[논문]부분분사 축류형 마이크로터빈에서의 성능예측 및 성능특성에 관한 연구

조종현; 최상규; 조수용

doi:10.5293/kfma.2006.9.4.013

부분분사 축류형 마이크로터빈에서의 성능예측 및 성능특성에 관한 연구
Performance Characteristics and Prediction on a Partially Admitted Single-Stage Axial-Type Micro Turbine 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.9 no.4 = no.37, 2006년, pp.13 - 19

조종현 (경상대학교 대학원) , 최상규 (한국기계연구원 지능형정밀기계연구본부) , 조수용 (경상대학교 항공기부품기술연구센터(기계항공공학부))

Abstract ▼ AI-Helper

For axial-type turbines which operate at partial admission, a performance prediction model is developed. In this study, losses generated within the turbine are classified to windage loss, expansion loss and mixing loss. The developed loss model is compared with experimental results. Particularly, if a turbine operates at a very low partial admission rate, a circular-type nozzle is more efficient than a rectangular-type nozzle. For this case, a performance prediction model is developed and an experiment is conducted with the circular-type nozzle. The predicted result is compared with the measured performance, and the developed model quite well agrees with the experimental results. So the developed model could be applied to predict the performance of axial-type turbines which operate at various partial admission rates or with different nozzle shape.

주제어

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문제 정의

VemeauSe 부분 분사에 의하여 작동하는 초음속 소형터빈에서의 효율 예즉을 Sutm-Traupel의 모델과 Staining의 모델을 조합하여 시도하였다 이들 예측모델은 부분 분사가 사각형의 채널 형 노즐을 통하여 이루어진 경우에 대한 모델이며 부 분분 사가 적은 경우에는 원형의 노즐이 사각형의 노즐보다는 바람직하며 이러한 경우에는 새로운 모델을 개발하여야 한다. 본 연구에서는 원형 통로의 노즐을 사용하여 부분분사 되어진 소형터빈에서의 성능예측을 수행하고 이를 검정하기 위하여 성능시험을 통하여 얻어진 결과와 비교하였다.
부분 분사 되어지는 축류 형 단단 소형터빈에서의 성능 예측을 수행하고 실험의 결과와 비교하였다. 특히 부분 분사량이 적은 경우에는 원형의 노즐을 적용하는 것이 유리하기 때문에 이에 대한 성능 예측모델을 개 발하였다. 개발된 결과는 원형 노즐을 사용하는 터빈에서 얻어진 성능시험의 결과와 상당히 잘 일치하였으므로 터빈의 성능예측에 적용할 수 있음을 알 수 있다.

제안 방법

(2)은 다단터빈에서 부분 분사량을 60%, 50%. 40%로 조절하면서 유동 현상, 속도분포, 유동 각 및 압력을 측정하였다. Boulbin et al.
원형 노즐에서 분사되어지는 터빈에서의 성능 시험은 동력계를 이용하여 터빈에서 얻을 수 있는 출력을 조절하여 터빈의 탈 설계 영역에서의 성능변화를 확인하였다. 따라서 입구 조건을 일정하게 유지하고 출력의 변화를 조절하였으며, 회전수의 변화에 따른 터빈의 성능을 측정하였다.
터빈의 출구에서 유동의 회전이 있으므로 정확한 전 온도의 측정을 위하여 6개의 온도 센서를 삽입하여 출구에서의 측정온도의 정확도를 높였다. 실험은 동력 계에서 출력의 변화를 만든 후에 터빈에서 출력이 완전히 안정된 상태에 도달되면 측정값을 읽었다. 따라서 측정값은 입력조건에서의 선도처럼 회전수의 변화에 따라 단속적으로 변하고 있다.
원형 노즐에서 분사되어지는 터빈에서의 성능 시험은 동력계를 이용하여 터빈에서 얻을 수 있는 출력을 조절하여 터빈의 탈 설계 영역에서의 성능변화를 확인하였다. 따라서 입구 조건을 일정하게 유지하고 출력의 변화를 조절하였으며, 회전수의 변화에 따른 터빈의 성능을 측정하였다.
터빈의 전효율은 동력계에서 획득한 토오크(%)를 기준으로 회전수(〃), 질 유량(m), 전엔 탈피의 변화를 사용하여 계산하였다.
터빈의 출구에서 유동의 회전이 있으므로 정확한 전 온도의 측정을 위하여 6개의 온도 센서를 삽입하여 출구에서의 측정온도의 정확도를 높였다. 실험은 동력 계에서 출력의 변화를 만든 후에 터빈에서 출력이 완전히 안정된 상태에 도달되면 측정값을 읽었다.
3에서 보여주고 있다. 터빈입구에서의 압력과 온도를 노즐 블록 챔버에서 측정하였으며 터빈 출구에서의 온도는 터빈에서의 스월을 고려하여 6개의 온도 센서를 사용하여 측정하였다. 질량은 유량계와 온도계 및 압력계를 사용하여 측정하였으며 측정에 사용된 계기는 Table 2에 요약하여 놓았다.

대상 데이터

실험에 사용된 터빈은 부분 분사가 이루어지는 원형의 노즐과 동익으로 구성되어 있다. 노즐의 분사 각도 는 75°를 이루고 있으며 분사되어지는 위치는 동익의 평균반경이다.

데이터처리

부분 분사 되어지는 축류 형 단단 소형터빈에서의 성능 예측을 수행하고 실험의 결과와 비교하였다. 특히 부분 분사량이 적은 경우에는 원형의 노즐을 적용하는 것이 유리하기 때문에 이에 대한 성능 예측모델을 개 발하였다.

이론/모형

J)의 범위에 있음을 보였다. 본 연구에서는 익형의 높이와 터빈의 크기를 고려하여 제안된 VemeauQD의 식을 채택하여 적용한다.

성능/효과

Skopek et al.⑹은 부 분 분사에서 노즐과 동익간의 간격이 줄어들수록 효율이 증대하며 부분 분사량이 적어질수록 효율과 속도비의 최적값이 감소하게 됨을 보였다. 이상의 결과들로부터 부분 분사에서 작동하는 터빈의 효율은 부분분사 량에 따라 상당히 좌우됨을 알 수 있다.
특히 부분 분사량이 적은 경우에는 원형의 노즐을 적용하는 것이 유리하기 때문에 이에 대한 성능 예측모델을 개 발하였다. 개발된 결과는 원형 노즐을 사용하는 터빈에서 얻어진 성능시험의 결과와 상당히 잘 일치하였으므로 터빈의 성능예측에 적용할 수 있음을 알 수 있다.
즉, 높은 토오크를 얻기 위하여서는 터빈의 평균반경이 커져야 하는데 작동 질 유량이 적은 경우, 익형의 높이를 줄이지 않고 부 분분 사를 하는 것이 익형의 높이를 줄여서 전 분사 하는 경우보다도 손실이 적어지는 장점이 있다. 또한 높은 압력에서 작동하는 터빈에서 감소된 출력을 얻고자 하는 경우에 팽창비로 조절하는 것보다도 분사 면적을 조절하여 출력을 조절하는 것이 효과적이다. 특히 터빈의 평균반경이 100mm 이하인 소형터빈에서 적은 질유량 으로 작동하는 경우에, 토오크의 감소를 최소화하기 위하여서는 부분 분사가 유리하다.
⑹은 부 분 분사에서 노즐과 동익간의 간격이 줄어들수록 효율이 증대하며 부분 분사량이 적어질수록 효율과 속도비의 최적값이 감소하게 됨을 보였다. 이상의 결과들로부터 부분 분사에서 작동하는 터빈의 효율은 부분분사 량에 따라 상당히 좌우됨을 알 수 있다.

후속연구

Balje and Binsley""은 부분 분사에는 전 분사 모델에 주가적인 filling and emptying 손실, scavenge 손실 익형 펌핑손실 등이 있음을 보여주었다. VemeauSe 부분 분사에 의하여 작동하는 초음속 소형터빈에서의 효율 예즉을 Sutm-Traupel의 모델과 Staining의 모델을 조합하여 시도하였다 이들 예측모델은 부분 분사가 사각형의 채널 형 노즐을 통하여 이루어진 경우에 대한 모델이며 부 분분 사가 적은 경우에는 원형의 노즐이 사각형의 노즐보다는 바람직하며 이러한 경우에는 새로운 모델을 개발하여야 한다. 본 연구에서는 원형 통로의 노즐을 사용하여 부분분사 되어진 소형터빈에서의 성능예측을 수행하고 이를 검정하기 위하여 성능시험을 통하여 얻어진 결과와 비교하였다.

참고문헌 (14)

Robert C. Kohl, Howard Z. Herzig and Warren J. Whitney, 1949, 'Effects of Partial Admission on Performance of A Gas Turbine,' NACA Technical Note No. 1807
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Boulbin, F., Hetet, J. F. and Chesse, P., 1994, 'Nonsteady Flow in the Partial Admission,' VDI Berichte NR, 1109, pp. 395-401
He, L., 1997, 'Computation of Unsteady Flow Through Steam Turbine Blade Row at Partial Admission,' Proc. Instn. Mech. Engrs., Vol. 211 Part A, pp. 197-205
Bohn, D., Gier, J., and Ziemann, M., 1998, 'Influence of the Cross-Over Channel Geometry on the Flow FCqualization in Partial-Admission Turbines,' VGB PowerTech 2, pp. 49-54
Skopek, J., Vomela, L., Tajc, L. and Polansky, J., 1999, 'Partial Steam Admission in an Axial Turbine Stage,' IMechE 1999 C557/077/99, pp. 681 -691
Doyle, M. D. C., 1962, 'Theories for Predicting Partial-Admission Losses in Turbines,' J. of the Aerospace Sciences, pp. 489 -490
Suter P., And Traupel, W., 1960, ' Un Tersuchungen uber den ventilationsverlust von Turbinenradern,' Mitteilungen aus dem Inst. fur thennische Turbomaschinen, No. 4
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Balje, O. E. and Binsley, R. L., 1968, 'Axial Turbine Performance Evalustion Part A - Loss Geometry Relationships,' J. of Eng. for Power, pp. 341 -348
Vemeau, A., 1987, 'Supersonic Turbines for Organic Fluid Rankine Cycles from 3kW to 1300kW,' VKI Lecture Series 1987-09
Frolov, V. V. and Ignatevskii, E. A., 1972, 'Calculating the Windage Losses in a Turbine Stage,' Teploenergetika, Vol. 19, No. 11, pp. 3 3-37
Schlichting, H., 1979, 'Boundary-Layer Theory,' McGraw-Hill Inc., pp. 230 - 233
Horlock, J.H., 1973, 'Axial Flow Turbine,' Robert E. Krieger Publishing Co., pp. 124-126

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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