[논문]풍력블레이드용 에어포일 성능 검증을 위한 풍동 시험

신형기; 김석우

문제 정의

이를 위하여 일반적인 에어포일 공력 성능 테스트 이외에 앞전 부근에 일정한 두께의 트립 도트를 부착하여 표면 거칠기가 증가하는 효과를 모사하고 이에 대한 공력 특성을 검토하는 시험을 함께 수행하였다. 본 논문에서는 수행된 시험 결과와 설계된 목표의 부합도와 표면 거칠기에 대한 에어포일의 특성에 대하여 논의하고자 한다.
4mil 두께의 Cad Cut 사의 트립도트를 부착하였다. 트립 도트의 경우 일반적으로는 레이놀즈 수를 보상하기 위하여 부착하지만 본 연구에서는 블레이드 표면의 오염으로 인하 여경계층의 천이가 발생하는 것을 모사하기 위하여 사용되었다. 부착 위치는 앞전을 기준으로 0.

제안 방법

에어포일의 뒷전에서 1C 떨어진 위치에는 항력 계산을 위하여 레이크를 설치하였다. 레이크의 정압관은 가운데를 기준으로 +/- 0.5c 간격 안쪽은 10mm 간격으로 정압을 측정하고 그 바깥쪽 +/- 1.5c 안쪽은 20mffi 간격으로 정압을 측정하였다. 또한 기준 압력을 측정하기 위하여 3개의피토 튜브가 설치 되었다.
본 연구를 위한 풍동실험은 공군사관학교의 단일 폐쇄회로식의 중형 아음속풍동에서 이루어졌다. 측정부의 크기는 2.
설계 레이놀즈 수에 대하여 측정하기 위하여 유속은 각각 17m/s, 35m/s, 50m/s로 설정하였으며 -15도너2)도 사이에서 측정이 이루어졌으며 모든 압력은 5hz 시간 간격으로 150회 측정이 이루어졌다.
따라서 풍동 시험 역시 이에 대한 효과를 테스트 할 필요가 있다. 이를 위하여 일반적인 에어포일 공력 성능 테스트 이외에 앞전 부근에 일정한 두께의 트립 도트를 부착하여 표면 거칠기가 증가하는 효과를 모사하고 이에 대한 공력 특성을 검토하는 시험을 함께 수행하였다. 본 논문에서는 수행된 시험 결과와 설계된 목표의 부합도와 표면 거칠기에 대한 에어포일의 특성에 대하여 논의하고자 한다.
풍력 블레이드용 에어포일로 설계된 KWA005- 240 에어포일과 KWA009-127 에어포일에 대한 풍동 시험을 수행하였다. 기본적으로 풍동 시험 결과 보여지는 에어포일의 공력성능온 설계 목표를 만족하는 우수한 에어포알임을 나타낸다.

대상 데이터

시험을 위한 에어포일은 두께비가 24%와 12% 인 풍력 블레이드용으로 설계된 에어포일이다’ 모델은 코드 길이 0.4m, 스팬 길이 Im로 제작 되었으며, 3차원 효과를 막기 위하여 에어포일 모델의 한 쪽 끝은 지름 3c로 원형의 엔드 플레이트가 설치 되었고 다른 한 쪽면은 턴테이블 위에 설치하였다. 표면 압력 측정을 위하여 각 에어포일의 윗면과 아랫면에 40개의 압력흘이 설치 되었다.
에어포일 표면의 거칠기를 모사하기 위하여서는 5.6niil과 11.4mil 두께의 Cad Cut 사의 트립도트를 부착하였다. 트립 도트의 경우 일반적으로는 레이놀즈 수를 보상하기 위하여 부착하지만 본 연구에서는 블레이드 표면의 오염으로 인하 여경계층의 천이가 발생하는 것을 모사하기 위하여 사용되었다.
4m, 스팬 길이 Im로 제작 되었으며, 3차원 효과를 막기 위하여 에어포일 모델의 한 쪽 끝은 지름 3c로 원형의 엔드 플레이트가 설치 되었고 다른 한 쪽면은 턴테이블 위에 설치하였다. 표면 압력 측정을 위하여 각 에어포일의 윗면과 아랫면에 40개의 압력흘이 설치 되었다. 에어포일의 뒷전에서 1C 떨어진 위치에는 항력 계산을 위하여 레이크를 설치하였다.

이론/모형

측정된 압력값에 대하여서는 Abbott과 Doenhoff 가 제시한 방법에 의해 양력 계수와 항력 계수가계산 되었으며 각각의 값에 대하여 solid blockage, wake blockage, streamline curvature에 대한 보정을 수행하였다,

성능/효과

시험을 수행하였다. 기본적으로 풍동 시험 결과 보여지는 에어포일의 공력성능온 설계 목표를 만족하는 우수한 에어포알임을 나타낸다. 또한 설계단계에서 사용된 xfoile 실속이후의 신뢰성에 대한 고려를 설계자가 충분히 숙지 한다면 설계단계에서 충분히 신뢰성을 가지고 사용할 수 있는 툴임을 알 수 있다.
기본적으로 풍동 시험 결과 보여지는 에어포일의 공력성능온 설계 목표를 만족하는 우수한 에어포알임을 나타낸다. 또한 설계단계에서 사용된 xfoile 실속이후의 신뢰성에 대한 고려를 설계자가 충분히 숙지 한다면 설계단계에서 충분히 신뢰성을 가지고 사용할 수 있는 툴임을 알 수 있다. 이 외에도 본 시험을 통하여 에어포일의 두께비와 레이놀즈 수에 따른 에어포일 표면 거칠기에 대한 성능 특성 등을 확인 할 수 있었다.
3, 4, 5, 6은 KWA005-240과 패A009T27에대한 측정 결과와 계산 결과를 보여주고 있다. 우선 설계 단계에서 공력 계산에 사용되었던 Xfoil 과의 결과를 비교하여 보면 실속이 일어나기 전, 선형적으로 공력 특성이 변하는 구간에 대하여는 양력계수와 항력 계수 모두 실험값과 계산 값이 잘 일치함을 알 수 있다. 또한 기본적으로 표면 거칠기를 모사한 트립 도트를 부착한 상태의 경우에 대해서도 양력 계수에 대하여는 계산 값과 실험값이 잘 일치한다.
또한 설계단계에서 사용된 xfoile 실속이후의 신뢰성에 대한 고려를 설계자가 충분히 숙지 한다면 설계단계에서 충분히 신뢰성을 가지고 사용할 수 있는 툴임을 알 수 있다. 이 외에도 본 시험을 통하여 에어포일의 두께비와 레이놀즈 수에 따른 에어포일 표면 거칠기에 대한 성능 특성 등을 확인 할 수 있었다. 따라서 설계된 에어포일은 블레이드의 개발에 효과적으로 활용 가능할 것으로 판단된다.
표면 거칠기에 따른 특성은 KWA005-240과 KWA009-127 모두 Re=9.4*l0^5과 1.33*100^6에서는 예측했던 특성을 보여주고 있다. 그러나 KWA005- 204의 "=4.

후속연구

이 외에도 본 시험을 통하여 에어포일의 두께비와 레이놀즈 수에 따른 에어포일 표면 거칠기에 대한 성능 특성 등을 확인 할 수 있었다. 따라서 설계된 에어포일은 블레이드의 개발에 효과적으로 활용 가능할 것으로 판단된다.
5*135에서는 표면 거칠기가 증가하더라도 양력계수가 거의 감소하지 않는 특성을 보여주고 있다. 이는 낮은 레이놀즈 수에서의 경계층 특성에 기인한 것으로 추정되며 좀 더 연구가 필요할 것으로 생각된다. KWA009-127의 경우 트립 도트가 부착된 경우에도 양력 계수 값의 변화가 거의 없다(Fig.

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