[논문]재순환케이싱처리 높이변화가 터보차저 압축기의 성능에 미치는 영향

이근식

doi:10.3795/ksme-b.2015.39.8.669

재순환케이싱처리 높이변화가 터보차저 압축기의 성능에 미치는 영향
Effect of Height Variation of Recirculating Casing Treatment on the Performance of a Turbocharger Compressor 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.39 no.8 = no.359, 2015년, pp.669 - 675

(울산대학교 기계공학부) , (울산대학교 기계공학부) , 이근식 (울산대학교 기계공학부)

초록
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자동차용 터보차저 원심압축기의 재순환케이싱처리(RCT)부의 높이변화가 압축기의 성능에 미치는 영향이 조사되었다. 연구대상 RCT 부의 높이는 1.2mm, 1.5mm, 1.8mm 의 세가지이며, 회전수 범위는 90,000 - 150,000 rpm, 유량 범위는 0.015 kg/s - 0.08 kg/s 이다. 전압력비와 등엔트로피 효율 비교 결과, 본 수치계산은 실제압축기의 성능 제원과 최대오차 0.7%의 범위 내에서 잘 일치하였다. 해석결과, RCT 부 높이 1.2mm, 1.8mm, 1.5mm 순서로 균일 압력분포, 높은 압력비, 넓은 작동범위를 얻었다. 이들 세가지 경우 모두, 회전수가 증가할수록 이들의 압력비는 높아지나 운전범위는 좁아지는 전형적인 압축기 맵의 특성을 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we investigate the performance variations of an automotive turbocharger compressor with respect to the height variation of the recirculating casing treatment (RCT). We use three RCT heights, namely 1.2 mm, 1.5 mm, and 1.8 mm. We vary the compressor speed from 90,000 to 150,000 rpm, and the flow rate from 0.015 kg/s to 0.08 kg/s. The calculation results of the total pressure ratio and isentropic efficiency showed good agreement with the performance data provided by the manufacturer within a 0.7 percent error. The results showed that the RCT heights of 1.2 mm, 1.8 mm, and 1.5 mm, in that order, exhibited a more uniform pressure distribution, higher pressure ratio, and wider operational range. As the number of revolutions per minute increased, we obtained typical characteristics of a compressor map having a narrower operational range in the region of higher pressure ratio.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

자동차용 터보차저 원심압축기에서 재순환케이싱처리(RCT)를 도입하면 저유량에서 성능이 향상되며 운전범위가 넓어지게 된다. 본 연구는 RCT 부의 높이변화가 압축기의 성능에 미치는 영향을 조사하기 위하여 RCT 부의 높이는 모델 1(1.2mm), 모델 2(1.5mm), 모델 3(1.8mm)로 선정하고, 회전수 90,000 - 150,000 rpm 범위에서 유량에 대한 압력비 거동과 서지마진을 조사하였다. 이로부터 다음의 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 RCT의 높이변화에 따른 터보차저 압축기의 성능을 조사하였다. RCT의 세가지 높이변화에 대하여 압축기의 압력분포, 압력비, 운전범위를 ANSYS CFX를 사용하여 계산하고 비교하였다.

제안 방법

본 연구에서는 RCT의 높이변화에 따른 터보차저 압축기의 성능을 조사하였다. RCT의 세가지 높이변화에 대하여 압축기의 압력분포, 압력비, 운전범위를 ANSYS CFX를 사용하여 계산하고 비교하였다.
8 mm)의 RCT가 있는 압축기 해석모델이 제시되어 있다. 본 해석에서 압축기 회전수는 90000, 120000, 150000 rpm 으로 선정하였으며, 질량유량의 범위는 1.5 mm 높이의 RCT 설치 압축기를 기준으로 하여 0.015 kg/s - 0.08 kg/s 이다.

대상 데이터

해석영역의 그리드는 ANSYS MESH 를 이용하여 생성하였다. 베인리스 디퓨저와 볼류트에는 사면체 그리드(tetrahedral grids)를, 임펠러에는 블레이드 주위의 경계층 유동해석의 정확도를 높이기 위하여 TurboGrid 를 사용한 육면체(hexahedral meshes)를 사용하였다. 그리드 수에 무관한 해의 검증을 통하여, 베인리스 디퓨저와 볼류트에는 400,670 개의 그리드가, 임펠러의 한 통로에는 247,040 개의 그리드가 배치되었다.
해석대상 압축기 모델은 1.6L 자동차 엔진에 사용되는 터보차저 압축기이다. 설계점은 Table 1에 제시된 바와 같이 질량유량 0.

데이터처리

임펠러 회전에 의해 유입된 디퓨저와 볼류트의 불균일한 유동장 해석은 ANSYS CFX 를 이용하여 수행되었다. 압축기 내부의 난류해석은 벽면 전단응력을 잘 예측하는 k-ω-SST(Shear Stress Transport) 모델을 사용하였다.
4에서 보여주고 있다. 해석영역의 그리드는 ANSYS MESH 를 이용하여 생성하였다. 베인리스 디퓨저와 볼류트에는 사면체 그리드(tetrahedral grids)를, 임펠러에는 블레이드 주위의 경계층 유동해석의 정확도를 높이기 위하여 TurboGrid 를 사용한 육면체(hexahedral meshes)를 사용하였다.

이론/모형

압축기 내부의 난류해석은 벽면 전단응력을 잘 예측하는 k-ω-SST(Shear Stress Transport) 모델을 사용하였다.
경계조건으로는 입구에는 입구 전온도와 전압력을, 출구에는 질량유량을 주었다. 정지면과 회전면 사이의 인터페이스(interface)는 수렴성이 양호한 혼합면 모델(mixing plane model)이 사용되었다. 관련 상세 내용은 Table 3에 제시되어 있다.

성능/효과

(1) 동일한 질량유량과 회전수 조건에서, 전압력비와 등엔트로피 효율에 대하여 실제 압축기(M사 제품)의 성능 제원과 본 수치계산값은 최대 오차 0.7% 범위 이내에서 매우 잘 일치하므로 본 수치해의 타당성이 입증되었다.
(2) 압력비는 모든 회전수와 유량범위에서 RCT 모델 1(1.2mm), 모델 3(1.8mm), 모델 2(1.5mm)의 순서로 약간 높은 것으로 나타났다.
(3) 서지마진은 모든 회전수 범위에서 RCT 모델 2(1.5mm)를 기준으로 할 때, 모델 1(1.2mm), 모델 3(1.8mm)의 순서로 증가하였다. 또한 서지마진은 회전수에 따라 차이가 있다.
또한 서지마진은 회전수에 따라 차이가 있다. 모델 1과 모델 3의 경우가 모델 2 경우보다, 90,000 rpm 일 때 각각 5%와 8% 증가되었으며, 120,000 rpm 일 때 각각 8.3%와 13.75% 증가되었으며, 150,000 rpm 각각 9.1%와 18.2% 증가되어 운전범위가 넓어졌음을 보여주었다.
모델 1이 모델 3과 모델 2 보다 압축기 내부 균일한 압력분포와 높은 압력비, 향상된 서지마진을 보여 주었다.
모델 2 의 작동범위는 0.015 kg/s – 0.08 kg/s 이며, 모델 3 의 작동범위는 0.01175 kg/s – 0.08 kg/s, 모델 1 의 작동범위는 0.0098 kg/s – 0.08 kg/s 이므로 모델 2 를 기준으로 하면, 각각 5%와 8% 운전범위(서지마진, surge margin)가 증가하였다.
모델 2 의 작동범위는 0.02 kg/s – 0.08 kg/s 이며, 모델 3의 작동범위는 0.015 kg/s – 0.08 kg/s, 모델 1의 작동범위는 0.01175 kg/s – 0.08 kg/s 이므로 각각 8.3%와 13.75% 서지마진이 증가하였다.
모델 2의 작동범위는 0.025 kg/s – 0.08 kg/s 이며, 모델 3의 작동범위는 0.02 kg/s – 0.08 kg/s, 모델 1의 작동범위는 0.015 kg/s – 0.08 kg/s 이므로 각각 9.1%와 18.2% 서지마진이 증가하였다.
수치해의 타당성 검증을 위하여 실제 터보차저 압축기(M 사 SUV 차량)의 성능 제원(전압력비와 등엔트로피 효율)과 이에 대한 본 수치계산 결과 값을 Table 4 에 제시하였다. 이들 전압력비와 등엔트로피 효율들을 상호 비교하면 최대 오차 0.7% 범위 이내에서 매우 잘 일치하므로 본 수치해의 타당성이 입증되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터보차저의 주요 구성요소는 무엇인가?	단위유량 당 동일한 출력을 갖는 엔진에 터보차저를 이용하여 유입 공기를 압축하여 질량을 늘려주면 엔진출력이 증가하게 된다. 터보차저의 주요 구성요소는 배기가스의 에너지를 회수하여 축동력을 발생시키는 터빈, 터빈과 동일 구동축에 연결되어 터빈(보통 반경류 구심형태)의 출력을 이용하여 엔진으로 유입되는 공기를 압축하여 공급하는 압축기(보통 원심형태)로 구성되어 있다. 이 원심압축기(1)는 보통의 경우 임펠러, 디퓨저, 볼류트의 세가지 부품으로 구성되어 있다.
	터보차저를 도입하고 있는 이유는 무엇인가?	최근 많은 자동차엔진들은 배기량을 줄이면서 출력 증강과 함께 엄격해진 배기규제를 만족하기 위하여 터보차저를 도입하고 있다. 단위유량 당 동일한 출력을 갖는 엔진에 터보차저를 이용하여 유입 공기를 압축하여 질량을 늘려주면 엔진출력이 증가하게 된다.
	임펠러, 디퓨저, 볼류트 각각의 역할은 무엇인가?	이 원심압축기(1)는 보통의 경우 임펠러, 디퓨저, 볼류트의 세가지 부품으로 구성되어 있다. 반경방향으로 이들의 역할을 기술하면, 유입공기를 터빈의 축동력을 받아 원심력으로 압축시키는 임펠러, 임펠러로부터 방출된 공기속도를 늦추어서 운동에너지를 압력에너지로 전환하는 디퓨저, 디퓨저로부터 미회수된 압력을 점진적으로 회수하고 볼류트 다음에 연결된 관에 유동을 전달하는 역할을 하는 볼류트(2,3)가 원심압축기의 주요 구성품이다. 터보차저의 주요성능은 유입공기에 대한 압력비와 압축효율 외에도, 수시로 부하가 변할 수 있는 자동차의 운전특성 때문에 운전영역에 관련되는 서지마진(surge margin) 역시 매우 중요해지고 있다.

참고문헌 (5)

Japikse, D., 1996, Centrifugal Compressor Design and Performance, Concepts, Inc.
Cheng, X. and Michael, M., 2005, "Development and Design of a Centrifugal Compressor Volute," Int. J. of Rotating Machinery, Vol. 3, pp. 190-196.
Ayder, E., Van den Braembussche, R. and Brasz, J. J., 1993, "Experimental and Theoretical Analysis of the Flow in a Centrifugal Compressor Volute," ASME J. Turbomach., Vol. 115, No. 6, pp. 582-589.

상세보기
Yin, J., 2009, "Optimization of Turbocharger Ported Shroud Compressor Stages," Proceeding of ASME Turbo Expo 2009: Power for Land, Sea and Air, GT2009-59248.
Park, C. Y., Choi, Y. S., Lee, K. Y. and Yoon, J. Y., 2012, "Numerical Study on the Range Enhancement of a Centrifugal Compressor with a Ring Groove System," J. of Mech. Sci. & Tech., Vol. 26, No. 5, pp. 1371-1378.

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저자의 다른 논문 :

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].

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