Based on the momentum exchange theory, a new mathematical model is developed to analyze the complicate helical flow in regenerative turbomachines and to suggest a systematic way to design such kind of machines. The helical flow in the machines is decomposed into a peripheral component and a circulatory one, and a theoretically sound method is proposed to calculate the circulatory flow velocity, slip factor and incidence factor that are closely related to the machine performance. In order to implement the present method, new concepts of a circulatory pivot and an effectiveness of the circulatory flow are introduced. The resulting design parameters are compared with those of the previous models and notable features of the present theory are demonstrated.
The power losses associated with each flow direction are separately correlated with geometric dimensions and aerodynamic variables. The loss occurring in the annular peripheral channel that consists of inlet, pumping and outlet regions is modeled as a conventional pipe loss. The circulatory flow loss was assumed to be composed of an incidence loss and a combination of four bend losses. All these loss correlations are used in the mathematical model equation developed in the present study. It was found that the overall head rise and the hydraulic efficiency can be accurately predicted by the proposed model equation and the present loss models. All peripheral flow regions could be computed satisfactorily, which was demonstrated by the good prediction of the static pressure distribution along the peripheral direction. Incidence loss was found to be the most dominant loss mechanism, and the sharp decrease in efficiency curve at high flow rate was seen to be due to the peripheral losses. By introducing a bend-combination factor in adding four 90 bend' losses the circulatory flow loss could be successfully estimate.
The design procedure of the incompressible regenerative turbomachines was developed. The developed design method was applied to design a blood pump for the ventricular assist device. The hydraulic performance of the manufactured blood pump was in good agreement with the predicted results.
운동량 교환 이론을 바탕으로 하여 재생형 기계 내부에서 발생하는 순환 유량을 예측할 수 있는 새로운 수학적 모델을 개발하였다. 이를 위해 순환 중심이라는 개념을 새롭게 도입하였으며, 각운동량 산출에 필요한 평균 유선 반경 및 미끄럼 계수, 유효 순환 유량에 대한 모델을 새롭게 제시하였다. 본 연구를 통해 전체 성능 예측 뿐만아니라 원주 방향으로 발달하는 국부적인 정압 분포까지 예측이 가능하게 되었다. 본 연구를 통해 제시되는 해석 모델의 타당성을 입증하기 위해 두 종류의 재생형 송풍기에 대한 실험을 수행하였다. 실험 결과와의 비교를 통해, 전체 성능은 물론 국부 압력 분포까지 잘 예측되었음을 확인하였다. 본 연구에서 개발된 성능 예측 모델을 이용하여 재생형 기계에 대한 수력학적 설계를 처음으로 수행하였다. 임펠러 설계에 필요한 베인 개수 설계식 및 베인 높이, 베인 두께, 팁 간극, 채널 폭 등에 대한 설계식을 제작하였다. 설계 대상으로는 최근 연구가 고조되고 있는 인공심장용 혈액 펌프를 선정하였다. 혈액 펌프의 설계 사양은 비속도가 낮으며, 재생형 기계는 낮은 비속도 영역에 적합하기 때문에 좋은 설계 대상으로 판단된다. 설계된 재생형 펌프에 대한 실험 결과는 설계 예측 결과와 잘 일치하였다. 이는 본 연구를 통해 제시되는 해석 모델의 타당성을 입증한다고 할 수 있다.
