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Experimental study about the axial compressor stability enhancement : 축류압축기의 안정성 개선에 관한 실험적 연구

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Authors
임형수
Advisor
강신형
Major
기계항공공학부
Issue Date
2012-02
Publisher
서울대학교 대학원
Abstract
In this research, the operation range extension of axial compressor was verified experimentally with Seoul National University compressor (SNU compressor). The method of active control and passive control were executed. As an active control, the tip injection was performed, and as a passive control, the casing treatment was performed. With these control methods, the operation range of SNU compressor was successfully extended. In this research, to enhance the compressor stability, new issues about air injection and casing treatment were investigated, and could get novel results. In air injection, new injection scheme to reduce the injection flow rate was introduced. In casing treatment, new relation which is about the operation range extension of axial skewed slot casing on spike onset compressor and mode onset compressor was verified.
In active control, the condition of compressor stability is monitored in real time. The representative method of active control is air injection. To stabilize the axial compressor stability, Day (1993), Weigl (1998), Suder (2000), Strazisar (2004) investigated the method of air injection. The most important issue in air injection must be operation range extension, and the effective parameter are nozzle flow rate, nozzle shape, nozzle location and number of nozzle, etc. The second important issue in the air injection is saving the injection flow rate. It must be the benefit to the compressor operator, if the operation range of their compressor can be extended with less amount of injection flow. Because, in general, injection air is very high pressure air, and to make high pressure air, it cost a lot. Therefore, it must be an important issue that reducing the amount of injection air to extend the compressor operation range. However, this issue has not been investigated at all. The possibility of injection flow rate control was verified in this research.
With multi-step injection and continuous injection, the amount of injection flow could be saved 10.6% and 18.6% respectively, based on 1-step injection. Also, it was verified that it is an important issue to control the injection flow rate as close as possible to the minimum required injection flow rate which is the compressor's own characteristic about air injection.
In passive control, the operation range can be extended by installation of facility. This method is convenient for the operator because the effect of compressor stabilization can be simply acquired by the installation. The representative method of passive control is casing treatment.
Every compressor has its own stall onset characteristics. However, to improve its operation range by casing treatment, no one has considered the prestall characteristics. Recently, Houghton (2010) investigated the relation between groove casing and types of prestall. He mentioned that the amount of the operation range extension in spike onset compressor was different when the groove casing applied to mode onset compressor.
In this research, the activation of axial skewed slot casing was investigated for spike and mode onset compressor. For the test, SNU compressor was modified to 1-stage compressor, and the axial skewed slot casing was manufactured. By changing the IGV (Inlet Guide Vane) stagger angle, from 32° to 8°, the type of prestall could be changed.
When the axial skewed casing was applied to spike onset compressor, the operation range was extended about 8%, but it was 0% in mode onset compressor. Hot-wire and fast response pressure transducer were used to analyze the reason of these differences. By analyzing the signal, it was verified that the pressure difference (ΔP) and the magnitude of flow velocity in slot were bigger at spike onset compressor than that of mode onset compressor as 26% and 12% respectively near stall. Therefore, the magnitude of bleed and injection in slot at spike onset compressor is bigger than that of mode onset compressor. Also, in this research, the types of prestall could be changed by IGV stagger angle. Different incoming flow and tip leakage flow structure could be expectable between spike and mode onset compressor. Because the contour level of static pressure distribution on slot bottom was significantly different. For these reasons, there was a difference in the operation range extension between spike onset compressor and mode onset compressor in axial skewed slot casing.
In this research, to improve the operation range extension, active control; air injection and passive control; casing treatment has been performed with SNU compressor. In air injection, new injection scheme could be introduced to save the amount of the injection air. In casing treatment, the effect of axial skewed slot casing on the stability of spike and mode onset compressor was investigated. The measurement result could explain the difference of the operation range extension between spike and mode onset compressor about axial skewed slot casing.
본 논문에는 서울대학교에 있는 다단 축류압축기(이하, 서울대 압축기)에서 발생할 수 있는 스톨을 지연시킴으로써, 압축기 운전 영역을 증가시키기 위한 연구 결과가 있다. 운전영역 개선을 위한 방법은 능동제어(active control)와 수동제어(passive control)로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 능동제어의 일환으로 공기 인젝션(air injection) 방식이 수행되었으며, 수동제어로는 케이싱 트리트먼트(casing treatment)를 수행하였는데, 각각의 제어를 통해 서울대 압축기의 운전영역을 개선 할 수 있었다. 연구를 수행하면서, 기존의 선행연구에서 제시되지 않았던 새로운 사항들을 확인할 수 있었다. 공기 인젝션 연구에서는 인젝션 유량을 절감하기 위한 새로운 인젝션 방안을 제시하였다. 그리고 케이싱 트리트먼트 연구에서는 특정한 형상의 케이싱을 선구신호가 다른 압축기에 적용하였을 때, 운전영역 개선 효과에 차이가 있는지, 있다면 어떠한 차이인지를 밝힐 수 있었다.
능동제어는 축류압축기의 운전상태를 실시간으로 판단하여 압축기에 불안정성이 나타날 때 작동하는 방법이다. 대표적인 방법으로 공기 인젝션이 있으며, Day (1993), Weigl (1998), Suder (2000), Strazisar (2004)를 중심으로 인젝션 성능을 높이기 위한 연구가 수행되었다. 공기 인젝션에서 가장 중요한 것은 운전영역 개선이며, 이에 영향을 미치는 인자는 노즐 유량, 노즐 형상, 노즐 배치, 노즐 수 등 다양하다.
공기 인젝션에서 중요한 다른 인자는 인젝션 유량일 것이다. 운전 영역을 넓히는데 있어서, 기존의 인젝션 유량보다 적은양의 인젝션 유량을 사용한다면 운전자에게 이득일 것이다. 왜냐하면 인젝션 유량은 일반적으로 고압의 공기이며, 이러한 고압 공기를 만드는데 비용이 많이 들기 때문이다. 하지만 인젝션 유량을 절감하기 위한 방안에 대한 연구는 기존에 이루어 지지 않았으며, 본 연구를 통해 인젝션 유량 절감에 대한 실험적 연구가 진행되었다. 이 과정에서 기존의 1단 인젝션(1-step injection)대비 새롭게 시도된 다단 인젝션(multi-step injection)과 연속 인젝션(continuous injection)을 통해 인젝션 유량을 각각 10.6%, 18.6% 저감할 수 있었다. 그리고 시스템 고유 특성인 최소 인젝션 요구량에 가깝게 인젝션 유량을 조절하는 것이 중요함을 알 수 있었다.
수동제어는 압축기에 기구적인 장치의 설치만으로 운전영역이 개선된다. 장치의 설치만으로 제어 효과가 나타나기 때문에 운전자에게는 편리하지만 항상 작동 유체에 노출되기 때문에 효율이 낮다는 단점이 있다. 대표적인 방법은 케이싱 안쪽 면에 여러 모양의 홈을 가공한 케이싱 트리트먼트가 있다. 1960년대부터 현재까지 연구가 진행되었으며, Koch (1960), Moore (1971), Prince (1974), Fujita (1984), Xingen (2006), Muller (2007)등이 케이싱 트리트먼트를 통해 많은 연구 성과를 남겼다.
모든 압축기는 고유의 스톨 선구신호 특성이 있다. 하지만 케이싱 트리트먼트의 효과가 압축기 스톨 선구신호 특성에 따라 다르다는 연구는 Houghton (2010)가 그루부 케이싱(groove casing)을 이용하여 처음으로 소개하였다. 케이싱 트리트먼트를 여러 선구신호 특성을 갖는 압축기에 적용할 때, 안정성 개선의 효과가 다르다는 것은 압축기 설계에 있어 상당히 중요한 정보이다. 하지만 이에 대한 연구 결과가 미약한 실정이다.
본 연구에서는 서울대 압축기를 이용하여 축방향 슬롯 케이싱 (axial skewed slot casing)을 선구신호가 다른 압축기에 적용하여 운전영역 개선의 차이를 확인하였다. 이를 위해 기존 4단 축류압축기를 1단으로 개조하였다. 그리고 입구 날개각 (Inlet guide vane)의 날개 각도를 조정하여 스톨 선구 신호로 스파이크 (spike, 입구 날개각 32°)와 모드 (mode, 입구 날개각 8°)가 발생하도록 하였다. 각각의 스톨 선구 신호를 갖는 압축기에 축방향 슬롯 케이싱을 적용하였을 때, 스파이크 발단 압축기에서는 8%의 운전영역이 개선되었지만 모드 발단 압축기에서는 운전영역이 개선되지 않았다는 결과를 얻었다.
원인 분석을 위해 열선과 고속응답압력 변환기를 이용하여 동익 하단의 속도장과 슬롯 내부의 압력장 및 유속을 측정하였다. 기존의 압축기 안정성 개선 원인을 분석하는 방법으로 동익 하단의 속도장을 분석하였을 때, 스파이크 발단 압축기와 모드 발단 압축기 모두 케이싱 근처의 속도가 증가하였기 때문에 두 압축기의 운전영역 개선의 차이를 구분할 수 없었다. 즉, 동익의 반경방향으로 90% 지점에서 피치방향 면적 평균한 값이 슬롯 케이싱을 적용하였을 때 기존보다 각각 42%, 20% 증가하였다. 이 값은 슬롯에 의한 결과이며, 이 값의 차이에 대한 원인을 알기 위해 슬롯 내부 벽면에서 압력장을 측정하였다. 슬롯 내부의 벽 압력장에서는 팁 누설 와동의 강도차가 두 압축기 사이에 존재하였다. 즉 스파이크 발단 압축기에서는 스톨 근처에서 팁 누설 와동의 강도가 8%인 반면(여기서, 팁 누설 와동 강도는 동익 1개 구간의 면적 대비 대기압 보다 낮은 정압력이 차지하는 면적비 임), 모드 발생 압축기에서는 그 강도가 23%로 존재하였다. 이것은 슬롯에서 발생하는 흡입(bleed)과 인젝션(injection)의 활동이 스파이크 발단 압축기가 모드 발단 압축기보다 크다는 것을 의미한다. 그리고 슬롯에서의 순환 강도를 예측하기 위해 슬롯 상/하부의 벽 압력차와 슬롯 내부의 유속을 측정하여 두 압축기에서의 차이를 확인하였다. 결과적으로 스파이크 발단 압축기의 슬롯 상/하부 벽 압력차와 슬롯 내부의 유속이 모드 발단 압축기보다 각각 26% 와 12% 높은 결과를 얻었다. 모드 발단 압축기 기준으로, 슬롯 내부의 흡입과 인젝션의 강도가 스파이크 발단 압축기에서 크게 나타났기 때문에 두 압축기의 운전영역 차이의 원인을 알 수 있었다.
인젝션 실험을 통해 압축기의 운전 영역 개선을 위해서는 인젝션 강도가 최소 요구량(threshold)을 만족해야 한다는 것을 알았다. 슬롯 케이싱에서도 슬롯을 통해 흡입과 인젝션 작용이 발생하는데, 이 크기가 압축기 특성인 최소 요구량을 만족시켜야 운전 영역 개선이 나타난다. 모드 발단 압축기에서 운전 영역 개선이 0 인 이유는 슬롯에 의한 흡입과 인젝션 작용이 최소 요구량을 만족시키지 못하였기 때문이다.
본 연구는 서울대 압축기의 운전 영역을 개선시키기 위해 능동 제어의 대표적 방식인 인젝션과 수동제어의 대표적 방식인 케이싱 트리트먼트 방식을 각각 적용하여 그 영향을 실험적으로 확인하였다. 각각의 연구를 통해 공기 인젝션 연구에서는 인젝션 유량을 줄이기 위한 새로운 방안을 소개하고, 케이싱 트리트먼트 연구에서는 슬롯 케이싱이 스파이크 발단 압축기와 모드 발단 압축기의 운전영역 개선에 미치는 영향을 분석하였다.
Language
eng
URI
https://hdl.handle.net/10371/156256

http://dcollection.snu.ac.kr:80/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000001515
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College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Mechanical Aerospace Engineering (기계항공공학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._기계항공공학부)
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