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2009. 5. 22

대한기계학회 2009 년도 유체공학부문 춘계학술대회. 정상 및 비정상 수치계산을 통한 축류압축기의 성능 및 유동해석 비교. Steady and Unsteady Calculations for Flow and Performance of Axial Compressor. 황 유 준 • 강 신 형. 2009. 5. 22. 서울대학교 유동과 설계 실험실. 서 론. 연구동향 15 단 축류압축기 전체 단 정상상태 수치해석 및 Full-annulus 비정상 상태 수치해석 (Belamri 등 , 2005).

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  1. 대한기계학회 2009년도 유체공학부문 춘계학술대회 정상 및 비정상 수치계산을 통한 축류압축기의 성능 및 유동해석 비교 Steady and Unsteady Calculations for Flow and Performance of Axial Compressor 황유 준 • 강 신 형 2009. 5. 22 서울대학교 유동과설계 실험실

  2. 서 론 • 연구동향 • 15단 축류압축기 전체 단 정상상태 수치해석 및 Full-annulus • 비정상 상태 수치해석 (Belamri 등, 2005) • 비정상상태 수치해석과 정상상태 인터페이스 • 기법에 따른 계산 결과 비교 (Thakur 등, 2003) • Reference • Belamri, T., Galpin, P., Braune, A. and Cornelius, C., 2005, “CFD Analysis of a 15 stage Axial Compressor Part I : Methods,” ASME Turbo Expo, GT2005-68261 • Thakur, S. and Wright J., 2003, “CFD Predictions of Turbomachinery Flow Using Quasi-Steady and Unsteady Models,” AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit, AIAA 2003-4133

  3. 서 론 (계속) • 연구동향 (계속) • 상류 정익열의 교란이 하류 동익열에 미치는 영향 • (Valkov 등, 1999) • 경계층에서 후류의 전파가 압축기 성능에 미치는 영향 • (Wheeler 등, 2007) • 연구목적 • 축류압축기에 대한 정상 및 비정상상태 수치해석을 통한 • 성능 예측 결과 및 내부 유동장 비교 • Reference • Valkov, T. V., 1999, “Effect of Upstream Rotor Vortical Disturbances on the Time-Averaged Performance of Axial Compressor Stators: Part2—Rotor Tip Vortex/Streamwise Vortex-stator Blade Interactions,” ASME J Turbomachinery, 121, pp.387-397 • Wheeler, A. S., Miller, R. J. and Hodson, H. P., 2007, “The Effect of Wake Induced Structures on Compressor Boundary-Layers,” ASME J. Turbomachnery, 129, pp. 705-712

  4. 수치해석 모델 • 서울대학교 저속 연구용 축류 압축기 (SNULSRC) • GE LSRC 의 2/3 축소 모델 • 제원

  5. 수치해석 모델 (계속) • 비정상상태 수치해석 시 • 7개 동익날개 + 9개 정익 날개 ( 1/8 annulus ) Sliding (frozen-rotor for steady calculation) Modified Number of Blades - Rotor : 54  56 - Stator : 74  72 Mixing-plane Monitoring point IGV - Sliding interface - Computational domain pitch ratio1:1 Rotor Stator

  6. 수치해석 방법 및 조건 • 계산프로그램 • 격자구성 : TurboGrid 11.0 • Solver : ANSYS CFX 11.0 • 경계조건 • 입구 : 전압력(Total Pressure) 및 전온도(Total Temperature) • 출구 : 질량유량(Mass Flow Rate) • 인터페이스(Interface) • 정상상태 : 프로즌로터(Frozen-Rotor) 또는 믹싱플레인(Mixing-Plane) • 비정상상태 : 슬라이딩(Sliding) ※ IGV와 동익열 간 인터페이스 : 믹싱플레인유지(IGV 1개 포함) • 비정상상태 계산 • 계산 시간 간격(time-step) : 동익 피치(Pitch) 회전시간의 1/10 • 계산 결과 도출 : 동익열 2회전 후 • 전산자원 : CPU Intel-Xeon 2.5GHz 16대+ RAM 16GB • -프로즌로터 • · 전후 계산영역의 상대위치를 고정 • 믹싱플레인 • · 원주방향으로 계산결과를 평균

  7. 난류 모델 및 격자 검증 • 난류모델 : k-ε모델 (벽함수 사용) • 격자검증 • 동일모델에 대해 날개1개 포함한 유로 당 80,000개 격자로 수치해석 수행 (강영석, 2007) • 계산시간 및 전산자원 감소 위해 1/2 격자수 사용 Axial velocity pitchwise distribution @ midspan SS PS Rotor Stator

  8. 정상상태 수치해석 결과 • GE LSRC 및 SNU LSRC 성능곡선 • 각 날개열당 날개 1개를 포함한 유로 사용 (날개수 변화 없음) SNU LSRC : 2/3 scaled GE LSRC A : 7.0 % - Steady-state Assuming Calculation B : 7.3 % - Tip Clearance Difference GE : 1.36 % SNU : 2.8 % C : 19 % - Hub/Shroud Seal Leakage - Non-uniform Stagger Angle D : Incidence / Deviation Angle Difference A B D C • GE CFD : Steady Simulation (mixing-plane) for 1 stage with B.C of 2nd stage exit for inlet (이항기, 2006) • GE EXP : 3rd stage, GE Report (D.C.Wisler, 1977) • SNU CFD : Steady Simulation (mixing-plane), 3rd stage (황유준, 2009) • SNU EXP : 3rd stage (한정엽, 2006)

  9. 비정상상태 수치해석 결과 • 정압력 상승(축방향 각 단면 평균) IGV Rotor Stator sta.1 sta.2 sta.3 IGV S R

  10. 비정상상태 수치해석 결과 (계속) • 엔트로피(Entropy) 분포 컨투어 • 자오면 Tip leakage vortex Rotor tip vortex Casing B.L. Hub B.L. Rotor wake Stator wake Rotor Stator

  11. 비정상상태 수치해석 결과 (계속) • 엔트로피 분포 • 동일스팬(Span) 면 50% span 70% span 90% span

  12. 비정상상태 수치해석 결과 (계속) • 정상상태 수치해석 결과 엔트로피 분포와비교 • 50 % 스팬면 Steady / frozen-rotor Steady / mixing-plane

  13. 비정상상태 수치해석 결과 (계속) • 엔트로피 분포 시간변화 • 50 % 스팬면 τ = 1 rotor blade pitch period rotor stator A2’ A1’ A0’ A2 B0 A1 A0 t = t0 t = t0 + 1/5 τ t = t0 + 2/5 τ Wake on SS is faster than PS Accumulates on PS A4’ A5’ A3’ A3 A4 A5 A5 = B0 t = t0 + 4/5 τ t = t0 + τ t = t0 + 3/5 τ

  14. 네거티브 제트 효과 (Negative Jet Effect) • Reference • Meyer, R. X., 1958, “The Effect of Wakes on the Transient Pressure and Velocity Distributions in Turbomachines,” Trans. ASME, 80, pp.1544-1552 • Mailach, R., et al., 2008, “Periodic Unsteady Flow Within a Rotor Row of an Axial Compressor - Part I : Flow Field at Midspan,” ASME J. Turbomachinery, 130, 041004 Negative jet propagation on SS is faster than on PS

  15. 네거티브 제트 효과 (계속) • Reference • Sirakov, B. T. and Tan, C. S., 2003, “Effect of Unsteady Stator Wake — Rotor Double-Leakage Tip Clearance Flow Interaction on Time-Average Compressor Performance,” ASME J. Turbomachinery, 125, pp. 465-474 Velocity Triangle wake flow stator vw main flow c v rotor α c β U cw w U wj Total pressure of wake flow is higher than that of main flow in stator row frame. w

  16. 네거티브 제트 효과 (계속) • Reference • Sirakov, B. T. and Tan, C. S., 2003, “Effect of Unsteady Stator Wake — Rotor Double-Leakage Tip Clearance Flow Interaction on Time-Average Compressor Performance,” ASME J. Turbomachinery, 125, pp. 465-474 Double-Leakage of Tip Flow High energy Low energy Stagnation point due to wake jet Suppress Double-Leakage

  17. 결 론 • 연구 내용 • 저속 연구용 축류압축기 정상 및 비정상상태 수치해석  성능 및 유동장 비교 • 정상상태 수치해석 : 비정상 유동특성을 인터페이스 기법을 통해 정상상태로 가정 • 비정상상태 수치해석 : 효율적인 격자수 사용을 위해 격자수 감소 및 1/8 모델 도입 • 연구 결과 • 비정상상태 수치해석 결과 압력상승 증가(성능 예측 향상) • 네거티브 제트 효과로 설명 • 정상상태 수치해석 시 인터페이스 가정에 의한 영향 • 축류압축기에 대한 정상상태 수치해석 결과는 실제 성능에 비해 다소 낮게 예측 • 향후 연구 방향 • Full-annulus에 대한비정상상태 수치해석으로 축류압축기 성능 및 유동장 예측 • 팁 간극 누설 유동 특성 분석 • 저유량 운전점 계산에 따른 회전스톨(rotating stall) 및 작동영역 경계(margin) 비교 ※ 지원 : 두산중공업(주) 주관 “5MW급 고효율 발전용 소형 가스터빈엔진 개발 연구”

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