가스터빈 프리스월 시스템의 유량계수 향상을 위한 베인형 프리스월러의 형상 최적화

Abstract

가스터빈의 이차 냉각 유로 설계는 터빈의 냉각 시스템 효율과 수명에 중요한 영향을 미친다. 본 연구에서는 요구되는 프리스월 시스템(Pre-swirl system) 조건을 만족하기 위해, 최적화기법과 전산해석을 이용하여 가스터빈 이차 냉각 유로에 적용되는 베인형(Vane type) 프리스월러(Pre-swirler) 형상을 최적화하였다. 민감도 분석을 통해 4개의 형상설계변수를 선택하였으며 베인 출구의 유량계수 최대화를 목적 함수로 하였다. 근사모델은 크리깅모델을 사용하였으며 실험점을 얻기 위해서 OLHD 기법과 ALHD 기법을 사용하였다. 근사모델이 예측한 최적해와 해당 실험점에서의 전산해석 값 오차가 0.1% 이하일 때 최적화 과정을 종료하였다. 최적화 형상은 목의 수렴각을 감소시키고 수렴 구간을 증가시켜 냉각 유로 내부의 압력분포를 균일하게 하였으며, 베인 출구 유량계수는 기존 형상 대비 2.86% 증가하였다.The design of a secondary air system for the air delivery path of a gas turbine cooling system is very crucial because its performance could directly impact on the efficiency and the reliability of turbine cooling system. To meet the desired pre-swirl system performance, the geometry of a vane type pre-swirler was optimized to improve the discharge coefficient by using CFD analysis. Four design variables were selected after sensitivity analysis and the objective function was to maximize the discharge coefficient. The Kriging surrogate model was built and refined iteratively until the difference between predicted point and CFD result was less than 0.1%. The optimized model improved the uniformity of static pressure variation on the cooling path by decreasing converging angle and increasing converging length. As a result, the discharge coefficient of optimized model has a 2.86% increased over the discharge coefficient of the initial model.