1.서 론
선박을 운항할 때 효과적인 항로유지와 안정적인 항주자 세를 확보하는 것이 매우 중요하며 이를 위하여 사용되는 대표적인 양력발생장치로서는 타(rudder)와 자세제어용 날개 장치가 있다. 이들 양력을 이용하는 날개장치는 큰 양력을 얻으면서도 항력이 적다는 장점이 있어서 보편적으로 선박 의 제어장치로 사용되고 있다. 그런데 이들 날개장치에서 얻어지는 양력은 날개를 스치며 지나는 유동속도와 직접적 으로 관계를 가지고 있다. 따라서 저속상태에서는 얻을 수 있는 양력도 급격하게 줄어드는 문제점을 가지고 있다.
선박이 입항 또는 출항하는 상태이거나 번잡한 항로 또는 좁은 수로에서 운항 하는 경우에는 저속운항이 불가피하고 이때에는 타에 유입되는 유속이 낮기 때문에 충분한 양력을 얻을 수 없게 된다. 따라서 특정수역에서 운항하여야 하는 경우에는 예인선의 도움을 받아 운항하는 것이 일반적이다. 따라서 자연스럽게 양력발생장치 특히 선박의 타 장치에서 타력을 높일 수 있는 방안을 모색하게 되었다.
독일의 Becker사는 주 날개와 보조날개를 연동시켜 유효 타각을 증가시킴으로서 타력을 증가시키는 플랩 러더를 개 발하여 선박용 양력 발생장치로 공급하고 있다. 또한 최근 에는 타의 투영면적이 가동부분의 면적과 같은 전 가동 타 (full spade rudder)를 공급하고 있다.
이러한 새로운 고안으로도 선속자체가 작은 상태에서는 양력을 얻는 데에는 근본적인 제약을 받게 된다. 따라서 큰 양력을 얻기 위하여 새로운 형식의 양력 발생 장치가 필요하 게 되었다. 진행되고 있는 대표적인 연구로서는 콴다(Coanda) 현상을 응용하는 다양한 연구가 국내에서 진행된바 있다(Ahn and Kim, 1999, 2003; Hong and Lee, 2004; Seo et al., 2010).
다른 한편으로 Brook(1963)은 날개장치에 회전하는 원통 을 부착하여 양력증가에 활용할 수 있음을 실험으로 확인하 였다 또 Al-Garni et al.(2000)은 날개의 앞날에 회전 원통을 두어 양력을 증가시킬 수 있음을 풍동실험으로 확인하였다. 그러나 이들 연구는 크게 주목받지 못하였으며 회전원통 자 체의 유동특성에 대한 연구들만이 보고된 바 있다(Choi et al., 2002; Moon et al., 2005).
이들 연구로부터 양력발생장치의 날개 뒷날에 회전자를 부착하여 큰 양력을 얻을 수 있을 것이라는 점에 착안하여 Oh and Kim(2010)은 수치적 연구를 수행하였고 효과가 좋음 을 확인하여 실용화 가능성도 예상한 바 있다.
본 연구에서는 Oh and Kim(2010)이 제안한 날개 뒷날의 회 전자를 제어하는 고양력 발생장치의 실용화가능성 여부를 확실하게 파악하고자 실험적 연구를 수행하였다. Oh and Kim(2010)이 수행한 수치계산과 동일한 모형을 제작하고, 유 체력을 계측할 수 있는 분력계를 설계 및 제작하였으며, 캐 비테이션 터널에서 회전자의 회전에 따른 양력특성을 수치 계산결과와 비교하였다.
2.실험 모형 및 장비
2.1.모형 제원
실험 모형으로는 Oh and Kim(2010)와 동일하게 코드 길이 가 200mm인 NACA 0020 단면을 기준으로 하였으며 Fig. 1과 같이 뒷날에서부터 코드의 16 % 위치에 직경이 코드길이의 7 %인 회전자를 두는 것으로 하였다.
모형은 Fig. 2와 같이 고정부와 가동부 그리고 회전자로 구성되어 있으며, 고정부와 가동부에는 Fig. 2에는 유체력을 계측할 수 있는 분력계(sting type 3-component load cell)을 제 작하여 고정부와 가동부 내부에 삽입하여 일체 구조가 되도 록 계획하였다. 대형 상선의 스팬 12 m 급 타 장치에서 고정 부와 플랩 사이의 간격이 100~150 mm 정도가 된다는 것을 고려하여 모형에서는 1 mm로 결정하였다. 모형의 스팬(span)은 서울대학교 캐비테이션 터널의 계측부 단면의 폭이 150 mm이 므로 터널 벽과 간섭을 일으키지 않도록 148 mm로 하였다. Fig. 3은 제작된 모형의 사진이다.
2.2.3-component 분력계
Oh and Kim(2010)의 수치계산 결과를 참고하여 고정부와 가동부에 작용하는 유체력을 계측하기 위한 3-분력계의 용 량을 Table 1과 같이 결정 하였다. 그리고 해당하는 계측용 량에 적합한 전용의 분력계를 전단응력 계측방식으로 설계 하고 스트레인 로제트를 사용하여 분력 검출 브리지 회로를 구축하였으며 중공관의 내부로 신호선을 터널 밖으로 인출 하여 스트레인을 검출 할 수 있도록 계획하였다. 설계 제작 한 검력계는 Fig. 4와 같다.
2.3.회전자 구동 모터
회전자를 회전시켰을 때 충분한 순환유동 제어 효과를 낼 수 있어야 함으로 충분한 고속운전이 가능하도록 17,000 rpm 까지 운전이 가능한 DC 모터와 제어기를 선정하여 구동시 스템을 Fig. 5와 같이 구축하였다.
2.4.모형 조립 및 설명
시험용 모형을 고정부와 가동부를 분리하여 제작하였으 며 고정부와 가동부는 모형 내부에 분력계를 고정할 수 있 도록 계획하였다. 분력계는 캐비테이션 터널에서 시험하기 위한 모형내부에 장착되므로 수밀이 보장되는 한편 수밀처 리가 하중계측에 영향을 주지 않아야 함으로 유연한 다이어 프렘형 밀봉장치를 설계하여 사용하였다. 분력계의 중공축 은 터널 밖으로 유도되며 축 내부를 통하여 브리지 회로로 에 걸리는 스트레인을 계측하도록 하였다.
가동부에 작용하는 각 변위의 영향을 조사하여야 함으로 캐비테이션 터널의 측면 덮개 판에 회전이 가능한 원환 A를 두고 그 중심에 원판 B를 조립 하도록 Fig. 6과 같이 계획하 였다. 원환 A는 측면 덮개 판에 회전시켜 고정 시킬 수 있으 며 원판 B는 원환 A에 대하여 ±30° 범위에서 각 회전이 가 능하도록 계획하였다.
원판 B의 중심 위치에는 가동부의 분력계축을 고정 시키 는 한편 고정부에 설치되는 분력계의 축을 원판의 반경선 상에 고정시켜 고정부와 가동부가 중심축을 중심으로 상대 적인 각 변위를 일으킬 수 있도록 하였다. 다른 한편으로 회 전자는 큰 원환(A)에 고정점에 설치하는데 원판(B)에 설치되 는 가동부의 후단부와 상대 변위를 일으키지 않도록 계획한 다. 회전자의 축은 밀봉장치를 사용하여 원환 A를 관통하며 터널 외부에 설치된 DC 서보모터로 제어가 가능하도록 하 였다.
원환 A를 측면 덮개 판에 설치하는 방향과 원환 A와 원 판 B의 상대적 조립 각도를 조절하여 주면 에 삽입하며, 고 정부와 가동부가 터널 내부의 흐름 중에서 이루는 받음각과 가동부의 각 변위를 조절 할 수 있다. 동시에 각각의 상태에 대하여 회전자의 회전 속도를 조절 할 수 있으므로 다양한 조건에 대하여 회전자가 양력강화에 미치는 영향을 조사 할 수 있다.
2.5.교정시험
고정부와 가동부 각각에 설계 제작한 분력계를 삽입하여 조립하였다. 분력계가 삽입된 가동부와 고정부는 분력계의 외피가 되며 실험은 분력계의 외피에 작용하는 유체력을 계측하는 특수한 경우에 해당한다. 조립이 끝난 실험용 모 형의 상태는 Fig. 7과 같으며 이 상태에서 고정부와 가동부 에 대한 교정시험을 실시하였다. 교정시험을 위하여 가동부 와 고정부 각각의 스팬 중앙부에 분력계에 하중을 걸어주 기 위한 하중점을 압력면과 흡입면 양 쪽에 선정하였다. 선 정한 위치에 볼트를 고정한 후, 유연한 와이어를 사용하여 타 방향 성분이 발생하지 않도록 하며 교정시험하중을 걸 어주었다.
3-component 하중 Fx, Fy, Mz을 변화시켜주며 교정시험을 수행하였으며 Fig. 8와 Fig. 9에 보인 것과 같은 결과를 얻었 다. 분력계는 순수 전단응력 검출형으로 설계 제작하였다. 3 분력계는 선형성이 우수하고 성분 간의 간섭이 적어 실험 목적으로 매우 적합한 성능을 가지는 것으로 나타났다.
3.실험 조건 및 방법
코드 길이가 200 mm인 NACA0020 단면의 뒷날 부분을 회 전자로 바꾸어주고 회전자의 영향을 수치해석으로 조사한 Oh and Kim(2010)의 결과와 비교하기 위하여 Fig. 2와 같이 코드길이가 175 mm인 실험 모형을 제작하였다. 모형의 받음 각과 가동부의 각회전 그리고 회전자의 회전 속도를 바꾸어 가며 실험을 수행하였다. 대표적인 경우로서 유속이 1.1 m/sec 이고 가동부가 10°의 각 회전을 일으킨 경우를 선정하여 살 펴보기로 하였다. 실험 조건에서의 레이놀즈수(Rn)는 2.2✕ 105이다. 회전자의 회전속도(UC)는 식(1)과 같이 유입류의 속 도(U∞)로 무차원화하였다.
R : radius of the rotor (m)
n : revolutions per second (1/s)
무차원 회전속도(UC/U∞)를 기준으로 0 ~ ± 3.6의 범위로 정 방향(양력 증가 방향)과 역방향(양력 감소 방향)으로 회전시 키면서 실험을 수행하였다.
한편, Fig. 10와 같이 플랩의 각변위(θ )가 주어지면, 내부에 설치된 분력계도 θ 만큼 각 변위를 일으키므로 양력과 항력 은 식(2)와 같이 계산하였다.
L : lift (N)
D : drag(N)
Fij : measured force(N)
[i = X, Y; j = 1 ( fixed part), 2 (flap)]
또한, 본 연구에서는 양력 및 항력계수를 식(3)과 같이 정의하였다.
L : lift(N)
D : drag(N)
ρ : density(kg/m3)
C : chord length (m), 0.2m
S : span length (m), 0.148m
U∞ : upstream velocity(m/s), 1.1m/s
계측되는 분력은 NI usb-6341 DAQ 를 이용하여 취득하였 으며, sampling rate는 1 kHz, sample 개수는 5,000개로, UC/U∞ 마다 5초 동안 계측하여 평균값을 채택하였다.
컨트롤러를 모터 드라이버에 연결하여 회전자를 제어하였 다. 모터에 500 pulse/rev를 발생하는 엔코더의 A상과 B상의 신호를 1 pulse 당 4번 계수하여 고정도 제어가 가능하였다.
Fig. 11은 캐비테이션 터널에 설치된 실험 모형을 개략적 으로 도시한 평면도이다. 모형과 캐비테이션 터널이 간섭을 일으키지 않도록 고정부와 가동부는 터널의 측벽이나 관측 창으로부터 1 mm의 간격을 유지하도록 계획하였다. 고정부 와 가동부는 분력계로만 고정되도록 하였다.
4.실험 결과 및 고찰
앞에서 설정한 실험을 수행하여 Fig. 12의 횡축에 UC/ U 로 표기하고 종축에는 얻어진 양력계수를 ● 로 나타내고 항 력계수를 로 표기하였다. 그리고 Oh and Kim(2010)의 계산 결과비교하기 위하여 Rn=1.876✕105일 때의 양력계수를 ▲ 로 나타내고 항력계수를 △ 로 나타내었다. 마찬가지로 Rn=3.752✕105일 때의 양력계수는 ▶ 로 나타내고 항력 계수 는 ▷ 로 표시하였다.
먼저 실험결과를 살펴보면, 회전자의 무차원 회전속도 UC/U∞ 가 증가함에 따라서 양력도 증가하는 것을 알 수 있 다. 회전자가 정지되어 있는 상태에서는 양력계수 CL은 약 0.41이었으나 실험을 수행한 최대 무차원 회전속도인 UC/U∞ = 3.6까지는 CL이 선형적으로 증가하여 약 0.83에 이르는 것 을 알 수 있다. 이와 같이 회전자를 회전시키는 것만으로도 양력 발생장치로부터 2배의 양력을 얻을 수 있음을 확인 하 였다. 회전자의 회전 방향을 반대 방향으로 바꾸어준 경우 에 대하여서도 회전자의 영향을 조사 하였다. 회전자의 무 차원 회전속도 UC/U∞ 를 3.6까지 줄여가며 실험을 실시하 였으며 역회전 속도가 증가함에 따라서 양력의 감소율이 점 차 증가하는 것을 확인할 수 있다. 최대 역방향 무차원 회전 속도 UC/U∞ 가 3.6일 때 CL은 약 0.23으로 나타났다. 가동 부의 각 변위에 따르는 회전자의 영향을 조사하면 실제 날 개장치 설계에 적용할 수 있는 자료를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 또한 고정부가 유동에 대하여 특정한 받음각을 가지는 경우에도 실험적 조사를 한다면 수평안정 핀 등의 설계에 활용할 수 있는 자료가 될 것으로 기대 된다.
회전자의 무차원 회전 속도UC/U∞ 를 증가시킬수록 항력 (CD)이 증가하고, 회전자를 역회전 시켰을 때는 무차원 역회 전 속도가 증가함에 따라 즉 UC/U∞ 가 (-)로 감소할수록 항력 도 감소한다. 그러나 CL이 0이 되는 무차원 회전속도인 UC/U∞ = 2.5 정도에서 항력도 최소가 되며 이보다 더 빠른 역회 전 속도에서는 항력이 다시 증가하는 현상이 나타나는 것을 확인할 수 있다.
실험 결과를 Oh and Kim(2010)의 수치계산 결과와 비교해 보면, 양력과 항력 모두 회전자가 회전을 하지 않는 경우에는 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 회전수의 변화에 따른 양력의 변화량이 계산결과가 보다 크게 나온 것을 확인 할 수 있는데, 이러한 경향은 크게 두 가지의 원인에서 기인 한 것으로 판단하고 있다. 하나는 회전자 표면의 거칠기로서 계산과 실험에서의 표면거칠기가 동일하지 않기 때문에 회전 자에 의한 영향이 서로 다르다는 점이고, 다른 하나는 플랩의 분력계를 가늘게 설계하여 민감도는 높아졌으나, 유동에 의 하여 미세하게 플랩의 움직임이 있었고, 이로 인하여 실제 편 향각이 10도가 안될 수 있다는 점이다. 후자의 경우는 향후 연구에서 보완할 예정이다. 양력의 기울기를 비교해 보면, UC/U∞ =0을 기준으로, 계산결과에서는 (+)회전시의 기울기보 다 (-)회전시의 기울기가 훨씬 크지만, 실험결과에서는 그 차 이가 상대적으로 작은 것을 확인할 수 있다. 이 또한 플랩의 분력계를 보완한 후 재확인이 필요한 사항이다.
항력의 경우에는 (-)회전시에 계산과 실험이 거의 일치하 고 있으나, (+)회전시에는 적지 않은 차이가 있음을 확인할 수 있다. 날개 표면의 거칠기 정도에 따른 마찰저항의 차이 가 있을 수 있으며 날개 양 끝단의 1 mm의 간격에서 발생하 는 유동특성에 기인하여 이러한 차이가 발생할 것으로 예상 하여, 향후 수치계산도 실험과 동일한 조건에 대하여 비교 를 할 예정이다.
본 연구에서 언급한 문제점들을 보완하여 다양한 편향각 및 받음각에서 실험을 수행하면 날개의 유체역학적 성능에 미치는 영향을 파악할 수 있을 것이다.
5.결 론
본 연구에서는 고정부와 플랩으로 구성된 NACA0020 형 상의 날개 뒷날에 회전자를 부착하여 회전자의 회전 속도를 변화시키며 양력 및 항력 특성을 실험을 통하여 살펴본 결 과 회전자의 회전속도에 따라 회전자가 정지된 상태보다 2 배가 넘는 양력계수의 증가가 있음을 확인하였다. 또한, 회 전방향을 양력이 감소하는 쪽으로 하였을 때는 정지상태에 보다 절대값으로는 약 0.5배이며 방향은 반대인 양력을 발생 시킬 수 있음을 확인하였다. 따라서 뒷날의 회전자로 양력 의 조절이 충분히 가능하며, 향후 다양한 받음각 및 편향각, 그리고 회전속도에 따른 양력 및 항력 특성을 파악하면, 선 박의 타 장치 및 고정식 수평안정핀 등에 충분히 적용이 가 능한 결과를 도출할 수 있을 것으로 기대한다. 향후에는 본 연구에 이어서 3차원 날개형상에 대한 CFD해석과 실험을 수행하여 3차원효과를 고려한 회전자를 이용한 고양력 발생 장치에 대한 연구를 수행할 예정이다.
