KR101871112B1 - 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치 및 이를 이용한 추력산출방법 - Google Patents

덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치 및 이를 이용한 추력산출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 덕티드 팬 방식 축소로터에서 발생하는 전체하중의 분력인 3축 방향의 하중과 덕트에 의한 하중의 분력인 z축 방향의 덕트 하중을 측정하는 것이 가능한 추력측정장치 및 이를 이용하여 전체추력(
Figure 112017042688347-pat00069
), 덕트에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00070
) 및 팬에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00071
)을 산출하는 추력산출방법에 관한 것이다.
본 발명의 추력측정장치는 구동모터의 작동에 의해 회전하는 구동축; 구동축의 회전에 의해 회전축(z축)을 중심으로 회전하는 허브와 허브의 외주면에 방사형으로 결합된 팬이 구비된 회전부; 팬의 외주 측에 위치하는 덕트; 회전부의 회전에 의해 발생한 전체하중이 전달되는 하중부; 및 하중부에 적어도 일부분이 결합되고, 전체하중의 분력인 제1축(x축), 제2축(y축) 및 회전축(z축) 방향 하중을 측정하는 3축 하중 측정부; 및 덕트를 지지하고, 전체하중 중에서 덕트에 의한 하중의 분력인 회전축(z축) 방향 하중을 측정하는 덕트 하중 측정부;를 포함하고, 제1 축(x축), 제2 축(y축) 및 회전축(z축)은 서로 수직한 것을 특징으로 한다.

Description

덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치 및 이를 이용한 추력산출방법{APPARATUS FOR MEASURING THRUST OF SMALL SCALED ROTOR WITH DUCTED FAN AND METHOD FOR CALCULATING THRUST USING THE SAME}
본 발명은 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 덕티드 팬 방식 축소로터에서 발생하는 전체하중의 분력인 3축 방향의 하중과 덕트에 의한 하중의 분력인 회전축(z축) 방향의 덕트 하중을 측정하는 것이 가능한 추력측정장치 및 이를 이용하여 전체추력(
Figure 112017042688347-pat00001
), 덕트에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00002
) 및 팬에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00003
)을 산출하는 추력산출방법에 관한 것이다.
일반적으로 덕티드 팬 방식의 로터(rotor)는 덕트 내부에 설치된 팬을 구동하여 추력을 발생시키는 장치로, 덕트에 의한 추가적 추력 발생과 팬 구동 효율 증가효과에 따라 항공기의 추력장치나 양력 발생장치로의 활용이 늘어나는 추세이다.
이와 같은 로터는 시제품 제작에 앞서 개발과정에서 설계 형상에 대한 축소로터를 제작하고, 이의 성능 측정을 통하여 설계 결과를 검증하는 절차를 거치는데, 이를 위한 절차가 축소로터의 성능특성(performance characteristics) 시험이다.
이와 같은 시험에서 덕티드 팬의 공력성능을 평가하기 위해서는 축소로터에서 발생하는 추력과 구동동력을 측정하여 효율을 계산해야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 덕티드 팬에서 발생하는 추력은 운동량 이론을 활용하여 설명할 수 있다. 예를 들어, 덕트(D) 입구 유동 면적(팬 회전부의 면적)이
Figure 112017042688347-pat00004
, 덕트 출구 유동 면적이
Figure 112017042688347-pat00005
인 덕티드 팬에서 전체 질유량
Figure 112017042688347-pat00006
은 연속방정식에 의해 다음과 같다.
Figure 112017042688347-pat00007
여기서
Figure 112017042688347-pat00008
는 공기의 밀도,
Figure 112017042688347-pat00009
는 덕트 입구의 유입속도,
Figure 112017042688347-pat00010
는 팬(F)에서의 유도속도,
Figure 112017042688347-pat00011
는 덕트 출구의 유출속도이다.
그리고 이때, 발생하는 전체추력(
Figure 112017042688347-pat00012
)은 팬(F)에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00013
)과 덕트에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00014
)의 합으로 나타낼 수 있으며, 다음의 식과 같이 덕트를 통과하는 전체 질류량과 덕트 출구의 유출속도의 곱과 같아져야 한다.
Figure 112017042688347-pat00015
여기서 베르누이 방정식에 따라 팬(F)의 입/출구에서의 압력차와 속도성분의 관계는 다음의 식과 같다.
Figure 112017042688347-pat00016
그러므로 팬에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00017
)은 다음의 식과 같이 압력차와 팬 회전부 면적의 곱으로 나타낼 수 있다.
Figure 112017042688347-pat00018
그리고 이를 정리하면 팬에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00019
)을 다음의 식과 같이 속도의 함수로 나타낼 수 있다.
Figure 112017042688347-pat00020
그러면 앞서 전체추력(
Figure 112017042688347-pat00021
)에 관한 식과 팬에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00022
)에 관한 식을 통해 팬에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00023
)과 전체추력(
Figure 112017042688347-pat00024
)의 비는 다음의 식과 같이 나타낼 수 있고,
Figure 112017042688347-pat00025
가 ‘0’이 되는 정지비행의 경우, 덕트 입/출구 유동 면적의 비
Figure 112017042688347-pat00026
에 따라 추력 발생의 비율이 결정된다.
Figure 112017042688347-pat00027
여기서
Figure 112017042688347-pat00028
는 단순하게 덕트 형상에 따라 결정되지 않고, 팬의 공력성능과 덕트 내부 유동장의 박리여부 등에 따라 결정되기 때문에 시험을 통해 팬에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00029
)과 덕트에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00030
)을 각각 측정하는 것이 덕티드 팬의 공력성능을 평가하는 것에 있어서 매우 중요한 요소로 작용하게 된다.
대한민국등록특허공보 제10-0504950호
이에 상기와 같은 문제를 해결하고자, 본 발명은 덕티드 팬 방식 축소로터에서 발생하는 전체하중의 분력인 3축 방향의 하중과 덕트에 의한 하중의 분력인 회전축(z축) 방향의 덕트 하중을 측정하는 것이 가능한 추력측정장치 및 이를 이용하여 전체추력(
Figure 112017042688347-pat00031
), 덕트에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00032
) 및 팬에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00033
)을 산출하는 추력산출방법에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 추력측정장치는 구동모터의 작동에 의해 회전하는 구동축; 구동축의 회전에 의해 회전축(z축)을 중심으로 회전하는 허브와 허브의 외주면에 방사형으로 결합된 팬이 구비된 회전부; 팬의 외주 측에 위치하는 덕트; 회전부의 회전에 의해 발생한 전체하중이 전달되는 하중부; 및 하중부에 적어도 일부분이 결합되고, 전체하중의 분력인 제1축(x축), 제2축(y축) 및 회전축(z축) 방향 하중을 측정하는 3축 하중 측정부; 및 덕트를 지지하고, 전체하중 중에서 덕트에 의한 하중의 분력인 회전축(z축) 방향 하중을 측정하는 덕트 하중 측정부;를 포함하고, 제1 축(x축), 제2 축(y축) 및 회전축(z축)은 서로 수직한 것을 특징으로 한다.
또한, 3축 하중 측정부는 회전축(z축) 방향 하중을 측정하는 복수 개의 회전축(z축) 로드셀; 회전축(z축) 로드셀의 절반에 각각 연결되고, 제1축(x축) 방향 하중을 측정하는 제1축(x축) 로드셀; 및 회전축(z축) 로드셀의 나머지에 각각 연결되고, 제2축(y축) 방향 하중을 측정하는 제2축(y축) 로드셀;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 회전축(z축) 로드셀은 회전축(z축)을 중심으로 하는 임의의 원의 둘레를 따라 서로 일정각도 이격되어 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제1축(x축) 로드셀은 한 쌍이 서로 맞은편 측에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 회전축(z축) 로드셀은 서로 90도 이격되어 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제1축(x축) 로드셀 및 제2축(y축) 로드셀은, 회전축(z축) 로드셀과 구면 베어링에 의해 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 3축 하중 측정부는 회전축(z축) 로드셀 또는 제1축(x축) 로드셀 또는 제2축(y축) 로드셀에 정상 하중 범위를 초과한 하중이 인가되는 경우, 하중을 분산시키기 위한 로드셀 파손방지부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 덕트 하중 측정부는 덕트에 의한 하중이 전달되는 덕트 하중부; 덕트 하중부가 회전축(z축) 방향으로만 직선운동이 가능하도록 하는 회전축(z축) 운동 가이드; 및 회전축(z축) 방향 덕트 하중을 측정하는 복수 개의 덕트 로드셀;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 덕트 로드셀은 회전축(z축)을 중심으로 하는 임의의 원의 둘레를 따라 서로 90각도 이격되어 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 팬의 피치각을 조절하는 팬 피치각 조절부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 허브의 상측에 회전이 고정되도록 결합된 몸체부와 덕트의 사이에 결합되되, 회전 가능한 중심축이 중심을 지나도록 중심축에 결합된 가이드 베인;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 중심축을 회전시켜 가이드 베인의 각도를 조절하는 가이드 베인 각도 조절부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 중심축은 중공축인 것을 특징으로 한다.
또한, 허브의 하측에 회전이 고정되도록 결합되고, 하측 방향으로 갈수록 내경이 증가하는 나팔 형상의 하우징부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 추력측정장치를 이용한 덕티드 팬이 구비된 축소로터의 추력산출방법은 회전부의 회전에 의해 발생한 전체하중의 분력인 회전축(z축) 방향 하중을 측정하여 전체추력을 산출하는 단계(S110); 전체하중 중에서 덕트에 의한 하중의 분력인 회전축(z축) 방향 덕트 하중을 측정하여 덕트에 의한 추력을 산출하는 단계(S120); 및 산출된 전체추력과 산출된 덕트에 의한 추력을 통해 팬에 의한 추력을 산출하는 단계(S130);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 덕티드 팬 방식 축소로터에서 발생하는 전체하중의 분력인 3축 방향의 하중을 측정할 수 있고, 이를 통해 3축 방향의 모멘트와 전체추력(
Figure 112017042688347-pat00034
)을 산출할 수 있다. 또한, 덕트에 의한 하중의 분력인 회전축(z축) 방향의 덕트 하중을 측정할 수 있고, 이를 통해 덕트에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00035
)을 산출할 수 있으며, 전체추력(
Figure 112017042688347-pat00036
)과 덕트에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00037
)을 통해 팬에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00038
)을 산출할 수 있다.
따라서 결과적으로 본 발명은 덕트에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00039
)과 팬에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00040
)을 각각 도출함으로써 덕티드 팬의 공력성능을 정확하게 평가할 수 있으며, 팬 및 가이드 베인의 각도조절이 가능함으로써 다양한 조건을 구현하여 평가할 수 있다.
도 1은 덕티드 팬에서 발생하는 추력의 운동량 이론을 설명하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치의 모식도이다.
도 3은 도 2의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 추력측정장치의 3축 하중 측정부의 평면도이다.
도 5-(a)는 도 4의 정면도이고, 도 5-(b)는 도 5-(a)의 B-B'의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 3축 하중 측정부가 측정한 하중의 모식도이다.
도 7은 본 발명의 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치의 모식도이다.
도 8-(a),(b)는 본 발명의 추력측정장치의 가이드 베인부 및 가이드 베인 각도 조절부의 모식도이다.
도 9는 본 발명의 추력측정장치를 이용한 추력산출방법의 순서도이다.
이하, 본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시 예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
본 발명은 덕티드 팬 방식 축소로터의 공력특성을 평가하기 위한 것으로, 덕티드 팬에 의한 전체추력(
Figure 112017042688347-pat00041
) 및 덕트에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00042
)을 측정하고, 이를 통해 팬에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00043
)을 산출할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예인 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치의 모식도이고, 도 3은 도 2의 평면도이다.
도 2,3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 추력측정장치는 구동모터(10), 구동축(20), 회전부(30), 덕트(40), 하중부(50), 서로 수직한 3축(회전축(z축), 제1축(x축) 및 제2 축(y축)) 방향 하중을 측정하는 3축 하중 측정부(60) 및 덕트(40)에 의한 하중을 측정하는 덕트 하중 측정부(70)를 포함하여 구성된다. 이하, 각 구성을 보다 상세히 설명한다.
구동모터(10)는 본 발명의 축소로터가 구동되도록 구동력을 제공하는 것으로, 도 2와 같이 지면에 설치된 베이스 프레임(1)의 중심에 지지되어 설치되며, 구동축(20)을 회전시킨다.
구동축(20)은 상기 구동모터(10)의 작동에 의해 회전하는 것으로, 도 2와 같이 하부는 구동모터(10)에 결합되고 상부는 허브(31)와 결합되되, 중심축이 도 2와 같이 회전축(z축) 상에 위치하도록 배치된다. 따라서 구동모터(10)의 작동에 의해 회전축(z축)을 중심으로 회전하게 된다.
회전부(30)는 상기 구동축(20)의 회전에 의해 회전하여 추력을 포함한 하중을 발생시키는 것으로, 구동축(20)의 상부에 결합되어 구동축(20)의 회전을 전달받아 회전축(z축)을 중심으로 회전하는 허브(31)와 상기 허브(31)의 외주면에 도 2,3과 같이 방사형으로 결합된 복수 개의 팬(32)을 포함하여 구성된다.
여기서 상기 팬(32)은 허브(31)에 결합되되 피치각의 조절을 위해 회전 가능하도록 결합되는 것이 바람직하며, 팬(32)의 피치각을 조절하는 팬 피치각 조절부(33)와 도 2와 같이 연결되어 있다. 따라서 이를 통해 평가하고자 하는 조건에 맞춰 팬(32)의 피치각을 다양하게 변경할 수 있으며, 실 예로 팬(32)의 피치각을 변경하여 발생하는 추력을 조절할 수 있다.
덕트(40)는 상기 회전부(30)의 회전에 의해 출입하는 공기의 통로를 형성하는 것으로, 도 2와 같이 팬(32)으로부터 일정거리 이격된 외주 측에 위치하도록 배치된다.
또한, 상기 덕트(40)는 도 1과 반대로 도 2와 같이, 공기가 아래에서 유입되고 위로 배출되도록 공기를 유입하는 면이 아래를 향하도록 형성되는 것이 바람직하며, 이에 따라 상기 회전부(30)도 공기가 아래에서 유입되고 위로 배출되도록 회전한다. 그러면 이때, 회전부(30)의 회전에 의해 발생하는 추력도 도 1과 반대로 도 2와 같이, 아래방향으로 발생하게 된다.
한편, 이와 같이 공기가 아래에서 유입되고 위로 배출되도록 함으로써, 덕트(40)에 의해 외주 측이 둘러싸진 회전부(30)의 후류와 지면의 간섭으로 인해 발생하는 지면효과(ground effect)를 방지할 수 있다.
하중부(50)는 상기와 같이 덕트(40)에 의해 외주 측이 둘러싸진 회전부(30)의 회전에 의해 발생하는 전체하중이 전달되는 것으로, 이를 위해 회전부(30)의 하측 방향에 위치하는 것이 바람직하며, 실 예로 도 2와 같이 구동축(20)을 중심으로 베이스 프레임(1)의 상단에 결합될 수 있다.
여기서 상기 하중부(50)에 전달되는 전체하중에는 덕트(40)로 인해 발생한 하중인 덕트(40)에 의한 하중과 회전부(30)인 팬(32)으로 인해 발생한 하중인 팬(32)에 의한 하중이 포함되어 있다. 그리고 이때, 상기 전체하중의 분력 중에서 회전축(z축) 방향 하중이 본 발명에서 측정 및 산출하고자 하는 값 중 하나인 전체추력(
Figure 112017042688347-pat00044
)이 된다.
따라서 하중부(50)에 전달되는 전체하중의 분력인 회전축(z축) 방향 하중을 측정하기 위해 본 발명은 도 2와 같이 베이스 프레임(1)의 상단에 고정된 지지 플레이트(2)의 상단에 설치되고, 하중부(50)에 적어도 일부분이 결합되어 전체하중의 분력인 제1축(x축), 제2축(y축) 및 회전축(z축) 하중을 측정하는 3축 하중 측정부(60)를 포함한다. 이하, 도 4,5를 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 4는 3축 하중 측정부(60)의 평면도로, 이에 도시된 바와 같이 3축 하중 측정부(60)는 회전축(z축) 방향 하중을 측정하는 복수 개의 회전축(z축) 로드셀(61), 회전축(z축) 로드셀(61)의 절반 개에 각각 연결되고, 제1축(x축) 방향 하중을 측정하는 제1축(x축) 로드셀(62) 및 회전축(z축) 로드셀(61)의 나머지 절반 개에 각각 연결되고, 제2축(y축) 방향 하중을 측정하는 제2축(y축) 로드셀(63)을 포함하여 구성된다.
그래서 이를 통해 하중부(50)에 전달되는 전체하중의 분력인 3축 방향 하중을 각각 측정할 수 있으며, 보다 구체적으로 제1축(x축) 방향 하중은 복수 개의 제1축(x축) 로드셀(62)에서 측정된 값들의 합이고, 제2축(y축) 방향 하중은 복수 개의 제2축(y축) 로드셀(63)에서 측정된 값들의 합이며, 이와 동일하게 회전축(z축) 방향 하중은 복수 개의 회전축(z축) 로드셀(61)에서 측정된 값들의 합이 된다.
여기서 복수 개의 회전축(z축) 로드셀(61)은 도 4와 같이 회전축(z축)을 중심으로 하는 원통형상의 하중부(50)의 둘레를 따라 서로 일정각도 이격되어 위치하며, 보다 구체적으로 회전축(z축) 로드셀(61)은 도 4와 같이 4개이고, 서로 90도 이격되어 위치하도록 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 제1축(x축) 로드셀(62)은 도 4와 같이 한 쌍이 서로 맞은편 측에 위치하도록 배치되는 것이 바람직하며, 이와 동일하게 제2축(y축) 로드셀(63) 역시 한 쌍이 서로 맞은편 측에 위치하도록 배치되는 것이 바람직하다.
이는 덕트(40)에 의해 외주 측이 둘러싸진 회전부(30)의 회전에 의해 발생하는 전체하중이 하중부(50)의 일부분에만 집중되지 않고 분포되어 전달되기 때문이며, 따라서 보다 정확한 전체하중의 분력인 3축 방향 하중을 측정하기 위해서이다.
한편, 도 5-(a)는 도 4를 A측에서 바라본 정면도로, 이에 도시된 바와 같이 제1축(x축) 로드셀(62) 및 제2축(y축) 로드셀(63) 각각은 회전축(z축) 로드셀(61)과 구면 베어링(64)에 의해 연결되어 있으며, 이와 같은 구면 베어링(64)은 적어도 일부분이 하중부(50)에 결합된 구면 베어링 지지부(64a)에 장착되어 있다.
따라서 이를 통해 하중부(50)에 전달되는 전체하중의 분력 중에서 모멘트 성분은 각각의 로드셀(64,62,63)에 전달되지 못하도록 하고, 3축 방향 하중 성분만 전달되도록 한다.
또한, 도 5-(b)는 도 5-(a)의 B-B'의 단면도로, 도 5-(a), (b)에 도시된 바와 같이 3축 하중 측정부(60)는 회전축(z축) 로드셀(61) 또는 제1축(x축) 로드셀(62) 또는 제2축(y축) 로드셀(63)에 정상 하중 범위를 초과하는 하중이 인가되는 경우, 초과한 상기 하중을 분산시키기 위한 로드셀 파손방지부(80)를 더 포함하여 구성된다.
보다 구체적으로 상기 로드셀 파손방지부(80)는 지지 플레이트(2)의 상단에 고정되고, 도 5-(b)와 같이 제1축(x축) 로드셀(62) 또는 제2축(y축) 로드셀(63)이 고정된 로드셀 고정 브라켓(81)과 구면 베어링 지지부(64a)를 연결시키되, 로드셀 고정 브라켓(81)과 일정거리 유격을 갖는 고정 핀(82)을 포함하여 구성된다. 여기서 상기 유격은 정상 하중 범위에서의 각 로드셀(61,62,63)의 변형량과 동일한 수준의 유격이 된다.
따라서 정상 하중 범위 이내의 하중이 인가되는 경우에는 상기 유격으로 인해 고정 핀(82)이 로드셀 고정 브라켓(81)에 접촉하지 않지만, 정상 하중 범위를 초과하는 하중이 인가되는 경우에는 고정 핀(82)이 로드셀 고정 브라켓(81)과 접촉하게 된다.
그리고 이를 통해 각 로드셀(61,62,63)로 전달되는 하중을 분산시킴으로써, 제1축(x축) 로드셀(62) 또는 제2축(y축) 로드셀(63) 또는 회전축(z축) 로드셀(61)이 파손되는 것을 방지한다.
도 6은 앞서 설명한 도 4의 3축 하중 측정부(60)가 측정한 하중 값의 실 예를 보여주는 모식도로, 이에 도시된 바와 같이 4개의 회전축(z축) 로드셀(61)에서 각각 측정된 F1,F2,F3,F4와 2개의 제1축(x축) 로드셀(62)에서 각각 측정된 F6,F8 그리고 2개의 제2축(y축) 로드셀(63)에서 각각 측정된 F5, F7을 볼 수 있다.
그러면 이의 경우, 'F1+F2+F3+F4'이 회전축(z축) 방향 하중이 되고, 'F8-F6'이 제1축(x축) 방향 하중이 되며, 'F5-F7'이 제2축(y축) 방향 하중이 된다. 그리고 이때, 앞서 설명한 바와 같이 상기 회전축(z축) 방향 하중(F1+F2+F3+F4)이 전체추력(
Figure 112017042688347-pat00045
)이 된다.
한편, 3축 하중 측정부(60)의 회전축(z축) 로드셀(61)은 앞서 설명한 바와 같이 회전축(z축)을 중심으로 하는 임의의 원의 둘레를 따라 도 4와 같이 서로 일정각도 이격되어 위치하고 있는 바, 따라서, 도 6과 같이 회전축(z축)으로부터 동일한 거리(r)만큼 이격되어 위치하게 된다.
이는 회전축(z축) 로드셀(61) 각각과 구면 베어링(64)에 의해 매우 근접하게 연결되어 있는 제1축(x축) 로드셀(62) 및 제2축(y축) 로드셀(63) 역시 근소한 오차가 있을 수 있으나 회전축(z축)으로부터 동일한 거리(r)만큼 이격되어 위치하고 있음을 의미한다.
다시 말해, 회전축(z축) 로드셀(61), 제1축(x축) 로드셀(62) 및 제2축(y축) 로드셀(63)은 회전축(z축)으로부터 동일한 거리(r)만큼 이격되어 위치한다.
그리고 이를 통해 본 발명은 거리(r)와 각각의 로드셀(61,62,63)에서 측정한 하중 값의 관계를 통해 3축 방향 하중 외에도 3축 방향 모멘트를 다음과 같이 산출할 수 있다.
도 6의 경우를 실 예로, 3축 방향 모멘트를 산출하면 제1축(x축) 방향 모멘트는 'r(F4-F2)'가 되고, 제2축(y축) 방향 모멘트는 'r(F1-F3)'이 되며, 회전축(z축) 방향 모멘트는 'r(F5+F6+F7+F8)'이 된다.
덕트 하중 측정부(70)는 전체하중의 분력 중에서 덕트(40)에 의한 하중을 측정하기 위한 것으로, 보다 구체적으로는 덕트(40)에 의한 하중의 분력 중에서도 회전축(z축) 방향의 하중인 회전축(z축) 방향 덕트 하중을 측정하기 위한 것이며, 이하, 도 7을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 덕트 하중 측정부(70)는 덕트(40)의 하측에 연결되어 상기 덕트(40)를 지지하고, 덕트(40)에 의한 하중이 전달되는 덕트 하중부(71), 상기 덕트 하중부(71)가 회전축(z축) 방향으로만 직선 운동이 가능하도록 다른 방향의 운동을 구속하는 회전축(z축) 운동 가이드(72) 및 덕트(40)에 의한 하중의 분력 중에서 회전축(z축) 방향 덕트 하중을 측정하는 복수 개의 덕트 로드셀(73)을 포함하여 구성된다.
여기서 상기 덕트 하중부(71)는 도 7과 같이 덕트(40)의 하측에 연결된 복수 개의 덕트 지지대(71a)와 상기 덕트 지지대(71a)들의 하부가 상단에 고정된 덕트 지지 플레이트(71b)를 포함한다.
그리고 상기 덕트 지지 플레이트(71b)는 도 7과 같이 하중부(50)의 외주에 결합되어 위치가 고정된 고정 브라켓(3)과 상기 회전축(z축) 운동 가이드(72) 및 상기 회전축(z축) 덕트 로드셀(73)을 사이에 두고 연결된다.
그러므로 이에 의해 덕트 지지 플레이트(71b)는 덕트(40)에 의한 하중이 전달될 때 회전축(z축) 방향으로만 직선 운동이 가능하게 되며, 따라서 덕트 로드셀(73)은 덕트(40)에 의한 하중의 분력 중에서 회전축(z축) 방향의 덕트 하중을 측정할 수 있게 된다.
한편, 여기서 복수 개의 덕트 로드셀(73)은 도 7과 같이 회전축(z축)을 중심으로 하는 임의의 원의 둘레를 따라 서로 일정각도 이격되어 위치하며, 보다 구체적으로 덕트 로드셀(73)은 4개이고, 서로 90도 이격되어 위치하도록 배치되는 것이 바람직하다.
이는 덕트(40)에 의한 하중이 일부분에만 집중되지 않고 분포되어 전달되기 때문이며, 따라서 보다 정확한 덕트(40)에 의한 하중의 분력인 회전축(z축) 방향 덕트 하중을 측정하기 위해서이다.
그러면 이의 경우, 복수 개의 덕트 로드셀(73)에서 측정된 값들의 합이 회전축(z축) 방향 덕트 하중이며, 본 발명에서 측정 및 산출하고자 하는 값 중 다른 하나인 덕트에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00046
)이 된다.
따라서 결과적으로 본 발명은 3축 하중 측정부(60) 및 덕트 하중 측정부(70)를 통해 덕티드 팬이 구비된 축소로터의 구동 시, 덕티드 팬에 의한 전체추력(
Figure 112017042688347-pat00047
)과 덕트에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00048
)을 측정 및 산출할 수 있으며, 두 값의 차이(
Figure 112017042688347-pat00049
=
Figure 112017042688347-pat00050
-
Figure 112017042688347-pat00051
)를 통해 팬에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00052
)을 산출해냄으로써, 발생한 추력에 대한 팬(32) 및 덕트(40)의 기여도를 각각 평가할 수 있다.
한편, 본 발명의 덕티드 팬이 구비된 축소로터의 추력측정장치는 팬(32)의 피치각 외에도 다양한 조건을 구현하여 공력특성을 평가할 수 있도록 후류로부터 필요한 모멘트를 생성할 수 있도록 하는 가이드 베인부(90)를 더 포함하여 구성될 수 있으며, 이하, 도 8을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 8-(a)는 가이드 베인부(90)를 확대하여 보여주는 모식도이고, 도 8-(b)는 도 8-(a)의 가이드 베인(92)을 C측에서 바라본 모식도이다.
도 8-(a),(b)에 도시된 바와 같이, 가이드 베인부(90)는 회전부(30)의 상측에 회전이 고정되도록 결합된 몸체부(5)에 일측이 결합되고, 덕트(40)에 타측이 결합되어 몸체부(5)와 덕트(40)의 사이에 결합된 중심축(91)과 상기 중심축(91)이 중심을 지나도록 중심축(91)에 결합된 에어포일 형상의 가이드 베인(92)을 포함하여 구성된다.
여기서 상기 중심축(91)의 양측은 도 8-(a)와 같이 베어링(93)에 의해 몸체부(5)와 덕트(40)에 각각 결합됨으로써 회전이 가능하도록 결합된다.
그리고 이렇게 회전 가능한 상기 중심축(91)을 일정각도 회전시켜 중심축(91)에 결합된 가이드 베인(92)의 각도를 조절할 수 있으며, 이를 위해 본 발명은 가이드 베인 각도 조절부(94)를 더 포함하여 구성된다.
가이드 베인 각도 조절부(94)는 도 8-(a)와 같이 중심축(91)과 연결된 타이밍 벨트가 걸려진 풀리(94a)로 동력을 전달하는 서브모터(94b)를 포함하여 구성되며, 서브모터(94b)를 작동시켜 중심축(91)을 회전시킴으로써 가이드 베인(92)의 각도를 조절하게 된다.
또한, 상기 가이드 베인 각도 조절부(94)는 서브모터(94b)에 직접 연결되어 가이드 베인(92)의 각도를 측정하는 포텐셔미터(potentiometer, 94c)를 더 포함하며, 이를 통해 평가하고자 하는 조건에 맞춰 가이드 베인(92)의 각도를 다양하게 변경할 수 있다.
한편, 상기 중심축(91)은 덕트(40)의 외부로부터 몸체부(5)의 내측으로 배선을 연결하는 것이 가능하도록 도 8-(a)와 같이 내부에 중공이 형성된 중공축인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 추력측정장치는 도 2,7과 같이 허브(31)의 하측에 회전이 고정되도록 결합되어 하측 방향으로 갈수록 외경 및 내경이 증가하는 나팔형상의 하우징부(100)를 더 포함하며, 이를 통해 하중부(50), 3축 하중 측정부(60) 및 덕트 하중 측정부(70)를 포함한 구성요소들을 외부 공기 또는 회전부(30)의 회전에 의해 발생한 바람으로부터 보호할 수 있다.
또한, 상기 나팔형상의 하우징부(100)는 유입되는 공기의 유동에 있어서 유동 박리에 의한 터뷸런스(turbulence, 난류라고도 함)가 발생하지 않도록 외경 및 내경이 증가하는 비 및 표면의 거칠기(roughness)가 조절되는 것이 바람직하다. 나아가 도 2,7과 같이 하우징부(100)의 상측 외경은 허브(31)의 하측 외경과 동일하게 형성됨으로써, 허브(31)로부터 돌출되지 않고 부드럽게(smooth) 이어지는 것이 바람직하다.
지금까지 설명한 본 발명의 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치를 이용한 추력산출방법은 도 9의 순서도에 도시된 바와 같이, 회전부(30)의 회전에 의해 발생한 전체하중의 분력인 회전축(z축) 방향 하중을 측정하여 전체추력(
Figure 112017042688347-pat00053
)을 산출하는 단계(S110), 상기 전체하중 중에서 덕트(40)에 의한 하중의 분력인 회전축(z축) 방향 덕트 하중을 측정하여 상기 덕트(40)에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00054
)을 산출하는 단계(S120) 그리고 상기 산출된 전체추력(
Figure 112017042688347-pat00055
)과 상기 산출된 덕트(40)에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00056
)을 통해 팬(32)에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00057
)을 산출하는 단계(S130)를 포함하여 진행되며, 여기서 상기 팬(32)에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00058
)은 앞서 설명한 바와 같이 전체추력과 덕트(40)에 의한 추력의 차이(
Figure 112017042688347-pat00059
=
Figure 112017042688347-pat00060
-
Figure 112017042688347-pat00061
)를 통해 산출할 수 있다.
본 발명의 추력측정장치 및 이를 이용한 추력산출방법은 덕티드 팬 방식 축소로터에서 발생하는 전체하중의 분력인 3축 방향의 하중을 측정할 수 있고, 이를 통해 3축 방향의 모멘트와 전체추력(
Figure 112017042688347-pat00062
)을 산출할 수 있다. 또한, 덕트에 의한 하중의 분력인 회전축(z축) 방향의 덕트 하중을 측정할 수 있고, 이를 통해 덕트에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00063
)을 산출할 수 있으며, 전체추력(
Figure 112017042688347-pat00064
)과 덕트에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00065
)을 통해 팬에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00066
)을 산출할 수 있다.
따라서 결과적으로 본 발명은 덕트에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00067
)과 팬에 의한 추력(
Figure 112017042688347-pat00068
)을 각각 도출함으로써 덕티드 팬의 공력성능을 정확하게 평가할 수 있으며, 팬 및 가이드 베인의 각도조절이 가능함으로써, 다양한 조건을 구현하여 평가할 수 있다.
본 발명인 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치 및 이를 이용한 추력산출방법의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.
1 : 베이스 프레임
2 : 지지 플레이트
3 : 고정 브라켓
5 : 몸체부
10 : 구동모터
20 : 구동축
30 : 회전부
31 : 허브
32 : 팬
33 : 팬 피치각 조절부
40 : 덕트
50 : 하중부
60 : 3축 하중 측정부
61 : 회전축(z축) 로드셀
62 : 제1축(x축) 로드셀
63 : 제2축(y축) 로드셀
64 : 구면 베어링
64a : 구면 베어링 지지부
70 : 덕트 하중 측정부
71 : 덕트 하중부
71a : 덕트 지지대
71b : 덕트 지지 플레이트
72 : 회전축(z축) 운동 가이드
73 : 덕트 로드셀
80 : 로드셀 파손방지부
81 : 로드셀 고정 브라켓
82 : 고정 핀
90 : 가이드 베인부
91 : 중심축
92 : 가이드 베인
93 : 베어링
94 : 가이드 베인 각도 조절부
94a : 풀리
94b : 서브모터
94c : 포텐셔미터
100 : 하우징부

Claims (16)

  1. 구동모터의 작동에 의해 회전하는 구동축;
    상기 구동축의 회전에 의해 회전축(z축)을 중심으로 회전하는 허브와 상기 허브의 외주면에 방사형으로 결합된 팬이 구비된 회전부;
    상기 팬의 외주 측에 위치하는 덕트;
    상기 회전부의 회전에 의해 발생한 전체하중이 전달되는 하중부;
    상기 하중부에 적어도 일부분이 결합되고, 상기 전체하중의 분력인 제1축(x축), 제2축(y축) 및 상기 회전축(z축) 방향 하중을 측정하는 3축 하중 측정부; 및
    상기 덕트를 지지하고, 상기 전체하중 중에서 상기 덕트에 의한 하중의 분력인 상기 회전축(z축) 방향 하중을 측정하는 덕트 하중 측정부;를 포함하고,
    상기 3축 하중 측정부는,
    상기 회전축(z축) 방향 하중을 측정하는 복수 개의 회전축(z축) 로드셀;
    상기 회전축(z축) 로드셀의 절반에 각각 연결되고, 상기 제1축(x축) 방향 하중을 측정하는 제1축(x축) 로드셀;
    상기 회전축(z축) 로드셀의 나머지에 각각 연결되고, 상기 제2축(y축) 방향 하중을 측정하는 제2축(y축) 로드셀; 및
    상기 회전축(z축) 로드셀 또는 상기 제1축(x축) 로드셀 또는 상기 제2축(y축) 로드셀에 정상 하중 범위를 초과한 하중이 인가되는 경우, 상기 하중을 분산시키기 위한 로드셀 파손방지부;를 포함하여 이루어지며,
    상기 제1 축(x축), 상기 제2 축(y축) 및 상기 회전축(z축)은 서로 수직한 것을 특징으로 하는 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 덕트는 상기 회전부의 회전에 의해 공기가 아래에서 유입되고, 위로 배출되도록 형성된 것을 특징으로 하는 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회전축(z축) 로드셀은 상기 회전축(z축)을 중심으로 하는 임의의 원의 둘레를 따라 서로 일정각도 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1축(x축) 로드셀은 한 쌍이 서로 맞은편 측에 위치하는 것을 특징으로 하는 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1축(x축) 로드셀 및 상기 제2축(y축) 로드셀은, 상기 회전축(z축) 로드셀과 구면 베어링에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 덕트 하중 측정부는,
    상기 덕트에 의한 하중이 전달되는 덕트 하중부;
    상기 덕트 하중부가 상기 회전축(z축) 방향으로만 직선운동이 가능하도록 하는 회전축(z축) 운동 가이드; 및
    상기 회전축(z축) 방향 덕트 하중을 측정하는 복수 개의 덕트 로드셀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 덕트 로드셀은 상기 회전축(z축)을 중심으로 하는 임의의 원의 둘레를 따라 서로 90각도 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 팬의 피치각을 조절하는 팬 피치각 조절부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 허브의 상측에 회전이 고정되도록 결합된 몸체부와 상기 덕트의 사이에 결합되되, 회전 가능한 중심축이 중심을 지나도록 상기 중심축에 결합된 가이드 베인;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 중심축을 회전시켜 상기 가이드 베인의 각도를 조절하는 가이드 베인 각도 조절부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 중심축은 중공축인 것을 특징으로 하는 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 허브의 하측에 회전이 고정되도록 결합되고, 하측 방향으로 갈수록 내경이 증가하는 나팔 형상의 하우징부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치.
  16. 제1항, 제2항, 제4항, 제5항, 제7항, 제9항, 제11항, 제12항, 제15항 중 어느 한 항의 추력측정장치를 이용한 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력산출방법에 있어서,
    회전부의 회전에 의해 발생한 전체하중의 분력인 회전축(z축) 방향 하중을 측정하여 전체추력을 산출하는 단계;
    상기 전체하중 중에서 덕트에 의한 하중의 분력인 회전축(z축) 방향 덕트 하중을 측정하여 상기 덕트에 의한 추력을 산출하는 단계; 및
    산출된 상기 전체추력과 산출된 상기 덕트에 의한 추력을 통해 팬에 의한 추력을 산출하는 단계;를 포함하는 추력산출방법.
KR1020170056131A 2017-05-02 2017-05-02 덕티드 팬 방식 축소로터의 추력측정장치 및 이를 이용한 추력산출방법 KR101871112B1 (ko)

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