Analysis of Particle Laden Flow and Erosion Rate Around Turbine Cascade

터빈 익렬 주위에서의 부유입자 유동 및 마모량 해석

The present study investigates numerically particle laden flow through compressor cascade. In general, a lot of turbine engines are affected by various particles which are suspending in the atmosphere. Especially in the case of aircraft aviating in volcanic, industrial and desert region including many particles, each components of engine system are damaged severely. That damage modes are erosion of compressor binding and rotor path components, partial or total blockage of cooling passage and engine control system degradation.. Initial damages can not be serious but cumulation of damages influences on safety of aircraft control and economical maintenance cost of engine system can be increased. When dust, materials and volcanic particles in the atmosphere flow in the compressor, it is necessary to predict damaged and deposited region of compressor blades. To the various flow inlet angle, predictions of particles trajectory in compressor cascade by Lagrangian method are presented and impulses by impaction of particles at blade surface are calculated. By the definition of particle deposition efficiency, characteristics of particles impact are considered quantitatively. With these prediction and experimental data, erosion rates are predicted for two materials - ceramic, soft metal - on compressor blade surface. Improvements like coating of blade surface could be found, by above prediction.

본 연구에서는 제트 추진 기관의 터빈 익렬에서의 유동과 대기중에 부유되어 있는 입자들이 제트엔진 내부로 유입될 경우 이에 따른 압축기 날개의 마모 및 충돌 부위를 예측하기 위하여 수치해석을 수행하였다. 일반적으로 각종 항공기의 추진 기관용 가스 터빈 엔진은 대기중에 부유되어 있는 각종 입자들의 영향을 받게 된다. 특히, 화산 지역, 먼지 입자 부유물이 많은 공업지대 또는 사막지역을 비행하는 항공기의 경우는 모래 알갱이, 먼지, 및 연소 입자의 직접적인 영향을 받아 각 요소들에 심각한 부식 및 마모가 발생됨으로써 성능 저하 및 냉각통로의 막힘, 압축기와 터빈 날개의 손상 등이 예측되어 진다. 이러한 손상들은 초기에는 미세하게 발생하지만, 손상 정도가 점점 누적됨에 따라서 항공기의 안전 운전에 심각한 위험 요소로서 작용할 수 있으며, 경제적으로도 기관의 유지 보수비용의 증가를 가져 올 수 있다. 따라서 압축기에 화산재 또는 대기중에 부유되어 있는 금속 입자나 먼지 입자 등이 유입되었을 경우, 압축기 날개의 손상 부위와 정도를 예측하는 것이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 다양한 입자의 유입각에서 라그랑지안 방법을 적용하여 압축기 날개 유로로 부유된 입자의 궤적을 예측하고 입자의 충돌에 의한 충격량을 계산하였다. 아울러 정량적인 충돌량을 해석하기 위하여 입자 충돌 계수를 정의하여 압축기 날개 표면의 충돌특성을 해석하였다. 세라믹과 연강에 대한 날개 표면의 마모량을 계산하였으며, 이러한 예측들을 통하여 표면에의 코팅 등의 개선책을 찾을 수 있었다.