[논문]환기용 축류팬의 가이드핀 블레이드 형상변화에 따른 유동특성에 관한 연구

박홍광; 이지근; 노병준

문제 정의

가이드 핀의 설치에 따른 블레이드의 무게 증가 및 회전수 변화 평가를 통하여 최적의 축류 팬 블레이드의 표면 형상을 제시하고자 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이러한 결과를 역으로 생각해보면 블레이드의 회전수가 동일할 때 블레이드 압력 면에 작용하는 압력이 높을수록 팬의 토출 유량이 증가함을 예측할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 팬 구동모터의 회전수변화를 최소화하는 범위에서 블레이드 압력면의 압력증가를 통한 팬의 토출유량 증대를 도모하기 위하여 블레이드 표면에 가이드핀을 설치하여 팬의 토출유량 변화에 미치는 영향을 조사하였다.
본 연구는 축류형 팬의 유량증대를 위한 방법으로 매끄러운 표면을 가진 블레이드의 압력 면에 가이드 핀을 설치하여 작동유체의 슬립현상 저감과 와류성장 억제를 통하여 작동에너지 증가 없이 블레이드 압력면에 원활한 유동장을 형성함으로써 유량을 증대시킬 목적으로 수행되었다. 이를 위해 블레이드 압력면에 다양한 형상의 가이드 핀을 설치하여 토출유량을 측정하고, 가이드 핀의 설치방법 및 형상에 따른 영향을 조사하여 축류 형 팬 블레이드의 최적 표면형상을 제안하고자 하였다.

제안 방법

또한 가이드핀 형상변화에 따른 영향을 알아보기 위하여 기준값에 해당하는 원형 핀 이외에 정삼각형, 정사각형 핀을 부착하여 유량 변화를 측정하였으며 , 블레이드표면으로부터 핀의 높이는 2mm와 3mm 두 경우에 대해 평가를 수행하였다.
실험 장치는 팬의 회전수측정, 오리피스를 이용한 유량측정 및 부압조절장치로 구성되어 있다. 부압측정및 오리피스 양단의 차압측정은 1/1000 mmHzO까지 측정 가능한 마이크로 마노메터 (Furness Controls Co, Model FCO₁₂)를 이용하였으며, 팬의 회전수는 근접 센서 (Autonics Co., PR12-4)와 계수기를 이용하여 측정하였다. 모든 출력신호는 DAQ System(NI Co.
5d 위치의 차압 GV5)을 이용하였으며 정압은 각 측정지점에서 8개의 정압 탭으로부터 얻은 값을 평균하여 사용하였다. 압력측정은 축류팬이 200회 이상 회전하는 동안 10, 000개의 데이터를 10회 반복하여 이루어졌으며 모든 과정이 개인용 PC에서 자동획득 및 제어가 이루어지도록 구성하였다. 유량 시 표준편차는 0.
유량측정을 위해 오리피스 전단에서측정관로 직경(d)의 Id 위치와 후단 0.5d 위치의 차압 GV5)을 이용하였으며 정압은 각 측정지점에서 8개의 정압 탭으로부터 얻은 값을 평균하여 사용하였다. 압력측정은 축류팬이 200회 이상 회전하는 동안 10, 000개의 데이터를 10회 반복하여 이루어졌으며 모든 과정이 개인용 PC에서 자동획득 및 제어가 이루어지도록 구성하였다.
이를 위해 블레이드 압력면에 다양한 형상의 가이드 핀을 설치하여 토출유량을 측정하고, 가이드 핀의 설치방법 및 형상에 따른 영향을 조사하여 축류 형 팬 블레이드의 최적 표면형상을 제안하고자 하였다.
2에 나타낸 배압 조절장치를 이용하여 변화시켜가면서 측정한 결과이다. 즉 실험이 진행되는 동안 축류 팬 구동모터의 작동조건을 변화시키지 않고 측정함으로써 가이드핀 부착에 따른 회전수 변화가 유량특성에 반영되도록 하였으며, 적용된 블레이드 설치각은 28°이다. 팬의 토출측에 작용하는 배압이 증가할수록 팬 블레이드의 압력 면에 작용하는 배압 증가로 인하여 회전수가 감소되고결과적으로 유량이 감소함을 알 수 있다.
팬 구동모터의 회전수 변화를 최소화하면서 블레이드 압력면의 압력을 증가시키기 위한 방법으로 블레이드의 설치각을 28°로 고정한 상태에서 직경 2mm의 원형 가이드핀을 블레이드 압력 면에 설치하고 토출유량 변화를 측정하였다.

대상 데이터

3은 실험에 이용된 축류형 팬의 토출 유량측정을 위한 장치의 개략도를 나타내고 있다. 실험 장치는 팬의 회전수측정, 오리피스를 이용한 유량측정 및 부압조절장치로 구성되어 있다. 부압측정및 오리피스 양단의 차압측정은 1/1000 mmHzO까지 측정 가능한 마이크로 마노메터 (Furness Controls Co, Model FCO₁₂)를 이용하였으며, 팬의 회전수는 근접 센서 (Autonics Co.

이론/모형

축류형 팬의 유량측정은 송풍기 유량평가 방법인 KS-B6311 (13)에 명시된 방법과 절차에 따라 수행되었다. 유량측정을 위해 오리피스 전단에서측정관로 직경(d)의 Id 위치와 후단 0.

성능/효과

(1) 축류팬의 블레이드 설치각이 증가할수록 블레이드 압력면에 형성된 압력증가로 인해 유량은 증가하나 구동모터 부하증가로 작동회전수가 감소하게 되고 이로 인해 결과적으로 유량이 감소한다.
(2) 블레이드 압력면에 설치된 stem fine 유량증대 효과보다 가이드핀 주변에서 발생하는 유동 박리로 인해 유량이 감소된다.
(3) 블레이드 압력면에 설치된 radial fine 유동 가이드핀 역할을 함으로써 유동의 슬립 현상 저감과 와류성장을 억제하며, 블레이드 팁 가깝게 설치된 가이드핀이 유량증대에 큰 효과가 있음을 알 수 있었다.
(4) 가이드핀 부착으로 인한 블레이드의 중량증가와 이로 인한 회전수 변화는 블레이드 전체 무게에 비하여 무시 할 정도로 평가되었다. 따라서 팬 구동모터의 회전수 변화를 최소화 하면서 블레이드 압력면에 형성되는 압력증대를 통한 유량증대 효과를 달성할 수 있는 radial fin 부착 효과를 실험적으로 확인할 수 있었다.
Fig. 11(b)는 Rp2에 대한 결과로서 가이드핀의 높이가 3 mm로 증가함에 따라 원형과 삼각형은 유사한 증가경향을 나타내고 있으나 Rpl의 결과와 동일하게 사각형의 경우 유량이 감소함을 알 수 있다. 이것은 사각형 가이드 핀 뒤 부분에서 재순환영역 이 형성되어 &1으로이동하는 유동이 원활하지 못하기 때문으로 보인다.
Fig. 4와 Fig. 5의 결과로부터 팬의 토출 유량 변화에 가장 큰 영향을 끼치는 변수는 블레이드 회전수이며, 회전수 변화는 블레이드 압력 면에 작용하는 부압에 상당히 민감하게 반응하고 있음을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 역으로 생각해보면 블레이드의 회전수가 동일할 때 블레이드 압력 면에 작용하는 압력이 높을수록 팬의 토출 유량이 증가함을 예측할 수 있다.
10)특히 Cho et al.’me 선박 공조용 축류형 팬 개발을 위한 해석적 연구에서 블레이드 사이와 블레이드 팁에서 발생하는 유동 박리현상을 가시화 하고 압력손실과 소음의 주요 원인이 유동박리현상과 밀접한 관련이 있음을 보였다. 이러한 문제를 제거하기 위한 방법 중 하나로 블레이드 팁 간극을 줄이고 허브 전후에 캡을 씌워 유동을 안정시키는 방법과 블레이드 회전방향의 속도성분을 압력에너지로 변환하기 위한 가이드핀(guide fin)의 설치를 제안한 바가 있다.
결과를 살펴보면 블레이드 설치각이 증가할수록 팬의 토출유량과 회전수가 거의 선형 적으로 감소함을 알 수 있다. 이것은 블레이드 설치 각이 증가하면 블레이드 회전방향에 수직한 블레이드투영면적 증가에 따른 블레이드 압력면에 작용하는 압력이 증가한 결과이다.
따라서 팬 구동모터의 회전수 변화를 최소화 하면서 블레이드 압력면에 형성되는 압력증대를 통한 유량증대 효과를 달성할 수 있는 radial fin 부착 효과를 실험적으로 확인할 수 있었다.
3479 m3/min, 그리고 회전수 1, 317 rpm의 가장 높은 결과를 나타내고 있으며, 이것은 가장 낮은 유량을 나타내는 설치각 30。의 결과보다 유량에서 20% 정도 높은 값이며, 회전수는 약 270rpm의 차이를 나타내고 있다. 설치각 변화에 따른 블레이드 회전수 감소는 설치각이 증가함에 따라 블레이드 압력면의 압력상승에 의한 유량증대가 예상되지만 팬 구동 모터의 부하증가로 회전수가 감소하여 결과적으로 토출 유량이 감소함을 알 수 있다.
5의 결과로부터 팬의 토출 유량 변화에 가장 큰 영향을 끼치는 변수는 블레이드 회전수이며, 회전수 변화는 블레이드 압력 면에 작용하는 부압에 상당히 민감하게 반응하고 있음을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 역으로 생각해보면 블레이드의 회전수가 동일할 때 블레이드 압력 면에 작용하는 압력이 높을수록 팬의 토출 유량이 증가함을 예측할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 팬 구동모터의 회전수변화를 최소화하는 범위에서 블레이드 압력면의 압력증가를 통한 팬의 토출유량 증대를 도모하기 위하여 블레이드 표면에 가이드핀을 설치하여 팬의 토출유량 변화에 미치는 영향을 조사하였다.
감소하게 된다. 이러한 영향을 조사하기 위한 블레이드 압력면 설치된 가이드핀의 중량증가를 조사한 결과 블레이드 무게변화는 1% 미만으로 측정되었으며, 이에 따른 회전수 변화는 예상과 달리 ±0.1% 범위로 거의 변화가 없었다.
84에 가이드핀이 동시에 설치된 CRP3 의 경우는 가이드핀이 설치되지 않은 블레이드보다 더 낮은 유량을 나타내고 있다. 이와 같은 유량분포 특성으로부터 가이드핀 조합의 영향을 종합해 보면 블레이드반경의 0.68 이후에 설치된 가이드 핀의 조합은 유량증대 효과를 갖지만 허브 근처에 설치된 조합은 유량증대에 영향을 끼치지 못함을 알 수 있다. 이것은 블레이드표면에 설치된 radial fin이 유동 슬립현상 억제와 블레이드 끝단에서 성장하는 와류의 발달을 억제함으로써 유량이 증가하는 효과가 radial fin의 상호 간섭으로 인해 감소하기 때문인 것으로 사료된다.
즉 실험이 진행되는 동안 축류 팬 구동모터의 작동조건을 변화시키지 않고 측정함으로써 가이드핀 부착에 따른 회전수 변화가 유량특성에 반영되도록 하였으며, 적용된 블레이드 설치각은 28°이다. 팬의 토출측에 작용하는 배압이 증가할수록 팬 블레이드의 압력 면에 작용하는 배압 증가로 인하여 회전수가 감소되고결과적으로 유량이 감소함을 알 수 있다.

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