Main Rotor Blade Tip 형상 변화에 따른 유동분석
A study of Main Rotor Blade Tip shape and analysis of flow around Main Rotor Blade Tip
김세일1*
동국대학교 물리학과1
초 록
본 연구에서는 Main Rotor Blade Tip 형상 변화에 따른 후류해석을 통해 와류 생성 및 주변 유동을 분석하여 블레이드 팁 형상의 변화가 와류 간섭을 감소시키는지의 여부를 확인하였다. EDISON CFD를 이용하여 블레이드 Blade Tip 형상에 따라 유동이 어떻게 나타나며, Blade 후류의 압력과 점성의 변화 를 분석하여 와류의 양상을 해석하였다. 비교 Blade 형상은 2세대 긴 직사각형 모형, KUH 수리온의 Blade, 유로콥터사의 'Blue Edge'로 비교적 최근에 개발된 대표적인 Blade Tip 형상 3개로 정하였다.
결과를 토대로 블레이드 뒷전의 와류흐름 양상을 확인하여 블레이드 와류 간섭현상의 감소를 확인하였 다.
Key Words : 메인 로터 블레이드 (Rotor Blade), 블레이드 팁 (Blade Tip), 블레이드 소음 와류 (Blade Vortex Interaction), 와류 (Vortex)
1. 서 론
헬리콥터 비행기술의 비약적인 발전과 더불어 그에 따른 안전성 확보와 조종성의 향상이 중요시 되어 왔다. 특히 최근에는 소음문제와 관련된 내용들의 중요성이 대두되고 있다. 헬리콥터는 비행기에 비해 지상부근에서 더욱 날렵하고 섬세한 비행이 가능하여 상업용이나 군사작전에 다양하게 사용되고 있다.
헬리콥터가 지상부근에서 비행을 한다는 점에서 소음은 상당히 민감한 사항이 될 수 있다. 실제로 군사 작전에서 헬리콥터의 소음으로 적군에게 위치가 노출될 수 있으며 이는 아군의 인명피해로 직결될 수 있다. 그 이외에 상업적인 측면에서도 저소음 헬리콥터의 설계는 항공기 시장에서 상당한 경제적 이익 을 창출 할 수 있다.
헬리콥터의 주요 소음원으로는 크게 주로터 및 꼬리로터, 엔진 및 동력 전달계통 두 가지로 나눌 수 있다. 그중 로터소음은 두께·하중소음, HSI(High Speed Impulsive), BVI(Blade Vortex Interaction) 세 가지로 나누어진다. 본 연구에서는 다른 요소들은 배제한 채 헬리콥터의 주로터에서 발생하는 와류간섭 효과에 초점을 맞추어 그 양상을 관찰하여 Blade Tip이 와류를 흐름 분리시켜 간섭 효과를 완화 시키 는지의 여부의 사실을 확인하고자 한다. 와류 간섭 현상이 발생할 경우 블레이드의 후류에서 압력과 점 성의 변화가 생길 것이므로 이 점에 중점을 두고 분석을 진행하였다.
2. 본 론
제 2회 첨단 사이언스‧교육 허브 개발(EDISON) 경진대회
Blue Edge 수리온 직사각형
Fig. 1. 형상A mesh Fig. 2. 형상B mesh Fig. 3. 형상ㅊ mesh 고 저속, 전진비행, 전진 하강 비행 또는 기동시 블레이드에 발생한 와류가 로터회전면에 잔류하여 뒤따 르는 블레이드와 간섭을 일으키게 된다. 블레이드가 와류와 직접적으로 충돌하거나 근처를 지나는 경우, 블레이드 표면 위의 압력 분포는 급격하게 변하게 된다. 이렇게 야기된 진동과 소음은 구조적으로 피로 수명을 발생시키고 조종성을 악화시키게 된다. 따라서 앞전의 블레이드에서 발생하는 와류의 흐름을 분 리시켜 주면 뒤따라오는 블레이드와 충돌하는 와류의 양이 줄어들게 되고 이는 와류 간섭 현상의 감소 를 가져오게 된다. 따라서 블레이드 저하시키는 것이 필요하다. 따라서 블레이드의 팁 형상 설계를 통 해 와류의 흐름분리를 발생시키는 것이 필요하다.
2.2 분석대상 로터블레이드 선정
헬리콥터 블레이드의 모형의 종류는 수없이 많으므로 여기에서 모든 형상에 대상으로 분석하기에는 한 계가 있다. 따라서 P. Beaumier(1)을 참고하여 가장 최신 블레이드 팁 디자인이 적용된 유로콥터사의 Blue Edge 모형과 유사한 형상 팁의 형상, 한정호(2) 등을 참고하여 블레이드 팁이 적용된 수리온 헬리 콥터의 블레이드 형상, 팁이 없는 기본 직사각형 블레이드 형상 3개로 선정하여 순서대로 형상A, 형상 B, 형상C로 명명한다. 각 형상의 가로·세로비의 크기는 같게 하였다.
2.3 해석방법
EDISON_CFD를 이용하여 블레이드 주변의 유속이 매우 크지 않는다는 가정아래 비압축성으로 설정하 였고, 블레이드의 회전에 의해 주변부의 유동이 난류형태를 뛰므로 난류유동의 조건으로 계산을 하였다.
레이놀즈수는 300을 주었다. 해석을 위해 2D_Incomp-2.0로 계산을 수행하였다.
Fig. 4. 형상A Cp그래프 Fig. 5. 형상B Cp그래프 Fig. 6. 형상C Cp그래프
Fig. 7. 형상A vis Fig. 8. 형상B vis Fig. 9. 형상C vis
Fig. 10. 형상A 흐름도 Fig. 11. 형상B 흐름도 Fig. 12. 형상C 흐름도
3.1 형상A 유동해석
Blue Edge 블레이드 형상을 가진 모형으로 Fig 4에서는 나머지 2개의 형상보다는 압력이 가장 낮아 지는 결과를 나타냈다. 그래프에서 약간의 오차가 보이지만 전체적인 형상은 일치하는 면을 보이므로 결과를 신뢰 할 수 있다고 판단된다. Fig 7에서 다른 형상들과는 다르게 분포가 넓어지면서 위로 확산 되는 형태가 나타나고 있다. 이는 점성의 흐름이 분산되었음을 알 수 있다. 뒷부분에서 나타나는 형상은 다소 특이한 Blue Edge 만의 블레이드 팁의 모형이 원인이 됨을 유추할 수 있다. Fig10 흐름도를 보면 다른 형상들과는 다르게 휘어진 선이 나타남으로서 시간이 지남에 따라 블레이드 뒷부분에 와류가 확산 될 것임을 알 수 있다. 이는 뒷전에 와류가 한곳에 중첩되어 흐르지 않고 분산되어 흐르게 된다는 것으 로 생각할 수 있다.
제 2회 첨단 사이언스‧교육 허브 개발(EDISON) 경진대회
Fig 4와 Fig 6의 중간정도의 모습을 나타낸다. Fig8을 보면 점성의 흐름이 위로 약간 휘었지만 그 정도 가 심하지는 않음을 알 수 있다. 이는 형상 A와 형상 B의 중간정도를 나타내고 있다. 블레이드 끝 부분 에 주어진 후퇴각의 영향으로 나타난 것으로 유추할 수 있다. Fig11 흐름도와 함께 보면 블레이드 뒷전 의 와류의 흐름이 약간은 분산되었지만 그 정도는 미약하다고 할 수 있다.
3.3 형상C 해석
직사각형 블레이드 형상을 가진 모형으로 Cp그래프에서 가장 차이가 적게 나타났다. Fig9, 12에서 볼 수 있듯이 대칭적인 모형을 가지기 때문에 뒷전의 점성의 흐름도 대칭적으로 나타나고 있다. 이는 나머 지 형상A와 형상B의 결과를 비교하는데 기준이 될 수 있다.
4. 결 론
본 연구는 와류간섭 현상 감소 방법을 위한 연구로 블레이드 팁 형상의 변화가 블레이드 뒷전의 와류 흐름을 분산시켜서 와류간섭 현상을 감소시킬 수 있는지의 여부를 확인하기위한 것이다. 이를 확인하기 위하여 EDISON_CFD를 이용하여 대표적인 3개 형상의 블레이드 뒷전의 유동을 분석한 결과 블레이드 팁 형상을 가진 모형의 뒷전 유동에서 점성의 변화가 가장 크게 나타났고, 압력이 가장 낮아졌으므로 와류가 분산되어 분리가 일어났음을 알 수 있었다. 이와 같은 결과를 토대로 블레이드 팁 형상변화로 블레이드 뒷전의 와류를 분리시켜 와류 간섭현상을 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 형상 A와 형상 B 모두 블레이드의 와류 간섭을 줄이기 위한 블레이드 팁 설계가 들어간 디자인 이지만 형상 A, Blue Edge 모형이 더욱 탁월함을 알 수 있었다.
4. 토 의
헬리콥터 블레이드의 와류간섭을 해석하기위해서는 고려해야할 변수들이 너무 많다. 본 연구에서는 다 른 변수들은 모두 고려하지 않고 블레이드의 수평방향에서의 와류 간섭 효과에만 초점을 맞추어 연구를 진행하였지만, 실제 헬리콥터에 적용을 위해서는 여러 가지 변수들을 함께 고려한 연구가 필요하다. 이 번 연구를 바탕으로 수학적인 측면의 분석이 더해진다면 좀 더 체계적인 연구자원이 될 것이다.
참고문헌
(1) P. Rauch, M. Gervais, P. Cranga, A. Baud, J-F. Hirsch, A. Walter, P. Beaumier, “BLUE EDGETM: THE DESIGN, DEVELOPMENT AND TESTING OF A NEW BLADE CONCEPT”, EUROCOPTER, International Airport Marseille-Provence, 13725 Marignane Cedex, France, pp. 1~14.
(2) 김도형, 김승호, 한정화, 2009, “KUH 주로터 축소 블레이드 설계”, 항공우주기술 제8권 제1호, pp.
32~41.
(3) 정지영, 2008, “블레이드 와류 간섭 소음 저감을 위한 두 개의 깃 끝 와류 발생기법에 대한 수치해 석 연구 = Numerical study on the twin tip vortex generation to reduce the helicopter blade vortex interaction noise”, 서울대학교 대학원, pp.13~60.
(4) 정문승 ,이희동 ,권오준 ,강희정, 2008, "KUH 주로터 및 꼬리로터 블레이드의 제자리 비행 공력 해 석 = Aerodynamic Calculations of KUH Main/Tail Rotor Blade in Hover", 한국항공우주학회, pp.469~474.
(5) 조규원, 2002, "비정렬 적응 격자를 이용한 블레이드-와류 간섭에 따른 공탄성 변형 예측 =
한국과학기술원, pp.22~23.
