선박용 중형디젤엔진 공기시동모터의 유동특성에 관한 수치해석

Abstract

본 연구에서는 2차원 비정상 계산을 통한 피치별 유동특성, 3차원 정상계산을 통한 공기시동모터 내부의 전반적인 유로파악과 노즐 비대칭의 영향, 3차원 회전효과를 고려한 simple 계산에서의 유동특성과 tip clearance의 영향 등에 관하여 조사를 하였다. 이를 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다. 1. 2차원 비정상상태에서의 수치해석 결과 1단 Rotor와 2단 Stator의 곡률불일치로 인하여 2단 Nozzle 우측면과 끝단 주위에 circulation 발생, 유동의 흐름을 방해하는 효과가 나타난다. 2. 3차원 정상상태에서의 수치해석 결과 blade의 끝단 tip에서의 유동흐름이 원활하지 못한 것을 확인할 수 있었고 노즐형상의 비대칭으로 인하여 2단 blade에서 속도의 정체구간 및 blade 깃 수의 비 규칙성으로 인해 Rotor와 Stator 사이의 흐름이 좋지 않은 것을 볼 수 있다. 3. 3차원계산의 경우 hub근처에서의 속도벡터와 shroud 근처에서의 속도벡터 차가 많이 발생하였는데 이는 blade 전연의 기울기 영향으로 판단된다. 그리고 2차원 계산에서도 나타나듯 blade 끝단 형상의 영향에 의해 pressure side에서 circulation이 발생하였다. 4. 공기시동모터의 tip clearance에 대한 영향을 조사한 결과 간격이 증가할수록 blade 상부에서의 압력분포와 속도벡터가 간격이 없을 때에 비하여 많은 차이를 보였는데 먼저 tip clearance가 없는 경우 Rotor 사이를 흐르는 유동의 경우 원심력의 영향에 의한 앞뒷면의 압력차에 의하여 2개의 vortex가 발생하였다. 그러나 Tip clearance가 증가할수록 vortex는 하나로 형성되면서 tip clearance가 0.2mm까지 증가한 경우 축 방향 속도성분 값이 증가되어 blade 끝단에서 유동박리가 발생하여 pressure side를 따라 유동이 원활하지 못하였고 Rotor 회전의 반대반향으로 속도성분이 보였다. 5. Tip clearance에 따른 torque값을 비교하였을 때 2.8%로 tip clearance가 증가하였을 때 약 24%의 torque값의 급격한 감소가 나타나다가 4.3, 5.7%로 증가할 경우에는 급격한 감소는 보이지 않았다.

The marine medium-speed diesel engines are operated by two methods; one is the electric motors, and the other air starting motors. Even though air starting motor is dependent of the engine types and sizes, it has been widely used in this area due to its simplicity, convenience and reliability. However most of them are currently imported from overseas due to the lack of the cutting-edge technology in terms of design and manufacturing. Therefore, from the point of this view, the air starting motor needs to be produced by our own techniques. The purpose of this paper is to give the designing parameters in order to make a proper "Air Starting Motor" using CFD. The aerodynamic approaches were given to understand the internal flow characteristics of the air starting motor. But, this flow has shown a highly complex structure which is due to the following reasons, e.g. the effect of the centrifugal force, generation of complex vortex, strong tip vortex, clearance flow, relative motion of rotor and stator, shock wave giving the high circumferential speed of rotor. The 2-D calculations have been made to produce fundamental data to understand the rough idea about 3-D flow structure. After that, the 3-D calculation was made. An air starting motor produces 3-D flow, which is due to the complex geometry, that is, a real stator is not symmetric against the center line and the number of blades isn't equivalent between rotor and stator, either. Therefore, a 3-D calculation is necessary to predict an accurate calculation and make the problems simple. In order to overcome these drawbacks, we assume that stator is symmetric against the central axis. The periodic and zonal interfacing conditions were also adopted to implant the boundary condition between the stator and rotor. In addition, we have carried out the effects of tip clearance. In the calculations the tip clearance of air starting motor has been varied between 0% and 5.7% of blade span.