2015년 송풍기 및 환기시스템 분야 연구동향
1. 서 론
최근 수 년 간 한국 유체기계논문집에 게재된 송풍기 및 환기시스템 분야의 논문 수는 Fig. 1과 같은데, 2009년과 2010년을 정점으로 논문 수가 감소되고 있다. 2015년에는 총 2편의 논문이 게재되었고, 학술대회 기간에 총 4편의 논문이 발표되었다. 본 연감에서는 이들의 연구내용을 요약하고 분석하는 방법으로 2015년 한 해 동안의 송풍기 및 환기시스템 분야의 연구내용을 정리하고자 한다.
한국유체기계 논문집에 게재된 송풍기 및 환기시스템 분야의 연도별 논문 수
2. 연구 내용 및 동향
이경용 등(1)은 재생 블로워의 이산주파수 소음(discrete frequencynoise)의 저감을 위해 임펠러(impeller)의 날개(vane)를 부등피치(uneven pitch)로 배열하고 그 효과를 분석하였다. 날개의 부등피치 배열을 위해 부등피치 생성함수를 사용하였으며 결정된 임펠러 형상을 시제품으로 제작하여 실험을 통해 공력 및 소음 성능을 측정하고 등피치 임펠러의 특성과 비교하여 그 효과를 확인하였다. 그 결과, 기존 부등피치 생성함수를 사용하여 재생 블로워의 임펠러 날개를 부등피치로 설계가 가능하다는 것을 제시하였고 시제품을 제작하여 유동 및 소음을 평가하는 방식이 제안되었으며, 부등피치를 적용한 재생 블로워의 유동특성은 기존 등피치보다 조금 향상 되는 것으로 나타났으며, 다양한 부등피치 형상에 대한 추가 연구의 필요성이 제시되었다. 이 연구에서 설계한 부등피치 모델은 등피치 대비 전체소음은 약 0.7 dB(A), 깃 통과 주파수에서 약 5.5 dB(A) 감소하여 부등피치로 인한 소음 감소 효과가 있는 것으로 나타났다.
박철훈 등(2)은 기존의 베어링 시스템의 대안이 될 수 있는 자기베어링을 대표적 터보 기기인 200 마력급 터보 블로워에 적용될 수 있도록 설계하고, 터보 블로워에서 발생되는 반경방향, 축방향의 부하를 안정적으로 지지하는지 실험적으로 검토하여, 26,400 rpm의 정격운전속도 이상까지 수행된 무부하조건 실험 및 21,000 rpm까지 수행된 부하조건 실험에서 자기베어링이 터보 블로워 회전체를 안정적으로 지지하는 것을 확인하였다.
민혁기 등(3)은 환기기준을 만족하기 어려운 환경에 놓여있는 임대주택의 환기취약세대들의 환기성능을 CFD를 활용하여 비교 분석하고, 분석결과를 바탕으로 환기기준을 만족하면서 효율적인 환기방식을 제안하는 연구를 수행하였다. 이 연구에서 제시한 자연환기방식 CASE #1, #2는 환기기준을 만족 하지 못하였고 하이브리드방식 CASE #3, #4는 환기기준을 만족 하는 것으로 나타났으며, 자연환기방식에 비하여 평균공기연령은 4h 짧은 것으로 나타났고, 기준공기교환효율은 70 %p 높은 것으로 나타났다. 특히, CASE #4는 발코니의 공기흐름 개선효과도 있는 것으로 나타나, 환기취약세대의 환기성능이 환기기준을 만족하려면 하이브리드방식을 적용해야 되는 것이 확인되었다.
이정민 등(4)은 질량유량 증폭기의 유동특성에 대해 연구하였다. 질량 유량 증폭기는 다른 장비들보다 더욱 균일한 공기 이송을 이끌어내기 때문에, 제품 냉각, 부품의 청소 및 세척, 용접 작업, 밀폐공간 환기 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 일반적인 질량 유량 증폭기는 코안다 효과(Coand. effect)를 이용하여 작동된다. 코안다 효과란 움직이는 기체의 유동이 인접한 벽면에 밀착되어 흐르는 현상을 말한다. 이 연구에서는 질량 유량 증폭기의 형상변화(틈새, 배관의 직경비, 후방 디퓨져 각도)에 따른 유동 특성이 수치적으로 고찰하였는데, 틈새 변화를 통한 성능특성 고찰 결과 틈새가 2mm일 때 가장 성능이 우수한 것으로 나타났으며, 직경비 변화에서는 토출구 직경 증가에 따른 후방 유동 안정화에 의해 토출 유량이 증가하고, 후방영역에서 발생하는 흡입력이 직경비 1.9 인 경우 가장 큰 것으로 나타났다. 이 연구에서 고찰한 다양한 형상 변수 중 틈새가 2mm이고, 직경비가 1.9이며, 확산각이 20도 인 경우에 가장 큰 토출 유량을 나타내는 것으로 나타났다.
임채욱은(5) 2MW 급 풍력발전기를 대상으로 wind shear에 의해 회전날개 3개에서 발생되는 추력특성에 대해 발표하였다. 이 해석에는 상용코드가 사용되었으며, 추력의 동특성이 분석되었다.
이명성 등(6)은 서버 컴퓨터나 의료용 기기의 냉각에 사용되는 35 W급 동축반전팬 샘플의 역설계 모델로부터 블레이드 형상 변경을 통해 팬 효율을 개선하고자 하는 목적으로 수치연구를 수행하였다. 이 연구에서 동축반전 축류팬을 구성하는 전단 동익, 중간 정익, 후단 동익의 블레이드 형상을 캠버가 있는 4자리 NACA 에어포일 형식으로 역설계하고, 총 13개의 설계변수에 대하여 L27 (313) 직교배열표를 이용한 결과, 후단 동익을 지나는 유동 저항이 감소되면서 팬 효율이 3% 증가되는 사양이 제시되었다.
3. 결 론
이상과 같이 2015년도 한국 유체기계 학회의 송풍기 및 환기시스템 부문에 발표된 6편의 논문들이 요약분석 되었다.
본 학회에서 발표된 이들 논문들은 불로어 소음과 환기 문제와 같이 전통적인 주제부터 자기베어링과 질량유량 증폭기와 같은 주제까지 폭 넓게 다뤄지고 있는 것으로 나타났으며, 대형풍력발전기들의 추력을 분석하는 연구뿐 만 아니라, 35W급 초소형 축류팬의 효율개선에 이르기까지 다양한 크기의 문제들이 함께 다루어지고 있는 것으로 나타났다. 앞으로도 다양한 주제의 연구 성과들이 본 학회를 통해 발표될 것으로 기대된다.
References
- 이경용, 정욱희, 김진혁, 김철호, 최영석, 마재현, 정경호, 박운진, (2015), “부등피치를 적용한 재생 블로워의 소음특성 연구”, 한국유체기계학회논문집, 18(6), p48-53.
- 발철훈, 윤태광, 박준영, (2015), “200 마력급 터보 블로워 적용을 위한 자기베어링 설계”, 한국유체기계학회논문집, 18(6), p28-34.
- 민혁기, 이승배, (2015), “CFD를 활용한 국민임대주택 단위 세대의 환기성능에 관한 연구”, 한국유체기계학회 하계학술대회 초록집, p267-268.
- 이정민, 강현수, 김윤제, (2015), “질량 유량 증폭기 형상변화에 따른 유동 특성 연구”, 한국유체기계학회 하계 학술대회 초록집, p269-270.
- 임채욱, (2015), “윈드 쉬어에 의한 2MW급 육상용 풍력터빈의 추력 특성 확인”, 한국유체기계학회 하계 학술대회 초록집, p271.
- 이명성, 김주한, “동축반전 축류팬의 블레이드 형상 변화가 효율에 미치는 영향에 대한 수치해석 연구”, 한국유체기계학회 하계 학술대회 초록집, p272-273.