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문제 정의
- 실제로 효율이 16,500 rpm이 더 높고, 일정 회전수까지는 효율이 좀 더 증가한다. 그러나, 본 연구의 목적은 단순히 고효율의 터빈만을 설계하는 것이 아니고, 설계된 터빈을 이용하여 발전을 하는 것이다. 따라서, 단순히 터빈의 효율이 높아지는 것이 중요한 것이 아니라, 함께 사용할 발전기와의 연동을 고려해야 한다.
- 본 연구에서 개발하려고 하는 20℃ 정도의 온도차를 이용하는 냉매를 이용한 터빈의 개발에 관한 연구는 깊이 다루어지지 못했다. 따라서 저자는 본 연구를 통하여 매우 적은 온도차에서 효율적으로 작동하는 OTEC용 터빈을 개발하는 과정을 보이고자 한다. 본 연구를 통하여 개발된 20 kW OTEC 터빈은 선박해양플랜트연구소(KRISO)에서 off-design 성능 테스트를 진행 중에 있다.
- 심층수와 표층수 사이에 존재하는 온도의 차이를 이용하여 발전을 수행하는 OTEC system용 터빈의 개발을 성공적으로 수행하였다. 개발된 터빈은 R32를 사용하는 radial type의 터빈으로 회전속도는 15,000rpm에 팽창비 1.
제안 방법
- 과포화 상태의 물성 값은 모두 제공되기 때문에 과포화 상태로 해석하는 경우에는 설계에 문제가 발생하지 않았다. 0.5℃ 정도 과포화된 상태로 해석한 결과는 포화상태의 결과와 비교해도 물성치의 변화가 크지 않으므로 해석 및 설계를 과포화상태로 수행하였다. Fig.
- 최적 효율의 터빈을 설계하기 위하여 REFPROP 프로그램을 eq. 1, 2를 함께 이용하여 가장 높은 효율을 확보하기 위하여 비속도가 0.6이 되도록 설계하였다. 이때 회전속도는 약 15,000 rpm 정도이다.
- R32의 경우 유체의 물성값이 CFX에서 기본적으로 제공되므로 제공된 값을 사용하였다. CFD를 이용한 설계 과정은 자오면 설계를 통하여 만들어진 기본 형상을 해석하여 원하는 출력과 효율이 나올 수 있도록 nozzle의 출구 각도와 로터의 출구 각도 등을 수정하여 가장 높은 효율이 나올 수 있도록 하는 방식으로 수행되었다.
- 1은 R32를 작동유체로 가지는 OTEC 시스템의 열역학적 사이클의 T-S 선도를 잘 보여주고 있다. R32를 작동 유체로 선정한 후 20kW 출력을 발생시키기 위한 열역학적 사이클을 EES(Engineering Equation Solver)를 이용하여 해석하였다. Fig.
- 수치해석에 사용된 경계 조건은 Table 1에 있는 값을 사용하였다. nozzle과 rotor의 연결부위는 stage condition을 이용하여 고정좌표계와 회전 좌표계의 데이터를 처리 하였다. 입구 조건은 전압/전온도 조건으로 출구 조건은 정압 조건을 주었다.
- 이 부분은 차후 실험을 통하여 정확하게 검증할 예정이다. 개발된 터빈은 OTEC system에 장착 전에 공기를 이용한 베어링 테스트를 수행하였다. Fig.
- 베어링 테스트를 마친 터빈은 실제 20kW OTEC system에 설치되어서 R32를 이용하여 성능 테스트 성공적으로 수행하고 20kW 이상의 출력을 만드는데 성공하였다. 그러나 현재 20kW OTEC system이 초기 성능 실험 중이라 실험은 터빈 효율을 고려하지 않고 system의 운용이 가능한지를 평가하기 위한 20kW 출력 테스트만을 수행하였다. 따라서, 본 실험결과를 해석과 비교해 보기에는 무리가 있다.
- 자오면 설계를 위하여 우선 유량을 고려하여 radial type 의 터빈을 선정하였다. 그리고, 터빈의 회전속도와 로터의 지름을 결정하기 위하여 비속도/비직경 분석을 수행하였다. 설계에 사용된 식은 (1), (2)와 같다.
- 따라서, 본 OTEC용 20kW 터빈에서도 터빈 입구의 β각을 30.29, 터빈 출구의 α각을 -2.11도가 되도록 설계하였다.
- 자오면 설계를 이용한 해석은 경계층 효과를 계산에 넣지 않고 얻어진 결과로 신속하게 결과를 얻을 수 있으나 경계층 해석에 대한 정보가 없어서 해석의 정확성이 떨어진다. 따라서, 자오면 설계를 마친 OTEC용 터빈의 성능을 좀 더 정확하게 평가하기 위하여 CFD를 이용하여 해석을 수행하였다. Table 2의 설계값을 이용하여 노즐/로터 형상을 그리기 위하여 BladeGen과 volute를 설계하기 위하여 Design modeler를 사용하였다.
- volute는 복잡한 형상으로 인하여 부분적으로 tetra mesh를 사용하였으나, 기본적으로 hexa mesh를 가지도록 설정하였다. 사용 가능한 computer resource의 문제로 nozzle과 rotor 모두 periodic condition을 적용하여 해석을 수행하였다(Fig. 9). 수치해석에 사용된 경계 조건은 Table 1에 있는 값을 사용하였다.
- 26의 매우 낮은 팽창비에서 20 kW 이상의 출력을 발생하도록 설계되어 있다. 설계를 위하여 자오면 설계 프로그램과 ANSYS CFX를 이용하여 기본 설계와 full CFD 해석을 수행하여 형상을 결정하였다. 팽창비가 낮은 관계로 탈 설계점에서 초킹 현상의 발생 없이 출력의 변화가 가능하다.
- 이때 회전속도는 약 15,000 rpm 정도이다. 이렇게 결정된 회전속도와 비속도/비직경 값을 가지고 자오면 설계 프로그램(Rital)(15)을 이용하여 터빈의 기본 형상을 결정하였다. 자오면 형상 설계 프로그램을 이용하여 결정된 터빈의 volute, nozzle, rotor의 형상은 Fig.
- 자오면 설계 프로그램을 이용하는 과정에서 작동유체의 포화상태에서 계산이 발산하는 현상을 발견하여 실제로 적용된 설계 조건이 OTEC의 실제 작동 조건인 포화점이 아니라 약간 과포화된 상태를 기준으로 설계를 수행하였다. 이러한 현상의 원인은 자오면 설계 프로그램에 사용되는 REFPROP 프로그램이 R32의 상변화 상태의 물성을 완벽하게 제공하지 못하기 때문으로 생각된다.
- 설계점에서 설계를 완성하고 나면 탈 설계점에서의 성능을 검증하여 탈 설계점 성능을 점검한다. 탈 설계점에서의 성능을 검증하기 위하여 회전수를 정격의 50 %~130 %까지 변화 시켜가면서, 기본적으로 낮은 팽창비를 가지는 OTEC 용 터빈의 특성을 고려하여 팽창비를 1.1에서 2.0까지 변화시켜 가면서 출력과 효율을 확인하였다. CFD 해석이 수행된 결과는 Fig.
대상 데이터
- 심층수와 표층수 사이에 존재하는 온도의 차이를 이용하여 발전을 수행하는 OTEC system용 터빈의 개발을 성공적으로 수행하였다. 개발된 터빈은 R32를 사용하는 radial type의 터빈으로 회전속도는 15,000rpm에 팽창비 1.26의 매우 낮은 팽창비에서 20 kW 이상의 출력을 발생하도록 설계되어 있다. 설계를 위하여 자오면 설계 프로그램과 ANSYS CFX를 이용하여 기본 설계와 full CFD 해석을 수행하여 형상을 결정하였다.
- 따라서 저자는 본 연구를 통하여 매우 적은 온도차에서 효율적으로 작동하는 OTEC용 터빈을 개발하는 과정을 보이고자 한다. 본 연구를 통하여 개발된 20 kW OTEC 터빈은 선박해양플랜트연구소(KRISO)에서 off-design 성능 테스트를 진행 중에 있다.
- 본 연구에서 개발 중인 터빈은 심층수와 표층수의 온도 차이를 이용하여 발전을 하는 OTEC용 터빈이다. 심층수(약 4℃)와 표층수(약 25℃)의 작은 온도 차이를 고려할 때 OTEC용 터빈은 작은 온도차의 에너지를 효과적으로 이용할 수 있도록 설계하여야 한다.
- 9에 나타내져 있다. 사용된 node의 수는 약 100만개 정도가 사용되었다. 노즐과 로터는 TurboGrid를 이용하여 hexa mesh로 설정하였다.
- 그러기 위해서 20 kW OTEC system의 작동 요구 조건과 작동유체를 가장 먼저 선정해야 한다. 우선 작동 유체로 R22, R32, R245fa를 고려하였다. 작동 유체를 결정하기 위한 조건으로 저독성, 비인화성, 구입 용이성 및 저비용 그리고 효율적인 시스템 운영을 위한 열역학적 성질이 고려되었다.
- 자오면 설계를 위하여 우선 유량을 고려하여 radial type 의 터빈을 선정하였다. 그리고, 터빈의 회전속도와 로터의 지름을 결정하기 위하여 비속도/비직경 분석을 수행하였다.
성능/효과
- 0까지 모든 회전속도에서 초킹 현상 없이 출력이 증가함을 확인 할 수 있다. 기본 설계된 팽창비가 낮고 초킹점으로 부터 떨어져서 작동하므로, 좀 더 높은 온도에 열원에 본 터빈을 적용하는 것이 가능함을 알 수 있다. Fig.
- 한 가지 특이한 점은 16,500 rpm의 경우가 설계점이 15,000 rpm보다 조금 더 효율이 높게 나오는 것이다. 너무 작은 온도차로 인하여 낮은 팽창비에 대하여 설계를 수행하다 보니, 최초에 결정된 설계점이 약간 효율이 떨어지는 점에서 결정되었다. 실제로 효율이 16,500 rpm이 더 높고, 일정 회전수까지는 효율이 좀 더 증가한다.
- 실제 작동유체를 사용하지는 않았으나, 베어링의 정상 작동여부를 확인할 수 있다. 베어링 테스트를 마친 터빈은 실제 20kW OTEC system에 설치되어서 R32를 이용하여 성능 테스트 성공적으로 수행하고 20kW 이상의 출력을 만드는데 성공하였다. 그러나 현재 20kW OTEC system이 초기 성능 실험 중이라 실험은 터빈 효율을 고려하지 않고 system의 운용이 가능한지를 평가하기 위한 20kW 출력 테스트만을 수행하였다.
- 팽창비를 변화시켰기 때문에 낮은 회전수에서도 높은 유량이 얻어졌으나, 효율을 낮게 예상되었다. 설계점에서 높은 효율을 보이고 회전수가 감소하고 질량 유량이 증가할 수록 효율이 낮아지는 것을 볼 수 있다. 또, 정격회전수의 110 %인 16,500 rpm에서는 좀 더 높은 질량 유량에서 최대 효율을 보이는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 또, 정격회전수의 110 %인 16,500 rpm에서는 좀 더 높은 질량 유량에서 최대 효율을 보이는 것을 알 수 있다. 따라서, 동일 작동 조건에서 유량을 증가시켜서 출력을 높이는 경우 회전수를 증가시켜야 좀 더 효율을 높일 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서 실제 출력과 효율은 해석 결과보다 낮을 것으로 예측 된다. 이 부분은 차후 실험을 통하여 정확하게 검증할 예정이다. 개발된 터빈은 OTEC system에 장착 전에 공기를 이용한 베어링 테스트를 수행하였다.
- 본 터빈은 현재 20 kW OTEC system에 설치되어서 OTEC system의 가능성을 평가하기 위하여 pilot test 중에 있다. 이번에 개발된 OTEC 터빈 설계 기술을 기반으로 차후에는 1MW의 OTEC 터빈을 설계할 예정이다.
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