A mean streamline analysis method has been proposed to estimate the performance of regenerative flow pumps and compressors, hereafter referred to as RFP/RFC. Extremely high heads at low flow, such as the fuel supply to a combustion chamber, are often required in industrial applications of turbomachinery. In order to produce such operating conditions multi-stages must be employed for a centrifugal type machine. On the other hand, a single stage is enough for a regenerative type machine that operates at the comparable tip speed. In this case simpler structure and smaller size add more advantageous features of RFP/RFC than any multistage centrifugal machines. The regenerative machines of concern in the present study are a RFP for automotive fuel pumping and a RFC in low pressure natural gas compression required by a micro gas turbine.
Most of previous models for the internal flow of RFP can be applied only to fully-developed flow regions. In this study a modified model is proposed to expand its application up to the developing region located in front of the fully-developed flow region. Moreover, an attempt is made to represent the effect of change in the circulatory velocity including the variation of the channel area. Governing equations for RFP with semi-circular blades are developed on the basis of the modified model. Several loss models are introduced to make the above governing equations a closed problem. The results of performance prediction are found to agree well with experimental data from Delphi automotive fuel pump and others. In addition, it is shown that predicted circulatory velocity distribution by the suggested flow model is in good agreement with that from CFD results.
The second regenerative machine of the present study is a RFC with airfoil blades, which is to be installed in a micro-gas turbine. Generally, the channel area of RFC is changed from inlet to exit because of the compressibility effect. The effect of density variation is added to the above model for RFP. Various loss models for airfoil blade RFC are correlated with geometric and aerodynamic parameters. A performance prediction results are compared with published test data.
Frequently a few decompression ducts are employed in a RFC, which take some of the high pressure fluid entrapped in the stripper blades and feed it to various locations in the channel, thus increasing efficiency through the reduction of power consumed by RFC. This research presents mathematical model capable of calculating the variation of efficiency due to the existence of decompression ducts. Through an extensive sensitivity analysis using a performance prediction code, important design variables are suggested for performance improvement. The mean streamline analysis method developed through this study can help the understanding of operational characteristics of general RFP/RFC and then be used as a conceptual tool for preliminary design.
본 연구에서는 재생형 펌프 또는 압축기에 대해서 평균속도를 이용한 성능예측방법을 제시하였다. 산업체에서는 연료공급과 같이 매우 작은 유량에 비해서 높은 압력이 요구되는 작동조건이 자주 발생한다. 체적형 유체기계 대신에 이와 같은 작동조건을 충족하기 위해서 원심형 유체기계는 여러 단으로 구성해야 하지만 같은 회전속도를 갖는 재생형 유체기계는 1 단만으로 가능하기 때문에 간단하며 작은 크기로 제작할 수가 있다. 또한 성능 면에서도 보다 효율적이 된다. 대표적인 재생형 유체기계로는 자동차 연료 공급용 재생펌프나 소형 가스 터빈의 연료인 천연가스 공급용 재생압축기가 있다.
재생펌프에 대한 기존의 유동모델은 내부유동이 완전히 발전한 영역에서만 적용이 가능하다. 하지만 본 연구에서는 완전히 발전한 영역 이전에 해당하는 유동이 발전하는 영역까지도 적용 가능한 수학적인 모델을 제시하였다. 특히 이 모델은 개수로 면적의 변화에 따른 순환속도의 변화를 설명할 수가 있다. 따라서 보다 정확하게 재생펌프의 성능을 계산할 수 있다. 이 수정된 유동모델을 바탕으로 반원형태의 날개를 가진 재생펌프에 대해서 지배방정식을 유도하였으며, 이 지배방정식을 계산하기 위해서 유동구조에 기초한 손실모델을 제시하였다. 성능해석결과는 실험데이터와 상당히 잘 일치하였고, 특히 본 연구에서 제시된 순환속도의 유동모델을 통해서 얻은 분포와 CFD를 통해서 얻은 순환속도분포와 상당히 일치됨을 보였다.
다음 연구 대상으로, 기존의 가스 터빈용 재생압축기는 반경방향날개를 가지고 있다. 하지만 이것의 효율을 향상시키기 위해서 유동의 흐름을 잘 따라가는 익형 날개를 갖는 새로운 형태의 재생압축기에 대한 연구를 수행하였다. 재생압축기는 압축효과로 인해서 입구와 출구에서 개수로 면적의 상당한 변화를 보인다. 따라서 앞에서 제시된 개수로 면적의 변화를 설명할 수 있는 모델을 바탕으로 밀도의 변화까지 고려한 압축성 유체모델을 제시하였다. 그리고 이 재생압축기의 유동구조에 기초한 손실모델을 제시하였으며 성능예측결과가 실험 데이터와 잘 일치한다.
그리고 재생압축기에서는 스트리퍼를 통과할 때 날개 사이에 존재하는 높은 압력을 개수로의 여러 지점으로 재 배분하는 감압관(decompression duct)을 사용하는 경우가 있다. 감압관의 적용으로 동력의 감소가 이루어지며 효율이 증가하게 된다. 본 연구에서는 감압관의 사용에 따른 수력학적 효율변화를 고려할 수 있는 수학적인 모델을 제시하였다. 감압관 유무에 따른 성능계산결과를 실험결과와 비교하였다. 또한 민감도 해석을 통해서 성능의 향상에 중요한 요소가 되는 설계변수에 대해서 조사하였다.
여기에서 개발된 평균속도에 기초한 성능해석방법은 재생펌프나 압축기에 대한 작동특성의 이해와 예비설계를 위한 개념적인 수단으로 사용될 수가 있다.
