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문제 정의
- 이 때의 Gap sensor로 측정된 축계의 진동 정도를 기준으로 하여 이후 Cold Gas 시험에 의한 값과 비교하도록 하였다. Cold Gas 시험은 부분 유입으로 설계된 터빈에 대하여 유동에 의해 터빈이 구동될 때 터빈의 진동과 거동을 살펴보기 위하여 수행하였다. 터빈 입구는 상온의 5~12bar의 공기와 질소를 주입하고 출구는 상온 대기압의 외기로 배출하였다.
- 초임계 이산화탄소 발전사이클의 특성으로 인해, 터보기기의 크기가 매우 작아지고, 회전수가 높아지게 되는데, 이를 해결하기 위하여, 노즐로 유입되는 유로를 일부만 사용하는 부분유입 노즐을 세계 최초로 초임계 이산화탄소 발전용 터보발전기에 적용하여 개발하였다. 선도 그룹에서 제기된 Gas-foil 베어링의 한계를 극복하기 위하여 상용 앵귤러콘택트 볼 베어링을 사용한 터보발전기 레이아웃을 설계하였으며, 성능 시험 전 단계로 부분 유입방식의 고속 회전체 안정성을 확인하기 위하여 기초 실험을 진행하였다. 부분 유입 노즐을 통해 유체가 유입될 경우 진동 정도가 증가하는 경향을 보이나, 부하기를 통해 부하가 존재하는 경우 그 효과는 허용가능한 범위에 있는 것을 확인하였다.
- 하지만 터빈의 효율이 감소하더라도 노즐을 일부만 사용하는 부분 유입(Partial Admission)기술을 적용한다면 구심터빈을 해당 비속도 영역에서 운전이 가능할 것으로 판단하였다. 이에 본 연구에서는 세계 최초로, 부분 유입 기술을 적용할 수 있는 초임계 이산화탄소 발전용 구심형 터빈을 설계하고 CFD로 성능을 평가하여 시험에 앞서 성능을 예측하였다. Concepts NREC사의 Rital 설계프로그램을 이용하여 1차원 설계 및 2차원 자오면 설계를 수행하였다.
제안 방법
- 사이클의 특성 분석 및 운전기술 개발을 위해 열원으로는 운전 및 제어가 편리한 전기히터 방식을 사용하였다. 10kW 용량의 투입히터 외부에 20kW 용량의 밴드히터를 감는 방식으로 총 30kW의 열량을 공급할 수 있는 열원을 설계 및 제작하였다.
- 가열된 초임계 이산화탄소를 냉각하여 다시 압축, 가압할 수 있게 냉각수 생성용 냉동기를 제작하였다. 1단계 및 2단계 실험에서 각각 용량에 맞게 냉각수를 공급하기 위하여 5 RT, 10 RT 냉동기와 10kW의 히터가 결합된 형태의 냉동기를 제작하였다. 그리고 시스템 구동을 위한 액체 이산화탄소 주입용 펌프, 팽창 탱크, 시스템 내부 압력 및 유량 조절용 시린지 펌프, 터빈 누설 이산화탄소 보충용 시스템, 각종 밸브 및 안전장치와 측정 장치 등을 시스템에 맞게 선정하여 전체 시스템을 Fig.
- 라비린스 씰 설계를 통하여 2차 유로로 누설되는 양을 예측하였으며 누설 되는 이산화탄소를 보충하기 위하여 터빈 후단에 이산화탄소 보조탱크를 두어 제어하도록 시험장치를 구성하였다. 200,000 rpm 운전조건에 적합한 E+A사의 고속발전기를 사용하였으며 회전체 동역학 분석을 통하여 최적의 축 레이아웃을 설계하였다. 베어링 및 고속발전기의 냉각을 위한 냉각 유로도 설계하였으며, 공력 설계를 통한 부분유입 노즐을 구현하기 위하여 1개의 노즐 형상을 가공하여 터빈으로 작동유체가 유입될 수 있게 설계, 제작하였다.
- 2차원 설계가 완료된 후 자오면 형상, 유로 면적 및 날개각 분포 등을 Concetps NREC사에서 개발한 익형 설계 프로그램인 AxCent로 전달하여 이로부터 실제 익형을 설계하였다. 이후 가공성 및 구조적 안정성, 부분 분사 특성 등을 고려하여 익형 및 날개 수를 수정한 후 3차원 설계를 완료하였다.
- 작동유체는 초임계 이산화탄소로 설계 시에는 본 터빈이 운용되는 설계 영역에 대해 물성치 계산 프로그램인 REFPROP을 이용하여 생성한 물성치 테이블을 이용하였다. 2차원 설계는 1차원 설계를 허브 및 쉬라우드로 확장하여 유로의 면적 및 날개각, 손실모델 및 이탈각 모델을 적용하여 입출구의 유동조건을 도출하였다.
- 이에 본 연구에서는 세계 최초로, 부분 유입 기술을 적용할 수 있는 초임계 이산화탄소 발전용 구심형 터빈을 설계하고 CFD로 성능을 평가하여 시험에 앞서 성능을 예측하였다. Concepts NREC사의 Rital 설계프로그램을 이용하여 1차원 설계 및 2차원 자오면 설계를 수행하였다. 작동유체는 초임계 이산화탄소로 설계 시에는 본 터빈이 운용되는 설계 영역에 대해 물성치 계산 프로그램인 REFPROP을 이용하여 생성한 물성치 테이블을 이용하였다.
- 가열된 초임계 이산화탄소를 냉각하여 다시 압축, 가압할 수 있게 냉각수 생성용 냉동기를 제작하였다. 1단계 및 2단계 실험에서 각각 용량에 맞게 냉각수를 공급하기 위하여 5 RT, 10 RT 냉동기와 10kW의 히터가 결합된 형태의 냉동기를 제작하였다.
- 베어링 및 고속발전기의 냉각을 위한 냉각 유로도 설계하였으며, 공력 설계를 통한 부분유입 노즐을 구현하기 위하여 1개의 노즐 형상을 가공하여 터빈으로 작동유체가 유입될 수 있게 설계, 제작하였다. 각 부품 및 조립부에 대해 구조해석을 수행하여 구조 안전성을 확인하였다.
- 개발된 초고속 터보발전기에 대하여 설계 조건에 대한 성능 시험 전 단계로 회전체 동역학과 진동, 기타 기구적인 문제를 검토하고자 무부하 시험과 Cold Gas 시험을 우선적으로 수행하였다.
- 구심 터빈 및 원심압축기가 한 축에 연결된 밀폐형 타입의 터보기계를 설계하였으며, 설계 회전수는 70,000rpm이다. 고압/고속/고온 터보기기의 설계 운전 조건을 만족시키기 위하여 Gas-foil 타입의 저널 베어링 및 스러스트 베어링을 사용하였으며 큰 압력차에 의해 발생하는 축력 최소화를 위하여 Shrouded 형식의 압축기 임펠러와 터빈 휠을 설계하였으며, 라비린스 실을 통하여 휠 전후단에 동일한 압력이 분포되어 압력차에 의한 축력 발생을 최소화할 수 있도록 설계하였다. 또한 밀폐형 구조에서, 고압의 초임계 이산화탄소의 고속회전에 의한 Windage loss 최소화를 위하여 압축기와 터빈 사이의 공간에 압력을 인위적으로 낮추는 2차 유로 및 이를 통해 누설되는 이산화탄소를 재압축하는 시스템을 함께 설계하였다.
- 1과 같이 10kWe급의 최고온도 180 ℃, 최고압력 130bar, TAC(Turbine-Alternator-Compressor) 적용 테스트 루프를 구성하고 83℃, 85bar의 초임계 조건 운전을 성공하였다. 구심 터빈 및 원심압축기가 한 축에 연결된 밀폐형 타입의 터보기계를 설계하였으며, 설계 회전수는 70,000rpm이다. 고압/고속/고온 터보기기의 설계 운전 조건을 만족시키기 위하여 Gas-foil 타입의 저널 베어링 및 스러스트 베어링을 사용하였으며 큰 압력차에 의해 발생하는 축력 최소화를 위하여 Shrouded 형식의 압축기 임펠러와 터빈 휠을 설계하였으며, 라비린스 실을 통하여 휠 전후단에 동일한 압력이 분포되어 압력차에 의한 축력 발생을 최소화할 수 있도록 설계하였다.
- 개발 사이클은 2기의 터빈, 1기의 압축기, 2기의 복열기(Recuperator), 연소 열원 히터, 쿨러 및 주변기기로 구성된다. 구축하고자 하는 이중사이클을 완성하는데, 많은 시간과 비용이 들기 때문에 KIER에서는 기존의 10kWe급시험설비에 사용한 열원 및 열침원, 열교환기 그리고 주변기기들을 일부 활용하여 개발한 60kWe용량의 터보발전기를 테스트할 수 있도록 Fig. 2와 같이 시험장치를 수정 제작하였고, 기초 테스트를 진행중에 있다.
- 1단계 및 2단계 실험에서 각각 용량에 맞게 냉각수를 공급하기 위하여 5 RT, 10 RT 냉동기와 10kW의 히터가 결합된 형태의 냉동기를 제작하였다. 그리고 시스템 구동을 위한 액체 이산화탄소 주입용 펌프, 팽창 탱크, 시스템 내부 압력 및 유량 조절용 시린지 펌프, 터빈 누설 이산화탄소 보충용 시스템, 각종 밸브 및 안전장치와 측정 장치 등을 시스템에 맞게 선정하여 전체 시스템을 Fig. 4와 같이 완성하였으며 출력 생산을 위한 초고속 터보발전기를 설계, 제작하였고 출력 생산 전단계로 회전체 안정성을 테스트하기 위하여 무부하 시험을 진행하였다.
- 기존 기술 선도국의 개발 경험 및 데이터를 분석한 결과, 고압/고온 운전 조건에서 발생하는 큰 축력에 의한 Gas foil 베어링의 파손 문제가 초임계 이산화탄소 발전 사이클용 터보발전기의 기술적 어려움이라 판단하여, Fig. 8과 같이 상용 오일윤활 베어링을 사용하여 터보발전기 레이아웃을구성하는 전략을 사용하였다. 소형 고속 회전에 적합한 SKF사의 앵귤러컨택트 볼 베어링(Angular contact ball bearing)을 사용하여, 터빈 휠에서 발생하는 축력과 반경 방향의 힘을 동시에 지지할 수 있도록 하였다.
- 3에 나타내었다. 다양한 유량 조건을 시험할 수 있도록 유량이 각기 다른 2기의 용적식 펌프를 사용하여 20℃, 57bar, 0.07kg/s의 액체 상태 이산화탄소를 130bar의 초임계 상태로 가압하여 투입히터(Immersion Heater) 타입의 전기히터로 200℃까지 가열한 후 터빈을 구동하고, 판형 열교환기를 통해 액체 상태로 냉각하는 Transcritical 사이클을 구성하였다. 이 후 2단계에서는 500℃의 고온 사이클을 시험할 수 있도록 PCHE를 복열기 및 냉각기로 사용하는 Simple recuperated cycle로 시험할 수 있도록 밸브 시스템을 이용하여 시험장치를 구성하였다.
- 고압/고속/고온 터보기기의 설계 운전 조건을 만족시키기 위하여 Gas-foil 타입의 저널 베어링 및 스러스트 베어링을 사용하였으며 큰 압력차에 의해 발생하는 축력 최소화를 위하여 Shrouded 형식의 압축기 임펠러와 터빈 휠을 설계하였으며, 라비린스 실을 통하여 휠 전후단에 동일한 압력이 분포되어 압력차에 의한 축력 발생을 최소화할 수 있도록 설계하였다. 또한 밀폐형 구조에서, 고압의 초임계 이산화탄소의 고속회전에 의한 Windage loss 최소화를 위하여 압축기와 터빈 사이의 공간에 압력을 인위적으로 낮추는 2차 유로 및 이를 통해 누설되는 이산화탄소를 재압축하는 시스템을 함께 설계하였다. 압축기 및 터빈 구동을 위하여 열원으로 300℃ 가열이 가능한 열매체오일 보일러를 사용하였으며, 열원측 열교환기로 고온/고압 조건에 적합한 미세유로채널 열교환기(Printed Circuit Heat Exchanger, PCHE) 형식의 열교환기를 사용하였다.
- 오일 윤활을 위하여 터빈 부분과 베어링 부분을 라비린스 씰(Labyrinth seal)을 이용하여 분리하였다. 라비린스 씰 설계를 통하여 2차 유로로 누설되는 양을 예측하였으며 누설 되는 이산화탄소를 보충하기 위하여 터빈 후단에 이산화탄소 보조탱크를 두어 제어하도록 시험장치를 구성하였다. 200,000 rpm 운전조건에 적합한 E+A사의 고속발전기를 사용하였으며 회전체 동역학 분석을 통하여 최적의 축 레이아웃을 설계하였다.
- 먼저 Fig. 1과 같이 10kWe급의 최고온도 180 ℃, 최고압력 130bar, TAC(Turbine-Alternator-Compressor) 적용 테스트 루프를 구성하고 83℃, 85bar의 초임계 조건 운전을 성공하였다. 구심 터빈 및 원심압축기가 한 축에 연결된 밀폐형 타입의 터보기계를 설계하였으며, 설계 회전수는 70,000rpm이다.
- 무부하 운전의 경우 대기압 상태에서 터보발전기를 인버터를 통하여 전류를 인입시켜 인버터 모터와 같은 방식으로 축계를 강제 회전시켜 진동과 회전 한계를 시험하였다. 이 때의 Gap sensor로 측정된 축계의 진동 정도를 기준으로 하여 이후 Cold Gas 시험에 의한 값과 비교하도록 하였다.
- 200,000 rpm 운전조건에 적합한 E+A사의 고속발전기를 사용하였으며 회전체 동역학 분석을 통하여 최적의 축 레이아웃을 설계하였다. 베어링 및 고속발전기의 냉각을 위한 냉각 유로도 설계하였으며, 공력 설계를 통한 부분유입 노즐을 구현하기 위하여 1개의 노즐 형상을 가공하여 터빈으로 작동유체가 유입될 수 있게 설계, 제작하였다. 각 부품 및 조립부에 대해 구조해석을 수행하여 구조 안전성을 확인하였다.
- 특정 한 부위에서 유체가 유입되는 부분 유입방식을 사용할 경우, 터빈 휠로 유입되는 유체의 충격에 의해 터보발전기 축계의 회전안정성이 저하될 우려가 있다. 본 연구에서 개발한 터보발전기는 초고속 회전체로, 각 부품의 조립 공차 및 전체 축계의 진동 수준 관리가 중요하며, 이를 위하여 Fig. 8에서 표시한 것과 같이 축계의 좌측 끝부분에 갭 센서(Gap sensor)를 설치하여, 센서와 축 사이의 거리를 측정함으로써 반경 방향의 축 진동 정도를 모니터링 할 수 있게 구성하였다. Gap Sensor와 컨버터는 AEC-55 및 PU-02A 제품을 사용하였고 데이터 수집장치는 IOtech 650U와 전용 소프트웨어 EZ-Tomas를 사용하였다.
- 설계 시 회전축과 고정부의 접촉을 방지하기 위한 값을 설정하고 실제 구동에서도 진동에 의한 축의 반경 방향 진동 범위를 확인하며 시험을 진행하였다.
- 8과 같이 상용 오일윤활 베어링을 사용하여 터보발전기 레이아웃을구성하는 전략을 사용하였다. 소형 고속 회전에 적합한 SKF사의 앵귤러컨택트 볼 베어링(Angular contact ball bearing)을 사용하여, 터빈 휠에서 발생하는 축력과 반경 방향의 힘을 동시에 지지할 수 있도록 하였다. 오일 윤활을 위하여 터빈 부분과 베어링 부분을 라비린스 씰(Labyrinth seal)을 이용하여 분리하였다.
- 압축기 및 터빈 구동을 위하여 열원으로 300℃ 가열이 가능한 열매체오일 보일러를 사용하였으며, 열원측 열교환기로 고온/고압 조건에 적합한 미세유로채널 열교환기(Printed Circuit Heat Exchanger, PCHE) 형식의 열교환기를 사용하였다. 시스템 운전을 위하여 열매체오일의 온도 및 유량 제어를 통해 열원 공급을 제어하였으며, 이산화탄소측에 열원 바이패스 유로를 이용하여 터빈으로 공급되는 이산화탄소의 온도를 제어하였다. 그리고 냉각을 위하여 200 RT 냉동기와 PCHE 형식의 열교환기를 사용하였다.
- 또한 밀폐형 구조에서, 고압의 초임계 이산화탄소의 고속회전에 의한 Windage loss 최소화를 위하여 압축기와 터빈 사이의 공간에 압력을 인위적으로 낮추는 2차 유로 및 이를 통해 누설되는 이산화탄소를 재압축하는 시스템을 함께 설계하였다. 압축기 및 터빈 구동을 위하여 열원으로 300℃ 가열이 가능한 열매체오일 보일러를 사용하였으며, 열원측 열교환기로 고온/고압 조건에 적합한 미세유로채널 열교환기(Printed Circuit Heat Exchanger, PCHE) 형식의 열교환기를 사용하였다. 시스템 운전을 위하여 열매체오일의 온도 및 유량 제어를 통해 열원 공급을 제어하였으며, 이산화탄소측에 열원 바이패스 유로를 이용하여 터빈으로 공급되는 이산화탄소의 온도를 제어하였다.
- 터빈 입구는 상온의 5~12bar의 공기와 질소를 주입하고 출구는 상온 대기압의 외기로 배출하였다. 연결된 발전기에 대하여는 후단 부하기(Load Bank)로 0~500W의 부하를 걸어서 발전기 부하가 있는 경우와 발전기 부하 없이 회전하는 조건에 대하여 시험을 수행하였다. 이에 대한 회전수에 대한 Gap센서 간격을 기록한 결과는 다음 Fig.
- 소형 고속 회전에 적합한 SKF사의 앵귤러컨택트 볼 베어링(Angular contact ball bearing)을 사용하여, 터빈 휠에서 발생하는 축력과 반경 방향의 힘을 동시에 지지할 수 있도록 하였다. 오일 윤활을 위하여 터빈 부분과 베어링 부분을 라비린스 씰(Labyrinth seal)을 이용하여 분리하였다. 라비린스 씰 설계를 통하여 2차 유로로 누설되는 양을 예측하였으며 누설 되는 이산화탄소를 보충하기 위하여 터빈 후단에 이산화탄소 보조탱크를 두어 제어하도록 시험장치를 구성하였다.
- 무부하 운전의 경우 대기압 상태에서 터보발전기를 인버터를 통하여 전류를 인입시켜 인버터 모터와 같은 방식으로 축계를 강제 회전시켜 진동과 회전 한계를 시험하였다. 이 때의 Gap sensor로 측정된 축계의 진동 정도를 기준으로 하여 이후 Cold Gas 시험에 의한 값과 비교하도록 하였다. Cold Gas 시험은 부분 유입으로 설계된 터빈에 대하여 유동에 의해 터빈이 구동될 때 터빈의 진동과 거동을 살펴보기 위하여 수행하였다.
- 이러한 개발 경험을 바탕으로 KIER에서는 현재 폐열 회수 목적에 적합한 Sub-MWe급 500℃, 135bar 대응 이중사이클(Dual cycle) 시험 장치를 제작 중에 있으며, 개발 사이클에 필요한 2기의 터보기기 중, 60kWe용량의 1기의 축류형 터보발전기를 개발, 제작을 완료하였다. 개발 사이클은 2기의 터빈, 1기의 압축기, 2기의 복열기(Recuperator), 연소 열원 히터, 쿨러 및 주변기기로 구성된다.
- 이러한 환경하에, 우선적으로 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 실제로 구현하고, 사이클 특성을 분석하며, 사이클 운전 데이터를 확보하여 향후 스케일업 연구에 응용할 수 있는 최소 크기의 시험장치를 개발하였다.
- 2차원 설계가 완료된 후 자오면 형상, 유로 면적 및 날개각 분포 등을 Concetps NREC사에서 개발한 익형 설계 프로그램인 AxCent로 전달하여 이로부터 실제 익형을 설계하였다. 이후 가공성 및 구조적 안정성, 부분 분사 특성 등을 고려하여 익형 및 날개 수를 수정한 후 3차원 설계를 완료하였다. Fig.
- 특히, 다양한 실험을 위한 Sub-kWe급 소형 시험장치를 초고속 터보발전기와 함께 개발하였다. 초임계 이산화탄소 발전사이클의 특성으로 인해, 터보기기의 크기가 매우 작아지고, 회전수가 높아지게 되는데, 이를 해결하기 위하여, 노즐로 유입되는 유로를 일부만 사용하는 부분유입 노즐을 세계 최초로 초임계 이산화탄소 발전용 터보발전기에 적용하여 개발하였다. 선도 그룹에서 제기된 Gas-foil 베어링의 한계를 극복하기 위하여 상용 앵귤러콘택트 볼 베어링을 사용한 터보발전기 레이아웃을 설계하였으며, 성능 시험 전 단계로 부분 유입방식의 고속 회전체 안정성을 확인하기 위하여 기초 실험을 진행하였다.
- 터빈 공력설계와 동시에 회전수, 터빈 휠 직경, 축 직경, 축력, 베어링 및 씰 타입, 누설 유로 설계 및 유량 예측, 냉각 및 윤활 등을 고려하여 터보 발전기 레이아웃 설계를 진행하였다.
- 한국에너지기술연구원(KIER)에서는 소형화와 효율 향상 잠재력을 가진 초임계 이산화탄소 발전 사이클에 대해 연구를 진행해왔으며 10kW급, Sub-kWe급, Sub-MWe급의 3기의 시험장치를 개발하였다. 특히, 다양한 실험을 위한 Sub-kWe급 소형 시험장치를 초고속 터보발전기와 함께 개발하였다. 초임계 이산화탄소 발전사이클의 특성으로 인해, 터보기기의 크기가 매우 작아지고, 회전수가 높아지게 되는데, 이를 해결하기 위하여, 노즐로 유입되는 유로를 일부만 사용하는 부분유입 노즐을 세계 최초로 초임계 이산화탄소 발전용 터보발전기에 적용하여 개발하였다.
- 플런저 형식의 왕복동식 초임계 이산화탄소용 펌프 2기를 사용하여 1단계로 transcritical 사이클을 설계, 제작하였으며 이를 Fig. 3에 나타내었다. 다양한 유량 조건을 시험할 수 있도록 유량이 각기 다른 2기의 용적식 펌프를 사용하여 20℃, 57bar, 0.
- 6은 3차원 설계가 완료된 구심 터빈익형 형상이다. 회전수는 200,000rpm, 휠 직경은 22.6mm, 노즐 수 9개 기준으로 Full-admission 시시험 장치 설계 유량인 0.07kg/s의 9배인 0.621kg/s가 되도록 설계하였다. 이는 실제 실험 시 노즐을 1개만 사용하고 나머지 노즐은 유로를 막아 0.
대상 데이터
- 8에서 표시한 것과 같이 축계의 좌측 끝부분에 갭 센서(Gap sensor)를 설치하여, 센서와 축 사이의 거리를 측정함으로써 반경 방향의 축 진동 정도를 모니터링 할 수 있게 구성하였다. Gap Sensor와 컨버터는 AEC-55 및 PU-02A 제품을 사용하였고 데이터 수집장치는 IOtech 650U와 전용 소프트웨어 EZ-Tomas를 사용하였다.
- 이러한 개발 경험을 바탕으로 KIER에서는 현재 폐열 회수 목적에 적합한 Sub-MWe급 500℃, 135bar 대응 이중사이클(Dual cycle) 시험 장치를 제작 중에 있으며, 개발 사이클에 필요한 2기의 터보기기 중, 60kWe용량의 1기의 축류형 터보발전기를 개발, 제작을 완료하였다. 개발 사이클은 2기의 터빈, 1기의 압축기, 2기의 복열기(Recuperator), 연소 열원 히터, 쿨러 및 주변기기로 구성된다. 구축하고자 하는 이중사이클을 완성하는데, 많은 시간과 비용이 들기 때문에 KIER에서는 기존의 10kWe급시험설비에 사용한 열원 및 열침원, 열교환기 그리고 주변기기들을 일부 활용하여 개발한 60kWe용량의 터보발전기를 테스트할 수 있도록 Fig.
- 시스템 운전을 위하여 열매체오일의 온도 및 유량 제어를 통해 열원 공급을 제어하였으며, 이산화탄소측에 열원 바이패스 유로를 이용하여 터빈으로 공급되는 이산화탄소의 온도를 제어하였다. 그리고 냉각을 위하여 200 RT 냉동기와 PCHE 형식의 열교환기를 사용하였다. 초기 구동을 위해 외부 인버터를 이용하여 베어링의 lift-off 회전수인 15,000rpm으로 시동, 열원으로부터 가열된 이산화탄소의 유량을 바이패스 유로로 조절하며 터빈 입구 온도, 압력을 제어하였으며, 회전수 30,000rpm에서 사이클의 모든 지점이 초임계 영역에 있음을 확인하였다.
데이터처리
- Concepts NREC사의 Rital 설계프로그램을 이용하여 1차원 설계 및 2차원 자오면 설계를 수행하였다. 작동유체는 초임계 이산화탄소로 설계 시에는 본 터빈이 운용되는 설계 영역에 대해 물성치 계산 프로그램인 REFPROP을 이용하여 생성한 물성치 테이블을 이용하였다. 2차원 설계는 1차원 설계를 허브 및 쉬라우드로 확장하여 유로의 면적 및 날개각, 손실모델 및 이탈각 모델을 적용하여 입출구의 유동조건을 도출하였다.
이론/모형
- 이 후 2단계에서는 500℃의 고온 사이클을 시험할 수 있도록 PCHE를 복열기 및 냉각기로 사용하는 Simple recuperated cycle로 시험할 수 있도록 밸브 시스템을 이용하여 시험장치를 구성하였다. 사이클의 특성 분석 및 운전기술 개발을 위해 열원으로는 운전 및 제어가 편리한 전기히터 방식을 사용하였다. 10kW 용량의 투입히터 외부에 20kW 용량의 밴드히터를 감는 방식으로 총 30kW의 열량을 공급할 수 있는 열원을 설계 및 제작하였다.
- 한편 본 터빈의 구조적 안정성을 ANSYS mechanical을 이용하여 평가하였다. 대상 소재는 SUS630로 Fig.
성능/효과
- 07kg/s 로 구동되는 터빈과 같은 효과를 가지게 된다. 3차원 설계 완료 후 AxCent에 내장된 CFD 해석프로그램인 Push button CFD를 이용하여 3차원 해석을 수행하였으며, 해석 결과 일부 설계 최적화를 통한 유동장 및 성능 개선의 여지가 있으나, 전체적으로 설계 요구조건을 달성한 것으로 판단된다. Table 2에 설계 요구사양 및 3차원 CFD로 예측한 성능을 정리하였다.
- 선도 그룹에서 제기된 Gas-foil 베어링의 한계를 극복하기 위하여 상용 앵귤러콘택트 볼 베어링을 사용한 터보발전기 레이아웃을 설계하였으며, 성능 시험 전 단계로 부분 유입방식의 고속 회전체 안정성을 확인하기 위하여 기초 실험을 진행하였다. 부분 유입 노즐을 통해 유체가 유입될 경우 진동 정도가 증가하는 경향을 보이나, 부하기를 통해 부하가 존재하는 경우 그 효과는 허용가능한 범위에 있는 것을 확인하였다.
- 그리고 냉각을 위하여 200 RT 냉동기와 PCHE 형식의 열교환기를 사용하였다. 초기 구동을 위해 외부 인버터를 이용하여 베어링의 lift-off 회전수인 15,000rpm으로 시동, 열원으로부터 가열된 이산화탄소의 유량을 바이패스 유로로 조절하며 터빈 입구 온도, 압력을 제어하였으며, 회전수 30,000rpm에서 사이클의 모든 지점이 초임계 영역에 있음을 확인하였다.(6)
후속연구
- 발전기의 부하가 작용하는 경우 낮은 회전수에 대하여는 무부하 운전의 경우에 비해 진동이 크게 나타나지만 회전수를 증가시키면 그 차이가 줄어드는 것을 알 수 있다. 따라서 개발된 터보 발전기의 경우 11%의 부분 유입 운전으로 설계되어 터빈 입구에서 불균일한 유동이 유입되지만 120,000rpm까지는 파손 없이 운전될 것으로 예상되며 차후 설계조건의 회전수 및 입출구 온도 압력에 대하여 시험할 예정이다.
- 이와 병행하여, Sub-MWe급 이중 Brayton 시험장치 구축을 진행 중에 있으며, 사이클에 필요한 2기의 터빈 중 기 설계, 제작, 설치한 1기의 60kWe 축류형 터보제너레이터를 기 제작한 열원설비들을 활용하여 200℃ 터빈 입구 조건에서 전력생산 운전을 1차적으로 진행할 예정이다. 이 후 500℃ 터빈입구조건 생성을 위한 고온 열원장치 및 1기의 터보기계를 추가로 제작하여 이중 Brayton 시험장치를 완성하고 운전을 진행할 계획이다.
- 한국에너지기술연구원에서는 이 후 본 연구에서 개발한 Sub-kWe급 터보제너레이터 및 시험장치 운전을 통해 전력생산 운전을 진행할 예정이며,이를 통하여 초임계 이산화탄소 발전사이클의 운전 특성, 터보기계 운전 특성, 운전 및 제어 전략개발을 진행할 예정이다. 이와 병행하여, Sub-MWe급 이중 Brayton 시험장치 구축을 진행 중에 있으며, 사이클에 필요한 2기의 터빈 중 기 설계, 제작, 설치한 1기의 60kWe 축류형 터보제너레이터를 기 제작한 열원설비들을 활용하여 200℃ 터빈 입구 조건에서 전력생산 운전을 1차적으로 진행할 예정이다. 이 후 500℃ 터빈입구조건 생성을 위한 고온 열원장치 및 1기의 터보기계를 추가로 제작하여 이중 Brayton 시험장치를 완성하고 운전을 진행할 계획이다.
- 한국에너지기술연구원에서는 이 후 본 연구에서 개발한 Sub-kWe급 터보제너레이터 및 시험장치 운전을 통해 전력생산 운전을 진행할 예정이며,이를 통하여 초임계 이산화탄소 발전사이클의 운전 특성, 터보기계 운전 특성, 운전 및 제어 전략개발을 진행할 예정이다. 이와 병행하여, Sub-MWe급 이중 Brayton 시험장치 구축을 진행 중에 있으며, 사이클에 필요한 2기의 터빈 중 기 설계, 제작, 설치한 1기의 60kWe 축류형 터보제너레이터를 기 제작한 열원설비들을 활용하여 200℃ 터빈 입구 조건에서 전력생산 운전을 1차적으로 진행할 예정이다.
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