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문제 정의
- 본 논문은 고고도 프로펠러 성능시험 연구결과중 시험자료 정밀도 향상을 위해 수행한 연구와 시범형상 프로펠러 성능시험 결과를 수록하고 있다.
제안 방법
- RPM을 고정하고 풍속을 달리하여 여러 전진비 조건에서의 성능을 측정하였다. Fig.
- 가이드 형상별 특성시험결과에서 원통형이 가장 우수한 성능을 나타내었으므로 원통형 가이드를 시험장치에 적용하였으며, 단축 가이드가 갖는 롤링불안정성을 보완하기 위해 Fig. 1에 표기된 것과 같은 이중 원통형가이드를 시험장치에 적용하였다.
- 기계적인 동력을 측정하기 위해 프로펠러 회전축에 토크센서를 설치하였으며, 작은 추력을 정밀하게 측정하기 위해 프로펠러 및 구동부 전체를 지지하는 가이드레일 시스템을 적용하였다. 가이드레일 시스템이 갖는 마찰저항 특성 및 롤링안정성을 고려하여 2중 원통형 가이드레일 시스템을 적용하였다.
- 고고도 무인기용 프로펠러의 추력 및 토크를 측정하기 위한 시험장치를 고안하였으며, 직경 1m급 2개의 모델에 대한 성능풍동시험을 수행하였다.
- 기계적인 동력을 측정하기 위해 프로펠러 회전축에 토크센서를 설치하였으며, 작은 추력을 정밀하게 측정하기 위해 프로펠러 및 구동부 전체를 지지하는 가이드레일 시스템을 적용하였다. 가이드레일 시스템이 갖는 마찰저항 특성 및 롤링안정성을 고려하여 2중 원통형 가이드레일 시스템을 적용하였다.
- 프로펠러 뒤에 토크센서와 모터가 순서대로 배치되도록 구동부를 구성하였으며, 구동부 전체를 이중 원통형가이드 위에 설치하여 자유로운 축방향 이동이 가능하도록 설계하였다. 레일 마찰력에 의한 잔류 하중이 추력 로드셀 영점값에 미치는 영향을 개선하기 위해 구동부와 추력 로드셀을 구형 연결부를 사용하여 연결하였다. Fig.
- 로드셀에 추력 방향의 하중을 단계적으로 가하고 다시 제거하면서 센서 신호를 얻은 후, 인가중량 대비 신호의 기울기를 획득하여 교정인자(conversion factor)로 사용하였다. Fig.
- 이영빈 등은 초소형비행체 설계 및 개발의 일환으로 직경 80 mm 소형 프로펠러 추력을 측정하였다. 모형지지부에 추력센서를 부착하여 무풍상태에서 프로펠러 추력을 측정하였으며, 배터리전력소모율을 측정하여 소요파워를 추정하였다[3]. 조이상 등은 MAV용 프로펠러 개발의 일환으로 풍속 14 m/s 조건에서 직경 75 mm 프로펠러에 대한 풍동시험을 3분력 외장형저울을 사용하여 수행하였다[4].
- 반복성시험 분석 및 불확도 분석을 통해 프로펠러 성능시험에 영향을 미치는 인자들을 고찰하였다. 불확도 분석결과는 추력 로드셀의 정밀도와 시험부 풍속을 결정하는 측정인자의 정밀도가 유사한 정도로 프로펠러 성능시험에 영향을 주고있음을 나타내었다.
- 프로펠러의 회전속도를 측정하기 위해 커플링 주변에 회전판과 광센서(Autonics사의 BF4RP)를 설치하였다. 베이스와 구동모듈의 구조물은 조립 공차 및 정렬 오차를 최소화하기 위해 단일부품 정밀가공 방식으로 제작하였으며, SUS(Steel Use Stainless) 재질을 사용하여 변형을 최소화 하였다. 토크센서 및 추력센서는 Table 2와 같이 Dacell UMI와 HBM T22 모델을 사용하였다.
- 선행연구[7]에서 가이드 레일 마찰력이 축력측정 정밀도에 주요한 영향을 주는 것으로 파악되었으므로, 이를 개선하기 위해 Fig. 1과 같이 선형가이드, 원통형가이드, 볼형가이드를 설치하여 레일 마찰력 특성 시험을 수행하였다. 영점반복성 점검을 위해 축방향으로 임의의 하중을 부가/제거한 후 영점이 변화하는 값을 측정한 결과 선형가이드는 1 N, 원통형 가이드는 0.
- 시험 정밀도를 분석하기 위해 동일한 조건(867 RPM, 풍속 4~9 m/s)에서 수행된 측정결과를 비교하였다. 총 8회 수행된 반복성 시험결과는 Fig.
- 시험 정밀도에 영향을 미치는 인자들을 파악하기 위해 불확도 분석을 수행하였다. 직접 측정인자는 {동압(q), 상대습도(RH), 온도(T), 회전속도 (RPM), 힘(F)}이며, 이들로부터 중간인자 {풍속 (V), 밀도(ρ), 회전수(n)}을 거쳐 산출되는 최종인자는 전진비(J)와 추력계수(CT)이다.
- 시험장치는 선행연구[7]에서 수행된 개념인 동력축에 토크센서를 설치하여 기계적인 토크를 직접측정하고 구동부를 슬라이딩 가이드 위에 설치하여 구동부 하중영향을 최소화한 상태에서 추력을 측정하는 방식을 적용하였다.
-
2.3 추력 측정 시스템 특성 시험
시험장치의 추력 측정특성을 파악하기 위해 무게추를 이용한 센서 교정시험 및 프로펠러 구동 전후 영점분석을 수행하였다.
- 실린더가이드의 마찰력 특성이 측정신호에 미치는 영향을 파악하기 위해 36회 수행된 시험의 프로펠러 구동 전 영점과 구동 후 영점 차이를 분석하였다. Fig.
- 4와 같이 추력 로드셀은 구형연결봉과 결합하였고, 구동부는 반구형 홈이 파여져 있는 연결판과 결합하였다. 영점조건에서는 두 연결부의 접촉면을 분리하여 로드셀에 하중이 가해지지 않도록 하였으며, 추력에 의해 구동모듈이 당겨지면 연결부가 접촉되어 힘이 로드셀에 전달되도록 하였다.
- 풍속에 영향을 미치는 인자는 동압과 온도 그리고 상대습도이다. 온도와 상대습도 오차범위는 시험구간 동안 측정된 온도와 상대습도의 최대차이값 2도, 3%를 적용하였다. 온도와 상대습도 변화에 의한 밀도변화는 0.
- 정지 마찰력을 비교하기 위해 Fig. 2와 같이 가이드 레일에 무게추를 얹은 후 경사각을 조절하여 가이드가 움직이기 시작하는 각도를 측정하였다. 선형 가이드는 축방향으로 1.
- 해당 연구에서는 프로펠러의 파워 특성을 파악하기 위해 프로펠러동력 축에서 토크를 직접 측정하는 방식을 사용하고, 추력 특성을 파악하기 위해 슬라이딩 가이드를 사용하는 방식을 제안하였다. 제안된 장치의 시현가능성 및 문제점을 파악하기 위해 소형프로펠러 시험장치를 제작하여 풍속 6.5 m/s~20 m/s 조건에서 직경 600 mm급 프로펠러 성능시험을 수행하였다[7].
- 측정위치에 따른 온도영향을 보완하기 위해 시험부 입구 벽면 중심선에100Ω RTD 센서를 추가로 설치하여 자료처리에 사용하였다.
- 측정정밀도 향상을 위해 프로펠러 가동 전후에 측정한 추력신호 및 동압신호 값을 영점신호로 활용하여 자료처리에 반영하였다. 통상적으로 유동 온도는 풍동 정체실에 설치된 기준 온도센서에서 측정하나, 본 연구와 같이 5 m/s 부근의 저풍속 조건에서는 유로내 공기가 충분히 섞이지 못하여 측정위치, 특히 높이에 따라 서로 다른 온도값이 측정되었다.
- 특정 RPM 조건에서 풍속을 변경시켜가며 프로펠러의 성능을 측정하였다. 각 프로펠러 모델에 대해 5개의 서로 다른 RPM 조건을 적용하여 시험한 결과를 프로펠러 성능계수로 나타내었다.
- 풍동시험은 4 m x 3 m 단면적을 갖는 폐쇄형 시험부에서 프로펠러의 회전수를 특정조건으로 고정한 상태에서 풍속을 4 m/s에서 9 m/s로 점진적으로 증가시키며 시험을 수행하였다. 센서신호들이 안정된 상태에서 10 Hz의 주파수로 50개의 데이터를 획득하여 평균을 취한 결과를 시험자료로 활용하였다.
- Figure 9에 나타난 반복성시험자료를 활용하여 시험부 풍속 및 밀도를 결정하는 측정인자들이 시험결과에 미치는 영향을 비교하였다. 풍속 및 밀도를 계산함에 있어서 모든 측정인자들의 영향을 반영한 결과와 특정 측정인자들의 영향을 배제한 결과를 비교하여 각 측정인자가 최종결과에 미치는 영향을 분석하였다.
- 3과 같이 설계하였다. 프로펠러 뒤에 토크센서와 모터가 순서대로 배치되도록 구동부를 구성하였으며, 구동부 전체를 이중 원통형가이드 위에 설치하여 자유로운 축방향 이동이 가능하도록 설계하였다. 레일 마찰력에 의한 잔류 하중이 추력 로드셀 영점값에 미치는 영향을 개선하기 위해 구동부와 추력 로드셀을 구형 연결부를 사용하여 연결하였다.
- 고고도 무인기 운용조건에서 프로펠러의 추력 및 파워 성능을 파악하기 위한 연구가 박동훈,조태환 등에 의해 수행되었다. 해당 연구에서는 프로펠러의 파워 특성을 파악하기 위해 프로펠러동력 축에서 토크를 직접 측정하는 방식을 사용하고, 추력 특성을 파악하기 위해 슬라이딩 가이드를 사용하는 방식을 제안하였다. 제안된 장치의 시현가능성 및 문제점을 파악하기 위해 소형프로펠러 시험장치를 제작하여 풍속 6.
대상 데이터
- 풍동시험은 4 m x 3 m 단면적을 갖는 폐쇄형 시험부에서 프로펠러의 회전수를 특정조건으로 고정한 상태에서 풍속을 4 m/s에서 9 m/s로 점진적으로 증가시키며 시험을 수행하였다. 센서신호들이 안정된 상태에서 10 Hz의 주파수로 50개의 데이터를 획득하여 평균을 취한 결과를 시험자료로 활용하였다.
- 시험대상 프로펠러는 Table 1과 같이 직경 1.2 m 및 1.4 m를 갖는 2종 모델로 고고도 장기체공 임무를 수행하기 위해 설계된 프로펠러이다[8].
- 토크센서 및 추력센서는 Table 2와 같이 Dacell UMI와 HBM T22 모델을 사용하였다. 제작/설치된 측정장치는 Fig. 5와 같으며, 시험장치의 본체 길이는 791 mm, 외경은 196 mm, 구동부 무게는 20 kg이다.
- 베이스와 구동모듈의 구조물은 조립 공차 및 정렬 오차를 최소화하기 위해 단일부품 정밀가공 방식으로 제작하였으며, SUS(Steel Use Stainless) 재질을 사용하여 변형을 최소화 하였다. 토크센서 및 추력센서는 Table 2와 같이 Dacell UMI와 HBM T22 모델을 사용하였다. 제작/설치된 측정장치는 Fig.
- 프로펠러 회전수 제어를 위해 토크 대응 특성이 우수하고 RPM 정밀 제어가 가능한 산업용 AC 모터(Mitsubishi사의 HG-JR 153 : 최대 RPM 6000, 최대토크 14.3 Nm, 정격출력 1.5kW)와 3:1 감속기를 조합하여 사용하였다. 프로펠러의 회전속도를 측정하기 위해 커플링 주변에 회전판과 광센서(Autonics사의 BF4RP)를 설치하였다.
- 5kW)와 3:1 감속기를 조합하여 사용하였다. 프로펠러의 회전속도를 측정하기 위해 커플링 주변에 회전판과 광센서(Autonics사의 BF4RP)를 설치하였다. 베이스와 구동모듈의 구조물은 조립 공차 및 정렬 오차를 최소화하기 위해 단일부품 정밀가공 방식으로 제작하였으며, SUS(Steel Use Stainless) 재질을 사용하여 변형을 최소화 하였다.
성능/효과
- 이러한 히스테리시스 현상은 로드셀 단독 시험에서는 나타나지 않았으므로 축 정렬 오차를 포함한 이중 실린더 가이드 시스템의 마찰력 영향으로 분석되었다. 미세하중에 대한 반응특성을 파악하기 위해 10 N~15 N 구간에서 1 N단위로 부가하중을 증가시키며 신호를 측정하여 측성신호의 선형특성이 잘 유지됨을 확인하였다.
- 불확도 분석결과는 추력 로드셀의 정밀도와 시험부 풍속을 결정하는 측정인자의 정밀도가 유사한 정도로 프로펠러 성능시험에 영향을 주고있음을 나타내었다. 반복성 시험자료를 활용하여 시험부 풍속과 관련된 측정인자들이 시험결과에 미치는 영향을 분석한 결과는 동압영점보정이 가장 큰 영향을 미치는 요소로 나타났다.
- 반복성시험 분석 및 불확도 분석을 통해 프로펠러 성능시험에 영향을 미치는 인자들을 고찰하였다. 불확도 분석결과는 추력 로드셀의 정밀도와 시험부 풍속을 결정하는 측정인자의 정밀도가 유사한 정도로 프로펠러 성능시험에 영향을 주고있음을 나타내었다. 반복성 시험자료를 활용하여 시험부 풍속과 관련된 측정인자들이 시험결과에 미치는 영향을 분석한 결과는 동압영점보정이 가장 큰 영향을 미치는 요소로 나타났다.
- 측정위치에 따른 온도영향을 보완하기 위해 시험부 입구 벽면 중심선에100Ω RTD 센서를 추가로 설치하여 자료처리에 사용하였다. 설치된 RTD 센서를 점검하기 위해 프로펠러 회전부 부근에 검증용 온도센서를 임시 설치한 후, 사전점검시험을 수행하여 시험부 벽면 센서와 프로펠러 회전부 센서 간의 오차가 0.2도 이내임을 확인하였다.
- 1과 같이 선형가이드, 원통형가이드, 볼형가이드를 설치하여 레일 마찰력 특성 시험을 수행하였다. 영점반복성 점검을 위해 축방향으로 임의의 하중을 부가/제거한 후 영점이 변화하는 값을 측정한 결과 선형가이드는 1 N, 원통형 가이드는 0.1 N 수준의 영점반복성을 나타내었다.
- 00089로 모든 보정이 적용된 경우에 비해 약간 증가된 것으로 나타났다. 이상의 결과는 낮은 풍속에서 수행되는 프로펠러 성능시험에서는 동압영점보정이 주요한 인자임을 나타내고 있다.
- 8% 수준이다. 이상의 결과를 식 (2)에 적용한 결과, 추력 및 밀도, 회전수에 의한 추력계수의 오차범위는 1.8%~2.5% 수준으로 나타났다.
- 15)를 사용하여 파악한 전진비 오차가 추력계수에 미치는 영향은 2% 수준으로 나타났다. 이상의 분석결과는 추력 로드셀의 정밀도와 시험부 풍속을 결정하는 측정인자의 정밀도가 유사한 정도로 프로펠러 성능시험에 영향을 주고 있음을 나타낸다.
- 전진비는 동압에 의한 영향이 가장 주요하며, 추력계수는 추력 로드셀 및 밀도에 의한 영향이 주요한 인자로 나타났다. 반복성 시험결과를 사용하여 불확도 분석을 수행한 결과가 Table 3 및 Fig.
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