KR20120013501A - Optimization design method for casing grooves of an axial compressor and the optimized casing grooves - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An optimization design method for a casing groove of an axial compressor is provided to optimize the shape of a casing groove using an optimization theory. CONSTITUTION: A design variable of a casing groove is selected in consideration of the shape of an axial compressor. An objective function is determined(S10). A design area is set while the design variable is limited(S20). Numerical analysis is performed in the selected design area(S30). An optimization point is searched in the design area based on the numerical analysis result(S40).

Description

축류압축기의 케이싱 그루브 최적설계방법 및 최적설계된 케이싱 그루브 {Optimization design method for casing grooves of an axial compressor and the optimized casing grooves}Optimal design method for casing grooves of an axial compressor and the optimized casing grooves}

본 발명은 축류압축기의 케이싱 그루브 최적설계방법 및 최적설계된 케이싱 그루브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 축류압축기의 형상 정의, 격자생성, 경계조건의 정의 및 내부 유동장에 대한 수치해석을 통해 케이싱 그루브를 형상을 최적화시키고, 그루브가 형성되지 않은 축류압축기와 기본적인 그루브가 형성된 축류압축기 및 본 기술에 의해 최적화된 그루브가 설치된 축류압축기의 성능 비교를 통해 최적화된 그루브가 설치된 축류압축기에서 스톨마진이 최대가 됨을 검증함으로써 지속적으로 스톨마진을 향상시키기 위한 케이싱 그루브의 설계가 가능하도록 하는 축류압축기의 케이싱 그루브 최적설계방법 및 최적설계된 케이싱 그루브에 관한 것이다.
The present invention relates to a casing groove optimum design method and optimally designed casing groove of the axial compressor, and more specifically, to the casing groove through the numerical definition of the shape of the axial compressor, lattice generation, boundary conditions and internal flow field Performance of the grooved axial compressor and the basic grooved axial compressor and the grooved axial compressor optimized by the present technology to verify the maximum stall margin in the optimized grooved axial compressor. The present invention relates to a casing groove optimum design method and optimally designed casing groove of an axial compressor, which enables the design of a casing groove to continuously improve the stall margin.

축류압축기는 높은 효율과 고유량 영역에서 작동하는 터보기계로서 주로 제트 엔진이나 선박용 엔진 등의 가스터빈 내에 사용되고 있다. 이러한 축류압축기는 저유량 영역에 도달 시 실속(stall) 및 서지(surge) 현상에 의하여 심한 진동이 발생하게 되어 효율과 같은 성능의 저하 뿐만 아니라 압축기의 작동 안정성에도 많은 문제점을 야기하므로 설계시 많은 제한 조건을 고려하여 설계해야 한다.Axial compressors are turbomachines operating in a high efficiency and high flow rate area, and are mainly used in gas turbines such as jet engines and marine engines. When the axial compressor reaches the low flow rate region, severe vibration occurs due to stall and surge phenomena, which causes many problems not only in performance such as efficiency but also in the operational stability of the compressor. The design should take account of the conditions.

최근 들어, 전산유체역학(CFD; Computational Fluid Dynamics)을 기초로 하는 삼차원 수치해석을 통하여 축류압축기의 저유량 영역 내에서 발생하는 실속 및 서지현상 등의 유동 메커니즘을 예측할 수 있고, 이를 규명하려는 연구가 활발히 이루어지고 있다.Recently, through the three-dimensional numerical analysis based on Computational Fluid Dynamics (CFD), it is possible to predict the flow mechanism such as stall and surge occurring in the low flow region of the axial compressor. Actively done.

상기와 같은 수치해석을 통한 연구 결과, 축류압축기의 케이스 표면에 홈을 파서 케이싱 그루브를 형성시키면 축류압축기의 케이스 부근에서 발생하는 팁 누설 와류 및 충격파의 상호작용으로 인해 발생하는 실속현상을 지연시켜 스톨마진을 향상시킬 수 있고, 서지마진을 증가시킬 수 있음이 알려지게 되었다.As a result of the study through the numerical analysis, the casing groove is formed by digging a groove on the case surface of the axial compressor to stall stall by delaying stall phenomenon caused by the interaction of tip leakage vortex and shock wave occurring near the case of the axial compressor. It is known that margins can be improved and surge margins can be increased.

이와 같은 기술로, 미국 공개특허공보 US2003/0138317호에는 한 개 이상의 그루브를 형성시켜 압축기 날개의 팁 근처에 잠재적으로 불안정한 볼텍스의 성장을 방지하기 위한 유체 압축기용 케이싱 처리에 관한 구성이 개시되어 있는데, 상기 구성은 단순히 케이스에 그루브를 형성시킨다는 내용만 기재되어 있을 뿐 그루브의형상이나 크기 및 개수 등을 한정하여 케이싱 그루브를 최적화시킬 수 있도록 하는 구성에 대하여는 전혀 나타나 있지 않다.With this technique, U.S. Patent Publication No. US2003 / 0138317 discloses a configuration of casing treatment for a fluid compressor for forming one or more grooves to prevent the growth of potentially unstable vortex near the tip of the compressor wing. The above configuration merely describes the formation of grooves in the case, but does not appear at all in the configuration for optimizing the casing groove by limiting the shape, size and number of grooves.

또한, 최근 들어 다양한 방법으로 시행착오에 의해 케이싱 그루브의 형상 등을 수치적으로 계산하기 위한 연구는 진행되고 있으나, 최적설계기법을 통해 지속적으로 스톨마진을 향상시키기 위한 케이싱 그루브의 설계를 가능하게 하는 방법은 아직까지 제시되고 있지 않은 실정이다.
In addition, in recent years, studies have been conducted to numerically calculate the shape of the casing groove by trial and error by various methods, but it is possible to design a casing groove for continuously improving the stall margin through an optimal design technique. The method is not yet proposed.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 시행착오를 통한 제한적인 시험이 아닌 최적화 이론을 사용한 체계적인 최적설계를 통해 케이싱 그루브의 형상을 전체 설계영역에서 최적화시킬 수 있도록 하는 축류압축기의 케이싱 그루브 최적설계방법 및 최적설계된 케이싱 그루브를 제공함에 있다.
The present invention has been made to solve the problems described above, the object of the present invention is to optimize the shape of the casing groove in the entire design area through a systematic optimization design using optimization theory rather than a limited test through trial and error The present invention provides an optimal casing groove design method and an optimal casing groove for an axial compressor.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은,According to an aspect of the present invention,

축류압축기의 형상을 고려하여 케이싱 그루브의 설계변수를 선정하고, 목적함수를 결정하는 문제의 공식화 단계와; 설계변수의 범위를 한정하여 설계영역을 설정하는 설계영역 선정단계와; 선정된 설계영역에서의 수치해석을 수행하는 수치해석단계; 및 수치해석결과를 토대로 하여 설계영역에서의 최적점을 탐색하는 최적점 탐색단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.Formulating a problem of selecting a design variable of the casing groove in consideration of the shape of the axial compressor and determining an objective function; A design area selection step of setting a design area by limiting a range of design variables; A numerical analysis step of performing numerical analysis in the selected design area; And an optimum point searching step of searching for an optimum point in the design area based on the numerical analysis result.

이때, 상기 설계변수는 팁 코드의 길이로 무차원화된 케이싱 그루브의 폭과 넓이인 것을 특징으로 한다.At this time, the design variable is characterized in that the width and width of the casing groove dimensioned by the length of the tip cord.

또한, 상기 목적함수는

Figure pat00001
으로 정의되는 축류압축기의 스톨마진인 것을 특징으로 한다.In addition, the objective function is
Figure pat00001
It is characterized in that the stall margin of the axial compressor defined by.

(이때, SM: 스톨마진,

Figure pat00002
: 최대효율점에서의 유량,
Figure pat00003
:스톨인근점에서의 유량,
Figure pat00004
: 최대효율점에서의 전압력,
Figure pat00005
: 스톨인근점에서의 유량.)(At this time, SM: Stall margin,
Figure pat00002
= Flow rate at the maximum efficiency point,
Figure pat00003
Flow rate near the stall
Figure pat00004
= Voltage force at the maximum efficiency point,
Figure pat00005
: Flow rate near stole.)

그리고, 상기 최적점 탐색단계에서는 신경회로망 기법으로부터 케이싱 그루브의 최적 설계 변수값을 결정하는 것을 특징으로 한다.In the search for the optimum point, the optimal design parameter value of the casing groove may be determined from a neural network technique.

한편, 본 발명에 따른 최적설계된 케이싱 그루브는,On the other hand, the optimally designed casing groove according to the present invention,

축류압축기의 케이싱 그루브에 있어서, 블레이드 팁 코드(Tip chord)의 길이로 무차원화된 상기 케이싱 그루브의 깊이 및 넓이는 각각 0.177 및 0.164인 것을 특징으로 한다.
In the casing groove of the axial compressor, the depth and width of the casing groove dimensioned by the length of the blade tip chord are 0.177 and 0.164, respectively.

본 발명에 따르면, 신경회로망 모델을 이용하여 케이싱 그루브를 형상을 최적화시키고, 그루브가 형성되지 않은 축류압축기와 기본적인 그루브가 형성된 축류압축기 및 본 기술에 의해 최적화된 그루브가 설치된 축류압축기의 성능 비교를 통해 최적화된 그루브가 설치된 축류압축기에서 스톨마진이 최대가 됨을 검증함으로써 지속적으로 스톨마진을 향상시키기 위한 케이싱 그루브의 설계가 가능하도록 하는 뛰어난 효과를 갖는다.
According to the present invention, the neural network model is used to optimize the shape of the casing groove, and compare the performance of the axial compressor without grooves, the axial compressor with basic grooves, and the axial compressor with grooves optimized by the present technology. By verifying the maximum stall margin in axial compressors with optimized grooves, the casing groove can be designed to continuously improve the stall margin.

도 1은 본 발명에 따른 축류압축기의 케이싱 그루브 최적설계방법을 나타낸 흐름도.
도 2는 축류압축기의 케이싱 그루브를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3의 (a),(b)는 본 발명에서 사용되는 NASA Rotor 37의 3차원 형상 및 자오선 형상을 나타낸 도면.
도 4의 (a),(b)는 도 1에 나타낸 본 발명 중 수치해석단계에서 사용되는 단일유로의 6면체 격자계와, 그루브의 6면체 격자계를 나타낸 도면.
도 5는 도 1에 나타낸 본 발명 중 수치해석단계에서의 해석결과를 검증하기 위해 기존 성능시험과의 비교결과를 나타낸 도면.
도 6은 도 1에 나타낸 본 발명 중 최적점 탐색단계에서의 신경회로망모델에 의한 3차원 탐색결과를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 최적화된 케이싱 그루브와 기준 형상의 케이싱 그루브를 비교하여 나타낸 도면.
도 8은 목적함수의 설계변수에 대한 민감도 분석을 나타낸 도면.
도 9는 그루브가 없는 형상과 기준형상 및 최적형상의 그루브를 갖는 압축기 성능을 비교하여 나타낸 도면.
도 10의 (a)~(c)는 케이싱 그루브가 없는 형상의 스톨 인근점에서 그루브가 없는 형상과 기준형상, 최적형상의 전압력과 팁 누설와류를 나타낸 도면.
도 11의 (a)~(c)는 그루브가 없는 형상의 스톨 인근점에서 그루브가 없는 형상과 기준형상, 최적형상에 대한 마하수를 나타낸 도면.
도 12의 (a),(b)는 기준 형상의 스톨 인근점에서 기준형상과 최적형상의 마하수 분포를 나타낸 도면.
도 13의 (a),(b)는 도 12의 (a),(b)에서의 A-B 단면에서 기준형상과 최적형상의 속도 벡터를 나타낸 도면.
1 is a flow chart showing a casing groove optimum design method of the axial compressor according to the present invention.
2 schematically shows a casing groove of an axial compressor;
Figure 3 (a), (b) is a view showing the three-dimensional shape and the meridian shape of NASA Rotor 37 used in the present invention.
Figure 4 (a), (b) is a diagram showing a hexagonal lattice system of the single channel used in the numerical analysis step of the present invention shown in Figure 1, and a hexagonal lattice system of the groove.
5 is a view showing a comparison with the existing performance test to verify the analysis results in the numerical analysis step of the present invention shown in FIG.
6 is a view showing a three-dimensional search results by the neural network model in the optimum point search step of the present invention shown in FIG.
7 shows a comparison of an optimized casing groove and a reference shape casing groove according to the invention.
8 is a diagram illustrating a sensitivity analysis of design variables of an objective function.
FIG. 9 shows a comparison of compressor performance with grooves of reference and optimum shape grooves. FIG.
(A)-(c) is a figure which shows the grooveless shape, the reference shape, the optimal shape voltage force, and tip leakage vortex at the stall vicinity point of a shape without a casing groove.
(A)-(c) is a figure which shows the Mach number with respect to the shape without a groove, a reference shape, and an optimal shape in the vicinity of the stall of a shape without a groove.
12 (a) and 12 (b) are diagrams showing Mach number distributions of a reference shape and an optimal shape at a stall neighborhood of the reference shape.
13 (a) and 13 (b) show velocity vectors of a reference shape and an optimal shape in the AB section in FIGS. 12 (a) and 12 (b).

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 축류압축기의 케이싱 그루브 최적 설계방법 및 최적설계된 케이싱 그루브의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the casing groove optimal design method and optimally designed casing groove of the axial compressor according to the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 축류압축기의 케이싱 그루브 최적설계방법을 나타낸 흐름도이고, 도 2는 축류압축기의 케이싱 그루브를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 3의 (a),(b)는 본 발명에서 사용되는 NASA Rotor 37의 3차원 형상 및 자오선 형상을 나타낸 도면이고, 도 4의 (a),(b)는 도 1에 나타낸 본 발명 중 수치해석단계에서 사용되는 단일유로의 6면체 격자계와, 그루브의 6면체 격자계를 나타낸 도면이며, 도 5는 도 1에 나타낸 본 발명 중 수치해석단계에서의 해석결과를 검증하기 위해 기존 성능시험과의 비교결과를 나타낸 도면이고, 도 6은 도 1에 나타낸 본 발명 중 최적점 탐색단계에서의 신경회로망모델에 의한 3차원 탐색결과를 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명에 따른 최적화된 케이싱 그루브와 기준 형상의 케이싱 그루브를 비교하여 나타낸 도면이고, 도 8은 목적함수의 설계변수에 대한 민감도 분석을 나타낸 도면이며, 도 9는 그루브가 없는 형상과 기준형상 및 최적형상의 그루브를 갖는 압축기 성능을 비교하여 나타낸 도면이고, 도 10의 (a)~(c)는 케이싱 그루브가 없는 형상의 스톨 인근점에서 그루브가 없는 형상과 기준형상, 최적형상의 전압력과 팁 누설와류를 나타낸 도면이며, 도 11의 (a)~(c)는 그루브가 없는 형상의 스톨 인근점에서 그루브가 없는 형상과 기준형상, 최적형상에 대한 마하수를 나타낸 도면이고, 도 12의 (a),(b)는 기준 형상의 스톨 인근점에서 기준형상과 최적형상의 마하수 분포를 나타낸 도면이며, 도 13의 (a),(b)는 도 12의 (a),(b)에서의 A-B 단면에서 기준형상과 최적형상의 속도 벡터를 나타낸 도면이다.
1 is a flow chart showing a casing groove optimum design method of the axial compressor according to the present invention, Figure 2 is a schematic view showing a casing groove of the axial compressor, Figure 3 (a), (b) is used in the present invention Figure 3 shows a three-dimensional shape and a meridional shape of NASA Rotor 37, Figure 4 (a), (b) is a hexagonal lattice system of a single channel used in the numerical analysis step of the present invention shown in Figure 1, the groove FIG. 5 is a diagram showing a hexahedral lattice system, and FIG. 5 is a diagram showing a comparison result with an existing performance test to verify an analysis result in a numerical analysis step of the present invention illustrated in FIG. 1, and FIG. Figure 3 is a view showing a three-dimensional search results by the neural network model in the optimum point search step, Figure 7 is a view showing a comparison of the casing groove of the optimized casing groove and the reference shape according to the present invention, 8 is a diagram illustrating the sensitivity analysis of the design variables of the objective function. FIG. 9 is a diagram showing the performance of a compressor having a grooveless shape and a groove having a reference shape and an optimal shape, and FIGS. c) is a diagram showing the grooveless shape, the reference shape, the optimal shape of the voltage force and the tip leakage vortex at the vicinity of the stall of the shape without the casing groove, and (a) to (c) of FIG. Fig. 12 (a) and 12 (b) show the Mach number distribution of the reference shape and the optimal shape at the point near the stall of the reference shape. 13 (a) and 13 (b) are diagrams showing velocity vectors of the reference shape and the optimum shape in the AB section in FIGS. 12 (a) and 12 (b).

본 발명은 축류압축기의 형상 정의, 격자생성, 경계조건의 정의 및 내부 유동장에 대한 수치해석을 통해 케이싱 그루브를 형상을 최적화시키고, 그루브가 형성되지 않은 축류압축기와 기본적인 그루브가 형성된 축류압축기 및 본 기술에 의해 최적화된 그루브가 설치된 축류압축기의 성능 비교를 통해 최적화된 그루브가 설치된 축류압축기에서 스톨마진이 최대가 됨을 검증함으로써 지속적으로 스톨마진을 향상시키기 위한 케이싱 그루브의 설계가 가능하도록 하는 축류압축기의 케이싱 그루브 최적설계방법 및 최적설계된 케이싱 그루브에 관한 것으로, 먼저 본 발명에 따른 축류압축기의 케이싱 그루브 최적설계방법(이하, '최적설계방법'이라 함)은 문제의 공식화 단계(S10), 설계영역 선정단계(S20), 수치해석단계(S30) 및 최적점 탐색단계(S40)를 포함하여 구성된다.The present invention optimizes the shape of the casing groove by numerically defining the shape, lattice generation, boundary condition, and internal flow field of the axial compressor, and the axial compressor without grooves and the axial compressor with basic grooves and the present technology Comparison of the performance of axial compressors with grooves optimized by means of verifying that the stall margin is maximized in the axial compressors with optimized grooves, so that casing grooves can be designed to continuously improve the stall margin. The groove optimal design method and the optimally designed casing groove. First, the casing groove optimal design method (hereinafter referred to as 'optimal design method') of the axial compressor according to the present invention is the formulation of the problem (S10), the design area selection step. (S20), the numerical analysis step (S30) and the optimum point search step (S40) It is open configuration.

보다 상세히 설명하면, 상기 문제의 공식화 단계(S10)는 축류압축기의 형상을 고려하여 케이스에 형성될 케이싱 그루브(30)의 설계변수를 선정하고, 설계영역 내에서 최대가 되도록 하는 즉, 최적화할 목적함수(objective function)를 결정하는 단계에 관한 것이다.In more detail, the formulating step (S10) of the problem is to select the design variables of the casing groove 30 to be formed in the case in consideration of the shape of the axial compressor, so that the maximum within the design area, that is, the purpose of optimization It relates to the step of determining an objective function.

즉, 목적함수를 최대화하기 위한 케이싱 그루브(30)의 형상을 결정하기 위하여 설계변수를 먼저 선정하게 되는데, 본 발명에서는 도 2에 나타낸 바와 같이, 팁 코드(tip chord)의 길이(C)로 무차원화된 케이싱 그루브(30)의 넓이(W/C)와 깊이(D/C)를 각각 설계변수로 선정하였다.That is, a design variable is first selected to determine the shape of the casing groove 30 for maximizing the objective function. In the present invention, as shown in FIG. The width (W / C) and depth (D / C) of the original casing groove 30 were selected as design variables.

또한, 본 발명은 스톨마진을 최대화할 수 있도록 케이싱 그루브(30)의 형상을 최적화시키는 것에 목적이 있으므로 상기 목적함수로는 다음과 같이 정의되는 스톨마진(SM; Stall Margin)이 사용된다.In addition, since the present invention aims at optimizing the shape of the casing groove 30 to maximize the stall margin, the Stall Margin (SM) defined as follows is used as the objective function.

Figure pat00006
... (1)
Figure pat00006
... (One)

여기서, m과 PR은 각각 유량과 전압력을 나타내고, 첨자 peak와 stall은 최대 효율점과 스톨(실속) 인근점을 나타낸다.Where m and PR represent the flow and voltage forces, respectively, and the subscript peak and stall represent the maximum efficiency point and the stall near point.

실속 근처 저유량 영역에서 실속이 발생하는 유량(실속유량)은 유량을 감소시켜갈 때 수치계산이 마지막으로 수렴하는 지점으로 결정하였으며, 입구에서의 유량변화가 300 스텝당 0.001kg/s, 입구와 출구의 유량 차이가 0.5% 이하 및 단열효율의 변화가 100 스텝당 0.03% 이하일 경우로 수렴을 판단하였다.The flow rate (stall flow rate) at which the stall occurs in the low flow rate area near the stall was determined as the point where the numerical calculation finally converged when the flow rate was decreased.The flow rate change at the inlet was 0.001kg / s per 300 steps, Convergence was determined when the flow rate difference at the outlet was 0.5% or less and the change in the adiabatic efficiency was 0.03% or less per 100 steps.

다음, 상기 설계영역 선정단계(S20)는 최적설계 수행을 위해 설계변수의 범위를 한정함으로써 적절한 설계영역을 설정하고, 후술할 수치해석단계(s30)에서의 해석을 위한 최적의 격자계를 구성하는 단계에 관한 것으로, 먼저 설계변수 즉, 무차원화된 케이싱 그루브(30)의 넓이(W/C)와 깊이(D/C)의 범위는 아래의 표 1에 나타낸 바와 같다.Next, the design region selection step (S20) is to set the appropriate design region by limiting the range of design variables for performing the optimal design, and to configure the optimal grid system for analysis in the numerical analysis step (s30) to be described later In relation to the present invention, a design variable, that is, a range of the width (W / C) and the depth (D / C) of the dimensionless casing groove 30 is shown in Table 1 below.

설계변수(Variables)Variables 하한(Lower bound)Lower bound 상한(Upper bound)Upper bound D/CD / C 0.0770.077 0.2310.231 W/CW / C 0.1200.120 0.1920.192

즉, 무차원화된 케이싱 그루브(30)의 깊이를 0.077 ~ 0.231로 한정하고, 무차원화된 케이싱 그루브(30)의 넓이를 0.120 ~ 0.192로 한정하였는데, 케이싱 그루브(30)의 깊이는 선행 계산을 통해 목적함수의 민감도에 따라 결정되었고, 케이싱 그루브(30)의 넓이는 5개의 케이싱 그루브(30)가 팁 코드의 길이 내에서 서로 겹치지 않도록 결정된 것이다.That is, the depth of the dimensionless casing groove 30 is limited to 0.077 to 0.231, and the width of the dimensionless casing groove 30 is limited to 0.120 to 0.192. The depth of the casing groove 30 is determined through prior calculation. It was determined according to the sensitivity of the objective function, and the width of the casing groove 30 was determined so that the five casing grooves 30 did not overlap each other within the length of the tip cord.

또한, 목적함수, 즉 상기 식 (1)에 나타낸 스톨마진 값을 계산할 12개의 실험점은 다차원의 분포를 갖는 설계영역에서 특정 실험점을 샘플링하는데 유용한 라틴하이퍼큐브 샘플링(LHS; Latin Hypercube Sampling)에 의해 결정되었고, 상기 12개의 실험점에서의 스톨마진 값은 3차원 Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) 해석을 통해 얻어지게 된다.In addition, the twelve experimental points for calculating the target function, namely the stall margin value shown in Equation (1), are used for Latin Hypercube Sampling (LHS), which is useful for sampling a specific experimental point in a design area having a multidimensional distribution. Stall margin values at the 12 experimental points are obtained through 3D Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) analysis.

이와 같이, 설계변수와 설계영역이 결정되면 해석을 위한 최적의 격자계를 구성하게 되는데, 본 발명에서는 격자의존성을 제거하기 위한 테스트를 단일유로에 대하여 총 27만개에서 74만개의 격자수 사이에서 수행한 결과 총 48만개의 격자를 스톨마진의 계산에 사용하게 되었다.As such, when the design variables and the design area are determined, an optimal lattice system is constructed for analysis. In the present invention, a test for removing lattice dependence is performed between 270,000 and 740,000 lattice numbers for a single channel. Results A total of 480,000 grids were used to calculate stall margins.

다음, 상기 수치해석단계(S30)는 선정된 설계영역에서 수치해석을 수행하여 각 실험점에서의 목적함수 값을 결정하는 것으로, 본 발명에서는 ANSYS사의 상용 소프트웨어인 ANSYS CFX-11.0을 사용하여 축류 압축기의 내부 유동장을 압축성 삼차원 정상상태로 가정하여 수치해석을 수행하였다.Next, the numerical analysis step (S30) is to determine the target function value at each experimental point by performing a numerical analysis in the selected design area, in the present invention using the ANSYS CFX-11.0 commercial software ANSYS axial flow compressor Numerical analysis was performed assuming that the internal flow field of is a compressible three-dimensional steady state.

축류압축기의 형상 정의, 격자생성, 경계조건의 정의, 유동해석 및 결과정리는 각각 Blade-Gen, Turbo-Grid, CFX-Pre, CFX-Solver 및 CFX-Post를 사용하여 해석을 수행하였다.The shape of the axial compressor, the grid generation, the boundary condition, the flow analysis, and the result theorem were analyzed using Blade-Gen, Turbo-Grid, CFX-Pre, CFX-Solver, and CFX-Post, respectively.

유동해석을 위한 RANS 방정식은 유한체적법으로 이산화 되었으며, 압축기를 통과하는 작동유체는 이상상태의 공기로 하였고, 입구의 경계조건은 균일한 상태의 전압력 및 전온도로 주었으며, 출구조건으로는 단일유로에 대한 질량유량을 주었다.The RANS equation for the flow analysis is discretized by the finite volume method, the working fluid passing through the compressor is an ideal state air, the boundary condition of the inlet is given the uniform pressure and the total temperature, and the outlet condition is a single channel. Mass flow rate for.

본 발명에서의 해석대상인 축류압축기는 스톨마진 향상을 위한 5개의 케이싱 그루브(30)와 작은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 천음속 축류압축기 블레이드(10)인 NASA Rotor 37이 장착된 축류압축기인데, NASA Rotor 37은 블레이드(10)가 36개로 구성이 되어있으나, 계산시간의 단축과 수렴성 향상을 위해 인접하는 두 블레이드(10) 사이의 유동장이 회전방향에 대해 주기적으로 형성되어 있다고 가정하여 각각 하나의 유로에 대해서 주기조건을 적용하여 해석을 수행하였다.The axial compressor of the present invention is an axial compressor equipped with NASA Rotor 37, which is a transonic axial compressor blade 10 having five casing grooves 30 and a small aspect ratio to improve stall margin. 37 is composed of 36 blades 10, but assuming that the flow field between two adjacent blades 10 are formed periodically in the rotational direction in order to shorten the calculation time and improve convergence, each in one flow path The analysis was performed by applying periodic conditions.

수치해석에 사용되는 블레이드(10)인 NASA Rotor 37은 그 형상이 아래 표 2에 나타낸 바와 같은 특성을 갖는다.NASA Rotor 37, the blade 10 used for numerical analysis, has the characteristics shown in Table 2 below.

설계유량, ks/sDesign flow rate, ks / s 20.1920.19 회전속도, rpmRotational speed, rpm 17188.717188.7 전압력비Voltage ratio 2.1062.106 입구 허브-팁 비Inlet Hub-Tip Rain 0.70.7 블레이드 종횡비Blade aspect ratio 1.191.19 팁 측 입구 마하넘버Tip Side Entrance Mach Number 1.481.48 허브 측 입구 마하넘버Hub Side Entrance Mach Number 1.131.13 날개 끝 넓이비Wing tip width ratio 1.291.29 로터 블레이드 수Number of rotor blades 3737

즉, NASA Rotor 37의 전압력비는 설계 유량 20.19kg/s에서 2.106, 효율은 88.9%이며, 팁 간극은 0.356mm(0.47% span)이다. 상기 표 2에 나타낸 NASA Rotor 37의 삼차원 형상은 도 3의 (a)에 나타낸 바와 같고, 유량에 따른 전압력 등의 유동 파라미터들은 도 3의 (b)에 나타낸 자오면 형상에 도시된 바와 같이 입구 기준면과, 출구 기준면에서 측정되었으며, 상기 입구 기준면과 출구 기준면은 각각 날개의 허브 압전(LE; Leading Edge)에서 상류 41.9mm 및 하류 106.7mm에 위치해 있다.In other words, the NASA Rotor 37 has a power ratio of 2.106 at a design flow rate of 20.19 kg / s, an efficiency of 88.9%, and a tip clearance of 0.356 mm (0.47% span). The three-dimensional shape of NASA Rotor 37 shown in Table 2 is as shown in (a) of FIG. 3, and the flow parameters such as the voltage force according to the flow rate are different from the inlet reference plane as shown in the meridion shape shown in (b) of FIG. And an inlet reference plane and an outlet reference plane are located 41.9 mm upstream and 106.7 mm downstream from the hub's leading edge (LE), respectively.

또한, 축류압축기의 케이싱(20)에 그루브(30)를 장착하여 수치해석 하는 경우 케이싱(20)과 그루브(30)의 경계면은 GGI(General Grid Interface) 인터페이스 조건을 부여하였고, 난류모델로는 일반적으로 역압력구배로 인한 유동박리현상을 예측하는데 있어 성능이 우수하다고 알려진 SST(Shear Stress Transport) 모델을 사용하였다.In addition, when the groove 30 is mounted on the casing 20 of the axial compressor, the interface between the casing 20 and the groove 30 is provided with a GGI (General Grid Interface) interface condition. The SST (Shear Stress Transport) model was used to predict the flow separation due to the back pressure gradient.

회전하는 임펠러 블레이드 표면 인근에는 육면체의 O형 격자계를 사용하였고, 그 외의 영역에는 육면체의 H/J/C/L형 격자계를 사용하였으며, 단일유로 및 그루브의 격자계 구성은 도 4의 (a),(b)에 나타낸 바와 같다.In the vicinity of the surface of the rotating impeller blade, a hexahedral type O grid system was used, and in other areas, a hexahedral H / J / C / L type grid system was used. As shown in (b).

상기와 같은 과정에 의해 이루어진 수치해석결과의 타당성을 검증하기 위하여 RANS 해석결과와 1998년 AGARD 보고서에 기재된 Dunham의 "CFD Validation for Through-Flow Calculations"에서 수행된 성능시험의 결과를 비교한 결과를 도 5에 나타내었다.In order to verify the validity of the numerical results obtained by the above process, the results of comparing the results of the RANS analysis and the performance test performed in Dunham's "CFD Validation for Through-Flow Calculations" described in the 1998 AGARD report are shown. 5 is shown.

도 5에 나타낸 바와 같이, 각 유량점에서 예측한 전압력비 및 효율은 시험결과보다는 다소 낮게 예측을 하고 있으나 전 영역에서 전압력 및 효율 분포는 시험결과와 동일한 경향을 나타내고 있으므로 본 발명에 따른 수치해석결과는 타당성이 있다고 볼 수 있다.As shown in FIG. 5, the voltage force ratio and efficiency predicted at each flow point are predicted to be somewhat lower than the test results, but the voltage force and efficiency distributions in all areas show the same tendency as the test results. Can be considered valid.

다음, 상기 최적점 탐색단계(S40)는 수치해석단계(S30)에서 얻어진 결과를 토대로 하여 설계영역에서의 최적점을 탐색하는 단계에 관한 것으로, 본 발명에서는 대리모델(surrogate model)의 일종인 신경회로망(RBNN; Radial Basis Neural Networks) 모델을 사용하여 최적점을 산출하게 된다.Next, the optimum point search step (S40) relates to the step of searching for the optimum point in the design area based on the result obtained in the numerical analysis step (S30), in the present invention is a kind of surrogate model (surrogate model) Optimal points are calculated using the Radial Basis Neural Networks (RBNN) model.

상기 신경회로망 모델은 경험으로부터 배우고 기존 자료로부터 예측하는 인간의 기능을 알고리즘으로 모사한 것으로, 뉴런이라는 기본 요소에 의해 망의 예측능력을 통하여 가중치를 반영함으로써 최적점을 탐색하게 되는 것이다.The neural network model is an algorithm that simulates the human's ability to learn from experience and predict from existing data. The neural network model searches for the optimal point by reflecting weights through the network's predictive ability by the basic elements of neurons.

보다 상세히 설명하면, 상기 수치해석단계(S30)에서 라틴하이퍼큐브 샘플링(LHS)에 의해 얻어진 실험점들에 대한 목적함수의 값을 평가하고, 평가된 목적함수들을 바탕으로 하여 신경회로망 모델을 구성한 후, SQP(Sequential Qua-dratic Programming)를 사용하여 신경회로망비법으로부터 최적점을 탐색하게 되는 것이다.In more detail, in the numerical analysis step (S30), after evaluating the value of the objective function for the experimental points obtained by Latin Hypercube Sampling (LHS), and constructing a neural network model based on the evaluated objective function Using SQP (Sequential Qua-dratic Programming), we find the optimal point from the neural network ratio method.

이때, 상기 SQP란 비선형 제약조건 내에서 비선형 목적함수를 최적화하기 위한 방법으로 종래부터 사용되는 방법이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.In this case, the SQP is a method for optimizing the nonlinear objective function within the nonlinear constraint, and thus a detailed description thereof will be omitted.

또한, 상기 SQP는 초기값에 따라서 최적점이 변경될 수 있으므로 초기값을 여러번 변경해가며 신경회로망의 최종 최적점을 구하는 것이 바람직하다.In addition, since the optimal point may be changed according to the initial value, the SQP may be changed several times to obtain the final optimal point of the neural network.

이와 같이, 신경회로망 모델에 의해 최적화된 최적점의 3차원 메쉬 플롯을 도 6에 나타내었다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 최적점은 팁 코드의 길이로 무차원화된 그루브의 깊이(D/C)와 넓이(W/C)가 각각 0.177 및 0.164이고, 이는 표 1에 나타낸 설계변수의 범위(깊이; 0.077~0.231, 넓이; 0.120~0.192)에 포함됨을 확인할 수 있다.(최적점 비교단계(S50))
As such, a three-dimensional mesh plot of the optimal point optimized by the neural network model is shown in FIG. 6. As can be seen in FIG. 6, the optimum point is 0.177 and 0.164 of the depth (D / C) and the width (W / C) of the grooves dimensionless with the length of the tip cord, respectively, It can be seen that it is included in the range (depth; 0.077 ~ 0.231, width; 0.120 ~ 0.192) (optimal point comparison step (S50)).

상기와 같은 일련의 과정들을 통해 본 발명에 따른 최적설계방법에 의해 최적의 케이싱 그루브(30b)의 형상을 결정하였는데, 이와 같이 결정된 최적 형상을 갖는 케이싱 그루브(30b)의 성능 향상을 확인해보기 위해 라틴하이퍼큐브 샘플링(LHS; Latin Hypercube Sampling)에 의해 결정된 12개의 실험점 중 임의의 형상을 기준 형상의 케이싱 그루브(30a)로 선택하여 여러 성능들을 그루브가 없는 케이싱(Smooth casing)과 함께 비교하여 보았다.Through the series of processes as described above, the optimum shape of the casing groove 30b was determined by the optimum design method according to the present invention. In order to check the performance improvement of the casing groove 30b having the optimum shape determined as described above, Latin Any of the 12 experimental points determined by Latin Hypercube Sampling (LHS) was chosen as the casing groove 30a of the reference shape to compare several performances with a smooth casing.

상기 기준 형상의 그루브(Reference groove)(30a)는 도 7에 나타낸 바와 같이, 팁 코드의 길이에 의해 무차원화된 깊이와 넓이가 각각 0.110 및 0.182이다. 그루브의 넓이는 기준 형상에 비해 최적 형상이 조금 좁지만, 그루브의 높이를 보면 최적 형상이 기준 형상에 비해 많이 높으므로 최적화를 통해 각각의 그루브 면적이 넓어진 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 7, the reference groove 30a has a depth and a width of 0.110 and 0.182, which are dimensionless by the length of the tip cord. The width of the groove is a little narrower than the reference shape, but looking at the height of the groove, since the optimum shape is much higher than the reference shape, it can be seen that each groove area is widened through optimization.

그루브가 없는 케이싱(Smooth casing)과, 기준 형상의 그루브(Reference groove)(30a)를 갖는 케이싱 및 최적화된 형상의 그루브(Optimum groove)(30b)를 갖는 케이싱의 설계변수와 목적함수를 비교한 데이터를 아래의 표 3에 나타내었다.Data comparing the design variables and the objective function of a smooth casing, a casing with a reference groove 30a of a reference shape and a casing with an optimized shape groove 30b. Is shown in Table 3 below.

형상
shape
설계변수Design variables 목적함수(SM,%)Objective function (SM,%) 증가율, %Growth rate,%
D/CD / C W/CW / C RBNNRBNN RANSRANS SMSM 비고Remarks SmoothSmooth -- -- -- 11.6311.63 -- -- ReferenceReference 0.1100.110 0.1820.182 -- 17.2317.23 5.605.60 Ref.- SmoothRef.- Smooth Optimum
Optimum
0.177
0.177
0.164
0.164
19.32
19.32
18.93
18.93
7.307.30 Opt. - SmoothOpt. -Smooth
1.701.70 Opt. - Ref.Opt. -Ref.

상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 그루브가 없는 형상과 기준 형상의 그루브를 갖는 압축기의 스톨마진(SM)은 RANS 해석을 통해 각각 11.63%, 17.23%로 예측되었고, 최적 형상의 그루브를 갖는 스톨마진은 신경회로망(RBNN) 모델을 통해 19.32% 및 RANS 해석을 통해 18.93%로 계산되었다.As shown in Table 3, the stall margin (SM) of the compressor having the grooveless shape and the reference shape groove was estimated to be 11.63% and 17.23%, respectively, through RANS analysis. 19.32% using the neural network (RBNN) model and 18.93% through the RANS analysis.

이로 부터, 신경회로망 모델을 통해 예측된 스톨마진은 RANS 해석을 통해 계산된 값과 비교하여 보았을 때 비교적 정확한 것을 확인할 수 있다.From this, the stall margin predicted by the neural network model can be seen to be relatively accurate when compared with the calculated value through the RANS analysis.

또한, 기준 형상의 그루브를 갖는 축류압축기의 스톨마진은 그루브가 없는 축류압축기 보다 5.6% 향상되었고, 최적 형상의 그루브를 갖는 축류압축기의 스톨마진은 기준 형상의 그루브를 갖는 축류압축기에 비해 1.7%, 그루브가 없는 축류압축기에 비해 7.3%가 각각 향상됨을 확인할 수 있다.In addition, the stall margin of the axial compressor with grooves of the reference shape is improved by 5.6% compared to the axial compressor without grooves, and the stall margin of the axial compressor with the groove of the optimum shape is 1.7%, compared to the axial compressor with grooves of the reference shape. It can be seen that 7.3% is improved compared to axial compressor without groove.

다음, 도 8은 목적함수의 설계변수에 대한 민감도 분석을 나타낸 것으로, 이때 설계변수(W/C, D/C)의 변화는 최적값의 10%로 제한하였고,

Figure pat00007
는 최적점(Optimal point)에서의 목적함수 값을 나타낸다.Next, Figure 8 shows the sensitivity analysis of the design variables of the objective function, wherein the change of the design variables (W / C, D / C) was limited to 10% of the optimal value,
Figure pat00007
Represents the objective function value at the optimal point.

도 8에 나타낸 민감도 분석 결과, 목적함수가 그루브의 넓이(W/C) 보다 깊이(D/C)에 좀 더 민감하다는 것을 알 수 있다.As a result of the sensitivity analysis shown in FIG. 8, it can be seen that the objective function is more sensitive to the depth (D / C) than the width (W / C) of the groove.

다음, 도 9는 그루브가 없는 형상과 기준형상 및 최적형상의 그루브를 갖는 압축기 성능을 비교하여 나타낸 것으로, 먼저 스톨 인근점(Near stall point)에서의 유량은 그루브가 없는 형상에 대해서 0.921, 기준형상에 대해서 0.903, 최적형상에 대해서 0.889로 예측되었다.Next, FIG. 9 compares the compressor performance with the grooveless shape and the reference shape and the groove of the optimum shape. First, the flow rate at the near stall point is 0.921 for the shape without the groove, the reference shape. 0.903 for and 0.889 for optimal shape.

또한, 스톨 인근점에서 그루브가 없는 형상과 기준형상, 최적형상의 전압력 비는 2.073, 2.095, 2.076으로 계산되었으며, 전온도비는 1.282, 1.286, 1.287로 계산되었다. In addition, the ratio of the total pressure of the grooveless shape, the reference shape, and the optimum shape in the vicinity of the stall was calculated as 2.073, 2.095, 2.076, and the total temperature ratio was calculated as 1.282, 1.286, 1.287.

따라서, 케이싱 그루브가 없는 형상에 비하여, 케이싱 그루브가 설치됨으로써 스톨 인근 유량점이 줄어들게 되어 결과적으로 스톨마진이 향상됨을 확인할 수 있고, 스톨 마진은 그루브의 최적화를 통해서 기준형상에 비해 좀 더 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.Therefore, as compared with the shape without the casing groove, the casing groove is installed to reduce the flow point near the stall, and as a result, it is confirmed that the stall margin is improved, and the stall margin can be further improved compared to the reference shape through the optimization of the groove. can confirm.

또한, 그루브가 설치되었을 때, 전온도비는 전체 작동영역에 걸쳐 일정한 반면 전압력은 전체적으로 상승한 것으로 보아 그루브 내의 높은 운동량을 가진 유동에 의해 블레이드 흡입면 근처의 압력 손실을 야기하는 박리 현상이 줄게됨을 확인할 수 있게 된다.In addition, when the groove is installed, the total temperature ratio is constant over the entire operating range while the total pressure rises, indicating that the high momentum flow in the groove reduces the delamination that causes pressure loss near the blade suction surface. It becomes possible.

다음, 도 10의 (a)~(c)는 케이싱 그루브가 없는 형상의 스톨 인근점에서 그루브가 없는 형상과 기준형상, 최적형상의 전압력과 팁 누설와류를 나타낸 것으로, 케이싱 그루브의 효과 중 하나가 블레이드와 팁 누설 와류 사이의 각도 변화에 의해 팁 누설와류의 궤도를 변화시키는 것임을 보여준다.Next, (a) to (c) of FIG. 10 show the grooveless shape, the reference shape, the optimum shape of the voltage force, and the tip leakage vortex at the vicinity of the stall of the shape without the casing groove, and one of the effects of the casing groove is It is shown that the trajectory of the tip leakage vortex is changed by changing the angle between the blade and the tip leakage vortex.

즉, 블레이드 팁에서의 압력 구배에 의한 팁 누설 유동은 유로 내의 유입 유동과 작용하여 팁 누설 와류를 형성하게 되는데, 그루브가 없는 압축기의 경우, 팁 누설 와류는 주로 팁 누설 유동에 의해 영향을 받으며 도 10의 (a)에 나타낸 바와 같이 블레이드의 압력면을 따라 진행한다.That is, the tip leakage flow due to the pressure gradient at the blade tip interacts with the inflow flow in the flow path to form a tip leakage vortex. In the case of a compressor without grooves, the tip leakage vortex is mainly influenced by the tip leakage flow. Proceed along the pressure side of the blade as shown in 10 (a).

그루브가 없는 형상과 비교하여, 그루브가 있는 압축기의 팁 누설 와류는 그루브 내의 유동에 많은 영향을 받게 되는데, 도 10의 (b) 및 (c)에 나타낸 바와 같이, 그루브를 따라 팁 누설 와류가 형성되게 된다. 이에 따라, 와류가 충격(shock)을 지난 후에 발생되는 압력 상승에 의해 팁 누설 와류의 확산이 발생하며, 이것은 에너지가 낮은 영역을 생성하게 된다.Compared to the grooveless shape, the tip leak vortex of the grooved compressor is highly influenced by the flow in the groove, as shown in FIGS. 10 (b) and 10 (c), where tip leak vortex is formed along the groove. Will be. As a result, the diffusion of the tip leakage vortex occurs due to the pressure rise generated after the vortex passes the shock, which creates a region of low energy.

다음, 도 11의 (a)~(c)는 그루브가 없는 형상의 스톨 인근점에서 그루브가 없는 형상과 기준형상, 최적형상에 대한 마하수(Mach number)를 나타낸 것으로, 도 11의 (a)에 나타낸 바와 같이, 그루브가 없는 압축기에서는 블레이드의 흡입면에서 박리(separation)가 발생하는 반면 그루브가 있는 압축기는 도 11의 (b) 및 (c)에 나타낸 바와 같이, 블레이드에서의 박리가 억제(Suppressed separation)된 것을 볼 수 있다.Next, (a) to (c) of FIG. 11 show the Mach number for the grooveless shape, the reference shape, and the optimum shape at the point near the stall of the grooveless shape. As shown, in the compressor without grooves, separation occurs at the suction side of the blade, whereas in grooved compressors, the separation at the blade is suppressed, as shown in FIGS. 11B and 11C. You can see it separated.

상기와 같이 박리가 억제되는 현상은 그루브를 통해서 압력면에서 흡입면으로 높은 운동량은 가진 유동이 전달되면서 블레이드에서의 박리를 억제하기 때문이다.The phenomenon that the peeling is suppressed as described above is because the flow of the high momentum is transmitted from the pressure surface to the suction surface through the groove to suppress the peeling from the blade.

다음, 도 12의 (a),(b)는 기준 형상의 스톨 인근점에서 기준형상과 최적형상의 마하수 분포를 나타낸 것으로, 팁 누설 와류와 유로 충격의 작용에 의해서 충격 라인(shock line) 바로 하류 영역에서 속도가 낮은 영역이 발생됨을 확인할 수 있다. Next, (a) and (b) of FIG. 12 show Mach number distributions of the reference shape and the optimal shape at the point near the stall of the reference shape, immediately downstream of the shock line by the action of tip leakage vortex and flow path impact. It can be seen that a low speed area occurs in the area.

이와 같은 속도가 낮은 영역은 와류 정체 영역(Vortex stagnation zone)으로서, 주 유동을 변화시키며 역 압력을 상승시켜 박리를 발생시킨다. 와류 정체 영역 내에서 유동은 축방향 속도 성분이 없고 원주방향 속도 성분만은 가진다. This low velocity region is the Vortex stagnation zone, which changes the main flow and raises the back pressure to cause delamination. Within the vortex stagnation zone the flow has no axial velocity component and only a circumferential velocity component.

다음, 도 13의 (a),(b)는 도 12의 (a),(b)에서의 A-B 단면에서 기준형상과 최적형상의 속도 벡터를 나타낸 것으로, 와류 정체 영역 내에서의 순환 유동을 기준형상과 최적형상의 블레이드 팁 부근에서 모두 확인할 수 있다. Next, (a) and (b) of FIG. 13 show velocity vectors of the reference shape and the optimum shape in the AB cross-sections in FIGS. 12 (a) and (b), and refer to the circulating flow in the vortex stagnant region. Both shape and optimum shape can be found near the blade tip.

도 13의 (a)에 나타낸 기준형상과 비교하였을 때, 도 13의 (b)에 나타낸 최적 형상은 최적화를 통해서 더 큰 깊이를 가짐으로써 순환 유동을 더 많이 흡수할 수 있다.Compared with the reference shape shown in FIG. 13A, the optimum shape shown in FIG. 13B has a greater depth through optimization, which can absorb more circulating flow.

또한, 그루브의 기준형상 내의 순환 유동은 다시 유로로 진행하는 반면, 최적 형상 내에서의 순환 유동은 그루브 내의 맞은 편 유동에 의해 완화되는 것을 확인할 수 있는데, 이것은 유로 내의 유로차폐 현상을 감소시키며, 압축기의 안정성과 스톨마진을 향상시키는데 도움이 되는 것이다.In addition, it can be seen that the circulating flow in the reference shape of the groove proceeds back to the flow path, whereas the circulating flow in the optimum shape is mitigated by the opposite flow in the groove, which reduces the flow path blocking phenomenon in the flow path and the compressor It will help to improve the stability and stall margin of.

따라서, 본 발명에 따른 축류압축기의 케이싱 그루브 최적설계방법 및 최적설계된 케이싱 그루브에 의하면 시행착오를 통한 제한적인 시험이 아닌 최적화 이론을 사용한 체계적인 최적설계를 통해 케이싱 그루브의 형상을 전체 설계영역에서 최적화시킬 수 있도록 함으로써 축류압축기의 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 지속적으로 스톨마진을 향상시키기 위한 케이싱 그루브의 설계가 가능한 장점이 있는 것이다.
Therefore, according to the casing groove optimum design method and optimally designed casing groove of the axial compressor according to the present invention, the shape of the casing groove can be optimized in the entire design area through systematic optimization design using optimization theory, not limited testing through trial and error. By making it possible, not only can the performance of the axial compressor be improved, but the casing groove can be designed to continuously improve the stall margin.

전술한 실시예들은 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.
Although the above embodiments have been described with respect to the most preferred examples of the present invention, it is not limited to the above embodiments, and it will be apparent to those skilled in the art that various modifications are possible without departing from the technical spirit of the present invention.

본 발명은 축류압축기의 케이싱 그루브 최적설계방법 및 최적설계된 케이싱 그루브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 축류압축기의 형상 정의, 격자생성, 경계조건의 정의 및 내부 유동장에 대한 수치해석을 통해 케이싱 그루브를 형상을 최적화시키고, 그루브가 형성되지 않은 축류압축기와 기본적인 그루브가 형성된 축류압축기 및 본 기술에 의해 최적화된 그루브가 설치된 축류압축기의 성능 비교를 통해 최적화된 그루브가 설치된 축류압축기에서 스톨마진이 최대가 됨을 검증함으로써 지속적으로 스톨마진을 향상시키기 위한 케이싱 그루브의 설계가 가능하도록 하는 축류압축기의 케이싱 그루브 최적설계방법 및 최적설계된 케이싱 그루브에 관한 것이다.
The present invention relates to a casing groove optimum design method and optimally designed casing groove of the axial compressor, and more specifically, to the casing groove through the numerical definition of the shape of the axial compressor, lattice generation, boundary conditions and internal flow field Performance of the grooved axial compressor and the basic grooved axial compressor and the grooved axial compressor optimized by the present technology to verify the maximum stall margin in the optimized grooved axial compressor. The present invention relates to a casing groove optimum design method and optimally designed casing groove of an axial compressor, which enables the design of a casing groove to continuously improve the stall margin.

10 : 블레이드 20 : 케이싱
30 : 그루브 S10 : 문제의 공식화 단계
S20 : 설계영역 선정단계 S30 : 수치해석단계
S40 : 최적점 탐색단계 S50 : 최적점 비교단계
10: blade 20: casing
30: Groove S10: formalization stage of the problem
S20: Design Area Selection Step S30: Numerical Analysis Step
S40: Optimal point search step S50: Optimal point comparison step

Claims (5)

축류압축기의 형상을 고려하여 케이싱 그루브의 설계변수를 선정하고, 목적함수를 결정하는 문제의 공식화 단계와;
설계변수의 범위를 한정하여 설계영역을 설정하는 설계영역 선정단계와;
선정된 설계영역에서의 수치해석을 수행하는 수치해석단계; 및
수치해석결과를 토대로 하여 설계영역에서의 최적점을 탐색하는 최적점 탐색단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 축류압축기의 케이싱 그루브 최적설계방법.
Formulating a problem of selecting a design variable of the casing groove in consideration of the shape of the axial compressor and determining an objective function;
A design area selection step of setting a design area by limiting a range of design variables;
A numerical analysis step of performing numerical analysis in the selected design area; And
And an optimum point search step for searching for an optimum point in the design area based on the numerical analysis result.
제 1항에 있어서,
상기 설계변수는 팁 코드의 길이로 무차원화된 케이싱 그루브의 폭과 넓이인 것을 특징으로 하는 축류압축기의 케이싱 그루브 최적설계방법.
The method of claim 1,
The design variable is the casing groove optimum design method of the axial compressor, characterized in that the width and width of the casing groove dimensioned by the length of the tip cord.
제 1항에 있어서,
상기 목적함수는
Figure pat00008
으로 정의되는 축류압축기의 스톨마진인 것을 특징으로 하는 축류압축기의 케이싱 그루브 최적설계방법.
(이때, SM: 스톨마진,
Figure pat00009
: 최대효율점에서의 유량,
Figure pat00010
:스톨인근점에서의 유량,
Figure pat00011
: 최대효율점에서의 전압력,
Figure pat00012
: 스톨인근점에서의 유량.)
The method of claim 1,
The objective function is
Figure pat00008
Casing groove optimum design method of the axial compressor, characterized in that the stall margin of the axial compressor.
(At this time, SM: Stall margin,
Figure pat00009
= Flow rate at the maximum efficiency point,
Figure pat00010
Flow rate near the stall
Figure pat00011
= Voltage force at the maximum efficiency point,
Figure pat00012
: Flow rate near stole.)
제 1항에 있어서,
상기 최적점 탐색단계에서는 신경회로망 기법으로부터 케이싱 그루브의 최적 설계 변수값을 결정하는 것을 특징으로 하는 축류압축기의 케이싱 그루브 최적설계방법.
The method of claim 1,
In the optimum point search step, the casing groove optimum design method of the axial compressor, characterized in that for determining the optimal design parameter value of the casing groove from the neural network technique.
축류압축기의 케이싱 그루브에 있어서,
블레이드 팁 코드(Tip chord)의 길이로 무차원화된 상기 케이싱 그루브의 깊이 및 넓이는 각각 0.177 및 0.164인 것을 특징으로 하는 축류압축기의 케이싱 그루브.
In the casing groove of the axial compressor,
A casing groove of an axial compressor, characterized in that the depth and width of the casing groove dimensionless with the length of the blade tip chord are 0.177 and 0.164.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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