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차세대 터보프롭 항공기용 최신 프로펠러 블레이드 연구 -Part I. 공력 설계 및 해석

The Study of Advanced Propeller Blade for Next Generation Turboprop Aircraft -Part I. Aerodynamic Design and Analysis

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.40 no.12, 2012년, pp.1017 - 1024  

최원 (Korea Aerospace Industries, LTD.)

초록
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깃끝단 후퇴각을 가지는 최신 터보프롭 항공기의 프로펠러 블레이드에 대한 공력설계 및 해석을 수행하였다. 프로펠러 형상 설계를 위한 익형은 HS1 계열을 적용하였다. 와류-깃요소 이론(Vortex-Blade element theory)을 기반으로 하고 최소에너지 손실 조건을 만족하는 Adkins의 방법을 적용하여 Conventional 프로펠러 블레이드에 대한 공력설계 및 성능해석을 하였다. 목표 항공기의 설계점에서 코드 길이와 피치각을 변경해 가며 프로펠러 형상을 생성하였다. Conventional 프로펠러 블레이드 형상 정보를 기반으로 코드 길이, 깃끝단 후퇴각을 수정 적용하여 최신 프로펠러를 설계하였다. 전산유체역학을 이용한 설계된 최신 프로펠러 공력특성 분석을 통하여 최신 프로펠러가 적절하게 설계되었음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The aerodynamic design and analysis on advanced propeller with blade sweep was performed for recent turboprop aircraft. HS1 airfoil series are selected as a advanced propeller blade airfoil. Adkins method is used for aerodynamic design and performance analysis with respect to the design point. Adkin...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 고효율, 저소음의 친환경 요소를 만족하는 최신 프로펠러에 대한 공력설계 및 전산유체역학을 이용하여 설계점과 탈설계점에서의 공력특성을 해석하였다. 와류-깃요소 이론과 패널법에 근거한 설계 방법은 한계점이 있기 때문에 전산유체역학을 이용한 확인은 필수적이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
아음속 영역에서 유리한 항공기 추진기관은? 현재의 중거리 승객 수송용 터보프롭 민항기들은 80석, 최대이륙중량 65,000lb 급으로 운용되고 있다. 아음속 영역에서는 왕복엔진, 터보프롭엔진을 이용한 프로펠러 추진기관이 유리하고 고속영역에서는 제트추진 가스터빈 기관이 유리하다. 터보프롭 항공기에 장착되는 터보프롭 엔진은 기관 출력에 대한 감속장치의 크기, 무게, 장착위치 등의 한계로 큰 출력을 얻기 어렵고, 공기 저항을 작게 하는데 한계가 있으며, 프로펠러의 회전 속도 때문에 항공기의 최대속도에 한계가 있는 문제점으로 인해 장거리 승객 수송용 항공기는 터보팬 엔진 항공기가 사용된다.
와류-깃요소 이론(Vortex-Blade element theory)을 기반으로하고 Xfoil을 사용하는 공력해석법의 한계는? 참고문헌[8,9,10]에서 프로펠러 공력 설계에 적용된 방법은 와류-깃요소 이론(Vortex-Blade element theory)을 기반으로 하고 최소에너지 손실 조건을 만족하는 Adkins의 방법을 적용하였으며 공력해석에는 Xfoil을 사용하였다. 그러나 이 방법은 고속비행에 사용되는 최신 프로펠러 공력설계 프로세스로 적용하기에는 한계가 있다. Xfoil을 이용한 해석 결과는 실속 이후의 결과에 대한 낮은 신뢰도와 비압축성 영역에서의 계산이 기본이기 때문에 압축성 효과가 나타나는 영역에서의 적용은 어렵다. 또한, 와류-깃요소 이론의 경우 기본적 이론의 단순성으로 인하여 블레이드 루트부분과 팁 부분의 복잡한 형상 적용은 불가능하다. 이와 같은 문제로 인하여 본 연구에서는 최신 프로펠러 공력 설계을 위해 이러한 방법을 직접 적용하는 대신 Adkins의 방법을 적용하여 설계점에서 Conventional 프로펠러 블레이드에 대한 공력특성과 형상을 도출하고 엔진 및 프로펠러 제조업체 및 웹 사이트와 최신 프로펠러 관련 논문들에서 입수한 정보들을 바탕으로 Conventional 프로펠러 블레이드 형상을 최신 프로펠러 형상으로 수정하였다.
터보프롭 엔진이 큰 출력을 얻기 힘든 이유는? 아음속 영역에서는 왕복엔진, 터보프롭엔진을 이용한 프로펠러 추진기관이 유리하고 고속영역에서는 제트추진 가스터빈 기관이 유리하다. 터보프롭 항공기에 장착되는 터보프롭 엔진은 기관 출력에 대한 감속장치의 크기, 무게, 장착위치 등의 한계로 큰 출력을 얻기 어렵고, 공기 저항을 작게 하는데 한계가 있으며, 프로펠러의 회전 속도 때문에 항공기의 최대속도에 한계가 있는 문제점으로 인해 장거리 승객 수송용 항공기는 터보팬 엔진 항공기가 사용된다. 최근 유가 상승 및 친환경문제로 인해 터보팬 항공기에 비해 아음속 영역에서 추진효율이 더 높은 터보프롭 항공기가 재 관심을 받고 있다.
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참고문헌 (14)

  1. W. Choi, J. H. Kim, 2011. 11, "Aerodynamic Analysis on Advanced Propeller Blade for Turboprop Aircraft", Proceeding of the 2011 KSAS Fall Conference. 

  2. Ranson, Lori., 2011, "FARNBOROUGH: Bombardier noncommittal on timing of Q400X". Flightglobal. Retrieved 8 December 2011. 

  3. Colman Shattuck, Jon Young., 1993, "Modern Propeller Technology for Advanced Turboprop Aircraft", AIAA/SAE/ASME/ASEE 20th Joint Propulsion Conference and Exhibit. 

  4. F.B. Metzger and C. Rohrbach, 1984, "Benefits of Blade Sweep for Advanced Turboprops", Hamilton Stamlard, AIAA/SAE/ASME/ASEE 21st Joint Propulsion Conference. 

  5. Rolland G. Dalgneault and Donald G. Hall, 1982, "Advanced Propeller Technology for New Commuter Aircraft", Commuter Aircraft and Airline Operations Meeting. 

  6. Jan Roskam, "AIRPLANE AERODYNAMICS AND PERFORMANCE", DARcorporation, 2008 

  7. R.M. Bass and D.G.M. Davis, 1985, "A Review of Some Recent U.K. Propeller Developments", AIAA/SAE/ASME/ASEE 21st Joint Propulsion Conference. 

  8. Lee, K.H, Jeon, Y.H, Bae, E.S, Lee, D.H, Lee, K.T, 2004, "Implementation of the Numerical Optimization for the Micro-Air Vehicle Propeller," 10th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis and Optimization Conference, Albany, New York. 

  9. Adkins, Charles N., Liebeck, Robert H, 1983, "Design of Optimum Propellers," American Institute of Aeronautices and Astronautics. 

  10. June-Mo Kim, Sejong Oh, 1999, "Aerodynamic Optimal Design for Wind Turbine Blades and Its Wind Tunnel Tests", Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 27, No. 6, pp. 21-29. 

  11. Elliott. G. Reid, 1943, "Studies of Blade Shank Form and Pitch Distribution for Constant-Speed Propellers", National Advisory Committee For Aeronautics Technical Note, No. 947. 

  12. W. Choi, J. H. Kim, 2011. 5, "CFD Analysis of Aerodynamic Characteristics of Regional Turboprop Aircraft Propeller", Proceeding of the 2011 KSCFE Spring Conference, pp. 447-452. 

  13. J.A. Lieser, D. Lohmann, C.-H. Rohardt, 1997, "Aeroacoustic Design of a 6-Bladed Propeller", Aerospace Science and Technology, No.7., pp. 381-389. 

  14. R.M.A. Marretta, C. Orlando, M. Carley, , 2009, "Adaptive BEM for Low Noise Propeller Design", The Open Acoustics Journal. 

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