영어에서 한국어로 번역 - www.onlinedoctranslator.com Hindawi Publishing Corporation ISRN 기계 공학 2013권, 문서 ID 526192,18페 이지 http://dx.doi.org/ 10.1155/2013/526192 리뷰 기사 산업용 팬의 실속 제어 기술에 대한 비판적 검토 스테파노 비앙키,1알레산드로 코르시니,1앤서니 G. 쉬어드,2그리고 세실리아 토르토라1 1Dipartimento 2Fläkt di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, Sapienza Università di Roma, Via Eudossiana 18, 로마, 이탈리아 Woods Limited, Axial Way, Colchester, Essex CO4 5ZD, 영국 서신은 Anthony G. Sheard에게 전달되어야 합니다. geoff.sheard@flaktwoods.com 2013년 3월 30일에 접수됨; 2013년 4월 24일 승인됨 학술 편집자: J. Clayton, J. Hu, J.-I. 장재석, D. Zhou 저작권 © 2013 Stefano Bianchi 외. 이 글은 Creative Commons Attribution License에 따라 배포되는 오픈 액세스 글입니다. 이 글은 원본 저작물이 적절하게 인용되는 경우 모든 매체에서 무제한 사용, 배포 및 복제를 허용합니다. 본 논문에서는 산업용 팬 실속 현상의 모델링 및 해석 발전, 관련 실속 감지 방법 및 제어 기술을 검토합니다. 경쟁 이론은 엔지니어가 팬 안정성과 제어 기술을 개선하는 데 도움이 되었습니다. 이러한 이론이 발전하면서 세 가지 주요 쟁점이 나타났다. 이 논문에서 우리는 먼 저 공기역학적 섭동과 불안정 시작 사이의 상호 작용을 고려합니다. 실속 시작과 함께 발생하는 주요 물리적 현상에 대한 이해는 설계 또 는 능동 또는 수동 제어 방법을 통해 실속을 완화하는 데 중요합니다. 그런 다음 팬 안정성을 향상시키기 위해 수동 및 능동 제어 전략의 사용을 검토합니다. 역사적으로 압축기 설계 엔지니어는 수동 제어 기술을 사용해 왔지만 최근 기술로 인해 산업용 팬 설계자에게 정지 를 감지하고 제어하는 방법에 대한 새로운 통찰력을 제공하는 고응답 정지 감지 및 제어 시스템을 설치하게 되었습니다. 마지막으로, 이 논문에서는 경고 기능을 갖춘 제어 시스템을 보완하기 위한 조기 실속 감지 방법과 전망을 검토합니다. 엔지니어는 효과적인 실시간 정 지 경고 시스템을 사용하여 팬이 감소된 정지 여유에서 안전하게 작동할 수 있도록 하여 팬의 작동 범위를 확장할 수 있습니다. 이는 또한 팬이 그 특성상 보다 효율적인 지점에서 작동하도록 할 수도 있습니다. 1. 소개 단일 팬이 단독으로 작동하는 경우 낮은 유속에서 "스톨"이라 고 하는 불안정한 공기 역학적 조건이 발생합니다. 이러한 실속 유형은 팬 유형에 따라 다르지만 축류 팬, 전방 곡선 원심 팬, 후 방 경사 원심 팬에서 가장 심합니다.1]. 팬이 안정적인 작동 범 위 한계에 도달하면 팬 정지가 발생합니다. 이는 팬 전체의 압력 상승이 팬의 압력 발전 한계까지 증가하고 팬을 통과하는 유속 이 처음 0으로 떨어진 지점까지 감소한 다음 역전될 때 발생합 니다. 팬을 통과하는 흐름이 역전되면서 팬 블레이드를 뒤흔드 는 분리된 흐름과 함께 발생하는 난류로 팬 블레이드에서 분리 됩니다. 이러한 공기역학적 버피팅은 블레이드 내부의 불안정 한 응력을 증가시켜 기계적 고장을 초래할 수 있습니다. 팬이 실속 상태에 접근하면 처음에는 하나의 블레이드 통로 에서 분리 흐름이 발생합니다. 한 블레이드 통로의 실속은 인접 한 블레이드 통로에 대한 공기역학적 블레이드 하중을 증가시키 며, 그 결과 "스톨 셀"이 다음 블레이드 통로로 이동합니다. 이 로 인해 스톨 셀이 블레이드 통로에서 블레이드 통로로 점프할 때 계단식 효과가 발생합니다. 그만큼 팬 블레이드 사이의 모양과 거리는 공기 역학적 부하가 더 높은 블레이드 설계로 실속이 팬 성능에 미치는 영향에 영향을 미치 며, 가벼운 부하 설계보다 실속 중에 성능이 더 심각하게 저하됩 니다. 방사형 블레이드가 있는 원심 팬은 정지 시 성능에 거의 변화가 없습니다. 방사형 블레이드 원심 팬은 팬을 통과하는 공 기에 의존하지 않으며 팬 임펠러 회전으로 인해 발생하는 원심 력에 수직으로 이동합니다. 결과적으로 실속은 일반적으로 축 류 팬보다 원심 팬에서 문제가 덜합니다. 축형 팬은 실속에 특히 취약합니다. 산업용 팬 제조업체는 유량을 정체점 이상으로 유지하는 수단이 없는 한 다양한 유량 요구 사항이 필요한 응용 분야에 축류 팬을 사용하는 것을 권장 하지 않습니다. 산업용 팬 제조업체는 독점적인 정지 방지 장치 를 사용하여 축류 팬 팁 영역의 흐름을 제어합니다. 이러한 정지 방지 장치는 팬의 성능을 안정화시키는 효과가 있습니다. 이는 정지 방지 장치 없이 정지되었을 지점에서 팬 성능 저하를 제거 하며, 팬은 흐름이 0으로 돌아가도록 지속적으로 압력을 증가시 키는 특성을 나타냅니다. 이 팬 안정화는 2 팬 효율 비용은 정지 방지 장치를 사용하면 일반적으로 2~5% 정도 감소합니다. 에너지 효율성에 대한 관심이 높아지면서 산 업용 팬 제조업체가 점점 더 까다로워지는 최소 효율성 목표를 충족하려고 노력함에 따라 정지 방지 장치는 점점 더 수용성이 낮아지고 있습니다. 역사적으로 제조업체는 팬 정지를 초래할 수 있는 조건에서 팬이 작동하는 정지 방지 장치를 활용해 왔습니다. 그러나 엔지 니어가 팬이 정지할 것으로 예상하지 않는 애플리케이션에서도 여전히 정지가 발생할 수 있습니다. 팬 블레이드 침식이나 오염 으로 인해 팬이 멈출 수 있으며, 필터 막힘으로 인해 시스템 압 력이 크게 증가할 수 있습니다. 또한 산업용 팬이 정지되는 전형 적인 원인은 병렬로 작동하는 것입니다. 병렬 작동 시 다른 팬이 작동할 때 하나의 팬이 시작되거나 중지되면 필연적으로 시작 및 중지가 일시적으로 진행되는 동안 팬이 정지하게 됩니다. 결 과적으로 팬 유지 관리 불량, 시스템 내 필터 막힘 또는 부적절 한 제어 시스템 프로그래밍으로 인해 팬 정지가 발생할 수 있습 니다. 팬 정지를 방지하기 위해 엔지니어가 습관적으로 채택하는 방법은 해당 용도에 맞게 산업용 팬을 대형화하는 것입니다. 시 스템 설계 엔지니어는 일반적으로 산업용 팬을 지정할 때 팬의 작동 지점에 안전 계수를 적용합니다. 시스템 설계에 참여하는 각 엔지니어는 자신만의 안전 요소를 추가합니다. 결과적으로 최종적으로 설치되면 팬은 최적의 작동 지점보다 훨씬 왼쪽에 있는 특성으로 작동하게 됩니다. 이는 팬이 최적의 작동 지점에 서 80% 효율을 달성할 수 있고 설치 시 효율이 60% 미만인 경 우가 많아 작동 효율을 낮춥니다. 유럽 연합 규정 327은 2013년 1월 1일에 법적 구속력을 갖게 되었습니다. 이는 산업용 팬에 대한 최소 팬 및 모터 효율 등급(FMEG)을 설정합니다. 2013년 최소 팬 및 모터 효율 등급 으로 인해 2013년 1월 1일 이전에 판매된 팬의 약 33%가 적용 에 대한 최소 팬 및 모터 효율 등급을 충족하지 못하여 현재 유럽 내에서 불법입니다. 유럽 연합은 2015년 1월 1일에 최소 팬 및 모터 효율 등급을 올릴 예정입니다. 미국에서는 에너지부가 유 럽 연합 내 활동을 모니터링해 왔습니다. 2013년 2월 1일, 미국 연방 정부는 기본 문서를 발표했습니다. 연방 관보. 이는 2019 년까지 미국 내에서 비효율적인 팬을 제거하는 것을 목표로 하 는 팬 규제에 대한 의도된 접근 방식을 설명합니다. 산업 팬 커 뮤니티는 에너지부가 유럽 연합과 동일한 접근 방식을 채택하여 3년 이내에 최소 허용 팬 및 모터 효율을 높일 것으로 널리 예상 하고 있습니다. 2019년 초기 목표를 도입한 지 몇 년이 지났습 니다. 실제로 아시아 국가들은 유럽이나 미국의 산업 규제를 주 도하고 있으며 현재 두 국가 모두 규제하거나 그렇게 할 의도를 선언하고 있습니다. 아시아 국가들도 마찬가지일 가능성이 크 다. 결과적으로, 향후 10년 동안 전 세계적으로 최소 팬 또는 팬 및 모터 효율이 의무화되고 두 번째로 시간이 지남에 따라 증가 할 것으로 예상할 수 있습니다. 오늘날의 규제 환경을 고려하면 설계 엔지니어가 최고 효율 이 높은 팬을 개발해야 한다는 압력이 증가할 것이라고 가정하 는 것이 합리적입니다. 대형 팬과 정지 방지 장치 장착이 관행이 될 것입니다. ISRN 기계공학 팬 효율성에 부정적인 영향을 미치기 때문에 점차 허용 수준이 낮아집니다. 설치 시 최대 효율 지점에 가깝게 작동하도록 팬을 지정하면 팬이 멈출 가능성이 높아집니다. 최고 효율 작동 지점 은 항상 팬의 안정성 한계에 가깝고 결과적으로 침식, 오염 또는 필터 막힘으로 인해 실속이 발생할 가능성이 더 높습니다. 따라 서 본질적으로 "스톨 허용" 팬의 설계와 서비스 중 사용을 위한 스톨 감지 시스템의 개발이 산업용 팬 커뮤니티에서 점점 더 높 은 우선순위로 떠오르고 있습니다. 연구자들은 산업용 팬의 사용 성능을 체계적으로 연구하지 않았습니다. 그러나 고급 계측 및 현장 테스트는 산업용 팬이 실 제로 특성에 따라 작동하는 위치를 설정하고 팬이 정지하기 쉬 운 응용 분야에서 정지 제어 기술의 검증 및 개선을 지원하는 역 할을 할 수 있습니다. 따라서 향상된 설계점 성능 개발에 초점을 맞추는 것만으로는 충분하지 않습니다. 연구원들은 실제 응용 분야에서 중단될 가능성이 높은 팬 설계를 실수로 생성하지 않 고 팬 효율을 향상시킬 수 있는 방법에 대한 통찰력을 얻으려면 다양한 산업용 팬 응용 분야에서 발생하는 문제에 대한 보다 완 전한 그림을 개발해야 합니다. 이 문서에서는 팬 공기역학적 안 정성을 뒷받침하는 물리학에 대한 몇 가지 경쟁적 관점과 해당 물리학에 대한 지식이 새로운 산업용 팬 기술 개발을 어떻게 촉 진할 수 있는지 설명합니다. 2. 축류 압축기 및 팬의 실속 및 서 지 역학 공기역학적 불안정성이 발생하는 조건을 예측하는 것은 산업용 팬 설계 프로세스의 표준 부분이어야 합니다. 수십 년 동안 연구 자들은 다양한 형태의 공기역학적 불안정성을 연구해 왔습니 다. 많은 연구에서 다단식 기계에 초점을 맞춰 축류 압축기 회전 실속의 문제를 명확히 했습니다.2‒4]. Emmons 등의 [5] 초기 연구는 실속 전파의 기본 메커니즘을 설명하려는 첫 번째 시도 중 하나였습니다. 일반적으로 감속하는 로터에서는 두 가지 주 요 공기역학적 불안정성이 발생합니다. (i) 역류 영역이 국부적 으로 발생하는 "회전 실속"; (ii) 전체 고리에 대한 주기적인 역 류로 인해 압축 시스템에 격렬한 진동이 발생하는 "서지"6]. 두 가지 형태의 공기역학적 불안정성은 로터에 기계적 응력을 가해 결국 기계적 고장을 초래할 수 있습니다. 해당 주제를 연구한 연 구자들은 축형 압축기의 스트레인 게이지 측정 결과 블레이드의 굽힘 응력이 회전 실속 조건에서 안정적인 작동 중에 측정된 값 보다 5배 더 높다는 것을 나타냅니다.7]. 굽힘 응력이 5배 증가 하면 블레이드 피로가 발생하고 결과적으로 블레이드 파손이 발 생합니다. 팬이 회전 실속 상태에서 작동하는 동안 블레이드 오 류가 발생할 수 있지만 일반적으로 그렇지 않습니다. 일반적으 로 회전 실속 상태에서 팬이 작동하면 피로 균열이 발생합니다. 일단 시작되면 피로 균열은 정상 작동 시 팬 블레이드에 유발된 굽힘 응력의 영향으로 전파될 수 있습니다. 결과적으로, 회전 실 속 상태에서 작동한 후 며칠, 몇 주, 심지어 몇 달 후에 피로로 인 해 팬이 고장날 수 있습니다. 대조적으로, 서지는 굽힘 응력으로 이어질 수 있습니다. 삼 ISRN 기계공학 서지 이벤트 자체 중에 기계적 고장이 발생하는 규모까지 증가 합니다. 회전 실속은 점진적인 현상이며 적어도 처음에는 팬의 압력 발전 능력이 반드시 저하되는 것은 아닙니다. 적어도 축 기계의 경우 회전 실속 [8], 더 심각한 흐름 불안정성, 서지의 시작을 구 성합니다. 서지는 압축 시스템 전체에 영향을 미치는 자체 여기 (self-excited) 주기적 현상입니다. 큰 진폭의 압력 상승과 환형 평균 질량 흐름 변동이 서지를 특징으로 합니다. 압축기의 정속 압력 상승-체적 유량 특성선의 기울기가 급격하게 변화하는 곳 에서 발생합니다.8]. 인워 앤 본스 [9], 저자는 압축기 성능을 연 구하고 압축기의 압력 상승-유량 특성에 양의 기울기가 있는 영 역이 포함된다는 결론을 내릴 수 있는 실험 결과를 보고했습니 다. 이는 스톨이 발생했음을 나타냅니다. 결과적으로 서지 발생 은 압축기의 특성과 압축기가 배출되는 시스템의 특성에 따라 달라집니다. 회전실속을 서지의 전조로 간주할 수도 있지만, 이 둘은 서 로 다른 공기역학적 현상을 구성합니다. 회전 실속 동안의 평균 유량은 시간적으로 일정하지만 원주 방향으로 불균일합니다. 서지 동안 흐름은 불안정하지만 원주 방향으로 균일합니다. 회 전 실속이 하나 이상의 압축기 단계 내에 국지화될 수 있는 것은 시간에 따른 꾸준한 평균 흐름의 결과입니다. 이는 제조업체가 설치하는 시스템에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않습니다. 대 조적으로, 서지와 관련된 불안정한 흐름은 압축기뿐만 아니라 전체 압축 시스템에 영향을 미칩니다. 회전 실속과 서지는 서로 다른 공기역학적 현상이지만 공통 된 특성을 공유합니다. 우리는 둘 다 압축 시스템의 자연스러운 진동 모드로 간주할 수 있습니다.10‒16]. 연구자들은 회전 실속 이 원심 및 단일 스테이지 축 압축기의 기계적 고장을 초래할 수 있는지, 아니면 서지만으로 이러한 종류의 회전 기계에서 기계 적 손상을 초래할 수 있는지에 대해 여전히 논쟁을 벌이고 있습 니다. 논쟁은 결론이 나지 않았으며 원심 및 단일 단계 축류 압 축기의 회전 실속을 연구한 커뮤니티 내에서는 회전 실속의 중 요성에 대해 의견 차이가 있습니다. 본 문서는 압축기 기술보다 는 산업용 팬 기술에 중점을 두고 있습니다. 연구자들은 회전 실 속이 비기계적 손상과 궁극적인 고장을 초래한다는 데 동의합니 다. 원심 및 단일 단계 축류 압축기의 회전 실속 효과에 대한 검 토는 이 문서의 범위를 벗어나지만 산업용 팬에 대한 적용 가능 성의 맥락에서 현존하는 문헌을 검토합니다. 우리의 목표는 원 심 및 단일 단계 축류 압축기에 중점을 둔 학자 및 실무자의 연구 를 산업용 팬 연구에 적용하는 것입니다. 3. 실속의 공기역학 다단 축류 압축기의 경우 낮은 축 속도에서는 회전 실속이 발생 하고 고속에서는 서지가 발생합니다.8,17‒27]. 낮은 샤프트 속 도와 높은 샤프트 속도의 구별은 로터 속도가 증가함에 따라 증 가하는 압력 힘과 유동 운동량의 비율을 구별하는 것입니다. 회 전 실속에서 다단계 축류 압축기를 복구하는 것이 더 중요합니 다. 급증 회복보다 어렵다 [28]. 회전 실속은 단일 현상이 아니라 두 가지 서로 다른 현상입니다.29]. (i) 부분 범위: 제한된 블레이드 통과 영역만 있는 경우. (ii) 전체 스팬: 블레이드 통과 영역이 부분 스팬의 경우보다 훨씬 작습니다. (iii) 소규모: 환형 흐름 경로의 작은 부분이 차단되는 곳입니 다. (iv) 대규모: 환형 유동 경로의 대부분이 차단된 경우. 서지는 회전 실속보다 더 복잡한 유형을 가지고 있습니다. 흐름 및 압력 변동과 관련하여 최소 네 가지 서지 범주를 구분할 수 있습니다.8,17,30]. (i) 약한 서지: 작은 압력 변동과 헬름홀츠 공명 주파수에 의 해 지배되는 주기성과 관련된 현상입니다. 흐름 반전이 발생하지 않습니다. (ii) 클래식 서지: 온화한 서지보다 낮은 주파수에서 더 큰 진 동과 관련된 현상이며 흐름 반전도 없습니다. 서지 역학 이 비선형이고 더 높은 고조파를 발생시키므로 고주파 진동도 존재할 수 있습니다. (iii) 수정된 서지: 회전 실속이 중첩되어 축 방향으로 변동하 는 전체 환형 흐름과 관련된 현상. 이로 인해 불안정하고 축대칭이 아닌 흐름이 발생합니다. 수정된 서지는 회전 실속과 고전적인 서지를 혼합한 것입니다. (iv) 깊은 서지: 전체 고리에 걸쳐 흐름 역전이 발생하는 고전 적인 서지의 더 심각한 버전과 관련된 현상입니다. 산업용 팬의 특성을 고려할 때 블레이드 각도와 팬 속도가 고정된 경우 팬 전체의 압력이 감소하면 흐름이 증가한다는 것 을 알 수 있습니다. Bianchiet al. [31]는 산업용 팬의 특성을 연 구하여 압력을 낮추면 흐름이 증가하는 안정적인 영역을 식별했 습니다. 팬 특성의 안정 영역 외에도 Bianchi et al. [31] 팬이 불안정한 지역을 특징으로 하며, (그림 1). 공기 역학적 시스템의 저항은 시스템을 통과하는 유속의 제 곱에 따라 증가합니다. 속도를 생성하면 팬 압력은 속도의 제곱 에 따라 증가합니다. 필요한 압력이 팬의 최대 압력 개발 능력을 초과하는 경우 팬은 안정적인 영역에서 불안정한 영역으로 이동 합니다. 팬이 불안정한 영역으로 이동하면 압력과 흐름이 모두 감소합니다. 흐름이 감소함에 따라 시스템을 통해 흐름을 구동 하는 데 필요한 압력은 속도의 제곱근으로 떨어집니다. 이로 인 해 팬이 안정적인 영역으로 다시 이동하게 됩니다. 팬 작동이 안 정화되면 추가 흐름이 생성되고 이에 따라 다시 불안정한 영역 으로 이동할 때까지 시스템 압력이 증가합니다. 이러한 주기적 행동으로 인해 호흡과 유사한 특징적인 소리를 생성하는 사냥 동작이 발생합니다. 서지 발생 시 산업용 팬의 주기적 동작은 열악한 시스템 설 계 또는 팬 내부 누출로 인해 발생할 수 있습니다. 4 ISRN 기계공학 산업용 팬과 압축기 연구 시설에 대해 수행한 출판된 연구 학자들의 하위 집합을 연구하면 산업용 팬이 안정된 영역에서 불안정한 특성 영역으로 이동할 때 진행 중인 핵심 프로세스를 쉽게 식별할 수 있습니다. 연구자들이 두 유형의 굴착 장치에서 얻은 결과는 실제 규모 압축기 내에서 작용하는 물리적 현상을 재현합니다. 저속 팬 및 확장된 압축기 시설의 결과를 검토하면 저속 압축기에서 발생하는 것부터 시작하여 다단계 고속 압축기 에서 발생하는 것으로 이동하는 실속 시작 메커니즘의 계층 구 조가 있음을 나타냅니다. 0.3 0.25 로터 작업 계수(Ψ) 0.2 0.15 100% 0.1 저속 팬 및 대규모 압축기 시설에 관한 문헌을 연구할 때 회 전 기계 내에서 작동하는 물리적 메커니즘과 실속 시작에 대한 논쟁을 두 가지 경쟁 관점이 지배하고 있다는 것이 분명합니다. 첫 번째 관점은 장파장 프로세스 또는 파동에 중점을 둡니다. 0.05 50% 0 25% 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 로터 유량계수(Φ) 안정적인 작동 회전 실속 프로그레시브 스톨 그림 1: Bianchi 등이 식별한 안정적인 팬 작동, 회전 실속 및 점진적 실 속 영역. [31] 100%, 50%, 25% 팬 설계 속도로 작동하는 축형 터널 환기 팬의 경우. 체계. 일반적으로 엔지니어가 산업용 팬을 적용하는 시스템에 는 흐름이 다양한 시점에 다른 분기 아래로 향하도록 하는 댐퍼 가 장착된 여러 분기가 포함됩니다. 시스템의 분기에 열려 있는 상태로 멈춰 있는 댐퍼가 포함된 경우 이 분기로 인해 시스템이 불균형하게 되어 팬이 스스로 불안정한 영역으로 이동할 수 있 습니다. 팬이 불안정한 영역으로 가끔 이동하면서 주로 안정적 인 영역 내에서 작동하는 경우 팬은 기계적 고장 없이 오랜 시간 동안 작동할 수 있습니다. 심각한 경우 팬 모터가 과부하 및 과 열되며, 주기적 동작이 계속되면 팬 블레이드의 기계적 고장이 발생합니다. 3.1. 스톨 시작.산업용 팬의 실속 제어에 대한 적절한 접근 방식 을 식별하려는 첫 번째 과제는 실속을 유발하는 주요 물리적 현 상에 대한 근본적인 이해를 발전시키는 것입니다. 모든 특성화 의 초점은 완전히 발달된 실속의 특성화가 아니라 실속 시작 과 정이어야 합니다. 많은 연구자들이 완전히 발달된 실속을 특성 화했으며 현존하는 문헌의 연구는 주로 축류 압축기에 초점을 맞췄습니다. 포괄적인 검토를 보려면 Day 및 Cumpsty [삼]. 산업용 팬의 드라이브 정지라는 주요 물리적 현상을 고려할 때 산업용 팬이 안정적인 영역에서 불안정한 영역으로 이동할 때 주기적인 동작을 나타내는 경향을 고려하는 것이 도움이 됩니 다. 이 주기 동작 중에 진행되는 프로세스에 대한 기능적 설명은 정지 감지 시스템을 개념화, 지정 및 설계하는 데 필요한 통찰력 을 제공할 수 있습니다. 이는 원주 방향으로 적어도 몇 개의 블레이드 피치에 걸쳐 있습 니다. 이러한 파동은 압축기 안정성을 결정하는 주요 물리적 프 로세스를 구성합니다. 경쟁 관점은 1~4개의 블레이드 통로 내 에 국한된 짧은 길이 규모의 이벤트에 중점을 둡니다. 연구자들 은 이러한 짧은 길이의 사건을 실속 시작의 주요 원인으로 간주 합니다. 짧은 길이의 사건 중요성에 대한 물리적 설명은 Emmons로 거슬러 올라가지만 실속 시작과 함께 발생할 수 있 다는 개념은 비교적 새로운 것입니다.5]. 여러 연구에 따르면 압축기, 저속 및 고속 축류 팬의 일부 팁 흐름 기능이 단파장 교란을 생성하는 데 직접적인 책임이 있는 것으로 나타났습니다. 단파장 교란을 연구하는 연구자들은 이 를 국부적인 부분 스팬 실속 셀을 담당하는 "스파이크" 또는 "핍"이라고 부릅니다.32‒35]. 단일 단계에서 스톨 셀의 스파이 크 모양의 시작은 연구자들이 모델 팬으로부터 얻은 데이터에서 분명하게 드러납니다.36]. 28.5초에 스파이크 같은 시작점을 볼 수 있는데,그림 2, 흐름은 0.5초 동안 정상 상태로 돌아가다 가 29초에 불안정해집니다. 산업용 팬의 실속 시작 메커니즘을 연구하는 연구자들은 스파이크 모양의 시작과 팬 음향 방출의 변화를 연관시켰습니다.37]. 실속 시작과 음향 방출 사이의 연 관성을 연구하는 다른 학자들은 원심 펌프와 압축기에서 측정한 회전하는 비정상 압력 신호를 음향 신호에 연결하기 위해 방위 각으로 분포된 프로브 배열을 활용했습니다.38,39]. 카메이어 와 나이스 [40] 그리고 Bianchi와 공동저자 [31,41]는 또한 축 형 터보기계에서 팁 간극 소음과 관련 블레이드 팁 흐름 불안정 성 사이의 연관성을 확립함으로써 실속 시작과 음향 방출 사이 의 연관성을 연구했습니다. 3.2. 스톨 개발.실속은 팬 스테이지나 로터에 국한된 불안정 현 상으로, 원주 방향으로 균일한 흐름 패턴이 궁극적으로 고리를 완전히 막는 결과를 낳는다는 것이 연구자들 사이의 일반적인 합의입니다. 팬 블레이드의 부하가 점차 높아짐에 따라 실속은 "스파이크와 같은" 이벤트로 시작되어 회전 실속으로 발전합니 다. 시스템 배압이 충분히 높으면 회전 실속은 일반적으로 완전 실속 또는 서지로 발전합니다. 국소 정체 흐름 영역은 다음과 같 은 경우에 나타납니다. 5 압력(Pa) ISRN 기계공학 채널 1 400 200 0 - 200 - 400 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 삼6 압력(Pa) 시간(초) 채널 2 400 200 0 - 200 - 400 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 삼6 시간(초) 그림 2: 움직임에 따른 가변 피치 유도 통풍 팬의 직경 1,250mm 모델 의 블레이드 위에 위치한 원주 방향으로 오프셋된 한 쌍의 고주파 응답 압력 변환기에서 기록된 데이터입니다. 26에서 28.5까지는 팬의 특성 이 안정된 영역에서 작동하고 있습니다. 실속 시작의 특징인 28.5초에 서 스파이크와 같은 특징을 관찰할 수 있습니다. 29초에서 36초 사이의 압력 변화는 팬의 작동 정지와 관련이 있습니다.36]. 흐름이 멈춥니다. 영역은 블레이드 회전과 동일한 방향으로 전 파됩니다. 이로 인해 회전자 속도의 일부로 환형 유동 경로 주위 를 회전하는 실속 영역이 발생합니다. 실속이 회전하는 속도는 일반적으로 완전히 발달된 실속에 대한 로터 속도의 1/5에서 절 반 사이입니다. 처음에는 회전하는 스톨 셀이 더 빠르게 회전합 니다.29]. 회전 실속 진화를 검토하면서 Cumpsty [37] 전반적인 성 능 저하가 소위 "점진적 지연" 또는 "갑작스러운 지연"으로 발 생할 수 있다고 언급했습니다. 엔지니어는 일반적으로 전자를 부분 스팬 지연과 연관시켜 성능이 약간 저하됩니다. 반면에 그 들은 후자를 전체 스팬 지연 및 성능 저하와 연관시킵니다. 특 히, 부분 스팬 회전 실속은 일반적으로 단일 블레이드 열에서 발 생합니다.37] 일반적으로 다단계 압축기보다 단일 로터 또는 단 계 기계에서 더 복잡한 교란을 초래합니다 [4]. 3.3. 기계적 고장.엔지니어들은 축형 압축기에 대한 스트레인 게이지 측정을 사용해 왔습니다.42] "회전 실속" 조건에서 안정 적인 작동을 5배 이상 초과하는 베인의 굽힘 응력을 측정합니 다.그림 3팬 정지로 인해 발생하는 불안정한 기계적 부하로 인 해 발생하는 산업용 팬 블레이드의 기계적 고장의 예를 보여줍 니다. 이 예에서는 정지 상태에서 약 10시간 작동한 후 정지로 인해 블레이드 피로 고장이 발생했습니다. 이 팬이 서지를 일으 킬 만큼 높은 배압을 생성할 수 있었다면 굽힘 응력의 증가 크기 는 서지 이벤트 자체 중에 기계적 고장을 일으키기에 충분했을 것입니다. 산업용 팬 설계자가 직면한 또 다른 문제는 이중 용도로 사 용되는 산업용 팬의 설계를 규제하는 새로운 법률입니다. 이러 한 맥락에서 결투 사용은 작업 중에 터널이나 건물을 환기시키 기 위해 팬을 사용하는 것을 의미합니다. 그림 3: 루트 익형 인터페이스에서 블레이드 기계적 고장이 발생한 팬 블레이드의 예입니다. 이 팬은 기계적 고장이 발생하기 전까지 정지 상 태에서 약 10시간 동안 작동했습니다.46]. 화재 발생 시 탈출 경로에서 정상적인 작동 및 연기 제거. 유럽 연합 내에서는 EN 12101-3 요구 사항에 따라 인증된 팬을 공급 하는 것이 법적 요구 사항입니다.43,44], 유럽 연합 외부에서는 EN 12101-3에 정의된 동일한 요구 사항이 ISO 21927-3에 구 현됩니다.44,45]. 뜨거운 가스와 연기를 추출할 때 산업용 팬의 알루미늄 블레이드는 회전하는 강철 케이스보다 더 빠른 속도로 열적으로 성장합니다. 결과적으로, 화재 발생 시 블레이드가 케 이싱에 닿지 않도록 하려면 팬이 주변에서만 사용되는 경우보다 주변 블레이드 팁과 케이싱 간 간격이 더 커야 합니다.42]. 블레 이드 팁과 케이싱 간 간격을 늘리면 일반적으로 팬의 압력 발생 능력이 20% 감소합니다. 팬 설계자들은 블레이드 팁-케이싱 간 격 증가가 산업용 팬의 압력 개발 능력에 미치는 영향을 과소평 가하는 경우가 많습니다. 이러한 감소를 과소평가한 결과 이중 용도로 작동하도록 설계된 팬은 일반적으로 서비스가 중단되는 경향이 더 큽니다.46]. 터널 환기 응용 분야의 산업용 팬이 작동하는 환경의 특별한 특징은 터널을 통과하는 열차에서 발생하는 압력 펄스입니다. 압력 펄스는 최대±전체 터널 환기 팬 작업 계수의 50%입니다. 이러한 압력 펄스는 먼저 터널 환기 팬을 구동한 다음 특성 작동 범위를 낮추게 합니다.47]. 이러한 압력 변화 동안 터널 환기 팬 이 공기역학적으로 안정적인 방식으로 계속 작동하도록 하기 위 해 터널 환기 시스템 설계자는 열차 접근 시 발생하는 압력 펄스 로 인해 터널 환기 팬이 정지되지 않도록 충분한 여유를 두어야 합니다. 그런 다음 환기 샤프트에서 멀어집니다. 압력 펄스의 영향으로 터널 환기 팬이 정지하는 경향은 부분 속도로 작동할 때 더욱 복잡해집니다. 터널 환기 팬을 부분 속도 로 작동하는 것이 점점 일반화되고 있습니다. 일반적으로 밤에 는 터널 환기의 필요성이 줄어들므로 더 낮은 팬 속도에서 적절 한 냉각을 달성할 수 있으므로 결과적으로 더 낮은 운영 비용을 얻을 수 있습니다. 터널 환기 팬을 낮은 속도로 작동할 수 있더 라도 터널 내를 이동하는 열차의 속도는 일정하게 유지됩니다. 6 ISRN 기계공학 환기 팬이 적용되는 경우에도 일정하게 유지됩니다. 터널 환기 팬이 50% 속도로 작동하면 압력 발생 능력이 4배로 감소합니 다. 결과적으로, 최대 속도로 수용할 수 있는 압력 펄스는 거의 확실하게 동일한 터널 환기 팬을 50% 속도로 정지시킵니다. 4500 4000 3500 3000 2500 압력(Pa) 터널 환기 팬 속도가 감소하면 팬이 위치한 환기 샤프트를 통과하는 열차와 관련된 일정한 압력 펄스로 인해 열차가 접근 할 때 공급 모드에서 작동하는 팬이 정지하는 임계 속도가 발생 합니다. 열차가 출발할 때 추출 모드 칸에서 작동하고 있습니다. 공기역학적 실속으로 인해 팬 블레이드에 가해지는 불안정한 힘 이 크게 증가합니다. 그러나 압력 펄스가 일시적이기 때문에 팬 은 오랜 시간 동안 정지 상태에서 작동하지 않습니다. 결과적으 로 불안정한 공기역학적 힘은 즉각적인 기계적 고장을 초래하지 않습니다. 그러나 터널 환기 팬은 매일 많은 압력 펄스를 받을 수 있기 때문에 시간이 지남에 따라 일시적으로 실속 상태로 운 전하는 누적 효과는 블레이드 하나에서 피로 균열을 일으키고 블레이드가 기계적으로 고장날 때까지 안정적인 작동 중에 계속 커집니다. 5500 5000 2000 1500 1000 500 0 - 500 - 1000 - 1500 0 50 100 150 200 체적 유량(m삼/에스) 우리는 다음을 참조하여 터널 환기 팬의 작동 지점에 대한 양압 및 음압 펄스의 영향을 개념화할 수 있습니다.그림 4. 이는 +1000 Pa 및 -1000 Pa 압력 펄스의 영향을 받아 팬 특성을 위 아래로 이동하는 듀티 포인트를 통해 팬이 압력 펄스에 어떻게 적응하는지에 대한 통찰력을 제공합니다. 압력 펄스의 크기에 따라 시스템 곡선을 위아래로 이동하여 압력 펄스를 모델링할 수 있다고 가정하는 것이 산업 팬 커뮤니티 내의 관례이자 관행 입니다. 그림에서4+ 및 ‒1000 Pa 압력 펄스 시스템 곡선은 시 스템 곡선을 각각 1000 Pa 위아래로 이동하여 생성됩니다. 양 압 펄스의 영향으로 팬 작동 지점은 팬 듀티 지점(검은색 원,그 림 4) 팬 특성이 +1000 시스템 곡선과 교차하는 지점(검은색 사 각형,그림 4). 부압 펄스의 영향으로 팬 작동 지점은 팬 듀티 지 점에서 팬 특성이 -1000 시스템 곡선과 교차하는 지점(검은색 다이아몬드,그림 4). 그렇게 함으로써 팬은 마치 압력 펄스와 관 련된 압력 변화가 팬의 반응 시간에 비해 느린 것처럼 압력 펄스 에 반응하는 것으로 가정됩니다. 최근 연구 [47]는 마치 압력 펄스와 관련된 압력 변화가 팬 의 반응 시간에 비해 느린 것처럼 터널 환기 팬이 압력 펄스에 반 응하지 않음을 나타냅니다. 터널 내 압력 변화와 팬 블레이드 주 변의 유동장 사이의 상호 작용은 일시적이고 복잡합니다. 터널 내의 압력 펄스를 연구할 때 팬을 통과하는 체적 유량의 변화로 개념화할 수 있습니다. 추출 모드로 작동하는 터널 환기팬에 대 한 비정상 계산 결과 [47]는 터널 환기팬이 위치한 환기 샤프트 에 접근하는 열차의 충격으로 팬이 하강됨을 나타냅니다. 그 결 과 팬 듀티 포인트가 거의 즉각적으로 더 낮은 압력으로 이동합 니다(파란색 원, 그림 4). 열차가 환풍구를 통과함에 따라 터널 환기팬이 작동하는 터널환기갱이 작동하게 됩니다. 불안정한 계산, +로 팬 듀티 포인트를 출발하는 열차가 있는 추출 모드에서 팬 전체의 최대 압력 1000Pa 압력 펄스 팬 듀티 포인트 팬 듀티 포인트 -1000Pa 압력 펄스 불안정한 계산, 열차 접근 시 추출 모드에서 팬 전체의 최 대 압력 실험 데이터 + 1000Pa 시스템 곡선 시스템 곡선 - 1000Pa 시스템 곡선 그림 4: 터널 환기 팬에 대한 압력 펄스의 영향. 산업용 팬 설계자들은 역사적으로 압력 펄스(검은색 기호)가 있을 때 팬의 특성이 위아래로 움 직인다고 가정해 왔습니다. 양압 및 음압 펄스 모두에 대한 비정상 계산 결과는 팬의 작동 점이 압력 펄스(빨간색 및 파란색 기호)와 관련된 과 도 기간 동안 정상 상태 특성에서 벗어났음을 나타냅니다. 이러한 이탈 로 인해 작동 지점에서 팬 작동과 관련된 힘에 비해 불안정한 공기 역학 적 힘이 2배 증가하게 됩니다.47]. 추출 모드에서는 팬에 과부하가 걸립니다. 그 결과 팬 작동 지점 이 거의 즉각적으로 더 높은 압력으로 이동합니다(빨간색 원,그 림 4). 작동 지점에서 이러한 변화의 시간 규모(검은색 원에서 빨간색 원으로, 그리고 다시 검은색 원으로,그림 4) 너무 빨라서 팬이 멈추지 않습니다. [47]. 팬이 정지하지 않았음에도 불구하고 팬 블레이드에 가해지 는 불안정한 힘은 팬 작동 지점에서 안정적인 작동과 관련된 힘 에 비해 두 배로 나타났습니다.47]. 불안정한 블레이드 힘이 두 배로 증가하는 것은 중요합니다. 산업용 팬 커뮤니티 내에서 설 계자들은 일반적으로 그림 1의 예에서와 같이 압력 펄스가 팬의 압력 개발 능력 내에서 수용될 수 있다고 믿습니다. 그림 4, 압력 펄스와 관련된 기계적 결과는 없습니다. 이는 사실이 아니며 결 과적으로 블레이드의 경우 7 ISRN 기계공학 500 65ㅇ블레이드 피치 각도 분 입장하다 60-드그리 b 각도, 피중 450 짐을 싣다 채널 1 파n 마구간 에드 70-디동의하다 잎 안 g르,700rpm 350 300 압력(Pa) 700아르 자형 400 압력(Pa) 50ㅇ블레이드 피치 각도 나는 실속한다 400 200 0 - 200 - 400 79 250 80 81 82 83 에스 테이블 영형 페라티~에 ~에 50-디 이자형 그리 b ㅏ앵글,700rp 중 200 150 압력(Pa) 짐을 싣다 100 85 86 87 88 89 85 86 87 88 89 채널 2 400 200 0 - 200 - 400 79 80 81 82 83 50 0 84 시간(초) 84 시간(초) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 유량(m삼 /에스) 50-학위 블레이드 각도, 700rpm 60-학위 블레이드 각도, 700rpm 70-학위 블레이드 각도, 700rpm 시스템 곡선 그림 5: VPIM(가변 피치 동작) 블레이드를 사용한 실속 복구. 70의 작 동 지점ㅇ, 60ㅇ, 그리고 50ㅇ700rpm의 회전 주파수에서 얻은 모든 데 이터를 사용한 피치 각도. 70세ㅇ팬은 특성 최고 압력의 왼쪽에 있는 정 지 상태에서 작동하고 있습니다. 60세ㅇ팬은 정지된 상태로 유지되며 팬은 특성상 최고점 바로 왼쪽에서 작동합니다. 50세에ㅇ팬은 특성의 피크 압력 [36]. 설계는 작동 중 기계적 고장을 방지하기 위한 것이므로 엔지니 어는 압력 펄스로 인해 발생하는 상승된 공기 역학적 힘을 수용 하도록 설계해야 합니다. 4. 실속 제어 기술 우리는 일반적으로 관련 메커니즘이나 프로세스에 대한 이해를 통해 흐름 제어 방법론을 도출합니다.48] 흐름 제어를 활용하는 방법에 따라 분류할 수 있습니다.49]. 이것은 될 수있다 (i) 능동적이고 수반되는 흐름 제어; 또는 (ii) 수동적이며 흐름 관리를 수반합니다. 엔지니어들은 산업용 팬과 압축기 응용 분야 모두에 수동 및 능동 실속 제어 기술을 성공적으로 적용했습니다. 그러나 수동 실속 제어 기술은 산업용 팬 응용 분야의 표준이며 1950년대와 1960년대 압축기 응용 분야의 표준이었습니다. 안정성 마진을 개선하려는 노력은 압축기 산업 내에서 가장 강력했으며 결과적 으로 지난 20년 동안 대부분의 능동 실속 제어 연구 노력이 이 분야에서 이루어졌습니다. 그림 6: 모션 유도 통풍 팬의 가변 피치 직경 1,250mm 모델의 블레이 드 위에 위치한 원주 방향으로 오프셋된 한 쌍의 고주파 응답 압력 변환 기에서 기록된 데이터입니다. 블레이드 각도는 시간이 지남에 따라 감 소하며 팬은 89초에 정지 작동에서 안정적인 작동으로 최종 전환됩니 다. 이때 블레이드 각도는 초기 70°에서 감소했습니다.ㅇ 79초에서 50초까지ㅇ89초에 [36]. 4.1. 능동 제어 시스템.능동 제어 시스템은 제어 목표를 달성하 기 위해 적절한 경고 또는 감지 체계를 사용하여 이벤트와 물리 적 현상을 모니터링합니다. 대조적으로, 수동 제어 시스템은 실 속 시작을 방지하거나 실속을 줄이기 위한 노력으로 흐름 역학 을 수정합니다. 연구자들은 전통적으로 블레이드 또는 케이싱 형상 수정을 중심으로 수동적 또는 예방적 제어 개념을 기반으 로 했습니다. 4.2. 활성: 블레이드 피치 제어.로터 피치 제어는 공기 속도가 허 용 한계를 초과할 때 출력을 줄이기 위해 엔지니어가 프로펠러 나 풍력 터빈과 같은 개방형 로터에 주로 사용하는 기술입니다. 축류 팬의 경우 블레이드 현이 축 방향에 수직으로 형성하는 각 도를 변경하는 것이 실속에서 회복하는 방법입니다. 피치각을 낮추면 블레이드에 대한 입사각이 줄어들고 블레이드 하중도 줄 어듭니다. 가변 피치 모션(VPIM) 팬의 특성을 고려할 때, 피치 각도가 감소함에 따라 팬의 작동점이 팬 특성의 불안정한 영역 에서 안정적인 영역으로 이동하는 것이 분명합니다.그림 5. 정 지 제어 시스템이 팬을 정지 상태에서 복구할 수 있는 방법을 구 성하기 위해 블레이드 각도를 줄이는 것은 불안정한 영역에서 안정적인 영역으로의 이동입니다. Bianchiet al. [36] 피치 각 도가 감소함에 따라 움직이는 팬의 가변 피치에서 얻은 실험 데 이터를 연구하여 89초 후에 압력이 안정화되는 것을 관찰했습 니다. 6, 피치 각도를 줄입니다. 결과적으로 70으로 멈춰 있던 팬이ㅇ피치 각도가 50으로 줄어들 때 피치 각도가 더 이상 지연 되지 않습니다.ㅇ. 4.3. 활성: 회전 주파수 제어.팬 회전 속도를 변경해도 원래 상태 로 복구되지는 않습니다. 8 마구간. 팬 법칙을 준수하는 특성을 가진 시스템에 팬이 설치되 어 있다고 가정하면, 100% 속도로 특성의 불안정 영역에서 작 동하는 팬은 감소된 속도에서도 특성의 불안정 영역에서 작동하 게 됩니다. 따라서 팬 속도를 줄이는 것은 지연 제어 방법을 구 성하지 않습니다. 이러한 예약에도 불구하고 팬 속도를 줄이면 특성이 불안정한 영역에서 작동할 때 발생하는 기계적 영향으로 부터 팬을 보호할 수 있습니다. 회전하는 부품의 직접적인 기계 적 응력은 속도의 제곱에 따라 감소합니다. 결과적으로, 설계 팬 속도를 100%에서 50%로 줄이면 회전 구성 요소의 직접적인 기계적 응력이 4배 감소합니다. 그러나 팬의 특성상 불안정한 영역에서 팬을 작동하면 실속과 관련된 공기 역학적 버피팅의 결과로 팬 블레이드에 유발되는 교번 응력이 증가합니다. 쉬어드와 코르시니 [7]는 불안정한 영역에서 팬을 최고 속 도 및 부분 속도로 작동하는 효과를 연구했습니다. 그들은 아테 네 지하철 확장을 위해 공급되는 팬과 관련하여 특별한 문제에 직면했습니다. 팬이 사양을 충족했음에도 불구하고 지하철 환 풍구 포털에 가까운 주민들이 여름 동안 창문을 열어둔 채 잠을 자려고 할 때 포털에서 발생하는 소음은 문제가 될 만큼 컸습니 다. AthensMetro는 야간 포털 소음 방출을 줄여 달라는 요청 을 받았습니다. 환기 팬 설치에 대한 연구에 따르면 소음기를 추 가하는 것이 실용적이지 않은 것으로 나타났습니다. 각 환기 샤 프트에는 여러 개의 팬이 설치되어 있었고 밤에는 필요한 환기 공기 흐름을 공급하기 위해 하나만 작동하면 되었기 때문에 옵 션은 여러 팬을 감소된 속도로 작동하는 것이었습니다. 팬 속도 를 낮추면 팬 소음이 줄어들지만 환기 공기의 흐름이 줄어듭니 다. 팬을 여러 개 가동하면 환기되는 공기의 양이 늘어나지만, 이제 음원이 여러 개 있으므로 발생하는 소음도 늘어납니다. 결 정적으로, 여러 소스와 관련된 소음 증가는 여러 팬을 느린 속도 로 작동하는 것과 관련된 감소보다 적습니다. 결과적으로 여러 팬을 부분 속도로 실행하면 전체 포털 소음 방출이 줄어듭니다. 그러나 부분 속도 작동과 관련된 팬 압력 개발 능력의 감소 는 잠재적으로 문제가 있었습니다. 환기 팬은 열차가 설치된 환 기 샤프트를 통과할 때마다 500 Pa의 압력 펄스를 받았습니다. 부분 속도로 작동할 때 이 압력 펄스로 인해 열차가 환기 샤프트 를 통과할 때마다 팬 특성의 안정적인 영역에서 불안정한 영역 으로 환기 팬이 구동됩니다. 환기 팬은 압력 펄스에 의해 일시적 으로 특성이 불안정한 영역으로만 구동되지만 매일 수백 대의 열차가 각 환기 샤프트를 통과하며 누적 효과는 블레이드의 피 로 균열 발생과 기계적 고장이 됩니다. . 쉬어드와 코르시니 [7] 터널 환기 팬의 기계적 성능을 연구 했습니다. 그들은 블레이드에 스트레인 게이지를 장착하여 팬 특성의 안정 영역과 불안정 영역 모두에서 100%, 50% 및 25% 설계 속도로 팬을 작동하는 것과 관련된 불안정한 응력을 측정 했습니다. 각 속도에서 팬 블레이드의 계산된 직접 응력과 결합 하여 Sheard 및 Corsini [7] 이었다 ISRN 기계공학 기계적 안전계수를 도출할 수 있으며,1 번 테이블. 결과는 테스 트된 팬이 2.3의 기계적 안전 계수를 갖는 특성의 안정적인 영역 에서 100% 속도로 작동할 수 있음을 나타냅니다. 동일한 팬은 기계적 안전 계수가 2.5인 특성의 불안정한 영역에서 50% 속도 로 작동할 수도 있습니다. 안전 계수 2.5가 안전 계수 2.3보다 크기 때문에 이 팬을 특성의 안정적인 영역에서 100% 속도로 작동하는 것보다 기계적 고장 위험이 적고 불안정한 특성 영역 에서 50%로 이 팬을 작동할 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니 다. . 결과적으로 팬 속도를 100%에서 50%로 줄이는 것은 실 속을 제어하는 방법이 아니라 팬 특성의 불안정한 부분에서 작 동이 불가피할 경우 팬을 기계적 고장으로부터 보호하는 방법입 니다. 쉬어드와 코르시니 [7] 분석을 확장하여 연구된 팬의 특성 을 100%에서 90% 속도로 확장했습니다. 그들은 그렇게 함으 로써 팬의 압력 발전 능력이 이 팬이 실제로 적용되는 500Pa 압 력 펄스가 팬의 최고 압력 발전 능력의 5% 이내가 되는 지점까 지 감소한다는 것을 관찰했습니다. Sheard와 Corsini가 [7] 연 구된 팬의 특성을 50%에서 55% 속도로 확장하여 500Pa의 압 력 펄스가 여전히 팬을 안정적인 특성 영역에서 불안정한 영역 으로 구동할 것이라는 결론을 내렸습니다. 그러나 속도가 증가 함에 따라 기계적 안전 계수는 50% 설계 속도에서 2.5에서 55% 설계 속도에서 2.0으로 감소했습니다. 위의 Sheard와 Corsini로부터 [7]는 테스트된 팬이 특성의 불안정한 영역에서 최대 55% 설계 속도로 작동할 수 있고 특성의 안정적인 영역을 유지하는 동안 90% 설계 속도까지 작동할 수 있다는 결론을 내 렸습니다. 설계 속도 55~90% 사이의 속도 범위는 팬의 가변 속 도 드라이브에서 차단되었으며, 팬이 압력 펄스의 영향으로 기 계적 고장의 위험이 없는 속도로만 작동하도록 보장했습니다. 산업용 팬 제조업체는 또한 회전 주파수 제어를 활용하여 예 상치 못한 시스템 저항 변화의 영향으로부터 환기 팬을 보호합 니다. 시스템 저항의 변화는 예측할 수 없기 때문에 변화가 발생 하는 시기를 예측하는 것은 불가능합니다. Bianchiet al. [31] 는 팬 케이싱에 장착된 4개의 비정상 압력 프로브를 사용하여 터널 환기 팬의 실속 특성을 연구했으며, 연구된 팬을 공칭 설계 속도의 100%, 50% 및 25%에서 실속 상태로 만들었습니다. 이는 Bianchi et al. [31] 불안정성이 초기에 발생했을 때와 작 동이 정지된 동안 팬의 안정적인 작동으로 발생한 불안정한 압 력 신호를 연구하기 위해,그림 7. 비정상 압력 신호 분석을 통해 Bianchi et al. [31] 팬을 특성화하고 다양한 팬 속도에서 팬 특 성의 안정적인 영역과 불안정한 영역을 식별합니다. 이를 통해 Sheard와 Corsini가 연구한 팬 설계 속도의 55% ~ 90%인 "차단된" 속도 범위와 함께 팬 케이스에 대한 불안정한 압력 측 정을 사용할 수 있습니다.7], 팬이 기계적으로 위험에 처해 있는 지 또는 기계적 고장 위험 없이 계속 작동할 수 있는지를 설정하 는 제어 알고리즘에 대한 입력입니다. 9 ISRN 기계공학 표 1: 최대 속도 및 부분 속도의 팬에 대한 스트레인 게이지 데이터에서 파생된 안전 계수 [7]. 팬 유형 % 설계 속도 평면 케이싱, 실속 블레이드 각도 평면 케이싱, 실속 블레이드 각도 벽정압(Pa) 25% 팬 속도 50% 팬 속도 100% 팬 속도 평면 케이싱, 실속 블레이드 각도 100 50 25 로터 혁명 안정적인 작동 실속 초기 정지된 작동 그림 7: 터널 환기 팬의 블레이드 위에 위치한 고주파 응답 압력 변환기 에서 필터링된 저역 통과 데이터(20kHz). 저자는 안정적인 작동(녹색), 실속이 초기(파란색) 및 정지된 작동 중(빨간색) 최고 속도, (a) 절반 속 도(b) 및 1/4 속도(c) 동안 데이터를 기록했습니다.31]. 4.4. 활성: 공기 주입.연구원들은 일반적으로 단일 로터 또는 스 테이지 산업용 팬 및 압축기의 실속 시작과 스파이크 모양의 압 력 펄스를 연관시킵니다. 스파이크 모양의 압력 펄스를 억제하 는 데 효과적인 실속 제어 기술은 공기 주입입니다. 공기 주입에 는 제트에서 더 느리게 움직이는 주류 흐름으로 운동량 전달을 유도하는 블레이드 팁 영역에 고속 공기 제트를 주입하는 작업 이 포함됩니다. 실속 시작을 억제하는 고속 제트의 효율성은 팁 간극 와류의 전개 및 팁 블레이드 흐름과 함께 발생하는 기타 흐 름 특징에 대한 제트의 영향과 연결됩니다. 연구자들은 공기 주입을 광범위하게 연구해 왔습니다. Suderet al. [50]는 개별 팁 주입 기술을 제안했으며 Nie et al. [51] 및 Lin et al. [52] 마이크로에어 주입에 대한 그들의 제안 을 기반으로 합니다. 관련 제어 시스템 작동을 구동하려면 상당 한 전력이 필요하지만 이러한 제어 기술을 사용하면 압축기 실 속 여유가 5~10% 향상됩니다. 최근 연구자들은 블레이드 팁 누 출 와류의 전개를 제어하기 위해 공간적으로 분산된 작동 시스 템을 사용하여 블레이드 팁에서 케이싱까지의 영역에서 유동장 여기와 함께 발생하는 기본 유동 물리학을 연구했습니다.53]. 연구원들의 가설은 블레이드 팁 누출 와류의 진화를 제어하면 팁 와류의 발생을 촉진할 것이라는 것입니다. 정상 작동 안전 요소 2.3 10.0 106.0 작동이 중단됨 안전 요소 0.3 2.5 7.3 소산되므로 스파이크 형성과 관련된 흐름 구조의 일부가 억제됩 니다. 블레이드 팁 누출 와류 전개를 제어하기 위한 공간적으로 분 산된 작동 시스템의 잠재적 이점은 제어 시스템 작동기에서 발 생하는 낮은 전력 요구 사항입니다. 제어 시스템의 액추에이터 를 구동하는 데 필요한 전력 요구 사항은 제어 시스템이 장착된 산업용 팬 또는 압축기의 효율성 손실을 초래합니다. 전력 요구 사항을 최소화하기 위한 노력의 일환으로 Vo et al. [54]는 음향 작동과 Corke 및 Post의 사용을 제안했습니다.55] 제안된 자 기 액츄에이터. 압축기 커뮤니티 내에서 공기 주입에 대한 관심 은 여전히 높습니다.56] 압축기 전체 둘레 주위의 다단 압축기 에서 회전 실속 시작을 억제하는 방법을 제안하고,그림 8. 이 글 을 쓰는 시점에서 공기 주입의 사용은 기술의 복잡성과 비용으 로 인해 압축기 응용 분야로 제한됩니다. 산업용 팬 커뮤니티에 서는 압축기 커뮤니티의 진행 상황을 계속 모니터링하고 있지만 현재 이 기술을 산업용 팬에 이전하려는 적극적인 연구는 없습 니다. 4.5. 활성: 블리드 밸브.연구원들은 저속 압축기를 사용하여 소 규모로 블리드 밸브 작동을 통한 스톨 제어를 테스트했습니다. 57,58]. 실속 시작을 억제하기 위해 블리드 밸브가 열립니다. 이 기술의 목적은 압축기의 임계 유량(압축기 블레이드가 정지하 는 임계 유량 이하) 이상으로 압축기를 통과하는 평균 유량을 유 지하는 것입니다. 운전자는 압축기의 낮은 압력 단계를 통해 유 량을 증가시키는 압축기 배출에서 나오는 추출 공기를 사용하여 평균 유량을 유지합니다. Prasadet al. [57]에서는 블리드 밸브 작동을 사용하는 두 가지 방식을 제시했습니다. 즉, 공기를 압축기 흡입구로 다시 배 출하고 공기를 재순환 플레넘 흡입구로 다시 배출하는 것입니 다. 전자의 경우 블리드 에어는 흡입구를 통과하는 흐름에 영향 을 미치지 않습니다. 그러나 블리드는 연소기로의 흐름을 감소 시킵니다. 후자의 경우, 연소기로 유입되는 유량은 흡입 유량과 동일하며 재순환된 공기는 압축기 부하를 감소시킵니다. 두 번 째 방식은 블리드 재순환이 회전 실속의 시작을 지연시키고 재 순환의 크기에 따라 지연이 증가하므로 더 효과적입니다. 재순 환은 압축기의 작동점을 변경하여 연소기로 유입되는 유량을 감 소시키므로 작업자는 재순환을 지속적으로 사용해서는 안 되며 정지가 임박한 경우에만 사용해야 합니다. 4.6. 수동 제어 시스템.연구원들은 블레이드 팁에서 케이싱까지 의 영역에서 유동장을 수정하는 기술을 기반으로 실속 제어에 대한 수동적 접근 방식을 기반으로 합니다. 수동적 접근 방식은 연구자들이 축류 압축기에 케이싱 처리를 처음 활용했던 1950 년대로 거슬러 올라갑니다. 기울어진 슬롯과 홈 10 ISRN 기계공학 구멍 그릇 환풍기 (사용되지 않음) 벌집 다공성 화면 다공성 화면 36··············직경 왜곡 발전기 축방향 압축기 테스트 시설(측면도) 감지기 압축기 원추형 반지 조절판 배기가스 충분한 드라이브 트레인 구동모터 서보 기구 모터 제트 액츄에이터 링 열선 (정면도) [19] 광학 인코더 판막 인젝터 흐름 허브 팁 63.5mm 서보 기구 모터 판막 몸 장착 링 인젝터 흐름 그림 8: 제트 작동 장치를 갖춘 MIT(Massachusetts Institute of Technology) 저속 3단계 축류 압축기 테스트 시설 [56]. 로터 위의 케이싱 절단으로 실속 여유가 향상되었으며, 홈이 있 어 실속 여유가 향상되고 압축기 효율에 가장 낮은 영향을 미칩 니다.59]. 수동적 접근 방식의 상대적으로 저렴한 비용으로 인 해 산업용 팬 제조업체는 역사적으로 수동적 접근 방식을 선호 해 왔습니다. 결과적으로 오늘날 압축기 커뮤니티는 주로 능동 제어 접근 방식을 활용하는 반면, 산업용 팬 제조업체는 여전히 수동 접근 방식을 개발하고 개선하고 있습니다. 4.7. 패시브: 안정화 링.산업용 팬 제조업체는 역사적으로 팬 케 이스에 장착된 안정화 링을 선호하는 실속 방지 장치로 선호해 왔습니다. 축류 팬이 정지 상태에 가까워지면 팬을 통과하는 유 속이 감소하고 축류 팬 블레이드가 점점 더 원심 팬 임펠러 역할 을 합니다. 실속 방지 장치가 발전했지만 현재 가장 일반적인 실 시 형태는 팬 블레이드의 앞쪽 가장자리 바로 상류에 있는 팬 케 이스 주위에 배치된 안정화 링으로 구성됩니다.그림 9. 축류 팬 이 실속 상태에 접근하면 팬을 통과하는 유속이 감소하고 흐름 이 점차적으로 블레이드 팁을 향해 원심분리됩니다. 팬 전체의 임계 압력에서 유속은 0으로 떨어지고 블레이드 팁 영역의 흐름 은 역전됩니다. 안정화 링에는 정전기 방지 장치 세트가 포함되 어 있어 팬 성능을 안정화할 수 있습니다. 베인. 이러한 고정 베인은 역류를 축 방향으로 방향을 바꾼 다음 이를 블레이드 상류의 주류 흐름으로 다시 도입합니다.그림 10. 이로써 팬 특성이 안정화되고 이제 팬은 흐름이 0으로 계속 상 승하는 압력 특성을 나타냅니다. 1965년에 Ivanov는 최초의 안정화 링에 대한 특허를 받았 습니다.60]; 그러나 팬 상류의 가이드 베인 전체 세트를 사용하 는 것은 실제 응용 분야에 적용하기가 어려웠습니다. 나중에 Karlsson과 Holmkvist [61]는 팬 케이스 주위에 장착된 링에 고정 날개를 통합한 안정화 링 개념을 개발했습니다. Karlsson 과 Holmkvist의 안정화 링 개념의 효율성에도 불구하고 의도 하지 않은 부정적인 결과가 하나 있습니다. 안정화 링이 장착된 팬은 안정화 링의 직접적인 결과로 효율성이 2~5% 정도 손실 됩니다.46]. 유럽 연합 내 EuP(에너지 사용 제품) 지침의 출현으로 인 해 2013년 1월 1일에 법적 구속력이 있는 최소 팬 및 모터 효율 등급(FMEG)이 의무화되었습니다. 최소 FMEG는 2015년 1월 1일에 증가할 예정입니다. 산업 팬 커뮤니티에서는 다음과 같이 널리 예상하고 있습니다. 향후 어느 시점에서 최소 허용 FMEG 는 팬에 대한 부정적인 영향으로 인해 안정화 링을 쓸모 없게 만 들 것입니다. 11 ISRN 기계공학 실속 방지 챔버 재순환 흐름 그림 11: 공기 분리기가 포함된 케이싱에 장착된 축류 팬 [63]. 능률. 미래의 어느 시점에서는 엔지니어가 안정화 링 애플리케 이션과 관련된 효율성 감소로 인해 팬의 FMEG가 허용된 최소 값 아래로 떨어지게 됩니다. 그림 9: 실속 방지 링이 장착된 축류 팬. 실속 방지 링은 블레이드 바로 위 및 상류에 있는 팬 케이스의 연장 부분으로 구성됩니다. 실속 방지 케이스에는 노란색으로 표시된 고정 날개가 포함되어 있습니다. 팬이 실속에 접근하면 팬이 블레이드 위로 원심분리되고 흐름이 팬 입구에서 흘러나오면서 정지됩니다. 블레이드는 흐름의 방향을 축 방향으로 바 꾸고 상류로 다시 유입시킵니다. 흐름을 직선화하고 재도입하는 이 과 정은 팬의 성능을 안정화하고, 팬이 정지 상태에서 작동할 때 발생하는 압력 개발 능력의 저하를 제거합니다.72]. 날개 팬 블레이드 그림 10: Karlsson과 Holmkvist가 제안한 "안정화 링" 배열 [61] 작 성자: Bard [73]. 휴턴과 데이 [62]는 더 이상 안정화 링을 사용할 수 없는 산 업용 팬 설계자에게 가능한 방법을 제시하며, 압축기 케이싱에 홈을 통합하면 압축기의 실속 저항이 향상될 수 있음을 보여줍 니다. 홈은 블레이드 앞쪽 가장자리 상류의 블레이드 현의 약 50%에 위치했습니다. 압축기 케이싱에 홈을 통합해도 압축기 효율이 감소하지 않으므로 결과적으로 팬 효율에 대한 부정적인 영향으로 인해 안정화 링을 더 이상 적용할 수 없는 산업용 팬 설 계자가 할 수 있는 가능한 방법은 케이싱 홈 적용을 연구하는 것 입니다. 산업용 팬 케이스에 사용됩니다. 4.8. 패시브: 공기 분리기.공기 분리기는 실속 시작을 효과적으 로 억제할 수 있습니다. Yamaguchiet al. [63] 팁 흐름을 "스 쿠핑"하기 위해 앞쪽 가장자리가 팬 로터 블레이드 팁을 향하는 방사형 베인이 있는 공기 분리기를 설계했습니다.그림 11. 공기 분리기는 축 방향인 안정화 링 베인과 달리 공기 분리기 베인이 방사형이라는 점에서 안정화 링과 다릅니다. Yamaguchiet al. [63]는 공기 분리기를 연구하고 저속 단일 스테이지, 저부하 축 류 팬에 대한 실속 억제 효과를 분석했습니다. 입구 공간 하류의 공기 분리기 재순환 통로에서 일련의 원주 베인이 축 방향의 소 용돌이 흐름을 교정합니다. 팬이 실속 상태에 접근하면 회전 속 도가 증가하고 실속 셀에 대한 원심력이 증가합니다. 이로 인해 스톨 셀이 공기 분리기 입구로 자연스럽게 원심분리됩니다. 따 라서 공기 분리기는 주 흐름에서 스톨 셀을 분리하고 움직이는 부품이 필요하지 않기 때문에 수동적인 스톨 제어 방법을 구성 합니다. 12 ISRN 기계공학 표 2: 실속 제어 기술 매트릭스. 기술 분류 결과 작동 원리 블레이드 피치 제어 활동적인 유체 역학을 변경합니다. 피치 각도를 변경합니다. 회전 주파수 제어 활동적인 유체 역학을 변경합니다. 로터 속도를 제어합 니다. 활동적인 회전 실속 시작은 전체 범위 분산 제트 작동 을 사용하여 달성됩니다. 공기주입 추기 밸브 활동적인 안정화 링 수동적인 공기 분리기 수동적인 압축기를 통과하는 평균 유량을 임계 유량 이상 으로 유지하십시오. 압축기를 통과하는 유량을 증가시키기 위해 공기가 플레넘에서 빠져나갑 니다. 유체 역학을 변경합니다. 정지된 흐름에 임펠러로 돌아가는 경로를 제공합니다. 일련의 원주 베인은 축 방향의 소용돌이 흐름을 수정합니다. 스톨 셀 원심분리기는 자동으로 공기 분리기 입구로 들어가고 주 흐름에서 분리됩니 다. 4가지 능동 실속 제어 기술과 2가지 수동 실속 제어 기술, 표 2, 각각은 실속 제어에 대한 유효한 접근 방식을 나타냅니다. 연 구원들은 기술이 효과적인 것으로 입증된 다양한 산업용 팬 또 는 압축기 응용 분야에서 각각을 개발하고 활용했습니다. 실제 로 산업용 팬에서 가장 널리 사용되는 것은 안정화 링이고, 압축 기에서 가장 널리 사용되는 것은 블리드 밸브입니다. 다른 능동 및 수동 실속 제어 기술은 산업용 팬 및 압축기 안정성을 향상시 키기 위해 실속 및 개발을 뒷받침하는 흐름 물리학을 더 잘 이해 하려는 지속적인 노력의 주제입니다. 정지 감지 후 작동 [36]. 정지 감지 후 작동 [31]. 비이상적인 분사는 실속 범위의 확장 을 유효 압력 증가와 거의 같은 비율 로 줄입니다.56]. 재순환은 압축기 작동 지점을 변경합 니다. 실속이 임박한 경우에만 재순환 또는 주변 출혈을 사용하십시오 [57, 58]. 정지가 발생하는지 확실하지 않음 [72]. 공기 분리기는 실속 셀이 나타난 후 실 속 구역을 효과적으로 억제할 수 있습 니다.63]. 실속 전조를 식별하고 감지되면 실속 제어 시스템에 입력되는 경고 신호를 생성하는 응답 센서. 그런 다음 실속 제어 시스템은 확인된 실속 전구체가 더 이상 발생하지 않도록 교정 조치를 취 할 수 있습니다. 5. 실속 감지 시스템 Wadiaet al. [64] 및 Christensen et al. [65]는 즉각적인 근거리 압력 측정을 기반으로 한 스톨 관리 시스템을 제안했습 니다. 그들은 다단계 고속 압축기 테스트 장비에 적용할 때 실속 관리 시스템의 일부로 실속 감지 시스템의 효율성을 연구했습니 다. 두 연구팀이 직면한 과제는 실속 전구체 식별과 압축기 실속 사이의 매우 짧은 시간이었습니다. 실속 감지 시스템은 압축기 실속 관리 시스템에 유용한 입력을 제공할 수 있지만 실속 감지 시스템의 입력을 효과적으로 사용하려면 이러한 실속 관리 시스 템이 몇 밀리초 내에 반응할 수 있어야 합니다. 실속 제어 기술은 서비스에서 효과적인 것으로 입증되었습니 다. 그러나 필연적으로 반응적입니다. 정지 제어 기술을 사용하 려면 팬이 정지해야 효과가 나타납니다. 많은 응용 분야에서 제 어 시스템은 실속이 발생한 결과를 관리하는 것보다 실속이 발 생하기 전에 실속을 방지하기 위한 조치를 취하는 것이 더 적절 할 것입니다. 제어 시스템이 실속을 방지하기 위한 조치를 취하 려면 먼저 실속 시작을 예측해야 합니다. 정지 시작을 예측하는 것은 어려운 일이며 산업용 팬과 압축기 커뮤니티 모두에서 지 속적인 연구 주제입니다. 실속 시작을 예측하는 어려움에도 불 구하고 이는 보다 효과적인 실속 제어 시스템 개발의 필수적인 전조로 남아 있습니다. 5.1. 2점 공간 상관.축류 팬의 불안정성은 주로 원주 방향의 환 형 주위에 파도 모양의 교란으로 발생합니다. 불안정의 초기 상 태에서 외란 진폭은 작지만 불안정이 진행됨에 따라 증가합니 다. 실속 전구체를 식별하기 위해 공간적으로 인접한 빠른 응답 압력 변환기, 마이크 또는 열선 풍속계를 사용할 수 있습니다. 연구자들은 이러한 전구체를 블레이드 팁 영역에 위치한 유한 진폭의 3차원 교란 형성과 연관시킵니다. 이는 빠른 응답 변환 기가 기록하는 신호의 스파이크가 특징입니다. 정지 시작을 식별하는 정지 감지 시스템은 이론적으로 팬이 실제로 정지하기 전에 반응할 수 있는 사전 예방적 정지 제어 시 스템에 대한 입력을 형성할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 연구원들은 산업용 팬과 압축기 모두에서 실속 감지를 연구하는 것이 실속 관리 시스템 개발에 중요하다는 점을 인식하고 있습 니다. 실속 관리 시스템에 효과적인 입력을 형성하기 위해 실속 감지 시스템은 산업용 팬이나 압축기 블레이드 바로 근처에 위 치한 고주파 응답 센서의 출력을 입력으로 필요로 합니다. 연구 자들은 고주파수로부터의 출력을 사용합니다. 빠른 응답 변환기에 의해 기록된 신호의 스파이크를 실속 전 구체로 정확하게 식별하려면 실속 시작 프로세스 역학을 특성화 하는 것이 중요합니다. 실속 시작 프로세스를 특성화하는 경우 에만 실속 시작과 함께 발생하는 스파이크와 배경 소음을 구별 할 수 있습니다. 스파이크 격리는 회전 피처에 대한 공간적, 시 간적 정보를 제공하는 창형 2점 공간 상관을 사용하여 가능합니 다. 13 ISRN 기계공학 흐름 [66]. 윈도우된 2점 공간 상관 기술은 광범위한 값에 대한 저역 통과 필터링 및 매개변수 선택에 둔감하며 사전 실속 및 실 속 시작 동작을 모두 분석하는 데 유용합니다.66]. 0.28 0.26 0.24 0.22 0.2 0.18 로터 작업 계수(Ψ) 5.2. 확률론적 모델.실속 전구체를 탐지하기 위한 확률론적 모 델은 자기상관 기법을 활용합니다. 블레이드 팁에 가까운 산업 용 팬 또는 압축기 케이스에 장착된 원주 방향으로 오프셋된 두 개의 고주파 응답 압력 프로브의 신호는 자기상관되어 있습니 다. 일반적으로 상관 관계는 압축기 또는 팬이 안정성 한계에 접 근함에 따라 감소하므로 상관 관계를 추적하면 산업용 팬 또는 압축기가 안정성 한계에 근접한 정도를 측정할 수 있습니다. Dhingraet al. [67] 확률론적 모델을 개발했습니다. 그들은 자 동 상관 알고리즘을 개발하고 압축기 실속이 임박한 시작에 해 당하는 최소 임계값 상관 값을 설정했습니다. 확률론적 모델이 실속 감지 시스템의 기초를 형성할 수 있음을 입증할 수 있었지 만 연구원들은 보고된 작업을 실험실에서 수행했으며 확률론적 모델 출력을 입력으로 활용하는 실속 관리 시스템의 개발을 포 함하지 않았습니다. 0.3 0.16 0.14 100% 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 50% 0.02 5.3. 진행파 에너지 분석.2점 특수 상관 또는 확률론적 모델에 대한 대체 모델링 접근 방식은 진행파 분석입니다. 진행파 분석 에는 파동 에너지 계산이 포함되며, 이를 양수 주파수 전력 스펙 트럼과 음수 주파수 전력 스펙트럼의 차이로 정의합니다. 그런 다음 공간 푸리에 모드를 포함하도록 확장해야 하는 고정 시간 창에 대한 "에너지 지수"를 계산합니다. Tryfonidiset al. [68] 압축기 안정성의 실시간 측정으로 진행파 분석을 개발했습니 다. 압축기 안정성에 대한 실시간 타이머 측정을 제공함으로써 분석 기술은 고속 압축기의 스파이크 유형 실속 시작에 대한 조 기 경고를 제공하는 데 유용합니다. 5.4. 상호 상관 분석.상호 상관 분석은 한 쌍의 근거리 압력 신호 를 상호 상관시키는 추가 분석 접근 방식입니다. 개발 박 [69], 분석적 접근 방식은 초기 실속 형태와 실속이 발생하기 전에 많 은 로터 회전의 붕괴를 나타내는 스파이크 모양의 단파장 교란 이라는 관찰을 기반으로 합니다. 단일 고주파 응답 압력 센서의 신호를 상호 연관시킴으로써 로터 회전 하나에서 다음 회전까지 압력 신호에 스파이크와 같은 펄스의 존재를 연관시킬 수 있습 니다. 분석은 2점 공간 상관 기술과 유사한 출력을 생성하지만 단 하나의 센서만 필요하므로 실제 실속 감지 시스템 실시예에 서 더 실용적입니다. 5.5. 음향 실속 감지.대칭 도트 패턴(SDP) 실속 감지 기술은 산 업용 팬 또는 압축기 음압 신호의 시각적 파형 분석을 기반으로 합니다.41]. 대칭 도트 패턴 기술은 임계 실속 상태와 중요하지 않은 실속 조건을 구별하고 실속 전구체를 식별할 수 있는 시각 화 형태를 제공합니다. Bianchiet al. [36] 처음에는 산업용 팬 케이스에서 측정한 불안정한 압력으로부터 대칭 도트 패턴을 재 구성했으며 최근에는 0 25% 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 로터 유량계수(Φ) 그림 12: 실속 초기 및 실속 작동 중 안정적인 작동에서 100%, 50%, 25% 속도에서 직경 2.24m의 터널 환기 팬의 불안정한 압력 데이터. 저자는 대칭 도트 패턴(SDP) 기술을 사용하여 데이터를 처리하여 각 속도와 작동 조건에서 뚜렷하게 다른 패턴 집합을 생성했습니다.41]. [70]는 음압 신호로부터 대칭 도트 패턴 기술을 사용하여 제안 된 기술의 타당성을 입증했습니다. 이를 통해 산업용 팬의 원거 리 음향장 내 다양한 위치에서 측정된 음압 신호를 사용하도록 기술을 확장할 수 있었습니다. 대칭 도트 패턴 기술은 정지 감지 방법의 기초로 사용할 수 있는 이미지를 생성합니다.41]. 서로 다른 팬 속도와 작동 조건 에서 뚜렷이 다른 이미지를 생성하기 위해 대칭 도트 패턴 기술 을 사용하여 불안정한 압력이나 음향 신호를 처리할 수 있습니 다.그림 12. 이 기술이 생성하는 이미지는 안정적인 작동 중, 정 지 초기 및 정지된 작동 중 뚜렷하게 다릅니다. 엔지니어가 안정적인 작동, 초기 정지 및 정지된 작동을 구 별할 수 있을 만큼 충분히 다른 이미지를 생성하는 기능은 정지 감지 시스템의 기초를 형성할 수 있는 대칭 도트 패턴 기술을 제 공합니다. Bianchi 등의 [71] 음향 측정에 대한 대칭 도트 패턴 기술은 단일 음향 신호를 사용하여 이미지를 생성할 수 있으므 로 2점 공간 상관, 확률론적 모델, 진행파 에너지 분석 또는 상호 상관 분석에 비해 상당한 발전을 이루었습니다. 다른 기술에서 는 산업용 팬이나 압축기 케이스에 고주파 응답 압력 변환기를 장착해야 합니다. 14 ISRN 기계공학 60 안정적인 작동 중 로터 10회전에 대한 주파수 스펙트럼 압력(Pa) 40 0 0 50 100 - 20 주파수(Hz) - 40 (ㅏ) - 60 150 200 250 200 250 초기 실속 중 로터 10회전에 대한 주파수 스펙트럼 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 시간(초) 그림 13: 유도 통풍 팬의 흡입구 상자에 위치한 고주파 응답 압력 변환 기에서 2000Hz로 기록된 데이터. 0초부터 10초까지는 팬이 안정적인 상태로 작동합니다. 10초가 지나면 실속이 시작됩니다. 10~20초의 실 속은 초기 상태로 남아 있습니다. 정체되기 쉽습니다. 대조적으로, 산업용 팬이나 압축기에 근접 한 모든 위치에서 단일 마이크로 이루어진 음향 측정에 대칭 도 트 패턴 기술을 적용할 수 있습니다. 이 기술은 배경 잡음에 비 해 관심 신호가 낮은 경우 다른 기술에 비해 특히 효과적입니다 [71]. 이를 통해 마이크가 음향 원거리장에 있을 때 대칭 도트 패 턴 기술이 유용한 결과를 제공할 수 있습니다. 대칭형 도트 패턴 기술은 다른 기술보다 훨씬 더 빠르게 안 정적인 작동에서 초기 실속으로의 전환을 식별할 수 있으므로 다른 실속 감지 시스템과 차별화할 수 있습니다. 다른 실속 감지 기술은 푸리에 분석을 사용하여 신호의 주파수 스펙트럼을 생성 하는 원시 압력 신호를 분석합니다. 그런 다음 팬이 안정적인 작 동에서 초기 정지로 이동할 때 주파수 스펙트럼의 변화를 식별 합니다. 푸리에 분석 사용과 관련된 약점은 필요한 최소 샘플 크 기가 대칭 도트 패턴 기술에 필요한 크기에 비해 상대적으로 크 다는 것입니다. 결과적으로, 다른 기술은 대칭 도트 패턴 기술에 필요한 더 긴 데이터 수집 기간이 필요합니다. 효과적인 신호 분 석에 필요한 데이터 수집 기간이 짧을수록 팬이 정지 작동으로 전환되기 전에 정지가 초기라는 경고를 제공할 수 있을 만큼 결 과 출력이 신속하게 제공될 가능성이 높아집니다. 예를 들어 푸리에 변환 기반 정지 감지 기술과 비교할 때 대 칭 도트 패턴 기술의 효율성을 설명할 수 있습니다. 팬 작동점이 안정적인 작동에서 초기 실속으로 이동하는 20초 동안 원거리 필드에 위치한 고주파 압력 변환기의 출력을 제시합니다.그림 13. 이러한 맥락에서 원거리장은 유도 통풍 팬의 흡입구 상자에 위치한 압력 변환기를 의미합니다. 원거리장 데이터를 사용하 는 이유는 실속 감지를 유체역학적 압력 근거리장에서 음압 원 거리장으로 확장하기 때문입니다. 이 예에서는 2000Hz에서 데 이터를 로깅했습니다. 0초부터 10초까지 압력(Pa) 압력(Pa) 20 12 10 8 6 4 2 0 12 10 8 6 4 2 0 0 50 100 150 주파수(Hz) (비) 그림 14: 안정적인 팬 작동 중 10회 이상의 로터 회전(상단) 및 실속이 초기일 때(하단) 10회 이상의 로터 회전 데이터를 사용하여 생성된 주 파수 스펙트럼. 실속이 초기일 때 데이터를 사용하여 생성된 주파수 스 펙트럼(b)에는 다음과 같은 특징이 포함됩니다. 실속이 초기에 발생하 는 스파이크 모양의 압력 펄스와 관련이 있습니다. 따라서 두 개의 주파 수 스펙트럼은 서로 다르기 때문에 이를 실속 감지 시스템의 기초로 사 용할 수 있습니다. 팬이 작동 특성의 안정적인 영역에서 작동하고 있습니다. 10초 가 지나면 실속이 시작되고 1초 동안 초기 상태를 유지합니다. 11~20초 동안 팬은 작동 특성이 불안정한 영역에서 작동합니 다. 10초 직전의 안정적인 작동 중 로터 10회전 데이터(0.1초) 를 푸리에 분석한 결과,그림 13, 실속이 초기에 발생하는 경우 10초 직후 데이터의 로터 10회전,그림 13, 뚜렷하게 다른 주파 수 스펙트럼을 초래하며,그림 14. 50Hz 미만의 두 주파수 스펙 트럼 사이의 이러한 차이는 10~20초의 데이터에 존재하고 0~10초의 데이터에는 존재하지 않는 초기 실속과 관련된 스파 이크 모양의 압력 펄스의 결과입니다. 우리는 안정적인 작동 조 건과 실속이 초기에 발생하는 작동 조건의 데이터를 사용하여 생성한 주파수 스펙트럼 간의 차이를 푸리에 변환 기반 실속 경 고 기술의 기초로 사용했습니다. 대칭 도트 패턴 기술과 관련된 신호 처리에는 데이터를 대칭 도트 패턴을 생성하는 데 사용하는 일련의 극좌표로 변환하는 대신 푸리에 변환이 포함되지 않습니다. 위의 예에서 실속은 10 초에 시작됩니다. 그림 13. 안정된 동작시 10초 직전의 로터 1 회전 데이터(0.01초),그림 13, 실속이 초기에 발생하는 경우 데 이터의 로터 1회전, 10초 직후,그림 13, 뚜렷하게 다른 대칭 도 트 패턴이 발생합니다.그림 15. 실속 경고 기법의 기초로서 대 칭 도트 패턴 기술을 사용할 수 있게 하는 것은 안정적인 작동 조 건과 실속이 초기인 작동 조건의 데이터를 사용하여 생성된 대 칭 도트 패턴 간의 차이입니다. 15 ISRN 기계공학 120 90 1 0.8 0.6 150 120 60 30 0.4 0.8 60 30 0.4 0.2 180 0 180 330 210 0 330 210 300 270 1 0.6 150 0.2 240 90 240 안정적인 작동 270 300 초기 실속 (ㅏ) (비) 그림 15: 팬이 안정적으로 작동하는 동안 로터 1회전 이상(a)과 실속이 시작될 때 로터 1회전 이상(b)의 데이터를 사용하여 생성된 대칭 도트 패턴. 두 패턴은 서로 다르기 때문에 이를 정지 감지 시스템의 기초로 사용할 수 있습니다. 표 3: 실속 감지 기술 매트릭스. 탐지 기술 2점 공간 상관 확률론적 모델 진행파 에너지 분석 상호 상관 분석 음향 실속 감지 결과 작동 원리 이전 신호에서 스파이크 시작을 찾습니다. 실속이 발생합니다. 로터 팁의 케이싱에 있는 압력 변환기의 신호를 상호 연관시킵니다. 에서 딥을 찾습니다. 상관관계. 팬 역학을 사용하여 진행파 에너지의 개념을 실시 간 측정으로 소개합니다. 압축기 안정성. 형성 및 붕괴되는 스파이크로 인식할 수 있는 단파장 교란 검색 매점 전. 시계열 신호의 변화를 다음과 같이 표현합니다. 진폭과 주파수. 각각의 대칭된 도트 패턴을 생성하기 위해 동일한 로터 1회 전 데이터를 사용하여 푸리에 분석을 수행하면 안정적인 작동 조건과 실속이 초기 작동 조건에 대한 결과 주파수 스펙트럼이 유사하며,그림 16. 주파수 스펙트럼이 비슷하기 때문에 푸리에 분석을 기반으로 한 모든 실속 경고 기술은 주파수 스펙트럼을 사용하여 안정적인 작동 중인 팬과 실속이 시작되는 시기를 구 별할 수 없습니다. 대조적으로, 대칭 도트 패턴 기술은 뚜렷하게 다른 패턴을 생성할 수 있으며, 이는 대칭 도트 패턴 기술이 안 정된 작동 조건에서 실속이 시작되는 상태로의 변화를 식별할 수 있음을 나타냅니다. 푸리에 변환 기반 분석을 사용합니다. 5가지 실속 감지 기술,표 3, 각각은 정지 감지에 대한 유효한 접근 방식을 나타냅니다. 실제로 가장 많이 개발된 것은 2점 공 간 상관 기법이다. 사전 실속 분석에 유용하며 실속 시작 [66]. 스톨 감지에 사용됩니다 [67]. 스파이크에 대한 조기 경고 높이에 좋다 속도 압축기 [68]. 스파이크 시작점을 찾았지만 찾지 못했습니다. 순간 신호를 사용하십시오 [69]. 이해하기 쉬운 시각적 표시를 사용하여 심각 한 중단과 중요하지 않은 중단을 식별합니다. 파형분석 [41]. 압축기 응용 분야의 실속 감지 기술과 산업용 팬 응용 분야에서 가장 널리 사용되는 대칭 도트 패턴 기술이 있습니다. 서비스 중 인 애플리케이션을 위해 충분히 개발된 정지 감지 시스템은 산 업용 팬과 압축기 커뮤니티 모두에서 여전히 개발의 대상입니 다. 초기 실속을 식별할 수 있는 정확성과 속도를 향상시키기 위 해 초기 실속과 함께 발생하는 흐름 물리학을 더 잘 이해하려는 노력의 일환으로 연구가 진행 중입니다. 6. 결론 본 논문은 산업용 팬의 실속 제어 기술에 대한 개요를 제공하는 것을 목표로 합니다. 이러한 제어 기술은 많은 산업 응용 분야에 서 중요한 역할을 합니다. 우리는 실속 현상을 조사하고 산업용 팬을 작동할 때 발생할 수 있는 유체 역학, 실속 시작 및 기계적 고장에 특히 주의를 기울였습니다. 그러면 우리는 16 ISRN 기계공학 참고자료 압력(Pa) 안정 동작 시 1회전에 대한 주파수 스펙트럼 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 50 100 150 200 250 주파수(Hz) [3] IJ Day 및 NA Cumpsty, “축형 압축기의 회전 실속 셀 내 흐름 측 정 및 해석,” 기계공학저널, 권. 20, 아니. 2, pp. 101‒114, 1978. 압력(Pa) (ㅏ) 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 [1] B. de Jager, "회전 실속 및 서지 제어: 조사" 결정 및 통제에 관한 제34차 IEEE 컨퍼런스 진행, pp. 1857‒1862, 뉴올리언스, LA, 미 국, 1995년 12월. [2] EM Greitzer, "검토 - 축방향 압축기 실속 현상" 유체 공학 저널, ASME 거래, 권. 102, 아니. 2, pp. 134‒151, 1980. 초기 실속 중 로터 1회전에 대한 주파수 스펙트럼 [4] FK Moore, “다단 압축기의 회전 실속 이론, 파트 I~III,”가스 터빈 및 전력 공학 저널, 권. 106, 아니. 2, pp. 313‒336, 1984. 0 50 100 150 200 250 주파수(Hz) (비) 그림 16: 팬이 안정적으로 작동하는 동안 로터 1회전 이상(상단)과 실 속이 시작될 때 로터 1회전 이상(하단)의 데이터를 사용하여 생성된 주 파수 스펙트럼. 두 주파수 스펙트럼은 유사하므로 실속 감지 시스템의 기초로 사용할 수 없습니다. 능동 기술과 수동 기술을 구별하여 실속 식별 및 제어를 위해 오 늘날 존재하는 기술을 도입했습니다. 수동적 기술을 사용하여 최악의 실속 결과인 기계적 고장을 방지할 수 있습니다. 산업용 팬 제조업체는 주로 서비스에 수동 제어 기술을 사용합니다. 패시브 기술의 혁신은 가능하지만 패시브 기술은 일반적으 로 팬 효율을 감소시킵니다. 유럽 연합의 현재 규정과 미국의 계획된 규정은 산업용 팬에 대한 최소 FMEG(팬 및 모터 효율 등 급)를 설정합니다. 이러한 최소 FMEG는 2015년 1월 1일부터 유럽 연합에서 인상될 예정이며, 탄소 배출을 줄이기 위한 지속 적인 노력의 일환으로 유럽과 미국 내에서도 계속해서 높아질 것입니다. 따라서 산업용 팬 애플리케이션에 패시브 기술을 사 용할 때 발생하는 효율성 저하가 향후 10년 동안 점점 더 수용 가능해질 가능성이 높습니다. 연구원들은 효과적인 실속 감지 시스템을 개발하기 위해 지 속적인 노력으로 능동 실속 제어 기술에 중점을 두고 있습니다. 능동 실속 제어 기술에는 여전히 기초 연구와 응용 개발의 주제 이므로 이 글을 쓰는 시점에서는 아직 미숙한 기술이 포함됩니 다. 능동 실속 제어 시스템 및 관련 실속 감지 시스템에 대한 추 가 연구 및 개발의 필요성에도 불구하고 이는 중기적 개선을 위 한 가장 큰 잠재력을 제공합니다. 산업용 팬은 압축기에 비해 상 대적으로 저속 기계이기 때문에 산업용 팬 애플리케이션의 중기 적 개선 가능성을 가장 쉽게 실현할 수 있습니다. 결과적으로, 실속 감지를 기반으로 하는 능동 실속 제어 시스템은 산업용 팬 에 먼저 실용화할 수 있는 가능성이 있으며, 산업용 팬 애플리케 이션에서 얻은 경험을 바탕으로 엔지니어가 압축기 애플리케이 션에 사용할 수 있는 고속 시스템 개발에 도움을 줍니다. 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