연료전지 자동차용 원심형 블로워의 유동소음 특성에 관한 실험적 연구

Abstract

연료전지 자동차는 산소와 수소의 전기화학적 반응을 통해 전력을 생산하고, 이를 동력원으로 이용하여 구동된다. 차량 내부에 엔진이 존재하지 않으며, 기존 차량에서 발생하는 연소소음이나 기계소음이 없다. 대신, 산소를 공급하는 원심형 블로워가 존재하여 차량 소음의 가장 큰 문제가 된다. 최근 성능 중심적 요구 뿐 아니라 쾌적한 환경에 대한 요구가 증가하면서 원심형 블로워에 대한 소음 연구가 활발히 이루어지고 있다. 소음 발생의 메커니즘을 규명하고, 이를 저감시키기 위한 많은 연구가 수행되었다. 본 연구는 연료전지 자동차용 원심형 블로워의 유동소음 특성을 실험적으로 연구하였다. 벽 압력신호와 유동소음 간의 연관성에 착안하여, 벽 압력신호를 바탕으로 유동소음 특성을 파악하고자 하였다. 마이크를 이용하여 전체방사소음을 측정하고, 정압센서를 이용하여 벽 압력신호를 측정하였다. 두 신호 간 비교를 통해 벽 압력신호와 유동소음 간의 연관성을 확인하였다. 이후 벽 압력신호를 바탕으로 회전속도와 유량계수에 따른 블로워의 유동소음 특성을 분석하였다. 벽 압력신호와 전체방사소음은 유량계수에 따라 변화하는 음압레벨의 형태가 유사하다. 또한 저주파수 영역에서 나타나는 피크 주파수의 위치와 상대적인 크기 및 형태가 일치한다. 즉, 벽 압력신호와 유동소음 사이에는 밀접한 연관관계가 있다. 블로워의 회전속도와 유동소음 사이에는 선형의 비례 관계가 있다. 또한 회전속도에 따라 회전주파수와 날개통과주파수, 그의 조화주파수들이 변화한다. 반면, 이를 제외한 유동소음 특성은 회전속도에 영향 받지 않으며, 유량계수에 따라 변화한다. 임펠러 입구 유동소음은 유량계수에 따라 포물선 형태로 변하며, 최고 효율점에서 최소 소음을 갖는다. 임펠러 출구에서는 저유량 운전 시 톤 소음이 급증한다. 이는 저유량 운전에서 빠른 속도로 회전하는 스톨 셀이 발생하기 때문이다. 디퓨저 출구 유동소음은 대부분 광대역 소음으로 이루어져 있다. 유량이 증가할수록 디퓨저 구간의 유동박리가 억제되며, 유동소음이 감소한다.

Fuel cell electric vehicle has no mechanical noise and combustion noise which are generated by combustion engine. Then, noise generated by centrifugal blower is the main problem of noise performance in fuel cell electric vehicle. This paper shows an experimental investigation on the flow-induced noise characteristics of centrifugal blower for fuel cell electric vehicle. Wall pressure fluctuations and microphone signals were measured in various operating conditions. They were calculated as A-weighted sound pressure level and transformed using FFT. Wall pressure fluctuations clearly correspond to the microphone signals in low frequency range. Thus, wall pressure fluctuations are utilized to study the flow-induced noise of centrifugal blower. Noise level of centrifugal blower has a linear relationship with rotating speeds. But the flow-induced noise characteristics do not change with rotating speeds and they change with flow coefficients. Flow-induced noise at impeller inlet follows a parabolic curve with flow coefficients. As the test blower operates in low flow rates, high speed rotating stall is occurred at impeller outlet and tonal noise increase rapidly. As flow rates increase, high dynamic pressure suppresses the separations in diffuser section. Thus, flow-induced noise in diffuser section decreases.