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문제 정의
- 본 연구에서는 레이저 유속계 측정을 통해 승용차용 토크 컨버터 임펠러 유로의 중간·출구영역과 임펠러와 터빈 사이영역의 유동장 및 재순환 유동 등에 대한 해석을 속도비 0.4 조건에서 시도하고자 한다.
- 본 연구를 통해 얻어질 자료는 이 단점을 보충하는데 일조할 것으로 기대된다. 특히 본 연구를 통해 토크 컨버터의 여러 유동특성 중 임펠러 유로의 주 유동방향에 대한 실험적인 자료를 시각적 관점에서 보여주고 정량적 해석을 통해 속도비가 토크 컨버터의 내부 유동장에 미치는 영향을 분석하였다.
제안 방법
- 임펠러 유로의 출구에서 입구 쪽으로 4.5 mm(측정단면 3)와 1 mm(측정단면 4) 위치에 있는 출구영역과, 임펠러 유로의 출구에서 터빈 방향으로 1 mm(측정단면 5) 위치에 있는 사이영역의 LDV 측정은 측면 관측창을 통해 각각 실시하였다. 유동분포의 특성과 변화를 효과적으로 분석하기 위하여 측정단면 1에서는 504곳, 측정단면 2에서는 544곳, 측정단면 3에서는 247곳, 측정단면 4에서는 286곳, 측정단면 5에서는 520곳에서 속도계측을 하였다.
- LDV측정은 5개의 서로 다른 각각의 측정단면에서 실시하였다. 측정단면은 임펠러 유로의 주 유동방향 중심선에 수직한 단면이다.
- 정면 관측창은 중간영역의 유동장 측정을 위하여 사용하였으며, 측면 관측창은 임펠러 유로의 출구영역과 출구에서 터빈 방향의 유동을 측정하기 위하여 사용하였다. 관측창의 내부 표면은 토크 컨버터의 형상과 동일하게 정밀 가공하여 관측창의 설치가 내부 유동에 영향을 미치지 않도록 하였다. 관측창 내부의 표면 형상은 매우 복잡함으로 사용한 변속기오일(굴절률: 1.
- 관측창이 설치된 토크 컨버터의 운전성능 확인을 위하여 입력 토크를 67.8 Nm로 일정하게 유지하면서 일련의 성능테스트를 실시한 후 본래의 토크 컨버터와 비교하였다. 테스트는 터빈의 회전속도 400~2000 rpm 범위에서 실시하였다.
- 따라서 임펠러와 터빈의 회전속도를 오차범위 ±1 rpm으로 일정하게 유지하기 위하여 컴퓨터 제어시스템을 사용하였다. 또한 제어시스템은 변속기오일의 유동율, 압력, 온도를 모니터하며 임펠러, 터빈, 정익 축의 입력과 피드백 토크를 측정하였다. 제어시스템의 자료는 모두 컴퓨터에 저장되며, Fig.
- 레이저 유속계는 4 W Ar-Ion 레이저와 TSI 제품의 렌즈, 프리즘, 신호 처리장치(digital burst correlator, IFA750), Bragg-cell frequency shifter, 이송장치 그리고 데이터 취득을 위한 컴퓨터 등으로 구성하였다. 측정은 관측장을 통하여 이루어지므로 Fig.
- 토크 컨버터 유로에서 운전조건과 측정단면의 위치에 따라 흐름의 모양을 정확하게 파악하는 것은 설계자에게 유용한 기준을 제공할 수 있으리라 생각된다. 본 연구에서는 기존의 토크 컨버터 유동장을 잘 분석한 바 있는 저자들의 실험 방법을 이용하여 토크 컨버터 속도비와 측정단면의 위치가 내부 유동장의 변화에 미치는 영향을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 테스트는 터빈의 회전속도 400~2000 rpm 범위에서 실시하였다. 순환 변속기오일의 압력, 온도, 유동율과 각 축의 토크를 기록하여 자동변속기가 장착된 차량의 성능을 대표하는 성능지수인 K-계수와 효율을 구한 후 서로 비교하였다. 터빈의 회전속도 최대편차는 6% 보다 작았으며, K-계수는 오차가 5% 보다 작아 본래 토크 컨버터의 값과 잘 일치하였다(2).
- 앞장에서 언급한 실험 장치를 통해 토크 컨버터 유로에서 일어나는 유동장을 가시화 하였다. 유로의 주 유동방향에 따른 유동특성의 변화에 주안점을 맞춰 유동의 정량적인 패턴을 관찰하였다.
- 앞장에서 언급한 실험 장치를 통해 토크 컨버터 유로에서 일어나는 유동장을 가시화 하였다. 유로의 주 유동방향에 따른 유동특성의 변화에 주안점을 맞춰 유동의 정량적인 패턴을 관찰하였다. 측정단면은 지면 오른쪽의 압력면(pressure side)에서 왼쪽의 흡입면(suction side) 방향으로 회전한다.
- 직류모터와 동력계의 속도는 분리된 제어장치를 사용하여 실험조건에 따라 각각 조절하였다. 임펠러와 터빈 그리고 정익 축에는 스트레인게이지(strain gauge)를 각각 설치하여 실시간으로 토크를 기록하였다.
- 관측창은 양산되는 동일한 모델의 승용차용 토크 컨버터 2개를 부분적으로 가공한 후 각각 설치하였다. 정면 관측창은 중간영역의 유동장 측정을 위하여 사용하였으며, 측면 관측창은 임펠러 유로의 출구영역과 출구에서 터빈 방향의 유동을 측정하기 위하여 사용하였다. 관측창의 내부 표면은 토크 컨버터의 형상과 동일하게 정밀 가공하여 관측창의 설치가 내부 유동에 영향을 미치지 않도록 하였다.
- 유니버설 동력계는 피동축에 연결된 터빈을 5000 rpm까지 구동할 수 있다. 직류모터와 동력계의 속도는 분리된 제어장치를 사용하여 실험조건에 따라 각각 조절하였다. 임펠러와 터빈 그리고 정익 축에는 스트레인게이지(strain gauge)를 각각 설치하여 실시간으로 토크를 기록하였다.
대상 데이터
- 4를 유지하도록 633 rpm으로 하였다. 변속기오일의 온도는 실제 승용차 운전조건과 동일하게 유지하기 위하여 수냉식으로 작동되는 온도 제어장치를 제작하여 사용하였다. 또한 임펠러와 터빈축의 양 끝에는 앵글 인코더(angle encoder)를 설치하여 토크 컨버터 운전 중에 위치를 알 수 있었다.
- 사용된 산란입자는 플라스틱 재질로서 표면이 금속코팅(metallic coated)된 지름 9 µm크기의 입자이다(1).
- 실험 장치는 Fig. 1과 같이 토크 컨버터 설치대, 대판(bedplate), 40 kW 직류모터와 40 kW 유니버설동력계(universal dynamometer)로 구성하였다. 토크 컨버터는 직류모터로 구동하였으며, 유니버설 동력계는 부하조건을 위하여 사용하였다.
- 5 mm(측정단면 3)와 1 mm(측정단면 4) 위치에 있는 출구영역과, 임펠러 유로의 출구에서 터빈 방향으로 1 mm(측정단면 5) 위치에 있는 사이영역의 LDV 측정은 측면 관측창을 통해 각각 실시하였다. 유동분포의 특성과 변화를 효과적으로 분석하기 위하여 측정단면 1에서는 504곳, 측정단면 2에서는 544곳, 측정단면 3에서는 247곳, 측정단면 4에서는 286곳, 측정단면 5에서는 520곳에서 속도계측을 하였다. 측정단면의 위치는 Fig.
- LDV측정은 5개의 서로 다른 각각의 측정단면에서 실시하였다. 측정단면은 임펠러 유로의 주 유동방향 중심선에 수직한 단면이다. 충간영역에 있는 측정단면 1과 2의 LDV 측정은 정면 관측창을 통하여 이루어졌다.
이론/모형
- 레이저 유속계는 4 W Ar-Ion 레이저와 TSI 제품의 렌즈, 프리즘, 신호 처리장치(digital burst correlator, IFA750), Bragg-cell frequency shifter, 이송장치 그리고 데이터 취득을 위한 컴퓨터 등으로 구성하였다. 측정은 관측장을 통하여 이루어지므로 Fig. 2와 같은구조의 4-빔(beam) 광섬유프로브(fiberoptic probe)를 이용한 후 방산란(back scattering) 방법을 채택하여 실시하였다. 사용된 산란입자는 플라스틱 재질로서 표면이 금속코팅(metallic coated)된 지름 9 µm크기의 입자이다(1).
성능/효과
- 1) 속도비 0.4에서 행한 본 연구에서는 유동 박리와 재순환유동이 임펠러 유로의 중간영역인 측정단면 1과 측정단면 2에서 발생하지 않았다. 즉, 속도비 0.
- 2) 유동패턴을 측정단면 1부터 5까지 진행방향에 따라 관찰해 보면 임펠러 유로의 높은 속도분포는 중간 영역인 측정단면 1에서는 흡입면을 따라 균일하게 분포하다가 측정단면 2에서는 흡입면/슈라우드 쪽으로 치우치는 경향을 보이며, 출구영역에서는 압력면/슈라우드 코너 쪽으로 이동하면서 유체가 방출되는 것을 알 수 있다. 이처럼 유동단면을 통과하는 유량의 속도분포는 균등하지 않고 속도비와 위치에 따라 변화한다.
- 3) 측정단면 3과 4의 유동장 특징은 유로의 반지름 방향을 따라 쉘 근처에서 전단층(shear layer)이 발생하는 것이고, 측정단면 5에서 관찰되는 쉘 근처 영역의 역류현상이 임펠러 유로 출구로부터 멀리 떨어져 있는 내부까지 영향을 미치는 것을 볼 수 있다. 이러한 현상은 속도비 0.
- 음의 유동영역은 쉘 표면을 따라 형성되며, 벽면 중간부분애서 -2 m/s의 최소값이 관찰된다. 관찰되는 쉘 표면 바로 밑의 역류현상은 임펠러 유로 출구부터 상당한 거리까지 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 은 토크 컨버터의 임펠러 유로 유동장에 대한 실험적 고찰을 통해 임펠러 유로의 설계에 내부 유동장 특성을 고려해야 한다는 점을 확인하였고, 특정 단면에 발생하는 재순환유동과 역류를 가시화하였다. 임펠러 유로의 최적화를 통하여 내부 유동장을 개선함으로써 토크 컨버터의 성능 및 효율을 향상시킬 수 있음을 전망하였다. Yoo 등(2,3)은 LDV를 이용한 실험적 해석 방법에 의해 토크 컨버터의 속도비가 유동장에 미치는 영향을 분석하여 임펠러 유로의 특정영역에서 발생하는 재순환유동은 질량 유동율과 관계있는 것을 확인하였다.
- 순환 변속기오일의 압력, 온도, 유동율과 각 축의 토크를 기록하여 자동변속기가 장착된 차량의 성능을 대표하는 성능지수인 K-계수와 효율을 구한 후 서로 비교하였다. 터빈의 회전속도 최대편차는 6% 보다 작았으며, K-계수는 오차가 5% 보다 작아 본래 토크 컨버터의 값과 잘 일치하였다(2).
후속연구
- 지금까지 국내의 연구는 대부분 수치해석에 의존하는 방법으로 토크 컨버터에 관한 기술을 축적시켜 왔기 때문에 토크 컨버터 내부의 국지적인 부분의 유동특성과 전체적인 성능특성을 연결하는 분석기술이 충분하지 못한 단점이 있어왔다. 본 연구를 통해 얻어질 자료는 이 단점을 보충하는데 일조할 것으로 기대된다. 특히 본 연구를 통해 토크 컨버터의 여러 유동특성 중 임펠러 유로의 주 유동방향에 대한 실험적인 자료를 시각적 관점에서 보여주고 정량적 해석을 통해 속도비가 토크 컨버터의 내부 유동장에 미치는 영향을 분석하였다.
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