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Improving turbine’s efficiency by the clocking technique
    Dieter Bohn, Jing Ren, Institute of Steam and Gas Turbine, RWTH Aachen University Germany

소위 “Clocking Technique”이라는 기술은 최근에 Multistage Turbomachinery 분야에서 꽤 주목을 받고 있습니다. 이 기술은 연속적인 단계(고정되거나 혹은 회전하거나)에서의 Blade의 상대적인 원주방향의 위치를 변경함으로써 효율 향상을 달성합니다. Clocking은 Wake와 하류방향 요소에서의 상류방향 열에 의해 생성된 비정상 유동장을 변경시킴으로써 작동합니다. Clocking Technique으로부터 최대의 효과를 얻기 위해서, 효율에 있어서 큰 변화를 주도하는 유동 특성에서의 미묘한 변화에 대한 통찰력을 얻는 것은 매우 중요합니다.

잘 알려진 바와 같이 Turbine에서의 실제 유동은 믿을 수 없을 정도로 복잡하고 점성이 있으며, 비정상적, 3차원 유동입니다. STAR-CD의 빠른 Transient Solver와 Sliding Mesh Approach를 이용하여, 우리는 Turbine 내의 회전자-고정자 간의 상호작용을 포함한 시간에 종속적인 유동장을 확인할 수 있었습니다.

확인된 Turbine Cascade는 2 Stage의 축방향 Turbine을 포함하였습니다. 그림 1은 회전자와 고정자가 Trigger Position에 위치하고 있는 Midspan에서의 Airfoil Cascades를 보여줍니다. 2번째 고정자는 3개의 고정자-고정자 Clock Position을 받는 고정자의 1 피치 동안에 2.5°의 간격으로 측정되었습니다. 이것들은 그림 1에서 Clocking Position인 S1, S2, S3로 표현됩니다. Vane/Blade 비가 1/1이었을 경우, 수치적 영역은 두개의 앞선 고정자 Vane과 회전자 Blade 사이의 영역을 포함합니다. Multiblock Structured Mesh는 각 Clocking 설정에 의해 생성되었습니다. 그림 2는 Clock Position S1에서의 확장된 Leading & Trailing Edge와 같은 수치적 격자를 보여줍니다.

                  Fig.1: Stage configuration at midspan                             Fig.2: Computational grid

                        Fig.3: Averaged relative efficiency distributions       Fig.4: Relative efficiency distributions

User Programming(Subroutine POSDAT를 통한)은 비정상 과정의 전체 효율을 평가하는데 사용되었습니다. 정상상태의 해에서 고정자-회전자의 위치가 공간적으로 반복되는 동안, 비정상상태의 해는 시간의 주기성을 가집니다. 두가지 접근방법에 기초를 둔 두 주기의 전체 상대 효율 분포는 그림 3에서 그 경향을 좀더 확실히 보여줍니다. 높은 해상도에서의 좀 더 자세한 결과를 보여주는 큰 그래프가 그림 3의 오른쪽 하단에 있습니다. Clocking Position S2에서의 곡선이 가장 낮은 피크치를 보이는 동안에 S1에서의 효율곡선이 가장 높은 피크치를 보인다는 것은 분명합니다.

평균 전체 상대 효율은 1개의 Blade가 지나가는 주기에서의 상대적인 효율의 평균값에 의해 계산됩니다. 그림 4에서 예시된 바와 같이 Clocking Position S3은 S2가 가장 낮은 값을 가지는 동안 가장 큰 평균 상대적 효율을 가집니다. 최대 평균 상대 효율의 변화폭은 1개의 Blade가 지나가는 주기에서 0.03%의 값을 가집니다.

Entropy 분포는 유동 통로에서의 Wake 궤적이 포함되어 pro-STAR에서 계산되고 가시화되었습니다. Clocking Position S2와 S3에서의 Entropy 분포는 최대 및 최소 Turbine 효율에서의 값이 그림 5와 6에 나타내어집니다. 각각의 그림에서 Entropy 분포는 1개의 Blade가 지나는 주기 동안에 6회 나타났습니다.

Fig.5: Entropy distribution at the clocking position S2        Fig.6: Entropy distribution at the clocking position S3

Wake의 궤적이 비정상상태이나 주기적으로 반복된다는 것은 분명합니다. Wake는 Blade Tail에서 출발하여 Trailing Edge의 방향을 따라서 바깥쪽으로 확장됩니다. Wake는 Midpassage를 통해 대류되는 동안에 Midspan에서 굽어지고 나눠지며 늘어납니다. Wake는 회전자가 움직이는 동안 다른 방향과 강도를 가지고 다음 고정자 또는 회전자의 1피치를 지나갑니다. 같은 시간에서의 Entropy를 비교한 그래프가 그림 5와 6에 나타나있는데, Clocking이 다른 Entropy 분포를 나타내게 한다는 것은 명백합니다. 다른 Clocking Position은 다른 효율을 나타낸다는 것을 말해줍니다.

STAR-CD를 이용한 이러한 CFD 연구에 근거하여 우리는 Clocking Technique을 이용하여 어떻게 Turbine의 효율을 향상시키는 지를 알 수 있었습니다. 그동안 CD-adapco에 의해 개발된 앞선 수치적 기술은 Turbine의 효율과 내구성에 영향을 미치는 Clocking Effect의 메커니즘의 이해를 가능하게 합니다.

알림 : 이 연구는 공동 연구 프로그램인 “500MW auf einer Welle(AG Turbo)”의 일부로서 수행되었습니다. 이 연구는 Bundesministerium für Wirtschaft (BMWI)의 File Number 0327061E에 의해 지원되었습니다. 저자는 AG Turbo와 ALSTOM power와 특히 Dr. Michael Sell에게 그들의 도움과 이 내용이 출판되도록 허용해 준 것에 대해 깊이 감사드립니다.

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