[논문]증기터빈 바이패스밸브 케이지 유동장 해석관한 연구

최지용; 조안태; 김광용

doi:10.5293/kfma.2006.9.4.036

문제 정의

각 원형 공들이 겹친 면적에 따라 각 단계별 압력강하 량이 조절될 수 있다. 따라서, 케이지에는 다수의 원형 공들의 캐스케이드 (cascade)가 존재하는데 각 캐스케이드는 입구 유동의 조건이 다소 차이를 나타낼 뿐 내부 유동 구조에서는 큰 차이가 없을 것으로 사료되므로, 본 연구에서는 한 개의 캐스케이드에 대한 모형실험을 수행하여 수치해석의 타당성을 시험하고자 하였다.
본 연구는 화력 발전소용 증기터빈 바이패스밸브 내부 유 동장의 해석을 위한 실험과 수치해석을 수행하였다. 실험은 케이지 상의 단일 캐스케이드에 대해 수행하였으며, 그 결과를 계산치와 비교 검토하였다.
본 연구에서는 800MW 화력 발전소용 증기터빈 LP/HP 바이패스밸브의 주 감압 부분인 케이지 내 유동에 대한 모형실험과 삼차원 RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 해석을 통해 이 장치 내의 삼차원 유동 특성을 분석하기 위한 연구를 수행하였다.

제안 방법

Amano와 Draxler 는 발전소용 고압 바이패스밸브의 수치해석을 통해 밸브의 유동특성과 밸브의 열림에 따른 유량 계수의 변화에 대하여 연구를 하였다.
작동 유체는 상온의 공기이다. 각 케이지 단의 벽면에 2개씩의 정압 공 (static pressure hole)을 설치하여 유량에 따른 각 단의 정압 변화를 측정하였다. Fig.
우선 계산 결과의 타당성을 검증하기 위해 실험모형과 동일한 단일 캐스케이드에 대한 계산을 수행하여 그 결과를 실험치와 비교하였다. 다음으로 전체적인 유동 특성을 파악하기 위해 유 동장의 주기성을 고려하여 Fig. 2와 같이 25개의 캐스케이드로 구성되는 영역에 대하여 계산을 수행하였다. 이 경우 경계조건으로 입구부의 두 측면에 주기조건을 주었 고, 입구 조건으로 일정한 유량 조건을 주었으며, 출구에 서는 대기압 조건을 주었다.
수치해석의 타당성을 검증하기 위해 앞에서 언급한 바와 같이 실험 장치와 동일한 단일 캐스케이드 유동을 해석하여 실험치와 비교하였다. 계산영역과 사용된 격 자계의 형태는 Fig.
모형실험 장치의 캐스케이드는 총 9개 단으로 구성된다. 실험 장치의 왼쪽 끝부분이 유동의 유입구이며 여기에 상하 이송 가능한 피토관 (Pitot tube)을 설치하여 속도 분포를 측정함으로써 유량을 측정할 수 있도록 하였다. 작동 유체는 상온의 공기이다.
본 연구는 화력 발전소용 증기터빈 바이패스밸브 내부 유 동장의 해석을 위한 실험과 수치해석을 수행하였다. 실험은 케이지 상의 단일 캐스케이드에 대해 수행하였으며, 그 결과를 계산치와 비교 검토하였다. 계산이 실험에 비해 총 압력강하를 약 11% 정도 낮게 예측하였으나, 무차원화 한 압력분포의 비교를 통해 각 단에서의 압력강하의 정성적 경향은 비교적 정확하게 예측되었음을 알 수 있다.
원통형 케이지들의 상대적인 위치에 따라 hole들이 겹치는 면적이 달라져 이 위치에서의 유동 면적이 변화하게 되는데, 이 겹치는 면적을 5%와 10% 증가 또는 감소시킨 경우에 대한 계산을 수행하여 이에 따른 유동 특성의 변화를 분석하였다. 이 경우의 계산은 Fig.
케이지 내 각 캐스케이드의 입구 유동 조건이 모두 다를 것이므로 전체 유 동장의 파악을 위해서 주기 조건을 사용하여 Fig. 2와 같은 영역에서의 계산을 수행하였다. 이 경우 격자 계는 Fig.

대상 데이터

5에 나타난 바와 같다. 격자 의존성 시험을 거쳐 약 10만 개의 격자가 사용되었다. 경계조건으로 입구에서는 균일 유속을 주고 출구에서는 대기압 조건을 주었다.
8에 나타난 바와 같다. 격자 의존성 시험을 거쳐 최적격자수는 약 190만 개로 결정하였다. 계산 시 간은 3.
본 연구에서 대상으로 하는 케이지는 Fig. 2에서와같이 여러 개의 원형 공 (hole)들이 뚫려 있는 환형 원통 (annular cylinder)들이 다수 중첩된 형상을 하고 있다. 각 원형 공들이 겹친 면적에 따라 각 단계별 압력강하 량이 조절될 수 있다.

데이터처리

계산은 크게 두 가지로 수행하였다. 우선 계산 결과의 타당성을 검증하기 위해 실험모형과 동일한 단일 캐스케이드에 대한 계산을 수행하여 그 결과를 실험치와 비교하였다. 다음으로 전체적인 유동 특성을 파악하기 위해 유 동장의 주기성을 고려하여 Fig.

이론/모형

7⑸ 을 사용하여 비압축성 삼차원 정상 유동에 대한 연속 방 정식과 Raynolds-averaged Navier-Stokes 방정식을 계산하였다. 난류 모델은 벽 함수와 함께 SST 모델笛)을 사용하였다. SST 모델은 k-E 모델과 k-m 모델의 장점을 결합한 모델로서, 벽 근처에서는 k-ffl 모델이 사용되며, 나머지 영역에서는 k-e 모델이 사용된다.
본 연구에서는 상용코드인 ANSYS사의 CFX-5.7⑸ 을 사용하여 비압축성 삼차원 정상 유동에 대한 연속 방 정식과 Raynolds-averaged Navier-Stokes 방정식을 계산하였다. 난류 모델은 벽 함수와 함께 SST 모델笛)을 사용하였다.

성능/효과

실험은 케이지 상의 단일 캐스케이드에 대해 수행하였으며, 그 결과를 계산치와 비교 검토하였다. 계산이 실험에 비해 총 압력강하를 약 11% 정도 낮게 예측하였으나, 무차원화 한 압력분포의 비교를 통해 각 단에서의 압력강하의 정성적 경향은 비교적 정확하게 예측되었음을 알 수 있다. 전체 케이지의 유 동장을 해석한 결과 각 캐스케이드 입구의 압력분포는 최대 20%의 편차를 나타내고 있으나, 캐스케이드 내부의 압력분포를 포함하는 유 동장은 유사하게 나타난다.
이상과 같은 연구 결과를 통해 실험적 측정이 곤란한 복잡한 유로의 바이패스밸브 케이지 유동에 대해 삼차원 RANS 방정식을 이용한 수치해석은 다양한 유 동특성을 파악하는데 매우 효과적인 수단이 될 수 있음을 알 수 있다.
계산이 실험에 비해 총 압력강하를 약 11% 정도 낮게 예측하였으나, 무차원화 한 압력분포의 비교를 통해 각 단에서의 압력강하의 정성적 경향은 비교적 정확하게 예측되었음을 알 수 있다. 전체 케이지의 유 동장을 해석한 결과 각 캐스케이드 입구의 압력분포는 최대 20%의 편차를 나타내고 있으나, 캐스케이드 내부의 압력분포를 포함하는 유 동장은 유사하게 나타난다. 최대 압력강하는 3단과 4단 사이에서 발생함을 알 수 있었다.
최대 압력강하는 3단과 4단 사이에서 발생함을 알 수 있었다. 케이지 hole들의 상대적 위치변화에 따른 유로 단면적의 변화를 시험한 결과 단면적이 감소하였을 때 가 증가하였을 때보다 비교적 균일한 감압이 이루어지 는 것을 알 수 있었다. 단면적 변화의 효과는 초기 네 개 stage에서 두드러지게 나타났다.

후속연구

케이지의 각 캐스케이드에서 나타나는 유동 현상이 서로 유사하게 나타남에 따라 향후 케이지 형상의 최 적설 계를 수행하고자 할 경우 단일 캐스케이드에 대해 수행하여도 전체적으로 균일한' 성능향상을 있을 것으로 사료된다.

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