저 레이놀즈 수가 1단 축류 압축기 성능에 미치는 영향 :Effects of the Low Reynolds Number on the Performance in an Axial Compressor

김태곤

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김태곤 (명지대학교, 명지대학교 대학원)

지도교수: 최민석

발행연도: 2014

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2014

저 레이놀즈 수가 1단 축류 압축기 성능에 미치는 영향

김태곤 일반 2014.01 학위논문

2013

저 레이놀즈 수가 1단 축류 압축기 성능에 미치는 영향

김태곤 , 정영진 , 최민석 대한기계학회 춘추학술대회 2013.05 학술대회자료

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최근에는 가스터빈 엔진의 소형화와 고고도에서 운전할 수 있는 가스터빈 엔진의 필요성이 증가됨에 따라, 축류 압축기 성능 향상을 위해서 유동 현상에 대한 연구와 손실에 대한 수치해석적 접근의 필요성이 증가하고 있다. 하지만 지금까지 진행된 대부분의 연구들이 저 레이놀즈 수에 따른 터빈의 성능과 내부유동 연구에 초점이 맞춰져 있다. 따라서 압축기 내 저 레이놀즈 수에 따른 유동의 변화를 알아보기 위해 축류 압축기, Statge 37을 선정하여 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 1단 천음속 축류 압축기에 대한 수치해석을 수행 하였으며 NASA의 성능시험 결과와의 비교를 통해 결과를 상호 검증하였다. 이러한 검증 작업 후에는, 1단 천음속 축류 압축기의 레이놀즈 수를 변경하면서 레이놀즈 수에 따른 성능 변화를 계산하였고 각 레이놀즈 수에서의 상세 유동장 분석을 통해 천음속 축류 압축기의 내부 유동특성을 파악하는데 중점을 두었다. 유동특성의 파악은 크게 성능분석, 내부유동분석, 손실분석으로 이루어졌다.
수치해석 결과는 성능시험 결과와 비교하였으며, 그 결과 최대 효율점에서 오차율이 전압비는 3%, 효율은 0.9%로 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 그리고 레이놀즈 수를 감소시켰을 때 전압비와 질량유량은 기준값에 비해 최대 1%와 4% 감소하였다. 레이놀즈 수가 기준값보다 작은 경우에는, 점도의 영향이 증가하면서 압축기 내부유동에 상당한 영향을 주며 레이놀즈 수가 감소함에 따라 익단 누설유동과 압축기내 충격파가 약해진다. 또한, 레이놀즈 수에 따른 Stage 37의 전압손실 분석 결과, 압축기에도 터빈과 같이 레이놀즈 수 250,000 근처에서 임계 레이놀즈 수가 존재하며, 임계 레이놀즈 수 이하에서는 급격한 전압손실이 발생함을 확인하였다. 이외에도 레이놀즈 수가 감소함에 따라 발생하는 다양한 유동특성과 손실특성을 확인하였고 비 정상 계산을 통해 자세한 유동현상을 관찰하였다

Three-dimensional numerical simulations currently draw substantial attention from the turbomachinery society and make great contribution to many areas including compressors, turbines, pumps, fans, browers, etc. In this work, three-dimensional numerical simulations were conducted to understand the effects of low Reynolds numbers on the performance in a transonic axial compressor. Particular emphasis has been placed on the causes of high loss especially at very low Reynolds numbers. The main work covers three-dimensional numerical simulations and loss analysis for different Reynolds numbers.
For the reference case, the computational results showed good agreements with the experimental data in total pressure ratio and adiabatic efficiency. With decreasing Reynolds number, the mass flow rate and total pressure ratio of the axial compressor decreased by 4% and 1% respectively in comparison to the reference case. This study found that large viscosity significantly affects the location and intensity of the passage shock wave, which moves toward the leading edge at low Reynolds numbers. Also, this results successively changes internal flow pattern such pressure distribution on the blade surface, tip leakage flow and separation. An attempt has been made to explain the dependence of the performance and the total pressure loss on the Reynolds number in an one-stage transonic axial compressor. Only the wake loss increases as Reynolds number decreases. The other loss generated by tip leakage flow, shock wave and boundary layer on the wall decrease significantly at low Reynolds numbers. In unsteady simulations, the unsteadiness caused by the rotor-stator interaction does not always increases at low Reynolds numbers. Due to the weak tip leakage flow and shock waves, the unsteadiness decreases above mid-span but increases below mid-span behind rotors. Behind stators, however, turbulence intensity increases significantly when a large separation appears at low Reynolds numbers.

#저 레이놀즈 수 #축류압축기 #Stage 37

제 1 장 서 론
1-1. 연구 배경 1
1-2. 연구 동향 3
1-3. 연구 목적 5
제 2 장 실 험 구 성
2-1. 대상 압축기 및 격자계 6
2-2. 측정 위치 7
2-3. 격자계 8
2-4. 수치적 기법 9
2-5. 경계 조건 10
제 3 장 실 험 결 과
3-1. 정상상태 계산 결과
3-1-1. 성능곡선 분석 11
3-1-2. 내부유동 분석
(가) 전압비 및 전온도비 분포곡선 13
(나) 상대 마하수 분포 14
(다) 정압 분포 곡선 15
(라) 정압 분포 17
(마) 엔트로프 분포 19
(바) 익단 간극에서의 유선분포 21
(사) 블레이드 표면에서의 유선분포 22
3-1-3. 손실특성 분석
(가) 전압손실 곡선 24
(나) 엔트로피 분포 25
(다) 레이놀즈 수에 따른 손실 변화 26
(라) 전압 곡선 27
3-2. 비 정상상태 계산 결과
3-2-1. 비 정상상태 압력특성 곡선 28
3-2-2. 난류 분포 29
3-2-3. 난류 운동에너지 분포 곡선 32
제 4 장 결 론 33
참고문헌 34
Abstract 37

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