증기 터빈 노즐 베인의 두께 변화와 유량별 등엔트로피 효율 변화에 관한 수치해석 A Numerical Investigation on the Isentropic Efficiency of Steam Turbine Nozzle Stage with Different Nozzle Vane Thickness and Mass Flow Rate원문보기
증기 질량 유량의 변화에 따른 증기 터빈노즐 단의 등엔트로피 노즐 효율을 계산하였다. 증기상태에 관한 압축성 Navier-Stokes 방정식을 기반으로 삼차원 수치해석 모델이 개발되었다. 두 가지의 삼차원 노즐 형상으로 압력, 온도, 속도, 마하수, 그리고 Markov 에너지 손실 계수가 계산되었다. 노즐 블레이드의 두께가 15mm에서 45mm로 증가함에 따라 최대 효율의 질량 유량은 0.9kg/s에서 1.6kg/s로 증가하였으며 최대 등엔트로피 효율은 각각 96.66%, 97.32%로 계산되었다. 질량 유량에 따른 등엔트로피 노즐 효율과 Markov 에너지 손실 계수를 계산하여 Markov 에너지 손실 계수와 등엔트로피 노즐 효율이 선형적 반비례 관계가 있음을 규명하였다.
증기 질량 유량의 변화에 따른 증기 터빈 노즐 단의 등엔트로피 노즐 효율을 계산하였다. 증기상태에 관한 압축성 Navier-Stokes 방정식을 기반으로 삼차원 수치해석 모델이 개발되었다. 두 가지의 삼차원 노즐 형상으로 압력, 온도, 속도, 마하수, 그리고 Markov 에너지 손실 계수가 계산되었다. 노즐 블레이드의 두께가 15mm에서 45mm로 증가함에 따라 최대 효율의 질량 유량은 0.9kg/s에서 1.6kg/s로 증가하였으며 최대 등엔트로피 효율은 각각 96.66%, 97.32%로 계산되었다. 질량 유량에 따른 등엔트로피 노즐 효율과 Markov 에너지 손실 계수를 계산하여 Markov 에너지 손실 계수와 등엔트로피 노즐 효율이 선형적 반비례 관계가 있음을 규명하였다.
In this study, the influence of mass flow rate on the isentropic efficiency of the steam turbine nozzle stage is investigated. A realistic three-dimensional numerical model, which is based on the compressible Navier-Stokes equations, is developed for the steam phase. The comprehensive conservation l...
In this study, the influence of mass flow rate on the isentropic efficiency of the steam turbine nozzle stage is investigated. A realistic three-dimensional numerical model, which is based on the compressible Navier-Stokes equations, is developed for the steam phase. The comprehensive conservation laws and a kinetic model for steam are investigated. With two different models for the three-dimensional geometry of the nozzle stage, the pressure and temperature distributions, velocity, Mach number. and Markov energy loss coefficient are calculated. A maximum efficiency of 96.66％ is found at a mass flow rate of 0.9 kg/s in model A. In model B, a maximum efficiency of 97.32％ is found at a rate of 1.6 kg/s. It is determined that the isentropic nozzle efficiency increases as the Markov energy loss coefficient decreases through a nearly linear relationship.
In this study, the influence of mass flow rate on the isentropic efficiency of the steam turbine nozzle stage is investigated. A realistic three-dimensional numerical model, which is based on the compressible Navier-Stokes equations, is developed for the steam phase. The comprehensive conservation laws and a kinetic model for steam are investigated. With two different models for the three-dimensional geometry of the nozzle stage, the pressure and temperature distributions, velocity, Mach number. and Markov energy loss coefficient are calculated. A maximum efficiency of 96.66％ is found at a mass flow rate of 0.9 kg/s in model A. In model B, a maximum efficiency of 97.32％ is found at a rate of 1.6 kg/s. It is determined that the isentropic nozzle efficiency increases as the Markov energy loss coefficient decreases through a nearly linear relationship.
(17) 본 논문에서는 증기 터빈 노즐 베인의 형상 변화에 따른 단의 내부 비가역 발생의 정확한 성능 예측을 위한 3차원 수치해석을 진행하였다. 그 결과 2가지의 모델에 대해 증기의 질량 유량의 변화에 대한 등엔트로피 노즐 효율을 구현하여 노즐 단의 성능을 예측하였으며, Markov 에너지 손실 계수와 등엔트로피 노즐 효율의 선형적 관계를 규명하였다.
Mo의 논문에서는 구심 터빈의 베인 노즐 출구 각도 변화에 대한 성능과 내부 유동의 영향을 분석하였다.(17)본 논문에서는 증기 터빈 노즐 베인의 형상 변화에 따른 단의 내부 비가역 발생의 정확한 성능 예측을 위한 3차원 수치해석을 진행하였다. 그 결과 2가지의 모델에 대해 증기의 질량 유량의 변화에 대한 등엔트로피 노즐 효율을 구현하여 노즐 단의 성능을 예측하였으며, Markov 에너지 손실 계수와 등엔트로피 노즐 효율의 선형적 관계를 규명하였다.
제안 방법
기존의 논문이 내구성과 저가격, 고효율을 위해 사용하는 고온 조건에서의 냉각 성능, 습증기에 의한 물방울 충돌에 관한 연구에 주로 의존하고 있으나 본 논문에서는 실제 상업용 증기 터빈 노즐 단의 3차원 수치해석을 통해 등엔트로피 효율에 관한 성능을 예측하고 비교하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
3개의 노즐 형상을 통해 진행하였으며 노즐의 왼쪽에서 오른쪽으로 증기가 공급된다. 실제 증기 터빈에 사용되는 2가지의 노즐 형상에 대해 증기 질량 유량 변화에 대한 등엔트로피 노즐 효율을 계산하였다. 노즐 베인의 캠버 라인은 2가지의 형상에 대해 다르게 그려지며 수치해석 형상에 대한 구체적인 정보는 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
물성치의 오차를 최소화하고 과열 증기의 유동 특성을 잘 모사할 수 있도록 식 (2)와 같이 Realgas-soave-redlich-kwong 실제기체 모델을 이용하여 수치해석을 진행하였다.
압축성 증기 유동 해석을 위하여 압축성 Navier-Stokes 방정식을 사용하였으며 식 (1)에 나타내었다.
성능/효과
(1) 노즐 단의 등엔트로피 효율은 매끄러운 포물선 형태의 그래프를 나타내며, 모델 A는 0.9 kg/s에서 최대 96.66 %, 모델 B는 1.6 kg/s에서 최대 97.32 %로 계산되었다.
(2) 증기 터빈 노즐 단의 등엔트로피 효율과 Markov 에너지 손실 계수의 선형적 관계 그래프를 도출하였다.
(3) 본 논문은 등엔트로피 효율 성능의 최적 설계 구성을 위한 자료로 유용하게 활용될 수 있으며 본 연구에서 규명된 노즐 효율과 Markov 에너지 손실 계수의 관계는 학술적으로 크게 기여할수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
석탄가스화 복합 발전 시스템은 무엇인가?
이에 따라 화석연료를 활용할수 있는 대체에너지에 관한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다.(1~4) 석탄의 부분 연소를 통한 가스화로 가스 터빈의 연료를 생성하며 발생한 열을 회수하여 증기 터빈의 증기를 생성하는 석탄가스화 복합 발전 시스템이 대체 에너지로써 활발히 연구되고 있다.(5) 석탄가스화 복합 발전 기술은 미국의 GE사, 네덜란드의 Shell사 등의 선진국 주요 기업들이 주도하고 있다.
석탄가스화를 통해 생성된 증기는 어디에 사용되는가?
(5) 석탄가스화 복합 발전 기술은 미국의 GE사, 네덜란드의 Shell사 등의 선진국 주요 기업들이 주도하고 있다. 석탄가스화를 통해 생성된 증기는 증기 터빈 구동에 사용된다. 증기 터빈은 중요한 발전 장치 설비이며 증기 터빈에서의 핵심 기술은 열/유체 기술이다.
터빈의 노즐 및 블레이드 단에 대해 주로 수행되는 연구는 무엇인가?
(6~10) 이로 인해 터빈의 노즐 및 블레이드 단에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 내구성에 관한 구조해석, 온도상승을 통한 고효율 구현, 물방울 충돌, 냉각 성능에 관한 연구가 대부분이다.(11~16) J.
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