유연 복합재료 프로펠러 제작개선 및 성능분석
이상갑1,†․ 남재형1․ 현범수1․ 백부근2․ 이창섭3․ 장현길3․ 노인식3
한국해양대학교 조선해양시스템공학부1
한국해양과학기술원 선박해양플랜트연구소2
충남대학교 선박해양공학과3
Enhanced Manufacturing and Performance Analysis of Flexible Composite Propeller
Sang-Gab Lee
1,†․ Jae-Hyung Nam
1․ Beom-Soo Hyun
1․ Bu-Geun Paik
2․ Chang-Sup Lee
3․ Hyun-Gil Jang
3․ In Sik Nho
3Division of Naval Architecture & Ocean System Engineering, Korea Maritime University
1Maritime & Ocean Engineering Research Institute, KIOST
2Department of naval Architecture & Ocean Engineering, Chungnam National Univerity
3This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
It is well known that flexible composite material propeller has superior radiation noise characteristics with outstanding damping effects.
In this paper, three flexible composite material propellers were produced using compression molding process, and their hydrodynamic performances and radiation noise characteristics were measured. One propeller, C1, was made up from carbon/epoxy composite laminates, and the other two ones, G1 and G2, from glass/epoxy ones. Their fiber arrays were selected by the progressive damage structural analysis of propellers using composite material model MAT_162 (Composite_DMG_MSC) linked with LS-DYNA code.
Carbon/epoxy and glass/epoxy composite specimen tests were performed, their damage mechanisms were figured out, and their parameters were calibrated by their progressive damage structural analysis according to their damage criteria.
Keywords : Flexible composite material propeller(유연 복합재료 프로펠러), Radiated noise(방사소음), Compressible molding process(압축 성형기법), Carbon/epoxy and Glass/epoxy composites(탄소섬유/에폭시 및 유리섬유/에폭시 복합재료), Composite laminates(적 층 복합재료), Progressive damage structural analysis(점진적 손상구조해석), MAT_162, LS-DYNA code, Open water performance(단독 성능)
1. 서 론
유연 복합재료 프로펠러는 강체 날개를 갖는 프로펠러와 비슷 한 추진 성능을 발휘하면서 방사소음 등에 있어 우수한 성능을 보인다고 알려져 있으나 독일 등 소수 국가들에 의해 연구 및 제 작되어 왔기 때문에 이의 성능 특성에 대해서는 알려진 바가 극 히 적다. 특히 수중운동체의 경우 군사 기술과 밀접한 관련이 있 으므로 유연 프로펠러에 대한 유동 및 소음 특성은 대외비로 간 주되어 관련 정보를 얻기 힘든 실정이다. 본 연구는 Lee, et al.(2009) 연구의 후속 연구로서, 보다 실용적인 대상 프로펠러를 선정한 후, 개선된 모형 제작기법을 적용하여 제작하고 그 결과 를 성능평가 하였다.
유연 복합재료 프로펠러는 유연성과 강도를 충분히 가지도록 프리프레그(prepreg)를 재단하고 섬유의 직조 및 배열에 따라 금 형(mold)에 적층하여 압축성형 기법을 사용하여 제작하였다. 적
층 복합재는 섬유의 직조 및 방향에 따라 강도, 에너지 흡수능력 및 파손상태가 달라짐으로 복합재 추진기의 성능을 극대화할 수 있는 최적구조설계를 도출하기 위해서 점진적 손상구조해석 기법 을 이용하였다.
적층 복합재의 점진적 손상구조해석 기법을 구축하기 위하여 LS-DYNA code(LSTC, 2011)의 복합재료 모델 MAT_162 (Composite_DMG_ MSC)를 사용하여 탄소섬유/에폭시 및 유리섬 유/에폭시 복합재료 시편시험 및 충격시험을 통하여 기계적인 물 성치와 각 시험에서의 파손상태 및 손상기구를 파악하고 손상기 준을 조정(calibration)하였고 다양한 섬유배열에 따른 검증을 수 행하였다 (Lee, et al., 2011a, 2011b).
본 연구에서는 탄소섬유/에폭시 및 유리섬유/에폭시 복합재료 의 평직(PW; plain weave)과 일방향(UD; unidirection)의 다양한 섬유방향에 따른 점진적 손상구조해석을 수행하여 총 3종류의 유 연 복합재료 프로펠러를 선정하고 적층 압축성형 기법을 사용하 여 제작하였다. 성능특성을 살펴보기 위하여 공동수조에서 수행
한 실험의 종류는 날개 변형량 계측, 프로펠러 단독시험 및 소음 특성을 조사하였다 (Paik, et al., 2012).
2. 유연 프로펠러의 제작
본 연구에서 사용한 유연 프로펠러의 형상, 제원 및 기본 도면 은 Fig. 1과 같다. 프로펠러의 날개 수는 5개이고 직경은 250mm, 평균피치 비는 1.17, 확장면적 비(Ae/Ao)는 0.72, 허브 (hub) 비는 0.2이다. 총 3종류의 유연 프로펠러들을 제작하였는 데 날개의 주된 재질에 따라 탄소섬유/에폭시 복합재료가 주소재 로 제작된 프로펠러를 C1, 유리섬유/에폭시 복합재료가 주 소재 로 제작된 프로펠러를 G1, G2라고 정의하였다. G1과 G2 프로펠 러의 차이점은 날개의 섬유직조 및 배열에 따라 다르게 제작된 것인데 G1보다 G2의 날개가 유연성이 더 크게 하였다. 이중 C1 을 기준 프로펠러로 삼았는데, 이는 실험조건 하에서 C1의 강성 이 가장 커서 강체 프로펠러 대비 변형량이 가장 작을 것이라 판 단했기 때문이다.
Fig. 1 Configuration, drawing and principal particulars of flexible composite propeller
본 연구에서는 유연 프로펠러 날개의 형상에서 섬유방향은 Fig. 2에서와 같이 허브 왼쪽 끝에서 날개 끝(blade tip)을 가로지 르는 방향을 섬유방향 0°로 정하고 앞날(leading edge) 방향을 양의 방향으로, 날개의 뒷날(trailing edge) 방향을 음의 방향으로 잡았다. 다양한 섬유직조 및 방향에 따른 점진적 손상구조해석을 수행하여 앞에서 언급한 바와 같이 3종류의 유연 프로펠러를 결 정하였다.
섬유직조 및 배열에 따른 각 층별 날개 전개단면을 생성하여 NC 복합재 커터(cutter)로 재단하였다. Fig. 3은 탄소섬유/에폭시
복합재료 유연 프로펠러 C1 날개의 단면을 보여주고 있다. 날개 양쪽표면(흡입면, 압력면)의 날개바깥단면은 평직 유리섬유/에폭 시 복합재료(GEP218) 한 장씩을 0° 배열로, 그 날개바깥단면 안 쪽에 각각 6장 및 5장의 평직 탄소섬유/에폭시 복합재료(WSN3K) 도 0° 배열로, 그리고 그 안쪽에는 일방향 탄소섬유/에폭시 복합 재료(USN150)를 [0°/+30°/-30°] 배열로 연속적으로 재단하였 다. 유리섬유/에폭시 복합재료 유연 프로펠러 G1인 경우 날개양 쪽표면의 날개바깥단면에 각각 3장 및 2장의 평직 유리섬유/에 폭시 복합재료(GEP218)를 0° 배열로, 그 안쪽에는 일방향 유리 섬유/에폭시 복합재료(UGN150)를 C1에서와 같이 [0°/+30°/-30°] 배열로 연속적으로 재단하였다. G2는 G1의 바 깥 평직은 동일하나 내부의 일방향은 [90°/+45°/-45°] 배열로 연속적으로 재단하였다.
Fig. 2 Fiber array of composite material propeller
Fig. 3 Blade sections of composite material propeller C1
Fig. 4 Stacking blade prepreg sections in mold
이러한 각 날개단면들을 Fig. 4에서와 같이 양쪽날개표면에 적 층하여 Fig. 5의 금형 2조를 서로 맞물려 압축성형 기법을 사용 하여 Figs. 6 & 7과 같이 제작하였다. Fig. 8과 같이 제작과정과 동일하게 적층 복합재 유연 프로펠러 날개를 모델링하였으며 MAT_162 모델을 사용하여 점진적 손상구조해석을 수행하였다.
Fig. 5 Blade molds for compression molding process
Fig. 6 Blade in blade mold
Fig. 7 Complete single blade
성능시험에서 전진비 J=0.53에서의 프로펠러 C1, G1 및 G2 의 변형형상은 Fig. 9와 같고 날개끝에서의 변형량은 각각 2.89, 4.22 및 6.67mm이었고, J=0.84에서도 날개끝에서의 변형량은 각각 1.33, 2.67 및 4.83mm만큼 변형(deformation)이 발생하였 다. Fig. 10에서와 같이 J=0.90, RPM=1,500에서의 부하상태에
서의 압력을 날개단면에 적용하였고 각 프로펠러의 변형형상은 Fig. 11과 같고 C1, G1 및 G2의 날개끝에서의 변형량은 각각 1.19, 2.42 및 4.32mm이었다. J=0.84의 성능시험에서의 변형량 보다 약간 작게 발생하였으며 매우 근사한 경향을 보여주었다.
그리고 본 연구에서는 조립금형을 Fig. 12에서와 같이 조립금형 을 제작하여 프로펠러 날개들을 보다 정도 높게 조립하였다.
(a) Suction side blade
(b) Pressure side blade
(c) Complete blade Fig. 8 Configuration of blade model
Fig. 9 Configuration of blade deformation at J=0.53 in performance test
Fig. 10 Pressure distribution on blade surfaces (J=0.90, RPM=1500)
(a) C1 (b) G1 (c) G2
Fig. 11 Configurations of blade deformation in progressive damage simulation using MAT_162 of LS-DYNA
Fig. 12 Assembly mold of composite material propeller
3. 유연 프로펠러의 성능평가
성능특성을 살펴보기 위하여 공동수조에서 날개 변형량을 계 측하고, 프로펠러 단독시험을 수행하였으며 소음특성을 조사하 였다.
3.1 성능시험 조건
모형시험은 한국해양과학기술원(KIOST) 선박해양플랜트연구 소의 중형 공동수조(계측부 길이×폭×수심=2.6m×0.6m×0.6m) 에서 수행되었으며, 각종 계측치들은 전산화된 자료취득장치에 의해서 얻어졌다. 공동수조의 최대 유속은 12.0m/s이고, 수조 내 부압력은 0.1기압에서 2.0기압까지 변화가 가능하다. 실험은 균 일유동 중에서 수행하였으며, 항목별 시험조건은 Table 1과 같 다. 여기서
, n, J는 각각 프로펠러 유입유속, 프로펠러 회전 수 및 전진비이다.Table 1 Performance test conditions
Type Conditions
POW 2.0m/s <
< 8.0m/s , n = 25 rps Blade deflection 0.53 ≤ J ≤ 1.08 , n = 25 rps
Acoustic noise J=0.53 , n = 25 rps
3.2 고속 카메라를 이용한 프로펠러 날개 변형량 계측
여러 전진비에서 하중변화에 따른 유연 프로펠러 날개의 변형 량을 관측하기 위해서는 고속으로 회전하는 날개의 움직임을 가 시화할 수 있는 장비가 필요한데, 본 연구에서는 5000fps(frame per second)의 높은 분해능을 갖는 고속카메라를 사용하여 빠르 게 변화하는 프로펠러 날개의 거동을 관찰하였다. Fig. 13은 고 속카메라를 이용하여 캐비테이션 거동을 관찰하고 있는 모습인 데, 가시화 시스템은 고속 CCD 카메라(Photron, FASTCAM SA5), Nikon 50mm 렌즈(f#=1.4), 메탈 조명(Photron, HVC-SL) 1개, 영상처리 장치, 제어 및 계산용 컴퓨터 등으로 이루어져 있 다. CCD 카메라의 해상도는 1,024×1,024 pixels이고 관측면의 크기는 22.8×22.8cm2이다. 조명은 백색광의 광도를 낮추어 프
로펠러의 측면을 조사함으로서 프로펠러의 음영을 이용하였는데, 이로부터 프로펠러 날개 끝의 움직임을 쉽게 관찰할 수 있었다.
Fig. 13 Photo of high speed camera set-up
전진비를 조절하기 위하여 프로펠러 유입유속을 변화시켰는 데, 유속이 감소할 경우 날개 받음각의 증가로 프로펠러 날개 표 면에 캐비테이션이 발생하는 경우엔 공동수조 압력을 적절히 증 가시켜 캐비테이션이 없는 상태에서 실험을 수행하였다. 날개 거 동 가시화 시 동기화되는 프레임에서 발생하는 오차는
±
0.99mm, 촬영된 영상으로부터 날개의 윤곽을 추출해 내는 과정 에서 발생할 수 있는 오차는±
0.56mm로 예상하였다. 동일한 프 로펠러 회전 각도에서 연속적으로 영상들을 얻기 위하여 고속 카 메라의 event mark 기법을 이용하였는데, 특정 프로펠러 날개가 연직 상방에 올 때 마다 프로펠러 축으로부터 얻어진 동기신호가 카메라에 전달되어 카메라를 작동시키게 된다. 이때 카메라 신호 지연시간은 약 40.0ms이다.Fig. 14 Sample image (J=0.53 and no-thrust case, G2)
X-axis (mm)
r/ R
100 100
110 110
120 120
130 130
140 140
150 150
0.4 0.4
0.5 0.5
0.6 0.6
0.7 0.7
0.8 0.8
0.9 0.9
1 1
1.1 1.1
No thrust C1 G1 G2
(a) J=1.08
X-axis (mm)
r/ R
100 100
110 110
120 120
130 130
140 140
150 150
0.4 0.4
0.5 0.5
0.6 0.6
0.7 0.7
0.8 0.8
0.9 0.9
1 1
1.1 1.1
No thrust C1 G1 G2
(b) J=0.84
X-axis (mm)
r/ R
100 100
110 110
120 120
130 130
140 140
150 150
0.4 0.4
0.5 0.5
0.6 0.6
0.7 0.7
0.8 0.8
0.9 0.9
1 1
1.1 1.1
No thrust C1 G1 G2
(c) J=0.53
Fig. 15 Mean deflection of blade in uniform flow
Fig. 14는 균일 유입류 중 유연 프로펠러 G2의 허브 위쪽 날 개 거동을 J=0.53 조건에서 작동할 때 가시화한 날개와 정지해 있는 경우(no-thrust)의 동일한 날개를 가시화한 결과를 오버랩하 여 같이 표시한 사진이다. 날개의 바깥쪽 다소 투명한 윤곽이 정 지해 있는 경우이고 검은 윤곽의 날개가 J=0.53에서 관찰한 것이 다. 이러한 방법으로 날개의 변형을 계측한 결과를 Fig. 15에 나 타내었다.
그림으로부터 전진비가 감소할수록, 즉 날개의 받음각이 증가 할수록 프로펠러 날개 끝이 점차 선수 방향을 향해 변형되어져 감을 볼 수 있다. 날개 끝 뿐 만 아니라 스팬방향으로 거의 선형 적으로 날개의 변형이 발생함을 알 수 있었다. 날개의 0.7R 이상 에서 평균 변형량은 C1이 1~3mm, G1이 3~5mm, G2가 4~6mm 정도이며, 날개 끝 최대 변형량은 G2에서 6.67mm로 계 측되는 등, 제작 시 유연성이 가장 좋을 것으로 예측되었던 G2의 유연성이 가장 좋은 것으로 확인되었다.
3.3 프로펠러 단독시험
프로펠러 단독시험은 프로펠러의 전진비 변화에 따른 추력(T) 과 토크(Q)를 계측한 후 프로펠러의 효율을 계산하였는데, 회전 수를 고정하고 유입유속을 변화시키는 방법으로 전진비를 맞추었 다. 계측결과는 Fig. 16과 같다.
Fig. 16 Propeller open water performances
이 그림은 프로펠러 제작정도에 따른 오차를 감안하여 Lee, et al.(2012)에 따라 보정한 결과이다. 결과에서 보는 바와 같이 전 체적으로 C1, G2, G1의 순서로 효율과 추력 및 토크 계수들이 얻어졌다. 즉, 프로펠러의 유연성이 큰 유리섬유/에폭시 복합재 료 프로펠러가 탄소섬유/에폭시 복합재료 프로펠러보다 추력과 토크가 다소 감소하였다. 특기할 점은 C1에 비하여 G2가 G1보 다 더 큰 성능차이를 보여 줄 것으로 예측되었으나 그렇지 않은 점이다. 여기에는 여러 이유가 있을 수 있겠으나 G2가 전체 변형 량은 크게 계측되었지만 유효피치 각은 G1이 상대적으로 크게
변화했음에 주원인이 있다고 판단되었다. 즉, 유연 프로펠러의 성능변화는 변형량 자체보다는 변형의 방향이 중요하다는 의미로 서, 향후 유연 프로펠러의 제작 시 원하는 방향으로 피치 변화를 줄 수 있는 직조방법을 체계적으로 개발하는 것이 중요할 것이다.
하지만 프로펠러 전진비가 1.0 보다 큰 경우를 제외하면 3개 유연 프로펠러의 추력 및 토크계수의 차이는 크지 않았기 때문에 날개의 피치변화와 더불어 프로펠러 재질에 따른 방사소음이나 캐비테이션 초생, 날개 강도 등의 다른 특성들도 고루 감안하여 유연 프로펠러를 설계하는 것이 바람직하다고 여겨진다. 특히 소 형 복합재 프로펠러의 제작정도가 성능에 미치는 영향이 무시할 수 없기 때문에 복합재 추진기 설계는 다각적인 관점에서 검토되 어야 한다고 판단되었다 (Lee, et al., 2012).
3.4 소음특성 조사
추진기 소음은 수중청음기(Hydrophone) B&K 8103을 프로 펠러 회전면 옆 터널 관측 창에 부착하였으며, 측정된 신호는 B&K NEXUS를 이용하여 증폭하였다. 소음계측은 동일한 전진비
(a) Noise spectrum (< 100kHz)
(b) Noise spectrum (< 3kHz)
Fig. 17 Noise measurements(J=0.53)에 대하여 수행하였는데, 날개의 변형에 따른 영향 등으 로 인하여 이때의 추력은 C1(1,000N)과 G1(917N), G2(953N)가 다소 다르게 계측되었기 때문에 완벽하게 동일한 계측조건은 아 니었지만 비교에는 큰 무리가 없다고 판단하였다. 계측결과는 Fig. 17과 같다.
먼저 100kHz 까지 전대역 주파수 결과로 부터 유연 프로펠러 의 유동소음이 배경소음 보다 크기 때문에 계측 결과의 유효성을 확인 할 수 있었다. 1차 날개 통과 주파수(BPF)와 날개 끝 보오 텍스(vortex) 캐비테이션 소음이 지배적인 1kHz ~ 3kHz 대역에 서는 Table 2에서와 같이 추력과 소음 크기가 비례하는 경향성을 보였으며 (C1>G2>G1), 유리섬유/에폭시 복합재료 프로펠러가 탄소섬유/에폭시 복합재료 프로펠러 보다 1 ~ 2dB 정도 낮은 소 음 성능을 보였다.
Table 2 Sound pressure level in the 1st BPF (J=0.53)
SPL(dB) Background Noise C1 G1 G2
1st BPF 121.4 145.8 143.6 144.7
4. 결 론
강체 날개를 갖는 프로펠러와 비슷한 추진 성능을 발휘하면서 방사소음 등에 있어 우수한 성능을 보인다고 알려진 유연 프로펠 러의 제작 및 성능 특성에 대한 국내 후속 연구로서, 보다 실용적 인 대상 프로펠러를 선정한 후, 개선된 모형 제작기법을 적용하 여 제작하고 그 결과를 성능평가 하였다.
본 연구에서는 탄소섬유/에폭시 및 유리섬유/에폭시 복합재료 의 평직과 일방향에 대한 다양한 섬유방향에 따른 점진적 손상구 조해석을 수행하여 총 3종류의 유연 복합재료 프로펠러를 선정하 고 적층 압축성형 기법을 사용하여 제작하였다. 성능특성을 살펴 보기 위하여 공동수조에서 수행한 실험의 종류는 날개 변형량 계 측, 프로펠러 단독시험 및 소음특성을 조사하였다.
유연 프로펠러 작동 시 날개 거동과 날개의 pitch, rake, skew 분포 등은 서로 연관성이 있으므로 추후 프로펠러 소재의 종류와 직조법과 구동조건별 프로펠러 형상 변화 사이에 다양한 parametric study를 수행하는 것이 필요하다고 사료된다.
후 기
본 연구는 한국해양대학교 수중운동체특화센터 ‘탄성변형을 고려한 복합재 추진기 설계기법 연구’ 과제(SM-42)의 지원으로 수행되었습니다.
참 고 문 헌
Lee, G.H. et al., 2012. Effect of Manufacturing Accuracy of Flexible Propeller on Open Water Performance. Procedings of the Annusal Autum Meeting, SNAK, CECO Changwon, Korea, 15-16 November 2012.
Lee, S.G. Byun, J.H. Paik, B.G. & Hyun, B.S., 2009.
Production & Performance Assessment of Composite Material Flexible Propeller. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 46(6), pp.667-674.
Lee, S.G. Byun, J.H. & Cho, H.I., 2011a. Progressive Damage Structural Analysis of Carbon/Epoxy Composite Laminates. The 18th International Conference of Composite Materials, ICC Jeju, Korea, 21-26 August 2011.
Lee, S.G. et al., 2011b. Verification of Progressive Damage Structural Analysis of Carbon/Epoxy Composite Laminates. Procedings of the Annusal Autum Meeting, SNAK, Mokpo, Korea, 3-4 November 2011, pp.674-678.
LSTC, 2011. LS-DYNA User's Manual, Version 971.
Livermore Software Technology Corporation, USA.
Paik, B.G. et al., 2012. Investigation on the Flexible Propeller Performance, Research Report BSPIS6020 -2384-6, MOERI/KIOST.
이 상 갑 남 재 형 현 범 수 백 부 근
이 창 섭 장 현 길 노 인 식
