효율적인 구조설계 및 제작을 고려한 공력형상 설계

강왕구,이해창 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.4

In this paper, Structure designer's views on aerodynamic configuration design is summarized. Expected conflicts between different disciplines in the initial design stage are suggested and discussed. Design targets in aerodynamics and structures are compared in the initial design phase, and possible cooperation between two disciplines are discussed. Some design examples are suggested where aerodynamic and structural design targets conflict in the fuselage and wing design. 여객기 개발을 위한 다양한 임무 분야중 구조 개발자의 입장에서 공력분야에 대한 관점을 정리하였다. 각 임무별 개발 방향이 복합되어 있는 개발 초기에 발생가능한 문제점들을 정리하였다. 초기 싸이징 프로세스에 대해 검토하고, 구조와 공력간에 업무협력 방향을 제시하였다. 구조 설계 요구도를 요약하였다. 또 동체 및 주익의 개발시 발생가능한 공력-구조간의 협력 및 조정방안을 제안하였다.

차세대 터보프롭 항공기용 최신 프로펠러 블레이드 연구

최원(Won Choi) 한국항공우주학회 2012 韓國航空宇宙學會誌 Vol.40 No.12

깃끝단 후퇴각을 가지는 최신 터보프롭 항공기의 프로펠러 블레이드에 대한 공력설계 및 해석을 수행하였다. 프로펠러 형상 설계를 위한 익형은 HS1 계열을 적용하였다. 와류-깃요소 이론(Vortex-Blade element theory)을 기반으로 하고 최소에너지 손실 조건을 만족하는 Adkins의 방법을 적용하여 Conventional 프로펠러 블레이드에 대한 공력설계 및 성능해석을 하였다. 목표 항공기의 설계점에서 코드 길이와 피치각을 변경해 가며 프로펠러 형상을 생성하였다. Conventional 프로펠러 블레이드 형상 정보를 기반으로 코드 길이, 깃끝단 후퇴각을 수정 적용하여 최신 프로펠러를 설계하였다. 전산유체역학을 이용한 설계된 최신 프로펠러 공력특성 분석을 통하여 최신 프로펠러가 적절하게 설계되었음을 확인하였다. The aerodynamic design and analysis on advanced propeller with blade sweep was performed for recent turboprop aircraft. HS1 airfoil series are selected as a advanced propeller blade airfoil. Adkins method is used for aerodynamic design and performance analysis with respect to the design point. Adkins method is based on the vortex-blade element theory which design the propeller to satisfy the condition for minimum energy loss. Propeller geometry is generated by varying chord length and pitch angle at design point of target aircraft. Advanced propeller is designed by apply the modified chord length, the tip sweep which is based on the geometry of conventional propeller. The aerodynamic characteristics of the designed Advanced propeller were verified by CFD(Computational Fluid Dynamic) and evaluated to be properly designed.

수직축 풍력 블레이드의 복합재 적용 설계, 제작 및 시험 평가 연구

박현범 항공우주시스템공학회 2018 항공우주시스템공학회지 Vol.12 No.3

본 연구는 수직축 풍력 발전 시스템의 복합재 블레이드에 대한 설계 및 제작 연구이다. 본 연구에서수직축 풍력 발전용 복합재 블레이드의 공력 및 구조 설계를 수행하였다. 1차적으로 복합재 블레이드의공력 및 구조 설계 요구 조건이 분석되었다. 구조 설계 이후 유한 요소 해석 기법을 활용하여 풍력 블레이드 구조의 구조 해석이 수행되었다. 적용 하중 조건에서 응력 및 변위 해석이 수행되었다. 단계적구조 해석을 통해 취약 부위의 개선 설계 방안을 제시하였다. 구조 해석을 통해 최종 설계된 블레이드구조는 안전한 것으로 확인되었다. This work dealt with the design and manufacturing of composite blades of a vertical axis wind turbine system. In this work, aerodynamic and structural designs of sandwich composite blades for a vertical axis wind turbine system were performed. First, the aerodynamic and structural design requirements of the composite blades were investigated. After the structural design was complete, a structural analysis of the wind turbine blades was performed using the finite element analysis method. It was performed with the stress and displacement analysis at the applied load condition. A design modification for the structurally weak part was proposed as a result of the structural analysis. Through another structural analysis, it was confirmed that the final designed blade structure is safe.

10kW 풍력발전기 블레이드 형상 개념 설계 및 타당성 검증

유철,손은국,황성목,김대진,김석우 항공우주시스템공학회 2017 항공우주시스템공학회지 Vol.11 No.6

A 10kw wind turbine blade aerodynamic design was carried out using the self-developed program AeroDA. The concept, basic shape, and optimization were designed and verified. A performance analysis was carried out and the key factors in each design stage are summarized. In addition, a guide for the placement of cross-section airfoils constituting the blades is presented, and the importance of the stall margin test as a method of verifying aerodynamic design is summarized. In order to verify the design program AeroDA, we compared the results of the performance analysis with a specialized program DNVGL_Bladed. 풍력 발전기 블레이드 공력 설계 프로세스를 정리하고 자체 개발한 프로그램을 이용하여 10kw 블레이드 공력 형상 설계를 진행하였다. 개념설계, 기본 형상 설계, 최적화 설계, 설계 검증 및 성능 해석순으로 진행하였으며, 각 설계 단계에서 중요한 설계 인자에 대해서 정리하였다. 또한 블레이드를 구성하는 단면 익형의 배치에 대한 가이드를 제시하였으며, 공력 설계를 검증하는 방법으로 stall margin 확인의 중요성에 대해서 정리하였다. 자체 개발한 설계 프로그램의 결과를 BEMT 기반의 전문 프로그램DNVGL Bladed의 성능 해석 결과와 비교하여 제시하였다.

발전용 소형가스터빈의 축류터빈 공력설계

김중석(Joung Seok Kim),이우상(Wu Sang Lee),류제욱(Je Wook Ryu) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集B Vol.37 No.4

본 논문은 두산중공업㈜에서 개발 중인 소형 가스터빈의 축류 터빈 설계 과정을 기술하였다. 축류 터빈의 설계 과정은 크게 유로설계, 익형설계, 3D 성능 계산의 세 단계로 구성되며. 최적의 유로를 설계하기 위해 자오면의 형상, 평균 반경, 블레이드간 간격, 유로 형상각 등 여러 형상 변수에 대해 통과유동계산 및 손실계산을 수행한다. 익형 설계는 유로 설계시 스팬 방향으로 계산된 입출구 유동각을 기준으로 실험상관식을 적용하여 최적의 블레이드 개수를 결정한 후 2D 익형 단면을 설계하며 2D NS 계산을 통해 캐스케이드 유동구조를 검토하여 설계한 단면의 설계적정성을 평가한다. 설계된 2D 익형 단면을 스팬 방향으로 적층하여 3D 익형을 생성하고, 다단 Euler 계산, 단익렬, 다단 NS 계산을 수행하여 3D 유동 특성을 고찰한다. This study describes the aerodynamic design procedure for the axial turbines of a small heavy-duty gas turbine engine being developed by Doosan Heavy Industries. The design procedure mainly consists of three parts: namely, flowpath design, airfoil design, and 3D performance calculation. To design the optimized flowpath, throughflow calculations as well as the loss estimation are widely used to evaluate the effect of geometric variables, for example, shape of meridional plane, mean radius, blades axial gap, and hade angle. During the airfoil design procedure, the optimum number of blades is calculated by empirical correlations based on the in/outlet flow angles, and then 2D airfoil planar sections are designed carefully, followed by 2D B2B NS calculations. The designed planar sections are stacked along the spanwise direction, leading to a 3D surfaced airfoil shape. To consider the 3D effect on turbine performance, 3D multistage Euler calculation, single row, and multistage NS calculations are performed.

가변 피치형 수평축 풍력 터빈의 공력 최적설계 및 피치제어 성능 연구

유기완(Ki-Wahn Ryu) 한국항공우주학회 2007 韓國航空宇宙學會誌 Vol.35 No.10

피치 제어형 수평축 풍력터빈에 대한 공력최적 설계 형상과 피치 변화에 따른 공력 성능 특성을 수치적으로 계산하였다. 수치적 방법은 날개 요소이론을 적용하였으며, Prandtl의 팁 손실 효과, 에어포일의 분포 효과, 후류의 회전 효과 등을 고려하였다. 블레이드 설계에는 총 6개의 서로 다른 에어포일을 사용하였으며, 구조적 강성을 갖기 위해서 허브 측에는 최대 40% 두께비의 에어포일을 분포시켰다. 최적 설계에서 얻어진 비선형 코드 길이는 제작성과 무게 등을 고려하여 선형화 시켰고, 선형화에 따른 공력성능 변화는 무시할만하다는 결과를 얻어내었다. 피치각 변화에 따른 동력성능, 추력성능, 토크 성능 곡선을 비교한 결과 3°의 피치각 변화에도 민감한 공력 값의 변동이 생김을 알 수 있었고, 정밀한 피치 제어를 위한 각도 제어는 증분이 3°보다 작은 값으로 피치 제어 알고리즘과 피치 구동장치가 필요함을 알 수 있었다. 또한 최대 토크는 설계속도비보다 작은 속도비에서 발생되는 결과를 보여주었다. Optimal aerodynamic design for the pitch-controlled horizontal axis wind turbine and its aerodynamic performance for various pitch angles are performed numerically by using the blade element momentum theory. The numerical calculation includes effects such as Prandtl's tip loss, airfoil distribution, and wake rotation. Six different airfoils are distributed along the blade span, and the special airfoil i.e. airfoil of 40% thickness ratio is adopted at the hub side to have structural integrity. The nonlinear chord obtained from the optimal design procedure is linearized to decrease the weight and to increase the productivity with very little change of the aerodynamic performance. From the comparisons of the power, thrust, and torque coefficients with corresponding values of different pitch angles, the aerodynamic performance shows delicate changes for just 3° increase or decrease of the pitch angle. For precisive pitch control, it requires the pitch control algorithm and its drive mechanism below 3° increment of pitch angle. The maximum torque is generated when the speed ratio is smaller than the designed one.

중형항공기급 고효율 경량화 복합재 프로펠러 블레이드 설계 연구

공창덕(Changduk Kong),이경선(Kyungsun Lee),박현범(Hyunbum Park),최원(Won Choi) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.5

본 연구에서는 한국의 차세대 중형항공기에 사용될 터보프롭 항공기용 고효율 복합재 프로펠러 블레이드의 설계를 수행하였다. 와류 이론과 블레이드 깃 요소 이론을 활용하여 기본 공력설계 및 성능 해석을 수행하였고 공력설계 결과는 상업용 전산유체해석 프로그램인 ANSYS를 이용한 해석을 통해 확인하였다. 프로펠러 구조 설계 시 카본/에폭시 복합재료가 적용되었으며, 경량화와 구조 안정성 개선을 위하여 스킨-스파-폼 샌드위치 구조 형식를 채택하였다. 제안된 프로펠러 블레이드는 공력 및 구조 해석과 시제품 프로펠러 블레이드의 구조 시험을 통하여 높은 효율과 안전한 구조임이 검토되었다. In this study, designs of the high efficiency composite propeller blade for a high speed turboprop aircraft, which will be used for a next generation regional commercial aircraft in Korea, are performed. Both the vortex theory and the blade element theory are used for preliminary aerodynamic design and performance analysis of the propeller. Then the aerodynamic design result is confirmed through performance analysis using a commercial CFD code, ANSYS. The carbon/epoxy composite materials is used, and the skin-spar-foam sandwich type structure is adopted for improvement of lightness and structural stability. Finally, it is investigated that the proposed propeller blade has high efficiency and structural safety through both aerodynamic and structural analysis and experimental test of a prototype propeller blade.

베인형 다기능 대기 자료 센서의 공력 설계

박영민(Y.M Park),최인호(I.H. Choi),이융교(Y.G. Lee),권기정(K.J. Kwon),김성찬(S.C. Kim),황인희(I.H. Hwang) 한국전산유체공학회 2010 한국전산유체공학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.5

Aerodynamic design of the vane type multi-function probe was tried by using CFD and wind tunnel test for the MALE UAV and small business jets. The present multi-function probe con measure total pressure, static pressure and angle of attack by using rotating vane. Therefore, major performances are determined by aerodynamic characteristics of vane. In oder to design the sensor compatible to the requirement, aerodynamic characteristics of sensors was investigated by using CFD and dynamic response analysis was also performed for transient performance. The final aerodynamic performance was measured by the wind tunnel test at Aerosonic and the results are compared with the present design. The results showed that the aerodynamic design using the CFD can be successfully used for the design of vane type multi-function air data sensor.

LNG 플랜트용 프로판 냉매 원심압축기의 공력설계 및 전산해석적 연구

박주훈(Joo Hoon Park),이원석(Won Suk Lee),신유환(You Hwan Shin),김광호(Kwang Ho Kim),이윤표(Yoon Pyo Lee),정진택(Jin Taek Chung) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.8

본 연구에서는 4단으로 구성된 LNG 플랜트용 프로판 냉매 원심 압축기 각 단의 설계점에 대해 상용 코드를 이용하여 공력설계를 하였다. 1차원 공력 설계 결과와 3차원 유로 형상의 타당성은 유동해석을 통해 확인하였다. 특히 입구전압이 높고 회전수가 큰 4단 압축기 임펠러의 유로와 베인리스 디퓨저 내부 유동에 대한 속도장, 압력장 및 엔트로피 등의 유동특성에 대해 고찰하였고, 아울러 익단 간극이 유동장에 미치는 영향에 대해서도 알아보았다. 본 연구 결과는 프로판 냉매 압축기의 시스템 제작에 활용될 것이며 추후 실제 실험결과와 비교하고자 한다. 향후 설계된 프로판 냉매압축기에 대한 LNG 플랜트에서의 실증시험을 통해 구체적인 설계결과에 대한 평가 및 설계 개선이 이루어지리라 생각한다. We design a four-stage propane-refrigerant centrifugal compressor for an LNG plant. Using a commercial code, we aerodynamically designed the compressor at each design point of the corresponding stages. We estimated the one-dimensional aerodynamic design output and the three-dimensional shape of the impeller flow passage via three-dimensional flow analysis. In particular, we discuss in detail the flow characteristics of the impeller and the vaneless diffuser passages of the fourth-stage compressor in terms of the velocity fields, the pressure, and the entropy distributions of the flow passages. We include the flow effects of the tip clearance flow, because at this stage the rotating speed and total inlet pressure are higher than those at the other compressor stages are. We carried out performance tests of the designed compressor stages using propane as a refrigerant in the LNG cycle. The practical evaluation could lead to design enhancements in the future.

전산해석 및 풍동시험을 이용한 다기능 대기 자료 센서의 공력 설계

박영민(Y.M. Park),최인호(I.H. Choi),이융교(Y.G. Lee),권기정(K.J. Kwon),김성찬(S.C. Kim),황인희(I.H. Hwang) 한국전산유체공학회 2010 한국전산유체공학회지 Vol.15 No.3

Aerodynamic design of the vane type multi-function probe was tried by using CFD and wind tunnel test for the MALE UAV and small business jets. The present multi-function probe can measure total pressure, static pressure and angle of attack by using rotating vane. Therefore, major performances are determined by aerodynamic characteristics of vane. In order to design the sensor compatible to the requirement, aerodynamic characteristics of sensors were investigated by using CFD and dynamic response analysis was also performed for transient performance. The final aerodynamic performance was measured by the wind tunnel test at Aerosonic and the results were compared with the present design. The results showed that the aerodynamic design using the CFD can be successfully used for the design of vane type multi-function air data sensor.