Research Article

The Journal of the Acoustical Society of Korea. November 2020. 515-523
https://doi.org/10.7776/ASK.2020.39.6.515

ABSTRACT


MAIN

  • I. 서 론

  • II. 대상 축류팬 시스템 분석

  •   2.1 대상 축류팬

  •   2.2 대상 축류팬 실험적 분석

  • III. 수치 해석

  •   3.1 수치 기법 및 해석 도메인

  •   3.2 수치 기법 검증

  • IV. 축류팬 개선 설계

  •   4.1 유량 성능 개선 설계

  •   4.2 소음 성능 개선 설계

  •   4.3 실험적 검증

  • V. 결 론

I. 서 론

냉장고는 제품을 신선하게 유지하고 장기간 보관할 수 있는 기능으로 가정에서 가장 흔히 볼 수 있는 가전기기이다. 다른 가전기기와 달리 24 h 동안 작동하는 특성으로 인하여 냉장고는 제품의 냉장 성능뿐 아니라 소음도 중요한 성능지표로 인식되고 있다. 따라서 관련 제조사와 개발자들 중심으로 이를 향상시키려는 다양한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

냉장고의 다양한 소음원 중 팬 시스템은 유동 순환의 목적에 따라 축류팬 및 원심팬 등으로 구성된다. 그 중 기계실 내의 압축기, 열 교환기 등 기계실 내 주요 부품들의 냉각 및 냉기 순환 역할을 하는 축류팬 시스템은 여러 팬 중 외부에 직접적으로 노출되어 있는 특성으로 인하여 냉장고의 주요 소음원으로 작용하고 있다. 따라서 냉장고의 소음을 저감하기 위해 해당 축류팬 시스템의 냉각 기능을 유지하고 소음을 저감하는 것이 필수적인 요소이다.

이와 관련하여 팬 시스템의 성능을 향상시키기 위한 선행 연구로 Lee et al.[1]은 냉장고의 냉장실 및 냉동실 냉기 순환용 축류팬을 대상으로 전산유체역학을 이용한 음향상사법과 Boundary Element Method (BEM) 방법을 연계해 소음 예측에 대한 수치적 설계 도구로써 유효성을 검증하였다. Ren et al.[2]은 축류팬 시스템의 쉬라우드 형상을 대상으로 허브와의 간격 등 형상 인자들을 인자로 한 최적화 연구를 수행하였다. Gue et al.[3]은 냉장고 기계실 내부 냉각용 축류팬을 대상으로 이중 구조의 팬 날개를 적용하였으며 표면 홈 형상 적용을 통해 소음 저감 연구를 수행하였다. Ryu et al.[4]은 에어컨 실외기용 축류팬 시스템의 오리피스 형상을 최적화 기법을 통해 유량 및 소음 성능을 향상시켰으며, 가상 팬 테스터를 개발하여 수치 해석 유효성을 검증하였다. Shin et al.[5,6]은 원심팬 시스템의 날개 유동 입구각, 출구각 및 내경 형상을 인자로 최적 설계를 수행하였으며, 허브 형상 변경을 통해 와류 유동을 개선하여 성능을 향상시켰다. Heo et al.[7]은 원심팬 날개 뒷전 형상에 기울어진 S 형상을 적용하여 광대역 소음을 저감한 연구를 수행하였다. 또한 Choi et al.[8]은 건조기의 공기배출 역할을 수행하는 원심팬을 대상으로 입구각 및 출구각의 최적 설계를 통해 유량 및 소음 성능을 향상시켰으며, Kim et al.[9]은 원심팬 시스템의 날개 끝-하우징 간격, 벨마우스 형상 변경을 통해 성능을 향상시켰다. Kim et al.[10]은 자동차 시트 냉각용 원심팬을 대상으로 팬 허브 형상과 입구 그릴 형상 개선을 통해 공력 소음을 저감한 연구를 수행하였다. 하지만 이러한 연구의 대부분은 기존 형상을 기준으로 일부 형상을 변경시켜 성능을 개선한 것으로 초기 설계단계에서 활용할 수 있는 성능개선 방법을 제시하지는 못했다.

본 논문에서는 냉장고 기계실 냉각용 축류팬 시스템을 대상으로 초기 설계단계에서 활용할 수 있는 익렬 분석법을 활용하여 유량 성능을 향상시키고 3차원 유동구조의 개선을 위한 표면돌기 형상을 도입하여 공력 소음을 저감하고자 한다. 먼저, 기존 축류팬 시스템의 유량과 소음 성능을 실험적으로 분석하였다. 다음으로 설계단계에서 활용할 수 있는 가상 팬 성능 시험기를 이용하여 유량성능과 소음성능을 예측하고 결과를 실험결과와 비교하여 그 유효성을 화인하였다. 검증된 수치해석기법을 기반으로 유량 성능 향상을 위해 익렬 분석법을 통해 기존 축류팬의 익형 성능을 토대로 효율을 최대화 할 수 있는 피치각을 도출하였다. 새로운 피치각을 적용한 팬의 유량성능을 수치적으로 확인하고, 유량성능이 향상된 축류팬을 대상으로 추가적인 소음 저감을 위하여 날개 표면에 돌기 형상을 적용하였다. 최종적으로, 익형 재설계 및 돌기 형상이 적용된 축류팬 모델의 유량 및 소음 성능이 향상되었음을 실험적으로 검증하였다.

II. 대상 축류팬 시스템 분석

2.1 대상 축류팬

본 연구의 대상 축류팬 시스템은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 냉장고 하단부 기계실 내에서 압축기와 열교환기 사이에 위치해 냉각 기능을 수행한다. 146 mm의 지름과 3개의 날개, 이중 날개 구조 및 5개의 돌기형상이 적용된 형상적 특징을 가지며 Fig. 2에서 확인할 수 있다. 운용 회전 속도는 1,040 r/min이다.

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Fig. 1

(Color available online) Geometry of machine room in refrigerator.

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Fig. 2

(Color available online) Target axial flow fan system.

2.2 대상 축류팬 실험적 분석

대상 축류팬의 유동 성능을 분석하기 위해 Fig. 3(a)에 나타낸 팬 성능 시험기를 이용하여 유량 성능 지표인 P-Q곡선을 도출하였다. 실험에 사용된 팬 성능 시험기는 0.16 Cubic Meter per Minute(CMM)에서 9.467 CMM까지의 유량 측정 범위와 0.6 m × 0.6 m × 1.5 m의 내부 챔버를 가진다. 또한, 팬 성능 시험기는 흡입모드와 배출 모드의 실험 측정 방식을 지니며 본 연구에서는 유동이 유입되는 입구부에서의 부하를 가지는 팬의 성능 시험에 사용되는 흡입모드를 통해 유량 성능을 평가하였다. Fig. 3(b)는 대상 축류팬 시스템의 소음 성능을 평가하기 위해 설정된 반무향실 내 측정 환경을 나타내었다. 반무향실의 크기는 4 m × 4 m × 2.7 m로 차단 주파수는 125 Hz, 배경 소음은 20 dBA 미만 암소음 환경을 가진다. 대상 축류팬의 소음 측정 위치는 팬의 중심을 기준으로 전, 후방 각 1 m 간격으로 측정하였다. 팬 시스템으로부터 토출 유동의 영향을 고려해 전방에서는 45° 위치로 설정하였다. 측정에 사용한 마이크로폰은 B&K 4189 타입으로 측정 전 1000 Hz에서 94 dB의 순음신호를 이용해 교정하였다. 또한, 차단 주파수를 고려하여 150 Hz ~ 20,000 Hz까지의 음압 레벨 성분을 분석한다. 측정한 P-Q곡선과 소음 스펙트럼을 도출하였다.

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Fig. 3

(Color available online) Experimental equipments.

III. 수치 해석

3.1 수치 기법 및 해석 도메인

본 연구에서는 대상 축류팬 시스템의 유동장 및 소음장의 특성을 면밀히 분석하고 개선 설계를 통해 도출되는 축류팬 모델들의 효율적 연구 진행을 위해 전산유체역학을 이용한다. 지배방정식은 아래의 3차원 및 2차원 비압축성 Reynolds Averaged Navier- Stokes(RANS) 방정식을 기반으로 수치 해석을 수행하였다.

(1)
uixi=0.
(2)
t(ui)+ujxj(ui)=-1ρ0pxi+xj[ν(uixj+ujxi)-u'iu'j¯].

팬 유동소음 예측을 위해서는 Ffowcs-Williams and Hawkings(FW-H) 적분식을 사용하였다. Fig. 4는 대상 축류팬 시스템의 유량 및 소음 성능을 보다 정밀하게 분석하기 위해 실제 실험환경을 3차원으로 모사한 가상 팬 성능 시험기를 나타낸다. 해석 영역으로써 개발된 가상 팬 성능 시험기는 입구부와 출구부에 압력 경계 조건이 적용되며 난류에 의한 영향을 모사하기 위한 난류 모델로는 RNG k-ε 모델을 채택하였으며 FW-H 방정식의 적분면을 도시하였다. 유동과 음향 수치 해석을 진행하기 위해 상용 프로그램인 ANSYS FLUENT를 이용하였으며 유동해석 격자는 2,000만 개로 구성하였다. 모멘트 항에 대해서는 2차 풍상차분법, 압력-속도 연성 해석을 위해서는 Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equaitons (SIMPLE) 방법을, 시간적분법으로는 1차 내재적 방법을 사용하였다.

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Fig. 4

(Color available online) Computational domain for 3D numerical analysis.

다음으로 본 연구에서는 기존 축류팬의 익형 유동 성능을 평가하기 위한 2차원 익렬 분석법을 이용하였다. 전산유체역학을 기반으로 한 익렬 분석법은 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 익형을 평형하게 나열하고 2차원 해석을 통하여 팬의 특정 반경위치의 날개 부분의 유동 특성을 분석하는 방법으로 항공기 엔진 내부와 같이 내부유동 환경에 위치한 팬의 성능을 해석하는 방법으로 많이 사용된다. 본 연구의 대상인 냉장고 축류팬처럼 외부유동 환경속에 작동하는 팬의 경우 반경방향 2차 유동의 영향으로 3차원 유동특성으로 인하여 익렬 유동이 가정하고 있는 2차원 유동특성이 약하기 때문에 적용의 유효성이 확인된 바가 없다. 본 연구에서는 기존 축류팬의 여러 반경방향의 위치에서 선정된 익형들의 성능 분석을 위해 2차원 익렬 분석법을 적용하였다. 해석 영역 및 크기는 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 익형의 유동 현상을 충분히 분석할 수 있도록 익형 코드(Chord) 길이의 4배로 구성하였다. 난류 영향을 모사하기 위한 난류 모델은 SST k-ω를 이용한다.

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Fig. 5

Computational domain for 2D cascade numerical analysis.

3.2 수치 기법 검증

본 연구에서 이용된 수치 기법 및 해석 영역의 유효성을 검증하기 위해 예측된 유량 및 소음 성능을 실험값과 비교를 통해 분석한다. 유량 성능의 경우 실험을 통해 도출된 P-Q 곡선과 수치 해석의 무부하(Free delivery) 및 실제 작동 영역의 예측된 유량 성능을 Fig. 6(a)에 도시하였다. 무부하 압력 조건을 적용한 기존 축류팬의 실험 및 수치 해석 비교값은 높은 정확도를 확인할 수 있다. 실제 작동 영역의 압력 조건에서는 측정 결과와 다소 오차가 발생하였지만, 압력 차이의 증가에 따른 유량 성능의 경향성은 실험값과 충분한 상관관계를 가진다고 판단된다. Fig. 6(b)에서는 대상 축류팬의 소음 해석의 유효성을 검증하기 위해 실험 및 수치 해석의 음압 레벨을 도시하였다. 측정 음압스펙트럼에서 대상 축류팬의 전체음압레벨에 Blade Passing Frequency(BPF) 소음원인 이극자 소음원이 주요하게 작용하는 것을 알 수 있으며, 소음 해석을 통해 예측된 저주파 대역에서의 BPF 성분의 정확도가 높은 것을 확인할 수 있다. 이러한 검증 결과를 바탕으로 본 연구에서 이용된 격자와 수치 기법의 유효성을 확인하였으며 축류팬 개발을 위한 설계도구로 활용하였다.

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Fig. 6

(Color available online) Comparison of predicted fan performances with measured ones.

IV. 축류팬 개선 설계

4.1 유량 성능 개선 설계

본 연구에서는 기존 축류팬을 대체하여 유량 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 팬 설계를 위한 2차원 익렬 분석법을 이용하였다.

Fig. 7에서는 기존 팬의 익형 유동 성능을 평가하고 이중 날개 구조에서 단일 구조로 변경을 위해 채택된 반경 방향의 두 위치의 익형들을 나타내고 있으며 반경을 R, 반경 방향 위치를 r로 나타내면 r/R = 0.81, 0.89에 해당하는 지점이다. 기존 축류팬의 돌기 형상을 배제한 단순 익형의 유동 현상을 분석하였다. 익형 유동 성능을 평가하기 위한 지표는 효율을 대변할 수 있는 양항비(Lift to drag ratio)를 사용하였다. 개선 설계 인자로써 익형 형상의 피치각을 선정하였으며 상대 부품과의 간격을 고려해 코드 및 캠버 길이를 기존 축류팬과 동일하게 고정하였다. 본 연구에서는 각 위치에서의 익형의 피치각을 3°, 5°, 7°로 변경하여 양항비 성능 변화를 분석하였으며, Table 1에 설계 인자가 적용된 각 경우의 제원을 나타내었다.

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Fig. 7

(Color available online) Airfoil and pitch angle of original fan.

Table 1.

Design parameters for 2D cascade analysis.

Section (rR) Pitch angle (°)
Original Case1 Case2 Case3
0.81 α α+3 α+5 α+7
0.89 β β+3 β+5 β+7

Fig. 8은 익렬 분석의 수치적 결과를 나타낸다. r/R = 0.81, 0.89 부의 각각에서 기존 피치각에서 3°와 5°가 상승된 익형 모델의 양항비 성분이 가장 우수함을 확인하였다. 이를 토대로 새로운 축류팬의 익형 피치각 재분포를 통해 설계를 수행하였으며, 피치각 재분포 사항을 Fig. 9에서 확인할 수 있다. 이를 적용한 피치각 재설계 축류팬 모델을 Fig. 10에 도시하였다.

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Fig. 8

(Color available online) Comparison of the Lift to Drag ratio by changing pitch angles.

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Fig. 9

(Color available online) Pitch angle redistribution design flow performance improved fan model.

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Fig. 10

(Color available online) Geometry of flow performance improved fan.

유량 성능 개선 모델의 성능을 확인하기 위해 무부하 및 실제 작동 영역에서의 압력 조건을 적용하여 수치 해석을 수행하였다. Fig. 11을 통해 무부하 조건에서는 유량 성능이 3 % 증가하였음을, 실제 작동 영역에서의 압력 조건에서는 26 % 증가함을 확인할 수 있다. 이는 선정된 영역에서의 향상된 익형 양항비 성능을 기준으로 피치각 재분포를 통해 전체적인 팬의 유량 성능이 향상되었다는 것을 의미하고 동시에 익렬 해석의 유효성을 확인 할 수 있다. Fig. 12에서는 기존 축류팬과 유동 성능 개선 모델의 유동 속도장을 비교, 분석한다. 해당 유동 속도장을 통해 개선 축류팬의 유량 성능이 향상됨에 따라 유동 직진 성분이 증가된 것으로 분석된다. 이러한 직진성의 증가는 냉장고 기계실 냉각 성능 증가를 위한 냉각팬의 정성적 지표로 작용한다. 간접적 역할로써 축류팬의 기능으로 주요 성능 지표로 분석된다.

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Fig. 11

(Color available online) Geometry of flow performance improved fan.

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Fig. 12

(Color available online) Comparison of velocity contour of original fan with airfoil modified fan model.

4.2 소음 성능 개선 설계

유량 성능 개선 모델의 공력 소음 저감을 위해 팬 날개의 표면 돌기 형상을 적용하였다. 표면 돌기 형상은 기존 팬에 부착된 형상으로 새로운 팬 날개 형상에 최적형상을 도출하기 위하여 표면 돌기의 수를 인자로 개선 설계를 수행하였다. 유량 성능 개선 모델에 적용된 돌기의 길이는 팬 날개 단면의 코드길이에 따라 비례하는 길이를 가지며 지름 1.8 mm, 끝단 형상은 원활한 유동의 흐름을 고려해 구형을 설계하였다. 돌기 수에 대한 소음 성능의 영향도를 평가하기 위해 5, 6, 7개의 돌기 형상을 적용하여 비교하였다.

돌기 적용 모델의 소음 성능을 분석하기 위해 수치 해석을 수행하였다. Fig. 13은 예측된 소음 성능의 음압 레벨을 나타낸다. 음향장 분석 결과, 돌기 형상이 적용된 모든 모델의 1차 성분을 제외한 모든 BPF 성분이 유량 성능 향상 모델에 비해 저감되었음을 확인하였다. Table 2에서 4차 BPF 성분까지의 저감량을 나타내었다. 이를 통해, 돌기 형상이 6개 적용된 모델의 소음 성능이 가장 우수한 것을 확인할 수 있었으며 본 연구에서의 최종 개선 모델로 선정하였다.

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Fig. 13

(Color available online) Predicted SPLs of original fan and groove-shaped fans.

Table 2.

Comparison of predicted SPLs of BPF of fan models.

Fan model SPL of BPF (dBA)
2nd Order 3rd Order 4th Order
Airfoil modified model X Y Z
Grooved fan (5) X-0.9 Y-2.5 Z-5.5
Grooved fan (6) X-1.9 Y-3.1 Z-5.6
Grooved fan (7) X-0.6 Y-1.9 Z-4.7

최종 개선 모델의 소음 성능이 향상된 원인을 분석하기 위해 축류팬 표면에서의 난류 운동 에너지 분포를 분석하였다. Fig. 14에 나타낸 바와 같이 축류팬 날개 끝단에서의 돌기 형상에서 기존에 비해 난류 운동 에너지 면적이 크게 감소하였음을 확인하였으며, 정량적으로 팬 표면에서 약 3 %의 난류 운동 에너지가 저감되었음을 확인하였다.

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Fig. 14

(Color available online) Turbulent kinetic energy distribution of original and groove-shaped fan.

4.3 실험적 검증

유량 및 소음 성능 개선 설계를 통해 도출된 축류팬의 실험적 검증을 위해 시제품을 제작하였다. 유량 성능 측정을 위해 팬 성능 시험기를 사용하였으며 소음 성능 측정을 위해 반무향실에서의 음압 레벨을 측정하였다.

기존 축류팬의 작동 조건인 1,040 r/min 을 적용하여 측정한 결과, Fig. 15에 나타낸 바와 같이 개선 축류팬의 유량 성능이 실제 작동 압력 조건에서 약 7 % 향상되었음을 확인하였다. 이는 유량 성능과 회전 속도의 비례식인 아래 팬 법칙(Fan law)을 이용해 개선 축류팬의 유량 성능이 기존 축류팬 대비 동등 유량 성능을 나타내기 위해서는 960 r/min의 회전 속도를 갖는 것을 확인할 수 있다.

(3)
VFR1VFR2×RPM2RPM1.

이를 통해 기존 축류팬의 회전 속도에서 약 80 r/min이 저감되었으며, 저감된 회전 속도만큼 소음 성능을 확보할 수 있음을 의미한다.

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Fig. 15

(Color available online) Comparison of measured P-Q and efficiency curves between original and modified fans.

유량 측정 실험을 통해 2가지 회전 속도에서의 소음 측정을 실시하였다. 고려된 회전 속도는 기존 축류팬의 1,040 r/min과 동등 유량 성능을 나타내는 960 r/min이다. 소음 측정 환경은 앞 절에서의 팬 중심에서 1 m 전, 후방에서 측정하는 것이 기준이나, 개선 축류팬의 저감된 소음으로 반무향실의 배경 소음의 영향으로 인해 정확한 저감량을 측정하는 것이 어려운 것으로 판단된다. 이에 따라 개선 축류팬의 소음 측정은 팬 중심에서 전, 후방 0.5 m 간격에서 측정을 실시하였으며 그 결과는 Table 3에서 확인할 수 있다. 이를 통해 동등 유량 성능 회전속도인 960 r/mim에서 개선 축류팬의 음압 레벨이 기존 축류팬 대비 전방 0.7 dBA, 후방 2.2 dBA가 저감되었음을 확인하였다.

Table 3.

Comparison of measured SPL between original and modified fan model.

Rotating speed (r/min) Overall SPL (dBA)
Front Back
Original model Modified model Original model Modified model
1040 X X+1.2 Y Y+1.9
960 - X-0.7 Y-2.2

V. 결 론

본 연구에서는 냉장고 기계실 냉각용 축류팬 시스템을 대상으로 고성능, 저소음 설계 연구를 수행하였다. 먼저, 기존 축류팬 시스템의 성능을 분석하기 위해 팬 성능 시험기를 이용하여 유량 성능을 측정하였으며, 무향실에서 음압 레벨 측정을 통한 소음 성능을 평가하였다. 또한, 축류팬 시스템의 유량 및 소음 성능의 정밀한 분석을 위해 전산유체역학을 기반으로 한 수치 해석을 수행하였으며 실험값과의 비교를 통해 유효성을 검증하였다. 다음으로 새로운 축류팬을 설계하기 위해 2차원 익렬 분석 기법을 이용하여 특정 반경 방향 위치에서의 익형을 추출해 피치각을 인자로 익형 재설계를 수행하였으며, 이를 바탕으로 도출된 유량 성능 개선 모델을 제시하여 수치 해석을 수행한 결과 유량 성능이 약 26 % 증가함을 예측하였다. 또한 도출된 유량 성능 개선 모델의 소음 성능을 향상시키기 위해 돌기 형상을 적용하였으며 돌기 형상 수를 인자로 본 연구에서의 대상 시스템에 적합한 소음 성능 개선 연구를 수행하였다. 수치 해석 결과, 6개의 돌기 형상이 적용된 모델에 대하여 BPF 성분이 포함된 저주파수 대역에서의 음압 레벨 값이 낮아진 것을 예측하였으며 최종 개선 모델을 제시하였다. 마지막으로 개선 축류팬 모델을 시제품을 제작하여 실험을 수행하였으며, 유량 성능이 기존 축류팬 대비 약 7 % 향상됨과 소음 성능 측정 결과 0.5 m 간격에서 전방 0.7 dBA, 후방 2.2 dBA 저감함을 확인하였다.

2차원 익렬 분석법을 통해 피치각의 변경을 기반으로 기존 축류팬의 성능을 개선함으로써 설계단계에서 익렬 분석법을 활용한 축류팬 설계의 가능성을 확인하였다. 또한, 돌기 형상을 통해 소음 성능을 개선할 수 있다는 것을 확인함으로 추후 다양한 팬 시스템의 설계에 적용할 수 있을 것으로 사료된다.

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