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문제 정의
- 마찬가지로 원심 홴의 개발에 있어서 원심 홴 단독으로의성능이 만족하였더라도 실제 제품에 적용해서는 기대에 못 미치는 경우도 발생한다由, ⑺. 본 연구는 일반적인 목적의 공기 공급 장치에 사용되는 터보형 원심 송풍기로서 Fig. 1과 같이 회전하는 날개를 포함하는 스크롤 형상의 케이싱을 가진 원심형 송풍기의 성능특성을 날개의 특성인 전향익과 후향익에 따라 비교하고 그 차이에 대한 해석을 위해 실험 및 전산 해석적자료를 바탕으로 공학적 설명을 시도하려고 한다. 전산 해석을 수행함에 있어서 필요한 입구 조건의 확보와 전산 해석의 결론에 대한 검증을 위해 풍동을 사용한 유량 측정 실험, 정압 상승 측정 실험이 병행되었다.
- 앞서도설명하였듯이 본 연구에서 전산 해석의 수행이유는 익차의 출구에서 발생하는 유동의 모습과 케이싱 내부의압력 분포를 분석하여 케이싱의 설계에 유용한 자료로활용하기 위해서이다. Fig.
제안 방법
- 경계조건으로는 입구에서의 대기압 조건과출구에서의 일정 유량 조건을 인가하여 수행하였으며, 이 경우 유량의 크기는 실험으로부터 획득된 정보를 활용하였다,
- 소음의 평가에서는 입구의소음과 출구의 소음을 구별하여 즉정하는 데 본 연구에서는 그 두 가지 모두를 시행하였다. 그러나 입구의결과와 출구의 결과가 그 경향에 있어서 유사하여 (그소음의 준위는 출구에서 더 높음) 출구의 결과만을 활용하여 비교하였다. 소음의 평가에서는 전동기의 특성을 고려하기 위해 전동기만을 운전 시키는 경우 등장하는 소음의 주파수 특성도 아울러 표기하였다.
- 날개의 특성에 따른 유량의 성능이외에 케이싱 내부의 압력 분포를 관찰하였다. Fig.
- 두 가지 형태의 날개를 가진 원심 송풍기의 성능특성을 풍동과 무향실의 사용을 통해 산출하였다. 성능을 확인하기 위해 측정된 물리량은 유량, 정압 상승 礼 효율, 소음 준위 등이다.
- 전산 해석을 수행함에 있어서 필요한 입구 조건의 확보와 전산 해석의 결론에 대한 검증을 위해 풍동을 사용한 유량 측정 실험, 정압 상승 측정 실험이 병행되었다. 또한 전향익을 가진 원심 송풍기의 단점인 익차출구에서의 고속 유동에 의해 발생되는 케이싱 내부의정압 손실을 확인하기 위해 시스템 전체에서 소비 되는 에너지를 기준으로 시스템 효율을 측정하였다. 전산 해석과 성능 평가 실험에서는 케이싱과 운전 조건을 동일하게 유지하면서 단지 홴의 날개 형상만 전향익 또는 후향익으로 변경하면서 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 송풍 시스템의 효율 (〃)도 산출하였는데, 효율의 평가를 위해서는 축동력 (W)을 측정하여 소요되는 유체에너지에 대한 기준량으로 삼았다.
- 성능을 확인하기 위해 측정된 물리량은 유량, 정압 상승 礼 효율, 소음 준위 등이다.
- 6m이고 높이가 5m인 체적을 갖고 있어 본 연구의 대상인 송풍기의 시험에는적절한 규격이었다. 소음의 준위는 무향실에 설치된마이크로폰을 사용하여 측정하였으며 주파수의 범위는 5000 Hz까지로 정하였다.
- 5는 그 두 가지 종류의 홴에 대한 소음의주파수 분석을 나타낸다. 소음의 평가에서는 입구의소음과 출구의 소음을 구별하여 즉정하는 데 본 연구에서는 그 두 가지 모두를 시행하였다. 그러나 입구의결과와 출구의 결과가 그 경향에 있어서 유사하여 (그소음의 준위는 출구에서 더 높음) 출구의 결과만을 활용하여 비교하였다.
- 1과 같다. 이 형상은 기존의 제품으로부터 획득되었으며 단지, 날개의 특성만 전향익과 후향익으로구분하여 실험과 계산을 진행하였다.
- 또한 전향익을 가진 원심 송풍기의 단점인 익차출구에서의 고속 유동에 의해 발생되는 케이싱 내부의정압 손실을 확인하기 위해 시스템 전체에서 소비 되는 에너지를 기준으로 시스템 효율을 측정하였다. 전산 해석과 성능 평가 실험에서는 케이싱과 운전 조건을 동일하게 유지하면서 단지 홴의 날개 형상만 전향익 또는 후향익으로 변경하면서 연구를 수행하였다.
- 1과 같이 회전하는 날개를 포함하는 스크롤 형상의 케이싱을 가진 원심형 송풍기의 성능특성을 날개의 특성인 전향익과 후향익에 따라 비교하고 그 차이에 대한 해석을 위해 실험 및 전산 해석적자료를 바탕으로 공학적 설명을 시도하려고 한다. 전산 해석을 수행함에 있어서 필요한 입구 조건의 확보와 전산 해석의 결론에 대한 검증을 위해 풍동을 사용한 유량 측정 실험, 정압 상승 측정 실험이 병행되었다. 또한 전향익을 가진 원심 송풍기의 단점인 익차출구에서의 고속 유동에 의해 발생되는 케이싱 내부의정압 손실을 확인하기 위해 시스템 전체에서 소비 되는 에너지를 기준으로 시스템 효율을 측정하였다.
- 전산해석은 반 시계 방향으로 회전하는 홴과 케이싱을 포한한 전체 영역에 대하여 수행되었다. 앞서도설명하였듯이 본 연구에서 전산 해석의 수행이유는 익차의 출구에서 발생하는 유동의 모습과 케이싱 내부의압력 분포를 분석하여 케이싱의 설계에 유용한 자료로활용하기 위해서이다.
- 축동력의 측정은 토크 메타 (Onosokki 사의 10N-m 범위)를 사용하여 유량 및 정압 별로 측정하였다. 이전 효율의 산출시 사용된 식은 다음의 식 (1)이다.
- 회전날개의 형태 만에 따른 원심 송풍기의 성능 평가의 결과에 대한 공학적 상세 근거를 제시하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 송풍기는 가전용 기기에 채용되어 사용되어지는 것으로 zi 주요 제원은 다음의 Table 1과 같다. 이 형상은 기존의 제품으로부터 획득되었으며 단지, 날개의 특성만 전향익과 후향익으로구분하여 실험과 계산을 진행하였다.
- 송풍기 전체의 전산 해석을 위해서는 총 220, 780 개의 격자가 사용되었으며 전체의 격자는 다음의 Table 2에서 나타내었듯이 송풍기의 각 영역별로 나뉘어져 해당 부분의 계산 영역을 만들기 위해 사용되었다. 홴을 별도의 영역으로 지정하여 구성한 이유는홴의 회전 조건을 인가하기 위해 회전 격자계 (Moving grid) 를 사용했기 때문이다.
- 정압 상승이 크게 요구되는 환경 조건에서 널리 사용되는 원심식 터보 송풍기를 대상으로 본 연구가 진행되었다. 일반적으로 원심형 공기 공급 장치는 원주속도에 비해 큰 토출 유량이 요구되는 조건에 적합한송풍 장치로서 널리 활용되고 있다""⑵.
데이터처리
- 전산 해석과 실험을 통해 전향익과 후향익을 가진원심 송풍기의 성능 비교와 유동 해석을 수행하였다.
- 전산 해석은 3차원으로 수행되었으며 해석의 정확성을 향상시키기 위해 실험에서부터 얻은 측정값을 사용하였다. 경계조건으로는 입구에서의 대기압 조건과출구에서의 일정 유량 조건을 인가하여 수행하였으며, 이 경우 유량의 크기는 실험으로부터 획득된 정보를 활용하였다,
- 전향익과 후향익을 채용한 동일한 형상과 조건의원심형 송풍기 전체에 대한 전산 해석을 상용해석 프로그램인 STAR-CD’w를 사용하여 수행하였다. 회전날개의 형태 만에 따른 원심 송풍기의 성능 평가의 결과에 대한 공학적 상세 근거를 제시하였다.
이론/모형
- 기타 물리량 및 첨자, 그리고 계수 등은 본 연구에서 사용한 상용 프로그램의 매뉴얼® 에 따라 전산 해석이 수행되었다.
- 회전 날개의 형태에 따른 원심 송풍기의 성능 평가를 위해 미국공조학회 (ASHRAE) 의 규격이에 따라제작된 풍동을 사용하여 해당 송풍기의 유량에 따른정압 상승의 정도를 측정하였다. 송풍기의 성능 평가를 위해서는 유량과 송풍기 토출 유량의 정압 상승의정도 등이 측정되어야 하며 이를 위해 사용된 풍동에서는 시험용 송풍기의 하류 측에 안정실 (Plenum chamber) 을 마련하여 송풍기 토출 유동의 정압 상승을 확인할 수 있게 하였다9>.
성능/효과
- 결과적으로 전향익을 가진 원심 송풍기에서는 유량의증가가 확인 되었고 압력 손실의 증대가 발견되었다.
- 전향익을 통과한 유속은 후향익에 비해 크기 때문에 유동 소음이 크게 등장한다⑴. 결과적으로전향익 송풍기에서는 그 소음이 후향익 송풍기에 비해약 8 dB(A) 정도 증가됨을 알 수 있었다.
- 유량의 비교에 있어서 전향익을 가진 송풍기에서 보다 우수한 성능이 발휘됨을알 수 있다. 구체적으로 최대 유량은 전향익을 가진송풍기에서 대기압 조건에서 후향익을 가진 송풍기에서 보다 약 23% 향상됨을 확인 할 수 있었다. 또한최대 유량의 50% 유량 조건에서의 정압 상승도 전향익을 가진 송풍기에서 2배 .
- 따라서 송풍기의 설계에있어서 날개의 특성에 따른 케이싱의 선택도 중요하게고려해야 된다고 판단된다. 구체적으로, 전향익을 채택한 송풍기에서는 입구 가까운 영역에서 유로의 확장이요구되며, 후향익을 가진 송풍기에서는 케이싱의 출구에서의 유로 확장이 필요함이 확인되었다.
- 아울러전향익의 기하학적 특징에서 기인하는 유동의 안내 용이성에 의해 유동이 안정적으로 토출되고 있음도 확인할 수 있었다. 그러나 전향익의 경우 유속의 증대로케이싱 내부의 압력이 전체적으로 증가 하여 전향익을가진 송풍기의 케이싱에서는 넓은 범위에서의 압력 값이 크게 증가하고 있음을 확인할 수 있었다. 이와 같은 압력의 증대는 송풍기 전체의 효율을 저감 시키는결과를 초래한다고 판단된다.
- 그 이유는전향익을 가진 송풍기에서는 익차 출구의 유속이 크게되어 운동에너지의 압력 에너지로의 변환이 증대되어정압의 분포가 비교적 크게 나타나고 있음을 알 수 있다. 또한 고압의 정도 역시 전향익에서는 80Pa정도의값이 관측되었으나, 후향익 송풍기에서는 약 68Pa의압력이 최고 값으로 등장되었다. 이와 같은 케이싱 내부의 압력 분포는 전향익을 가진 송풍기에서는 날개의출구에서부터 고속유동이 생성되기 때문에 이에 따른 유동의 정압상승이 유로 면적의 증대와 함께 예측된다.
- 전향익의 기하학적 형상이 유동을 안내하는 형상을 갖추고 있어 비교적 안정적인 유동의 토출구조를 이루고 있음을 확인할 수 있다. 또한 최대 유속의 크기에 있어서도 2배이상 차이가 발생함이 확인 되었다.
- 소음의 측정은 풍동과 완전무향실이 연결된 시설에서 측정되었다. 사용된 완전 무향실은 암소음의 준위가 17 dB 수준이며 가로세로가 각각 3.6m이고 높이가 5m인 체적을 갖고 있어 본 연구의 대상인 송풍기의 시험에는적절한 규격이었다. 소음의 준위는 무향실에 설치된마이크로폰을 사용하여 측정하였으며 주파수의 범위는 5000 Hz까지로 정하였다.
- 성능 실험에서 두 가지 송풍기의 토출 유량의 차이는날개의 형상에 따라 유발되는 익차 출구에서의 절대속도의 차이에 의해 발생됨을 알 수 있었다. 아울러전향익의 기하학적 특징에서 기인하는 유동의 안내 용이성에 의해 유동이 안정적으로 토출되고 있음도 확인할 수 있었다.
- 아울러전향익의 기하학적 특징에서 기인하는 유동의 안내 용이성에 의해 유동이 안정적으로 토출되고 있음도 확인할 수 있었다. 그러나 전향익의 경우 유속의 증대로케이싱 내부의 압력이 전체적으로 증가 하여 전향익을가진 송풍기의 케이싱에서는 넓은 범위에서의 압력 값이 크게 증가하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 3과 4에서 오른쪽 세로축을 사용하여 표시하였다. 임펠러의 축에서 소비되는축동력을 기준으로 한 효율에 있어서 후향익의 경우에서는 약 27%, 전향익을 가진 송풍기에서는 약 35%가관찰되었다. 이 결과는 날개의 입출력 각이 전향익을기준으로 제작된 임펠러를 사용하여 측정하였기 때문에 이라고 판단된다.
- 후향익을 가진 송풍기에서는 출구 유동이 불안정하게 와류를 동반하나 전향익을 가진 송풍기에서는 출구 유속이 안정됨을 알 수 있다. 전향익의 기하학적 형상이 유동을 안내하는 형상을 갖추고 있어 비교적 안정적인 유동의 토출구조를 이루고 있음을 확인할 수 있다. 또한 최대 유속의 크기에 있어서도 2배이상 차이가 발생함이 확인 되었다.
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