원심 압축기의 임펠러 원판 마찰 손실에 대한 CFD 해석

김현엽(Hyun-yop Kim),조이상(Lee-sang Cho),조진수(Jin-soo Cho) 한국항공우주학회 2011 韓國航空宇宙學會誌 Vol.39 No.7

원심 압축기의 원판 마찰 손실은 동력 손실의 한 종류로써, 원심 압축기의 전체 효율 향상을 위해 원판 마찰 손실을 줄여야 한다. 본 연구에서는 원심 압축기의 임펠러 디스크 면과 케이싱 사이의 축 간격 및 표면 조도 변화에 따른 원판 마찰 손실을 분석하였고, 원판마찰손실 저감을 위한 새로운 이론식을 제안하고자 한다. 원심 압축기 임펠러의 정상상태 해석을 위해서 상용 전산해석 코드인 FLUENT의 회전 좌표계와 2-equation k-ω SST 모델을 사용하였다. CFD 해석 결과, 원심압축기 임펠러의 원판 마찰 손실은 축 간격의 변화보다는 표면조도의 변화에 더 큰 영향을 받는 것으로 분석되었다. 원심압축기 임펠러의 원판 마찰 손실을 최소화하기 위해서 축 간격은 이론적인 경계층 두께와 동일하도록 설정하고 표면조도는 최소화해야 한다. To improve the total efficiency of centrifugal compressor, it is necessary to reduce the disk friction loss, which is defined as the power loss. In this study, the disk friction loss due to the axial clearance and the surface roughness effect is analyzed and proposed the new empirical equation for the reduction of the disk friction loss. The rotating reference frame technique and the 2-equation k-ω SST model using commercial CFD code FLUENT is used for the steady-state analysis of the centrifugal compressor impeller. According to CFD results, the disk friction loss of the impeller is more affected by the surface roughness than the change of the axial clearance. For the minimization of the disk friction loss on the centrifugal compressor impeller, the magnitude of the axial clearance should be designed to the same size compare with theoretical boundary layer thickness and the surface roughness should be minimized.

원심 압축기의 소음 방사 특성 및 방사 소음 감소

한제헌(Je-Heon Han),Yaying Niu,임창우(Changwoo Lim) 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集A Vol.44 No.4

본 연구에서는 다단 원심 공기 압축기의 방사 소음을 저감하기 위하여 다양한 소음 제어 방법을 적용하였다. 이를 위해 먼저 압축기의 방사 소음 및 진동 특성을 실험적으로 조사하였다. 측정된 데이터를 기반으로 주요 소음원과 소음 발생 메카니즘을 파악하여 적절한 소음 제어 방법을 제안 및 적용하였다. 압축기 주변의 소음 측정 및 압축기 각 부의 진동 측정을 통하여 소음 스펙트럼과 음압 분포를 얻었으며 구조 진동이 방사 소음에 미치는 영향에 대하여 파악하려 하였다. 측정된 데이터 분석을 통하여 가장 지배적인 소음 및 진동 성분이 임펠러의 블레이드 통과 주파수에 있음을 알 수 있었다. 이러한 소음을 효과적으로 제어하기 위하여 1/4 파장 공명기 어레이의 설치, 질량 댐퍼 부착 및 흡차음재를 적용하였다. The objective of this study is to recommend inexpensive noise control methods to reduce noise radiation from a multi-stage centrifugal air compressor. To this end, noise and vibration characteristics of the compressors were investigated experimentally. The noise spectra and the distribution of overall noise levels were obtained from noise measurements. The dominant frequency components of the noise data were then used to identify noise source locations. Structural vibration measurements provided vibration levels at different structural positions of the compressor. All the measurement data indicated that the most dominant noise and vibration components were at the blade passing frequencies of impellers. To control these noise components, retrofittable and inexpensive noise control methods were applied. In particular, we carried out installation of quarter-wavelength resonator arrays at the exit of the compression stage; mounting of mass dampers onto the impeller housings; and enclosing of the impeller, gearbox housings, and intercoolers using noise absorbing-insulation materials.

원심압축기의 운전점에 따른 벌류트 내부 유동장

강경준(Kyung Jun Kang),신유환(You Hwan Shin),김광호(Kwang Ho Kim),이윤표(Yoon Pyo Lee) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集B Vol.37 No.5

원심압축기에서 볼류트는 임펠러와 디퓨저를 통해 나온 유동을 모아주는 역할을 한다. 압축기의 운전점에 따라 볼류트 내부 발생하는 와류의 세기나 패턴이 달라진다. 압축기 설부에서는 압축기의 운전점에 따라 재유입 유동의 특성이 변화하고, 이러한 특성은 압축기의 성능 및 탈설계점에서의 특성을 이해하는데 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 PIV를 이용하여 압축기의 운전점에 따라 볼류트 내부에 발생하는 스크롤 와류를 측정하였으며, 압축기 설부 근처에서 유동장을 측정한 결과 유량계수가 감소할수록, 설부 측에 발생하는 박리영역이 줄어들고 압축기로 재유입되는 유동이 커지는 것을 알 수 있다. The primary function of centrifugal compressor volute is to flow from the impeller and diffuser to the pipe system. The strength of the scroll vortex and flow pattern in the volute vary with the operating point. This is largely caused by the interaction between the impeller and the volute flow fields. The recirculation flow around the tongue and the scroll vortex can be used to understand the characteristics of the volute flow at off-design points. The present study aims to find the characteristics of a flow pattern in the diffuser and volute of a centrifugal compressor from the rectangular cross section of the volute. Measurements are carried out using PIV. The results obtained in this study show that the separation region around the tongue is reduced and that the recirculation flow increases as the flow coefficient decreases.

효율과 소음을 고려한 원심압축기 임펠러, 디퓨저, 볼류트의 최적설계 방법

하경구,성선모,강신형 대한기계학회 2007 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2007 No.10

A centrifugal compressor is a principal part of the fuelcell vehicles, aircraft and home appliances. Therefore not only efficiency but also compact size and a low operation RPM for noise reducing turn into important criteria of centrifugal compressors design. But those criteria are in conflict each other often. In the case of a RPM in particular, it is profitable to lower the RPM for a noise reduction and an endurance. but for a compact size and a light weight, the reverse has a beneficial effect undoubtedly. So it is necessary to introduce a new optimization concept in the centrifugal compressor design. An one dimensional optimal design method for the centrifugal compressor considering a impeller, a vaneless diffuser and a volute at a time is described. The new optimization process and underlying design methods of centrifugal compressors and some optimal design results are included in the paper.

원심압축기의 링 그루브 효과에 관한 수치해석적 연구

박치용(Chi-Yong Park),최영석(Young-Seok Choi),이경용(Kyoung-Yong Lee),윤준용(Joon-Yong Yoon) 대한설비공학회 2010 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2010 No.6

This paper presents the numerical study of casing treatments on a centrifugal compressor stage for improving stability and enhancing surge margin. A high efficiency, a high pressure ratio and a wide operating range are required for a high performance centrifugal compressor. In the present study, the ring groove arrangement was applied to the transonic centrifugal compressor. According to the numerical analysis by using a commerical code ANSYS-CFX, the unstable phenomena limiting the range of the centrifugal compressors were compared with and without ring groove. Although ring groove decrease the efficiency, but increase the operating range by suppressing the separation at the leading-edge of the impeller especially near shroud part. Newly designed ring groove arrangement improved the compressor performance and increased the operating range of the compressor.

차수 축약 추정 기반 모델 예측 제어기를 이용한 압축기 공기 유량 제어

한재영(Jaeyoung Han),김영현(Younghyeon Kim),유상석(Sangseok Yu),이선(Sun Yi) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集B Vol.42 No.6

본 연구에서는 원심압축기 출구 공기 유량 제어를 위한 차수 Estimation(추정기), 축약 기반 모델예측 제어기를 설계하였다. 일반적으로 압축기 공기 유량의 측정은 고 비용의 센서를 필요로 한다. 하지만 압축기 출구 유량을 추정할 수 있는 추정기를 설계하면 센서 비용을 절감할 수 있다. 개발된 원심압축기 모델은 모델의 정확도를 보장하기 위해 실험과의 검증을 수행하였다. 원심압축기의 출구 공기 유량은 차수 축약 추정기를 이용하여 추정하였으며, 요구 공기 유량을 제어하기 위해 비용 함수를 최적화하는 기법을 본 연구에 적용하였다. 추정된 출구 공기 유량은 모델에서 출력되는 출구 공기 유량을 견실하게 추정한다. 결론적으로, 차수 축약 기반 모델 예측 제어는 압축기 공기 유량을 견실하게 추정하며, 압축기 출구 공기 유량을 적절히 제어하는 것을 확인할 수 있다. In this study, a model-prediction-controller (MPC)-based reduce order estimator is designed to regulate the outlet air flow rate of a centrifugal compressor. In general, measuring the compressor outlet air flow rate is costly. However, an estimation design method that properly estimates this air flow rate can reduce the sensor cost. The accuracy of our designed centrifugal compressor is validated through experimental data. The outlet air flow rate is estimated by reduce order estimation, which is necessary to control the desired air flow rate. In addition, a cost function is applied in this study. Our experiments yielded an estimated outlet air flow rate that is acceptable. In general, our MPC-based reduce order estimation proved robust and was regulated to achieve a desirable air flow rate.

상태 공간 기법을 이용한 원심압축기 공기 유량 모델 기반 적응 제어

한재영(Jaeyoung Han),정문청(Mooncheong Jung),유상석(Sangseok Yu),이선(Sun Yi) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集B Vol.40 No.8

본 연구에서는 차량용 슈퍼차져의 원심압축기 출구 공기 유량을 제어하기 위한 모델 기반 적응제어기를 설계하였다. 원심압축기 모델은 운전 동특성을 확인할 수 있는 해석적 기반으로 개발하였으며, 개발된 모델은 실험과의 검증을 통해 타당성을 확인하였다. 모델 기반 적응제어는 압축기 모델과 적응제어기로 구성되었다. 피드백 제어는 시스템 파라미터의 변화에 견실 제어가 가능하지 않지만, 적용된 적응 제어는 시스템 파라미터의 변화에 견실 제어가 가능하다. 결론적으로, 모델 기반 제어는 제어 요구 유량에 제어가 이루어지며, 또한 시스템 파라미터가 변화해도 피드백 제어에 비해 견실한 제어가 이루어지는 것을 확인할 수 있다. In this study, a model reference adaptive controller is developed to regulate the outlet air flow rate of centrifugal compressor for automotive supercharger. The centrifugal compressor is developed using the analytical based method to predict the transient behavior of operating and the designed model is validated with experimental data to confirm the system accuracy. The model reference adaptive control structure consists of a compressor model and a MRAC(model reference adaptive control) mechanism. The feedback control do not robust with variation of system parameter but the applied adaptive control is robust even if the system parameter is changed. As a result, the MRAC was regulated to reference air flow rate. Also MRAC was found to be more robust control compared with the feedback control even if the system parameter is changed.

효율과 무게를 고려한 원심압축기 최적설계에 관한 연구

이영환(Younghwan Lee),하경구(Kyung Gu Ha),강신형(Shin-Hyoung Kang) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集B Vol.39 No.4

여러 산업분야에서 다양한 원심압축기가 사용되고 있다. 따라서 사용자의 요구에 맞는 원심압축기의 설계가 복잡해졌고, 최적화된 설계점을 찾는 것은 더욱 어려워졌다. 전통적으로 효율은 최적화의 중요한 요소이다. 본 연구에서는 효율 외에도 압축기의 무게를 고려하여 설계하였다. 본 연구의 목적은 압축기의 효율과 무게를 고려할 때에 그 고려하는 가중치의 변화에 따라 설계의 경향성이 나타남을 확인하는 것에 있다. 또한, 이를 바탕으로 초기 설계 단계에서 객관적인 설계점을 선택할 수 있음을 보여주는데 있다. 본 연구에서는 베인이 없는 디퓨저를 한정하여 연구하였다. 최적화를 위해서 크리깅을 사용하였고, 1차원 설계 프로그램의 표본을 적절히 이용하였다. 설계공간을 적절히 가정하였고, 설계공간 내에서 최적설계점을 계산하였다. Various centrifugal compressors are currently used extensively in industrial fields, where the design requirements are more complicated. This makes it more difficult to determine the optimal design point of a centrifugal compressor. Traditionally, the efficiency is an important factor for optimization. In this study, the weight of the compressor was also considered. The aim of this study was to present the design tendency considering the stage efficiency and weight. In addition, this study suggested possibility of a selection of compressor design objectives at an early design stage based on the optimization results. Only a vaneless diffuser was considered in this case. The Kriging method was used with sample points from 1D design program data. The optimal points were determined in a substitute design space.

120 ℃ 고온 히트펌프용 자기 베어링 내장 무급유 원심 압축기의 성능평가

고희환(Heehwan Ko),정동진(Dongjin Jeoung),임세명(Semyeong Lim),김경엽(Kyungyup Kim) 대한설비공학회 2018 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2018 No.6

This paper describes on the aerodynamic performance evaluation of the oil-free centrifugal compressor equipped with magnetic bearing for a high-temperature heat pump. Utilizing the experimental setup, we tested the centrifugal refrigeration compressor installed on closed loop high-temperature heat pump system, the test equipments and test results are presented. The required performance of the compressor was tested according to the test code like the ANSI/AHRI standard 550/590, ANSI/AHRI 540 and ASME PTC 10. The oil-free centrifugal refrigerant compressor with magnetic bearing showed superior durability than the refrigerant compressor with gas-foil bearing even in sudden and continuous surging. In order to increase the measurement accuracy, the heat balance relations were compared by measuring the refrigerant mass flow rate, pressurized water flow rate, steam generation amount, and power consumption of a motor.

항공기용 ACM 원심압축기의 전산유체해석 및 실험 비교 연구

김재훈,김정엽,이균호,김경수,안성민,백승윤,조재필 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.11

항공기는 고도에 따라 수시로 압력과 온도가 변화하기 때문에 이를 제어하기 위한 환경 제어 시스템이 필요하다. 환경 제어 시스템의 핵심 부품인 ACM(Air Cycle Machine)은 엔진으로부터 유입된 고온의 공기를 역 브레이튼 사이클을 이용해 냉각시켜 기내의 여압과 온도를 조절한다. 본 논문에서는 ACM의 원심압축기 설계 형상을 이용해 모델링하고 전산유체해석을 수행하였다. 또한 전산유체해석을 통해 원심압축기의 성능 특성을 실제 실험 결과와 비교하여 검증하였다. 전산유체해석을 위해 상용 CFD 소프트웨어인 ANSYS의 Design Modeler, BladeGen, CFX를 이용하였다. Aircraft requires ECS(Environmental Control System) since the change in pressure and temperature from time to time as the aircraft altitude. ACM(Air Cycle Machine) which core part of the ECS controls the temperature and the cabin pressurization using a reverse Brayton cycle for the hot air flowing from the engine. In this paper, performed computational fluid analysis with centrifugal compressor modeling using design shape. In addition, perfomance characteristics of a centrifugal compressor through a computational fluid analysis compared with the actual test results. commercial CFD software ANSYS of Design Modeler, BladeGen, CFX are used for computational fluid dynamics analysis.