[논문]축류형 흡입송풍기 설계기술에 관한 연구

최형준; 김창수; 조종현; 조수용

doi:10.5293/kfma.2010.13.1.042

축류형 흡입송풍기 설계기술에 관한 연구
A Study of Design Method of an Axial-Type Suction Fan 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.13 no.1 = no.58, 2010년, pp.42 - 51

최형준 (경상대학교 대학원) , 김창수 (동화엔텍주식회사 기술연구소) , 조종현 (경상대학교 항공기부품기술연구센터(기계항공공학부)) , 조수용 (경상대학교 항공기부품기술연구센터(기계항공공학부))

Abstract ▼ AI-Helper

Many different types of fan have been applying to various industrial fields. Fan design methods are much different depending on the types of fan, operating conditions, and connecting parts at the inlet or exit of the fan etc. In this study, design methods for an axial-type suction fan are studied. This fan discharges the air in the relative static pressure of -285Pa to the atmosphere with the flow rate of $960m^3/min$. For three-dimensional blade design, three different design methods were applied, such as the free vortex method, the exponential method, and the cascade method. In the cascade method, the blade loading along the radial direction was obtained from the lift coefficient which was necessary to obtain the pressure rise on a fan rotor. This method is different from the free vortex and the exponential method which control the strength of the vortex. The fan performance prediction was conducted using the CFD with three different inlet ducts. The best fan performance was obtained when the fan was designed by using the cascade method. The designed fan using the exponential method showed better performance compared to a fan designed using the free vortex method. However, the fan performance was changed depending on the installed inlet ducts. So, an efficient fan can be designed with the adjustment of design variables on the basis of the flow structures within the fan as well as the fan design procedure.

주제어

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문제 정의

우선 익형의 반경 방향을 따라서 회전 시 스톨의 발생이 없는 작동 가능한 양력 계수를 분포한다. 본 연구에서는 익형의 원활한 비틀림을 위하여 직선적인 변화를 갖도록 분포하였다.
⑩ 따라서 여전히 실용적인 적용을 위하여서는 고전적인 설계기법은 중요하다. 본 연구에서는 축 류형 흡입송풍기에서의 3차원 익형 설계를 위한 올바른 설계변수의 선정과 이에 따른 설계 방법의 차이에 의한 성능 변화를 연구하여 축류송풍기의 설계기법에 일조하고자 한다.
익형에 분포한 양력계수로부터 얻어진 선회속도가 송풍기에서 요구하는 전압력의 상승이 얻어지는지를 확인하여 한다. 따라서 반복적으로 양력계수의 분포를 조정하여 최종적인 선회속도를 얻게 된다.
저압 저속도에서 사용되는 축류 형 송풍기의 익형 형상을 설계하기 위한 방법의 차이에 대한 연구를 수행하였다. 기존의 3차원 익형의 설계방식인 와류 설정법 중에서는 예 선회 익이 없는 흡입송풍기의 설계방식으로 물리적으로 오차가 적은 자유 와류법과 지수적인 방식을 채택하였으며, 또 다른 방식으로 케 스캐이드 이론을 바탕으로 익형에서의 양력계수를 기준으로 형상화하는 방법을 개발하였다.

제안 방법

흡입용 송풍기의 성능시험에서는 여러 가지 방법이 있으나 본 연구에서는 성능시험 방법(")중에서 직선형 덕트를 시용하여 시혐하는 경우를 고려하여 성능의 변화를 확인하였다. 입구영 역은 Fig.
입구 영역과 출구 영역은 축 방향의 회전축까지 포함되어야 하므로 비 정렬 격자가 적용되었으며, 동익영역은 정렬 격자가 사용되었다. 계산에서의 출구 경계는 회전축에서 송풍기 케이싱 반경의 6배인 구면으로 확대하여 안정된 출구 조건이 되도록 하였다.
본 연구에서는 3차원 비압축성 난류 유동 해석을 위하여 터 보기계 해석에 적합한 상용프로그램인 CFX- 12를 사용하여 유동해석을 수행하였다. 난류해석의 모델은 전단응력이송(shear stress transport) 处―3모델을 적용하였으며, 계산영역은 계 산 시간의 단축을 위하여 동익의 개수에 따라 하나의 유로만 선정하여 계산을 수행하였다.
덕트의 중간에는 모터가 장착된다. 실제 적용되는 흡입 덕트에서 의 송풍기 위치에 대한 성능의 차이를 계산하였다.
목적함수는 사용조건에 따라서 작동압력, 소음, 효율 등을 선정하거나, 여러 개를 선정하여 상호 간 가중치를 주어 성능을 향상하기도 있다. 하지만 최적화를 위한 계산 시간 은 설계변수의 개수에 의하여 상당한 영향을 미치므로 익형의 형상과 관련한 많은 설계변수 중에서 성능에 크게 영향을 미치는 설계변수만을 선정하여 최적화를 수행한다. 아울러 최적화에서도 전역 최적화의 방식은 너무나 많은 계산 시간이 소요되므로 계산영역을 제한하게 되며, 반면 기울기 기반의 최적화에서 는 초기 설계 형상은 계산 시간뿐만 아니라 최적화된 결과에도 상당한 영향을 미치게 된다.

대상 데이터

본 연구에 적용된 송풍기는 발전용 라디 에터의 열교환을 위하여 사용되는 축류 형 흡입송풍기로써 기본적인 요구사양을 Table 1에서 보여주고 있다. 주어진 회전수에서 요구 조건의 풍량과 압력을 달성할 수 있는 것은 익형의 형상에 의하여 결 정되어지므로, 전압력의 상승은 오일러식과 송풍기에서 예상되는 총 효율 3)을 사용하여 이를 선회계수(0)와 유량계수(人)에 의하여 표현하면 식 (1) 과 같이 얻어진다.

이론/모형

아울러 필요로 하는 양력이 얻어질 수 있도록 입구에서의 입사각(力을 올바르게 설정하여야 하며, 이를 위하여 입출구 유동 각으로부터터 익형의 스태거각(f) 도 설정하여야 한다. 동익 출구에서의 벗어남 각은 익형의 킴버 각(物 크기와 현절 비에 영향을 많이 받는데 Carter"에 의하여 제시된 모델을 사용한다.
현절 비는 평균반경에서의 선회계수와 유량 계수에 의하여 Wallis")에 의하여 제안된 표준적인 현절 비를 사용할 수 있다. 하지만 고정된 현절 비는 반경 방향에 따라서 코드의 증가를 동반하여 익형허브에서의 높은 응력을 유발하게 된다.
본 연구에서는 3차원 비압축성 난류 유동 해석을 위하여 터 보기계 해석에 적합한 상용프로그램인 CFX- 12를 사용하여 유동해석을 수행하였다. 난류해석의 모델은 전단응력이송(shear stress transport) 处―3모델을 적용하였으며, 계산영역은 계 산 시간의 단축을 위하여 동익의 개수에 따라 하나의 유로만 선정하여 계산을 수행하였다. 동익은 덕트내에 모터와 함께 장착되어 있으므로 입구영역, 동익영역, 출구 영역으로 분활하였으며, 각 영역 간 접합 부분의 계산은 프로 존 로 터 방식을 적용하였다.
난류해석의 모델은 전단응력이송(shear stress transport) 处―3모델을 적용하였으며, 계산영역은 계 산 시간의 단축을 위하여 동익의 개수에 따라 하나의 유로만 선정하여 계산을 수행하였다. 동익은 덕트내에 모터와 함께 장착되어 있으므로 입구영역, 동익영역, 출구 영역으로 분활하였으며, 각 영역 간 접합 부분의 계산은 프로 존 로 터 방식을 적용하였다. 입구 영역과 출구 영역은 축 방향의 회전축까지 포함되어야 하므로 비 정렬 격자가 적용되었으며, 동익영역은 정렬 격자가 사용되었다.
4에서처럼 구하여지므로 이를 바탕으로 익형을 형상화하면 된다. 본 연구에서는 송풍기의 익형 으로 많이 사용되는 F-series 익형을 적용하였다.
흡입 덕트가 변경되어도 케스캐이드 방법으로 설계된 동일한 송풍기가 적용되었다. Fig.

성능/효과

기존의 3차원 익형의 설계방식인 와류 설정법 중에서는 예 선회 익이 없는 흡입송풍기의 설계방식으로 물리적으로 오차가 적은 자유 와류법과 지수적인 방식을 채택하였으며, 또 다른 방식으로 케 스캐이드 이론을 바탕으로 익형에서의 양력계수를 기준으로 형상화하는 방법을 개발하였다. 3차원 유동해석을 통한 성능 예측에서 케스캐이드 이론의 적용으로 설계된 방식은 가장 우수한 결과를 보였으며, 자유 와류 법으로 설계하는 것보다는 지 수적인 방식이 우수한 결과를 보였다. 하지만 익형의 적용에 따른 송풍시스템의 형상 변화에 따라 흡입되어지는 속도의 부 분 적인 변화로 인하여 팁이나 허브에서 입사각은 설계된 입사각보다 증가하게 되어 부분적인 조정이 필요하였다.
16%)로 주어지며 설계회전수로 회전하는 조건이 주어졌다. 격자 수에 따른 계산 결과는 계산 격자가 50만 개 이상에서 일정하게 수렴 하였으므로, 계산에서는 격자를 60만 개 범위에서 계산을 수행하였다 우선 계산을 위한 격자, 경계조건, 난류 모델 등의 적절성은 축류송풍기의 최적화 연구 S)에서 수행되었던 풍량 150m3/min 급의 축류 형 송풍기에서 얻어진 실험결과⑼와 계산 결과의 비 교 검정과 동일하므로 본 연구에서도 적절하고 판단되었다.
D2 덕트의 적용으로 긴 입구 영역과 축 중심에 설치된 전동기의 형상으로 인하여 내부적인 손실이 증대하였다. 따라서 송풍 시스템의 효율은 DI 덕트를 적용한 경우에 비하여 D2 덕트의 사용으로 4.5%의 효율 감소(D1 덕트에서 얻어진 효율 대비)가 발생 되었으며, 흡입구에서의 전압력은 5.7% 감소한 결과를 얻었다.
이러한 현상을 지수적인 방법에서 80%의 완화계수를 적용한 경우에 보여주고 있는데, 즉 효율 향상은 되었지만 흡입입력이 감소하는 결과를 보여주고 있다. 따라서 효율 향상과 흡입압력의 향상된 결과로부터 케 스캐이드 방법으로 설계된 동익이 본 연구의 흡입송풍기에 적용하기에 효과적인 동익임을 알 수 있다.
하지만 공력파워의 감소는 송풍기 흡입구에서 흡입압력의 감소를 동반하게 된다. 이러한 현상을 지수적인 방법에서 80%의 완화계수를 적용한 경우에 보여주고 있는데, 즉 효율 향상은 되었지만 흡입입력이 감소하는 결과를 보여주고 있다. 따라서 효율 향상과 흡입압력의 향상된 결과로부터 케 스캐이드 방법으로 설계된 동익이 본 연구의 흡입송풍기에 적용하기에 효과적인 동익임을 알 수 있다.
11에서 보여주고 있다. 자유 와류 법에 의하여 설계된 경우에 흡입 게이지 전압력은 -207.2 Pa였으나, 지수적인 방식에서 완화 계수가 80%인 경우(scpo 1)에는 흡입압력이 낮아졌으며, 반면에 케스캐이드 방식의 경우에는 송풍기 덕트 입구 전압력이 자유 와류 법으로로 설계된 경우에 비하여 5%아상 향상된 결과를 나타내고 있다. 따라서 익형의 형상에 따라서 효율은 송풍기의 입력동력이 줄어들고 동시에 공력파워가 조금 줄어들게 되면 향상될 수 있다.
5는 설계방식에 따라 익형의 3차원 형상이 달라짐을 보여주고 있다. 자유 와류로 형상화되었을 때 가장 많이 휘어 짐을 보여주고 있으며, 와류의 세기를 완화하게 되면 휘어지는 정도가 줄어들고 있음을 알 수 있다. 케스캐이드 이론으로 설계된 경우는 지수적인 방식에서의 «=60%인 경우와 비슷하여 보이지만 허브에서의 형상은 차이를 보이고 있다.

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저자의 다른 논문 :

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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].

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