Humidity effects on the aerodynamic performance of a transonic compressor cascade

Abstract

Gas turbines which operate in the humid condition experience performance change. In the previous researches, the properties of working fluid change, an inlet duct condensation, and stage mismatching are discussed for the reasons of the gas turbine performance change. However, understandings of the compressor flow field change due to humidity (ex. condensation & evaporation) are still lacking. This study has been conducted to investigate the humidity effects on the transonic compressor flow field. For an experimental study, a transonic wind tunnel has been built, and the cascade device has been adopted to investigate compressor flow field. For six different relative humidity (RH) conditions (20, 32, 42, 45, 49, 53%), transonic compressor cascade performance has been investigated by measuring blade pressure coefficient distribution, deviation distribution, and loss coefficient distribution at a Mach number 1.11, and incidence of +5˚. As relative humidity increases, pressure coefficients on the suction surface have been increased due to condensation, shock has been shifted downstream, and the mass averaged loss coefficient have been increased up to 29% at 53% RH condition due to thermodynamic loss. However, there are negligible effects on the deviation. Numerical study has been conducted for the detailed understandings of the experimental results. To simulate the non-equilibrium condensation/evaporation phenomenon in a transonic flow field, the Classical Nucleation Theory (CNT), and the Hertz-Knudsen droplet growth model has been adopted, and applied to the commercial program of ANSYS FLUENT v. 17.0. The effects of humidity on the pressure coefficient on the blade, and the shock location shift have been verified due to condensation, and the latent heat addition thereby. By comparing the loss coefficient evolution following a streamline, decreasing shock loss and increasing thermodynamic loss have been captured as relative humidity increases. However, as thermodynamic loss increases at a faster rate than decreasing rate of shock loss, the mass averaged loss coefficient has been increased as relative humidity increases.

습한 환경에서 작동하는 가스터빈의 경우, 그 성능이 설계 값과 다르게 나오는 것이 잘 알려져 있다. 공기중의 수증기 함량에 따른 공기 물성치 변화, 그리고 엔진 입구에서의 응축 현상에 따른 입구 온도 증가를 그 원인으로 하는 연구들이 많이 수행되었지만, 습한 환경에서의 압축기 내부의 유동장 변화에 대한 연구는 미미한 실정이다. 따라서 본 연구는 습한 환경에서 작동하는 천음속 압축기의 유동장 변화를 분석하기 위하여 수행되었다. 천음속 캐스케이드 장비를 설계하여 6개 상대습도 (20, 32, 43, 45, 49, 53%), 마하수 1.1, 인시던스 +5˚ 조건에 대하여 실험 및 유동해석을 수행하였고, 상대습도 변화에 따른 캐스케이드 공력 성능의 변화를 블레이드 압력계수 분포, 출구유동 편차각, 그리고 손실계수 변화로 비교하여 나타냈다. 상대습도가 증가함에 따라 블레이드 흡입면의 압력 계수가 증가하는데, 이는 블레이드 흡입면에서 유동이 가속됨에 따라 발생한 응축 현상에 기인한다. 응축이 발생함에 따라 방출되는 잠열로 인하여 충격파 상류의 압력이 증가하여 압력 계수가 증가한 것이며, 이는 또한 충격파를 하류로 이동킨다. 출구 유동편차각의 경우 상대습도 변화에 별다른 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 하지만, 이는 레퍼런스 조건에서 (상대습도 20%) 블레이드 표면에서의 유동 박리가 무시할 만큼 작아 응축 현상에 의한 유동 박리 감소 현상, 그리고 이에 의한 출구 유동편차각 감소현상이 미미하게 나타났기 때문이다. 손실계수의 경우 상대습도가 증가함에 따라 증가하였고, 53% 상대습도 조건에서 최대 29%의 증가를 보였다. 이는 응축과정에서 발생하는 잠열은 충격파 전단의 마하수를 낮춰 충격파의 손실을 줄이지만, 열 공급 자체로 인한 엔트로피 증가가 더 큰 폭으로 발생하기 때문이다.