부분분사 축류형 마이크로터빈에서의 성능예측 및 성능특성에 관한 연구

조종현,최상규,조수용,Cho Chong-Hyun,Choi Sang-Kyu,Cho Soo-Yong 한국유체기계학회 2006 한국유체기계학회 논문집 Vol.9 No.4

For axial-type turbines which operate at partial admission, a performance prediction model is developed. In this study, losses generated within the turbine are classified to windage loss, expansion loss and mixing loss. The developed loss model is compared with experimental results. Particularly, if a turbine operates at a very low partial admission rate, a circular-type nozzle is more efficient than a rectangular-type nozzle. For this case, a performance prediction model is developed and an experiment is conducted with the circular-type nozzle. The predicted result is compared with the measured performance, and the developed model quite well agrees with the experimental results. So the developed model could be applied to predict the performance of axial-type turbines which operate at various partial admission rates or with different nozzle shape.

흡입성능향상을 위한 공기차단막의 효과에 관한 연구

조종현(Chong-Hyun Cho),정양범(Yang-Beom Jung),조수용(Soo-Yong Cho) 한국실내환경학회 2009 한국실내환경학회지 Vol.6 No.1

A study is conducted to improve the suction performance of suction devices which are used to remove polluted air generated by welding or machining process at a spacious working place in industries. Air-curtain is applied around the suction inlet not only to prevent absorbing fresh air from the downstream region but also to improve the suction performance from the upstream region. Four different type air-curtain devices, such as forward, sideward, 45° backward and fully backward, are adopted. Suction condition is selected to 110,000 Reynolds number which has been widely used on typical suction devices, and a width of blowing passage is chosen to 10% of suction duct diameter. Comparing the computed results, the 45° backward air-curtain method was superior to others. When the blowing mass flowrate was 42% of the suction mass flowrate, the suction region was improved to 38% compared to that of without air-curtain.

터빈입사각에 따른 회전하는 터빈의 성능에 관한 실험적연구

조종현(Chong-Hyun Cho),조수용(Soo-Yong Cho),조태환(Tae-Hwan Cho) 한국항공우주학회 2004 韓國航空宇宙學會誌 Vol.32 No.9

본 연구에서는 회전하는 터빈에서 입사각을 변경하면서 성능을 측정하여, 최적의 입사각을 찾기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 입사각은 터빈 익형의 설계에 중요한 설계변수이기 때문에 최적의 입사각을 찾기 위한 실험적 연구가 많이 수행되었었다. 하지만 대부분의 연구가 직선형이나 환형의 케스케이드에서 수행되었기에 이러한 실험장치에서 얻어진 최적의 입사각을 회전하는 터빈에 적용하는 것은 문제가 있다. 따라서 본 연구에서는 회전하는 터빈에서 입사각의 변경에 다른 성능을 측정하여 최적의 입사각을 얻고자 하였다. 실험결과는 터빈의 성능이 입사각의 변경에 따라 상당한 영향을 받고 있음을 보여주고 있으며 적용 가능한 입사각의 범위는 터빈에 가하여지는 입력공기력의 증가에 따라서 좁아지는 경향을 보여주고 있다. 본 실험에 적용된 익형에서의 최적입사각은 -12˚를 나타내었다. An experimental study on a rotating turbine is conducted with various incidence angles in order to find an optimum incidence angle. The incidence angle is an important design parameter in turbine blade design, however, most of experiments were conducted in a linear or annual cascade row. The suggested incidence angles from the experiments conducted in cascade rows could be unsuitable as a design parameter in the design of rotating parts. In this study, various incidence angles are applied and the turbine performance is measured in a rotating state. Experimental results show that the incidence on the rotor has a great influence on the turbine efficiency. The range of applicable incidence becomes narrow when the turbine operates at high input power. In the case of the tested rotor, the optimum incidence is about -12˚.

낮은 비속도를 갖는 터보펌프의 임펠러형상 최적화에 관한 연구

조종현(Chong-Hyun Cho),조봉수(Bong-Soo Cho),조수용(Soo-Yong Cho) 한국항공우주학회 2006 韓國航空宇宙學會誌 Vol.34 No.9

본 연구에서는 낮은 비속도에서 작동하는 소형터보임펠러에서 베인의 형상을 최적화하여 출구에서 높은 양정을 얻기 위한 연구를 수행하였다. 임펠러의 설계점에서 비속도는 SI 단위로 4.0 이며 임펠러의 외경은 56㎜ 이다. 최적화를 수행할 때 임펠러의 외경을 고정하여 펌프의 부피를 제한하였으며 임펠러 내부의 설계변수를 변경하면서 목적함수인 양정을 극대화하였다. 설계변수는 베인의 형상설계와 관련이 있는 8개의 설계변수를 사용 하였으며, 최적화를 위한 방법으로는 반응면법을 사용하였다. 내부유동장의 계산은 상용코드인 CFX-10을 사용였으며, 최적화된 임펠러에서 얻어진 양정은 초기설계변수에 의하여 설계되어진 임펠러에 비하여 9.7%이상 증가하였다. 이러한 증가는 내부 유로에서의 재순환영역의 감소와 직접적인 관련이 있었다. An optimization study on a small turbopump impeller operating at the low specific speed is conducted to obtain high output head at the impeller exit. Its specific speed in SI unit (RPM, m3/sec, m) is 4.0, and the outer diameter is 56 ㎜. On the optimization, the outer diameter of the impeller is maintained constant to restrict the pump size, and an objective function of pressure head is maximized with eight design variables, which are related with designing an impeller shape. The response surface method is used to the optimization scheme, and the commercial code CFX-10 is applied for numerical analysis. The pressure head of the objective function obtained with an optimized impeller is increased by 9.7% compared with that obtained on an impeller designed with typically recommended design parameters. This increment is caused by reducing the recirculation region within the impeller passage.

다단 소형 터빈에서의 부분분사 특성에 관한 연구

조종현(Chong-Hyun Cho),정우천(Woo-Chun Jeong),김재실(Chaesil Kim),조수용(Soo-Yong Cho) 한국항공우주학회 2010 韓國航空宇宙學會誌 Vol.38 No.9

본 연구에 적용된 터빈은 반경류형이며, 동익의 외경은 108 ㎜이다. 터빈은 1.4-4.1%의 낮은 부분분사율에서 작동하므로 익형은 축류형으로 설계되었으며 3단으로 구성되었다. 터빈에서 부분분사율과 팁간극 및 노즐유동각의 변화에 따른 성능의 변화를 측정하였다. 또한 터빈의 단수를 변경하면서 각 단수에서 발생되는 출력의 차이에 대한 측정이 이루어졌다. 본 연구의 터빈은 다양한 작동조건에서 운전되므로 넓은 작동범위에 따른 비교를 위하여 회전수를 변경하면서 탈설계 영역에서의 성능 평가가 이루어졌다. 뿐만 아니라 다양한 작동조건에 합당한 시스템의 평가를 위하여 총비오크가 얻어졌다. 아울러 소형터빈의 설계 및 성능예측을 위하여 유동해석을 수행하였으며 얻어진 예측의 결과는 실험으로 얻어진 결과와 잘 일치하였다. In this study, a radial inflow type turbine was applied and the outer diameter of the turbine rotor was 108 mm. The turbine blade on a circular plate disc was designed as an axial-type because its partial admission rate was 1.4-4.1%. The turbine consisted of three stages. The performance test has been conducted with various admission rates, tip clearances and nozzle flow angles. The turbine output power was measured on each stage. The turbine performance was obtained in a wide rotational speed range in order to compare its performance according to various operating conditions. The net specific output torque was also measured to compare its overall performance. Computational analysis was conducted for predicting turbine performance. The computed results were in good agreement with the experimental results.

2피치 유로의 캐스케이드 모델을 위한 벽면설계에 관한 연구

조종현(Chong-Hyun Cho),조봉수(Bong-Soo Cho),김재실(Chaesil Kim),조수용(Soo-Yong Cho) 한국항공우주학회 2008 韓國航空宇宙學會誌 Vol.36 No.8

본 연구에서는 선형 캐스케이드 실험장치의 유로를 캐스케이드 피치의 두배 넓이로 설정하고 두 개의 블레이드만을 설치하였다. 따라서 동일한 실험장치에서 다수개의 블레이드를 설치하는 경우에 비하여 큰 블레이드에서 실험이 가능하도록 하였다. 아울러 두 개의 블레이드 설치에 따른 주기조건의 어려움을 해소하기 위하여 실험장치 내의 작동유체의 배출이나 꼬리판의 조정을 하지 않아도 주기조건이 되도록 하는 실험장치의 벽면을 설계하였다. 이를 위하여 주기조건에서 얻어진 블레이드 표변에서의 마하수와 동일한 결과가 얻어지도록 목적함수를 설정하였으며, 설계변수로는 벽면의 형상변경과 관련이 있는 12개의 변수를 사용하였다. 벽면의 설계는 기울기 기반의 최적화법을 사용하였으며, 내부 유동장의 계산은 상용코드인 CFX-11을 사용하였다. 두 결과의 비교에서 벽면의 조정만으로도 동일한 유동특성이 얻어질 수 있음을 확인하였다. In a double-passage cascade apparatus, only two blades are installed in order to increase the accuracy of experimental result by applying bigger blade than the_ size of multi-blades on the same apparatus. However, this causes difficulties to make correct periodic condition. In this study, sidewalls are designed to meet periodic condition without removing the operating fluid or adjusting tail boards. Surface Mach number on the blade surface is applied to a responsible variable, and 12 design variables which are related with sidewall profile control are selected. A gradient-based optimization is adopted for wall design and CFX-11 is used for the internal flow computation. The computed result shows that it could obtain the same flow structure by modifying only the sidewalls of the double-passage cascade apparatus.

다단 마이크로터빈에서 단수 변화에 따른 터빈의 성능에 관한 실험적연구

조종현(Chong-Hyun Cho),조수용(Soo-Yong Cho),최상규(Sang-Kyu Choi) 한국항공우주학회 2005 韓國航空宇宙學會誌 Vol.33 No.12

본 연구에서는 축류형 마이크로터빈의 단 수를 단 단에서부터 최대 6단까지 변경하면서 각 단에서의 공력특성을 측정하였다. 실험에 사용된 마이크로터빈은 터빈입구에서 유량계수가 2.0, 부하계수가 3.25이며 유로의 평균직경이 25.8㎜인 소형 축류형 다단터빈이 적용되었다. 정익과 동익의 솔리디티는 0.67~0.75 범위의 값이 적용되었으며 입구에 일정한 질유량과 전압력으로 조정한 후에 터빈의 부하를 변경하면서 탈설계 영역에서의 공력특성을 측정하였다. 본 실험에서는 단 당 최대 2㎾/㎏/sec의 비출력이 얻어졌으나 단수의 증가에 따라 비출력의 증가폭은 다소 완화되었으며, 토오크의 경우는 단수가 증가되면서 낮은 회전수 영역에서는 토오크의 증가폭이 일정하나 높은 회전수영역에서는 토오크의 증가폭이 둔화되었다. 블레이드의 높이에 비하여 팁간격의 영향이 크므로 터빈의 효율은 낮으나 단 수의 증가에 따라 증가가 가능하다. An experimental study on an axial-type micro turbine which consists of maximum 6 stages is conducted to measure aerodynamic characteristics on each stage. This turbine has a 2.0 flow coefficient, 3.25 loading coefficient and 25.8㎜ mean diameter. The solidity of stators and rotors is within a 0.67~0.75, and the off-design performance is measured by changing the load after adjusting the mass flowrate and the total pressure to constant at inlet. A maximum specific output power of 2㎾/㎏/sec is obtained in one stage, but the increment of the specific output power with increasing stages is alleviated. In case of torque, the increment of the torque maintains to constant at low RPM region, but its increment become dull at high RPM region. The efficiency of the micro turbine becomes low because the tip gap effect is great due to the small blade, but it could be improved by increasing the stages.

팽창과정에서의 터보엑스펜더 영향에 관한 연구

조종현(Chong-Hyun Cho),조봉수(Bong-Soo Cho),김재실(Chaesil Kim),조수용(Soo-Yong Cho) 한국유체기계학회 2006 유체기계 연구개발 발표회 논문집 Vol.- No.-

A turbo-expander is developed for the regeneration in the expansion process. The turbo-expander operates in the partial admission and supersonic flow, and an axial-type single stage turbine is applied to the turbo-expander. Its outer diameter is 82mm and the operating gas is R134a. A 15㎾ reciprocating compressor is applied in this experiment and the turbo-expander is installed in the expansion process instead of the commonly using expansion valve. Two supersonic nozzles are applied for the expansion process. The high speed of R134a after passing the supersonic nozzles gives the impulse force to the turbo-expander and some powers are generated on this process. A generator is installed at the end of the turbo-expander shaft. The generating output power from the turbo-expander is controlled by the power controller. Pressures and temperatures are measured on the lines for the performance investigation. More than 600W/(㎏/sec) are generated in this experiment.

부분분사에서 작동하는 소형 사류형 터빈에서의 성능특성에 관한 연구

조종현(Chong-Hyun Cho),김재실(Chaesil Kim),팽진기(Jingi Paeng),조수용(Soo-Yong Cho) 한국항공우주학회 2009 韓國航空宇宙學會誌 Vol.37 No.9

본 연구에 적용된 터빈은 사류형 터빈이며 동익의 외경은 108 ㎜ 이다. 터빈은 1.7-2.0%의 낮은 부분분사율에서 작동하므로 익형은 축류형으로 설계되었으며 2단으로 구성되었다. 분사가 축방향으로 형성된 경우와 반경방향으로 형성된 경우에 따른 성능특성의 차이가 연구되었다. 또한 터빈의 단수에 따른 성능특성도 비교 되었다. 터빈의 작동범위에 따른 비교를 위하여 회전수를 변경하면서 성능평가가 이루어졌을 뿐만 아니라 시스템의 평가를 위하여 총 비토오크가 얻어졌다. 사류형 터빈이므로 축방향으로 분사되는 경우가 반경방향으로 분사되어지는 경우보다는 양호한 성능을 얻었으며, 출구단 동익의 효과는 회전수에 의하여 좌우되지만 축방향 분사터빈 경우에 최대 7.8%의 비토오크 상승의 결과를 보여주었다. A mixed-type turbine was adopted and the rotor outer diameter was 108 ㎜. Turbine rotors were designed to the axial-type blade because the turbine operated at a low partial admission rate of 1.7-2.0% with two stages. Performance characteristics were studied when the spouting from the nozzle was toward radially inward or outward direction. Additionally, the effect at each stage of the rotor was measured. For comparing with each turbine performance, properties were measured based on various rotational speeds. Measured net specific torque was used to compare with the turbine system performance. On the mixed-type turbine, better performance was obtained when the operating air spouted toward radially inward direction. The specific torque was increased by 7.8% from using the second stage although its effect depended on the rotational speed.

160% 피치의 유로에서 단일익형에 의한 캐스케이드 실험을 위한 벽면의 설계에 관한 연구

조종현(Chong-Hyun Cho),김영철(Young-Cheol Kim),안국영(Kook-Young Ahn),조수용(Soo-Yong Cho) 한국항공우주학회 2009 韓國航空宇宙學會誌 Vol.37 No.6

캐스케이드 실험장치에 한 개의 익형을 설치하여 캐스케이드 실험이 가능한 장치벽면의 설계를 수행하였다. 장치의 폭은 피치의 160% 넓이이다. 이 경우에 실험장치 내에 다수개의 블레이드를 설치하는 경우에 비하여 소형의 장치라도 실험의 정확성이 향상되는 장점이 있지만, 피치방향으로 주기조건을 맞추기가 어렵다. 본 연구에서는 주기조건이 얻어지도록 벽면의 형상설계를 내부유동장의 결과를 바탕으로 기울기기반과 유전자알고리즘의 방식을 사용하여 벽면을 설계하였다. 이를 위하여 목적함수는 캐스케이드 익형의 표면에서 얻어진 마하수를 적용하였으며, 실험장치의 형상 조정이 가능한 14개의 설계변수를 적용하였다. 유전자알고리즘에 의한 최적화 설계방식이 향상된 결과를 보여주었다. A cascade apparatus was designed with only one blade. Its passage is a 160% width of the cascade pitch. This kind of apparatus can give more accurate experimental result than those applying multi-blades even though the apparatus is small. However, this causes difficulties to make the periodic condition along the pitchwise direction. In this study, sidewalls were designed to satisfy the periodic condition based on the flow structure using a gradient based optimization and a genetic algorism. The objective function was adopted the surface Mach number obtained on the cascade and fourteen design variables were selected for controlling sidewall shapes. The designed sidewalls using the genetic algorism shows better result.