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2010. 8. 18

제 6 회 한국유체공학학술대회. 팁 누설 유동의 비정상 특성 변화가 축류 압축기 성능 예측에 미치는 영향 Effect of Unsteadiness of Tip Clearance Flow on Performance Prediction in Axial Compressor. 황유준 ∙ 강신형. 2010. 8. 18. 서울대학교 기계항공공학부 유동과 설계 실험실. 목 차. 서 론 연구 방법 연구 결과 팁 누설유동 특성 팁 누설유동에 따른 성능 예측 변화 수치계산 범위에 따른 팁 누설유동 특성 변화

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Presentation Transcript

  1. 제6회 한국유체공학학술대회 팁 누설 유동의 비정상 특성 변화가 축류 압축기 성능 예측에 미치는 영향 Effect of Unsteadiness of Tip Clearance Flow on Performance Prediction in Axial Compressor 황유준 ∙강신형 2010. 8. 18 서울대학교 기계항공공학부 유동과 설계 실험실

  2. 목 차 • 서 론 • 연구 방법 • 연구 결과 • 팁 누설유동 특성 • 팁 누설유동에 따른 성능 예측 변화 • 수치계산 범위에 따른 팁 누설유동 특성변화 • 작동점에따른 팁 누설유동 특성변화 • 결 론

  3. 서 론 (1/2) • 연구 목적 • 축류 압축기 팁 간극의 누설유동의 비정상(Unsteady) 특성을 관찰하여 압축기의 성능 예측에 미치는 영향을 수치계산을 통해 분석함 • 기존 연구 • Mailach 등 [1] : 회전 수와 무관한 팁 누설유동의 비정상 특성인 회전 불안정성(Rotating Instability)을실험적으로 연구 • März 등[2]과 Hah 등 [3]: 팁 누설유동이 주 유동 등과 상호 결합한 형태의 유도 볼텍스(Induced Vortex)를 제시 • Kielb 등 [4] : 비동기 진동(Non-synchronous Vibration)으로서의 팁 유동을 관찰 Frequency spectrum at the casing, design speed [1] Entropy contours near the tip [4] Structure of instantaneous flow field [2]

  4. 서 론 (2/2) • 연구 방향 • 기존 연구에서 실험을 통해 팁 누설유동 특성 관찰 • 수치계산은 전산자원과 계산 시간 제한으로 인해 기존 연구에서는 주로 single blade 유로를 대상으로 계산 수행 • 팁 누설유동 특성은 몇 개의 동익 blade passage에 걸쳐 나타날 수 있음 • 수치계산으로 누설유동 특성이 축류 압축기의 성능 예측에 주는 영향 연구 • 수치계산 조건 변화에 따른 팁 누설유동 특성 예측 비교 [1] Mailach, R., Lehmann, I., and Vogeler, K., 2001, “Rotating Instabilities in an Axial Compressor Originating From the Fluctuating Blade Tip Vortex,” Journal of Turbomachinery, Vol. 123, pp. 453-463. [2] März, J., Hah, C., and Neise, W., 2002, “An Experimental and Numerical Investigating Into the Mechanisms of Rotating Instability,” Journal of Turbomachinery, Vol. 124, pp. 367-375. [3] Hah, C., Bergner, J., and Schiffer, H.-P., 2008, “Tip Clearance Vortex Oscillation, Vortex Shedding and Rotating Instability in an Axial Transonic Compressor Rotor,” ASME Turbo Expo 2008, GT2008-50105. [4] Kielb, R. E., Barter, J. W., Thomas, J. P., and Hall, K. C., 2003, “Blade Excitation by Aerodynamics Instatbilites — A Compressor Blade Study,” ASME Turbo Expo 2003, GT2003-38634.

  5. 연구 방법 (1/3) • 축류 압축기 모델 • 서울대학교 4단 저속 연구용 축류 압축기 (Low Speed Research Compressor) • 제원 4단 축류 압축기 제원 4단 축류 압축기 실험 장치

  6. 연구 방법 (2/3) • 수치계산 대상 • 저속 축류압축기 1단부 : 입구 안내깃(IGV), 동익(Rotor), 정익(Stator) • 계산 방법 • 계산 프로그램 : ANSYS CFX 11.0 • 난류 모델 : Standard k-ε모델 • 격자 구성 : 블레이드 1개 유로(passage)에 대해 약 4만개 격자로 구성 • 계산 소요시간 및 전산자원 감소를 위해 최소 격자로 구성 : 격자 수에 따른 결과 검증 수행 • k-ε 모델에 대한 벽면 y+조건 충족 (y+ > 11) • K-ω 모델적용 결과와 비교를 통한 검증 수행 완료 • 정상상태(Steady-state) 및 비정상상태(Unsteady) 계산 수행 • 정상상태 계산은 수렴성 관찰로 결과에 대한 신뢰성 확보 : (Max. Residual < 10-4) • 비정상상태 계산은 충분한 동익열 회전수로 유동의 주기성을 관찰 • 전산자원 • CPU(2.50Hz) 32개 병렬연결, RAM 64GB

  7. 연구 방법 (3/3) • 경계조건 및 인터페이스 구성 • 동익 날개 1개 포함시 inlet sta.1 sta.2 exit Rotor IGV IGV R monitoring point (rotating) monitoring point (fixed) 정상상태 : Frozen-Rotor 비정상상태 : Sliding Pitch 길이 동일 • Mixing-Plane • Pitch 길이가 다른 IGV와 Rotor 인터페이스 • IGV에 의한 원주방향 분포를 배제 • 날개 수 변경 • 동익 열의 1/8 Annulus에 대한 계산 수행이 가능하도록 조정 : 54  56 개 • IGV 날개 수 유지 • 경계조건 • 입구 : 전온도(Total Temperature) 및 전압력(Total Pressure), 유동각 • 출구 : 유량(Mass Flow Rate)

  8. 연구 결과 : 팁 누설유동 특성 (1/5) • 유동장 계산 결과 • 설계 유량, 팁 주변 (90% span) inlet sta.1 sta.2 exit 90% span IGV R (1) (1) L.E. Rotor L.E. Rotor • 팁 누설유동 예측 차이 • 비정상상태 계산결과는 시간에 따라 패턴 변화 T.E. T.E. 축방향 속도 분포 정상상태 (Steady-state) 축방향 속도 분포 비정상상태 (Unsteady)

  9. 연구 결과 : 팁 누설유동 특성 (2/5) • 유동장 계산 결과 • 설계 유량, 동익열 출구 inlet sta.1 sta.2 exit IGV R (1) (1) 동익열 출구 • 팁 누설유동 예측 차이 • 비정상상태 계산결과 주유동 구간에서 더 균일한(uniform) 유동 패턴 • 시간에 따라 패턴 변화 축방향 속도 분포 정상상태 (Steady-state) 축방향 속도 분포 비정상상태 (Unsteady)

  10. 연구 결과 : 팁 누설유동 특성 (3/5) • 압력신호 분석 • 설계유량 • 동익열 1.5회전 간 신호변화 관측 • 회전관측점(rotating), 고정 관측점 (fixed) inlet sta.1 sta.2 exit IGV R (1) (1) monitoring point (rotating) monitoring point (fixed) Monitoring point (rotating) Monitoring point (fixed)

  11. 연구 결과 : 팁 누설유동 특성 (4/5) • 압력신호 분석 • 주파수 분석 : Fourier Transformation inlet sta.1 sta.2 exit IGV R • TLF: Tip Leakage Frequency (팁 누설 유동의 특성 주파수) • BPF: Blade Passing Frequency (날개 열 회전에 의한 주파수) (1) (1) monitoring point (rotating) monitoring point (fixed) Monitoring point (rotating) Monitoring point (fixed) 350Hz: TLF Harmonics 394Hz: TLF 747Hz: BPF

  12. 연구 결과 : 팁 누설유동 특성 (5/5) • 좌표계에 따른 주파수 차이 • 파장(λ), 회전속도(V), 주파수(f) 사이의 관계 • 팁 누설 유동은 Wave 형태의 유동 패턴을 형성하며 특정한 속도로 원주방향 회전이동 inlet sta.1 sta.2 exit IGV R (1) (1) Flow direction Tangential velocity monitoring point (rotating) monitoring point (fixed) Rotor Ut = 41.89 m/s Vrel Tip leakage flow pattern (relative) frel = 350Hz @ monitoring point λ = 0.0561 m (wave length)  Vrel = λfrel = 19.63 m/s λ Rotating monitoring point Vabs Ut Tip leakage flow pattern (fixed) λ=0.0561 m (wave length) Vabs=Ut-Vrel = 22.26 m/s  fabs=Vabs/λ = 397Hz λ Fixed monitoring point Vrel Vabs Vrel: Relative Phase Velocity Vabs: Absolute Phase Velocity Doppler Shift

  13. 연구 결과 : 팁 누설유동에 따른 성능 예측 변화 (1/2) • Blockage 계산 • Khalid 등 [5]이 정의한 Blockage 정량화 방법을 이용 • Displacement Thickness 개념을 Plane에 적용 • Main flow 방향의 속도 성분을 사용 Cut-off function Blocked area Blockage schematic [5] Blockage versus massflow [5] [5] Khalid, S. A., Khalsa, A. S., Waitz, I. A., Tan, C. S., Greitzer, E. M., Cumpsty, N. A., Adamczyk, J. J., and Marble, F. E., 1999, “Endwal Blockage in Axial Compressors,” Journal of Turbomachinery, Vol. 121, pp. 499-509. Example of blockage region definition using velocity gradient [5]

  14. 연구 결과 : 팁 누설유동에 따른 성능 예측 변화 (2/2) • Blockage 계산 Blocked Area Mainflow 방향 속도성분 속도성분의 변화율 정상상태 (Steady) Cut-off value: 1 Mainflow 방향 속도성분 속도성분의 변화율 비정상상태 (Unsteady)

  15. 연구 결과 : 수치계산 범위에 따른 팁 누설유동 특성변화 (1/3) • 1/8 Annulus 모델비정상상태 계산 • IGV 1개, 동익 7개 포함 • 설계유량 • 1 Blade 계산 결과와 비교 inlet sta.1 sta.2 exit IGV R (1) (7) monitoring point (rotating) 1 Blade 1/8 Annulus transient

  16. 연구 결과 : 수치계산 범위에 따른 팁 누설유동 특성변화 연구 결과 : 수치계산 범위에 따른 팁 누설유동 특성변화 (2/3) • 압력신호 주파수 분석 • 회전수 증가하면서 팁 누설유동 특성 주파수 변화 inlet sta.1 sta.2 exit IGV R (1) (7) 1 Blade 결과와 동일 monitoring point (rotating) 1 rev. 3 rev. 278Hz: TLF 350Hz: TLF Harmonics Harmonics

  17. 연구 결과 : 수치계산 범위에 따른 팁 누설유동 특성변화 연구 결과 : 수치계산 범위에 따른 팁 누설유동 특성변화 (3/3) • 유동장 계산 결과 • 동익 3회전 후 팁 누설 유동 원주방향 분포 변화 inlet sta.1 sta.2 exit IGV R (1) (7) 1 Blade 결과와 동일 동익열 출구 1 rev. 3 rev. 1/8 annulus 1 rev. 3 rev. 팁 누설 유동 패턴 변화 축방향 속도 분포 동익 출구

  18. 연구 결과 : 작동점에따른 팁 누설유동 특성변화 • 1/8 Annulus 모델 비정상 계산 • 팁 누설유동의 원주방향 Wave 특성 변화 • 유량 감소에 따라 • 파장(λ) 증가 • 주파수(f) 감소 • 유동 패턴 회전속도(V) 감소 * Rotating speed: % of shaft speed Flow direction Tangential velocity Rotor Ut = 41.89m/s Vrel λ Rotating monitoring point

  19. 결 론 • 축류압축기 1단부에 대한 비정상상태(Unsteady) 수치계산을 통해 팁 누설 유동의 비정상 특성(Unsteadiness) 확인 • 정상상태(Steady-state) 계산결과와 팁 주변 유동장 예측 결과가 상이함 • 관측된 압력신호 분석 결과 동익열 회전과 무관한 주파수 검출 • 팁 누설 유동은 Wave 형태의 유동 패턴을 형성하며 특정한 속도로 원주방향 회전이동 • 팁 누설 유동의 압축기 성능 예측에 대한 영향 • 팁 누설 유동에 의한 Blockage를 정량적으로 계산 • 비정상 특성이 단면의 Blockage를 감소시켜 동익열 압력계수 예측 상승 효과 • 유동장 특성 변화 요인 • 수치계산 모델(1 Blade , 1/8 Annulus) 차이에 따라 특성 주파수 변화 • 압축기 작동점 감소에 따른 특성 주파수, 파장, 회전 속도 변화

  20. Thank you

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