Performance Enhancement of Dual-Inlet Centrifugal Blower by Optimal Design of Splitter

<용용논문>

DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2014.38.12.1065 ISSN 1226-4881(Print) 2288-5324(Online)

스플리터 형상최적화에 의한 양흡입 원심블로어 성능개선 ^§

이 종 성 ^* · 장 춘 만 ^*†

* 한국건설기술연구원

Performance Enhancement of Dual-Inlet Centrifugal Blower by Optimal Design of Splitter

Jong Sung Lee ^* and Choon Man Jang ^*†

* Environmental Engineering Research Division, Korea Inst. of Construction Technology (Received May 14, 2014 ; Revised September 2, 2014 ; Accepted September 16, 2014)

1. 서 론

플랜트 시스템의 핵심 요소부품인 산업용 원심 블로어는 선진기업들의 다국적 기업육성으로 기술 경쟁이 심화되고 있는 분야로 화력 및 원자력 발 전소, 제철소, 시멘트, 석유화학, 반도체 및 자동 차산업 등 대형 플랜트 생산 및 공해방지 시스템 에서 주도적인 역할을 한다. 또한 전체 시스템에

서 에너지 소비가 큰 설비로 성능개선 및 고효율 설계기술 개발이 중요하다.

대형 플랜트용 원심블로어의 개발을 위해서는 막대한 제작비를 소요하게 되므로, 최근 수치해석 을 이용한 블로어의 성능고도화 연구

가 활발히 진행되고 있다. 블로어의 설계 및 형상변수를 최 적화하기 위한 최적설계방법이 블로어 고효율화 연구에 많이 적용하고 있다.

Jang 등

은 2 차 다항식을 이용한 반응면 기법 (response surface method)을 이용하여 산업용 단흡 입 원심블로어 임펠러 입출구각, 볼류트 케이싱 입구 형상 및 스플리터 등의 설계변수를 선정하여 고효율 설계를 위한 설계인자 최적화 연구를 수행 Key Words: Dual-inlet Centrifugal Blower(양흡입 원심블로어), Numerical Simulation(수치해석), Design

Optimization(최적 설계), Response Surface Method(반응면 기법), Splitter(스플리터), Efficiency(효율 ) 초록: 본 연구에서는 양흡입 원심블로어의 성능향상을 위하여 임펠러 스플리터의 형상 최적화 연구를 수행하였다. 두 개의 스플리터 형상 설계 변수(스플리터 코드 및 피치)를 선정하여 블로어 성능 및 내부 유동장 특성을 평가하였다. 수치해석에 의한 블로어 성능은 설계유량 조건에서 실험결과와 최대 4 % 이 내로 잘 일치하였다. 스플리터 형상 최적화를 통하여 설계조건에서의 블로어 효율 및 압력은 기준 블로 어 보다 3.65 % 및 1.14 % 각각 향상되었다. 스플리터 최적설계로 임펠러 날개 부압면의 유동박리를 억 제시켜 익간 저속 유동에 의한 압력손실을 줄임으로써 블로어 전체의 성능이 향상되었다. 익간 내부유 동 균일화는 임펠러 출구속도 분포에도 영향을 주어 볼류트케이싱 출구압력도 향상되었다.

Abstract: The shape of an impeller splitter for a dual-inlet centrifugal blower was optimized to enhance the blower performance. Two design variable, the normalized chord and pitch of a splitter, were used to evaluate the blower performance and internal flow fields based on the three-dimensional flow analysis. The blower performance obtained using this numerical simulation had a maximum error of 4 percent compared to that in an experiment at the design flow condition. The shape optimization of the splitter successfully increased the blower efficiency and pressure by 3.65 and 1.14 percent compared to the reference values. The blower performance was increased by reducing the flow separation near the blade suction surface by optimizing the shape of the splitter, which produced a pressure increase at the outlet of the volute casing.

§ 이 논문은 2014년도 대한기계학회 유체공학부문 춘계학술 대회(2014. 5. 15.-16., 부산 해운대 한화콘도) 발표논문임.

† Corresponding Author, [email protected]

Ⓒ 2014 The Korean Society of Mechanical Engineers

Table 1 Design specifications of a test blower

Name Value

Flow coefficient 0.242 Pressure coefficient 0.688 Rotational frequency of an impeller, rpm 1,500 Inlet diameter of an impeller, mm 603 Outlet diameter of an impeller, mm 950 Number of blade, ea 11

Fig. 1 Dual-inlet centrifugal blower

Fig. 2 Configuration of a reference blower 하였다. 각각의 설계변수를 최적화 함으로써, 임펠 러 및 케이싱 내의 유동박리 저감을 통한 압력손 실 저감으로 성능을 향상시켰다.

Yang 등

은 펌프 임펠러에 스플리터 형상을 최 적화하여, 펌프 내부에서 발생하는 맥동현상과 압 력피크값을 저감시켰으며, Gui 등

은 임펠러 주날 개(main blade)의 부압면 측에 스플리터를 설치하 여 전향익 블로어(forward curved blower)의 압력특 성을 향상시켰다. 저자들은 익형 임펠러를 적용한 양흡입 원심블로어의 임펠러 날개수와 코드길이에 대한 최적화 연구

를 기 수행하였다.

1 : test blower, 2 : straightener, 3 : Pitot tube, 4 : duct, 5 : damper

Fig. 3 Layout of experimental apparatus

Fig. 4 Performance curve of a test blower 본 연구에서는 고풍량 및 고정압이 요구되는 산 업용 양흡입 원심블로어를 대상으로 하였으며, 성 능향상을 위하여 스플리터 형상의 최적화연구를 수행하였다. 원심블로어 성능 특성은 실험 및 삼 차원 수치해석을 통해 평가하였으며, 기준모델과 최적화 모델의 내부 유동장 특성도 비교, 분석하 였다.

2. 양흡입 원심블로어

본 연구에서는 Fig. 1 과 같이 두 개의 공기흡입 덕트가 설치된 양흡입 원심블로어를 대상으로 한 다. 양흡입 원심블로어는 단흡입 원심블로어에 비 하여 고풍량 특성을 갖으며, 비속도도 상대적으로 높다. 본 연구에서는 익형에 비해 제조가격이 상 대적으로 적은 균일 두께를 갖는 평판익 임펠러를 대상으로 하였다. 기준 원심블로어의 설계 사양 및 형상은 Table 1 및 Fig. 2 에 각각 나타낸다. 설 계조건에서의 유량 계수( Φ ) 및 압력계수( Ψ ) 는 각각 0.242 및 0.688 이며, 정의식은 다음과 같다.

U

A

φ = Q (1)

Fig. 5 Computational domain

2

U

P 2 ρ

Ψ = ∆ (2)

여기서, Q, A, U

, △ P, ρ 는 유량, 입구 덕트 단면적, 임펠러 출구의 회전방향 속도, 압력상승 및 블로 어 입구 공기밀도를 각각 나타낸다.

원심블로어의 성능평가를 위하여 덕트타입의 블 로어 성능실험장치를 설계, 제작하였다. 블로어 실 험장치는 KS B 6530 에 따라 설계하였으며, 구성도 는 Fig. 3 에 나타낸다. 그림에서와 같이 유량조절 을 위한 댐퍼를 덕트 하류에 설치하고, 덕트 길이 는 12 m 로 덕트직경의 약 10 배로 하여 댐퍼에 의 한 기류영향을 최소화하였다. 토출 덕트의 직경은 1.165 m 이며, 피토관을 이용하여 유속을 측정하였 다. 블로어의 성능곡선은 Fig. 4 에 나타낸다.

3. 수치해석 방법 및 경계조건

3.1 수치계산 방법

원심블로어 성능 및 내부 유동장 특성을 수치해석 으로 분석하였다. 수치해석은 상용코드인 ANSYS- CFX 13

을 사용하였다. 3 차원, 압축성 RANS (Reynolds Averaged Navier-Stocks) 방정식을 유한 체 적법으로 이산화하였으며, Pressure based fully coupled implicit 방법으로 정상 수치해석을 수행하 였다. 난류모델은 전단응력 이송모델(shear stress transport model)

을 사용하였다.

3.2 계산영역 및 경계조건

수치해석을 위한 블로어 입구 덕트의 계산영역 및 격자시스템은 Figs. 5, 6 에 각각 나타낸다. 해석영 역은 충분히 안정된 출구조건을 고려하였으며, 출 구 덕트의 길이를 실험과 동일한 길이로 설정하였 다. 해석격자는 ANSYS 사의 ICEM CFD 를 사용하 여 임펠러와 출구 덕트는 정열격자(structured grid) 로, 입구와 볼류트 케이싱은 비정렬 격자 (unstructured grid)로 각각 생성하여 Hybrid mesh 로 구성하였다. Fig. 7 은 수치해에 미치는 격자 의존 성 테스트 결과를 나타낸다. 그림은 계산 격자수 에 따른 원심블로어의 입출구에서의 압력차를 나 타낸다. 그림에서와 같이 550 만 노드 이상에서는 일정하기에, 본 수치계산에서는 약 550 만 노드의 격자수로 평가하였다.

Table 2 Design space Variables Lower

bound Middle Upper bound NP(Normalized pitch) 0.25 0.5 0.75 NC(Normalized chord) 0.25 0.5 0.75

(a) Casing and outlet duct

(b) Impeller Fig. 6 Computational grid

Fig. 7 Grid dependence test

Fig. 8 Definition of design variables

Fig. 9 Response surface

본 계산 경계조건으로는 덕트 입구에 압력을, 출구에 유량을 각각 적용하였다. 해석은 회전영역 (임펠러부) 및 정지영역(케이싱부)으로 분리, 경계 면에서는 Stage interface 및 Frozen rotor interface 를 각각 적용하였다. 입구 및 출구면을 제외한 벽면 은 점착(no-slip) 조건을 적용하였다.

4. 형상최적화 방법 및 설계 변수

4.1 형상최적화 방법

본 연구에서는 양흡입 원심블로어의 성능향상을 위하여 기준 블로어의 임펠러 날개 사이에 스플리 터(splitter)를 설치하였다. 스플리터 형상 최적화를 위하여 2 개의 설계변수를 선정하고, 각각의 설계 변수들이 목적함수(objective function)에 미치는 영 향을 수리 통계적인 방법으로 분석 할 수 있는 반 응면 기법 (response surface method)

을 도입하여 최적설계를 수행하였다. 반응면은 다음과 같이 2

Table 3 Results of shape optimization Performance Reference

model

Optimum

model Increment Efficiency, %. 61.78 65.43 3.65%

Pressure

coefficient 0.584 0.666 1.14%

Torque, Nm. 419.5 451.6 1.07%

(a) Reference

(b) Optimum Fig. 10 Blade shapes 차 다항식을 적용하였다.

∑ ∑∑

∑

= =

=

+ +

+

=

n

1 j

n

1 j

j i ij 2

j jj n

1 j

j j

0 x x x x

f β β β β (3)

여기서 β, n 그리고 x 는 다항식의 계수, 설계변 수의 개수 그리고 설계변수를 각각 나타낸다. 각 항의 미정계수는 회귀분석(regression analysis)을 통 하여 구하였으며, 미정계수의 타당성은 ANOVA (analysis of variance)와 회귀분석을 이용하여 검증 하였다.

4.2 설계변수

Fig. 8 은 설계변수에 대한 정의를 나타낸다. 설

계 변 수 는 스 플 리터 의 무차 원 코 드 (nor ma li zed

chord : NC)와 무차원 피치(normalized pitch : NP)를

각각 선정하였다. NC 와 NP 에 대하여 각각 3 수준

의 인자를 등간격으로 설정하였다. 반응면 기법으

로 최 적 설 계 인 자 를 구 하 기 위 한 경 계 범 위 는

Fig. 11 Comparisons of a performance curve

(a) NC (NP=0.5)

(b) NP (NC=0.5)

Fig. 12 Comparison of blower performance for design variables

예비계산을 통하여 결정하였으며, 각각의 설계값 은 Table 2 에 나타낸다.

(a) (b) Fig. 13 Observation planes

5. 결과 및 고찰

5.1 수치해석 타당성 검토

수치해석의 타당성을 검토하기 위하여, 성능 실 험을 통해 측정된 결과를 수치해석 값과 비교하여 Fig. 4 에 나타낸다. 그림에서 실선과 점선은 수치 해석결과를, 원과 마름모는 성능 실험결과를 각각 나타낸다. 그림에서와 같이 최대 4 % 이내의 편차 범위 내에서 잘 일치함을 알 수 있다. 본 원심블 로어 설계 최적화 연구는 설계유량 조건에서만 실 시하였다. 한편 성능평가를 위한 수치 해에는 임 펠러와 볼류트 케이싱 경계면에 Stage interface 를 적용하여 평가하였다.

5.2 설계변수의 최적화

Fig. 9 는 목적함수인 효율에 대한 3 차원 반응면 을 나타낸다. 그림에서 가로 및 세로축은 설계 변 수인 NC 및 NP 를, 높이 방향으로는 목적함수인 효율을 각각 나타낸다. 그림에서 알 수 있듯이 설 계 최적값이 설계 공간의 범위 내에 존재하며,임펠 러 NC 및 NP 의 최적값은 각각 0.46 및 0.5 이다.

Table 3 과 같이 기준 원심블로어 대비 효율은 약 3.65 %, 압력은 약 1.14 % 각각 향상되었다. 기준 및 최적화된 임펠러 형상을 Fig. 10 에 나타낸다.

Fig. 11 은 Fig. 9 의 반응면에서 최적점을 갖는 스플리터 형상을 적용한 블로어의 성능 곡선을 나 타낸다. 그림에서와 같이 효율과 압력값이 전유량 범위에서 최적설계를 통해 개선되었음을 알 수 있 다.

Fig. 12 는 설계 인자에 따른 원심블로어 성능특

성을 나타낸다. Fig. 12(a)는 NC 의 효과를 분석하

기 위하여 NP 를 0.5 로 고정하고, 3 가지의 NP 에

대한 성능 특성을 비교하여 나타낸다. 그림에서와

같이 압력, 토크 및 효율은 NC 가 증가 할수록 함

께 증가하다가, 0.5 이상에서부터는 감소함을 알

수 있다. 즉, 스플리터의 코드가 메인 블레이드의

중간일 때 최적의 효율과 압력값을 갖는 것을 알

수 있다.

Fig. 12(b)는 NP 의 영향을 분석하기 위하여 NC 를 0.5 로 고정하고, NP 에 대한 성능특성을 비교한 결과이다. 그림에서와 같이 NP 가 증가 할수록 토 크값은 선형으로 감소하는 경향을 갖는다. 그러나 압력 및 효율은 NP 가 증가할수록 일정량 증가하 는 경향을 보이다가 0.5 영역에서 최대값을 가지며, 이후는 감소한다. 즉, NC 와 NP 의 중간 영역에서 최고 효율을 가짐을 알 수 있다.

5.3 내부유동장 특성 분석

원심블로어 내부유동장 특성을 Fig. 13(a)에서와 같이 임펠러 출구의 10, 50 및 90 % 관측면에서 분석하였다.

Fig. 14 는 3 곳의 관측면에서 기준 및 최적설계 원심블로어의 속도분포를 각각 나타낸다.

기준 원심블로어의 경우, 슈라우드 근방인 10 % 관측면에서는 익간에서 저속영역이 크게 나타난다.

이러한 익간 저속영역은 익간에서의 역압력 구배 에 의한 박리유동에 기인한다.

임펠러 중간 높이 인 50 % 관측면에서는 임펠러 부압면의 전연에서 후연방향으로 유속이 증가하다가 후연 근방에서 역압력 구배가 발생하여 박리(separation)된다. 박리

점 이후의 하류영역에서는 박리로 인한 저속유동 이 발생된다. 그러나 허브 근방인 90 % 관측면에 서는 상대적으로 익간유동의 박리 없이 균일한 흐 름 분포를 나타낸다. 즉, 슈라우드측에서 허브 측 으로 갈수록 유동의 변화와 함께 익간유동의 박리 변화도 큼을 알 수 있다.

최적 원심블로어의 경우, 슈라우드측에서 허브 방향으로의 유동장 특성은 기준 블로어와 유사하 지만, 기준 블로어에 비하여 유동의 변화가 상대 적으로 적음을 알 수 있다. 이에 따라 임펠러 출 구에서 방출되는 유속이 균일하여 볼류트 내부의 유속도 상대적으로 균일한 특성을 갖는다.

즉 최적 형상의 스플리터 적용으로 임펠러 익간 의 유속이 상대적으로 균일하여 익간 압력증가와 볼류트 케이싱의 안정적인 유동장 형성이 블로어 의 효율 향상에 기여하였다고 사료된다.

Fig. 15 는 Fig. 13 의 50 % 관측면에서의 유선을 나타낸다. Fig. 15(a)의 기준 원심블로어의 경우 상 대적으로 높은 임펠러 출구유속으로 인해 날개 후 연에서 와류(Fig. 15 “A”)가 발생됨을 알 수 있다.

그러나 Fig. 15(b)의 최적 설계 모델의 경우 상대적 으로 안정적인 흐름을 보임을 알 수 있다.

Fig. 16 은 기준 및 최적설계 원심블로어 볼류트

Fig. 14 Comparisons of velocity contours

(a) Reference

(b) Optimum

Fig. 15 Limiting streamlines at 50 % plane of an impeller Height

케이싱의 벽면을 따른 압력을 나타낸다. 압력 측 정위치는 Fig. 13(b)와 같다. 그림에서와 같이 전체 적으로 컷오프(cut-off)지점에서 압력이 급격히 감 소하였다가, 볼류트 케이싱을 따라 압력이 회복됨 을 알 수 있다. 최적 블로어는 컷오프 지점 이후 에 압력 회복값이 기준 블로어 보다 상대적으로 작지만 출구(B) 지점에서의 압력은 상대적으로 높 음을 알 수 있다. 이는 임펠러 출구유동의 안정화 로 압력 손실이 상대적으로 줄었기 때문이다.

이상에서와 같이 양흡입 원심블로어의 스플리터 형상 최적화를 통하여 익간 유동의 개선을 확인할 수 있었으며, 원심블로어 효율 및 압력이 향상됨 을 알 수 있었다.

(a) 10 % plane

(b) 50 % plane

(c) 90 % plane

Fig. 16 Wall pressure distributions

3. 결 론

본 연구에서는 산업용 양흡입 원심블로어의 성 능향상을 위하여 스플리터를 적용하였으며, 스플 리터의 형상인자인 코드와 피치를 설계 변수로 선 정하여, 삼차원 수치해석 및 최적설계를 각각 수 행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

(1) 양흡입 원심블로어 임펠러 스플리터를 최적 설계하여, 기준 블로어 대비 효율 및 압력은 각각 3.65 %, 1.14 % 향상되었다.

(2) 설계유량 조건에서 실시한 임펠러 스플리터 의 설계최적화를 통하여 실험유량범위 전체영역에 서 효율 및 압력이 상승하였음을 알 수 있었다.

(3) 기준 원심블로어는 임펠러 슈라우드에서 허 브 방향으로 익간 유동박리의 변화가 크게 나타났 지만, 최적설계 블로어에서는 상대적으로 익간 유 동의 변화가 적음을 알 수 있었다.

(4) 즉 스플리터 최적설계로 임펠러 날개 부압 면의 유동박리를 억제시켜 익간 저속유동에 의한 압력 손실을 줄여 블로어 전체의 성능이 향상됨을 알 수 있었다.

(5) 익간 유동 박리저감에 의한 임펠러 출구속 도균일화는 볼류트 케이싱에서의 출구압력 향상에 기여함을 알 수 있었다.

후 기

본 연구는 2014 년도 한국건설기술연구원의 주 요사업 지원으로 수행되었습니다.

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