1. 서 론

항공기 엔진과 같이 고도의 안정성을 요구하는 기계장치는 결함 발생이나 고장을 정확히 예측하여 건전성을 관리하는 문제를 매우 중요하게 다루고 있다. 특히 근래에 들어 국내외 여러 분야에서 적극적으로 활용되고 있는 무인 비행체(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)의 경우는 더욱 높은 수준의 안정성과 신뢰성이 요구된다. 무인기용 터보팬 엔진의 각 구성품에서 발생할 수 있는 결함들은 성능 저하를 일으키고, 심각한 성능 저하의 경우는 치명적인 사고로 이어질 수 있다. 항공 엔진의 건전성 예측관리(Prognostics and Health Management, PHM)에는 결함으로 인한 팬, 압축기, 터빈 등의 비정상 작동 상태 성능 데이터가 필수적이다.

터보팬 엔진의 팬 로터 블레이드는 외부에 노출된 구조로 인해 외부 이물질로 인한 손상(Foreign Object Damage, FOD)에 매우 취약하다. 외부 이물질 손상(FOD)은 넓은 범위로 보면 외부에서 엔진으로 들어오는 모든 것에 의한 손상과 엔진 내부에서 풀린 볼트나 엔진 부품에서 떨어져 나온 파편 조각 등 자체에서 발생하는 이물질(Domestic Object Damage, DOD)에 의한 손상을 모두 포함한다. 엔진에 손상을 줄 수 있는 외부 이물질로는 공항 내 돌조각, 자갈, 타이어 파편 등의 이물질, 큰 새나 작은 새 떼에 의한 조류 충돌, 순항 중 맞닥뜨리는 모래나 비, 우박, 얼음 조각 등 다양한 요인이 있으며 팬과 압축기 등의 핵심 부품에 손상을 줄 수 있어 엔진 성능과 운항 안정성뿐만 아니라 막대한 경제적 손실도 초래한다[1].

팬 로터 블레이드 앞전(leading edge)의 손상은 찢어짐(crack), 패임(notch), 비틀림(twist) 등의 기계적 결함을 유발하며, 잔류 응력과 미세 균열로 인해 블레이드 설계 수명이 단축되고, 진동 및 소음이 증가하여 엔진 성능 저하를 초래한다. FOD로 인한 손상과 이를 바탕으로 한 기존 연구는 대부분 구조적 위험성 분석에 초점을 맞추어 왔다. Jain[2]은 LS-DYNA를 사용해 잔류 응력과 피로 수명을 평가했고, Wang 등[3]은 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) 방법과 공기총 테스트를 통해 블레이드 손상 변형을 연구하였다. Zhang 등[4]은 익형 시편 실험으로 패임의 크기를 분석했으며, Chen[5]은 강제 구를 사용해 응력 집중 위치를 예측하였다. Xie 등[6]은 충격 각도와 충돌 물체 크기에 따른 블레이드 손상 특성을 분석하였다. 이와 같은 구조적 해석 연구는 손상 부위의 피로 강도와 손상 메커니즘을 이해하는 데 유용하지만, 비선형적 유동 특성과 공력 성능 변화를 반영하지 못한다는 한계가 있다.

공력 성능과 관련된 연구로는 Gogoi 등[7]이 NASA Rotor 37 모델을 이용해 설계 및 탈설계 조건에서의 공력 성능을 평가하였으며, Dwivedi 등[8]은 축류 팬 블레이드의 skew 각도에 따른 공력 성능을 분석하였다, Liu 등[9]은 축류 팬의 성능 곡선을 실험적 연구와 CFD를 통해 비교 분석하였고, Matai 등[10]은 팬 설계 매개변수 변경이 공력 성능에 미치는 영향을 평가하였다. 이 외에도 축류 팬과 압축기의 공력 성능을 다루는 연구는 다양하게 존재하지만, 직접적인 손상이 있는 블레이드를 대상으로 하는 연구는 드물다. 이원석[11]은 NASA Rotor 37 모델을 이용해 팁 손상이 압축기 성능에 미치는 영향을 분석하였고, Chirayath 등[12]은 입자 유입으로 인해 손상된 블레이드가 전체 성능에 미치는 영향을 확인하였다. 또한, 이상훈 등[13]은 NASA Stage 37을 기반으로 파손된 로터 블레이드가 유동 변화에 미치는 영향을 연구하여 블레이드 손상으로 인한 성능 저하를 평가하였다. FOD로 손상된 블레이드의 공력 성능 변화는 엔진의 전체 성능 저하와 밀접하게 연관되지만, 이에 관한 관련 연구 및 심층적인 분석은 여전히 부족한 상황이다.

본 연구에서는 FOD 결함으로 손상된 터보팬 엔진의 팬 블레이드가 팬의 성능 변화에 미치는 영향을 알아보기 위해, 손상의 정도 및 팬 회전 속도를 달리하여 각각 수치적 방법으로 해석을 수행하였고, 이를 결함이 없는 정상상태 팬 성능과 비교 분석하여 FOD로 인한 공력 성능 저하를 평가하였다.

2. 전산 해석

2.1 모델 선정

본 연구에 사용된 대상 모델은 2단으로 이루어진 천음속 축류형 팬으로 1단은 18개의 동익과 40개의 정익으로, 2단은 36개의 동익과 58개의 정익으로 구성되어있다. 대상 팬은 0.087의 유량 계수와 0.74의 전압계수를 가지도록 설계되었다. 유량 계수와 전압계수는 다음과 같은 식으로 표현된다. 여기서 Q, D 및 U는 유량, 팁 직경 및 팁 속도를 의미하고 ΔPt는 전압상승, 𝜌는 작동 유체의 밀도를 뜻한다.

첫 번째 로터 블레이드 앞전에 FOD로 인한 손상을 가정하고, 손상 형상의 크기와 로터의 회전 속도에 따른 유동 및 성능 특성 변화에 대해 분석하였다. 손상 위치의 경우, 블레이드의 회전과 흡입되는 물체의 가속으로 인해 FOD 결함이 주로 블레이드 앞전 가장자리에 발생함을 고려하였고, 팬의 1단 로터 블레이드 앞전의 끝단(tip) 부위를 손상부로 선정하였다. 기존 선행 연구[13]를 바탕으로 손상 형태는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 앞전 끝단(leading edge tip)이 중심점인 구(sphere) 형상으로 단순화하였으며 구의 반경은 1단 로터 블레이드 중간 단면 시위(chord) 길이를 기준으로 각각 15%, 20%, 25% Chord에 해당하는 3가지 경우에 대해 모델링 한 후 해석을 수행하였다. 이후부터 NF(No Fault), FOD15, FOD20, FOD25 case로 명명하였다. 손상 블레이드 모델링은 손상부가 위치한 스팬 부위를 구형으로 잘려나가도록 좌표를 수정한 10개 이상의 익형 프로파일 데이터를 사용해 BladeGen과 TurboGrid를 이용해 격자계를 구성하였다. 팬 유로 전처리 및 유동 해석에는 상용 코드인 Ansys CFX 18.1을 사용하였다.

Fig. 1.

Schematic of blade damage by FOD.

로터 회전 속도는 설계 회전 속도인 100% rpm(N/Nd=1.0)과 90% rpm(N/Nd=0.9), 80% rpm(N/Nd=0.8)의 탈설계점에 대한 성능해석을 함께 수행하였고 결함이 없는 기본 모델(NF) 해석 결과를 기준으로 모든 FOD case의 성능 데이터를 비교·분석하였다.

난류 모델은 k-ω SST 모델을 적용해 정상상태 해석을 수행하였으며 벽면에서의 y⁺는 1 이하가 되도록 격자를 구성하였다. 로터와 스테이터 회전 경계면에는 일반적으로 회전 기계의 효율이나 압력비 등 전체 성능을 평가하기에 적당하다고 알려진 혼합경계면(mixing plane) 방식을 적용하였다. 혼합경계면 방법은 회전 경계면에서 반경을 따라 모든 값을 원주 방향으로 평균하여 넘겨주기 때문에 FOD 손상에 의한 특정 유동 현상을 첫 번째 로터 이후 유로에서 면밀히 관찰하는 데에는 한계가 있으나 로터와 스테이터 유로를 하나씩만 모델링하는 이점 때문에 계산 비용 면에서 Frozen rotor 방식이나 천이(transient) 해석보다 상당히 유리하다.

Frozen rotor 방법은 회전 경계면에서 모델링한 로터와 스테이터의 상대 위치에 따라 효율, 압력비 등 성능 값이 다르게 계산되기 때문에 전체 성능을 살펴보기에는 오히려 혼합경계면 방식이 적합하다. 다만, 본 연구와 같이 혼합경계면과 회전 주기 경계조건을 이용해 결함을 적용하여 모델링하게 되면 모든 1단 로터 블레이드에 결함이 있다고 가정하고 해석하는 것이므로 성능 저하의 정도가 실제보다 과장되게 평가될 수 있음을 고려하여야 한다. 본 연구에서 FOD 결함이 전체 팬 성능 변화 특성에 미치는 영향을 정성적으로 살펴보는 데는 무리가 없다고 판단된다.

팬 입구 경계에는 대기압 조건을 설정하고, 출구 경계에는 평균 정압을 지정하여 계산하였다. 모든 벽면에는 점착 조건을 적용하였다.

2.2 격자 의존도 테스트

모델링에 적합한 격자 수준을 결정하고 수치 계산의 신뢰도 확보를 위해 시험 데이터가 있는 6.5단 천음속 축류압축기를 이용해 격자 의존도 테스트를 하였다. 총 6.5단 유로에 대해 각각 Coarse mesh(약 440만 개), Medium mesh(약 700만 개), Fine mesh(약 920만 개) 세 가지 수준으로 격자를 구성하고 설계 회전수에 대해 계산을 수행하였다. Fig. 2에는 전압력비 성능 곡선 결과와 초킹(choking) 유량에 대한 격자 수준별 오차 값을 나타내었다. 전반적으로 CFD 수치 계산 결과가 실험 데이터를 잘 모사하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 2.

(Left) Comparison of numerical simulation results with experimental test data using different mesh sizes (Right) Grid independency test with choking mass flow rate.

Fig. 2에서 보는 것처럼 Medium case와 Fine case의 결과값이 서로 큰 차이를 보이지 않으므로, Medium case의 격자 수준을 기준으로 팬 유로에 적용하고 계산 격자를 구성하였다. 본 연구에 사용된 2단 팬 모델의 최종 격자 수는 No Fault(NF)와 FOD25 case가 각각 약 340만 개와 약 370만 개이다.

3. 결과 및 분석

3.1 성능 곡선(performance curve)

Fig. 3은 회전수별 NF 및 FOD case의 전압력비(total pressure ratio, TPR)와 보정 질량 유량(corrected mass flow rate, m˙c)을 각 회전수의 NF case 최고 효율점 값으로 무차원화 하여 나타낸 그래프이다. 팬의 전압력비 및 보정 질량 유량의 관계식은 Eq. 3과 Eq. 4에 각각 나타내었다. Eq. 4에 사용되는 Tref, Pref 로는 팬 입구의 값을 적용하였다.

Fig. 3.

Mass flow rate vs total pressure ratio for FOD and NF cases at N/Nd=1.0, 0.9 and 0.8conditions (Normalized with values of NF peak efficiency case under each rotational speed).

Fig. 3에서 보듯이, 회전수가 N/Nd=1.0인 설계조건에서는 NF case와 FOD15, FOD20, FOD25 case 모두 질량 유량이 감소에 따라 전압력비가 서서히 증가하며, FOD의 크기가 커질수록 초킹 유량과 전압력비가 모두 감소한다. 탈설계 조건인 N/Nd=0.9, N/Nd=0.8 그래프에서는 질량 유량 및 전압력비 변화가 설계회전수와 같은 경향을 보이지만 N/Nd=0.9의 경우는 감소폭이 설계회전수와 비교하여 크지 않고 N/Nd=0.8의 결과에서는 질량 유량과 전압력비 모두 상대적으로 큰 감소폭을 나타낸다. 특히, 손상부의 크기가 큰 FOD20, FOD25 case에서 NF case와 비교하여 성능 감소가 두드러졌다.

Fig. 4는 Fig. 3과 같은 방식으로 보정 질량 유량(m˙c)과 전효율(ηtt)을 무차원화 하여 나타낸 그래프이다. 여기서 사용된 전효율(total-to total isentropic efficiency) 관계식은 Eq. 5에 나타내었다.

Fig. 4.

Mass flow rate vs efficiency(ηtt) for FOD and NF cases at N/Nd=1.0, 0.9 and 0.8 conditions (Normalized with values of NF peak efficiency case under each rotational speed).

N/Nd=1.0 결과에서는, FOD 손상 정도가 커질수록 NF case와 비교해 효율이 일정하게 감소하는 것을 볼 수 있으며, FOD25 case에서는 최고 효율점의 효율이 NF case 대비 약 3% 낮게 나타났다. N/Nd=0.9의 경우는 Fig. 3의 전압력비 그래프와 유사하게 case 별 효율 감소정도가 다른 회전수보다 상대적으로 크지 않게 나타났다. N/Nd=0.8의 결과는 앞의 두 회전수와 달리 전체적으로 FOD case의 효율이 상당히 감소하는 경향을 보이는 가운데, 특히 FOD20과 FOD25 case가 NF 및 FOD15 case 보다 크게 낮은 효율을 보였다.

모든 그래프에서 손상부의 크기가 커질수록 전압력비, 효율 그리고 질량 유량이 감소했지만, 회전 속도에 따라서는 case 별 감소폭이 일정하지 않음을 확인할 수 있었다. 이는 각 단 로터 스테이터 입구 유동각의 차이에 회전 속도에 따라 FOD 손상부에 의한 영향이 미치는 정도가 다른 데에 기인하는 것으로 보인다.

3.2 전압력(total pressure) 손실

Fig. 5는 2단 팬 블레이드에서 1단 로터 입구, 1단 스테이터 입구, 2단 로터 입구, 2단 스테이터 입구, 전체 출구까지 총 5개의 위치와 번호를 나타낸다.

Fig. 5.

Five-positions on the fan stage for total pressure and total temperature graphs.

Fig. 6은 각 rpm 별 최고 효율점 계산 결과에 대해 Fig. 5의 각 위치에서 질량 평균한 절대 전압력값과 입구 전압력값의 차이를 정규화하여 도시한 그래프이며, 설계회전수 조건에서 NF case의 최대 전압력 차이 값으로 모든 위치의 값을 무차원화 하였다. 절대 전압력 차이기 때문에 로터 영역에서는 상승하고 스테이터에서는 여러 손실 요인에 의해 전압력값이 약간 감소하는 것을 볼 수 있다. Fig. 6의 NF case는 모든 rpm 조건에서 가장 높은 전압력 상승을 보이나 rpm이 낮아짐에 따라 그 값은 감소하였다. FOD case는 손상부 크기가 커질수록 전압력 상승 값은 감소하는 경향을 보이지만, rpm에 따라 감소 정도는 다소 차이를 보였다.

Fig. 6.

Comparison of normalized total pressure difference at N/Nd=1.0, 0.9 and 0.8 conditions at each peak efficiency point.

N/Nd=0.8에서 NF case와 FOD25 case의 전압력은 2단 스테이터 출구에서 약 9% 정도 감소하였고 N/Nd=1.0 및 N/Nd=0.9 결과에 비해 가장 크게 나타났다. 또한, 회전수에 따라 FOD 모델의 전압력 감소가 크게 발생하는 위치도 차이를 보였다. N/Nd=1.0에서는 2단 스테이터 입구에서, N/Nd=0.9에서는 2단 로터 입구부터, N/Nd=0.8에서는 1단 로터 입구부터 차이가 두드러지게 나타났다.

저 회전수 영역일수록 손상부의 크기에 따라 감소폭이 증가하는 경향을 보였다. N/Nd=0.9에서는 각 위치에서의 전체 전압력 상승 값은 N/Nd=1.0의 경우보다 작으나, 손실에 의한 case 별 전압력 감소 폭은 N/Nd=1.0의 결과와 유사하게 나타났다.

3.3 깃 하중(blade loading) 분포

Fig. 7과 Fig. 8은 각 rpm 별 최고 효율점 계산 결과에 대해 1단 로터 블레이드의 Mid-span과 Near tip span에서의 깃 하중(blade loading) 분포를 보여준다. Fig. 7의 N/Nd=1.0 결과에서 NF case는 압력면(pressure side)에서 FOD case에 비해 높은 압력을 유지하며, 비교적 안정적인 그래프 형태를 보였다. 반면, FOD25 case는 NF case에 비해 압력면에서 큰 압력 저하가 발생하였으며, 압력면과 흡입면(suction side) 사이의 그래프 폭도 가장 크게 줄어들었다. 회전수가 낮아질수록 흡입면과 압력면 간의 압력 분포는 균일해지는 경향을 보였으나, 그래프 폭이 감소하며 블레이드의 공력 성능 저하가 뚜렷하게 확인되었다.

Fig. 7.

Blade loading graph at mid-span at N/Nd=1.0, 0.9 and 0.8 conditions.

Fig. 8.

Blade loading graph at near tip span at N/Nd=1.0, 0.9 and 0.8 conditions.

Fig. 8에서도 팁 부근 영역의 N/Nd=1.0 조건에서 NF case는 압력면에서 가장 높은 압력을 유지했으며, 손상부 크기가 커질수록 압력이 감소하였다. NF case에서 흡입면 블레이드 코드 길이의 약 72% 지점에서 충격파(shock wave)가 관찰되었지만, 손상부가 커질수록 충격파 위치가 약 69% 지점으로 이동하였다. 블레이드 뒷전(trailing edge) 부근에서 N/Nd=1.0 의 경우 NF case는 가장 높은 압력을 나타냈고, FOD25 case는 가장 낮은 압력을 보였다. 그러나 N/Nd=0.8에서는 NF case가 가장 낮은 압력을 보이는 결과를 확인할 수 있었다.

이러한 깃 하중 분포를 통해 손상부 크기와 회전수 조건 변화가 블레이드 압력 분포 및 충격파 발생 위치에 미치는 영향을 정성적으로 평가할 수 있었다. Mid-span과 Near tip span 모두에서 손상부 크기가 증가하고 회전수가 감소함에 따라 충격파는 블레이드 앞전 부근으로 점진적으로 이동하였으며, 충격파 이후 압력 회복이 약화되는 현상이 확인되었다.

3.4 등마하수선도(mach number contour) 및 속도 유선(velocity streamline)

Fig. 9와 10, Fig. 11과 12는 N/Nd=1.0 조건에서 최고 효율점 계산 결과에 대해 Mid-span과 Near tip span에서 1단 로터와 스테이터의 등마하수선도를 각각 나타낸 그림이다.

Fig. 9.

Mach number contour of the 1st stage rotor at mid-span for N/Nd=1.0.

Fig. 10.

Mach number contour of the 1st stage stator at mid-span for N/Nd=1.0 condition.

Fig. 11.

Mach number contour of the 1st stage rotor at near tip span for N/Nd=1.0.

Fig. 12.

Mach number contour of the 1st stage stator at near tip span for N/Nd=1.0 condition.

Fig. 9는 1단 로터 Mid-span에서의 등마하수선도로, NF case를 살펴보면 입구 천음속 유동으로 인해 로터 앞전에서 충격파를 형성한 후 유로로 들어가 다시 흡입면에 수직충격파에 가까운 통로충격파(passage shock)가 발생하는 모습을 볼 수 있다. FOD case는 손상부 크기가 커질수록 통로충격파 이후 다시 가속하였다가 발생하는 약한 충격파가 점점 커지는 모습이 관찰되며, 이로 인해 압력면의 코드 약 20% 지점 부근의 압력분포에 영향을 끼치는 것을 볼 수 있으며 이는 Fig. 7에서도 확인할 수 있다. Fig. 10은 Mid-span 위치에서의 1단 스테이터 등마하수 선도를 나타내며, 블레이드 뒷전 부근에서 발생하는 박리 영역은 모든 case에서 유사하게 형성되었다. Fig. 11은 Near tip span 위치에서 1단 로터의 등마하수선도이며 FOD 손상부 크기가 커짐에 따라 블레이드 앞전에서 발생하는 충격파의 형태 변화가 보인다. NF case는 앞전에 부착된 전형적인 경사충격파(oblique shock)의 형태를 나타내고 있고 FOD case 들에서는 손상부의 뭉툭한 형상 때문에 손상이 커질수록 점차 궁형 충격파(bow shock) 형태의 분리 충격파(detached shock)로 변하는 양상을 확인할 수 있었다. 앞 절에서 설명한 Fig. 8의 결과를 Fig. 11에서 가시적으로 관찰할 수 있다. 앞전에서 발생한 충격파가 블레이드 흡입면에서 경계층과 상호작용하고 그 뒤쪽으로 차례로 경계층 성장, 박리 발생, 후류 발생 등 손실 영역이 형성되며 FOD 손상부의 크기가 클수록 손실이 커진다. 분리 충격파는 경사충격파에 비해 손실 및 충격파를 지난 후 감속되는 정도가 커서 블레이드 흡입면의 경계층에 미치는 영향을 증대시켜, 결과적으로 블레이드 뒷전 부근에서 박리(separation) 현상을 유발한다. 흡입면의 박리 영역은 손상부 크기가 증가할수록 더욱 넓게 형성되었으며, 이러한 경향은 Fig. 11에서 명확하게 드러난다. Fig. 12는 Near tip span 위치에서 1단 스테이터 등마하수선도를 나타내며, 손상부 크기가 클수록 흡입면 뒷전 부근에서 넓은 경계층과 박리 영역이 발생하는 것을 보여준다.

Fig. 13과 Fig. 14는 N/Nd=1.0 조건, 최고 효율점 해석 결과에서 1단 로터 입구와 스테이터 입구의 질량 평균한 유동각(flow angle)을 스팬을 따라 NF case 로터 입구, 스테이터 입구 유동 각도와의 차이로 각각 나타낸 그래프이다. 유동각은 설계값과 차이가 발생할수록 입사각이 커지게 되어 유로 내의 경계층 성장과 박리 발생 등 손실로 이어지게 된다.

Fig. 13에서 나타난 바와 같이 FOD의 손상부가 클수록 1단 로터 입구의 유동 각도는 NF case와 차이를 보이며, 허브(hub) 쪽보다 팁(tip) 쪽으로 갈수록 차이가 더 커지는 것을 볼 수 있다.

Fig. 13.

Span-wise distribution of flow angle differences from NF case at 1st rotor inlet at N/Nd=1.0 condition.

Fig. 14.

Span-wise distribution of flow angle differences from NF case at 1st stator inlet at N/Nd=1.0 condition.

Fig. 14에는 1단 스테이터 입구에서 FOD 손상 정도에 따른 스팬 방향 유동각 변화를 NF case와의 유동각 차이로 나타내었다. Mid-span과 Near tip span에서 손상부 크기에 따른 1단 스테이터에 대한 영향은 다르게 나타났다. 우선 Mid-span에서는 유동 각도 변화가 가장 적게 나타나 약간의 차이에 그쳤다. 이런 점이 앞서 Fig. 10에서 살펴본 Mid-span에서의 등마하수선도가 큰 차이를 나타내지 않은 이유이다. 그러나 약 70% span 이상의 위치에서는 유동 각도 변화가 많이 두드러지며, 특히 Near tip span 영역의 유동 각 차이는 FOD 손상 정도가 커짐에 따라 커져서 Fig. 12에서 살펴본 스테이터 흡입면 경계층의 크기와 박리 위치 및 크기에 직접적인 영향을 미친다. 정도에 차이는 있으나 Mid-span 영역 아래쪽 허브 부근의 유동 각 차이도 손실 정도에 영향을 준다.

FOD case는 로터 앞전 팁의 블레이드 손상 때문에 누설 유량이 증가하며 손상부 크기가 증가할수록 로터 블레이드 팁 근방의 누설 와류 및 박리가 커지게 되어 스테이터 입구 유동 각 차이가 NF case와 비교해 점차 커지게 된다.

Fig. 15는 FOD25 case의 1단 로터 블레이드에서 팁 부근 속도 유선을 결함이 없는 NF case의 결과와 비교하여 나타낸 그림이다. N/Nd=0.9, N/Nd=0.8 조건에서는 손상부가 클수록 앞전에서 팁 누설 유동(tip leakage flow)로 인해 강한 와류(vortex)가 생성되며, Mid-span 방향으로 크게 확산되었다. 특히, N/Nd=0.8 조건에서는 팁 누설 유동으로 인해 강한 팁 누설 와류(tip leakage vortex)가 형성되었으며, 이에 따라 블레이드 표면 근처에서 훨씬 더 넓은 저속 영역이 관찰되었다.

Fig. 15.

(Up) Velocity streamline of NF case at N/Nd=1.0, 0.9 and 0.8 conditions (Down) Velocity streamline of FOD25 case at N/Nd=1.0, 0.9 and 0.8 conditions.

Fig. 16 및 Fig. 17은 각각 FOD25 case의 1단 로터 블레이드 압력면과 흡입면의 블레이드 표면 유선을 NF case와 비교하며 보여준다. N/Nd=1.0에서는 팁 부근에서만 약간 매끄럽지 못한 곡선 형태의 재부착선이 확인되었다. N/Nd=0.9에서는 팁 누설 유동이 점진적으로 관찰되면서 이에 따라 박리선과 재부착선의 경계가 점차 옅어지는 현상이 N/Nd=1.0과 유사하게 확인되었다. N/Nd=0.8에서는 팁 부근에서 팁 누설 유동으로 인해 강한 와류가 발생하면서 박리선과 재부착선의 경계가 거의 확인되지 않았다.

Fig. 16.

(Up) Blade surface streamline(pressure side) of NF case at N/Nd=1.0, 0.9 and 0.8 conditions (Down) Blade surface streamline(pressure side) of FOD25 case at N/Nd=1.0, 0.9 and 0.8 conditions.

Fig. 17.

(Up) Blade surface streamline(suction side) of NF case at N/Nd=1.0, 0.9 and 0.8 conditions (Down) Blade surface streamline(suction side) of FOD25 case at N/Nd=1.0, 0.9 and 0.8 conditions.

저 rpm 영역으로 갈수록, 손상부 크기가 증가할수록 팁 부근에서 팁 누설 유동과 와류가 강하게 형성되는 경향이 확인되었다. 이러한 현상은 로터 블레이드에서 박리 영역이 증가함에 따라 형성된 와류와 후류가 1단 로터 블레이드의 유동 흐름을 방해할 뿐만 아니라 이후 1단 스테이터 및 다음 단의 입구 유동각 변화에 영향을 미쳐 흡입면에 큰 박리 영역을 발생시키는데 영향을 미칠 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 축류형 2단 천음속 팬의 블레이드에 손상이 발생했을 때, 손상부 크기에 따른 공력 성능 변화를 여러 회전 속도 조건에서 분석하였다.

연구 결과, 손상부의 크기와 rpm 조건은 팬 블레이드의 성능에 밀접한 영향을 미치는 요인임을 확인하였다. 손상부 크기가 증가할수록 팬 블레이드의 전압력비와 효율이 감소하였으며 저 rpm 조건일 때와 Near tip span 위치에서 이러한 성능 저하가 특히 두드러지게 나타났다.

손상부 크기가 증가함에 따라 모든 rpm 조건에서 전압력비와 효율의 감소가 관찰되었으며, 이러한 성능 저하는 저 rpm 조건에서 더욱 심화되었다. 설계회전수의 N/Nd=0.8 조건에서는 질량 유량 감소로 인한 성능 저하가 극대화되었으며, FOD20과 FOD25 case에서 현저히 낮은 효율이 확인되었다.

전압력 분포 분석 결과, 손상부 크기가 증가할수록 모든 rpm 조건에서 전압력 값이 감소하였으며, 저속 조건일수록 전압력 감소 폭이 가장 컸다. N/Nd=0.8 조건에서는 NF case와 FOD case 간 전압력 감소 폭이 가장 크게 나타났으며, 전압력 상승 폭도 줄어들어 성능 저하가 가속화되었다. 또한, rpm 조건에 따라 전압력 감소 차이가 발생하는 위치 변화도 확인할 수 있었다.

깃 하중 분포 분석에서는 손상부 크기가 증가할수록 압력면과 흡입면 사이의 압력 차이가 감소하였으며, FOD25 case에서 가장 큰 압력 저하가 확인되었다. Mid- span에서는 비교적 안정적인 유동 특성이 나타났으나, Near tip span에서는 충격파와 경계층 상호작용으로 인해 박리 영역 확대가 두드러졌다.

마지막으로, 등마하수 선도와 속도 유선 분석을 통해 손상 크기와 회전수 조건에 따른 유동 특성을 확인하였다. N/Nd=1.0에서는 초음속 유동이 비교적 안정적으로 유지되었으나, 손상부의 크기가 클수록 초음속 영역이 감소하였다. 특히 저 rpm 조건에서는 팁 누설 유동과 박리 영역의 확장이 뚜렷했으며, 이후 스테이터로 전달되는 유동 흐름에 영향을 미쳐 1단뿐만 아니라 2단 스테이터에도 넓은 박리 영역이 형성되도록 하는데 영향을 줄 수 있다.

결론적으로 손상부는 팬 블레이드 성능에 주요한 영향을 미치며 특히 저 rpm 조건에서 손상부 크기가 팁 누설 유동, 와류 형성, 박리 영역 확장 등 유동 특성을 크게 변화시켜 성능 저하를 가속한다. 본 연구의 결과는 동일한 손상부 형태가 1단 로터 블레이드 전체에 형성되어 있다는 가정을 기반으로 진행되었으며, 다양한 손상부 형태를 고려하거나 1단 로터 블레이드 중 일부 블레이드에만 손상부가 존재하는 경우의 성능 분석에는 직접적으로 적용하기 어려운 한계가 있다. 그러나 rpm 조건과 손상부 크기가 팬 성능 저하에 미치는 영향과 그 관련성을 정성적으로 분석함으로써, 향후 팬 성능 개선 및 예측을 위한 중요한 지표로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.