[논문]자주포용 보조동력장치 엔진룸의 열유동 최적화에 관한 연구

노상완; 박영민; 김성훈; 이재동; 김병현

doi:10.5762/kais.2019.20.12.629

[국내논문] 자주포용 보조동력장치 엔진룸의 열유동 최적화에 관한 연구
A Study on the Optimization of Heat Flux in Engine Room of Auxiliary Power Unit for Self-Propelled Artillery 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.12, 2019년, pp.629 - 635

노상완 (국방기술품질원 기동화력센터) , 박영민 (국방기술품질원 기동화력센터) , 김성훈 (국방기술품질원 기동화력센터) , 이재동 (한화디펜스 체계기술1팀) , 김병현 (국방기술품질원 기동화력센터)

초록
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자주포는 운용 특성상 정차상태에서 구동하기 때문에 엔진을 사용할 만큼 많은 에너지가 필요하지 않다. 이와 같은 문제점을 보완하기 위하여 성능개량된 자주포에는 보조동력장치(APU)를 설치하였다. APU를 통하여 엔진의 불필요한 가동을 줄일 수 있고, 이는 엔진의 수명을 늘릴 수 있다. 본 연구에서는 APU 내부 엔진룸의 열 유동을 최적화하기 위하여 Fan과 오일쿨러 적용에 따른 영향을 분석하였다. 열유동 해석을 수행하기 위하여 대기환경과 일사량은 MIL-STD-810을 적용하였다. 흡입구/배출구 Fan을 적용한 경우(Case1), 흡입구 Fan과 오일쿨러를 적용한 경우(Case2), 흡입구/배출구 Fan과 오일쿨러를 적용한 경우(Case3) 3가지에 대하여 열유동을 해석하였다. 해석결과 Case3의 실린더 헤드 온도가 Case1 보다 21.4℃, Case2 보다 8.0℃ 낮은 것을 확인하였다. 해석결과에 대한 타당성을 검토하기 위하여 동일 외기조건에서 실험을 진행하였다. 해석수치와 실험결과가 7%이하의 차이를 나타냈다. 이를 통하여 APU 열유동 최적화 모델이 설계조건을 만족하는 것을 확인하였다. 본 연구결과를 통하여 추후 개발하는 타 군용 APU 열유동 최적화에 대한 기초자료로 사용될 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we analyzed the effect of FAN and oil cooler application on APU. MIL-STD-810 was applied to the atmospheric environment and radiation dose in order to perform thermal flow analysis. The heat flow was analyzed for the case in which the inlet / outlet fan was applied (Case 1), the case in which the inlet fan and the oil cooler were applied (Case 2), and the case in which the inlet / outlet fan and the oil cooler were applied (Case 3). As a result, it was confirmed that the cylinder head temperature of Case 3 was 21.4 times lower than that of Case 1 and 8.0 times lower than that of Case 2. Experiments were conducted under the same ambient conditions in order to examine the validity of the results. The numerical values and experimental results showed a difference of less than 7%. Through this, we were able to confirm that the APU heat flow optimization model satisfies the design conditions. The results of this study are expected to be used as basic data for optimizing heat flow of APU.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. APU schematic
그림 Fig. 2. Fan data sheet
표 Table 1. APU operating condition
그림 Fig. 3. Temperature distribution of Case 1
표 Table 2. Specifications of design parameters
표 Table 3. Boundary condition of APU and oil cooler
그림 Fig. 4. Temperature distribution of Case 2
그림 Fig. 5. Temperature distribution of Case 3
표 Table 4. Result of case study
표 Table 5. Result of Ambient temperature effect
그림 Fig. 6. APU temperature test
표 Table 6. Temperature measurement test result
표 Table 7. Comparison between analysis value and test value

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 밀폐형 APU의 엔진에서 발생하는 배출가스에 의해 내부 온도상승을 방지하기 위한 냉각장치 유무에 따라 APU 격실 내 온도가 어떻게 변화하는지 연구하였다. 연구방향은 APU 내부의 온도해석을 통해 이론적인 효과를 먼저 검증하고, 효과가 가장 좋은 Case를 실제로 제작 해석과 동일한 조건에서 실험을 하여 설계에 대한 타당성을 검토하였다

제안 방법

3가지 모델의 열유동 해석을 통하여 32℃에서 설계치(오일온도) 안에 들어오는 것을 확인하였고, 그 중 Case 3이 엔진룸 내부 열에 관한 최적모델로 선정하였다.
APU 내부 온도 상승 방지 설계를 위하여 Table 2와 같이 총 3가지 모델에 대하여 해석을 진행하였다. Case1은 공기 흡입/배기구에 Fan을 적용하였다.
본 연구는 자주포용 밀폐식 하우징을 적용한 APU의 열유동을 상용 CFD 프로그램인 FLUENT를 사용하여 예측하고, 악조건(외기온도 50℃)에서도 설계기준을 만족할 수 있는 냉각 방법을 도출하였다. 또한, 실제 APU에 적용 시험을 통하여 해석 결과의 적절성을 확인한 결론은 다음과 같다.
설계 기준인 MIL-STD-810의 Hout Dry 조건 중에서 위 해석 조건보다 악조건인 외기온도 50℃를 적용하여 추가로 해석을 진행하였다.
엔진 오일쿨러의 적용 여부에 따라 엔진과 오일쿨러의 발열량을 Table 3과 같이 구분하여 열유동 해석을 진행하였다. 난류모델은 Realizable k-ɛ two layer 모델을 적용하였고, 압축성 유체 조건을 적용하였다.
본 연구에서는 밀폐형 APU의 엔진에서 발생하는 배출가스에 의해 내부 온도상승을 방지하기 위한 냉각장치 유무에 따라 APU 격실 내 온도가 어떻게 변화하는지 연구하였다. 연구방향은 APU 내부의 온도해석을 통해 이론적인 효과를 먼저 검증하고, 효과가 가장 좋은 Case를 실제로 제작 해석과 동일한 조건에서 실험을 하여 설계에 대한 타당성을 검토하였다
과거의 APU는 내부 엔진을 보호하기 위한 하우징이 개방된 구조이므로 엔진의 소음이 외부로 직접 전달되어 운용자가 불편함을 느꼈다. 이러한 문제점을 해결하고자 신형 APU는 밀폐형 하우징으로 설계하였으며, Fig.1과 같이 엔진, 발전기, 연료공급장치 및 기타 부수장치로 구성되어 있다[1].
대기온도는 32 ℃를 적용하여 적합한 모델을 선정하고, 이후 최고 온도인 50 ℃를 적용하였다. 일사량은 기후분류지역의 최대치인 1120W/m²로 분석하였다. 해석에서는 상용 CFD 프로그램인 Fluent V15.
해석과 가장 유사한 상태에서 실험을 진행하기 위하여 외기온도가 32.8℃ 일 때 시험을 진행하였고, 100% 부하 조건에서 내부 온도가 안정상태에 도달할 수 있도록 2시간동안 APU를 가동하여 내부 온도의 변화를 측정하였다.
흡입구에 Fan과 오일쿨러를 적용한 Case 2는 냉각효과가 더 좋아졌지만 엔진룸에서 열 포화상태가 일어나는 것을 확인하였다. 흡입/배출구 Fan 및 오일쿨러를 적용한 Case 3가 냉각효과와 유동 흐름이 좋은 것을 해석으로 확인하여 APU 엔진룸 내부 열유동에 최적 모델로 선정 하였다.

대상 데이터

앞에서 모델링하여 해석한 결과에 대한 검증을 위해 시험을 실시하였다. Fig. 6과 같이 APU의 위치별 온도를 측정하기 위해 실린더 헤드, 오일룸 내부, 흡입/배출구 등 13곳에 온도센서를 설치하였다.
일사량은 기후분류지역의 최대치인 1120W/m²로 분석하였다. 해석에서는 상용 CFD 프로그램인 Fluent V15.0.0을 사용하였고, 해석 모델의 Mesh Type은 Polyhedral, Mesh Size는 3,567,091 cells, 19,626,705개의 node로 구성하였다.

이론/모형

APU 열유동 해석을 수행하기 위하여 대기환경과 일사량은 Table 1과 같이 MIL-STD-810의 기후분류에 따른 열대 Hot Dry 조건을 사용하였다[7]. 대기온도는 32 ℃를 적용하여 적합한 모델을 선정하고, 이후 최고 온도인 50 ℃를 적용하였다.
엔진 오일쿨러의 적용 여부에 따라 엔진과 오일쿨러의 발열량을 Table 3과 같이 구분하여 열유동 해석을 진행하였다. 난류모델은 Realizable k-ɛ two layer 모델을 적용하였고, 압축성 유체 조건을 적용하였다. Fan이 적용되지 않은 경우 대기압 조건을 적용하여 해석을 진행하였다.
밀폐된 공간에서 보조동력장치의 열유동 해석은 기본적으로 다음과 같은 대류복사 열전달 해석 모델을 사용하였다. APU 공기 출입구와 배출구 Fan의 성능곡선은 Fig.

성능/효과

(1) 흡입/배출구에 Fan을 적용한 Case 1의 경우 유동은 원활하게 진행되나 냉각효과가 미비하다. 흡입구에 Fan과 오일쿨러를 적용한 Case 2는 냉각효과가 더 좋아졌지만 엔진룸에서 열 포화상태가 일어나는 것을 확인하였다.
(2) 해당 모델을 MIL-STD-810의 Hot Dry조건(기후 조건 : 32℃~50℃, 일사량 : 1120W/m²)으로 해석을 진행한 결과 악조건에서도 설계 기준을 만족하는 것을 확인 하였다.
(3) 해석 대기조건(외기온도 32℃)과 유사한 상황에서 실험을 진행한 결과, 실린더 헤드 온도는 4.1℃, 추정 오일의 온도와 실험치 값은 약 4.9℃의 차이가 나타났다. 실험으로 얻은 값이 해석과 7% 이내의 차이가 나타났고, 이를 통하여 MIL-STD-810 악조건에서도 설계조건을 만족하는 것을 확인할 수 있었다.
시험 결과 APU를 기동한지 약 1.5시간이 지나서야 엔진룸 내부 온도가 안정상태에 도달하였다. 내부에서 가장 고온인 실린더 헤드의 온도가 기동 후 70분후에는 133.
9℃의 차이가 나타났다. 실험으로 얻은 값이 해석과 7% 이내의 차이가 나타났고, 이를 통하여 MIL-STD-810 악조건에서도 설계조건을 만족하는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

본 연구결과를 통하여 추후 개발하는 타 군용 APU 열유동 최적화에 대한 기초자료로 사용될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	APU는 무엇인가?	이와 같은 운용상의 문제점을 해결하기 위해 성능개량된 자주포에는 보조동력장치(이하, APU)를 설치하였다. APU는 자주포 운용 시 차량 축전지 충전 및 주엔진 미가동에도 포탑을 운용할 수 있도록 자주포 포탑 후방에 설치하여 전원을 공급하는 역할을 한다[1].
	자주포에 적용된 APU는 밀폐형 구조로 어떤 문제점이 있는가?	자주포에 적용된 APU는 밀폐형 구조로 설계되었다. 밀폐형 구조는 소음을 줄일 수 있으나, 공기의 유동이 원활하지 않아 개방형 구조보다 내부온도가 상승하게 된다.
	자주포는 어떤 문제점이 있는가?	자주포는 사격훈련 등 포탑 운용 시 주엔진인 디젤엔진의 동력을 사용함에 따라 운용 중 운용간 소음이 심하며, 정차상태에서 장시간 사용에 따른 주엔진 내부 부품의 파손 발생가능성이 존재한다. 그리고 자주포 운용 특성상 정차상태에서 포 구동 위주로 하기 때문에 주엔진을 사용해야 할 만큼의 에너지가 필요하지 않다.

참고문헌 (7)

J. S. Lee, B. H. Kim, B. H. Kim, A Study on Optimization of Noise Reduction of Auxiliary Power Unit for Military Tracked Vehicle, Journal of the Korea Academia-Industrial, Vol.19, No.8, pp.336-342, 2018. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2018.19.8.336
T. E. Lee, J. S. Suh, S. H. Jeong, Y. S. Park, A Study on Thermal and Fluid Characteristics inside Engine Room of Auxiliary Power Unit for Tracked Vehicle, Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol.26, No.12, pp.85-93, 2009.
T. E. Lee, C. S. Yi, J. K. Hong, J. H. Yun, J. S. Suh, Numerical Analysis on Thermal and Flow in Auxiliary Power Unit Room for Tracked Vehicle, Journal of The Society of Air-Conditioning And Refrigerating Engineers Of Korea, Pyeongchang, Korea, pp.1419-1424, 2010.
T. E. Lee, J. S. Suh, C. S. Yi, K. T. Chung, J. H. Yun, Effect of Area Change of Exhaust Hole on Temperature Distribution in Engine Room of Auxiliary Power Unit for Tracked Vehicle, Journal of Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Changwon, Korea, pp.877-878, 2010.
J. D. Lee, G. H. Kim, B. D. Heo, Y. I. Park, J. H. Seo, Analysis of Heat flow for operated in an enclosed space Auxiliary Power Unit, Fall conference, Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Deajeon, Korea, pp.62-68, 2015.11.
C. S. Yi, I. G. Jeong, J. H. Yun, J. S. Suh, T. E. Lee, A study on the Flow and Power Characteristics of Rotor in the APU, Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol.20, No.6, pp.805-810, 2011.
MIL-STD-810H, Environmental engineering considerations and laboratory tests, p.67, 2019.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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