A Study on the Preliminary Design and Performance Analysis of Radial Outflow Turbines for a Supercritical Carbon Dioxide Power Cycle and an Organic Rankine Cycle

Abstract

최근 지구온난화 및 환경오염에 대한 경각심이 더욱 커지며, 점진적으로 환경규제를 강화하고 있다. 또한, 환경문제의 원인이 되는 고전적인 발전 시스템을 대체할 수 있는 방안에 대하여 전 세계적으로 주목하고 있다. 초임계 이산화탄소 발전 사이클과 유기 랭킨 사이클은 이러한 세계적인 경향에 적합한 친환경 발전 사이클이다. 한편, 터빈은 발전 사이클의 효율에 있어 지대한 영향을 미치는 요소이다. 근래 이러한 발전 사이클의 터빈으로 외향 반경류 터빈에 대한 관심이 커지고 있다. 외향 반경류 터빈은 설계와 제작에 있어 축류 터빈보다 용이하고, 고출력이 요구되는 설계조건에 있어 내향 반경류 터빈보다 유리하다. 외향 반경류 터빈이 지닌 다양한 장점으로 인하여, 일부 연구기관에서는 친환경 발전 사이클용 외향 반경류 터빈의 설계기법에 관한 연구를 수행하고 있다. 그러나 기존의 연구에서는 터빈의 예비설계단계에서 목표 효율이 불분명하다. 설계된 터빈의 효율이 열역학적 사이클에서 고려된 터빈의 효율과 상이할 시, 사이클은 설계된 터빈의 효율을 고려하여 재설계되어야 한다. 그러므로 터빈의 예비설계단계에서 목표효율을 분명히 하고, 설계된 터빈은 목표효율을 충족할 필요가 있다. 본 연구에서는 독창적인 알고리즘을 이용하여 외향 반경류 터빈의 예비설계 프로그램을 개발하였으며, 대표적인 특징은 다음과 같다. 우선, 목표효율을 프로그램의 입력변수로 사용함으로써 열역학적 사이클에서 요구하는 효율에 근접하도록 터빈을 설계할 수 있다. 또한, 터빈의 주요형상을 결정하고, 효율에 큰 영향을 미치는 노즐 출구의 상태량을 정확하게 예측하기 위하여 압력손실모델을 이용하였다. 그리고 효율적이고 용이하게 터빈을 설계하도록 알고리즘을 구성하였다. 마지막으로 오직 하나의 변수에 대하여 반복계산을 수행함으로써 빠른 시간 내 터빈의 설계가 가능하다. 개발한 예비설계 프로그램을 활용하여 초임계 이산화탄소 발전 사이클과 유기 랭킨 사이클용 외향 반경류 터빈의 설계를 수행하였다. 예비설계 프로그램에서 제시한 터빈의 초기형상은 설계조건을 다소 만족하지 못하였으나, 깃의 편향각이 터빈의 성능에 있어 지대하게 영향을 미치는 중요변수임을 밝혔다. 본 연구에서는 터빈의 초기 형상에 대하여 체계적이고 용이한 최적화 기법을 제시하였다. 예비설계 프로그램에서 제시한 터빈의 초기형상은 최적화 기법을 통하여 각 사이클의 설계조건을 만족하는 외향 반경류 터빈을 설계할 수 있었다. 설계된 외향 반경류 터빈은 다양한 작동조건에 따른 탈설계 성능분석이 수행되었다. 그 결과, 각 터빈의 회전수에서 터빈의 입구온도, 질량유량 및 압력비가 상승할수록 터빈의 출력이 증가하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 설계 회전수에 근접하도록 터빈을 작동하는 것이 터빈의 성능에 유리하다는 결과를 얻었다. 각 사이클의 터빈은 독립변수들의 변화에 따라 출력 및 효율에 있어 대체적으로 유사한 경향을 보였다. 한편, 외향 반경류 터빈은 초임계 이산화탄소보다 유기냉매를 사용할 때 운전조건의 변화에 따라 민감하게 효율이 변화하는 결과를 보였다. 외향 반경류 터빈의 탈설계 성능분석결과를 활용하여 비속도, 부하계수 및 유량계수에 따른 성능곡선을 제시하였다. 본 연구에서 제시한 성능곡선을 통하여 초임계 이산화탄소 및 R143a용 외향 반경류 터빈은 비속도, 부하계수 및 유량계수에 따라 효율예측이 가능하다. 상기 무차원 변수에 따른 성능곡선에서 고효율 및 저효율 지점을 지정한 뒤, CFD 수치해석결과를 분석하였다. 그 결과, 로터 깃의 압력분포, 정체점의 위치 및 입사각 등이 외향 반경류 터빈의 효율에 영향을 미치는 요소임을 밝혔다. 한편, 외향 반경류 터빈은 작동유체에 따라 성능곡선이 상이할 뿐만 아니라, 고효율을 기대할 수 있는 무차원 변수의 범위가 다르다. 그러나 본 연구에서는 각 터빈의 성능곡선에서 공통적으로 고효율에 해당하는 무차원 변수의 범위를 발견할 수 있었다. 즉, 고효율이 요구되는 외향 반경류 터빈의 최적설계 시에 범용적으로 사용할 수 있는 무차원 변수의 범위를 본 연구에서 제안하였다. 본 연구에서 밝힌 연구결과들은 지속적으로 향상될 외향 반경류 터빈 설계기술의 초석이 될 것으로 기대된다. 추후 외향 반경류 터빈의 예비설계 프로그램 및 성분분석에 대한 연구가 꾸준히 이루어진다면, 본 연구에서 개발한 터빈의 설계기술이 초임계 이산화탄소 발전 사이클과 유기 랭킨 사이클 분야에 점진적으로 자리매김할 수 있을 것으로 기대된다.