원심 압축기의 임펠러 마하수에 따른 공력성능 특성에 관한 수치해석적 연구

Abstract

원심 압축기는 일반적으로 흡입된 유체에 회전운동으로 운동에너지를 가하는 임펠러와 고속의 운동에너지를 압력으로 변환하는 디퓨저, 그리고 디퓨저에서 나온 고압의 유체를 다른 장치로 전달하는 볼루트로 구성되어 있다. 원심 압축기 각 요소별 내부유동 굉장히 복잡한 3차원 난류유동이기 때문에 압축기의 성능을 정확히 예측하고 설계하는 방법에 대해 많은 연구가 진행되어 왔다. 전통적으로는 실험을 하여 원심압축기의 성능을 예측하였고, 최근에 들어서는 컴퓨터의 성능 향상에 따라 수치계산을 이용하는 방법이 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 산업용 원심 압축기에 대해 상용 수치해석 프로그램을 이용하여 3차원 유동해석을 수행하였다. 난류 유동의 해석에 있어서는 표준 k-ε RANS 난류모델을 사용하였고, 각각 경계면 조건과 계산 영역을 달리한 계산 결과를 시험 결과와 비교하여 수치해석의 타당성을 검증하였다. 원심 압축기의 공력성능 특성을 분석하고 설계 및 성능예측을 위해 여러 임펠러 날개 회전속도 마하수에 따른 가능한 서징 부근 유량부터 초킹 유량까지 전 유량 걸쳐 수치계산을 수행하였다. 계산된 결과를 분석하여 설계 및 성능예측에 적용할 수 있는 여러 가지 변수에 대하여 고찰하였고, 압축기 내부의 각 요소별 유동특성과 공력성능 특성에 대한 해석 방법을 제시하였다. 특히 압축기가 서징 유량 근처와 최대 효율을 갖는 유량, 베인에 유동박리가 발생하기 시작하는 유량, 초킹 유량 등에서 작동될 때 임펠러에서 운동량의 전달과 손실특성, 디퓨저의 압력회복 및 손실 특성에 주 관심을 두었다. 임펠러 내부에서의 초킹이 전 유량에 걸쳐 성능 저하를 가져오는 가장 주요한 원인중 하나임을 밝히고 초킹 유량 근처에서의 압력손실과 운동량 전달의 특성을 파악하였다. 또한 임펠러 날개 회전속도 마하수를 구분하여 초킹 발생 전후에 따른 임펠러 내부유동 해석과 손실특성에 대한 방법을 제시하였다. 특히 고 회전속도(Mu=1.03～1.15)로 작동되는 압축기에 유량을 늘릴 경우 임펠러 목 날개 끝(Tip)부근에서 초킹이 발생하기 시작함에 따라 임펠러 출구에서의 유동각이 감소되는 원인을 확인하였다. 임펠러 출구를 빠져 나온 유동의 특성에 따라 베인 디퓨저에 미치는 영향으로 임펠러와 디퓨저의 상호작용에 대하여 알아보았다. 특히 본 연구에서 사용된 베인 디퓨저의 최소 손실 조건과 유동박리 발생 조건에 대하여 분석하였다. 이에 따라 베인 압력면에서의 유동박리가 큰 와류로 발달하여 디퓨저의 압력회복 및 손실특성에 가장 큰 영향을 주는 것을 확인하였다. 앞서 임펠러는 회전속도를 구분하여 내부유동 해석과 손실특성을 파악하였으나 모든 회전속도에서 디퓨저의 성능을 감소시키는 원인으로는 임펠러 내부에서의 초킹보다 디퓨저 내부의 유동박리가 가장 지배적이기 때문에 베인 압력면에서의 유동박리 발생 전후를 구분하여 공력성능과 손실특성을 분석하였다. 특성 있는 몇 가지 유량계수들을 따라 임펠러 날개 회전속도 마하수 변화에 대한 성능특성을 파악하여 원심 압축기 설계 및 성능 예측을 위한 해석 방법을 제시하였고, 디퓨저 베인 흡입면에서의 실속이 압축기 서지현상을 이끄는 주요한 원인임을 확인하였다.

A centrifugal compressor is generally composed of a impeller by whose rotational motion the energy is obtained, a diffuser by which static pressure is recovered, and finally a volute serving as a receiver to transfer for other divices. It is important requirement to properly evaluate the aerodynamic performance and characteristics during preliminary design of a centrifugal compressor because it is not obvious to figure out the internal flow property of a centrifugal compressor including complicated three dimensional turbulent flow. The prediction and design of the aerodynamic performance of a compressor have been studied in various ways. Recently, it has not only been empirically researched but calculated by the computer simulation. In this study the industrial centrifugal compressor was calculated in three dimensional compressible viscous flow through CFX 11.0 and in method of k-ε RANS turbulent model. It is compared as a change of the boundary condition between calculation domains

Mixing plane & Frozen rotor and as a range of the calculated domain

Single passage & Full passage. And also it is validated through a comparison with the test results. This study shows that the centrifugal compressor is calculated for variations of mass flow rates and blade Mach numbers in the calculated region by the single passage in a steady state. A lot of quantitative performance values were obtained and through the obtained values several variables were investigated to certainly predict and correctly design the centrifugal compressor. And the methods proposed is useful to analyze the aerodynamic performance and characteristics of internal respective parts of the compressor. Especially, momentum transfer and loss characteristics of the impeller and pressure recovery and loss properties of the diffuser were focused when the compressor is operated with several flow coefficients such as at surge, peak efficiency, flow separation on diffuser vane, and choke. One of the major cause of the impeller loss is the pressure drop when the operating mass flow rate closes to choking flow coefficient. The results were classified by blade Mach number to analyze characteristics and the aerodynamic performance of the impeller. It shows how choke in the impeller affects on variations of the absolute flow angle of the impeller exit. In the view of diffuser, the interaction between the impeller and diffuser was studied as the flow characteristics of the impeller exit. It can be found the properties of minimum loss and onset of a separation on the vane pressure side. One of the major cause of the diffuser loss solely is the vortex propagated from the separation on the vane pressure surface. It is different from the method of analysis of the impeller characteristics, the diffuser characteristics is governed by the separation on the diffuser vane, not choke in the impeller. Thus the way to analyze aerodynamic performance and characteristics of the diffuser is to categorize according to the onset of the separation on the vane of diffuser. Several mass flow rates being worth of analysis was investigated as diverse blade Mach numbers. And one of them shows that surge is affected by a stall in the diffuser vane suction side.

Keywords : Blade Mach number, Centrifugal compressor, Choke, Peak efficiency, Separtion, Surge, Vaned diffuser, Work coefficient