◎ 논 문
ISSN (Print): 1226-9883
2차원 원심 압축기의 깃 없는 디퓨저에서의 불안정 유동
강경준
*
ㆍ신유환**
ㆍ김광호**
ㆍ이윤표**
Unstable Flow in a Vaneless Diffuser of 2-Dimensional Centrifugal Compressor
Kyung Jun Kang * , You Hwan Shin ** , Kwang Ho Kim ** , Yoon Pyo Lee **
Key Words : 2D impeller(2
치원 임펠러), Centrifugal compressor(
원심 압축기), Rotating stall(
선회실속), PIV(
입자영상유속계)
ABSTRACT
This study investigated on details of flow characteristics in a vaneless diffuser of a compressor with 2-dimensional impeller at various flow rates. Experiment for a low speed compressor model in a water reservoir was performed to analyze the flow field in the vaneless diffuser and volute casing, which was done by PIV measurement. It was also focused on the periodic flow patterns occurring at low flow rate near unstable operating region of the compressor. At low flow rate condition, the flow visualization clearly shows that the flow energy from impeller is highly accumulated at the compressor exit by the blockage effect of a flow damper and consequently the reverse flow occurs in the diffuser.
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1. 서 론
2차원 원심 압축기는 3차원 압축기에 비해 형상이 단순하 고 마이크로 크기로도 제작이 가능한 반면 에너지 밀도가 높 아 휴대용 발전기에 적합하다. 유동상의 특징을 보면, 3차원 압축기에서 축 방향으로 유입되는 유동은 자오면을 따라가 면서 에너지를 전달하여 반경 방향으로 토출하는 반면, 2차 원 압축기는 블레이드의 허브 쪽과 슈라우드 쪽에 비틀림이 없고, 블레이드의 스팬이 일정한 형상상의 특징으로 인해, 축 방향으로 유입된 유동이 갑자기 반경방향으로 전환하는 것이 가장 큰 특징이고, 이러한 특징으로 인해 손실이 3차원 에 비해 커진다.
소형 압축기 시스템은 Epstein(1)이 단위질량당 동력이 일 정하다고 가정할 때, 크기를 작게 할수록 무게대비 동력이 향상된다는 점에 착안하여 처음으로 마이크로 가스터빈 중 압축기 부분에 도입되었다. Jacobson(2)은 마이크로 가스터 빈과 Large scale에서의 공력학적 특성 차이를 연구하였다.
또한, Gregory(3)는 실험이 곤란한 마이크로 압축기를 75배
* 한국원자력연구원
** 한국과학기술연구원
† 교신저자, E-mail : [email protected]
확대하여 성능시험을 수행하였다. KIST(4)에서는 2차원 임펠 러를 갖는 마이크로 압축기를 제작하였고, 각 설계 인자의 변화에 따른 성능실험 및 CFD를 이용하여 내부 유동해석을 수행한바 있다.
3차원 압축기에서는 저유량에서 디퓨저 내에 비정상적인 압력 요동을 나타내는 선회 실속(Rotating stall)이 관찰되 어 지고 그 유동 특성에 대해서도 많은 연구가 진행되었다.
Jansen(5)은 3차원 압축기에서의 선회 실속에 대해 이론적, 실험적으로 연구하였다. 그에 따르면, 깃 없는 디퓨저에서 선회 실속은 저유량 영역에서 국지적인 반경방향 속도 성분 의 역전에 의해 발생한다고 하였다.
Abdelhamid(6)와 Fukushima(7)는 선회 실속이 발생하는 저유량 영역에서의 비정상 유동특성에 대하여 관찰하였다.
그들에 따르면 안정영역에서 선회 실속이 발생하는 불안정 영역으로 들어갈 때 임펠러 출구에서의 디퓨저로 나가는 임 계각(Critical angle)이 존재하며 임계각보다 작으면 디퓨저 내부에 비정상적인 요동류가 발생한다고 하였다.
Figure 1은 깃 없는 디퓨저에서의 선회 실속을 가시화한 유선을 보여주고 있다. 그림에서 알 수 있듯이 분리선 (Dividing streamline)을 기준으로 임펠러 쪽으로 유입되는 유동과 디퓨저로 빠져나가는 유동을 관찰할 수 있다. 이러한 유동은 임펠러 회전방향으로 회전속도의 5%에서 22% 사이
Fig. 1 Flow pattern at vaneless diffuser under rotating stall by osborne and Japikse
(5)로 회전하게 되며, 비정상적이고 주기성을 갖는 요동류가 나 타나게 된다.
본 연구에서는 2차원 임펠러를 갖는 원심 압축기에서의 운전점에 따른 유동장을 PIV를 이용하여 관찰하였다. 안정 영역에서는 시간 평균 유동장을 통해 속도삼각형 분석을 하 였고, 불안정영역에서는 위상 평균 유동장을 통해 2차원 원
심 압축기에서 발생하는 선회 실속의 특징을 관찰하고 이해 하는 데 그 의의를 갖는다.
2. 실험장치 및 방법
본 연구에서는 유동 가시화를 위해 PIV (Particle imaginary velocimetry)를 이용하여 디퓨저 내부의 유동을 분석하였다.
Figure 2는 실험에 사용된 원심 압축기의 전체적인 개략도 로서 PIV측정을 위해 설치된 레이저(Argon laser, 5W)와 카 메라(CCD, 1280×1024 pixels)의 위치를 보여주고 있다. 유 동장 관찰면은
x-y
평면으로 임펠러와 압축기 출구를 포함 하는 면에 레이저빔이 조사되어진다. 카메라는 레이저빔과 수 직이 되는 위치에 고정되어 관찰면 전체를 볼 수 있게 하였다.Figure 2(b)는 압축기에 설치된 2D 임펠러를 나타낸다.
압축기 및 임펠러의 상세한 설계인자 크기는 Table 1에서 보여주고 있다. 본 실험에서는 작동유체로 물을 선택하였고, 물탱크 안에 압축기를 삽입하여 실험하였다. Fig. 3은 실험 에 사용된 물탱크와 압축기를 보여주고 있다. 물탱크는 압축 기의 출구유동이 시스템에 영향을 미치지 않도록 고안되었 으며, 압축기 전체를 투명 아크릴로 제작하여 레이저빔의 투
Fig. 4 Performance characteristics
Designation Size
(mm) 90
(mm) 240
(mm) 542
(mm) 742
38°
46°
(mm) 17.8
(mm) 30.9
(mm) 19.4
(mm) 90
Table 1 Specification of test compressor
Fig. 3 Water reservoir
과 및 촬영이 가능하도록 하였다. 레이저빔은 압축기의 디퓨 저 내부에 조사되어 임펠러 출구에서 나온 유동이 디퓨저를 통해 빠져 나오는 것을 확인할 수 있었다. 압축기 입구부에 노즐을 설치하여 110μm 크기의 PVC입자를 임펠러가 회전하 면서 흡입되게 하였다. PIV에서 측정한 유동장 분석은 Dantec dynamics autocorrelation 소프트웨어를 사용하였 으며, 64×64 픽셀의 윈도우 사이즈로 50% overlap을 하여 계산하였다. 안정영역에서의 시간평균 유동장은 60초 동안 300쌍의 이미지를 처리하였다.
임펠러의 회전수는 기어가 있는 DC모터를 사용하여 조절 하였다. 압축기 출구부에서는 쐐기형 댐퍼를 설치하여 압축 기 출구에서의 유량을 조절하였고, Kiel-probe를 출구 하류 에 설치하여 Manometer를 통해 압축기의 출구 압력을 측정 하였다. 또한, 압축기 출구로 빠져나가는 유속은 PIV로 측정 한 유동장으로부터 계산되었다.
Figure 4는 원심압축기의 유량 변화에 따른 압축기 출구 에서의 압력분포를 나타내는 것이다. 출구에서의 유량계수
는 방정식(1)에서와 같이 정의되어진다.
(1)
여기서,는 압축기 출구에서 측정한 평균유속을 나 타내고 는 임펠러 출구에서의 접선속도를 나타낸다.
안정영역에서 디퓨저내 유동장을 관찰하기 위한 운전점은 유량계수가 0.25∽0.82까지 6개점을 선정하였고, 불안정영 역에서의 운전점은 비정상유동이 관찰되기 시작하는 = 0.22 이후에서 한 점을 선정하였다. 본 연구에서는 임펠러 회전수를 120, 180, 240, 300RPM에서 각각 실험하였으나 유동장 확인을 위해 정격 회전수인 240RPM을 선정하여 관 찰하였다.
3. 실험결과 및 토의
3.1 디퓨저내의 시간 평균 유동장
선회실속이 발생되는 불안정 영역에서의 유동장을 관찰하 기에 앞서 실험의 검증측면에서 안정영역에서의 유동장을 확인하였다. Figure 5는 회전 속도 240 RPM일 때 Fig. 4에 서와 같이 각 유량점에서 디퓨저내의 시간평균 속도장 변화 를 보여준다. 60초 동안에 Fig. 2에서와 같은 관찰면에서 측 정된 속도장과 유선을 나타내고 있다. 그림에서와 같이 임펠 러 출구를 빠져나가는 유선은 디퓨저 내에서 임펠러의 회전 방향으로 나선 형태로 돌아나가게 되는데, 유량이 클수록 유 량이 적을 때에 비해 디퓨저 내를 짧은 경로로 빠져나가는 것을 볼 수 있다.
Fig. 6 (a) Radial (b) Tangential velocity component in vaneless diffuser
Fig. 7 Elementary view of velocity triangles in vaneless diffuser
Figure 6은 Fig. 5에서와 같은 시간평균 속도장에서 디퓨 저내
을 따라 측정한 속도값을 반경 및 접선 방향 속도성분으로 분리한 것이다. 그래프에서 나타나는 것과 같 이 유량이 크면 클수록 반경방향 속도가 증가하는 것을 알 수 있고, 접선방향 속도는 줄어드는 것을 알 수 있다. 이러 한, 나선형 유선의 경로와 반경 및 접선 방향 속도와의 관계 는 Fig. 7에서와 같이 임펠러 출구에서의 속도 삼각형으로부 터 이해할 수 있다. 그림에서
은 반경속도 성분이고,
는 접선 속도 성분이다. 두 속도 성분사이에 생기는 사이 각
는 아래와 같은 방정식으로 구할 수 있다.tan
(2)방정식 (2)에서 구한 사이 각
는 나선 형 유선의 경로를 정하는 값으로 사이 각
는 유량이 클수록 작아지는 것을 알 수 있었으며, 안정영역에서 불안정 영역으로 들어가는 운 전점에서는
각이 현저하게 작아져 Fig. 5(a)에서와 같이 디퓨저를 빠져나가는 유선의 길이가 길어지는 것을 확인할 수 있었다.불안정영역으로 들어가기 전인 안정영역에서의 시간평균
유동장의 속도삼각형 분석을 통해 불안정영역으로 들어가기 바로 전에서
이 약 89°정도가 되는 것을 알 수 있고,
값 이 더욱 줄어들면서 불안정유동을 야기하는 원인이 된다.3.2 위상 평균 유동장
고유량일 때는 디퓨저 내부 유동 및 압축기 출구에서 평균 속도의 변화가 없었다. 유동 불안정이 발생하는 저유량 영역 에서는 디퓨저 내부에 임펠러 회전 속도보다는 느린 일정한 주기를 갖는 요동류가 발생하였다. 이것은 자려 요동류 (Self-excited oscillation flow)로서 선회실속이 디퓨저 내 에서 일어남을 알 수 있다.
Figure 8은 선회 실속이 발생할 때 디퓨저 내부 유동을 각 위상에 따라 평균한 반경 방향 속도장을 나타낸다. 는 요동 류의 한 주기를 나타내고, 는 시간을 주기로 나눈 값으로 한 주기를 6등분 하여 측정하였다. 240RPM일 때에 한 주기 는 약1초 정도이다. 각 각의 위상에 따라 관찰면내에 발생하 는 유동장 특성을 확인할 수 있다. Figure 8(a)는 관찰면내 에 첫 번째 위상으로 반경 방향속도 성분이 디퓨저 내부에서 디퓨저 출구 방향으로 강해지는 볼 수 있다. 이러한 반경 방 향 속도 성분의 증가는 디퓨저내의 유동을 바깥쪽으로 밀어 내게 되는데, 시간 평균 유동장 Fig. 5(a)에서와 같이 디퓨저 내에서의 나선 형태를 변형시킨다. 두 번째 위상(Fig. 8(b)) 에서 반경 방향 속도 성분이 증가 되는 영역의 분포가 커지 게 된다. 이러한 영역의 영향은 압축기 출구까지 작용되어, 출구에서의 유동이 출구 덕트의 바깥벽 측으로 편중 되는 것 을 유선을 통해 알 수 있다. 세 번째 위상에서는 강한 반경 방향 속도영역이 임펠러의 회전 방향으로 이동하면서, 일부 는 임펠러와 함께 회전하고, 다른 일부는 압축기 출구 방향 으로 빠져나가는 것을 확인할 수 있다. 또한, 임펠러 방향으 로 들어가는 역유동이 뒤를 이어 따라가는 것도 확인할 수 있었다. 네 번째 위상에서는 압축기 출구부로 강한 반경 방
Fig. 9 Radial velocity component at different phase
Fig. 10 Flow coefficient at each phase
향 속도영역이 빠져 나가면서 압축기 출구부로의 유동을 막 는 역할을 하게 된다. 다섯 번째 위상에서는 강한 반경 방향 영역이 임펠러 회전 방향으로 거의 사라지고 역유동 영역이 증가한다. 여섯 번째 위상에서는 전 위상 때보다 더욱 역유 동이 강해지는 것을 볼 수 있다. Figure 9는 각 위상 평균 유 동장의 디퓨저 내의
에서 구한 반경 방향 속도 성 분을 나타낸다. 반경방향 속도 분포에서 알 수 있듯이 각 위 상에서 물결 모양의 속도 분포를 볼 수 있으며, 위상의 변화 에 따라 임펠러 회전 방향으로 물결 모양의 분포는 이동한 다. Figure 10는 각 위상의 변화에 따른 압축기 출구에서의 유량 변화를 나타낸다. 에서 로 위상이 변할수록 유속이 점점 작아지고 에서는 최저값을 갖는다. 반대로 에서 으로 가면서 다시 상승하게 된다. 이러한 압축기 출구에서의 평균 속도 변화는 주기적으로 변화하는 것을 알 수 있었다.
4. 결 론
원심 압축기에서 유량 변화에 따른 디퓨저 내에서의 유동 장에 대해 PIV를 이용하여 실험적으로 분석하였다.
안정영역에서는 디퓨저에서 유동이 시간에 대해 변화가 없었으며, 나선 형태의 유선이 유량 감소에 따라
값이 커지 는 것을 알 수 있었다. 불안정 영역에서는 회전 속도가 120, 180, 240, 300 RPM에서 각각 디퓨저에서 임펠러 회전속도 에 비해 20∼22% 느린 비정상이고 주기성을 갖는 요동류를 확인하였다. 이러한 요동류는 디퓨저 내에서 디퓨저 출구 측 을 향하는 강항 반경 방향 유동영역과 임펠러 입구 측을 향 하는 역유동이 반복적으로 일어나면서 임펠러 회전 방향으 로 함께 이동하였다. 이러한 유동을 위상 평균한 결과 반경 방향 속도 성분의 증가와 감소를 가시적으로 확인할 수 있었 으며, 디퓨저 내에서는 물결 형태의 속도 분포를 나타내고 있음을 알 수 있었다. 이것은 깃 없는 디퓨저에서의 선회 실 속의 특징을 나타내는 것이다.후 기
본 연구는 지식경제부 산업원천기술개발사업의 연구비 지 원으로 수행되었습니다.
참고문헌
