Analysis on Performance of Axial Flow Fan for Outdoor Unit of Air-conditioner: Flow Characteristics

ISSN (Print): 1226-9883

에어컨 실외기용 축류홴의 성능에 관한 연구: 유동 특성

김용환^*ㆍ정진환^**ㆍ이장호

Analysis on Performance of Axial Flow Fan for Outdoor Unit of Air-conditioner: Flow Characteristics

Yong-Hwan Kim

, Jinhwan Jeong

, Jang-Ho Lee

Key Words : Axial Fan(축류홴), Fan Performance(홴성능), Flow Characteristic(유동특성)

ABSTRACT

The aerodynamic performance of axial flow fans for outdoor unit of air-conditioner is investigated by numerical and experimental approaches in this study. The pressure drop and volumetric flow rate are compared each other in several different conditions and fan speeds. It is shown that the predicted fan performances are quite well matched with the experimental results.

It is also shown that the curvature of the fan arc and hub height have significant influences on the flow distribution after hub.

By the results of this study, it can be suggested that several ways to improve the aerodynamic performance of the axial flow fan can be found using the numerical analysis.

†

†

1. 서 론

일반적으로 홴은 기계 구조물과 전자제품 그리고 건축물 등에서 열을 방출하거나 환기 등의 목적에 주로 이용되는 것 으로 유체의 유입 및 토출 방향에 따라 크게 축류홴, 원심홴, 횡류홴 등으로 나눌 수 있다. 특히 축류홴은 터널의 송풍시 스템이나 대단위 건물의 환기시스템뿐만 아니라 최근에는 에어컨 실외기 등에도 적극 활용되고 있다.

축류홴과 관련된 연구는 크게 기초적인 유동장 및 소음 해 석, 블레이드 설계, 송풍 성능 최적화 등으로 나눌 수 있으며 특히 고효율 축류홴 개발과 관련된 연구가 매우 활발히 이루 어져왔다. 그러나 실험적 방법으로 홴의 성능을 평가하기 위 해서는 비교적 많은 시간과 비용을 필요로 하는 단점이 있으 며, 특히 내부 유동장을 가시화하여 홴 주위의 유동 특성을 고찰하고 이를 활용해 개선안을 제시하기에는 많은 어려움 이 따른다. 반면 전산유체역학(CFD)은 컴퓨터 성능의 비약 적인 발전과 더불어 최근 홴 주위의 3차원 유동 해석 및 성 능 최적화를 위한 블레이드 설계 등의 연구에 활발히 이용되

* POSCO, Energy Business Department

** 군산대학교 풍력기술연구센터

† 군산대학교 기계자동차공학부

교신저자, E-mail : [email protected]

고 있으며^(1,2), 따라서 ‘고효율 축류홴 개발’을 위한 효과적인 도구로 자리매김하고 있다.

전완호⁽³⁾는 2400 rpm으로 회전하는 축류홴에 대해 날개 팁(tip)과 슈라우드(shroud) 사이의 간극에 따른 유동 특성 을 고찰하였으며, 노준구 등⁽⁴⁾은 스팬(span) 방향에 따른 날 개 전후의 압력차를 수치해석하여 실증용 팬을 제작하고, 이 에 대한 풍량 실험을 병행함으로서 홴의 송풍성능을 최적화 하고자 하였다. 고희환 등⁽⁵⁾은 제연용 대형 축류홴에 대한 연 구를 수행함으로써 블레이드 세팅 각도에 따른 성능변화의 추이를 고찰하였다. 한편, 정동규 등⁽⁶⁾은 송풍기의 유량 및 회전수 변화에 따른 효율, 송출압력 및 소요 동력을 예측하 고, 송풍기의 회전익 및 고정익의 블레이드 시위길이와 개수 가 서로 달리 설계된 여러 가지 홴의 성능특성을 비교 연구 하였다.

본 논문에서는 ‘고효율 축류홴 개발’을 위한 노력의 일환 으로 에어컨 실외기용 축류홴의 송풍성능을 분석하고 최적 의 설계안을 제시하고자 하였다. 이를 위해 본 연구에서는 먼저 서로 다른 홴 형상에 대한 유동해석을 수행함으로써 홴의 송풍 성능을 분석하고 이를 실험결과와 비교함으로써 수치해석 결과의 신뢰성을 검증하였다. 또한 다양한 운전조 건 및 회전수에서 각 홴의 유동 특성을 고찰함으로써 홴 성 능을 결정하는 주요 설계인자를 규명하고, 대용량 실외기에

①

②

③ ④

⑤

⑦ ⑧

⑥

⑨

1 Inflow 2 Static Pressure Tap 3 Static Pressure Chamber 4 Screen 5 Static Pressure Tap (∆) 6 Nozzle & Nozzle Plate 7 Damper 8 Sub Blower 9 Outflow

Fig. 2 Sketch of experimental setup for fan performance analysis Fig. 1 Two types of axial flow fan: Fan A (left) and Fan B (right)

Specification Fan A Fan B

Outter diameter [mm] 700 745

Hub diameter [mm] 210 225

Chord length [mm] 460 467.41

Blade inlet angle [°] 27.2 62.08

Blade outlet angle [°] 33.56 49.51

Table 1 Specification of the tested fan

Case Fan diameter (mm)

Rotational speed

(rpm) Analysis

Fan A 700

204 Exp. & Comp.

560 Exp.

700 Exp. & Comp.

Fan B 745

204 Exp. & Comp.

560 Exp.

700 Exp. & Comp.

Dual Fan A 540 835 Comp.

Dual Fan B 540 1005 Comp.

Table 2 Details of test cases 기준 회전수가 700 rpm이고 10 mmAq의 부하시 설계점에서 3. 성능실험

축류홴의 송풍성능 측정은 Fig. 2와 같은 풍동실험(wind tunnel test) 장치에서 수행하였다, 풍량해석은 두 가지 홴 의 단일 배열과 이중 배열에 따라 각각 진행하였으며, 성능 해석을 위해 사용된 각 홴의 운전조건은 Table 2에 보다 자

Fig. 3 Experimental apparatus for fan performance analysis

Fig. 4 Computational domain for fan performance analysis

Fig. 5 Grid distributions in the whole computational domain (top) and on the fan surface (bottom)

세히 나타내었다.

실험에 사용된 풍동장치는 KS B 6311규격⁽⁷⁾에 의거하여 제작된 장비로써 정압실과 유입된 공기의 유동을 안정시키 는 스크린 (screen), 차압을 이용하여 유량을 측정할 수 있는 노즐(nozzle), 댐퍼(damper) 등으로 구성되어 있으며, 최소 4 m³/min에서 최대 80 m³/min까지 측정이 가능한 멀티 노 즐형식의 장비이다. 또한 노즐은 7개의 멀티 노즐로 구성되 어 있으며 각 노즐의 직경에 따른 유효 측정 범위는 1 m³/ min∼32 m³/min이다.

Fig. 3은 실제 풍동실험 장치에 홴 실외기 장비를 고정시 킨 외형을 나타낸 것으로 홴은 원통형 쉴드로 둘러싸여 있으 며, 커플링을 통하여 토크미터와 모터가 연결된 형태이다.

홴 고정 지그(zig)는 홴의 회전수를 가변하기 위한 3상교류 전동기와 인버터로 구성되어 있다. 또한 본 시스템의 구성상 인가 전력 측정은 인버터나 모터 효율이 고려되므로 토크미 터를 연결하여 실제로 투입된 전력을 측정하도록 하였다.

4. 전산해석

본 연구에서는 상용 소프트웨어인 SC/Tetra를 이용해 축류 홴 주위의 삼차원 비압축성 난류 유동장을 전산해석 하였으며 이를 바탕으로 입/출구에서의 정압차와 유량을 도출하였다.

SC/Tetra는 범용 열ㆍ유체 해석 프로그램으로 지배방정식 을 유한 체적법(finite volume method, FVM)을 사용해 이 산화한다. 또한 형상이 복잡한 경우에도 몇 가지 설정만으 로 쉽게 격자를 구성할 수 있는 장점이 있어 널리 이용되고 있다.

단일 홴의 성능평가를 위한 계산영역은 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 직경이 1 m이고 길이가 11 m인 원통형의 덕트로 구성되어 있으며, 크게 축류홴을 포함하고 있는 내부 회전 영역과 외부 정지 영역으로 구성되어 있다. 본 연구에서 고 려한 두 가지 홴은 외부직경 및 길이가 다소 다르므로 회전 영역의 직경 D1 및 축방향 길이 L1은 A 홴의 성능해석 시 각

각 0.704 m와 0.229 m로 두었고, B 홴의 경우 각각 0.75 m 와 0.313 m로 지정하였다. 한편 입구에서 회전 영역까지의 거리는 두 홴 모두 0.7 m로 동일하게 설정하였다.

전산해석은 계산시간의 단축을 위해 먼저 1회전에 대한 정 상상태 해석을 수행하고, 이후 3회전은 비정상상태 해석을 수행하였다. 유동해석을 위한 난류모델로는 MP

k

ε

유동해석을 위한 경계조건으로는 입구영역에 고정 압력으 로 0pa의 값을 지정하였고, 출구 영역의 압력을 0pa부터 증 가시키며 유량을 도출하였다. 덕트면은 속도가 0인 정지벽 으로 지정하였으며, 축류홴 표면에는 주어진 운전조건에 따른 rpm 값을 입력하여 회전하는 벽으로 처리하였다. 또한 회전 영역과 정지영역 사이의 경계면은 불연속격자(discontinuous mesh) 기법을 이용해 처리하였으며 경계조건은 격자의 회전 속도가 회전영역의 속도와 동일하게 움직이는 조건으로 “mesh velocity is equal to wall velocity”를 지정하였다.

격자계의 구성은 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 주요 유동 영 역 및 홴 표면에 밀집된 형태이며 사면체(tetra) 격자와 벽면 에서의 prism 격자가 적절히 혼용된 형태의 비정렬 격자 (unstructured mesh)로 이루어져있다. 각각의 해석조건에 따른 시간간격, 격자 크기 및 전체 격자 수는 Table 3에 보

Dual Fan

A 835 0.000332 4,985,785 0.00076904∼0.3975

Dual Fan

B 1005 0.000332 4,857,593 0.0076904∼0.3975

Fig. 6 Performance curves of the single fan rotating at 204 rpm (top) and 700 rpm (bottom)

다 자세히 나타내었다.

5. 결과 및 고찰

5.1. 단일 홴의 송풍 성능

본 연구에서는 먼저 수치해석 결과의 타당성을 검증하기 위해 각각의 홴에서 부하조건(정압상승)에 따른 토출 유량의 변화를 수치해석 결과와 실험 결과를 토대로 비교해보았다.

측하고 있는 것으로 판단된다. 따라서 실험이 진행되지 않은 압력 범위에서 수행된 전산해석 결과와 이후 살펴볼 듀얼 홴 의 해석결과도 충분히 신뢰할 수 있을 것으로 사료된다.

한편, 동일한 회전수에서 A 홴과 B 홴의 송풍성능을 비교 한 결과 (Fig. 6 참고), A 홴과 B 홴의 유량이 다소 차이가 나는 것으로 나타났으며 이러한 토출유량의 차이는 회전수 가 증가할수록 더욱 두드러지는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 700 rpm으로 회전하는 경우 동일한 부하조건(정압=150 Pa) 에서 A 홴의 토출유량은 약 35 m³/min인 반면, B 홴의 토출 유량은 약 60 m³/min인 것으로 나타났다. 동일한 운전조건 에서 A 홴과 B 홴의 유량 차이는 홴의 형상 차이에서 기인하 는 것으로 판단되며 따라서 각 홴의 주요 유동특성을 다음 절에서 보다 자세히 고찰하였다.

5.2. 유동 특성

홴 형상의 변화에 따른 송풍성능의 차이는 크게 A 홴과 B 홴의 외부 직경 차이에 의한 효과와 유동장, 특히 홴 주위의 속도분포의 변화에 의한 효과로 예측된다. 따라서 본 연구에 서는 먼저 직경 차이에 의한 효과를 상사적 접근방법을 이용 해 살펴보았다. 토출 유량과 홴 직경 및 회전수의 관계식은 다음과 같다.

_^

_

 _^

_

(1)

_

_

 _

_

(2)

여기서

Q, D, N

한편, 홴 형상의 변화에 따른 유동장의 변화를 살펴보기 위해 204 rpm으로 회전하는 경우 홴 주위의 속도분포에 대 한 전산해석 결과를 Fig. 7에 나타내었다. A 홴과 B 홴 모두 블레이드 팁(tip) 부근의 속도가 가장 높은 것을 확인할 수

Fig. 7 Comparison of velocity vector distribution in around the single fan rotating at 204 rpm: Fan A (top) and Fan B (bottom)

Fig. 8 Comparison of velocity magnitude at downstream of the fan rotating at 204 rpm: Fan A (top) and Fan B (bottom)

있으며, A 홴의 경우 후류에서의 속도 분포가 주로 블레이드 팁 부분에 집중되어 있는 데 반해, B 홴의 경우에는 홴 허브 (hub) 부분의 속도 분포가 A 홴에 비해 다소 높은 것으로 나 타났다. 이러한 결과는 블레이드의 곡률과 홴 허브의 형상 차이에 의한 것으로, 특히 블레이드 팁 부근에서의 속도 분 포 차이는 홴 곡률의 차이에서 기인하는 것으로 판단되며, 홴 허브 부근의 속도 분포 차이는 허브 높이와 밀접한 관련 이 있는 것으로 사료된다. 즉, B 홴의 허브 높이는 A 홴에 비 해 약 절반 정도이므로 원심력에 의한 추가적인 유동 발달이 B 홴의 허브 부분에서 더욱 두드러지는 것으로 보인다.

Fig. 8은 허브 면으로부터 축방향으로 0.1 m 떨어진 지점 에서의 유속 분포에 대한 전산해석 결과를 나타낸 것으로, 앞서 언급한 블레이드 곡률 및 허브 형상의 차이에 의해 B홴 의 경우 A 홴에 비해 비교적 강한 형태의 속도분포가 홴후류 영역에서 형성되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 동일한 운 전조건에서 B 홴의 토출 유량이 A 홴에 비해 다소 증가하는 것으로 나타났다 (Fig. 6 참조). 한편, 블레이드의 곡률 차이 에 의한 효과는 홴 후류 영역에서 속도분포의 균일성과도 밀 접한 관련이 있는 것으로 판단되며, 홴의 열전달 성능 최적

화를 위해서는 블레이드 설계와 홴 허브 설계에 관한 추가적 인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

5.3. 듀얼 홴의 송풍 성능

앞 절에서 살펴본 단일 홴의 송풍 성능과 더불어, 본 연구 에서는 대용량 실외기에 적합한 듀얼 홴의 송풍 성능에 대해 서도 고찰해보았다. 듀얼 홴은 Fig. 9에 도시한 바와 같이 동일한 형상 및 제원의 단일 홴 두 개가 병렬로 배치된 형태 로 20 HP 급 단위 실외기(1200×765) mm²에 적합하도록 설 계하기 위해 A 홴과 B 홴 모두 직경을 540 mm로 두고 두 팬 사이의 간격은 80 mm로 설정하였으며 홴의 회전속도는 성능 8% 향상된 조건으로 식(1)과 식(2)의 관계식으로 A홴은 835RPM, B홴은 1005RPM으로 변경 해석 하였다. 듀얼 홴 의 성능해석을 위한 계산 영역은 1.2 m × 0.765 m × 11 m 인 사각 덕트로 두었으며 경계조건 및 전산해석 기법 등은 단일 홴과 동일하게 설정하였다.

Fig. 9는 듀얼 홴 주위의 속도분포에 대한 전산해석 결과 를 나타낸 것으로 단일 홴과 유사한 속도 분포를 보이고 있 다. 또한 두 홴의 병렬 배치로 인한 속도성분의 간섭현상은 홴 중심으로부터 약 2/3 직경 정도 떨어진 후류 영역에서 비 교적 강한 것으로 나타났으며 이러한 간섭현상은 팬 사이의 간격이 좁을수록 보다 커질 것으로 예상된다.

Fig. 10은 전산해석 결과를 바탕으로 얻은 듀얼 홴의

P

Q

Fig. 9 Velocity vector distribution in around the dual fan: Fan A (top) and Fan B (bottom)

Fig. 10 Performance curves of dual fan

은 A 홴과 B 홴 각각 94.8 m³/min 및 130.2 m³/min인 것으 로 나타났다. 듀얼 홴의 설계유량이 단일 홴의 설계 유량에 비해 8% 높은 86.4 m³/min인 경우, 기준 유량을 만족하기 위한 홴의 회전속도는 식 (3)에서 구할 수 있으며 각각 761 rpm과 667 rpm으로 예측되었다. 즉, 동일한 설계 유량인 경 우 B 홴의 회전속도가 A 홴에 비해 다소 낮으며 이러한 결과 는 단일 홴의 전산해석 결과에서 살펴본 바와도 일치한다.

6. 결 론

본 연구에서는 에어컨 실외기에 적용되는 축류홴의 송풍 성능 및 유동 특성을 다양한 운전조건 및 설계안에 대해 수 치적/실험적 방법으로 고찰하였다. 본 연구의 결과를 요약하

홴과 B 홴에 대해 비교한 결과, 동일한 운전조건에서 B 홴의 토출유량이 A 홴에 비해 다소 높은 것으로 나타났 으며, 이러한 경향은 전산해석 결과와 실험 결과에서 모두 확인할 수 있었다.

3) 홴 주위의 유동장에 대한 전산해석 결과, 홴 후류 영역 의 속도 분포는 블레이드의 곡률 및 홴 허브의 형상과 밀접한 관련이 있음을 확인하였다.

4) 고효율 홴 설계를 위해서는 홴 형상의 최적화에 대한 연구가 추가적으로 수행되어야 할 것으로 판단되며, 특히 블레이드의 곡률 및 홴 허브의 형상에 따른 유동 특성에 대한 연구가 추가로 필요할 것으로 사료된다.

후 기

본 논문은 지식경제부 신재생에너지 원천기술센터 기술개 발사업(2009T1001100576)과 에너지ㆍ자원기술개발 중대형 사업(2006-E-CM11-P-04-0-000) 그리고, 교육과학기술 부(한국산업기술진흥원)의 지역혁신인력양성사업의 지원으 로 수행된 연구 결과입니다.

참고문헌

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(5) 고희환, 정철영, 박덕용, 이봉수, 권오용, 2009, “블레이드 피치각 변화에 따른 송풍기 성능 변화 연구,” 2009 유체 기계 연구개발 발표회 논문집, pp. 461∼464.

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