(A) study on the tip leakage flow structures in an axial compressor with and without slot casing treatment

Abstract

본 연구는 저속 연구용 축류압축기 동익의 팁 누설 유동이 보이는 비정상성(Unsteadiness)과 케이싱 트리트먼트를 적용할 때 내부 유동의 변화와 비정상성을 다루고 있다. 연구 방법으로는 신뢰성 있는 실험 결과와의 비교를 통해 검증된 비정상 수치계산을 이용하였다. 케이싱 트리트먼트를 적용하기 전 동익 내부 유동장에서 확인된 팁 누설유동은 동익의 회전수와 무관한 특성을 가지는 비정상성을 띠고 있으며, 이는 동익의 팁 간극(tip clearance)이 상대적으로 크기 때문에 팁 누설 유동이 인근 동익 날개와 상호 작용하여 나타나는 현상이다. 운전 유량을 감소하면 진입하는 주 유동과 팁 누설 유동이 이루는 경계선(interface)이 상류로 이동하게 되는데, 스톨 근처 운전점에서 팁 누설 유동의 주기적인 비정상성이 날개 전연(leading edge) 부근 흡입면(suction surface)에서 박리(separation)을 유도하여 반경방향 볼텍스(radial vortex)를 형성하게 한다. 이는 막힘현상(blockage)을 일으키는 원인이며 원주방향으로 회전하는 특징을 보여, 스파이크 타입(spike-type) 스톨 발단(stall inception) 현상에 해당하며, 스톨 발단의 두 기준으로 제안된 팁 누설 유동의 후연(trailing edge) 역류(back flow)와 전연 유출(spillage)을 만족하고, 작은 길이 특성의 스톨 셀(short-length-scale cell) 구조과도 일치한다. 한편, 팁 누설유동 비정상성의 주파수와 유동장과의 관계를 통해 축방향 유동 속도와 축방향 동익 날개 코드길이로 주파수 특징을 제안하였다. 또한, 팁 누설유동 비정상성에 의해 날개면에 가해지는 하중의 변화량을 계산하였다. 스톨이 팁에서 발단하는 동익의 운전범위를 확장하기 위해 케이싱에 축방향 기울어진 홈(axal skewed slot) 형태의 케이싱 트리트먼트(casing treatment)를 적용하였다. 상·하류의 압력차에 의한 후연 주변에서의 유동 제거(removal)와 전연 부근에서의 유동 주입(injection)에 의해 스톨 발단에 영향을 미치는 진입 주 유동과 팁 누설 유동의 상류이동을 억제하는 효과를 확인하였다. 이에 의해 운전 유량이 감소하여도 팁 주변의 축방향 속도는 감소하지 않기 때문에, 허브(hub) 부근 유속 감소에 따라 축방향 모멘텀(axial momentum)이 감소하여 역방향 압력 구배(adverse pressure gradient)를 이기지 못하게 되어 후연 부근의 허브면과 날개 흡입면(suction surface) 사이에서 허브 코너 스톨(hub-corner stall)이 발생하였다. 허브 코너 스톨은 자기유도된 비정상성을 띠고 있으며, 운전 유량 감소에 따라 반경방향과 상류 방향으로 발달하며, 유동의 변동 폭이 증가하였다. 이에 따라 스톨 부근 운전점에서는 허브 코너 스톨의 발달이 상류 진입각의 분포에 섭동을 발생하게 하여 케이싱 트리트먼트가 적용된 경우의 스톨 발단에 기인하는 요인으로 제안되었다. 케이싱 트리트먼트에 의한 유동 재순환의 원인으로 역압력 구배와 더불어 팁 누설 유동의 볼텍스도 이에 기인하는 것으로 확인되었다. 이로 인해 케이싱 트리트먼트의 홈 입구에 대한 팁 누설 유동 궤적의 상대적 위치에 따라 재순환 유량의 주기적 변화 추세가 변하였다. 설계 유량점에서는 역압력 구배가 주 원인이었으나 운전 유량이 감소하면서 팁 누설 유동의 볼텍스가 강해지면서 재순환에 미치는 영향이 증가하게 되었다. 상·하류 압력 차이와 날개면에 가해지는 하중을 이용하여 각각의 영향으로 발생하는 재순환 유량을 예측하는 모델을 제시하였다. 허브 코너 스톨에 의한 비정상성의 주파수로부터 팁 누설 유동의 비정상성과 같이 축방향 유동 특성 및 축방향 날개 코드길이에 의한 무차원 주파수를 제시하였으며, 비정상성에 의해 날개면에 가해지는 하중의 변화량을 정량화 하였다. 한편, 같은 형상의 케이싱 트리트먼트가 적용된 실험 결과로부터 케이싱 트리트먼트의 효과와 유동 특성 변화를 비교 및 확인 하였다. 케이싱 트리트먼트를 통한 스톨 마진 증가와 운전유량 감소에 따라 비정상성을 가지는 허브 코너 스톨의 발달이 실험 결과에서도 확인되었다.

Numerical calculation was performed to investigate unsteady flow in an axial compressor. Part annulus of the rotor row was chosen as a calculation domain after considering the flow features of interest. Since the tip clearance of the rotor was relatively large (more than two percent of the blade chord length), the tip leakage flow had inherent unsteadiness that was not associated with the rotor speed. It was found that the unsteadiness was self-induced by interacting the adjacent blade. The unsteadiness of the tip leakage flow was found to be a cause of the formation of spike-type stall inception. The development of the vorticity from the interface between the incoming flow and the tip leakage flow triggered the leading edge separation on the blade surface, leading to formation and propagation of the radial vortex. The phenomena satisfied the criteria for spike-type stall inception and short-length-scale stall cell structure near stall. The unsteady behavior of the tip leakage flow was found to be affected by axial velocity of the flow and the axial chord length as characteristic parameters. It was examined that blade loading was periodically altered by the unsteadiness of the tip leakage flow. When axial skewed slots were applied over the rotor tip as casing treatment, the flow features related to the stall inception were suppressed by the flow re-circulation through the slot that delayed the movement of the interface between the incoming flow and the tip leakage flow. Hence, the near-stall point was decreased by about 12%. The flow re-circulation through the slot were driven mainly by adverse pressure gradient across the rotor row in the axial direction. Moreover, it was found that the tip leakage vortex enhanced the re-circulation in the slot, since the tip leakage flow vortex was strong enough to increase the mass flow rate of the re-circulation in the slot. It was found that the hub-corner stall occurred due to decrease in axial momentum near the hub. The hub-corner stall radially and axially developed as the flow rate was reduced. While the unsteadiness of the tip leakage flow was suppressed by the casing treatment, the hub-corner stall became to have unsteadiness. The unsteadiness of the hub-corner stall caused the rotor inlet flow to be disturbed with the circumferentially distributed fluctuation at the near stall point. It was deduced that the unsteadiness of the hub-corner stall was responsible for the stall inception for the casing treatment case. The unsteadiness of the hub-corner stall was also characterized by the axial velocity of the flow and of the axial chord length of the blade. The fluctuation of blade loading due to the unsteadiness of the hub-corner stall was quantified, and the amount of the fluctuation turned out to be comparable to the unsteadiness of the tip leakage flow of the smooth wall case. The flow features with the casing treatment were confirmed from available measured data although the measured data had discrepancy of geometry. It was verified that the casing treatment improved the stall margin and the hub-corner stall played a role in initiating the stall inception.