http://dx.doi.org/10.7839/ksfc.2021.18.1.001
4톤급 지게차 냉각홴 소음 저감에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Noise Reduction of Cooling Fans for Four-ton Forklift Machines
최대식
1․김석우
1․염태영
1․이승배
2*Daesik Choi
1, Seokwoo Kim
1, Taeyoung Yeom
1and Seungbae Lee
2*Received: 22 Dec. 2020, Accepted: 06 Jan. 2021
Key Words：Airfoil(익형), Boundary Element Method(경계요소법), Dipole Source(이극자 음원), Axial-flow Fan (축류홴), Blade Passing Frequency(날개통과주파수), Sound Power Level(음향파워레벨)
Abstract: This paper presents research on methods for the reduction of forklifts’ noise level for the increased comfort and safety of its operator. A cooling fan with a high air volume flow rate installed in the forklift acts as an important design parameter which efficiently cools the heat exchanger system, helping to transfer internal heat from the engine room to the outdoors with both transmitted and diffracted opening noises. The cooling fan contributes significantly to both the forklift’s emitted sound power and the operator room’s noise level, thereby necessitating research on the forklift's reduction of acoustic power level and transmission. A noise analysis for various fan models with a biomimetic design based on eagle-wing geometry was conducted. In addition to the acoustic power generation, the aerodynamic performance of the cooling blade is also strongly influenced by the design of airfoil distribution, thereby requiring optimization. The cooling fans were fabricated and installed in the forklift in order to check the efficacy of the forklift engine’s cooling, and the final version of the fan was measured for its ability to lower acoustic power level and cool the engine room. This study explains the aerodynamic and acoustic features of the designed fans with the use of BEM analysis and forklift test results.
* Corresponding author: [email protected]
1 Department of Construction Machinery Engineering, Inha University, Incheon 22212, Korea
2* Department of Mechanical Engineering, Inha University, Incheon 22212, Korea
Copyright Ⓒ 2021, KSFC
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기호 설명
: Sound power level
: Average of the time-averaged A-weighted sound pressure level in he measurement plane
: Time-averaged, A-weighted sound pressure level of the i-th microphone
: Background noise correction
: Environmental correction
1. 서 론
세계적으로 환경규제가 강화되는 추세에 따라 건 설장비 및 산업 차량에 대한 소음 및 진동에 대한 규 제도 한층 엄격해 지고 있다. 특히, 유럽 국가들은 해마다 외부 음향파워레벨 수준 뿐만 아니라 허용 운전자소음 기준을 낮추고 있으며, 이를 만족하지 못 하는 건설 및 산업용 장비업체는 판매경쟁력 저하의 어려움을 겪게 된다. 반면 저소음 산업 차량은 그 수 준의 정도에 따라 상대적으로 고가의 상품으로 대우 를 받게 되므로 저소음화는 단순히 소음 규제의 만 족뿐만 아니라 글로벌 제품으로 돋보이는 중요한 요 소라고 할 수 있다. 건설장비 중 전천후 작업에 유리 하여 널리 보급된 캐빈 장착용 지게차는 엔진 및 유
압계가 캐빈 하단 그리고 냉각홴은 캐빈 후면에 위 치하고 있다. 엔진 및 냉각홴 소음은 외부로 충분히 빠져나가지 못하고 높은 파워가 캐빈 내부로 반사되 어 다시 실내 소음 수준이 높아지는 경향이 크다. 따 라서 캐빈 내부의 소음을 줄이기 위해서 엔진룸 내 소음원에 대한 음향파워레벨 저감 연구가 필수적이 다.1)
지게차에 주요 소음은 냉각홴에 의한 압력 맥동 혹은 유체 섭동에 의한 유동기인 소음 (fluid-borne noise), 엔진 진동이 지배적인 구조기인 소음 (structure-borne noise), 그리고 공기 매질을 통한 음향 전파의 공기전달소음 (air-borne noise) 세 가지로 분 류할 수가 있다.2) 본 연구에서는 압력 섭동에 의한 유동기인 소음원인 냉각홴 소음저감을 하고자 자연 모사 홴날개 설계와 전산음향해석 및 실험을 통해 소음특성을 분석하며, 이의 저감에 대해 고찰해 보고 자 한다.
2. 엔진룸 전산음향해석 및 실험
1. 독수리익형 홴날개의 설계
본 연구에 사용된 H건설기계사에서 제공한 냉각홴 모델 (a)는 날개 갯수가 7개이며, 직경 D=500mm인 축류홴으로서 엔진 정격회전수 1,900rpm 에서 설계 점은 정압 20mmAq로 정해졌으며 이때 유량은 8,200CMH를 나타낸다. 본 연구에서는 냉각홴의 기본 적인 비직경, 비속도 등 설계변수 값을 변경하여 유 량 성능과 소음 개선이 되는 단계별로 대표적 4개 모델을 제시하며, Fig. 1에서는 냉각홴 모델 (b)부터 (e)순서로 개발된 형상이 나타나 있다.
(a) (b) (c) (d) (e)
Fig. 1 Fan models for comparison of aerodynamic performance sound power level
Fig. 2는 익형 측면에서 설계변수를 정의한 개략도 이며, 여기서 캠버각 는 Arc 형태 날개의 경우
이며, 코드는 날개 전단에서 후단까지의 길이이고, 설치각 는 축방향과 코드선 사이의 각도, 그리고 는 날개 사이의 피치 간격이다. 만일 공기 가 이라는 각도로 의 속도 (익렬에서는 절대속
Fig. 2 Schematics of airfoil cascade and design parameters3)
도 상대속도 )로 들어오면 입구영각 혹은 입사각 는 가 되며, 출구 이탈각 는
로 나타내며, 공기휨각 은 가 된다.
효율적인 공력 발생을 목적으로 NACA, Gὅttingen, M-6, M-12, C4 등 다양한 형태의 날개 단면들이 제 공된다. 본 연구에서는 독수리 날개 익형4)을 적용한 냉각홴 모델을 개발하였으며, 전산유체역학 해석을 통해 독수리 날개 익형의 입구 영각 변화에 따라 날 개에 발생하는 양력계수, 압력계수 그리고 와도 (Vorticity) 등을 고려하여 날개분포를 설계하였다.
Arc 형태의 에어포일로 설계된 냉각홴 모델 (a)는 날개 허브에서 끝단까지 51.9˚에서 29.7˚의 설치각 분 포를 가지며, 날개 단면 코드 중심 각도가 날개 회전 방향으로 반경의 증가에 따라 증가하든지 (+스윕) 혹 은 감소하는 (-스윕) 정도를 나타내는 날개스윕각은 없는 대칭 형태이다. 모델 (b)는 NACA 캠버의 에어 포일 약 2%의 최대날개 두께를 가지며, 날개 허브에 서 끝단까지 45.0˚에서 26.0˚의 설치각 분포 그리고 30˚의 스윕각을 갖는다. 모델 (c)는 날개 허브에서 끝 단까지 날개 두께분포는 11.8~2.9%이고 설치각은 46.3˚에서 28.7˚의 분포 그리고 30˚의 스윕각을 갖는다.
모델 (d)부터 독수리 날개 기반 캠버익형으로 날개 허 브에서 끝단까지 날개 최대두께는 3.58~ 1.35%의 분 포, 그리고 설치각은 46.3˚에서 28.7˚의 분포 그리고 0
˚~30˚의 전진-후진-전진의 스윕각을 갖는다. 이는 열교 환기 중 공기 냉각기 범위 안에 유량이 보내지도록 허브, 중간 그리고 끝단에서의 날개표면 곡률반경 제 어를 위해 스윕각을 ∙ sin 의
Fig. 3 Typical airfoil section based on eagle wing
분포를 갖도록 설계하였다. 여기서 은 날개 허브에 서 날개 끝단까지의 거리를 0부터 1까지 무차원한거 리이다. Fig. 3에서는 모델 (d)와 (e) 설계에서 사용된 독수리 익형이 나타나 있다. 냉각홴 모델 (e)는 익렬 날개 끝단에 링형태를 부착한 형상으로 공력에 의해 발생하는 변형 감소 및 날개 후단의 강도를 극대화 한 모델이다.
다양한 소음원 스케일링 방법5)을 홴소음에 적용하 면, 이산소음 및 광대역 소음특성을 나타내는 날개 후단에 의한 소음은 홴소음의 지배적 소음원임을 알 수가 있다.6) 본 연구에서는 냉각홴 형상 변화에 따른 음향파워레벨을 비교하여 축류형 홴소음 특성을 비 교하였다.
2. 엔진룸 방사소음 특성
화물을 싣거나 내리기 위해 포크를 자체 전면에 배치한 지게차는 내연기관이 대부분이지만 최근에는 배터리방식, 전기/엔진12) 겸용방식 그리고 수소전지 방식 등 다양한 방식으로 개발하는 추세이다.7)
본 연구에서는 내연기관방식 엔진룸으로 구성된 4톤 급 지게차 엔진룸 내 소음원으로 인해 방사된 소음 분 포를 분석하기 위해 Fig. 4와 같이 엔진룸과 엔진, 냉 각홴을 모델링하였다. 지게차 엔진룸 및 내부음장 해 석을 위해 상용 프로그램인 SIEMENS사의 Simcenter를 사용하였으며, 이를 바탕으로 삼차원 음향 BEM (Boundary Element Method) 해석을 수행하였다. 굴곡이 많은 모델의 형상을 고려하여 격자 크기는 엔진룸의 경우 40mm, 엔진 및 홴 근처는 10mm로 설정하였으며, 음향 격자와 마이크로폰 표면 격자는 총 125,542개로 설정하여 홴의 BPF (Blade Passage Frequency)와 조화 (Harmonic) 주파수에서 소음해석을 수행하였다. 엔진룸 내 주소음원은 크게 냉각홴 모듈에서 발생하는 공력소 음과 엔진에서 발생하는 진동소음 그리고 유체소음과
Fig. 4 3D CAD modeling of forklift engine room frame
26.9
32.7 29.6
24.7
31.7 25.3 28.8
Fig. 5 Acoustic analysis of noise radiation pattern from noise sources by forklift cooling fan model (a) dipole model and engine monopole model in engine room at BPF of 208Hz
29.9 23.9 27.9
25.3 31.9
29.0
22.6
Fig. 6 Acoustic analysis of noise radiation pattern from noise sources by forklift cooling fan (e) dipole model and engine monopole model in engine room at BPF of 208Hz
진동 소음이 혼합된 유압펌프 소음 등이 있다. 본 해 석에서 엔진룸내 지배적 소음원으로 엔진 진동 소음원 은 모든 방향에서 같은 소리를 발산하는 단극자 (Monopole)로 가정하였으며, 냉각홴은 두 개에 단극자 로 위상이 반대인 이극자 (Dipole) 음원으로 설정하여 주요 소음원에 대한 엔진룸 내 음장을 확인하였다. 기 본 냉각홴모델 (a)에 BPF 주파수에서의 내부음장 해석 결과는 Fig. 5와 6과 같으며, 레벨 결과는 RMS 값의 A-가중 음향 레벨을 사용하여 나타내었다. 전산음향해 석 결과를 통해 냉각홴 설치 위치에서 위상이 180˚로 방사되는 이산소음 특성이 잘 나타나며, 엔진룸 각 면 위에서 소음이 집중되는 위치와 그 소음의 크기를 알 수 있다. 또한, 소음의 크기를 비교하면 냉각홴 (e)를 장착 시 냉각홴 (a)에 비해 엔진룸 내 전체 소음이 평 균 1.3dBA 저감된다. 또한 지게차 캐빈 내의 방사 소 음이 집중되는 운전석 뒤쪽에 추가적인 내장재를 장착 한다면 지게차 운전석에서의 체감 소음 크기는 저감될 수 있다.
상기 엔진룸 방사 소음에서 수음자 (Receiver) 또는 운전자 위치에 기여하는 엔진룸 주소음원은 냉각홴 과 엔진 진동으로 인한 소음이며, 저주파수 대역에서 방사된 소음은 운전석 하부 및 주위로 나가게 된다.
즉, 냉각홴의 BPF와 1st 조화주파수 소음 성분 (1st harmonic)은 주로 Opening이 아닌 엔진룸 케이싱을 그대로 통과하는 저주파수대 소음특성을 나타내는 반면, 2nd 이상의 조화주파수 소음 성분 (2nd harmonic)은 Kirchhoff 회절 현상의 경계조건을 만족 하며 Opening Hole을 통해 주로 방출되는 것을 Fig. 7 에서 확인할 수 있다.8) 또한, 냉각홴에 의한 이산소 음은 전면, 하부보다 운전석 뒷면을 투과하여 운전자 에게 도달함을 알 수 있다.
3. 냉각홴 모듈 소음실험
홴 소음실험 환경은 컷오프 하한 주파수 (cut-off frequency)가 200Hz이고 쐐기형 흡음재(200×200
×420mm)가 설치된 유효크기 3600×3600×2000mm 및 암 소음 레벨이 20dBA를 유지하는 밀폐형 반무향실이다.
실험 세트는 마이크로폰 (GRAS 46AE 1/2″CCP Free-Field Response Microphone, Uncertainty ± dB) 과 FFT 분석장치(USB-4431, NI)이며, Fig. 8에서와같이 냉각홴 모듈을 중앙에 설치 후 총 10개 점에서의 스펙 트럼과 방사 소음을 측정하였다. 음향파워측정 규격은 ISO 3741, 3744, 3745, 3746, 9614-2등 반구 및 박스 형 태에 따라 차이가 있으며, 본 연구에서는 홴소음 측정
BPF
2ndHarmonic
20.6
24.2
29.0 33.2
41.1
44.0 48.0
48.4
60.7
56.0
Fig. 7 Acoustic analysis of noise radiation pattern from noise sources of forklift cooling fan model (e) at BPF and 2nd harmonic frequencies with monopole model for engine
Fig. 8 Hemisphere measurement set-up for forklift cooling fan module
인 측정시험의 국내 대표적 규격KS B 6311 (송풍기 시험 및 검사 방법) 시험 규격에 따라 반지름이 1m인 반구형상 지그를 제작하였으며, 반구 표면에 마이크로 폰을 설치하였다. 본 연구에서 설계된 홴들의 날개 수 는 7개로 설계되었으며, 기본 회전수를 1785rpm이므로 이때의 BPF는 208Hz (=1785×7÷60)이다. 상기 지그에서 측정된 소음 레벨들은 식(1)로부터 A-가중 음향파워레
벨 을 계산한다.9)
log
(1)
log
(2)
상기 실험 조건에서의 냉각홴 기본 모델 (a)의 음 향파워레벨은 Fig. 9에 나타난 것과 같이 회전수 N=1,800(~103.25)rpm에서 95.1dBA이며, 모델 (e)는 91.4dBA로 3.7dBA의 저감을 나타낸다. 그러나 해당 냉각홴의 공력 성능이 다르므로 동일한 유량 8,800CMH으로 환산하여 비교한 결과는 Table 1에 요 약되어 있으며, KOLAS 압력 분야의 CMC (Calibration and Measurement Capabilities)에 따라 측정 불확도는 0.05% 이하이다. 유량이 가장 많은 모델은 (c)로서 설계 목표값 이상이지만 음향파워레벨 소음 이 높고 냉각홴 허브 부분의 피로 수명 문제로 추가 개선이 필요하다.
Table 1 Comparison of sound power level for each cooling fan model
Model Max. Quantity ()[CMH]
RPM ( )
Sound Power Level at 8,800CMH
() a 9,386 1,785 93.3 b 10,214 1,785 87.8 c 11,599 1,785 89.9 d 10,078 1,789 86.6 e 10,482 1,790 86.2
냉각홴 모델 (a)는 Arc 형태 에어포일로부터 유동 박리가 발생하면서 날개 이탈각이 커지고 결국 양력 이 떨어지는 반면, 독수리익형은 높은 캠버각으로 유 동 박리가 상류에서 발생하더라도 결국 난류 유동이 되어 와동이 날개 근처에 부착되면서 양력이 유지된 다. 또한, 유동 박리로 인한 강제 천이에 의한 난류 유동의 광대역 소음은 일반 익형의 유동 박리로 인 해 날개로부터 떨어지는 와동에 의한 광대역 소음보 다 낮아진다.10) 또한 모델 (e)는 독수리 익형 모델 (d) 와 링을 결합한 형태로서 날개 후단 떨림이 저하되 었고, 동일 유량 대비 가장 낮은 음향파워레벨을 나 타낸다. 따라서 모델 (e)를 실차에 장착하여 4톤급 지 게차의 음향파워레벨을 측정하였다.
Fig. 9 Comparison of sound power levels vs.
rpms by cooling fan models measured in semi-anechoic room
Fig. 10 Comparison of fan performances for fan models (a) and (e)
Fig. 11 Comparison of total efficiencies for fan models (a) and (e)
4. 지게차 음향 파워 레벨 실험
건설기계의 소음 측정은 KS I ISO 6395 (토공기 계-음향파워레벨의 측정-동적 시험조건) 시험 규격에 의거하여 진행한다. 상기 규격에 기반하여 선택한 건 설기계부품연구원 종합시험센터 측정장소 지표면은 콘크리트 상태이며 지게차 중심에서 주변 30m 내 음 반사가 없는 평지이다. Fig. 12에서 보는 바와 같이 마이크로폰 측정 위치는 반구면상의 6개 지점이며, 측정 구면의 반지름은 장비의 길이 ()를 고려하여 10m로 규정된다. 이러한 측정조건을 만족하며 수행 된 음압레벨 측정은 지게차 운행모드 기준에 따라 이루어진다. 음향파워 개선 전/후의 성능 비교를 위 해 기존 시판 차량과 최종 개선품이 장착된 차량에 대해서 Lift모드, Idle모드, Drive모드로 변경하며, 각 모드별 계측된 평균 음압레벨 중 최고값을 기록한다:
Ⅰ. Lift 모드13): 포크를 지면에서 표준인양 높이까 지 상승시키고 70% 하중을 적용(인양 시 하중물로 인한 소음 발생이 없도록 조치)
Fig. 12 Hemispherical measurement locations on imaginary surface for forklift model11)
Fig. 13 Comparisons of sound power for forklift equipped with fan models (a) and (e) levels measured according to KS I ISO 6395
Ⅱ. Idle 모드: 기어 중립의 정지상태, 엔진 최저 RPM에서 하중은 무부하 상태
Ⅲ. Drive 모드: 엔진 최고 RPM으로 전진하며 주 행로의 측정 반구 내에서 계측 수행 또는 차축 인양 후, 엔진 최고 RPM 상태.
냉각홴 모델 (a)와 (e)를 장착한 지게차에 대하여 측정된 음향파워레벨 비교 결과는 Fig. 13에 나타나 있으며 앞서 설명한 식(1)에 포함된 배경 () 및 환경 () 소음을 반영한 수치이다.
각 모드 중 Drive 모드일 때 엔진 rpm의 증가로 음 향파워레벨이 가장 높으며, 이때에도 약 0.3dBA의 소 음 개선을 확인할 수가 있다. 또한, Idle 모드에서는 약 0.5dBA 그리고 Lift 모드에서는 약 0.9dBA 소음저 감 효과를 보여 각 모드를 평균하면 0.6dBA
(
)이다. 지게차 엔진룸 방사 소음은 콘크리트 바닥에서 반사하므로 높이 1.5m인 1~4위치 의 마이크로폰 측정에서 음압레벨이 상대적으로 높 게 나타나는 경향이 있다. 지게차 기준 우측면이 평 균적으로 1.5dBA 높은 이유는 엔진 위치가 차량 우측 에 위치해 있기 때문이다. 지게차 음향파워레벨은 Drive > Lift > Idle 순으로 엔진 및 냉각홴 RPM이 높 아질수록 증가하며, Lift 모드의 경우 하중물 인양 시 인위적인 조작으로 구조기인 소음이 추가로 발생한 다. 전체 지게차 음향파워레벨 및 외부평가소음 저감 에 대한 저소음 냉각홴의 기여는 상대적으로 높은 엔진 부밍 소음 레벨에 의해 제한적이나, 본 연구의 목적인 운전자 기준 청감 소음 레벨 저감에는 큰 기 여를 한 바 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 블레이드에 생체 모방 설계를 적용 하여 설계한 다양한 유형의 냉각홴에 대하여 실험적 고찰을 하였으며 이에 대한 결과를 요약하면 다음과 같다:
(1) 독수리 기반 캠버익형의 에어포일 날개를 적용 한 냉각홴 설계의 경우, 비슷한 설치각에도 불구하고 날개 위 유동 박리로 인한 날개 후류 두께가 작아지 기 때문에 소음이 감소하는 경향을 보인다. 또한, 냉 각홴 최종 모델 (e)는 링 형태로 날개 팁 유동이 구 속되면서 날개팁 근처에서 회전하는 와동이 줄어들 면서 음향파워레벨값이 저감된 것으로 판단된다.
(2) 냉각홴 모델 (d)와 (e)는 지게차 냉각효율을 높 이기 위해 열교환기 중심으로 냉각 유량을 보내지도 록 날개 허브, 중간, 끝단의 곡률반경이 달라지는 스 윕각 분포를 적용하였다. 한국기계전기전자시험연구 원 공인인증시험을 통해 음향파워레벨 측정 시 냉각 홴 모델 (e)는 8,800CMH 에서 최종 7.1dBA 저감이 있었다. 또한, 냉각홴 모델 (e)는 모델 (a)에 비해 정 격회전수 및 설계점에서 풍량은 8,400에서 9,480CMH 로 12.9% 상승하였으며 (Fig. 10 참조), 홴전압효율은 48.9에서 55.9%로 14.3% 상승하였다(Fig. 11 참조).
(3) 전산음향해석을 통해 날개 통과 및 1차 조화주 파수에서 엔진룸 내 축류형 이산소음 특성을 확인하 였으며, 냉각홴 모델 (e)의 해석결과는 모델 (a)에 비 해 냉각홴 음향파워레벨 저하로 Fig.5와 6에 나타난 수치를 비교하면 엔진룸 내 방사 소음 평균이 1.3dBA
줄어든 것을 확인할 수 있다.
(4) 냉각홴 모델 (a)와 (e)를 실차에 장착하여 건설 기계부품연구원 종합실험센터에서 실차 시험을 진행 한 결과, 지게차 전체 음향파워레벨이 평균 0.6dBA
줄었다.
본 연구결과를 바탕으로 독수리 날개 익형 기반의 에어포일과 링을 결합한 형태의 개발 냉각홴은 유사 한 건설기계 장비의 음향파워레벨 및 운전자소음 감 소에도 기여할 것으로 사료된다.
후 기
이 논문은 산업통상자원부 한국산업기술평가관리 원 (KEIT) 산업기술혁신사업 연구비지원 (10063294) 과 2020년도 산업통상자원부 한국산업기술진흥원 (KIAT) 연구비지원 (N0001292)에 의해 수행되었으며 이에 감사를 드립니다.
이해관계(CONFLICT OF INTEREST)
저자는 이 논문과 관련하여 이해관계 충돌의 여지 가 없음을 명시합니다.
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