KR100929002B1 - 풍동실험장치 및 풍동실험방법 - Google Patents

풍동실험장치 및 풍동실험방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전체를 가압 유체의 방향에 대하여 일정 각도 기울일 수 있도록 구성되며 작동 유체가 공급되는 유로를 구비하는 지지부재와, 내부로 작동 유체에 유입됨에 따라 상기 회전체를 록킹 또는 록킹 해제시키는 록킹 유닛과, 상기 회전체 및 지지부재에 각각 연결되며 상기 회전체의 록킹 해제시 상기 작동 유체에 의해 상기 회전체를 회전시키는 회전 구동유닛, 및 상기 지지부재의 일측에 고정되며, 상기 회전체의 회전시 마그너스 효과에 의해 상기 회전체에 작용하는 측력을 측정하는 센싱 유닛을 포함하는 풍동실험장치 및 이와 관련된 풍동실험방법에 관한 것으로서, 마그너스 효과에 의하여 회전체에 작용하는 측력을 정확하고 효율적으로 측정하기 위한 것이다.

Description

풍동실험장치 및 풍동실험방법{WIND TUNNEL TESTING APPRATUS AND METHOD FOR WIND TUNNEL TESTING}
본 발명은 마그너스 효과에 의해 회전체에 발생하는 측력을 측정하기 위한 풍동실험장치 및 풍동실험방법에 관한 것이다.
도 1a은 마그너스 효과를 설명하기 위한 비행체의 사시도이며, 도 1b는 도 1a의 Ⅰ-Ⅰ 라인을 따르는 비행체의 단면도이다.
마그너스 효과란 회전체가 회전하면서 유체 속을 지나갈 때, 회전축과 진행 방향의 양쪽에 수직으로 힘을 받는 현상을 말한다.
즉, 도 1a와 같이 마그너스 효과는 받음각(α)을 가지며 회전하는 비행체(10)의 주변에 형성되는 비대칭 경계층이나 박리점 비대칭에 의해 측력이 발생하는 현상을 말하며, 이러한 측력은 마그너스 힘(Fmagnus)으로서 다음과 같이 나타내어질 수 있다.
Figure 112008032990173-pat00001
마그너스 힘(Fmagnus)은 비행체의 회전수(P,rad/sec)와 자유류의 속도(V)간의 벡터 외적 방향으로 발생한다. 즉, 도 1b와 같이 오른쪽 방향(시계 방향)으로 회전하는 비행체(10)의 경우 받음각이 양의 값을 가지면 비행체의 오른쪽을 통과하는 공기의 속도가 왼쪽을 통과하는 공기의 속도보다 느리게 된다. 이에 따라, 비행체(10)의 오른쪽 압력이 왼쪽의 압력보다 높아짐에 따라 비행체에는 오른쪽에서 왼쪽 방향으로 측력(F)이 발생하게 된다.
마그너스 효과는 측력 계수(side force coefficient, Cy)와 요잉 모멘트 계수(yawing moment coefficient, Cn)의 모형 회전수에 대한 1차 도함수 형태로 정의되며, 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure 112008032990173-pat00002
,
Figure 112008032990173-pat00003
여기서, pd/2V는 비행체의 기준 길이를 사용한 무차원 회전특성인자(spin parameter or reduced frequency parameter)에 해당한다.
이러한 마그너스 효과는 회전하는 유도탄과 로켓, 및 포탄 발사체 등의 타격 정밀도를 결정함에 있어서 주요 설계요소로 작용하며, 마그너스 효과로 인해 발생하는 측력과 모멘트 자료의 추출이 설계에 있어 매우 중요한 요소이다. 그러나, 현재 실험 환경에 있어서는 고속 풍동에서의 풍동 작동 시간의 제약 등으로 인하여 마그너스 효과를 직접적으로 측정하기 보다는 추정하고 있는 실정인 바, 현 상황에서 타격 정밀도 향상에 제한이 따르고 있다.
본 발명은 마그너스 효과에 의하여 회전체에 작용하는 측력을 정확하고 효율적으로 측정하기 위한 풍동시험장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 회전체를 록킹 또는 록킹 해제시킬 수 있도록 구성하여, 단일의 풍동 실험에서 정적 및 회전 실험을 함께 수행할 수 있도록 하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 회전체를 가압 유체의 방향에 대하여 일정 각도 기울일 수 있도록 구성되며 작동 유체가 공급되는 유로를 구비하는 지지부재와, 내부로 작동 유체에 유입됨에 따라 상기 회전체를 록킹 또는 록킹 해제시키는 록킹 유닛과, 상기 회전체 및 지지부재에 각각 연결되며 상기 회전체의 록킹 해제시 상기 작동 유체에 의해 상기 회전체를 회전시키는 회전 구동유닛, 및 상기 지지부재의 일측에 고정되며, 상기 회전체의 회전시 마그너스 효과에 의해 상기 회전체에 작용하는 측력을 측정하는 센싱 유닛을 포함하는 풍동실험장치를 개시한다.
상기 록킹 유닛은 상기 회전체의 선단부에 고정되는 제1록킹부와, 상기 작동 유체의 압력에 의해 상기 제1록킹부에 교합 되도록 구성되는 제2록킹부를 포함할 수 있다.
상기 제1록킹부는 삽입홈을 구비하는 록킹 플레이트를 포함하며, 상기 제2록 킹부는 상기 센싱 유닛의 일측에 고정되며 내부로 작동 유체를 유입시키기 위한 복수의 유입홀들을 구비하는 실린더와, 상기 실린더의 내부에 상기 작동 유체에 의해 이동 가능하게 장착되는 피스톤, 및 상기 피스톤에 고정되며 상기 피스톤의 이동에 따라 상기 삽입홈에 삽입되는 삽입돌기를 구비하는 록킹부재를 포함할 수 있다.
상기 피스톤과 실린더의 사이에는 상기 록킹부재가 상기 록킹 플레이트에 임의로 접촉되는 것을 방지하는 스프링이 더 구비될 수 있다.
상기 회전 구동 유닛은 상기 지지부재 상에 장착되며 상기 유로에 연결되어 상기 작동 유체를 공급받는 챔버와, 상기 챔버의 외부에 장착되어 상기 작동 유체를 챔버의 외부로 분출시키는 노즐, 및 상기 회전체의 내주면에 고정되며 상기 분출된 작동 유체에 의해 회전되어 상기 회전체를 회전시키는 로터를 포함할 수 있다.
상기 센싱유닛은 상기 회전체의 내주면에 고정되어 상기 회전체와 함께 회전하는 외부 실린더와, 상기 외부 실린더의 내부에 위치하며 회전 연결부에 의해 상기 외부 실린더와 상대 회전 가능하게 결합되는 내부 실린더, 및 상기 내부 실린더의 내부에 장착되며, 상기 내부 실린더에 작용하는 측력을 측정하는 측력 센서를 포함할 수 있다.
상기 회전체와 상기 지지부재의 사이에 장착되어 상기 회전체의 회전수를 측정하는 회전수 측정 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 회전수 측정 유닛은 상기 회전체에 고정되며 서로 다른 반사율을 갖는 제1 및 제2반사 패턴들이 둘레를 따라 번갈아 배치되는 부싱과, 상기 지지부재의 외주면에 장착되며 상기 부싱이 회전됨에 따라 상기 제1 및 제2반사 패턴을 감지하는 광센서, 및 상기 광센서에서 출력되는 신호를 처리하여 상기 회전체의 회전수를 측정하는 신호 처리부를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 회전체를 풍동실험장치에 록킹시키고, 상기 회전체에 가압 유체를 분사하는 단계와, 상기 풍동실험장치에 작동 유체를 공급하여 상기 회전체를 록킹 해제시키는 단계, 및 상기 풍동실험장치에 작동 유체를 공급하여 상기 회전체를 상기 가압유체의 흐름과 일정 각도를 가진 상태로 회전시키는 단계, 및 마그너스 효과에 의해 상기 회전체에 작용하는 측력을 측정하는 단계를 포함하는 풍동실험방법을 개시한다.
상기 풍동실험방법은 상기 작동 유체의 공급을 중단하고, 상기 회전체의 회전 속도가 감소됨에 따라 상기 회전체의 회전수를 측정하는 롤 감쇄 측정단계를 더 포함할 수 있다.
상기 풍동실험방법은 상기 회전체의 록킹 상태에서 상기 회전체에 작용하는 힘을 측정하는 정적시험 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 구성에 의하여 마그너스 효과에 의해 회전체에 작용하는 힘과 모멘트, 회전체 회전수 및 회전속도 등을 보다 정확하고 효율적으로 계측할 수 있다.
또한, 본 발명은 작동 유체에 의해 회전체의 회전을 록킹 또는 록킹 해제시키는 록킹 유닛을 구비함으로써, 단일의 풍동 실험에서 정적 및 회전 실험을 함께 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 단일의 실험으로서 회전체의 롤 감쇄에 의한 롤 감쇄 측정을 동시에 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 광센서에 의해 구현되는 회전수 측정 유닛을 구비함으로써, 회전체의 회전수, 회전 위치 등을 보다 정밀하게 측정할 수 있다.
이하, 본 발명에 관련된 풍동실험장치 및 풍동실험방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 관련된 풍동실험장치의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 풍동실험장치는 회전체(11)를 가압 유체의 방향에 대하여 일정 각도 기울일 수 있도록 구성되는 지지부재(100)와, 회전체(11)를 록킹 또는 록킹 해제시키는 록킹 유닛(200)과, 회전체(11)의 록킹 해제시 회전체(11)를 회전시키는 회전구동 유닛(300), 및 회전체(11)의 회전시 마그너스 효과에 의해 회전체(11)에 작용하는 측력을 측정하는 센싱 유닛(400)을 포함한다.
회전체(11)는 실제 비행체와 동일한 형상을 가지는 실제 비행체(10)의 모사물로서, 비행체(10)가 일정 비율로 축소된 형상을 갖는다. 회전체(11)는 마그너스 효과를 측정하고자 하는 실제 비행체(10)의 형상에 따라 다양한 형상, 및 크기를 가질 수 있다. 회전체(11)의 내부에는 풍동실험장치를 위치시키기 위한 내부 공간이 마련되며, 풍동실험시 풍동실험장치를 외부에서 감싸도록 배치된다.
지지부재(100)는 실린더 형태로 형성되며, 가압 유체의 방향에 일정 각도 기 울어질 수 있도록 일단이 각도 조절 모듈에 연결된다. 지지부재(100)에는 회전체(11)를 회전시키기 위한 작동 유체를 공급되는 유로(110)가 구비된다. 유로(110)는 지지부재(100)의 중심축(X)을 따라 형성되며, 지지부재가 고속 회전됨에 따라 지지부재(100)가 일정 이상의 강성을 가질 수 있도록 지지부재(100)의 일정 깊이까지만 형성될 수 있다. 도 2에서 화살표는 작동 유체의 경로를 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 록킹 유닛의 분해 사시도이며, 도 4a 및 4b는 록킹 유닛의 작동 상태를 나타내는 록킹 유닛의 단면도이다.
록킹 유닛(200)은 작동 유체의 작용에 따라 회전체(11)를 록킹 또는 록킹 해제시키기 위한 것으로서, 회전체(11)의 선단부에 고정되는 제1록킹부(210)와, 작동 유체의 압력에 의해 제1록킹부(210)에 교합되도록 구성되는 제2록킹부(220)를 포함한다.
제1록킹부(210)는 삽입홈(211)을 구비하는 록킹 플레이트(210)를 포함할 수 있다. 록킹 플레이트(210)는 원형 플레이트 형태로 형성될 수 있다. 록킹 플레이트(210)는 볼트가 둘레를 따라 체결되어 회전체(11)에 선단부에 고정된다. 삽입홈(211)은 록킹 플레이트(210)의 반경 방향을 길이 방향으로 갖는 슬롯 형태로 형성되며, 록킹 플레이트(210)의 둘레를 따라 복수로 형성될 수 있다.
제2록킹부(220)는 센싱 유닛(400)의 일측에 고정되는 실린더(221)와, 실린더(221)의 내부에 이동 가능하게 장착되는 피스톤(222)과, 피스톤(222)에 고정되는 록킹부재(223)를 포함할 수 있다.
실린더(221)는 내부에 피스톤(222)의 이동 공간을 구비하며, 일측이 개구된 형태로 형성된다. 실린더(221)의 타측에는 록킹부재(223)의 이동을 가이드하는 가이드 돌기(221a)가 형성된다.
피스톤(222)은 실린더(221)의 내부 공간에 대응되는 단면을 가진다. 피스톤(222)의 표면에 형성된 오링 장착홈(222a)에는 오링(229a)이 장착되며, 이에 의해 피스톤(222)과 실린더(221) 사이의 기밀이 유지될 수 있다. 피스톤(222)의 일면에는 록킹 플레이트(210)의 방향으로 연장되는 피스톤 로드(222b)가 형성된다. 피스톤 로드(222b)와 실린더(221)의 사이에는 작동 유체의 유출을 방지하는 오링(229b)이 설치될 수 있다.
록킹부재(223)는 피스톤 로드(222b)에 고정되며, 피스톤(222)과 함께 이동하도록 구성된다. 록킹부재(223)의 체결홈(223c)에는 피스톤 로드(222b)가 체결되며, 피스톤 로드(222b)는 나사 결합의 방식으로 체결홈(223c)에 체결될 수 있다. 후방에서 전방을 향하여 보았을 때 회전체(11)가 시계 방향으로 회전하는 경우, 피스톤 로드(222b)는 풀림을 방지하도록 왼쪽 나사 형식으로 체결될 수 있으며, 피스톤 로드(222b)의 단부는 록킹부재(223)와 볼트에 의해 이중으로 고정될 수 있다.
록킹부재(223)에는 록킹 플레이트(210)의 삽입홈(211)에 삽입되는 삽입돌기(223a)가 형성된다. 삽입돌기(223a)는 복수의 삽입홈(211)에 대응되는 형태로 형성되며, 록킹 플레이트(210)가 다양한 각도로 회전될 때 해당 각도에서 삽입홈(211)에 삽입될 수 있다.
록킹부재(223)의 외주면에는 실린더(221)의 가이드 돌기(221a)가 삽입되는 가이드 홈(223b)이 형성되며, 이는 록킹부재(223)의 이동시 록킹부재(223)의 유동 을 방지한다.
실린더(221)의 개구부에는 실린더(221)의 내부를 밀폐시키는 밀폐부재(224)가 설치되며, 밀폐부재(224)의 외주면에 형성된 오링 장착홈(224a)에는 오링(229c)이 설치된다.
실린더(221)에는 작동 유체를 실린더(221)의 내부로 유입시키기 위한 복수의 유입홀(225,226)들이 형성되며, 유입홀(225,226)들은 피스톤(222)의 후방 영역에 형성되는 제1유입홀(225)과 피스톤(222)의 전방 영역에 형성되는 제2유입홀(226)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2유입홀(225,226)에는 작동 유체를 공급하기 위한 제1 및 제2튜브(227,228)가 연결되며, 제1 및 제2유입홀(225,226)의 단부에는 제1 및 제2튜브(227,228)와의 기밀을 유지시키기 위한 오링(225a,226a) 및 부싱(226b,226b)들이 각각 장착될 수 있다.
피스톤(222)과 실린더(221)의 사이에는 록킹부재(223)가 록킹 플레이트(210)에 임의로 진입하는 것을 방지하는 스프링(240)이 설치될 수 있다. 스프링(230)은 피스톤 로드(222b)를 감싸는 코일 스프링의 형태로 형성될 수 있으며, 일단이 실린더(221)의 내벽에 지지되고, 타단이 피스톤(222)을 지지하도록 설치된다. 스프링(230)은 피스톤(222)에 록킹 플레이트(210)가 위치한 방향의 반대 방향으로 탄성력을 가하도록 구성된다. 스프링(230)은 작동 유체가 누설되거나 풍동실험시 발생하는 진동으로 인하여 록킹부재(223)가 록킹 플레이트(210)에 임의로 접촉되지 않도록 함으로써 록킹 플레이트(210)의 회전 중에 록킹 부재(223)가 진입하여 회전체(11)가 파손되는 것을 방지한다.
이하에서는 록킹 유닛(200)의 작동 상태에 대하여 설명하기로 한다.
도 4a와 같이 제1유입홀(225)를 통하여 작동 유체(예를 들면, 공기)가 공급되면, 피스톤(222)은 작동 유체의 압력에 의하여 록킹 플레이트(210)를 향하여 이동하게 된다. 피스톤(222)의 이동에 따라 록킹부재(223)의 삽입돌기(223a)가 록킹 플레이트(210)의 삽입홈에 삽입되게 되어 회전체(11)가 록킹되게 된다.
도 4b와 같이 제2유입홀(226)을 통하여 작동 유체가 공급되면, 피스톤(222)은 작동 유체의 압력에 의해 록킹 위치의 반대 방향으로 이동하게 된다. 이에 따라 삽입돌기(223a)의 삽입이 해제되게 되며, 회전체(11)는 록킹이 해제되어 회전 가능한 상태가 된다.
도 5는 도 2에 도시된 회전구동 유닛의 분해 사시도이다.
회전구동 유닛(300)은 회전체(11)의 록킹 해제시 작동 유체에 의해 회전체(11)를 회전시키기 위한 것으로서, 지지부재(100) 상에 장착되는 챔버(310)와, 챔버(310)의 외부에 장착되는 노즐(320), 및 회전체(11)의 내주면에 고정되는 로터(330)을 포함할 수 있다.
챔버(310)는 지지부재(100)의 외주면에 장착되는 내부 챔버(311)와, 내부 챔버(311)와 결합되어 작동 유체의 이동 공간을 마련하는 외부 챔버(312)를 포함할 수 있다.
내부 챔버(311)는 지지부재(100)의 외주면을 감싸며, 연결부재(313)에 의해 지지부재(100)에 고정된다. 연결부재(313)에는 관통홀(313a)이 형성되어 지지부재(100)의 유로(110)와 챔버(310)의 내부를 연결한다.
외부 챔버(312)는 일측이 개구된 원통 형태로 형성되며, 내부 챔버(311)에 결합된다. 여기서, 외부 및 내부 챔버(311,312))는 볼트에 의해 서로 체결될 수 있으며, 내부 및 외부 챔버(310)의 사이에는 오링(314,315)들이 각각 설치되어 내부 및 외부 챔버(311,312)의 기밀을 유지시킨다.
노즐(320)은 외부 챔버(312)의 외부에 형성된 노즐 장착홈(316)에 설치되며, 챔버(310) 내부의 작동 유체를 외부로 분출시키는 노줄 분출구(321)을 갖는다.
로터(330)은 회전체(11)의 내주면에 볼트에 의해 결합될 수 있으며, 노즐(320)에 의해 분출된 작동 유체에 의해 회전되도록 복수의 블레이드(331)를 구비한다. 작동 유체(예를 들면, 공기)가 지지부재(100)의 유로(110)를 통해 풍동실험장치의 내부로 공급되면, 작동 유체는 연결부재(313)를 통해 챔버(310)의 내부로 유입되며, 노즐(320)을 통해 분출된 작동 유체의 압력에 의하여 로터(330)는 중심축(X)을 중심으로 회전하게 된다. 이에 따라 로터(330)의 외주면에 고정된 회전체(11)는 지지부재(100)에 대해 상대 회전 운동을 하게 된다.
도 6은 도 2에 도시된 센싱 유닛의 분해 사시도이다.
센싱 유닛(400)은 회전체(11)의 회전시 마그너스 효과에 의해 회전체(11)에 작용하는 측력을 측정하기 위한 것으로서, 회전체(11)의 내주면에 고정되는 외부 실린더(410)와, 외부 실린더(410)와 상대 회전 가능하게 결합되는 내부 실린더(420), 및 내부 실린더(420)의 내부에 장착되는 측력 센서(430)를 포함한다.
외부 실린더(410)는 회전체(11)의 내주면에 볼트에 의해 결합될 수 있으며, 회전체(11)에 작용하는 측력을 지지한다.
내부 실린더(420)의 전방에는 센서 어댑터(421)가 결합되며, 센서 어댑터(421)는 록킹 유닛(200)의 실린더(221)에 결합된다. 여기서, 센서 어댑터(421)는 볼트에 의해 실린더(221)의 내주면에 결합되며, 센서 어댑터(421)의 내부에는 측력 센서(430)의 일단이 볼트(421a)에 의해 장착된다.
측력 센서(430)는 회전체(11)에 작용하는 측력을 측정하기 위한 것으로서, 6분력(3방향의 힘과 모멘트)를 측정할 수 있도록 구성된다. 측력 센서(430)의 타단은 지지부재(100)의 내주면 상에 삽입되어 고정된다.
내부 및 외부 실린더(410,420)는 회전 연결부(441,442)에 의해 상대 회전 가능하게 결합되며, 회전 연결부(441,442)의 일예로서 베어링을 들 수 있다. 베어링은 내부 실린더(420)의 양 단에 장착되는 제1 및 제2베어링(441,442)을 포함할 수 있으며, 내부 실린더(420)의 외주면에는 제1 및 제2베어링(441,442)의 내부 링이 접촉되는 장착턱(441a.442a)들이 형성될 수 있다. 내부 실린더(420)에는 제1 및 제2베어링(441,442)의 내부 링을 고정시키기 위한 너트들(443a 내지 443d)이 장착될 수 있다.
제1 및 제2베어링(441,442)의 외부 링은 외부 실린더(410)의 내주면에 고정되며, 외부 실린더(410)에는 제2베이링(442)의 외부 링을 고정시키기 위한 부싱(411)이 장착될 수 있다.
내부 실린더(420)의 외주면에는 튜브홈들이 길이 방향을 따라 형성되며, 튜브홈에는 제1 및 제2튜브(227,228)가 설치된다. 제1 및 제2튜브(227,228)의 일단은 록킹 유닛(200)의 실린더(221)에 연결되며, 타단은 지지부재(100) 상에 위치한다. 제1 및 제2튜브(227,228)는 록킹 유닛(200)의 동작을 제어하도록 실린더(221)의 내부에 작동 유체를 공급하는 통로가 된다.
한편, 내부 실린더(420)의 외주면에는 제3 및 제4튜브(422,423)가 추가로 장착될 수 있으며, 이들은 제1 및 제2튜브(227,228)와 동일한 방식으로 장착될 수 있다. 제3 및 제4튜브(422,423)는 제1 및 제2베어링(441,442)에 냉각 공기 및 윤활유를 각각 분사함으로써, 제1 및 제2베어링(441,442)이 과열되는 것을 방지한다. 그리고, 내부 실린더(420)의 외주면에는 제1 및 제2베어링(441,442)에 연결되어 이들의 온도를 센싱하는 온도 센서(444)가 추가로 부착될 수 있다.
이하에서는 센싱 유닛의 작동 상태에 대하여 설명하기로 한다.
회전체(11)에 가압 유체가 분사되는 상태에서 회전체(11)가 회전구동 유닛(300)의 작동에 의해 회전하게 되면, 회전체(11)에는 마그너스 효과에 의해 측력이 작용하게 된다. 회전체(11)에 작용하는 측력은 외부 실린더(410)에 전달되게 되며, 이는 제1 및 제2베어링(441,442)을 통하여 내부 실린더(420), 센서 어댑터(421), 및 측력 센서(430)로 차례로 전달되게 된다. 이에 따라 측력 센서(430)는 회전체(11)에 작용하는 측력, 즉 힘과 모멘트를 측정하게 된다.
회전체(11)와 지지부재(100)의 사이에는 회전체(11)의 회전수를 측정하는 회전수 측정 유닛(500)이 추가로 장착될 수 있다. 도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 회전수 측정 유닛의 사시도이며, 도 8는 회전수 측정 유닛의 작동 상태를 나타내는 회전수 측정 유닛의 개념도이다.
회전수 측정 유닛/은 회전체(11)의 내주면에 고정되는 반사 부싱(510)과, 지 지부재(100)의 외주면에 장착되는 광센서(520)와, 광센서(520)에 연결되는 신호처리부(530)를 포함한다.
반사 부싱(510)은 회전체(11)의 내주면에 볼트로 고정되며, 그 내주면에는 서로 다른 반사율을 갖는 제1 및 제2반사패턴(511,512)들이 복수로 배치된다. 제1 및 제2반사패턴(511,512)은 반사 부싱(510)의 내주면을 따라 번갈아 배치되며, 반사율의 차이가 최대인 흰색과 검정색으로 구성되는 것이 바람직하다.
광센서(520)는 지지부재(100)의 외주면에 고정되는 광센서 홀더(525) 상에 장착되며, 반사 부싱(510)이 회전됨에 따라 제1 및 제2반사패턴(511,512)을 감지한다. 여기서, 광센서(520)의 지향 방향은 반사 부싱(510)의 내주면을 향하도록 구성된다.
제1 및 제2반사패턴(511,512)이 각각 흰색과 검정색으로 형성된 경우, 제1반사패턴(511)이 광센서(520)를 지나는 경우에는 광센서(520)가 물체가 있는 것으로 인식하고, 제2반사패턴(512)이 광센서(520)를 지나는 경우에는 광센서(520)가 물체가 없는 경우로 인식한다. 광센서(520)는 제1 및 제2반사패턴(511,512)과의 거리, 주변 밝기 등의 요인에 따라 변경되는 감도를 조절할 수 있도록 감도의 조절이 가능하도록 구성될 수 있다.
광센서(520)는 회전체(11)의 위치 정보를 파악할 수 있도록 제1 및 제2광센서(521,522)로 구성될 수 있으며, 제1 및 제2반사패턴(511,512)은 제1 및 제2광센서(520)에서 출력된 신호의 위상차가 90도가 되도록 형성될 수 있다. 이를 위하여, 제1 및 제2반사패턴(511,512)은 각각 반사 부싱(510)에 4개씩 구비되며, 제1 및 제 2광센서(520)는 서로 112.5도의 각도를 가지도록 배치되는 것이 바람직하다.
본 실시예에 의한 반사 부싱(510)은 제1 및 제2반사패턴(511,512)이 내주면을 따라 형성됨으로써, 풍동실험시 발생하는 진동이 실험 결과에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 도 8을 참조하면 진동이 있는 경우 반사 부싱(510)은 (a) 위치에 위치하며, 진동이 발생하면 (b) 또는 (c) 위치에 위치하게 된다. 제1 및 제2반사패턴(511,512)이 반경 방향을 따라 형성되는 경우, 진동이 없는 경우 진동이 발생하는 경우 측정된 반사 패턴의 주기가 서로 동일하므로, 진동 발생이 측정결과에 미치는 영향이 최소화될 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 회전수 측정 유닛의 사시도이다. 본 실시예에 의한 회전수 측정 유닛은 반사 부싱(510a)에 형성된 반사 패턴들(511a,512a)을 제외하고 앞선 실시예와 동일한 구성을 가진다.
본 실시예에 의한 반사 부싱(510a)의 제1 및 제2반사패턴(511a,512a)은 중심축(X)과 평행한 방향을 향하도록 배치되며, 제1 및 제2반사패턴(511a,512a)은 반사 부싱(510a)의 원주 방향을 따라 각각 4개씩 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2광센서(521a,522a)의 지향 방향은 중심축과 평행한 방향을 향하도록 구성된다. 반사 패턴(511a,512a) 및 광센서(520a)를 제외한 구성은 앞선 실시예와 동일하게 이루어지는 바, 이에 대한 설명은 앞선 설명에 갈음하기로 한다.
광센서(520)에는 신호처리부(530)가 연결되며, 신호처리부(530)는 광센서(520)가 감지한 패턴 데이터를 사용하여 회전체(11)의 회전수, 위치 및 속도 등에 대한 정보를 구하도록 구현된다. 도 10은 신호처리부(530)의 구성을 나타내는 블록 구성도이다.
도 10을 참조하면, 광센서(520)는 전원 공급부에 의해 전원이 공급된다. 그리고, 신호처리부(530)는 카운터 보드를 사용하여 구현될 수 있으며, 카운터 보드를 통해 회전체(11)의 회전수 및 위치 정보에 대한 아날로그 신호가 출력되면 외부 계측기기에 의해 아날로그 신호가 디지털 신호로 변환된다.
신호처리부(530)는 두 가지 방식으로 회전체(11)의 회전 정보를 구하도록 구성될 수 있다.
먼저, 제1 및 제2광센서(520) 중 하나로부터 출력된 패턴 데이터를 카운터 보드에 인가하여 계측 신호의 펄스 주기를 측정하고, 이를 사용하여 회전체(11)의 속도를 구할 수 있다.
다음으로, 제1 및 제2광센서(520)로부터 출력된 두 개의 패턴 데이터를 카운터 보드에 입력하여 회전체(11)의 위치 정보를 얻는다. 여기서, 카운더 보드는 인코더 출력신호를 해석할 수 있도록 구성되며, 이로부터 회전체의 위치, 방향, 진동 발생 여부 등에 대한 추가 정보를 획득할 수 있다.
이상의 두 가지 방식을 통해 신호처리부(530)는 회전체(11)의 위치, 속도, 방향성 등의 회전 정보를 획득할 수 있다. 그리고, 회전수 측정의 신뢰도를 향상시키기 위하여 두 가지 방식으로 획득된 회전 데이터를 비교하여 검증할 수 있다. 따라서, 예상과 다른 회전수가 측정된 경우 또는 이상 회전수로 의심되는 경우, 광센서(520)의 상태나 반사 부싱(510)의 상태를 확인하기 위해 회전수 측정 유닛(500)을 분해하지 않고, 회전수 측정 유닛(500)의 신뢰성을 파악할 수 있는 장점이 있 다.
도 11은 도 2에 도시된 지지부재의 사시도이며, 도 12a 및 12b는 도 11의 A-A 및 B-B 라인을 각각 따르는 지지부재의 단면도들이다.
도 12b를 참조하면, 지지부재(100)의 중앙 영역에는 유로(110)가 형성되며, 지지부재(100)의 외주면에는 제1 및 제2장착홈(111,112)들이 형성된다. 제1장착홈(111)에는 측력 센서(430)를 외부 계측기기와 연결시키기 위한 와이어가 설치되며, 제2장착홈(112)에는 광센서(520)와 신호처리부(530)를 연결시키기 위한 와이어와, 록킹 유닛(200)에 작동 유체를 공급하기 위한 제1 및 제2튜브(227,228)가 장착될 수 있다.
도 12a를 참조하면, 지지부재(100)의 내부에는 경사홀(114)이 형성되며, 경사홀(114)에는 측력센서(430)에 연결되는 와이어가 배치될 수 있다.
이하에서는 상기 설명된 풍동실험장치의 구성을 기초로 하여, 상기 풍동실험장치를 이용하여 마그너스 효과를 측정하기 위한 풍동실험방법에 대하여 살펴보기로 한다.
도 13은 본 발명에 관련된 풍동실험방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 13의 제1그래프(G1)는 실험 시간에 따른 가압 유체의 압력을 나타내며, 제2그래프(G2)는 작동 시간에 따른 회전체(11)의 회전수(rad/sec)을 나타낸다.
회전체(11)를 풍동실험장치에 위치시킨 후, 록킹 유닛(200)에 작동 유체를 공급하여 회전체(11)를 록킹시킨다.
그리고, 회전체(11)에 가압 유체, 예를 들면 공기를 분사하여 회전체(11)에 압력을 가한다. 여기서 가압유체는 마하수 1.0 이상의 실험 환경이 구현될 수 있도록 20~25초의 짧은 시간 이내에 고속으로 분사하는 간헐식 불어내기(intermittent blow down) 방식으로 분사될 수 있다. 지지부재(100)는 가압 유체의 방향에 대해 일정 각도 기울어진 상태로 배치될 수 있으며 이에 따라 회전체(11)의 자세가 제어될 수 있다.
가압 유체의 압력이 일정 상태로 유지되면, 록킹 유닛(200)을 작동시켜 회전체(11)의 록킹을 해제시킨다. 그리고, 회전구동 유닛(300)을 동작시켜 회전체(11)를 회전시킨 후, 센싱 유닛(400) 및 회전수 측정 유닛(500)을 통해 회전체(11)의 회전 정보를 측정한다. 여기서, 회전구동 유닛(300)은 회전체(11)를 6000~12000rpm의 속도로 회전시키도록 구성된다. 본 실시예에서 회전체(11)의 회전수는 제2그래프(G2)의 (a) 부분과 같은 거동을 가진다.
본 발명에 의한 풍동실험방법은 회전체(11)가 회전하는 상태에서 회전구동 유닛(300)의 작동을 중지시킨 후 회전체(11)의 감속률을 측정하는 롤 감쇄 측정단계를 더 포함할 수도 있다. 회전구동 유닛(300)의 작동이 중단되면, 회전체(11)는 공기와의 마찰에 의해 감속하게 되며, 회전수 측정 유닛(500)은 감속 상태에서의 회전체(11)의 거동을 측정할 수 있다. 롤 감쇄 측정단계에서 회전체(11)의 회전수는 제2그래프의 (b) 부분과 같은 거동을 가질 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 풍동실험은 회전체(11)의 록킹을 해제시키기 전에 센싱 유닛(400)을 통하여 가압유체가 회전체(11)에 가하는 힘을 측정하는 정적시험이 수행될 수도 있다. 여기서, 록킹 유닛(200)의 록킹 플레이트(210)을 회전 각도를 조절함으로서, 회전체(11)의 회전 각도를 제어할 수 있다.
정적시험이 완료된 후, 록킹 유닛(200) 및 회전구동 유닛(300)을 구동시켜 회전체(11)의 회전 정보를 획득할 수 있으며, 이를 통하여 1회의 풍동실험으로 회전체가 정지된 상태에서 수행되는 정적 시험과 회전체를 회전시킨 상태에서 수행되는 마그너스 효과를 측정하는 시험이 함께 수행될 수 있다.
이상에서는 본 발명에 관련된 풍동실험장치 및 풍동실험방법을 첨부한 도면들을 참조하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.
도 1a은 마그너스 효과를 설명하기 위한 비행체의 사시도.
도 1b는 도 1a의 Ⅰ-Ⅰ 라인을 따르는 비행체의 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 관련된 풍동실험장치의 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 록킹 유닛의 분해 사시도.
도 4a 및 4b는 록킹 유닛의 작동 상태를 나타내는 록킹 유닛의 단면도.
도 5는 도 2에 도시된 회전구동 유닛의 분해 사시도.
도 6은 도 2에 도시된 센싱 유닛의 분해 사시도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 회전수 측정 유닛의 사시도.
도 8은 회전수 측정 유닛의 작동 상태를 나타내는 회전수 측정 유닛의 개념도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 회전수 측정 유닛의 사시도.
도 10은 신호처리부의 구성을 나타내는 블록 구성도.
도 11은 도 2에 도시된 지지부재의 사시도.
도 12a 및 12b는 도 11의 A-A 및 B-B 라인을 각각 따르는 지지부재의 단면도들.
도 13은 본 발명에 관련된 풍동실험방법을 설명하기 위한 그래프.

Claims (26)

  1. 회전체를 가압 유체의 방향에 대하여 일정 각도 기울일 수 있도록 구성되며, 작동 유체가 공급되는 유로를 구비하는 지지부재;
    내부로 작동 유체에 유입됨에 따라 상기 회전체를 록킹 또는 록킹 해제시키는 록킹 유닛;
    상기 회전체 및 지지부재에 각각 연결되며, 상기 회전체의 록킹 해제시 상기 작동 유체에 의해 상기 회전체를 회전시키는 회전구동 유닛; 및
    상기 지지부재의 일측에 고정되며, 상기 회전체의 회전시 마그너스 효과에 의해 상기 회전체에 작용하는 측력을 측정하는 센싱 유닛을 포함하고,
    상기 록킹 유닛은,
    상기 회전체의 선단부에 고정되는 제1록킹부; 및
    상기 센싱유닛의 일측에 장착되며, 상기 작동 유체의 압력에 의해 상기 제1록킹부에 교합 또는 분리 가능하게 구성되는 제2록킹부를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지부재는 실린더 형태로 형성되며, 상기 유로는 지지부재의 중심축을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1록킹부는 삽입홈을 구비하는 록킹 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2록킹부는,
    상기 센싱 유닛의 일측에 고정되며, 내부로 작동 유체를 유입시키기 위한 복수의 유입홀들을 구비하는 실린더;
    상기 실린더의 내부에 상기 작동 유체에 의해 이동 가능하게 장착되는 피스톤; 및
    상기 피스톤에 고정되며, 상기 피스톤의 이동에 따라 상기 삽입홈에 삽입되는 삽입돌기를 구비하는 록킹부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 유입홀들은,
    상기 피스톤 작동유체가 상기 피스톤을 상기 록킹 플레이트의 방향으로 이동시키도록 상기 피스톤의 후방 영역에 형성되는 제1유입홀; 및
    상기 피스톤 작동유체가 상기 피스톤을 록킹 플레이트의 반대 방향으로 이동시키도록 상기 피스톤의 전방 영역에 형성되는 제2유입홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 삽입홈 및 삽입돌기는 상기 중심축의 반경 방향을 길이 방향으로 가지며, 상기 삽입홈은 록킹 부재를 복수의 각도에서 록킹시킬 수 있도록 상기 록킹 플레이트의 둘레 방향을 따라 복수로 형성되는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 실린더의 일측에는 상기 피스톤이 삽입되는 개구부가 구비되며,
    상기 제2록킹부는 상기 개구부에 결합되어 상기 개구부를 밀폐시키는 밀폐부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 피스톤과 실린더의 사이에는 상기 록킹부재가 상기 록킹 플레이트에 임의로 접촉되는 것을 방지하는 스프링이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 회전 구동 유닛은,
    상기 지지부재 상에 장착되며, 상기 유로에 연결되어 상기 작동 유체를 공급받는 챔버;
    상기 챔버의 외부에 장착되어 상기 작동 유체를 챔버의 외부로 분출시키는 노즐; 및
    상기 회전체의 내주면에 고정되며, 상기 분출된 작동 유체에 의해 회전되어 상기 회전체를 회전시키는 로터를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 챔버는,
    상기 지지부재의 외주면에 장착되며, 상기 유로와 연통 가능한 연결부재에 의해 고정되는 내부 챔버; 및
    상기 내부 챔버와 결합되며, 상기 작동 유체의 배치공간을 마련하는 외부 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 센싱 유닛은,
    상기 회전체의 내주면에 고정되어 상기 회전체와 함께 회전하는 외부 실린더;
    상기 외부 실린더의 내부에 위치하며, 회전 연결부에 의해 상기 외부 실린더와 상대 회전 가능하게 결합되는 내부 실린더; 및
    상기 내부 실린더의 내부에 장착되며, 상기 내부 실린더에 작용하는 측력을 측정하는 측력 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 지지부재와 상기 내부 실린더의 외주면에는 제1 및 제2튜브가 장착되며,
    상기 제1 및 제2튜브에는 상기 록킹유닛의 작동을 제어하는 작동유체가 통과하는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 회전 연결부는 상기 외부 실린더의 내주면과 상기 내부 실린더의 외주면에 각각 연결되는 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 내부 실린더의 외주면에는 제3 및 제4튜브가 장착되며,
    상기 제3 및 제4튜브에는 상기 베어링을 냉각시키는 냉각 공기와 윤활유가 각각 통과하는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 내부 실린더의 외주면에는 상기 베이링의 온도를 센싱하는 온도 센서가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 지지부재의 외주면에는 상기 측력 센서를 외부 계측기기와 전기적으로 연결시키는 와이어가 장착되는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 유닛은 상기 회전체의 록킹 상태에서 상기 회전체에 작용하는 힘을 측정할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 회전체와 상기 지지부재의 사이에 장착되어 상기 회전체의 회전수를 측정하는 회전수 측정 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 회전수 측정 유닛은,
    상기 회전체에 고정되며, 서로 다른 반사율을 갖는 제1 및 제2반사 패턴들이 둘레를 따라 번갈아 배치되는 부싱;
    상기 지지부재의 외주면에 장착되며, 상기 부싱이 회전됨에 따라 상기 제1 및 제2반사 패턴을 감지하는 광센서; 및
    상기 광센서에서 출력되는 신호를 처리하여 상기 회전체의 회전수를 측정하는 신호 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1 및 제2반사 패턴은 상기 중심축과 평행한 방향을 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 제1 및 제2반사 패턴은 상기 중심축의 반경 방향을 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 풍동실험장치.
  23. 회전체의 선단부에 고정되는 제1록킹부와, 내부로 유입되는 작동 유체의 압력에 의해 상기 제1록킹부에 교합 또는 분리 가능한 제2록킹부가 구비된 풍동실험장치를 이용한 풍동실험방법에 있어서,
    상기 회전체를 풍동실험장치에 록킹시키고, 상기 회전체에 가압 유체를 분사하는 단계;
    상기 풍동실험장치에 작동 유체를 공급하여 상기 제1 및 제2록킹부를 분리시킴으로써 상기 회전체를 록킹 해제시키는 단계;
    상기 풍동실험장치에 작동 유체를 공급하여 상기 회전체를 상기 가압유체의 흐름과 일정 각도를 가진 상태로 회전시키는 단계; 및
    마그너스 효과에 의해 상기 회전체에 작용하는 측력을 측정하는 단계를 포함하는 풍동실험방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 풍동실험장치는,
    회전체를 가압 유체의 방향에 대하여 일정 각도 기울일 수 있도록 구성되며, 작동 유체가 공급되는 유로를 구비하는 지지부재;
    내부로 작동 유체에 유입됨에 따라 상기 회전체를 록킹 또는 록킹 해제시키는 록킹 유닛;
    상기 회전체 및 지지부재에 각각 연결되며, 상기 회전체의 록킹 해제시 상기 작동 유체에 의해 상기 회전체를 회전시키는 회전 구동유닛; 및
    상기 지지부재의 일측에 고정되며, 상기 회전체의 회전시 마그너스 효과에 의해 상기 회전체에 작용하는 측력을 측정하는 센싱 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍동실험방법.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 작동 유체의 공급을 중단하고, 상기 회전체의 회전 속도가 감소됨에 따라 상기 회전체의 회전수를 측정하는 롤 감쇄 측정단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍동실험방법.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 회전체의 록킹 상태에서 상기 회전체에 작용하는 힘을 측정하는 정적시험 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍동실험방법.
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