항공기용 및 산업용 가스터빈의 압축기는 일반적으로 고유량 영역에서 작동점을 갖는 터보기계로서, 이 중 다단 축류형 압축기는 여러 개의 동익단과 정익단을 하나의 축상에 배치하여 구동하는 형태의 압축기이다. 이런 다단 축류형 압축기는 고압력 및 고출력을 얻기 위해서 설치되는 것이 일반적이고, 무엇보다 많은 양의 공기를 연소기 및 터빈으로 공급하기 위해서는 그만큼 많은 양의 공기를 흡입하여야 한다. 하지만 이런 다단 축류형 압축기의 특성상 입구영역의 온도에 민감하게 반응하며, 이것은 곧 압축기의 효율로 이어지는 문제가 있다. 특히 더운 여름 날씨에 공기의 상태가 습한 경우, 운전 점에서 이미 높아진 온도에 의해 압축기의 효율이 저하되고 만다. 이는 압축기의 특성을 한 눈에 볼 수 있는 Brayton 사이클을 통해서 어느 정도의 효율 또는 동력이 소모되는지 이론적으로 계산할 수 있다. 통상 구동 점에서의 온도가 올라가면 등압선을 따라서 입구 점에서의 상태량이 이동을 하게 되어 압축기 출구와 터빈 입구간의 열 효율이 감소하는 악영향까지 초래하게 된다. 따라서 터보기계, 특히 압축기에 종사하는 국내 및 국외 연구 인력들은 수년간 고온다습한 환경뿐만 아니라 어떠한 악기후에서도 압축기를 구동함과 동시에 효율 및 성능을 개선하는 방안에 대해서 연구해 왔다. 1940년대부터 열역학적 관점에서 개선방안을 모색해 왔었고, 그 중 개선 효과가 나은 방안들이 나오기 시작했다. 그 중 대표적인 방식으로는 압축기 입구 영역에서 분무를 하는 방식이 가장 효과적인 것으로 연구 결과가 보고되었다. 이 분무 방식에도 다시 몇 가지 테크니컬한 방식이 있는데, 대표적으로 입구 분무 냉각 방식(Inlet Fog Cooling)과 습식 압축(Wet Compression)이 있다.
입구 분무 냉각 방식은 외부 공기가 들어오는 흡입 덕트 앞에 분사 노즐 매니폴드(Nozzle manifold)와 여러 부수적인 설비(소음기, 필터 등)을 설치 후, 압축기의 입구로 흡입되는 공기의 온도를 증발 상변화를 통해서 떨어뜨리는 방식이다. 온도가 감소된 공기는 압축기의 입구로 흡입되고, 이때 공기의 온도가 감소됨으로써 Brayton 사이클 상 운전점이 아래로 내려가게 된다. 따라서 압축기의 효율 개선과 압축기 시동 부하를 저감시키는 효과가 있다. 하지만 입구 분무 냉각 방식의 단점으로는 대기 환경의 영향을 많이 받으며, 특히 습도가 높거나 우기가 긴 지역에서는 입구 분무 냉각에 의한 효과가 제한적이다.
이와는 달리 습식 압축은 압축기 입구 영역에서 분무를 하는 것은 입구 분무 냉각 방식과 같으나, 입구 영역의 습도가 포화상태에 이를 때까지 분무를 지속하고, 이후 증발되지 않은 잔여 액적(droplet)들이 그대로 압축기 내부로 들어가 압축기 내부 전반적인 온도를 감소시킨다. 따라서 압축기의 블레이드 및 가스터빈의 샤프트(축)에 가해지는 부하는 증가하나, 전체적인 압축기의 성능 및 효율이 개선된다. 이와 동시에 압축기 출구의 온도도 감소하여 연소기 및 터빈 간의 열 효율이 증가하고, 따라서 가스터빈으로 생산되는 출력량이 증가하게 된다. 즉, 가스터빈 기관 자체의 성능이 개선이 되는 것이다. 뿐만 아니라 습식 압축은 포화상태에서도 분무가 가능하기 때문에 습하고 덥거나 악천후에도 구애받지 않고 전천후로 구동이 가능하다는 장점을 갖고 있다.
따라서 본 연구는 한국항공우주연구원(KARI)에서 개발한 3단 천음속 축류형 압축기를 이용한 습식 압축에 대해 수치해석을 수행하고, 도출 된 결과와 기존 공기 압축 시험 결과와 비교하여 습식 압축에 의한 효율 및 성능 개선 여부를 알아보았다. 또한 여러 연구 논문들에서 확인 된 마하 수 변화와 블레이드로의 유동 입사각 변화 등의 물리적인 현상들에 대해 조사해 보았다. 이들 결과는 향후 습식 압축에 대한 비정상상태에서의 수치해석을 수행하기 위한 바탕 자료 및 실증 시험과의 비교 데이터로서 활용할 수 있도록 하는 것을 목표로 하였다.