블레이드 없는 다단 제트 추진 증기 터빈의 성능특성 및 설계방법에 관한 연구

Abstract

블레이드 없는 다단 제트 추진 증기터빈은 로터에 설치되어 있는 노즐의 추진력을 이용하여 회전하는 새로운 방식의 증기터빈이다. 또한 이 터빈은 순 반동 터빈으로 불리기도 한다. 본 연구에서 제안하는 블레이드 없는 다단 제트 추진 증기터빈은 초기 순 반동 터빈의 단점을 극복하기 위하여 노즐에서 분사된 증기의 열에너지를 재사용할 수 있는 다단으로 설계하였다. 기존의 대형 증기터빈은 경제성을 확보하기 위해 증기의 열에너지를 고온고압의 초임계 또는 초초임계 상태로 전력을 생산한다. 그러나 블레이드 방식의 기존 터빈은 저온저압에서 발생하는 응축된 미세 액적의 충돌에 의해 블레이드 침식 및 피로 파괴의 원인이 된다. 또한 이러한 원인은 저온저압 미활용 열에너지 이용에서도 같은 이유로 기존의 증기터빈을 적용하는데 제한이 된다. 본 연구는 이러한 응축된 액적이 발생하는 저온저압 미활용 열에너지를 효과적으로 사용하기 위한 목적으로 개발된 블레이드 없는 다단 제트 추진 증기터빈의 성능 특성에 관하여 연구하였다. 이러한 성능 특성은 이론 계산에 의한 성능 예측을 수행하고, 저온저압 미활용 열에너지를 이용한 성능 시험을 통하여 성능 특성을 보였다. 성능 특성을 나타내기 위한 성능 인자는 터빈 출력(혹은 전기 출력), 발전 효율, 등엔트로피 효율, 그리고 터빈 효율을 통해 서로 각 용량별 유사한 경향을 보였다. 1kW, 5kW, 100kW급 블레이드 없는 다단 제트 추진 증기터빈의 성능 시험은 산업 공정에서 배출되는 포화증기의 미활용 열에너지를 이용하여 수행하였다. 이러한 성능 특성을 얻기 위한 데이터는 터빈 입/출구 및 각 단의 압력과 온도, 유입되는 증기 유량, 터빈 회전수, 발전기 출력 및 전압, 전류, 전력 등을 측정하였고, 측정된 데이터를 통해 각 성능 인자를 계산하였다. 각 성능 시험 결과는 터빈 입구 압력에 대해 자세하게 설명하였다. 이러한 성능 시험 결과는 제안한 설계 방법을 이용한 성능 예측 결과와 비교하여 제안된 설계 방법에 의한 예측치가 잘 일치함을 보였다. 또한 제안된 설계 방법을 이용하여 각 터빈에 대한 설계 점에서 성능 향상을 위한 설계를 제안하였다. 이러한 제안된 설계 방법을 이용한 성능 향상 설계 결과는 성능 시험 결과보다 1kW급 터빈에서 출력 108.5%, 터빈 효율 81.1%, 5kW급 터빈에서 출력 109.8%, 터빈 효율 95.6%, 100kW급 터빈의 경우, 출력 42.1%, 터빈 효율 15.5% 향상됨을 보였다. 본 연구는 이러한 결과를 통해 블레이드 없는 다단 제트 추진 증기터빈의 10kW이하 및 100kW이상의 성능 특성을 보이고, 새로운 설계 방법을 제안하여 성능 향상됨을 보였다. 따라서 이러한 결과들은 블레이드 없는 다단 제트 추진 증기터빈은 저온저압 미활용 열에너지를 사용하기에 적합하며, 소형 열병합 발전설비에서 적합하여 기존의 증기터빈을 적용할 수 없는 범위의 미활용 열에너지를 이용하여 온실 가스 배출을 저감하고 발전 설비의 에너지 효율을 향상 시킬 수 있을 것으로 기대한다.