임펠러 및 플로팅 링 실의 형상이 원심 펌프의 성능에 미치는 영향을 수류 시험 결과를 토대로 연구하였다. 연구 대상이 된 펌프는 30 톤급 및 75 톤급 액체로켓엔진용으로 개발된 단단 원심형 펌프로 연소실에 추진제(액체산소, 케로신)를 공급하는 터보펌프의 일부이다. 펌프의 양정은 임펠러 출구 폭 및 날개 개수, 날개의 출구 각도의 영향을 받는 것으로 나타났다. 또한 개발된 펌프는 플로팅 링 실의 간극에 따라 그 효율에 차이가 있었으며, 크기 증가에 따른 효율 증가 효과는 크게 나타나지 않았다.
산업 현장에서 필수적인 설비인 공기 압축기는 스크루, 왕복동 및 터보 압축기가 사용되고 있다. 근래에 터보 압축기가 넓이 사용되고 있는데, 터보 압축기는 구조적으로 임펠러를 고속회전 시켜야한다. 범용전동기에 높은 기어비를 가진 기어박스를 이용하여 구현하였는데, 이는 관성 모멘트, 마찰손 및 압축기의 크기를 증가시켰다. 최근에 터보 압축기의 연구는 초고속 동기전동기를 장착하여 기어박스를 제거하여 크기와 마찰손을 최소화하는 방향으로 진행되고 있다. 본 연구에서는 150마력 70,000rpm 직접 구동방식의 터보 압축기를 개발하기 위하여 초고속 동기전동기 센서리스 벡터 구동시스템을 개발하였고, 이를 적용하여 직접 구동방식 터보 압축기를 개발하였다.
터보블로워는 상대적으로 적은 체적유량에서 높은 압력이 요구되는 곳에 사용되는 대표적인 유체기계로서 다양한 산업에 응용되어 사용된다. 본 연구에서는 고속으로 회전하는 소형 2단 터보블로워의 정압상승 메커니즘을 이해하기위해, 1단 임펠러 영역과 터보블로워 전체 영역에 대해서 상용툴인 ANSYS 14.5를 이용하여 CFD해석을 수행하였다. CFD 해석과정에는 역압력 구배에 의한 유동박리 예측에 적합한 k-${\omega}$ SST 난류 모델을 적용하였다. 터보블로워의 전산해석 결과는 KS B 6311 및 KS A 0612에 따른 성능시험방법을 통하여 해석기법이 타당함을 검증하였다. CFD 해석결과 터보블로워의 압력상승은 선형적으로 나타나지 않으며, 안내깃에서의 손실과 케이싱과 임펠러 간극에서 손실이 발생하는 것으로 분석되었다. 소형 2단 터보블로워를 공력성능을 예측하기 위해서는 전체 유동영역에 대한 전산 해석이 필요하며, 실험과 전산해석의 오차에 대해 고려된 전산해석 결과가 선정되어야 한다.
An inducer is employed in a modern rocket feed system because it allows a turbopump system to operate at a high speed with low inlet pressures so as to minimize the weight and the size of the system. Cavitation performance can be improved by installing an inducer to the pump, enabling to increase the operational speed of the pump. The main purpose of an inducer is to increase the static pressure prior to an impeller to enable the impeller to operate satisfactorily under cavitation environments. In the present study the effects of axial distance between the inducer and the impeller on the performance of the pump were studied using both experimental and computational methods. Two inducers with different axial length were used for the experiments and the pump performances were measured. The experimental results show that the suction performance decreases as the axial gap between the inducer and impeller is increased.
The hydraulic performance analysis of a pump system composed of an inducer and impeller for the application on turbopumps has been performed using three-dimensional Wavier-Stokes equations. A simple mixing-plane method and a full interaction method are used to simulate inducer/impeller interactions. The computations adopting two methods show almost similar results due to the weak interaction between the inducer and impeller since the inducer outlet blade angle is rather small. But, because the inducer and the impeller are closely spaced near the shroud region at the interface, flow angles at the impeller inlet show different results between two methods. Thus, the full interaction method predicted about $2\%$ higher pump performance than the mixing-plane method. And the effects of prewhirl at the impeller inlet are also investigated. As the inlet flow angle is increased, the head rise and the efficiency are decreased. The computational results are compared with experimental ones. The computational results at the design point show good agreements with experimental data. But the computation was found to under-predict the head rise at high mass flow rates compared to the experiment, further study must be followed in terms of the computation and experiment.
The hydraulic performance analysis of a turbopump with an inducer for a liquid rocket engine was performed using three-dimensional Navier-Stokes equations. A simple mixing-plane method and a full interaction method were used to simulate inducer/impeller interaction. Two methods show almost similar results due to the weak interaction between the inducer and impeller since the inducer outlet blade angle is lather small. But, when the inducer and the impeller are closely spaced near the shroud region, flow angles at the impeller inlet show different results between two methods. Thus, the full interaction method predicts about $2\%$ higher pump performance than the mixing-plane method. And the effects of prewhirl at the impeller inlet are also investigated. As the inlet flow angle is increased, the head rise and the efficiency are decreased. The computational results are compared with measured ones. The computational results at the design point show good agreements with experimental data, however under-predicts the head rise at high mass flow rates compared to the experiment.
Propellent should be pressurized inside the turbopump to gain high thrust in a projectile. Turbopump is composed of an inducer, which prevents impeller performance deterioration, and an impeller. Several types of cavitation occur inside the inducer, numerous experiments and CFD simulations are conducted. Though, an inducer takes only small portion of total head of the pump and the following impeller determines whole turbopump performance. In addition, low inlet pressure makes the flow to be cavitated not only at the inducer, but also at the impeller in real cases. Therefore, flow through an inducer and an impeller should considered simultaneously. In this study, LOX pump composed of an inducer and an impeller is analyzed by using commercial CFD code ANSYS CFX 13.0. Non-cavitating flow with high inlet pressure and cavitating flow with low inlet pressure are both simulated and head, suction performances are shown. Evolution of the flow and the cavitation by reducing cavitation number and effect of cavitation on pump performance are studied.
Numerical and experimental investigations were conducted to assess the aerodynamic performance of several centrifugal compressors. In order to impose an appropriate physics at the interface between impeller and vaned diffuser numerically, two different techniques, frozen rotor and stage models, were applied and the simulation results were compared with the corresponding prototype test data. An equivalent sand-grain roughness height was utilized in the present computational study to consider a relative surface roughness effect on the stage performance simulated. From a series of investigations, it was found that the stage model is more suitable than the frozen rotor scheme for the steady interactions between impeller and diffuser in turbocompressor applications. It is supposed that the solution by frozen rotor scheme is inclined to overrate the non-uniformity of the flow fields. The predicted aerodynamic performance accounting for surface roughness effect shows favorable agreement with experimental data. Simulations based on the aerodynamically smooth surface assumption tend to overestimate the stage performance.
In general, an impeller of centrifugal turbomachinery is designed at isolated condition without considering the presence of a volute, but when the impeller is operating with its volute, the performance of impeller can be different. This is largely caused by the interaction between the impeller and volute flow fields. The magnitude of distortion is increased as the operating point is away from the design point and, as a result, the interaction between the impeller and volute is stronger. In the present calculation, the flow through the impeller is simulated using coarse grids. The flow within the impeller and the volute is naturally unsteady, but the flow is assumed to be steady across the interface between the volute and impeller flow fields. Under the assumption of steady three-dimensional incompressible turbulent flow, the time averaged N-S equations involving standard k-$\epsilon$ turbulent model was solved by the F.V.M. The calculation results are compared with the experimental results obtained for an industrial fan by Sakai etc. and the Hood agreement is demonstrated. And the effects of the impeller-volute interaction are studied.
터보 압축기는 구조적으로 임펠러를 고속회전 시켜야한다. 범용전동기에 높은 기어비를 가진 기어박스를 이용하여 구현하였는데, 이는 관성 모멘트, 마찰손 및 압축기의 크기를 증가시켰다. 최근 터보 압축기의 연구는 초고속 동기전동기를 장착하고 있고 기어박스를 제거하여 크기와 마찰손을 최소화하는 방향으로 진행되고 있다. 본 연구에서는 150마력 70,000rpm 직접 구동방식의 터보 압축기를 개발하기 위하여 초고속 동기전동기용 인버터제어기, 공압제어기 및 MMI 기능을 통합한 단일 DSP(Digital Signal Processor) 구조의 통합제어기를 구현하였다. 이는 하드웨어적인 부분만 아니라 소프트웨어적인 측면에서도 역시 통합 작업이 필요하였다. 이러한 통합으로 하드웨어적으로는 제어 시스템이 간략화 되었으며, 소프트웨어적으로도 동일한 개발환경에서 각 제어기가 구현되고 통합되었다. 이를 개발 및 제작하여 150마력 70,000rpm 직접 구동 방식의 터보 압축기에 적용하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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