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문제 정의
- 본 연구에서는 다단 직렬로 설치되는 터보블로어의 고효율화 연구의 일환으로 터보 블로어 입구 가이드의 형상과 입구 박스의 형상 그리고 다단 직렬로 연결되는 터보 블로어 연결용 덕트의 형상 변화에 따른 압력 특성을 고찰하였다.
제안 방법
- 10에 나타냈듯이, 수 대의 터보 블로어가 직렬로 연결되어 운전되는 생활폐기물 관로 이송 시스템용 다단 블로어에서 블로어의 운전조건에 따라 각 블로어의 입출구 덕트 사이의 밸브을 이용하여 유로를 조절한다. 또한 메인 덕트와 연결되는 각각의 블로어 입출구 덕트의 형상에 따라 시스템저항의 차이가 있음을 착안하여, 블로어 연결덕트의 특성을수치적으로 분석하였다. 그림에서 숫자는 압력측정 지점을 나타낸다.
- 5 kPe의 부압을 주었다. 본 계산에서는 압력성능이 우수한 입구 가이드 (a) 타입을 적용하였다.
- 4에 나타내었다. 볼류드 케이싱에 대해서는 격자 생성 전용프로그램인 ICEM CFD를 이용하비 정렬 격자로자로 생성하였으며, 임펠러부의 격자는 Turbo-grid를 이용하여 정렬 격자로 구성하였다.
- 볼류트 케이싱의 입구와 출구에서는 직선 관로를 이용하여 입출구 영역을 연장함으로써 안정된 입출구조건이 되도록 하였다. 입구의 경계조건은 대기압 및 상온 조건을, 출구에서는 설계점에서의 유량 조건을 각각 적용하였다.
- 입구 가이드 형상에 따른 압력 특성 연구를 통하여 다단 블로어의 최종 수치해석 모델을 결정하였으며, 기준모델, 최대곡률반경 모델의 2가지 형상에 대한 다단 터보블로어 수치해석을 수행하였다. 기본적인 경계조건은 1단 블로어의 계산 과 동일하게 하였지만, 입구에서의 압력 조건은 실제 적용성을 고려하여 -4.
- 하였다. 입구의 경계조건은 대기압 및 상온 조건을, 출구에서는 설계점에서의 유량 조건을 각각 적용하였다. 입구 면과 출구면을 제외한 전 벽면에서는 점착조건을 적용하였다’ 임펠러의 회전조건은 설계회전수인 3550 rpm으로 하였다.
- 터 보 블로어 입구 가이드와 다단연동 터보블로어 연결 덕트 형상에 따른 압력 및 블로어 효율 특성을 수치해석으로 분석하여, 다음의 결과를 도출하였다.
- 터보 블로어 입구 가이드 형상에 따른 압력 특성 분석을 위하여 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 3종류의 입구 가이드 형상을 적용하였다. Table 2에서는 각 입구 가이드 형상의 회전축 방향의 길이를 나타낸다.
대상 데이터
- 본 수치해석의 타당성을 검증하기 위하여, 입구 가이드(a) 타입을 적용한 터보 블로어 시제품을 대상으로 챔버식 성능시험장 치를 통한 성능 시험 결과를 이용하였다. 임펠러의 회전속도가 3550rpm일 때의 압력과 효율 특성을 Fig.
- 본 연구는 생활폐기물 관로 이송 설비용으로 사용되고 있는 터보블로어를 대상으로 하였으며, Fig. 1에 형상을 나타낸다. Table 1에는 기본형태의 볼류트 케이싱을 갖는 터보 블로어의 설계사양을 나타낸 것으로 설계 점에서의 유량 계수 0 및 전압계수, 는 0.
데이터처리
- 각 격자에 대한 수치해석은 상용 소프트웨어인 Ansys CFX 12를 사용하였다.⑸, (6) 난류 모델은 유동의 박리현상 해석에 적합한 전단응력이송(Shear stess tranport)모델을 사용하였다.
이론/모형
- 각 격자에 대한 수치해석은 상용 소프트웨어인 Ansys CFX 12를 사용하였다.⑸, (6) 난류 모델은 유동의 박리현상 해석에 적합한 전단응력이송(Shear stess tranport)모델을 사용하였다. 계산영역은 고정영역인 볼류트 케이싱 부분과 회전영역인 임펠러 디스크 두 개의 영역으로 설정하였으며, 각 영역 간의 경계 계산은 프로즌 로터 (Frozen-Rotor) 빙■법을적용하여 계산을 수행하였다.
- ⑸, (6) 난류 모델은 유동의 박리현상 해석에 적합한 전단응력이송(Shear stess tranport)모델을 사용하였다. 계산영역은 고정영역인 볼류트 케이싱 부분과 회전영역인 임펠러 디스크 두 개의 영역으로 설정하였으며, 각 영역 간의 경계 계산은 프로즌 로터 (Frozen-Rotor) 빙■법을적용하여 계산을 수행하였다.
성능/효과
- 9는 임펠러 중간 높이의 입구 단면에서의 축방향 속도분포를 나타낸다. 입구 가이드(a) 타입의 경우에는 임펠러 입구로 유입되는 기류의 축 방향 속도 성분이 다른 두 타입에 비해서 상대적으로 적으며, 이는 입구 가이드의 곡률형상을 따르는 기류가 임펠러 입구 측으로 균일하게 유입됨을 의미한다. 또한 이러한 축 방향 속도 분포로 인하여 입구 유입각이 상대적으로 큰 입구 가이드(b)와 (c) 타입을 사용한 블로어에서 임펠러 출구 부근에서 상대적으로 넓은 저속 영역이 존재함을 알 수 있다.
- 7은 입구 가이드 형상에 따른 압력 특성을 각각 나타낸다. 효율의 경우 (a) 타입의 입구 가이드가 (b) 타입 및 (。타입에 비해서 전 유량 영역에서 상대적으로 높은 효율 특성을 나타남을 알 수 있으며, 압력의 경우 저유량 영역에서는 (c) 타입 입구 가이드의 압력이 근소하게 높으나 설계 점에 가까워질수록 S) 타입의 입구가이드를 사용한 경우의 압력 값이 다른 두 타입의 경우보다 약 20% 정도 높게 나타남을 알 수 있다.
- 입구 가이드(a) 타입의 경우에는 임펠러 입구로 유입되는 기류의 축 방향 속도 성분이 다른 두 타입에 비해서 상대적으로 적으며, 이는 입구 가이드의 곡률형상을 따르는 기류가 임펠러 입구 측으로 균일하게 유입됨을 의미한다. 또한 이러한 축 방향 속도 분포로 인하여 입구 유입각이 상대적으로 큰 입구 가이드(b)와 (c) 타입을 사용한 블로어에서 임펠러 출구 부근에서 상대적으로 넓은 저속 영역이 존재함을 알 수 있다.
- 1) 터보 블로어 입구 가이드 형상에 따른 효율 및 압력은 입구 가이드의 형상이 곡률을 갖는 경우가 직선인 경우에 비해 설계조건에서 블로어 효율은 5%, 압력은 20%정도 개선됨을 알 수 있었다. 즉 곡률을 갖는 입구가이드에서는 임펠러 입구로 유입되는 기류의 축 방향 속도 성분이 다른 두 타입에 비해서 작으며, 입구 가이드의 곡률형상을 따라 기류가 임펠러 입구로 균일하게 유입되기 때문이다.
- 2) 다단연동 터보 블로어 연결 덕트에서는 메인 덕트에 연결되는 블로어 입출구 연결 덕트의 곡률 반경이 클수록 압력손실이 적게 나타나며, 다단 직렬로 연결되는 블로어에서는 후단으로 갈수록 상대적으로 전단보다 압력 특성이 향상됨을 알 수 있었다. 이는 블로어 출구 기류가 후단의 연결덕트 곡률반경에도 영향을 받음을 의미한다.
- 이상에서 알 수 있듯이, 제한된 공간 조건에서 메인 배관과 블로어 입구 및 출구 연결 부위의 덕트 곡률반경이 클수록 블로어 효율이 향상되고, 각단에서의 압력 특성도 향상됨을 알 수 있다.
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