Introduction 

BladeGen은 펌프, 터빈과 같은 Turbomachinery 설계 시, 블레이드 형상에 대한 3D 설계를 지원하는 프로그램이다. BladeGen을 활용하면 기존 블레이드를 재설계하거나, 새로운 블레이드 디자인을 파라미터 입력만으로 쉽고 빠르게 생성할 수 있다. 이번 호에서는 BladeGen을 활용하여 Radial Impeller 모델을 생성하는 방법을 예시와 함께 알아보겠다.

 

BladeGen 실행 방법

BladeGen은 Workbench에서만 실행할 수 있으며, Standalone을 지원하지 않는다. [그림 1]과 같이, Workbench 화면 좌측 Toolbox의 Component Systems에 있다. Project Schematic으로 드래그한 후, 블레이드 Design을 더블 클릭하여 실행한다.

 

[그림 1] Workbench에서 BladeGen 위치와 실행 방법

 

New BladeGen File 생성

[그림 2]의 펌프 초기 설계 변수를 토대로, Radial Impeller를 생성 및 수정하는 방법을 예시를 통해 알아보자. [그림 3]과 같이 BladeGen 초기 화면에서 좌측 상단 File 버튼 바로 밑에 있는 “New BladeGen File” 아이콘을 클릭한 후, Meridional Configuration, Initial Angle & Thickness 설정을 해준다.

 

[그림 2] 펌프 초기 설계 변수

 

[그림 3] New BladeGen File 생성하기

Meridional Configuration 설정에서 4개의 (r, z) 좌표를 지정한다. r은 반경 방향 좌표를 의미하고, z는 회전축 방향 좌표를 의미한다. 각 좌표는 ①, ②, ③, ④로 표기하였는데, 이들은 각각 Radial Impeller에서 입구 허브, 입구 슈라우드, 출구 슈라우드, 출구 허브를 의미한다. 각 위치의 좌표는 (r, z) = (50, -10), (100, -50), (200, -10), (200, 10)과 같다. 4개의 (r, z) 좌표를 입력한 후, 우측 하단의 Ang/Thk를 선택하고 OK를 누른다.

Initial Angle/Thickness 설정에서 Angle은 회전 축 위에서 Impeller를 내려다보았을 때, 블레이드가 축 주위를 원형으로 회전한 각도를 나타낸다. Thickness는 블레이드의 두께를 의미한다. 예시는 Angle = 135, Thickness = 5로 설정하였다. #Blades는 블레이드 수, #Layers는 블레이드를 높이 방향으로 분할하는 단면의 수를 의미한다. Ang는 Angle Layer를 의미하며, 허브에서 슈라우드까지 높이 방향으로 블레이드 단면의 중심선 각도를 몇 개의 Layer로 설정할 것인지 정할 수 있다. Thk는 Thickness Layer로, 허브에서 슈라우드까지 높이 방향으로 블레이드 두께를 몇 개의 Layer로 설정할지 정하는 항목이다. Out은 Output Layer를 의미하며, 생성한 블레이드 단면 Profile의 개수를 의미한다. 예시는 Angle Layer=2로 설정하여 허브 및 슈라우드 라인에 Angle Layer를 생성하였으며, Thickness Layer=1로 설정하여 허브에서 슈라우드까지 단일 두께로 생성하였다.

 

Radial Impeller 수정: Meridional Profile

[그림 3]과 같이 설정한 후, OK를 누르면 Radial Impeller가 생성되고, [그림 4]와 같이 4개의 View가 표시된다. 상단의 좌측과 우측은 각각 Meridional View와 Blade-to-Blade View이며, 하단의 좌측과 우측은 블레이드 단면 중심선 위치에 따른 Angle 및 Thickness 분포 그래프이다.

 

[그림 4] Radial Impeller 생성 결과 및 BladeGen 화면

 

우선 Meridional Profile부터 수정해 보자. [그림 5]와 같이 Meridional View만 보이도록 전환한 후 슈라우드 라인을 클릭한다. 그리고 [그림 6]과 같이 마우스 우클릭 → Convert Points to → Bezier Control Points를 순서대로 클릭한 후, 5개의 Point를 추가한다. [그림 7]과 같이 슈라우드 라인에 생성한 Point의 좌표를 수정한다. 허브 라인도 슈라우드 라인과 같은 방식으로 수정한다. 허브 라인을 선택한 후, [그림 8]과 [그림 9]와 같이 진행한다.

 

[그림 5] 단일 View로 전환(Meridional View)

 

 

[그림 6] 슈라우드 라인 수정을 위한 Bezier Control Point 생성

 

 

[그림 7] 슈라우드 라인 Bezier Control Point 수정

 

 

[그림 8] 허브 라인 수정을 위한 Bezier Control Point 생성

 

 

[그림 9] 허브 라인 Bezier Control Point 수정

 

다음은 블레이드 각도 분포를 수정하는 방법에 대해 알아보자. 우선 [그림 10]과 같이 블레이드 각도 분포에 대한 단일 View로 전환한 후, Layer에서 Span 0를 선택한다. BladeGen에서 Span 0는 허브 Layer, Span 1은 슈라우드 Layer를 지칭한다. 이후에 Ang/Thk Definition을 Beta from Tangential로 수정한 후, 마우스 우클릭을 한 뒤 x축 Label을 %M으로 변경한다. %M은 Meridional Plane 상에서 유선을 따라 측정한 호의 길이를 백분율로 나타낸 값이다. 다음으로는 [그림 11]과 같이 마우스 우클릭 → Convert Points to → Bezier Control Points를 클릭 후 4개의 Point를 생성하고, [그림 12]와 같이 블레이드 각도를 수정한다. %M이 100인 Point를 제외하고, 나머지 3개의 Point에 각각 (%M, 블레이드 각도) = (0, 25), (25, 55), (75, 115)를 입력해 준다.

 

[그림 10] Span 0(허브 Layer)의 Ang/Thk Definition 및 x축 Label 수정

 

 

[그림 11] 블레이드 각도에 대한 Bezier Control Point 생성(허브 기준)

 

 

[그림 12] %M 위치에 따른 블레이드 각도 수정(허브 기준)

 

슈라우드도 허브와 같은 방식으로 수정한다. Layer에서 Span 1을 [그림 13]과 같이 선택한 후, 허브 Layer에서 블레이드 각도를 수정했던 것과 동일하게 진행한다. [그림 14], [그림 15]와 같으며, %M이 100인 Point를 제외하고, 나머지 3개의 Point에 각각 (%M, 블레이드 각도) = (0, 15), (25, 65), (75, 125)를 입력한다.

 

 

[그림 13] Span 1(슈라우드 Layer)의 Ang/Thk Definition 및 x축 Label 수정

 

[그림 14] 블레이드 각도에 대한 Bezier Control Point 생성(슈라우드 기준)

 

[그림 15] %M 위치에 따른 블레이드 각도 수정(슈라우드 기준)

 

다음은 Radial Impeller의 입구 부분 수정을 해보자. [그림 16]과 같이 Meridional View에서 입구 허브, 슈라우드 Point의 좌표를 수정한다. [그림 17]과 같이 입구 허브 Edge를 선택한 뒤, 마우스 우클릭 → Convert Points to → Bezier Control Points 클릭 후 4개의 Point를 생성한다. 그리고 [그림 18]과 같이 좌표를 수정한다.

 

[그림 16] 입구의 허브, 슈라우드 Point 좌표 수정

 

 

[그림 17] 입구 허브 Edge에 대한 Bezier Control Point 생성

 

[그림 18] 입구 허브 Edge의 Bezier Control Point 수정

마지막으로, 좌측 상단의 Blade → Properties를 클릭하면 블레이드 형상을 수정할 수 있다. [그림 19]와 같이 블레이드의 선단 형상을 수정한 후, [그림 20]과 같이 모델의 Properties를 정하면 Workbench 내에서 Radial Impeller 형상을 TurboGrid로 불러와서 격자를 생성하는 등의 후속 작업이 가능하다. 기억해야 할 점은 BladeGen을 처음 실행하면 모델 Unit의 기본값이 Unknown으로 되어있다는 것이다. Unit이 Unknown으로 되어있으면 TurboGrid에서 격자 생성이 안 되므로 주의하자.

 

[그림 19] 블레이드 선단 형상 수정

 

[그림 20] 모델 Property 설정

 

맺음말

이번 호에서는 BladeGen에서 Radial Impeller를 템플릿을 활용하여 빠르게 생성하고, 세부적으로 수정하는 방법을 순차적으로 알아보았다. BladeGen은 매개변수를 활용하여 Turbomachinery의 블레이드 형상을 쉽고 빠르게 생성할 수 있는 것이 가장 큰 장점이라고 할 수 있다. Turbomachinery 초기 설계 시, 본 글에서 소개한 사용 방법이 실무 엔지니어들에게 실질적인 도움이 되기를 바란다.