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농용 회전익기 로터 양력의 현장측정과 CFD 시뮬레이션 비교
홍종근 ( J. G. Hong ),구영모 ( Y. M. Koo ),하이더바샤랏알리 ( B. A. Haider ),손창현 ( C. H. Sohn ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.2
농용 회전익기의 로터 블레이드는 익형의 설계를 통하여 양력을 향상시킬 수 있다(Koo, 2012). 본 연구의 목적은 개발된 익형을 장착한 농용 헬리콥터(AGROHELI_4G)의 양력 특성을 자유형 양력시험장치를 이용하여 측정하는데 있어 지면에 앵커된 현장실험 조건을 반영한 CFD 시뮬레이션을 수행하고 현장실험의 결과와 비교하는데 있다. 현장 및 모의실험결과는 제자리 또는 서행조건으로 확장하기 위하여 현장실험과 근사한 조건에서 총양력을 예측하여 검증하였다. 시뮬레이션은 MRF (multiple reference frame) 모델을 채용하여 유동영역을 구성하였으며, 경계층을 wall로 설정한 지면바닥으로부터 블레이드를 0.7R (R: 블레이드 반경)의 높이에 위치시켜 지면효과(ground effect)를 시뮬레이션에 적용하였다. 로터를 둘러싸고 있는 원통 모양의 유동장은 20R로서 정지역(stationary zone)과 운동역(moving zone)으로 구성되어 있고 운동역과의 경계조건은 Interface로 유체의 유입 및 유출이 가능하도록 하였고, 18,000~20,000 iteration 사이에서 양력의 표준편차가 5% 정도까지 수렴하도록 수행하였다. 자유형 양력 시험 장치를 이용하여 현장 측정한 결과 조정간 위치 신호는 피치각과 엔진 스로틀이 연동되어 피치각 5~10도에서 로터의 회전속도는 600~1000 rpm의 범위에서 연동되었다(Koo et al., 2016). 조정간의 신호를 환산한 CPA와 스로틀의 연동으로 결정된 로터 회전속도의 연동에 따른 양력의 비교에서 CPA 8°에서 자중(68 kgf)을 극복하고 유상하중(payload)의 양력을 발휘하기 시작하였다. CPA 10°에서는 유상하중 60 kg을 보이며 총양력 128 kg을 발휘하였다. 실제 현장에서의 CPA의 운용범위는 실속각(stall angle: 약 22°)에 훨씬 못 미치는 각도이며, 본 연구에서 사용된 24.5 kW의 엔진동력은 약 12°의 CPA 이하에서 사용이 제한되었다. 시뮬레이션 결과에서는 CPA 약 8°에서 자중을 극복하고 유상하중(payload)을 발휘하기 시작하였으며, CPA 10°에서의 총양력은 1,266 N으로 유상하중이 61.2 kg로 예측되어 양력 실험치보다 약 2% 높게 예측되었다. CPA 10°에서의 시뮬레이션 세부결과는 양력 1,266 N, 항력 127.2 N, 토크 147.9 N · m, 동력은 15.5kW로 나타났으므로, 현장에서의 유상하중 측정치와 지면효과를 적용한 시뮬레이션의 결과는 2%의 오차에서 일치하였다.
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구영모 ( Y. M. Koo ),홍종근 ( J. G. Hong ),원용식 ( Y. S. Won ),석태수 ( T. S. Soek ),심성보 ( S. B. Shim ),남영조 ( Y. J. Nam ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.2
최근 지역 밭작물에 대한 생산과 소비에 대하여 관심이 높아지고 있다. 이는 안전하고 질 좋은 ‘로컬푸드’에 대한 관심과 맞물려서 기계화와 생력화가 절실히 필요하게 되었기 때문이다. 경운, 정지, 방제 등은 벼농사에서 사용하는 농기계를 대부분 사용하기 때문에 비교적 기계화율이 높으나 정식, 수확, 육묘, 선별 작업 등의 기계화율이 낮은 것이 현실이다. 또한 각 농작업이 개별적으로 기계화되고 있기 때문에 생력화에 기여하고 있지 못하고 있다. 따라서 각 단계별 작업기를 통합하여 일관화작업을 수행하는 복합기를 개발함으로써 밭농업의 생력화에 기여할 것으로 생각된다. 본 연구의 목적은 밭농업을 위한 일관화작업 복합기를 개발하고 생력화 효율을 분석하는데 있다. 밭작물은 작물의 종류, 지역 특색 등에 따라 재배 양식이 다양하므로 표준화하고 일관화하여 생력화할 필요가 있다. 밭작물의 작부형태는 평두둑과 둥근두둑으로 나눌 수 있고 평두둑의 폭은 120 cm (마늘, 양파 등)으로 표준화하였다. 평두둑은 경운정지-두둑성형-약액살포-시비-멀칭-파종/정식이 일반적이며, 둥근두둑은 약액살포와 시비를 제외할 수 있으므로 각 작업별 작업기 모듈의 교환이 용이하도록 설계 및 제작하는 것이 목표이다. 생력화작업 분석 결과 2.0 km/h의 작업속도에서 약 0.36 ha/h의 이론포장 능력을 갖으며 개별 작업기에 의한 누적시간에 비하여 복합기에 의한 작업시간을 70% 절감할 수 있을 것으로 생각된다. 본 연구에서 개발하는 복합 작업기의 예상 무게는 자중 800 kg과 방제용액 300 kg 등 1100 kg 정도로, 국내 농가에서 가장 많이 보유하고 있는 48 kW (64 PS) 이하 급(카테고리 I)트랙터에 장착하여 사용할 경우 트랙터의 하중 전이에 영향을 미치게 되어 정적 동적 안정성에 영행을 미치게 되므로 안정성 검토 또한 행하여졌고, 트랙터 전면 부가중량(ballast)과 프론트 버켓 로더를 이용한 안정성을 유지할 필요가 있다.
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구영모 ( Y. M. Koo ),홍종근 ( J. G. Hong ),석태수 ( T. S. Soek ),심성보 ( S. B. Shim ),한정우 ( J. W. Han ),신진우 ( J. W. Shin ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.2
최근 지역 밭작물에 대한 생산과 소비에 대하여 관심이 높아짐에 따라 노동력 및 작업기간 절감을 위한 고효율 복합 작업기(BG-1200A, (주)불스)를 트랙터(DK753C: 55 kW)에 장착하고 동력측정기를 이용하여 평두둑 복합기의 소비동력을 측정하였다. 평두둑 복합기는 경운정지-두둑성형-약액살포-시비-멀칭-파종/정식이 동시에 가능하도록 설계 구성되었으며 이론작업능력은 0.36 ha/h로서 작업시간을 70% 절감할 수 있을 것으로 기대되었다.. 트랙터 부착형 복합기의 소비동력을 측정하기 위해 트랙터와 복합기 사이에 견인력측정 6분력계와 PTO 동력측정 토크미터를 설치하였고 스프라인의 회전속도(PTO 1단, 540 rpm)는 근접센서로 측정하였다. 육분력계의 6 로드셀에서 측정된 신호는 분력식에 따라 견인력(Ph), 수직력(Pv) 및 수평력(Ps)으로 계산되었고 각축에 생성되는 모멘트(Mh, Mv, Ms)를 계산하여 작업상태를 분석하였다. 견인력은 주로 토양의 다짐상태에 따라 영향을 받으며 125~800 kgf의 견인력에 대하여 소비동력은 0.5~0.9 kW 정도였다. 작업속도는 (L1, L2, L4, M1) 0.4-2.0 kph 범위에서 시행되었으며 작업속도가 증가함에 따라 절단피치(bite cm/rev)는 증가하고 로터리에 의한 단위 견인력은 감소하였다. PTO 동력은 경심 또는 토양조건에 따라 150~380 N.m정도로 측정되었으며, 로터리 경운과 펌프 구동에 사용되는 PTO동력(8.5~21.5 kW)이 소비동력의 대부분을 차지하였다. 수평축에 대한 모멘트(Ms)는-125~500 kgf.m 범위에서 분석되었고 진행방향의 견인력 분포에 의해 영향을 받거나 미쳤다. 800~1000kgf에 이르는 작업기는 견인력과 함께 작업중 트랙터 복합기 시스템의 정적 및 동적 안정성에 영향을 준다. 상부견인 또는 하부견인에 따라 부하의 위치와 크기가 변화되고 동력의 효율적 사용이 결정되므로 ‘스마트’ 복합기 연구에 기본이 되는 자료로 사용될 것으로 생각된다.
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농용헬기의 로터특성 분석을 위한 컬렉티브 피치각과 양력의 현장측정
구영모 ( Y. M. Koo ),원용식 ( Y. S. Won ),홍종근 ( J. G. Hong ),하이더바샤랏알리 ( H. B. Ali ),손창현 ( C. H. Sohn ) 한국농업기계학회 2016 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.21 No.2
농용 회전익기의 로터 블레이드는 반경방향의 선속도에 따라 최적익형이 다르므로 로터 설계에 필수적인 현장 양력특성을 분석하기 위하여 LVDT를 이용하여 받음각(Angle of Attack: AoA)을 현장에서 측정하였다. 그러나 헬리콥터 스와시의 움직임은 동체의 롤 및 피치운동이 포함되어있어 조종간 움직임을 무선통신의 방법으로 수집하여 그립의 컬렉티브 피치각(collective pitch angle:CPA)을 측정하여 비교할 필요가 있었다. 조종기(T10CHG, Futaba)의 조정간 위치(stick position)는 2.4 GHz로 무선 송신되어 서보모터에 신호를 인가함으로써 헬리콥터의 스와시 위치를 제어하여 블레이드 그립의 각도, 즉 CPA를 결정하게 된다. 받음각과 그에 따른 신호를 결정하는 요인은 서보모터의 회전운동과 스와시(swash)에 이르는 링크 구조에 의해 결정되지만, 또한 조종기의 S/W 셋업 커브에 의하여도 설정될 수 있다. 자유형 양력 시험 장치를 이용하여 현장 측정한 결과 LVDT와 조정간 위치 신호는 역함수이나 경향을 따르는 것으로 판단되며 로터의 회전속도는 900~1000 rpm의 범위에서 유지되었다. CPA약 8°에서 자중 (약 68 kgf)을 극복하고 유상하중(payload)에 양력을 발휘하기 시작하였다. 받음각 10.5°에서는 약 유상하중 60 kgf을 보이며 총양력 128 kgf을 발휘하였다. CPA가 8.5~10°에서는 로터 회전수를 1000 rpm에서 유지 되었는데, 이 영역은 거버너의 작동영역으로 일정회전수가 유지되도록 제어되었다. CPA 10° 이상에서는 회전속도가 감소하려는 경향을 보였고 이는 동력이 부족하여 나타나는 현상으로 판단된다. LVDT 센서를 이용한 받음각과 조정간 위치를 이용한 받음각의 상관관계를 비교한 결과LVDT 센서의 상승시에 나타나는 백래쉬(back lash) 지연효과를 보여주고 있다. 따라서 받음각측정에 있어서 접촉식 LVDT의 한계는 조종간 신호의 블루투스를 이용한 데이터 획득을 구현함으로써 극복하였다. 실제 현장에서의 CPA의 운용범위는 실속각에 못 미치는 각도이며, 양력은 무한동력의 시뮬레이션에서와는 다르게 엔진 동력에 의해 제한되어 나타난다. 본 연구에서 사용된 24.5 kW의 엔진동력은 약 10°의 받음각에서 제한되는 것으로 보인다.
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