Aerodynamic Analysis and Optimization of a Transonic Axial Compressor with Active and Passive Stall Control System : 능동 및 수동실속제어기술이 적용된 천음속 축류압축기의 공력해석과 최적화 :

김진혁

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김진혁 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 김광용

발행연도: 2013

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

2013

Aerodynamic Analysis and Optimization of a Transonic Axial Compressor with Active and Passive Stall Control System : 능동 및 수동실속제어기술이 적용된 천음속 축류압축기의 공력해석과 최적화

김진혁 기계공학과 2013.01 학위논문

2011

천음속 축류압축기의 작동 안정성을 고려한 케이싱 트리트먼트의 적용

김진혁 , 최광진 , 김광용 대한기계학회 춘추학술대회 2011.11 학술대회자료

케이싱 트리트먼트가 적용된 천음속 축류압축기의 비정상 스톨 발단 연구

김진혁 , 진청휘 , 김광용 한국유체기계학회 학술대회 논문집 2011.11 학술대회자료

케이싱 그루브가 장착된 천음속 축류압축기의 작동 안정성 향상을 위한 수치최적화

김진혁 , 최광진 , 김광용 한국유체기계학회 논문집 2011.10 학술저널

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일반적으로 팁 누설 와류와 그의 궤적은 압축기 내 실속과 서지를 야기하는 주요한 인자로 잘 알려져 있다. 이러한 현상들을 제어하기 위한 수동 및 능동제어방법은 지난 수 십 년간 압축기 설계에 사용되어 왔다. 수동제어방법 중 하나인 케이싱 그루브는 팁 누설 와류 궤적의 조절을 통해 압축기의 안정된 작동영역을 확장시킬 수 있다. 그러나 이 방법은 일반적으로 압축기의 효율 감소를 초래한다. 공기분사방식은 압축기의 스톨 마진을 증가시키는 또 다른 방법이며, 보통 블레이드의 앞전 근방의 케이싱 위에 장착된다. 일반적으로 공기분사방식은 축 방향 속도성분을 증가시키고, 이로 인한 국부적인 입사각 감소에 의해 블레이드 앞전 근방에서 발생하는 유동박리를 감소시킨다. 본 연구에서는 케이싱 그루브 및 공기분사가 결합된 케이싱 그루브를 장착한 축류압축기에 대하여 스톨 마진과 효율을 증가시키기 위한 수치최적설계를 수행하였다.
첫째로, 본 연구에서는 압축기의 성능에 대하여 케이싱 그루브가 미치는 영향을 평가하였고, 케이싱 그루브에 대한 단일 및 다중목적 최적설계를 수행하였다. 케이싱 그루브의 형상과 관계된 두 가지 설계변수는 최적화를 위한 설계변수로 선정되었다. 단일목적 최적화는 신경회로망 대리모델을 사용하여 케이싱 그루브와 함께 압축기의 스톨 마진을 증가시키기 위하여 수행되었다. 다중목적 최적화는 크리깅 대리모델과 결합된 다중목적 진화알고리즘을 사용하여 압축기의 스톨 마진과 최고 효율을 동시에 증가시키기 위해 수행되었다. 본 연구의 결과로써 압축기 내 케이싱 그루브의 적용은 최고 효율점에서 약간의 효율 감소와 함께 작동 안정성의 증가를 초래한다는 것을 알 수 있었다. 또한 다중목적 최적화 결과는 임의로 선정된 기준 그루브에 따른 압축기와 비교하였을 때, 최적화된 케이싱 그루브를 갖는 압축기는 스톨 마진과 최고 효율이 동시에 증가되었음을 보여주었다.
케이싱 그루브 형상의 최적설계에 이어, 케이싱 그루브와 함께 압축기 블레이드 형상은 가중평균 대리모델과 함께 정상상태의 유동해석을 통하여 최적화되었다. 압축기 블레이드 및 케이싱 그루브와 관련된 세 가지 설계변수와 함께 스톨 마진은 목적함수로서 선정되었다. 최적설계를 통하여 기존 케이싱에 따른 압축기와 비교하였을 때 스톨 마진이 주요하게 증가된 최적 형상을 찾았다. 케이싱 그루브와 함께 최적화된 압축기의 비정상 유동현상을 조사하기 위하여 비정상 유동해석은 수행되었고, 비정상 스톨 발단점은 이 해석을 사용하여 재예측 되었다. 비정상 유동해석을 통해 최적형상의 서징 현상은 기존 케이싱을 갖는 압축기와의 비교를 통해 명백히 억제되고 지연된 것을 확인할 수 있었다.
마지막으로, 케이싱 그루브를 갖는 압축기의 최적설계와 더불어 공기분사와 함께 결합된 케이싱 그루브를 갖는 압축기의 공력성능은 조사되었고, 반응면 대리모델과 함께 결합된 다중목적 진화알고리즘을 사용하여 스톨 마진과 최고 효율을 동시에 증가시키기 위한 최적설계가 수행되었다. 최적설계를 통해 상류방향으로의 그루브 연장은 스톨 마진 향상에 효과적인 반면, 하류방향으로의 연장은 최고 효율 증가에 효과적임을 확인하였다. 결과적으로 압축기 내 공기분사와 결합된 케이싱 그루브의 적용은 압축기의 스톨 마진과 최고 효율점을 동시에 증가시킬 수 있는 효과적인 방법임을 알 수 있었다.

Tip leakage vortices and their trajectories are generally known as major factors that induce stall and surge in an axial compressor. To control these phenomena, passive and active control approaches have been used in the design of axial compressors for several decades. Circumferential casing grooves (CCGs), one of the passive methods, are known to substantially extend the stable operating range of an axial compressor by controlling the trajectory of the tip leakage vortex. However, this method is often accompanied by a loss, which leads to a decrease in the efficiency of the axial compressor. Tip injection is another way to increase the stall margin, and is equipped on the compressor casing near the leading edge (LE) of a blade. Tip injection increases the axial velocity component and consequentially suppresses LE separation by reducing the local angle of attack. In this work, CCGs and a single casing groove combined with injection were applied to an axial compressor, and optimized using numerical optimization techniques to enhance stall margin and efficiency.
Firstly, CCGs were studied to evaluate their effects on the compressor performance, and optimized twice through single- and multi-objective optimization techniques. Two design variables defining the geometry of the CCGs were selected as design variables for optimizations. The single-objective optimization was carried out to improve the stall margin of the compressor with the CCGs using a radial basis neural network surrogate model. The multi-objective optimization was conducted to enhance the stall margin and peak adiabatic efficiency using a hybrid multi-objective evolutionary algorithm (MOEA) coupled with a Kriging surrogate model. It was found that the application of the CCGs leads to significant improvement in the operating stability of a compressor with slight reduction in the peak adiabatic efficiency. Furthermore, the multi-objective optimization results showed that the stall margin and peak adiabatic efficiency of the axial compressor with the optimized CCGs were simultaneously improved compared to the compressor with arbitrary reference CCGs.
Secondly, an axial compressor blade with CCGs was optimized to improve the stall margin through an optimization process based on a weighted-average surrogate model and steady flow analysis. The stall margin was selected as objective function with three design variables related to the geometry of the blade and CCGs. Optimization of this model found the optimum design, which yields a considerable increase in the stall margin compared to the smooth casing. To investigate unsteady behavior of the flow in the optimized compressor with CCGs, an unsteady flow analysis was performed, and the stall inception point was re-predicted using this analysis. For the optimum design using CCGs, the time history of the unsteady flow field indicated that the surging phenomenon was clearly restrained and delayed compared to the smooth casing.
Lastly, a casing groove design combined with injection in an axial compressor was investigated and optimized to enhance both the stall margin and peak adiabatic efficiency using a hybrid MOEA coupled with a response surface approximation surrogate model. Through optimization, the extension of the groove in the upstream direction was effective in the enhancement of the stall margin, whereas the extension in the downstream direction was effective in the enhancement of peak adiabatic efficiency. Consequentially, the results showed that the application of the casing groove combined with injection to an axial compressor is effective for the simultaneous improvement of both the stall margin and peak adiabatic efficiency of the compressor.

#축류압축기

ABSTRACT I
ABSTRACT (KOREAN) IV
TABLE OF CONTENTS VII
NOMENCLATURE X
TABLE CAPTIONS XIV
FIGURE CAPTIONS XV
1. INTRODUCTION 1
1.1 Background 1
1.2 Literature Survey 4
1.2.1 Passive control approach 4
1.2.2 Active control approach 6
1.2.3 Combination of passive and active control approaches 7
1.2.4 Single-objective optimization 8
1.2.5 Multi-objective optimization 11
1.3 Motivations and Objectives 12
2. NUMERICAL ANALYSIS 14
2.1 Computational Domain Description 14
2.1.1 Circumferential casing grooves 15
2.1.2 Single casing groove combined with injection 16
2.2 Computational Grids and Boundary Conditions 17
2.3 Unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes Equations 20
2.4 Turbulence Models 22
2.4.1 Shear stress transport turbulence model 22
2.4.2 k-ε turbulence model 24
2.5 Convergence Criteria 25
3. OPTIMIZATION METHODOLOGY 27
3.1 Design of Experiments 27
3.1.1 Latin hypercube sampling 27
3.2 Surrogate Models 29
3.2.1 Response surface approximation model 29
3.2.2 Radial basis neural network model 29
3.2.3 Kriging model 31
3.2.4 Weighted-average model 32
3.3 Single-Objective Optimization Technique 34
3.4 Multi-Objective Optimization Technique 35
3.5 Optimization Algorithm 37
4. RESULTS AND DISCUSSION 38
4.1 Grid Dependency Test 38
4.2 Validation of Numerical Results 41
4.3 Performance Enhancement via Application of Circumferential Casing
Grooves 42
4.4 Design Optimization of Circumferential Casing Grooves 50
4.4.1 Results of single-objective optimization 50
4.4.2 Results of Multi-objective optimization 60
4.5 Unsteady Flow Analysis via Optimization of Compressor Blade with Circumferential Casing Grooves 69
4.5.1 Objective function and design variables 69
4.5.2 Results of single-objective optimization 70
4.5.3 Unsteady flow analysis 80
4.6 Optimization of Casing Groove Design Combined with Injection 88
4.6.1 Parametric study on design variables 88
4.6.2 Results of multi-objective optimization 89
5. CONCLUSIONS 106
5.1 Concluding Remarks 106
5.2 Suggestions for Further Work 108
REFERENCES 110
AUTHOR’S PUBLICATIONS 128
ACKNOWLEDGMENTS (KOREAN) 144

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