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1 대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea pissn:225-43, Vol. 49, No. 6, pp , December 202 eissn: , 유연복합재료프로펠러제작개선및성능분석 이상갑, 남재형 현범수 백부근 2 이창섭 3 장현길 3 노인식 3 한국해양대학교조선해양시스템공학부 한국해양과학기술원선박해양플랜트연구소 2 충남대학교선박해양공학과 3 Enhanced Manufacturing and Performance Analysis of Flexible Composite Propeller Sang-Gab Lee, Jae-Hyung Nam Beom-Soo Hyun Bu-Geun Paik 2 Chang-Sup Lee 3 Hyun-Gil Jang 3 In Sik Nho 3 Division of Naval Architecture & Ocean System Engineering, Korea Maritime University Maritime & Ocean Engineering Research Institute, KIOST 2 Department of naval Architecture & Ocean Engineering, Chungnam National Univerity 3 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. It is well known that flexible composite material propeller has superior radiation noise characteristics with outstanding damping effects. In this paper, three flexible composite material propellers were produced using compression molding process, and their hydrodynamic performances and radiation noise characteristics were measured. One propeller, C, was made up from carbon/epoxy composite laminates, and the other two ones, G and G2, from glass/epoxy ones. Their fiber arrays were selected by the progressive damage structural analysis of propellers using composite material model MAT_62 (Composite_DMG_MSC) linked with LS-DYNA code. Carbon/epoxy and glass/epoxy composite specimen tests were performed, their damage mechanisms were figured out, and their parameters were calibrated by their progressive damage structural analysis according to their damage criteria. Keywords : Flexible composite material propeller( 유연복합재료프로펠러 ), Radiated noise( 방사소음 ), Compressible molding process( 압축성형기법 ), Carbon/epoxy and Glass/epoxy composites( 탄소섬유 / 에폭시및유리섬유 / 에폭시복합재료 ), Composite laminates( 적층복합재료 ), Progressive damage structural analysis( 점진적손상구조해석 ), MAT_62, LS-DYNA code, Open water performance( 단독성능 ). 서론 유연복합재료프로펠러는강체날개를갖는프로펠러와비슷한추진성능을발휘하면서방사소음등에있어우수한성능을보인다고알려져있으나독일등소수국가들에의해연구및제작되어왔기때문에이의성능특성에대해서는알려진바가극히적다. 특히수중운동체의경우군사기술과밀접한관련이있으므로유연프로펠러에대한유동및소음특성은대외비로간주되어관련정보를얻기힘든실정이다. 본연구는 Lee, et al.(2009) 연구의후속연구로서, 보다실용적인대상프로펠러를선정한후, 개선된모형제작기법을적용하여제작하고그결과를성능평가하였다. 유연복합재료프로펠러는유연성과강도를충분히가지도록프리프레그 (prepreg) 를재단하고섬유의직조및배열에따라금형 (mold) 에적층하여압축성형기법을사용하여제작하였다. 적 층복합재는섬유의직조및방향에따라강도, 에너지흡수능력및파손상태가달라짐으로복합재추진기의성능을극대화할수있는최적구조설계를도출하기위해서점진적손상구조해석기법을이용하였다. 적층복합재의점진적손상구조해석기법을구축하기위하여 LS-DYNA code(lstc, 20) 의복합재료모델 MAT_62 (Composite_DMG_ MSC) 를사용하여탄소섬유 / 에폭시및유리섬유 / 에폭시복합재료시편시험및충격시험을통하여기계적인물성치와각시험에서의파손상태및손상기구를파악하고손상기준을조정 (calibration) 하였고다양한섬유배열에따른검증을수행하였다 (Lee, et al., 20a, 20b). 본연구에서는탄소섬유 / 에폭시및유리섬유 / 에폭시복합재료의평직 (PW; plain weave) 과일방향 (UD; unidirection) 의다양한섬유방향에따른점진적손상구조해석을수행하여총 3종류의유연복합재료프로펠러를선정하고적층압축성형기법을사용하여제작하였다. 성능특성을살펴보기위하여공동수조에서수행 접수일 : 202 년 월 5 일 차수정일 : 202 년 월 27 일 게재확정일 : 202 년 월 28 일 Corresponding author : sglee@hhu.ac.kr,

2 유연 복합재료 프로펠러 제작개선 및 성능분석 한 실험의 종류는 날개 변형량 계측, 프로펠러 단독시험 및 소음 복합재료 유연 프로펠러 C 날개의 단면을 보여주고 있다. 날개 특성을 조사하였다 (Paik, et al., 202). 양쪽표면(흡입면, 압력면)의 날개바깥단면은 평직 유리섬유/에폭 시 복합재료(GEP28) 한 장씩을 0 배열로, 그 날개바깥단면 안 2. 유연 프로펠러의 제작 본 연구에서 사용한 유연 프로펠러의 형상, 제원 및 기본 도면 은 Fig. 과 같다. 프로펠러의 날개 수는 5개이고 직경은 250mm, 평균피치 비는 7, 확장면적 비(Ae/Ao)는 0.72, 허브 (hub) 비는 0.2이다. 총 3종류의 유연 프로펠러들을 제작하였는 데 날개의 주된 재질에 따라 탄소섬유/에폭시 복합재료가 주소재 로 제작된 프로펠러를 C, 유리섬유/에폭시 복합재료가 주 소재 로 제작된 프로펠러를 G, G2라고 정의하였다. G과 G2 프로펠 러의 차이점은 날개의 섬유직조 및 배열에 따라 다르게 제작된 쪽에 각각 6장 및 5장의 평직 탄소섬유/에폭시 복합재료(WSN3K) 도 0 배열로, 그리고 그 안쪽에는 일방향 탄소섬유/에폭시 복합 재료(USN50)를 [0 /+30 /-30 ] 배열로 연속적으로 재단하였 다. 유리섬유/에폭시 복합재료 유연 프로펠러 G인 경우 날개양 쪽표면의 날개바깥단면에 각각 3장 및 2장의 평직 유리섬유/에 폭시 복합재료(GEP28)를 0 배열로, 그 안쪽에는 일방향 유리 섬유/에폭시 복합재료(UGN50)를 C에서와 같이 [0 /+30 /-30 ] 배열로 연속적으로 재단하였다. G2는 G의 바 깥 평직은 동일하나 내부의 일방향은 [90 /+45 /-45 ] 배열로 연속적으로 재단하였다. 것인데 G보다 G2의 날개가 유연성이 더 크게 하였다. 이중 C 을 기준 프로펠러로 삼았는데, 이는 실험조건 하에서 C의 강성 이 가장 커서 강체 프로펠러 대비 변형량이 가장 작을 것이라 판 단했기 때문이다. Fig. 2 Fiber array of composite material propeller Fig. 3 Blade sections of composite material propeller C Fig. Configuration, drawing and principal particulars of flexible composite propeller 본 연구에서는 유연 프로펠러 날개의 형상에서 섬유방향은 Fig. 2에서와 같이 허브 왼쪽 끝에서 날개 끝(blade tip)을 가로지 르는 방향을 섬유방향 0 로 정하고 앞날(leading edge) 방향을 양의 방향으로, 날개의 뒷날(trailing edge) 방향을 음의 방향으로 잡았다. 다양한 섬유직조 및 방향에 따른 점진적 손상구조해석을 수행하여 앞에서 언급한 바와 같이 3종류의 유연 프로펠러를 결 정하였다. 섬유직조 및 배열에 따른 각 층별 날개 전개단면을 생성하여 NC 복합재 커터(cutter)로 재단하였다. Fig. 3은 탄소섬유/에폭시 522 Fig. 4 Stacking blade prepreg sections in mold 대한조선학회논문집 제 49 권 제 6 호 202년 2월

3 이상갑 남재형 현범수 백부근 이창섭 장현길 노인식 이러한 각 날개단면들을 Fig. 4에서와 같이 양쪽날개표면에 적 서의 압력을 날개단면에 적용하였고 각 프로펠러의 변형형상은 층하여 Fig. 5의 금형 2조를 서로 맞물려 압축성형 기법을 사용 Fig. 과 같고 C, G 및 G2의 날개끝에서의 변형량은 각각 하여 Figs. 6 & 7과 같이 제작하였다. Fig. 8과 같이 제작과정과 9, 2.42 및 4.32mm이었다. J=0.84의 성능시험에서의 변형량 동일하게 적층 복합재 유연 프로펠러 날개를 모델링하였으며 보다 약간 작게 발생하였으며 매우 근사한 경향을 보여주었다. 그리고 본 연구에서는 조립금형을 Fig. 2에서와 같이 조립금형 MAT_62 모델을 사용하여 점진적 손상구조해석을 수행하였다. 을 제작하여 프로펠러 날개들을 보다 정도 높게 조립하였다. (a) Suction side blade Fig. 5 Blade molds for compression molding process (b) Pressure side blade Fig. 6 Blade in blade mold (c) Complete blade Fig. 8 Configuration of blade model Fig. 7 Complete single blade 성능시험에서 전진비 J=0.53에서의 프로펠러 C, G 및 G2 의 변형형상은 Fig. 9와 같고 날개끝에서의 변형량은 각각 2.89, 4.22 및 6.67mm이었고, J=0.84에서도 날개끝에서의 변형량은 각각.33, 2.67 및 4.83mm만큼 변형(deformation)이 발생하였 다. Fig. 0에서와 같이 J=0.90, RPM=,500에서의 부하상태에 JSNAK, Vol. 49, No. 6, December 202 Fig. 9 Configuration of blade deformation at J=0.53 in performance test 523

4 유연 복합재료 프로펠러 제작개선 및 성능분석 Fig. 0 Pressure distribution on blade surfaces (J=0.90, RPM=500) 3. 성능시험 조건 모형시험은 한국해양과학기술원(KIOST) 선박해양플랜트연구 소의 중형 공동수조(계측부 길이 폭 수심=2.6m 0.6m 0.6m) 에서 수행되었으며, 각종 계측치들은 전산화된 자료취득장치에 의해서 얻어졌다. 공동수조의 최대 유속은 2.0m/s이고, 수조 내 부압력은 0.기압에서 2.0기압까지 변화가 가능하다. 실험은 균 일유동 중에서 수행하였으며, 항목별 시험조건은 Table 과 같 다. 여기서, n, J는 각각 프로펠러 유입유속, 프로펠러 회전 수 및 전진비이다. Table Performance test conditions (a) C (b) G (c) G2 Fig. Configurations of blade deformation in progressive damage simulation using MAT_62 of LS-DYNA Type Conditions POW 2.0m/s < < 8.0m/s, n = 25 rps Blade deflection 0.53 J.08, n = 25 rps Acoustic noise J=0.53, n = 25 rps 3.2 고속 카메라를 이용한 프로펠러 날개 변형량 계측 여러 전진비에서 하중변화에 따른 유연 프로펠러 날개의 변형 량을 관측하기 위해서는 고속으로 회전하는 날개의 움직임을 가 시화할 수 있는 장비가 필요한데, 본 연구에서는 5000fps(frame Fig. 2 Assembly mold of composite material propeller 3. 유연 프로펠러의 성능평가 성능특성을 살펴보기 위하여 공동수조에서 날개 변형량을 계 측하고, 프로펠러 단독시험을 수행하였으며 소음특성을 조사하 per second)의 높은 분해능을 갖는 고속카메라를 사용하여 빠르 게 변화하는 프로펠러 날개의 거동을 관찰하였다. Fig. 3은 고 속카메라를 이용하여 캐비테이션 거동을 관찰하고 있는 모습인 데, 가시화 시스템은 고속 CCD 카메라(Photron, FASTCAM SA5), Nikon 50mm 렌즈(f#=.4), 메탈 조명(Photron, HVC-SL) 개, 영상처리 장치, 제어 및 계산용 컴퓨터 등으로 이루어져 있 였다. 다. CCD 카메라의 해상도는,024,024 pixels이고 관측면의 크기는 cm2이다. 조명은 백색광의 광도를 낮추어 프 524 대한조선학회논문집 제 49 권 제 6 호 202년 2월

5 이상갑 남재형 현범수 백부근 이창섭 장현길 노인식 로펠러의측면을조사함으로서프로펠러의음영을이용하였는데, 이로부터프로펠러날개끝의움직임을쉽게관찰할수있었다 No thrust C G G r/r X-axis (mm) (a) J=.08 Fig. 3 Photo of high speed camera set-up 전진비를조절하기위하여프로펠러유입유속을변화시켰는데, 유속이감소할경우날개받음각의증가로프로펠러날개표면에캐비테이션이발생하는경우엔공동수조압력을적절히증가시켜캐비테이션이없는상태에서실험을수행하였다. 날개거동가시화시동기화되는프레임에서발생하는오차는 ± 0.99mm, 촬영된영상으로부터날개의윤곽을추출해내는과정에서발생할수있는오차는 ±0.56mm 로예상하였다. 동일한프로펠러회전각도에서연속적으로영상들을얻기위하여고속카메라의 event mark 기법을이용하였는데, 특정프로펠러날개가연직상방에올때마다프로펠러축으로부터얻어진동기신호가카메라에전달되어카메라를작동시키게된다. 이때카메라신호지연시간은약 40.0ms 이다. r/r No thrust C G G X-axis (mm) (b) J= No thrust C G G r/r X-axis (mm) Fig. 4 Sample image (J=0.53 and no-thrust case, G2) (c) J=0.53 Fig. 5 Mean deflection of blade in uniform flow JSNAK, Vol. 49, No. 6, December

6 유연복합재료프로펠러제작개선및성능분석 Fig. 4 는균일유입류중유연프로펠러 G2 의허브위쪽날개거동을 J=0.53 조건에서작동할때가시화한날개와정지해있는경우 (no-thrust) 의동일한날개를가시화한결과를오버랩하여같이표시한사진이다. 날개의바깥쪽다소투명한윤곽이정지해있는경우이고검은윤곽의날개가 J=0.53 에서관찰한것이다. 이러한방법으로날개의변형을계측한결과를 Fig. 5 에나타내었다. 그림으로부터전진비가감소할수록, 즉날개의받음각이증가할수록프로펠러날개끝이점차선수방향을향해변형되어져감을볼수있다. 날개끝뿐만아니라스팬방향으로거의선형적으로날개의변형이발생함을알수있었다. 날개의 0.7R 이상에서평균변형량은 C 이 ~3mm, G 이 3~5mm, G2 가 4~6mm 정도이며, 날개끝최대변형량은 G2 에서 6.67mm 로계측되는등, 제작시유연성이가장좋을것으로예측되었던 G2 의유연성이가장좋은것으로확인되었다. 3.3 프로펠러단독시험프로펠러단독시험은프로펠러의전진비변화에따른추력 (T) 과토크 (Q) 를계측한후프로펠러의효율을계산하였는데, 회전수를고정하고유입유속을변화시키는방법으로전진비를맞추었다. 계측결과는 Fig. 6 과같다. 변화했음에주원인이있다고판단되었다. 즉, 유연프로펠러의성능변화는변형량자체보다는변형의방향이중요하다는의미로서, 향후유연프로펠러의제작시원하는방향으로피치변화를줄수있는직조방법을체계적으로개발하는것이중요할것이다. 하지만프로펠러전진비가.0 보다큰경우를제외하면 3개유연프로펠러의추력및토크계수의차이는크지않았기때문에날개의피치변화와더불어프로펠러재질에따른방사소음이나캐비테이션초생, 날개강도등의다른특성들도고루감안하여유연프로펠러를설계하는것이바람직하다고여겨진다. 특히소형복합재프로펠러의제작정도가성능에미치는영향이무시할수없기때문에복합재추진기설계는다각적인관점에서검토되어야한다고판단되었다 (Lee, et al., 202). 3.4 소음특성조사추진기소음은수중청음기 (Hydrophone) B&K 803 을프로펠러회전면옆터널관측창에부착하였으며, 측정된신호는 B&K NEXUS 를이용하여증폭하였다. 소음계측은동일한전진비 (a) Noise spectrum (< khz) Fig. 6 Propeller open water performances 이그림은프로펠러제작정도에따른오차를감안하여 Lee, et al.(202) 에따라보정한결과이다. 결과에서보는바와같이전체적으로 C, G2, G 의순서로효율과추력및토크계수들이얻어졌다. 즉, 프로펠러의유연성이큰유리섬유 / 에폭시복합재료프로펠러가탄소섬유 / 에폭시복합재료프로펠러보다추력과토크가다소감소하였다. 특기할점은 C 에비하여 G2 가 G 보다더큰성능차이를보여줄것으로예측되었으나그렇지않은점이다. 여기에는여러이유가있을수있겠으나 G2 가전체변형량은크게계측되었지만유효피치각은 G 이상대적으로크게 (b) Noise spectrum (< 3kHz) Fig. 7 Noise measurements 526 대한조선학회논문집제 49 권제 6 호 202 년 2 월

7 이상갑 남재형 현범수 백부근 이창섭 장현길 노인식 (J=0.53) 에대하여수행하였는데, 날개의변형에따른영향등으로인하여이때의추력은 C(,000N) 과 G(97N), G2(953N) 가다소다르게계측되었기때문에완벽하게동일한계측조건은아니었지만비교에는큰무리가없다고판단하였다. 계측결과는 Fig. 7과같다. 먼저 khz 까지전대역주파수결과로부터유연프로펠러의유동소음이배경소음보다크기때문에계측결과의유효성을확인할수있었다. 차날개통과주파수 (BPF) 와날개끝보오텍스 (vortex) 캐비테이션소음이지배적인 khz ~ 3kHz 대역에서는 Table 2에서와같이추력과소음크기가비례하는경향성을보였으며 (C>G2>G), 유리섬유 / 에폭시복합재료프로펠러가탄소섬유 / 에폭시복합재료프로펠러보다 ~ 2dB 정도낮은소음성능을보였다. Table 2 Sound pressure level in the st BPF (J=0.53) SPL(dB) Background Noise C G G2 st BPF 결론 강체날개를갖는프로펠러와비슷한추진성능을발휘하면서방사소음등에있어우수한성능을보인다고알려진유연프로펠러의제작및성능특성에대한국내후속연구로서, 보다실용적인대상프로펠러를선정한후, 개선된모형제작기법을적용하여제작하고그결과를성능평가하였다. 본연구에서는탄소섬유 / 에폭시및유리섬유 / 에폭시복합재료의평직과일방향에대한다양한섬유방향에따른점진적손상구조해석을수행하여총 3종류의유연복합재료프로펠러를선정하고적층압축성형기법을사용하여제작하였다. 성능특성을살펴보기위하여공동수조에서수행한실험의종류는날개변형량계측, 프로펠러단독시험및소음특성을조사하였다. 유연프로펠러작동시날개거동과날개의 pitch, rake, skew 분포등은서로연관성이있으므로추후프로펠러소재의종류와직조법과구동조건별프로펠러형상변화사이에다양한 parametric study 를수행하는것이필요하다고사료된다. 참고문헌 Lee, G.H. et al., 202. Effect of Manufacturing Accuracy of Flexible Propeller on Open Water Performance. Procedings of the Annusal Autum Meeting, SNAK, CECO Changwon, Korea, 5-6 November 202. Lee, S.G. Byun, J.H. Paik, B.G. & Hyun, B.S., Production & Performance Assessment of Composite Material Flexible Propeller. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 46(6), pp Lee, S.G. Byun, J.H. & Cho, H.I., 20a. Progressive Damage Structural Analysis of Carbon/Epoxy Composite Laminates. The 8th International Conference of Composite Materials, ICC Jeju, Korea, 2-26 August 20. Lee, S.G. et al., 20b. Verification of Progressive Damage Structural Analysis of Carbon/Epoxy Composite Laminates. Procedings of the Annusal Autum Meeting, SNAK, Mokpo, Korea, 3-4 November 20, pp LSTC, 20. LS-DYNA User's Manual, Version 97. Livermore Software Technology Corporation, USA. Paik, B.G. et al., 202. Investigation on the Flexible Propeller Performance, Research Report BSPIS , MOERI/KIOST. 이상갑남재형현범수백부근 후기 본연구는한국해양대학교수중운동체특화센터 탄성변형을고려한복합재추진기설계기법연구 과제 (SM-42) 의지원으로수행되었습니다. 이창섭장현길노인식 JSNAK, Vol. 49, No. 6, December