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문제 정의
- 본 연구에서는 덕트 팬 타입의 로터 시스템에 대해 정지비행 시 회전수 및 피치각에 따른 동특성 해석을 수행하였다. 그리고 동특성 검증용 축소형 시험장치를 구성하여 모델링 절차 및 해석 방법의 적절성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 덕트 팬의 회전 시 동특성에 관한 연구를 수행하였다. 덕트 팬의 해석 물성치를 확보하기 위해 단면 모델링을 수행하였고, 비회전 고유진동수를 측정하여 입력된 물성을 평가하였다.
제안 방법
- 덕트 팬의 해석 물성치를 확보하기 위해 단면 모델링을 수행하였고, 비회전 고유진동수를 측정하여 입력된 물성을 평가하였다. 그리고 지상기능시험 및 회전 시험을 통해 제안된 덕트 팬 시험장치의 동특성을 확인하였다.
- Abaqus-VABS 코드[4]를 이용하여 제안된 블레이드의 단면 모델링을 수행하였으며, 물성치를 계산하였다. 단면 모델링 시 사용된 요소의 크기는 복합재료의 층 두께를 고려하여 약 0.25 mm 로 설정하였으며 2차 삼각형/사각형 요소로 모델링하였다. 제안된 블레이드는 각 구간마다 블레이드의 단면 정보가 다르므로, 적절히 구간을 분할하여 단면 물성을 계산하였다.
- 덕트 팬에 대한 동특성 검증을 위해 아래와 같은 축소형 회전 시험장치를 제안하였다. 총 6개의 블레이드로 구성되어 있으며 피치 각 제어가 가능하도록 하였다.
- 본 연구에서는 덕트 팬의 회전 시 동특성에 관한 연구를 수행하였다. 덕트 팬의 해석 물성치를 확보하기 위해 단면 모델링을 수행하였고, 비회전 고유진동수를 측정하여 입력된 물성을 평가하였다. 그리고 지상기능시험 및 회전 시험을 통해 제안된 덕트 팬 시험장치의 동특성을 확인하였다.
- 아울러 많은 블레이드 숫자로 인해 팬 회전 시 조화 가진에 의한 신호가 복잡하게 발생하게 되어, 가진기 응답신호 만을 선별하여 감쇠비만을 추출하는 데는 한계가 있다. 따라서 감쇠비는 해석적으로만 검토하였다. 회전 시 플랩모드는 피치각에 대비하여 충분한 감쇠비를 가지고 있으나, 래그모드와 비틀림 모드는 상대적으로 낮은 감쇠비를 나타낸다.
- 즉, 고강성으로 제작되어야 하는 요구조건에 따라 블레이드 자체의 고유진동수가 크게 형성된다. 따라서 회전수에 따른 변화량이 크지 않는 특성을 가짐을 해석 및 시험을 통해 확인하였다.
- 다만, 실속영역에 의한 추력 저하 효과를 적절히 모델링 할 수 없다는 한계가 있다. 본 연구에서는 얻어진 양력 계수 값을 블레이드에 입력하여 공탄성 해석을 수행하였다.
- 25배까지 수행하였으나 시험은 안전상의 이유로 정상회전수 근처까지만 수행하였다. 블레이드의 고유모드는 회전에 의해 발생하는 원심력이 강성증가의 효과를 일으키므로, 회전수에 따라 증가하는 것이 일반적이나, 제안된 덕트 팬 블레이드는 낮은 세장비 및 높은 강성으로 인해 회전에 따른 주파수의 증가량이 두드러지지 않는다. 해석 결과에서는 운용 회전수 근처에서 블레이드의 각 모드가 N·n/rev 성분과 이격되어 있어 진동증가의 영향이 적을 것으로 보이나, 측정치의 추이를 볼 때 래그 모드에 대한 영향에 주의할 필요가 있을 것으로 생각된다.
- 6와 같이 구현하였다. 블레이드의 팁 쪽으로 갈수록 공력 패널의 크기가 점차 줄어들도록 모델링하였다. 블레이드에 사용된 구조요소는 탄성 보(elastic beam) 모델을 적용하였으며, 앞서 허브 형상에서 보는 바와 같이 플랩과 래그 힌지가 없고 피치 각에 의해 제어되므로, 플랩 및 래그 방향의 자유도는 구속되어 있고 피치 자유도만 풀려있으나 피치 강성에 의해 블레이드의 비틀림 모드가 결정된다.
- 블레이드의 그립부분은 메탈 인서트로 체결이 되어 있으며, 피치 링크를 통해 콜렉티브 피치각 제어를 한다. 시험장치에 들어가는 각 구성품은 회전수와 블레이드의 무게를 고려하여 정적해석을 수행하여 충분한 마진을 가지도록 설계하였다.
- 우선 제안된 덕트 팬 로터 시스템에 대하여, 팬만 존재할 때의 동특성 해석을 수행하였다. Fig.
- 로터의 회전 시 추력 성능을 고려하여 NACA 0012의 대칭형 에어포일을 선정하였다. 전체적인 블레이드 형상을 볼 때, 끝단으로 갈수록 코드길이가 감소하는 형상이며, 공력 성능을 위해 비선형 비틀림 각이 적용되었다. 블레이드의 단면은 카본 기반 복합재료 적층 구조 및 저밀도 폼 코어로 구성되어 있으며, 외피(skin) 구조는 카본 직물 복합재료를 적층하였다.
- 고유 진동수 결과에서 각 값들은 5% 내의 오차로 유사하게 나타남을 확인하였으며, 이는 해석모델의 구성 및 물성치의 입력 등이 적절하게 되었음을 판단할 수 있는 기준이 된다. 제안된 덕트 팬 블레이드는 길이가 짧고, 덕트와 블레이드간 gap 최소화 및 회전 시 원심력에 의한 서로 간의 간섭이 없도록 하는 요구조건에 의해 고강성으로 제작되었다. 이로 인해 1차 고유 진동수가 높은 주파수에서 형성됨을 확인할 수 있다.
- 제안된 덕트 팬 설계 정보를 바탕으로 Fig. 8과 같이 검증용 덕트 팬 시험장치를 제작하였다. 복합재료로 제작된 블레이드와 덕트 사이의 간격은 직경 대비 0.
- 제안된 로터 시스템의 공탄성학적 안정성을 분석하기 위해 기준 회전수에서 블레이드 각 모드의 피치각에 따른 감쇠비를 확인하였다. 블레이드의 감쇠비는 동특성 시험에서도 측정하는 것을 고려해 볼 수 있으나, 본 연구 대상인 덕트팬 블레이드는 세장비가 낮고 강성이 높아, 가진기 입력에 의한 응답이 매우 작다는 문제점이 있다.
- 25 mm 로 설정하였으며 2차 삼각형/사각형 요소로 모델링하였다. 제안된 블레이드는 각 구간마다 블레이드의 단면 정보가 다르므로, 적절히 구간을 분할하여 단면 물성을 계산하였다.
- 제작된 팬 블레이드를 제안된 허브구조에 장착 후가진하여 비회전 고유진동수를 측정하였다. 구축된 해석 모델에서 시뮬레이션을 통해 계산된 값과 비교하여 Table 2에 표기하였다.
- 5D 이상 떨어져 있어 지면효과는 나타나지 않을 것으로 판단하였다. 콜렉티브 피치 조절이 가능하고, 동특성 시험을 위한 가진은 유압 가진기를 이용하여 수행하였다.
- 비회전 모달 특성에서 플랩과 래그의 경우 별도의 파라미터 변경 없이 유사하게 나타났으나, 비틀림 모드의 경우 피치 강성을 조절하여 보정하였다. 피치각 5 deg에서 25deg 까지 10 deg 간격으로 측정 및 해석이 수행되었다. 고유 진동수 결과에서 각 값들은 5% 내의 오차로 유사하게 나타남을 확인하였으며, 이는 해석모델의 구성 및 물성치의 입력 등이 적절하게 되었음을 판단할 수 있는 기준이 된다.
- 회전하는 블레이드는 공력을 받게 되므로, 이를 위해 단면 형상인 NACA 0012 에어포일에 대하여 마하수 및 피치각에 대한 공력 계수 테이블을 생성하여CAMRADII의 입력파일로 사용하였다.
대상 데이터
- 1과 같이 제안하였다. 로터의 회전 시 추력 성능을 고려하여 NACA 0012의 대칭형 에어포일을 선정하였다. 전체적인 블레이드 형상을 볼 때, 끝단으로 갈수록 코드길이가 감소하는 형상이며, 공력 성능을 위해 비선형 비틀림 각이 적용되었다.
데이터처리
- 블레이드의 단면은 카본 기반 복합재료 적층 구조 및 저밀도 폼 코어로 구성되어 있으며, 외피(skin) 구조는 카본 직물 복합재료를 적층하였다. Abaqus-VABS 코드[4]를 이용하여 제안된 블레이드의 단면 모델링을 수행하였으며, 물성치를 계산하였다. 단면 모델링 시 사용된 요소의 크기는 복합재료의 층 두께를 고려하여 약 0.
이론/모형
- 블레이드의 팁 쪽으로 갈수록 공력 패널의 크기가 점차 줄어들도록 모델링하였다. 블레이드에 사용된 구조요소는 탄성 보(elastic beam) 모델을 적용하였으며, 앞서 허브 형상에서 보는 바와 같이 플랩과 래그 힌지가 없고 피치 각에 의해 제어되므로, 플랩 및 래그 방향의 자유도는 구속되어 있고 피치 자유도만 풀려있으나 피치 강성에 의해 블레이드의 비틀림 모드가 결정된다.
- 언급된 정보를 바탕으로 CAMRADII [5]를 이용하여 팬 해석 모델을 Fig. 6와 같이 구현하였다. 블레이드의 팁 쪽으로 갈수록 공력 패널의 크기가 점차 줄어들도록 모델링하였다.
성능/효과
- 피치각 5 deg에서 25deg 까지 10 deg 간격으로 측정 및 해석이 수행되었다. 고유 진동수 결과에서 각 값들은 5% 내의 오차로 유사하게 나타남을 확인하였으며, 이는 해석모델의 구성 및 물성치의 입력 등이 적절하게 되었음을 판단할 수 있는 기준이 된다. 제안된 덕트 팬 블레이드는 길이가 짧고, 덕트와 블레이드간 gap 최소화 및 회전 시 원심력에 의한 서로 간의 간섭이 없도록 하는 요구조건에 의해 고강성으로 제작되었다.
- 본 연구에서는 덕트 팬 타입의 로터 시스템에 대해 정지비행 시 회전수 및 피치각에 따른 동특성 해석을 수행하였다. 그리고 동특성 검증용 축소형 시험장치를 구성하여 모델링 절차 및 해석 방법의 적절성을 검증하였다. 동특성 시험을 수행하여 해석 값과 유사하게 나타남을 확인하였으며, 제안된 덕트 팬 시험장치에서 운용범위 내에서 공탄성학적 불안정성이 적음을 확인하였다.
- 플랩 모드의 경우, 25deg까지 감쇠비가 점진적으로 증가하다가 25deg 이후 감소하는 경향을 보이고 있다. 다만 설계된 운용 범위 40 deg 까지 감쇠비의 음수항이 나타나지 않으므로, 제안된 로터 시스템은 운용범위 내에서 공탄성적으로 안정한 것으로 해석 되었다. 또한 덕트의 유무에 따라, 래그와 비틀림의 감쇠비는 크게 영향이 없으며, 플랩의 경우 덕트 공기력을 고려하였을 때 다소 안정성이 증가하는 것으로 나타났다.
- 그리고 동특성 검증용 축소형 시험장치를 구성하여 모델링 절차 및 해석 방법의 적절성을 검증하였다. 동특성 시험을 수행하여 해석 값과 유사하게 나타남을 확인하였으며, 제안된 덕트 팬 시험장치에서 운용범위 내에서 공탄성학적 불안정성이 적음을 확인하였다.
- 다만 설계된 운용 범위 40 deg 까지 감쇠비의 음수항이 나타나지 않으므로, 제안된 로터 시스템은 운용범위 내에서 공탄성적으로 안정한 것으로 해석 되었다. 또한 덕트의 유무에 따라, 래그와 비틀림의 감쇠비는 크게 영향이 없으며, 플랩의 경우 덕트 공기력을 고려하였을 때 다소 안정성이 증가하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 본 연구는 덕트 팬을 활용한 수직이착륙기의 진동 저감 설계에서 기초 데이터가 될 것이라 판단된다.
- 제안된 로터 시스템의 공탄성학적 안정성을 분석하기 위해 기준 회전수에서 블레이드 각 모드의 피치각에 따른 감쇠비를 확인하였다. 블레이드의 감쇠비는 동특성 시험에서도 측정하는 것을 고려해 볼 수 있으나, 본 연구 대상인 덕트팬 블레이드는 세장비가 낮고 강성이 높아, 가진기 입력에 의한 응답이 매우 작다는 문제점이 있다. 아울러 많은 블레이드 숫자로 인해 팬 회전 시 조화 가진에 의한 신호가 복잡하게 발생하게 되어, 가진기 응답신호 만을 선별하여 감쇠비만을 추출하는 데는 한계가 있다.
- 해석 결과에서는 운용 회전수 근처에서 블레이드의 각 모드가 N·n/rev 성분과 이격되어 있어 진동증가의 영향이 적을 것으로 보이나, 측정치의 추이를 볼 때 래그 모드에 대한 영향에 주의할 필요가 있을 것으로 생각된다.
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