본 연구에서는 한국형기동헬기(KUH) 주로터 블레이드의 축소 설계를 수행하였다. 축소 모델은 공력하중, 익단 와류 및 소음원 측정 시험을 위해 설계되었다. 실제 로터와 동일한 공력 하중을 모사하기 위하여 마하스케일링 기법이 적용되었다. 마하스케일 모델은 블레이드의 익단 마하수가 동일하며, 정규화된 진동수 또한 동일하다. 즉, 마하스케일된 모델은 공력하중 및 구조동역학적 과점에서 상사된 모델이다. 공기역학적 축소과정은 외형 치수의 축소와 회전수의 증가를 통해 완료된다. 구조동역학적 측면에서는 블레이드 단면 설계를 통해 생성된 강성 및 관성 분포가 실제 로터의 회전고유진동수 분포를 나타내는지 확인하는 과정을 통해 완료된다. 본 연구에서는 국내에서 수급 가능한 복합재 프리프레그를 이용한 블레이드 단면 설계를 수행하고, 설계된 모델의 동역학적 특성을 고찰하였다.
본 연구에서는 한국형기동헬기(KUH) 주로터 블레이드의 축소 설계를 수행하였다. 축소 모델은 공력하중, 익단 와류 및 소음원 측정 시험을 위해 설계되었다. 실제 로터와 동일한 공력 하중을 모사하기 위하여 마하스케일링 기법이 적용되었다. 마하스케일 모델은 블레이드의 익단 마하수가 동일하며, 정규화된 진동수 또한 동일하다. 즉, 마하스케일된 모델은 공력하중 및 구조동역학적 과점에서 상사된 모델이다. 공기역학적 축소과정은 외형 치수의 축소와 회전수의 증가를 통해 완료된다. 구조동역학적 측면에서는 블레이드 단면 설계를 통해 생성된 강성 및 관성 분포가 실제 로터의 회전고유진동수 분포를 나타내는지 확인하는 과정을 통해 완료된다. 본 연구에서는 국내에서 수급 가능한 복합재 프리프레그를 이용한 블레이드 단면 설계를 수행하고, 설계된 모델의 동역학적 특성을 고찰하였다.
In this study, scale-down design of full-scale Korean Utility Helicopter (KUH) main rotor blade has been investigated. The scaled model system were designed for the measurement of aerodynamic performance, tip vortex and noise source. For the purpose of considering the same aerodynamic loads, the Mac...
In this study, scale-down design of full-scale Korean Utility Helicopter (KUH) main rotor blade has been investigated. The scaled model system were designed for the measurement of aerodynamic performance, tip vortex and noise source. For the purpose of considering the same aerodynamic loads, the Mach-scale method has been applied. The Mach-scaled model has the same tip Mach number, and it also has the same normalized frequencies. That is, the Mach-scaled model is analogous to full-scale model in the view point of aerodynamics and structural dynamics. Aerodynamic scale-down process could be completed just by adjusting scaling dimensions and increasing rotating speed. In the field of structural dynamics, design process could be finished by confirming the rotating frequencies of the designed blade with the stiffness and inertial properties distributions produced by sectional design. In this study, small-scaled blade sectional design were performed by applying domestic composite prepregs and structural dynamic characteristics of designed model has been investigated.
In this study, scale-down design of full-scale Korean Utility Helicopter (KUH) main rotor blade has been investigated. The scaled model system were designed for the measurement of aerodynamic performance, tip vortex and noise source. For the purpose of considering the same aerodynamic loads, the Mach-scale method has been applied. The Mach-scaled model has the same tip Mach number, and it also has the same normalized frequencies. That is, the Mach-scaled model is analogous to full-scale model in the view point of aerodynamics and structural dynamics. Aerodynamic scale-down process could be completed just by adjusting scaling dimensions and increasing rotating speed. In the field of structural dynamics, design process could be finished by confirming the rotating frequencies of the designed blade with the stiffness and inertial properties distributions produced by sectional design. In this study, small-scaled blade sectional design were performed by applying domestic composite prepregs and structural dynamic characteristics of designed model has been investigated.
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문제 정의
본 연구에서는 KUH 로터의 성능, 익단 와류및 소음 측정 시험에 사용될 축소 블레이드 설계를 수행하였다. 블레이드에 발생되는 공력하중및 탄성 변형의 모두 고려될 수 있도록 동적 마하스케일링 방법을 적용하였으며, 축소 블레이드에 사용될 복합재료는 국내에서 수급 가능한 소재를 선정하였다.
본 연구에서는 KUH 축소 블레이드에 대한 동적 마하스케일 모델 설계를 수행하였다. 블레이드에 사용될 복합재료는 국내에서 수급 가능한 소재를 선정하였으며, 단면 형상은 축소 블레이드의 제작 공정을 고려하여 full scale 블레이드와는 다른 형태로 설계하였다.
본 연구에서는 허용 변형률과 극한하중에 의해 발생되는 최대 변형률간의 관계를 통해 안전율 마진을 판단하였다. 이를 위해서는 재료별 설계허용 변형률(design allowable strain) 데이터를 필요로 한다.
선정된 축소 스케일링 계수를 적용하여 풍동시험용 축소블레이드 설계를 수행하였다. 블레이드는 동적 해석 모델의 수치적 스케일링 값을 기준으로 설계를 수행하고, 강성 및 질량 분포가동특성을 잘 모사하는 것을 목표로 한다. 허브의 경우에는 수치 해석 모델에서 강체로 모델링 되는 부분이 많은 관계로 다물체 동역학적 관점에서 힌지 위치 등 구조물의 연결 부위가 축소 비율에 부합하고, 각 요소들의 운동이 원활하게 구현되는 것을 목표로 한다.
회전익기 로터시스템의 스케일링은 모델 시험에서 중요하게 측정하고자 하는 관점에 따라 다르게 접근할 수 있다. 우선 마하스케일링과 푸르 드스케일링, 두 가지 스케일링 방법에 대해 간단하게 살펴보도록 하자. 두 모델의 차이점은 기본 적으로 공력하중과 중력 하중의 관계에 맞춰져 있지만, 다음과 같이 간단하게 구분할 수 있다.
블레이드는 동적 해석 모델의 수치적 스케일링 값을 기준으로 설계를 수행하고, 강성 및 질량 분포가동특성을 잘 모사하는 것을 목표로 한다. 허브의 경우에는 수치 해석 모델에서 강체로 모델링 되는 부분이 많은 관계로 다물체 동역학적 관점에서 힌지 위치 등 구조물의 연결 부위가 축소 비율에 부합하고, 각 요소들의 운동이 원활하게 구현되는 것을 목표로 한다.
제안 방법
(c) Spar : 블레이드의 주 하중지지 부재로서, D-형 스파 형상을 적용하였다. LE부터 chord 방향으로 40% 내외의 위치까지 box-beam 형상으로 구현된다.
블레이드에 사용될 복합재료는 국내에서 수급 가능한 소재를 선정하였으며, 단면 형상은 축소 블레이드의 제작 공정을 고려하여 full scale 블레이드와는 다른 형태로 설계하였다. 1차 설계한 블레이드의 물성치 분포를 이용한 동역학 해석을 통해 동역학적 특성을 관찰하고, 설계 변경을 통해 최종 모델을 확정하였다.
설계된 블레이드의 강도 해석을 위한 하중은 풍동시험 조건에 대해서 수행하였다. BSNN basic structural design gross weight with nominal neutral c.g. condition) 중량 조건에서의 full scale 전기체 수평비행 트림해에 해당하는 로터 shaft angle과 추력과 동일하게 트림된 상태에서 블레이드에 발생하는 하중을 설계 하중으로 사용하였다. 하중해석은 CAMRAD II를 이용하였으며, 풍동 시험이 가능한 0 kts ~ 120 kts 상태에 대한 해석 결과를 이용하였다.
위치를 약 28% chord 수준으로 앞전으로 변경하였다. Balancing weight의 추가로 인해 증가된 중량의 절감을 위해 복합재료 적층수를 감소시켜 경량화를 도모하였으며, 적층수 감소에 따른 강성 저하를 보상하기 위해 모든 소재를 carbon fiber 계열을 적용하였다. 그림 5와 같이 2차 설계 모델의 경우 처음 3개의 모드는 목표 모델과 일치하는 회전 진동수 분포를 보여주고 있으며, 고차 모드의 경우에도 목표모델에 근접 하는 동특성을 나타냄을 살펴볼 수 있다.
단면형상 설계는 항우연에서 보유하고 있는 In-house 프로그램인 CORDAS를 이용하였으며, 수치적으로 스케일링된 강성 및 질량 분포에 근접하도록 설계를 수행하였다. 계산된 단면 물성치는 회전익기 통합해석 프로그램인 CAMRAD II ver. 4.6 [2]을 이용하여 회전시 동특성이 full scale 로터시스템의 특성을 잘 나타내는지를 확인하여 오차가 클 경우 단면 형상에 대한 수정을 반복수행하여 동특성이 모사될 수 있도록 설계가 진행되었다.
블레이드에 발생되는 공력하중및 탄성 변형의 모두 고려될 수 있도록 동적 마하스케일링 방법을 적용하였으며, 축소 블레이드에 사용될 복합재료는 국내에서 수급 가능한 소재를 선정하였다. 단면 형상은 제작 공정을 고려 하여 설계되었으며, 동역학 해석을 통해 설계된 블레이드의 회전 고유진동수 분포가 full scale 로터의 특성을 충분히 모사할 수 있도록 고려하였다. 또한 풍동 시험 조건에 대한 하중해석을 수행하고, 이를 이용한 정적구조 해석을 통해 풍동시험 운용조건에서 1.
단면형상 설계는 항우연에서 보유하고 있는 In-house 프로그램인 CORDAS를 이용하였으며, 수치적으로 스케일링된 강성 및 질량 분포에 근접하도록 설계를 수행하였다. 계산된 단면 물성치는 회전익기 통합해석 프로그램인 CAMRAD II ver.
블레이드 구조해석은 설계된 12개위치 S1 ~ S12에 대해서 수행하였다. Euler beam 이론을 적용하여 스팬방향의 변형률을 계산하고, 설계 허용 변형률을 기준으로 안전계수(safety factor)를 구한다.
블레이드에 작용하는 공력하중 중에서 블레이드 강도해석에서는 플랩 굽힘모멘트, 래그 굽힘 모멘트 및 원심력에 의한 스팬방향의 스트레인을 계산하여 설계 허용 값에 대한 마진을 계산하는 방법을 적용하였다. 풍속에 따른 하중의 변화는 다음과 같다.
선정된 축소 스케일링 계수를 적용하여 풍동시험용 축소블레이드 설계를 수행하였다. 블레이드는 동적 해석 모델의 수치적 스케일링 값을 기준으로 설계를 수행하고, 강성 및 질량 분포가동특성을 잘 모사하는 것을 목표로 한다.
설계된 블레이드의 제작이 완료된 후에는 강성, 질량, 무게중심 등의 정적 특성과 블레이드 자체의 동특성을 측정하여 제작된 블레이드와 설계 값 간의 차이를 식별한다. 이렇게 측정된 데이터는 동역학 해석에 사용되는 구조 모델을 업데이트하는 데 이용된다.
블레이드 skin은 HPW193/RS1222[45/0]로 구성되며 최외각 층이 [0]와 [45]인 경우를 모두 고려하였다. 앞서 언급한 바와 같이 설계하중의 1.5배인 극한하중을 부가하였고, 표 4의 설계 허용 변형률을 적용하였다. 각 하중 Case별, 각 단면에서 최소 MS 값은 아래와 같다.
위와 같이 계산된 최대 변형률과 설계허용치 (design allowable)간의 비를 이용하여 안전율 마진(margin of safety, MS)을 계산하였다.
이에 따라 1차 설계 모델의 동특성 해석 결과를 토대로 설계 변경을 수행하여 2차 설계모델을 도출하였다. 우선 balancing weight를 추가하여 c.
블레이드의 외형은 full scale 블레이드를 단순하게 축소하는 것으로 작업이 완료되지만, 블레이드의 내부 구조 설계는 단순하게 길이를 줄이는 것으로 완성할 수 없다. 이에 따라 목표로 하는 동특성을 나타내도록 구조설계를 수행하였다.
그림 5와 같이 2차 설계 모델의 경우 처음 3개의 모드는 목표 모델과 일치하는 회전 진동수 분포를 보여주고 있으며, 고차 모드의 경우에도 목표모델에 근접 하는 동특성을 나타냄을 살펴볼 수 있다. 이와 같이 축소 블레이드의 동특성이 full scale 모델의 동특성을 충분히 반영하고 있어 2차 설계 모델을 기준으로 블레이드 제작에 착수하였다.
강도해석에 이용된 전진비행 조건은, 0 kts, 70 kts, 120 kts 3가지이다. 최대 원심력이 작용하는 상태에서 플랩 굽힘 모멘트의 최대(+), 최소(-)와 래그 굽힘모멘트의 최대(+), 최소(-)의 조합에 의해 구현되는 4가지 경우를 고려하였다. 각 단면에서 임의의 위치 (x, y) 에서 변형률은 다음과 같이 계산한다.
현재 보유하고 있는 파손강도 데이터는 [0]와[90]인 경우로 [±45]인 경우에 대해서는 물성치 데이터가 확보되어 있지 않은 관계로, 유사재료의 [0] 방향의 강도에 대한 [±45] 방향의 강도 비율을 적용하여 사용하였다.
대상 데이터
(e) Spar Core : 코어 재료는 foam과 honeycomb이 사용될 수 있는데, spar core의 경우에는 c.g. 조절을 위해 비중이 큰 편에 속하고, 스파 형상 유지에 유리한 Rohacell WF71을 적용 하였다.
따라서 블레이드의 외곽을 형성하는 skin에 대해서만 구조해석을 수행하여 안 전율 마진을 살펴봄으로써 정적 안전성을 점검할수 있다. 블레이드 skin은 HPW193/RS1222[45/0]로 구성되며 최외각 층이 [0]와 [45]인 경우를 모두 고려하였다. 앞서 언급한 바와 같이 설계하중의 1.
본 연구에서는 KUH 로터의 성능, 익단 와류및 소음 측정 시험에 사용될 축소 블레이드 설계를 수행하였다. 블레이드에 발생되는 공력하중및 탄성 변형의 모두 고려될 수 있도록 동적 마하스케일링 방법을 적용하였으며, 축소 블레이드에 사용될 복합재료는 국내에서 수급 가능한 소재를 선정하였다. 단면 형상은 제작 공정을 고려 하여 설계되었으며, 동역학 해석을 통해 설계된 블레이드의 회전 고유진동수 분포가 full scale 로터의 특성을 충분히 모사할 수 있도록 고려하였다.
본 연구에서는 KUH 축소 블레이드에 대한 동적 마하스케일 모델 설계를 수행하였다. 블레이드에 사용될 복합재료는 국내에서 수급 가능한 소재를 선정하였으며, 단면 형상은 축소 블레이드의 제작 공정을 고려하여 full scale 블레이드와는 다른 형태로 설계하였다. 1차 설계한 블레이드의 물성치 분포를 이용한 동역학 해석을 통해 동역학적 특성을 관찰하고, 설계 변경을 통해 최종 모델을 확정하였다.
또한 chordwise 굽힘 강성의 일부를 담당한다. 재료는 UD carbon/epoxy [0]를 사용하고, chordline에 수직으로 스파 내부에 형성하는 것을 기준으로 설계가 수행되었으나, balance weight의 geometry에 따라 완전히 고정되도록 곡률을 가질 수 있다.
데이터처리
condition) 중량 조건에서의 full scale 전기체 수평비행 트림해에 해당하는 로터 shaft angle과 추력과 동일하게 트림된 상태에서 블레이드에 발생하는 하중을 설계 하중으로 사용하였다. 하중해석은 CAMRAD II를 이용하였으며, 풍동 시험이 가능한 0 kts ~ 120 kts 상태에 대한 해석 결과를 이용하였다.
이론/모형
블레이드 구조해석은 설계된 12개위치 S1 ~ S12에 대해서 수행하였다. Euler beam 이론을 적용하여 스팬방향의 변형률을 계산하고, 설계 허용 변형률을 기준으로 안전계수(safety factor)를 구한다. 이때 적용하중은 그림 11 ~ 그림 15의 제한하중(limit load)에 1.
공력성능 측정에 있어 중력에 의한 정적 처짐 보다는 정확한 블레이드 하중 및 허브하중이 모사되어 추력, 토크 등을 좀 더 정확하게 측정하는 것이 바람직하고, 동일한 공기역학적 환경을 모사하는 것이 중요하다. 따라서 KUH 주로터 축소모델은 동적 마하스케일링 (dynamically and mach scaling) 방법을 적용하였다.
성능/효과
단면 형상은 제작 공정을 고려 하여 설계되었으며, 동역학 해석을 통해 설계된 블레이드의 회전 고유진동수 분포가 full scale 로터의 특성을 충분히 모사할 수 있도록 고려하였다. 또한 풍동 시험 조건에 대한 하중해석을 수행하고, 이를 이용한 정적구조 해석을 통해 풍동시험 운용조건에서 1.64 이상의 안전율 마진을 가지고 있음을 확인하였다.
회전고유진동수 외에 공력탄성학적 안정성 해석을 통해 설계된 모델의 특성을 고찰하였으며, 이를 통해 1차 설계 모델의 경우 공탄성 불안정 현상이 발생 가능함을 관찰하였다. 이에 대한 원인으로는 질량중심이 37% ~ 45%chord에 분포하고 있는 것이 가장 큰 영향을 미치는 것으로 파악되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
마하스케일 모델이란?
실제 로터와 동일한 공력 하중을 모사하기 위하여 마하스케일링 기법이 적용되었다. 마하스케일 모델은 블레이드의 익단 마하수가 동일하며, 정규화된 진동수 또한 동일하다. 즉, 마하스케일된 모델은 공력하중 및 구조동역학적 과점에서 상사된 모델이다. 공기역학적 축소과정은 외형 치수의 축소와 회전수의 증가를 통해 완료된다.
모델 스케일링 방법은 어떻게 구분되는가?
회전익기 로터시스템의 축소 스케일링은 모델 시험에서 중요하게 측정하고자 하는 관점에 따라 다르게 접근할 수 있다. 모델 스케일링 방법은 크게 마하 스케일링(Mach scaling)과 푸르드 스케일링(Froude scaling)으로 구분된다. 마하스케일링은 구조동역학적 거동과 공기역학적 거동 모두 상사되도록 스케일링하는 것을 일컫지만, 블레이드의 탄성 특성은 무시하고 공기역학적 환경만 상사하여 팁 마하수를 일치시킨 강체 블레이드 모델에 대해서도 마하스케일 모델로 부르게 때문에 탄성거동까지 상사된 모델은 동적 마하스케일 모델(dynamically and Mach scaled model) 로 부르기도 한다.
마하스케일링의 특징은?
- Full scale 하중 = 모델 하중 × S2 (푸르드스케일 하중 (× S3 ) 보다 정확함)
- 푸르드 스케일에 비해 높은 레이놀즈수 (마하 스케일 = S1 vs. 푸르드 스케일 = S3/2)
- 블레이드 하중에 미치는 마하수 영향이 동일 하게 모사
- 보다 정호가한 허브 하중 모사
- 동체 간섭 효과 및 허브 가진 현상이 보다 현실적임
참고문헌 (2)
Albrecht, Carl O., "Factors in the design and fabrication of powered dynamically similar V/STOL wind tunnel models," AHS Mid-East Region Symposium " Status of Testing and Modeling Techniques for V/STOL Aircraft", Essington, PA, October 26-28, 1972.
Wayne Johnson, CAMRAD II Comprehensive Analytical Model of Rotorcraft Aerodynamics and Dynamics, Johnson Aeronautics, 2007.
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