본 논문은 두산중공업(주)에서 개발 중인 소형 가스터빈의 축류 터빈 설계 과정을 기술하였다. 축류터빈의 설계 과정은 크게 유로설계, 익형설계, 3D 성능 계산의 세 단계로 구성되며. 최적의 유로를 설계하기 위해 자오면의 형상, 평균 반경, 블레이드간 간격, 유로 형상각 등 여러 형상 변수에 대해 통과유동계산 및 손실계산을 수행한다. 익형 설계는 유로 설계시 스팬 방향으로 계산된 입출구 유동각을 기준으로 실험상관식을 적용하여 최적의 블레이드 개수를 결정한 후 2D 익형 단면을 설계하며 2D NS 계산을 통해 캐스케이드 유동구조를 검토하여 설계한 단면의 설계적정성을 평가한다. 설계된 2D 익형 단면을 스팬방향으로 적층하여 3D 익형을 생성하고, 다단 Euler 계산, 단익렬, 다단 NS 계산을 수행하여 3D 유동 특성을 고찰한다.
본 논문은 두산중공업(주)에서 개발 중인 소형 가스터빈의 축류 터빈 설계 과정을 기술하였다. 축류터빈의 설계 과정은 크게 유로설계, 익형설계, 3D 성능 계산의 세 단계로 구성되며. 최적의 유로를 설계하기 위해 자오면의 형상, 평균 반경, 블레이드간 간격, 유로 형상각 등 여러 형상 변수에 대해 통과유동계산 및 손실계산을 수행한다. 익형 설계는 유로 설계시 스팬 방향으로 계산된 입출구 유동각을 기준으로 실험상관식을 적용하여 최적의 블레이드 개수를 결정한 후 2D 익형 단면을 설계하며 2D NS 계산을 통해 캐스케이드 유동구조를 검토하여 설계한 단면의 설계적정성을 평가한다. 설계된 2D 익형 단면을 스팬방향으로 적층하여 3D 익형을 생성하고, 다단 Euler 계산, 단익렬, 다단 NS 계산을 수행하여 3D 유동 특성을 고찰한다.
This study describes the aerodynamic design procedure for the axial turbines of a small heavy-duty gas turbine engine being developed by Doosan Heavy Industries. The design procedure mainly consists of three parts: namely, flowpath design, airfoil design, and 3D performance calculation. To design th...
This study describes the aerodynamic design procedure for the axial turbines of a small heavy-duty gas turbine engine being developed by Doosan Heavy Industries. The design procedure mainly consists of three parts: namely, flowpath design, airfoil design, and 3D performance calculation. To design the optimized flowpath, through-flow calculations as well as the loss estimation are widely used to evaluate the effect of geometric variables, for example, shape of meridional plane, mean radius, blades axial gap, and hade angle. During the airfoil design procedure, the optimum number of blades is calculated by empirical correlations based on the in/outlet flow angles, and then 2D airfoil planar sections are designed carefully, followed by 2D B2B NS calculations. The designed planar sections are stacked along the spanwise direction, leading to a 3D surfaced airfoil shape. To consider the 3D effect on turbine performance, 3D multistage Euler calculation, single row, and multistage NS calculations are performed.
This study describes the aerodynamic design procedure for the axial turbines of a small heavy-duty gas turbine engine being developed by Doosan Heavy Industries. The design procedure mainly consists of three parts: namely, flowpath design, airfoil design, and 3D performance calculation. To design the optimized flowpath, through-flow calculations as well as the loss estimation are widely used to evaluate the effect of geometric variables, for example, shape of meridional plane, mean radius, blades axial gap, and hade angle. During the airfoil design procedure, the optimum number of blades is calculated by empirical correlations based on the in/outlet flow angles, and then 2D airfoil planar sections are designed carefully, followed by 2D B2B NS calculations. The designed planar sections are stacked along the spanwise direction, leading to a 3D surfaced airfoil shape. To consider the 3D effect on turbine performance, 3D multistage Euler calculation, single row, and multistage NS calculations are performed.
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문제 정의
단일 익렬에 대한 3차원 점성유동 계산의 목적은 3D 블레이드 형상, 즉 twist, lean 및 sweep 형상 등이 유동 구조에 미치는 영향과 팁 누설 및 이차유동의 특성을 파악하기 위한 것이다. 특히 끝벽 경계층으로 인한 이차유동 특성을 파악하여 블레이드에 발생하는 손실의 정도를 예측한다.
본 논문에서는 두산중공업이 개발 중인 5MW급 발전용 소형가스터빈의 축류터빈 공력설계 과정과 주요 설계변수에 대하여 기술하고자 한다.
본 논문에서는 발전용 소형가스터빈의 축류터빈공력설계 과정에 대하여 소개하였다. 터빈 공력설계의 주요 단계인 유로설계, 익형설계, 3D 다단 성능계산, 3D 단익렬 NS 유동해석 및 3D 다단 NS 유동해석에 대한 설계 절차와 주요 설계변수에 대하여 고찰하였다.
제안 방법
가 제안한 q-ω 모델이며, 여기서 q = k/2, ω = ε / k이다. 계산격자는 O-H 격자를 사용하며, 블레이드 표면에 조밀격자를 구성하여 우수한 격자 형상비를 구현하였다.
주요 설계기준으로 흡입면과 압력면의 곡률 (curvature)은 불연속면이 없도록 연속적으로 설계하여야 하며, 캐스케이드 기하학적 형상 변수, β1k, β2k, δ, w1, w2, d1, d2 등이 스팬방향으로 원활한 분포를 지니도록 설계하여야 한다. 또한 냉각설계와 구조설계와의 연계성을 고려하여 최적 설계안을 도출한다. 아래의 그림은 1단 베인의 허브 단면 설계 결과를 도시한 것이다.
설계 툴은 in-house 코드이며, 익렬 내에 점성유동 구조를 분석하고 발생 가능한 유동 박리와 이차유동 영역을 파악하여 손실저감 설계를 수행하였다.
즉 유로설계의 결과인 블레이드 입/출구 유동각을 기준으로 최적 현절비(solidity)를 만족하는 블레이드 개수를 선정하고, 이후 스팬방향 단면별 익형의 설계를 수행한다. 설계된 단면은 2D B2B 유동해석을 통하여 블레이드를 통과하는 유속 분포을 검토하여 설계 적정성을 판단한다. 이후 설계된 2~5개의 2D 단면 프로파일(profile)을 스팬 방향으로 무게중심, 전연, 후연, 또는 최대 익형두께 위치를 기준으로 적층하여 3D 표면 형상을 구현하면 터빈 익형설계가 완료된다.
2D NS 계산은 익형의 경계층 유동 특성을 반영한 상세 유동 특성과 형상 손실을 예측한다. 설정된 익형 설계변수에 대한 캐스케이드 내의 상세한 유동 특성인 표면 유속분포, 마하수, 압력, 손실 특성 등을 검토하여 설계 적정성을 판단하는 기준을 제공한다.
그리고 평균반경, 허브 및 팁단면에서 열역학적인 관계식을 이용한 공기역학적 계산을 통하여 익형 설계에 필요한 기본적인 데이터를 얻게 된다. 이 과정에서는 앞에서 결정된 터빈의 기하학적 형상, 즉 블레이드의 허브와 팁에서의 직경 등을 입력 변수로 하여 사이클 성능에서 요구하는 터빈 출력과 효율을 만족하는 터빈 단수, 반동도, 가스 유동각 등의 공기역학적 변수들을 계산한다. 따라서 주어진 엔진의 사양으로부터 적당한 터빈의 기하학적 크기를 선택하는 것은 터빈 공력설계시 매우 중요하며 이를 위해서는 설계변수 변화에 따른 반복적인 계산과 터빈 공력설계에 대한 풍부한 경험을 필요로 한다.
익형설계는 상술한 유로설계의 결과를 근간으로 하여 진행된다. 즉 유로설계의 결과인 블레이드 입/출구 유동각을 기준으로 최적 현절비(solidity)를 만족하는 블레이드 개수를 선정하고, 이후 스팬방향 단면별 익형의 설계를 수행한다. 설계된 단면은 2D B2B 유동해석을 통하여 블레이드를 통과하는 유속 분포을 검토하여 설계 적정성을 판단한다.
3D surface 형상을 생성하기 위해서는 2단계로 진행된다. 첫째는 단일 익렬을 생성하는 과정과 둘째는 생성된 단일 3D 익렬을 엔진 축방향으로 배치하여 최종 3차원 형상을 설계하였다.
터빈 3D 성능계산은 익형설계가 완료된 형상정보를 활용하여 3차원 효과를 고려한 다단 축류 터빈의 유동 계산을 수행하여 마하수 분포 및 블레이드 흡입면과 압력면의 설계인자 분포 등 상세 유동 특성 검토와 터빈성능 계산을 수행하였다.
본 논문에서는 발전용 소형가스터빈의 축류터빈공력설계 과정에 대하여 소개하였다. 터빈 공력설계의 주요 단계인 유로설계, 익형설계, 3D 다단 성능계산, 3D 단익렬 NS 유동해석 및 3D 다단 NS 유동해석에 대한 설계 절차와 주요 설계변수에 대하여 고찰하였다.
단일 익렬에 대한 3차원 점성유동 계산의 목적은 3D 블레이드 형상, 즉 twist, lean 및 sweep 형상 등이 유동 구조에 미치는 영향과 팁 누설 및 이차유동의 특성을 파악하기 위한 것이다. 특히 끝벽 경계층으로 인한 이차유동 특성을 파악하여 블레이드에 발생하는 손실의 정도를 예측한다.
이론/모형
반경방향 유동각 분포의 적용방법은 자유 와동(free vortex), 일정노즐 출구각, advanced vortex 등이 있다. 계산 방법은 유선 곡률법(streamline curvature method)을 적용하며, 반경평형방정식(radial equilibrium equation)(7)을 활용하게 된다.
반면에 피치가 증가하면 블레이드의 흡입면과 압력면 사이의 압력구배가 증가하여 팁간극 손실 및 이차유동 손실이 증가하게 된다. 따라서 손실을 최소화할 수 있는 최적 현절비가 존재하게 되며 실험상관식을 적용하여 계산된다. 대표적인 실험 상관식으로는 Zweifel(10)과 Traupel(11) 등이 있다.
사용한 설계 툴은 상용 ANSYS CFX v10 코드이며, 점성유동 해석을 통한 최종 설계 검증을 비롯하여 냉각공기 유입, 팁 간극 및 형상의 영향, 복잡한 터빈 형상의 영향 및 냉각익의 냉각 유로설계에 대한 냉각유체의 상세유동 특성 검토에 활용하고 있다.
적용 난류모델은 Coakley(12)가 제안한 q-ω 모델이며, 여기서 q = k/2, ω = ε / k이다.
성능/효과
터빈 공력설계의 예비설계 결과는 열전달 해석과 구조해석의 주요 입력변수로 적용되며, 공력냉각-구조의 설계 분야별 제한 요인을 검토하는 반복 설계과정을 거쳐 최적화된 터빈 설계를 완료하였다.
후속연구
현재 두산중공업은 가스터빈엔진 시제품 제작을 완료하고 엔진 성능시험을 진행하고 있으며, 향후 터빈 성능시험 결과와 공력설계 결과를 비교, 검토하여 공력설계시스템을 최종 확정할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최적의 유로를 설계하기 위해 수행하는 것은?
축류터빈의 설계 과정은 크게 유로설계, 익형설계, 3D 성능 계산의 세 단계로 구성되며. 최적의 유로를 설계하기 위해 자오면의 형상, 평균 반경, 블레이드간 간격, 유로 형상각 등 여러 형상 변수에 대해 통과유동계산 및 손실계산을 수행한다. 익형 설계는 유로 설계시 스팬 방향으로 계산된 입출구 유동각을 기준으로 실험상관식을 적용하여 최적의 블레이드 개수를 결정한 후 2D 익형 단면을 설계하며 2D NS 계산을 통해 캐스케이드 유동구조를 검토하여 설계한 단면의 설계적정성을 평가한다.
축류터빈의 설계 과정은?
본 논문은 두산중공업(주)에서 개발 중인 소형 가스터빈의 축류 터빈 설계 과정을 기술하였다. 축류터빈의 설계 과정은 크게 유로설계, 익형설계, 3D 성능 계산의 세 단계로 구성되며. 최적의 유로를 설계하기 위해 자오면의 형상, 평균 반경, 블레이드간 간격, 유로 형상각 등 여러 형상 변수에 대해 통과유동계산 및 손실계산을 수행한다.
3D 성능 계산은 어떻게 진행되는가?
익형 설계는 유로 설계시 스팬 방향으로 계산된 입출구 유동각을 기준으로 실험상관식을 적용하여 최적의 블레이드 개수를 결정한 후 2D 익형 단면을 설계하며 2D NS 계산을 통해 캐스케이드 유동구조를 검토하여 설계한 단면의 설계적정성을 평가한다. 설계된 2D 익형 단면을 스팬방향으로 적층하여 3D 익형을 생성하고, 다단 Euler 계산, 단익렬, 다단 NS 계산을 수행하여 3D 유동 특성을 고찰한다.
참고문헌 (13)
Wu C. H., 1951, "A General Through Flow Theory of Fluid Flow with Subsonic or Supersonic Velocity in Turbomachines Having Arbitrary Hubs and Casing Shapes," NASA TN2388.
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Moroz, L., Govorushchenko, Y. and Pagur, P., 2005, "Axial Turbine Stages Design: 1D/2D/3D Simulation, Experiment, Optimization," ASME Paper, GT2005- 68614.
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Kusterer, K., Hagedorn, T. and Bohn D., 2004, "Conjugate Calculations for a Film Cooled Blade Under Different Operating Conditions," ASME Paper, GT2004- 53719.
Demeulenaere, A., Ligout, A. and Hirsch, C., 2004, "Application of Multipoint Optimization to the Design of Turbomachinery Blades," ASME Paper, GT2004-53110.
Denton, J. D., 1993, "Loss Mechanisms in Turbomachinery," ASME J. Turbomachinery, Vol. 115, pp. 621-656.
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