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[ADT] 역삼투식 담수화 플랜트 적용을 위한 터보차저 펌프 및 터빈의 유체역학적 설계

안녕하세요. 델타이에스 입니다.


ADT 제품을 이용한 "역삼투식 담수화 플랜트 적용을 위한 터보차저 펌프 및 터빈의 유체역학적 설계" 를 소개 드립니다.


ADT 제품은 아래의 링크에서 만나보실 수 있습니다.


 

역삼투식 담수화 플랜트 적용을 위한 터보차저 펌프 및 터빈의 유체역학적 설계


설계 대상

: 역삼투식 담수화 플랜트에서 에너지 회수를 위한 펌프와 방사형 유입 터빈으로 구성된 유압 터보차저의 대한 상세 설계.


결과물

: 펌프 임펠러 및 출구 volute, 터빈 입구 volute 및 임펠러를 포함한 전체 유압 터보차저 시스템의 기하학적 구조와 상세한 3D CFD 성능 결과.


성과

: 완전한 터보차저 시스템 설계가 제시간에 제공되어 고객이 설정한 목표보다 5점 높은 시스템 효율성을 달성.


 

세계 최고의 맞춤형 펌프 제조업체 중 하나인 oo사는 ADT에 TURBO Design Suite 소프트웨어를 통해 제공되는 3D Inverse Design 접근 방식을 사용하여 펌프와 터빈을 모두 포함한 전체 터보차저 시스템의 상세한 유체역학적 설계를 수행해 줄 것을 요청하였습니다.


고객은 전체 시스템의 최소 목표 효율과 함께 헤드 및 파워 측면에서 설계 및 오프 설계 조건 모두에서 요구사항을 설정하게 됩니다.


예비 시스템 설계


초기 예비 설계 단계에서, TURBO design Pre는 펌프 및 터빈 단계의 전체 크기 조정 및 유압 성능을 추정하기 위해 사용되었습니다. TURBO design Pre는 1D 크기 조정 및 예비 설계 코드로, 구성 요소당 Meridional 형상을 제공하기 위해 헤드, RPM 및 볼륨 흐름률(Flow-rate) 과 같은 기본 듀티 포인트 요구 사항만 있으면 됩니다. 효율과 전력의 추정치, 코드는 두 단계 간의 일치를 보장하기 위해 사용되었다. ADT 설계자는 빠른 반복 프로세스를 통해 주어진 설계점 요건에 대한 기하학적 크기 조정 및 유압 성능을 신속하게 평가하고 적절한 예비 단계 설계 데이터를 얻을 수 있었습니다. TURBO design 펌프 및 터빈 임펠러의 상세한 3D 블레이드 설계에 필요한 모든 데이터를 TURBO design1로 직접 내보냅니다.


3D 펌프 임펠러 설계


펌프 임펠러의 상세한 3D 설계를 위해 Meridional 형상, 블레이드 수 및 구성 요소별 작업자 rVt(임펠러 헤드)를 TURBO design Pre에서 TURBO design 1로 불러왔습니다. TURBO design1은 3D Inverse Design 접근 방식을 사용하여 주어진 블레이드 분포 하중에 대한 블레이드 모양을 계산하는 고유한 블레이드 설계 소프트웨어입니다.


중속 원심 펌프 임펠러에서 유체역학적 손실의 주요 원천은 임펠러에 2차 흐름이 형성되는 것이라는 것은 잘 알려져 있으므로 ADT 엔지니어는 2차 흐름을 체계적으로 억제하는 것으로 알려진 스팬 단위 부하 분포로 임펠러 설계를 시작했습니다. 이러한 블레이드 로딩은, 그림1에 나타낸 바와 같이, 허브의 흡인면에서 표면속도를 증가시키는 후부하 허브와 쉬라우드의 흡인면에서 표면속도를 제거하는 전부하 쉬라우드를 특징으로 한다. 이러한 스판별 부하 분포는 흡입 표면의 정적 압력 구배를 감소시켜 2차 유동을 억제하여 높은 임펠러 효율을 달성하고 보다 균일한 출구 유량을 통해 매우 우수한 스테이지 효율을 보장합니다.


3D CFD를 통해 임펠러 성능을 평가하기 전에 3D 비점액 흐름 솔루션과 코드에서 제공하는 성능 데이터의 도움으로 TURBO design1에서 다수의 설계 반복을 직접 수행했습니다. TURBO design1의 초기 설계 루프는 설계 반복당 30초 미만으로 설계 공간의 넓은 영역이 최소한의 CFD 반복 횟수로 덮여 제품 개발 비용을 증가시키지 않고 획기적인 설계를 달성할 수 있도록 합니다.


그림1 초기 펌프 임펠러의 흐름 방향 하중


3D 터빈 임펠러 설계


터빈 임펠러는 또한 펌프 임펠러 설계와 유사한 프로세스 및 원리에 따라 TURBO 설계 1에서 설계되었으며, 임펠러 후단에서 낮은 모멘텀 흐름과 출구 스월(미세긁힘) 축적을 줄여 높은 총 정전기 효율을 달성하는 것이 목적이었다. 이러한 초기 목표를 달성하기 위해 터빈 임펠러는 그림 2와 같이 선탑재 허브와 중탑재 쉬라우드(shroud) 를 사용하여 설계되었습니다.


그림2 초기 터빈 임펠러에 대한 흐름 방향 하중


TURBO design1을 기반으로 한 설계 시스템은 설계자, 프로젝트, 팀 전반에 걸쳐 설계 노하우 개발과 이전을 용이하게 하여 엔지니어링 생산성 향상과 기업의 산업 경쟁력 향상을 가져옵니다. 이러한 고유한 이점은 TURBO design1에서 구현된 3D Inverse Design 접근 방식 덕분에 가능합니다. 설계시에 기하학적 블레이드 각도 대신 공기역학/유체역학 설계 매개 변수를 기반으로 하고 있습니다.


펌프 및 터빈 부피 설계


펌프 및 터빈 부피는 또한 시스템이 콤팩트 포장 내에서 설계 및 오프 설계 조건에서 매우 높은 효율성을 달성할 수 있도록 보장하는 데 중요한 역할을 합니다. 부피는 전통적으로 부피로 들어오는 균일한 흐름을 가정하여 설계되며, 특히 설계 지점보다 높은 흐름의 오프 설계 조건에서 부피 유입구 내 속도의 상당한 주변 변화가 있습니다. 대부분의 볼륨 설계자는 이 문제를 잘 알고 있으며 이러한 높은 손실의 영향에 대응하기 위해 볼륨 크기를 초과하여 설계 지점보다 높은 효율 지점을 이동하는 경향이 있습니다. 그러나 이 방법을 사용하면 부피 사이징이 증가하고 임펠러의 최적 효율 지점과 부피 사이에 불일치가 발생하여 설계 지점에서 전체적인 효율이 낮아집니다.


이 프로젝트를 위해 ADT 엔지니어는 TURBO 설계 Volute를 사용하여 펌프 출구 Volute와 터빈 입구 Volute를 모두 설계했습니다. TURBO design Volute는 설계자가 용적 입구에서 불균일한 원주 흐름 변동을 지정할 수 있는 고유한 용적 설계 코드입니다. 이 코드는 유선 곡률 방법을 사용하여 외부 용적 흐름 경계를 계산하고 자동으로 최적의 용적 면적 분포를 제공하며, 최종 출력은 깨끗한 3D 표면 IGES 파일로, 메싱 및 3D CFD 분석에 사용할 수 있습니다. 결과 펌프 및 터빈 단계는 그림3과 그림4에서 확인할 수 있습니다.

그림3 펌프 스테이지 volute 정압 윤곽



그림4 Turbine stage 속도 분포


TURBO design Pre, TURBO design1 및 TURBO design Volute는 역삼투식 담수화 플랜트 적용을 위한 터보차저 펌프 및 터빈의 모든 구성 요소를 설계하고 최적화합니다. ADT의 TURBO Design Suite가 제공하는 고유한 기능을 통해 ADT 엔지니어는 매우 짧은 제품 개발 기간 내에 설계 공간의 넓은 영역을 탐색할 수 있었으며 유압 터보차저 시스템을 통해 최상의 성능을 달성할 수 있었습니다. 전체 시스템을 3D CFD로 최종 분석했으며, 그 결과 완전한 터보차저 시스템 설계가 제시간에 제공되어 고객이 설정한 목표보다 5점 높은 시스템 효율성을 달성 할 수 있었습니다.


 

앞으로도 저희 Delta ES는 고객 여러분들께 적극적인 지원과 노력을 아끼지 않도록 하겠습니다.

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