[논문]측정장치 압력손실과 면적평균 물리량 보정을 위한 다단 축류 팬과 압축기의 수치해석적 연구

최재호; 김세미; 이원석; 최태우; 김진욱

doi:10.7316/khnes.2018.29.4.401

측정장치 압력손실과 면적평균 물리량 보정을 위한 다단 축류 팬과 압축기의 수치해석적 연구
Numerical Investigation on Multi-stage Axial Fan and Compressor for Considering Pressure Losses by Instrumentation and Area-averaged Properties 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.29 no.4, 2018년, pp.401 - 409

최재호 (한화에어로스페이스 항공우주연구소) , 김세미 (한화에어로스페이스 항공우주연구소) , 이원석 (한화에어로스페이스 항공우주연구소) , 최태우 (한화에어로스페이스 항공우주연구소) , 김진욱 (한화에어로스페이스 항공우주연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

A numerical investigation has been conducted to find the effects of pressure losses by struts and rakes, and averaging methods on the performance of a multi-stage axial fan and a multi-stage axial compressor. Struts and rakes which produce pressure losses are installed upstream of the aerodynamic inlet plane in the fan and the compressor rigs. Some of normal stator vanes are substituted with thick vanes with total pressure probes to measure total pressure between stages. Three-dimensional Reynolds-averaged Navier- Stokes equations with $k-{\omega}$ SST turbulence model were applied to analyze the pressure losses by the struts, inlet rakes, and thick instrumented vanes. The hexahedral grids were used to construct computational domain. Inlet pressure losses were evaluated for the compressor as a function of Mach number. The passage pressure losses due to the instrumented vanes were evaluated at the two speed lines in the fan. Total properties, such as pressure and temperature, were evaluated at the exit of the fan and the compressor with two different averaging methods which are area-averaging and mass-averaging, respectively.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 일련의 연구를 통하여 개발하고 있는 항공용 축류 팬^6,7)과 축류 압축기⁸⁾의 성능을 보다 정확히 평가하기 위하여 3차원 유동해석을 통하여 시험 평가시 측정되지 않는 입구 스트럿과 레이크에 의한 입구압력손실과 각 단별 두 개씩 적용된 레이크형 베인에 의한 압력손실을 평가하고, 출구부에서 측정한 면적평균된 전온도와 전압력을 질량평균된 값으로 변환할 때의 상호관계를 구하고자 한다.

제안 방법

하지만 인접하는 두 개의 스트럿의 중간 부분에서 전압력을 측정하면 이 후류에 의한 압력손실을 평가할 수 없다. 본 연구에서는 시험리그의 입구부에 설치된 플레넘을 지나 유입되는 유동의 전압력을 인접하는 두 개의 스트럿 사이에서 레이크로 측정하고, 스트럿에 의한 압력손실은 유동해석을 통하여 평가하고자 한다.
본 연구에서는 축류 팬과 압축기의 성능을 예측하기 위하여 3차원 압축성 Reynolds-averaged NavierStokes (RANS) 해석을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

2⁹⁾가 사용되었고, 난류모델로는 k- Shear Stress Transport (SST) 모델¹⁰⁾ 이 사용되었다. 본 연구에서의 축류 팬과 압축기 유동장을 해석 하기 위하여 형상 정의, 격자계 형성, 경계조건 정의, 유동해석 및 결과분석을 각각 ACBlade, Turbo-Grid 또는 ICEM CFD, CFX-Pre, CFX-Solver 및 CFX-Post 등의 소프트웨어들을 사용하여 수행하였다.
3(a)에 나타낸 바와 같이 각 단별로 두 개씩 레이크 형태로 베인을 제작하였다. 축류 압축기는 1단의 무차원 비속도가 약 2.1인 압축기로서 총 6단으로 구성된 천음속 압축기이다. 각 단별로 2개씩 레이크형 베인을 설치하였다.

이론/모형

4는 2장에서 언급된 여러 해석 중 팬의 1-2단 해석영역과 압축기의 입구 스트럿과 레이크가 포함된 해석영역을 나타 낸다. 유동해석을 위하여 상용 전산유체역학 코드인 ANSYS CFX 18.2⁹⁾가 사용되었고, 난류모델로는 k- Shear Stress Transport (SST) 모델¹⁰⁾ 이 사용되었다. 본 연구에서의 축류 팬과 압축기 유동장을 해석 하기 위하여 형상 정의, 격자계 형성, 경계조건 정의, 유동해석 및 결과분석을 각각 ACBlade, Turbo-Grid 또는 ICEM CFD, CFX-Pre, CFX-Solver 및 CFX-Post 등의 소프트웨어들을 사용하여 수행하였다.

성능/효과

1) 축류 압축기 입구에 위치하는 스트럿과 레이크가 포함된 유동해석을 통하여 두 개의 인접하는 스트럿 중간에서 측정되는 입구 전압력에 비하여 AIP 에서 측정되는 압력이 더 낮다. 그 이유는 스트럿에 의한 손실을 전압력 레이크가 온전히 측정하지 못하고, 레이크 자체가 발생시키는 전압력 손실은 그 레이크로는 측정하지 못하기 때문이다.
2) 다단 축류 팬과 축류 압축기의 각 단별 성능을 측정하기 위하여 설치한 레이크형 베인으로 인하여 압력손실이 발생하고, 이로 인하여 효율이 감소한다. ;레이크형 베인의 유로 면적 감소량과 유동 마하수가더 큰 팬에서의 압력손실이 압축기에서의 압력손실 보다 더 크게 나타났다.
3) 다단 축류 팬과 축류 압축기의 마지막 단 베인 출구에서의 전압력과 전온도를 각각 면적평균과 질량평균하여 비교한 결과, 팬과 압축기에서 모두 질량 평균한 전압력비가 면적평균한 전압력비보다 높았고 전온도비는 질량평균한 값이 더 낮았다. 이는 질량평 균된 효율이 면적평균된 효율보다 더 높다는 것을 의미한다.

후속연구

하지만 본 연구에서 블레이드-베인간 인터페이스 스킴으로서 stage (mixing plane) 방법을 적용하였으므로 후류에 의한 영향이 원주방향으로 평균되어 하류에 전달되므로 정확한 유동장을 분석하는데 어려움이 있다. 이에 비정상 유동해석 (Unsteady RANS)을 수행하여 블레이드 회전에 의한 후류 변화까지 분석한다면 더욱 정확한 평가가 가능할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	팬과 압축기의 전체 공력성능은 무엇으로 측정해야 하는가?	팬과 압축기의 전체 공력성능은 각각 공력입구면 (aerodynamic inlet plane, AIP)과 공력출구면을 기준 으로 측정해야 한다. 시험리그에서는 AIP 인근에 설 치하는 구조물과 레이크, 각 단별 전압력을 측정하는 레이크 등의 영향을 받는다3) .
	가스터빈이 불균일 유동이 발생하는 이유는 무엇인가?	가스터빈에서는 블레이드와 베인이 각각 원주방 향으로 반복되어 있고, 블레이드 팁 간극과 허브-팁 의 유로면의 차이 등 각종 원인으로 인하여 불균일 유동(non-uniform flow)이 발생하게 된다. 불균일 유 동을 평균하는 방법은 측정데이터를 분석하는데 있 어 중요하다.
	축류 압축기에서는 레이크형 베인을 각 단별로 2개설치 하더라도 현재의 해석방법을 적용할 때 팬에서의 차이보다 적게 나타난 이유는 무엇인가?	축류 압축기에서는 레이크형 베인을 각 단별로 2개설치하더라도 현재의 해석방법을 적용할 때 팬에서의 차이보다 적게 나타났다. 그 이유는 Table 1에서 보는 바와 같이 축류 압축기에서의 레이크형 베인에 의한 유로 면적 감소량이 팬에서의 감소량보다 작고, Fig. 8에서 볼 수 있는 바와 같이 압축기에서의 유동 마하수가 팬에서의 마하수보다 작기 때문으로 사료된다. 그럼에도 불구하고, 인터페이스를 변경하거나 비정상 유동해석을 할 경우 실제 회전 상태 효과가더 잘 반영될 수 있을 것으로 사료된다.

참고문헌 (10)

S. B. Ma, K. Y. Kim, J. Choi, and W. Lee, "Investigation on Aerodynamic Performance of a Highly-Loaded Axial Fan with Active/Passive Flow Control Using FSI Analysis", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 28, No. 1, 2017, pp. 113-119.

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K. Auchoybur and R. J. Miller, "Design of Compressor Endwall Velocity Triangles", Proceedings ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, Seoul, South Korea, June 13-17, Paper No. GT2016-57396.
J. S. Kang and I. K. Ahn, "Rake Usage and Data Reduction Methods for Compressor Performance Test", KSFM Journal of Fluid Machinery, Vol. 11, No. 2, 2008, pp. 77-81.
J. S. Kang and I. K. Ahn, "Turbomachinery Inlet Flow Measurement without the Effect of Instrumentation", Aerospace Engineering and Technology, Vol. 8, No. 2, 2009, pp. 8-12.
N. A. Cumpsty and J. H. Horlock, "Averaging Non-Uniform Flow for a Purpose", ASME Turbo Expo 2005: Power for Land, Sea and Air, Reno, Nevada, USA, June 6-9, 2005, Paper No. GT2005-68081.
S. B.Ma, A. Afzal, K. Y. Kim, J. Choi, and W. Lee, "Optimization of a Two-stage Transonic Axial Fan to Enhance Aerodynamic Stability," Proceedings ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, Seoul, South Korea, June 13-17, Paper No. GT2016-56261.
S. B. Ma, K. Y. Kim, W. Lee, J. Choi, and Y. R. Kim, "Effect of Blade Sweep on Aerodynamic Performance of A Multi-Stage Transonic Axial Fan", J. of KSFM, Vol. 20, No. 3, 2017, pp. 42-48.
J. Choi and T. Choi, "Investigation of Axial Spacing and Effect of Interface Location in a 1.5 Stage Transonic Axial Compressor", Proceedings ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition, Montreal, Canada, June 15-19, 2015, Paper No. GT2015-44020.
ANSYS CFX-18.2, 2017, Ansys inc.
F. R. Menter, "Two-equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications", AIAA Journal, Vol. 32, No. 8, 1994, pp. 1598-1605.

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