[국 문 요 약] 해양온도차 발전(OTEC)을 위한 증기 터빈 설계 및 성능 해석 울 산 대 학 교 대 학 원 기 계 자 동 차 공 학 과 신 중 하 해양 온도차 발전(Ocean Thermal Energy Conversion(OTEC))은 해수의 심층수와 표층수와의 온도차를 이용하여 터빈을 구동 시켜 발전하는 방식이다. 작동유체는 작은 온도차에서도 쉽게 증발하여 터빈을 구동시킬 수 있어야 하며, OTEC열교환기와 터빈의 성능에 따라 효율과 출력이 많은 영향을 받는다. 기존의 해양온도차 발전의 연구에서는 시스템의 구성과 냉매의 종류에 따른 출력과 효율에 관한 연구가 주로 이루어졌으나 본 연구에서는 향후 해양온도차 발전에 적용하여 고효율의 터빈을 설계할 수 있는 기초 자료를 제공하는 것이 목적이다. 기존의 증기 터빈의 관련 이론을 적용하여 해양온도차 발전에 필수적으로 필요한 터빈의 설계를 위하여 충동형, 반동형, 약 반동도를 가진 충동터빈의 형상과 치수를 계산하였다. 또한 반동도에 따른 증기터빈의 설계 및 성능 해석을 컴퓨터 ...
[국 문 요 약] 해양온도차 발전(OTEC)을 위한 증기 터빈 설계 및 성능 해석 울 산 대 학 교 대 학 원 기 계 자 동 차 공 학 과 신 중 하 해양 온도차 발전(Ocean Thermal Energy Conversion(OTEC))은 해수의 심층수와 표층수와의 온도차를 이용하여 터빈을 구동 시켜 발전하는 방식이다. 작동유체는 작은 온도차에서도 쉽게 증발하여 터빈을 구동시킬 수 있어야 하며, OTEC열교환기와 터빈의 성능에 따라 효율과 출력이 많은 영향을 받는다. 기존의 해양온도차 발전의 연구에서는 시스템의 구성과 냉매의 종류에 따른 출력과 효율에 관한 연구가 주로 이루어졌으나 본 연구에서는 향후 해양온도차 발전에 적용하여 고효율의 터빈을 설계할 수 있는 기초 자료를 제공하는 것이 목적이다. 기존의 증기 터빈의 관련 이론을 적용하여 해양온도차 발전에 필수적으로 필요한 터빈의 설계를 위하여 충동형, 반동형, 약 반동도를 가진 충동터빈의 형상과 치수를 계산하였다. 또한 반동도에 따른 증기터빈의 설계 및 성능 해석을 컴퓨터 시뮬레이션으로 수행하였다. 간단한 증기 터빈 장치를 개선하여 설계하였으며 이론적인 예측과 실험 결과를 비교하였다. 이로부터 다음과 같은 결론을 얻었다. 깃 각도와 출구면적, 노즐면적과 같은 설계변수들이 반동도에 따라 제시되었으며, 터빈동력, 선도효율, 축방향 추력과 같은 성능변수들을 반동도에 따라 제시하였다. 추가적인 설계 및 성능변수에 대한 정보를 제공하기 위하여, 깃 각도와 터빈동력, 선도효율, 축방향 추력과 같은 주된 성능변수들을 유동계수(주속도에 대한 축방향속도)의 함수로 나타내었다. 이로부터 터빈동력, 선도효율을 최대로 하는 반동도 및 유동계수가 존재함을 밝혔다. 또한 반동도가 증가함에 따라 동익의 깃 형상은 대칭형으로부터 많이 벗어남을 보여주었으며, 50% 반동도에서 증기터빈의 성능 곡선을 계산하여 이를 그래프화 하였다. 이는 가스터빈에서 주로 활용되는 자료를 새로운 연구를 바탕으로 증기터빈에 맞게 개선한 것으로 향후 증기 터빈의 동익 설계시 기초 자료로 활용 할 수 있을 것이다. 향후 연구에서 본 선행 연구를 바탕으로 저온 저압의 상태에서 고효율의 증기 터빈을 설계하기 위한 연구가 계속되어, 무한한 자원의 보고인 해양에너지 개발에 본 연구 결과가 일조가 되었으면 한다.
[국 문 요 약] 해양온도차 발전(OTEC)을 위한 증기 터빈 설계 및 성능 해석 울 산 대 학 교 대 학 원 기 계 자 동 차 공 학 과 신 중 하 해양 온도차 발전(Ocean Thermal Energy Conversion(OTEC))은 해수의 심층수와 표층수와의 온도차를 이용하여 터빈을 구동 시켜 발전하는 방식이다. 작동유체는 작은 온도차에서도 쉽게 증발하여 터빈을 구동시킬 수 있어야 하며, OTEC열교환기와 터빈의 성능에 따라 효율과 출력이 많은 영향을 받는다. 기존의 해양온도차 발전의 연구에서는 시스템의 구성과 냉매의 종류에 따른 출력과 효율에 관한 연구가 주로 이루어졌으나 본 연구에서는 향후 해양온도차 발전에 적용하여 고효율의 터빈을 설계할 수 있는 기초 자료를 제공하는 것이 목적이다. 기존의 증기 터빈의 관련 이론을 적용하여 해양온도차 발전에 필수적으로 필요한 터빈의 설계를 위하여 충동형, 반동형, 약 반동도를 가진 충동터빈의 형상과 치수를 계산하였다. 또한 반동도에 따른 증기터빈의 설계 및 성능 해석을 컴퓨터 시뮬레이션으로 수행하였다. 간단한 증기 터빈 장치를 개선하여 설계하였으며 이론적인 예측과 실험 결과를 비교하였다. 이로부터 다음과 같은 결론을 얻었다. 깃 각도와 출구면적, 노즐면적과 같은 설계변수들이 반동도에 따라 제시되었으며, 터빈동력, 선도효율, 축방향 추력과 같은 성능변수들을 반동도에 따라 제시하였다. 추가적인 설계 및 성능변수에 대한 정보를 제공하기 위하여, 깃 각도와 터빈동력, 선도효율, 축방향 추력과 같은 주된 성능변수들을 유동계수(주속도에 대한 축방향속도)의 함수로 나타내었다. 이로부터 터빈동력, 선도효율을 최대로 하는 반동도 및 유동계수가 존재함을 밝혔다. 또한 반동도가 증가함에 따라 동익의 깃 형상은 대칭형으로부터 많이 벗어남을 보여주었으며, 50% 반동도에서 증기터빈의 성능 곡선을 계산하여 이를 그래프화 하였다. 이는 가스터빈에서 주로 활용되는 자료를 새로운 연구를 바탕으로 증기터빈에 맞게 개선한 것으로 향후 증기 터빈의 동익 설계시 기초 자료로 활용 할 수 있을 것이다. 향후 연구에서 본 선행 연구를 바탕으로 저온 저압의 상태에서 고효율의 증기 터빈을 설계하기 위한 연구가 계속되어, 무한한 자원의 보고인 해양에너지 개발에 본 연구 결과가 일조가 되었으면 한다.
Design and Performance Analysis of Steam turbine for Ocean Thermal Energy Conversion Shin, Jung-Ha Dept. of Mechanical and Automotive Engineering Graduate School, University of Ulsan in Korea Abstract Ocean thermal energy conversion (OTEC) power generation system utilizes the temperature difference ...
Design and Performance Analysis of Steam turbine for Ocean Thermal Energy Conversion Shin, Jung-Ha Dept. of Mechanical and Automotive Engineering Graduate School, University of Ulsan in Korea Abstract Ocean thermal energy conversion (OTEC) power generation system utilizes the temperature difference between the cool deep sea water and the warm surface ocean water. As the temperature difference (10-30℃) in the OTEC system is small compared to that of ordinary Rankine cycle, the Carnot heat engine efficiency is very low (5-10%) and thus it is necessary to find a method to enhance efficiencies of the components such as turbine, pump, evaporator, and condenser. This study focused on steam turbine through both simulation and experiment. Water is chosen as a working fluid, for its easy availability and approach. Design and performance analysis of a steam turbine for variations of degree of reaction were performed with aid of computer simulation, for impulse turbine, reaction turbine, and impulse turbine with slight reaction stage. Design parameters including blade angles, exit areas, and heights of both nozzle and moving blade were represented as a function of degree of reaction. Main performance factors such as turbine power, diagram efficiency, and axial thrust were expressed in terms of degree of reaction. For further information of design and performance, blade angles and main performance factors were investigated as a function of flow coefficient. It was found that there exist maximum values of turbine power and diagram efficiency for both a degree of reaction and a flow coefficient, and the blade had a tendency to deviate from symmetric shape as a degree of reaction is increased. The steam turbine performance curve for 50% degree of reaction was also obtained. Experimental results showed that the newly redesigned steam turbine with the axial impulse type had higher power amounting to 15-30% increase than the conventional with the bucket jet impulse type. It was necessary to measure voltage more precisely than current in obtaining power, through uncertainty analysis. Present study provide preliminary design and performance data for steam turbine. Further study can improve the steam turbine efficiency and power, especially in OTEC power generation.
Design and Performance Analysis of Steam turbine for Ocean Thermal Energy Conversion Shin, Jung-Ha Dept. of Mechanical and Automotive Engineering Graduate School, University of Ulsan in Korea Abstract Ocean thermal energy conversion (OTEC) power generation system utilizes the temperature difference between the cool deep sea water and the warm surface ocean water. As the temperature difference (10-30℃) in the OTEC system is small compared to that of ordinary Rankine cycle, the Carnot heat engine efficiency is very low (5-10%) and thus it is necessary to find a method to enhance efficiencies of the components such as turbine, pump, evaporator, and condenser. This study focused on steam turbine through both simulation and experiment. Water is chosen as a working fluid, for its easy availability and approach. Design and performance analysis of a steam turbine for variations of degree of reaction were performed with aid of computer simulation, for impulse turbine, reaction turbine, and impulse turbine with slight reaction stage. Design parameters including blade angles, exit areas, and heights of both nozzle and moving blade were represented as a function of degree of reaction. Main performance factors such as turbine power, diagram efficiency, and axial thrust were expressed in terms of degree of reaction. For further information of design and performance, blade angles and main performance factors were investigated as a function of flow coefficient. It was found that there exist maximum values of turbine power and diagram efficiency for both a degree of reaction and a flow coefficient, and the blade had a tendency to deviate from symmetric shape as a degree of reaction is increased. The steam turbine performance curve for 50% degree of reaction was also obtained. Experimental results showed that the newly redesigned steam turbine with the axial impulse type had higher power amounting to 15-30% increase than the conventional with the bucket jet impulse type. It was necessary to measure voltage more precisely than current in obtaining power, through uncertainty analysis. Present study provide preliminary design and performance data for steam turbine. Further study can improve the steam turbine efficiency and power, especially in OTEC power generation.
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