초록 ▼

연구의 목적 및 내용

최근 에너지의 사용이 급증하면서 신재생 에너지 연구 외에 에너지 발생 설비의 고 효율화에 더 많은 관심이 모아지고 있다. 각각의 설비 효율을 증가시키는 것 보다는 시스템 전체의 효율을 증가시키는 방향으로 연구가 진행되고 있고, 이 중 Organic Rankine Cycle system(ORC)은 저온은 열원을 이용하여 출력을 얻는 방법으로 많은 관심을 받고 있다. 폐열 또는 폐압을 회수하는 에너지 회수 시스템인 ORC의 경우, 가장 중요한 핵심 부품은 발전기를 돌리는 터빈(팽창기)이다. 사용되는 작

연구의 목적 및 내용

최근 에너지의 사용이 급증하면서 신재생 에너지 연구 외에 에너지 발생 설비의 고 효율화에 더 많은 관심이 모아지고 있다. 각각의 설비 효율을 증가시키는 것 보다는 시스템 전체의 효율을 증가시키는 방향으로 연구가 진행되고 있고, 이 중 Organic Rankine Cycle system(ORC)은 저온은 열원을 이용하여 출력을 얻는 방법으로 많은 관심을 받고 있다. 폐열 또는 폐압을 회수하는 에너지 회수 시스템인 ORC의 경우, 가장 중요한 핵심 부품은 발전기를 돌리는 터빈(팽창기)이다. 사용되는 작동 유체는 대부분 유체 내부의 음속이 낮아지는 현상이 발생하고, 낮은 팽창비에서도 초음속에 도달하는 현상으로 인하여 유량, 출력을 증가시키지 못하고 효율이 떨어지는 현상이 발생하므로 보통 다단으로 터빈 로터를 구성하여 초음속을 피하도록 설계한다. 그러나 소형의 시스템의 경우 다단 터빈은 생산 단가가 높고 터빈의 구성이 복잡하고 크기가 커지는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 해결할 수 있는 방법은 초음속 노즐을 이용한 단단 초음속 터빈을 설계하는 것이다. 그러나 초음속 터빈은 아음속 터빈 보다 설계가 어렵고 낮은 효율을 가진다. 원인은 초음속 현상에서 발생하는 충격파에 기인한다. 따라서 동일한 출력을 가지면서 크기가 작고 제작 비용이 낮은 초음속 터빈을 개발하기 위해서는 초음속에서 충격파를 최소화하는 설계가 필요하다. 그러나 국내에서는 공기가 아닌 작동 유체를 팽창시켜서 에너지를 얻는 초음속 터빈 관련 연구가 충분히 수행되어 있지 않다.
초음속 노즐에 대한 기초연구는 많은 산업적인 응용을 가지고 있으나 기업체에서 수행하기 어려운 기초적인 연구 과제이다. 본 연구의 목적은 에너지 회수 시스템의 고효율 및 생산비용을 낮추기 위한 초음속 노즐을 설계하는 기술을 개발하는 것에만 국한되지 않고, 초음속 노즐 최적 설계 기술 확보를 통하여 다양한 유체기계의 최적화 및 고효율화를 이루는 것이다. 그리고 최적화된 초음속 노즐은 초음속 터빈의 효율을 높이고 크기를 줄이며 에너지회수 시스템의 제작비용을 획기적으로 줄여 줄 것으로 기대된다.

연구결과

· 최신 초음속 터빈 노즐/로터 개발 동향(국외) 조사 완료
- 주로 수치해석을 통한 시뮬레이션 결과에 의존하며 터빈 실증실험 사례는 보고된 바 없다. 그러나 Dense gas에 대한 관심은 높으며, 초음속 노즐 실험은 2016년 Turbo expo에서 보고되었다.
· 이상기체 기반의 초음속 노즐의 2D 설계 및 3차원 수치해석 수행
- MOC를 이용하여 초음속 노즐을 설계하고, 이를 이용하여 수치해석을 수행
· 이상기체 기반 초음속 노즐의 수치해석 결과와 PIV 실험과 비교를 통해 검증
- 중국의 Chen 등의 PIV 실험과 flow field 비교를 통해 수치해석 모델 검증
· ORC용 초음속 터빈은 대부분 dense gas 영역에 속하게 되므로, dense gas용 초음속 노즐 설계
- 기존에 사용했던 설계 방법과 Wheeler 등이 제시한 개선된 MOC를 이용하여 초음속 노즐을 설계 및 성능을 평가
- loss coefficient를 이용하여 노즐의 날개 개수 변화에 따른 성능을 평가하였다.

연구결과의 활용계획

· 초음속 터빈은 아음속 터빈에 비해 충격파로 인한 효율은 떨어지지만 버려지는 압력이 매우 큰 경우에 다단의 아음속 터빈을 구성하는데 비해 1개의 터빈으로 이를 대체할 수 있다. 이를 위해 설계된 초음속 터빈의 실증 실험을 통해 성능을 확인할 필요가 있다. 성능이 확인되면, 다양한 열원과 버려지는 에너지를 회수하는 시스템에 적용할 수 있고, 경제적 측면에서 터빈의 고효율화를 도모할 수 있다.
· 최근 초임계CO2 발전시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 초임계CO2시스템은 높은 압력비를 가지므로 아음속 터빈을 사용할 시에는 초킹현상이 발생할 수 있으며, 초음속 터빈을 사용하는 것이 적절하므로 초임계 CO2 발전시스템에도 활용 할 수 있다.

(출처 : 한글요약문 5p)

Abstract ▼

Purpose& contents

In recent years, improvement of efficiency for generating power get a lot of attention with growing of energy consumption. These researching are approaching to that not increasing each component efficiency but increasing that of system. ORC(organic Rankine cycle) is generati

Purpose& contents

In recent years, improvement of efficiency for generating power get a lot of attention with growing of energy consumption. These researching are approaching to that not increasing each component efficiency but increasing that of system. ORC(organic Rankine cycle) is generating power from low temperature heat source. Turbine is the key part of power generating system because it rotates generator by expansion. Turbine can meet choking condition when it uses organic fluid which has low speed of sound. This characteristic affects to decreasing of its efficiency because of shock effect. There are two solutions : (1) configures multi-stage turbine, (2) configures single supersonic turbine. Since the former has disadvantages such as high cost, maintenance and complicate layout, The latter is suggested in present study, which has low cost and simper layout. But challenge of supersonic turbine is minimizing of shock effect.
Supersonic turbine design has huge potential, but it is not easy to be carried out from practical field. Main purpose of present work is not only design but also achieving high performance turbomachinery.

Result

· Latest global trend of supersonic turbine is examined.
- A few studies of supersonic turbine are reported. Supersonic turbine experiment with dense gas has not been reported yet. Even a few studies by numerical analysis are carried out.
· In present work, 2D design and 3D numerical analysis of supersonic turbine based on ideal gas are conducted.
- Supersonic nozzle is designed using MOC, and then numerical investigation is done with this.
· Comparison between numerical result and PIV experiment for validation of numerical model
- PIV experiment studied by Chen is compared with numerical result in flow field
· Supersonic nozzle for dense gas is designed because most turbines of ORC are contained in dense gas region.
- Design is carried out by using modified MOC which suggested by Wheeler et al. and what used in air.
- Performance evaluation is conducted with loss coefficient as variation of the number of blades.

Expected Contribution

· Even if supersonic turbine has lower efficiency than that of subsonic, it can covered by minimizing shock effect and single turbine can be substituted instead of subsonic turbine when it recovers high pressure ratio. Hence, it requires verification of this performance with experiment. Once it is valid, supersonic turbine can be applied to various heat sources and performance enhancement of turbine is available.
· In recent years, Supercritical CO2(SCO2) power system attracts the worldwide attention. SCO2 system has high pressure ratio, so it can cause choking when turbine designed as that of subsonic. It is therefore supersonic turbine can be also applied for SCO2 system.

(출처 : SUMMARY 6p)

목차 Contents

• 표지 ... 1목차 ... 3연구계획 요약문 ... 4연구결과 요약문 ... 5 한글요약문 ... 5 SUMMARY ... 6연구내용 및 결과 ... 7 1. 연구개발과제의 개요 ... 7 2. 국내외 기술개발 현황 ... 8 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 10 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 19 5. 연구결과의 활용계획 ... 20 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 20 7. 참고문헌 ... 20 8. 연구성과 ... 21 9. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 22 10. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 22 11. 기타사항 ... 22끝페이지 ... 22