[논문]터보펌프 인듀서의 비정상 캐비테이션에 관한 실험적 연구

홍순삼; 김진선; 최창호; 김진한

doi:10.5293/kfma.2005.8.1.023

터보펌프 인듀서의 비정상 캐비테이션에 관한 실험적 연구
Experimental Study on the Unsteady Cavitation of Turbopump Inducer 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.8 no.1 = no.28, 2005년, pp.23 - 29

홍순삼 (한국항공우주연구원 터보펌프개발그룹) , 김진선 (한국항공우주연구원 터보펌프개발그룹) , 최창호 (한국항공우주연구원 터보펌프개발그룹) , 김진한 (한국항공우주연구원 터보펌프개발그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

Steady and unsteady cavitation characteristics of turbopump inducer were investigated in this paper. To investigate the effect of blade angle on the inducer performance, three inducers with inlet tip blade angle of $7.8^{\circ},\;7.0^{\circ},\;6.1^{\circ}$, respectively, were tested. For $7.8^{\circ},\;7.0^{\circ}$ inducers in the non-cavitating condition, head decreased linearly with flow rate, but head-flow rate curve had a dip at the flow coefficient ${\psi}=0.065$ for $6.1^{\circ}$ inducer. Attached cavitation and cavitation surge were found in the $7.8^{\circ},\;7.0^{\circ}$ inducers in the cavitation tests. During the attached cavitation one cell rotated at the same rotational speed as that of the inducer. The cavitation surge did not rotate and the oscillating frequency was $7{\sim}20\;Hz$. From the curve of the critical cavitation number versus flow rate, it was found that the steady cavitation performance of $6.1^{\circ}$ inducer was much lower than that of $7.8^{\circ},\;7.0^{\circ}$ inducers.

주제어

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문제 정의

홍순삼 등⑹은 인듀서 솔리디티를, 김진선 등⑺은 인듀서 날개각을 형상파라미터로 하여 인듀서 성능특성을 살펴보았는데 주로 정상상태의 성능특성을 다루었다. 본 연구에서는 터보펌프 인듀서에서 발생하는 부착 캐비테이션, 캐비테이션 서지 등의 비정상 캐비테이션에 대하여 고찰하였고 인듀서 날개각이 인듀서의 캐비테이션 성능에 미치는 영향을 조사하였다.

제안 방법

부작 캐비테이션은 셀이 인듀서와 동일한 속도로 회전한다. Tsujimoto 등⑵은 셀이 인듀서 회전속도보다 더 빨리 회전하는 선회 캐비테이션 (rotating cavitation) 을 관찰하였는데, 본 연구에 사용된 인듀서에서는 선 회 캐비테이션이 발생하지 않았다.
인듀서 입구에 원주방향으로 설치된 4개 비정상 압력센서 신호의 상호상관계수 (cross-correlation coefficient)를 분석하여 캐비테이션이 회전하는지 고정된 것인지를 판별하였다. 이 방법의 예를 Fig.
터보펌프 인듀서의 정상 및 비정상 캐비테이션 특성을 살펴보았으며 인듀서 입구팁 날개각의 영향을 조사하기 위하여 팁솔리디티가 2.7로 동일할 때 입구팁 날개각을 7.8°, 7.0°, 6.1° 의 세 가지로 변화시키며 실험했는데 결과를 요약하면 다음과 같다.

대상 데이터

인듀서 입구의 압력 섭동을 측정하기 위하여 Fig. 4와 같이 인듀서 상류 33 mm 지점에서 원주 방향으 로 90° 간격을 두고 4개의 압력센서 (Kulite ETM-375 모델)를 설치했으며 그 압력센서 신호들 을 동시에 획득하였다. 시험은 모두 6, 000 rpm에서 수행되었으며 이 때 인듀서 팁과 케이싱간의 간격이 1 mm가 되도록 설치하였다.

성능/효과

1° 인듀서에서는 캐 비테이션 서지 및 부착 캐비테이션이 발생하지 않았으며 압력 섭동도 현저히 감소하였다. 상호상관계수를 구하여 보면 모든 부착 캐비테이션은 셀 개수가 1개였고 회전 주파수는 100 Hz로서 인듀서 회전수와 동일한 값을 보였으며 모든 캐비테이션 서지는 회전하지 않았다. 세 인듀서에 대하여 부착 캐비테이션의 셀 개수와 전파 속도, 그리고 캐비테이션 서지의 진동 주파수 등 을 요약하여 Table 2에 제시하였다.
8° 인듀서의 경우와 비슷한 양상을 보였다. 입구팁 날개각이 가장 작은 Bbit=6.1° 인듀서에서는 캐 비테이션 서지 및 부착 캐비테이션이 발생하지 않았으며 압력 섭동도 현저히 감소하였다. 상호상관계수를 구하여 보면 모든 부착 캐비테이션은 셀 개수가 1개였고 회전 주파수는 100 Hz로서 인듀서 회전수와 동일한 값을 보였으며 모든 캐비테이션 서지는 회전하지 않았다.
캐비테이션 임계점의 유량에 대한 분포를 볼 때, 입구팁 날개각이 7.8° 인 경우와 7.0° 인 경우는 캐비 테이션 성능이 서로 비슷하지만 입구팁 날개각이 더욱 작아진 6.1°의 경우에는 캐비테이션 성능이 현저히 저하되었다.
캐비테이션이 없을 때 성능을 비교하면, 입구팁 날 개각이 7.8°, 7.0° 일 때는 양정이 유량에 대하여 선형적으로 감소하는데 입구팁 날개각이 6.1° 인 경우는 양정이 유량계수 0=0.065까지는 감소하다가 그 이상의 유량에서는 양정이 다시 증가하는 거동을 보였다. 이는 입구에서 출구까지 인듀서 날개각이 급격히 증가했기 때문인 것으로 추정된다.

후속연구

065 까지는 양정계수가 급격히 감소하다가 그 이후 유량계수가 증가하면 다시 양정계수가 증가하는 형상을 보인 다. Ebu = 6.1° 인듀서에서 이와 같이 특이한 양정 계수 특성을 보이는 이유는 보충 실험과 CFD 등을 통하여 차후 더 검토할 필요가 있다. 하지만 현재까지 는 Fig.

참고문헌 (9)

Lee, So., Jung, K., Kim, J., Kang, S., 2002, 'Cavitation Mode Analysis of Pump Inducer,' KSME International Journal, Vol. 16, pp. 1497-1510
Tsujimoto, Yo., Yoshida, Y., Maekawa, Y., Watanabe, S., Hashimoto, T., 1997, 'Observations of Oscillating Cavitation of an Inducer,' ASME Journal of Fluids Engineering, Vol. 119, pp. 775-781

상세보기
Furukawa, A., Ishizaka, K., Watanabe, S., 2002, 'Experimental Study of Cavitation Induced Oscillation in Two Bladed Inducers,' 4th International Conference on Launcher Technology, Space Launcher Liquid Propulsion
Yoshida, Y., Tsuiirnoto, Y., Kataoka, D., Horiguchi, H., Wahl, F., 2001, 'Effect of Alternate Leading Edge Cutback on Unsteady Cavitation in 4-Bladed Inducers,' ASME Journal of Fluids Engineering, Vol. 123, pp, 762-770

상세보기
구현철, 홍순삼, 차봉준, 양수석, 2002, '터보펌프 인듀서의 유동특성에 관한 연구,' 유체기계 연구개발 발표회 논문집, pp. 41-46
홍순삼, 구현철, 최창호, 차봉준, 양수석, 2002, '터보펌프 인듀서의 형상변화가 성능에 미치는 영향,' 대한기계학회 추계학술대회 논문집, pp. 1997-2002
김진선, 홍순삼, 최창호, 김진한, 조광래, 2003, '날개각이 터보펌프 인듀서의 성능에 미치는 영향,' 한국항공우주학회 추계학술대회 논문집, pp. 1059-1062
Frigne, P., Van Den Braembussche, R., 1984, 'Distinction between Different Types of Impeller and Diffuser Rotating Stall in a Centrifugal Compressor with Vaneless Diffuser,' ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 106, pp. 468-474

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Jakobsen, J. K., 1971, 'Liquid Rocket Engine Turbopurnp Inducers,' Space Vehicle Design Criteria Monograph, NASA SP-8052

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