Development of Engine Room Cooling Fan

건설기계 엔진룸 저소음 냉각홴 개발

1. 서론

토목·건축공사와 하천·도로 및 기타 시설을 유지·관리하는 건설기계는 큰 동력을 이용한 작업으로인해 불가피하게 발생하는 소음 피해를 최소화하기 위해 환경, 보건 관점의 소음규제를 받고 있다. 미국 OSHA (Occupational Safety and Health Administration)는 건설현장 작업자의 건설장비소음에 노출되는 시간, 소음레벨, 근접정도에 따른 위험성을 제시하고 있으며, 소음레벨이 85dBA 내에서 작업하는 것을 권고하며 최대허용레벨은 90dBA이다¹⁾. 그러나 거의 모든 건설기계 특히 굴삭기, 지게차, 로더, 지게차는 작업 반경 밖에서도 최대허용치를 상회하고 있다.

국내에서는 2014년 이후 매 4년 단위로 건설기계출력에 따른 음향파워레벨의 관리기준을 강화해 오고 있으며, 이에 따른 ‘건설기계소음표시 권고제’를 시행하고 있다²⁾.

건설기계장비소음은 진동에 의한 구조기인소음 (structure-borne noise). 압력 맥동 혹은 섭동에 의한 유체기인소음 (fluid-borne noise), 그리고 공기 매질을 통한 음향전파의 공기기인소음(air-borne noise) 세가지로 나누어 볼 수가 있다. 본 연구에서는 압력 섭동에 의한 유체기인소음원 중 가장 엔진룸 소음에 기여도가 높은 엔진룸 냉각홴 소음특성을 분석하며, 이의 저감을 위한 저소음 냉각홴 설계를 살펴보고자 한다.

2. 지게차 엔진룸 소음특성

2.1 지게차 방사소음 특성

화물을 싣거나 내리기 위하여 유압을 이용한 승강 또는 경사가 가능한 하역용의 포크를 차체 전면에 갖춘 지게차는 내연기관뿐만 아니라 배터리방식, 전기/엔진 겸용방식, 연료전지 방식 등 다양한 방식으로 운용되고 있다. 본 연구에서는 대표적인 내연기관 엔진룸의 4톤 지게차 소음특성을 분석하기 위해 Fig. 1과 같이 음향카메라를 이용하여 지게차 엔진룸 방사소음을 측정하였다.

Fig. 1 Noise Radiation Pattern from Engine Room Measured by Acoustic Camera

상기 엔진룸 방사소음원 위치로부터 엔진룸 주소음원은 냉각홴이며, 냉각홴과 열교환기를 통과후 배출되는 통기구룰 통해 대부분의 소음이 배출됨을 알 수가 있다. Fig. 2에는 엔진룸 외부형상과 홴 위치를 나타낸 3D 모델링이 나타나 있고, 이를 바탕으로 음향격자(Acoustic mesh)와 구조격자(Structure mesh)를 설정하여 BEM 해석을 진행하였다.

 

Fig. 2 3D CAD Modeling of Forklift Frame and Engine Room

Fig. 3에는 엔진룸 홴 유동을 CFD 해석을 수행한 결과를 FW-H방정식³⁾을 이용하여 소음원으로 변환한 후 계산된 음장과 측정된 홴소음원 특성을 이극자모델로 가정하여 구한 음장결과가 비교되어 있다. 두 결과는 비슷한 내부 음장의 분포를 나타내므로, 불균일 입구 유동의 엔진룸 홴은 이극자 소음원 특성을 갖음을 알 수가 있다.

 

Fig. 3 Acoustic Analysis of Noise Radiation of CFD Data as Noise Source of Forklift Cooling Fan in Engine Room at BPF

2.2 자연모사 홴날개의 설계

본 연구에 사용된 홴의 기본모델은 현대건설기계에서 제공한 직경 (D) 500 mm 이며, 날개갯수 (Z) 가 7개인 축류홴이다. 이 양산제품 홴은 정격 회전수 1,900 rpm 의 설계점 20mmAq 정압에서 유량 8,200 CMH를 나타낸다. 본 연구에서는 이 홴의 기본적인 비속도, 비직경을 이용하여 성능과 소음 개선을 위해 단계별로 대표적인 3개의 모델을 개발하였다. Fig. 4에는 매 단계별로 개발된 홴의 형상이 나타나 있다.

Fig. 4 Fan Geometric Configurations of Base Model and Designed Models

Base 모델의 날개단면은 Arc형태의 에어포일로서 날개허브에서 끝단까지 51.9° 에서 29.7° 의 설치각 분포를 가지며, 날개스윕각은 없는 형태이다. 1단계 개발홴은 NACA 캠버 에어포일로서 약 2%의 날개 두께를 가지며, 날개허브에서 끝단까지 45.0° 에서 26.0°의 설치각 분포 그리고 30o 의 스윕각을 갖는다. 2단계 개발홴은 날개허브에서 끝단까지 날개두께는 11.8%~2.9% 그리고 설치각은 46.3° 에서 28.7° 의 분포, 30° 의 스윕각을 갖는다. 3단계 개발홴은 독수리날개 기반 캠버익형으로 날개허브에서 끝단까지 날개두께는 3.58%~1.35% 그리고 설치각은 46.3° 에서 28.7° 의 분포, 0° ~30° 의 전진-후진-전진의 스윕각을 갖는다. 특히 3단계 개발홴은 열교환기 가운데로 냉각유량이 보내지도록 허브, 증간, 끝단의 곡률반경이 달라지게 하기 위해 스윕각을 θ=θ₀[r²+\(\epsilon\)·sin(3.5πr)]의 분포를 갖도록 설계하였다. Fig. 5에는 3단계 개발에서 사용된 독수리 익형모델의 개발단계가 나타나 있다.

Fig. 5 Eagle-wing Airfoil and Modified Airfoil with thicker T.E.

2.3 자연모사 홴날개의 성능 및 소음특성

엔진룸 냉각홴은 Fig. 6에 나타난 바와 같이 홴과 슈라우드에 설치된 벨마우스와의 붙임비에 따라 성능 및 소음 특성이 변화한다. Fig. 7에는 홴의 슈라우드 내 묻힘비에 따른 성능특성 및 음향파워레벨의 변화가 나타나 있다. 묻힘비 (X/H)가 0.7일 때 성능과 소음특성이 가장 우수함을 알 수가 있다.

Fig. 6 Air-cooling/Water-cooling Heat Exchanger and Shroud

Fig. 7 Fan Performances and Sound Power Levels with respect to Submerged Ratio of X/H

Fig. 8에는 벨마우스 직경에 따른 성능의 변화 즉 간극비 (ε/D)에 따른 성능의 변화가 나타나 있다. ε/D가 3%에서 2.5%로 감소시 20mmAq의 설계점에서 2.5% 풍량증가가 나타났다. Fig. 9는 다양한 형태의 스윕각 변화 패턴에 대한 성능시험 결과가 나타나 있다. 이로부터 개발된 독수리 익형캠버기반의 날개(두깨분포는 NACA형태)는  θ=θ₀[r²+\(\epsilon\)·sin(3.5πr)]의 분포시 가장 우수한 성능특성을 나타냄을 알 수가 있다.

 

Fig. 8 Fan Performance with respect to Clearance Ratio (ε/D)

Fig. 9 Measured Fan Performances for Cases of Sweep Angle Pattern

또한 스윕각 θ=θ₀[r²+\(\epsilon\)·sin(3.5πr)]의 θo 에 대해서는 Fig. 10에 나타난 형상에 대해 θo 가 증가함에 따라 동일풍량기준 소음레벨이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 날개후단 와동소음이 감소한 결과로 판단된다.

Fig. 10 Different Sweep Angle Models

4. 결론

본 소고에서는 건설현장 작업자에 대한 건설장비 엔진룸 방사소음 중 토널 소음 특성으로 가장 영향이 큰 냉각홴 소음특성을 살펴보았으며, 이의 저감을 위해 독수리 날개익형 캠버 기반의 에어포일 날개 개발결과를 설명하였다. 최종 개발홴은 열교환기 가운데로도 냉각유량이 보내짐으로 가능한 균일한 냉각이 일어나도록 날개 허브, 중간, 끝단의 곡률반경이 달라지도록 하는 스윕각 분포를 적용하였다.

3단계 모델은 한국기계전기전자시험연구원에서 공인인증 시험을 통해 정격회전수 및 기준 설계점(20mmAq)에서 풍량 10,000CMH, 홴전압효율 66.5%를 확인하였으며, 8,400 CMH 풍량기준으로 음향파워레벨 83 Lw_A의 저소음을 달성하였다. 이는 기존 모델 대비 20% 이상의 전압효율 증가 및 5dBA 이상의 획기적 소음저감 모델로서 향후 내구성과 신뢰성의 확보시 건설기계 엔진룸 방사소음의 저감에 큰 기여가 예상된다.