[논문]ORC 반경류터빈의 예비설계프로그램 개발 및 OTEC용 반경류터빈의 설계

김도엽; 강호근; 김유택

doi:10.5916/jkosme.2014.38.3.276

[국내논문] ORC 반경류터빈의 예비설계프로그램 개발 및 OTEC용 반경류터빈의 설계
The development of a preliminary designing program for ORC radial inflow turbines and the design of the radial inflow turbine for the OTEC 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.38 no.3, 2014년, pp.276 - 284

김도엽 (Department of Marine System Engineering, Graduate School of Korea Maritime and Ocean University) , 강호근 (Division of Marine System Engineering, Korea Marine and Ocean University) , 김유택 (Division of Marine System Engineering, Korea Marine and Ocean University)

초록
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본 연구의 목적은 ORC(Organic Rankine Cycle) 반경류터빈의 설계기법을 확립하는 것이다. 이를 위하여 반경류터빈의 예비설계프로그램인 RTDM(Radial Turbine Design Modeler) Ver.2.1를 개발하였다. RTDM Ver.2.1의 정확성을 검증하기 위해 R32를 이용한 200kW급 OTEC(Ocean Thermal Energy Conversion)용 반경류터빈을 설계하였고 이에 대해 CFD(Computational Fluid Dynamics) 수치해석을 수행하였다. 그 결과 RTDM Ver.2.1의 정확성은 설계한 반경류터빈의 전엔탈피 강하를 기준하여 약 94.6%로 나타났다. 본 연구에서는 반경류터빈의 설계요구조건인 출력조건과 로터출구조건을 충족시키기 위해 질량유량조정 방법을 도입하였다. 이에 따라 RTDM Ver.2.1을 이용하여 설계한 200kW급 OTEC용 반경류터빈의 질량유량은 21.2kg/s이며 이 때 Total to Total과 Total to Static 효율은 각각 89.8%, 85.3%이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to establish the designing method of ORC(Organic Rankine Cycle) radial inflow turbines. RTDM(Radial Turbine Design Modeler) Ver.2.1 which is a preliminary design program of radial inflow turbines was developed to achieve this purpose. The 200kW-class radial inflow turbine for OTEC(Ocean Thermal Energy Conversion) was designed by using the RTDM Ver.2.1 and CFD(Computational Fluid Dynamics) simulation was performed to verify the accuracy of RTDM Ver.2.1. With the result of simulation, the accuracy of RTDM Ver.2.1 was almost 94.6% based on the designed total enthalpy drop of the radial inflow turbine. Strategy of adjusting the mass flow rate was adopted on this study to satisfy the requirements of its power and rotor outlet's conditions for the designed radial inflow turbine. The mass flow rate was consequently increased to 21.2 kg/s for the designed 200kW-class radial inflow turbine for OTEC, and then Total to total and Total to static efficiency are 89.8% and 85.36% respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구 목적은 ORC 반경류터빈의 설계기법 확립이다. 이를 위해 반경류터빈의 예비설계프로그램인 RTDM Ver.
이에 따라 본 연구에서는 연구대상을 반경류터빈으로 한정하고 우리나라의 OTEC용 ORC 반경류터빈의 설계기법 확보 및 원활한 설계를 위하여 반경류터빈의 예비설계프로그램인 RTDM Ver2.1를 개발하였다. RTDM를 이용하여 200kW급 OTEC용 반경류터빈을 설계하고 그 결과는 수치 해석를 통해 성능을 검증하였다.

가설 설정

OTEC의 일반적 운전조건에 따라 고온열원과 저온열원의 온도를 각각 303.15K(30℃), 278.15K(5℃)로 가정하고 터빈 입구 및 출구의 설계온도를 각각 300K, 280K으로 선정하였다. 또한 터빈 출구의 액적 문제를 고려하여 엔트로피는 2.

제안 방법

RTDM Ver.2.1.의 계산결과를 이용하여 로터 및 노즐의 형상은 BladeGen Ver.13.0으로 3차원 형상화하였고 볼류트는 Catia V5R19으로 구현하였다.
RTDM Ver.2.1의 정확성을 검증하기 위해 R32를 이용하는 200kW급 OTEC용 반경류터빈을 설계하였다. 이에 대한 CFD 수치해석을 수행한 결과, 설계한 전엔탈피 강하를 기준으로 약 94.
반면 R125은 지구온난화지수가 다소 높아 친환경적인 작동유체가 아니다. 따라서 본 연구에서는 Table 1의 작동유체 중 R41과 R125를 배제하고 OTEC의 운전조건에 열역학적 특성이 적합하고 친환경적인 R32를 작동유체로 최종 선정하였다.
또한 작동유체를 이상기체로 간주하는 타 예비설계프로그램과는 달리 ORC용 작동유체(냉매)와 같은 실제기체를 다룰 수 있도록 각 단의 입·출구 물성치를 직접 입력할 수 있게 구성하였다.
그 외 Table 4의 N_r는 로터 블레이드의 개수이다. 로터 블레이드 개수에는 Splitter 블레이드의 개수를 포함한 수치이므로 본 연구에서는 Main 블레이드와 Splitter 블레이드를 각각 12개씩 구성하였다.
본 연구를 위해 반경류터빈의 예비설계프로그램인 RTDM Ver.2.1을 개발하였고 이를 이용하여 OTEC용 반경류터빈을 설계하였다. 이에 대한 정확성을 검증하기 위해 CFD 수치해석을 수행하였다.
본 연구에서는 RTDM Ver.2.1의 성능을 검증하기 위해 이차원 형상에 대한 Meanline CFD 분석과정과 그 결과로부터 예비설계인자의 조정과정은 생략하였다. 즉 RTDM Ver.
설계한 반경류터빈의 요구조건인 출력조건과 로터 출구의 유동조건을 충족시키기 위해 본 연구에서는 질량유량 조정방법을 이용하였다. 본 연구에서 설계한 OTEC용 반경류터빈의 목표출력치인 200kW 를 만족시키기 위한 R32의 질량유량은 21.
예비설계를 거친 터빈의 이차원 형상은 Meanline CFD 분석를 통해 설계인자에 대한 검증 및 조정이 이루어진다. 이를 바탕으로 삼차원 형상을 구현하고 CFD 분석을 시행하며, 그 결과로부터 필요에 따라 형상을 수정한다. 이러한 과정을 반복하여 최적의 터빈 형상을 토출한다.
본 연구 목적은 ORC 반경류터빈의 설계기법 확립이다. 이를 위해 반경류터빈의 예비설계프로그램인 RTDM Ver.2.1을 개발하였다.
1을 개발하였고 이를 이용하여 OTEC용 반경류터빈을 설계하였다. 이에 대한 정확성을 검증하기 위해 CFD 수치해석을 수행하였다.
이에 따라 노즐 베인의 입사각에 따라 볼류트의 입·출구 면적비가 약 1에 근접할 수 있도록 반복 계산을 수행하였다.
이 중 OTEC용 반경류터빈에 요구되는 터빈의 전·후단 유동조건과 출력조건을 만족시키는 방법으로는 질량유량을 조정하는 방법이 가장 적합하다. 이에 따라 본 연구에서는 Figure 6에 나타낸 플로우차트와 같이 질량유량 조정방법을 도입하여 본 연구의 목표인 OTEC용 반경류터빈의 출력조건인 200kW를 충족시키도록 하였다. 이때 질량유량을 조정함에 따라 초킹 발생여부를 면밀히 점검하여야 한다.
1의 성능을 검증하기 위해 이차원 형상에 대한 Meanline CFD 분석과정과 그 결과로부터 예비설계인자의 조정과정은 생략하였다. 즉 RTDM Ver.2.1로부터 얻은 계산결과로부터 삼차원 형상을 생성하고 CFD 해석을 수행하였다.

대상 데이터

설계한 반경류터빈의 요구조건인 출력조건과 로터 출구의 유동조건을 충족시키기 위해 본 연구에서는 질량유량 조정방법을 이용하였다. 본 연구에서 설계한 OTEC용 반경류터빈의 목표출력치인 200kW 를 만족시키기 위한 R32의 질량유량은 21.2kg/s이다. 이 때 설계한 반경류터빈의 Total to Total과 Total to Static 효율은 각각 89.
본 연구의 설계목표인 200kW급 OTEC용 ORC 반경류터빈은 Nozzled 터빈을 채택하였다. 이러한 반경류터빈에 대한 각 단의 구성과 운전조건의 경향을 h-s선도에 나타내면 Figure 1과 같다.
본 연구의 설계목표인 200kW급 OTEC용 반경류터빈의 볼류트 입구측 파이프의 제원은 볼류트 출구면적을 고려하여 200A Sch80으로 선정하였고 방위각 Ψ에 따른 볼류트 단면인 원의 반지름은 Table 6과 같다.

데이터처리

1를 개발하였다. RTDM를 이용하여 200kW급 OTEC용 반경류터빈을 설계하고 그 결과는 수치 해석를 통해 성능을 검증하였다.
0을 이용하였다. 그 결과로부터 로터 후단의 정압과 로터 전후단의 엔탈피강하를 설계점과 비교분석하였다.

이론/모형

RTDM Ver.2.1에는 실제물성치에 근사한 Refprop의 계산결과를 입력한 반면, 수치해석에는 실제기체방정식인 Redlich–Kwong 방정식을 사용하였다.
Watanabe[6]는 실험을 바탕으로 인터스페이스 크기를 결정하는 실험식을 제안하였다. RTDM Ver.2.1은 Watanabe 실험식을 채택하였다.
본 연구의 수치해석에는 CFX Ver.13.0을 이용하였다. 그 결과로부터 로터 후단의 정압과 로터 전후단의 엔탈피강하를 설계점과 비교분석하였다.
여기서 질량유량은 식 (2)로부터 출력 200kW을 만족하기 위한 수치이다. 이 밖에 로터의 회전수는 Table 3과 같이 분당회전수 7,200이며 난류모델은 SST 모델을 적용하였다.
Tabakoff[11]에 의해 제안된 볼류트 설계기법은 유체의 전단력을 고려하지 않아 매우 간단한 형태이지만, 여전히 유효한 볼류트 설계기법이다. 이에 따라 RTDM Ver.2.1은 Tabakoff의 볼류트 설계기법을 채택하였다.

성능/효과

본 연구 목표인 OTEC용 터빈의 입구조건에 해당하는 압력에 대해 Refprop과 Redlich–Kwong 방정식의 계산결과를 비교하면 Redlich-Kwong의 계산결과는 Refprop를 기준으로 약 3%의 오차를 보인다.
1의 정확성을 검증하기 위해 R32를 이용하는 200kW급 OTEC용 반경류터빈을 설계하였다. 이에 대한 CFD 수치해석을 수행한 결과, 설계한 전엔탈피 강하를 기준으로 약 94.6% 정확성을 가지는 200kW급 OTEC용 반경류터빈의 형상을 도출하였다.
이러한 오차의 근본 원인은 크게 두 가지에 의한 것으로 보인다. 첫째, 수치해석에 사용한 실제기체방정식은 본질적인 오차를 가진다. RTDM Ver.

후속연구

1이 고려하지 않는 설계변수로부터 기인한다. 향후 수치해석에 실제기체방정식을 사용하지 않고 실제 물성치를 외삽하는 방법을 도입할 예정이며 RTDM Ver.2.1은 유체의 전단력과 봉쇄계수 등을 고려하도록 개선할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	OTEC설비란?	OTEC설비[1][2]는 표층수와 심층수의 온도차를 이용하는 발전설비이다. 우리나라의 경우 계절적, 지리적 요소로 인해 사업성이 떨어지는 것으로 평가되었으나 최근 OTEC 관련 기술이 온실가스 감축기술로써 활용할 수 있으며 지속 가능한 청정에너지원을 이용한다는 점에서 재평가되어 OTEC에 대한 연구가 진행되고 있다.
	OTEC 관련 기술의 장점은?	OTEC설비[1][2]는 표층수와 심층수의 온도차를 이용하는 발전설비이다. 우리나라의 경우 계절적, 지리적 요소로 인해 사업성이 떨어지는 것으로 평가되었으나 최근 OTEC 관련 기술이 온실가스 감축기술로써 활용할 수 있으며 지속 가능한 청정에너지원을 이용한다는 점에서 재평가되어 OTEC에 대한 연구가 진행되고 있다.
	ORC에서 유기냉매를 작동유체로 이용할 경우 얻는 장점은?	여기서 ORC란 증기를 작동유체로 이용하는 기존의 랭킨사이클과는 달리 유기냉매를 작동유체로 이용하는 랭킨사이클를 말한다. 유기냉매를 작동유체로 이용할 경우, 기존의 랭킨사이클로 회수할 수 없었던 저온의 열원으로부터 에너지를 회수할수 있으므로 지열, 폐기물에너지, 태양열에너지, 플랜트의 배열에너지 등과 같은 다양한 에너지원으로부터 경제적인 발전이 용이하다.

참고문헌 (12)

J. O. Mo, "CFD performance analysis and design of a 8kW class radial inflow turbine for ocean thermal energy conversion using a working fluid of ammonia", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 36, no. 8, pp. 1030-1035, 2012 (in Korean).

원문보기 상세보기
S. W. Cha, "Basic static characteristics of a closed and a regeneration cycles for the OTEC system.", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 36, no. 8, pp. 1151-1157, 2012 (in Korean).

원문보기 상세보기
J. O. Mo, "Influence of performance and internal flow of a radial inflow turbine with variation of vane nozzle exit angles", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 35, no. 6, pp. 757-764, 2011 (in Korean).

원문보기 상세보기
J. O. Mo, "Performance analysis by CFD and aerodynamic design of 100kW class radial turbine using waste heat from ship", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 35, no. 2, pp. 175-181, 2011 (in Korean).

원문보기 상세보기
List of Refrigerants, http://en.wikipedia.org/wiki/ List_of_refrigerants, Accessed August 21, 2013.
Watanabe, "Effect of dimensional parameters of impellers on performance characteristics of a radial inflow turbine", Trans American Society of Mechanical Engineers Journal of Engineering for Power, vol. 93, no. 1, pp 81-102, 1971.
A. Glassman, Computer Program for Design Analysis of Radial Inflow Turbines, Technical Note TN D-8164, NASA, 1976.
A. Simpson and S. Spence, "Numerical and experimental study of the performance effects of varying vaneless space and vane solidity in radial inflow turbine stators", Proceedings of American Society of Mechanical Engineers Turbo Expo 2008, vol. 6, pp. 1495-1505, 2008.
Carlos A. M. Ventura, Peter A. Jacobs, "Preliminary design and performance estimation of radial inflow turbines: An automated approach", Trans American Society of Mechanical Engineers Journal of Fluids Engineering, vol. 134, no. 3, pp. 0311021.1-13, 2012.
Ronald H. Aungier, Turbine Aerodynamics, Axial-flow and Radial-inflow turbine Design and Analysis, New York, USA, American Society of Mechanical Engineers press, 2006
W. Tabakoff, Y. Sheoran, K. KRoll, "Flow measurements in a turbine scroll", Trans American Society of Mechanical Engineers Journal of Fluids Engineering, vol. 201, no. 3, pp 290-296, 1980.
Nicholas C. Baines, Axial and Radial Turbines, USA, Concepts NREC, 2003

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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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