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CFD and stress analysis in screw compressor design
    Dr. A Kovacevic, City University London, UK

London의 City University는 Screw Compressor와 Expander 기술, 그리고 이에 따른 유동현상 및 구조적 거동을 예측하는 데 이용되는 CFD와 구조해석이 가능한 절차를 개발해온 연구자들에 있어서 최고의 중심으로 알려져있습니다.

Screw Compressor는 전기모터, Turbine 혹은 가스, 증기 혹은 다상의 혼합체가 자신의 부피를 줄이고 압력을 상승시킴으로서 에너지를 얻는 IC 엔진에 의해 구동되는 기계적 일을 변환하는 회전체입니다.
      
   Fig. 1: View of Screw Compressor Main Parts (left)
   Fig. 2: View of Compressor Rotors (Right)

이러한 기계들의 핵심적 요소는 케이스 안에 담겨진 Helical Lobed Rotor입니다. 이것은 반대편 끝과 측면으로부터 보여지는 그림 1과 2에 나타난 바와 같이 Chamber와 더불어 하나의 블록을 형성합니다. 검은 음영 부분은 Rotor가 케이스에 의해 둘러쌓이고 압축이 발생되는 영역을 나타냅니다. 밝은 음영 부분은 외부 압력에 노출되는 Rotor의 영역을 나타냅니다. 크고 밝은 음영 부분은 저압 Port와 관련되어 있습니다. 축의 끝단 B와 D 사이의 작고 밝은 음영 부분은 고압 Port와 관련되어 있습니다. 압축된 가스는 Rotor의 전면과 상면을 둘러싼 케이스가 열림으로써 형성되는 저압 Port를 통해서 들어갑니다. 흡입 Port에서 Rotor Lobes 사이의 공간의 노출은 가스가 케이스와의 사이에 형성된 공간을 채우는 것이 가능하게 합니다. 게다가 회전은 Port의 차단 및 Rotor 사이의 후부 끝단 공간이 고압의 Discharge Port에 노출될 때까지 각각의 공간의 Trapped Volume에서의 점진적인 감소를 유도합니다. 그때 유체는 대략 일정한 압력으로 이를 통과해나갑니다.

Screw Compressor에 의해 공급된 압축 가스의 주사용 분야는 Building Industry, Food, Process & Pharmaceutical Industries 및 Metallurgical Industry입니다. 이것들은 Pneumatic Transport에 사용됩니다. Screw Compressor는 넓은 범위의 작동압력과 고효율의 유량을 낼 수 있습니다.

이러한 넓은 사용성에도 불구하고 내부 형상이 복잡하고 내부의 유동이 비정상 상태의 과정이므로 최근까지는 단지 근사적인 해석해만이 효율을 예측하는 데 있어서 사용가능했습니다. 그러므로 압력에 의해 부과된 고하중과 내부의 온도 변화에 의해 뒤틀린 요소들이 알려져 있다 할지라도 이러한 뒤틀림을 정확히 예측할 수 있는 방법이 없을 뿐더러 어떻게 기계의 전체 효율에 영향을 미치는지도 알 수 없었습니다.

Computational Coutinum Mechanics(CCM)은 속도, 압력, 온도 및 응력 & 변형률과 같은 Concentration Field의 정확한 평가가 필요하다면 사용될 수 있습니다. 이를 계산 가능하게 하기 위해서, Rotor의 Profile과 3D 수치해석 격자를 만들기 위한 Analytical Transfinite Interpolation Method를 얻기 위해 Rack-Generation 과정이 개발되어왔습니다. 더욱이 Adaptive Meshing, Orthogonalization 및 Smoothing은 최근의 유한체적법 Solver에 사용되는 혁신적인 기술을 이용한 수치해석 격자를 생성하기 위해 채택되었습니다. 이것은 다음 3가지에 대한 문제의 해결이 필요합니다. 1) 케이스를 따라서 서로 상대적으로 늘어나고 미끄러지는 Rotor 영역, 2) 다른 형상 범위를 가진 영역에서의 강력한 계산, 3) 일정한 수의 Vertices를 가지는 Grid Moving Technique. 이러한 특성들은 Screw Compressor의 수치적 격자를 생성하기 위한 독립 구동형 CAD-CCM 프로그램을 개발하기 위해 사용되어졌습니다.

강한 압력변화가 존재하는 복잡한 영역에서의 해를 향상시키기 위한 계산방법의 변화는 효과가 있습니다. CD-adapco의 Continuum Mechanics 접근방법에 기초를 둔 대체 Solver인 Comet과 연결되었을 때 이의 사용으로 인한 일반적인 결과는 Oil-Flooded Screw Compressor에서 보여집니다. 이 기계 내에서 정확한 계산 과정을 위한 방법을 보여주는 예시가 주어져 있습니다.

Solver 내에서의 약간의 변화는 User Function을 통해 계산속도를 증가시켰습니다. 이는 입구/출구 Port에서 일정한 압력을 유지시키는 새로운 방법과 Chamber 내에서 Oil Injection으로 인해 발생되는 2상 유동의 고려를 포함합니다.

요약하면, Flow Simulation 및 Integral Parameter Calculation을 얻기 위해 상용 CFD Solver에서 Pre-Processing 코드 및 계산 방법이 테스트되었습니다. Oil Injected Screw Compressor에서의 계산 결과는 실험 결과와 비교되었고 그 결과는 잘 일치되었습니다.

이러한 개발의 결과로 Compressor의 구조 및 유동 사이의 상호관계를 완전한 3D 계산으로 정량적으로 측정할 수 있게 되었습니다. Working Clearance에서의 변동의 효과는 다른 Compressor와 비교되고 Distortion Diagram과 Flow-Power chart를 통해 보여집니다.

좀 더 많은 정보를 원하시면 a.kovacevic@city.ac.uk로 문의하시기 바랍니다.

    Figs. 3 & 4 Numerical grid of a screw     compressor working chamber - fluid     and solid domains

 
 
      Fig. 5: Rotor deformation due to       pressure forces

     Fig. 7: Rotor deformation due to      pressure forces

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