천음속 축류 팬 블레이드 앞전 함몰 손상에 따른 성능 및 유동 특성 변화의 수치적 연구 = A Numerical Study on Performance and Flow Characteristics Variations Due to Leading-Edge Dent Damage in a Transonic Axial Fan Blade

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Foreign Object Damage (FOD) refers to damage caused by external objects entering an engine and can induce severe and diverse forms of deterioration on engine blades. The size, shape, and impact conditions of FOD vary widely and are difficult to define precisely. In this study, the effects of dent damage occurring at the leading edge of axial fan blades on the performance and flow characteristics of an axial compressor were investigated. Numerical simulations were performed using the commercial CFD code ANSYS CFX 18.0 based on the NASA Stage 67 compressor model. Dent damage was introduced at the leading edge of the fan blade, and damaged models were constructed by varying the damage location along the spanwise direction at 20%, 50%, and 80% span. The results were obtained through comparisons with an undamaged baseline model. In addition, a full-damaged model, in which all blades were damaged, was compared with a single-damaged model, where only one blade was damaged, to examine the flow characteristics and the extent of damage propagation. The results showed that all dent-damaged models exhibited a degradation in overall compressor performance compared to the baseline model, and the performance loss increased as the damage location moved from the hub toward the tip. The influence of dent damage on flow characteristics and performance was quantitatively analyzed through total pressure, isentropic efficiency, entropy generation, iso-Mach number distributions, and streamline analyses. Among the damaged cases, the D80 model exhibited the most significant performance degradation, where flow instabilities originating in the rotor propagated into the stator passage, leading to expanded low-velocity and flow separation regions.
This study confirms that the spanwise location of fan and compressor blade damage has a substantial impact on performance degradation, with tip-region damage having the most severe effect on compressor performance and stability.
Furthermore, it was verified that the full-damaged (full-annulus) configuration resulted in a much wider loss region and a more pronounced impact on stage performance compared to the single-damaged configuration. Overall, FOD-induced dent damage significantly alters the internal flow structure of the compressor, causing reductions in pressure ratio and efficiency, and may induce cascading effects on downstream blade rows.

국문 초록 (Abstract)

FOD(Foreign Object Damage)는 외부에서 들어오는 물질로 엔진 블레이드에 다양한 형태로 치명적인 문제를 일으킨다. FOD는 크기와 형상이 다양하고 충돌 조건도 특정하기 어렵다. 본 연구에서는 축류 팬 블레이드의 앞전에 발생한 함몰(Dent) 손상이 축류 압축기의 성능 및 유동 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 상용프로그램인 Ansys Cfx 18.0을 사용하여 NASA Stage 67 모델에 팬 블레이드 앞전의 함몰 손상의 형상을 설정하고 손상 위치를 달리해 스팬 20%, 50%, 80%로 모델을 구성하고 정상 모델과의 비교를 통해 결과를 도출한다. 또한 전체 블레이드가 손상된 Full-damaged 모델과 하나의 블레이드만 손상된 Single-damaged 모델을 비교하여, 손상 전파 범위에 따른 유동 변화 특성도 함께 검토하였다. 그 결과 함몰 손상으로 인한 모델은 정상 모델에 비해 전반적인 성능이 감소하였으며 손상 위치가 허브에서 팁으로 이동할수록 더 큰 성능 저하가 일어났다. 전압력, 등엔트로피 효율, 엔트로피 증가량, 등마하수 분석, 유선 분석 등을 통해 손상이 유동 특성과 성능에 미치는 영향을 수치적으로 확인하였다. D80 모델은 가장 큰 성능 저하가 나타났고 로터에서 발생한 유동 불안정이 스테이터까지 확장되며 저속 및 박리영역이 확장되었다. 본 연구를 통해 팬·압축기 블레이드 스팬 방향 손상 위치는 성능 저하 영향도에 큰 차이를 만들며, 특히 팁 인근 손상은 압축기 성능과 안정성에 가장 큰 영향을 준다는 것을 확인하였다. 또한 단일 손상(single)보다 전체 블레이드 손상(full-annulus)에서 손실 범위가 훨씬 넓게 확산돼 Stage 성능에 직접적인 영향을 미치는 것이 검증되었다. 종합적으로 FOD 손상은 압축기 내부 유동 구조를 크게 변화시켜 압력비 감소·효율 저하를 유발하며, 이는 이후 단계의 블레이드까지 연쇄적으로 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구 배경 및 연구목적 1
• Ⅱ. 연구내용 4
• 1. 연구 모델 선정 4
• 2. 전산해석 7
• 가. 전산해석 프로그램
• 나. 지배방정식
• 다. 압축기 성능
• 3. 난류 모델 12
• 4. 혼합면 기법 13
• 5. 손상부 모델링 14
• 6. 격자생성 16
• 7. 격자 의존도 테스트 및 검증 19
• Ⅲ. 계산 결과 및 분석 22
• 1. 성능 곡선 22
• 2. 등 마하수 분석 26
• 3. 엔트로피 분석 31
• 4. 유선 분석 36
• 5. 입출구 각도 분석 40
• Ⅳ. 전체 손상 및 단일 손상 모델에 대한 비교 분석 42
• 1. 단일 손상 모델링 42
• 2. 해석 방법 45
• 3. 성능 곡선 47
• 4. 등마하수 분석 51
• 5. 난류 운동 에너지 분석 55
• Ⅴ. 결론 59
• 참고문헌 60
• Abstract 64