Transcript 발표자료 - 유동과 설계 실험실

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
목차
 서론
 연구 방법
 연구 결과
– 팁 누설유동 특성
– 팁 누설유동에 따른 성능 예측 변화
– 수치계산 범위에 따른 팁 누설유동 특성 변화
– 작동점에 따른 팁 누설유동 특성 변화
 결론
1
Turbo System and Control Laboratory, Seoul National University
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)을 실험적으로 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]
Structure of instantaneous flow field [2]
2
Entropy contours near the tip [4]
Turbo System and Control Laboratory, Seoul National University
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.
3
Turbo System and Control Laboratory, Seoul National University
연구 방법 (1/3)
 축류 압축기 모델
– 서울대학교 4단 저속 연구용 축류 압축기 (Low Speed Research Compressor)
– 제원
구분
제원
Casing Diameter
1.0 m
Hub to Tip Ratio
0.85
Rotating Speed
800 rpm
Airfoil Chord
6㎝
Tip Clearance
2.8 %
Blade
Number
IGV
53
Rotor
54
Stator
74
4단 축류 압축기 제원
4단 축류 압축기 실험 장치
4
Turbo System and Control Laboratory, Seoul National University
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-ε 모델
– 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 모델 적용 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
5
Turbo System and Control Laboratory, Seoul National University
연구 방법 (3/3)
 경계조건 및 인터페이스 구성
inlet
– 동익 날개 1개 포함시
sta.1
sta.2
exit
Rotor
IGV
IGV
R
monitoring point (rotating)
monitoring point (fixed)
Mixing-Plane
- Pitch 길이가 다른 IGV와 Rotor 인터페이스
- IGV에 의한 원주방향 분포를 배제
정상상태 : Frozen-Rotor
비정상상태 : Sliding
Pitch 길이 동일
 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)
6
Turbo System and Control Laboratory, Seoul National University
연구 결과 : 팁 누설유동 특성 (1/5)
 유동장 계산 결과
inlet
– 설계 유량, 팁 주변 (90% span)
L.E.
sta.1
sta.2
exit
90% span
Rotor
L.E.
IGV
R
(1)
(1)
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)
7
Turbo System and Control Laboratory, Seoul National University
연구 결과 : 팁 누설유동 특성 (2/5)
 유동장 계산 결과
inlet
sta.1
sta.2
exit
– 설계 유량, 동익열 출구
IGV
(1)
R
(1)
동익열 출구
 팁 누설유동 예측 차이
 비정상상태 계산결과 주
유동 구간에서 더 균일한
(uniform) 유동 패턴
 시간에 따라 패턴 변화
축방향 속도 분포
정상상태 (Steady-state)
축방향 속도 분포
비정상상태 (Unsteady)
8
Turbo System and Control Laboratory, Seoul National University
연구 결과 : 팁 누설유동 특성 (3/5)
 압력신호 분석
inlet
– 설계유량
– 동익열 1.5회전 간 신호변화 관측
– 회전 관측점 (rotating), 고정 관측점 (fixed)
sta.1
sta.2
IGV
R
(1)
(1)
exit
monitoring point (rotating)
monitoring point (fixed)
Monitoring point (fixed)
101410
101400
101400
101390
101390
101380
101380
p [Pa]
p [Pa]
Monitoring point (rotating)
101410
101370
101370
101360
101360
101350
101350
101340
0
0.5
1
101340
1.5
Revolution
0
0.5
1
1.5
Revolution
9
Turbo System and Control Laboratory, Seoul National University
연구 결과 : 팁 누설유동 특성 (4/5)
 압력신호 분석
inlet
sta.1
sta.2
exit
– 주파수 분석 : Fourier Transformation
IGV
R
(1)
(1)
 TLF: Tip Leakage Frequency (팁 누설 유동의 특성 주파수)
 BPF: Blade Passing Frequency (날개 열 회전에 의한 주파수)
monitoring point (rotating)
monitoring point (fixed)
Monitoring point (rotating)
Monitoring point (fixed)
1
1
101410
101400
101400
101390
350Hz: TLF
0.8
101380
101370
Amplitude
101360
0.6
101390
p [Pa]
p [Pa]
0.8
Amplitude
101410
101350
101340
0
0.5
1
1.5
Revolution
0.4
101380
101370
101360
0.6
101350
101340
0
0.5
1
1.5
Revolution
0.4
Harmonics
0.2
0
394Hz: TLF
0.2
0
1000
2000
3000
Frequency [Hz]
0
747Hz: BPF
0
1000
2000
3000
Frequency [Hz]
10
Turbo System and Control Laboratory, Seoul National University
연구 결과 : 팁 누설유동 특성 (5/5)
 좌표계에 따른 주파수 차이
inlet
– 파장(λ), 회전속도(V), 주파수(f) 사이의 관계
– 팁 누설 유동은 Wave 형태의 유동 패턴을 형성하며
특정한 속도로 원주방향 회전이동
Flow direction
Tangential
velocity
Rotor
sta.1
sta.2
IGV
R
(1)
(1)
exit
monitoring point (rotating)
monitoring point (fixed)
Ut = 41.89 m/s
Vrel
Tip leakage flow pattern (relative)
λ
frel = 350Hz @ monitoring point
Rotating monitoring point
λ = 0.0561 m (wave length)
 Vrel = λfrel = 19.63 m/s
Vabs
Ut
Tip leakage flow pattern (fixed)
λ
Fixed monitoring point
Vrel
Vabs
λ=0.0561 m (wave length)
Vabs= Ut-Vrel = 22.26 m/s
 fabs= Vabs /λ = 397Hz
Vrel: Relative Phase Velocity
Doppler Shift
Vabs: Absolute Phase Velocity
11
Turbo System and Control Laboratory, Seoul National University
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
(  m )r ,
eC x / c
Ab   (1 
 m
)dA
 eVe
Cut-off function
Blocked area
Blockage schematic [5]
Blockage versus massflow [5]
Example of blockage region definition using velocity gradient [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.
12
Turbo System and Control Laboratory, Seoul National University
연구 결과 : 팁 누설유동에 따른 성능 예측 변화 (2/2)
 Blockage 계산
Blocked Area
Mainflow 방향
속도성분
V4 mainflow [m/s]
velocity
V3
gradient
속도성분의
변화율
38
34
30
26
22
18
14
10
6
2
28
26
24
22
20
18
16
14
12
정상상태
(Steady)
Mainflow 방향
속도성분
velocity
mainflow [m/s]
속도성분의
변화율
V3
28
26
24
22
20
18
16
14
12
비정상상태
(Unsteady)
Cut-off value: 1
38
34
30
26
22
18
14
10
6
2
구분
Φ (유량계수)
Ψ (압력계수)
Tip Region Blockage
정상상태
(Steady)
0.4079
0.2464
4.93 %
비정상상태
(Unsteady)
0.4090
0.2618
4.06 %
13
비고
- 18 % blockage 감소
- 6.3 % 압력계수 증가
Turbo System and Control Laboratory, Seoul National University
연구 결과 : 수치계산 범위에 따른 팁 누설유동 특성 변화 (1/3)
 1/8 Annulus 모델 비정상상태 계산
inlet
– IGV 1개, 동익 7개 포함
– 설계유량
– 1 Blade 계산 결과와 비교
sta.1
sta.2
IGV
R
(1)
(7)
exit
monitoring point (rotating)
1/8 Annulus
101420
101420
101410
101410
101400
101400
101390
101390
p [Pa]
p [Pa]
1 Blade
101380
101380
101370
101370
101360
101360
101350
101350
transient
101340
0
1
2
101340
3
Revolution
0
1
2
3
Revolution
14
Turbo System and Control Laboratory, Seoul National University
연구 결과 : 수치계산 범위에 따른 팁 누설유동 특성 변화 (2/3)
 압력신호 주파수 분석
inlet
sta.1
sta.2
exit
– 회전 수 증가하면서 팁 누설유동 특성 주파수 변화
1 Blade 결과와 동일
(1)
(7)
3 rev.
1
101420
101420
101410
101410
101400
101400
0.8
350Hz: TLF
p [Pa]
101390
278Hz: TLF
101380
101370
Amplitude
101360
101350
101340
0
1
2
3
Revolution
0
1000
0.6
101360
101350
101340
0.4
0
1
2
3
Revolution
Harmonics
Harmonics
0.2
101380
101370
0.6
0.4
101390
p [Pa]
0.8
Amplitude
R
monitoring point (rotating)
1 rev.
1
0
IGV
0.2
2000
0
3000
Frequency [Hz]
0
1000
2000
3000
Frequency [Hz]
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Turbo System and Control Laboratory, Seoul National University
연구 결과 : 수치계산 범위에 따른 팁 누설유동 특성 변화 (3/3)
 유동장 계산 결과
inlet
sta.1
sta.2
exit
– 동익 3회전 후 팁 누설 유동 원주방향 분포 변화
1 Blade 결과와 동일
IGV
R
(1)
(7)
동익열 출구
1 rev.
1/8 annulus
101420
3 rev.
1 rev.
101410
101400
3 rev.
팁 누설 유동 패턴 변화
p [Pa]
101390
101380
101370
101360
101350
101340
0
1
2
3
Revolution
축방향 속도 분포
동익 출구
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Turbo System and Control Laboratory, Seoul National University
연구 결과 : 작동점에 따른 팁 누설유동 특성 변화
 1/8 Annulus 모델 비정상 계산
– 팁 누설유동의 원주방향 Wave 특성 변화
작동점
(설계유량 대비)
λ
100%
(설계유량)
0.078 m
frel
Vrel (=λfrel)
Rotating
Speed *
278 Hz
21.68 m/s
52 %
 유량 감소에 따라
• 파장(λ) 증가
• 주파수(f) 감소
• 유동 패턴 회전속도(V) 감소
80%
0.098 m
131 Hz
12.84 m/s
31 %
72%
0.131 m
88 Hz
11.23 m/s
27 %
* Rotating speed: % of shaft speed
Flow direction
Tangential
velocity
Rotor
Ut = 41.89m/s
Vrel
λ
Rotating monitoring point
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Turbo System and Control Laboratory, Seoul National University
결론
 축류압축기 1단부에 대한 비정상상태(Unsteady) 수치계산을 통해 팁 누설 유동의 비정
상 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
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Turbo System and Control Laboratory, Seoul National University
Thank you
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Turbo System and Control Laboratory, Seoul National University