[논문]재생형 송풍기의 공력음향학적 성능 해석 방법

이찬; 길현권; 김강천; 김준곤; 마재현; 정경호

doi:10.5293/kfma.2013.16.2.015

재생형 송풍기의 공력음향학적 성능 해석 방법
Aero-acoustic Performance Analysis Method of Regenerative Blower 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.16 no.2, 2013년, pp.15 - 20

이찬 (수원대학교) , 길현권 (수원대학교) , 김강천 (수원대학교) , 김준곤 (수원대학교) , 마재현 ((주)엘오티베큠) , 정경호 ((주)엘오티베큠)

Abstract ▼ AI-Helper

An aero-acoustic performance analysis method of regenerative blower is developed as one of the FANDAS codes. The aerodynamic performance of regenerative blower is predicted by using momentum exchange theory coupled with pressure loss and leakage flow models. Based on the performance prediction results, the noise level and spectrum of regenerative blower are predicted by discrete frequency and broadband noise models. The combination of the performance and the noise prediction methods gives aero-acoustic performance map and noise spectrum analysis results, which are well-agreed with the actual measurement results within a few percent relative error.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로 본 연구는 재생형 송풍기의 설계변수들을 정의하고, 설계된 송풍기의 성능을 예측할 수 있는 해석방법을 제안하였다. 성능해석은 운동량 교환이론에 근거한 1차원 해석방법과 압력손실, 누설유동에 대한 모델들을 결합하여 수행하였고, 압력손실 및 누설유동 모델링 시 송풍기 설계변수들의 영향을 고려하였다.

가설 설정

그리고 임펠러 블레이드간의 압력차 형태가 변화되는 유량계수( φlim )는 0.75 로 가정하였다.

제안 방법

성능해석은 운동량 교환이론에 근거한 1차원 해석방법과 압력손실, 누설유동에 대한 모델들을 결합하여 수행하였고, 압력손실 및 누설유동 모델링 시 송풍기 설계변수들의 영향을 고려하였다. 또한 재생형 송풍기의 소음 예측을 위해서는, 예측된 송풍기 성능특성을 토대로, 임펠러 회전수에 비례하는 주파수에서 발생하는 이산 주파수 소음 모델과 송풍기 내부 난류에 의한 광대역주파수 소음 모델을 제안하였다. 본 연구에 의해 제안된 성능 및 소음해석 방법은 송풍기 설계과정과 결합되어 FANDAS code 의 GUI 형태로 구현 되었고, 본 방법에 의해 예측된 성능 및 소음해석결과들은 실제 송풍기의 시험결과들과 매우 잘 일치하였다.
본 연구에서는 재생형 송풍기의 소음을 회전수와 임펠러의 개수의 곱에 비례하는 BPF 주파수( BPF; blade passing frequency )에서 발생하는 이산주파수 소음과 넓은 주파수 범위에 분포되는 광대역주파수 소음으로 나누어서 고려하였다.
본 해석방법을 2가지 실제 황해전기의 재생형 송풍기에 적용하였다. 송풍기는 6673, 7052 rpm에서 작동하고, 임펠러의 팁 직경( D₂ = 2r )은 11.
재생형 송풍기의 설계, 성능 및 소음 예측을 위한 해석방법을 개발하여 GUI 기능이 첨가된 전산화된 시스템(FANDAS-Regen)으로 구성하였다. 성능해석은 운동량 교환이론과 압력손실, 누설손실에 대한 모델들을 결합하여 수행하였다. 소음해석은, 성능해석 결과를 토대로, 본 연구에서 제안한 이산주파수 및 광대역주파수 소음모델들을 이용하여 이루어졌다.
그러므로 본 연구는 재생형 송풍기의 설계변수들을 정의하고, 설계된 송풍기의 성능을 예측할 수 있는 해석방법을 제안하였다. 성능해석은 운동량 교환이론에 근거한 1차원 해석방법과 압력손실, 누설유동에 대한 모델들을 결합하여 수행하였고, 압력손실 및 누설유동 모델링 시 송풍기 설계변수들의 영향을 고려하였다. 또한 재생형 송풍기의 소음 예측을 위해서는, 예측된 송풍기 성능특성을 토대로, 임펠러 회전수에 비례하는 주파수에서 발생하는 이산 주파수 소음 모델과 송풍기 내부 난류에 의한 광대역주파수 소음 모델을 제안하였다.
성능해석은 운동량 교환이론과 압력손실, 누설손실에 대한 모델들을 결합하여 수행하였다. 소음해석은, 성능해석 결과를 토대로, 본 연구에서 제안한 이산주파수 및 광대역주파수 소음모델들을 이용하여 이루어졌다. 본 연구의해석 방법들을 실제 재생형 송풍기에 적용하였으며, 예측결과가 성능 및 소음 측정결과와 9 % 및 7 % 오차범위 내에서 잘 일치함을 알 수 있었다.
송풍기는 6673, 7052 rpm에서 작동하고, 임펠러의 팁 직경( D2 = 2r )은 11.1, 10.4 cm 로, 사이드 채널의 높이(h)는 8.0, 7.5 cm 로 설계되었고, 2가지 송풍기 모두 임펠러 개수( Z ), 확장각( θc ), 축 간격( c )은 39, 290 deg, 0.2 mm 로 설치하였다.
식(1)의 K_p 및 K_L 은 압력손실 및 누설손실 계수로서 이러한 값들은 송풍기 설계변수에 의해 좌우되므로, 본 연구에서는 기존의 실험적 결과들^(3,4,5,8)을 응용하여, l 계수들을 Table 1 같이 송풍기 설계변수들의 상관관계식으로 모델링하였다.
식(10)의 상수, K₂와 주파수 특성, F(f)는 실험적으로 결정되어야 하는 값이나, 재생형 송풍기의 소음관련 기존의 실험적 연구가 전무한 실정이므로, 본 연구에서는 Mugridge⁽¹⁰⁾에 의해 제안된 원심형 송풍기의 상관관계식을 토대로 다음과 같은 모델을 제안하였다.
재생형 송풍기의 설계, 성능 및 소음 예측을 위한 해석방법을 개발하여 GUI 기능이 첨가된 전산화된 시스템(FANDAS-Regen)으로 구성하였다. 성능해석은 운동량 교환이론과 압력손실, 누설손실에 대한 모델들을 결합하여 수행하였다.

대상 데이터

본 연구에서 다루는 재생형 송풍기는 사이드채널( side channel )형태로서( Fig.1 참조 ), 회전축에 반경 r 인 원판이 설치되고 원판의 접선방향을 따라 Z 개의 임펠러가 두께 d 로 가공된다. Fig.

이론/모형

설계된 재생형 송풍기의 성능 해석을 위해서는 운동량 교환이론^(1,7)을 사용하였다.

성능/효과

또한 재생형 송풍기의 소음 예측을 위해서는, 예측된 송풍기 성능특성을 토대로, 임펠러 회전수에 비례하는 주파수에서 발생하는 이산 주파수 소음 모델과 송풍기 내부 난류에 의한 광대역주파수 소음 모델을 제안하였다. 본 연구에 의해 제안된 성능 및 소음해석 방법은 송풍기 설계과정과 결합되어 FANDAS code 의 GUI 형태로 구현 되었고, 본 방법에 의해 예측된 성능 및 소음해석결과들은 실제 송풍기의 시험결과들과 매우 잘 일치하였다.
소음해석은, 성능해석 결과를 토대로, 본 연구에서 제안한 이산주파수 및 광대역주파수 소음모델들을 이용하여 이루어졌다. 본 연구의해석 방법들을 실제 재생형 송풍기에 적용하였으며, 예측결과가 성능 및 소음 측정결과와 9 % 및 7 % 오차범위 내에서 잘 일치함을 알 수 있었다. 이러한 결과들로부터, 본 해석방법이 고효율-저소음 재생형 송풍기 개발을 위한 기초 설계 도구로 유용하게 사용될 수 있을 것으로 보여진다.

후속연구

재생형 송풍기의 소음에 대한 연구는, 원심형 및 축류형 송풍기 소음 연구들에 비해, 거의 이루어지지 않은 실정이다. 그러므로 재생형 송풍기 소음의 저감을 위해서는 소음발생 원인을 파악하고 방사되는 소음의 특성과 크기를 예측할 수 있는 신뢰성 있는 이론적 해석방법의 개발이 필요하며, 이를 통해 송풍기 설계와 성능이 소음에 미치는 영향을 규명하는 연구가 이루어진다면 향후 송풍기 소음 저감에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구의해석 방법들을 실제 재생형 송풍기에 적용하였으며, 예측결과가 성능 및 소음 측정결과와 9 % 및 7 % 오차범위 내에서 잘 일치함을 알 수 있었다. 이러한 결과들로부터, 본 해석방법이 고효율-저소음 재생형 송풍기 개발을 위한 기초 설계 도구로 유용하게 사용될 수 있을 것으로 보여진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	재생형 송풍기의 장점은?	재생형 송풍기는 적은 유량에서도 높은 압력을 생산해 낼 수 있는 성능 특성과 단순한 구조, 쉬운 제작 및 운전으로 인해 화학공장, 환경시설 및 연료전지용 송풍기 등으로 널리 사용되고 있다.
	재생형 송풍기 작동원리는?	재생형 송풍기는 회전하는 원판에 설치된 다수의 임펠러(impeller )와 임펠러를 감싸고 있는 고정된 채널( fixed channel )사이를 통과하는 유체의 운동량 교환( momentum exchange )에 의해 압력이 상승하는 원리에 의해 작동되며, 이로 인해 유체기계 내부에서 발생하는 강한 난류에 의한 압력손실 및 임펠러/채널 간극을 통한 누설유동이 발생한다. 그리고 이러한 압력손실 및 누설유동의 발생은 재생형 유체기계의 성능저하 및 낮은 효율의 주요한 원인으로 작용하고 있다.
	재생형 송풍기 유체기계 내부의 압력손실 및 누설유동은 어떤 영향을 미치는가?	재생형 송풍기는 회전하는 원판에 설치된 다수의 임펠러(impeller )와 임펠러를 감싸고 있는 고정된 채널( fixed channel )사이를 통과하는 유체의 운동량 교환( momentum exchange )에 의해 압력이 상승하는 원리에 의해 작동되며, 이로 인해 유체기계 내부에서 발생하는 강한 난류에 의한 압력손실 및 임펠러/채널 간극을 통한 누설유동이 발생한다. 그리고 이러한 압력손실 및 누설유동의 발생은 재생형 유체기계의 성능저하 및 낮은 효율의 주요한 원인으로 작용하고 있다.

참고문헌 (10)

Mura, M. and Badami, M., 2012, "Leakage effects on the performance characteristics of a regenerative blower for the hydrogen recirculation of a PEM fuel cell," Energy Conversion and Management, Vol. 55, pp. 20-25.

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Badami, M. and Mura, M., 2012, "Comparison between 3D and 1D simulations of a regenerative blower for fuel cell applications," Energy Conversion and Management, Vol. 55, pp. 93-100.

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Mugridge, B. D., 1976, "Noise Characteristics of Axial and Centrifugal Fans as Used in Industry," Shock and Vibration Digest, Vol. 45, No. 3.

저자의 다른 논문 :

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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