[논문]축류식 In-line duct fan의 공력특성에 관한 전산해석

조이상; 안광원; 조진수

doi:10.5139/jksas.2004.32.4.001

[국내논문] 축류식 In-line duct fan의 공력특성에 관한 전산해석
Numerical Analyses on the Aerodynamic Characteristics of an Axial Type In-line Duct Fan 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.32 no.4, 2004년, pp.1 - 11

조이상 (한양대학교 기계공학과 대학원) , 안광원 (한양대학교 기계공학과 대학원) , 조진수 (한양대학교 기계공학부)

초록
AI-Helper

축류식 인라인 덕트팬의 개밥을 위해 엇회전식 측류팬의 공력 특성에 관한 수치해석을 수행하였다. 기존의 동익과 정익으로 구성된 축류팬의 설계기법을 확장하여, 서로 반대방향으로 회전하는 전단 동익과 후단 동익의 블레이드 형상을 설계하였다. 그리고, 압축기나 터빈 등의 터보기계 관통 유동 해석 기법인 행렬법을 엇회전식 축류팬에 적용하였고, 주파수영역 패널법을 확장하여 엇회전식 축류팬의 공력 해석 및 성능 예측을 수행하였다. 엇회전식 축 류팬의 관통 유동 해석 결과, 전단 동익과 후단 동익의 허브 부분에서 많은 유통 손실이 발생했다. 그리고, 주파수 영역 패널법을 이용한 공력 해석을 통해 블레이드의 유동손실이 주로 블레이드 전연에서 나타남을 알 수 있었고 성능 특성이 약간 과도하게 예측되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Numerical analyses on the aerodynamic characteristics of a counter rotating axial flow fan were conducted for the development of an axial type in-line duct fan. The counter rotating fan has a front rotor and a rear rotor which are counter rotating each other. Blade design of the counter rotating fan was done by extension of design method for axial flow fan which consists of rotor and stator blades. Through flow analysis was performed using matrix method which is applied for flow fields prediction of compressors or turbines. Aerodynamic characteristics and characteristic curves of the counter rotating fan were analyzed by expansion of the frequency domain panel method with duct modeling. Pressure losses were higher at leading edge and hub region of rotor blades. Characteristic curve of the counter rotating fan was overpredicted without consideration of viscous effect.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 축류식 인라인 덕트팬의 개발을 위해 엇회전식 축류팬의 평균반경에서의 기본설계, 공력해석 및 성능 예측을 수행하였다. 기존의 동익과 정익으로 구성되어 있는 축류팬의 설계기법을 확장하여, 서로 반대방향으로 회전하는 전단 동익과 후단 동익의 블레이드 형상 설계를 수행하였다.
그리고, 압축기나 터빈 등의 관통유동 해석을 위해 Wu[7]와 Katsanis와 Mcnally[8, 9] 가 개발한 행렬법을 엇회전식 축류팬에 적용하였고, 엇회전식 프로펠러의 공력해석 기법을 확장하여 엇회전식 축류팬의 공력해석 및 성능 예측을 수행하였다. 본연구에서 수행된 엇회전식 축류팬의 공력설겨), 관통유동해석, 공력해석 및 성능 예측을 통해 공력성능 향상을 위한 형상 최적화를 도모하고자 한다.

가설 설정

엇회전식 축류팬의 블레이드는 특정 주파수 (1)로 조화진동을 한다고 가정한다. 따라서, 전체 교란장(distiubance field)은 회전익과 같이 회전하는 좌표계에서 동일한 진동수로 조화진동하게 되며, 좀 더 복잡한 주기적인 교란에 대해서는 교란을 푸리에(Fourier) 성분으로 나누어, 각각에 대한 응답을 계산하게 된다.

제안 방법

및 성능 예측을 수행하였다. 기존의 동익과 정익으로 구성되어 있는 축류팬의 설계기법을 확장하여, 서로 반대방향으로 회전하는 전단 동익과 후단 동익의 블레이드 형상 설계를 수행하였다. 그리고, 압축기나 터빈 등의 관통유동 해석을 위해 Wu[7]와 Katsanis와 Mcnally[8, 9] 가 개발한 행렬법을 엇회전식 축류팬에 적용하였고, 엇회전식 프로펠러의 공력해석 기법을 확장하여 엇회전식 축류팬의 공력해석 및 성능 예측을 수행하였다.
3의 좌표축 상에서 속도성분을 계산하였다. 관통유동해석을 위한 지배방정식으로 유동함수를 이용하여 연속방정식과 운동방정식을 결합시키고, 자오면에서 r, z 좌표축에 적용하여 식 (1)과 같은 유동방정식을 유도하였다. 유동방정식은 Katsanis와 Mcnally[8, 9] 그리고 Davis와 Millar [15] 에서 자세히 설명 하고 있다.
유동방정식의 우항은 유동함수 S 와 그것의 미계수의 함수이고, 방정식은 비선형이므로 반복계산을 수행하였다.
35 이상인 경우 허브비가 증가할수록 효율이 감소하는 경향을 나타냈다. 그러나 블레이드의 강도를 고려한 구조적인 안전성을 위해 허브비를 0.4로 설정하였다.
수행되었다. 엇회전식 축류팬의 블레이드 형상, 허브비, 블레이드 수 그리고 회전수 등을 고려하여 전단 동익과 후단 동익 블레이드의 전진 비를 변화시키며 추력계수, 동력계수 그리고 프로펠러 효율을 계산하였다. Fig.
축류식 In-line duct fan개발을 위한 엇회전식축류팬의 공력 설계, 관통 유동 해석 그리고 공력해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

이론/모형

그리고, Cho와 Williams[5]는 주파수영역 3차원 패널법으로 상호작용하는 회전계에 대한 해석에서 좋은 결과를 얻었다. 이 방법은 WUliams [6]가 단회전식 프로펠러 (Single Rotating Propeller)에 대한 공력 해석을 위해 개발한 비정상 양력면 패널법을 기본으로 한다.
기존의 동익과 정익으로 구성되어 있는 축류팬의 설계기법을 확장하여, 서로 반대방향으로 회전하는 전단 동익과 후단 동익의 블레이드 형상 설계를 수행하였다. 그리고, 압축기나 터빈 등의 관통유동 해석을 위해 Wu[7]와 Katsanis와 Mcnally[8, 9] 가 개발한 행렬법을 엇회전식 축류팬에 적용하였고, 엇회전식 프로펠러의 공력해석 기법을 확장하여 엇회전식 축류팬의 공력해석 및 성능 예측을 수행하였다. 본연구에서 수행된 엇회전식 축류팬의 공력설겨), 관통유동해석, 공력해석 및 성능 예측을 통해 공력성능 향상을 위한 형상 최적화를 도모하고자 한다.
본 연구에서는 평균반경에서 반경평형 방정식을 자유 와 형식( rCo= ccmst. )으로 적용하였다. 엇회전식 축류팬의 설계 과정 및 계산 식은 이상섭[1 이에서 자세히 제시하고 있다.
엇회전식 축류팬의 관통유동해석은 Wu[7]의 방법을 따라 Fig. 3의 좌표축 상에서 속도성분을 계산하였다. 관통유동해석을 위한 지배방정식으로 유동함수를 이용하여 연속방정식과 운동방정식을 결합시키고, 자오면에서 r, z 좌표축에 적용하여 식 (1)과 같은 유동방정식을 유도하였다.
어렵다. 엇회전식 축류팬의 블레이드 형상을 정확하게 나타내기 위해 Katsards와 Mcnally[8, 9] 의 방법에 따라 Fig. 4와 같이 블레이드 두께분포를 원주방향 좌표축에 설정 함으로써 두께분포를 특성화하였다.
주파수 영역 패널법은 선형 기법으로 후류의 롤업(roll-up)과 같은 비선형 현상은 모델링하지 않으며, 나선식 고정 후류법이 사용되었다.
엇회전식 축류팬의 공력해석은 선형 압축성 공기역학 이론에 근거한 주파수 영역 패널법을 이용하여 수행되었다.

성능/효과

전단 동익 블레이드의 회전에 의한 원심력의 영향으로 전단 동익 전연(leading edge)과 후연(trailing edge)에서 반경방향 성분이 회전방향과 동일한 양(+)의 성분으로 증가하였지만, 반대방향으로 회전하는 후단 동익의 영향으로 후단 동익 전연과 후연에서 다시 음(-)의 값으로 반대의 경향을 나타냈다.
22는 전단 동익의 입사각과 편차각 분포를 나타낸 것으로, 전단동익 블레이드의 입사각 분포는 허브에서 팁 부분까지 0°로 설계되었고, 편차각 분포도 10º미만으로 설계되어 팁 부분으로 갈수록 감소하는 경향을 나타내었다. 그러나 관통유동해석 결과 허브 부분에서 입사각이 크게 감소하였고, 허브에서 팁 부분까지 편차각이 크게 증가하는 경향을 나타냈다. 그리고, Fig.
23은 후단 동익의 입사각과 편차각 분포를 나타낸 것으로, 전단 동익과 반대로 허브부분에서는 입사각이 크게 증가하였고, 편차각 분포도 설계 결과에 비해 전반적으로 크게 증가하였다. 관통유동 해석 결과를 살펴보면, 축방향 속도 감소로 인한 입사각 증가로 인해 전단 동익과 후단 동익의 허브부분에서 많은 유동손실이 발생함을 알 수 있었다.
4%로 가장 높게 예측되었다. 그러나, 본 연구에서 사용된 주파수영역 패널법은 비점성 고정 후류를 사용하기 때문에, 영각 (angle of attack)매우 큰 실속(stall) 영역인 저유량 영역에서는 계산결과의 신뢰도가 적게 나타났다.
9인 경우, 전단 동익 블레이드의 Sectional C₇와 Sectional Cm 분포를 나타낸 것이다. 전단 동익 블레이드의 sectional CT 분포와 0°분포는 허브에서 팁으로 # = 0.91 인 지점에서 0.53과갈수록 증가했고,1.0으로 가장 높은 특성을 나타냈다.
그림에서 보면, 블레이드 전연에서 양(+)의 압력차가 발생하여, 압력강하로 인한 손실이 주로 블레이드 전연에서 나타남을 알 수 있었다. 그리고, 블레이드 허브에서 팁 부분까지 압력차가 점점 증가하는 경향을 나타냈고, # =0.91에서 가장 높은 특성을 나타냈다.
27에 나타내었다. 후단 동익 블레이드의 전진비 1.75인 경우 프로펠러 효율이 약 84.45%로 가장 높게 예측되었고, 전단 동익의 경우와 마찬가지로, 영각이 매우 큰 저유량 영역에서의 계산결과는 신뢰도가 적게 나타났다.
30에 나타내었다. 전단 동익만으로 구성된 단회전식 팬의 경우, 후단 동익만으로 구성된 단회전식 팬에 비해 블레이드 피치각이 2° 크게 설계되었지만, 압력계수는 거의 비슷하게 나타났고팬 효율은 오히려 1.6% 더 낮은 특성을 나타냈다. 이것은 블레이드 수가 많아짐에 따른 블레이드 전연에서의 유동손실과 봉쇄효과(blockage effect)에 의한 영향 때문이다.
5%로 예측되었다. 본 연구에서 사용된 주파수영역 패널법은 비점성, 비회전 유동을 가정하여 계산되기 때문에 점성효과에 의한 경계층 등의 유동손실을 고려하지 않기 때문에 약간 과도하게 예측되는 결과를 나타냈다. 이것은 성능 실험을 통해 확인할 수 있다.
(1) 기존의 축류팬의 평균반경해석을 통한 설계기법을 확장하여, 서로 반대방향으로 회전하는 엇회전식 축류팬의 전단 동익과 후단 동익의 블레이드 형상 최적화가 가능함을 확인하였다.
(3) 엇회전식 축류팬의 전단 동익 전방에서 전반적으로 균일한 입구 유동 분포를 나타내었지만, 허브부분에서 축방향 속도 성분이 감소하는 경향을 나타냈다. 이것의 영향으로 전, 후단 동익을 지나면서 허브부분에서 축방향 속도성분이 감소하고 입사각이 크게 변하는 경향을 나타냈다.
(4) 엇회전식 축류팬의 전단 동익 블레이드의 입사각 분포는 허브에서 팁 부분까지 0°로 설계되었다. 그러나, 관통 유동 해석 결과에서는 전단 동익의 허브 부분에서는 입사각이 크게 감소하고, 후단 동익의 허브 부분에서는 반대의 경향으로 입사각이 크게 증가하는 결과가 예측되어 허브부분에서 많은 유동손실이 발생함을 알 수 있었다.
설계되었다. 그러나, 관통 유동 해석 결과에서는 전단 동익의 허브 부분에서는 입사각이 크게 감소하고, 후단 동익의 허브 부분에서는 반대의 경향으로 입사각이 크게 증가하는 결과가 예측되어 허브부분에서 많은 유동손실이 발생함을 알 수 있었다.
(5) 엇회전식 축류팬의 공력해석에 사용된 주파수영역 패널법은 비점성 고정 후류를 사용하기 때문에, 영각이 매우 큰 실속 영역인 저유량 영역에서는 계산결과의 신뢰도가 적게 나타났다.
(6) 엇회전식 축류팬의 전단 동익과 후단 동익 블레이드의 Sectional CT와 Sectional Cn 분포는 허브에서 팁으로 갈수록 증가했다. 그리고 팬의 압력상승은 동익 블레이드 윗면과 아랫면의 압력차에 의해 발생하는데, 전단 동익과 후단 동익 블레이드전연에서 양(+)의 압력차가 발생하여, 압력강하로 인한 손실이 주로 블레이드 전연에서 나타남을 알수 있었다.
(7) 엇회전식 축류팬의 전단 동익만으로 구성된 단회전식 팬의 경우, 후단 동익만으로 구성된 단회전식 팬에 비해 블레이드 피치각이 더 크게 설계되었지만, 압력계수는 거의 비슷하게 나타났고 팬 효율은 오히려 더 낮은 특성을 나타냈다. 이것은 블레이드 수가 많아짐에 따른 블레이드 전연에서의 유동손실과 봉쇄효과에 의한 영향 때문이다.
(8) 본 연구에서 사용된 주파수영역 패널법은 비점성, 비회전 유동을 가정하여 계산되기 때문에 점성효과에 의한 경계충과 벽면 손실 등의 유동손실을 고려하지 않았기 때문에, 엇회전식 축류팬의 성능특성이 약간 과도하게 예측되었다.
(2) 엇회전식 축류팬의 관통 유동 해석 결과, 전단동익과 후단 동익의 축방향, 반경방향 그리고 원주방향 속도 분포가 계산영역에서 거의 대칭되게 비슷한 속도분포를 나타났다.

참고문헌 (16)

조진수, 한철희, 조이상, "고성능 2단 축류 송풍기의 공력설계를 위한 수치해석 및 실험에 관한 연구," 대한기계학회 논문집 B권, 제23권, 제8호, 1999, pp.1048-1062

원문보기 상세보기
조진수, 조이상, "2댄 축류홴과 엇회전식 축류홴의 공력특성에 관한 실험적 연구," 대한기계학회 논문집 B권, 제25권, 제10호, 2001, pp. 1281-1292.

원문보기 상세보기
Lesieutrc, D., "The Theoretical Performance of Counter Rotating Propeller System," M. S. Thesis, Purdue University, 1984.
Chen, S. H. and Williams, M. H., "Panel Method for Counter rotating Propellers," AIAA Paper No. 87-1890, 1987.
Cho, J. and Williams, M. H., "Counter Rotating Propeller Analysis Using Frequency Domain Panel Method," Journal of Propulsion and Power, Vol.6, NO.4, 1990, pp.426-434.

상세보기
Williams, M.H., "An Unsteady Lifting Surface Theory for Single Rotation Propellers Purdue University Report, 1985.
Wu, C.H., "A General Theory of Three-Dimensional Flow in Subsonic and Supersonic Turbomachines of Axial-, Radial-, and Mixed Types," NACA TN 2604, 1952.
Katsanis, T. and Mcnally, W.D., "Revised FORTRAN Program for Calculating Velocities and Streamlines on the Hub-Shroud Mid-Channel Stream Surface of an Axial-, Radial-, or Mixed Flow Turbomachine or Annular Duct. I-User's Manual," NASA TN D-8430
Katsanis, T. and Mcnally, W.D., "Revised FORTRAN Program for Calculating Velocities and Streamlines on the Hub-Shroud Mid-Channel Stream Surface of an Axial-, Radial-, or Mixed- Flow Turbomachine or Annular Duct. II-Programmer's Manual, NASA TN D-8431, 1977.
이상섭, 1992, "축류송풍기의 성능 예측 및 설계 프로그램 개발," 한양대학교 석사학위논문.
Lieblein, S., "Loss and stall Analysis of Compressor Cascades," ASME Journal of Basic Engineering, Vol. 81, 1959, pp. 387-400.
Balje, 1981, Turbomachines : A Guide to Design, Selection, and Theory, John Wiley & Sons.
Lakshminarayana, B. and Horlock, J.H., "Review : Secondary Flows and Losses in Cascades and Axial-Flow Turbomachines," Int, J. Mech. Sci., Vol. 5, 1963, pp. 287-307

상세보기
Lakshminarayana, B., "Methods of Predicting Tip Clearance Effects in Axial Flow Turbomachinery," ASME Journal of Basic Engineering, 1970, pp. 467-482.
Davis, W. R., and Millar, D.A.J., "A Comparison of the Matrix and Streamline Curvature Methods of Axial Flow Turbomachinery Analysis, From a User's Point of View," Journal of Engineering for Power, Vol. 97, 1975, pp. 549-560.

상세보기
조진수, 원유필, 이문철, "엇회전식 축류홴의 공력특성에 관한 전산해석 및 실험," 대한기계학회 논문집 B권, 제24권, 제3호, 2000, pp.325-337

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증