A Study on the Influence of S Shaped Annular Duct on the Centrifugal Compressor Performance

S자형 환형덕트가 원심압축기 성능에 미치는 영향에 관한 연구

In twin spool aero-engine, there may be a S shaped annular duct between high pressure and low pressure spools. The flow passing this S shaped duct experiences the flow acceleration and deceleration due to the convex and concave surface of the duct as well as the increase of blockage according to the boundary layer growth along the surfaces. So, the high pressure compressor which is located behind the S shaped duct is influenced by the non-uniform flow field generated by the geometry of inlet duct. To study the influence of the S shaped duct on the centrifugal stage, performance tests were implemented for the compressor with straight cylindrical inlet duct and with S shaped inlet duct, respectively. The test results showed that the performance, such as pressure ratio and efficiency, of the compressor with S shaped duct was worse than that of the compressor with cylindrical duct. And the compressor with S shaped duct had reduced maximum flow rate around design speed. To investigate the cause of performance degradation, flow anlaysis was performed for the impeller in front of which is located S shaped annular duct. The result of CFD showed the strong acceleration of the flow in the axial direction around the inducer tip region which caused the increase of relative mach number and the decrease of incidence angle of the flow.

항공기용 엔진에는 압축기단들 사이에 스트럿을 포함하는 S자형 환형덕트가 존재하기도 한다. 이러한 엔진에서 S자형 덕트를 통과하는 유동은 볼록면과 오목면을 따라 가면서 가속과 감속이 이루어지고, 벽면에서의 경계층 성장으로 인해 유로폐쇄량이 증가한다. 이처럼 S자형 덕트의 영향으로 후방에 존재하는 압축기는 불균일한 축방향 속도분포에 따른 영향을 받게 된다. 따라서, 후방 압축기는 전방에 위치한 S자형 덕트의 영향을 충분히 고려하여 설계하여야 한다. S자형 덕트가 미치는 영향을 고려하여 설계된 원심압축기의 성능을 검증하고, S자형 덕트가 원심압축기 성능에 미치는 영향을 파악해보기 위해 압축기 입구에 S자형 환형덕트를 장착한 경우와 원통형 덕트를 장착한 경우에 대해 각각 성능시험을 수행하였다. 시험결과를 통해 입구에 S자형 덕트가 있는 경우에는 없는 경우보다 압축비 및 효율 등 압축기 성능이 저하되고, 쵸킹유량이 감소함을 알 수 있었다. 이러한 성능저하의 원인을 분석하기 위해 S자형 덕트를 포함하는 임펠러의 유동해석을 수행하였으며, 그 결과 성능저하의 원인은, S자형 덕트와 임펠러의 상호작용으로 설계시 예측했던 것보다 인듀서팁에서 상대마하수가 증가하였고, 영각이 감소하였기 때문임을 확인할 수 있었다.