[논문]공기흐름 변경으로 임펠러의 수명연장과 전력비 절감을 위한 송풍기 개발을 위한 수치해석

김일겸; 박우철; 손상석; 김용남

doi:10.5762/kais.2020.21.12.192

초록
AI-Helper

본 연구는 요구되는 전압효율이 83% 이상인 풍량 10,000 ㎥/min급의 장수명 송풍기를 개발하기 위하여 송풍기 침식 현상을 조사하고, 수치해석을 통하여 송풍기 성능과 송풍기 침식을 예측하였다. 송풍기 해석에 주로 많이 사용되는 검증된 상용코드인 ANSYS CFX 13.0을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석에 사용된 조건은 풍량 16,200 ㎥/min, 회전수 893 rpm, 온도 330 ℃이다. 분진의 비중은 3.15이고, 입도는 90㎛~212㎛이며, 양은 265kg/min으로 하였다. 송풍기로 유입되는 분진으로 인한 송풍기의 침식현상을 정확히 해석하기 위하여 수직복원계수의 변화에 따른 침식 현상을 실제 침식현상과 비교하였다. Finne 모델을 적용하여 수치해석을 수행한 결과 평형복원계수는 1, 수직복원계수는 0.1인 경우가 실제 침식현상과 유사하게 나타났다. Duct deflector가 침식에 관하여 미치는 영향을 살펴보기 위하여 Duct deflector가 있는 모델과 없는 모델을 비교하여 침식해석을 수행하였다. 수치해석의 결과, Duct deflector를 설치한 경우 Impeller에서 평균 167% 감소하고, Boss에서는 평균 133% 증가하는 경향으로 나타났다. Dust deflector의 길이에 따라 총 5가지 모델을 생성하고, 이에 대하여 침식 수치해석을 수행하였으며, 길이가 가장 긴 Case 5가 침식성능이 가장 우수한 것으로 나타났다. Case 5의 송풍기 성능은 회전수 880 rpm, 풍량 16,200 ㎥/min일 경우, 전압 691.7 mmAq와 전압효율 83.3%로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The blower erosion phenomenon was investigated to develop a long-life blower with a volume flow rate of 10,000 ㎥/min with the required total pressure efficiency of 83% or more. The blower performance and blower erosion were predicted through numerical analysis by computational fluid dynamics(...

The blower erosion phenomenon was investigated to develop a long-life blower with a volume flow rate of 10,000 ㎥/min with the required total pressure efficiency of 83% or more. The blower performance and blower erosion were predicted through numerical analysis by computational fluid dynamics(CFD). The conditions used for numerical analysis were an air volume of 16,200 ㎥/min, a rotation speed of 893 rpm, and a temperature of 330℃. The specific gravity, particle size, and amount of the dust was 3.15, 90 ㎛~212 ㎛, and is 265 kg/min, respectively. To examine the effects of a dust deflector on erosion, erosion analysis was performed by comparing the models with and without a dust deflector. Numerical analysis showed that when the dust deflector is installed, the average tended to decrease by 167% in the impeller and 133% in the boss. CFD using the Finne's model for erosion revealed a parallel restitution coefficient of 1 and a perpendicular restitution coefficient of 0.1. The blower performance of case 5 was 691.7 mmAq, and the efficiency was 83.3% when the rotation speed and the air volume flow rate were 880 rpm and 16,200 ㎥/min, respectively.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Impeller erosion cases.
그림 Fig. 2. Erosion of Kiln I.D. blower (S company).
그림 Fig. 3. Model for CFD.
그림 Fig. 4. Mesh of CFD.
그림 Fig. 5. Erosion rate density [kg/m²s].
그림 Fig. 6. Shape of impeller and dust deflector.
그림 Fig. 7. Erosion rate density [kg/m²s].
표 Table 1. Average value of Erosion rate density [kg/m²s].
그림 Fig. 8. Impeller front view along the length of the dust deflector.
그림 Fig. 9. Erosion rate density [kg/m²s].
그림 Fig. 10. Velocity streamline[m/s] of case 5.
그림 Fig. 11. Total pressure–volume flowrate curve of case 5.
그림 Fig. 12. Efficiency–volume flowrate curve of case 5.
표 Table 2. Average value of Erosion rate density [kg/m²s].

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 전력비 절감을 위하여 요구되는 전압효율이 83% 이상인 풍량 10, 000 m³/min급의 장수명 송풍기(수명이 기존 송풍기 대비 130% 이상)를 개발하기 위하여 송풍기 침식 현상을 조사하고, 수치해석을 통하여 송풍기 성능과 송풍기 침식을 예측하였으며 결과는 다음과 같다.
이에 본 연구에서는 전력비 절감을 위하여 요구되는 전압효율이 83% 이상인 풍량 10, 000 m³/min급의 장수명 송풍기(수명이 기존 송풍기 대비 130% 이상)를 개발하기 위하여 송풍기 침식 현상을 조사하고, 수치해석을 통하여 송풍기 성능과 송풍기 침식을 예측하였다.

가설 설정

된다. 본 해석에서는 송풍기의 재료를 강(steel)로가정하였고, _ = 590 m/s을 사용하였다. 따라서 식 (1)은 다음과 같이 변형된다.

제안 방법

Dust deflector의 길이에 따른 침식해석 및 성능해석을 수행하기 위하여 Fig. 8과 같이 총 5가지로 모델링하여 수치해석을 진행하였다. Dust deflector가 없는 경우를 Case 1으로 하였으며, Dust deflector가 길이가 커짐에 따라 Case 2, Case 3, Case 4, Case 5로 구분하였다.
벽에서 튀어 나오는 입자는 수직복원계수가 1에 가까우며, 벽에 달라붙는 입자(예 물방울)는 수직복원계수가 0이다[10]. 따라서 송풍기로 유입되는 분진으로 인하여 송풍기의 침식현상을 정확히 해석하기 위하여 수직복원계수의 변화에 따른 침식현상을 실제 침식현상과 비교하였다.
6은 임펠러 사이에 Dust deflector를 설치한 형상을 나타낸 것이고, 보스(Boss)는 축과 연결되는 부분이고, 메인 플레이트(Main plate)는 임펠러 (Impeller)와 Dust deflector를 지지하는 부분이다. 수치해석은 2.2.2절과 동일한 운전조건과 해석조건으로 수행하였다.
수치해석은 송풍기의 운전 조건은 요구되는 송풍기 성능 조건과 침식과 관련된 해석조건은 2.2.2절과 동일하게 수행하였다.
전력비 절감을 위하여 요구되는 송풍기 성능은 풍량 16, 200 m³/min, 회전수 880 rpm, 전압 690 mmAq, 전압효율 83% 이상이고, 장수명 송풍기(수명이 기존 송풍기 대비 130% 이상)를 개발하기 위하여 송풍기를 모델링하였다. 수치해석은 송풍기의 운전 조건은 요구되는 송풍기 성능 조건과 침식과 관련된 해석조건은 2.
침식에 강한 장수명 송풍기를 개발하기 위하여 기존 임펠러 사이에 분진을 분산시키는 기능을 하는 Dust deflector가 부착된 모델을 생성하고, Dust deflector가 침식에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 침식해석을 수행하였다. Fig.

데이터처리

4는 격자의 민감도 분석을 통하여 해석에 사용된 격자(mesh)를 나타낸 것이다. 송풍기 해석에 주로 많이 사용되는 검증된 상용코드인 ANSYS CFX 13.0을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 난류모델은 유동의 박리형상 해석에 유용한 전단응력 이송모델(Shear stress transport model)을 사용하였으며, 회전과 정지 도메인의 경계는 Frozon rotor interface를 적용하였다[2].

이론/모형

0을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 난류모델은 유동의 박리형상 해석에 유용한 전단응력 이송모델(Shear stress transport model)을 사용하였으며, 회전과 정지 도메인의 경계는 Frozon rotor interface를 적용하였다[2].
Tabakoff 방정식은 낮은 받음각 (angle of attack)에서 작용하고 다른 하나는 높은 받음각에서 작용하며, 또한 높고 낮은 받음각이 있는 조건에서 충돌이 일어날 때에도 해석이 가능하다. 송풍기의 분진에 의한 침식 모델에서는 낮은 충돌각에 대한 해석이 필요하여 Finnie 모델을 이용하여 해석하였다.
침식모델로는 Finnie 모델을 적용하였다. 계산조건은풍량 16, 200 m³/min, 회전수 893 rpm, 온도 330 ℃이다.

성능/효과

(1) 풍량 16, 200 m³/min, 전압 690 mmAq, 회전수 893rpm, 전압효율 76%, 사용온도 330℃이고, 운전 중 송풍기로 유입되는 분진의 양은 265 kg/min 정도이며, 분진의 비중은 3.15이다. 또한 분진의 입도는 90㎛ ~ 212㎛ 정도이다.
(2) Dust deflector 유·무에 따라 송풍기로의 분진 유입에 따른 침식성능을 나타내는 침식률 밀도는 Dust deflector를 설치한 경우가 임펠러에서는 평균값 167% 감소하였고, 보스에서는 평균값 133% 증가하였다. 따라서 송풍기에 Dust deflector를 설치하고, 보스를 침식에 강한 재질로 변경하고 추가적인 표면처리(Hard facing)를한다면 송풍기로의 분진유입에 따른 송풍기 마모를 줄일 수 있을 것이라 판단된다.
(3) 요구되는 장수명 송풍기 개발을 위하여 Dust deflector의 길이(Dust deflector가 없는 Case 1에서 Dust deflector가 길이에 따라 Case 2, Case 3, Case 4와 길이가 가장 긴 Case 5)에 따라 총 5가지 모델에 대하여 침식 수치해석을 수행하여 침식성능을 나타내는 침식률 밀도는 Impeller는 Case 1에 비하여 Case 2는 106.5%, Case 3는 123.5%, Case 4는 143.2%, Case 5는 150.0% 감소하였으며, Boss는 Case 1에 비하여 Case 2는 105.5%, Case 3는 114.7%, Case 4는 119.0%, Case 5는 119.0% 감소하여, Case 5가 침식성능이 가장 우수한 것으로 나타났다.
(4) 전력비 절감을 위하여 요구되는 성능의 송풍기(전압효율 83% 이상, 풍량 10, 000 m³/min 이상) 개발을 위하여 송풍기 성능해석을 침식성능이 우수한 Case 5에 대하여 수행하였으며, 송풍기 성능은 회전수 880 rpm, 풍량 16, 200 m³/min일 경우 전압 691.7 mmAq와 전압효율 83.3%로 나타났다.
Dust deflector를 설치한 경우 임펠러에서 평균 167% 감소하고, 보스에서는 평균 133% 증가하는 경향으로 나타났다. 따라서 송풍기에 Dust deflector를 설치하고, 보스의 재질을 침식에 강한 재질 사용과 추가적인 표면처리(Hard facing)를 한다면 송풍기로의 분진 유입에 따른 송풍기 마모를 줄일 수 있을 것이라 판단된다.
9는 Dust deflector의 길이에 따른 침식률 밀도를 나타낸 것이고, Table 2는 침식률 밀도의 평균값을 정리한 것이다. Dust deflector의 길이가 증가함에 따라 임펠러와 보스 모두 침식율 밀도는 감소하였다. 임펠러는 Case 1에 비하여 길이가 가장 긴 Case 5는 150.

후속연구

증가하였다. 따라서 송풍기에 Dust deflector를 설치하고, 보스를 침식에 강한 재질로 변경하고 추가적인 표면처리(Hard facing)를한다면 송풍기로의 분진유입에 따른 송풍기 마모를 줄일 수 있을 것이라 판단된다.
나타났다. 따라서 송풍기에 Dust deflector를 설치하고, 보스의 재질을 침식에 강한 재질 사용과 추가적인 표면처리(Hard facing)를 한다면 송풍기로의 분진 유입에 따른 송풍기 마모를 줄일 수 있을 것이라 판단된다. 2.

참고문헌 (10)

Sung-Taek Jeon, Jin-Pyo Cho, "Effect of Pitch Angle and Blade Length on an Axial Flow Fan Performance", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 14, No. 7, pp. 3170-3176, 2013. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2013.14.7.3170

원문보기 상세보기
Jong-Sung Lee, Choon-Man Jang, "Performance Characteristics of the Double-Inlet Centrifugal Blower according to the Shape of an Impeller", Journal of Fluid Machinery, Vol. 17, No. 1, pp. 28-34, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.5293/kfma.2014.17.1.028

원문보기 상세보기
Jeong-Seok Kang, Jin-Taek Kim, Cheol-Hyung Lee, Byung-Joon Baek, "A Study on Three-Dimensional Flow Analysis and Noise Source of Sirocco Fan", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 19, No. 12, pp. 896-902, 2018. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2018.19.12.896

원문보기 상세보기
Ho-Sang Jang, Hawon Lee, Se-Yun Hwang, Jang-Hyun Lee, "Numerical Simulation of Erosion Rate on Pipe Elbow Using Coupled Behavior of Fluid and Particle", Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 31, No 1, pp. 14-21, 2017. DOI: https://doi.org/10.5574/KSOE.2017.31.1.014

원문보기 상세보기
Chul Hee Jo, Jun-Ho Lee, Choon-Man Jang, Su-Jin Heang, "Numerical Study for the Influence of Environment Temperature on Offshore Arctic Pipeline and Impingement Erosion Analysis by using Thermal Flow Simulation", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 39, No. 3 pp. 201-205, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.5916/jkosme.2015.39.3.201

원문보기 상세보기
Jae Ho Paek, llkwang Jang, Yong Hoon Jang, "Performance Evaluation of Wall Blower Nozzle using Erosion Analysis", Tribology and Lubricants, Vol. 34, No. 5, pp. 175-182, 2018. DOI: https://doi.org/10.9725/kts.2018.34.5.175

원문보기 상세보기
Md Rakibuzzaman, Hyoung-Ho Kim, Kyungwuk Kim, Sang-Ho Suh, Kyung Yup Kim, "Numerical Study of Sediment Erosion Analysis in Francis Turbine", Sustainability, Vol. 11, No. 5, pp. 1423-1431, 2019. DOI: https://doi.org/10.3390/su11051423

상세보기
I. Finnie, "Some observations on the erosion of ductile metals", Wear, Vol. 19, No. 1, pp. 81-90, 1972. DOI: https://doi.org/10.1016/0043-1648(72)90444-9

상세보기
G. Grant, W. Tabakoff, "Erosion prediction in turbomachinery resulting from environmental solid particles", Journal of Aircraft, Vol. 12, No. 5, pp. 471-478, 1975. DOI: https://doi.org/10.2514/3.59826

상세보기
ANSYS, Inc., "ANSYS CFX - Solver Modeling Guide Release 13.0", 2010.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

공기흐름 변경으로 임펠러의 수명연장과 전력비 절감을 위한 송풍기 개발을 위한 수치해석
Numerical Analysis for the Development of a Blower to Extend the Life of the Impeller and Reduce Power Costs by Changing the Air Flow 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (14)

표/그림 (14)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

공기흐름 변경으로 임펠러의 수명연장과 전력비 절감을 위한 송풍기 개발을 위한 수치해석 Numerical Analysis for the Development of a Blower to Extend the Life of the Impeller and Reduce Power Costs by Changing the Air Flow 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (14) 모든 표/그림 보기

표/그림 (14) 슬라이드로 보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

박우철 (15)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

공기흐름 변경으로 임펠러의 수명연장과 전력비 절감을 위한 송풍기 개발을 위한 수치해석
Numerical Analysis for the Development of a Blower to Extend the Life of the Impeller and Reduce Power Costs by Changing the Air Flow 원문보기

초록
AI-Helper

표/그림 (14)

표/그림 (14)

AI 본문요약
AI-Helper