Numerical simulations were conducted to model surge in compression systems. Compression surge causes system instabilities and results in considerable loss of performance and efficiency. Three models were developed based on the lumped surge parameter model proposed by Greitzer. Industrial-scale experiments were performed to validate the three models. In Model 1, the frictional force in an inlet pipeline was considered, and the flow through the inlet pipeline was assumed to be steady. In Model 2, the flow through the inlet pipeline was assumed to be unsteady, and the oscillating pipe flow concept was introduced to model the unsteady flow. Model 3 combined Models 1 and 2. These three models were validated by comparing with the lumped parameter model and the experimental data. The results indicated that Model 1 accurately predicted a mild surge. The deep surge mode predictions of Model 1 and the Greitzer model were similar. Model 2 pre-dicted that mild surges were unsteady. The fully developed deep surge predictions of Model 2 agreed better with the experimental data than did the predictions of the Greitzer model. The combined Model 3 satisfactorily predicted both mild and deep surges.
원심 압축기 서지현상에 대한 유동 모델 연구
서지는 압축기 불안정성 중 가장 대표적인 요인 중 하나이다. 선회실속이 지역적인 불안전성을 나타내는 것이라면, 서지는 전체 압축 시스템의 불안정을 말하는 것으로서 전 압축기를 걸쳐 평균 유동이 전진, 후퇴를 반복하는 요동을 뜻한다. 전체 압축 시스템의 불안정성을 야기하는 서지에 대한 연구는 오래 전부터 시작되었으며, 본 연구에서는 서지 발생 후 유동의 형태를 수학적 모델로 모사하여 실험과 비교 분석 하였다.
본 연구에서는 그레이쳐의 비선형 서지 모델을 기초로 하여 세가지 모델을 제시하였다. 제시된 세가지 모델을 비교 분석하기 위해 실제 산업용에서 사용되는 원심압축기로 실험을 수행하였다.
모델1은 파이프내의 마찰저항을 고려하였고, 파이프내의 유동은 정상유동으로 가정하였다. 모델 2에서는 파이프내의 유동을 비정상 유동으로 가정하였고, 비정상 유동을 모사하기 위해 파이프내의 왕복유동의 개념이 적용되었다. 모델 3은 모델1과 모델 2가 결합된 모델이다.
파이프 벽면에서의 마찰저항을 고려한 모델1은 마일드 서지에서 그레이쳐 모델보다 개선되었으며, 딥 서지 예측은 그레이쳐 모델과 동일하였다. 서지 유동을 비정상유동으로 고려한 모델 2에서는 완전 발달한 딥 서지 예측에서 개선된 것을 알 수 있었다. 이 둘을 동시에 고려한 모델 3에서는 마일드 서지와 딥 서지 예측에서 그레이쳐 모델 보다 개선된 것을 확인하였다.
