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다목적 최적화 기법을 이용한 고출력 원심압축기 형상 최적설계
Shape Optimization of High Power Centrifugal Compressor Using Multi-Objective Optimal Method 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.39 no.5 = no.356, 2015년, pp.435 - 441  

강현수 (성균관대학교 기계공학부) ,  이정민 (성균관대학교 기계공학부) ,  김윤제 (성균관대학교 기계공학부)

초록
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본 연구에서는 원심압축기 임펠러와 디퓨져 블레이드 형상을 반응표면법다목적 유전알고리즘 기법을 사용하여 최적설계 연구를 수행하였다. 임펠러와 디퓨져의 블레이드 선단과 후단의 각도와 두께를 3 구간으로 나누어 설계변수로 적용하였으며 수치해석은 상용코드인 ANSYS CFX 를 사용하였다. 실험계획법 중 많이 사용되는 중심합성계획을 이용하여 총 45 개의 설계점에 대한 값을 계산하였다. 계산된 결과를 바탕으로 반응표면을 생성하였으며 반응표면은 최적형상의 임펠러와 디퓨져를 선정하는데 이용하였다. 최적설계의 전 과정은 ANSYS DX 를 사용하였으며, 최적화의 결과로 원심압축기의 주요 성능변수인 등엔트로피 효율과 압력회복계수가 각각 0.3%, 5% 향상된 임펠러와 디퓨져 블레이드 형상을 제시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, a method for optimal design of impeller and diffuser blades in the centrifugal compressor using response surface method (RSM) and multi-objective genetic algorithm (MOGA) was evaluated. A numerical simulation was conducted using ANSYS CFX with various values of impeller and diffuser p...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 15,000 HP 급 다단 원심압축기의 2 단 압축기 임펠러와 디퓨져 블레이드 형상에 대한 최적설계를 수행하였다. 먼저, 기본모델의 CFD 결과와 실험값과의 결과를 비교하여 타당성을 입증하였고, 원심압축기 임펠러와 디퓨져 형상에 대해서 실험계획법과 반응표면법을 이용하여 최적 설계를 수행하였다.
  • 본 연구에서는 원심압축기 임펠러와 디퓨져 블레이드에 대한 형상 최적설계를 수행하였다. 최적 설계 과정에서 실험계획법과 반응표면법의 사용으로 다수의 설계변수와 성능간의 상관관계를 분석하여 원심압축기의 주요한 설계변수들을 선정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
원심압축기란 무엇인가? 산업현장에서 다양하게 사용되는 원심압축기는 고속으로 회전하여 유체에 압력에너지와 속도에너지를 전달하는 유체기계이다. 일반적으로 원심압축기는 인듀서, 임펠러, 디퓨져 그리고 볼류트로 구성되어 있다.
원심압축기의 구성 요소 중 하나인 디퓨져 성능을 나타내는 변수 중 많이 사용 되는 것은 무엇인가? 디퓨져 성능을 나타내는 변수 중 많이 사용되는 것이 압력회복계수와 압력손실계수이다. 압력회복계수란 디퓨져 입구에서의 동압(dynamic pressure)이 디퓨져를 지난후에 얼마나 정압으로 변환되었는지를 나타내는 지표이고, 전압력손실계수란 디퓨져 입구에서의 동압에 대한 디퓨저 입출구 전압력 손실의 비율을 나타낸다.
Non-parametric regression 방법의 장점은 무엇인가? Non-parametric regression (이하 NPR) 방법은 다른 반응표면법과는 달리 실험값을 통하지 않고 자료로부터 알고자 하는 설계점의 결과값을 추정한다. 이러한 회귀분석은 주어진 자료의 특성으로부터 잡음(noise)를 제거 또는 감소시킬 수 있으며, 그렇기 때문에 자료 해석에 있어 보다 원자료에 근접하는 회귀모형을 구할 수 있다는 장점을 지닌다.(9) 본 연구에서 사용한 반응표면의 적합도 평가는 실제 추출 점에서의 값과 반응표면에서 계산한 값의 오차에 대한 평균값인 RMSE(root mean square error)를 사용하였다.
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참고문헌 (10)

  1. Kim, J. H., Choi, J. H., Husain and Kim, K. Y., 2010, "Multi-objective Optimization of a Centrifugal Compressor Impeller through Evolutionary Algorithms," J. Power and Energy, Vol. 224, pp. 711-721. 

  2. Kim, J. H., Choi, J. H. and Kim, K. Y., 2009, "Design Optimization of a Centrifugal Compressor Impeller using Radial Basis Neural Network Method," Proceeding of ASME Turbo Expo, Vol. 7, pp. 443-451. 

  3. Kim, S., Choi, Y. S., Yoon, J. Y. and Kim, D. S., 2008, "Design Optimization of a Centrifugal Pump Impeller Using DOE," Journal of Fluid Machinery, Vol. 11, No.3, pp.36-42. 

  4. Kim, S. M., Park, J. Y., Ahn, K. Y. and Baek, J. H., 2009, "Numerical Investigation and Validation of the Optimization of a Centrifugal Compressor using a Response Surface Method," J. Power and Energy, Vol. 224, pp. 251-259. 

  5. Benni, E. and Pediroda, V., 2001, "Aerodynamic Optimization of an Industrial Centrifugal Compressor Impeller using Genetic Algorithm," Proceedings of Eurogen, Athens, pp.467-472. 

  6. Benni, E. and Tourlidakis, A., 2001, "Design Optimization of vaned Diffusers for Centrifugal Compressors using Genetic Algorithms," American Institute Aeronautics and Astronautics Paper, pp. 2001-2583. 

  7. Wang, X. F., Xi, G. and Wang, Z. H., 2006, "Aerodynamic Optimization Design of Centrifugal Compressor's Impeller with Kriging Model," J. Power and Energy, Vol. 220, pp. 589-597. 

  8. Bardina, J. E., Huang, P. G. and Coakley, T., 1997, "Turbulence Modeling Validation," 28th AIAA Fluid Dynamics Conference, pp. 1997-2121. 

  9. Moon, Y. L., Cho, T. M. and Kim, D. K., 2000, "Nonparametric Regression Estimation for Hydrologic Application," Proceeding of KSCE, Vol. 3, pp. 111-114. 

  10. Ju, B. H., Cho, T. M., Jung, D. H. and Lee, B. C., 2006, "An Error Assessment of the Kriging based Approximation Model using a Mean Square Error," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 30, No. 8, pp. 923-930. 

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