터빈 캐스케이드에서 팁 간극 내 유동장에 대한 큰 팁 간극 효과

손영기,송성진 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.4

이 논문은 터빈 캐스케이드 내에서 큰 팁 간극이 팁 간극 내 유동장에 주는 효과에 관한 연구이다. 액체로켓엔진의 터보펌프와 같은 소형 터보기계는 제조공정 상 공차의 한계로 인해 상대적으로 큰 팁 간극(10%~)을 갖는다. 기존 논문에서는 큰 팁 간극(10%~)에서 오히려 전압손실이 감소됨을 확인하였으나, 이에 관한 자세한 연구가 수행되지 않고 있다. 이러한 큰 팁 간극에서의 전압손실의 변화를 연구하기 위해서는 큰 팁 간극에 의한 팁 간극내의 유동장의 변화에 대한 연구가 필요하다. 이 논문에서는 이효성 연구의 실험 결과와 CFD 시뮬레이션 결과를 토대로 팁 간극내의 유동장의 변화에 대해 알아보았다. 큰 팁 간극에서는 팁 간극에 의한 유동구조와 end-wall 과의 상호작용이 감소됨을 알 수 있었고, 팁 vortex 와 블레이드 흡입면 사이의 상호작용을 감소됨을 알 수 있었다. 또한 큰 팁 간극에서는 end-wall 의 경계층 유동에 의한 vortex 가 소멸되는 것을 알 수 있었고, 팁 간극을 선회 없이 바로 지나가는 유동이 증가함을 알 수 있었다. This paper describes large tip clearance effect on the flow field in the tip gap in a turbine cascade. Small turbomachine like a turbopump in liquid rocket engine has relatively large tip clearance due to the tolerance limits. Even though the trend of the overall loss which decreases for large tip clearance was found by previous studies, the reason of the variation of overall loss has not been studied in detail. To understand the variation of the overall loss, studies about the flow field variation in large tip clearance are needed. This paper investigated the flow field variation based on the Lee's experiment result and CFD simulation. For large tip clearance, the interaction of tip vortex with end-wall and blade suction surface decreases. Also, for large tip clearance, the vortex by end-wall boundary layer flow diminishes and unturned flow increases.

터빈 캐스케이드에서 블레이드 하중에 대한 큰 팁 간극 효과

손영기,송성진 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.11

This paper describes large tip clearance effect on blade loading in a turbine cascade. Small turbomachine like a turbopump in liquid rocket engine has relatively large tip clearance due to the tolerance limits. However, only a few studies so far have been conducted on this topic and understanding of large tip clearance effect on turbine blade is lacking. Based on previous Lee(1)'s experiment result, numerical Simulation was conducted and validated. This paper shows that lift coefficient increase for tip clearance smaller than 7.5% of blade chord and then decrease after 7.5% tip clearance. Tip leakage vortex has variation in its strength and position with growing tip clearance and these variations mainly result in the change of lift coefficient. 이 논문은 터빈 캐스케이드 내에서 큰 팁 간극이 블레이드 하중에 주는 효과에 관한 연구이다. 액체로켓엔진의 터보펌프와 같은 소형 터보기계는 제조공정 상 공차의 한계로 인해 상대적으로 큰 팁 간극(10%~)을 갖는다. 그러나 현재 터빈에서의 큰 팁 간극의 효과에 관한 연구가 많이 수행되지 않고 있다. 이 논문에서는 이전 이효성(1) 연구의 실험 결과를 토대로 CFD 계산 및 validaton 을 하였고, 팁 간극이 7.5%보다 작은 경우 전체 블레이드 양력 계수는 팁 간극이 커짐에 따라 증가하다가 7.5% 이후에는 팁 간극이 커짐에 따라 블레이드 양력 계수는 감소하는 경향을 확인하였다. 이러한 경향은 팁 간극의 변화에 따른 팁 와류의 강도 및 위치 변화가 가장 큰 요인으로 확인되었다.

유체-구조 연성해석을 이용한 원심압축기 운전익단간극과 성능 예측

이호림(Horim Lee),김창희(Changhee Kim),양장식(Jangsik Yang),손창민(Changmin Son),황윤제(Yoonjei Hwang),정진희(Jinhee Jeong) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集B Vol.40 No.6

본 연구에서는 날개 두께 분포가 다른 두 임펠러를 이용하여 유체-구조 연성해석을 통해 운전익 단간극을 예측하고 임펠러의 변형이 성능에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 임펠러는 작동조건에서 작용하는 원심력, 압력, 열 하중의 영향으로 변형이 발생하게 된다. 이로 인해 초기 설계된 익단간극이 비균일하게 변화하는 것을 확인하였다. 특히 임펠러 날개의 선단과 후단에서 가장 큰 익단간극 감소가 발생하였으며, 이로인해 간극누설유동이 19.4% 감소하였다. 또한 운전조건에서 익단간극 감소로 간극누설 유량이 감소하면서 효율은 0.72% 증가하는 것을 확인하였다. 원심압축기 작동조건에서의 정확한 운전익단간극의 예측과 익단간극의 변화가 성능에 미치는 영향에 대해서 확인하였다. In this study, we perform a series of aero-thermo-mechanical analyses to predict the running-tip clearance and the effects of impeller deformation on the performance using a centrifugal compressor. During operation, the impeller deformation due to a combination of the centrifugal force, aerodynamic pressure and the thermal load results in a non-uniform tip clearance profile. For the prediction, we employ the one-way fluid-structure interaction (FSI) method using CFX 14.5 and ANSYS. The predicted running tip clearance shows a non-uniform profile over the entire flow passage. In particular, a significant reduction of the tip clearance height occurred at the leading and trailing edges of the impeller. Because of the reduction of the tip clearance, the tip leakage flow decreased by 19.4%. In addition, the polytrophic efficiency under operating conditions increased by 0.72%. These findings confirm that the prediction of the running tip clearance and its impact on compressor performance is an important area that requires further investigation.

1.5단 축류 터빈의 익단 유동 특성에 관한 수치해석

황동하(Dongha Hwang),정요한(Yohan Jung),백제현(Jehyun Baek),이동호(Rhee Dongho) 한국추진공학회 2008 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2008 No.11

터빈의 익단 간극은 블레이드와 케이싱간 마찰을 줄이기 위한 중요한 부분이다. 수치 해석을 통해 익단 간극이 직접적으로 터빈에 미치는 영향을 판단하기 위하여 UTRC 터빈을 익단 간극이 있는 경우와 없는 경우로 나눠 계산을 수행하였다. CFX를 통해 도출된 해석결과는, 익단 간극이 있는 경우 생성된 와류가 터빈 전반에 걸친 손실을 일으키고 그 결과 익단 간극이 없는 터빈에 비해 더 낮은 전압효율을 보인다. Tip clearance is a critical point in turbine to reduce friction between blade and casing. To estimate the direct effectiveness of the tip clearance, numerically analyzed are flow passing through rotors with and without tip clearance. The Results by CFX tells that rotors with tip clearance have vortex structure which makes larger loss in turbine, and shows lower total-to-total efficiency than that without tip clearance.

밸브 간극에 따른 밸브트레인 거동 연구

민선기 한국융합학회 2017 한국융합학회논문지 Vol.8 No.10

기계적 태핏은 유압 태핏과 비교하여 원가와 마찰 손실을 줄일 수 있어 사용된다. 그러나 기계적 태핏은 캠과 밸브 사이의 간극을 조절하는 기능이 없으므로 밸브의 열팽창을 고려하여 캠과 밸브 사이의 거리를 측정하여 선정된다. 그러므로 충분한 워밍 업 후에는 밸브 간극이 거의 없지만 그 전에는 밸브 간극이 존재한다. 특히 냉간 작동 조건에서는 비교적 큰 편이고 소음과 진동 같은 문제를 발생시킬 수 있다. 본 논문에서는 밸브 간극을 변경시 켜 가며 각각의 조건에서의 밸브 리프트, 속도, 가속도, 시팅 속도, 바운싱 높이 등에 대하여 시험과 해석을 통하여 연구되었다. 밸브 간극이 증가할수록 램프 구간이 감소하게 되어 밸브의 거동에 좋지 않은 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있었다. Mechanical tappet is used to reduce the cost and friction loss compared with hydraulic tappet. But the mechanical tappet doesn’t have the ability to control the clearance between cams and valves and is selected by measuring the distance between valves and cams in order to minimize the clearance of valves by considering thermal expansion of valves. So, the valve clearance is nearly zero after fully warming-up periods ,but there is valve clearance before warming-up. Especially at cold condition, the clearance is relatively large and can bring about some problems. In this study, the valve motions like lift, velocity, seating velocity and bouncing height were studied at various valve clearance conditions by experiment and analysis. As the valve clearance increases, the ramp area becomes shorten and it causes the valve train motion to have bad effects.

연료분사펌프의 최적 간극 설계

홍성호(Sung-Ho Hong),이보라(Bora Lee),조용주(Yongjoo Cho),박종국(Jong Kuk Park) 한국트라이볼로지학회 2015 한국윤활학회지(윤활학회지) Vol.31 No.4

In the study, a design process for ensuring optimal clearance in a fuel injection pump(FIP) is suggested. Structure analysis and hydrodynamic lubrication analysis are performed to determine the optimal clearance. The FIP is simulated using Hypermesh, Abaqus 6.12 to evaluate the reduction of clearance when the maximum supply pressure is applied. The reduction in clearance is caused by the difference in the deformations between the barrel and plunger. When the deformation of the plunger is larger than that of the barrel, a reduction in clearance at the head part occurs. On the other hand, the maximum clearance reduction equals the maximum deformation in the stem part, because the deformation of barrel does not occur in this region. The clearance of FIP should be designed to be larger than maximum reduction of clearance in order to avoid contact between the plunger and barrel. In addition, the two-dimensional Reynolds equation is used to evaluate lubrication characteristics with variations of viscosity, clearance and nozzle for a laminar, incompressible, unsteady state flow. The equation is discretized using the finite difference method. The lubrication characteristics of FIP are investigated by comparing film parameter, which is the ratio of the minimum film thickness and surface roughness. The optimal clearance of FIP is to be designed by considering the maximum reduction in clearance, lubrication characteristics, machining limits and tolerance of clearance.

Design and Verification of Multi-Step Blade Tip Clearance Control System for Large Gas Turbine Using Hydraulic Pressure

김영춘(Yeong Chun Kim),조석인(Seok In Cho),조양욱(Yang Uk Cho),박희주(Heui Joo Park) Korean Society for Precision Engineering 2020 한국정밀공학회지 Vol.37 No.5

In the gas turbine, the clearance between the blade tip of the rotor and the inside of the stationary casing varies depending on the rotation of the rotor and the heat output of the combustor. Accordingly, the assembly clearance is determined, and the leakage of the gas occurs because of the gap during operation, affecting the efficiency of the system. Thus, designers use a variety of techniques to optimize this clearance, a typical method that reduces the relative variation of the clearance using heating and cooling mechanisms. In this study, we developed a method to control the blade tip clearance through the axial movement of the inclined blade without using heating and cooling mechanisms. Recently, we designed an advanced blade tip clearance control system that can control multi-step, not on-off control, to apply to large gas turbines developed by Doosan. The designed system is hydraulic and can be used with a maximum thrust of 100 tons, and the desired displacement can be moved in multiple stages as required. We have completed the reliability verification of the entire lifecycle level and applied it to the newly developed gas turbine.

충동터빈과 반동터빈 캐스케이드에서의 팁 간극 손실에 대한 비교 연구

박경욱(Kyungwook Park),정은환(Eunhwan Jung),송성진(Seungjin Song) 한국추진공학회 2008 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2008 No.11

현재 항우연에서 개발 중인 우주발사체 터보펌프에 사용되는 터빈은 단단 충동터빈을 적용하고 있다. 우주발사체의 안정성을 위해 팁 간극을 비교적 많이 허용하고 있는데, 효율적인 면에서는 반동터빈 보다 다소 뒤지지만, 높은 출력비를 가지는 충동터빈이 팁 간극이 커질 때 어떤 효율경향을 나타내는지 알아보는 일은 의미 있는 일이다. 실험은 아음속 조건에서 실험하였고, 팁 간극을 각각 코드기준 1%~20%일 경우 충동과 반동 각각의 경우에 대하여 하류 전압손실을 측정하였다. 측정결과 팁 간극이 10%보다 더 커지면, 충동터빈이 오히려 전압손실량이 반동터빈보다 더 작아진다. 이것은 팁 간극이 비교적 큰 조건에서 충동터빈이 반동터빈보다 효율이나 출력비 면에서 더 나은 성능을 나타냄을 의미한다 Korea Aeronautics Research Institute (KARI) is developing a turbo pump that has 1-stage impulse turbine and relatively high tip clearance for safety. The objective of this research is to investigate the effect of reaction on tip clearance loss in axial turbines. Both cascades were tested in a subsonic wind tunnel. In each cascade, total pressure was measured for tip clearance ranging from 1% to 20% of chord. In results, increasing tip clearance, total pressure loss in reaction turbines is continually increased but impulse turbines keep almost same level of mass averaged total pressure loss. When tip clearance becomes more than 10% of chord, mass-averaged total pressure loss in impulse turbines is less than in reaction. This means that when tip clearance is more than 10% of chord, impulse turbines have better efficiency than reaction turbines.

가스터빈 블레이드 팁의 열전달과 유동 특성에 대한 수치적 해석

쟈오리우(Liu Jiao),강영석(Youngseok Kang),김동화(Donghwa Kim),조진수(Jinsoo Cho) 한국항공우주학회 2016 韓國航空宇宙學會誌 Vol.44 No.12

본 연구에서는 전산해석을 통해 냉각 터빈 블레이드 팁 간극의 유동 및 열전달 특성을 연구하였다. 1단 고압터빈 노즐 출구에서 획득한 속도, 온도 프로파일을 로터의 입구에 적용하여 로터 도메인을 대상으로 전산해석을 하였다. 스퀼러 팁이 적용된 블레이드의 팁 간극을 스팬의 1%부터 2.5%로 조절하여 팁 간극의 공력 손실, 열전달 계수와 막냉각 효율의 영향을 고찰했다. 팁 간극이 커질수록 출구에서 공력 손실과 블레이드 끝단 표면에서 열전달 계수는 증가하였다. 특히 팁 간극이 스팬의 2%일 때 평균 열전달 계수가 급격히 증가하였다. 팁 영역의 막냉각 효율은 팁 간극이 작을수록 높았고, 캐비티 내부 냉각 홀 근처의 막냉각 효율이 높았다. The heat transfer and flow characteristics of gas turbine blade tip were investigated in this paper by using the conjugate heat transfer analysis. The rotor inlet boundary condition profile which was taken from the first stage nozzle outlet was used to analyse. The profile contained the velocity and temperature information. This study presents the influence of tip clearance about aerodynamic loss, heat transfer coefficient and film cooling effectiveness with the squealer tip designed blade model which tip clearance variation range from 1% to 2.5% of span. Results showed that the aerodynamic loss and the heat transfer coefficient were increased when the tip clearance was increased. Especially when the tip clearance was 2% of the span, the average heat transfer coefficient on the tip region was increased obviously. The film cooling effectiveness of tip region was increasing with decreasing of the tip clearance. There was high film cooling effectiveness at cavity and near tip hole region.

간극이 있는 링크구동계의 상태진단

최연선,민선환 한국소음진동공학회 2001 소음 진동 Vol.11 No.1

There is a clearance between the parts of a machine due to design tolerance, manufacturing error, wear, looseness, or misalignment. If the clearance is large, the vibration and noise of the machine is generally large. Therefore, the analysis on the nitration and noise of a machine can tell the clearance of the machine, which reveals the condition of the machine, i.e., the existence of faults and the safety of the machine. The investigation of this kind of research should be on the basis of experimental results. A link mechanism with a clearance at a joint between the coupler and locker is made for the investigation of the condition monitoring of a machine due to clearance. The vibration and sound are measured from the link driving system during the operation. The signals are clarified using line enhancement technique. The noise removed signals are used to develop the dynamic model of the system for a model based fault diagnosis. Also this study showed that the clarified signals can be used for the calculation of the joint forces between the coupler and rocker and for the correlation between the vibration and sound levels and the clearance sizes.