반동도에 따른 증기터빈의 설계 및 성능 해석을 컴퓨터 시뮬레이션으로 수행하였다. 깃 각도와 출구면적, 노즐면적과 같은 설계변수들과 터빈동력, 선도효율, 축방향 추력과 같은 성능변수들을 반동도에 따라 나타내었다. 추가적인 설계 및 성능변수에 대한 정보를 제공하기 위하여, 깃 각도와 터빈동력, 선도효율, 축방향 추력과 같은 주된 설계 및 성능변수들을 유동계수(주속도에 대한 축방향속도)의 함수로 제시하였다. 터빈동력, 선도효율을 최대로 하는 반동도 및 유동계수가 존재함이 밝혀졌으며, 반동도가 증가함에 따라 동익의 깃 형상은 대칭형으로부터 많이 벗어남을 보여주었다.
반동도에 따른 증기터빈의 설계 및 성능 해석을 컴퓨터 시뮬레이션으로 수행하였다. 깃 각도와 출구면적, 노즐면적과 같은 설계변수들과 터빈동력, 선도효율, 축방향 추력과 같은 성능변수들을 반동도에 따라 나타내었다. 추가적인 설계 및 성능변수에 대한 정보를 제공하기 위하여, 깃 각도와 터빈동력, 선도효율, 축방향 추력과 같은 주된 설계 및 성능변수들을 유동계수(주속도에 대한 축방향속도)의 함수로 제시하였다. 터빈동력, 선도효율을 최대로 하는 반동도 및 유동계수가 존재함이 밝혀졌으며, 반동도가 증가함에 따라 동익의 깃 형상은 대칭형으로부터 많이 벗어남을 보여주었다.
Design and performance analysis of a steam turbine for variations of degree of reaction were performed by computer simulation. Design parameters such as blade angles, exit areas, and heights of the nozzle and moving blade were represented as functions of the degree of reaction. The main performance ...
Design and performance analysis of a steam turbine for variations of degree of reaction were performed by computer simulation. Design parameters such as blade angles, exit areas, and heights of the nozzle and moving blade were represented as functions of the degree of reaction. The main performance factors such as turbine power, diagram efficiency, and axial thrust were also expressed in terms of the degree of reaction. For further information about the design and performance, the blade angles and main performance factors were investigated as functions of the flow coefficient. The turbine power and diagram efficiency reached a maximum value for a given degree of reaction and flow coefficient, and the symmetric shape of the moving blade showed distortion as the degree of reaction was increased.
Design and performance analysis of a steam turbine for variations of degree of reaction were performed by computer simulation. Design parameters such as blade angles, exit areas, and heights of the nozzle and moving blade were represented as functions of the degree of reaction. The main performance factors such as turbine power, diagram efficiency, and axial thrust were also expressed in terms of the degree of reaction. For further information about the design and performance, the blade angles and main performance factors were investigated as functions of the flow coefficient. The turbine power and diagram efficiency reached a maximum value for a given degree of reaction and flow coefficient, and the symmetric shape of the moving blade showed distortion as the degree of reaction was increased.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 입구온도와 압력, 출구압력이 주어진 경우, 증기터빈에서 반동도의 변화에 따른 동익 입구 및 출구 각의 변화를 살펴보고, 출구면적, 노즐면적과 같은 설계변수와 터빈동력, 선도효율, 축방향 추력과 같은 성능변수들의 값과 경향을 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 조사하고자 한다. 해석의 간편성을 위하여 입구와 출구의 증기상태는 과열상태로 하였다.
본 연구에서는 과열증기상태로 가정한 주어진 입구 압력과 온도 및 출구압력에서 증기터빈의 반동도 변화가 설계 및 성능 변수에 미치는 영향을 조사하였으며 이로부터 다음의 결론을 얻었다.
가설 설정
반동도에 따른 터빈의 성능을 비교하기 위하여 터빈 입구온도 및 압력과 출구압력이 일정하다고 가정하였으며, 작동유체는 물을 사용하였다.
제안 방법
본 시뮬레이션에서는 노즐의 압력 강하량을 조정하여 반동도를 0%에서 60%까지 변화시키면서 터빈에서의 설계 및 성능변수를 구하였다. Fig 2는 Table 1 의 조건에서 10% 반동도를 가질 때의 속도 삼각형을 대표적으로 나타낸 것이다.
질량유량과 터빈 직경, 회전 속도, 노즐과 동익의 효율, 노즐 개수는 Table 1 과 같은 조건 하에서 모사하였으며, 증기의 물성치는 PROPATH8.0 을 사용하였다.
따라서 본 연구에서는 입구온도와 압력, 출구압력이 주어진 경우, 증기터빈에서 반동도의 변화에 따른 동익 입구 및 출구 각의 변화를 살펴보고, 출구면적, 노즐면적과 같은 설계변수와 터빈동력, 선도효율, 축방향 추력과 같은 성능변수들의 값과 경향을 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 조사하고자 한다. 해석의 간편성을 위하여 입구와 출구의 증기상태는 과열상태로 하였다.
이론/모형
본 절에서는 증기 터빈의 설계변수와 성능해석의 주요 이론을 McBirnie, Cohen 등, Hong(1-3)의 전개를 바탕으로 재공식화하여 아래에 표시하였으며 관련된 프로그래밍 순서도는 Fig. 3 과 같다.
성능/효과
(1) 최대출력과 최대효율은 반동도 25% 부근에서 존재한다.
(2) 반동도에 따라 노즐출구면적은 증가하며 동익출구면적은 감소하여 반동도 0.53 부근에서 약 11,000mm2 의 값으로 일치한다. 동익높이는 노즐높이보다 항상 큰 값을 가지며 이들은 반동도에 따라 증가한다.
(3) 반동도가 0.5 일 때 동익 입구각과 단 출구 각이 일치하며( α2 = β1 = 42° ), 또 동익 출구각과 단 입구각이 일치함( α1 = β2 = 14° )을 확인하였으며, 반동도가 증가함에 따라 동익의 비대칭성은 증가함을 알 수 있었다.
(4) 부하계수(출력)와 효율을 최대로 하는 유동계수가 존재하였으며(Φ=0.42), 반동도는 유동계수에 따라 단조 감소하였다.
(5) 유동계수(Φ)의 증가에 따라 단 출구각과 동익 출구각은 증가하며 동익 입구각은 작아짐을알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
증기 터빈은 무엇으로 구분되나?
현재의 증기 터빈은 2 가지 형식으로 구분되는데 충동터빈과 반동터빈이다. 이 두 터빈의 차이를 살펴보면, 휠을 포함한 회전체를 가진 터빈에서의 충동력과 반동력과의 밀접한 관계가 있다.
터빈설계와 성능해석에 사용하는 도구는 무엇인가?
터빈 설계와 성능해석을 위하여 사용되는 주요 도구는 몰리에 선도(Mollier chart 혹은 엔탈피-엔트로피 선도)와 속도 삼각형이다. 반동도 10% 인 경우의 터빈 단에서, Fig.
본 연구에서 과열증기상태의 입구 압력과 출구압력에서의 증기터빈 반동도 변화를 분석한 결과는 무엇인가?
(1) 최대출력과 최대효율은 반동도 25% 부근에서 존재한다.
(2) 반동도에 따라 노즐출구면적은 증가하며 동익출구면적은 감소하여 반동도 0.53 부근에서 약 11,000mm2 의 값으로 일치한다. 동익높이는 노즐높이보다 항상 큰 값을 가지며 이들은 반동도에 따라 증가한다. 반동도 0.5 에서 각각 약 22.5mm 와 20mm 의 값을 가진다.
(3) 반동도가 0.5 일 때 동익 입구각과 단 출구 각이 일치하며( α2 = β1 = 42° ), 또 동익 출구각과 단 입구각이 일치함( α1 = β2 = 14° )을 확인하였으며, 반동도가 증가함에 따라 동익의 비대칭성은 증가함을 알 수 있었다.
(4) 부하계수(출력)와 효율을 최대로 하는 유동계수가 존재하였으며(Φ=0.42), 반동도는 유동계수에 따라 단조 감소하였다.
(5) 유동계수(Φ)의 증가에 따라 단 출구각과 동익 출구각은 증가하며 동익 입구각은 작아짐을알 수 있었다. 이는 동일한 주속도와 노즐 출구각에 대하여, 축방향속도가 증가하면 (이에 따른 반동도의 감소로 노즐출구속도는 증가함) 동익 입구각은 작아지고, 충동형 익형에 가까워 지므로 동익 출구각이 증가하기 때문이다.
참고문헌 (8)
McBirnie, S. C., 1980, Marine Steam Engines and Turbines, Fourth ed., Butterworth &Co., London, pp. 406-556.
Cohen, H., Rogers, G. F. C. and Saravanamuttoo, H.I.H., 1996, Gas Turbine Theory, Fourth ed., Longman Group Ltd., London, pp. 271-320.
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Kim, Y. K., Ahn, K. Y. , Cho, C. Y. and Cho, S. Y., 2009, "A Study of the Design Technology for Developing a 100kW Class Steam turbine," Journal of Turbo Machinery , Vol. 3, pp. 44-52.
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