[논문]디퓨저 깃배치각의 변화에 따른 원심압축기의 공력성능 특성에 관한 수치 연구

박태규; 정인수; 정희택; 박준영; 김세미; 백제현

디퓨저 깃배치각의 변화에 따른 원심압축기의 공력성능 특성에 관한 수치 연구
NUMERICAL INVESTIGATION OF THE EFFECT OF THE STAGGER ANGLE ON THE AERODYNAMIC PERFORMANCES IN THE VANED DIFFUSER OF A CENTRIFUGAL COMPRESSOR 원문보기

박태규 (경상대학교 기계공학과 대학원) , 정인수 (경상대학교 기계공학과 대학원) , 정희택 (경상대학교 기계공학과) , 박준영 (한국기계연구원) , 김세미 (포항공과대학교 기계공학과 대학원) , 백제현 (포항공과대학교 기계공학과)

In the present study, the effects of the stagger angles on the aerodynamic performances in the vaned centrifugal compressor has been investigated by CFD methods. The diffuser vane angles were vane angles were varied in the range of ${\pm}10$ deg. from the intial-design points. The commercial Navier-Stokes solver, ANSYS-CFX were applied to solve the impeller-diffuser flowfields. Through the numerical results, the desirable setting angles were proposed to fit the best performance to the variation of the operating conditions.

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문제 정의

설계되는 경우가 많다. 본 연구에서는 기존에 개발된원심압축기에 대해 디퓨저 베인의 깃각 변화에 따른 공력성능 특성을 수치적으로 해석하고 이를 통해 적절한 배치각을예즉하는 시도를 하고자 한다.

제안 방법

BladeGen과 Turbo-Grid를 이용하여 계산격자점을 생성하였다. Hexa형의정규격자계를 채택하여, Fig.
깃배치각을 설계배치각 기준으로 ±10。범위에서 깃배치각을 변경하여 공력특성을 3가지 유량 조건에서 해석하였다.
8。이다. 이를 기준으로 하여 ±10。범위에서 깃배치각을 변경하여 공력특성을 분석하였다.
±10。범위에서 깃배치각을 변경하여 유량 변화에 대한 적절한 배치각을제시하였다.
4와 같이 임펠러에는 28만 개, 디퓨저에는 14만개의 계산격자점이 소요되었다. 유동장 입구에는 전압력(total pressure)과 전온도(total temperature)가 주어지고 디퓨저 줄구에는 유량(mass flow rate) 을 입력조건으로부여하였다. 벽면에는 점착조건(no-slip condition) 이 부여되고임펠러에는 회전속도가 주어진다.
이번 연구에서는 베인이 설치된 원심압축기에서 디퓨저부의 깃 배치각 변화에 따른 압축기의 공력 특성을 상용프로그램인 CFX를 사용하여 수치적으로 해석하여 성능 특성을 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에서 적용한 모델은 250kw급 고온 발전용 연료전지시스템의 공기압축용 원심 압축기이다. 설계조건은 유량이 0.
본 연구의 해석 영역은 임펠러 입구에서 디퓨저 출구이다. 회전하는 임펠러와 고정된 디퓨저 사이에는 간섭 유동장이형성되므로 원칙적으로는 압축성 3차원 비정상 Naveir-Stokes 해석을 적용하여야 한다.
공기압축용 원심 압축기이다. 설계조건은 유량이 0.30kg/s, 압력비는 2.34이며 임펠러의 회전수는 50, 000rpm이다. 임펠러와 디퓨저 베인의 기본형상은 Fig.

데이터처리

유동해석을 위해서 열유동 범용해석 프로그램인 ANYSYS 사의 CFX solver와 Turbo 모듈6]을 사용하였다. BladeGen과 Turbo-Grid를 이용하여 계산격자점을 생성하였다.

이론/모형

회전하는 임펠러와 고정된 디퓨저 사이에는 간섭 유동장이형성되므로 원칙적으로는 압축성 3차원 비정상 Naveir-Stokes 해석을 적용하여야 한다. 계산의 효율성을 위해 기존의 연구결과[5]를 참조하여 임펠러 출구와 디퓨저 입구 사이의 인접면에는 원주방향의 평균값을 이용하는 혼합면기법 (mixing-plane method) 을 이용하였다. 터보기계 유동장에 주로사용되는 k — 3 SST 모델을 난류유동에 적용하였다.
계산의 효율성을 위해 기존의 연구결과[5]를 참조하여 임펠러 출구와 디퓨저 입구 사이의 인접면에는 원주방향의 평균값을 이용하는 혼합면기법 (mixing-plane method) 을 이용하였다. 터보기계 유동장에 주로사용되는 k — 3 SST 모델을 난류유동에 적용하였다.
출구이다. 회전하는 임펠러와 고정된 디퓨저 사이에는 간섭 유동장이형성되므로 원칙적으로는 압축성 3차원 비정상 Naveir-Stokes 해석을 적용하여야 한다. 계산의 효율성을 위해 기존의 연구결과[5]를 참조하여 임펠러 출구와 디퓨저 입구 사이의 인접면에는 원주방향의 평균값을 이용하는 혼합면기법 (mixing-plane method) 을 이용하였다.

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