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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. 목 차. 서 론 임펠라 베인의 설계변수 선정 최적화 및 유동해석 알고니즘 계산 및 결과 결 론. 서 론. 연구배경

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Presentation Transcript
Optimization of a turbo pump impeller

저 비속도에서사용되는 터보 펌프 임펠러의

형상최적화에 관한 연구

Optimization of aTurbo Pump Impeller

OperatingatLow Specific Speed

조 종 현

논문 지도 : 조 수 용 교수님


Optimization of a turbo pump impeller

목 차

  • 서 론

  • 임펠라 베인의 설계변수 선정

  • 최적화 및 유동해석 알고니즘

  • 계산 및 결과

  • 결 론


Optimization of a turbo pump impeller

서 론

  • 연구배경

  • 유량이 작고 RPM이 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.


Optimization of a turbo pump impeller

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)


Optimization of a turbo pump impeller

서 론

Operating and flow condition


Optimization of a turbo pump impeller

서 론

개략적 구조


Optimization of a turbo pump impeller

서 론

임펠라 형상


Optimization of a turbo pump impeller

임펠라 베인의 설계변수 선정

  • 8개의 설계변수

입구직경(D1), 입구높이(h1), 베인의 입구익형각(β1b), 베인의 개수(N), 출구에서의 높이(h2), 출구에서의 베인두께(t2), 출구에서의 베인 익형각(β1b), 내부아크의 반경(ρ1)


Optimization of a turbo pump impeller

임펠라 베인의 설계변수 선정

  • 8개의 설계변수

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

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

  • Angle of impeller at inlet (β1b), 5< β1b <40

  • Angle of impeller at outlet (β2b), 30< β2b <80

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

  • Radius of inner blade profile (ρ1), 10< ρ1 <56

  • Inlet diameter (D1), 10< D1 <18

  • Number of blade (Z), 5, 6, 7


Optimization of a turbo pump impeller

임펠라 베인의 설계변수 선정

2. 설계변수에 의한 형상의 변화

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


Optimization of a turbo pump impeller

임펠라 베인의 설계변수 선정

2. 설계변수에 의한 형상의 변화

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


Optimization of a turbo pump impeller

임펠라 베인의 설계변수 선정

2. 설계변수에 의한 형상의 변화

내부아크의 반경(ρ1):35 에서의 형상변화


Optimization of a turbo pump impeller

최적화 및 유동해석 알고니즘

  • 1. 최적화 및 유동해석방법

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

  • 최적화 알고니즘은 상용 코드인 VisualDOC의 반응표면법 사용


Optimization of a turbo pump impeller

계산 및 결과

  • SHF 임펠라

  • 유동해석코드의 검정을 위하여 본 연구의 임펠라형상과 비슷한 형상에 대한 비교로 ENSAN에서 수행한 실험결과를 이용하였다.

ENSAN의 실험 임펠라와 설계임펠라


Optimization of a turbo pump impeller

계산 및 결과

  • SHF 임펠라

계산시간을 줄이기 위해 하나의 유로만 계산


Optimization of a turbo pump impeller

계산 및 결과

Static Pressure at the Shroud Centerline(좌)

Static Pressure at the Hub Centerline(우)


Optimization of a turbo pump impeller

계산 및 결과

Static Pressure at the Blade Shroud(좌)

Static Pressure at the Blade Hub(우)


Optimization of a turbo pump impeller

계산 및 결과

Static Pressure at the Blade Mid-Channel


Optimization of a turbo pump impeller

40°

50°

60°

계산 및 결과

출구에서의 익형각의 변화에 따른 결과


Optimization of a turbo pump impeller

t2-6

t2-2

t2-4

계산 및 결과

출구의 베인 두께에 따른 변화


Optimization of a turbo pump impeller

계산 및 결과

  • 최적 형상의 설계변수

  • Height at inlet (h1), 4.4

  • Height at outlet (h2), 0.8

  • Angle of impeller at inlet (β1b), 9.88

  • Angle of impeller at outlet (β2b), 69.55

  • Thickness of impeller at outlet (t2), 2.5

  • Radius of inner blade profile (ρ1), 20

  • Inlet diameter (D1), 12

  • Number of blade (Z), 7


Optimization of a turbo pump impeller

결론

결론

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

  • VisualDOC를 이용한 형상의 최적화로 유동의 흐름이 깨끗하고 성능도 향상되었다.

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

  • 향후 계획

  • 설계자료를 바탕으로 제작 및 성능시험