항공기 조종실 공조용 열교환기 구조해석에 관한 연구

Abstract

환경제어시스템(ECS,Environmental control system)용 열교환기는 고성능 항공기가 운행 중 얻을 수 있는 추진공기를 이용하여 엔진등 다른 기기에서의 열을 식힘과 동시에 덥혀진 공기로 항공기 조종실내의 온도를 조절하는 항공기 열교환기이다. 현재 민간 및 군수 항공기의 환경제어 부품에 대해서 국내 자체 기술개발 사례는 거의 없고 ECS용 열교환기는 미국, 프랑스 등 전량 수입에 의존하고 있는 상황이다. 항공기 환경제어 계통용의 핵심부품인 열교환기, 밸브, 컨트롤러 중에서 국내 기술개발 인프라(제작 및 성능실험)가 갖추어진 핵심기자재는 열교환기이지만, 아직 국산화 되어 있지 않아 국내 항공기 자재 기술 발전을 위해서 연구가 반드시 필요하다. 따라서 본 연구에서는 ECS 열교환기 중 핵심제품인 dual heat exchanger와 reheater/condenser의 구조적 특성과 열교환기 각 조건에서 발생할 수 있는 응력, 진동범위, 조화응력, 피로수명 등을 계산하여 허용한계를 만족하는 형상 변수를 설계하였다.

ECS용 열교환기의 국산화를 위해서는 먼저 설계기준을 이해하고 그에 따라 설계하는 방법과 절차를 확립하는 것이 중요하다.

유한요소 해석을 위해 NX 4.0(4)모델링 프로그램을 사용하여 기본 모델링을 하였고, ANSYS 12.1(5)의 해석프로그램을 사용하여 쉘 요소로 이루어진 유한요소 모델을 완성하였다. 유한요소 해석기법을 바탕으로 교환기에 대한 형상변수를 적용시켜 해석을 수행하였고, 형상변수에 따른 결과를 확인하였다. 형상 변수에 따른 결과를 판단하여 ECS 열교환기의 적용에 최적의 형상을 확인하였다. 위의 과정을 거쳐서, 고성능 항공기 ECS용 열교환기의 구조해석에 필요한 구조 모델링과 유한요소 해석을 상용코드인 ANSYS를 활용하여 해석의 과정과 해석결과를 이용한 상세설계 과정을 표준화하고 reheat/condenser 와 dual exchanger 열교환기의 국산화에 활용하는 것이 이 논문의 목적이다.