KR101847744B1 - 에어로 포일 유량계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어로 포일 유량계에 관한 것으로, 유체가 유입되는 관 형상의 본체와, 상기 본체의 내벽면에 구비되어 상기 유체의 정압(static pressure)을 측정하는 복수의 정압 측정부와, 상기 본체 내부에 구비되되 상기 정압 측정부의 사이에 배치되어 상기 유체의 전압(total pressure)을 측정하는 전압 측정부를 포함하고, 상기 정압 측정부는 정압이 측정되는 부분과 상기 전압 측정부의 간격이 일정한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 유동박리점과 정압 측정지점을 이격시켜 안정적인 정압 측정을 가능하게 하고, 유량값의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다. 정확한 유량값 측정이 가능하므로 연료의 연소 시 이를 이용한 제어가 가능한 장점이 있다.

Description

에어로 포일 유량계{Aero foil flow meter}

본 발명은 에어로 포일 유량계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 안정적인 유량 측정이 가능한 에어로 포일 유량계에 관한 것이다.

유량계에는 여러 종류가 있으나, 비교적 널리 사용되고 있는 것에 날개차 유량계, 차압식(差壓式) 유량계, 면적식 유량계 등이 있다. 이 중에서 날개차 유량계가 제일 간단한 것으로 흐름에 의해 날개차를 돌려 그 회전수를 기어의 메커니즘으로 지시한다. 주변에서 흔히 볼 수 있는 것으로 수도의 미터가 이것을 이용하고 있다.

차압식과 면적식은 주로 공업방면에서 사용된다. 차압식은 관 속에 벤투리관오리피스, 노즐 등의 조리개를 넣어, 그 전후 압력차를 차압계로 측정하여, 그 측정값을 기본으로 유량을 잰다. 면적식은 위쪽으로 올라갈수록 넓어진 수직관 속에 플로트(float)를 넣고, 유체를 아래에서 위로 흘려 보낸다. 유체류에 밀어올려진 플로트의 전후에 생기는 차압에 의한 부력(浮力)과 플로트의 무게를 평형시켜 플로트의 위치에서 유량을 안다. 이 밖에 일정한 부피의 용기로 직접 유체의 양을 측정하는 것도 있으며, 도시가스의 가스미터는 그 일종이다.

차압식 유량계의 일 예가 한국특허등록 제0154205호에 개시되어 있다.

전술한 선행특허에 따르면, 공기의 흐름에 의해 상하로 동작하는 에어 포일이 구비되며, 에어 포일의 위치 변화를 감지해 포텐시오 미터의 전기적 신호 변화량을 공기량으로 환산함으로써 유량을 측정할 수 있다.

일반적으로 에어 포일 또는 에어로 포일(aero foil)은 항공기 날개의 단면 형상인 익형을 의미하며, 반원형의 리딩 에지부터 뾰족한 트레일링 에지까지 유선형 또는 직선형으로 연결되는 형상이다.

도 1은 일반적인 에어로 포일 유량계의 유동장을 분석한 도면, 도 2는 도 1에 따른 에어로 포일 유량계의 정압 측정 시 압력 차를 도시한 그래프이다.

일반적인 에어로 포일 유량계에 있어서, 공기역학적으로 볼 때 정압을 측정하는 부분의 위치가 도1 및 도 2에 도시된 바와 같이 유동박리(flow separation) 현상이 일어나는 지점과 일치하는 문제가 발생한다.

에어로 포일 유량계는 전압과 정압의 차이로 유량을 측정하므로 안정적인 압력 측정이 필수적이나, 유동박리가 발생하면 유량값의 신뢰성이 저하되는 문제가 있다.

한국특허등록 제0154205호 (등록일 1998.07.08)

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 안정적인 유량 측정이 가능한 에어로 포일 유량계를 제공하는 것이다.

본 발명의 에어로 포일 유량계는, 유체가 유입되는 관 형상의 본체와, 상기 본체의 내벽면에 구비되어 상기 유체의 정압(static pressure)을 측정하는 복수의 정압 측정부와, 상기 본체 내부에 구비되되 상기 정압 측정부의 사이에 배치되어 상기 유체의 전압(total pressure)을 측정하는 전압 측정부를 포함하고, 상기 정압 측정부는 정압이 측정되는 부분과 상기 전압 측정부의 간격이 일정한 것을 특징으로 한다.

상기 전압 측정부는 에어로 포일(aero foil) 형상으로, 전압이 측정되는 리딩 에지와, 상기 리딩 에지에 대향되는 트레일링 에지를 포함하고, 상기 리딩 에지에서 평평하게 연장되는 플랫부를 더 포함 한다.

상기 정압 측정부는 상기 전압 측정부의 에어로 포일 형상을 길이 방향을 다라 반으로 나눈 반(half) 에어로 포일 형상인 것을 특징으로 한다.

상기 정압 측정부는 상기 전압 측정부의 상기 플랫부에 대향되며, 상기 리딩 에지에서 평평하게 연장되는 플랫부를 포함한다.

상기 정압 측정부 및 전압 측정부의 상기 각 플랫부의 길이는 상기 플랫부의 폭(C)을 기준으로 0.4~0.6C의 범위인 것을 특징으로 한다.

상기 리딩 에지에서 상기 플랫부의 시작점까지의 폭은 C/2인 것을 특징으로 한다.

상기 플랫부 이후 상기 트레일링 에지까지의 길이는 2.5C인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 에어로 포일 유량계는 유동박리점과 정압 측정지점을 이격시켜 안정적인 정압 측정을 가능하게 하고, 유량값의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다. 정확한 유량값 측정이 가능하므로 연료의 연소 시 이를 이용한 제어가 가능한 장점이 있다.

도 1은 일반적인 에어로 포일 유량계의 유동장을 분석한 도면,
도 2는 도 1에 따른 에어로 포일 유량계의 정압 측정 시 압력 차를 도시한 그래프,
도 3 내지 도 14는 에어로 포일 유량계의 형상 별 유동 해석 결과 및 정압 측정 시 압력 차를 도시한 도면,
도 15 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에어로 포일 유량계의 유동 해석 결과를 상세히 도시한 도면,
도 16은 도 15에 따른 에어로 포일 유량계의 상세 스펙을 도시한 도면,
도 17 및 도 18은 도 3 내지 도 14의 에어로 포일 유량계 형상에 따른 차압의 편차 및 압력 손실을 도시한 도면,
도 19 및 도 20은 도 16의 에어로 포일 유량계에 따른 플랫부의 길이 별 압력 차를 도시한 그래프,
도 21 내지 도 23은 도 16의 에어로 포일 유량계에 따른 플랫부의 길이별 효과를 비교한 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어로 포일 유량계에 대해 상세히 설명하기로 한다.

종래의 에어로 포일 유량계의 노즐 목(병목 구간)에서 발생한 유동 박리 및 후단의 비정상 와류에 의해 노즐 목에서 압력 맥동이 발생한다(도 2에서 검정색 점선 및 빨간색 점선의 피크값). 이는 유속에 관계없이 유동 박리 및 와류가 형성되며, 유속에 따라 유량 보정 계수(k값)에 차이가 발생한다(유속이 증가하면 k가 상승함). 또한, 에어로 포일(후술할 정압 측정부 및 전압 측정부에 대응) 형상부의 크기를 줄여 면적비(Area ratio)가 작아져도(이 경우 병목 구간의 면적이 커져 유속이 감소함) 유동 박리 및 와류가 발생해 압력 맥동은 여전히 존재하게 된다.

따라서 에어로 포일 유량계의 형상 개선을 위해 다음과 같이 여러 형상을 기준으로 비정상 유동 해석을 실시함으로써 종래 에어로 포일 유량계 대비 개선 효과가 있는 형상을 제안하는 것이다.

도 3 내지 도 14는 에어로 포일 유량계의 형상 별 유동 해석 결과 및 정압 측정 시 압력 차를 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 에어로 포일 유량계의 에어로 포일 형상부(편의상 제1 형상이라고 정의함)를 기준으로 해 유동 해석을 실시하면, 병목 구간인 노즐 목 부근에 유동 박리 및 후단부에 와류가 발생함을 알 수 있다. 도 4에서도 Dev. 값이 약 19.3%, Dev.mean 값이 약 5.4%로 압력 맥동이 발생한 것을 확인할 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 에어로 포일 형상부(편의상 제2 형상이라고 정의함)의 길이를 증가시키되, 라운드진 전단부의 길이 및 폭 역시 증가시킨 형상의 경우 유동 해석을 실시하면, 병목 구간인 노즐 목 부근에 유동 박리가 발생하고 후단부 와류 역시 심해짐을 알 수 있다. 도 6에서도 Dev. 값이 약 29.5%, Dev.mean 값이 3.7%로 나타나 압력 맥동을 확인할 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 에어로 포일 형상부(편의상 제3 형상이라고 정의함)의 길이를 증가시키되, 라운드진 전단부는 종전과 동일하게 하고 후단부의 길이만 증가시킨 경우 유동 해석을 실시하면, 노즐 목 부근의 유동 박리 및 후단부 와류가 다소 감소된 것을 볼 수 있다. 도 8에서도 Dev. 값이 약 16.7%, Dev.mean 값이 약 3.49%로 나타나 압력 맥동이 다소 감소되었음을 확인할 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 에어로 포일 형상부(편의상 제4 형상이라고 정의함)의 길이를 증가시키되, 노즐 목 부분에 직선 구간을 구비한 경우 유동 해석을 실시하면, 노즐 목 부근의 유동 박리 및 후단부 와류가 크게 감소된 것을 볼 수 있다. 도 10에서도 Dev. 값이 약 7.2%, Dev.mean 값이 약 0.9%로 나타나 압력 맥동이 크게 감소되었음을 확인할 수 있다(제1 실시 예).

도 11에 도시된 바와 같이, 에어로 포일 형상부(편의상 제5 형상이라고 정의함)의 길이는 유지하고 전체적으로 라운드진 형상을 가지며 그 폭이 다소 확대된 형태의 경우 유동 해석을 실시하면, 노즐 목 부근의 유동 박리 및 후단부 와류가 크게 증가하는 것을 볼 수 있다. 도 12에서도 Dev. 값이 약 28.7%, Dev.mean 값이 약 3.3%로 나타나 압력 맥동이 크게 증가되었음을 확인할 수 있다.

도 13에 도시된 바와 같이, 에어로 포일 형상부(편의상 제6 형상이라고 정의함)의 길이를 3배 이상 증가시키고 전체적으로 라운드진 형상을 가지며 그 폭의 확대가 없는 경우 유동 해석을 실시하면, 노즐 목 부근의 유동 박리가 감소되고 후단부 와류 역시 감소된 것을 확인할 수 있다. 도 14에서도 Dev. 값이 약 3.8%, Dev.mean 값이 약 1.49%로 나타나 압력 맥동이 크게 감소되었음을 확인할 수 있다(제2 실시 예).

즉, 에어로 포일 형상부의 길이와 형상, 그에 따른 노즐 목 부근의 폭에 따라 유동 해석 결과 종래 대비 유동 박리 및 와류에 따른 압력 맥동의 개선 효과가 달라짐을 알 수 있다. 에어로 포일 형상부의 길이가 길어지되 형상적인 변화는 노즐 목 부근의 폭을 증가시키는 형상을 갖는 경우 유동 박리 및 와류의 개선 효과를 보임을 알 수 있다.

전술한 바와 같은 유동 해석을 통해 가장 바람직한 실시 예로 제4 형상 및 제6 형상을 갖는 에어로 포일 형상부를 도출하였다. 이러한 형상을 갖는 본 발명의 에어로 포일 유량계에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 15 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에어로 포일 유량계의 유동 해석 결과를 상세히 도시한 도면, 도 16은 도 15에 따른 에어로 포일 유량계의 상세 스펙을 도시한 도면이다.

도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어로 포일 유량계(10)는 유량계 본체(100)와, 본체(100) 내부에 구비되는 정압 측정부(300) 및 전압 측정부(500)를 포함하여 구성된다(전술한 에어로 포일 형상부를 의미함).

본체(100)의 일단에는 유량을 측정할 유체가 유입되는 유입부(110)가 구비되고, 타측에는 유입된 유체가 통과해 배출되는 배출부(130)가 구비된다. 본체(100)의 내측에는 에어로 포일(aero foil) 형태의 정압 측정부(300) 및 전압 측정부(500)가 구비된다. 유입부(110)를 통해 유량을 측정할 공기 등의 유체가 본체(100) 내부로 유입되며, 정압 측정부(300) 및 전압 측정부(500)를 거쳐 배출부(130)를 통해 배출된다.

본체(100)는 관(tube) 형상으로, 유입부(110)가 형성된 일단을 전단, 배출부(130)가 형성된 타단을 후단으로 정의할 수 있다. 에어로 포일 유량계(10)는 다른 차압식 유량계와는 달리 본체(100)의 전단부와 타단부의 길이가 상대적으로 짧은 특징이 있다. 이로 인해 공간적 제약이 많은 위치에 설치해 유량을 측정할 수 있다.

정압 측정부(300)는 정압(static pressure, 유체의 흐름과 직각 방향으로 작용하는 압력)을 측정하는 부분이며, 완전한 형태의 에어로 포일을 길이 방향을 따라 반으로 나눈 반(half) 에어로 포일 형상을 갖는다. 정압 측정부(300)는 본체(100)의 내벽면에 구비되며, 전압 측정부(500)를 기준으로 상호 마주보는 형태로 구비된다.

전압 측정부(500)는 전압(total pressure, 정압과 동압을 더한 압력)을 측정하는 부분으로, 본체(100)의 유입부(110) 쪽에 치우치도록 배치된다. 전압 측정부(500)는 완전한 에어로 포일 형상을 갖는다.

일반적인 에어로 포일은 반원 형태의 리딩 에지와 뾰족한 형태의 트레일링 에지가 유선형 또는 직선형으로 연결되는 형태이다(도 1 참조). 그러나 본 발명의 전압 측정부(500)는 반원형의 리딩 에지(510)에서 평평하게 연장되는 플랫부(550)가 구비되고, 플랫부(550)에서 트레일링 에지(530)까지가 직선으로 연결되는 구조를 갖는다. 전압 측정부(500)의 리딩 에지(510) 쪽에서 전압이 측정된다.

전술한 정압 측정부(300) 역시 전압 측정부(500)와 마찬가지로 반쪽의 리딩 에지(510)에서 평평하게 연장되는 플랫부(310)를 구비하며, 플랫부(310)에서 트레일링 에지(530)까지 직선으로 연결되는 형태를 갖는다. 이 플랫부(310)에서 정압을 측정하게 된다. 정압 측정부(300)의 플랫부(310) 위치는 전압 측정부(500)의 플랫부(550) 위치에 대응하도록 형성된다. 또한, 정압 측정부(300)의 플랫부(310)와 전압 측정부(500)의 플랫부(550)는 동일한 길이로 형성되고, 사이 간격이 일정하게 마주보는 형태로 배치된다.

유체는 유입부(110)를 통해 본체(100) 내부로 유입되어 정압 측정부(300)와 전압 측정부(500)의 사이를 통과하게 되는데, 이때 정압 및 전압이 측정된다. 이 차이를 이용해 속도(V)를 구한 후 유체가 통과하는 부분(유로)의 단면적을 곱해 유량을 산출하게 된다.

에어로 포일 유량계에 있어서 정압 측정부와 전압 측정부의 사이를 유체가 통과하는 유로라고 볼 수 있다. 종래의 유량계는 유체가 유입부를 통과한 후 정압 측정부와 전압 측정부의 리딩 에지를 지나게되면, 급격하게 유로의 단면적이 증가하면서 압력구배가 발생해 유체의 운동량 손실이 발생하고, 유체의 유동 흐름이 바뀌는 와류가 발생한다(유동 박리, 도 1 참조). 유동 박리가 발생하면 정압 측정 시 측정값이 불안정해지는데, 전압과 정압의 차이로 유량을 측정하는 차압식 유량계에 있어서 이러한 정압 측정의 불안정함은 부정확한 유량 측정의 원인이 된다. 종래의 유량계는 유동 박리가 일어나는 부분이 정압 측정부와 일치해 정압 측정이 불안정한 문제가 있다(도 2 참조).

따라서 본 발명에서는 정압 측정부(300)와 전압 측정부(500)에 플랫부(550)를 구비함으로써 도 4에 도시된 바와 같이, 정압 측정부(300) 쪽에 압력구배 및 와류가 급격하게 발생하는 것을 방지하여 안정적인 정압 측정값을 얻을 수 있다.

전술한 효과를 도출할 수 있는 정압 측정부(300)와 전압 측정부(500)의 사양은 도 16에 도시된 바와 같이, 면적 양(Area Ration, AR)은 0.5~0.6 범위이고, 플랫부(310, 550)의 길이는 플랫부(310, 550) 시작 부분 폭(C)를 기준으로 0.4~0.6C의 범위일 수 있다(해당 값이 도출된 근거는 후술하기로 함). 리딩 에지(510)에서 플랫부(310, 550) 시작점까지의 거리는 C/2일 수 있고, 플랫부(310, 550) 이후 트레일링 에지(530) 까지의 길이는 2.5C일 수 있다(전체 에어로 포일 형상부의 길이는 3.4 내지 3.6C). 면적 양(AR)은 유체 흐름을 가로지르는 에어로 포일 단면적을 유로의 단면적으로 나눈 값을 의미한다(AR=Aerofoil area transverse to flow / Duct cross section area).

또는, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 에어로 포일 유량계는 전술한 제6 형상의 에어로 포일 형상부를 가질 수 있다(도 13 참조).

도 17 및 도 18은 도 3 내지 도 14의 에어로 포일 유량계 형상에 따른 차압의 편차 및 압력 손실을 도시한 도면이다.

도 15에서 좌측 첫번째 차압의 편차는 제1 형상에 해당하는 것이고, 두번째는 제3 형상, 세번째는 제2 형상, 네번째는 제4 형상에서 직선 구간이 0.4C인 조건, 다섯번째는 제4 형상에서 직선 구간이 0.6C인 조건, 여섯번째는 제5 형상, 일곱번째는 제6 형상에 해당하는 차압의 편차를 나타낸다. 도 15에 도시된 바와 같이, 차압의 편차는 에어로 포일 유량계의 노즐 목 길이를 늘리는 경우(제1 실시 예)가 최소값을 나타낸다.

도 16에서 나타내는 압력 손실 역시 전술한 도 15에서와 동일한 배치로 도시한 그래프이며, 도 16에 도시된 바와 같이, 압력 손실은 에어로 포일 유량계의 후단부 길이를 늘리는 경우가 최소값을 나타냄을 알 수 있다. 그러나 차압 편차 등을 종합적으로 고려할 때 본 발명의 제1 실시 예의 형태를 갖는 에어로 포일 유량계가 가장 효율적이다.

제1 실시 예에서 제시한 플랫부와 관련하여, 형상 개선에 따른 압력 맥동 감소 효과를 상세히 비교하면 다음과 같다.

도 19 및 도 20은 도 16의 에어로 포일 유량계에 따른 플랫부의 길이 별 압력 차를 도시한 그래프이다.

종래의 에어로 포일 형상부(도 1 참조)에 따른 차압 그래프와 비교하면, 플랫부의 길이가 0.2C(도 19), 0.4C(도 20), 0.6C(도 10)일 때 각각 종래의 에어로 포일 유량계보다 압력 맥동이 감소되는 것을 알 수 있다. 그 중 플랫부의 길이가 0.4C~0.6C인 경우 압력 맥동 감소 효과가 가장 크므로 해당 범위 내에서 플랫부를 형성하는 것이 바람직하다.

도 21 내지 도 23은 도 16의 에어로 포일 유량계에 따른 플랫부의 길이별 효과를 비교한 도면이다.

도 21에 도시된 바와 같이, 플랫부의 길이 별 DEVIATION/DPM 역시 플랫부의 길이가 0.4C 내지 0.6C일 때 가장 낮게 나타난다. 가운데 유량계 L.E.에서의 압력은 end wall 부근을 제외하고 거의 동일하나, 유량계 노즐에서의 압력은 end wall 로 갈수록 정압이 증가(속도 감소)한다.

도 24 및 도 25는 도 16의 에어로 포일 유량계에 따른 차압 및 압력 손실을 비교한 그래프이다.

도 24 및 도 25는 플랫부의 길이가 0.4C인 경우를 예로 하여 유속에 따른 차압을 비교한 것이다. 도 24에 도시된 바와 같이, 종래 에어로 포일 형상 대비 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에어로 포일 유량계는 유속에 따라 차압이 12 내지 15% 상승된다(이는 resolution 증가를 의미함). 그러나 도 25에 도시된 바와 같이, 압력 손실이 13 내지 27% 감소되는 효과가 있다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 일 실시 예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경이 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 권리범위에 속하게 될 것이다.

10: 에어로 포일 유량계 100: 본체
110: 유입부 130: 배출부
300: 정압 측정부 310: 플랫부(정압 측정부)
500: 전압 측정부 510: 리딩 에지
530: 트레일링 에지 550: 플랫부(전압 측정부)

Claims (7)

1. 유체가 유입되는 관 형상의 본체와,
   상기 본체의 내벽면에 구비되어 상기 유체의 정압(static pressure)을 측정하는 복수의 정압 측정부와,
   상기 본체 내부에 구비되되 상기 정압 측정부의 사이에 배치되어 상기 유체의 전압(total pressure)을 측정하는 전압 측정부를 포함하고,
   상기 정압 측정부는 정압이 측정되는 부분과 상기 전압 측정부의 간격이 일정한 것을 특징으로 하고,
   상기 전압 측정부는 에어로 포일(aero foil) 형상이고, 상기 정압 측정부는 상기 전압 측정부의 에어로 포일 형상을 길이 방향을 따라 반으로 나눈 반(half) 에어로 포일 형상이며, 상기 전압 측정부와 상기 정압 측정부는 각각 평평한 부분인 플랫부를 포함하는 에어로 포일 유량계.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전압 측정부는 전압이 측정되는 리딩 에지와, 상기 리딩 에지에 대향되는 트레일링 에지를 포함하고, 상기 전압 측정부의 상기 플랫부는 상기 리딩 에지에서 평평하게 연장되는 것을 특징으로 하는 에어로 포일 유량계.
   
3. 삭제
4. 제2항에 있어서,
   상기 정압 측정부의 상기 플랫부는 상기 전압 측정부의 상기 플랫부에 대향되며, 상기 리딩 에지에서 평평하게 연장되는 것을 특징으로 하는 에어로 포일 유량계.
5. 제4항에 있어서,
   상기 정압 측정부 및 전압 측정부의 상기 각 플랫부의 길이는 상기 플랫부의 폭(C)을 기준으로 0.4~0.6C의 범위인 것을 특징으로 하는 에어로 포일 유량계.
6. 제5항에 있어서,
   상기 리딩 에지에서 상기 플랫부의 시작점까지의 폭은 C/2인 것을 특징으로 하는 에어로 포일 유량계.
7. 제6항에 있어서,
   상기 플랫부 이후 상기 트레일링 에지까지의 길이는 2.5C인 것을 특징으로 하는 에어로 포일 유량계.

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