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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김경엽
- 발행연도
- 2019
- 저작권
- 한국산업기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수2
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본 논문은 도로터널 및 50km 이상 초장대 해저터널의 환기 및 배연용 축류홴에 대한 것으로 한 방향 슬림형 제트홴과 임펠러가 2단인 모델축류홴, 임펠러가 단단인 모델축류홴을 연구하였다. 이들 축류홴은 터널 환기방식에 따라 사용 용도가 서로 다르며, 각각의 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
첫째, φ1400 한 방향 슬림형 제트홴은 기존 가역형 제트홴에 비하여 효율은 평균 14% 이상 향상되었고, 전체 중량은 20% 이상 경량화 하여 터널의 설치안전율을 증가시켰다. 토출풍속 30m/s인 φ1400 슬림형 제트홴은 기존의 φ1250 가역형 제트홴에 비하여 풍량은 약 25%가 증가되었으나 모터 동력은 37kW로 동일하다. 삼차원 레이놀즈 평균 나비에-스토크스 해석과 동익 및 정익의 형상을 최적화 하여 설계에 반영하였으며, 동익 각도 및 디퓨져 각도가 성능에 미치는 영향성을 분석하였다. 유동해석과 공력성능시험에서의 전압효율은 각각 88.3%와 86.9%를 얻었으며 국가기술표준원의 단체표준인 축류홴 에너지 효율등급(FEG)에서 최고 등급인 FEG 90을 획득하였다.
둘째, 50km 이상 초장대 해저 터널의 환기 및 장거리 배연용 축류홴으로 해남-제주 가상 해저 터널(길이 108km)의 기술자립을 위한 핵심요소 기술개발에 의해 연구되었다. 축류홴은 임펠러가 2단이며 실축류홴(φ2,650×800kW)의 60.4% 크기인 모델홴이다. 연구 목표는 축류홴 직경 φ1,600, 풍량 2,302m3/min, 압력 2.62kPa(267mmAq), 모터 동력은 160 kW이며, 허브비가 62.8% 임펠러 2개와 허브비가 56.5%인 임펠러 3개 등 총 다섯 개의 임펠러를 제작하여 성능시험을 실시하였다. 여기서 얻어진 압력은 각각 2.72kPa~4.72kPa이며 이때의 전압효율은 69%~74%로 설계효율인 81% 보다 낮게 측정되었다. 그러나 이 축류홴의 특정 모델은 임펠러를 단단으로 설계하여도 실축류홴에서 4.0kPa 이상 압력을 발휘 할 수 있을 것으로 판단하였으며, 여기에서 얻어진 여러 가지 설계 변수들은 단단형 축류홴 설계에 적용하였다.
셋째, 초장대 해저 터널용으로 임펠러가 단단이며 실축류홴(φ3,200×1,500kW)의 62.5% 크기인 모델홴을 연구하였다. 축류홴의 직경이 φ2,000, 풍량 5,220m3/min, 압력 2.81kPa(287mmAq), 모터 동력은 390 kW이며, 허브비가 56%이다. 유동해석과 공력성능시험에서 얻어진 전압효율은 각각 83.6%와 83.1%이며 모델축류홴의 연구목표인 전압효율 81% 보다 +2.1~+2.6%의 높은 값을 얻었다.
2단 및 단단형 모델홴은 φ2,650~φ3,200×885rpm의 실축류홴으로 성능을 환산 할 경우 4.0kPa 이상의 압력을 발휘할 수 있으며, 50km 이상 초장대 해저 터널의 환기 및 배연용 축류홴으로 충분히 사용이 가능할 것으로 판단하였다.
첫째, φ1400 한 방향 슬림형 제트홴은 기존 가역형 제트홴에 비하여 효율은 평균 14% 이상 향상되었고, 전체 중량은 20% 이상 경량화 하여 터널의 설치안전율을 증가시켰다. 토출풍속 30m/s인 φ1400 슬림형 제트홴은 기존의 φ1250 가역형 제트홴에 비하여 풍량은 약 25%가 증가되었으나 모터 동력은 37kW로 동일하다. 삼차원 레이놀즈 평균 나비에-스토크스 해석과 동익 및 정익의 형상을 최적화 하여 설계에 반영하였으며, 동익 각도 및 디퓨져 각도가 성능에 미치는 영향성을 분석하였다. 유동해석과 공력성능시험에서의 전압효율은 각각 88.3%와 86.9%를 얻었으며 국가기술표준원의 단체표준인 축류홴 에너지 효율등급(FEG)에서 최고 등급인 FEG 90을 획득하였다.
둘째, 50km 이상 초장대 해저 터널의 환기 및 장거리 배연용 축류홴으로 해남-제주 가상 해저 터널(길이 108km)의 기술자립을 위한 핵심요소 기술개발에 의해 연구되었다. 축류홴은 임펠러가 2단이며 실축류홴(φ2,650×800kW)의 60.4% 크기인 모델홴이다. 연구 목표는 축류홴 직경 φ1,600, 풍량 2,302m3/min, 압력 2.62kPa(267mmAq), 모터 동력은 160 kW이며, 허브비가 62.8% 임펠러 2개와 허브비가 56.5%인 임펠러 3개 등 총 다섯 개의 임펠러를 제작하여 성능시험을 실시하였다. 여기서 얻어진 압력은 각각 2.72kPa~4.72kPa이며 이때의 전압효율은 69%~74%로 설계효율인 81% 보다 낮게 측정되었다. 그러나 이 축류홴의 특정 모델은 임펠러를 단단으로 설계하여도 실축류홴에서 4.0kPa 이상 압력을 발휘 할 수 있을 것으로 판단하였으며, 여기에서 얻어진 여러 가지 설계 변수들은 단단형 축류홴 설계에 적용하였다.
셋째, 초장대 해저 터널용으로 임펠러가 단단이며 실축류홴(φ3,200×1,500kW)의 62.5% 크기인 모델홴을 연구하였다. 축류홴의 직경이 φ2,000, 풍량 5,220m3/min, 압력 2.81kPa(287mmAq), 모터 동력은 390 kW이며, 허브비가 56%이다. 유동해석과 공력성능시험에서 얻어진 전압효율은 각각 83.6%와 83.1%이며 모델축류홴의 연구목표인 전압효율 81% 보다 +2.1~+2.6%의 높은 값을 얻었다.
2단 및 단단형 모델홴은 φ2,650~φ3,200×885rpm의 실축류홴으로 성능을 환산 할 경우 4.0kPa 이상의 압력을 발휘할 수 있으며, 50km 이상 초장대 해저 터널의 환기 및 배연용 축류홴으로 충분히 사용이 가능할 것으로 판단하였다.
목차
목 차목 차 ⅰList of Tables ⅴList of Figures ⅷNomenclature xⅵ국문요약 x x제 1 장 서론 11.1 연구 배경 및 목적 11.2 관련 문헌 조사 51.3 연구 내용 81.3.1 슬림형 제트홴 81.3.2 2단 및 단단형 축류홴 91.4 논문구성 12제 2 장 터널 환기 및 방재 142.1 도로 및 해저터널의 환기 및 방재 목적 142.2 도로터널의 환기 162.2.1 환기의 개요 및 목적 162.2.2 환기방식의 종류 192.3 해저터널의 환기 332.3.1 환기의 개요 및 목적 332.3.2 가상 해저터널의 환기 계획 352.3.3 가상 해저터널의 환기 시스템 관련 기준 382.3.4 가상 해저터널의 환기 및 방재 계획 43제 3 장 축류홴의 이론 및 해석방법 483.1 축류홴의 특징 483.2 축류홴의 구조 483.3 축류홴의 성능특성 513.4 축류홴의 기본이론 513.4.1 임펠러의 익형 523.4.2 축류홴 익 이론 573.5 수치해석 623.5.1 유동해석 과정 623.5.2 유동해석 방법 623.5.3 수치해석 64제 4 장 슬림형 제트홴 654.1 기존 제트홴 및 슬림형 제트홴 제원 654.2 슬림형 제트홴의 구조 694.2.1 본체 케이싱 694.2.2 소음기 714.2.3 흡입 벨마우스 724.2.4 정익 744.2.5 임펠러 형상 744.3 슬림형 제트홴 유동특성분석 774.3.1 유동해석 방법 784.3.2 성능시험 및 수치해석 결과 비교 814.3.3 동익 피치각도 변화의 영향성 분석 814.3.4 토출 디퓨저 각도의 영향성 분석 954.4 슬림형 제트홴의 공력성능시험 984.4.1 시험장치의 규정 984.4.2 흡입 노즐 벤투리 시험장치에 의한 제트홴 성능시험 방법 984.4.3 슬림형 제트홴 성능시험 결과 1044.5 슬림형 제트홴 내열성능시험 1084.5.1 제트홴의 내열성능시험의 필요성 1084.5.2 제트홴의 내열성능시험방법 1094.5.3 내열온도 시험장치의 설계 1094.5.4 슬림형 제트홴의 내열성능시험 결과 1134.6 결언 116제 5 장 해저터널용 2단 모델축류홴 1175.1 2단 모델축류홴의 설계 1175.1.1 모델축류홴 선정 기준 1175.1.2 레이놀즈수 검토 1185.1.3 원주속도 마하 파라미터 검토 1195.2 2단 모델축류홴의 성능시험 1205.2.1 1차 모델축류홴 1205.2.2 2차 모델축류홴 1285.3 1차 및 2차 모델축류홴의 성능시험 비교 1365.3.1 송풍기 상사법칙을 이용한 성능환산 1365.3.2 1차 및 2차 모델축류홴의 성능시험 분석 1375.4 결언 144제 6 장 해저터널용 단단 모델축류홴 1456.1 모델축류홴의 기본 및 역설계 1456.1.1 모델축류홴의 동역학적 상사성 검증 1466.1.2 모델축류홴의 기본 설계 1486.1.3 임펠러 형상의 역설계 1516.2 모델축류홴의 내부유동 특성 분석 1586.2.1 형상 및 경계조건 1586.2.2 유동해석 1596.2.3 유동해석 결과 1706.3 모델축류홴의 공력성능시험 1716.3.1 성능시험장치의 구성 1716.3.2 성능시험 비교 검토 1736.4 결언 186제 7 장 결 론 187참고문헌 189Abstract 193
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