고성능 엇회전식 축류팬의 공력 설계를 위한 전산 해석 및 실험

Abstract

엇회전식 축류팬의 공력설계를 위해 자오면 유동 해석, 준3차원 관통 유동해석, 공력 해석 및 성능 예측 그리고 성능 및 유동장 측정 실험을 수행하였다. 엇회전식 축류팬의 전단 동익과 후단 동익 블레이드는 주어진 설계요구조건을 고려하여 단순 자오면 유동해석 기법에 반경평형 방정식과 자유와 유동조건을 적용하여 설계되었다. 자오면 유동해석 기법을 통해 설계된 엇회전식 축류팬은 행렬법과 주파수영역 패널법에 의해 전산해석 되었다. 그리고 엇회전식 축류팬의 공력설계에 이용된 전산해석 기법을 검증하기 위해 KS B 6311의 표준화된 방법에 따라 성능 측정 실험이 수행되었다. 엇회전식 축류팬의 정상 및 비정상 3차원 유동장은 5공 프로브와 45도 경사열선으로 측정되었다. 엇회전식 축류팬의 전단 동익의 형상각 분포는 기존의 축류팬 블레이드와 유사한 경향을 나타냈지만, 후단 동익 블레이드는 전단 동익 블레이드에 비해 상대적으로 매우 작은 형상각 분포를 나타내었다. 그리고 엇회전식 축류팬의 전단 동익과 후단 동익 블레이드의 설계변수인 허브비는 테이퍼비와 현절비에 비해 성능특성에 중요한 변수로 작용하였다. 엇회전식 축류팬의 전단 동익과 후단 동익 블레이드의 자오면 속도와 상대 속도는 허브에서 팁 방향으로 갈수록 블레이드 전연에서 크게 발생하였고, 이 결과로 인해 전단 동익과 후단동익 블레이드의 전연에서 역압력 구배가 발생되게 되었다. 또한, 엇회전식 축류팬은 전기모터에 의해 구동되므로 공력 설계시 모터 등에 의한 유동 손실 등을 고려하여 블레이드 형상과 허브 형상의 최적화가 필요함을 확인하였다.; A study was done on the numerical and experimental analyses for the aerodynamic design of high performance of counter rotating axial fans. Front rotor and rear rotor blades of a counter rotating axial fan are designed by using the simplified meridional flow analysis method with the radial equilibrium equation and the free vortex design condition, according to design requirements. The through-flow fields and the aerodynamic characteristics of the designed rotor blades are analyzed by using the matrix method and the frequency domain panel method. Fan performance curves are measured by following the standard fan testing method, KS B 6311. Three-dimensional steady/unsteady flow fields in the counter-rotating axial flow fan are analyzed by using the prism type fivehole probe and the inclined hot-wire probe. Performance characteristics of a counter rotating axial flow fan are estimated for the variation of design parameters such as the hub to tip ratio, the taper ratio and the solidity. The effect of the hub to tip ratio on the fan efficiency is significant compared with the effects of other design parameters such as the taper ratio and the solidity. The magnitudes of the meridional and relative velocities on the front and rear rotors are increased with the radial direction from hub to tip. This results in the reverse pressure gradient at the blade leading edges of both the front rotor and the rear rotor. Because the front rotor rotates reversely with the rear rotor using the electric motor, the aerodynamic design of the blade and the hub requires the consideration of the pressure loss by the electric motor.