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문제 정의
- (1-4) 생활폐기물 관로이송 설비의 집하장에 설치되는 원심블로어의 경우에 복수의 원심블로어가 직렬로 연결되어 가동되며, 이송관로의 다양한 흡입거리에 따른 다양한 압력 조건에 의해 고압의 원심블로어 설계가 요구된다. 본 연구에서는 환경 플랜트에서 사용되는 산업용 원심블로어를 대상으로 블로어 압력특성을 향상시키기 위하여 임펠러 날개 후연부의 형상 변화에 따른 성능특성을 고찰하였다. 원심블로어의 임펠러 날개 후연에서 전연측으로 일정 거리의 꺽임길이와 꺽임각도를 설계변수로 설정하고, 각 변수가 블로어 성능특성에 미치는 영향을 3차원 수치해석을 이용하여 분석하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 환경 플랜트에서 사용되는 산업용 원심블로어를 대상으로 블로어 압력특성을 향상시키기 위하여 임펠러 날개 후연부의 형상 변화에 따른 성능특성을 고찰하였다. 원심블로어의 임펠러 날개 후연에서 전연측으로 일정 거리의 꺽임길이와 꺽임각도를 설계변수로 설정하고, 각 변수가 블로어 성능특성에 미치는 영향을 3차원 수치해석을 이용하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 원심블로어 임펠러의 출구측의 날개 형상에 따른 성능 특성을 분석하기 위하여 날개후연(trailing edge)에서부터 전연(leading edge)방향으로 무차원 꺽임 길이(l/c)와 꺽임 각도(θ)를 변수로 설정하였다. 각각의 변수에 대한 정의 및 설계 값은 Table 2 및 Fig.
- 본 연구에서는 환경플랜트 분야에 적용되고 있는 130kW 급 원심블로어의 성능향상을 위한 연구의 일환으로, 임펠러 후연에서 전연방향으로 꺽임 길이 및 꺽임각을 설계변수로 적용하여 성능 특성에 미치는 영향을 3차원 수치해석 방법으로 분석하였으며, 결과는 아래와 같다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 환경플랜트 분야중 하나인 생활폐기물 관로 이송 설비에 적용되고 있는 130 kW급 원심블로어를 대상으로 하였으며, Table 1과 Fig. 1에는 설계유량조건에서의 블로어 기본제원과 외형도를 각각 나타낸다.
- 입/출구 덕트는 정렬격자로 구성하여 계산부하를 줄였다. 본 수치계산에 사용한 원심블로어의 전체 격자수는 약 3,700,000 노드이다. 계산영역에서 회전도메인과 정지도메인의 경계면에서는, 블로어 성능평가 시에는 스테이지(stage)기법을, 내부유동장 특성을 분석할 경우 프로즌 로터(frozen rotor)기법을 각각 적용하여 수치해석을 수행하였다.
데이터처리
- 수치해석의 타당성을 검토하기 위하여, 설계유량조건에서 실험을 통해 측정된 결과를 수치해와 비교하였다. 기본설계 블로어 형상 및 성능곡선은 Fig.
이론/모형
- 원심블로어의 수치해석을 통한 성능평가를 위하여 상용코드인 ANSYS-CFX 13(5)을 사용하였다. 수치계산은 3차원, 압축성 RANS (Reynolds Averaged Navier-Stocks)방정식을 유한 체적법으로 이산화하였으며, Pressure based fully coupled implicit방법으로 정상 수치해석을 수행하였다.
- 을 사용하였다. 수치계산은 3차원, 압축성 RANS (Reynolds Averaged Navier-Stocks)방정식을 유한 체적법으로 이산화하였으며, Pressure based fully coupled implicit방법으로 정상 수치해석을 수행하였다. 난류모델은 유동의 박리현상 해석에 유용한 전단응력이송모델(shear stress transport model)을 사용하였다.
- 수치계산은 3차원, 압축성 RANS (Reynolds Averaged Navier-Stocks)방정식을 유한 체적법으로 이산화하였으며, Pressure based fully coupled implicit방법으로 정상 수치해석을 수행하였다. 난류모델은 유동의 박리현상 해석에 유용한 전단응력이송모델(shear stress transport model)을 사용하였다.(6)
- 본 수치계산에 사용한 원심블로어의 전체 격자수는 약 3,700,000 노드이다. 계산영역에서 회전도메인과 정지도메인의 경계면에서는, 블로어 성능평가 시에는 스테이지(stage)기법을, 내부유동장 특성을 분석할 경우 프로즌 로터(frozen rotor)기법을 각각 적용하여 수치해석을 수행하였다. 이는 이전의 연구(7)에서 알수 있듯이, 정상수치해석(steady state flow analysis)에서 원심블로어 컷오프(cut off)와 임펠러 날개 설치각의 상대적인 위치에 따라 성능특성이 일정한 스테이지 기법(stage interface)을 블로어의 성능평가에 적용하였다.
- 계산영역에서 회전도메인과 정지도메인의 경계면에서는, 블로어 성능평가 시에는 스테이지(stage)기법을, 내부유동장 특성을 분석할 경우 프로즌 로터(frozen rotor)기법을 각각 적용하여 수치해석을 수행하였다. 이는 이전의 연구(7)에서 알수 있듯이, 정상수치해석(steady state flow analysis)에서 원심블로어 컷오프(cut off)와 임펠러 날개 설치각의 상대적인 위치에 따라 성능특성이 일정한 스테이지 기법(stage interface)을 블로어의 성능평가에 적용하였다.
- 25)에 대하여 내부유동장 특성을 비교하였다. 원심블로어의 내부유동장 평가에서는 수치해석시 임펠러 및 볼류트 케이싱의 경계면에 프로즌-로터 방법을 적용하였다.
성능/효과
- 9(c) 의 경우에도, 꺽임각의 증가에 따라 압력 특성이 향상됨을 알 수 있다. 이상에서 알 수 있듯이 본 연구에서 설정한 꺽임 길이와 각도 범위에서는 각 변수의 설정값이 증가할수록 압력 특성이 향상됨을 알 수 있다.
- 1) 임펠러 후연으로부터 꺽임길이(l)와 꺽임각도(θ)가 증가할수록 압력특성은 증가하며, 효율은 감소하는 경향을 나타낸다. 본 연구에서 설정한 설계 범위에서 θ=25°, l/c=0.
- 1) 임펠러 후연으로부터 꺽임길이(l)와 꺽임각도(θ)가 증가할수록 압력특성은 증가하며, 효율은 감소하는 경향을 나타낸다. 본 연구에서 설정한 설계 범위에서 θ=25°, l/c=0.25 인 임펠러 형상이 가장 큰 압력특성을 가지며, θ=15°, l/c=0.2 인 경우가 최소 효율 특성을 가진다. 제작성을 검토하여 설정한 설계영역에서 기존 설계 블로어에 비해 압력은 최대 6.
- 2 인 경우가 최소 효율 특성을 가진다. 제작성을 검토하여 설정한 설계영역에서 기존 설계 블로어에 비해 압력은 최대 6.3%까지 증가함을 알 수 있었다.
- 2) 블로어 유량계수 0.195 이하에서는 꺽임 길이에 무관하게 일정한 압력을 나타내며, 0.195이상의 고유량 영역에서는 압력 특성이 급격히 저하됨을 알 수 있었다.
- 3) 무차원 꺽임 길이가 0.2 이상에서는 유량 변화량에 따라 일정한 압력 및 효율 특성을 갖음을 알 수 있었다.
- 4) 기본설계 블로어에서는 날개 부압면 및 볼류트 케이싱의 컷오프 영역에서 역류에 의한 저속 영역이 최고 압력 조건을 갖는 블로어보다 크게 나타났으며, 이로 인하여 상대적으로 큰 압력손실을 가져왔다.
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