증기터빈 래비린스 씰의 형상에 따른 누설량 변화에 관한 연구

Abstract

기력, 원자력 및 복합 발전소에 있어서 증기터빈은 발전소의 출력과 효율에 큰 영향을 미치는 설비로서 총 투입된 에너지의 약 5%가 증기터빈에서 손실되며 증기터빈에서 발생하는 에너지 손실의 33%가 증기누설로 인해 발생한다. 그러므로 터빈에서의 증기 누설량을 최소화함으로서 터빈 효율을 높일 수 있으며 이를 통해 발전소의 경제적인 운용이 가능하다. 증기터빈의 래비린스 씰은 터빈 내부의 각 단 사이의 압력 차이에 의하여 증기가 누설되는 것을 방지하기 위한 비접촉식 환상 밀봉장치이다. 래비린스 씰을 통한 누설량 저감은 증기터빈의 효율 향상을 위해 매우 중요하며, 래비린스 씰의 형상이 유동의 저항을 증가시켜 누설량을 감소 시킬 수 있는 연구가 필요하다. 대칭형상의 직선형 이를 갖고 있는 기존 래비린스 씰과 최근 누설량 저감을 위해 증기터빈에 적용된 것으로 보고되었던 고압면이 로터와 직각을 이루는 형상의 이를 갖고 있는 기준 래비린스 씰의 수치해석을 수행한 결과 기준 래비린스 씰에서 누설량이 4.1% 저감됨을 알 수 있었다. 기준 래비린스 씰에서 이의 필렛 반지름 및 저압면의 경사도 변화가 누설량에 미치는 영향은 적으며, 고압면 경사도 -25° ~ 5°의 범위에서 고압면 경사도와 누설계수는 반비례 관계로 고압면의 경사도를 커질수록 누설계수는 감소하였다. 고압면의 경사도가 커짐에 따라 누설계수가 작아지는 것은 고압면의 경사도가 커질수록 이와 로터사이의 간극에서 형성되는 수축단면의 면적이 줄어들어 증기가 실제로 흐를 수 있는 유동면적이 줄어들기 때문인 것으로 판단된다. 기준 래비린스 씰 이의 끝단각도를 10°로 고정하고 고압면 및 저압면의 경사를 10°씩 변경하여 수치해석을 수행한 결과, 이로 유입되는 증기 유동이 경사면을 기울인 효과가 충분히 반영되도록 고압면을 타고 흐른 뒤 간극으로 빠져나가는 경우 누설량을 최소로 할 수 있는 이의 형상은 고압면 경사도 60°, 저압면 경사도 70°인 것으로 나타났다. 그러나 로터의 형상, 간극의 크기 및 이의 위치와 개수를 기존모델과 동일하게 유지하며 인접한 이에 간섭을 주지 않고 고압면 경사도 60°, 저압면 경사도 70°인 이를 적용하는 것이 불가능하다. 기준 래비린스 씰에서 이의 끝단을 구부려 고압면의 끝단 경사도가 60°이고 저압면의 끝단 경사도 70°인 개선형상을 제안하였다. 개선형상 이의 고압면 뿌리 경사도, 저압면 뿌리 경사도, 필렛 반지름 및 끝단 길이 등이 누설량에 미치는 영향을 분석하여 고압면 뿌리 경사도 0°, 저압면 뿌리 경사도 7°, 필렛 반지름 2 mm 그리고 끝단 길이가 3 mm인 최적형상의 이를 도출하였다. 개선형상의 이가 설치된 개선 래비린스 씰에서의 누설량은 0.2670 kg/s로 기존 래비린스 씰에서의 누설량 0.3856 kg/s에 비해 누설량이 30.8% 감소된 것으로 나타났다.