가역 축류송풍기용 근사대칭 이중원호익의 설계 및 성능해석

1. 서 론

지하공간 환기/제연용 대형 가역 축류팬은 지하철, 도로터널등의 내부에 신선한 공기를 공급하고 열 및 유해가스를 외부로 배출하는 역할을 한다.⁽¹⁾ 현재 지하철이나 장대도로터널의 횡류환기(transverse ventilation)에 사용하는 기존 가역 축류팬의 요구정압은 800 Pa 이하⁽²⁾로 비상시 역방향으로 배출하는 풍량은 정방향 풍량의 80 %⁽³⁾를 넘지 않는다. 성능시험 결과 지하철용으로 수요가 많은 직경 ϕ 2 000급 가역 축류팬은 기외정압이 1 000 Pa을 초과하는 경우 역방향 풍량 비율이 급격하게 저하되는 경향이 있었다. 참고로 정방향(uni-directional flow) 특성을 갖는 일반 축류팬은 비상시 역방향 풍량이 정방향 대비 60 %에 지나지 않음에도 방재용으로 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 선진국에서는 방재 안전율을 높이기 위해 정역 풍량비율이 98 % 내외인 송풍기를 이미 제작하여 판매하고 있다.⁽⁴⁾

축류팬과 환기용 팬은 선행 연구자들에 의해 지속적인 수 많은 연구가 있었다. 조강래⁽⁵⁾ et al.은 미국 Joy 사의 제품을 역설계하여 설계시방을 얻어 NACA-24 익형으로 ϕ 692 정방향 축류팬을 설계하고 설계 프로그램도 개발하였으나 동익과 정익의 공기역학적 설계만 다루어 축류팬 전체에 대한 내용은 반영하지 못하였다. 실제 성능시험으로 확인한 결과 이러한 형상의 축류팬은 역방향 풍량이 60 % 내외를 넘지 못한다. 교통터널과 터널용 축류팬 제조 선진국인 노르웨이 터널협회 발행 자료⁽⁶⁾에서는 가역용 축류팬 설계와 터널환기에 대한 기술사양 일부를 얻을 수 있었고, 미국 Joy 사에서 발행한 기술자료⁽⁷⁾ 검토과정에서 축류팬(vane axial)의 설계개념과 구조를 살펴 볼 수 있었다. 지금은 존재하지 않는 Joy 사는 원래 터널 환기용 축류팬에 강점이 있는 회사였다. Cory et al.⁽⁸⁾은 Eurovent의 지원을 받아 스톨발생 원인을 연구한 후 고압 축류팬의 스톨방지(anti-stall)를 위해 스톨방지 링(ring)이나 스톨방지 챔버(chamber)에 대해 연구하였다. Sheard⁽⁹⁾ et al. 은 임펠러가 2개인 ϕ 2 800 양축모터 구동 축류팬(double ended motor fan)과 터널용 팬에 필요한 내열온도 300℃급, 전압 3 500 Pa 사양의 축류팬을 제작하여 EN12101-3 표준에 의한 인증까지 받았다. 그러나 국내 산업용으로 적용하기에는 원가가 너무 높고 시장 경쟁력이 낮아 기술적인 검토만 하였다.

본 논문은 지하심도 100m 이하의 초장대 대심도 터널^(10,11)에서도 사용할 수 있는 고온 가역(reversible) 축류팬에 채용할 근사대칭 에어포일의 설계 및 성능해석에 관한 내용으로 시작품(prototype)의 상세 설계사양은 Table 1와 같다. 양방향(bi-directional flow) 특성을 갖는 근사대칭 에어포일은 정격운전 점에서 역방향 풍량이 정방향 대비 98 %로 급기와 배기풍량 비율이 1:1에 가깝게 설계되어있다. 기존 가역 축류팬에 사용하는 날개(blade)는 정역 풍량 비율이 60~80 % 내외이다.

Table 1

Basic design data of reversible axial flow fan

본 연구에서 축류팬 날개는 NACA 65 계열을 기본으로 설계하였고 요구 전압 1 500 Pa, 정방향 대비 역방향 풍량 비율 98 %를 목표로 하여 날개의 단면(동익의 스태킹 중심)은 무게 중심축에서 앞전(leading edge)쪽으로 약간 이동한 근사대칭 익형⁽¹²⁾으로 설계하였다. 축류 단(stage) 유동해석은 전용 소프트웨어인 ANSYS⁽¹³⁾를 사용하여 축류팬 성능 최적화와 3차원 비압축성 정상상태 유동해석을 하였으며 시제품을 제작하여 AMCA 인증 공인시험실에서 유효성 확인 성능시험을 수행하였다. 이 후 정방향 축류팬 직경 ϕ 3 550까지 상용화 제작하여 공력성능 및 고온내구, 고온변형 등의 유효성 평가를 하였으며, 성능시험 결과를 이용하여 가역 축류팬을 ϕ 3 550까지 제작하였고 현재는 표준 모델을 정하여 성능곡선 매핑(mapping) 작업을 진행하고 있다.

2. 근사대칭 에어포일의 설계

2.1 기존 제품을 이용한 설계 및 성능해석 프로그램 검증

새로운 가역형 날개는 설계를 위한 데이터 베이스가 없어 1차원 성능해석이 가능하지 않다. 따라서 주어진 사양의 가역 축류팬을 설계하기에 앞서 선진사⁽¹⁴⁾의 ϕ 2 100정방향 전용 축류팬 실험결과를 이용하여 설계 프로그램의 정확성을 검증하였고, 실제 제품을 만들어 성능해석(CFD) 결과와 성능시험결과를 비교 평가하였다. Table 2는 검증을 위해 사용한 선진사의 NACA-65 계열 축류팬 사양이다.

Table 2

Design data of reference axial flow fan

축류팬 성능 계산을 위한 유동해석 시 격자생성은 ANSYS Turbogrid 11.0을 이용하였고, 경계조건으로 블레이드 입구에서 전압과 전온도를 고정하였으며 출구에서는 질량 유량을 고정하였다. 또한, 난류유동을 계산하기 위해 k-ω SST 모델을 사용하였다. 또한 동익과 출구 안내깃 사이의 경계면 에는 혼합면 기법을 적용하였다. 정상상태 조건에서 계산시간의 단축을 위해 동익과 출구 안내깃에 주기조건을 적용하여 1개의 통로에 대하여 계산을 수행하였다. 계산에 사용된 총 격자수는 64만개이며 Fig. 1은 계산에 사용된 격자계의 모습이다. 설계점 및 탈 설계점에서의 최소손실 유동각을 정의하기 위해 Herrig등에 의한 경험식에 근거하여 설계영각(angle of attack)에 대한 식 (1)과 같은 상관식을 이용하였다.⁽¹⁵⁾

Fig. 1

Grid system (uni-direction axial flow fan)

$\[ \begin{array}{c}{\alpha }^{*}=\left[3.6K_{sh}{K}_{t,i}+0.3532\theta {\left(\frac{a}{c}\right)}^{0.25}\right]{\sigma }^e\hfill \\ e=0.65-0.002\theta \hfill \end{array} \]$

(1)

위 식에서 α^*는 설계영각, k_ti는 익의 최대두께의 영향을 반영하는 계수, k_sh는 블레이드 형상을 반영하는 계수, σ는 현절비, θ는 캠버각을 나타낸다. 설계영각에 근거한 편향각(deviation angle)은 Lieblein이 제안한 모델을 이용하여 식 (2)와 같은 상관식으로 구해지며 Johnsen과 Bullock은 Lieblein의 모델에 대한 자세한 검토 결과를 제공한다.⁽¹⁶⁾

$\[ {\delta }_0^{*}=K_{sh}{K}_{\delta ,t}{\delta }_{0.10}+\frac{m^{\prime }}{{\sigma }^b}\theta \]$

(2)

여기서 $$ {\delta }_0^{*}$$는 편차각, (δ_o)₁₀은 NACA-65 계열의 0° 캠버각 익형에 대한 최소손실 입사각에서의 편향각이며 k_δt는 익의 최대두께의 영향을 반영하는 계수, k_sh는 블레이드 형상을 반영하는 계수, m′는 경사인자, 그리고 b는 솔리디티 지수이다.

Fig. 2는 성능시험과 3차원 수치해석을 통하여 얻어진 성능곡선도이다. 이미 알려져 있는 성능평가 데이터⁽¹⁴⁾를 활용하여 수행한 성능해석결과와 완제품의 실험 데이터를 비교하여 해석결과를 검증하였다. 하나의 그래프에 유량과 양정, 소요 동력이 같이 제시되었다. 그림에서 보이는 바와 같이 실험과 해석결과는 양정과 소요 동력에 있어 조금씩의 차이는 있으나 전반적으로 잘 일치함을 보이고 있다.

Fig. 2

Comparison of CFD results and experiment data (NACA-65 blade)

현재의 해석기법들을 이용한 3차원 유동해석 방법은 양정과 소요 동력에 있어 계산결과가 시험결과와 매우 비슷한 결과를 보여주며 해석결과를 설계에 활용할 수 있을 만큼 충분한 정확성이 있음을 확인 할 수 있었다.

2.2. 가역 축류팬용 근사대칭 에어포일의 설계

Table 1에 표시한 ϕ 2 100 가역 축류팬의 설계사양은 정방향 위주의 축류팬 설계사양과 거의 동일하나 가역풍량에 대한 조건이 추가되었다. 기본적으로 정뱡향 풍량은 6 000 m³/min, 압력 상승값은 1 500 Pa이고 정방향 효율은 75%, 가역 풍량은 정방향 풍량의 98%이다. 가역 축류팬은 정방향성능뿐 만 아니라 역방향 성능을 고려하여 설계를 수행하여야 하므로 캠버선의 형태를 어떻게 선정하느냐가 매우 중요하다. 일반적인 축류팬은 정방향의 성능을 향상시키는 쪽으로 설계를 수행하면 역방향 성능이 낮아진다. 또한 역방향 위주로 설계를 수행하면 정방향 성능이 나빠진다. 그러므로 이러한 것들을 고려하여 주어진 사양을 만족하도록 가역 팬을 설계하는 것이 매우 중요하다.

Fig. 3는 이러한 특성을 고려하여 선정된 캠버선을 나타낸다. 가역성능을 향상시키기 위해 캠버는 전연쪽에 기울기를 가지고 후연에서는 기울기를 0 으로 설정하였다. 설계는 기존의 익형설계와 동일한 방법이고 단지 캠버선의 형태가 차이가 있다. Fig. 4는 허브, 50% 스팬 그리고 팁에서의 블레이드 형태를 나타내었다.

Fig. 3

Camber line of new design blade

Fig. 4

Blade profile of radial line through center of gravity

Table 3은 설계변수로 설치각과 전연에서의 블레이드 각을 여러 가지로 조합하여 형상설계와 성능해석을 통해 최종적으로 결정된 5개의 블레이드 각과 설치각을 나타낸다.

Table 3

Design results

새로이 설계한 근사대칭 에어포일을 채용한 가역 축류팬은 Fig. 5(b)와 같은 직선형 가이드 베인을 사용하여 정방향 또는 역방향 운전시 가이드 베인에 의한 압력손실을 최소화 하였으며, 기외정압을 상승시키는 Fig. 5(a)와 같은 곡선형 가이드 베인(cambered guide vane)의 역할을 동익(approximate symmetric airfoil)에서 담당하도록 설계 하였다. Fig. 6은 개발이 완료된 가역용 축류 날개 CAD 파일이다. 제품개발 후 선진국 제품과의 경쟁을 위해 외국제품을 복사 또는 모방하지 않으면서 직선형 가이드 베인(straightened guide vane)을 채용한 근사대칭형 캠버라인을 갖는 축류팬 날개⁽¹⁷⁾를 설계하였다.

Fig. 5

Structural features of outlet guide vane for stage analysis

Fig. 6

Structural features of bi-directional airfoil blade

3. 가역 송풍기의 수치해석

설계결과의 검증을 위하여 3차원 유동해석 프로그램을 이용한 성능해석을 수행하였다. 계산에 필요한 격자는 ANSYS Turbogrid 11.0을 이용하였다. 경계 조건으로 블레이드 입구에서 전압과 전온도를 고정하였으며 출구에서는 질량 유량을 고정하였다. 또한 동익과 출구 안내깃 사이의 경계면에는 혼합면 기법을 적용하였다. 성능곡선도를 확보하기 전에 먼저 난류모델과 형상변수들이 성능해석 결과에 미치는 영향에 대하여 분석하였다.

가역풍량에 대한 설계조건으로 인하여 출구 안내깃은 평판 형태를 사용하여야만 한다. 정방향 전용 송풍기처럼 출구 안내깃이 각도(cambered guide vane)를 가진다면 정방향 효율은 상승하나 역방향 성능은 크게 감소하게 된다. 그러므로 이러한 현상을 방지하기 위해 Fig.7과 같은 평판 형태의 출구 안내깃(straightened guide vane)을 선택하였다. 그러나 이러한 평판형태의 출구 안내깃은 동익을 통과한 유체가 평판에 부딪히게 되어 박리현상이 심하게 발생하게 된다. 그리고 이러한 박리현상의 해석이 정확해야만 송풍기의 성능곡선을 정확하게 예측할 수 있다. 먼저 난류유동과 출구 안내깃에서 발생하는 박리를 보다 정확하게 계산하기 위해 original k-ω SST모델과 k-ω SST Reattachment modification 모델을 사용하여 해석 결과를 비교하였다. 유동해석 결과 난류모델에 관계없이 속도장은 전반적으로 거의 유사하고 동익에서의 전압분포 역시 매우 비슷하였다. 그러나 출구 안내깃에서의 전압분포는 original k-ω SST 모델의 사용이 출구 안내깃에서 과도하게 전압손실을 예측하고 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 출구 안내깃에서 심한 박리가 발생하는 가역 축류팬의 정방향 유동 해석 시에는 k-ω SST Reattachment modification 모델을 사용하고, 박리가 발생하지 않는 역방향 해석 시에는 original k-ω SST모델을 사용하였다.

Fig. 7

Grid system of reversible blade and straightened guide vane

4. 성능시험

4.1 성능시험 기준 및 설비

가역 축류팬 성능측정을 위한 Fig.8과 같은 실험설비는 단면크기 가로 6m*세로 6m, 유로(flow passage) 길이 50m의 ANSI/AMCA Std-210과 KS B 6311-2017 기준을 만족하는 멀티 노즐 챔버(multi nozzle chamber)이다. 축류팬 지름 ϕ 3 000, 기외정압 4 000 Pa 까지 성능을 측정할 수 있으며 회전 동력계를 사용하므로 송풍기의 순수 소요동력을 구할 수 있다.

Fig. 8

Dynamometer drive & Duct setup

실험설비는 미국 AMCA로 부터 공인인증 받았으며 인증내용에는 실험설비, 실험용 소프트웨어, 실험방법, 실험하는 사람 등을 포함⁽¹⁸⁾하며 국제공인시험기관(KOLAS)의 설비로 등록되어 있다. 내부체적 약 10 000m³에 이르는 통제된 실험장치는 외부환경의 영향을 받지 않도록 구성되어 성능실험실 내부에서만 공기가 순환하며 공기밀도 보정을 위해 건습구온도와 대기압을 연속 측정하도록 되어 있다. Fig. 9는 가역 축류팬의 성능측정을 위한 시험설비의 일부분이다. 성능측정시 풍량의 많고 적음에 따라 노즐을 열고 닫음으로써 풍량과 압력을 측정한다. 또한 미세한 압력조정을 위해 별도의 압력조절기가 설치되어 있다. 풍량은 식 (3)과 같이 노즐면적과 노즐 입출구 압력차의 함수이다.

Fig. 9

Array of nozzle, nozzle Inlet (left) and outlet (right)

$\[ Q=f\left(A, \mathrm{\Delta }P\right) \]$

(3)

여기에서 Q는 측정풍량, A는 노즐 출구면적, ∆P는 노즐차압을 나타낸다.

노즐챔버 내부에는 공기의 흐름을 일정하게 하고 측정압력의 흔들림을 줄이기 위해 정류용 금속망(settling means)을 설치하며 정류망 관련 상세 사양은 ANSI/AMCA 210 기준에 규정되어 있다. 축류팬 성능측정시 정류망 입구에서 발생하는 역방향 제트속도(jet velocity)는 식 (4)와 같이 제한⁽¹⁹⁾되어 있으며 제트속도의 측정은 날개형 아네모메터(vane type anemometer)를 사용하였다.

(4)

여기에서 Q는 측정풍량, A₆노즐 출구면적, V₆는 노즐 출구속도, V_rj는 정류망 입구 역방향 제트속도이다.

4.3. 가역 축류팬용 근사대칭 에어포일의 성능시험 결과 비교

성능비교를 위한 일정 실험조건을 만들기 위해 축류팬의 내경과 임펠러 외경, 간극, 사용 허브를 모두 동일하게 하고 Fig. 10과 같이 형상(blade profile)이 다른 날개만 바꾼 완제품으로 만들어 성능실험을 하였다.

Fig. 10

Test results of accredited testing laboratory

특히 팁 간극(Hub to tip ratio)을 유지하는데 유의하였으며 날개형상이 다름으로 정방향 운전시 각각의 날개 특성에 맞는 최적의 운전조건(날개각 조정)을 찾기 위해 수많은 성능실험을 반복 수행하여 Fig. 11과 같은 성능을 얻었다. 역방향 풍량은 모두 다 최적의 정방향 운전조건일 때 얻은 값이다.

Fig. 11

Comparison of CFD results and experiment data (Reversible axial fan with sample-2 blade)

유동해석(CFD) 프로그램을 이용한 근사대칭 에어포일(approximate symmetric airfoil)익형의 설계 시 전압효율(η_t)은 75 %, 역방향 풍량(Q_r) 98 %로 출력 값이 계산 되었으나 실험결과 η_t=74.5%, Q_r=94.1 % 로 다소 차이가 있었으며 Table 4에 정리하였다.

Table 4

Comparison of CFD results and experiment data (Reversible axial fan)

축류팬의 실속여유 계산 값은 1에 가까울수록 안정된 운전이 가능함을 의미한다. Fig.12 그래프에서 Sample_2(근사대칭 에어포일 축류팬)의 실속여유(stall margin)는 0.66으로 비교대상 제품(Sample_1)의 실속여유 0.46 보다 40 % 이상 높아 제품의 안정도(stability)에 상당한 여유가 있음을 알 수 있다. 근사대칭 에어포일을 채용한 가역 축류팬 시제품은 현재 국내 상용화 제품들 보다 풍량, 효율, 운전 안정성, 내구성 등 항목 모두가 비교우위에 있다고 판단된다. 실험에 사용한 날개는 국내 생산품 가운데 가역용으로 상용화된 것 중 효율이 좋은 것 1종, 제트팬 익형과 비슷한 형상의 대칭형 1종, 근사대칭 에어포일 등 3종류의 가역축류 성능을 비교하였다.

Fig. 12

Reversible axial fan performance (stability and stall)

회전 동력계(dynamometer)를 사용하였고 회전수는 1 160rpm, 송풍기 내경은 ϕ 2 100이다.

비교대상 2종 중 대칭형 날개는 운전압력 1 000 Pa 초과시 급격한 효율저하 현상이 있어 비교적 효율이 좋은 Sample_1을 선택 하여 성능을 비교 하였다. Fig. 12에서 실속여유(S_m, stall margin)는 식(6)과 같이 계산한다.

$\[ \begin{array}{c}{S}_m=\left(\frac{P_2}{P_1}\right)*\left(\frac{Q_2}{Q_1}\right)-1\hfill \\ \therefore S_{m1}=0.46, { S}_{m2}=0.66, \therefore \frac{S_{m2}}{S_{m1}}=\frac{0.66}{0.46}=1.44\hfill \end{array} \]$

(6)

계산 값에서 근사대칭 에어포일의 실속여유가 크게 개선되었음을 알 수 있다. 여기에서 S_m1, S_m2는 Sample-1과 2의 스톨 마진, P₁, P₂는 정격풍량일 때 설계압력과 최고압력 Q₁, Q₂는 최고 압력 시 풍량과 설계풍량을 나타낸다.

5. 결 론

본 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.

• 1) ϕ 2 100 정방향 축류팬의 설계 및 성능해석 프로그램을 검증하여 해석결과 값이 실험결과와 잘 일치함을 확인하였으며 이러한 설계 및 성능해석 프로그램들이 가역송풍기의 설계 및 성능해석에 사용될 수 있음을 확인하였다.
• 2) 상기 1)의 결과를 ϕ 2 800 정방향 대형 축류팬에 적용하여 공력설계를 수행하였으며 단일 동익 및 정익을 포함한 스테이지에 대한 성능곡선도를 확보하였다. 해석결과를 통하여 설계 결과가 주어진 설계사양을 충분히 만족함을 확인하였다.
• 3) 상기 1)의 결과를 ϕ 2 100 가역 축류팬에 적용하여 공력설계를 수행하였다. 양방향 근사대칭 이중원호익 날개의 최대 캠버선의 위치변화에 따른 캠버선의 형태변화는 ϕ 2 100 가역 축류팬의 공력성능에 영향을 주며 특히 정방향에 비해 역방향 성능에 보다 크게 영향을 미친다. 이것은 새로이 설계한 가역용 블레이드의 캠버선 특징에 의한 운전 특성에 기인한다.
• 4) 가역용 날개는 최대 캠버가 뒷전에 가까이 위치할수록 양정과 효율이 높아짐을 확인할 수 있었으며, 최대 캠버의 위치가 현재 정방향과 역방향 성능에 대해서 타협하는 위치에 존재함을 확인하였다.

Acknowledgments

본 연구는 지식경제부 전략산업기술개발 사업의 연구비 지원에 의해 2013년 수행(NO.1003 1698) 완료된 과제의 후속 연구 결과입니다. 과제 수행을 위해 지원해 주신 관계자분들께 감사한 마음을 전합니다.

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