Introduction

기본 모델인 ESTL002는 앞서 Table 2에서 나타낸 바와 같이 스플리터의 코드길이는 메인 블레이드의 75%이며 피치방향 위치는 50%이다. ESTL001과 ESTL003의 스플리터는 각각 메인 블레이드의 85%, 65%의 코드길이를 갖고 있다.

먼저 천음속 원심압축기의 유동특성을 비교하기 위해 팁 부근의 상대마하수를 비교하였다. 그 결과 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 모든 모델에서 메인 블레이드의 흡입면 부근에서 충격파가 확인되었으며, 스플리터의 코드길이가 감소할수록 충격파의 발생 위치가 점차 하류로 이동하는 것을 X 영역을 통해 확인할 수 있다. 충격파에 의한 급격한 속도 구배는 정압 상승에 대한 손실을 유발한다.

Fig. 2 
Relative Mach number distribution at 95% span

한편, 메인 블레이드의 흡입면과 스플리터의 압력면 사이의 통로인 Y 영역에서 상대 마하수가 증가하는 것을 볼 수 있는데, 스플리터의 코드길이가 감소할수록 속도 증가가 더 큰 것을 확인할 수 있었다. 유체의 운동에너지가 엔탈피 상승으로 이어지며 내부 압력이 증가하여야 하는데, 유로내의 속도 상승은 작동 유체에 가해진 운동에너지가 엔탈피 상승으로 이어지지 못하는 것을 의미하며 이는 곧 임펠러의 압력비가 감소하는 결과를 야기함을 의미한다. 실제로 속도 상승량이 가장 큰 ESTL003 모델의 압력비가 가장 낮게 나타났다(Fig. 8).

Fig. 3은 임펠러 축방향 코드길이의 50%에 위치하는 유로단면에서 유체의 운동에너지가 압력상승으로 전환되면서 발생되는 손실값을 입구 주유동에 대한 엔트로피 상승량으로 나타냈다. 엔트로피 상승량은 식 (1)을 이용하였다.

Fig. 3 
Entropy distribution at mid-chord location

여기서 ref는 임펠러 입구를, R¯은 비기체 상수(Specific gas constant)를 의미한다. 또한 메인 블레이드의 압력면부터 스플리터의 흡입면 사이의 통로를 압력면 통로(Pressure side passage), 스플리터의 압력면부터 메인 블레이드의 흡입면 사이의 통로를 흡입면 통로(Suction side passage)라 명명하고, 손실영역을 압력면 통로와 흡입면 통로로 나누어 분석하였다.

그 결과 압력면 통로의 팁 근처 영역에서의 손실이 흡입면 통로보다 더 크게 나타났다. 이 영역은 메인블레이드로부터 발달한 익단 간극와류와 스플리터에 의한 익단 간극와류가 혼합되어 형성되는 구간이다. 흡입면 통로의 팁 근처 영역에서 발생하는 유동은 통로내부의 이차유동과 팁 간극와류의 혼합효과로 인해 발생한다. 모델별로 비교한 결과 스플리터의 코드길이가 감소할수록 압력면 통로에서의 손실의 크기가 감소하고 흡입면 통로에서의 손실 영역이 작아지는 것을 관찰할 수 있었으며, 이로 인해 스플리터 코드길이가 가장 짧은 ESTL003의 효율이 가장 높게 나타났다(Fig. 9).

일반적으로 원심압축기의 스플리터를 설계할 때 메인 블레이드의 전체 코드길이를 변화시키고 블레이드의 스팬 방향으로는 같은 비율을 적용한다. 최근에는 슈라우드와 허브의 코드길이가 다른 스플리터가 적용되고 있다. 앞서 Table 2에 나타낸 바와 같이 ESTL004 모델은 허브의 코드길이가 슈라우드의 코드길이보다 긴 스플리터를 장착한 임펠러이며 ESTL005 모델은 슈라우드의 코드길이가 허브의 코드길이보다 더 긴 스플리터를 장착한 임펠러이다.

팁 부근의 마하수 분포를 확인한 결과 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 메인 블레이드의 흡입면 부근에서 충격파가 관찰되며, 스플리터의 슈라우드 코드길이가 짧을수록 충격파의 발생 위치가 더 하류로 이동하는 것을 X 영역을 통해 확인할 수 있다. 따라서 Fig. 2와 Fig. 4의 결과를 봤을 때 스플리터의 슈라우드 코드길이가 충격파의 위치에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 또한 Y 영역을 비교했을 때 ESTL004에서 유속 상승이 가장 크게 나타나는 것으로 보아 압력비에도 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. ESTL004 모델의 경우 스플리터 선단 부근의 흡입면에서 추가적인 충격파가 발생하는 것을 볼 수 있는데, 이는 스플리터의 파손 위험을 증가시키고 압력비를 감소시킨다.

Fig. 4 
Relative Mach number distribution at 95% span

Fig. 5는 임펠러 축방향 코드길이의 50%에 위치하는 유로단면에서 나타나는 손실값을 엔트로피 상승량으로 비교한 것이다. Fig. 3과 마찬가지로 압력면 통로의 팁 근처 영역에서의 손실이 흡입면 통로보다 크게 나타났다. 기본모델인 ESTL002와 비교했을 때 ESTL004는 압력면 통로에서의 손실의 크기가 크게 증가하고, ESTL005는 흡입면 통로에서의 손실 영역이 더 넓게 분포되어 효율이 감소하는 것을 알 수 있었다.

Fig. 5 
Entropy distribution at mid-chord location

일반적인 원심압축기의 스플리터는 메인 블레이드의 손실영역을 감소시키기 위해 축소된 형태의 블레이드를 사용하며 대부분 메인 블레이드의 피치 가운데에 위치하도록 하고 있다. 하지만 Drtina 등⁽¹⁴⁾은 기존의 방법으로 설계한 스플리터 선단의 피치방향 위치를 메인 블레이드의 흡입면 방향으로 이동시킴으로써 날개 있는 디퓨저(vaned diffuser)에서의 압력 회복이 향상되었음을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 스플리터 전체의 피치방향 위치에 대한 특성을 관찰하고자 하였으며, 메인 블레이드의 피치를 사등분하여 압력면과 가까운 사등분 지점에 스플리터를 위치시킨 것을 ESTL006, 반대로 흡입면과 가까운 사등분 지점에 스플리터를 위치시킨 것을 ESTL007로 명명하였다.

Fig. 6은 팁 부근의 마하수 분포를 나타낸 것이며, 메인 블레이드의 흡입면 부근에서 충격파가 관찰된다. 스플리터의 피치방향 위치는 충격파의 위치에 큰 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있다. 그러나 ESTL006 모델의 경우 스플리터 선단 부근의 흡입면에서 충격파가 관찰되고, ESTL007 모델은 스플리터 선단 부근의 흡입면 및 압력면에서 충격파가 관찰된다. 또한 Y 영역에서 ESTL006과 ESTL007 모두 유속 상승량이 기본 모델인 ESTL002보다 높게 나타나 압력비에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.

Fig. 6 
Relative Mach number distribution at 95% span

Fig. 7은 임펠러 축방향 코드길이의 50%에 위치하는 유로단면에서 나타나는 손실값을 엔트로피 발생량으로 비교한 것이다. 앞서 살펴본 Fig. 3과 Fig. 5와 마찬가지로 압력면 통로의 팁 근처 영역에서 손실이 가장 크게 나타났으며, 흡입면 통로의 메인 블레이드 팁 부근에서 손실이 가장 작게 나타났다.

Fig. 7 
Entropy distribution at mid-chord location

Fig. 8은 7가지 임펠러 모델의 total-to-total 압력비를 비교한 그래프이고, Fig. 9는 임펠러의 total-to-total 효율을 비교한 그래프이다. 임펠러 효율은 식 (2)와 같이 구할 수 있다.

Fig. 8 
Comparison of pressure ratio

Fig. 9 
Comparison of impeller efficiency

앞에서 고찰한 속도장과 엔트로피 분포를 통해서 압력비와 효율이 변화되는 원인을 파악한 바 있다. 스플리터 코드길이가 감소할수록 압력비는 감소하고 효율은 증가하는 것을 확인할 수 있다. ESTL001는 기본 모델인 ESTL002에 비해 압력비가 약 1% 증가하였으나 효율이 약 2% 감소하였고, ESTL003은 압력비가 약 2% 감소하였으나 효율이 약 1% 증가하였다.

허브의 코드길이비가 슈라우드의 코드길이비보다 긴 ESTL004는 슈라우드의 코드길이비가 허브의 코드길이비보다 긴 ESTL005보다 압력비는 낮고 효율은 높게 나타났다. 또한 기본 모델인 ESTL002보다는 성능이 모두 낮게 나타났는데, ESTL004는 압력비와 효율이 각각 약 3%, 약 1% 감소하였으며 ESTL005는 약 2%, 약 3% 감소하였다.

피치방향 설치 위치와 관련하여, 스플리터가 메인 블레이드의 흡입면에 인접해 위치한 ESTL006이 압력면에 인접해 위치한 ESTL007보다 압력비와 효율 모두가 높게 나왔지만 기본모델보다는 성능이 낮게 나타났다. ESTL006은 기본 모델 ESTL002에 비해 압력비 약 5%, 효율 약 1% 감소하였고, ESTL007은 압력비 약 6.5%, 효율 약 1% 감소하였다. 스플리터의 압력면 통로와 흡입면 통로가 감소하면 충격파에 의한 손실 영역이 증대됨은 물론 엔트로피 상승량이 급격히 증가하기 때문에, 두 메인 블레이드의 중간 피치 위치에 스플리터가 위치해야 함을 확인하였다.