베인 디퓨저 벽면에서 공기흡입에 의한 원심압축기 스톨마진 향상을 위한 연구

Abstract

베인 디퓨저는 베인리스 디퓨저보다 압력비가 높다. 최근에는 낮은 솔리디티 베인 디퓨저의 사용이 광범위해 지면서 베인 디퓨저의 단점인 운전영역 감소 문제를 해결하는 연구가 주로 되고 있다. 원심압축기에서 운전영역은 중요한 지표 중 하나이다. 저 유량에서 운전영역 감소를 야기하는 주 원인은 스톨이다. 스톨은 임펠러에서 발생을 할 수 있고 디퓨저에서 발생을 할 수 도 있다. 스톨을 해결하기 많은 방법들이 제시 되었는데 그 중 하나가 임펠러 전단과 임펠러 후반부를 슬롯을 통해 잇는 것이다. 슬롯의 역할은 저 유량에서 유체를 순환 시켜 유동의 안정성을 높여주는 것이다. 이로 인해 운전 영역도 개선되는 효과를 검증 하였다. 본 논문에서는 기존 연구와 달리 베인 디퓨저 공간에 베인이 추가한 점을 고려해 임펠러 입구와 베인 입구를 슬롯을 통해 잇는 방안을 제시하였다. 베인 입구와 임펠러 입구의 압력 차이로 인해 베인 입구에서 흡입된 유체는 다시 임펠러 입구로 순환 하게 된다. 따라서 디퓨저 벽면에서의 박리가 흡입이 되며 베인 전단에서의 입사각과 임펠러 입구에서의 입사각 모두 감소되어 스톨을 억제할 수 있을 것이라고 기대를 할 수 있다. 연구에서는 수치해석을 통해 이를 검증하기로 한다. 수치해석에서 실제로 임펠러 입구와 베인 입구를 연결하지는 않았다. 대신 수치해석에서 얻은 베인 입구에서의 압력 값을 이용하여 슬롯 출구에 적절한 정압 조건을 줌으로써 유체가 실제 디퓨저 입구에서 임펠러 입구로 순환하는 상황을 모사하였다. 슬롯은 디퓨저 입구에만 설치를 하였으며 슬롯의 위치를 바꾸었을 때의 결과도 비교 해 보았다. 수치 해석 결과 저 유량 영역에서 슬롯을 통해 스톨을 억제를 하는 것이 가능 하다는 것을 확인 하였다. 베인 디퓨저 입구에서 슬롯을 설치하면 순환 유량에 의해 임펠러 출구 유량이 증가를 하며 따라서 임펠러 출구 유동 각이 감소를 하게 된다. 결과적으로 베인 입사각이 감소를 하게 되며 이는 베인 구간에서의 압력 회복을 높게 해준다. 또한 디퓨저 구간에서 유동상황도 개선이 되며 박리 등으로 인한 디퓨저 손실이 감소를 하게 된다. 전체 압축기 성능은 임펠러 구간과 디퓨저 구간에서의 유동 개선으로 인해 운전영역이 늘어나는 효과를 확인 하였다.