[논문]터보펌프 인듀서에서 캐비테이션 시작점의 특성 및 예측에 관한 연구

강병윤; 김대진; 최창호

doi:10.6108/kspe.2019.23.1.093

터보펌프 인듀서에서 캐비테이션 시작점의 특성 및 예측에 관한 연구
Characteristics and Predictions of the Cavitation Inception in a Turbopump Inducer 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.23 no.1, 2019년, pp.93 - 100

강병윤 (Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute) , 김대진 (Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute) , 최창호 (Turbopump Team, Korea Aerospace Research Institute)

초록
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터보펌프 인듀서에서 발생하는 캐비테이션은 시작점부터 점차 발달하여 임계점, 그리고 급격한 양정 하락으로 이어지는 붕괴점의 과정으로 진행된다. 본 연구에서는 터보펌프 인듀서에서 발생하는 캐비테이션 시작점에 대한 특성과 경험식을 사용한 예측을 평가해 보았다. 타원 평판의 캐비테이션 시작점 경험식은 터보펌프 인듀서의 시작점도 비교적 잘 예측하는 것으로 나타났다. 하지만, 선박용 프로펠러에서 이용되는 경험식의 경우 터보펌프 인듀서의 결과와 큰 차이를 보였다. 터보펌프 인듀서의 캐비테이션 시작점은 날개 수가 증가할수록 빨라졌지만, 현절비와는 무관한 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The cavitation of a turbopump inducer develops from the inception to a critical point, and encounters breakdown finally. In this study, we evaluated the characteristics and predictions of cavitation inception for the turbopump inducer using empirical equations. The empirical equation for the elliptical plate predicted the generation of cavitation inception of the turbopump inducer relatively well. However, in case of the marine propeller, it showed a considerable difference owing to the Reynolds number of the operating point. The cavitation inception occurred earlier as the number of blades increased. However, the solidity had no major impact on the cavitation inception because the cavitation occurred locally at the tip of the leading edge.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

예측하였다. 그리고 설계 변수 중 날개 수와 현절비가 캐비테이션 시작점에 미치는 영향에 대하여 평가해 보았다. 결과를 분석하여 얻은 결론은 다음과 같다.
따라서 본 연구에서는 지금까지 수행되지 않은 터보펌프 인듀서의 캐비테이션 시작점의 정확한 예측을 위한 선행차원의 의미로 터보 펌프 인듀서의 캐비테이션 시작점에 대하여 연구해 보고자 한다. 캐비테이션 시작점을 정확하게 예측하고 이를 기반으로 시작점을 늦출 수 있는 방법이 개발된다면 자연적으로 임계점 및 붕괴 점이 지연되는 효과가 있을 것이다.
그렇기 때문에 상대적으로 많은 연구가 수행된 익형 및 선박용 프로펠러의 캐비테이션 시작점에 사용된 경험식을 기초연구 차원으로 레이놀즈 수(Reynolds Number) 나 순환(r, Circulation) 등의 값을 터보펌프 인듀서에서 사용하는 정의로 바꿔 적용하여 예측하여 보았다. 우선 본 연구를 위하여 수행된 시험의 흡입성능 결과와 가시화를 통하여 캐비테이션 시작점의 특성을 살펴보고, 이와 더불어 인듀서의 날개 수와 현절비가 캐비테이션 시작점에 미치는 영향도 평가해 보았다. 이와 관련된 내용은 향후인듀서에 캐비테이션 시작점을 정확하게 예측할 수 있는 경험식 도출에 참고가 될 것으로 생각된다.
인듀서의 캐비테이션 시작점을 예측하는 경험식을 구하기 위해서는 다양한 변수에 대한 시험 및 유동해석을 통하여 얻어야 하겠으나 선행연구 차원으로 다른 분야에서 연구된 경험식을 인듀서를 대상으로 하여 평가해 보고자 한다.

제안 방법

2에 나타내었다. 경계조건으로 입구에는 전압을, 출구에는 질량유량을 사용하여 수력 성능을 평가하였다. 회전 좌표계와 고정 좌표계의 경계면에는 프로즌로터 (Frozen-rotor) 의인 터 페이스 조건을 주었으며, Shear stress transport(SST) 난류 모델을 채택하여 벽에서의 y+는 10~30을 유지하였다.
그렇기 때문에 상대적으로 많은 연구가 수행된 익형 및 선박용 프로펠러의 캐비테이션 시작점에 사용된 경험식을 기초연구 차원으로 레이놀즈 수(Reynolds Number) 나 순환(r, Circulation) 등의 값을 터보펌프 인듀서에서 사용하는 정의로 바꿔 적용하여 예측하여 보았다. 우선 본 연구를 위하여 수행된 시험의 흡입성능 결과와 가시화를 통하여 캐비테이션 시작점의 특성을 살펴보고, 이와 더불어 인듀서의 날개 수와 현절비가 캐비테이션 시작점에 미치는 영향도 평가해 보았다.
본 연구 결과는 향후 터보펌프 인듀서의 캐비테이션 시작점의 경험식을 도출하는데 도움이 될 것으로 생각된다. 날개 수가 2와 3, 현절비가 2와 3에 해당하는 인듀서 세 종류를 선정하여 이를 대상으로 캐비테이션 시험을 수행하였다. Fig.
인듀서 입구와 출구의 압력은 정압계로 측정하여 양정을 구하였고, 캐비테이션 시험의 경우 유체의 용존 산소를 제거하여 사용하였다. 또한 진공펌프를 이용하여 입구 압력을 낮추었으며, 가시화를 위하여 아크릴로 제작한 케이싱에 초고속 카메라를 사용하여 인듀서 케비테이션의 형상 및 발달 과정을 관측하였다. Fig.
본 연구에 사용된 인듀서는 날개 수가 2개이고, 현절비는 2인 축류 방식의 나선형으로 설계하였다. 현절비는 날개 길이 (C, Chord length)와 날개 사이의 거리 (P, Pitch)의 비로 정의한다.
수치해석을 위한 인듀서는 정렬격자로 생성하였고, 계산상의 편의를 위하여 단일 유동통로 (Single passage)를 대상으로 하여 유동해석을 수행하였다. 캐비테이션 수치해석의 수렴을 위하여 입구 길이는 직경의 10배에 해당하는 길이로 정하였고, 격자 검증을 통하여 약 150, 000개로 구성된 격자를 선택하였다.
이에 대한 제원을 Table 1 에 나타내었다. 시험 장치는 상온의 물인 작동 유체가 순환하는 폐회로 (Closed loop) 방식으로 구성하였다. 인듀서는 모터로 구동되며, 배관 하류에 장착된 유량계로 유량을 계측하였다.
6은 인듀서에서 일반적으로 사용하는 레이놀즈 수의 정의이다. 이 식으로 얻은 레이놀즈 수의 값을 경험식에 적용하여 터보펌프 인듀서의 캐비테이션 시작점을 예측해보았다. Fig.
위해 중요한 변수로 설정이 된다. 이를 제외하고 캐비테이션의 관점으로 의미가 있는 변수로는 날개 수(Z, Number of blades)와 현절비 (S, Solidity)가 있는데, 이 두 변수가 캐비테이션 시작점에 미치는 영향을 평가해 보았다. 본 연구 결과는 향후 터보펌프 인듀서의 캐비테이션 시작점의 경험식을 도출하는데 도움이 될 것으로 생각된다.
인듀서는 모터로 구동되며, 배관 하류에 장착된 유량계로 유량을 계측하였다. 인듀서 입구와 출구의 압력은 정압계로 측정하여 양정을 구하였고, 캐비테이션 시험의 경우 유체의 용존 산소를 제거하여 사용하였다. 또한 진공펌프를 이용하여 입구 압력을 낮추었으며, 가시화를 위하여 아크릴로 제작한 케이싱에 초고속 카메라를 사용하여 인듀서 케비테이션의 형상 및 발달 과정을 관측하였다.
시험 장치는 상온의 물인 작동 유체가 순환하는 폐회로 (Closed loop) 방식으로 구성하였다. 인듀서는 모터로 구동되며, 배관 하류에 장착된 유량계로 유량을 계측하였다. 인듀서 입구와 출구의 압력은 정압계로 측정하여 양정을 구하였고, 캐비테이션 시험의 경우 유체의 용존 산소를 제거하여 사용하였다.
터보펌프 인듀서에서 발생하는 캐비테이션 시작점에서의 기포 형상 및 특성을 확인하였고, 인듀서의 날개 형상과 비슷한 익형 및 프로펠러에서 사용되는 경험식을 적용하여 캐비테이션 시작점을 예측하였다. 그리고 설계 변수 중 날개 수와 현절비가 캐비테이션 시작점에 미치는 영향에 대하여 평가해 보았다.

대상 데이터

캐비테이션 수치해석의 수렴을 위하여 입구 길이는 직경의 10배에 해당하는 길이로 정하였고, 격자 검증을 통하여 약 150, 000개로 구성된 격자를 선택하였다. 이에 대한 인듀서의 격자 형상을 Fig.

이론/모형

회전 좌표계와 고정 좌표계의 경계면에는 프로즌로터 (Frozen-rotor) 의인 터 페이스 조건을 주었으며, Shear stress transport(SST) 난류 모델을 채택하여 벽에서의 y+는 10~30을 유지하였다. 흡입성능 계산을 위한 캐비테이션 모델로는 선형화된 Rayleigh- Plesset Equation을 적용하였다.

성능/효과

(1) 타원 평판의 경험식은 인듀서의 시험 및 유동해석 결과와 비교적 잘 일치했다. 하지만 직사각형 평판은 큰 차이를 보였다.
(2) 선박용 프로펠러의 경험식은 Rankine vortex 모델을 발전시켜 얻은 것으로, 이를 사용하여 예측한 인듀서의 시작점은 시험 결과와 큰 차이를 보였다. 이는 운전 영역에서 레이놀즈 수의 차이로 프로펠러의 경험식에서 적용되는 레이놀즈 수에 대한 지수 값은 인듀서에 적용하기 힘든 것으로 판단하였다.
(3) 터보펌프 인듀서의 캐비테이션 시작점은 현절비의 변화와는 관계없고, 날개 수가 많아질수록 더 높은 입구압력에서 발생하는 것을 확인하였다. 이는 캐비테이션의 시작점이 인듀서 앞전 팁에서 국부적으로 발생하는 현상이기 때문에 축방향 길이와 관련이 있는 현절 비의 영향은 없는 것으로 나타났다.
6은 이에 대한 인듀서의 시작점을 예측한 결과이다. 직사각형 평판보다 타원 평판이 더 정확하게 예측하는 것을 확인하였다. 이는 위에서 언급한 것처럼 인듀서 날개는 타원형과 비슷한 익형의 형상으로 설계되기 때문에 타원 평판 경험식의 받음각과 레이놀즈 수에 해당하는 지수 값이 좀 더 적절하다고 판단하였다.
9는 이 세 형상을 대상으로 시험을 수행하여 얻은 인듀서의 캐비테이션 시작점 결과를 나타낸 그래프이다. 캐비테이션 시작점은 날개 수가 증가할수록 빨리 발생하였지만, 현절비의 영향은 없는 것으로 나타났다. 이는 Fig.

후속연구

이를 제외하고 캐비테이션의 관점으로 의미가 있는 변수로는 날개 수(Z, Number of blades)와 현절비 (S, Solidity)가 있는데, 이 두 변수가 캐비테이션 시작점에 미치는 영향을 평가해 보았다. 본 연구 결과는 향후 터보펌프 인듀서의 캐비테이션 시작점의 경험식을 도출하는데 도움이 될 것으로 생각된다. 날개 수가 2와 3, 현절비가 2와 3에 해당하는 인듀서 세 종류를 선정하여 이를 대상으로 캐비테이션 시험을 수행하였다.
우선 본 연구를 위하여 수행된 시험의 흡입성능 결과와 가시화를 통하여 캐비테이션 시작점의 특성을 살펴보고, 이와 더불어 인듀서의 날개 수와 현절비가 캐비테이션 시작점에 미치는 영향도 평가해 보았다. 이와 관련된 내용은 향후인듀서에 캐비테이션 시작점을 정확하게 예측할 수 있는 경험식 도출에 참고가 될 것으로 생각된다.
따라서 본 연구에서는 지금까지 수행되지 않은 터보펌프 인듀서의 캐비테이션 시작점의 정확한 예측을 위한 선행차원의 의미로 터보 펌프 인듀서의 캐비테이션 시작점에 대하여 연구해 보고자 한다. 캐비테이션 시작점을 정확하게 예측하고 이를 기반으로 시작점을 늦출 수 있는 방법이 개발된다면 자연적으로 임계점 및 붕괴 점이 지연되는 효과가 있을 것이다. 터보 펌프의 임계점이 낮아지는 것은 입구 압력에 대한 운전 가능 영역이 확대되는 것이기 때문에 시작점에 대한 연구가 의미 있다고 판단하였다.

참고문헌 (14)

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