팬(fan) 설계를 한다고 하면 흔히들 날개 형상이나 회전 속도 같은 요소를 먼저 떠올릴 것이다. 하지만 팬 주변의 ‘보조 구조물’이 성능과 소음에 얼마나 큰 영향을 줄 수 있는지는 의외로 잘 알려져 있지 않다.
오늘은 그중에서도 축류 팬(axial-flow fan)에 부착되는 공기 유도 링(air-guided ring)이라는 구조물이 팬의 성능을 어떻게 변화시키는지를 다룬 한 편의 연구를 소개하고자 한다.
“공기 유도 링이 바꾸는 축류 팬의 미래: 팬 설계 최적화를 위한 수치적 탐색“
- 서론 – 왜 팬 주변 구조를 주목해야 하는가?
- 축류 팬은 냉각, 환기, HVAC 시스템 등 다양한 분야에 필수적인 구성요소이며, 특히 압력 손실 최소화, 소음 저감, 에너지 효율 향상은 팬 설계의 핵심 목표이다.
- 전통적인 팬 설계 연구는 주로 블레이드 형상, 회전수, 허브비, 유입 조건 등에 집중해 왔다.
- 그러나 팬 블레이드와 하우징 사이의 팁 간극 영역에서 발생하는 tip leakage vortex는 성능 저하와 소음의 주요 원인 중 하나이다.
- 이에 대해 연구팀은 팬 주변에 설치된 공기 유도 링(air-guided ring)의 구조를 설계 변수로 설정하여 유동장 제어 및 소음 완화에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.
- 연구 개요 – 주요 변수와 해석 기법
2.1 설계 변수
본 연구에서는 공기 유도 링의 다음 세 가지 파라미터를 독립 변수로 설정함:
- L: 축방향 너비 (Axial Width of Guide Ring)
- R1: 전방 가이드 링 반지름 (Front Radius)
- R2: 후방 가이드 링 반지름 (Rear Radius)
2.2 해석 조건 및 기법
- CFD 해석: RANS + k-ε 모델 (정상상태), LES (비정상 상태)
- 회전 영역 처리: MRF (Multi-Reference Frame)
- 격자 수: 약 2.8M 셀로 수렴성 확보
- 소음 해석: FW-H 방정식 기반 SPL 계산, 7개 수신점에서 평가
- 정량적 평가 지표:
- 유량 Q (Volume Flow Rate)
- 입출구 압력차 ΔP (Total Pressure Difference)
- 방사음압 Sound Pressure Level @ D
- 단일 인자 분석 결과 – 성능과 소음에 미치는 영향
3.1 L – 축방향 너비의 영향
- L이 증가할수록 ΔP와 Q 모두 증가함
- L = 60 mm → 100 mm로 증가 시:
- 압력차 약 16.8% 증가
- 유량 약 7.4% 증가
- 소음 측면에서도 L이 작을수록 SPL이 낮아지지만, L < 70 mm 구간부터 감소 폭이 미미
⮕ 성능과 소음 간의 trade-off 존재
⮕ L의 최적값은 소음 저감과 성능 향상을 모두 고려해 설정 필요
3.2 R1 – 전방 반지름의 영향
- R1이 0 → 30 mm로 증가할 때, ΔP는 2.7% 증가, Q는 1.8% 증가
- SPL은 전체적으로 감소하지만, 20 mm 이상부터는 감소율 둔화
⮕ 입구 유동의 난류 및 손실을 감소시키는 역할
⮕ 소음에 미치는 영향은 점진적으로 포화됨
3.3 R2 – 후방 반지름의 영향
- R2가 증가할수록 ΔP 및 Q 감소
- 소음은 R2 = 20 mm에서 최고점을 기록한 뒤 감소
⮕ R2는 성능에는 부정적, 소음에는 비선형적 영향
⮕ 후방의 확산 형상이 tip vortex 형성에 간섭
- 직교배열 실험 – 복합 변수 조건에서의 최적 설계 도출
4.1 실험 설계
- L16(4³) 직교배열 → 3요인(L, R1, R2) × 4수준
- 수신점 D의 SPL을 종합 평가 지표로 사용
4.2 주요 결과 요약
| 인자 | 영향력 순위 | Range |
| L | 1위 | 1.35 |
| R1 | 2위 | 0.99 |
| R2 | 3위 | 0.48 |
- 최적 조합: L = 70 mm, R1 = 20 mm, R2 = 10 mm
- 기존 대비 SPL 감소: 최대 5.1%
- 결론 및 시사점
- 가이드 링의 구조적 설계는 단순 보조요소가 아닌, 팬 성능과 소음 제어의 핵심 설계 변수로 기능함
- 특히 축방향 너비 L은 성능과 소음을 동시에 제어할 수 있는 가장 민감한 인자
- 실험적 접근이 어려운 팁 유동 현상을 CFD 기반 수치해석과 음향모델을 통해 정량적으로 설명한 점에서 의의 있음
- 향후 연구에서는 가이드 링과 블레이드의 일체화 설계, 블레이드 형상 변화와의 상호작용, 실험적 검증과의 연계 등이 고려될 수 있음
마무리하며 – “팬 설계의 미시 구조를 다시 보다”
팬 설계를 할 때 우리는 블레이드 형상이나 회전수에 집중하기 마련이지만, 본 연구는 팬 주변의 작은 구조물—가이드 링—이야말로 팁 유동의 핵심 제어 장치임을 보여준다. 팬의 소음은 날개의 형태보다, 날개 끝 주변의 구조에서 시작될 수 있다. 팬 및 터보기계 분야의 연구자라면, 이 연구를 계기로 팬 외부 구조물의 능동 제어 가능성을 다시 한 번 고민해볼 만하다. 단지 유동의 전달자가 아닌, 유동의 조율자로서 팬을 바라보는 시선이 필요한 시점이다.
공기 유도 링(air-guided ring)이란?
블레이드 주변의 유동 흐름을 제어하기 위해 의도적으로 설계된 고정된 반지형 구조이다.
공기 유도 링(air-guided ring)의 정의
공기 유도 링은 축류 팬(또는 블로어)에서 팬 날개의 외주부 근처, 특히 날개 끝(tip)과 하우징 사이의 팁 간극(tip clearance)에 설치되어, 유동을 정렬하고 누설류(leakage flow)를 제어하며 와류 형성을 억제하기 위한 고정된 원형 구조다.
보통 다음 두 위치에 설치된다:
- 전방(front): 팬 입구 쪽, 유입 유동을 정렬하고 안내함
- 후방(rear): 팬 출구 쪽, 유동 확산을 제어하고 와류 강도를 줄임
구조적 특징
연구에서 정의된 공기 유도 링은 다음과 같은 주요 파라미터로 형상화된다:
| 파라미터 | 설명 |
| L | 공기 유도 링의 축방향 길이 (Axial width) |
| R1 | 전방 공기 유도 링 반지름 (Front radius) |
| R2 | 후방 공기 유도 링 반지름 (Rear radius) |
| 두께 | 일반적으로 수 mm 수준의 얇은 판 형태 (예: 0.7 mm) |
※ 개념적으로는 위와 같이 블레이드 외주를 감싸는 구조이며, 팬 블레이드와는 일체형이 아닌 고정 구조물이다.
작동 원리 및 기능
- 팁 누설류 제어
- 팬 블레이드 끝은 구조상 하우징과 접촉하지 않기 때문에, 팁 간극을 통해 고압 유체가 저압 영역으로 누출되며 강한 와류를 형성하게 됨.
- 유도 링은 이 영역의 유동을 정렬하거나, 간접적으로 막음으로써 누설류를 줄이고 성능 손실을 완화함.
- 소음 저감
- 팁 누설류로 인해 형성된 와류는 팬에서 방사되는 난류 소음(turbulent noise)의 주요 원인.
- 유도 링은 팁 와류 발생 구간의 유동을 정돈하여 회전 소음과 고주파 소음 발생을 억제함.
- 성능 향상
- 입구 쪽 유도 링(R1)은 유체의 유입 각을 안정화시켜 블레이드 앞전 유동의 손실을 줄이고,
- 출구 쪽 유도 링(R2)은 유출되는 유동의 확산을 제어하여 전체 압력 회복과 흐름 효율 향상에 기여함.
유사 개념과의 차이
| 용어 | 차이점 |
| Shroud | 블레이드를 외부에서 완전히 감싸는 폐쇄형 구조 (완전 밀폐 팬) |
| Tip winglet | 블레이드 끝에 장착된 날개 구조로 유동 제어를 직접 수행 |
| Guide vane | 블레이드 전후에서 유입/유출 유동 각도를 제어하는 회전/고정 날개 구조 |
| Air-guided ring | 팬 팁 근처에 배치된 고정형 원형 구조로, 팁 유동을 간접적으로 제어 |
공기 유도 링은 팬 성능 최적화를 위한 정밀 제어 장치로서, 팬 날개의 중심이 아닌 말단부의 유동 상태를 적극적으로 관리하는 설계 전략이다.
Air-guided ring은 팬의 캐이싱 또는 덕트와 다른 것인가?
Air-guided ring(공기 유도 링)은 팬의 외부 구조물인 캐이싱(casing)이나 덕트(duct)와는 기능적·구조적으로 구별되는 별도의 구성 요소다.
용어 비교: Air-Guided Ring vs. Casing vs. Duct
| 구성 요소 | 기능 요약 | 팬과의 관계 | 구조적 특징 |
| Air-Guided Ring 공기 유도 링 |
팁 유동 제어, 성능 개선, 소음 저감 | 팬 내부에 설치된 보조 구조물 | 팬 날개 외주부 근처에 부분적으로 배치, 주로 얇고 곡선형 |
| Casing 케이싱 |
팬을 둘러싸며 기계적 보호와 고정 기능 수행 | 팬의 외부 전체를 감싸는 하우징 | 견고한 재질로 된 고정된 외피. 팬의 구조적 프레임 |
| Duct 덕트 |
유입/배기 유동을 안내함 (유동경로 형성) | 팬 입구 또는 출구에 연결되는 유동 경로 | 직선 또는 곡선형의 통로 구조로 길고 연속적 |
구조적 차이 예시
[Inlet Duct] → [Fan Casing 내부] → [Fan Blade + Air-Guided Ring] → [Outlet Duct]
- Air-Guided Ring은 팬 블레이드 가까이, 특히 팁(tip) 부근에 부착되어 팁 누설류 제어, 유동 정렬, 와류 억제 등의 역할을 수행.
- 반면 Casing은 팬 전체를 외부로부터 보호하고 장착 및 지지를 위한 기계적 프레임 역할을 함.
- Duct는 공기를 팬 쪽으로 유도하거나 내보내는 유동 통로일 뿐, 내부 유동 제어 기능은 수행하지 않음.
핵심 요약
| 질문 | 답변 |
| Air-guided ring이 팬의 casing인가? | 아니요. casing은 팬 외곽 구조이고, air-guided ring은 팬 블레이드 팁 근처의 보조 구조물이다. |
| Duct와 동일한가? | 아니요. duct는 유동 경로만 형성하며, 팁 유동이나 소음 제어 기능은 없다. |
| 그럼 air-guided ring은 어디에 설치되나? | 팬 블레이드 외주부, 특히 팁 간극 주변에 고정되어 유동을 정렬하고 손실을 제어하는 구조물이다. |
Air-guided ring은 “기계적 보호“나 “공기 운반“이 아닌, 팬 내부 유동장 내에서의 공력적 성능 향상 및 소음 제어를 위한 매우 기능적인 설계 요소로 이해해야 정확하다.
논문에서 사용된 직교배열 실험(L16)은 여러 설계 변수들이 팬 성능에 미치는 영향을 효율적이고 체계적으로 분석하기 위한 실험계획법(Design of Experiments, DOE) 중 하나다. 히 공학 설계에서 복수의 인자와 수준을 갖는 복잡한 실험을 빠르게 수행하고, 각 인자의 영향력과 최적 조합을 파악할 때 자주 사용된다.
직교배열 실험(Orthogonal Array Experiment)이란?
- **여러 인자(factors)**가 결과에 미치는 영향을 동시에 평가하기 위해 고안된 정형화된 실험 설계 방법이다.
- 모든 인자의 조합을 실험하지 않고도 중요한 정보를 얻을 수 있도록 구성되어 있어, 시간과 계산 비용을 절약할 수 있다.
- **‘직교성(orthogonality)’**이란, 각 인자의 효과가 다른 인자의 영향 없이 독립적으로 비교될 수 있도록 배열을 설계하는 원리를 의미한다.
L16의 의미
- L16(4³)에서:
| 구성요소 | 의미 |
| L16 | 총 16개의 실험 조합 (행 개수) |
| 4³ | 3개의 인자 각각이 4개의 수준(level)을 가짐 |
즉, 이 실험은 다음 조건을 만족한다:
- 인자: 3개 (예: L, R1, R2)
- 수준: 각 인자당 4수준 (예: L = 70/80/90/100 mm)
- 총 실험 조합 수: 전체 조합은 4×4×4 = 64개지만 → 직교배열은 16개 조합만으로 대표성을 갖도록 설계
직교배열 예시 (논문 기준)
| 실험번호 | L(mm) | R1(mm) | R2(mm) |
| 1 | 100 | 0 | 0 |
| 2 | 100 | 10 | 10 |
| 3 | 100 | 20 | 10 |
| 4 | 100 | 30 | 30 |
| … | … | … | … |
| 16 | 70 | 30 | 0 |
- 이처럼 균형 있게 모든 조합이 분포되도록 설계되어, 효과적으로 인자 간 상호작용과 주효과(main effect)를 추정할 수 있음.
직교배열을 사용하는 이유
| 장점 | 설명 |
| 실험 횟수 절감 | 전체 조합을 수행하지 않고도 신뢰도 높은 결과 도출 |
| 인자 영향 정량화 | 각 인자가 출력값에 미치는 영향을 독립적으로 평가 가능 |
| 최적 조건 도출 | 출력값(예: 소음 최소화)에 유리한 인자 조합 도출 |
| 신뢰성 있는 분석 | 분산분석(ANOVA)과 연계하여 통계적 해석 가능 |
직교배열 실험(L16)은 팬의 성능이나 소음에 영향을 미치는 여러 설계 요소를 최소한의 실험/시뮬레이션으로 분석하고, 최적 조합을 도출하기 위한 효율적인 실험 설계법이다.
참고 논문
Lixiao Chen et al., Influence of air-guided ring structure on performance of axial-flow fan, Journal of Physics: Conference Series, Vol. 2775, 2024. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2775/1/012040
