[논문]터보블로어 설계인자의 성능특성 연구

장춘만; 양상호

doi:10.5293/kfma.2011.14.2.047

터보블로어 설계인자의 성능특성 연구
Performance Analysis on the Design Variables of a Turbo Blower 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.14 no.2 = no.65, 2011년, pp.47 - 51

장춘만 (한국건설기술연구원 설비플랜트연구실) , 양상호 ((주)삼원이앤비 기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the shape optimization of a blower impeller used for a refuse collection system. Two design variables, which are used to define the blade angles of an impeller, are introduced to increase the blower performance. A blower efficiency is selected as an object function, and the shape optimization of the blade angles is performed by a response surface method (RSM). Three-dimensional Navier-Stokes equations are introduced to analyze the internal flow of the blower and to find the value of object function for the training data. Relatively good agreement between experimental measurements and numerical simulation is obtained in the present study. Throughout the shape optimization, blower efficiency for the optimal blade angles is successfully increased up to 3.6% compared with that of reference at the design flow rate. Detailed flow field inside the turbo blower is also analyzed and discussed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 생활폐기물 관로이송 설비의 집하장에 설치되는 터보 블로어의 고효율 설계를 위하여 터보블로어 볼 류트케이싱의 최적화 결과⁽³⁾를 바탕으로 터보블로어의 주요 설계인자인 임펠러 입출구 각도를 반응면기법을 이용하여 분석하였다. 설계인자의 분석 및 블로어 내부유동장 특성을 파악하기위하여 블로어 성능평가장치를 이용한 실험 및 나비어ㆍ스톡스 방정식에 의한 3차원 수치해석을 각각 적용하였다.

제안 방법

6% 상승함을 확인하였다. 또한 최적형상에 대한 터보블로어 내부유동장을 수치해석 결과를 이용하여 상세히 분석하였다.
먼저 수치해석의 타당성 검토를 위하여, Fig. 4에 챔버타입의 블로어 실험장치를 이용한 성능시험결과와 비교를 하였다. 그림에서 알 수 있듯이, 일점쇄선으로 나타낸 설계 유량점(유량계수= 0.
반응면을 구성할 때 사용하는 반응면 함수는 2차 다항식으로 반응면 모델을 형성하고, 각 항의 미정계수는 회귀분석을 통하여 구하였다. 미정계수의 타당성은 ANOVA (Analysis of Variance)와 회귀분석을 이용하여 검증하였다.
본 연구에서는 터보블로어 설계인자의 최적화연구의 일환으로 연구된 볼류트케이싱의 최적화 결과(3)를 임펠러 입출구각 설계 최적화에 적용하였다. 즉 Table 4에서와 같이 볼류트 케이싱의 최적화를 통하여 약 2.
본 연구에서는 터보블로어 입출구각의 형상최적화를 평가하기 위한 목적함수로 다음과 같이 정의된 블로어 효율 η(blower efficiency)을 사용하였다.
본 임펠러 입출구각의 설계최적화는 일련의 터보블로어 설계인자의 최적화 연구의 일환으로 진행하였으며, 본 연구에서 사용한 볼류트 케이싱은 1차적으로 최적화된 형상⁽³⁾을 모든 입출구각도에 대하여 적용하였다.
2에 나타낸다. 볼류트 케이싱은 CFX격자 생성 전용 프로그램을 이용하여 비정렬 격자로 생성하였으며, 임펠러부의 격자는 Turbo-grid를 이용하여 정렬 격자로 구성하였다.
를 바탕으로 터보블로어의 주요 설계인자인 임펠러 입출구 각도를 반응면기법을 이용하여 분석하였다. 설계인자의 분석 및 블로어 내부유동장 특성을 파악하기위하여 블로어 성능평가장치를 이용한 실험 및 나비어ㆍ스톡스 방정식에 의한 3차원 수치해석을 각각 적용하였다.
입구 경계조건은 압력(-1500 mmAq) 및 상온 조건을, 출구에서는 질량유량 조건을 각각 적용하였다. 입구면과 출구 면을 제외한 전 벽면에서는 점착조건을 적용하였다.
입구와 출구덕트는 ICEM CFD를 이용하여 정렬격자로 구성하여 계산부하를 줄였다. 각 격자에 대한 수치해석은 상용 소프트웨어인 ANSYS CFX12을 사용하였다.
Table 2에서 중간값은 기준값(reference value)으로 설정하였다. 최대 및 최소 경계값은 등간격으로 설정하여 평가하였다.
터보블로어 임펠러 형상설계를 위해 반응면 기법을 이용하여 설계변수인 임펠러 입출구각을 최적화하고 목적함수인 효율 특성을 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 생활폐기물 관로이송 설비의 공기흡입용 터보블로어를 대상으로 하였으며, 실험용 터보블로어 형상도 및 성능곡선은 Fig.1에 나타낸다. Fig.
고압특성을 갖는 터보블로어는 산업용송풍기로써 각종 건설플랜트, 환경플랜트, 발전소 및 조선분야 등에 다수 적용 되고 있다. 본 연구에서는 환경플랜트용으로 사용되고 있는 130 kW급 터보블로어를 대상으로 하였으며, 주로 생활폐기물 관로이송용 집하장에 사용되고 있는 흡입용 블로어이다. 생활폐기물 관로이송용 터보블로어의 전력소비량은 시스템 전체 소비 에너지의 90퍼센트 이상을 차지하며, 시스템의 운전에너지 절감을 위해서는 터보블로어의 고성능 설계 및 최적운전기술 개발이 필요하다.

데이터처리

입구와 출구덕트는 ICEM CFD를 이용하여 정렬격자로 구성하여 계산부하를 줄였다. 각 격자에 대한 수치해석은 상용 소프트웨어인 ANSYS CFX12을 사용하였다.⁽⁶⁾난류모델은 유동의 박리현상 해석에 적합한 전단응력이송 (shear stress transport)모델을 사용하였다.
각각의 수치 설계점에서 삼차원 나비어－스톡스 방정식을 통하여 구한 목적함수를 이용하여, 반응면 구성에 필요한 미 정계수를 결정하였으며, 이를 위하여 통계학 상용 소프트웨어인 SPSS를 도입하였다. 완성된 반응함수는 t-검정과 adjust R2법⁽⁸⁾로 분석하였다.
반응면을 구성할 때 사용하는 반응면 함수는 2차 다항식으로 반응면 모델을 형성하고, 각 항의 미정계수는 회귀분석을 통하여 구하였다. 미정계수의 타당성은 ANOVA (Analysis of Variance)와 회귀분석을 이용하여 검증하였다.
각각의 수치 설계점에서 삼차원 나비어－스톡스 방정식을 통하여 구한 목적함수를 이용하여, 반응면 구성에 필요한 미 정계수를 결정하였으며, 이를 위하여 통계학 상용 소프트웨어인 SPSS를 도입하였다. 완성된 반응함수는 t-검정과 adjust R2법⁽⁸⁾로 분석하였다. SPSS를 이용한 회귀분석 결과는 Table 3에 정리하였다.

이론/모형

각 격자에 대한 수치해석은 상용 소프트웨어인 ANSYS CFX12을 사용하였다.⁽⁶⁾난류모델은 유동의 박리현상 해석에 적합한 전단응력이송 (shear stress transport)모델을 사용하였다. 입출구 덕트를 포함하는 터보블로어 전체 계산격자수는 2,650,000 노드이다.
입구면과 출구 면을 제외한 전 벽면에서는 점착조건을 적용하였다. 고정영역인 볼류트 케이싱 부분과 회전영역인 임펠러 영역간의 경계면 계산은 프로즌 로터(frozen-rotor)방법을 적용하여 계산을 수행하였다.
본 연구에서는 터보블로어 임펠러 입출구각의 형상을 최적화하기 위하여 선정된 입출구각의 설계변수들이 목적함수에 미치는 영향을 수리 통계적인 방법으로 분석할 수 있는 반응면 기법(response surface method)⁽⁷⁾을 도입하였다.

성능/효과

고압용 터보블로어의 고효율 설계를 위하여 터보블로어의 주요 설계인자인 임펠러 입출구 각도를 반응면기법으로 분석한 결과 최적인 입출구각을 선정할 수 있었으며, 기존의 형상과 대비하여 효율이 약 3.6% 상승함을 확인하였다. 또한 최적형상에 대한 터보블로어 내부유동장을 수치해석 결과를 이용하여 상세히 분석하였다.
목적함수인 터보블로어 효율에 대하여 설계변수인 입구각 및 출구각이 미치는 효과에 대한 민간도 분석 결과, Fig. 6에서와 같이 입구각이 출구각에 비하여 주어진 설계영역에서 민감하게 변수값에 반응함을 알 수 있다. 이는 임펠러 입구유동방향에 부합하는 입구 설계각 설계가 중요함을 의미한다.
그림에서 가로 및 세로축에는 설계변수인 입구각(β_b1) 및 출구각(β_b2)을 각각 나타내며, 높이 방향으로는 목적함수인 효율을 나타낸다. 설계변수인 입구각과 출구각이 각각 31.8도 및 36.6도인 지점에서 목적함수인 블로어 효율이 최대가 됨을 알 수 있다. 그림에서 알 수 있듯이, 반응면의 최대 효율점은 설계변수 입구각 과 출구각의 설계범위 내부에 존재함을 알 수 있다.
임펠러 입출구각을 최적화한 본 연구에서는 최적화된 볼 류트 케이싱을 설치한 기준 터보블로어에 비하여 약 3.6%효율향상을 가져왔다. 즉 초기의 터보블로어에 대해서는 전체적으로 6.
본 연구에서는 터보블로어 설계인자의 최적화연구의 일환으로 연구된 볼류트케이싱의 최적화 결과(3)를 임펠러 입출구각 설계 최적화에 적용하였다. 즉 Table 4에서와 같이 볼류트 케이싱의 최적화를 통하여 약 2.8%의 블로어 효율을 향상시켰으며, 본 연구의 기준 블로어의 볼류트케이싱에는 최적화된 케이싱을 적용하였다.
6%효율향상을 가져왔다. 즉 초기의 터보블로어에 대해서는 전체적으로 6.4%의 효율향상을 최적화를 통하여 달성할 수 있었다. 기존 및 최적화된 임펠러 형상을 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터보블로어의 적용 분야에는 어떤 것들이 있는가?	고압특성을 갖는 터보블로어는 산업용송풍기로써 각종 건설플랜트, 환경플랜트, 발전소 및 조선분야 등에 다수 적용 되고 있다. 본 연구에서는 환경플랜트용으로 사용되고 있는 130 kW급 터보블로어를 대상으로 하였으며, 주로 생활폐기물 관로이송용 집하장에 사용되고 있는 흡입용 블로어이다.
	터보블로어의 효율향상을 위한 주요 설계인자에는 어떤 것들을 들 수 있는가?	터보블로어의 효율향상을 위한 주요 설계인자로는 터보블로어 임펠러의 입출구 각도, 입구 가이드베인의 형상 및 볼류트 케이싱 폭/ 확장각 등을 들 수 있다.(3) 최근 들어 블로어의 설계인자 특성의 분석을 위해 통계적인 분석기법인 반응면(response surface)을 이용한 최적설계기법들이 많이 사용되고 있다.
	터보블로어 효율 분석에서 입구각이 출구각에 비하여 민감하게 변수값에 반응함은 무엇을 의미하는가?	6에서와 같이 입구각이 출구각에 비하여 주어진 설계영역에서 민감하게 변수값에 반응함을 알 수 있다. 이는 임펠러 입구유동방향에 부합하는 입구 설계각 설계가 중요함을 의미한다.

참고문헌 (9)

Jang, C.-M., Kim D.-W., and Lee, S.-Y., 2008, “Performance Characteristics of Turbo Blower in a Refuse Collecting System According to Operation Conditions,” Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 22, pp. 1896-1901.

원문보기 상세보기
Bayomi, N. N., Abdel Hafiz, A., and Osman, A. M, 2006, “Effect of Inlet Straighteners on Centrifugal Fan Performance,” Energy Conversion & Management, Vol. 47, pp. 3307-3318.

상세보기
Jang, C.-M., 2010, “Optimal Operation of Turbo Blowers Serially Connected Using Inlet Vanes,” Proceedings of 3rd Asian Workshop on Thermophysics and Fluid Science, pp. 98-103.
Jang, C.-M., and Kim, K. Y., 2005, “Optimization of a Stator Blade using Response Surface Method in a Single-Stage Transonic Axial Compressor,” Proceedings of The Institution of Mechanical Engineers, Part AJournal of Power and Energy, Vol. 219, pp. 595-603.
Kim, Kwang-Yong and Seo, Seoung-Jin, 2006, “Application of Numerical Optimization Technique to Design of Forward-Curved Blades Centrifugal Fan,” JSME International Journal-Series B, Vol. 49, No. 1, pp. 152-158.

상세보기
CFX-12 User Manual, 2008, Ansys inc.
Myers, R. H., and Montgomery, D. C., 1995, Response Surface Methodology: Process and Product Optimization Using Designed Experiments, John Wiley & Sons, New York.
Box, M. J. and Draper, N. R., 1971, “Fractional Designs, the XTX Criterion, and Some Related Matters,” Technometrics, Vol. 13, No. 4, pp. 731-742.
Guinta, A. A., 1997, “Aircraft Multidisciplinary Design Optimization Using Design of Experimental Theory and Response Surface Modeling Methods,” Ph. D. Dissertant, Department of Aerospace Engineering, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, VA.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증