선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- SST 모델을 효과적으로 사용하기 위하여 터빈 하류 부분을 제외하고 boundary layer 의 y+값을 1 에 가깝게 유지하려고 하였으나, 공기가 아닌 R245fa 를 사용하는 경우 해석 결과가 발산하였다. 따라서 격자를 rotor 와 nozzle 의 y+를 각각 변화 시켜가면서 total to total 효율의 변화를 확인하여 보았다. Fig.
- 본 연구에서 개발중인 터빈은 폐열을 가지고 발전을 하는 200kW ORC system 에 사용하기 위해 개발되었다. 따라서, ORC 용 turbine 을 설계하기 전에 200kW ORC system 의 작동 요구 조건을 결정해야 하고, 이를 위해서는 작동 유체를 가장 먼저 선정하였다.
가설 설정
- 터빈의 설계를 위해서는 요구되는 시스템의 운전 조건을 알아야 한다. 그러나, 시스템의 운전 조건을 결정하는데, 터빈의 효율이 요구되므로, 소형 터빈이 큰 무리 없이 얻을 수 있는 효율 80%를 가정하여 Table 2의 결과를 얻었다. 본 연구에서 고려되고 있는 ORC system 의 출력 요구 사항이 200kW 이상 이므로, 기계적 손실, 발전기 효율 등 여러 가지 변수를 고려해 축 출력 236kW 로 설계 하였다.
제안 방법
- 1 단과 2 단 터빈을 각각 설계 후 해석을 통하여 원하는 출력이 나오게 설계를 수정한 후 1 단과 2 단을 연결하여 전체 터빈 시스템에 대한 해석을 수행하였다. 해석을 위한 return channel type 터빈의 형상은 Fig.
- 그러나, 본 연구에서는 최초 설계 시에 예상 출력(200kW)만 결정되어 있고, 작동 온도와 작동 유체 모두 결정되어 있지 않았다. 200kW 를 만들어 내는 터빈의 운전 조건을 결정하기 위하여 thermal cycle 해석을 수행하여야 하는데, 이 해석을 수행하기 위해서는 우선적으로 작동유체를 결정하고 운전 조건을 변화시켜서 200kW 가 확보되는 지를 파악하는 방식으로 연구가 진행되었다. 최초 고려된 작동유체는 Ammonia, R32, R245fa, NovecTM 649 등이 있는데, Ammonia 는 독성으로 인한 안전 문제 때문에 초기에 제외하였다.
- R245fa 의 열역학적 물성값은 REFPROP 을 이용하여 온도와 압력의 함수로 설정하였다. CFD 해석은 회전 속도를 15,000rpm 기준 50%부터 110%, 팽창비는 1.2~3 에 걸쳐 stage1 과 stage2 에 대하여 수행하였다.
- 1 단과 2 단 해석에 사용된 rotor/nozzel 격자를 그대로 사용하였고, 전체 해석을 위해서 volute 와 collector 가 추가되었다. CFD 해석은 회전 속도를 15,000rpm 기준 50%부터 110%, 팽창비는 3~9 에 대하여 수행하였다.
- 따라서, 효율을 높이기 위하여 아음속 조건을 유지하기 위해서 전체 팽창비를 1, 2 단에 나누어서 팽창되도록 터빈 시스템이 설계되었다. Table 2에 명시되어 있는 팽창비(9)를 1 단과 2 단으로 터빈을 나누기 위하여 터빈 작동 조건을 1 단과 2 단에 맞추어 다시 계산하였다(Table 3, Table 4). 1 단 출구의 전압과 2 단 입구의 전압의 차이는 1 단 출구를 나온 유체를 2 단 입구로 연결해 주는 collector 를 통과하면서 생기는 손실을 반영한 조건이다.
- 각 단의 nozzle 은 15 개, rotor 는 10 개의 blade 로 BladeGen 을 이용해 설계 되었고, TurboGrid 를 이용해 hexa mesh 로 해석을 수행했다. Volute 는 inhouse code 와 design modeler 로 설계하였다. Return channel 은 blademodeler 를 이용하여 만들었고, back-to-back type 에 사용되는 collector 는 design modeler 를 이용하여 제작되었다.
- 해석에 사용된 CFD 프로그램은 ANSYS CFX 를 사용하였다. 각 단의 nozzle 은 15 개, rotor 는 10 개의 blade 로 BladeGen 을 이용해 설계 되었고, TurboGrid 를 이용해 hexa mesh 로 해석을 수행했다. Volute 는 inhouse code 와 design modeler 로 설계하였다.
- 이상기체 가정을 이용하는 공기를 사용하는 터빈의 설계와는 달리, real gas 의 물성을 REFPROP 를 이용하여 직접 수치적으로 얻어서 터빈 성능 해석에 사용되었다. 각 단의 노즐/로터 설계는 수치해석을 통해 최적화하였고, 이후 volute 등을 포함한 전체 터빈 시스템을 수치해석 및 성능 분석을 시행하였다. 이 과정을 통하여 R245fa 를 사용하는 200kW 급 ORC 터빈 설계에 성공하였다.
- 폐열을 이용한 에너지 회수의 특성상 효율을 높이기 위하여 초음속 조건을 회피하기 위하여 낮은 팽창비를 갖는 다단의 아음속 터빈으로 설계하였다. 그리고, 제작상의 편의를 위하여 다단의 터빈의 구성은 축방향 힘을 감소시키기 위해 back-to-back type 의 구성으로 선정하였다. 이상기체 가정을 이용하는 공기를 사용하는 터빈의 설계와는 달리, real gas 의 물성을 REFPROP 를 이용하여 직접 수치적으로 얻어서 터빈 성능 해석에 사용되었다.
- 입구 조건으로는 전압, 전온도 조건을 사용하였고, 출구 조건으로 정압 조건을 사용하였다. 노즐과 로터의 조건은 stage 조건을 이용하여 경계면 처리를 수행하였다. 해석에 사용한 작동유체는 REFPROP 과 zero pressure 모델을 이용하여 물성을 설정하였다.
- 다단으로 설계된 터빈에서 1 단의 팽창비가 약 2.8, 2 단의 팽창비가 3.2 정도로 나누어져서 초킹이 일어나는 것을 피하도록 하였다. 1 단의 입구 조건에서 작동유체의 음속은 약 110m/s 이고, 2 단의 입구 조건에서 작동유체의 음속은 약 135m/s 이다.
- 본 연구에서 개발중인 터빈은 폐열을 가지고 발전을 하는 200kW ORC system 에 사용하기 위해 개발되었다. 따라서, ORC 용 turbine 을 설계하기 전에 200kW ORC system 의 작동 요구 조건을 결정해야 하고, 이를 위해서는 작동 유체를 가장 먼저 선정하였다. 일반적으로는 터빈의 운전 조건을 바탕으로 터빈의 작동유체를 결정한다.
- 앞에서 설명한 것과 같이 공기가 아닌 R245fa 를 사용하는 관계로 공기보다 낮은 음속을 가지게 되고 이는 작은 팽창비에서도 쉽게 초킹 조건에 이르게 된다. 따라서, 효율을 높이기 위하여 아음속 조건을 유지하기 위해서 전체 팽창비를 1, 2 단에 나누어서 팽창되도록 터빈 시스템이 설계되었다. Table 2에 명시되어 있는 팽창비(9)를 1 단과 2 단으로 터빈을 나누기 위하여 터빈 작동 조건을 1 단과 2 단에 맞추어 다시 계산하였다(Table 3, Table 4).
- 그러나, 시스템의 운전 조건을 결정하는데, 터빈의 효율이 요구되므로, 소형 터빈이 큰 무리 없이 얻을 수 있는 효율 80%를 가정하여 Table 2의 결과를 얻었다. 본 연구에서 고려되고 있는 ORC system 의 출력 요구 사항이 200kW 이상 이므로, 기계적 손실, 발전기 효율 등 여러 가지 변수를 고려해 축 출력 236kW 로 설계 하였다. 이때 필요로 하는 유량은 7.
- 본 연구의 터빈 설계는 자오면 설계, CFD 해석 진행된다. 본 연구의 터빈은 비속도를 고려해 원심형으로 설계되었다.
- 본 연구의 터빈 설계는 자오면 설계, CFD 해석 진행된다. 본 연구의 터빈은 비속도를 고려해 원심형으로 설계되었다. 팽창비는 대략 9.
- 작동유체 선택 후 열원온도, 터빈의 질량유량, 팽창비, 입구 압력, 입구 온도 선정을 위해 열역 학적 사이클 해석을 수행한다. 열원의 온도는 150℃가 사용될 것이지만 열원이 변경될 가능성과 탈설계 조건을 고려하여 140℃열원과 24℃ 냉각수 조건, 그리고 150℃열원과 20℃ 냉각수 두 가지 조건으로 열역학적 사이클 분석을 수행했다. 터빈의 설계를 위해서는 요구되는 시스템의 운전 조건을 알아야 한다.
- 3(입구압력 2069kPa, 출구압력 236kPa)이며, R245fa 의 음속이 124℃, 2069kPa 에서 약 110m/s 로 매우 낮아 작은 팽창비에서도 작동유체가 초음속 상태에 돌입해 choking 현상이 일어날 수 있다. 유체역학적 해석 편의성과 높은 효율을 위해 다단(각 단별 2.8, 3.2의 팽창비를 갖는 2 단)의 아음속 터빈으로 설계했다. 2 단의 터빈을 구성하는 형태는 로터를 배열하는 방법에 따라, return channel type 과 back-toback type 두 가지가 고려되었다.
- 비속도가 결정된 경우 비직경도 함께 결정 되므로 대략적인 터빈 로터의 지름을 결정할 수 있다. 이 값을 가지고 자오면 설계 프로그램을 이용하여 1 단 노즐/로터에 대하여 상세한 설계 값을 결정하였다. 1 단 터빈의 경우 높은 압력으로 부피 유량이 적은 관계로 유로의 높이가 5.
- 그리고, 제작상의 편의를 위하여 다단의 터빈의 구성은 축방향 힘을 감소시키기 위해 back-to-back type 의 구성으로 선정하였다. 이상기체 가정을 이용하는 공기를 사용하는 터빈의 설계와는 달리, real gas 의 물성을 REFPROP 를 이용하여 직접 수치적으로 얻어서 터빈 성능 해석에 사용되었다. 각 단의 노즐/로터 설계는 수치해석을 통해 최적화하였고, 이후 volute 등을 포함한 전체 터빈 시스템을 수치해석 및 성능 분석을 시행하였다.
- 해석을 위한 경계조건은 1 단은 Table 3, 2 단은 Table 4에 정리되어 있는 온도와 압력을 사용하였다. 입구 조건으로는 전압, 전온도 조건을 사용하였고, 출구 조건으로 정압 조건을 사용하였다. 노즐과 로터의 조건은 stage 조건을 이용하여 경계면 처리를 수행하였다.
- 자오면 설계를 통하여 기본적인 터빈의 형상을 각 단별로 결정한 후, 각 단을 CFD 해석을 수행하여 각각 최적화를 실시했다. 최종적으로 각 단의 volute 와 collector 를 포함해 전체 터빈 시스템을 해석했다.
- 2 단이 1 단 보다 음속이 크므로 좀더 높은 팽창비로 작동이 가능하다. 작동 유체의 음속에 근거하여 1, 2 단으로 터빈의 로터를 나누면서 2 단의 팽창비를 1 단 보다 높게 설정하였다. 터빈의 기본 자오면 설계는 우선 비속도 분석을 통하여 터빈의 회전속도를 먼저 결정한 후 자오면 설계 프로그램을 이용하여 기본설계를 수행하였다.
- 작동유체 선택 후 열원온도, 터빈의 질량유량, 팽창비, 입구 압력, 입구 온도 선정을 위해 열역 학적 사이클 해석을 수행한다. 열원의 온도는 150℃가 사용될 것이지만 열원이 변경될 가능성과 탈설계 조건을 고려하여 140℃열원과 24℃ 냉각수 조건, 그리고 150℃열원과 20℃ 냉각수 두 가지 조건으로 열역학적 사이클 분석을 수행했다.
- 2 단의 터빈을 구성하는 형태는 로터를 배열하는 방법에 따라, return channel type 과 back-toback type 두 가지가 고려되었다. 최적의 성능을 찾기 위해서 두 가지 방식 모두 설계 및 해석이 수행되었고, 제작의 편의성과 축 방향 힘의 최소화를 위해 back-to-back 타입이 선정되어 제작되었다. 터빈이 설계된 과정을 좀 더 설명하면, return channel type 과 back-to-back type 이 동일한 노즐과 로터를 1, 2 단에서 사용하므로 1 단과 2 단을 설계 하여 각각 성능해석과 최적화 수행한 후 return channel type 과 back-to-back type 으로 1, 2 단을 연결하여 전체 유동 해석을 수행하여 최종 성능을 평가하였다.
- 자오면 설계를 통하여 기본적인 터빈의 형상을 각 단별로 결정한 후, 각 단을 CFD 해석을 수행하여 각각 최적화를 실시했다. 최종적으로 각 단의 volute 와 collector 를 포함해 전체 터빈 시스템을 해석했다. 해석에 사용된 CFD 프로그램은 ANSYS CFX 를 사용하였다.
- 작동 유체의 음속에 근거하여 1, 2 단으로 터빈의 로터를 나누면서 2 단의 팽창비를 1 단 보다 높게 설정하였다. 터빈의 기본 자오면 설계는 우선 비속도 분석을 통하여 터빈의 회전속도를 먼저 결정한 후 자오면 설계 프로그램을 이용하여 기본설계를 수행하였다. 1 단으로 구성된 구심 터빈의 경우 일반적으로 최고의 효율을 얻을 수 있는 비속도가 약 0.
- 본 연구에서는 R245fa 를 작동유체로 이용하는 ORC 터빈을 설계하였다. 터빈의 효율을 높이기 위해서 초음속 대신 아음속 터빈을 설계하였고, 200kW 폐열회수 ORC system 의 터빈을 설계 과정 및 성능 분석을 상세히 수록하였다.
- 최적의 성능을 찾기 위해서 두 가지 방식 모두 설계 및 해석이 수행되었고, 제작의 편의성과 축 방향 힘의 최소화를 위해 back-to-back 타입이 선정되어 제작되었다. 터빈이 설계된 과정을 좀 더 설명하면, return channel type 과 back-to-back type 이 동일한 노즐과 로터를 1, 2 단에서 사용하므로 1 단과 2 단을 설계 하여 각각 성능해석과 최적화 수행한 후 return channel type 과 back-to-back type 으로 1, 2 단을 연결하여 전체 유동 해석을 수행하여 최종 성능을 평가하였다.
- 터빈을 설계함에 있어서 작동 유체(R245fa)는 높은 포화 압력 때문에 높은 팽창비 갖게 되고, 또 작동유체가 낮은 음속을 가지는 관계로 낮은 팽창비에서도 초음속 상태로 돌입해 choking 현상이 발생할 수 있다. 폐열을 이용한 에너지 회수의 특성상 효율을 높이기 위하여 초음속 조건을 회피하기 위하여 낮은 팽창비를 갖는 다단의 아음속 터빈으로 설계하였다. 그리고, 제작상의 편의를 위하여 다단의 터빈의 구성은 축방향 힘을 감소시키기 위해 back-to-back type 의 구성으로 선정하였다.
- 6 을 가지도록 설계하는 것이 불가능하다. 회전축 속도를 동일하게 하면서 효율을 최적화 하기 위하여 1 단은 비속도 0.4, 2 단은 비속도 0.7, 회전속도는 15,000rpm 을 갖도록 설계되었다. 비속도가 결정된 경우 비직경도 함께 결정 되므로 대략적인 터빈 로터의 지름을 결정할 수 있다.
대상 데이터
- 따라서, R32 보다 R245fa 와 NovecTM 가 ORC system 의 작동유체로 적합하고, 열역학적 성질이 뛰어나다.(Table 1) 이 두 유체 중비용이 더 저렴한 하고 쉽게 구할 수 있는 R245fa 을 작동유체로 선정하였다.
- 본 연구에서 폐열 회수를 위해서 제작하는 200kW ORC system 을 위한 터빈을 설계하였다. 터빈을 설계함에 있어서 작동 유체(R245fa)는 높은 포화 압력 때문에 높은 팽창비 갖게 되고, 또 작동유체가 낮은 음속을 가지는 관계로 낮은 팽창비에서도 초음속 상태로 돌입해 choking 현상이 발생할 수 있다.
- 본 연구에서는 R245fa 를 작동유체로 이용하는 ORC 터빈을 설계하였다. 터빈의 효율을 높이기 위해서 초음속 대신 아음속 터빈을 설계하였고, 200kW 폐열회수 ORC system 의 터빈을 설계 과정 및 성능 분석을 상세히 수록하였다.
- 유기 랭킨사이클은 버려지는 폐열을 이용하기 때문에 지리적 위치나 날씨의 영향을 적게 받고, 기존의 개발된 증기터빈 시스템의 기술을 응용할수 있어서 최근 들어 연구가 많이 진행되고 있다. 사용할 수 있는 열원으로는 태양열,(1) fuel cell,(2) 공장 폐열과 같은 상대적으로 낮은 온도의 열원을 이용한다. 현재까지 전세계적으로 ORC system 은 약 1000MWe(3) 정도가 전세계적으로 운영되고 있다.
- 노즐과 로터의 조건은 stage 조건을 이용하여 경계면 처리를 수행하였다. 해석에 사용한 작동유체는 REFPROP 과 zero pressure 모델을 이용하여 물성을 설정하였다. 터빈에 대한 해석을 위해서 난류 모델은 SST 을 사용하였다.
데이터처리
- 최종적으로 각 단의 volute 와 collector 를 포함해 전체 터빈 시스템을 해석했다. 해석에 사용된 CFD 프로그램은 ANSYS CFX 를 사용하였다. 각 단의 nozzle 은 15 개, rotor 는 10 개의 blade 로 BladeGen 을 이용해 설계 되었고, TurboGrid 를 이용해 hexa mesh 로 해석을 수행했다.
이론/모형
- 이 결과를 바탕으로 y+의 변화가 효율 예측에 미치는 영향이 R245fa 를 사용하는 본 터빈의 해석에는 크지 않다고 판단하여, 실제 해석에서는 전체적으로 y+는 약 10 이하로 맞추어졌다. R245fa 의 열역학적 물성값은 REFPROP 을 이용하여 온도와 압력의 함수로 설정하였다. CFD 해석은 회전 속도를 15,000rpm 기준 50%부터 110%, 팽창비는 1.
- 해석에 사용한 작동유체는 REFPROP 과 zero pressure 모델을 이용하여 물성을 설정하였다. 터빈에 대한 해석을 위해서 난류 모델은 SST 을 사용하였다. SST 모델을 효과적으로 사용하기 위하여 터빈 하류 부분을 제외하고 boundary layer 의 y+값을 1 에 가깝게 유지하려고 하였으나, 공기가 아닌 R245fa 를 사용하는 경우 해석 결과가 발산하였다.
성능/효과
- 14% 정도로 매우 작다. 이 결과를 바탕으로 y+의 변화가 효율 예측에 미치는 영향이 R245fa 를 사용하는 본 터빈의 해석에는 크지 않다고 판단하여, 실제 해석에서는 전체적으로 y+는 약 10 이하로 맞추어졌다. R245fa 의 열역학적 물성값은 REFPROP 을 이용하여 온도와 압력의 함수로 설정하였다.
- Harinck 등(5)은 높은 압축비를 갖는 원심 ORC 터빈 stator 에 대해 수치해석을 수행하였다. 이 연구를 통하여 수치해석을 초음속 ORC 터빈을 효율을 계산하는데, 정확한 열역학 모델의 사용이 중요함을 보였다.
- 15 에서 확인 할 수 있다. 회전수가 9,000rpm 이상 일 때 넓은 팽창비에서 일정한 효율이 얻어짐을 확인했고, 팽창비 6 이상부터 큰 효율의 변화가 없는 것을 알 수 있다. 1 단과 2 단의 효율과 전체효율을 비교할 때 전체 효율이 많이 떨어지는 것을 알 수 있는데, 이는 back-to-back type 설계에서 1 단과 2 단을 연결하는 collector 에서 발생하는 압력 손실에 의한 효율 저하가 주 원인이다.
후속연구
- 이 과정을 통하여 R245fa 를 사용하는 200kW 급 ORC 터빈 설계에 성공하였다. 현재 200kW ORC system 은 개발 중이므로, 후속 연구를 통해 성능 시험을 한 결과와 수치해석의 off-design 성능 결과를 비교할 예정이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.