[논문]항공기의 도어 댐퍼용 교축 오리피스의 설계

권용철; 김종혁; 홍예선; 김상범

doi:10.7839/ksfc.2012.9.3.023

항공기의 도어 댐퍼용 교축 오리피스의 설계
Design of Throttle Orifices for an Aircraft Door Damper 원문보기

유공압건설기계학회지 = Journal of the Korean Society for Fluid Power and Construction Equipments, v.9 no.3, 2012년, pp.23 - 28

권용철 (한국항공대학교 대학원 항공우주 및 기계공학부) , 김종혁 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 홍예선 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 김상범 ((주)한화 기계항공사업본부 항공우주)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study the flow rate-to-pressure difference characteristics of short-tube type damping orifices for an aircraft door damper were investigated by CFD analyses and experiments. As the design parameters of the damping orifice its diameter, inlet and outlet angle, tube length and the viscosity of the working fluid were taken into consideration. The results showed that the discharge coefficient of the orifices are dependant on the inlet and outlet angle and the oil viscosity, while their length plays an little significant role. Although the short-tube type damping orifice was employed to induce a turbulent flow, their discharge coefficient decreases rapidly as the oil viscosity gets higher than 50mm2/s. Therefore, in order to determine the orifice size, satisfying the working temperature range of the door damper, the oil viscosity as well as the friction force on the damper piston should be kept within proper values. For the verification of the CFD analysis results the actual performance of a door damper was measured and compared with them.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 상용 제품으로서 호환이 용이한 단관(short tube)형 교축 오리피스를 댐퍼에 적용하여 그 형상에 따라서 유량-압력차 특성이 오일의 점도에 의해 얼마나 변하는 지를 수치해석 프로그램으로 분석하였다. 이 결과를 근거로 댐핑 오리피스의 크기를 기준으로 허용 온도 조건을 만족시키는 마찰력과 오일 점도 범위를 추정하였다.

가설 설정

만일 댐퍼 오일의 최소 점도를 5mm²/s, 최대 점도를 400mm²/s으로 가정하고[5], Fig. 2의 설계 조건을 고려하여 레이놀즈수의 범위를 대략적으로 계산하면 최하 10에서 최고 3,800이다. Fig.
미지수 중에서 오리피스의 유량계수=0.6, 피스톤 마찰력=100N～150N으로 가정하고, 피스톤 직경=50mm, 로드 직경=16mm, 피스톤 행정=114mm, 오일의 비중 s=0.87, 동점성계수 ν=26 mm2/s(25℃, VG15), 오리피스의 수=2로 선정하였을 때 Fig. 2의 설계 기준을 만족시키는 오리피스의 직경 d는 대략 1.1mm에서 1.5mm의 범위 안에 있는 것으로 추정할 수 있다.
상온에서의 오일 점도를 26mm2/s로 가정하고, Fig. 2의 설계 조건을 고려하여 경사각이 90°인 오리피스의 레이놀즈수와 유량계수를 계산하면 최저 속도 5.7mm/s에서의 레이놀즈수는 170∼210이고 이때의 유량계수는 약 0.74, 최대속도 19.8mm/s에서의 레이놀즈수는 610∼720이고 이때의 유량계수는 0.78이다.

제안 방법

CFD 해석 결과가 얼마나 정확한지를 확인하기 위해 본 논문에서는 실제 댐핑 오리피스에서의 유량-압력차를 측정하였으며 Fig. 8은 실험장치의 구성을 보여준다. 댐퍼의 피스톤을 고정한 상태에서 피스톤에 내장된 댐핑 오리피스로 공급되는 유량을 조절하기 위해 교축밸브를 사용하였고, 오리피스를 통과한 실제 유량을 유량 센서로 측정하였다.
8은 실험장치의 구성을 보여준다. 댐퍼의 피스톤을 고정한 상태에서 피스톤에 내장된 댐핑 오리피스로 공급되는 유량을 조절하기 위해 교축밸브를 사용하였고, 오리피스를 통과한 실제 유량을 유량 센서로 측정하였다. 오리피스 입구와 출구의 압력차를 측정하기 위해 각 포트에 압력센서를 설치하였다.
댐퍼의 피스톤을 고정한 상태에서 피스톤에 내장된 댐핑 오리피스로 공급되는 유량을 조절하기 위해 교축밸브를 사용하였고, 오리피스를 통과한 실제 유량을 유량 센서로 측정하였다. 오리피스 입구와 출구의 압력차를 측정하기 위해 각 포트에 압력센서를 설치하였다.
본 논문에서는 상용 제품으로서 호환이 용이한 단관(short tube)형 교축 오리피스를 댐퍼에 적용하여 그 형상에 따라서 유량-압력차 특성이 오일의 점도에 의해 얼마나 변하는 지를 수치해석 프로그램으로 분석하였다. 이 결과를 근거로 댐핑 오리피스의 크기를 기준으로 허용 온도 조건을 만족시키는 마찰력과 오일 점도 범위를 추정하였다. 이러한 추정 결과의 타당성을 검증하기 위해 유량-압력차 특성의 계산 결과를 바탕으로 예측한 댐퍼의 감쇠력-속도 특성을 실험에서 측정한 결과와 비교하였다.

대상 데이터

오리피스의 길이가 짧을수록 점성마찰이 감소하여 유량이 미세하게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 오리피스 길이를 0.54mm로 선정하였다.

데이터처리

이 결과를 근거로 댐핑 오리피스의 크기를 기준으로 허용 온도 조건을 만족시키는 마찰력과 오일 점도 범위를 추정하였다. 이러한 추정 결과의 타당성을 검증하기 위해 유량-압력차 특성의 계산 결과를 바탕으로 예측한 댐퍼의 감쇠력-속도 특성을 실험에서 측정한 결과와 비교하였다.

성능/효과

항공기용 도어 댐퍼의 특성은 피스톤의 마찰력, 댐핑 오리피스의 형상, 오일의 점도에 의해 결정된다. 본 논문에서는 CFD 해석을 통해서 댐핑 오리피스의 형상, 오일의 점도가 유량-압력차 특성에 미치는 영향을 분석하였는데, 난류를 형성하는 단관 형태의 댐핑 오리피스를 사용하여도 오일의 점도가 400mm²/s 이상이 되면 레이놀즈수가 20이하로 낮아져 오리피스의 유량계수가 약 50% 감소하는 것으로 나타났다.
이 현상은 경사각이 45°일 때에도 동일하게 나타난다. 오리피스의 길이가 짧을수록 점성마찰이 감소하여 유량이 미세하게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 오리피스 길이를 0.
따라서 댐퍼의 작동온도 조건에 대한 설계 목표를 만족시키려면 오일의 최대 점도, 피스톤의 마찰력을 고려하여 댐핑 오리피스를 설계해야 한다. 오리피스의 설계 기준으로 사용된 CFD 해석 결과의 정확도를 검증하기 위해서 실제 댐퍼의 기본 특성을 측정하여 계산치와 비교한 결과 서로 잘 일치하였다.

후속연구

본 연구에서는 댐핑 오리피스로서 단관 형태의 오리피스를 설계하여 설계 기준을 만족시킬 수 있었으나, 향후 날카로운 모서리를 가진 오리피스(sharp-edged orifice)를 적용하여 오일 점도의 영향을 거의 받지 않는 댐핑 오리피스의 설계를 추진할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항공기용 도어 댐퍼의 비상 작동은 무엇을 이용하여 구현하는가?	항공기용 도어 댐퍼(door damper)는 정상 조건에서는 일반 도어 댐퍼와 유사한 기능을 발휘하면서 비상시에는 자체 동력으로 일정 시간 안에 출구를 개방하는 기능을 갖는다. 이 비상 작동은 일회에 한정되므로 압축 가스 등을 이용하여 구현할 수 있다.
	항공기용 도어 댐퍼의 기능은?	항공기용 도어 댐퍼(door damper)는 정상 조건에서는 일반 도어 댐퍼와 유사한 기능을 발휘하면서 비상시에는 자체 동력으로 일정 시간 안에 출구를 개방하는 기능을 갖는다. 이 비상 작동은 일회에 한정되므로 압축 가스 등을 이용하여 구현할 수 있다.
	도어 댐퍼의 감쇠력은 무엇에 의해 결정되는가?	도어 댐퍼의 감쇠력은 댐핑 오리피스의 유량변화에 따른 압력차이 특성(이하 ‘유량-압력차 특성’)에 의해 결정된다. 여기서, 도어 댐퍼에 사용되는 오일의 점도는 온도의 영향을 받으므로 넓은 작동 온도 범위를 만족시키는 도어 댐퍼를 설계하려면 기본적으로 오일의 점도에 의해 압력 손실이 크게 변하지 않는 오리피스의 형상을 설계하는 것이 중요하다.

참고문헌 (6)

Galal Rabie, Fluid Power Engineering, McGraw, pp.20-150, 2007.
윤소남, 정황훈, 서정균, 함용범 "드레인 오리피스 를 갖는 포펫 밸브의 상대 안정도에 관한 연구", 유공압건설기계학회춘계학술회지, pp.12-17, 2010.
Rui Cao, Yansheng Liu, Chaoyu Yan, "A criterion for flow mechanisms through vertical sharp-edged orifice and model for the orifice discharge coefficient", Petroleum Science Volume 8, Number 1 108-113 ISSN 1672-5107, pp.108-113, 2011.

상세보기
신병수, 김남석, 이상규, 배용범, 금오현, "오리피스 유량계의 입구 속도 분포에 따른 유량 계측 왜곡 특성", 한국전산유체공학회춘계학술회지, pp.596- 600, 2011.
George, E. Totten, Handbook of Hydraulic fluid technology, 3th Ed., John Wiley & Sons Inc., pp.305-338, 1992
The Lee company, Technical hydraulic handbook, Release 10.3, pp.B-22-B-23, 2006

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