1. 서 론
2. 터빈 블레이드 설계 및 수치해석 방법
2.1 회전자와 고정자 블레이드의 설계
2.2 2차원 자오면 수치해석 방법
2.3 3차원 난류 모델 및 수치해석 방법
2.4 스팀 터빈 3차원 모델 및 경계 조건 설정
2.5 격자 설계 및 독립성 테스트
3. 결과 및 토의
4. 결 론
1. 서 론
에너지 생산은 사회의 도시화 및 산업화를 중심으로 이루어지고 있다. 전기 에너지를 생성하기 위한 가스 터빈, 증기 터빈 등과 같은 고효율 에너지 전환 기계 및 기술 개발에 현재 엔지니어와 연구자들이 많은 관심을 기울이고 있다[1,2,3,4,5,6]. 증기 터빈은 고온 및 고압의 증기 에너지를 활용하여 터빈을 통해 기계적 일을 생성하는 유체기계이다. 증기 터빈의 기계적 일은 발전기 가동하여 전기적인 에너지를 생선 할 수 있다. 일반적으로 소형 발전 장비에 비해, 대형 증기 터빈은 특히 장기 운전에서 더 높은 효율과 낮은 비용으로 대형 장비 및 기계에 전력을 공급하여서 더 높은 투자 수익을 제공한다. 따라서 증기 터빈은 대부분 전력 수요를 충족하기 위해 발전 분야에 적용되고 있으며, 화력 발전 및 폐열회수 발전에도 수요가 증가하고 있다. 또한, 환경적 관점에서 증기 터빈은 재생 에너지 시스템과 통합되어, 재생 가능한 자원과 청정에너지를 활용한 발전을 가능하게 하며, 단일 화석 에너지원에 의존하지 않고도 전력을 제공할 수 있다[1,7]. 증기 터빈의 효율성과 출력을 개선할 필요가 있으므로, 이를 향상하기 위해 열유체역학적 접근이 매우 중요하다. 이러한 이유로 최근 연구자들은 수치해석 시뮬레이션 연구를 지속적으로 수행하고 있다[8,9,10,11,12]. 또한, 가스 터빈은 고온 고압의 연소 가스를 효율적으로 활용하여 작동할 수 있는 설계로 인해 많은 연구와 개발이 집중되고 있다. 하지만 증기 터빈의 설계 및 연구에 관한 관심은 상대적으로 낮다. 따라서 저온 및 저압에서 폐압 에너지를 활용하기 위한 소형 증기 터빈의 개발은 필수가 되고 있다.
결론적으로, 현재 산업에서 증기 터빈의 중요성은 대체 불가능하다. 다양한 에너지 전환 과정에서 그 효율성과 신뢰성으로 인해, 증기 터빈은 여전히 필수적인 기술로 자리 잡고 있다. 그래서 본 연구에서는 3.5 MW급의 출력을 내기 위한 소형 증기 터빈을 설계하고 수치 해석적으로 성능을 분석하고자 한다. 터빈의 회전 및 정적 블레이드의 프로파일은 1차원 설계 기법을 활용하여 설계하였으며, 회전 및 정적 블레이드의 간극 설계를 위한 2차원 모델 기법을 적용하였다. 또한, 유동 손실(유동 분리 및 초음속 유동) 및 에너지 손실은 3차원 모델을 설계하여 분석하였다. 이러한 수치해석 분석을 바탕으로 스팀 터빈의 블레이드에서 생성되는 출력을 계산하여 설계 목표를 검증하였다.
2. 터빈 블레이드 설계 및 수치해석 방법
2.1 회전자와 고정자 블레이드의 설계
터빈 성능을 향상시키기 위해서는 회전자와 고정자 날개의 각도를 일정하게 조정하여 편향시킬 필요가 있다[12,13]. 본 연구에서 설계된 증기 터빈은 2단 축류형으로, 2차원 블레이드 설계 기법을 적용하여 설계되었다. 증기 터빈은 노즐-회전자 및 고정자-회전자 블레이드 구성으로 이루어져 있으며, 각 블레이드의 상세 프로파일 및 단면 설계 개략도는 Fig. 1에서 확인할 수 있다. 본 증기 터빈 시스템의 설계 인자들은 익형의 입/출구 각도, Stagger Angle, Chord Length 등을 고려하였으며, 이 값들은 Euler 터빈 방정식을 바탕으로 계산하며 설계 단계에서 결정한다. 설계 인자들은 Table 1에 보다 자세히 정리되어 있다. 고정자 블레이드는 회전자 블레이드와 비교하면 약 12° 기울어져 있으며, 이 구조는 유체 흐름을 회전자 블레이드를 통해 원활하게 유도한다. 이러한 배치는 유동 분리를 감소시키고, 증기와 블레이드 사이의 마찰을 최소화하여 점성 손실을 줄이기 위함이다. 본 연구에서는 입/출구 및 작동 조건을 고려하여 설계된 터빈의 형상을 Ansys Bladegen을 활용하여 설계하였다. 터빈의 회전자와 고정자 블레이드는 각각 125개와 126개로 구성되어 있으며, 동일한 간격으로 배치되어 있다. 각 블레이드는 spanwise 방향으로 뒤틀림 없이 캐스케이드 형태로 설계되었다.
Table 1.
Design parameters for steam turbine blade
| Parameters | Rotational blade | Stationary blade |
| Inlet angle[°] | 22 | 34 |
| Outlet angle[°] | 22 | 20 |
| Stagger angle[°] | 67 | 7 |
| Chord length[mm] | 19.05 | 19.05 |
2.2 2차원 자오면 수치해석 방법
본 증기 터빈 시스템은 노즐과 두 가지 유형의 블레이드, 즉 고정자 블레이드와 회전자 블레이드를 포함되어 있다. 두 개의 회전자 블레이드는 동일한 축에 장착되어 별도의 전달 메커니즘 없이 효율적인 에너지 변환을 달성할 수 있다. Fig. 2는 축대칭 유동 채널의 형상을 보여주며, 블레이드 간격을 최적화하여 난류와 2차 유동 생성을 억제하고, 증기 유동을 원활하게 하며 점성 손실을 감소시킨다. 본 수치해석 연구에서는 ANSYS VISTA TF를 사용하여 축류 터빈의 2차원 자오면 해석을 수행하였다. 고정된 입구 조건으로는 압력을 47 bar, 온도를 673.15 K로 설정하였다. 출구의 정압 조건은 9 bar로 설정하였으며, 회전 블레이드의 회전 속도는 600 RPM으로 설정하였다.
2.3 3차원 난류 모델 및 수치해석 방법
Ansys CFX 2024 R1 해석 코드를 사용하여 정상 상태의 3차원 수치 계산을 수행하였다. 복잡한 익형 외부의 난류 유동을 분석하기 위해 Standard 난류 모델을 적용하였다. Standard 모델은 난류 유동의 에너지와 소산을 예측하는 과정에서 상대적으로 계산 비용이 낮으면서도 안정적인 결과를 제공하기 때문이다[14]. 또한, 비교적 신뢰성 있는 결과를 도출할 수 있어 본 연구의 목적에 적합하다고 판단하였다. 난류 유동 유체에 대한 연속 방정식, 운동량 방정식, 그리고 에너지 방정식은 다음과 같이 정리하였다.
연속 방정식:
운동량 방정식:
여기서 SM은 체적력의 합을 의미하며 는 난류를 고려한 유효 점성 계수이다.
모델은 eddy viscosity 개념을 기반으로 하며, 따라서 점성도는 다음과 같이 실정되었다.
여기서 는 난류 점성 계소를 의미한다. 적용된 난류 모델은 난류 운동 에너지와 소산율 사이의 다음 관계식을 통해 난류 점성 계수가 연결되어 있음을 가정한다.
난류 운동 에너지와 난류 소산율에 대한 미분 수송 방정식을 통해 및 𝜖의 값이 직접 도출할 수 있다.
여기서 , , , , 그리고 는 상수이며 기본값으로 설정하였다.
시뮬레이션 해석을 위한 Pressure-velocity Coupling은 SIMPLE 알고리즘을 사용하였으며, 압력, 모멘텀, 및 에너지 방정식의 정확도를 향상시키기 위해 Second-order upwind 방식으로 설정하였다. 계산 결과의 수렴성을 판단하기 위해 전효율(Total To Total Isentropic Efficiency)을 모니터링하였으며, 수렴 결과를 얻기 위해 연속 방정식, 모멘텀, 난류 운동 에너지의 잔류오차 값을 10-6으로, 에너지 잔류오차 값을 10-5로 설정하였다.
2.4 스팀 터빈 3차원 모델 및 경계 조건 설정
본 연구에서 고려한 스팀 터빈의 세부 설계 사항은 Fig. 3과 Table 2에 나타나 있다. 본 스팀 터빈의 설계는 속도 복식 터빈의 원리를 기반으로 하였다[15]. 스팀 터빈은 Fig. 3에서 나타낸 바와 같이, 1단은 노즐-블레이드(Nozzles-blades)로, 2단은 고정자-블레이드(Stators-blades)로 구성되어 있다. 노즐의 총 계수는 28개로 설계하여 스팀을 주입한다. 1단과 2단의 블레이드 개수는 각각 125개로 동일하게 설계되었으며, 2단 고정자는 126개로 설계하였다. 또한, 회전자의 회전 속도는 6000 RPM으로 설정하여, 이를 바탕으로 출력 및 효율을 분석하기로 하였다. 각 단의 허브(hub) 및 슈라우드(shroud)의 반경은 Table 3에서 확인할 수 있다.
Table 2.
Parameters for two-stage steam turbine
설계된 스팀 터빈 도면의 수치해석 연구를 진행하기 위한 입/출구의 조건은 Table 3에 정리되어 있다. 해석 결과를 분석하기 위해 실제 속도 복식 터빈 환경에서 사용하는 작동 조건을 적용하였다. 터빈 입구의 실제 작동 전압력과 전온도 조건은 각각 47 bar와 673.15 K이며, 출구의 정압은 9 bar이다. 또한, 입구의 난류 강도(Turbulence intensity)는 기본 값인 5%를 적용하였다. 추가적인 해석 경향성을 분석하기 위해 본 연구에서는 입구 압력 조건을 실제 압력 조건보다 낮은 압력과 높은 압력으로, 5 bar 간격으로 고려하여 결정하였다. 35 bar 이하의 압력은 효율과 출력이 매우 낮아 비교 대상에서 제외되었으며, 60 bar 이상의 입력 압력은 해당 크기의 증기 터빈이 일반적으로 견딜 수 있는 용량을 초과하므로 고려하지 않았다. 회전 블레이드의 회전 속도는 6000 RPM으로 설정하였으며, 노즐-회전자, 회전자-고정자, 고정자-회전자의 경계면은 Frozen Rotor 모델을 적용하여 설정하였으므로, clocking effect의 영향을 분석할 수 있다. 그러나 본 연구는 정상 상태에서 해석을 수행하였으므로, clocking effect를 보다 정밀하게 분석하는 것은 불가능하여 고려하지 않았다. 블레이드의 표면은 단열 조건과 점착 조건으로 설정하였다. 증기의 물성치는 IAPWS-IF97(International Association for the Properties of Water and Steam-Industrial Formulation 1997)을 사용하여 결정하였다. IAPWS-IF97 기반으로 증기의 물성치는 온도와 압력 범위에 따라 동적으로 계산되며, 이 방법은 보간 오류나 제한적인 데이터 범위의 문제를 피할 수 있다.
Table 3.
Boundary conditions used for simulation
| Parameters | Rotational blade | Stationary blade |
| Inlet | Total pressure[bar] | 37, 42, 47, 52, 57 |
| Total temperature[K] | 673.15 | |
| Outlet | Static pressure[bar] | 9 |
2.5 격자 설계 및 독립성 테스트
증기 터빈 내부 시스템의 온도, 압력, 속도 분포를 정확하게 시뮬레이션하고 복잡한 열 및 물질 전달 현상을 모델링하기 위해, 모든 회전자와 고정자에 일정한 격자 수를 적용하였다. 각 요소에는 5천 개에서 100만 개 사이의 사면체 격자를 설정하였으며, 이러한 격자 설계 결과는 Fig. 4에 나타내었다. 스팀 터빈의 노즐 부분은 형상이 복잡하여 Fluent Meshing을 사용해 격자를 설계하였다. Fluent Meshing에서는 CFX Solver를 지원하는 Hexcore 격자 설계 방법을 고려하여, 격자를 하이브리드 육면체(hexahedral), 사면체(tetrahedral), 그리고 피라미드(pyramidal) 요소로 구성하였다. 본 연구에서 적용한 난류 모델은 벽면 근처의 점성 층 해석을 보다 정밀하게 수행할 수 있는 기능을 갖추고 있음에도 불구하고, 벽 근처의 분해능을 극대화하고 점성 층 유동 특성을 보다 정확하게 해석하기 위해 증기 터빈 내부 유동에 대한 벽의 영향을 분석하기 위해 Y-plus 값을 1 이하로 설정하였다.
Fig. 5에서는 다양한 격자 수에 따른 유동 방향의 온도 분포에 대한 해석 분석 결과를 나타내고 있다. 본 격자 독립성 결과에서는 노즐의 입구 온도 조건이 일정하므로 제외하고, 회전자와 고정자의 입/출구 온도를 평균 온도 기준으로 분석하였다. 분석 결과에 따르면, 격자 밀도가 높아질수록 수렴된 안정한 온도 결과를 도출할 수 있음을 관찰할 수 있다. 따라서 5천 개의 격자 수로 수행한 해석 결과와 10만 개의 격자 수로 설계한 해석 결과 간의 온도 분포도에 편차가 있음을 확인할 수 있다. 그러나 10만 개와 100만 개의 해석 결과는 거의 일치하는 온도 결과를 확인할 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 해석 시간을 절약하기 위해 각각의 회전자와 고정자 도면을 10만 개의 격자 수로 설계하고 해석을 진행하였다.
3. 결과 및 토의
Fig. 6에서는 자오면 2차원 해석과 3차원 해석의 압력 분포 결과를 유동 방향을 기준으로 비교 분석하였다. 결과에 따르면, 압력 분포는 입구에서 유동 방향으로 진행할수록 감소하는 경향을 보이며, 자오면 해석 결과와 3차원 해석 결과 간의 압력 분포 감소 경향과 절대적인 수치가 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 최대 오차는 10%로 계산되었다. 2차원 해석은 압력 분포 및 효율을 비교적 신속하게 계산할 수 있는 장점이 있으나, 유동 경계층 형성이나 유동 박리 현상과 같은 복잡한 유체역학적 현상을 충분히 고려할 수 없다는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 2차원 해석을 활용하여 3차원 해석 결과의 타당성을 검토하였으며, 이를 바탕으로 터빈 설계 및 성능 예측 검증 과정의 중요성을 강조하였다. 2차원 해석과 3차원 해석 결과의 비교 분석은 설계의 유효성을 평가하는 데 중요한 역할을 하며, 이를 통해 최적화된 설계 방향을 도출할 수 있다. 3차원 해석 결과는 2차원 해석 결과와 동일한 경향성을 보이며, 거의 일치하는 압력 분포를 나타냄으로써 유동 손실 등을 분석하는 데 활용될 수 있다.
스팀 터빈의 노즐을 포함한 전체 수치해석 결과에서 손실이 과도하게 커 터빈 내 국부적인 결과를 분석하기 어려운 점이 관찰되었다. 이에 따라 본 연구에서는 해석 결과를 노즐과 확대 부분을 포함하여 관찰하고 분석하였다. Fig. 7은 터빈의 중간 부분(Mid-span)에서의 전압 및 정압 분포를 나타낸 수치해석 결과입니다. Fig. 7(a) 수치해석 결과를 관찰하면, 노즐 세그먼트의 입구 영역에서 고압이 분석되었으며, 유체가 노즐을 통과하면서 압력이 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 증기가 노즐을 통과하며 압력 에너지가 속도 에너지로 전환되었기 때문에 압력이 감소한다. 이 과정에서 유동 속도의 변화에 따라 충격파, 열역학적 팽창, 벽면 마찰 등이 압력 감소를 더욱 가속화할 수 있다. 특히, 1단 회전자 블레이드의 흡입 면 근처에서는 유체의 압력이 급격히 감소하는 현상이 관찰되었다. 이는 노즐의 면적 확장과 고속 회전하는 블레이드의 속도 때문으로 분석된다. 또한, 압력 면에서는 비교적 높은 압력이 분포되는 것을 관찰할 수 있는데, 이는 노즐의 증기 주입 각도와 블레이드의 공기역학적 관계와 연관이 있다. 따라서 압력 면에서는 증기의 충돌로 인해 높은 압력 분포가 확인된다. 반면, 흡입 면에서는 낮은 압력 분포가 관찰되는데, 이는 블레이드 형상에 따라 증기의 속도가 빨라지면서 압력이 낮아졌기 때문이다. 흡입 면의 후단으로 갈수록 압력 분포의 불균일성이 나타나며, 이는 유동 분리와 와류 형성으로 인한 현상일 수 있다. 2단 고정자와 회전자 블레이드의 흡입 표면에서 압력 손실이 증가하였다. 2단 고정자 블레이드의 흡입 면에서는 압력 변화가 초기 분리 후 유동이 점차 재부착되면서 와류와 유동 분리 현상이 크게 감소한 것을 확인할 수 있다. 그러나 2단 회전자 블레이드는 압력 분포가 낮기 때문에 유동 분리와 와류 발생이 적을 것으로 예상된다.
Fig. 7(b)은 정압 분포도에 대한 해석 결과를 나타내는 수치해석 결과이다. 해석 결과에서는 유동 방향에 따른 압력 분포의 경향성이 전압 분포와 동일함을 확인할 수 있다. 하지만, 국부적으로 터빈의 회전자 및 고정자의 압력면과 흡입면의 압력 차이를 정밀하게 분석할 수 있다. 1단 회전자의 압력면에서는 스팀을 주어진 각도로 높은 운동 에너지로 주입했기 때문에 높은 정압이 계산되었다. 이러한 유동을 통해 터빈은 스팀의 운동 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 또한, 회전자 흡입면의 선단(leading edge)에서는 상당히 낮은 압력이 계산되며, 흡입면을 따라 유동 방향으로 접근할수록 상대적으로 높은 정압이 분포됨을 결과를 통해 분석할 수 있다.
Fig. 8(a)와 8(b)는 전체 터빈 내의 마하수 및 속도 유선 분포를 나타낸 수치해석 결과이다. 본 Fig. 8은 전압 손실의 원인을 분석하기 위한 것이다. 노즐 입구에서 유체는 노즐을 통해 가속되며, 입구의 낮은 마하수 및 저속 영역에서 높은 마하수와 고속 영역으로 크게 증가한다. 이는 노즐 목 부분에서 아음속 유체가 급격히 가속되어 초음속 상태에 도달하기 때문이다. 1단 회전자 블레이드의 leading edge 부분에서도 초음속 유동이 분포하는 것을 관찰할 수 있으며, 이는 회전 속도 및 급격한 압력 변화 때문으로 분석된다. 또한, 1단 블레이드의 압력면에서는 와류가 발생하는데, 이는 leading edge에서 유동 분리가 빠르게 일어나 압력면에 저압 영역이 형성되기 때문이다. 흡입면의 trailing edge 부근에서도 유동 분리가 발생하며, 이는 흡입면에서 발달한 와류의 영향을 받은 것으로 판단된다. 블레이드 후단 영역에서는 압력면과 흡입면에서의 마하수 분포 차이가 상당하며, 이는 와류 유동 발생의 원인으로 작용할 가능성이 높다. 2단 고정자의 leading edge 부근에서는 상대적으로 낮은 속도의 스팀 유동이 관찰된다. 이는 leading edge 부근에서 유동 분리가 빠르게 발생한다는 증거로 해석될 수 있다. 또한, 2단 블레이드 뒤쪽 중간 부분 이후에서는 상대적으로 유속이 증가하는 현상이 관찰되었으며, 이는 목 형상 때문으로 판단된다. 이러한 현상은 로컬 초음속 영역에서의 가속 효과 및 압력 감소에 따른 질량 유량 변화와 관련될 가능성이 있다. 또한, 충격파-경계층 상호 작용 및 난류 혼합 효과로 인해 유동 구조가 더욱 복잡해지며, 후단 구간에서는 마하수가 증가하는 경향이 확인되었다. 2단 블레이드의 압력면에서도 와류가 발생하여 낮은 마하수의 유체가 흐르는 것이 관찰되며, 이는 유체 유동 과정에서 에너지 변환 중 충격파 발생으로 인한 손실이 발생함을 의미한다.
증기의 에너지 변환 과정은 터빈 설계에서 매우 중요하다. Fig. 9는 (a) Total enthalpy와 (b) Static entropy 분포를 나타낸 해석 결과를 보여준다. Fig. 9(a)에서 확인할 수 있듯이, 노즐에서는 에너지 변환이 없기 때문에 같은 상태를 유지하는 것을 알 수 있다. 그러나 1단 회전 블레이드와 2단을 지나면서, 높은 에너지를 가진 증기가 상당한 enthalpy 변화를 보인다. 이는 회전 블레이드에 의해 기계적 에너지로 변환되기 때문으로 판단된다.
Fig. 9(b)는 엔트로피 증가 영역을 분석하기 위한 엔트로피 분포를 나타낸 해석 결과이다. 터빈의 노즐 및 블레이드 형상으로 인해 와류가 발생하며, 이로 인해 와동 점성이 증가하여 유동 손실이 발생한다. 이러한 손실은 엔트로피 증가의 주요 원인이 되며, 결과적으로 터빈의 효율이 감소하게 된다. 해석 결과에 따르면, 스팀 유동에서 와류가 발생한 영역에서 상당히 높은 엔트로피 분포가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 특히, 1단 및 2단 블레이드의 leading edge에서 발생하는 와류와 충격파로 인해 엔트로피가 증가한 것으로 분석된다. 또한, 1단 회전자를 거친 후 모든 블레이드 상단의 압력면에서는 상대적으로 낮은 엔트로피 값이 분포하는 것이 확인되었다. 이는 노즐을 통해 증기가 주입되는 방향과 유동 손실이 비교적 적었기 때문으로 해석된다. 반면, 흡입면에서는 유동 박리로 인해 와류가 발생하면서 충격파를 유발하여 높은 엔트로피 분포가 나타났다. 이러한 현상은 Fig. 7 및 Fig. 8에서도 확인할 수 있다. 따라서, 와류와 유동 분리는 터빈 효율 감소의 주요 원인 중 하나이며, 블레이드 설계를 최적화함으로써 이러한 현상을 효과적으로 줄여 전체 터빈 성능과 작동 효율을 향상시킬 수 있다.
본 연구의 목표 출력값을 검증하고 계산하기 위해, 식 (7)을 사용하여 각 단의 회전 블레이드 출력을 계산하였다.
PG는 발전 용량, τ은 회전 블레이드의 토크 및 ω은 회전 속도를 의미한다. 설계된 터빈의 총 발전 용량은 각 단의 회전 블레이드에서 계산한 발전량을 합한 것이다. Fig. 10(a)는 입구 압력 조건에 따른 설계된 증기 터빈의 발전량을 보여준다. 발전량은 압력이 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 것을 수치해석 결과를 통해 분석되었다. 입구 압력이 37 bar에서 시작해 57 bar까지 증가하면서 출력은 약 2.55 MW에서 5.69 MW까지 증가하였다. 따라서 입구 압력이 터빈 성능에 중요한 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 본 연구는 3.5 MW 이상의 출력을 달성하기 위해 설계되었으므로, 입구 압력 조건을 47 bar로 결정하였다.
증기 터빈 전체 시스템의 효율은 환경적, 경제적 측면에서 매우 중요한 요인이므로 발전소 운영에 필수적이다. 압력 및 유동의 점성 손실을 고려한 터빈의 전효율()은 식 (8)을 사용하여 계산하였다.
, ,, 는 각각 입구 및 출구의 전온도와 전압을 의미하며,𝛾는 비중을 뜻한다.
Fig. 10(b)는 스팀 터빈에 적용 전압 입구 압력에 따라 전효율을 나타냈다. 전효율 Fig. 10(b)를 통해 설계된 터빈의 효율이 압력이 증가함에 따라 더 좋은 효율을 얻을 수 있음을 분석할 수 있지만, 선형적으로 증가하지는 않는다. 따라서 높은 압력 조건에서는 그만큼 많은 에너지가 공급되어야 하므로 경제적 부담이 클 수 있다. 그러나 본 연구의 목표인 3.5 MW 이상의 발전력을 생성하기 위해서는 47 bar의 압력이 충분하며, 이에 대한 효율도 48.45% 이상으로 계산되었다.
4. 결 론
본 연구에서는 증기 터빈의 설계 후 전산 시뮬레이션을 통해 설계 목표인 3.5 MW 이상의 출력을 달성하기 위한 다양한 운전 조건에서 수치해석을 수행하였다. 이에 따른 공력 해석과 효율 결과는 다음과 같이 결론을 도출하였다.
1차원 및 2차원 모델을 바탕으로 3차원 블레이드를 설계하고, 다양한 전압 조건에서 출력 결과를 비교 분석하여 3.5 MW의 운전 조건을 도출하였다.
노즐 형상 때문에 주입된 증기가 가속되어 초음속 유동에 도달하였으며, 이로 인해 점성 손실이 발생하였고, 블레이드 흡입 면에서 유동 분리에 따른 손실이 발생하였다. 이러한 손실로 인해 엔탈피 분포는 감소하였고, 엔트로피 분포는 증가하였다.
향후 추가적인 모델 설계 및 실험/해석 연구를 통해 노즐과 블레이드 설계를 최적화함으로써 와류 및 유동 분리를 감소시켜 증기 터빈의 전반적인 성능을 향상시킬 것이다. 본 설계된 속도 복식 터빈은 증기 주입 노즐에서 발생하는 충격파와 회전자 블레이드에서 발생하는 점성 및 유동 분리에 의한 손실을 개선하면 추가적인 고효율 증기 터빈 개발도 가능할 것으로 예상된다.
