CHEVRON-KAMMTAIL
TECHNOLOGY
쉐브론 캄테일 형상(이하 CK형상)이란, 삼각의 형태를 뜻하는 쉐브론(Chevron)과 유선형에서 트레일링엣지(trailing edge)를 길게 빼지 않고 잘라낸 듯한 형상을 뜻하는 캄테일(Kammtail) 형상을 합친 단어입니다.
우선 쉐브론 형상의 특징은 그림1과 같이 항공기의 터보팬엔진 나셀(nacelle)에서 영감을 얻은 것으로 이러한 쉐브론 나셀의 특징은 일반적인 고바이패스 엔진(high-bypass)엔진에서 엔진을 통과하는 저압-저속의 공기가 엔진의 중앙에서 분출되는 고압-고속의 제트 출력과 만날때 발생하는 쇼크웨이브(shockwave)로 인한 엔진소음의 감소를 목적으로 한 엔진 형태입니다.
그림2와 같이 쉐브론 엔진 나셀(하)을 통과하는 공기는 일반적인 형태(상)보다 공기를 보다 넓게 분산시키며 통과시켜 중심부의 제트 추력의 터뷸런스 운동 에너지를 감소시키고 이를 통해 저속의 공기와 고속의 공기가 만나는 면에서의 쇼크웨이브를 줄이는 역할을 합니다.
Fig1. Boeing 747 Chevron Nozzle - Wikimedia
Fig2. Reducing Jet Noise with Chevron Nozzles - www.gauss-centre.eu
캄테일 형상은 그림3의 가운데와 같이 에어포일(airfoil)의 날개 형태에서 뒤쪽을 잘라낸 형태로서 특히 물리적으로 날개의 뒷부분을 연장할 수 없을 때 사용하는 기술입니다. 물론 이 경우 정상적인 에어포일보다 항력이 증가할 수는 있지만, 앞뒤의 리딩엣지와 트레일링엣지가 큰 차이가 없는 타원형태의 대칭형이거나 비슷한 형태의 경우보다는 항력을 줄일 수 있는 장점이 있습니다.
Fig3. Air flow diagram by airfoil shape
실제 휠이 회전할 때 발생하는 휠의 항력은 30%가 림, 50%가 스포크의 회전, 20%가 허브로 인해 발생합니다. 그러므로 이번 알도의 컨셉은 림 자체가 아닌 림을 타고 넘어가 스포크로 전달되는 공기의 흐름을 최대한 분산시키며 가장 큰 항력을 발생시키는 스포크의 회전으로 인한 항력을 줄여 휠의 전체적인 항력을 줄이는 것이 이번 림 형태의 특징입니다. 이는 다른 유사한 웨이브 형태의 휠(림 안쪽으로 굴곡이 있는)과 공기역학적인 특징이나 효과가 다른 부분입니다.
이러한 특징을 이용하여 림을 타고 넘어오는 공기의 흐름을 회전하는 쉐브론 형태를 이용하여 지속적으로 변화시켜 공기의 점성(viscosity)을 약화시키고, 그 공기를 또한 림의 좌우로 스프레드 시키면서 캄테일 형상을 이용하여 뒤쪽으로 보내 후위에 있는 스포크와의 접촉으로 인한 공기저항 면적을 더욱 줄이는 효과를 기대할 수 있으며, 휠에 작용하는 절대적인 항력 또한 줄어드는 효과를 가져올 수 있습니다.
그림4를 보면 일반적인 환형형태의 림(AEROX50)을 사용했을때와 그림5의 이번 컨셉을 사용했을때 스포크에 닿는 면적을 개략적으로 정리하였습니다. 공기는 실제 타이어를 접촉하고 림을 따라 넘어간후 회전하는 스포크와 충돌을 합니다. 이중의 일부는 바깥으로 흘러가며(Outbound air flow), 일부는 안쪽으로 들어가 휠과 함께 회전하거나 그 중 일부는 또 외부로 빠져나와(Inbound air flow) 뒤쪽의 림과 접촉하고 흘러갑니다. 이러한 과정에서 실제 휠에 접촉하는 공기는 대부분이 뒤로 흘러가지만 일부가 회전하는 스포크와 충돌하거나 그 안쪽에 갇혀 휠의 항력을 더욱 증가시키게 됩니다.
Fig4. Air flow diagram of toroidal rim shape wheel
Fig5. Air flow diagram of chevron-kammtail rim shape wheel
또한 쉐브론 형상은 림을 통과하는 공기의 흐름을 다르게 만들어 주어 휠에 작용하는 항력을 낮춰줍니다. 아래의 그림6과 같이 휠에 작용하는 공기의 흐름은 휠의 가장 정면의 단면이 가장 짧고 베르누이의 법칙에 따라 림 중심길이 대비 높이가 가장 높으므로 그 부분에서 가장 고속의 공기로 통과됩니다. 그로인해 중심부분의 위로는 반시계 방향으로 공기가 회전하며 아래로는 시계방향으로 저속의 공기가 흐르게 됩니다. 이러한 공기의 회전은 상부는 휠의 회전방향과 같으므로 휠의 회전에 방해가 되지 않지만, 하부의 공기의 경우 휠의 회전방향과 다른 공기의 흐름으로 휠의 회전에 방해가 되어 항력을 높이는 효과를 냅니다.
Fig6. Air flow diagram caused by wheel revolution
아래의 그림7은 쉐브론-캄테일 형상의 공기흐름을 보여주는 개략도 입니다. 그림과 같이 쉐브론 캄테일 형상은 그 위치에 따라 림의 형상과 림의 가장 높은 부분의 위치가 계속 변화합니다. 그에 따라 A와 B단면에서는 시계방향, B와C 단면에서는 반시계 방향, 다시 C와D단면에서는 시계방향과 같이 쉐브론 형상에 따라 공기의 흐름이 달라지며 이를 통해 휠의 회전으로 인해 발생하는 공기의 흐름이 잘게 잘라져 휠의 회전을 방해하지 않고 구름성을 높이는 효과를 가져오게 됩니다. 이러한 림 설계의 특징과 효과는 아비아브 알도림에서만 구현되는 다중 프로파일 효과로서 현재 특허출원중에 있습니다.
Fig7. Air flow diagram of CK rim shape caused by wheel revolution.
CFD 해석을 통해 공기의 흐름을 visualized 한 이미지를 보면 그림8이 일반적인 환형형태의 림에서의 스포크 저항과 항력을 보여주며 그림9가 CK형태의 림에서의 스포크 저항과 항력값을 보여줍니다. 아래쪽 CK 형태의 림을 사용한 휠이 회전시 내부에서 발생하는 항력값이 낮음을 확인 할 수 있습니다. 물론 휠의 뒷면에서 발생하는 항력은 위쪽의 일반적인 림이 더 낮게 나옵니다. 다만 위에서 설명했듯이 휠 항력의 절반이상이 휠의 회전과 스포크의 회전에서 발생하므로 이 부분의 항력을 낮추는 것이 절대적인 휠에 작용하는 항력을 낮추는 결과를 가져 옵니다.
Fig8. CFD result of toroidal rim shape wheel
Fig9. CFD result of chevron-kammtail rim shape wheel
아래의 차트1과 같이 휠이 받는 요각에 따른 항력값을 보면 초기 0도에서는 기존의 환형림을 가진 휠이 더 나은 항력수치를 보여주지만 요각이 진행될수록 스포크에 의한 항력이 증가하며 높은 요각에서는 대부분 CK림으로 만든 휠이 더 좋은(낮은) 항력값을 보여줍니다.
Chart1. Drag force of wheels
아래의 차트2는 전체 요각(0-20도)에서 발생하는 휠 항력의 평균값으로 CK림을 사용한 휠이 일반 환형림보다 약 12%정도 낮은 항력값을 가지고 있음을 보여줍니다. 특히 차트1처럼 가장 낮은 항력값과 평균항력값을 낮출 수 있다는 점에서 기존의 휠과는 다른 특징을 보여줍니다.
Chart2. Average Drag force of wheels
기존의 림 형상에 대한 연구는 대부분 림 형상 그 자체만을 두고 항력을 측정하여 더 낮은 항력을 보여주는 림을 찾는 과정이었다면, 현재의 림에 대한 연구는 단순히 림만이 아닌 3차원적인 해석으로 림-스포크-허브-스포크-림의 순서로 이어지는 공기흐름에 대한 전체적인 연구와 분석이 이루어지고 있습니다.
이처럼 아비아브 알도림에 사용된 쉐브론-캄테일 구조의 림 형상은 기존의 1개의 프로파일이 원형으로 이루어진 림이 아닌 다중의 프로파일이 연결되어 림 옆면을 타고 넘어가는 공기의 흐름을 제어하고 분산시켜 항력을 줄이는 기능을 보여줍니다. 특히 이러한 형상은 휠에 발생하는 항력의 대부분을 차지하는 스포크의 회전과 이로인해 발생하는 장막현상과 회전 자체가 일으키는 항력에 대해 효과적으로 공기의 흐름을 개선시키게 하는 특징을 가지고 있습니다.
아비아브의 CK 형상 림은 아비아브의 원천 기술로서 대한민국 특허청에서 특허로 인정받았습니다. 단순히 컨셉 개념이 아닌 실증적인 효과로서 그 기술을 인정 받았으며 다른 제조사들이 쉽게 따라 할 수 없는 독창적이고 창의적인 기술로 인정 받았습니다.