터보블로워는 상대적으로 적은 체적유량에서 높은 압력이 요구되는 곳에 사용되는 대표적인 유체기계로서 다양한 산업에 응용되어 사용된다. 본 연구에서는 고속으로 회전하는 소형 2단 터보블로워의 정압상승 메커니즘을 이해하기위해, 1단 임펠러 영역과 터보블로워 전체 영역에 대해서 상용툴인 ANSYS 14.5를 이용하여 CFD해석을 수행하였다. CFD 해석과정에는 역압력 구배에 의한 유동박리 예측에 적합한 k-${\omega}$SST 난류 모델을 적용하였다. 터보블로워의 전산해석 결과는 KS B 6311 및 KS A 0612에 따른 성능시험방법을 통하여 해석기법이 타당함을 검증하였다. CFD 해석결과 터보블로워의 압력상승은 선형적으로 나타나지 않으며, 안내깃에서의 손실과 케이싱과 임펠러 간극에서 손실이 발생하는 것으로 분석되었다. 소형 2단 터보블로워를 공력성능을 예측하기 위해서는 전체 유동영역에 대한 전산 해석이 필요하며, 실험과 전산해석의 오차에 대해 고려된 전산해석 결과가 선정되어야 한다.
터보블로워는 상대적으로 적은 체적유량에서 높은 압력이 요구되는 곳에 사용되는 대표적인 유체기계로서 다양한 산업에 응용되어 사용된다. 본 연구에서는 고속으로 회전하는 소형 2단 터보블로워의 정압상승 메커니즘을 이해하기위해, 1단 임펠러 영역과 터보블로워 전체 영역에 대해서 상용툴인 ANSYS 14.5를 이용하여 CFD해석을 수행하였다. CFD 해석과정에는 역압력 구배에 의한 유동박리 예측에 적합한 k-${\omega}$ SST 난류 모델을 적용하였다. 터보블로워의 전산해석 결과는 KS B 6311 및 KS A 0612에 따른 성능시험방법을 통하여 해석기법이 타당함을 검증하였다. CFD 해석결과 터보블로워의 압력상승은 선형적으로 나타나지 않으며, 안내깃에서의 손실과 케이싱과 임펠러 간극에서 손실이 발생하는 것으로 분석되었다. 소형 2단 터보블로워를 공력성능을 예측하기 위해서는 전체 유동영역에 대한 전산 해석이 필요하며, 실험과 전산해석의 오차에 대해 고려된 전산해석 결과가 선정되어야 한다.
Aerodynamic characteristics of the small two-stage turbo blower were investigated using commercial CFD tool(ANSYS CFX Ver. 14.5) in this paper. Turbo blower, which is a centrifugal type of turbomachinery, is used in various industries. It is used for application that required high static pressure ri...
Aerodynamic characteristics of the small two-stage turbo blower were investigated using commercial CFD tool(ANSYS CFX Ver. 14.5) in this paper. Turbo blower, which is a centrifugal type of turbomachinery, is used in various industries. It is used for application that required high static pressure rising at relatively small volumetric flow rate. In order to understand the mechanism of static pressure rising, the aerodynamic characteristics of the small two-stage turbo blower are analyzed at high rotating speed in this study. The k-${\omega}$ SST turbulence model, which is good at prediction of adverse pressure gradient flows, was applied. The CFD results of the turbo blower are validated by performance test. The static pressure rising of the turbo blower is nonlinearly increased over the first stage and the second stage. The secondary flow occurred at guide vanes, between the casing and the first impeller shroud, and the bottom of the impeller disk. As a result, It is required that whole fluid area is analyzed to predict aerodynamic characteristics of small two-stage turbo blower. and the result should be selected with considering for error from experiment and CFD.
Aerodynamic characteristics of the small two-stage turbo blower were investigated using commercial CFD tool(ANSYS CFX Ver. 14.5) in this paper. Turbo blower, which is a centrifugal type of turbomachinery, is used in various industries. It is used for application that required high static pressure rising at relatively small volumetric flow rate. In order to understand the mechanism of static pressure rising, the aerodynamic characteristics of the small two-stage turbo blower are analyzed at high rotating speed in this study. The k-${\omega}$ SST turbulence model, which is good at prediction of adverse pressure gradient flows, was applied. The CFD results of the turbo blower are validated by performance test. The static pressure rising of the turbo blower is nonlinearly increased over the first stage and the second stage. The secondary flow occurred at guide vanes, between the casing and the first impeller shroud, and the bottom of the impeller disk. As a result, It is required that whole fluid area is analyzed to predict aerodynamic characteristics of small two-stage turbo blower. and the result should be selected with considering for error from experiment and CFD.
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문제 정의
본 연구에서는 소형 2단 터보블로워에 대한 성능을 분석하기 위해 전산해석을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 소형 2단 터보블로워의 공력특성을 알아보기 위해 전체 유동영역에 대하여 전산해석을 수행하였으며, 다음과 결론을 얻었다.
제안 방법
2단 터보블로워의 경계조건은 입구에는 유동의 입출입이 자유로운 오프닝(Opening) 조건을 적용하였으며, 압력은 대기압이 설정되었다. 출구에는 유량변화에 따른 성능변화를 알아보기 위하여 질량유량(Mass flow) 조건이 적용되었으며 케이싱의 내부 벽면 및 임펠러와 회전축의 벽면에는 점착조건(No slip condition)이 부여 되었다.
2단 터보블로워의 압력 상승 메커니즘을 이해하기 위해 터보블로워의 전체 영역에 대해서 전산 해석을 수행하였다.
터보블로워의 공력 성능특성을 분석하기 위해 임펠러의 회전 속도는 35,000rpm으로 고정하였다. 공기밀도는 상온의 온도를 측정하여 공기 비중량을 계산하여 사용하였다[13]. 유량조절 장치를 사용하여 체적유량을 조절하여 터보블로워의 정압과 체적유량을 측정하였다.
본 연구에서는 2단 임펠러, 케이스와 볼류트를 포함하는 형상으로 회전영역과 고정영역이 존재하여 MRF기법을 적용하였다.
본 연구에서는 임펠러 직경 50mm 미만을 갖는 소형 2단 터보블로워의 압력상승 메커니즘과 유동특성을 이해하기 위해 1단 터보블로워만 존재하는 경우와 2단 터보블로워 및 볼류트를 포함하여 작동하는 경우에 대해서 전산해석을 수행하였다.
소형 2단 터보블로워의 내부 유동 해석을 위해 전체 유동영역에 대해 격자를 생성하였다. 고속으로 회전하는 임펠러와 정지상태에 있는 케이싱 내부 유동영역 경계면의 유연한 유동묘사를 위해 유동영역의 접합부인 경계면에는 더욱 조밀한 격자가 생성되었다.
소형 2단 터보블로워의 압력 상승 메커니즘을 이해하기 위해서 터보블로워의 1단 영역에 대해 서만 전산해석을 수행하였다. 경계조건은 동일하게 적용되었다.
소형 2단 터보블로워의 전산해석 결과를 검증하기 해서 KS B 6311 및 KS A 0612에따라 팬성능 시험을 수행하였다.
소형 2단 터보블로워의 전산해석결과를 검증하기 위해서 성능 시험을 수행하였다.
공기밀도는 상온의 온도를 측정하여 공기 비중량을 계산하여 사용하였다[13]. 유량조절 장치를 사용하여 체적유량을 조절하여 터보블로워의 정압과 체적유량을 측정하였다.
소형 2단 터보블로워의 해석영역은 두 개의 회전영역과 하나의 비회전 영역을 구성되어 있으며, 각 단의 임펠러는 회전영역으로 설정되었다. 회전영역과 비회전 영역은 경계면 설정으로 격자노드점의 위치가 달라도 사용이 가능하고 두 경계면의 데이터가 직접전달되어 회전방향에 따라 유동변화를 실제와 유사하게 모사할 수 있는 프로즌로터(Frozen Rotor)조건을 사용하였고, 총 15개의 경계면을 갖는다[12].
대상 데이터
본 연구에 사용된 마노메터는 Yokokawa社의 MT110 모델로 0~130.0kPa의 범위를 측정할 수 있으며, 1.0Pa의 분해능과 9,600Hz의 표본추출율 성능을 갖는다. 1,000개의 표본수로 1,000개의 표본세트를 구성하여 총 1,000,000개의 데이터를 얻었으며 이를 산술평균하여 실험값을 얻게 되었다.
1,000개의 표본수로 1,000개의 표본세트를 구성하여 총 1,000,000개의 데이터를 얻었으며 이를 산술평균하여 실험값을 얻게 되었다. 유량은 0에서 350ℓ/min 까지 총 40개의 케이스로 구분하였다.
Table 1은 2단 터보블로워의 제원을 나타낸 표이다. 임펠러 디스크 직경은 42mm이며 총 2단으로 구성되어 있다. 작동조건은 체적유량이 200ℓ/min일 때 터보블로워 출구에서 정압비 1.
데이터처리
0Pa의 분해능과 9,600Hz의 표본추출율 성능을 갖는다. 1,000개의 표본수로 1,000개의 표본세트를 구성하여 총 1,000,000개의 데이터를 얻었으며 이를 산술평균하여 실험값을 얻게 되었다. 유량은 0에서 350ℓ/min 까지 총 40개의 케이스로 구분하였다.
등[7]은 베인드 디퓨저를 포함하는 2단 원심펌프에 대해서 전산해석과 실험을 수행하였다. 전산해석 결과 최고 효율점은 실험값과 비교하여 상대적으로 높게 나타났으며 상사법칙을 사용하여 작동영역에 대한 펌프 헤드 관계식을 도출하였다.
이론/모형
난류모델은 2-equations 모델인 k-ω SST(Shear-Stress Transport) 난류모델을 사용하였다.
본 연구에서 사용된 전산해석 상용툴인 CFX에서 3차원 비압축성해석에 이용되는 지배방정식 Navier-Stokes 방정식을 아래에 표현하였다. 식 (1)은 연속 방정식, 식 (2)는 모멘텀 방정식, 그리고 식 (3)은 에너지방정식을 나타낸다[10].
성능/효과
1) 소형 2단 터보블로워의 CFD 해석결과는 성능시험결과와 비교분석되어 CFD기법의 타당성이 검증되었다. 전산해석의 결과는 성능시험 결과와 비교하였을 때 8.
압력면(Pressure side)에서 재순환유동이 발생되어 유동의 불균형이 나타나며, 속도저하 또한 나타난다. 1단만 구동될 때보다 2단으로 작동할 때, 입구에서 유입속도가 증가한 것으로 확인되었다. 증가된 속도로 인해 블레이드 입구에서 유동박리가 발생하였고 압력면에 재순환유동이 발생한 것으로 확인된다.
2) 2단 소형 터보블로워의 각 단에서 임펠러와 안내깃에 2차 유동이 발생하며, 1단 임펠러에서 토출된 유동이 안내깃을 통해 2단 입구로 유입되며 이 때 손실이 가장 큰 것으로 나타났다.
Figure 20은 2단 임펠러 및 볼류트에서 유선분포를 나타낸 그림이다. 2단 임펠러 블레이드의 압력면에서 유동박리가 생성됨을 확인할 수 있다. 생성된 유동박리는 볼류트의 넓이가 확장되는 반경방향으로 임펠러가 회전면서 볼류트 혀를 통해 토출 될떄 완전히 해소됨을 알 수 있다.
3) 임펠러 출구와 케이싱 사이 간극에서 유동의 역류가 발생하며, 임펠러 디스크 하단과 상단 케이싱에서 2차유동이 발생함을 확인하였다. 이는 터보블로워의 성능을 저하시키는 요인으로 판단된다.
Figure 4는 해석에 사용된 격자 의존성평가(Grid inependence test)를 위해서 격자 개수에 따른 2단 터보블로워 출구에서의 압력 계수를 나타낸 결과이다. 격자의존성 평가 결과 약 530만개 이상 격자에서는 해석결과에 크게 영향이 없으므로 해석시간을 고려해 약 530만개의 격자수로 결정되었다.
본 연구에 관련된 연구로는 장춘만 등[4,5]은 전산해석을 이용하여 관로이송설비에서 사용되는 중형 터보블로워의 성능을 해석하였다. 그 결과 볼류트 케이싱 형상개선으로 임펠러 익간 및 블로어 출구의 압력손실을 줄임으로써 효율 및 압력상승을 개선하였고, 스플리터를 부착하여 압력 상승과 효율향상을 확인하였다.
케이스 벽면 근처에서 높은 유속이 나타남을 확인하였다. 임펠러 출구에서 2차유동이 발생함과 동시에 케이싱과의 간극을 통해 임펠러 상단으로 유입되는 역류가 발생함을 확인할 수 있다. 임펠러 디스크 하단에서는 임펠러 허브(Hub)로 유입되는 2차 유동이 발생한다.
071에서의 유동단면의 유선 분포를 나타낸 그림이다. 입구로 유입된 유선이 균일하게 임펠러 출구로 토출됨을 확인할 수 있다. 안내깃 사이에서는 유동의 회전성분으로 인해 아랫면에서 회전부 중심으로 유동성분이 형성되는 2차유동이 발생함을 확인 할 수 있다.
전산해석값이 실험값보다 다소 높은 값을 예측하고 있음을 알 수 있다. 작동 체적유량인 200ℓ/min에서 5,489.4Pa의 정압이 상승함을 확인하여 압력비가 만족함을 확인하였다. 이 때, 압력계수는 0.
9%의 오차를 갖는다. 작동영역에서 오차는 4.3%로 시험에서 나타나는 측정오차를 고려하였을 때, 본 연구에 사용된 전산해석 기법이 타당함을 확인하였다. 실험값과 전산해석 결과값의 오차가 발생한 원인으로는 전산해석에서 사용된 모델의 표면거칠기의 차이에서 비롯되는 것으로 판단된다 [14].
Si Huang 등[8]은 5단 원심 펌프의 유동을 예측하기 위해 k-ε 난류모델을 이용하여 전산해석을 수행하였다. 전산해석 결과 임펠러의 블레이드와 디퓨져(diffuser)의 상호작용에 의해 임펠러 출구에서 역류가 발생함을 확인하였다.
1) 소형 2단 터보블로워의 CFD 해석결과는 성능시험결과와 비교분석되어 CFD기법의 타당성이 검증되었다. 전산해석의 결과는 성능시험 결과와 비교하였을 때 8.9% 오차를 보였다. 오차는 시험 모델의 표면 묘사의 한계로 발생하는 것으로 판단된다.
Figure 7은 터보블로워의 중앙단면에서 정압분포를 나타낸 그림이다. 터보블로워 입구로 유입된 공기는 임펠러를 지나면서 반경방향으로 균일한 압력 상승이 나타남을 확인하였다.
박한영 등[6]은 상용코드를 이용하여 원심 압축기 임펠러를 해석하였다. 해석결과 내부 유동특성 해석에는 Frozen Rotor 기법을 사용하는 것과 경계조건을 유량․정압조건으로 부여하는 것이 더욱 유용하다고 판단하였다.
후속연구
4) 소형 2단 터보블로워를 설계함에 있어서 안내깃 형상이나 깃수 따른 손실의 최소화가 필요 하며, 임펠러 출구와 케이싱 사이 간극에 유입되는 역류 및 2차유동을 최소화 하기 위한 간극의 최적형상이 고려되어야 한다.
5) 소형 2단 터보블로워의 임펠러와 케이싱 간극에 손실을 줄이기 위한 연구가 필요하며, 1단과 2단 사이 안내깃의 형상에 따른 유동특성에 대한 연구가 필요하다. 이를 통하여 고성능의 소형 2단 터보블로워 설계에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
5) 소형 2단 터보블로워의 임펠러와 케이싱 간극에 손실을 줄이기 위한 연구가 필요하며, 1단과 2단 사이 안내깃의 형상에 따른 유동특성에 대한 연구가 필요하다. 이를 통하여 고성능의 소형 2단 터보블로워 설계에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
터보블로워란 무엇인가
터보블로워는 곡물을 수송하는 농작기계 및 진공청소기, 가스공급기, 공기혼합기, 공기부양장치등 다양한 공업장치에 사용되는 유체기계로서 상대적으로 작은 체적에 높은 압력이 요구되는 곳에 사용된다[1].
소형 2단 터보블로워는 무엇으로 구성되어 있는가
1은 전산해석에 사용된 터보블로워 형상이다. 터보블로워는 2단 임펠러, 안내깃, 볼류트 및 케이싱 으로 구성되어 있다. 입구를 지난 유체는 각 단의 임펠러와 안내깃을 지나서 출구로 토출된다.
터보블로워의 장점은 무엇인가
터보블로워는 고성능 고효율의 성능특성으로 넓은 범위의 영역에서 운영이 가능하고, 반영구적 수명으로 사용 할 수 있는 등 장점이 많은 장치이다. 산업용 터보블로워는 발전소, 폐기물 처리, 환기설비 등에도 광범위 하게 사용이 되는데, 이들 산업용 유체기계는 대부분 대형장비들이다.
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