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문제 정의
- 본 연구에서는 임펠러 앞전 위치에 따라 달라지는 입구 유동에 대하여 유동입사각이 없도록 설계하였다. 따라서 동일한 자오면상 형상으로 설계된 원심압축기의 임펠러 자오면상 형상으로부터 블레이드 앞전 위치를 달리한 5개의 임펠러에 대해 성능특성 연구를 수행하고 그 특성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 임펠러의 앞전이 자오면상의 출구방향으로 얼마만큼 가까워지도록 위치하느냐에 따라 성능이 어떻게 달라지는지 알아보기 위한 연구를 수행하였다. 이 위치를 수치적으로 표현하기 위하여 임펠러의 앞전에서 뒷전까지의 중간 스팬에서의 자오면상 거리(mid-span meridional distance)를 무차원화 하여 나타내었다.
- 원심압축기 임펠러의 앞전 위치가 공력 성능에 어떤 영향을 미치는가에 대하여 살펴보았다.
제안 방법
- 5와 같이 나타내었다. 0%, 10%, 20%, 30%, 40%의 위치의 앞전을 가지는 임펠러를 각각 1~5의 test case로 정하여 연구를 수행하였다.
- 계산영역은 rotor(impeller), stator(diffuser)의 두 domain으로 설정하여 해석하였다. Rotor domain은 30500 rpm으로 회전하도록 rotating motion으로 설정하였고, stator domain은 stationary motion으로 설정하였다.
- Rotor domain은 30500 rpm으로 회전하도록 rotating motion으로 설정하였고, stator domain은 stationary motion으로 설정하였다. 두 domain의 interface는 stator domain이 vaneless diffuser이므로 자세한 유동특성을 관찰하기보다는 stage averaging하여 결과를 비교하기 쉽도록 하였다.
- 본 연구에서는 임펠러 앞전 위치에 따라 달라지는 입구 유동에 대하여 유동입사각이 없도록 설계하였다. 따라서 동일한 자오면상 형상으로 설계된 원심압축기의 임펠러 자오면상 형상으로부터 블레이드 앞전 위치를 달리한 5개의 임펠러에 대해 성능특성 연구를 수행하고 그 특성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 임펠러 날개 수에 따른 17 개의 유로 중 하나를 계산영역으로 지정하고 주기 조건을 부여하여 격자를 생성하였다. 적절한 격자수를 결정하기 위해 세 가지의 격자수, 481,647, 1,198,740, 2,020,623 개를 mesh 1, 2, 3으로 정하여 유동해석을 수행하였다.
- 설계유량에서 다섯 가지의 임펠러가 어떠한 내부 유동 특성으로 성능이 위와 같이 차이가 나는지 알아보기 위해 임펠러가 회전하면서 임펠러 내부 유동의 전압력 분포를 비교 분석하였다. Fig.
- 위 5가지 케이스에 대하여 여러 유량에 대한 전산해석을 수행하였다. Fig.
- 유동해석을 위해 임펠러 입구부터 디퓨저 출구까지 계산영역을 정하고 격자를 생성하였다. CFX 13은 유한체적법을 기반으로 한 3차원 RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes) 유동을 해석하며 난류모델은 표준 k-Epsilon 모델을 적용하였다.
- 이외의 모든 조건은 같으나 회전수에 따른 입구 유동 각이 각 모델마다 다르므로 입구 날개각을 입사각이 없도록 설계되었다. 날개각 및 그 외의 세부 사항은 Table 3을 따른다.
- 임펠러의 앞전 위치에 따른 성능 특성을 알아보기 위하여 임의의 설계된 원심압축기를 모델로 선정하였다[6]. 본 연구에 사용되는 원심압축기는 후향 경사(back sweep)를 가지는 임펠러와 베인이 없는(vaneless) 디퓨저로 구성되어 있다.
- 본 연구에서는 임펠러 날개 수에 따른 17 개의 유로 중 하나를 계산영역으로 지정하고 주기 조건을 부여하여 격자를 생성하였다. 적절한 격자수를 결정하기 위해 세 가지의 격자수, 481,647, 1,198,740, 2,020,623 개를 mesh 1, 2, 3으로 정하여 유동해석을 수행하였다. Fig.
대상 데이터
- 임펠러의 앞전 위치에 따른 성능 특성을 알아보기 위하여 임의의 설계된 원심압축기를 모델로 선정하였다[6]. 본 연구에 사용되는 원심압축기는 후향 경사(back sweep)를 가지는 임펠러와 베인이 없는(vaneless) 디퓨저로 구성되어 있다. 임펠러는 30,500 rpm으로 회전하는 17개의 베인으로 구성되어 있으며 개방형 임펠러(unshrouded impeller)로 앞전에서 뒷전까지 0.
데이터처리
- 임펠러의 성능 특성 연구를 수행하기 위해 전산해석 상용 프로그램인 ANSYS 13.0을 사용하였다[7]. 형상모델링 작업을 하기 위한 BladeGen과 터보 기계 격자생성 툴인 TurboGrid, 3차원 압축성 난류유동해석 상용 툴인 CFX 13을 사용하였다.
이론/모형
- 유동해석을 위해 임펠러 입구부터 디퓨저 출구까지 계산영역을 정하고 격자를 생성하였다. CFX 13은 유한체적법을 기반으로 한 3차원 RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes) 유동을 해석하며 난류모델은 표준 k-Epsilon 모델을 적용하였다.
- 0을 사용하였다[7]. 형상모델링 작업을 하기 위한 BladeGen과 터보 기계 격자생성 툴인 TurboGrid, 3차원 압축성 난류유동해석 상용 툴인 CFX 13을 사용하였다.
성능/효과
- 1) 임펠러 앞전이 입구로부터 10% 떨어진 위치에 있을 때 높은 압력비와 효율을 보였다.
- 2) 임펠러 앞전이 입구로부터 10% 떨어진 위치에 있을 때 임펠러 출구에서 박리영역의 강도가 약하여 상대적으로 균일한 유동분포를 보였다.
- 3) 임펠러 앞전이 입구로부터 10% 떨어진 위치보다 멀어질수록 낮은 압력비와 효율을 가지고 출구에서 불균일한 유동을 가져 압축기의 성능이 감소하였다.
- Case 5의 경우 다른 네 case 보다 속도 범위가 더 높지만 결과 비교를 쉽게 할 수 있도록 속도분포를 통일하였다. 결과를 비교해보면 전체적으로 각 유동의 속도가 불균일한 분포를 가졌다. Case 2와 3에서 후류에 가속되는 영역이 다른 임펠러보다 작아 상대적으로 균일한 속도분포를 보였다.
- 또한, 흡입면 부근의 속도도 낮아 스팬방향으로의 속도차이가 제일 낮음을 알 수 있었다. 따라서 임펠러 앞전 위치가 10%일 때 임펠러 출구에서 균일한 유동분포를 가지므로 압축기 성능이 가장 좋음을 알 수 있었다.
- 특히 앞전 부근에서 case 1 임펠러의 경우 다른 임펠러들보다 블레이드 길이가 더 길지만 압력상승은 비교적 완만한 것을 알 수 있었다. 또한, 유동방향 위치가 0.7인 부근 이후에서 다섯 가지의 임펠러 모두 비교적 균일한 압력상승률을 보였다. Case 2와 3 임펠러의 경우 유동방향 위치가 0.
- 앞전 위치가 case 2와 같을수록 쉬라우드 부근의 유동 속도가 상대적으로 빠르고 유동 영역 크기가 작아 2차유동의 강도가 약하였다. 또한, 흡입면 부근의 속도도 낮아 스팬방향으로의 속도차이가 제일 낮음을 알 수 있었다. 따라서 임펠러 앞전 위치가 10%일 때 임펠러 출구에서 균일한 유동분포를 가지므로 압축기 성능이 가장 좋음을 알 수 있었다.
- 7으로부터 설계유량에서의 압력비와 효율을 자세히 살펴보면 case 2와 3에서 높은 값을 가졌다. 설계유량에서 앞전이 임펠러 입구에서 중간 스팬의 자오면상 거리 대비 10~20%에 위치하였을 때 압축기가 최대 성능을 가짐을 알 수 있었다. Case 5의 경우에는 다른 임펠러들과 달리 압력비 및 효율이 낮은 이탈된 성능곡선을 보였다.
- 6은 유량에 대한 전압력비와 효율을 나타내었다. 설계유량인 # = 1.0 kg/s를 기준으로 살펴볼 때, 설계유량보다 높은 구간에서는 case 2, 3, 1, 4, 5 순으로 압력비 및 효율이 좋았다. 설계유량보다 낮은 구간에서의 압력비는 # = 0.
- 전체적으로 허브 부근에서는 높은 속도를 보이고, 쉬라우드 부근에서는 낮은 속도를 보이고 있다. 쉬라우드 영역에서 2차유동이 발생함을 알 수 있으며 스팬방향으로의 속도차이가 심할수록 2차유동의 발생으로 인한 박리로 인한 손실이 일어남을 예측할 수 있었다. 앞전 위치가 case 2와 같을수록 쉬라우드 부근의 유동 속도가 상대적으로 빠르고 유동 영역 크기가 작아 2차유동의 강도가 약하였다.
- 이 유량에서는 case 1, 2, 3, 4의 효율이 비슷하며 case 5가 다른 임펠러들에 비해 낮은 효율로 이탈된 모습을 보였다. 이 유량 전에서는 case 1이 가장 좋은 효율을 보였으며 case 2, 4, 3, 5순으로 효율이 좋았다. 이후에서는 설계유량까지 case 2와 3이 비슷한 값으로 가장 효율이 좋았으며 case 1과 4가 비슷한 값으로 낮은 효율을 보였다.
- 7 kg/s일 때의 전과 후가 다른 양상을 보였다. 이 유량 전에서는 임펠러 앞전이 입구로부터 가까울수록 압력비가 좋았고, 이후에서는 설계유량 전까지 case 2와 3이 근사한 값으로 가장 높았으며 case 1, 4, 5 순으로 높았다. 설계유량보다 낮은 구간에서의 효율은 # = 0.
- 10은 다섯 가지 임펠러의 출구면의 상대마하수 분포를 나타내었다. 전체적으로 허브 부근에서는 높은 속도를 보이고, 쉬라우드 부근에서는 낮은 속도를 보이고 있다. 쉬라우드 영역에서 2차유동이 발생함을 알 수 있으며 스팬방향으로의 속도차이가 심할수록 2차유동의 발생으로 인한 박리로 인한 손실이 일어남을 예측할 수 있었다.
- 전압력 분포를 보면 뒷전 부근 압력 상승은 비슷하나 앞전 부근에서 각 케이스별로 상승 정도가 달랐다. 특히 앞전 부근에서 case 1 임펠러의 경우 다른 임펠러들보다 블레이드 길이가 더 길지만 압력상승은 비교적 완만한 것을 알 수 있었다. 또한, 유동방향 위치가 0.
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