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문제 정의
- 본 연구에서는 원심압축기 임펠러의 축간격및 표면조도에 의해 발생하는 원판마찰손실을 예측하기 위해 상용 코드인 FLUENT를 이용하여 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 해석을 수행하였다. 전산해석 결과는 원심펌프의 실험을 통해 제시된 Poullikas[15] 및 Nemdili와 Hellmann[16, 17]의 실험식과 비교 분석되었고, 원심압축기의 설계 및 성능예측 단계에서 원판마찰손실 저감을 위해 활용하고자 새로운 실험식을 제안하고자 한다.
- 본 연구에서는 원심압축기 임펠러의 축간격및 표면조도에 의해 발생하는 원판마찰손실을 예측하기 위해 상용 코드인 FLUENT를 이용하여 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 해석을 수행하였다. 전산해석 결과는 원심펌프의 실험을 통해 제시된 Poullikas[15] 및 Nemdili와 Hellmann[16, 17]의 실험식과 비교 분석되었고, 원심압축기의 설계 및 성능예측 단계에서 원판마찰손실 저감을 위해 활용하고자 새로운 실험식을 제안하고자 한다.
제안 방법
- 그리고 Gülich[10]는 터보기계 임펠러와 케이싱 사이의 축 간격(axial clearance) 및 표면 조도(surface roughness)를 변화시키며 실험을 수행하여, 원판 마찰 손실을 분석하였다.
- 그림에서 보면, 원심 압축기 임펠러의 회전에 의해서 유동의 흐름도 반시계 방향으로 회전하며 반경방향 속도성분도 다소 발생함을 알 수 있었다. 그리고 임펠러 디스크 측면과 케이싱 사이의 간격을 통해서 유입된 유동이 케이싱 바닥면을 통해 회전 중심으로 이동하고, 다시 임펠러 디스크의 회전 원심력에 의해서 반경 방향으로 진행되었다.
- 임펠러 블레이드의 해석 격자는 정렬 격자인육면체 격자(hexahedral mesh)로써, 격자 독립성 평가(grid independence test)를 통해 약 150만개로 결정하였다. 또한, 빠른 속도로 회전하는 임펠러 디스크와 정지된 케이싱 면의 속도 구배를 반영하고 좁은 축 간격에서의 경계층을 정확히 모사하게 위해 임펠러 디스크 면과 케이싱 면 부근의 격자를 매우 조밀하게 생성하였다.
- 원심 압축기 임펠러 디스크와 케이싱 사이의축 간격 변화에 따른 원판 마찰 손실 발생량을 예측하기 위해서 임펠러 디스크와 케이싱 사이의축 간격을 0.5mm에서 5mm까지 0.5mm씩 증가 시키며 CFD 해석을 수행하였다.
- Table 4는 원심 압축기의 CFD 해석을 위한 경계 조건과 초기조건을 나타낸 것이다. 원심 압축기 임펠러는 주기적인 회전운동을 하므로, 주기적인 경계조건을 적용하였다.
- 원심 압축기 임펠러에서 발생하는 원판 마찰 손실은 공기의 밀도와 온도에 영향을 받으므로 임펠러의 내부 유동해석을 수행하였다.
- 원심 압축기 임펠러의 내부 유동장은 주기적인 축대칭 유동장이므로, 해석 시간의 단축 및 해석 격자수의 감소를 위해 임펠러의 1개 블레이드 유로 간격(40도)에 대해 격자를 생성하였다.
- 원심 압축기의 임펠러에서 발생하는 원판 마찰 손실은 임펠러 유동 해석을 통해서 구해진 임펠러 디스크 면의 점성 모멘트를 힘으로 변환시켜 계산하였다.
- 원심압축기 임펠러 디스크면의 표면 조도 변화에 따른 원판 마찰 손실을 예측하기 위해 Fluent의 Wall condition에서 표면 조도 수치를 0.004mm에서 0.032mm까지 0.004mm씩 증가시키며 8가지 경우에 대해 CFD 해석을 수행하였다.
- Table 3은 원심 압축기 임펠러의 표면 조도 (Ks) 변화에 따른 CFD 해석 조건을 나타낸 것이다. 임펠러 디스크의 표면 조도는 CFD 상용 툴인 FLUENT에서 벽면 조건(wall condition)을 변화시키며, 물리적인 표면조도의 영향을 모사하도록 설정하였다.
- 임펠러 블레이드의 해석 격자는 정렬 격자인육면체 격자(hexahedral mesh)로써, 격자 독립성 평가(grid independence test)를 통해 약 150만개로 결정하였다. 또한, 빠른 속도로 회전하는 임펠러 디스크와 정지된 케이싱 면의 속도 구배를 반영하고 좁은 축 간격에서의 경계층을 정확히 모사하게 위해 임펠러 디스크 면과 케이싱 면 부근의 격자를 매우 조밀하게 생성하였다.
- )으로 무차원화하여 나타낸 것이다. 임펠러의 축 간격 변화에 따른 원판 마찰 손실 발생을 예측하기 위해 축 간격을 0.5mm부터 5.0mm까지 0.5mm 간격으로 모델링하였다.
- 항공기용 원심 압축기 임펠러 디스크에서 발생하는 원판 마찰 손실에 대한 CFD 해석을 통해서 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 원심 압축기 임펠러는 상용 공기 압축기의 1단에 사용되는 임펠러이며, 질량 유량은 1.57kg/s, 압축비는 2.85이다.
- 원심압축기 임펠러의 제원은 Table 1에 자세히 나타내었다. 임펠러는 총 9개의 블레이드와 9개의 스플리터 블레이드(splitter blade)로 구성되어 있으며, 회전수는 35,000rpm이다.
- 2차 세계 대전 기간 동안 가스 터빈은 빠른 발전을 이루었으며, 주로 단순한 터보제트 기관을 만드는데 관심이 집중되었다. 제 2차 세계대전 이후 영국과 미국의 제트 전투기와 세계 최초의 제트 민간 여객기인 영국의 코메트(Cormet)에 원심 압축기가 사용되었다. 그러나 1950대 말, 고효율의 축류 압축기의 등장으로 현재에는 헬리콥터용 터보 샤프트 엔진과 프로펠러 항공기용 터보 프롭 엔진 및 보조동력장치(Auxiliary Power Unit, APU)에 원심 압축기가 일부 사용되고 있으며[3∼5], 주로 산업용 공기 압축기, 대형 터보 냉동기, 터보차저, 고압 송풍기, 해양 플랜트용 FGC(Fuel Gas Compressor), 지상용 소형 발전기등 압축공기가 사용되는 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다[6].
이론/모형
- 그리고 임펠러의 원판마찰손실 예측에 필요한 점성모멘트를 계산하기 위해 2-equations k-ω SST (Shear-Stress Transport) 난류모델[20]을 사용하였다.
- 원심 압축기 임펠러의 원판마찰손실에 대한 CFD 해석에는 압축성 유동 해석에 사용되는 밀도 기저 SIMPLE 기법(density based SIMPLE method)이 사용되었다. 그리고 임펠러의 원판마찰손실 예측에 필요한 점성모멘트를 계산하기 위해 2-equations k-ω SST (Shear-Stress Transport) 난류모델[20]을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 원심 압축기 임펠러 디스크와 케이싱 사이의 축 간격이 경계층 두께 보다 짧을 경우 축 간격이 증가함에 따라 원판 마찰 손실은 감소하며, 경계층 부근에서 최소값을 나타내었다. 그러나 경계층 두께 보다 축 간격이 증가하게 되면 원판 마찰 손실도 다시 증가하였다.
- (2) 원심 압축기 임펠러의 표면 조도 변화에 따른 원판 마찰 손실은 축 간격 변화에 비해 더크게 발생하는 것으로 예측되었다. 또한 표면 조도가 증가함에 따라 임펠러 디스크와 케이싱 사이의 유동장에서 유효 점도도 증가함을 알 수 있 었다.
- 472mm 이다. 따라서, 임펠러 원판에 대한 경계층 범위 내에서 축 간격이 증가하는 경우 원판 마찰 손실은 감소하는 경향을 나타내었고, 축간격이 경계층 두께와 비슷한 3.5mm(s/R2 = 0.032)에서 원판 마찰손실이 최소값(1,784.58W)을 나타낸 후 다시 증가하는 경향을 나타내었다. 이것은 원심압축기 임펠러의 축 간격이 넓은 경우 회전하는 임펠러 디스크로 인해서 재순환되는 유동이 움직일 수있는 공간이 넓어지므로 원판 마찰 손실은 증가 하게 된 것이다.
- (2) 원심 압축기 임펠러의 표면 조도 변화에 따른 원판 마찰 손실은 축 간격 변화에 비해 더크게 발생하는 것으로 예측되었다. 또한 표면 조도가 증가함에 따라 임펠러 디스크와 케이싱 사이의 유동장에서 유효 점도도 증가함을 알 수 있 었다. 향후 이 결과를 원심 압축기 임펠러 디스크 설계에 적용한다면 원판 마찰 손실 감소에 기여하여 원심 압축기 효율 향상을 기대할 수 있을 것으로 예상된다.
- 따라서, 임펠러 디스크와 케이스의 표면 조도 변화가 작더라도 원판 마찰 손실의 변화량은 커지게 된다. 원심 압축기 임펠러의 표면 조도 변화에 따른 원판 마찰 손실은 축 간격 변화에 비해 더 크게 발생하는 것으로 예측되었다.
- Figure 6은 원심 압축기 임펠러 내부의 정압분포를 나타낸 것이다. 임펠러 입구 영역에서 흡입 효과로 인해 압력 강하가 다소 발생한 후 출구 영역까지 일정하게 압력이 상승함을 확인 할 수있었다. 정압분포가 가장 높은 임펠러 출구에서 전압력은 0.
- Figure 7은 원심 압축기 임펠러의 블레이드 유로 뿐만 아니라 임펠러 디스크 면과 케이싱 면 사이 정압분포를 나타낸 것이다. 해석결과 원심 압축기 임펠러 블레이드에 의해 압축된 공기가 임펠러 디스크와 케이싱 사이의 간격으로 유입되어 원판 마찰 손실에 영향을 미치게 된다는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 이 실험식은 CFD 해석결과에 대해 비선형 적합곡선(nonlinear curve fitting)을 적용하여 유도한 것으로, 다양한 형상의 임펠러에 대한 CFD 해석 뿐 아니라 실험을 통한 검증이 필요하다.
- 또한 표면 조도가 증가함에 따라 임펠러 디스크와 케이싱 사이의 유동장에서 유효 점도도 증가함을 알 수 있 었다. 향후 이 결과를 원심 압축기 임펠러 디스크 설계에 적용한다면 원판 마찰 손실 감소에 기여하여 원심 압축기 효율 향상을 기대할 수 있을 것으로 예상된다.
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