ISSN (Print): 1226-9883
다단 천음속 압축기의 유동 불안정성에 관한 실험적 연구
강영석
*
*ㆍ박태춘*
ㆍ황오식*
ㆍ임형수**
ㆍ양수석*
**Experimental Research on Aerodynamic Instabilities in a Multi Stage Transonic Axial Compressor
Young-Seok Kang
*
, Tae-Choon Park*
, Oh-Sik Hwang*
, Hyung-Soo Lim**
, Soo-Seok Yang*
Key Words : Axial Compressor(축류형 압축기), Stall(스톨), Surge(서지), Performance Test(성능시험) ABSTRACT
This study presents unsteady and unstable characteristics of three stage transonic axial compressor, developed by Korea Aerospace Research Institute. As approaching to the unstable operating region at the 103% design speed of the compressor, a modal type stall precursor appears in front of highly loaded 3rd rotor row at first, and it propagates to the upstream. On the contrary, actual stall cell initiates from the stall precursor in front of the 1st rotor row, and it propagates to the downstream of the compressor. After the stall region reached the 3rd stage and stall cell rotates circumferentially about 360 deg, it develops to one dimensional compressor surge mode. It shows a mild surge behaviour with 3∼4 Hz frequency. From the test data, it can be suggested that there is a priority to give an optimum blade loading distributions to construct a multi stage transonic axial compressor stages either to secure more stable compressor operating ranges, or to maximize the compressor efficiency.
†
1. 서 론
일반적으로 압축기는 스톨이 발생하기 직전에 가장 큰 압 력비를 가지게 되고, 또한 효율도 스톨이 발생하기 전에 가 장 높은 것으로 알려져 있다. 이 때문에 압축기들을 최대한 설계 시 스톨 근처에서 안전하게 운전할 수 있도록 충분히 스톨 발생 지점과 충분한 여유를 두어 운전을 하도록 하거 나, 혹은 스톨 발생 억제 장치 등을 장착하여 좀 더 스톨 발 단 지점과 가까운 점에서 운전을 하게하고 있다. 하지만 한 번 스톨이 발생하게 되면 일반적으로 압축기의 압축비와 효 율이 저하될 뿐만 아니라, 더 나아가 시스템의 파괴를 초래 할 수 있다. 이 때문에 스톨에 대한 많은 연구가 이루어지고 있으며, 좀 더 스톨 발생점 근처에서 높은 압력과 높은 효율을 가지고 안전하게 운전할 수 있는 연구들도 다수 발표되고 있
다.
(1)∼(6)
국내에서도 원심형 압축기의 스톨/서지관련 시험은체계적으로 수행되어 왔으며 논문으로도 다수 보고되어있다.
(7)
* 한국항공우주연구원 항공추진기관팀
** 서울대학교 기계항공공학부 대학원
† 교신저자, E-mail : [email protected]
하지만 국내의 축류형 압축기 스톨시험은 서울대학교에서 보유하고 있는 저속 스톨시험이 유일했으며
(8),(9)
, 최근에는 스톨 억제 및 제어 연구결과가 보고되고 있다.(10)
하지만 국 내에서 다단 천음속 축류 압축기에서 스톨시험 뿐만 아니라 성능시험조차 수행된 경우는 극히 드물다. 특히 다단 천음속 축류압축기의 스톨 시험은 세계적으로도 찾아보기가 힘든 연구 주제이다.이에 본 연구에서는 한국항공우주연구원에서 개발한 3단 천음속 축류형 압축기(이하 KARI 3단 압축기)를 이용하여 유동의 불안정 영역에서 아래와 같은 세 가지 주제를 가지고 스톨/서지 시험을 수행하였다.
설계 사양 성능 시험 결과
단 구성도 축류 3단 -
회전수 20,000 rpm -
전압력비 2.5 2.5
공력효율 84 % 83.6 %
질량 유량 9.9 kg/s 10.2 kg/s
Table 1. Main Specification of 3 Stage Axial Compressor
†
Fig. 2. KARI Compressor Test Facility Fig. 1. Compressor Test-Rig Layout
-KARI 3단 압축기의 스톨 선구 신호 파악 -KARI 3단 압축기의 스톨 특성-KARI 3단 압축기의 서지 특성
이로부터 다단 천음속 압축기에서의 불안전 운전 영역에 서의 유동 특성을 파악하고, 이를 바탕으로 천음속 축류압축 기 설계 시 재 반영되어야 할 사항 등을 분석하였다.
2. KARI 3단 천음속 압축기 비정상 시험 준비
2.1 KARI 3단 천음속 압축기 및 시험리그
KARI 3단 압축기는 입구 IGV를 포함하여 3단의 동익단과 정익단으로 구성된 축류형 압축기이며, 3단 모두 천음속으로 운 용되어 각 단에서의 압력비가 1.3∼1.5 사이로 운용된다.
(11),(12)
특이할 만한 사항으로는 KARI 3단 압축기는 3단부터 1단 방향으로 질량유량이 감소함에 따라 3단부터 동익의 유동 입사각이 커져서 동익이 받는 부하(Blade loading)가 증가되도 록 설계되어 있으며, 따라서 본 압축기는 최고의 효율을 가 지기 위한 단별 매치는 이루어져 있지는 않다. 하지만 다단 압축기에서 유동의 불안정성이 단별 부하 분포와 내부 마하 수의 영향에 따라 어떤 영향을 가지고 분포하는지 살펴볼 수 있도록 설계되어 있다. 즉 1단 동익 내에서 가장 큰 상대 마 하수가 발생하고 3단 동익 내에서 가장 작은 상대 마하수가 발생하지만, 반대로 날개의 부하(날개의 입사각)는 질량유량 이 감소 및 압력비 증가에 따라 3단 동익에서 1단 동익으로 증가하도록 설계가 되어 있어, 유동의 불안정성이 어떤 인자 에 더 큰 영향을 미치는지 살펴볼 수 있다. Fig. 1과 2는 성 능시험을 위한 시험리그의 단면도 및 시험설비를 나타내고 있다. 한국항공우주연구원에서 보유 중인 압축기 시험설비 는 약 2.25 MW의 동력으로 최대 34,500 rpm까지 운전이 가 능하며, 출구에는 두 개의 배압 조절 밸브와 안티 서지 밸브 가 장착되어 있어 압축기 하류의 부하를 바꾸어가며 성능맵 을 작성할 수 있도록 되어 있다. 압축기에 흡입되는 공기의 질량유량은 입구에 벤츄리 형식의 유량계로 최대 28 kg/s까 지 측정할 수 있다. KARI 3단 압축기 성능시험은 입구에서 축류방향으로 공기를 흡입하여 이를 반경방향으로 방출한 후 콜렉터에 이를 수집하여 출구 배관을 통해 대기 중으로 배출하는 방식으로 되어있다.
2.2 압축기 비정상 시험을 위한 센서 선정
본 연구에서는 압축기의 스톨/서지 특성을 알아보기 위해 설계 회전수 대비 103 %에서 비정상 시험을 수행하였다.
100 % 회전수부터 조금씩 회전수를 증가시키며 성능맵을 구 축하여, 103 % 회전수에서 압축기 선도가 스톨발생 이전에 완전히 횡으로 이동하는 것을 확인하였다. 3 % 회전수 증가 에 따라 질량유량이 약간 증가하기는 하지만, 회전수에 따른 속도삼각형의 구성 및 압축기 내부의 천음속 특성 등이 거의 변하지 않기 때문에, 이에 본 연구에서는 압축기 질량유량, 압 력비의 거동 및 스톨특성을 명확히 규명하고자 103 % 회전수 에서 시험을 수행하였다. 일반적으로 스톨의 선구신호 혹은 스톨이 발생할 경우 압축기의 각단의 상류와 하류에서 압력의 섭동이 발생하며 원주방향으로 회전하게 된다. 또한 스톨 발 생 시 스톨의 선구신호인 모드의 주파수는 회전수의 20 %∼
60 % 정도로 알려져 있다. 이에 따라 운전 회전수의 6∼10배 이상의 샘플링이 가능한 압력센서를 장착하면 스톨 신호를 측 정할 수 있다.
× mod ×
(1)
mod
(2)Fig. 4. Kulite Sensor Installation Locations Steel Tube
D=4mm
Rotor Blade Stator Vane
Steel Tube Locking Bolt
Silicon O-Ring Seal
Bolt Tap
Main Housing
Fig. 3. Kulite Sensor installation Method
즉 식 (1)과 (2)와 같이 스톨 혹은 선구신호의 주파수가 예 상되므로 압축기 각 단의 전후에는
× mod
(3)의 속도로 압력을 측정해야 스톨 등의 유동 불안정성을 측정 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 스톨이 발생하기 전에 원 주방향으로 회전하는 선구신호를 측정하기 위해서는 여러 개의 센서를 동시에 측정할 필요가 있다.
이전에는 열선 유속계 등을 사용하여 이러한 스톨 신호를 측정하였으나, 최근에는 압력 센서의 응답성이 빨라지면서 고속 응답 압력 변환기를 이용하여 스톨이나 스톨 선구신호 측정에 이용하고 있다. 본 연구에서도 총 28개의 고속 응답 압력 변환기를 사용하였다. 본 연구에서 사용한 고속 응답
압력 변환기는 미국의 Kulite사에서 제작한 XCQ 모델로, 측 정부의 크기가 직경 2 mm로 아주 작으면서도 빠른 응답과 높은 정밀도를 가지고 측정할 수 있다. 이러한 Kulite 센서 는 각단의 상, 하류에 Fig. 3과 같이 케이싱에 밀착하여 설 치(Flush mount)가 되어야 하며, Fig. 4는 해당 Kulite 센 서를 장착하는 위치를 나타내고 있다. 각 단의 동익 입, 출구 에 각각 4개씩의 Kulite 센서를 장착하고 3단 동익 입구에는 8개의 Kulite 센서를 장착하였다. 이는 스톨에 접근함에 따 라 3단 동익 입구에서부터 유동의 입사각이 커지며 날개부하 가 커질 것으로 예상하여 스톨의 발단 등을 3단에서 좀 더 자세히 보기 위해서이지만 실제로 각 단의 4개의 Kulite 센 서만으로도 충분한 스톨 거동을 살펴볼 수가 있다. 일반적으 로 스톨의 발단은 동익과 정익의 상류에서 먼저 응답이 오기 때문에 3단 정익 출구에는 별도의 센서를 장착하지 않았다.
3. KARI 3단 압축기 스톨 특성 파악
3.1 스톨 선구 신호의 계측
일반적으로 성능맵 상에서 스톨에 다가가기 위해서는 계 속해서 출구 밸브를 닫아가면서 배압을 증가시켜야 한다. 하 지만 출구 밸브를 닫아도 더 이상 압력이 증가하지 않고 횡 으로 성능곡선이 이동하는 순간이 있는데, 대부분 압축기 설 계 시에는 이 부분부터 스톨이 발생한다고 생각하여 스톨마 진을 계산한다. 즉,
(4)Fig. 5. Dynamic Pressure Acquisition Points at 103% rpm Fig. 6. Static Pressure Measurement at Point ②
Fig. 7. FFT results at point ② in Fig. 4
인 지점에서 스톨이 발생한다고 본다. 실제로는 스톨 유량의정의 방법이 있으나, 본 식이 스톨을 결정하는 데 있어 많이 알려진 식이다. 본 스톨 시험은 앞서 설명한 것처럼 설계 회 전수 대비 약 103 %의 회전수에 대해서 수행하였다. Fig. 5에 서 103 % 회전수에서 어느 정도 압력이 회복한 이후에는 압 력선도가 완전히 횡으로 이동하고 있는 것을 확인할 수 있는 데, 본 연구에서는 출구 밸브를 닫으며 103 % 회전수에서의 압축기 성능곡선 상에서 ①∼⑥ 지점에서 Kulite 신호를 1분 간 수집하였다. 계속하여 밸브를 닫아가다 보면, 압력 모니터 링 창에 주기적인 압력 섭동(mode)이 발생하기 시작한다.
앞서 설명한 것과 같이 3단 동익 입구에서부터 입사각이 0도 이상으로 전환되어 양의 입사각을 가지게 되고, 따라서 날개부하가 커지게 되면서 ② 지점부터 모드 형태의 압력 파 형이 나타난다. 이때 Fig. 6과 같이 압력섭동의 크기가 3단 이 다른 단보다 크기 때문에 스톨 선구신호는 3단에서 먼저 발생하요 1단으로 전파되는 것으로 판단된다.
Fig. 7∼Fig. 10은 성능맵에서 전압력비가 횡으로 이동하 기 시작하였을 때 ②, ④, ⑤, ⑥ 지점에서 2단 동익 상류에서 의 압력 변화를 FFT한 그림이다. 전체를 FFT하기에는 너무
데이터양이 방대하여 각 측정점에서 1분간 수집된 데이터 중 처음 2,000 회전과 맨 마지막 2,000 회전 시의 데이터만 후처 리 하였다. 성능맵 상 ② 지점에서 처음 2,000 회전에서는 주 기적인 스톨 선구신호가 나타나지 않으나, 마지막 2,000 회전 에서는 미약하게나마 122 Hz와 126 Hz에서 신호가 검출되기 시작한다. ④번 위치에서도 약 128 Hz 주파수를 중심으로 여 전히 모드가 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 처음 2,000 회 전보다 나중 2,000 회전에서 더 큰 강도를 보이는 것을 확인 할 수 있다. 즉 점점 모드의 강도가 세어지는 것을 확인할 수 있으며, ⑤번 위치에서도 마찬가지로 동일 주파수에서 모드가 확인된다. ⑥번 위치에서는 처음 2,000 회전에서만 FFT를 수 행하였는데, ⑥번에서 시험 중 스톨 및 이어지는 서지가 발생 하였기 때문이다. ⑥번 위치에서의 모드는 약 128 Hz에서 매 우 확연하게 드러난다. 모드의 주파수를 회전주파수로 나누면 약 37.2 %로 일반적인 스톨시험 시 모드발생 주파수 영역 내 (20 %와 60 % 사이)에 들어가는 것을 확인할 수 있었다. 또한
②번에서 모드가 처음 검출이 되었는데, 본 모드는 실제 스톨 에 돌입하기 전에 선구 신호로 판단할 수 있다.
Fig. 8. FFT results at point ④ in Fig. 4
Fig. 9. FFT results at point ⑤ in Fig. 4
Fig. 10. FFT results at point ⑥ in Fig. 4
3.2 스톨선구신호에서 스톨로의 발단
Fig. 11은 각 단에서 스톨선구신호가 스톨로 발단하는 모 습을 보여주고 있다. 각각 센서는 Fig. 3의 센서 번호에 대 응하며, 동익 상류에서의 압력값 측정을 토대로 스톨셀의 거 동을 측정하였다. 앞서 설명한 스톨선구신호의 거동과는 반 대로, 스톨셀은 1단 동익 상류에서 먼저 관측이 되어, 하류로 퍼져나가는 것을 확인할 수 있다. 특이한 점으로는 스톨영역 이 축류방향으로만 속도를 가지고 하류로 이동하는 것이 아 닌, 접선방향의 속도도 가지고 하류로 이동을 한다. 스톨셀 은 스톨선구신호의 속도보다 약간 빨라져 회전속도의 약
58%의 속도로 케이싱을 1회전한 후 서지로 천이된다.
3.3 스톨에서 서지로의 발단
Fig. 11에서 8개의 위치에서 압력을 측정한 3단 동익 상류 를 살펴보면 스톨이 발생하기 직전 모드가 21번 센서에서 스 톨셀로 발단하여 이 스톨셀이 시계방향으로 회전하고 한바퀴 를 돌아 스톨셀이 21번 센서 위치에 도달하였을 때 스톨셀이 소멸한 후 바로 서지 현상으로 천이된 것을 확인할 수 있었다.
스톨셀 자체는 1개가 발생하여 단 1바퀴를 도는 것을 확인할 수 있었으며, 스톨지점이 곧 서지지점임을 의미하고 있다.
Fig. 11. Transition from Stall Precursor to Stall in front of Rotor Rows
Fig. 12. Surge Measurement in front of 3rd Rotor Row
Fig. 12는 서지가 발생하는 전후의 동익단 3단에서의 시 간에 따른 압력그래프를 나타내고 있다. 회전 초기에는 압력 값이 모드 주파수에 따라 변화하다가 순간적으로 서지가 발 생하여 수 Hz의 압력섭동이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
실제 서지 시에는 실험 리그에서 수 Hz의 매우 큰 굉음이 발 생하고, 리그에 장착된 센서류가 크게 떨리는 것을 확인할 수 있었다. 압력 거동 및 압축기 내부에서 발생하는 소음으 로부터, 압축기 내부에서 크게 입, 출구를 왕복하는 1차원 적 인 유동이 발생함을 확인할 수 있었다.
특이할 만한 사항으로는 서지가 발생 시 급격하게 압력이 하강하는데 반해, 압력 회복 속도는 3배의 시간이 걸리는 것 을 확인 할 수 있다. 이러한 현상은 시스템적인 문제로 생각 되며, 시스템 전체의 특성을 파악하여 1차원 스프링 댐퍼 모 델 등 알려진 서지 모델을 활용하여 현상 발생 이유를 규명 할 수 있을 것으로 판단하여, 해당 서지형태가 일부 유량의 섭동 및 주기적인 진동이 반복되는 마일드 서지(Mild-Surge) 형태임을 확인할 수 있었다.
Fig. 13. Unstable Characteristics on Performance Map
서지는 초기 발생 시 압력의 순간적인 상승 이후 압력하강 및 상승이 반복되는 거동을 보이고 있다. 1차원적인 압력 반 복현상을 총 11회 거친 후, 서지밸브를 열어 배압을 제거해 줌으로써 서지현상을 제거할 수 있었으며, Fig. 13의 성능맵 에서 나타나듯이 압축기 성능맵 상에서 큰 이력현상이 발생 하지 않음을 확인할 수 있었다.
3.4 전체 불안정 운전 영역에 대한 주파수 분석 Fig. 14는 스톨 및 서지 발생 전 모드 발생 시, 서지 발생 직전, 서지 발생 직후의 각 단 날개 전후에서의 압력 데이터 를 종합하여 FFT 처리한 그림이다. 전체적인 Blade Passing Frequency (이하 BPF) 이외에는 스톨선구신호 및 서지 주 파수가 두드러지게 나타났으며, Fig. 7∼Fig. 10 및 Fig. 14 를 종합해볼 때 회전수의 37.2 %의 주파수를 가지는 모드형 태의 스톨선구신호는 각 단별로 동일한 것으로 확인되었고, 서지 역시 마찬가지로 3.82 Hz 각 단에서 동일하게 계측되었 다. 상대적인 신호의 크기를 본 FFT 그래프를 통해 확인할 수 있는데, 특히 서지의 경우 가장 크게 계측된 3단 BPF보다 도 훨씬 큰 강도를 가지고 있다.
Fig. 14. FFT Results for Unsteady Tests
4. 마하수, 날개부하와 압축기 불안정성의 관계
본 압축기의 경우 동익단 1단에서 3단까지 각각 상대 마하 수가 1.3정도이며 매우 넓은 영역에 대해 충격파가 발생하는 반면에 3단의 경우에는 압력과 온도가 상승하여 음속이 증가 한 상태이므로, 동일한 속도 분포 및 속도 삼각형의 분포를 가지더라도 마하수가 대폭 하강하여, 마하수가 1이 넘는 영 역이 발생하기는 충격파의 강도는 매우 약해진다. 이에 충격 파 강도는 1단이 가장 높고 3단이 가장 낮다고 할 수 있다.
한편 앞서 설명한 것처럼 1단 동익에서 접근 마하수가 가 장 큰 반면에, 압축기 하류 부하가 커짐에 따라 3단 동익에 서부터 날개 입사각이 양의 값을 가지도록 설계가 되어, 날 개의 부하는 3단부터 커지게 된다.
날개 내부의 상대 마하수 및 날개 부하(입사각)의 관점에서 볼 때, 본 압축기의 경우 스톨의 선구신호는 날개의 부하가 큰 3단에서 먼저 관찰된 반면에, 스톨 선구신호로부터 스톨로 천 이 현상 자체는 1단에서 발생하여 3단으로 전파되었다.
즉 아음속 다단 축류 압축기와는 다르게, 천음속 축류압축 기의 경우 강한 충격파가 발생하는 상류에서는 압축기 스톨 을 방지하기 위해 최대한 설계 유량에서 날개 입사각을 0도 혹은 음의 값을 유지시켜, 스톨을 방지시키는 것이 중요하 며, 충분히 마하수가 낮아지는 하류에서 압력비를 보상하여 날개 부하를 올리는 방법도 압축기 설계방법의 한 가지가 될 수 있겠다. 하지만 이렇게 되면 최적 효율을 위한 최적의 단 별매치 설계에서 벗어나게 된다.
이는 곧 압축기의 압력비, 효율, 스톨 마진은 서로 이율배 반적 관계를 형성하게 되어, 압축기 설계 시 설계 목적에 따 라 이들 성능 변수들 간에 최적값을 구할 수 있는 것을 의미 하게 된다.
5. 결 론
본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) KARI 3단 압축기의 경우 3단부터 부하가 커지도록 설 계가 되어 있고, 실제 스톨 선구신호는 3단부터 발생하였으 나, 실제 스톨로의 천이는 내부 상대 마하수가 가장 큰 1단 동익 상단에서 발생하여 3단으로 역으로 전파되는 것을 실험 을 통해 확인할 수 있었다.
2) 1단에서 발생한 스톨은 축방향 속도뿐만이 아닌 접선방 향 속도를 가지고 하류로 전파하며, 각 단에서 스톨셀은 약 1회전 후 서지로 천이됨을 확인할 수 있었다.
3) 서지는 수 Hz의 주파수로 압축기의 전 영역에 걸쳐 1차 원적인 거동을 보이며, 압력 강하 대 회복이 1:2의 반복적인 특징을 보였다. 또한 본 압축기는 서지는 콜렉터 크기 및 압 축기의 압력비가 높지 않기 때문에 마일드 서지 경향을 나타 내고 있다.
4) 스톨 및 서지의 주기는 동익단의 위치 및 날개 개수와 상관없이 동일하게 나타나는 것으로 확인되었다.
5) 스톨의 선구신호 및 스톨은 각각 회전수의 37.2% 및 58%의 주파수로 거동한다.
6) 천음속 압축기에서는 설계자가 압축기의 압력비 및 스 톨마진을 충분히 확보하기 위해 상류에 비해 하류에 부하를 점진적으로 증가시키는 설계방법을 적용할 수 있으나, 최적 의 단별매치에서 벗어나기 때문에 효율의 감소로 이어질 수 있다.
후 기
본 연구는 지식경제부 항공우주부품기술개발사업의 “차세 대 초소형/고부하 압축기 다분야 통합기술 개발” 연구과제의 일환으로 수행되었습니다.
참고문헌
