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2006. 6. 26항공공학과 석사논문발표

TURBO MACHINERY LAB

저 비속도에서 사용되는 터보 펌프 임펠러의

형상최적화에 관한 연구

Optimization of a Turbo Pump Impeller

Operating at Low Specific Speed

조 종 현

논문 지도 : 조 수 용 교수님

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서 론

임펠라 베인의 설계변수 선정

최적화 및 유동해석 알고니즘

계산 및 결과

결 론

목 차

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서 론

연구배경

유량이 작고 RPM 이 높은 저 비속도를 갖는 터보펌프는 출구에서의 압력과 양정값이 커야 하므로 원심펌프의 형태가 적합하다 .

미사일의 조종용 엑츄에이터 제어를 위해 작동 유체를 가압하는데 사용되어질 것이고 , 미사일의 특성상 중량이 가벼워야 하므로 요구 설계값을 만족하면서 최소 크기를 가지도록 한다 .

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서 론

연구사례 SHF Radial Pump

(J.F. Combes, Turbomachinery Workshop, 1995) number: 7 inlet diameter: 220mm outlet diameter: 400mm rotational speed: 1200rpm nominal flow rate: 0.1118 m3/s nominal head: 31m

Investigation of the flow through a High Pressure Ratio Centrifugal Impeller

(Gernot Eisenlohr, hartmut Krain, Franz-Arno Richter, Vaentin Tiede.

ASME Turbo Expo 2002)

고압 터보펌프 개발 ( 로템 기술연구소 , 서울 대학교 . 2004)

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서 론

Operating and flow condition

Condition Specifications

Inlet Pressure 40 psi (0.28Mpa)

Inlet Temperature 20°C (293.15K)

Working Fluid MIL-PRF-83282

Fluid Density 850 kg/m³

Flowrate 10.0 gpm (45.46 lpm)

Mass Flowrate 0.54 kg/sec

Kinematic Viscosity 25 cSt

Rotational Speed 65,000 RPM

outlet Pressure 2200 psi

head 2800 m

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서 론

개략적 구조

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서 론

임펠라 형상

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임펠라 베인의 설계변수 선정

1. 8 개의 설계변수

입구직경 (D1), 입구높이 (h1), 베인의 입구익형각 (β 1b), 베인의 개수 (N), 출구에서의 높이(h2), 출구에서의 베인두께 (t2), 출구에서의 베인 익형각 (β 1b), 내부아크의 반경 (ρ 1)

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임펠라 베인의 설계변수 선정

1. 8 개의 설계변수

Height at inlet (h1), 2.6< h1 <5.5

Height at outlet (h2), 0.7 < h2 <2.2

Angle of impeller at inlet (β 1b), 5< β 1b <40

Angle of impeller at outlet (β 2b), 30< β 2b <80

Thickness of impeller at outlet (t2), 2< t2 <8

Radius of inner blade profile (ρ 1), 10< ρ 1 <56

Inlet diameter (D1), 10< D1 <18

Number of blade (Z), 5, 6, 7

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임펠라 베인의 설계변수 선정

2. 설계변수에 의한 형상의 변화

1b

1b -n*0.3

1b +n*0.3

2b

2b -n*0.3

2b +n*0.3

t2

t2 -n*0.3

t2 +n*0.3

베인의 입구익형각 (β1b): 20 , 출구에서의 베인 익형각 (β2b):45 , 출구에서의 베인두께 (t2): 3.5 에 따른 형상의 변화

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임펠라 베인의 설계변수 선정

D1

D1 -n*0.3

D1 +n*0.3

-10-5051015200

5

10

15

20

25

30

h1

h1 -n*0.3

h1 +n*0.3

-10-5051015200

5

10

15

20

25

30

h2

h2 -n*0.3

h2 +n*0.3

2. 설계변수에 의한 형상의 변화

입구직경 (D1):14 , 입구에서의 베인높이 (h1):3 , 출구에서의 베인높이 (h2):1.2 에 따른 형상의 변화

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임펠라 베인의 설계변수 선정

2. 설계변수에 의한 형상의 변화

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1 -n*0.3

1 +n*0.3

내부아크의 반경 (ρ 1):35 에서의 형상변화

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최적화 및 유동해석 알고니즘

1. 최적화 및 유동해석방법

3 차원 비압축성 난류유동 해석을 위하여 터보기계 해석에 적합한 상용 프로그램인 CFX-10 사용

최적화 알고니즘은 상용 코드인 VisualDOC 의 반응표면법 사용

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계산 및 결과 1. SHF 임펠라 유동해석코드의 검정을 위하여 본 연구의 임펠라형상과 비슷한 형상에 대한

비교로 ENSAN 에서 수행한 실험결과를 이용하였다 .

ENSAN 의 실험 임펠라와 설계임펠라

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계산 및 결과 1. SHF 임펠라

계산시간을 줄이기 위해 하나의 유로만 계산

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계산 및 결과

Static Pressure at the Shroud Centerline( 좌 )

Static Pressure at the Hub Centerline( 우 )

s/smax

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Sta

tic p

ress

ure

[N/m

2 ]

-5.0e+4

0.0

5.0e+4

1.0e+5

1.5e+5

2.0e+5

2.5e+5

ENSAMComp. 1Comp. 2

s/smax

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Sta

tic p

ress

ure

[N/m

2 ]

-5.0e+4

0.0

5.0e+4

1.0e+5

1.5e+5

2.0e+5

2.5e+5

ENSAMComp. 1Comp. 2

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계산 및 결과

Static Pressure at the Blade Shroud( 좌 )

Static Pressure at the Blade Hub( 우 )

s/smax

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Sta

tic p

ress

ure

[N/m

2]

-1.0e+5

-5.0e+4

0.0

5.0e+4

1.0e+5

1.5e+5

2.0e+5

2.5e+5

ENSAMComp. 1Comp. 2

s/smax

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Sta

tic p

ress

ure

[N/m

2]

-1.5e+5

-1.0e+5

-5.0e+4

0.0

5.0e+4

1.0e+5

1.5e+5

2.0e+5

2.5e+5

ENSAMComp. 1Comp. 2

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계산 및 결과

Static Pressure at the Blade Mid-Channel

s/smax

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Sta

tic p

ress

ure

[N/m

2 ]

-1.0e+5

-5.0e+4

0.0

5.0e+4

1.0e+5

1.5e+5

2.0e+5

2.5e+5

ENSAMComp. 1Comp. 2

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계산 및 결과

출구에서의 익형각의 변화에 따른 결과

40° 50° 60°

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계산 및 결과

출구의 베인 두께에 따른 변화

t2-2 t2-4 t2-6

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계산 및 결과

최적 형상의 설계변수

Height at inlet (h1), 4.4

Height at outlet (h2), 0.8

Angle of impeller at inlet (β 1b), 9.88

Angle of impeller at outlet (β 2b), 69.55

Thickness of impeller at outlet (t2), 2.5

Radius of inner blade profile (ρ 1), 20

Inlet diameter (D1), 12

Number of blade (Z), 7

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결론

결론

상용코드인 CFX 에 대해서 실험값과 계산값을 비교해 본 결과 소형 터보펌프 임펠라의 난류유동해석에 잘 맞는 결과를 얻을 수 있었다 .

VisualDOC 를 이용한 형상의 최적화로 유동의 흐름이 깨끗하고 성능도 향상되었다 .

블레이드 수 , 입구각 , 출구각이 성능에 미치는 영향이 비교적 크다 .

향후 계획

설계자료를 바탕으로 제작 및 성능시험