복합열전달 해석을 통한 가변 형상 터보차저 성능 평가에 대한 연구 = A Study on the Performance Evaluation of Variable Geometry Turbocharger Using Conjugate Heat Transfer Analysis

국문 초록 (Abstract)

최근 내연기관 엔진의 다운사이징 및 효율 향상 추세에 따라서 가변 형상 터보차저(VGT)가 점차 자리매김 하고 있다. 터보차저의 주요 부품인 컴프레서와 터빈의 성능 평가는 주로 단열 가정을 기반으로 수행되었으나 터보차저의 실제 운전 조건에서는 터빈의 고온 배기가스로부터 발생하는 열전달이 내부 유동 손실과 성능에 영향을 미친다. 이에 따라 본 연구에서는 3차원 전산유체역학을 이용한 복합 열전달 해석을 수행하고 열전달 효과가 터보차저의 공력 성능 및 부품의 열적 거동에 미치는 영향을 정량적으로 규명하였다. 정상상태 해석에서는 베인 개도와 터빈 속도비에 따른 단열 조건과 열전달 조건의 성능을 비교하였고 해석 결과 컴프레서는 열전달 조건에서 벽면 냉각 효과로 인해 단열 조건 대비 약 0.8[%]의 효율 향상이 관찰되었다. 반면, 터빈의 경우 벽면 열손실과 유체의 물성 변화로 인해 열전달 조건에서 유효 일률이 감소하였으며 단열 조건 대비 최대 6[%]의 효율 저하가 확인되었다. 과도상태 해석에서는 Speed-up method를 적용하여 급격한 운전 조건 변화 시 주요 부품의 열적 응답성을 평가하였다. 해석 결과 열원과 직접 접촉하고 질량이 작은 임펠러 및 샤프트는 빠른 온도 응답성을 보인 반면, 열용량이 큰 하우징 류의 부품은 완만한 온도 변화를 나타내었다. 특히 터빈 속도비와 베인 개도에 따른 유동 패턴의 변화가 각 부품의 열적 응답성 차이의 유의미한 차이를 발생시킴을 확인하였다.

□ 핵심주제어

가변 형상 터보차저(VGT), 복합 열전달(CHT), 터빈 효율(Turbine efficiency), 컴프레서 효율(Compressor efficiency), 온도 응답성(Thermal response)

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Variable Geometry Turbochargers have become increasingly prominent due to recent trends in internal combustion engine downsizing and efficiency improvement. While performance evaluations of the compressor and turbine—the core components of a turbocharger—have primarily been conducted based on adiabatic assumptions, heat transfer generated from high-temperature turbine exhaust gases significantly influences internal flow losses and overall performance under actual operating conditions. Accordingly, this study performed a 3D Computational Fluid Dynamics simulation using Conjugate Heat Transfer analysis to quantitatively determine the effects of heat transfer on the aerodynamic performance and thermal behavior of the turbocharger components. In the steady-state analysis, the performance under adiabatic and CHT conditions was compared according to vane opening angles and turbine velocity ratios. The results indicated that the compressor efficiency increased by approximately 0.8[%] under CHT conditions compared to adiabatic conditions, attributed to the wall cooling effect. Conversely, the turbine exhibited a decrease in effective power under CHT conditions due to wall heat losses and changes in fluid properties, resulting in a maximum efficiency reduction of 6[%] compared to the adiabatic case. For the transient analysis, a speed-up method was applied to evaluate the thermal response of major components during rapid changes in operating conditions. The results showed that the impeller and shaft, which have low mass and are in direct contact with the heat source, exhibited rapid thermal responses, whereas housing components with large heat capacities displayed gradual temperature changes. Notably, it was confirmed that variations in flow patterns, driven by changes in the turbine velocity ratio and vane opening, caused significant differences in the thermal response of each component.

□ keywords

Variable Geometry Turbocharger (VGT), Conjugate Heat Transfer (CHT), Turbine Efficiency, Compressor Efficiency, Thermal Response

목차 (Table of Contents)

• □ 표 목 차 ⅰ
• □ 그 림 목 차 ⅱ
• □ 기 호 설 명 ⅴ
• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구배경 1
• 2. 연구동향 2
• 3. 연구목적 3
• Ⅱ. 이론적 배경 4
• 1. 가변 형상 터보차저(VGT)의 구성 및 작동 원리 4
• 2. 컴프레서 및 터빈의 열역학적 해석과 성능지표 6
• 1) 열역학적 해석 (h-s diagram) 6
• 2) 압축기 및 터빈의 주요 성능 지표 9
• 3. 열 유동 손실 평가 11
• 4. 지배 방정식 12
• Ⅲ. 터보차저 모델 및 경계조건 15
• 1. 터보차저 해석 모델 및 격자 15
• 2. 경계 조건 및 대류 열전달 계수 선정 19
• Ⅳ. 정상상태(Steady-state) 해석 결과 및 고찰 24
• 1. 단열 및 열전달 조건 결과 비교 24
• 1) 터빈 및 컴프레서 성능 지표 비교 24
• 2. 정상상태 열적 특성 분석 34
• 1) 베인 개도와 U/C에 따른 열 손실량 분석 34
• 2) U/C에 따른 부품 온도분포 비교 37
• Ⅴ. 과도상태(Transient) 해석 결과 및 고찰 40
• 1. 과도상태 신뢰성 평가 및 열적 특성 분석 40
• 1) 과도상태 해석 신뢰성 평가 40
• 2) 과도상태 해석 부품 온도 응답성 및 열유속 분석 42
• Ⅵ. 결론 52
• □ 참고문헌 54
• □ Abstract 59