[논문]축류압축기 시험설비 및 시험방법 소개

강영석; 박태춘; 임형수; 강신형

doi:10.5293/kfma.2007.10.5.077

문제 정의

가스터빈 내 압축 시스템의 기본적인 목적은 열역학적 사이클을 따라 작동하는 유체에 필요한 만큼의 압력상승을 제공하는 것이다. 이러한 열역학적 사이클은 등엔 트로피 과정 또는 둥온과정으로 구성되는 브레이튼사이클(Bray ton cycle)과 에릭슨 사이클(Ericsson cycle) 로 구성되고, 특히 압축기는 유체에 일 (work)을 하여 엔탈피(enthalpy)를 증가시키고 이후 연소기에서 등압 과정으로 연료를 연소시킨다.
나타낸다. 압력상승곡선은 전체단의 압력상승량을 단수만큼 나누어 한 단에서의 평균 압력상승량을 살펴보고자 하였다. 성능시험은 여러 차례에 걸쳐 수행하였으며 전체적으로 회전수에 상관없이 하나의 성능곡선을 형성하고 있음을 확인할 수 있다.
생각된다. 이에 본 논문에서는 서울대학교 기계항공공학부에서 보유 중인 저속 축류압축기 시험 설비와 관련된 연구에 대해 간략히 설명하도록 하겠다.

제안 방법

GEAE사의 LSRC는 각 단의 지름이 1.5 m인데 비해 서울대에서 제작한 LSRC는 지름을 1.0m로 줄이되 회전 속도를 높여 상사성을 맞추도록 하였다. 각 단의 날개는 GEAE사가 개발한 엔진 깃(Wiseler, 1977)을 주 모델로 하여 제작하였으며 입구 안내깃 (IGV) 53개, 동익이 각 단마다 54개 그리고 정익이 각 단마다 74개로 구성되어 있으며 구조적으로 동일한 4개의 단으로 구성되어있다.
75mm)에서 압력과 유속을 측정하였다. 그 다음 원주방향으로 한 피치의 1/10간격으로 정익렬을 1단부터 4까지 각각 10번 이송시켜서 한 피치에 대하여 2차원 측정이 가능하도록 하였다.
즉 유체에 일을 하여 전엔탈피(total enthalpy) 와전압력(total pressure)을 증가시킨다. 두 번째로, 동익과 정 익은 공기역학적 확산(diffusion)을 통해 이러한 운동에너지의 상승을 열에너지 즉, 정엔탈피 (static enthalpy)와 정압력(static pressure)의 상승으로 변환시킨다. 한편 확산 가능한 최대량은 역압력구배 영역에서의 경계층 박리 (separation)로 인해 제한되기 때문에, 한 단에서의 압력 상승비는 다른 압력 과정에서보다 상대적으로 작은 값을 가진다.
성능시험은 650, 800, 1000 rpm에 대해서 수행하였으며 출구밸브를 조절함으로써 유량을 바꾸어가며 성능시험을 수행하였다. 상사성을 고려하여 아래와 같이 무차원화된 유량계수와 압력상승계수를 정의하여 그림 5의 성능 곡선을 작성하였다.
시운전을 마친 축류압축기 내부 유동장 실험을 위해제 3단 동익 및 정익의 입, 출구에서 압력 및 속도를 계측하였다. 압축기는 800rpm으로 구동되고 설계유량, 고 유량, 저유량 등 세 가지 유량에 대하여 실험하였다.
압축기는 800rpm으로 구동되고 설계유량, 고 유량, 저유량 등 세 가지 유량에 대하여 실험하였다. 측정 위치는 출구로부터 11 mm 하류, 정익 출구로부터 18 mm 하류에서 측정하였고 정익에서의한 피치의 길이는 39.
이를 위해 축류압축기 1단 입구와 4단 출구에 5khz의 응답을 받는 압력센서를 설치하여 실시간으로 차압을 측정한다. 또한 그림 9에서와 같이 45도 간격으로 3단 정익 하류에 열선을 설치하여 고속으로 속도장 데이터를 받아낸다.
열선 및 피토관은 2상스태핑 모터에 장착하여 yaw각을 동익 출구에서는 30°, 정익 출구에서는 60。로 설정하였다. 이송장치는 5상 스테핑 모터를 이용하여 허브에서 팁까지 반경 방향으로 센서를 이송시키면서 비등간격 21지점(허브로부터 2% 지점에서 98% 지점까지 측정, l%=0.75mm)에서 압력과 유속을 측정하였다. 그 다음 원주방향으로 한 피치의 1/10간격으로 정익렬을 1단부터 4까지 각각 10번 이송시켜서 한 피치에 대하여 2차원 측정이 가능하도록 하였다.
압축기는 800rpm으로 구동되고 설계유량, 고 유량, 저유량 등 세 가지 유량에 대하여 실험하였다. 측정 위치는 출구로부터 11 mm 하류, 정익 출구로부터 18 mm 하류에서 측정하였고 정익에서의한 피치의 길이는 39.3 mm 이며 한피치를 10등분하여 정익렬을 원주 방향으로 이송시키면서 계측하였다. 열선 및 피토관은 2상스태핑 모터에 장착하여 yaw각을 동익 출구에서는 30°, 정익 출구에서는 60。로 설정하였다.

대상 데이터

0m로 줄이되 회전 속도를 높여 상사성을 맞추도록 하였다. 각 단의 날개는 GEAE사가 개발한 엔진 깃(Wiseler, 1977)을 주 모델로 하여 제작하였으며 입구 안내깃 (IGV) 53개, 동익이 각 단마다 54개 그리고 정익이 각 단마다 74개로 구성되어 있으며 구조적으로 동일한 4개의 단으로 구성되어있다. 정익단은 각 단 혹은 전체를 원주방향으로 한 피치 (pitch)의 약 2.
서울대에서 보유 중인 저속 시험용 축류압축기(Low Speed Research Compressor, 이하 LSRC) 는 GEAE 사에서 보유 중인 LSRC를 기본으로 제작되었다. GEAE사의 LSRC는 각 단의 지름이 1.
압력 측정을 위해 일반 피토관과 United Sensor 사의 코브라 형 3공 피토관(125-16-D-16-CD)을 사용하였고 내부 유동의 속도 및 유동각 측정을 위해서는 Dantec사의 X형(55p64)의 열선유속계(CTA)를 사용하였다.

성능/효과

압력상승곡선은 전체단의 압력상승량을 단수만큼 나누어 한 단에서의 평균 압력상승량을 살펴보고자 하였다. 성능시험은 여러 차례에 걸쳐 수행하였으며 전체적으로 회전수에 상관없이 하나의 성능곡선을 형성하고 있음을 확인할 수 있다. 압축기의 최고 효율은 스톨 근처에서 발생하고 실제 작동유량은 이보다 큰 유량 계수가 0.
그림 11은 스톨영역에 들어갈 때에 압력, 속도, 유량의 그래프와 열선에서 감지한 raw data를 나타낸다. 압력과 유량의 변화가 주기성을 나타내기 시작하였으며 시간에 따라 스톨셀이 회전하는 것이 raw data 에 나타나는 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 스톨 셀의 회전 속도는 동익의 회전수의 40~60%로 알려져 있는데 서울대 LSRC의 스톨셀 회전수는 압축기 회전수의 50% 정도이다.

후속연구

국내에서도 발전용 가스터빈 엔진 및 항공기 엔진 국산화 사업에 힘입어 축류압축기에 대한 관심이 높아지고 이에 대한 연구도 좀 더 활성화될 것이라 생각된다. 이에 본 논문에서는 서울대학교 기계항공공학부에서 보유 중인 저속 축류압축기 시험 설비와 관련된 연구에 대해 간략히 설명하도록 하겠다.
그림에서 알 수 있듯이 동익의 날개 양 끝단에서는 유동박리와 경계층 성장 그리고 팁 부근에서의 누설 등에 의해 이 부근에서 높은 손실이 발생하게 되며 이러한 경향은 정익에서도 슈라우드 씰간극에 의한 유량 누설 및 날개 양 끝단에서의 손실로 이어진다. 이러한 내부 유동장 특성 파악은 날개의 공력 학적인 특성을 파악하여 축류압축기의 성능과 효율을향상시키는데 있어 중요한 참고자료가 될 것이다.
다양한 연구를 수행 중에 있다. 현재 수행 중인성능시험 그리고 비정상 유동 시험 등을 통해 압축기의설겨】, 성능 개선, 시스템 안정화 등을 위한 중요한 데이터베이스를 구축할 예정이다. 이러한 자료들은 관련된 연구 결과들은 관련 학회에서 논문 등으로 발표할 예정이다.

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