선박용 터보차져 원심압축기의 성능향상 개발

Upgrade Development of a Centrifugal Compressor for Marine Engine Turbochargers

선박용 디젤엔진에 정착되어 사용되는 기존의 터보차져 성능을 개량하기 위하여 압축기만의 수정개발을 수행한 결과를 요약하면 다음과 같다. (1) 터빈과의 싸이클 matching 작업을 통하여 기존의 압축기 성능에 비하여 $7\%$ 증가된 회전수와 $8\%$ 증가된 입구 공기유량으로 상향 조정되면서 효율의 큰 저하 없이 전압력비도 3.5 수준으로 증가되도록 설계점이 성공적으로 확정되었다. (2) 기존의 압축기 케이싱과 스크롤을 대부분 그대로 사용한다는 기하학적 제한조건하에서 3차원 공력 설계가 성공적으로 수행되었고, 설계된 임펠러는 3차원 압축성 난류 수치유동해석 과정을 통해 구체적인 내부 유동과 임펠러의 overall 성능을 확인하였다. (3) 터보차져 전용 시험리그에서 시제품을 성능시험한 결과, 전반적인 압축기의 성능곡선을 성공적으로 도출하였다. 대체적으로 전체 회전수별로 실험결과로 얻은 전압력비는 설계 예측치와 매우 잘 일치하는 모습을 볼 수 있었고, 단열효율의 경우, 실험치와 예측치가 서로 잘 일치하고 있었다. 설계의도대로 설계점에서의 압력비 상승과 유량의 증가 등은 만족스럽게 달성된 것으로 판단된다. (4) 베인디퓨져의 제작문제로 인하여 설계회전수에서의 surge와 choke margin이 설계의도와는 달리 좋지 않은 상태이다. 이는 본래 설계대로 베인디퓨져를 재제작하고 설치각의 크기를 조절함으로써 앞으로 진행될 추가시험에서 보완할 예정이다.

Upgrade development of a high pressure ratio centrifugal compressor in marine engine turbochargers is presented. A new matched operating point at increased speed of rotation was determined through system cycle analysis using the exisitng test data of turbine performance. Under some severe restrictions for geometric parameters, the state-of-the-art methods of both aerodynamic design and CFD analysis were applied, in which only an impeller, a vaned diffusor and some part of casing wall were modified. Prototype hardware was fabricated and assembled for system performance tests. Excellent performance in pressure ratio and efficiency was obtained over whole speed region. Reduced surge and choke margin was, however, observed at design speed of rotation.