The present study has developed an efficient and reliable design and performance analysis method for centrifugal pumps and compressors.
In the state of preliminary design of a centrifugal pump, optimization of the design variables is a very common way to specify the geometry of a centrifugal pump. However, the optimization gives an unreasonable answer or even will be failed unless a proper range of design variables is given. The present study aimed at finding out constraints which should be met during the optimization.
Work factor, slip factor and diffusion ratio play important roles in designing a centrifugal pump. The three factors are usually regarded as independent each other. However, the present study shows that there are some constraints between the three factors. Work factor should be positive for energy transfer between a pump and working fluid. From a consideration of the impeller exit velocity relations, it is obtained that work factor should be less than or equal to slip factor. The present study translated these physical constrains into geometrical constraints.
With the constraints mentioned above, a reliable optimization code has been developed for a preliminary design of centrifugal pumps. In a wide range of design variables and various starting points, the optimization code shows a successful performance without any trouble during optimization. The optimization was carried out for two different inlet design methods; minimizing inlet relative velocity and minimizing net positive suction head. For a future design guide, the optimized results are summarized in design plots.
For a design of multi-stage centrifugal turbomachines, the design and performance analysis method for the return channel system have been established. A set of loss models and flow models are used to make a design and performance analysis code. The performance of the present code with one-dimensional flow model was checked by comparing the predicted results from the present code with CFD results for seven different return channel systems.
A CFD study has been done on the U-turn bend performance. It shows that the meridional cross section area distribution along the passage highly affects the U-turn bend performance and the flow uniformity at the U-turn bend exit. The cross section area should be gradually increased from the inlet to the exit of the U-turn bend for a good performance.
본 연구에서는 원심형 펌프, 압축기의 효율적이고 안정적인 설계및 성능해석 방법을 개발하였다.
원심형 펌프의 기초 설계 단계에서는 최적화를 통한 설계 변수의 선정이 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 최적화에 의한 설계는 설계 변수 범위 설정에 따라 비현실적인 결과를 줄 수 있고 혹은 최적화에 실패하는 경우도 발생한다. 본 연구에서는 최적화 수행시에 반드시 만족시켜야 하는 설계 변수들의 구속조건에 대한 연구를 수행하였다.
일계수, 미끄럼 계수 그리고 확산 계수는 펌프 설계 과정에 관여하는 중요한 변수들이다. 이 세개의 설계 변수들은 서로 독립적으로 생각되어 왔으나, 본 연구에서는 이 세가지 설계 변수 사이에 반드시 만족시켜야 하는 조건이 있음을 밝혀내었다. 펌프로서의 역할을 수행하기 위해서는 일계수가 반드시 양의 값을 가져야 하고, 또한 펌프 출구측 속도삼각형으로부터 일계수는 미끄럼 계수보다 클 수 없다는 사실을 보였다. 본 연구에서는 이런 물리적 관계를 기하학적 형상 변수들의 관계로 전환하여 제시하였다.
본 연구에서 제시한 설계 제한 범위를 가지고 안정적인 원심형 펌프 설계 최적화 프로그램을 개발하였다. 넓은 설계 변수 범위와 다양한 초기점을 설정하여 최적화를 수행하였다. 최적화는 입구 상대 속도를 최소화 하는 것과 흡입 양정을 최소화 하는 두 가지에 조건을 고려하였다. 최적화를 통해 산출한 설계 변수들은 비속도에 따라서 그림으로 나타내었다.
다단의 원심형 터보기계 설계를 위해서는 각 단의 연결부위인 리턴 채널에 대한 설계 및 성능해석 방법을 확보해야 한다. 본 연구에서는 문헌조사와 유동해석을 통해 리턴 채널 시스템의 유동 특성을 알아보았고, 이를 이용해 리턴 채널에 대한 일차원 설계 및 성능 해석 코드를 개발하였다. 수치 해석을 통한 U자형 유로의 유동 특성을 알아보았고, U자형 유로의 단면적 변화가 U자형 유로의 성능을 결정하는 중요 변수임을 알아내었다. 유자형 유로 단면적은 유로 입구부터 출구까지 단조적으로 증가시키는 것이 바람직하며, U자형 유로의 손실을 줄이고 유로 출구에서 속도의 균일성을 높일 수 있다.
