[논문]상반각 정익이 천음속 축류 압축기 손실에 미치는 영향에 관한 연구

황동하; 최민석; 백제현

doi:10.5293/kfma.2015.18.5.005

상반각 정익이 천음속 축류 압축기 손실에 미치는 영향에 관한 연구
Effect of the Dihedral Stator on the Loss in a Transonic Axial Compressor 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.18 no.5, 2015년, pp.5 - 12

황동하 (포항공과대학교 기계공학과 대학원) , 최민석 (명지대학교 기계공학과) , 백제현 (포항공과대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a numerical investigation of the effect of the dihedral stator on the loss in a transonic axial compressor. Four stator geometries with different stacking line variables are tested in the flow simulations over the whole operating range. It is found that a large shroud loss at the rotor outlet and the subsequent shroud corner separation in the stator passage occur at low mass flow rate. The hub dihedral stator and bowed blade generate unexpected hub-corner-separation, thereby causing a large total pressure loss over the entire operating range. However, the corresponding blockage forces the high momentum flow near the hub to divert toward the upper part of the passage suppressing the negative axial velocity region. The dihedral stator increases deflection angle and secondary vorticity near the endwall where the dihedral is applied. As a result, the endwall loss which is related to the endwall relative velocity decreases.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 상반각 정익을 적용한 천음속 축류 압축기에 대해 수치해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 이러한 상반각 정익이 천음속 축류 압축기 내부 손실에 미치는 영향을 살펴보기 위해 서로 다른 상반각 정익 형상에 대해 수치해석을 수행하였다. 해석은 실험 결과와의 비교를 통해 타당성을 검증하였으며 압축기 내부의 전압력 손실, 역류 영역 및 이차 유동 등의 비교를 통해 성능 변화를 분석하였다.

가설 설정

2) 정익 흡입면과 쉬라우드 끝벽 사이에는 코너 박리가 발생한다. 유량이 감소할수록 코너 박리의 크기와 세기가 증가하여 스톨 근처점에서는 정익 출구의 스팬 방향 70% 지점에서 최대 손실을 보인다.
3) 정익 내부 손실은 상반각 형상에 따라 서로 다른 결과를 보인다. 허브 상반각과 보우드 정익의 경우 허브 근처에 추가적인 박리와 함께 역류 영역을 발생시킴으로써 전 작동영역에서 전압력 손실을 증가시킨다.
0을 사용하여 압축기 성능 및 내부 유동장을 계산하였다. 3차원 압축성 RANS 방정식을 유한체적법을 이용하여 계산하였으며, 작동 유체는 이상 기체로 가정하였다. 난류 모델로는 k-ω SST 모델을 사용하여 역압력 구배에 따른 박리를 더 정확히 예측하도록 하였다.

제안 방법

경계조건으로는 실험에서 사용한 조건과 일치하도록 전압력, 전온도 조건을 입구 조건으로 설정해주었으며 출구에서는 스팬 위치에 따른 압력 분포를 고려하기 위해 스팬방향 50% 위치에서 원주방향으로 평균한 정압력 조건을 설정해주 었다. 압축기 전체 작동 영역에 대한 성능 결과를 얻기 위해 출구 정압력을 기준 압력에서부터 점차 높여가며 계산을 수행하였고 더 이상 계산이 수렴하지 않는 지점을 스톨이 발생한 지점이라 정의하였다.
난류 모델로는 k-ω SST 모델을 사용하여 역압력 구배에 따른 박리를 더 정확히 예측하도록 하였다.
압축기 전체 작동 영역에 대한 성능 결과를 얻기 위해 출구 정압력을 기준 압력에서부터 점차 높여가며 계산을 수행하였고 더 이상 계산이 수렴하지 않는 지점을 스톨이 발생한 지점이라 정의하였다. 벽 조건으로는 단열 조건과 noslip 조건을 설정해주었으며, 동익과 정익 사이 경계면에는 원주 방향으로 값을 평균하는 혼합면 기법을 사용하였다.
본 연구에서는 1단 천음속 축류 압축기, Stage 37 (Fig. 1)을 사용하여 수치해석을 수행하였다. Stage 37은 NASA에서 항공기용 다단 압축기의 첫 번째 단을 목적으로 설계된 압축기로써 실험을 통해 설계 검증이 수행되었다^(11,12).
본 연구에서는 Fig. 3에서 정의한 형상 변수(angle, depth)를 이용하여 전체 블레이드 각도 30°, 높이 대비 깊이 20%를 갖는 상반각 정익을 설계하였다.
NASA Stage 37은 동익과 정익이 각각 36개와 46개의 블레이드로 구성되어 있다. 본 연구에서는 정상, 비정상 해석을 효과적으로 수행하기 위해 현절비(solidity)를 유지한 채 정익 블레이드 수를 46개에서 48개로 늘려주었다. 계산 도메인은 최종적으로 동익과 정익 모두 원주 방향으로 30°를 갖도록 동익 블레이드 3개, 정익 블레이드 4개로 구성하였다.
4와 같이 구성하였다. 블레이드 주위에는 표면 근처의 유동을 효과적으로 예측하기 위해 O-type 격자계를 적용하였으며 모든 벽 표면 근처에서는 y⁺를 5 이하로 맞춰 주었다. 이후 격자 의존도 시험을 거쳐 최종적으로 하나의 유로에 해당하는 동익과 정익 격자수를 각각 254,589개와 171,595개로 선정한 후 익렬비 3:4, 총 150만개의 격자에 대해 해석을 수행하였다.
상반각 정익이 압축기 성능에 미치는 영향을 보다 면밀히 분석하기 위해, 정상해석에 따른 동익과 정익 각각의 전압력 손실을 아래와 같이 살펴보았다. 먼저 Fig.
경계조건으로는 실험에서 사용한 조건과 일치하도록 전압력, 전온도 조건을 입구 조건으로 설정해주었으며 출구에서는 스팬 위치에 따른 압력 분포를 고려하기 위해 스팬방향 50% 위치에서 원주방향으로 평균한 정압력 조건을 설정해주 었다. 압축기 전체 작동 영역에 대한 성능 결과를 얻기 위해 출구 정압력을 기준 압력에서부터 점차 높여가며 계산을 수행하였고 더 이상 계산이 수렴하지 않는 지점을 스톨이 발생한 지점이라 정의하였다. 벽 조건으로는 단열 조건과 noslip 조건을 설정해주었으며, 동익과 정익 사이 경계면에는 원주 방향으로 값을 평균하는 혼합면 기법을 사용하였다.
3에서 정의한 형상 변수(angle, depth)를 이용하여 전체 블레이드 각도 30°, 높이 대비 깊이 20%를 갖는 상반각 정익을 설계하였다. 이들은 각각 상반각 적용 위치에 따라 허브 상반각 정익, 쉬라우드 상반각 정익, 그리고 보우드 블레이드이며 본 연구에서는 기준 형상과 더불어 서로 다른 총 4개의 정익 형상에 대해 수치해석을 수행하였다.
블레이드 주위에는 표면 근처의 유동을 효과적으로 예측하기 위해 O-type 격자계를 적용하였으며 모든 벽 표면 근처에서는 y⁺를 5 이하로 맞춰 주었다. 이후 격자 의존도 시험을 거쳐 최종적으로 하나의 유로에 해당하는 동익과 정익 격자수를 각각 254,589개와 171,595개로 선정한 후 익렬비 3:4, 총 150만개의 격자에 대해 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 이러한 상반각 정익이 천음속 축류 압축기 내부 손실에 미치는 영향을 살펴보기 위해 서로 다른 상반각 정익 형상에 대해 수치해석을 수행하였다. 해석은 실험 결과와의 비교를 통해 타당성을 검증하였으며 압축기 내부의 전압력 손실, 역류 영역 및 이차 유동 등의 비교를 통해 성능 변화를 분석하였다.

데이터처리

수치해석 결과를 검증하기 위해 기준 형상에 대해 설계 회전속도의 100%에 해당하는 전압력비와 단열효율을 실험 결과^(11,12) 와 비교하였다. Fig.
수치해석에는 상용 소프트웨어인 ANSYS CFX 13.0을 사용하여 압축기 성능 및 내부 유동장을 계산하였다. 3차원 압축성 RANS 방정식을 유한체적법을 이용하여 계산하였으며, 작동 유체는 이상 기체로 가정하였다.

성능/효과

1) 서로 다른 상반각 정익을 적용한 압축기 유동을 분석한 결과, 동익에서는 정익 형상에 상관없이 동일한 회전 전압력 손실과 익단 간극 유량을 보였다.
4) 허브 상반각으로 인해 발생한 허브 근처 손실은 높은 축방향 모멘텀 유동을 스팬 방향으로 이동시킴으로써 쉬라우드 손실을 억제함과 동시에 전체 압축기 작동 영역을 향상시킨다.
5) 상반각 정익은 끝벽 근처의 전향각을 증가시켜 이차 와도의 세기를 증가시키고, 그 결과 반경 방향으로의 유동 혼합을 활발하게 함으로써 끝벽 손실을 감소시킨다.
그러나 허브 상반각 정익은 허브 근처에 박리를 추가적으로 발생시킴으로써 기준 형상보다 손실을 증가시킨다. 결과적으로 허브 상반각 정익 뿐만 아니라 보우드 블레이드에서도 전 작동영역에서 기준 형상보다 높은 전압력 손실을 보이게 된다. 보우드 정익은 Fig.
그림에서 볼 수 있듯이 정상해석과 비정상해석 결과 모두 실험 보다 낮은 전압력비와 스톨 한계점 유량 값을 예측하고 있다. 그러나 전체적인 전압력비 경향과 단열효율이 실험값과 일치하며 최대 효율 지점에 해당하는 유량 값을 정확하게 예측하고 있기 때문에 해석 결과가 일정 수준의 타당성을 확보했다고 판단할 수 있다.
8은 위와 같이 정의한 상반각 정익의 손실을 작동 유량에 따라 나타낸 그림이다. 상반각 정익을 적용할 경우 형상에 따라 손실 경향이 서로 다르지만 모든 형상에 대해서 기준 형상보다 손실이 증가하는 결과를 보였다. 먼저 허브 상반각과 보우드 블레이드의 경우 작동 영역은 기준 형상보다 늘어나는 반면 최대 효율점에서 부터 스톨 한계점까지의 손실은 증가하였다.
이는 허브 상반각과 마찬가지로 쉬라우드 상반각이 코너 박리의 크기를 증가시켰기 때문이다. 위 사실들을 종합해볼 때 상반각 정익은 적용된 위치에 상관없이 국부적으로 추가적인 박리를 발생시킴으로써 압축기 전체 손실을 증가시킨다는 결론을 얻을 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압축기는 저유량 영역에서 무엇을 발생시키는가?	압축기는 저유량 영역에서 날개 흡입면과 끝벽 사이에서 코너 박리(corner separation)를 발생시키며 이는 유로를 막아 손실을 발생시키고 작동 영역을 축소시키는 요인이 된다.(1~4) 많은 연구진들은 코너 박리를 억제하고 압축기 성능을 향상시키기 위해 스윕(sweep), 상반각(dihedral), 린(lean) 등과 같은 삼차원 날개 형상 제어 방법들을 고안해왔다(5~10).
	축류 압축기의 설계 제한조건은 어떠한가?	축류 압축기는 가스 터빈 엔진을 구성하는 중요한 요소 중 하나로 항공 분야 및 산업 전반에 걸쳐 두루 사용되고 있다. 이러한 압축기는 설계 제한조건이 까다롭고 유동장이 매우 복잡하기 때문에 압축기 성능을 향상시키고 작동 영역을 확보하기 위해서는 내부 유동에 대한 자세한 연구가 필요하다.
	축류 압축기는 무엇을 구성하는 중요 요소인가?	축류 압축기는 가스 터빈 엔진을 구성하는 중요한 요소 중 하나로 항공 분야 및 산업 전반에 걸쳐 두루 사용되고 있다. 이러한 압축기는 설계 제한조건이 까다롭고 유동장이 매우 복잡하기 때문에 압축기 성능을 향상시키고 작동 영역을 확보하기 위해서는 내부 유동에 대한 자세한 연구가 필요하다.

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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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