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문제 정의
- 본 연구에서는 날개 선단 근방의 유동장을 상세히 조사하기 위하여, 홴 로터와 함께 회전하는 I 형 열선 프로브를 사용하여, 익간에서 회전 로터에 대한 상대 흐름을 측정하였다. 열선 센서는 직경이 5 gm 인 텅스텐 선으로 정온도 (constant temperature)형 열선 풍속계를 사용했다.
- 본 연구에서는 익단 누설와류의 유량에 따른 특성을 이해하기 위하여, 회전 열선 센서를 사용하여 날개 선단부위 유동을 상세히 측정하였다. 즉, Fig.
제안 방법
- 홴 로터의 회전수는 인버터에 의해 제어되며, 본연구에서는 1000 rpm 일정으로 실험하였다.1 형 프로브의 검정(calibration)은, 케이싱 내에 설치되어 있는 홴 로터를 제거한 상태에서 열선 센서를 수 단계의 회전수로 바꾸어 그때의 회전방향 속도를 이용하여 수행하였다. 또, 실험 시 열선 센서의 위치는 이것을 지지하는 지지대의 변형량을 실험에 앞서 측정하여 보정하여 주었다.
- 5 공 피토관의 검정은 포텐셜 코어 (potential core)경이 50 mm 인 별도의 검정용 풍동에서 수행하였다. 풍동 코어부의 제트 속도 값은 20 m/s 이며, 검정 결과는 Fig.
- Murthy 와 Lakshn血arayana⑸는 LDV 를 이용하여 축류 압축기의 익간에서 누설와류의 궤적을 상세히 계측하였다. Foley 와 Ivey⑹는 LDV 및 피토관을 이용하여 다단 축류 압축기의 후류에서 누설와류의 거동을 측정하였다.
- 그러나, 비정상 특성을 갖는 익단 누설 와류의 시간 변동을 측정하기 위해서는 회전하는 로터 익간의 유동장을 실시간으로 측정가능한 상대 좌표계(즉, 로터와 함께 회전하는)에 의한 측정 방법이 반드시 필요하다. Fukano 등⑻ 은 회전하는 평판 익 후류 유동의 실시간 데이터를 로터와 함께 회전하는 열선 프로브를 로터 허브 내에 장착된 이송장치에 연결시켜 측정하였다. 이 측정 방법을 사용함으로써, 평판 익의 후방에서 생성되는 카르만 와류(Karman vortex)에 의한 주기적인 변동속도 값을 연구하였다.
- 즉, 날개 틈새의 누설제트 (leakage jet)와 날개 부압면 경계층의 전단면에 의해 생성된 누설와류는 익간에서 흐름방향에 따라 형성되며, 날개 틈새가 클수록 날개의 압력면에 접근한다고 보고하였다. Murthy 와 Lakshn血arayana⑸는 LDV 를 이용하여 축류 압축기의 익간에서 누설와류의 궤적을 상세히 계측하였다. Foley 와 Ivey⑹는 LDV 및 피토관을 이용하여 다단 축류 압축기의 후류에서 누설와류의 거동을 측정하였다.
- 6 의 P4 와 P"의 압력 값이 같은 조건이 되도록 프로브각도를 조정하였다. 그리고, 각 점의 압력값을 계측한 다음 검정곡선을 이용하여 각 속도 성분치를 결정하였다. 그림에서 보듯이 축방향 및 회전방향속도는 설계유량 조건에서 설계값과 잘 일치함을 알 수 있다.
- 특성을 고찰하였다. 또한, 설계점 및 탈설계점에서 익단 누설 와류의 구조를 상세히 고찰하기 위하여 누설 와류와 직각을 이루는 단면에서 상대속도 및 그 변동치를 상세히 분석하였다. 마지막으로, 5 공 피토관에 의한 홴 로터 전후의 3 차원 유동속도 계측을 통해 설계한 축류홴의 성능을 평가하였다.
- 또한, 설계점 및 탈설계점에서 익단 누설 와류의 구조를 상세히 고찰하기 위하여 누설 와류와 직각을 이루는 단면에서 상대속도 및 그 변동치를 상세히 분석하였다. 마지막으로, 5 공 피토관에 의한 홴 로터 전후의 3 차원 유동속도 계측을 통해 설계한 축류홴의 성능을 평가하였다.
- 본 설계 홴은 NACA65 계열의 익형을 사용 하였으며, Fig. 2 에서 나타낸 바와 같이 Carpet 선도를 이용하여 켐버(camber) 및 영각(angle of attack)의 분포를 결정하였다. Fig.
- 본 연구에서는 축류홴의 로터 익간 유동장에 대해 상대 좌표계에서 측정할 수 있는 회전 열선센서를 사용하여 시간평균 유동 특성 및 실시간 변동속도 값을 측정하였으며, 익단 누설 와류의 비정상 특성을 고찰하였다. 또한, 설계점 및 탈설계점에서 익단 누설 와류의 구조를 상세히 고찰하기 위하여 누설 와류와 직각을 이루는 단면에서 상대속도 및 그 변동치를 상세히 분석하였다.
- 4 에 즉정 위치 표시함) 이다. 상대 입출구각은 각 반경의 측정점에서 측정한 축방향 및 회전방향 속도를 이용하여 결정하였다. 그림에서 점선과 실선은 설계치를 의미하며, 성능에 중요한 인자인유출입각의 분포는 설계치와 잘 일치함을 알 수 있다.
- 앞 절에서 기술한 바와 같이, 설계한 축류홴의 성능 평가를 위하여 홴 성능실험장치에 장착된 축류 홴의 상하류 측에 5 공 피토관을 이용하여 3차원 속도분포를 측정하여, 홴 풍량에 따른 압력 상승 값을 구하였다. 5 공 피토관은 측정부의 직경이 3.
- Fukano 등⑻ 은 회전하는 평판 익 후류 유동의 실시간 데이터를 로터와 함께 회전하는 열선 프로브를 로터 허브 내에 장착된 이송장치에 연결시켜 측정하였다. 이 측정 방법을 사용함으로써, 평판 익의 후방에서 생성되는 카르만 와류(Karman vortex)에 의한 주기적인 변동속도 값을 연구하였다.
- 저압 축류홴의 설계점 및 탈설계점 작동조건에 대해 열선 센서를 날개에 고정한 상대 좌표계 관점에서 익간 흐름을 상세히 측정하여, 익단 누설와류에 대한 정상 및 비정상 유동 특성을 고찰하여 얻은 결론은 다음과 같다.
- 측정하였다. 즉, Fig. 9 의 성능곡선에서 표시한 것과 같이, 설계점을 포함하는 네가지 다른 유량 조건(©=0.28, 0.31, 0.41 and 0.47)에서 익단 누설 와류의 구조를 검토하였다.
- 축류홴의 설계점에서 익단 누설와류 주위의 속도 및 그 변동치의 특성을 이해하기 위하여, 익단누설와류와 직각를 이루는 4개의 단면을 설정하여 각각의 단면에서 회전 열선 센서를 이용하여 상세한 물리량 측정을 하였다. 익단 누설와류에준 직교하는 법선을 Fig.
대상 데이터
- Fig. 1 에 나타난 바와 같이 본 연구는 저압 축류홴을 대상으로 하였으며, 상세한 사양은 Table 1에 수록하였다. 날개 선단의 틈새는 2 mm (1.
- 반경 방향의 측정은 76% 스팬(255 mm)에서 98% 스팬(285 mm)까지의 영역을 설정하였으며, 측정 간격은 약 3 mm 로 하였다. 반경 방향 및 축 방향의 측정 격자 수는 각각 21개 및 11 개점으로 하였으며, 회전방향의 측정점은 반경 및 회전방향위치에 따라 19 개에서 40 개로 선정하였다. 또, 날개 익면에서부터 열선 센서의 최소 측정 거리는 8.
- 본 그림은 날개 후방의상단에서 본 그림으로, 설계 유량에서 열선 센서에의해 측정한 저속 영역을 함께 표시하고 있다. 반경 방향의 측정은 76% 스팬(255 mm)에서 98% 스팬(285 mm)까지의 영역을 설정하였으며, 측정 간격은 약 3 mm 로 하였다. 반경 방향 및 축 방향의 측정 격자 수는 각각 21개 및 11 개점으로 하였으며, 회전방향의 측정점은 반경 및 회전방향위치에 따라 19 개에서 40 개로 선정하였다.
- 대한 상대 흐름을 측정하였다. 열선 센서는 직경이 5 gm 인 텅스텐 선으로 정온도 (constant temperature)형 열선 풍속계를 사용했다. 또, 본 축류홴 로터를 포함하는 측정부 시스템을 Fig.
데이터처리
- 본 실험에서 얻은 속도성분 값은 시간 평균 속도값에 대하여 최대 5 퍼센트의 오차 값을 갖는다. 변동속도의 스펙트럼 분포는 ONOSOKKI 사의 FFT 분석기를 사용하여 각 측정 지점에서 64 번 평균한 값으로 구하였다.
- 속도 및 변동속도 값은 각각의 측정 위치에서 6000 번의 샘플링 값을 평균하여 얻었다. 본 실험에서 얻은 속도성분 값은 시간 평균 속도값에 대하여 최대 5 퍼센트의 오차 값을 갖는다.
이론/모형
- 4 에서 표시한 것과 같이 수은 슬립링(slip ring)을 통하여 측정용 컴퓨터에 전송되어, 자동 샘플링을 통하여 제반 통계량이 산출된다. 단, 슬립링을 통과한 데이터가 컴퓨터에 전송되기 전에 8.9 kHz 이상의 주파수 성분을 제거하기 위해 low pass filter 을 사용하였다. 홴 로터의 회전수는 인버터에 의해 제어되며, 본연구에서는 1000 rpm 일정으로 실험하였다.
- 홴 설계에 있어서 자오면 유선은 유선곡률 방정식(streamline curvature equation)을 이용하여 계산하였다. 본 설계 홴은 NACA65 계열의 익형을 사용 하였으며, Fig.
성능/효과
- (1) 실험홴과 직경이 동일한 원형관 형태의 홴성능 실험 장치어】서, 5 공 피토관을 사용하여 홴로터 전후에서 속도분포를 측정하여 작성한 유량에 따른 홴 성능곡선은 설계치와 좋은 일치를 보였다.
- (2) 설계점보다 작은 유량 영역에서는, 유량이감소함에 따라 누설와류는 상류로 이동하며 인접하는 압력면과 간섭한다. 또한, 누설와류는 풍량이감소함에 따라 그 크기가 증가하여 익간에 큰 저항체 역할을 하며 홴 성능의 저하를 가져온다.
- (3) 설계 조건에서, 누설와류는 하류로 이동함에 따라 그 중심이 반경 방향으로 일정하게 유지되며, 그 크기는 와류의 확산에 의해 점점 증가한다.
- (4) 누설와류의 하류 상단부에는 역류 영역이 존재하며, 이 역류영역에서 발생하는 반경류는 케이싱 면과 직접적으로 간섭하여, 케이싱면에 소음에 중요한 영향을 주는 압력변동 값을 가져다 줄수 있다고 사료된다.
- (5) 변동속도 값은 설계유량 조건에서 누설 와류의 중심 뿐만 아니라, 누설 와류와 주류가 간섭하는 경계면에서 주로 큰 값을 갖으며, 피크 주파수는 역류 영역에서 발생한다.
- 6000 번의 샘플링 값을 평균하여 얻었다. 본 실험에서 얻은 속도성분 값은 시간 평균 속도값에 대하여 최대 5 퍼센트의 오차 값을 갖는다. 변동속도의 스펙트럼 분포는 ONOSOKKI 사의 FFT 분석기를 사용하여 각 측정 지점에서 64 번 평균한 값으로 구하였다.
- 이렇듯, 주류(main flow)에 대해 저항체 역할을 하는 익단 누설와류는 익간에서 압력손실을 야기시키며, 이는 홴의 성능 저하를 가져온다. 본 연구에 사용한 축류홴에서는, 날개 끝단에서 스팬 방향으로 최대 30% 스팬 영역까지 저소 영역이 존재함을 알 수 있었다.
- 그림의 횡축은 주파수 Hz 를, 종축은 스펙트럼 밀도값 S0을 각각 나타낸다" 그림에서, 역류가 존재하는 영역의 스用트럼값에서는 400 Hz 근방에서 피크 주파수(peak kequency)가 생성됨을 알 수 있다. 이상에서와 같이, 홴 로터와 함께 희전하며 실시간으로 상대속도의 변동 값을 계측할수 있는 회전 열선 센서에 의한 익간 유동장 계측기법은 익단 누설와류의 속도 및 변동속도값 분포뿐만 아니라 그 변동의 스펙트럼도 충분한 분해능으로 계측할 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 그림에서 점선과 실선은 설계치를 의미하며, 성능에 중요한 인자인유출입각의 분포는 설계치와 잘 일치함을 알 수 있다. 이상으로 축류홴의 설계조건은 실제 운전시에도 잘 일치함을 실험적으로 확인할 수 있었다.
- 홴 로터와 함께 회전하는 회전 열선 센서를 이용하여 익단 누설 와류와 준 직교한 면에서 측정한 상대속도분포로부터 각 단면에서의 익단 누설와류의 위치 및 크기를 정확히 파악할 수 있었다. 즉, 익단 누설와류는 하류로 이동함에 따라 그 중심은 반경 방향으로는 약 0.
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