초록 ▼

본 연구는 고속으로 회전하는 축류압축기(송풍기)의 설계 및 운전에 기초가 되는 축류회전 익렬에서의 유동계산과 유동측정, 그리고 고속회전에 따른 진동해석과 안전진단을 위한 이상진단 시스템개발에 관해 연구한 것이다. 이들의 연구분야는 네 개의 세부과제로 나누어 수행되었다.
축류압축기(송풍기)는 다단으로 되어 있으므로 익렬설계에는 상류쪽의 유동상태를 알아야한다. 압축기의 성능향상 또는 유동상태를 알아야한다. 압축기의 성능향상 또는 유동해석을 위해서도 익렬후 방의 유동구조를 알아야 한다.
본 연구(제 1 세부과제)에 있어서는

본 연구는 고속으로 회전하는 축류압축기(송풍기)의 설계 및 운전에 기초가 되는 축류회전 익렬에서의 유동계산과 유동측정, 그리고 고속회전에 따른 진동해석과 안전진단을 위한 이상진단 시스템개발에 관해 연구한 것이다. 이들의 연구분야는 네 개의 세부과제로 나누어 수행되었다.
축류압축기(송풍기)는 다단으로 되어 있으므로 익렬설계에는 상류쪽의 유동상태를 알아야한다. 압축기의 성능향상 또는 유동상태를 알아야한다. 압축기의 성능향상 또는 유동해석을 위해서도 익렬후 방의 유동구조를 알아야 한다.
본 연구(제 1 세부과제)에 있어서는 회전차 후방의 회전유동장을 측정하기 위해 먼저 샘플링 주파수가 50˚KHZ 이상이 되는 A/D 변환기를 개발하고, 유동측정에는 45˚경사열선풍속계를 사용하였다. 실험은 절현비, 회전속도 및 영각을 파라미타로 하여 후치정익식 회전차의 후방유동장을 측정하였다. 실험의 결과 회전익 누설와류, 운동량 손실분포, 와도분포 및 말발굽와류(Horse shoe vertex)등이 하류쪽의 유동거리에 따라 변화하는 관계가 규명 되었다.
특히 누설와류의 중심점의 궤적으로부터 누설와류의 발생중심위치가 날개의 최대부하의 위치와 대락 일치함을 알게 되었다. 또 누설와류의 강도 또는 누설와류에 의한 운동에너지의 손실은 하류쪽으로 어느 거리 이상 지나가면 오히려 하류에 존재하는 회전유동장의 영향때문에 증대함을 알 수 있었다.
축류압축기의 익렬설계는 일반적으로 회전익에 대하여는 NACA 65 계열 날개가 사용되며, 여기에 이용되는 데이타는 2차원 직선익렬의 풍동실험결과 들이다. 그러나 설계되는 날개는 3차원의 구조를 가지며, 유동장은 3차원유동이 된다. 이 3차원유동은 설계자료로서 사용했던 2차원유동과는 상이할 것이다.
본 연구(제 2세부과제)에 있어서는 공기역학적 기본설계방법을 확립하고, 이 방법에 의해 설계된 회전익렬과 3차원 유동계산을 연계하여 설계할 수 있게 하는 유동계산법을 확립하였다. 유동계산은 C.H.Wu의 준 3차원 방법을 이용하고 점성효과를 간접적으로 도입함으로써 유동계산결과를 실험결과와 잘 일치시킬 수 있었다.
축류압축기(송풍기)는 고속회전을 할 수 있고 고속회정시킴으로써 축류압축기의 장점을 극대화시킬 수 있다. 고속회전을 위해서는 축류압축기의 설계 제작 및 운전에 있어서 계의 진동 및 동력학적 해석, 그리고 적절한 제어가 필요하다.
본 연구(제 3 세부과제)는 크게 회전날개의 진동해석, 선회실속시의 회전날개의 진동해석, 전 체계의 동력학적 해석, 그리고 회전축의 비틀림진동 및 선회진동의 제어로 나누어 수행하였다. 또한 각각의 연구에 대하여 수치해석과 실험을 병행하여 이론해석과 설정한 모델의 타당성을 검증하였다.
각 연구(제 3 세부과제)는 크게 회전날개의 진동해석, 선회실속시의 회전 날개의 진동해석, 전 체계의 동력학적 해석, 그리고 회전축의 비틀림진동 및 선회진동의 제어로 나누어 수행하였다. 또한 각각의 연구에 대하여 수치 해석과 실험을 병행하여 이론해석과 설정한 모델의 타당성을 검증하였다.
각 연구에서 사용한 이론해석 방법은 진동 및 동력학적 해석에서는 Myklestad방법, FEM, Galerkin의 모우드 합 방법, 그리고 Runge-Kutta방법을 사용하였고 제어이론은 최적제어 및 강건제어를 사용하고 디지탈제어와 아날로그제어를 실시하였다. 이상과 같은 연구결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1.회전날개의 고유진동수 변화에 대한 이론 해석에서, 회전날개의 고유진동수는 설계 파라미터의 변화에 의하여 변화하며, 선회실속시 발생하는 날 개의 진동은 압력파형의 펄스 폭이 날개의 고유진동수와 일치할 때와 실속셀 전파주기가 고유진동수의 정수배가 될때 더욱 커지며, 측정된 변위 데이타로부터 날개의 개해지는 외력의 추정이 가능하다.
2. 전체 계를 로터-베어링계로 모델링하여 구한 임계속도의 변화 및 세차 모우드의 해석에서 계의 임계속도와 그때의 최대 변위가 일어나는 곳을 구하여 계의 안정성을 도모할 수 있으며, 세차 모우드의 해석은 실험결과와 잘 일치한다.
3. 모델 추종방법에 의한 회전축의 기동, 정지시 비틀림 진동의 제어와 강건 제어방법에 의한 선회진동의 제어는 축계의 진동을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
근래의 회전기들의 경량화, 고출력화 되어감에 따라 발생하는 여러 문제점들을 해결하기 위하여 비전문가들도 쉽게 이상 유무를 판단하고 진단해 주는 전문가 시스템(Expert System)이 요구되고 있다.
진동신화를 이용하여 회전기기들의 이상 유무를 판단하고 회전기기 이상에 따른 진동현상을 파악하여야 한다. 그리고, 회전기기의 동특성을 파악하기 위해서는 정지상태에서의 충격실험(Impact Testing), 불평형 응답실험(Unbalnce Response Testing), 운전개시 및 종료실험(Start-Up and Shut-Down Testing)을 통하여 모달 파라미터(고유진동수 및 감쇠율), 임계속도를 구하여야 한다. 이를 위하여 본 연구(제 4 세부과제)에서는 회전기기의 이상에 따른 진동 현상을 분류 요약하였으며 여러기지의 시험에서 수집된 데이타로 부터 회전 기기의 모달 파라미터를 추정하는 대화식 프로그램을 개발하였다. 또한 회전기기 운행시 이상 유무를 파악하는 회전기기 감시 프로그램을 개발하였다.

Abstract ▼

Due to the speed-up of the recent turbo compressors, the axial type compressor of high specific speed suitable for the high speed operation is encountering many problems resulting in poor performance characteristics
This work, performed into four sub-topics, reports the calculation and measur

Due to the speed-up of the recent turbo compressors, the axial type compressor of high specific speed suitable for the high speed operation is encountering many problems resulting in poor performance characteristics
This work, performed into four sub-topics, reports the calculation and measurement of flow fields in a rotating blade row, the vibration analysys of rotating blade, and the development of diagnosis system of machine malfunction for the safety These are essential to the design of high performance and the proper operation of a high-speed rotating axial compressor(blower)
Since the axial-flow compressor(blower) is multi-staged, a detailed information of the upstream flow field should be known in designing a blade row The information of the downstream field should also be known in analyzing the flow field and improving the performance of it.
In the first part of this work, an A/D converter of sampling frequencies greater than 50 KHz is set up, and a 45 degree slanted hot wire is used in measuring the flow field behind a rotating blade row with a stator located behind it The measure ment is made on the downstream flow field of the rotor varying the pitch-chord ratio, rotating speed and the angle of attack As a result, the variation with the downstream distance of the leakage vortex fro a rotor blade tip, the kinetic energy loss, the vorticity distribution and the horse shoe vortex along with the downstream distance is verified Especially, fro the locus of the center point of the leakage vortex the location of the origin of the leakage vortex is found out to approximately coincide with that of aximum load of blade In addition, the strength of the leakage vortex and the kinetic energy loss caused by the leakage vortex rather increases beyond so e distance downstream due to the rotational flow there
In designing a blade row in an axial-flow compressor, NACA 65-series airfoils are generally chosen for rotors and NGTE airfoils for stators The design data are those obtained fro the two-dinensional planar cascade in a wind tunnel experiment The blades to be designed, however, have three-diaensional shape and thus the flow fields are threemdi ensional This three-dimensional flow field is different fro that of two-dimensional used as deslgn data
In the second part, the elementary method of the aerodyna ic design is established, and the corputation ethod is also established, which enables the final design by the calculation of three-dimensional flow field in the blade rcw designed by the ele entary ethod The flow calculation is based on the C.H.Wu's quasi-three-dimensional theory, and by introducing the viscous effect indirectly, the result of calculation could be in good agreeaent with those of experiment.
The axial-flaw compressor(blawer) can operate at a very high speed and the adventage of it cauld be aximized by operating at such a high speed To do so, the analysis of vibration and dyna ics of the systeu and the proper control of it is essential in design, anufacturing and operation.
In the third part, vibration anaysis of rotating blade in operation and in the stage of rotating stall are ade together with the dyna ic analysis of total systea and control of twisting vibration and whlrllng mode.
Vlbration and dynamic analysis of the systea are made using Mylestad ethod, finlte element method, Galerkln's mode summatlon method, and Runge-Kutta method. Optical control and robust control theories are used in vibration control process wlth dlgltal and analog control As a result the follawlng are obtained
1.The natural frequdncy of the rotatinf blade are changed due to change of design para eters and when in the stage of rotating stall, estimation of exciting force can be done.
2. By modelling the entire systea into rotor-bearing system, the crltlcal speed, deflectlon, and wlrllng ode can be found.
3. Optlcal control wlth model follawlng ethod and robust control are effectlve to supress the vlbratlon of rotating shaft.
Recently the rotating achinary has tendency of high speed and lightness to obtaln more efficiency of energy and mechanical performance, but it glve rlse to more machine malfunctlons. So computerlzed expert system is needed to prevent and diaRnose the machine malfunctions To understand the dynamlc characterlstics of the rotor system, it is needed to obtain the modal parameter(natural frequency and damping) and critical speed by the impact testing, unbalance response testing, start-up and shut-down testing.
In the final part of this report, the vibration characteristics of malfunctlon are summerlsed, and modal parameter ldentification program and malfunction monlterlng pragram ls developed.

목차 Contents

• 제 1 장 서론...16
• 제 1 절 연구배경...16
• 1. 3차원 유동해석에 관한 실험적 연구의 연구배경...16
• 2. 기본설계 및 3차원 익렬유동계산의 연구배경...16
• 3. 진동해석의 연구배경...17
• 4. 이상진동 시스템개발의 연구배경...19
• 제 2 절 연구목적 및 연구내용...19
• 1. 3차원 유동해석에 관한 실험적 연구의 연구목적과 연구내용...19
• 2. 기본설계 및 3차원 익렬유동계산의 연구목적과 연구내용...20
• 3. 진동해석의 연구목적...20
• 4. 이상진단 시스템개발의 연구목적 및 연구내용...21
• 제 2 장 연구방법...23
• 제 1 절 3차원 유동해석에 관한 실험적 연구의 연구방법...23
• 제 2 절 기본설계 및 3차원 익렬유동계산의 연구방법...23
• 제 3 절 진동해석의 연구방법...25
• 제 4 절 이상진단 시스템개발의 연구방법...27
• 제 3 장 결과 및 고찰...29
• 제 1 절 3차원 유동해석에 관한 실험적 연구의 결과 및 고찰...29
• 제 2 절 기본설계 및 3차원 익렬유동계산의 결과 및 고찰...31
• 제 3 절 진동해석의 결과 및 고찰...33
• 제 4 절 이상진단 시스템개발의 결과 및 고찰...35
• 제 4 장 결론...37
• 제 1 절 3차원 유동해석에 관한 실험적 연구의 결론...37
• 제 2 절 기본설계 및 3차원 익렬유동계산의 결론...37
• 제 3 절 진동해석의 결론...38
• 제 4 절 이상진동 시스템개발의 결론...38
• 제 5 장 참고문헌...40
• 제 1 절 3차원 유동해석에 관한 실험적 연구의 참고문헌...40
• 제 2 절 기본설계 및 3차원 익렬유동계산의 참고문헌...40
• 제 3 절 진동해석의 참고문헌...41
• 제 4 절 이상진동 시스템개발의 참고문헌...43
• 제 1 세 부 목 차...46
• 제 1 장 서 론...51
• 제 1 절 연구배경...51
• 제 2 절 연구목적과 연구내용...55
• 1. 연구목적...55
• 2. 연구의 내용 및 범위...55
• 제 2 장 연 구 방 법...57
• 제 1 절 연구방법의 개요...57
• 제 2 절 측정원리...57
• 1. 데이타 처리방법...58
• 2. 열선의 검정원리...59
• 가. 열선의 기하학적 형상...59
• 나. 검정실험식...59
• 3. 계산방법...61
• 제 3 절 실험장치...63
• 1. 검정장치...63
• 2. 실험용 축류송풍기...63
• 3. 자동 계측시스템...66
• 가. 데이타 처리시스템...66
• 나. 자동 이송장치...70
• 제 4 절 실험방법...71
• 1. 실험방법 개요...71
• 2. 검정실험...71
• 가. 속도검정...72
• 나. 피치각과 선회각의 검정...72
• 3. 측정위치...74
• 4. 측정방법...74
• 제 3 장 결 과...77
• 제 1 절 실험결과...77
• 1. 축류압축기 특성곡선...77
• 2. 3차원 속도분포...80
• 3. 운동에너지 결함...84
• 가. 영각변화...84
• 나. 축방향의 변화...86
• 4. 와도 분포...90
• 가. 영각 변화...91
• 나. 축방향의 변화...95
• 다. 절현비에 따른 와도변화...95
• 라. 정지 로터익렬의 풍동실험 결과...99
• 제 4 장 고 찰...102
• 제 1 절 누설와류의 궤적...102
• 1. 누설와류의 원주방향의 궤적...102
• 가. 절현비의 영향...102
• 나. 영각의 영향...104
• 다. 회전속도의 영향...107
• 2. 누설와류의 반경방향의 궤적...107
• 제 2 절 와도분포...112
• 1. 누설와류의 와도강도...112
• 가. 축방향거리와 피치의 영향...112
• 나. 영각의 영향...114
• 다. 회전속도의 영향...114
• 라. 평균와도...114
• 2. 허브에서의 와도분포와 후류의 관계...117
• 가. 허브에서의 와도분포...117
• 나. 허브에서의 후류...120
• 3. 운동에너지의 손실계수...120
• 제 5 장 결 론...127
• 제 6 장 참고문헌 및 기호설명...129
• 제 1 절 참고문헌...129
• 제 2 절 기호설명...134
• 제 2 세 부 목 차...137
• 제 1 장 서 론...142
• 제 1 절 연구 배경...142
• 제 2 절 연구목적 및 연구내용...145
• 1. 연구 목적...145
• 2. 연구 내용...146
• 가. 준 3차원 유동계산 방법의 확립...146
• 나. 완전 3차원 계산 방법의 확립...147
• 다. 비설계점에서의 성능. 효율의 예측...147
• 제 2 장 연구 방법...149
• 제 1 절 준 3차원 유동의 이론...149
• 1. 지배 방정식...149
• 2. 경계 조건...152
• 3. 유한요소법의 적용...155
• 4. 유동계산 방법...158
• 5. 2차 유동손실...162
• 가. 손실발생 형태 및 분류...163
• 나. 익 형상 손실...163
• 다. 벽면 손실...166
• 라. 2차 유동 손실...166
• 마. 누설 손실...166
• 바. 손실 모델의 도입...167
• 1) 선형적 분포 모델...167
• 2) 2차 분포 모델...167
• 제 2 절 시간 진행법에 의한 계산이론...169
• 1. 기본 방정식...169
• 2. 격자계 구조 및 생성...171
• 3. 해석 기법...173
• 4. 경계 조건...175
• 5. 수렴 및 안정성...176
• 제 3 절 익렬 설계...177
• 1. 회전익렬 설계...177
• 2. 정지익렬 설계...180
• 제 3 장 결 과...183
• 제 1 절 회전익렬의 준 3차원 유동 계산...183
• 1. B - B 유동 계산...183
• 가. 비 압축성 유동...183
• 나. 압축성 유동...183
• 다. 비축대칭 유동...183
• 2. 준 3차원 유동계산...185
• 가. 손실 계수...185
• 나. 유동계산 결과...185
• 제 2 절 시간진행방법에 의한 유동계산 결과...188
• 1. 아음속 유동 계산...188
• 2. 천이음속 유동 계산...197
• 제 3 절 설계 계산...197
• 1. 익렬 설계결과...197
• 2. 특성 곡선...203
• 제 4 장 고찰...212
• 제 1 절 회전 익렬의 준 3차원 유동 계산...212
• 제 2 절 시간진행법에 의한 계산...213
• 제 3 절 익렬 설계...215
• 제 5 장 결 론...217
• 제 6장 참고 문헌 및 기호 설명...219
• 제 1 절 참고 문헌...219
• 제 2 절 기호 설명...224
• 1. 각 장 제 1절의 기호 설명...224
• 2. 각 장 제 2절의 기호 설명...227
• 제 1 장 서 론...234
• 제 1 절 연구 배경...234
• 제 2 절 연구 목적...237
• 제 2 장 연구방법...239
• 제 1 절 압축기 회전날개의 고유진동수 해석 및 실험...239
• 1. 기본 가정...239
• 2. Myklestad 방법에 의한 해석...239
• 3. FEM 에 의한 해석...243
• 4. Galarkin 방법에 의한 해석...247
• 제 2 절 선회 실속시 압축기 날개의 진동특성 해석...249
• 1. 실속 셀 내의 날개의 응답...249
• 2. 실속 셀 압력파형의 추정...255
• 제 3 절 로터-베어링계의 임계속도 계산 및 세차 모우드의 해석...260
• 1. Runge-Kutta 방법에 의한 임계속도의 계산 ·...260
• 2. FEM 을 이용한 임계속도의 계산 및 세차 모우드의 해석...266
• 제 4 절 로터 진동의 능동제어...270
• 1. 로터의 기동, 정지시의 모델 추종 비틀림 진동제어...270
• 2. 선회 진동의 능동제어...272
• 제 3 장 결 과...275
• 제 1 절 압축기 회전날개의 고유진동수 해석 및 실험...275
• 제 2 절 선회 실속시 압축기 날개의 진동특성 해석...282
• 제 3 절 로터-베어링계의 임계속도 계산 및 세차 모우드의 해석...290
• 제 4 절 로터 진동의 능동제어...301
• 제 4 장 고찰...311
• 제 1 절 압축기 회전날개의 고유진동수 해석 및 실험...311
• 제 2 절 선회 실속시 압축기 날개의 진동특성 해석 ·...316
• 제 3 절 로터-베어링계의 임계속도 계산 및 세차 모우드의 해석...321
• 제 4 절 로터 진동의 능동제어...325
• 제 5 장 결 론...333
• 제 6 장 참고문헌...334
• 제 4 세 부 목 차...337
• 제 1 장 서 론...342
• 제 1 절 연구의 목적...342
• 제 2 절 역사적 배경...343
• 제 3 절 연구 내용...346
• 제 2 장 연구 방법...348
• 제 1 절 로터계의 진동 원인 및 현상...348
• 1. 블평형력에 의한 진동...348
• 2. 오일 휠 오일 휩 (Oil Whril/ Oil Whip)...348
• 3. 건성 마찰(Radial Rub)에 의한 진동 특성...349
• 4. 과도한 예하중(Preload)에 의한 진동 특성...350
• 5. 축의 균열(Crack)에 의한 진동 특성...350
• 6. 블 베어링의 결함에 의한 진동 특성...350
• 7. 느슨한 체결에 의한 진동 특성...352
• 제 2 절 모달 파라미터의 추정...359
• 1. 편분 반복법...359
• 2. Prony 방법...361
• 3. Ibrahim 시간 영역 방법...366
• 제 3 절 균열축의 이론 해석...368
• 1. 운동 방정식...368
• 제 4 절 건성 마찰 현상의 이론 해석...379
• 제 5 절 개발된 소프트웨어...390
• 1. 이론적 모달 해석 프로그램...390
• 2. 데이타 수집 프로그램...391
• 3. 주파수 해석 프로그램...391
• 4. 모달 파라미터 추정 프로그램...391
• 5. 로터의 이상 감시 프로그램...391
• 6. 로터의 과도 영역 분석 프로그램...392
• 제 3 장 결 과...393
• 제 1 절 모달 파라미터 추정 시뮬레이션...393
• 제 2 절 근열축 진동에 대한 실험...398
• 제 3 절 건성 마찰 현상에 대한 실험...410
• 제 4 절 프로그램 사용 예...419
• 제 4 장 고 찰...434
• 제 5 장 결 론...436
• 제 6 장 참고문헌...438