에어컨 실외기용 2블레이드 프로펠러 휀의 유동해석 및 저소음화

Abstract

최근 생활 수준이 향상됨에 따라서 쾌적한 생활을 영위하기 위해 에어컨의 사용이 날로 증가하고 있으며, 이러한 에어컨의 보급 증가와 더불어 에어컨에 대한 소비자 불만사항도 늘어나고 있다. 에어컨을 사용함에 있어 발생하는 소비자의 주요 불만사항 중 하나가 소음 문제이다. 분리형 에어컨의 경우 기존에는 실내기에서 발생하는 송풍 소음이 주요 소비자 불만사항이었으나 최근에는 에어컨의 용량이 커지면서 실외기에서 발생하는 소음도 큰 문제가 되고 있으며 그에 따라 실외기에 대한 소음규제도 심해지고 있다. 분리형 에어컨의 실외기 소음특성은 크게 2가지로, 유체역학적 송풍소음(air-born noise)과 구조진동음(structure-born noise)으로 구분되어진다. 송풍소음은 제품에 따라 다소 차이는 있으나 에어컨 실외기인 경우 전체 소음의 약 40∼50%를 차지하고 있으며 스펙트럼상 넓은 주파수 범위에서 고르게 퍼져 있다. 이러한 송품소음은 휀 자체소음, 휀과 오리피스 간의 상호복합적 소음, 그리고 열교환기, 유로 등의 시스템 저항에 의한 흡입소음 등이 주류를 이루고 있다. 그 중 열교환기나 유로 등은 에어컨 용량에 의해 결정되는 사항으로 실외기의 소음 저감을 위해서는 휀 자체의 소음을 줄이는 것이 중요하다. 실외기에 적용되는 프로팰러 휀에서 발생되는 공력소음의 주원인은 휀 블레이드 두께에 의한 단극 소음, 휀 운전 시 발생되는 유체력(정압과 유량)이 작용하는 상태에서 블레이드면의 압력변동으로 인한 소음, 블레이드 사이의 압력변동이 휀의 회전으로 인하여 고정된 오리피스(orifice)와 주기적으로 만나면서 나타나는 블레이드 통과주파수(BPF, blade passing frequency) 소음, 그리고 손실이 있는 유로로 인하여 발생하는 유동장의 와류에 의한 광대역 소음(broadband noise)으로 나눌 수 있다. 본 연구에서는 분리형 에어컨 실외기에 주로 적용되었던 기존의 3 블레이드 이상의 프로펠러 휀과는 다른 2 블레이드 프로펠러 휀에 대한 연구를 수행하였다. 2 블레이드 프로펠러 휀의 경우 저소음, 고효율, 경량화 등의 장점이 있으나 회전수 대비 유량이 작은 단점이 있어서 실외기에 적용되지 못하였다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 본 연구에서는 3차원 난류 모델링을 사용하여 실외기 내부 휀 주위의 유동 특성을 분석하였다. 3 블레이드 휀과 2 블레이드 휀 주위에서 발생하는 와류(vortex)와 난류운동에너지(turbulent kinetic energy)의 특성을 비교 분석하여 2 블레이드 휀의 단점을 극복하는 새로운 형상의 2 블레이드 프로펠러 휀을 제시하였다. 또한 새로 제시된 2 블레이드 프로펠러 휀에 대하여 휀 인자들의 민감도 분석을 통하여 치명인자를 찾아내었고, 그 치명인자에 대하여 반응표면법을 이용한 소음 최적화를 수행하였다. 반응표면법을 이용하여 선정된 최적의 2블레이드 프로펠러 휀의 경우 기존의 2 블레이드 프로펠러 휀 보다 동일 유량에서 소음성능이 5.2 dB 개선되었고, 기존의 3 블레이드 프로펠러 휀 보다는 동일 유량 대비 1.2 dB 개선되었다.