[논문]2차원 날개단면들의 캐비테이션 소음 특성

안종우; 송인행; 김기섭; 김경열; 문일성

문제 정의

일반적으로 캐비테이션을 억제할 수 있도록 개발된 날개단면에서는 얇은층(sheet) 캐비테이션이 일정 부분 억제되나, 소음에 큰 영향을 미치는 구름(cloud) 캐비테이션 및 기포(bubble) 캐비테이션 등이 발생할 가능성도 높다[3, 4]. 따라서 본 연구에서 소음특성 향상에 목적을 둔 2차원 날개 단면의 개발을 수행하였다.

가설 설정

3) 프로펠러에서는 캐비테이션을 피할 수 없는 경우도 고려하여야 한다. 이때에는 캐비테이션 초기 발생 성능보다는 캐비테이션이 발생된 이후의 거동에 관심을 가져야 한다.

제안 방법

수중익의 받음각은 -4° 부터 5° 까지 V 간격으로 변화시켰으며, 각각의 받음각에서 캐비테이션 초기 발생 조건을 관찰하고, 초생조건으로부터 캐비테이션 발생길이를 5%. 10%, 25%와 50%로 변화시키면서 소음을 계측하였다. 캐비테이션 거동은 전받음각에서 관찰되었다.
3종류의 날개 단면에 대하여 캐비테이션 거동 및 소음 특성을 실험적으로 조사하였다. 본 연구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.
또한 2차 원 유동의 재현 및 소음원을 최소화하기 위하여 캐비테이션터널 안에는 날개단면만이 설치되도록 스팬(span)을 600 mm로 제작하였다. 높은 유속에서도 시험할 수 있도록 Fig. 2에 나타난 것과 같이 양쪽에서 지지할 수 있게 설계하였으며, 벽면과의 간격도 최소화하여 불필요한 소음원을 제거할 수 있도록 하였다. 기존의 2차원 단면의 실험은 주로 추진 효율과 관련하여 양력 및 항력의 계측이 주목적이었다.
필터를 거친 신호는 100 ㎑까지 분석될 수 있는 B&K사의 FFT 분석기 (Type 3550)에서 1/3-octave band로 해석을 수행하였다. 또한 KH3364 필터로부터 디지털 오실로스코프 LeCroy 9310AM로 신호선을 연결하여 시간 신호도 동시에 기록하였다.
8 평균선 단면(KH52)과 러시아항공모함 Novorosysk호에 장착된 프로펠러에 적용된 단면(KH53)을 제작하였으며, 소음감소를 목표로 새로운 단면(KH54)을 설계 · 제작하였다. 이러한 날개 단면들의 캐비테이션 소음특성을 파악하기 위하여 자체 소음을 최소화한 새로운 실험장치를 설계 · 제작하였다. 일련의 실험은 KRISO 캐비테이션 터널에서 수행되며, 날개 단면의 받음각 및 캐비테이션 발생량을 변화시키면서 캐비테이션 거동의 관찰과 소음수준 및 시간 신호를 계측하였다.
이러한 날개 단면들의 캐비테이션 소음특성을 파악하기 위하여 자체 소음을 최소화한 새로운 실험장치를 설계 · 제작하였다. 일련의 실험은 KRISO 캐비테이션 터널에서 수행되며, 날개 단면의 받음각 및 캐비테이션 발생량을 변화시키면서 캐비테이션 거동의 관찰과 소음수준 및 시간 신호를 계측하였다. 실험결과로부터 캐비테이션 발생 거동과 소음 수준과의 관계를 파악할 수 있었으며, 구름 캐비테이션의 발생원인도 패널법으로 예측할 수 있었다.
저소음 단면의 개발을 위해 기존의 고속 프로펠러에서 주로 사용되는 NACA16+a=0.8 평균선 단면(KH52)과 러시아항공모함 Novorosysk호에 장착된 프로펠러에 적용된 단면(KH53)을 제작하였으며, 소음감소를 목표로 새로운 단면(KH54)을 설계 · 제작하였다. 이러한 날개 단면들의 캐비테이션 소음특성을 파악하기 위하여 자체 소음을 최소화한 새로운 실험장치를 설계 · 제작하였다.
청음기를 이용하여 계측된 신호는 전하형 (charge type) 증폭기에서 증폭되고, 이 신호 성분 중 500Hz이하의 저주파수 성분을 KH3364 필터를 사용하여 제거되었다. 필터를 거친 신호는 100 ㎑까지 분석될 수 있는 B&K사의 FFT 분석기 (Type 3550)에서 1/3-octave band로 해석을 수행하였다. 또한 KH3364 필터로부터 디지털 오실로스코프 LeCroy 9310AM로 신호선을 연결하여 시간 신호도 동시에 기록하였다.

대상 데이터

Fig. 1에서 보여지는 날개 단면들의 캐비테이션 관찰 및 소음계측 실험은 KRISO 캐비테이션 터널 제1 계측부(600 mm×600 nrai)에서 수행되었다. 터널은 청수(fresh water)로 채워져 있고 실험 시 수중의 공기 함유량은 45%이하로 유지되었다.
기존의 2차원 단면의 실험은 주로 추진 효율과 관련하여 양력 및 항력의 계측이 주목적이었다. 그러므로 6 분력 계를 이용하여 성능을 검증하기 위하여 날개의 스팬을 대략 250 mm로 제작하고 2차원 유동을 구현하기 위하여 터널 내부에 중간판을 설치하였다. 그러나, 이 중 간판이 큰 소 음원으로 작용하여 날개단면에서 발생되는 소음 수준보다 높게 발생되어 소음실험을 수행할 수 없었다〔2〕.
본 연구에서는 단면 변화에 따른 캐비테이션 소음특성을 파악하기 위하여 날개들은 코오드 300 mm로 제작되었다. 소음특성 시험을 위하여 날개단면은 Fig.
2와 같은 방식으로 캐비테이션 터널에 설치되었으며, 받음각 조절장치를 별도로 부착하여 받음각을 조절하였다. 소음계측을 위한 수중청음기(hydrophone)는 크기가 소형이면서 감도가 좋은 B&K Type 8103를 사용하였다.
청음기를 이용하여 계측된 신호는 전하형 (charge type) 증폭기에서 증폭되고, 이 신호 성분 중 500Hz이하의 저주파수 성분을 KH3364 필터를 사용하여 제거되었다. 필터를 거친 신호는 100 ㎑까지 분석될 수 있는 B&K사의 FFT 분석기 (Type 3550)에서 1/3-octave band로 해석을 수행하였다.

이론/모형

이와 같은 차이는 사진 촬영 결과에서 보여진 바와 같이 구름 캐비테이션의 발생이 억제되었기 때문으로 판단된다. 구름 캐비테이션의 발생 원인을 살펴보기 위하여 패널법〔5〕을 사용하여 각 받음각에 대한 동일한 캐비테인션 길이에서 캐비테이션 두께를 계산하였다. 캐비테이션이 약 10 % 및 25%가 발생할 때에는 KH53 단면이 다른 날개에 비하여 캐비티 두께가 얇다는 것을 계산 결과로부터 알 수 있었으며, KH52 및 KH54는 거의 유사한 결과를 보여주었다.

성능/효과

1) 고부하프로펠러용 단면인 KH53은 캐비테이션 초생 성능이 매우 우수하며, 받음각 3° 이상에서 구름 캐비테이션이 거의 발생하지 않는 안정된 얇은 층 캐비테이션이 발생되어 우수한 소음특성을 보여주고 있다. 그러나 받음각 2° 까지도 기포 캐비테이션이 발생되므로, 프로펠러에 적용시 기포 캐비테이션의 발생 가능성이 있다.
2) 새로 설계된 수중익 KH54는 기하학적 받음각이 작은 경우(1° 와 2° ) 기포 캐비테이션이 억제되어 우수한 소음특성을 보여준다. 그러나 3° 이상에서 KH52와 같이 구름 캐비테이션이 유발되는 단점이 있다.
3° 이상의 받음각에서는 대체로 2° 에서의 얇은 층 캐비테이션에 의한 소음특성과 유사하나 각 날개 단면에 대한 경향이 달라졌으며, 소음 수준도 받음각이 커지면서 꾸준히 증가하고 있음을 알 수 있다. 또한 모든 날개에서 초기발생시 고주파에서 소음 수준이 증가되는 현상이 나타났으나 10kHz를 중심으로 대체로 5% 캐비테이션에서 가장 높은 소음이 계측되었다.
일련의 실험은 KRISO 캐비테이션 터널에서 수행되며, 날개 단면의 받음각 및 캐비테이션 발생량을 변화시키면서 캐비테이션 거동의 관찰과 소음수준 및 시간 신호를 계측하였다. 실험결과로부터 캐비테이션 발생 거동과 소음 수준과의 관계를 파악할 수 있었으며, 구름 캐비테이션의 발생원인도 패널법으로 예측할 수 있었다.
이상에서 보듯이 1° 와 2° 의 받음각에서는 KH54가 다른 두 개의 단면에 비해 소음 특성이 우수한 것으로 나타났으며, 이의 원인으로는 기포 캐비테이션이 잘 발생하지 않는 것과 앞날 근처의 캠버분포가 a=0.8 평균 선 분포에 비하여 비교적 완만한 때문으로 파악된다.
구름 캐비테이션이 발생하면 소음은 고주파에서 크게 높아짐은 많은 연구결과에서 밝혀지고 있다 〔6, 7〕. 캐비테이션이 50% 발생하였을 때는 날개 단면들의 캐비테이션 두께가 거의 유사하며, 소음수준의 차이도 거의 없다는 것을 알 수 있었다.
구름 캐비테이션의 발생 원인을 살펴보기 위하여 패널법〔5〕을 사용하여 각 받음각에 대한 동일한 캐비테인션 길이에서 캐비테이션 두께를 계산하였다. 캐비테이션이 약 10 % 및 25%가 발생할 때에는 KH53 단면이 다른 날개에 비하여 캐비티 두께가 얇다는 것을 계산 결과로부터 알 수 있었으며, KH52 및 KH54는 거의 유사한 결과를 보여주었다. 따라서 받음각이 3° 이상에서 KH53 단면의 소음 수준이 낮은 이유는 캐비티의 두께가 얇기 때문으로 판단되며.

후속연구

4) 1)과 2)의 결과로 미루어 볼 때 KH53 단면의 장점과 KH54 단면의 장점을 잘 살릴 수 있는 단면이 다시 설계되어야 할 것으로 사료된다.

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