KR20140096924A - The design method to optimize an impeller - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for optimally designing an impeller shape and, more particularly, to a method for optimally designing an impeller shape using artificial intelligence with a method to obtain a global result and a solution quickly. The purpose of the present invention is to provide a method for optically designing the impeller shape capable of obtaining global improvement by setting a target function obtained by connecting a pressure ratio to efficiency receiving and changing a flow path and blade to improve the pressure ratio and the efficiency at an impeller design point.

Description

임펠러 형상 최적설계방법{THE DESIGN METHOD TO OPTIMIZE AN IMPELLER}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method of optimizing an impeller shape,

본 발명은 임펠러 형상 최적설계방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전역적인 결과를 얻으면서도 빠른 시간 안에 해결할 수 있는 방식으로 인공지능을 이용하는 것을 특징으로 하는 임펠러 형상 최적설계방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of optimizing an impeller shape, and more particularly, to an impeller shape optimal design method using an artificial intelligence in a way that can achieve a global result and solve it in a short time.

원심압축기는 비속도가 낮은 영역에서 양호한 작동성능을 나타내므로 비교적 소형의 엔진 및 터보차저 등에 많이 적용되고 있다. 축류형 압축기에 비하여 단당 압축비가 높고, 동일한 회전수에서 축류형에 비하여 공기유량의 변화폭이 넓은 장점이 있으며 제작이 비교적 간단한 장점이 있다. Centrifugal compressors are widely applied to relatively small engines and turbochargers because they exhibit good operating performance in low-speed regions. Compared with an axial flow type compressor, the compressor has a high compression ratio and a wide variation range of the air flow rate compared with the axial flow type at the same rotation speed.

원심압축기는 임펠러와 디퓨저로 구성되며, 임펠러의 회전운동이 흡입공기에 운동에너지를 가하고 디퓨저에서는 운동에너지를 압력으로 변환한다. 디퓨저를 나온 고압의 공기는 스크롤을 통하여 다른 장치로 고압의 공기를 전달하도록 되어 있으며, 작동조건의 변화가 많은 경우에는 디퓨저에 베인을 설치하지 않고 사용한다.The centrifugal compressor consists of an impeller and a diffuser. The rotational motion of the impeller applies kinetic energy to the intake air and the kinetic energy in the diffuser is converted into pressure. The high pressure air from the diffuser is used to deliver high pressure air to other devices through scrolling. If there is a large change in operating conditions, the diffuser will not be equipped with a vane.

압축기의 효율과 작동안정성에 직접적인 영향을 미치는 임펠러 설계에 관한 연구는 많은 연구자에 의하여 오래전부터 수행되어 왔다. 설계 시 형상에 관한 제한사항 및 설계기법에 관하여서는 참고문헌 등에 자세히 기술되어 있다. 하지만 사용되고 있는 임펠러의 형상이 동급에서도 서로 상이한 형상을 갖는 이유는 대부분의 설계에서 설계자의 경험과 직관에 의하여 형상설계가 이루어지기도 하지만 임펠러 설계 시에 조정 가능한 설계변수가 많은 영향도 있다.A study on impeller design that directly affects compressor efficiency and operational stability has been conducted by many researchers for a long time. The design restrictions and design techniques are described in detail in the references. However, the reason why the shape of the impeller being used is different from that of the same type is that the shape design is performed by the experience and intuition of the designer in most designs, but there are also many influences of the adjustable design parameters in the impeller design.

임펠러 설계 시에 설계점에 도달하는 목표로 설계를 하지만 최종적으로는 고효율의 임펠러를 얻고자 하는 것이다. 따라서 효율을 높이기 위하여서는 임펠러에서의 손실을 줄이기 위한 유로의 형성과 블레이드를 형상화하여야 한다. 이를 위하여 형상과 관련된 변수를 선정하여 이들 변수의 변경에 따른 영향을 평가하여 형상설계를 수행하는 방식이 연구되어 지고 있다.In designing the impeller, it is designed to reach the design point, but ultimately it is aimed at obtaining a high efficiency impeller. Therefore, in order to increase the efficiency, the flow path and the blade must be formed to reduce the loss in the impeller. For this, a method of designing a shape by evaluating the influence of changes of these variables by selecting parameters related to the shape has been studied.

이 과정에서 다양한 최적화기법을 활용한 연구가 수행되고 있는데, 이들 연구의 특징은 임펠러에서 형상 변수의 변경에 따른 출력의 영향이 선형적으로 변하지 않으므로 전역적인 변화를 확인할 수 있는 알고리즘을 적용하고 있다.In this process, various optimization techniques are used. The characteristics of these studies are that the influence of the output due to the change of the shape parameters in the impeller does not change linearly, so the algorithm that can detect the global change is applied.

상기와 같은 설계방식은 설계자의 경험과 감각에 의존하는 문제가 있으며, 보완수단으로 설계된 것을 수칙해석 이나 성능실험이 필수적으로 요구되는 문제가 있다.Such a designing method has a problem that depends on the experience and sense of the designer, and there is a problem that it is necessary to perform a rule analysis or a performance test that is designed as a complementary means.

또한, 별도의 보완수단으로 인해서 새로운 임펠러의 개발시 많은 비용이 소요되며, 메이커별로 각기 다른 임펠러를 생산할 수밖에 없어서 호환성에서도 문제가 있다.In addition, the development of a new impeller due to a separate supplementary means is costly, and there is a problem in compatibility because the impeller for each maker can not be produced.

또한, 기존의 방식으로는 성능의 개선을 위한 기준점이 없고 설계자의 경험이 중요한 요소가 되며, 개발에 많은 시간이 소요되므로 변화에 대응하는 것이 곤란한 문제가 있다.
In addition, there is no reference point for improving the performance in the existing method, and the designer's experience becomes an important factor, and it takes a lot of time to develop, which makes it difficult to cope with the change.

한국공개특허공보 제10-2012-0013501호Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2012-0013501 미국등록특허공보 US 7047167United States Patent Application Publication No. US 7047167

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 임펠러 설계점에서의 압력비와 효율 향상을 위하여 압력비와 효율을 연계한 목적함수를 설정하고 유로와 블레이드를 변경하여 전역적인 향상이 되도록 하는 임펠러 형상 최적설계방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a method and apparatus for improving the pressure ratio and efficiency at an impeller design point by setting an objective function that relates pressure ratio and efficiency, In the impeller shape optimization method.

또한, 목적함수의 전역적인 탐색과 이를 위한 시간 단축을 위하여 유전자알고리즘의 일종인 PSO(Particle Swarm Optimization)기법의 적용과 인공지능(ANN:Artificial Neural net)의 기법을 혼합한 알고리즘을 사용하는 임펠러 형상 최적설계방법을 제공한다.In order to search the objective function globally and shorten the time for it, an impeller shape using a combination of application of PSO (Particle Swarm Optimization) technique and genetic algorithm (ANN: Artificial Neural net) And provides an optimal design method.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
The solution to the problem of the present invention is not limited to those mentioned above, and other solutions not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 임펠러 형상 설계를 위해 전역적인 결과를 얻으면서도 계산시간 단축을 위한 설계방법에 있어서, 목적함수와 관련된 설계변수를 구하는 S1단계; 상기 S1단계에서 구해진 설계변수에서 인공지능망의 형성을 위한 영역을 실험계획법으로 설정하는 S2단계; 상기 S2단계에서 설정된 영역을 기준으로 인공지능망을 형성하는 S3단계; 상기 인공지능망을 개선하기 위하여 유전자알고리즘을 적용하고, 상기 유전자알고리즘의 세대를 증가시켜 최적의 인공지능망으로 개선하는 S4단계; 및 상기 S4단계에서 형성된 인공지능망을 이용하여 전역적인 최적화의 결과를 도출하는 S5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 임펠러 형상 최적설계방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a design method for shortening a calculation time while obtaining global results for an impeller shape design, comprising the steps of: S1 obtaining design variables related to an objective function; Setting an area for forming an artificial intelligence network as an experimental design method in the design parameters obtained in step S1; Forming an artificial intelligence network based on the area set in step S2; A step S4 of applying a genetic algorithm to improve the artificial intelligence network and increasing the generation of the genetic algorithm to an optimal artificial intelligence network; And a step S5 of deriving a result of global optimization using the artificial intelligence network formed in step S4.

또한, 상기 S2단계에서 인공지능망은 역전파알고리즘(back propagation algorithm)을 적용하며, 은닉층과 출력층의 뉴런은 각각 10개와 2개인 것을 특징으로 한다.In step S2, the artificial intelligence network applies a back propagation algorithm, and the hidden layer and the output layer neurons are 10 and 2, respectively.

또한, 상기 S2단계에서 실험계획법은 부분요인배치(Fractional Factorial Design)를 시행하고, 레졸루션 Ⅵ(resolution Ⅵ)의 배치법을 적용하는 것을 특징으로 한다.In step S2, the experimental design method is characterized by applying a partial factor arrangement (Fractional Factorial Design) and applying a resolution VI (resolution VI) arrangement method.

또한, 상기 실험계획법은 초기의 인공지능망 형성단계에서만 사용되고, 전역적인 결과 도출을 위해서 상기 S4단계에서 형성된 인공지능망 만을 이용하는 것을 특징으로 한다.In addition, the experimental design method is used only in the initial artificial intelligent network forming step, and only the artificial intelligent network formed in step S4 is used for global results.

또한, 상기 S4단계에서 인공지능망을 개선하기 위해서 비기울기기반의 방식인 PSO(Particle Swarm Optimization)을 적용시키는 것을 특징으로 한다.In step S4, PSO (Particle Swarm Optimization), which is a non-gradient based method, is applied to improve the artificial intelligence network.

또한, 상기 S4단계에서 유전자알고리즘으로 얻어진 새로운 영역에서 인공지능망을 사용하여 나온 결과치를 수치해석하여 인공지능망을 보완하는 것을 특징으로 것을 특징으로 한다.
Further, in the step S4, the artificial intelligence network is supplemented by numerically analyzing the results obtained using the artificial intelligence network in a new area obtained by the genetic algorithm.

본 발명에 따른 임펠러 형상 최적설계방법은 설계자의 경험과 감각을 배제할 수 있으며, 성능에 직접적인 요인이 되는 설계변수를 직접적으로 활용할 수 있는 효과가 있다.The method of optimizing the shape of the impeller according to the present invention can eliminate the designer's experience and sense, and can directly utilize the design parameters directly affecting the performance.

또한, 보완수단으로 수치해석적인 방식이 사용되므로 비용적인 측면에서 유리하며, 성능에 영향을 미치는 인자를 쉽게 파악할 수 있어 설계시 개발자의 요구에 빠른 피드백을 할 수 있는 장점이 있다.In addition, since the numerical analysis method is used as a complementary means, it is advantageous from the viewpoint of cost, and it is easy to grasp the factors influencing the performance, so that it is possible to provide quick feedback to the needs of the developer in designing.

또한, 경험이 부족한 엔지니어도 설계업무가 가능하다는 효과가 있으며, 전역적인 결과를 얻기 위해서 많은 계산시간을 소모할 필요 없는 장점이 있다.In addition, engineers who are inexperienced have the advantage of being capable of design work, and there is no need to spend a lot of computation time to obtain global results.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 기존 설계방식으로 설계된 임펠러의 형상을 보여주고 있다.
도 2는 허브와 쉬라우드에서의 초기형상을 보여주고 있다.
도 3은 초기 모델의 블레이드 익형각의 분포를 보여주고 있다.
도 4는 블레이드 두께분포를 보여주고 있다.
도 5는 최적설계방법의 순서도를 보여주고 있다.
도 6은 각 세대별에서 최소의 목적함수값을 보여주고 있다.
도 7은 본 발명의 최적설계방법을 적용하여 설계된 최적화된 압축기의 형상을 보여주고 있다.
도 8은 전체 설계변수 세트에 대하여 효율과 압력비의 관계를 보여주고 있다.
도 9는 도 7에서 최적화된 압축기의 형상에서의 응력과 변위에 대한 결과를 보여주고 있다.
Fig. 1 shows the shape of an impeller designed according to the conventional design method.
Figure 2 shows the initial shape of the hub and shroud.
Figure 3 shows the distribution of the blade airfoil angles of the initial model.
4 shows the blade thickness distribution.
FIG. 5 shows a flowchart of the optimum design method.
FIG. 6 shows a minimum objective function value for each generation.
7 shows the shape of an optimized compressor designed by applying the optimum design method of the present invention.
Figure 8 shows the relationship between efficiency and pressure ratio for the entire set of design variables.
Figure 9 shows the results for stress and displacement in the shape of the compressor optimized in Figure 7.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 임펠러 형상 최적설계방법의 바람직한 실시예들을 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of an impeller shape optimum designing method according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components throughout the drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 상세한 설명에서는 원심압축기의 임펠러 형상의 최적설계 방법에 대해서 설명하고 있지만, 원심압축기에 국한되지 않고, 원심 및 축류 압축기, 원심 및 축류 터빈의 임펠러 형상의 최적 설계에 적용할 수 있다.In this detailed description, the optimum design method of the shape of the impeller of the centrifugal compressor is described. However, the present invention can be applied not only to the centrifugal compressor but also to the optimum design of the impeller shape of the centrifugal and axial compressor, centrifugal and axial turbine.

도 1은 기존 설계방식으로 설계되어져 사용 중인 임펠러의 형상을 보여주고 있으며, 임펠러의 외경은 52.4mm이다. 입구에서의 쉬라우드(20)와 허브(10)에서의 직경은 각각 37.5mm와 11.4mm이다. 이 임펠러를 장착한 압축기에서의 설계점 사양을 표 1에서 보여주고 있다. 하지만 압축기에서의 결과는 베어링손실 및 스크롤에서의 손실 등을 포함한다. 따라서 임펠러에서의 사양을 얻기 위하여 동일한 질량유량과 회전수에서 수치해석적으로 얻었다.FIG. 1 shows the shape of the impeller being used because it is designed in the conventional designing method, and the outer diameter of the impeller is 52.4 mm. The diameters at the shroud 20 and hub 10 at the inlet are 37.5 mm and 11.4 mm, respectively. Table 1 shows the design point specifications of the compressor equipped with this impeller. However, the results in the compressor include bearing losses and losses in scrolling. Therefore, it was obtained numerically at the same mass flow rate and number of revolutions to obtain specifications on the impeller.

<표 1><Table 1>

Figure pat00001
Figure pat00001

수치해석은 3차원 압축성 난류유동해석 상용프로그램인 CFX-13을 사용하였으며, 난류모델은 κ-ε모델을 적용하였다. 대류항은 second-order의 upwind방식을 기본으로 하는 high resolution 방식을 적용하였다. 계산 영역은 3개를 만들어 입구영역, 임펠러영역, 출구영역으로 구분하였으며, 각각의 영역이 접하는 부분은 프로젠로터 조건으로 처리하였다. 계산영역은 하나의 유로에서 수행되었으며, 계산영역에서 회전방향으로의 경계조건은 주기조건으로 주었다. 입구에는 전압력 조건과 출구에는 질량유량의 조건을 주었다. 격자 개수에 대한 테스트를 수행하여 39만개를 적용하였으며 Eckardt 임펠러의 실험결과와 비교하였을 때 상당히 잘 예측되는 결과를 얻었다. 동일한 방식으로 본 발명에 따른 최적설계방법을 적용한 임펠러에 대하여 표 1과 동일한 작동조건에서 임펠러 입구와 디퓨저 출구를 기준으로 압력비와 등엔트로피효율은 2.46과 86.1%를 얻었다.CFX-13, a commercial program for the analysis of three-dimensional compressive turbulent flow, was used for the numerical analysis, and the κ-ε model was applied to the turbulence model. The high-resolution method based on the second-order upwind method is applied to the convection term. The calculation area is divided into three areas, namely, inlet area, impeller area, and outlet area. The computation domain was performed in one channel, and the boundary conditions in the direction of rotation in the computation domain were given as periodic conditions. At the inlet, the conditions of the voltage force and the mass flow rate at the outlet were given. Tests were performed on the number of gratings and 390,000 samples were applied. Compared with the Eckardt impeller experimental results, the results were fairly well predicted. In the same manner, the pressure ratio and isentropic efficiency were 2.46 and 86.1% based on the impeller inlet and diffuser outlet, respectively, under the same operating conditions as in Table 1 for the impeller using the optimum design method according to the present invention.

임펠러의 성능을 향상하기 위하여서는 임펠러의 형상을 조정할 수 있는 적절한 형상변수를 선택하여야 한다. 임펠러의 형상을 표현할 수 있는 여러 가지 방법이 있으나, 본 발명에서는 베지어 곡선으로 나타내는 방법을 사용하였다. 이 경우에 베지어 곡선의 조정점을 설계변수로 선정할 수 있는 장점이 있다. 압축기 자오면 기준의 쉬라우드와 허브 형상을 표현하는데 6개 정도의 조정점이면 복잡한 형상의 표현도 가능하였지만 본 발명에서는 설계변수의 개수를 가능한 적게 선택하기 위하여 각각 5개의 조정점을 사용하였다.In order to improve the performance of the impeller, it is necessary to select appropriate shape parameters to adjust the shape of the impeller. There are various methods of expressing the shape of the impeller, but in the present invention, a Bezier curve is used. In this case, the adjustment point of the Bezier curve can be selected as a design variable. In the present invention, five adjustment points are used in order to minimize the number of design variables. In the present invention, five adjustment points are used to minimize the number of design variables.

도 2는 허브와 쉬라우드에서의 초기형상을 보여주고 있으며, 5개의 조정점 중에서 가운데에 있는 조정점만을 설계변수로 선정한 경우에 각각의 형상에서 변화되는 영역을 보여주고 있다. 하지만 선정된 조정점은 Z-방향(축방향)과 R-방향(반경방향)으로 이동이 가능하므로 조정점 하나(Pt1)에서 두 개의 설계변수(φ1, φ2)를 얻게 된다. 따라서 허브와 쉬라우드 형상을 조정하기 위한 설계변수는 4개가 선택되었다.Fig. 2 shows the initial shape of the hub and shroud, and shows the area that changes in each shape when only the middle adjustment point is selected as the design variable among the five adjustment points. However, since the selected adjustment point can be moved in the Z-direction (axial direction) and the R-direction (radial direction), two design variables (φ1, φ2) are obtained from one adjustment point Pt1. Therefore, four design parameters were selected to adjust the shape of hub and shroud.

설계변수로 선정된 조정점의 이동은 제한적이어야 한다. 그렇지 않으면 케이싱에 조립되지 못하는 문제와 내부유로에서의 면적 변화가 균일하기 않는 문제를 야기하게 된다. 표 2는 허브와 쉬라우드에서의 최적화 과정에 사용된 조정점과 제한조건들을 보여주고 있다. 도 2에서 표시된 영역의 변화는 제한조건 이내에서 이동하였을 때 얻어진 결과이다.Movement of the selected adjustment point by the design variable should be limited. Otherwise, the problem of not being assembled to the casing and the problem that the area change in the internal flow path is not uniform is caused. Table 2 shows the adjustment points and constraints used in the optimization process in the hub and shroud. The change in the area shown in FIG. 2 is a result obtained when the object moves within the constraint.

<표 2><Table 2>

Figure pat00002
Figure pat00002

3차원 블레이드를 표현하기 위하여 블레이드 익형각(β)은 캠버선이 회전하는 각도(θ)와 자오면에서 익형각의 곡선길이(m)를 이용하여 식(1)과 같이 표현된다.In order to express the 3D blade, the blade airfoil angle (β) is expressed by equation (1) using the angle (θ) of the camber line rotation and the curve length ( m ) of the airfoil angle on the meridional plane.

Figure pat00003
식(1)
Figure pat00003
Equation (1)

따라서 허브와 쉬라우드에서 캠버선을 따라 익형각의 변화를 나타내기 위하여 베지어 곡선을 사용하였으며, 베지어 곡선의 조정점은 각각 5개를 사용하였다. 도 3에서는 초기 모델의 블레이드 익형각의 분포를 보여주고 있다.Therefore, the Bezier curves were used to show the change of the airfoil angle along the camber line in the hub and shroud, and the adjustment points of the Bezier curve were each 5. FIG. 3 shows the distribution of the blade airfoil angles of the initial model.

익형각의 분포에서 쉬라우드에서는 입구와 가운데점 그리고 출구에서의 조정점을 설계점(φ7, φ8, φ9)으로 설정하여 익형각의 변화 폭을 넓혔으며, 허브에서는 입구와 출구의 조정점을 설계점(φ5, φ6)으로 설정하였다. 따라서 본 발명에서는 총 9개의 설계변수를 선택하였다. 아울러 익형의 형상이 공력적으로나 구조적으로 문제가 없도록 최소한의 제한조건을 정하였으며 익형각의 조정점과 제한조건을 표 3에서 보여주고 있다. In the distribution of the airfoil angle, the adjustment points at the inlet, the middle point and the outlet are set as design points (φ7, φ8, φ9) in the shroud, and the variation range of the airfoil angle is widened. Point (phi 5, phi 6). Therefore, a total of nine design variables are selected in the present invention. Table 3 shows the adjustment points and constraints of the airfoil angle. The airfoil angle is defined as the airfoil shape.

<표 3><Table 3>

Figure pat00004

Figure pat00004

비록 설계점의 제한범위를 설정하였다고 하여도, 임펠러에서의 익형각은 제한조건 범위내에서도 구조적으로 심각하게 뒤틀어지는 형상이 얻게 되므로 출구에서의 린(lean)각을 초기형상과 같이 얻어지도록 허브에서 설계점이 아닌 조정점들은 자동적으로 변경되도록 하였다. 아울러 익형의 두께는 초기 모델의 두께와 동일하게 분포하였으며, 두께의 분포는 도 4에서 보여주고 있다.Even if the design range of the design point is set, the airfoil angle at the impeller is structurally seriously distorted even within the limiting condition, so that the lean angle at the outlet is designed in the hub to be obtained as the initial shape Adjustment points other than points were automatically changed. In addition, the thickness of the airfoil is the same as that of the initial model, and the thickness distribution is shown in FIG.

원심압축기의 최적화에서는 통상 목적함수로 적용되는 효율이나 압력비는 설계변수의 변화에 대하여 선형적인 결과를 보여주지 않으므로 전역적인 방법을 선택하여야 한다. 하지만 전역적인 최적화방법은 많은 계산시간을 필요로 한다. 따라서 계산시간을 단축하면서 정확한 결과를 얻는 것이 중요하다. 본 발명에서는 최적화를 위한 방법으로 인공지능 방식을 기본적으로 사용하였다. 인공지능은 역전파알고리즘(back propagation algorithm)을 적용하였으며 은닉층과 출력층의 뉴런은 각각 10개와 2개를 사용하였다. 전달함수는 은닉층에서는 hyperbolic tangent 함수를 사용하였으며, 출력층은 직선함수를 적용하였다. 인공지능망이 주어진 결과와 일치하도록 하기 위하여 가중치와 바이어스는 Levernberg-Marquardt 알고리즘을 적용하여 얻었으며, 인공지능망의 형성은 MATLAB의 nntool을 사용하였다.In the optimization of the centrifugal compressor, the efficiency or the pressure ratio, which is usually applied as an objective function, does not show a linear result with respect to the change of design variables, so a global method should be selected. However, the global optimization method requires a lot of computation time. Therefore, it is important to obtain accurate results while shortening the calculation time. In the present invention, artificial intelligence is basically used as a method for optimization. Artificial intelligence applied a back propagation algorithm and 10 and 2 neurons in the hidden layer and the output layer, respectively. The transfer function used the hyperbolic tangent function in the hidden layer and the linear function in the output layer. Weights and biases were obtained by applying the Levernberg-Marquardt algorithm in order to make the artificial intelligence network coincide with the given results, and the artificial intelligence network was formed using MATLAB's nntool.

초기의 인공지능망을 형성하기 위한 인공지능망의 입력은 9개의 설계변수로부터 실험계획법을 적용하여 얻었다. 실험계획법의 적용은 설계변수의 주효과나 교호작용 등에 대한 정보를 알 수 있으며 실험의 횟수를 줄일 수 있는 효과적인 방법이기 때문이다. 본 발명에서는 부분요인배치(Fractional Factorial Design)를 시행하였으며, 레졸루션 Ⅵ(resolution Ⅵ)의 배치법을 적용하였다. 따라서 중심점 개수까지 포함하면 총 65개의 설계변수세트에 대한 공간을 형성하게 된다. 따라서 65개의 설계변수 세트에 대한 수치해석결과가 필요하게 된다. 실험계획법만으로도 최적화를 수행할 수 있지만 결과가 비선형성이 강한 경우에는 실험계획법으로 얻은 최종결과와 실제결과 사이에 차이가 발생할 수 있으므로 초기의 인공지능망 형성에만 적용하였다.The input of the artificial intelligence network to form the initial artificial intelligence network was obtained by applying the experimental design method from nine design variables. This is because the application of the experimental design method is an effective way of knowing the information on the main effects or interactions of design variables and reducing the number of experiments. In the present invention, Fractional Factorial Design was applied and the resolution VI method was applied. Therefore, if the number of center points is included, a space for a total of 65 design parameter sets is formed. Therefore, numerical analysis results for 65 design parameter sets are needed. Experimental design can be used to optimize. However, when the result is nonlinear, it is applied only to the initial artificial intelligence network formation because there may be a difference between the final result obtained by the experimental design method and the actual result.

초기의 인공지능망이 형성되면 새로운 설계변수의 세트에 대하여 목적함수를 찾을 수 있다. 최적의 목적함수를 찾기 위하여서는 무한한 설계변수들의 세트에서 효과적인 설계변수의 세트를 적용하여야 한다.Once the initial artificial intelligence network is formed, an objective function can be found for a new set of design variables. To find the optimal objective function, a set of effective design variables must be applied in a set of infinite design parameters.

이를 위하여 비기울기기반의 방식인 PSO(Particle Swarm Optimization)을 적용하였다. PSO의 적용에서 각 세대별 개수는 100개로 설정하였으며 다음세대를 찾기 위하여서는 초기 가중치 변수는 1.4로 하였으며, 신뢰 변수 C1과 C2는 1.5와 2.5로 설정하였다.For this, PSO (Particle Swarm Optimization), which is a non-slope based method, is applied. In the PSO application, the number of each generation is set to 100. In order to find the next generation, the initial weight variable is set to 1.4 and the confidence variables C1 and C2 are set to 1.5 and 2.5.

PSO에서 얻어진 설계변수 세트를 인공지능망에 적용하여 목적함수를 찾은 후에 우성의 결과에 대하여서는 수치해석을 통하여 다시 결과를 획득한다. 이러한 결과들의 세트는 인공지능망의 입력으로 추가되어 인공지능망의 정확도를 향상시킨다. The set of design parameters obtained from the PSO is applied to the artificial intelligence network to find the objective function and then the dominant result is obtained again by numerical analysis. A set of these results are added to the input of the artificial intelligence network to improve the accuracy of the artificial intelligence network.

도 5에서는 나타난 것과 같이 최적설계방법의 순서도에서는 동일한 방법으로 다음세대에 대한 설계변수의 세트를 찾고 앞서 향상된 인공지능망을 사용한다. 최종적으로 인공지능망의 정확도가 충분히 향상될 때까지 반복수행하면서 최적값을 찾게 된다.As shown in Fig. 5, the flowchart of the optimal design method finds a set of design variables for the next generation in the same way and uses the advanced artificial intelligence network previously. Finally, the optimal value is found by iterating until the accuracy of the artificial intelligence network is sufficiently improved.

압축기 최적화의 목적함수는 사용자에 따라서 달라질 수 있다. 즉 고효율만을 목적으로 하거나 높은 압축비만을 목적으로 할 수 있다. 본 발명에서는 식(2)와 같이 효율(Pη)과 압축비(PΠ)를 동시에 고려한 목적함수(Obj)를 설정하였다.The objective function of the compressor optimization may vary depending on the user. That is, it can be aimed only at high efficiency or at high compression ratio. In the present invention, an objective function (Obj) which simultaneously considers the efficiency (Pη) and the compression ratio (PΠ) is set as shown in equation (2).

Figure pat00005
식(2)
Figure pat00005
Equation (2)

식(2)에서 ω는 가중치(weighting function)이다. Pη 은 계산에서 얻어지는 전효율(

Figure pat00006
)과 이상적인 최대효율(100%)과의 차이를 식(3)과 같이 효율에 대한 목적함수로 설정하였다. 따라서 효율의 증대를 얻기 위하여서는 Pη 은 최소화되어야 한다.In equation (2), ω is a weighting function. Pη is the total efficiency obtained from the calculation (
Figure pat00006
) And the ideal maximum efficiency (100%) as an objective function for efficiency as shown in Equation (3). Therefore, Pη should be minimized to obtain an increase in efficiency.

Figure pat00007
식(3)
Figure pat00007
Equation (3)

압축기의 성능을 나타내는데 있어서 효율과 마찬가지로 압축비도 중요한 인자이다. 압축비는 사용목적에 맞도록 초기에 설정되는데 사용목적에 따라 요구되는 압축비보다 낮으면 문제가 된다. 또한 요구하는 압축비보다 너무 높아도 동력 손실이 증가하게 된다. 따라서 압축비는 요구하는 압축비(Πrq) 보다는 증가하도록 하면서 중요도는 효율에 비하여 제한을 가하였다. 식(4)와 같이 압축비의 목적함수를 설정하고 가중치는 0.3을 적용하였으며, 효율의 가중치는 1.0으로 설정하였다. 따라서 목적함수를 최소화하는 것은 압축비와 효율을 최대화하게 된다.The compression ratio is also an important factor in representing the performance of a compressor. The compression ratio is initially set to meet the purpose of use, but it is problematic if it is lower than the compression ratio required for the purpose of use. Also, the power loss is increased even if it is higher than the required compression ratio. Therefore, the compression ratio is increased as compared with the required compression ratio (Πrq), while the importance is limited as compared with the efficiency. The objective function of the compression ratio is set as shown in Equation (4), the weight is set to 0.3, and the efficiency weight is set to 1.0. Minimizing the objective function maximizes the compression ratio and efficiency.

Figure pat00008
식(4)
Figure pat00008
Equation (4)

임펠러 익형의 익형각이 최적화과정에서 설계변수의 변화에 따라서 변경되므로 임펠러 익형이 심하게 휘어져 응력이 허용응력을 초과하게 된다. 이러한 경우는 제한조건으로 임펠러에 가해지는 응력이 허용응력을 초과되지 않도록 하는 제한조건을 식(5)와 같이 설정하여야 한다.Since the airfoil angle of the impeller airfoil changes in accordance with the change of the design variables in the optimization process, the impeller airfoil is severely bent and the stress exceeds the allowable stress. In this case, the limiting condition that the stress applied to the impeller is not to exceed the allowable stress is to be set as in (5).

Figure pat00009
식(5)
Figure pat00009
Equation (5)

인공지능에서 설계변수 세트의 입력에 대하여 출력을 효율과 압력비로 두 개를 설정하여 얻었다. 얻어진 효율과 압력비로부터 식(2)와 같은 목적함수를 얻어서 PSO에 의한 다음세대 설계변수의 세트를 얻었다. 얻어진 설계변수의 세트를 인공지능망에 적용하여 일정이상으로 향상된 목적함수에 대하여서는 수치해석으로 재계산을 수행하였다. 각 세대별 재계산된 개수를 표 4에서 보여주고 있다.In the artificial intelligence, we obtained the output by setting two efficiency and pressure ratio for the input of the design parameter set. From the obtained efficiency and pressure ratio, we obtain the objective function as in Eq. (2) and get the set of next generation design variables by PSO. The set of obtained design variables was applied to the artificial intelligence network and the objective function improved more than a certain amount was recalculated by numerical analysis. The recalculated numbers for each household are shown in Table 4.

<표 4><Table 4>

Figure pat00010
Figure pat00010

표 4에서 인공지능망에서 얻어진 압력비와 효율이 재계산되어 얻어진 결과와의 정확도를 나타내고 있는데, 식(6)은 참고로 효율 예측의 정확도를 계산하는 방식을 나타내고 있다. 7세대에서의 압력비와 효율 예측의 정확도가 0.6% 이하로 되었음을 알 수 있다. 목적함수는 6% 정도의 정확도를 나타내는데 이는 실제 압력비와 효율의 스케일이 다르게 적용하였기 때문이다. 하지만 얻고자하는 압력비와 효율의 정확도가 세대별로 향상되었으므로 인공지능망을 사용하여 최적화를 하는 것은 적절한 것으로 판단된다.In Table 4, the pressure ratio and efficiency obtained from the artificial intelligence network are recalculated to show the accuracy of the obtained results. Equation (6) shows the method of calculating the efficiency prediction accuracy by reference. The accuracy of pressure ratio and efficiency prediction in 7th generation is less than 0.6%. The objective function shows an accuracy of about 6% because the actual pressure and efficiency scales are different. However, since the pressure ratio and the accuracy of efficiency to be obtained are improved by generation, it is appropriate to optimize using artificial intelligence network.

Figure pat00011
식(6)
Figure pat00011
Equation (6)

1,200번 이상의 설계변수 세트에 대하여 도 6은 각 세대별에서 최소의 목적함수값을 보여주고 있다. 7세대 이후부터 목적함수가 개선되지 못하고 있음을 알 수 있으며 최소의 목적함수가 얻어진 설계변수의 세트는 표 5와 같다.For a set of design variables over 1,200 times, FIG. 6 shows the minimum objective function value for each generation. It can be seen that the objective function has not been improved since the seventh generation. Table 5 shows the set of design variables from which the minimum objective function is obtained.

<표 5><Table 5>

Figure pat00012
Figure pat00012

이렇게 설계된 임펠러에서의 압력비와 효율은 각각 2.69와 87.1%가 얻어졌다. 도 7은 최적화된 압축기의 형상을 보여주고 있으며, 초기 임펠러에 비하여 임펠러의 입구와 출구반경 및 출구폭은 변경되지 않으면서 향상된 결과를 얻을 수 있었다.The pressure ratio and efficiency of the designed impeller were 2.69 and 87.1%, respectively. Figure 7 shows the shape of the optimized compressor and improved results can be obtained without changing the inlet and outlet radii and outlet width of the impeller as compared to the initial impeller.

도 8은 전체 설계변수 세트에 대하여 효율과 압력비의 관계를 보여주고 있다. 효율과 압력비는 상반관계를 나타내며 팔레토의 프론트 라인에 있는 설계변수는 사용자에 따라서 선택되어 사용되어질 수 있다. 최적화된 임펠러에서의 응력과 변위에 대한 결과를 도 9에서 보여주고 있는데 최대변위는 팁간극의 30% 정도 수준을 보여주고 있으며, 최대응력에 대하여서는 안전율 2.1의 결과를 나타내었다.Figure 8 shows the relationship between efficiency and pressure ratio for the entire set of design variables. The efficiency and the pressure ratio are in opposition, and the design parameters in the front line of the pallet can be selected and used according to the user. The results of the stress and displacement in the optimized impeller are shown in FIG. 9, where the maximum displacement is about 30% of the tip gap and the safety factor 2.1 is shown for the maximum stress.

본 발명에서는 압축기의 임펠러에 대하여 여타부품의 변경이 없이 임펠러와 케이싱의 쉬라우드 형상만 변경하여 효율이나 압력비를 향상하는 방법을 찾아주고 있다. 전역적인 최적화의 적용과 빠르게 목적함수에 접근하기 위하여 인공지능의 알고리즘을 적용하고 추가적으로 실험계획법과 PSO법을 혼합한 알고리즘을 사용하였다. 이 같은 방식으로 실제수치해석은 150여회 수행하고 총 1,200여개의 설계변수세트에 대하여 계산을 수행하여 초기 모델에 비하여 효율은 1%향상하고 압력비는 9.3% 향상하는 결과를 얻을 수가 있었다.
The present invention finds a method of improving the efficiency or the pressure ratio by changing only the shape of the impeller and the shroud of the casing without changing the components of the impeller of the compressor. In order to apply the global optimization and to access the objective function quickly, AI algorithm was applied, and the experimental design method and the PSO method were mixed. In this way, the actual numerical analysis is carried out 150 times, and the calculation is performed for a total of 1,200 design parameters. As a result, the efficiency is improved by 1% and the pressure ratio is improved by 9.3% compared with the initial model.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

10: 허브
20: 슈라우드
10: Hub
20: Shroud

Claims (6)

임펠러 형상 설계를 위해 전역적인 결과를 얻으면서도 계산시간 단축을 위한 설계방법에 있어서,
목적함수와 관련된 설계변수를 구하는 S1단계;
상기 S1단계에서 구해진 설계변수에서 인공지능망의 형성을 위한 영역을 실험계획법으로 설정하는 S2단계;
상기 S2단계에서 설정된 영역을 기준으로 인공지능망을 형성하는 S3단계;
상기 인공지능망을 개선하기 위하여 유전자알고리즘을 적용하고, 상기 유전자알고리즘의 세대를 증가시켜 최적의 인공지능망으로 개선하는 S4단계; 및
상기 S4단계에서 형성된 인공지능망을 이용하여 전역적인 최적화의 결과를 도출하는 S5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 임펠러 형상 최적설계방법.
A design method for shortening calculation time while obtaining global results for impeller shape design,
Obtaining a design parameter related to the objective function;
Setting an area for forming an artificial intelligence network as an experimental design method in the design parameters obtained in step S1;
Forming an artificial intelligence network based on the area set in step S2;
A step S4 of applying a genetic algorithm to improve the artificial intelligence network and increasing the generation of the genetic algorithm to an optimal artificial intelligence network; And
And a step S5 of deriving a result of global optimization using the artificial intelligence network formed in step S4.
제 1 항에 있어서,
상기 S2단계에서 인공지능망은 역전파알고리즘(back propagation algorithm)을 적용하며, 은닉층과 출력층의 뉴런은 각각 10개와 2개인 것을 특징으로 하는 임펠러 형상 최적설계방법.
The method according to claim 1,
Wherein the artificial intelligence network applies a back propagation algorithm and the neurons of the hidden layer and the output layer are 10 and 2, respectively.
제 1 항에 있어서,
상기 S2단계에서 실험계획법은 부분요인배치(Fractional Factorial Design)를 시행하고, 레졸루션 Ⅵ(resolution Ⅵ)의 배치법을 적용하는 것을 특징으로 하는 임펠러 형상 최적설계방법.
The method according to claim 1,
Wherein the experimental design method is a Fractional Factorial Design and the resolution VI method is applied in the step S2.
제 1 항에 있어서,
상기 실험계획법은 초기의 인공지능망 형성단계에서만 사용되고, 전역적인 결과 도출을 위해서 상기 S4단계에서 형성된 인공지능망 만을 이용하는 것을 특징으로 하는 임펠러 형상 최적설계방법.
The method according to claim 1,
Wherein the experimental design method is used only in the initial artificial intelligent network forming step and only the artificial intelligent network formed in step S4 is used for global results.
제 1 항에 있어서,
상기 S4단계에서 인공지능망을 개선하기 위해서 비기울기 기반의 방식인 PSO(Particle Swarm Optimization)을 적용시키는 것을 특징으로 하는 임펠러 형상 최적설계방법.
The method according to claim 1,
Wherein the PSO (Particle Swarm Optimization) method is applied to improve the artificial intelligence network in step S4.
제 1 항에 있어서,
상기 S4단계에서 유전자알고리즘으로 얻어진 새로운 영역에서 인공지능망을 사용하여 나온 결과치를 수치해석하여 인공지능망을 보완하는 것을 특징으로 것을 특징으로 하는 임펠러 형상 최적설계방법.

The method according to claim 1,
Wherein the artificial intelligence network is supplemented by numerically analyzing the results obtained using the artificial intelligence network in a new area obtained by the genetic algorithm in step S4.

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