[논문]환기시스템용 4000CMM급 송풍기 개발에 관한 연구

이천석; 이원욱; 장성철; 이중섭

doi:10.14775/ksmpe.2016.16.1.017

환기시스템용 4000CMM급 송풍기 개발에 관한 연구
A Study on the Development of a 4,000CMM Grade Blower for a Ventilation System 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.16 no.1, 2017년, pp.17 - 23

이천석 ((주) 디에이치아이 기술연구소) , 이원욱 ((주) 디에이치아이 기술연구소) , 장성철 (한국폴리텍 IV 대학 충주캠퍼스 기계시스템과) , 이중섭 (경남과학기술대학교 엔진부품검증센터)

Abstract ▼ AI-Helper

This study is about the development and revision of a blower design for a ventilation system. In this study, to describe the flow in the 4000CMM grade blower, 3-dimensional steady-state turbulence was assumed to govern the flow equation. The flow field with velocity distribution according to the elbow duct of the ventilation system is also compared. Finally, vibration was observed in the blower at the installation to ventilation system. The cause was due to a problem in the manufacturing process of the airfoil type impeller.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 대형 작업장에 적용되는 환기시스템에 적용되는 송풍기에 관한 연구이며, 플랜트 설계상 요구되는 송풍기 용량에 대한 설계와 유동해석을 통해 예측한 성능을 비교하였고 실제 송풍기를 제작하여 , 설치하였때 발생하였던 진동발생 문제를 해결한 과정을 통해 향후 설계 개선점을 확인하고자 하였다.
엘보덕트에 베인을 설치하여 분지관에서 유동을 안정화시키는 시도와 토출구의 스택을 유동이 매끄럽게 흘러갈 수 있도록 설치하여 유동흐름의 추이를 살펴보고자 하였다. 또한 Inlet Cone에 부착되는 베인을 조정하고, 엘보덕트에 베인을 설치하여, 흡입유동을 매끄럽게 흐르도록 하였고, 출구부의 스택을 기존모델에서 완전 수정하여 매끄럽게 빠져나가도록 구조변경을 수행하였다.

가설 설정

송풍기에 대한 유동해석을 수행하기 위해 Fig. 1 과 같이 입구는 대기압인 101,1305Pa로 설정하고, 출구는 104,757Pa로 가정하였다. 이러한 이유는 송풍기 성능에 대한 요구조건을 반영한 것이었다.

제안 방법

최초 과대진동 발생이 발생하여 보강작업을 수행한 결과 진동 값이 수평과 축방향에서 28mm/s 에서 26mm/s로 감소하였으나 여전히 높은 진동 값을 나타내고 있었다. 따라서 Fig. 5와 같이 댐퍼를 개방할 때 입구쪽에서 와류가 발생하여 송풍기 케이싱을 주기적으로 흔드는 형식의 유동에 의한 진동이 발생하여 Inlet Cone과 댐퍼 하단에 유동을 안내할 수 있는 가이드를 설치하여 유동분포를 확인하였다.
엘보덕트에 베인을 설치하여 분지관에서 유동을 안정화시키는 시도와 토출구의 스택을 유동이 매끄럽게 흘러갈 수 있도록 설치하여 유동흐름의 추이를 살펴보고자 하였다. 또한 Inlet Cone에 부착되는 베인을 조정하고, 엘보덕트에 베인을 설치하여, 흡입유동을 매끄럽게 흐르도록 하였고, 출구부의 스택을 기존모델에서 완전 수정하여 매끄럽게 빠져나가도록 구조변경을 수행하였다.
여기서 난류모델은 Realizable k-ε two layer모델을 적용하였고, 속도와 압력의 연결은 Segregated 알고리즘을 채택하였다. 또한 작동 유체에 대한 밀도변화는 온도와 압력에 영향을 받는 이상기체 상태방정식을 적용하였다.
본 연구 대상인 4,000CMM급 송풍기에 대한 정상상태에 대한 유동상태를 파악하기 위한 지배방정식으로는 연속방정식, 운동량방정식, 난류에너지, 방정식 난류소산방정식 그리고 에너지방정식이 사용되었다. 여기서 난류모델은 Realizable k-ε two layer모델을 적용하였고, 속도와 압력의 연결은 Segregated 알고리즘을 채택하였다.
송풍기 케이싱과 임펠러 사이에 물리량을 전달받을 수 있는 Interface를 설치하여 이를 경계로 임펠러가 1,180rpm 으로 회전할 수 있도록 경계조건을 부여하였고 케이싱의 벽면은 모두 단열조건을 부여하였다. 또한 해석 값의 수렴판정은 잔차 값이 10^-3이하로 설정하였다.
6은 유동 시뮬레이션 분석을 기반으로 Damper와 Inlet Cone 에 유동의 흐름을 안내할 수 있는 Guide를 설치하여 수평방향과 축방향의 진동이 26mm/s 에서 22mm/s 로 감소하였으나 여전히 근본적인 문제해결은 아니었다. 이때 현장에서 분석한 결론으로 부하측 베어링 베이스 강성부족에 의해 진동이 발생되는 것으로 판단하여 Fig.7과 같이 반 부하측 베어링 하우징 베이스를 콘크리트로 강성을 보강하고 Inlet Chamber 양쪽에 각각 강성을 부여하기 위하여 콘크리트로 보강하여 진동을 억제시키려 하였다. 진동 측정 결과 수평방향에서 22mm/s 에서 18mm/s 의 진동이 감소하였으나 여전히 근본적으로 진동이 억제되지 않았다.
임펠러에 회전력을 부여하기 위해 기법을 MRF 적용하여 제어체적인 격자를 회전시키지 않고도 임펠러의 회전효과를 부여하여 정상상태에서 송풍기에 대한 유동해석을 상용코드인 STAR-CCM+를 사용하여 수행하였다.
해석을 통해 송풍기에 대한 성능을 예측하였고, 이를 근거로 Fig. 3과 같이 4,000CMM 급 송풍기를 제작하였다.

이론/모형

여기서 난류모델은 Realizable k-ε two layer모델을 적용하였고, 속도와 압력의 연결은 Segregated 알고리즘을 채택하였다.

성능/효과

2는 유동해석을 수행한 결과를 나타내고 있으며 임펠러를 중심으로 단면에 대한 결과 값을 나타내고 있다 우선 속도분포인의 경우 임펠러 토출측에서 가장 큰 속도가 발생되고 케이싱 내부에 유동재순환 영역을 발생시키면서 볼류터를 따라 출구로 빠져나가고 있는 것을 확인할 수 있었다. (b)의 정압분포의 경우 입구측에 흡기부압(-)이 발생하고 임펠러를 거치면서 압력이 정압(+) 발생되어 출구까지 압력이 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 (c)의 전압의 경우 정압과 마찬가지로 임펠러 토출구간 부터 압력이 상승함을 확인할 수 있었다.
가이드 베인이 없을 경우 왼쪽 분지관으로 먼저 유입됨을 확인할 수 있었고 엘보 덕트 내부에 가이드 베인을 설치할 경우 분지관 오른쪽으로 먼저 유입되지만 왼쪽과 시간차이는 미약하였다. 즉, 가이드 베인의 설치로 인해 분지관에서 동일한 유량을 배분할 수 있는 구조를 가지고 있는 것으로 판단된다.
대형 작업장의 환기시스템에 적용되는 대형송풍기에 대한 설계와 유동해석을 통해 예측된 기본적인 성능을 비교한 결과 해석 값이 다소 높게 나타났으나 전반적으로 설계치를 잘 만족하였다. 또한 유동해석을 통한 결과를 바탕으로 송풍기의 전압효율을 예측한 결과 약 81% 로 비교적 높게 나타났다.
Table 1은 송풍기 설계 값과 유동해석 값을 비교한 것으로, 유량과 전압이 설계 값에 비해 약 5% 이내 범위에 있었다. 따라서 유동해석 결과를 바탕으로 식(1)을 사용하여 송풍기에 대한 효율이 81.30%가 됨을 확인할 수 있었다.
대형 작업장의 환기시스템에 적용되는 대형송풍기에 대한 설계와 유동해석을 통해 예측된 기본적인 성능을 비교한 결과 해석 값이 다소 높게 나타났으나 전반적으로 설계치를 잘 만족하였다. 또한 유동해석을 통한 결과를 바탕으로 송풍기의 전압효율을 예측한 결과 약 81% 로 비교적 높게 나타났다.
송풍기는 항상 일정하게 유동이 흡입되고 토출되는 특성이 있기 때문에 MRF를 사용한 계산이 공학적으로 타당성이 있으며^[4], 특히, 본 연구의 주된 관심인 전반적인 유동형태를 파악하기 위한 계산에서 효율적인 해석결과를 도출할 수 있다.
송풍기로 흡입되는 흡입덕트가 수직으로 설치 되어있어 임펠러 Inlet Cone으로 유입될 때 기존 모델의 경우 아래방향으로 편심되는 각도가 비교적 컸고, 엘보 덕트 내부에 가이드 베인이 설치될 경우 분지관에서 유량분배가 비교적 배분되는 것을 확인할 수 있었다.
송풍기를 환기시스템에 결합할 때 덕트의 각도가 중요하며, 특히 흡입부인 엘보 덕트를 사용할 경우 유동 안정성을 확보할 수 있는 충분한 길이가 필요하며, 작업여건상 길이 확보가 되지 않을 경우 내부에 가이드 베인을 설치할 경우 유동 안정성을 확보할 수 있는 것을 확인하였다.
즉, 가이드 베인의 설치로 인해 분지관에서 동일한 유량을 배분할 수 있는 구조를 가지고 있는 것으로 판단된다. 송풍기의 토출덕트와 스택과의 연결은 유동이 잘 빠져나갈 수 있도록 최대한 장애물이 없는 구조를 가져야됨을 알 수 있었다.
실제 송풍기를 제작하여 현장에 설치하였을 때 송풍기에 설치된 에어포일 타입의 임펠러 제작공정에 의해 균일하지 못한 에어포일 형상으로 인한 진동이 발생하였고, 최종적으로 임펠러를 터보 타입으로 변경함에 따라 진동이 억제되었다.
7과 같이 반 부하측 베어링 하우징 베이스를 콘크리트로 강성을 보강하고 Inlet Chamber 양쪽에 각각 강성을 부여하기 위하여 콘크리트로 보강하여 진동을 억제시키려 하였다. 진동 측정 결과 수평방향에서 22mm/s 에서 18mm/s 의 진동이 감소하였으나 여전히 근본적으로 진동이 억제되지 않았다. 여러 가지 강성을 보강하는 방법으로 진동을 저감시키려고 시도하였으나 최초 28mm/s 에서 18mm/s 정도만 감소하는 결과를 얻을 수 밖에 없었다.
최종 환기용 4,000CMM급 송풍기 제작 후 실제 환기시스템에 적용하여 시운전한 결과 송풍기에서 진동문제가 발생하였다. 따라서 Fig.
최초 과대진동 발생이 발생하여 보강작업을 수행한 결과 진동 값이 수평과 축방향에서 28mm/s 에서 26mm/s로 감소하였으나 여전히 높은 진동 값을 나타내고 있었다. 따라서 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	육상 및 해상 플랜트에 적용되는 송풍기는 왜 주문생산을 통하여 생산되는가?	일반적으로 산업용 송풍기는 플랜트 등 널리 적용되고 있는 유체기계 중의 하나이다.특히 소형 송풍기의 경우 용량별 대량생산을 통해 환기용 등으로 사용되고 있는 반면 육상 및 해상 플랜트에 적용되는 송풍기의 경우 플랜트 특성상 시스템 설계를 통해 최종 요구 송풍기의 성능이 결정되기 때문에 주문생산을 통해 생산되고 있는 것이 특징이 다 산업용으로 사용되는 송풍기는 대부분 환기용으로 많이 사용되고 있으며, 집진기 등 여과장치와 함께 운전되고 있다. 반면 대형보일러와 같이 강제 급기용 송풍기의 경우 풍량제어를 위한 댐퍼를 설치하여 댐퍼 개폐각도에 따른 유량을 공압식 또는 전기식 액츄에이터를 통해 제어하고 있다.
	MRF를 사용할 수 있게 하는 송풍기의 특성은 무엇인가?	송풍기는 항상 일정하게 유동이 흡입되고 토출되는 특성이 있기 때문에 MRF를 사용한 계산이 공학적으로 타당성이 있으며[4], 특히, 본 연구의 주된 관심인 전반적인 유동형태를 파악하기 위한 계산에서 효율적인 해석결과를 도출할 수 있다.
	엘보 덕트 내부에 가이드 베인을 설치 했을 때 분지관 오른쪽과 왼쪽의 유입 시간 차이가 미약하다는 실험 데이터로 얻을 수 있는 결과은 무엇인가?	가이드 베인이 없을 경우 왼쪽 분지관으로 먼저 유입됨을 확인할 수 있었고 엘보 덕트 내부에 가이드 베인을 설치할 경우 분지관 오른쪽으로 먼저 유입되지만 왼쪽과 시간차이는 미약하였다. 즉, 가이드 베인의 설치로 인해 분지관에서 동일한 유량을 배분할 수 있는 구조를 가지고 있는 것으로 판단된다. 송풍기의 토출덕트와 스택과의 연결은 유동이 잘 빠져나갈 수 있도록 최대한 장애물이 없는 구조를 가져야됨을 알 수 있었다.

참고문헌 (9)

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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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