선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 실물 항공기 엔진과 유사한 케로신 연료를 사용하면서도 실험실에서 운용이 가능한 50 lbf 급 마이크로 터보제트 엔진을 이용하여 바이패스 유동을 모사할 수 있도록 개조하여 실험연구를 진행하고자 한다.
제안 방법
- 측정하였다. X-Y Traverse 의 열전대는 20 mm 간격으로 총 16개 장착하여 x축 방향으로 좌우 각각 160 mm, 총 320 mm 영역을 20 mm 단위로 측정하도록 하였다. 엔진 작동 중 열전대가 이동하면서 온도를 측정할 수 있도록 노출형 타입의 K-type 열전대를 사용하였다.
- 엔진은 0초에 점화절차를 시작하여 약 40초 후 엔진배기가스온도(EGT)가 일정한 값으로 안정화 되며, 시동 후 약 80초 후인 엔진 회전수 43, 000 RPM에서 바이패스공기를 공급한다. 고압의 리시버 탱크에서 솔레노이드 밸브를 작동시키면 리시버탱크에 저장된 고압의 압축공기가 바이패스 노즐로 공급되며, 이에 따른 바이패스공기의 유량 변화를 측정하였다. Fig.
- 유량 조절은 감압밸브(DRE-F, YNV 사)를 사용하였으며, 유량 측정은 밴튜리 튜브 유량계 (GSAV-4000-S, 한국유량계공업 사)를 사용하여 측정을 수행하였다. 또한 노즐로 공급되는 바이패스공기의 온도는 K-type 열전대(TJC120-CAXL- 062G-2.25, Omega 사)를 사용하여 측정하였으며, 공급압력은 정압센서 (PSPHH0500PCPG, Sensys 사)를 사용하여 측정하였다.
- 마이크로 터보제트 엔진에 바이패스공기를 공급하여 터보팬 엔진의 유동을 모사하기 위해 바이패스 노즐을 제작하였다. 바이패스 노즐의 경우 출구 면적에 따라 엔진의 성능이 달라지기 때문에 바이패스비에 따라 각각 다른 노즐 출구 직경을 갖는 형상의 노즐이 필요하지만 본 연구에서는 100% RPM 에서 바이패스 1을 갖는 노즐 출구 직경을 기준으로 바이패스 노즐을 제작하였다.
- 마이크로 터보제트 엔진에 바이패스공기를 공급하여 터보팬 엔진의 유동을 모사하였으며, 바이패스비에 따른 배기가스 적외선 신호 및 온도 측정 연구를 수행하였다. 마이크로 터보제트엔진으로 코어유동을 모사하고 고압의 압축 공기를 통해 바이패스 유동을 모사하였으며, 바이패스비 0.
- 측정 연구를 수행하였다. 마이크로 터보제트엔진으로 코어유동을 모사하고 고압의 압축 공기를 통해 바이패스 유동을 모사하였으며, 바이패스비 0.5, 1.0, 1.4 의 3가지 조건에서 실험을 수행하였다.
- 노즐을 제작하였다. 바이패스 노즐의 경우 출구 면적에 따라 엔진의 성능이 달라지기 때문에 바이패스비에 따라 각각 다른 노즐 출구 직경을 갖는 형상의 노즐이 필요하지만 본 연구에서는 100% RPM 에서 바이패스 1을 갖는 노즐 출구 직경을 기준으로 바이패스 노즐을 제작하였다. 노즐 출구 면적은 기존 Olympus HP Engine 과 동일한 3137.
- 바이패스는 고압의 압축공기를 사용하여 모사하였으며, 바이패스비에 따라 고압의 압축 공기의 유량을 조절하고 유량 측정 데이터를 수집할 수 있도록 장치를 구성하였다. 바이패스 시험장치는 Fig.
- 5에 제시되어있다. 압축 공기는 리시버 탱크에 저장되어 진 후 엔진 회전수 43, 000 RPM에 도달하면, 엔진 제어실에서 솔레노이드밸브 작동을 통해 감압밸브와 밴튜리 튜브 유량계를 거쳐 바이패스 노즐로 공급되도록 고안하였다. 유량 조절은 감압밸브(DRE-F, YNV 사)를 사용하였으며, 유량 측정은 밴튜리 튜브 유량계 (GSAV-4000-S, 한국유량계공업 사)를 사용하여 측정을 수행하였다.
- 후의 배기가스 온도를 측정하였다. 엔진 배기가스 온도 측정 거리는 배기노즐 출구로부터 길이방향으로 0.16D, 1D, 2D, 3D, 4D, 5D, 6D 떨어진 위치에서 측정하였으며, 측정 개략도는 Fig. 7에 제시되어있다.
- 적외선 열화상 카메라의 측정 위치는 엔진 배기출구로부터 중심축 연장선으로 45° 각도 위치에 3 m 떨어진 거리에서 측정하였다. 엔진 배기가스 적외선 신호측정 거리는 배기 출구로부터 길이방향으로 0.16D(15 mm), 1D(92 mm), 2D(184 mm), 3D(276 mm), 4D(368 mm), 5D(460 mm), 6D(552 mm) 떨어진 위치에서 측정하였으며, 측정 개념도는 Fig. 6에 제시되어있다.
- 엔진 작동 중 열전대가 이동하면서 온도를 측정할 수 있도록 노출형 타입의 K-type 열전대를 사용하였다. 온도 측정기록 장치 NI-Crio를 사용하여 기록하였으며, 측정된 위치 정보 및 온도데이터를 이용하여 배기가스 온도 분포를 작성하였다. 배기가스 온도 측정은 엔진 회전수 43, 000 RPM에서 열전대를 노즐 출구 정 후방에 위치시켰으며, 바이패스공기를 공급하기 전.
- 압축 공기는 리시버 탱크에 저장되어 진 후 엔진 회전수 43, 000 RPM에 도달하면, 엔진 제어실에서 솔레노이드밸브 작동을 통해 감압밸브와 밴튜리 튜브 유량계를 거쳐 바이패스 노즐로 공급되도록 고안하였다. 유량 조절은 감압밸브(DRE-F, YNV 사)를 사용하였으며, 유량 측정은 밴튜리 튜브 유량계 (GSAV-4000-S, 한국유량계공업 사)를 사용하여 측정을 수행하였다. 또한 노즐로 공급되는 바이패스공기의 온도는 K-type 열전대(TJC120-CAXL- 062G-2.
- 적외선 열화상 카메라는 컴퓨터와 연결되어지며, 데이터는 전용 소프트웨어인 IRBIS 3 plus를 사용하여 실시간으로 제어 및 분석이 가능하다. 적외선 열화상 카메라의 측정 위치는 엔진 배기출구로부터 중심축 연장선으로 45° 각도 위치에 3 m 떨어진 거리에서 측정하였다. 엔진 배기가스 적외선 신호측정 거리는 배기 출구로부터 길이방향으로 0.
- 배기가스 온도 측정은 엔진 회전수 43, 000 RPM에서 열전대를 노즐 출구 정 후방에 위치시켰으며, 바이패스공기를 공급하기 전.후의 배기가스 온도를 측정하였다. 엔진 배기가스 온도 측정 거리는 배기노즐 출구로부터 길이방향으로 0.
대상 데이터
- 쉴리렌 시스템은 광원과 핀홀, 2개의 평면거울과 쉴리렌 거울, Knife Edge 그리고 카메라로 구성되어 있다. 광원은 10 W 의 LED 램프를 사용하였으며 쉴리렌 거울의 직경은 200 mm, 쉴리렌 거울의 초점 거리는 2,000 mm 그리고 쉴리렌 거울 사이의 거리는 6, 000 mm이다. 광원에서 평면거울에 반사된 빛은 쉴리렌 거울로 평행광으로 만들어주며, 이 빛은 측정영역을 지나면서 유동 정보를 담게 된다.
- 1과 Table 1에 각각 제시되어 있다. 마이크로 터보제트 엔진은 원심 압축기, 직류형 연소기, 축류 터빈으로 구성되어 있으며, 최대 추력은 230 N, 압축비는 3.8, 최대 회전수는 108, 500 rpm, 그리고 최대 EGT (Exhaust Gas Temperature)는 750℃ 이다. 연료는 실물 엔진과 유사한 케로신을 사용하였으며, 연료에는 윤활유 (Aeroshell 500)을 4.
- 바이패스비에 따른 배기가스 적외선 열화상 이미지는 엔진 배기노즐 출구에서 3 m 거리, 배기노즐 중심에서 우측으로 45º에 위치한 적외선카메라로 촬영하였으며, Fig. 11에 결과가 제시되어 있다. 바이패스비가 증가함에 따라 중심부의 고온의 엔진 코어 플룸의 길이가 짧아진 형태로분출되며, 거리가 멀어질수록 적외선 신호가 감소되는 것을 볼 수 있다.
- 본 연구에 사용된 마이크로 터보제트 엔진은 네덜란드 AMT 사의 Olympus HP Engine으로 사진과 제원은 Fig. 1과 Table 1에 각각 제시되어 있다. 마이크로 터보제트 엔진은 원심 압축기, 직류형 연소기, 축류 터빈으로 구성되어 있으며, 최대 추력은 230 N, 압축비는 3.
- X-Y Traverse 의 열전대는 20 mm 간격으로 총 16개 장착하여 x축 방향으로 좌우 각각 160 mm, 총 320 mm 영역을 20 mm 단위로 측정하도록 하였다. 엔진 작동 중 열전대가 이동하면서 온도를 측정할 수 있도록 노출형 타입의 K-type 열전대를 사용하였다. 온도 측정기록 장치 NI-Crio를 사용하여 기록하였으며, 측정된 위치 정보 및 온도데이터를 이용하여 배기가스 온도 분포를 작성하였다.
- 8, 최대 회전수는 108, 500 rpm, 그리고 최대 EGT (Exhaust Gas Temperature)는 750℃ 이다. 연료는 실물 엔진과 유사한 케로신을 사용하였으며, 연료에는 윤활유 (Aeroshell 500)을 4.5% 혼합하여 사용하였다.
- 10 에서 바이패스공기가 공급되면 바이패스공기의 정 온도는 약 31 ℃ 에서 27℃ 정도 하강하게 되며, 이것은 리시버 탱크내의 고압의 공기가 바이패스 노즐내로 팽창하면서 나타나는 현상이다. 측정 데이터 수집은 유동이 안정된 상태에 도달한 후 일정시간 동안의 평균 데이터를 사용하였다.
이론/모형
- 엔진 배기가스 유동 가시화는 쉴리렌 시스템 (Schlieren System, Komi사)을 사용하여 측정하였다. 쉴리렌 장치는 투명한 매질 속에 굴절률의 변화가 있을 때 그 변화를 밝기의 차이로 바꾸어 관찰하는 광학적 측정 장치이다.
- 엔진 배기가스에서 방사되는 적외선 신호는 적외선 열화상 카메라(Variocam hr head, JEN- OPTIK 사)를 사용하여 측정하였다. 장치의 온도 범위는 - 40 ~ 1, 2001 이고 측정 파장범위는 7.
성능/효과
- 배기가스 온도 측정결과 바이패스비가 증가할수록 노즐 출구에서의 온도 감소폭이 점차 커지게 된다. 그리고 바이패스비의 증가에 따라 노 즐 출구로부터 먼 거리에서도 배기가스 온도는 계속 감소되는 경향을 확인하였다. 이것은 바이패스비가 커질수록 코어유동과 바이패스 유동이보다 균일하게 혼합됨을 의미한다.
- 노즐 출구에서 1D 떨어진 위치에서 배기가스 온도는 바이패스공기가 없을 경우에 비해 약 59r 감소하였으며, 노즐 출구에서 6D 떨어진 위치 이후로도 약 18 r 의 온도차가 나타남을 알 수 있다. 바이패스비 1.
- 17에 제시되어있다. 노즐 출구에서 1D 떨어진 위치에서 배기가스 온도는 바이패스공기가 없을 경우에 비해 약 78r 감소하였으며, 노즐 출구에서 6D 떨어진 위치 이후로도 약 4 2r의 온도차가 있음을 알 수 있다. 따라서 바이패스비가 증가할수록 노즐 출구 근처에서의 배기가스 온도 감소폭은 점차 커진다.
- 1% 정도 적외선 신호의 크기가 점차 저감되었다. 따라서 바이패스비가 증가함에 따라 적외선 신호가 저감됨을 확인할 수 있었다.
- 12에 제시되어있다. 바이패스비가 증가 할수록 배기가스의 온도가 점차 낮아지고 있음을 알 수 있으며, 배기노즐 출구로부터 거리가 멀어질수록 온도가 계속 감소되고 있음을 확인하였다. 바이패스비에 따른 3차원 온도분포는 Fig.
- 13 에 제시되어있다. 바이패스비가 증가될수록 300 ℃ 이상의 고온 가스의 길이가 점차 감소되는 경향을 보였으며, 바이패스비 1.0 이상에서는 배기가스 온도분포의 변화가 미미한 것을 확인하였다.
- 배기가스 온도 및 적외선 신호 측정결과 적외선 신호의 크기는 배기가스 온도 감소에 따라선 형적으로 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 적외선 신호는 바이패스비 0.
- 이것은 바이패스비가 커질수록 코어유동과 바이패스 유동이보다 균일하게 혼합됨을 의미한다. 쉴리렌 배기 플룸 가시화에서 바이패스비가 커질수록 코어유동과 바이패스 유동이 균일하게 혼합됨을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 특히 항공기 적외선 신호는 후방의 180° 부근에서 가장 강한 신호로 방사되며, 이는 추진기관의 고온의 엔진 및 배기가스에 의해 방사된다. 따라서 항공기 추진기관에서 방사되는 높은 수준의 적외선 신호를 효과적으로 저감 시킬 수 있다면 보다 높은 항공기 생존성을 확보 할 수 있을 것이다. 최근 무인기의 임무가 다양해짐에 따라 개발되고 있는 무인기의 이륙중량은 점차 증가하고 있으며, 항공기의 추진기관은 높은 추력과 함께 높은 연료경제성을 동시에 요구하고 있다.
- 본 연구 결과는 추후 터보팬 엔진의 바이패스 비에 따라 배기가스 적외선 신호 특성 연구에 기초 연구 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대 된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.