[논문]항공기용 프로펠러에서의 두께 및 하중소음 예측

유기완

doi:10.5139/jksas.2005.33.2.039

항공기용 프로펠러에서의 두께 및 하중소음 예측
Prediction of Thickness and Loading Noise from Aircraft Propeller 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.33 no.2, 2005년, pp.39 - 45

초록
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본 연구에서는 현재 일반 프로펠러 항공기에 사용 중인 둥근 팁 형상을 갖는 Hartzell 사 제작 프로펠러에 대해서 두께소음과 하중소음에 대한 예측을 시도하였다. 음향장 해석에 앞서서 프로펠러 표면상에 존재하는 압력분포는 자유후류 패널 방법과 비정상 베르누이 방정식을 이용하여 구하였다. 음향장 해석을 위해서는 FW-H의 음향상사 법칙을 적용하였다. 주어진 프로펠러 형상과 운전 조건에 대한 소음 예측으로부터 두께소음은 프로펠러 회전면을 기준으로 전방과 후방이 서로 비슷한 면대칭 분포를 갖는 반면에, 하중소음은 프로펠러 후방의 소음이 전방에 비해서 더 크게 나오는 결과를 보여주었다. 일반적인 운전조건에서는 전반적으로 하중소음이 두께소음보다 지배적인 결과를 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of this research is to predict the thickness and loading noise of the round-tip shaped Hartzell propeller currently used in the general aviation aircraft. Before implementing the noise analysis, the pressure distribution on the propeller was obtained by using the free wake panel method and unsteady Bernoulli's equation. The noise signal at observer position can be obtained by using the FW-H equation. The noise prediction results for the propeller indicates that the thickness noise has s symmetric directivity pattern with respect to the tip path plane, while the noise due to loading shows higher noise directivity toward downstream than the upstream direction from the rotor plane. The loading noise is dominant rather than the thickness noise in normal operating condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

여기서 발생되는 소음을 원인별로 보면 회전익의 주기적인 정속 회전에 의한 소음과, 비정상적인 난류의 유입, 회전익 표면에서의 비정상 압력 변동, 와류와 물체의 상호작용, 와류의 흘림, 고속흐름에 따른 충격파 등에 기인하여 다양하게 분류된다. 본 연구에서는 경급 또는 중급항공기의 추진장치로 많이 사용되고 있는 프로펠러에서의 두께및 하중소음에 대해서 고찰하였다.

가설 설정

그러나 하중소음의 계산을 위해서는 반드시 날개 표면에서의 하중 분포를 구해야 한다. 초기 소음해석을 수행하는 사람들은 유 동장 계산이 어려운 점을 대신하여 간단하게 주어진 추력을 기반으로 하여 스팬방향으로의 하중과 코드 방향으로의 하중 분포를 가정하였다. 그러나 정확한 음향장을 예측하기 위해서, 또는 저소음 형상을 갖는 프로펠러 개발에 음향장 이론을 이용하기 위해서는 유동방정식의 수치해석을 통한 정확한 접근이 반드시 필요하게 된다.

제안 방법

공력해석 결과를 기초로 프로펠러 회전면상에중심으로부터 1.5D만큼 떨어진 위치에서 두께소음과 하중소음을 계산하였다. CASE 1에 대해서의 음향 신호는 Fig.
5는 CASE 1에 대한 하중소음과 두께 소음 각각의 시간에 따른 음압 변동치를 주파수 분석한 결과를 나타낸다. 모든 주파수에 대한 총 소음 레벨 OASPL (Overall Sound Pressure Level) 은123.4dBA에 이르며, 측정 위치는 디스크 면에서 중심에 1.5D만큼 떨어진 위치로 하였다.
본 연구에서 중점을 둘 공력소음의 주된 계산절차는 먼저 유동장의 정보를 구한 후, 원거리에서 음압을 음향 상사 이론을 적용하여 얻어내는것이다. 공력 자료는 자유후류방법 (free wake modelling)을 이용하여 후류형상을 순차적 시간적분방법을 통해 수행하도록 한다.
한편 Farassat [9]은 식 (4)의 적분 밖에 존재하는 시간 및 공간 미분을 적분 안으로 보내도록 하여 단순하고 수치계산에 편리 한 꼴을 제시 하였다. 본 연구에서는 다음과 같이 Farassat이 제안한 공식 1A (Formula 1A)를 이용하여 두께소음과 하중 소음을 예측하였다. 먼저 두께소음은 다음과 같다.
본 연구에서는 일반 항공기에 사용되고 있는팁 모양이 둥근 Hartzell 프로펠러 F8476 D-4 모델에 대한 두께소음과 하중소음을 수치적으로 예측하였다. 소음해석에 앞서 먼저 자유후류 패널방법과 비정상 베르누이 방정식을 이용하여 프로펠러 표면에서의 압력 분포를 얻어내었다.
여기서 피치각 #는 블레이드의 75% 스팬에서의 피치각도를 의미한다. 자유후류 패널방법을 이용한 공력해석을 위해서 초기 블레이드는코드방향으로 21개, 스팬방향으로 14개의 격자점을 구성하였으며, 팁으로 갈수록 그리고 날개 앞전이나 뒷전으로 갈수록 격자점을 조밀하게 구성하여 계산의 정확도를 높이도록 하였다. 프로펠러의 패널 격자계 구성은 Fig.

대상 데이터

본 연구에서 모델로 선택한 프로펠러는 Hartzell Propeller사에서 제작한 둥근 팁 형상을갖는 항공기용 프로펠러로서 주요 제원은 Table 1과 같다.
공력 자료는 자유후류방법 (free wake modelling)을 이용하여 후류형상을 순차적 시간적분방법을 통해 수행하도록 한다. 본 연구에서선정한 프로펠러의 형상은 미국 Hartzell Propeller사에서 개발한 일반 항공기용 프로펠러이며 직경은 2.03미터이다.

이론/모형

공력 자료는 자유후류방법 (free wake modelling)을 이용하여 후류형상을 순차적 시간적분방법을 통해 수행하도록 한다. 본 연구에서선정한 프로펠러의 형상은 미국 Hartzell Propeller사에서 개발한 일반 항공기용 프로펠러이며 직경은 2.
따라서 자유후류 방법 (free wake modelling)이용한다면 프로펠러의 전진비행에 해당하는 후류의 형상을 비정상 공력해석을 통해서 얻어낼 수있게 된다. 본 연구에서는 전진 비행하는 프로펠러의 소음해석을 위해서 자유후류 공력해석 접근법을 적용하기로 한다.
소음해석에 앞서 먼저 자유후류 패널방법과 비정상 베르누이 방정식을 이용하여 프로펠러 표면에서의 압력 분포를 얻어내었다. 주어진 프로펠러 형상에 대해서 소음을 예측한 결과두께소음의 경우에는 프로펠러 전후방의 지향성이 대칭분포를 가진 반면에, 하중소음의 경우에는 프로펠러 전방에 비해서 후방 소음이 더 크게나오는 결과를 보여주었다.
자유 후류 방법에 의한 후류의 이동은 유동장을 근거로 하여 4차의 Runge-Kutta 방법을 이용하여 매시간 얻어내었다.

성능/효과

결과에서 보이는 바와 같이 BPF는 90Hz가 됨을 알 수 있으며, 소음의 피크는 500Hz 근방에서 발생하고 주파수가 증가할수록 선형적으로 소음레벨이 감소하는 것을 보여준다. 이는 프로펠러의 소음이 터보팬 엔진 소음에 비해 상대적으로 저주파수 특성을 갖는 결과와 일치한다.
그림 상에서 윗면은 프로펠러의 전방이 된다. 결과에서 보이는 바와 같이 두께 소음은 프로펠러 전후가 대략 대칭의 방향성을 갖지만 하중소음의 경우에는 프로펠러 전방보다는 후방 쪽의 소음이 더 크게 나타났으며, 두께 소음에 비해 보다 더 지배적임을 알 수 있다. 계산된 경우에 대한 소음수준을 종합하면 Table 4와 같다.
4와 같은 파형을 가짐을 알수 있다. 결과에서 알 수 있듯이 본 프로펠러의운전조건에서 하중소음은 두께소음에 비해 더 지배적인 음원임을 보여주고 있다. 헬리콥터 로터의 경우에는 회전 디스크 면에서 두께소음이 하중소음보다도 더 큰 경우를 볼 수 있는 것과는대조적인 결과라 볼 수 있다[10].
주어진 프로펠러 형상에 대해서 소음을 예측한 결과두께소음의 경우에는 프로펠러 전후방의 지향성이 대칭분포를 가진 반면에, 하중소음의 경우에는 프로펠러 전방에 비해서 후방 소음이 더 크게나오는 결과를 보여주었다. 또한 일반적인 운전조건에서 하중소음은 두께소음에 비해서 지배적인 소음으로 작용하고 있음을 알 수 있었다.
소음해석에 앞서 먼저 자유후류 패널방법과 비정상 베르누이 방정식을 이용하여 프로펠러 표면에서의 압력 분포를 얻어내었다. 주어진 프로펠러 형상에 대해서 소음을 예측한 결과두께소음의 경우에는 프로펠러 전후방의 지향성이 대칭분포를 가진 반면에, 하중소음의 경우에는 프로펠러 전방에 비해서 후방 소음이 더 크게나오는 결과를 보여주었다. 또한 일반적인 운전조건에서 하중소음은 두께소음에 비해서 지배적인 소음으로 작용하고 있음을 알 수 있었다.

참고문헌 (11)

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Lighthill, M. L. 'On Sound Generated Aerodynamically (I) General Theory', Proc. Royal Society of London, Series A, 211, 1952, pp. 564-587
CurIe, N., 'The Influence of Solid Boundaries upon Aerodynamic Sound', Proc. Royal Society of London, Series A, 214, 1955, pp. 505-514
Ffowcs Williams, J. E., and Hawkings, D. L., 'Sound Generated by Turbulence and Surfaces in Arbitrary Motion', Proc. Royal Society of London, Series A, 1969, pp. 264-321
Maskew, B., 'Prediction of Subsonic Aerodynamic Characteristics: A Case for Low-Order Panel Methods', J. of Aircraft, Vol. 19, 1981, pp.157-163
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Farassat, F., and Succi, G. P., 'The prediction of helicopter rotor discrete frequency noise', Vertica, Vol. 7, 1983, pp.309-320
유기완, '축소형 UH-1H 로터에서의 광역 소음과 이산소음의 비교', 한국항공우주학회지 Vol. 33, No. 1, 2005, pp. 20-25

원문보기 상세보기
Farassat, F., Pegg, R. Land Hilton, D. A., 'Thickness Noise of Helicopter Rotors at High Tip Speed', AIAA Paper 75-453, 1975

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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