(The) effects of the flow characteristics on efficiency and noise in tip and hub region of an axial flow fan
저자
발행사항
[Seoul] : Graduate School, Yonsei University, 2020
학위논문사항
학위논문(박사) -- Graduate School, Yonsei University Department of MEchanical Engineering 2020.2
발행연도
2020
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
기타서명
축류팬의 팁과 허브 영역에서 유동 특성이 효율과 소음에 미치는 영향
형태사항
xv, 182장 : 삽화 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: Won-Gu Joo
UCI식별코드
I804:11046-000000523178
소장기관
축류팬은 산업 전반에 널리 사용되는 가장 일반적인 유체 기계의 한 종류로써, 에어컨 실외기, 자동차용 엔진 룸, 서버 컴퓨터 등에 냉각용 팬으로 사용되고 있다. 특히 에어컨 실외기용 축류팬은, 실외기의 열교환기를 냉각시키기 위한 팬으로, 에어컨의 냉방 성능과 제품 효율에 가장 큰 영향을 미치는 주요 부품 중 하나이다. 전 세계적으로 강화되고 있는 에너지 효율에 대한 규제로 인하여, 냉방 공조 분야에서는 실외기용 축류팬의 효율 향상이 매우 중요하다. 또한 최근에는 환경적인 문제로 인하여, 옥외에 설치되는 에어컨 실외기의 소음에 대한 규제도 강화되고 있다. 축류팬은 고속으로 회전하면서 발생하는 공력 소음으로 인하여 에어컨 실외기에서 발생하는 가장 큰 소음원이다. 따라서 축류팬의 고효율화뿐 만 아니라 저소음화 또한 중요한 연구 주제이다. 본 연구는 에어컨 실외기의 축류팬에 대하여 실험적, 수치해석적인 방법으로 효율의 향상과 소음의 저감에 대하여 연구한 것이다.
팬의 효율에 영향을 미치는 것은 팬이 회전하면서 발생하는 구조적, 공기역학적 특성에 의해 나타나는 각 손실들이며, 이 손실들에 대해서는 기존에도 많은 연구들이 수행되어 왔다. 특히 축류팬의 주요 손실로써 팁 누설 유동 손실, 끝단 벽면 손실, 날개 단면 손실 등이 주요하다고 알려져 있다. 본 연구에서는, 실외기용 축류팬에서 발생하는 손실 요소들을 정량화 하여 치명적인 인자를 도출하기 위해 전산유체역학 (CFD, computational fluid dynamics)을 이용해 정체 압력 손실 계수의 3차원 분포를 계산하였다. 그 결과 팁 누설 유동과 허브 쪽의 끝단 벽면 손실이 주요 손실임을 확인하였다.
축류팬의 팁 누설 유동을 제어하기 위해 가장 널리 알려진 방법은 날개의 팁 간격 조절, 쉬라우드의 설계 개선, 날개의 팁에 윙렛을 설치하는 것이다. 그러나 에어컨 실외기용 축류팬과 같이 낮은 묻임비를 갖는 특수한 쉬라우드 구조와 부압면으로 꺾인 윙렛이 설치된 조건에서의 팁 누설 유동에 대한 분석과 팁 간격에 대한 연구는 많이 이루어지지 않았다. 본 연구에서는, 팁 누설 와류와 쉬라우드의 간섭 효과에 의하여, 30% 묻임비의 쉬라우드와 윙렛이 설치된 조건에서, 특정한 팁 간격으로 설계될 때 최대 팬 효율이 나타나는 것을 확인하였다.
끝단 벽면 손실에 대한 연구는 주로 고압의 축류 압축기 분야에서 허브측의 2차 유동과 관련하여 수행되었으며, 저압 유체기계인 축류팬의 경우 허브 쪽의 유동 특성에 대해서는 거의 연구된 바가 없다. 본 연구로부터 실외기용 축류팬의 경우는 2차유동보다는 뭉뚝한 허브의 모서리 형상에 의해 발생하는 와류가 날개에 미치는 영향에 의한 손실이 지배적임을 확인하였고 이를 허브 와류(Hub vortex)로 이름 지었다. 허브의 입구측 길이에 따라 허브 와류의 발생 위치와 경로가 바뀌며, 날개에 영향을 미치는 경향이 바뀌게 된다. 따라서 특정 허브 입구길이에서 최고 효율이 나타난다는 점을 확인하였다. 또한 허브 와류의 경로 각도는 허브 입구 길이 변화에 따른 허브 입구측 축방향 압력 구배와 상관관계가 있음을 도출하였다.
에어컨 실외기의 축류팬은 유동 소음의 저감을 위해 특별한 형상의 윙렛과 쉬라우드가 설치된다. 본 연구에서는 축류팬의 주요 소음원을 찾기 위해 큰 에디 모사 기법(LES, large eddy simulation)을 이용하에 세부 유동장을 분석하였고 전산음향해석(CAA, Computational Aeroacoustics)을 이용하여 소음 방사 시뮬레이션과 소음원 가시화를 수행하였다. 축류팬에서 발생하는 비정상 유동장과 소음을 예측하기 위해 3 차원 Navier-Stokes 방정식과 단순화 된 Ffowcs Williams and Hawkings (FW-H) 방정식을 수치해석으로 계산하였다. 연구 결과, 윙렛과 쉬라우드의 형상에 따라 팁 누설와류의 형태가 변함을 확인하였고, 그에 따라 유동 소음의 특성이 변함을 확인하였다.
본 연구의 결과로써, 허브 와류의 발생과 날개에 미치는 영향을 억제하여 팬 성능을 향상시키기 위해 허브 형상을 개선한 ‘허브리스 팬(Hubless)’ 팬을 제안하였다. 수치해석으로 허브 와류 구조의 변화와, 팬 출구면의 손실계수를 분석하여 허브에서 발생하는 손실이 저감된 것을 확인하였고, 실험으로 최대효율점에서 팬 단품 효율 4%p 증가, 제품 운전점에서 팬모터 소비전력 5% 저감 된 것을 확인하였다. 또한 허브 와류의 감소로 팬소음이 1.2 dB 저감(동일 소음 시 풍량 5% 증가) 된 것을 확인하였다.
Axial flow fans are mostly used as cooling fans or blowers and applied for outdoor unit of air conditioners, electric devices, and engine room cooling system for automobiles. Among all these products, the air conditioner becomes an essential product in everyday life with growing pursuit of the quality of life. Moreover, it is the product, which consumes the biggest amount of energy in the city. The axial flow fan in the outdoor unit of the air conditioner, in particular, is a major part used to cool down the heat exchanger and is one of the parts that have the greatest influence on the efficiency of the air conditioner. The most crucial performance index while designing an axial flow fan is obviously basic performance such as flow rate and pressure rise. Recently, a design aiming for high efficiency and low noise on top of basic performance is regarded to be important due to environmental issues. Hence, this research was conducted to study aeroacoustic noise caused by the axial flow fan of the outdoor unit of air conditioners.
The base model of the axial flow fan was designed by a very classic method that was established in 20th century. However, the complicated flow field of the fan should be analyzed in order to maximally improve the performance of the axial flow fan. In this study, the numerical method of CFD (computational fluid dynamics) and CAA (computational aero acoustics) was adopted to study the efficiency improvement and noise reduction of the fan. In addition, the fan performance and flow field were measured for validation of the numerical method, and experimental methods were adopted for flow induced noise measurement.
3-dimensional distribution of the stagnation pressure loss coefficient was calculated by using computational fluid dynamics (CFD) in order to draw the crucial factors through quantification of the loss elements produced in the axial flow fan for an outdoor unit. Consequently, the tip leakage flow and end-wall loss on the hub-side of the fan were found to be the major losses. Hence, the hub vortex occurring in the tip leakage flow and hub entrance of the axial flow fan was studied. It was found that the fan efficiency can differ by 9.5% (3.1%p) in maximum depending on the designing method of the hub entrance and tip clearance. In this study under the condition of the shroud offering 30% coverage and winglets, the maximum fan efficiency was found from the fan designed with a specific tip clearance and entrance hub length.
To identify the major noise sources of an axial flow fan in this study, detailed flow field was analyzed through large eddy simulation (LES) and noise emission simulation and visualization of the noise sources were conducted using computational aeroacoustics (CAA). Three dimensional Navier-Stokes equation and simplified Ffowcs Williams and Hawkings (FW-H) equation were calculated through numerical analysis in order to predict the unsteady flow field and noise occurring in an axial flow fan. As a result, changes in the shape of the tip leakage vortex due to the shape of the winglets and shroud, and consequent changes in the characteristics of the flow-induced noise were confirmed. The study on the flow induced noise in the fan revealed that the axial flow fan of the outdoor unit presents ununiform inflow characteristics owing to the characteristics of the flow path inside the front discharge type outdoor unit; and this is considered to be one of the major noise sources.
In order to reduce the loss occurring by the hub vortex, a Hubless Fan with extremely reduced size of the hub was designed. Through the experiment examining the improvement by the design change, not only the improvement in the fan efficiency but also the noise reduction was confirmed. Due to the change in the hub shape, reduction of the input power required for the fan motor by 5% and reduction of the fan noise by 1.2 dB in the same condition of the flow rate were confirmed. This was thought to be due to the reduction of the pressure loss and turbulence energy in the fan’s wake region in consequence of the greatly reduced influence of the hub vortex owing to the minimized hub size. Consequently, the broad noise in the noise spectrum of the new Hubless Fan was reduced.
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