안녕하세요. 김상규 전문가입니다.
Q. 로봇 공학내에서의 액추에이터에 관련하여
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.로봇공학에 있어서엑추에이터의 역할은 대단히 중요하며유압식과 전기식의 장단점에 따라 용도에 적합하게 사용되어야 합니다.유압식의 경우 유체의 압력을 이용하여 기계적인 힘을 생성하는 방식으로큰 힘과 토크를 발생가능하여 고하중 응용분야에 적합합니다.안정적인 작동에 따른 충격하중 처리가 가능하고오프셋 저항이 우수하여 정밀제어가 가능하며응답속도가 빨라 실시간 제어가 가능합니다다만 유체누출로 인한 관리문제 발생 여지가 있고유압시스템 작동에 필요한 동반되는 부속이 많아 시스템이 복잡한 면이 있으며소음이 제법크고 유지보수 필요성이 높은 편입니다.전기식의 경우전기에너지를 토크로 변환하여 운동을 만들어 내는 방식으로전기모터가 스크류를 돌려 기계적 힘을 생성하는 방식으로조용하고도 유연한 제어가 가능하고유압식과 같은 주변부속이 많지않아 유지보수 필요성이 적으며유압식에 비해 에너지 효율이 좋습니다다만 유압에 비해서 출력이 상대적으로 딸리고초기설비 비용이 클 수 있습니다.
Q. 터보팬 엔진의 작동되는 원리와 항공기 효율성 개선 효과
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.항공기 엔진은크게 피스톤엔진과 가스터빈 엔진 으로 나뉩니다.피스톤은 프로펠러 구동방식으로초창기 프로펠러 방식에 적용되던 방식으로일정속도가 넘어가면 프로펠러 효율이 떨이지는 점에 따라 한계에 다다랐습니다.가스터빈엔진은 제트엔진, 터보프롭, 터보 샤프트 방식으로 나뉘는데제트엔진은 ( 터보젯, 터보팬, GTF 등) 이 있고터보프롭 은 터빈을 통해 포르펠러 를 회전시켜 추력을 발생시키는 방식이고터보 샤프트는 프롭과 유사하나 프로펠러 대신 회전익의 로터를 구동하며, 프롭과 달리 엔진이 로터를 직접돌리지 않고 변속기를 구동합니다.이들 모두는연소가스를 통해 터빈을 회전시켜 추력을 발생시키는 방식입니다.세계최초 제트동력 항공기는 1939년에 탄생하여1950년대까진 주로 전투기에 활용되다가60년대 들어서면서 모든 민간 여객기에 적용되었습니다.말씀하신 터포팬 엔진은제트엔진의 일종으로터보팬 하나면 들여다보기보다 제트엔진 전체를 보면서 터보팬의 특성을 보겠습니다.터보제트 엔진초창기 제트엔진형태로, 공기흡입구, 압축기, 연소실, 터빈의 4단계 형식으로공기를 빨아들여 압축 후, 연소시켜 발생하는 고온/고압 가스를 뿜어내어 추력을 만듭니다.공기흡입구로 들어온 공기를 압축기로 지나가게 하고블레이드가 여러개 겹쳐진 형태의 압축기를 통과하며 고압으로 압축된 공기는 연소실에 도착합니다.여거서 압축공기에다가 연료를 분사하면서 연소가 이뤄지고이때 연소되는 기체가 터빈을 지나면 고온/ 고압으로 팽창하는데이 팽창공기가 터빈을 회전시켜 , 압축기 등에 동ㅇ력을 공급하고분사노즐을 통과하면서 강하게 토출됩니다.이 분사가스 토출에 의한 반작용으로 비행기가 추력을 얻는 방식입니다.터보팬 엔진은터보제트 형식의 전면에덕트 팬이 추가된 형태입니다.이팬으로 다량의 공기를 흡입시켜,터보젯에 비해 고요율 이면서 저소음으로 비행가능한데팬 직경을 엔진코어보다 넓게 제작하여엔진코어와 외벽 사이에 공간을 생성합니다.팬 흡입 공기 일부가 엔진코어로 흐르고나머지를 우회하여 바이패스 시키게 되는데 이게 터보팬 엔진의 고효율 저소음의 비결입니다.바이패스 공기가 추가적인 추력을 만들어 내고엔진이 과열되지 않게 냉각하면서, 엔진코어 배기 가스의 난류를 완화 함으로써소음또한 저감시킵니다.이런 결과로터보팬 형식이 기존 터보제트의 방식에 비해소음이 적으면서도 연료 효율이 높아항공기 및 군용 전투기에도 주로 사용되는데바이패스 공기가 차지하는 비율에따라하이 바이패스, 로우 바이패스로 나뉘고바이패스 비율이 높을 수록 최대속력은 줄어들면서 연료 효율이 좋고비율이 낮을 수록 속도는 올라가면서 효율이 낮아지기에 목적에 따라하이 바이패스는 항공기로우 바이패스는 군용기에 주로 사용 됩니다.
Q. 기계공학에서 기계적 에너지를 변환하는 것에 대해서
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.기계공학적 관점에서기계적 에너지를 타 에너지로 변환하는 것은에너지를 이용한다는 측면에서 본질 적인 부분이라 할 수 있겠습니다.기계공학적 관점에서기계적 에너지를 타 에너지로 변환되는 경우는 여러가지가 있으나가장 대표적인 변환의 방식은운동에너지 변환 - 전기에너지 변환 의 방식입니다.발전기를 예로 들 수 있는데물이나 공기와 같은 유체가 가진 운동에너지를1차적으로 회전운동에너지로 변환하고그 회전력에 따른 기전력으로서전기력으로 변환시키는 방식입니다.풍력이나 수력 터빈에서 유체의 직선적 운동에너지를회전 운동에너지로 변환하고그 회전력에 따른 기전력을 전기력으로 변환하여결과적으로 전기에너지를 생산하는 방식입니다.참고로다른 에너지가 기계적 에너지로 변환되는 경우도 많습니다.화학적 에너지 - 기계적 에너지엔진이 대표적인 예로, 엔진에서 연료 연소 시 화학에너지가 결국 폭발과정을 거치면서피스톤과 크랭크 축 을 통해 기계적 에너지로 변환되며최종적으로 화학에너지는 배기가스 내에 열에너지로 방출되면서 버려집니다.빛 에너지 - 기계적 에너지태양열 발전이 대표적 예로태양빛을 열에너지로 변환하고 , 이 열을 통해 기계적 에너지로 변환되며그 기계적 에너지를 통하여 전기에너지까지 변환하는 방식입니다.이런 여러가지 에너지 변환의 방법에서효율이 결국 중요하기에효율을 극대화 하기위한 기술개발이 지금도 계속 연구되는 상황입니다.
Q. 풍력 터빈 블레이드를 설계할 때 공기역학적 고려사항
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.풍력 발전기는바람에너지 를 회전운동에너지(기계에너지)로 변환하고그것을 전기에너지로 전환하는 장치로블레이드가 바람에너지를 회전운동에너지로 바꾸는 역할을 맡고주축과 증속기를 통하여 회전운동에너지가 증폭되며발전기를 통해 회전운동에너지가 전기에너지로 전환되는 과정을 거치게 됩니다.풍력 발전량은회전하는 부분 , 즉 로터의 회전 면적에 비례하고풍속의 세제곱에 비례하는데이는 즉, 풍력발전기 날개 측이 2배 커지게되면풍력 발전량도 2배가 커지고바람의 속도가 2배 증가하면풍력 발전량은 8배가 된다는 결과를 볼 수 있습니다.즉, 풍력 발전기를 설치하여 효율적인 운영을 하려면로터가 클 수록, 바람속도가 빠른 장소일 수록 유리하다 하겠습니다.하지만 날개를 키우고, 바람 속도가 빠르다고해서 무작정 발전량을 늘리는게 가능하진 않는데바람을 에너지로 변환 시 효율의 한계는 약 59.36%로 나온다는베츠의 법칙을 염두해야합니다.아무리 좋은 기술을 접목한다 해도 100의 바람을 이용해서 생산가능한 풍력에너지는 59정도로 볼 수있다는 점입니다.물론 석유에너지 변환율이 약 40%라는 점을 보면 낮은 수치는 아닙니다.중점적으로 한 부분을 본다할 때풍력 터빈 블레이드 설계 시 공기역학 적 고려사항을 따져본다면블레이드 곡률과 길이곡률은 바람에너지를 최대한 이용하기 위해 최적화되고길이는 많은 바람을 포착하면서도 구조적 안전성/설치공간이 고려되야 합니다.운동량 이론 계산블레이드 공력 해석을 위한 운동량이론, 3차원 날개 이론, 날개요소 이론등을 사용하여 날개회전 면에 작용하는 힘을 계산해야 합니다.형상의 최적화블레이드 움직임에 따른 양력/항력을 고려해야하며블레이드 효율에 직접적 영향을 미치는 비틀림 각도 또한 최적화 되어야 합니다.손실 고려형상에 따라 발생하는 항력에 의한 형상손실 고려(길이와 곡률에 영향)날개 끝단에서 발생하는 압력분포차이에 따른 양력 감소도 고려해야합니다.구조해석블레이드의 안정성 검증을 위한 하중/변위 , 응력 고려하여 유한요소접 사용한 구조해석을 시행하야 합니다.이런 여러가지 공기역학 적 고려사항을 통해터빈 블레이들 설계 및 최적화를 해야만풍력을 통한 최대 에너지 변환율 59정도에 다다를 수 있겠습니다.
Q. 디아이싱 작업은 어느정도 소요 되는건가요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.디아이싱 작업은겨울철 눈이나 얼음이 항공기 표면에 들어붙어 있는 경우 제거하고다시 얼어붙지 않게 만드는 작업으로엔진손상 및 날개표면 공기흐름 방해에 따른 양력감소 가능성을 없애기 위함인데요.특히 엔진입구에 형성된 얼음은 엔진 내부 유입 시 엔진손상 및 추력손실을 유발가능하기에 위험합니다.날개 양력 손실 또한 이륙속도 이상으로 필요 이륙거리를 늘리게 되어 안전사고 위험이 크지요.따라서 이륙 전 반드시 기상상황에 따르 필수적으로 시행되는데소요시간은외기온도, 적설량, 항공기 기종에 따라 다르지만소형기는 대략 10~15분, 대형기의 경우 25~30분 가량 소요 됩니다.디 아이싱 작업은 이륙과정의 일부이므로이착륙 과정에서는 기내 물제공이 되지않는 시간이기에일반적으로 기내 물제공은 되지 않는 것으로 알고있습니다.