유선곡률해석법은 다단 축류 터빈의 설계과정에서 필수적으로 이용되며, 실제 작동환경에서 발생하는 손실을 설계 단계에서 미리 반영할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 이와 관련한 국내 독자 연구가 부족한 실정이다. 본 연구에서는 다단 축류 터빈에서의 누설 유동에 따른 성능해석을 위해 유선곡률해석법과 유동 혼합에 따른 손실 예측 모델을 적용하였다. 국내 운전 중인 86 MW급 발전용 가스터빈의 5단 축류터빈에 대해 본 연구에서 제안한 방법을 적용하여 성능해석을 수행하였다. 계산된 결과는 3차원 전산해석 결과와 비교하였으며, 유선곡률해석법이 가지는 장점과 한계에 대해 기술하였다.
유선곡률해석법은 다단 축류 터빈의 설계과정에서 필수적으로 이용되며, 실제 작동환경에서 발생하는 손실을 설계 단계에서 미리 반영할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 이와 관련한 국내 독자 연구가 부족한 실정이다. 본 연구에서는 다단 축류 터빈에서의 누설 유동에 따른 성능해석을 위해 유선곡률해석법과 유동 혼합에 따른 손실 예측 모델을 적용하였다. 국내 운전 중인 86 MW급 발전용 가스터빈의 5단 축류터빈에 대해 본 연구에서 제안한 방법을 적용하여 성능해석을 수행하였다. 계산된 결과는 3차원 전산해석 결과와 비교하였으며, 유선곡률해석법이 가지는 장점과 한계에 대해 기술하였다.
The streamline curvature method is essentially used for the design procedure of multi-stage axial turbines. Moreover, by using this method, it is possible to consider the turbine loss characteristics for real operating conditions at an early design stage. However, there is not enough relevant resear...
The streamline curvature method is essentially used for the design procedure of multi-stage axial turbines. Moreover, by using this method, it is possible to consider the turbine loss characteristics for real operating conditions at an early design stage. However, there is not enough relevant research in South Korea to support this. In the present study, the streamline curvature method and the empirical equation for calculating the mixing loss are employed to predict the performance of a multi-stage axial turbine with leakage flows. The proposed method is applied to the prediction of the performance of a five-stage axial turbine with leakage flows, as used for an industrial gas turbine of 86 MW in South Korea. The calculation result is compared with 3D CFD data, and the advantages and limitations of the streamline curvature method are described.
The streamline curvature method is essentially used for the design procedure of multi-stage axial turbines. Moreover, by using this method, it is possible to consider the turbine loss characteristics for real operating conditions at an early design stage. However, there is not enough relevant research in South Korea to support this. In the present study, the streamline curvature method and the empirical equation for calculating the mixing loss are employed to predict the performance of a multi-stage axial turbine with leakage flows. The proposed method is applied to the prediction of the performance of a five-stage axial turbine with leakage flows, as used for an industrial gas turbine of 86 MW in South Korea. The calculation result is compared with 3D CFD data, and the advantages and limitations of the streamline curvature method are described.
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문제 정의
터빈의 실제 작동환경에서 발생할 수 있는 손실을 초기 설계 단계에서 미리 반영할 수 있다는 것은 각 설계 단계별 성능 차이를 줄여 반복설계 및 전체 개발 기간을 줄일 수 있다는 것을 의미한다. 본 논문에서는 다단 축류 터빈에서의 누설 유동에 따른 성능을 예측하기 위한 유선곡률해석법에 대해 연구하였다. 일반적인 유선곡률해석법에서 주 유동 및 누설유동간의 혼합에 의한 손실 예측 모델을 반영하였다.
본 연구에서는 다단 축류 터빈에서의 누설 유동을 고려한 유선곡률해석법에 대해 기술하였다. 주 유동과 누설 유동간의 간섭으로 인해 발생하는 손실을 예측하기 위해 Hartel[10]이 제안한 손실 모델을 적용하였다.
가설 설정
Table 2는 대상 터빈 각 단별 특성을 나타낸 것이다. 1단 노즐의 블레이드 팁 영역 앞쪽에 하나의 누설유동과 블레이드 허브영역 앞뒤에 두 개의 누설유동이 있다고 가정하였다. 누설부의 형상은 회전방향으로 동일한 형상을 가지는 슬랏 형태로 가정하였다.
1단 노즐의 블레이드 팁 영역 앞쪽에 하나의 누설유동과 블레이드 허브영역 앞뒤에 두 개의 누설유동이 있다고 가정하였다. 누설부의 형상은 회전방향으로 동일한 형상을 가지는 슬랏 형태로 가정하였다. 이는 연소기와 터빈 노즐 사이의 간극 및 회전체와 고정자간의 간극에 의한 영향을 고려하기 위함이다.
8과 같이 속도에 대한 식으로 나타낼 수 있다. 또한 노즐에서는 외부 열 유입이 없는 단열 조건으로 가정 하였다.
Casey와 Robinson[7]은 원심 터빈 성능해석을 위해 높이 방향으로 17개의 유선을 정의하였으며, Tiwari 등[8]의 연구에서는 13개의 유선을 배치하여 터빈 성능해석 정확도를 검증한바 있다. 본 연구에서는 앞선 관련문헌들의 유선수를 참고하여 Fig. 5와 같이 블레이드 높이방향으로 20개의 유선이 있다고 가정하였다.
제안 방법
유량은 Eq. 7과 같이 높이 방향으로의 자오면 속도분포와 각 유선이 가지는 면적 정보를 이용하여 계산하였다.
10은 무차원화된 압력비의 예측결과를 나타낸 것이다. 누설유동이 있는 경우의 예측 결과는 누설유동이 없는 경우와 나누어서 무차원화 하였다. 유선곡률해석법의 경우 5단을 제외한 나머지 단에서 3차원 전산해석 결과와 비교하여 무차원화된 전압력비를 높게 예측하였다.
일반적인 유선곡률해석법에서 주 유동 및 누설유동간의 혼합에 의한 손실 예측 모델을 반영하였다. 대상 모델로 국내에서 운용 중인 86 MW급 산업용 가스터빈의 5단 축류 터빈을 선정하였으며, 본 연구에서 제안한 방법과 3차원 전산해석 결과를 비교, 분석하였다. 결과적으로 누설 유동을 반영한 유선곡률해석법의 경우, 단별 및 전체 성능은 3차원 전산해석 결과와 유사하게 예측하는 것을 확인하였다.
대상 모델은 발전용 5단 축류 터빈이며, 유선곡률해석법 및 Navier- tokes 방정식을 이용한 3차원 전산해석을 통해 누설 유동에 따른 성능해석을 수행하였다. 또한 두 해석법 간의 차이를 비교, 분석하였다.
본 연구에서는 정상상태, 축대칭, 그리고 비점성 운동량방정식을 이용한 유선곡률해석법을 적용하여 성능해석을 수행 하였다. 이 방법은 블레이드 높이 방향으로 다수의 유선을 부여하고 흐름 방향으로의 계산 위치를 정의한다.
블레이드 허브와 팁 영역에서 발생하는 2차유로 누설 유동에 따른 성능 변화를 고려하기위해 모델링을 수행하였다. Fig.
이 방법은 블레이드 높이 방향으로 다수의 유선을 부여하고 흐름 방향으로의 계산 위치를 정의한다. 유선과 교차하는 각 지점에서 운동량 방정식, 속도성분간의 기하학적 관계 및 질량 보존식을 이용하여 유량과 필요한 유동 값들을 도출한다. 이후 유선들이 같은 유량을 가지도록 유선의 반경방향 위 치들을 수렴시킨다.
대상 데이터
입구 유동 각도에 따른 형상손실 계수( Y'p,AM(βm1 = 0) and Y'p,AM(βm1 = α2) )는 경험데이터를 통해 예측하였다.
데이터처리
또한 출구 안내익이 있는 3단 비냉각 축류 터빈에 대한 해석 결과를 3차원 전산해석 결과와 비교하였다.
이론/모형
는 Eq. 30과 같이 Yaras와 Sjolander[17]가 제안한 식을 이용하여 계산하였다. Ygap은 Eq.
본 연구에서는 2차 유로 누설 유동을 모델링 하기 위해 Eq. 35와 같이 Hartel[9]의 두 유동의 혼합으로 발생하는 손실 관계식을 적
용하였다.
조건이 다른 두 유동이 하나로 합쳐졌을 때의 온도를 예측하기 위해 Eq. 36과 같이 에너지 평형 방정식을 이용하였다.
3차원 전산해석은 본연구와 동일한 형상에 대해 해석을 수행한 방명환[12]의 연구에 나타난 결과를 이용하였다. 해석은 ANSYS CFX를 이용하여 수행되었으며, 입구 전압력 및 출구 정온도 조건으로 해석을 수행한 결과이다.
해석은 ANSYS CFX를 이용하여 수행되었으며, 입구 전압력 및 출구 정온도 조건으로 해석을 수행한 결과이다. 난류 모델은 SST를 사용하였으며, 노즐과 로터의 경계면은 혼합면 기법으로 처리하였다. 자세한 격자 및 계산 조건은 방명환[12]의 연구에서 확인할 수 있다.
주 유동과 누설 유동간의 간섭으로 인해 발생하는 손실을 예측하기 위해 Hartel[10]이 제안한 손실 모델을 적용하였다. 대상 모델은 발전용 5단 축류 터빈이며, 유선곡률해석법 및 Navier- tokes 방정식을 이용한 3차원 전산해석을 통해 누설 유동에 따른 성능해석을 수행하였다. 또한 두 해석법 간의 차이를 비교, 분석하였다.
943으로 정의하였다. 본 연구에서 또한 Yaras와 Sjolander[17]정의를 이용하여 KE와 KG를 입력하였다.
터빈 유로내의 전압력 손실을 예측하기 위한 손실모델의 종류에는 여러 가지가 있으며 여러손실인자들을 고려한 모델들을 중첩하여 전체손실을 예측하는 방법이 일반적이다. 본 연구에서는 혼합 손실을 제외한 나머지 터빈 유로내의 전압력 손실을 예측하기 위해 Tournier and El-Genk[12]이 제안한 손실모델 조합을 적용하였다. Table 1은 본 연구에서 고려한 손실인자들과 참고 문헌을 정리한 것이다.
유동이 터빈의 로터를 지날 때 동력전달이 있으므로 전엔탈피와 전온도가 변하게 된다. 이를 계산하기 위해 로터에서의 각 운동량 보전 방정식 및 속도 삼각형을 이용하였다. 터빈 한 단에서의 전온도감소량(ΔT08)은 Eq.
2는 기하학적 정의를 묘사한 것이다. 자 오면 속도분포를 계산하기 위한 지배 방정식으 로는 Aungier[11]에 의해 정리된 반경방향 평형 방정식을 이용하였으며 Eq. 1과 같다.
본 연구에서는 다단 축류 터빈에서의 누설 유동을 고려한 유선곡률해석법에 대해 기술하였다. 주 유동과 누설 유동간의 간섭으로 인해 발생하는 손실을 예측하기 위해 Hartel[10]이 제안한 손실 모델을 적용하였다. 대상 모델은 발전용 5단 축류 터빈이며, 유선곡률해석법 및 Navier- tokes 방정식을 이용한 3차원 전산해석을 통해 누설 유동에 따른 성능해석을 수행하였다.
초기 비 냉각 터빈에 대한 유선곡률해석법은 Wu[1]의 이론을 기초로 하여 Smith[2], Novak[3] 그리고 Denton[4]에 의해 정립되었다. Petrovic 와 Wiedermann[5, 6]은 터빈 블레이드의 필름, 디스크, 끝벽 냉각 유동을 고려한 유선곡률해석 법을 제안하고 4단 축류 터빈 시험 결과와 비교하였다.
성능/효과
대상 모델로 국내에서 운용 중인 86 MW급 산업용 가스터빈의 5단 축류 터빈을 선정하였으며, 본 연구에서 제안한 방법과 3차원 전산해석 결과를 비교, 분석하였다. 결과적으로 누설 유동을 반영한 유선곡률해석법의 경우, 단별 및 전체 성능은 3차원 전산해석 결과와 유사하게 예측하는 것을 확인하였다. 허브 및 팁에서의 국부적인 유동 특성은 차이가 발생하였으며, 이는 허브 및 팁 영역에서의 경계층 효과 및 3차원 유동 특성을 예측하는 두 방법 간의 차이 때문인 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
관통유동 해석법의 장점은?
관통유동 해석법(through-flow analysis)은 터빈의 설계 초기 단계에서 필수적으로 이용된다. 관통유동 해석법의 장점은 3차원 해석법과 비교 하여 상대적으로 적은 계산 시간으로 단단 및 다단을 가지는 터빈에 대한 다양한 조건에서의 성능을 계산할 수 있다는 것이다. 관통유동 해석법중 대표적인 것들로는 1차원 평균반경해석법과 블레이드 반경방향의 유동 및 상태 변화를 고려할 수 있는 2차원 유선곡률해석법(streamine curvature method)이 있다.
관통유동해석의 각 해석법이 가지는 차이점에 대해 분석하고 격차를 줄이는 것이 필요한 이유는 무엇 때문인가?
이 과정에서 국부적으로 냉각 설계가 수정되고, 구성품 시험 전 실제 조건과 가까운 터빈 성능을 예측할 수 있다. 만약 3차원 전산해석을 통해 설계 성능을 만족 시키지 못하는 것이 확인된 경우, 이전 설계 단계로 돌아가 설계를 수정하는 과정이 반복 된다. 이러한 반복 과정은 전체 설계 기간을 증 가시키는 요인이 된다. 때문에 각 해석법이 가지는 차이점에 대해 분석하고 그 격차를 줄이는 것이 반드시 필요하다.
관통유동 해석법은 어디에 필수적으로 이용되는가?
관통유동 해석법(through-flow analysis)은 터빈의 설계 초기 단계에서 필수적으로 이용된다. 관통유동 해석법의 장점은 3차원 해석법과 비교 하여 상대적으로 적은 계산 시간으로 단단 및 다단을 가지는 터빈에 대한 다양한 조건에서의 성능을 계산할 수 있다는 것이다.
참고문헌 (21)
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