점 이 있 다 . 하지만 출력 변동 에 따른 장치 부하 를 감소 시킬 수 있 고 항상 일정 한 출력 을 유지 할 수 있 으므로 전력 생산량 을 크 게 증가 시킬 수 있 다 . 
 피치 시스템 은 구동 방식 에 따라 능동 피치 시스템 ( active pitch system ) 과 수동 피치 시스템 ( passive pitch system ) 으로 구분 된다 . 능동 피치 시스템 은 사용 되 는 엑 츄 에 이터 ( 구 동기 , actuator ) 의 종류 에 따라 전기식 ( electrical ) 과 유압식 ( hydraulic ) 으로 구분 된다 . 피치 시스템 은 로터 - 블레이드 베어링 ( rotor - blade bearing ) , 구동 요소 ( actuators elements ) , 블레이드 피칭 드라이브 ( blade pitching drive ) , 전원 공급 장치 ( power supply ) , 비상 블레이드 피칭 시스템 ( emergency blade pitching system ) 등 으로 구성 된다 . 
 링 압연 , 기술 향상 에 타워 플랜지 제조 방식 증가 
 주축 , 설계 수명 만큼 의 신뢰 성 · 엄격 한 관리 요구 
 2 ) 요 시스템 ( yaw system ) 
 요 시스템 은 풍력 발전 시스템 의 로터 ( rotor ) 와 너 셀 ( nacelle ) 을 바람 이 불어오 는 방향 으로 향하 게 하 여 풍력 발전 시스템 의 효율 을 최대 가 되게 하 고 , 풍력 발전 시스템 전체 에 작용 하 는 피 로 하중 을 감소 시키 는 역할 을 한다 . 풍력 발전기 의 블레이드 가 바람 에 수직 하 게 향하 지 않 는 경우 즉 , 바람 의 방향 과 주축 이 일치 하 지 않 을 경우 요 오 차 가 발생 하 게 되 는데 , 이것 은 바람 에 포함 된 에너지 일부 가 풍력 터빈 의 회전면 을 그냥 통과 하 여 풍력 발전기 의 출력 이 낮 아 짐 을 의미 한다 . 이런 점 을 이용 하 여 요 오차 를 발생 시킴 으로써 출력 을 제어 하 는 방법 은 출력 제어 에서 는 좋 은 방법 이 될 수 있 지만 , 바람 이 불어오 는 블레이드 면 에 는 반대 면 보다 더 큰 힘 ( bending torque ) 이 작용 하 기 때문 에 풍력 발전기 에 불규칙 한 부하 를 가하 게 된다 . 그러므로 블레이드 의 방향 이 바람 이 불어오 는 방향 과 같 지 않 고 요 오 차 가 발생 한 채 로 운전 하 는 풍력 터빈 은 바람 을 정면 으로 받 는 풍력 발전기 에 비해서 더 큰 피 로 하중 을 받 게 되 며 , 이 는 풍력 발전기 의 수명 을 단축 시키 는 직접 적 인 원인 이 된다 . 따라서 운전 중 발생 할 수 있 는 모든 하중 조건 에 대하 여 풍력 발전 시스템 의 너 셀 을 바람 의 방향 과 일치 시킬 수 있 게 하 는 요 제어 방법 을 선택 해야 한다 . 
 요 시스템 은 타워 와 회전 하 는 너 셀 을 연결 하 고 지지 하 는 요 베어링 ( yaw bearing ) , 요 잉 ( yawing ) 을 수행 하 기 위한 동력 시스템 을 총칭 하 는 요 드라이브 ( yaw drive ) , 너 셀 을 고정 하 기 위한 요 브레이크 ( yaw brake ) , 너 셀 이 일정 방향 으로 장시간 회전 하 게 되 면서 발생 할 수 있 는 송전 케이블 의 꼬임 을 방지 할 수 있 는 케이블 꼬임 계수기 ( cable twist counter ) 등 으로 구성 된다 . 
 요 베어링 은 고정 된 타워 와 회전 하 는 너 셀 을 연결 하 고 지지 하 는 역할 을 한다 . 따라서 로터 를 통해 너 셀 에 작용 하 는 바람 의 힘 을 타워 로 전달 하 는 주요 경로 가 된다 . 풍력 발전기 용 요 베어링 에 는 구름 베어링 ( rolling bearing ) 혹은 미끄럼 베어링 ( slide plate bearing ) 이 사용 되 고 있 다 . 베어링 은 크 게 볼 ( ball ) , 내 륜 ( inner ring ) , 외 륜 ( outer ring ) 으로 구성 되 며 내 륜 은 너 셀 내 의 메인 프레임 과 연결 되 고 외 륜 은 타워 에 볼트 로 체결 된다 . 다음 의 그림 은 요 베어링 의 예 를 나타낸다 . 
 타워 에 설치 되 는 요 베어링 은 베어링 의 내 륜 또는 외 륜 , 다시 말 해 내치 형 베어링 ( 그림 3 - 2 - 2 - 13 ) 과 외치 형 베어링 ( 그림 3 - 2 - 2 - 14 ) 으로 구분 할 수 있 다 . 외치 형 을 타워 에 장착 하 면 요 드라이브 는 베어링 내부 에 위치 하 게 되 므로 드라이브 의 안정 성 이 높 은 장점 이 있 다 . 그러나 고려 해야 할 사항 은 요 드라이브 와 브레이크 를 타워 안 의 공간 에 배치 하 기 가 어렵 다는 점 이 다 . 결론 적 으로 대부분 의 내치 형 베어링 과 외치 형 베어링 사이 에 는 큰 차이점 이 존재 하 지 않 으며 다만 공간 적 차이 가 있 고 내치 형 이 해상 풍력 발전 에서 안정 성 이 조금 더 높 다는 이점 이 있 다 . 다음 의 표 는 내치 형 베어링 과 외치 형 베어링 을 비교 한 것 이 다 . 
 3 ) 피치 및 요 베어링 형상 과 소재 
 풍력 발전 용 피치 베어링 은 날개 의 경사각 ( pitch ) 조절 로 출력 을 능동 적 으로 제어 하 며 , 변화 하 는 풍력 에 대응 하 여 최적 의 출력 을 나타내 야 하 므로 정밀 성형 가공 과 가공 기술 이 필수 적 으로 요구 된다 . 피치 베어링 의 소재 는 42 CrMo 4 ( 대응 규격 : SCM 440 ) 등 의 기계 구조 용 합금강 이 주로 사용 되 며 , 다음 의 그림 은 실제 피치 베어링 형상 이 다 . 
 한편 , 요 베어링 은 바람 의 반대 방향 으로 풍력 터빈 로터 ( rotor ) 를 회전 시키 는 역할 을 하 는 요 시스템 에서 고정 된 타워 와 회전 하 는 너 셀 을 연결 하 고 지지 하 는 기어 타입 의 핵심 부품 이 다 . 요 베어링 은 타워 플랜지 등 과 같 은 단순 링 부품 과 달리 요 오차 설계 , 성형 정밀도 , 조직 균일성 등 의 제품 요구 특성 이 까다로우 며 , 정밀 기어 가공 기술 은 물론 고주파 열처리 등 에 의한 표면 경화 기술 을 요구 하 고 있 다 . 요 베어링 소재 는 피치 베어링 소재 와 같 은 42 CrMo 4 ( 대응 규격 : SCM 440 ) 등 의 기계 구조 용 합금강 이 주로 사용 된다 . 최근 들 어 요 베어링 소재 의 충격치 를 향상 시키 기 위해 V 첨가 강종 을 활용 하 고 있 는 추세 에 있 다 . 은 요 베어링 의 실제 형상 을 나타낸 것 이 고 , 에 요구 되 는 기계 적 특성 을 나타내 었 다 . 
 ■ 주축 ( Rotor shaft / Main shaft / Low - speed shaft ) 
 주축 은 블레이드 로부터 전달 되 는 고 토크 , 저속 의 회전력 을 증속 기 또는 발전기 에 전달 하 는 핵심 부품 이 다 . 다음 의 그림 과 같이 주축 ( main shaft ) 은 회전력 전달 특성 및 장착 위치 특성 에 따라 저속 축 ( low - speed shaft ) , 로터 회전축 ( rotor shaft ) , 터빈 축 ( turbine shaft ) 으로 불리 기 도 한다 . 
 주축 은 로터 자중 ( rotor weight ) , 토크 ( torque ) , 추력 ( thrust ) , 축 방향 하중 ( lateral force ) 으로부터 발생 하 는 피 로 하중 ( fatigue load ) 을 지지 하 면서 풍력 발전기 의 설계 수명 만큼 신뢰 성 이 유지 되 어야 하 므로 초기 제작 시 원 소재 의 선정 부터 최종 제품 까지 엄격 한 관리 를 필요 로 한다 . 
 1 ) 주축 의 분류 
 주축 을 용도 , 형상 및 작용 하 중 에 따라 분류 하 면 다음 과 같 다 . 
 ○ 용도 : 축 의 회전 에 의해 동력 을 전달 하 므로 전동축 ( transmission shaft ) 
 ○ 형상 : 축 의 중심선 이 직선 이 므로 직선 축 ( straigth shaft ) 
 ○ 작용 하중 : 굽힘 과 비틀림 등 2 가지 이상 의 하중 을 동시 에 받 는 축 
 축 에 작용 하 는 굽 힘 모멘트 를 감소 시키 기 위해서 는 다음 의 그림 과 같이 테이퍼 ( taper ) 형태 의 주축 을 사용 하 는 방법 이 있 다 . 
 주축 은 블레이드 로부터 전달 되 는 토크 진동 ( torque oscillation ) 을 감쇠 시키 기 위해서 적정 수준 의 비틀림 굽 힘 성 ( torsional flexibility ) 을 가져야 하나 , 로터 로부터 전달 되 는 하중 을 포함 한 여러 형태 의 하중 들 을 지지 하 기 위해서 는 굽힘 에 대해서 도 강인 한 특성 을 가져야 한다 . 이 특성 을 모두 만족 시키 기 위하 여 주축 은 두 동 심축 즉 , 큰 강성 을 가지 고 있 어 하중 을 지탱 할 수 있 는 외부 의 축 ( primary shaft ) 과 적정 수준 의 비틀림 굽 힘 성 을 가지 고 있 어 토크 만 을 전달 하 는 내부 의 중공축 ( quill shaft ) 으로 구성 되 기 도 한다 . 다음 의 그림 이 그 예 이 다 . 
 주축 은 로터 허브 를 발전기 로터 ( rotor of generator ) 에 연결 해 주 는 역할 을 하 며 , 너 셀 주 프레임 과 연결 된 외팔보 형태 의 고정축 상 에 장착 될 수 있 도록 제작 된다 . 다음 의 그림 은 주축 형상 의 예 이 다 . 
 주축 의 설계 시 에 는 하중 에 의한 강도 , 굽힘 및 비틀림 변형 등 의 특성 뿐 만 아니 라 축 의 위험 속도 도 반드시 고려 해야 한다 . 축 의 처짐 및 비틀림 변형 이 급격히 발생 하 면 축 은 탄성체 이 므로 이것 을 회복 하 려는 에너지 가 발생 하 고 , 이 에너지 는 운동 에너지 로 변환 되 어 축 의 원형 을 중심 으로 변형 을 반복 하 게 된다 . 이때 외력 의 변화 에 의한 주기 가 축 자체 의 고유 진동수 ( natural frequency ) 와 일치 하 였을 때 공진 ( resonance ) 현상 이 생겨 진폭 은 점차 커져서 축 의 탄성 한도 를 초과 하 면 축 이 파괴 된다 . 이 처럼 축 의 고유 진동수 와 일치 하 는 축 의 회전 속도 를 축 의 위험 속도 ( critical speed ) 라 부른다 . 공진 진동수 는 다차 항 으로 되 어 있 지만 , 1 차 항 이 가장 위험 하 므로 일반 적 으로 1 차 항 을 대상 으로 위험 속도 를 결정 한다 . 축 의 상용 운전 속도 는 그 축 의 고유 진동수 로부터 25 % 이상 떨어지 도록 하 여야 한다 . 
 2 ) 주축 의 재료 
 주축 의 재료 로 는 큰 내마모성 과 강인 성 을 가지 는 크롬 - 니켈 - 몰리브덴 합금강 인 34 CrNiMo 6 ( 대비 규격 : AISI 4337 , 4340 ) , 42 CrMo 4 ( SCM 440 ) 및 36 CrNiMo 6 등 이 주로 사용 된다 . 항복 강도 가 약 600 N / mm 2 , 최대 인장 강도 가 800 N / mm 2 이상 , V - notch Charpy 충격치 가 35 J 이상 인 30 CrNiMo 8 소재 도 사용 된다 . 과 에 로터 회전축 의 모습 과 조질 처리 ( quenching and tempering ) 에 의해 열처리 된 미세 조직 을 나타내 었 다 . 이러 한 로터 회전축 소재 의 미세 조직 은 고온 템 퍼드 마르텐 사이트 ( tempered martensite ) 조직 , 즉 솔 바이트 ( sorbite ) 조직 과 일부 탄화물 이 석출 된 형태 를 보이 며 , 강도 와 인성 이 잘 조합 된 특성 을 부여 하 는 조직 을 나타낸다 . 로터 회전축 은 블레이드 의 회전 운동 에너지 를 증속 장치 에 전달 하 는 부품 으로서 풍력 발전기 의 설계 수명 만큼 건전 성 이 유지 되 어야 하 므로 초기 에 개발 할 때 원 소재 의 선정 부터 최종 제품 까지 엄격 한 관리 를 필요 로 한다 . 
 일반 적 으로 자유 형 단조 공정 으로 제조 한 후 에 조질 처리 ( quenching and tempering ) 에 의해 열처리 가 수행 된다 . 다음 의 표 는 로터 회전축 에서 요구 되 는 기계 적 특성 과 현재 국내 에서 생산 되 는 로터 회전축 의 일반 적 인 특성 을 나타내 었 다 . 
 < 그림 3 - 2 - 2 - 5 > 풍력 터빈 용 타워 셸 의 제조 ( 사진 제공 : 재료연구소 ) 
 < 그림 3 - 2 - 2 - 6 > 풍력 터빈 용 타워 ( a ) 조립 및 타워 플랜지 ( b ) ( 사진 제공 : 재료연구소 ) 
 < 그림 3 - 2 - 2 - 7 > 타워 내부 의 형상 ( 사진 제공 : 재료연구소 ) 
 < 그림 3 - 2 - 2 - 8 > 타워 플랜지 가 부착 된 타워 의 단면 ( 사진 제공 : 재료연구소 ) 
 < 그림 3 - 2 - 2 - 10 > 전자 피치 시스템 ( a ) 과 로터 허브 내 의 전자 피치 시스템 ( b ) ( 사진 제공 : 재료연구소 ) 
 < 그림 3 - 2 - 2 - 11 > 요 베어링 의 예 ( 사진 제공 : 재료연구소 ) 
 < 그림 3 - 2 - 2 - 13 > 풍력 터빈 용 피치 베어링 ( 1 . 5 MW 급 ) ( a ) 과 풍력 발전 용 요 베어링 ( b ) ( 사진 제공 : 재료연구소 ) 
 < 그림 3 - 2 - 2 - 14 > 주축 과 베어링 을 포함 하 는 일반 적 인 너 셀 구조 의 예 ( 사진 제공 : 재료연구소 ) 
 < 그림 3 - 2 - 2 - 15 > 테이퍼 형태 주축 ( The Nordex N 60 Turbine ) ( 사진 제공 : 재료연구소 ) 
 < 그림 3 - 2 - 2 - 16 > 이동 동심 축 ( Mod - 5 B / 3 . 2 MW , Boeing 1988 ) ( 사진 제공 : 재료연구소 ) 
 < 그림 3 - 2 - 2 - 17 > 주축 형상 의 예 ( 사진 제공 : 재료연구소 ) 
 < 그림 3 - 2 - 2 - 18 > 풍력 발전 용 로터 회전축 ( 사진 제공 : 재료연구소 ) 
 [ 16 ] 고체 전해질 소재 기술 ( 2 ) - 제 3 장 연료 전지용 소재 기술 - 신 소재 경제 신문 · 재료연구소 공동 기획 소재 기술 백서 2016 ( 23 ) 
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