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문제 정의
- 본 연구에서는 공조기와 실외기의 냉각용으로 사용되는 일본 S 사의 축류홴의 성능 및 소음 최적화 설계 를 위한 실험적 연구의 일환으로 수행되었다. 연구 방법은 홴 설계 프로그램인 iDesignFanT.
- 본 연구에서는 기존의 공조용 축류홴을 바탕으로 성능과 소음을 개선하기 위하여 주요설계변수의 변화에 따른 성능ㆍ소음 측정값을 비교하며 그 결과를 분석하여 멀티섹션(Multi-Section) 설계기법(2) 을 활용한 홴 최적 설계를 수행하였다.
- 본 연구에서는 주어진 설계점에서 홴의 성능 및 소음을 최적화하기 위하여 캠버각의 변화에 따른 실험을 주로 수행하였다. 설치각이 커지면 압력면의 압력이 증가되어 유량을 증가시키는 역할을 하지만 모터의 부하를 증가시켜 회전수가 저감되고 이에 따라 홴 효율 및 소음에 악영향을 끼친다.
- 5 Pa 의 성능을 나타낸다. 본 연구에서는이 홴의 기본적인 비속도, 비직경을 이용하여 성능과 소음 개선을 위한 4개의 모델을 설계하였다. 비속도는 특정한 홴을 대표하는 종류의 변수로서 홴의 성능, 유동형태, 날개형상 선정, 동일 종류의 홴에 대한 상호 간의 비교를 위해 사용 되는 무차원 변수이다.
- 상기 모델에서 설계한 3가지 경우의 홴 설계변수 변화에 따른 실험 결과값을 참고하여 날개 부압면Span 75 % 위치의 뒷전근처에 반경 (d = 30 mm) 인 볼록한 형상(국부캠버각 4° 증가) 을 설계하여 설계유량 (1500 CMH) 에서 저소음의 최적화된 홴 설계를 목표로 하였다.
제안 방법
- (1) 홴으로 부터 1 m 및 45°의 위치에서 홴의 소음을 측정하였다.
- M..(4)을 사용하여 동일성능을 갖도록 설계변수를 변화시켜 기본설계를 한 후 날개뒷전의 국부적인 캠버각을 변경하여 성능 및 소음 최적화를 진행하였다. 본 연구에서 얻은 결과를 요약해보면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 홴 단독실험을 실행하였다. Test Chamber내에 슈라우드를 설치후 모터를 500 rpm 으로 고정시켜 홴 성능실험을 하였다. 실험에 사용된 슈라우드는 홴의 유량확보를 위한 것으로 끝 간극을 직경대비 2 %를 유지하며 실험이 가능하도록 하였다.
- 설계점에서의 유량의 증가를 도모하기 위하여 끝단으로 갈수록 코드길이를 증가시켰다. 날개 끝단에서 발생하는 와류 생성(Vortex shedding)과 슈라우드의 상호작용에 의해 발생하는 소음을 줄이기 위해 슈라우드 내의 일부분의 홴 날개 끝단을 말아 올렸으며 기존의 특허와 접촉이 없도록 하였다.(5)
- Model #3은 소음의 개선과 동시에 유량의 증대를 위해 설치각은 Model #2와 같은 값을 유지하였다. 날개뒷전에서 발생하는 일을 증가시키기 위해 날개뒷전을 연장하여 코드길이를 증가시키고 캠버각을 Model #2보다 크게 설계하였다.
- 홴의 높이는 고정되어 있으므로 코드길이를 늘려 성능향상을 수정하는 방법에는 또한 한계가 있다. 따라서 본 실험에서는 Fig. 2와 같이 날개뒷전의 캠버각을 변형하는 방법으로 Model #2과 #3에 적용하여 성능 및 소음의 동시개선을 도모 하였다. 그 결과 캠버각에 변형을 주지 않았을 경우보다 평균 캠버각이 3°∼4° 증가 했을 때 설계정압에서 유량이 증가하였고 캠버각이 증가함에 따라 소음이 증가되는 경향을 보였다.
- 스윕각(Sweep angle) 은 성능보다는 소음에 영향을 주는 변수로서, 본 설계에서는 허브에서 끝단까지 선형적 (Linear) 으로 변화하는 20° 가량의 스윕각을 유지하였다. 또한 기존 홴의 코드길이와 피치(Pitch) 의 비율을 고려하여 모델의 코드길이를 결정하였다. 코드길이가 변할 때마다 현절비(Solidity) 가 변하게 되고 그와 관련된 여러변수들이 변화하게 된다.
- 설치 각의 감소로 인해 발생될 수 있는 성능저감을 보상하기위해 코드길이와 부분적인 캠버각의 증가를 반영하였다. 또한 날개 끝단 유동의 자연스러운 흐름을 위해 말아 올린 부분을 넓게 펴서 코드길이의 증가효과를 유도하여 유량이 증가되도록 하였다. 허브영역에서의 유동 손실을 줄이기 위해 허브에서의 중간영역까지의 설치각의 변화를 Model #1에 비해 작게 설계하였다.
- 또한, 본 시험장치의 부속장치로는 테스팅홴과 보조홴의 회전속도 제어를 위한 직류전원 공급 장치와 인버터(Inverter), 측정범위가 800∼1,200 mbar 이고 ± 0.15 %의 정밀도를 가지는 디지털 기압 센서, ± 1.0 %RH 와 0.2 ℃이내의 정밀도를 가지는 디지털 온습도센서, 최대 측정압력 150 mmAq (배율5배) 와 100 mmAq (배율7.5 배) 의 경사마노메타 각 1 개, 최대 500 mmAq 의 U형 마노메타, 0∼36,000 rpm의 측정범위를 갖는 디지털 회전속도계로 구성되어 있다.
- 018이다. 본 모델은 Model #3의 설계변수를 유지하면서 날개뒷전의 Span 75 %부근에 볼록한 형상을 국부적으로 설계하였다. 볼록한 형상은 부압면의 유동을 허브방향과 끝단방향으로 분산시키며 압력면의 유동을 볼록한 형상이 있는 Span으로 모으는 역할을 한다.
- 축류홴 성능실험은 축류홴과 슈라우드만을 가지고 하는홴 단독실험과 축류홴을 시스템에 장착하여 시스템의 유량을 측정하는 시스템 풍량실험이 있다. 본 연구에서는 홴 단독실험을 실행하였다. Test Chamber내에 슈라우드를 설치후 모터를 500 rpm 으로 고정시켜 홴 성능실험을 하였다.
- 상기 실험결과와 같이 캠버각이 증가하면 소음이 증가되므로 부분적인 캠버각의 증가에 따른 소음특성을 알아보기 위하여 Model #3을 허브에서 끝단방향으로 25 %, 50 %, 75%, 100 %의 네 구역으로 구분하여 각각의 구역에만 캠버각을 평균 4°씩 증가시키도록 형상을 변화하고, 같은 방법으로 소음실험을 수행하였다.
- Model #2는 홴 작동 부하에 따른 소음 감소를 위해 평균 설치각을 Model #1보다 낮은 값을 갖도록 설계하였다. 설치 각의 감소로 인해 발생될 수 있는 성능저감을 보상하기위해 코드길이와 부분적인 캠버각의 증가를 반영하였다. 또한 날개 끝단 유동의 자연스러운 흐름을 위해 말아 올린 부분을 넓게 펴서 코드길이의 증가효과를 유도하여 유량이 증가되도록 하였다.
- 실험세트는 무부하에서 1/2 레벨 마이크로폰 센서(B&K model 4138)을 이용하여 스펙트럼과 방사 소음을 측정하였고, 스펙트럼은 2채널 FFT 분석기(Standard Research SR780)를 사용하여 3,000번 이상의 앙상블(Ensemble) 평균을 취하였다.
- 보조홴의 가동 유무에 따라서 무부하를 유지할 수 있으며 댐퍼를 이용하여 부하를 조절할 수 있다. 유량은 ISO 5801(6)과 ASHRAE(7) 에 근거하여 유동 노즐 전후의 압력차를 측정, 계산하였다. 홴의 효율을 구하기 위해 홴의 유량, 압력, 소비전력 등을 측정하여 무차원의 성능 곡선 형태로 자동으로 계산되는 프로그램을 사용하였다.
- 코드길이가 변할 때마다 현절비(Solidity) 가 변하게 되고 그와 관련된 여러변수들이 변화하게 된다. 코드길이에 대한 날개두께의 비율(%) 은 소음저감에 유리하도록 허브에서 끝단으로 갈수록 감소하도록 설계하였다. 설치각은 유량, 압력, 코드길이에 따라서 결정되며 설치각이 과도하게 크면 상류 날개의 전단(Leading edge) 에서 발생한 유동의 박리가 후류 날개뒷전(Trailing edge) 에서 발생하는 와류에 영향을 미처 소음에 악영향을 미치기도 한다.
- 또한 날개 끝단 유동의 자연스러운 흐름을 위해 말아 올린 부분을 넓게 펴서 코드길이의 증가효과를 유도하여 유량이 증가되도록 하였다. 허브영역에서의 유동 손실을 줄이기 위해 허브에서의 중간영역까지의 설치각의 변화를 Model #1에 비해 작게 설계하였다. 압력의 상승을 위한 캠버각은 끝단에서 Model #1보다 작게 하였으며, 뒷전 소음의 감소를 위해서 날개의 두께를 줄였다.
- 유량은 ISO 5801(6)과 ASHRAE(7) 에 근거하여 유동 노즐 전후의 압력차를 측정, 계산하였다. 홴의 효율을 구하기 위해 홴의 유량, 압력, 소비전력 등을 측정하여 무차원의 성능 곡선 형태로 자동으로 계산되는 프로그램을 사용하였다.
대상 데이터
- 본 설계에는 NACA 65 시리즈 익형을 기본익형으로 사용 하였다. 스윕각(Sweep angle) 은 성능보다는 소음에 영향을 주는 변수로서, 본 설계에서는 허브에서 끝단까지 선형적 (Linear) 으로 변화하는 20° 가량의 스윕각을 유지하였다.
- 본 실험은 인하대학교 유동소음제어 연구실의 밀폐형 무향 풍동실에서 수행되었다. 이 풍동은 400 mm (H) × 400 mm (W) × 2,500 mm (L) 의 시험부를 가지며 유동이 없을 때 암소음 레벨은 20 dBA를 유지한다.
- 본 연구에 사용된 홴의 기본모델은 일본의 S사가 제공한 직경(D) 415 mm이며, 날개개수(Z) 가 3개인 홴이다. 이 완제품 홴은 회전속도 500 rpm 의 설계점에서 유량 1,500 CMH, 정압상승 7.
- Test Chamber내에 슈라우드를 설치후 모터를 500 rpm 으로 고정시켜 홴 성능실험을 하였다. 실험에 사용된 슈라우드는 홴의 유량확보를 위한 것으로 끝 간극을 직경대비 2 %를 유지하며 실험이 가능하도록 하였다. 보조홴의 가동 유무에 따라서 무부하를 유지할 수 있으며 댐퍼를 이용하여 부하를 조절할 수 있다.
이론/모형
- 이 프로그램은 축류형홴, 원심형홴, 시로코형홴을 설계할 수 있는 모듈형 프로그램으로 설계자가 요구하는 사양에 최적의 성능을 구현할 수 있는 설계변수를 자동적으로 도출하며, 이에 해당하는 홴의 형상의 구현 및 성능, 소음의 예측을 가능하게 하는 역설계 개념의 소프트웨어이다. 설계 방법은 효율의 증대를 위해 허브에서 끝단으로 가면서 하중을 증대시키지 않고 하중의 섹션별 조정이 가능하며 이로 인한 곡률변화로 인해 저소음화에 효과가 있는 멀티섹션 설계기법(2)을 채택하였다. 본 연구의 멀티섹션 설계기법(2)은 설치각 (Stagger angle) 의 분포가 허브(Hub) 에서 중간영역(Mid span)까지 감소하다가 중간영역에서 끝단까지 다시 증가하는 설계방법으로 중간영역에서 유동분산 구역을 만들어 압력면과 부압면의 유동의 흐름을 다르게 하여 날개뒷전의 소음을 감소시킨다.
- 홴의 기본설계는 iDesignFanTM (4) 프로그램을 사용하였다. 이 프로그램은 축류형홴, 원심형홴, 시로코형홴을 설계할 수 있는 모듈형 프로그램으로 설계자가 요구하는 사양에 최적의 성능을 구현할 수 있는 설계변수를 자동적으로 도출하며, 이에 해당하는 홴의 형상의 구현 및 성능, 소음의 예측을 가능하게 하는 역설계 개념의 소프트웨어이다.
성능/효과
- 1) 날개뒷전 Span 75 %부근의 캠버각을 국부적으로 변형된 모델은 성능증가와 함께 소음감소를 보였다. 이는 날개뒷전을 빠져나가는 유동을 분산시켜 1kHz이하의 광대역소음을 저감시켰다.
- 2) 본 설계 비속도에서 홴 높이를 일정하게 유지하기 위해 기존형상에 비해 코드길이의 5 %증가와 함께 설치각이 감소된 홴 (Model #2) 이 상대적으로 설치각 2 %증가에 따라 코드길이가 감소된 홴 (Model #1) 보다 2.7 %의 효율향상 및 3 dBA 의 소음감소를 가져왔다.
- 3) 설치각이 같은 조건에서 날개뒷전의 캠버각의 증가는 동일 비속도에서 동력계수의 상승을 초래하지만 그에 비해 정압상승에 따른 유량 증가량이 더욱 높기 때문에 전체적인 효율상승을 가져오는 것을 알 수 있다.
- 4) 본 설계는 멀티섹션 설계기법에 날개뒷전의 볼록한 형상 (국부적 캠버각의 변화) 을 적용하여 멀티섹션 설계 기법의 장점을 극대화하였으며, 공조기 실외기에 적용 되는 고풍량 축류홴 등 저소음이 요구되는 다른 환경의 성능향상설계에도 매우 유용한 기법으로 여겨진다.
- Model #3과 Model #4의 실험결과 차이는 날개뒷전의 Span 75 %부근의 볼록한 형상(국부캠버각 4° 증가) 의 도입을 통해 5 %의 성능향상과 0.9 dBA 소음감소를 동시에 가져왔음을 알 수 있다.
- Moldel #2와 날개뒷전의 캠버 각을 전체적으로 4° 증가시킨 Moldel #3을 설계정압에서 비교해보면 동력계수는 증가하지만, 유량은 10 % 증가되어 16%의 효율상승을 가져왔다.
- 그 결과 캠버각에 변형을 주지 않았을 경우보다 평균 캠버각이 3°∼4° 증가 했을 때 설계정압에서 유량이 증가하였고 캠버각이 증가함에 따라 소음이 증가되는 경향을 보였다.
- 2 % 감소하였지만 소음은 3 dBA 낮아졌다. 그러나 Model #2의 효율이 개선되어 동일유량에서도 소음이 개선됨을 확인하였다. Model #2과 Model #3의 결과를 비교해 보면 캠버각이 홴 성능향상과 소음감소에 영향을 주는 설계변수임을 알 수 있다.
- 6 %증가하였다. 동력 계수 상승에 비해 현저히 큰 정압상승증가에 의해 효율은 5%개선되었다.
- 또한, 자동측정처리와 분석을 위해 Data Acquisition / Switch Unit 과정밀도가 0.073 %인 0∼25.4 mmAq 와0∼127 mmAq 범위를 갖는 디지털차압계 및 ± 63.5 mmAq 와 ± 381 mmAq 측정범위의 디지털 정압계가 구성되어 있어, 이 장치들을 사용하여 실시간으로 모든 Data의 동시 수집 및 측정이 가능하며, Data 빈도수를 조절하여 더욱 정확한 성능실험이 가능하다.
- 스윕각(Sweep angle) 은 성능보다는 소음에 영향을 주는 변수로서, 본 설계에서는 허브에서 끝단까지 선형적 (Linear) 으로 변화하는 20° 가량의 스윕각을 유지하였다.
- 4에 나타난 바와 같다. 실험 결과를 보면 Span 75 % 에서의 캠버각 증가는 앞의 결과와는 반대로 소음 저감의 효과가 큰 것으로 나타났다. 따라서 Fig.
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