래비린스 실의 형상 변경을 통한 증기터빈 패킹성능 향상에 관한 연구

Abstract

산업이 발전함에 따라 증기터빈, 가스터빈과 같은 유체기계는 점점 대형화, 고압화 되고 있다. 유체기계에서 회전체와 고정체 사이의 밀봉부에서 발생하는 유체의 누설은 효율을 저하시키는 주요인이기 때문에 누설을 줄이기 위한 밀봉기술 즉, 실 (Seal) 장치의 설계기술은 매우 중요하다. 증기터빈에서는 증기를 밀봉시키기 위해 래비린스 실 (Labyrinth Seal)을 사용하고 있으나 증기의 누설로 인하여 발생하는 효율 손실은 전체 터빈 효율 손실의 33%를 차지한다. 래비린스 실의 간극을 작게 하거나 실 형상을 변경시킴으로써 이러한 누설에 의한 손실을 줄일 수 있다. 그러나, 래비린스 실은 회전축의 진동이나 열적 불균형 변형 등에 의해서 회전축과의 러빙(Rubbing)이 발생되고 이것에 의해 마모가 발생되기 때문에 실 형상과 간극 조정을 위해서는 세심한 주의와 연구가 필요하다. 최근의 증기터빈에서는 성능 향상의 일환으로 터빈 내부 손실의 많은 부분을 차지하는 증기 누설을 최소화시키기 위하여 래비린스 실에 대한 새로운 개선이 요구되고 있으나 기존 증기터빈의 핵심 부품은 제작사의 표준화된 규격으로 제작되어 설치된 상태이므로 최근의 개량된 실 타입으로의 대폭적인 변경은 구조적인 한계성으로 인해 현실적으로 용이하지 않다. 따라서 본 연구에서는 증기터빈 효율 손실의 약 33%를 차지하는 래비린스 실에서의 누설손실 저감을 위해 래비린스 실 내부의 유동해석을 통해 이(Teeth)의 형상을 직선형 (Straight)에서 경사형 (Semi Slant)으로 개선함에 따른 래비린스 실의 패킹성능 향상에 대해 분석하고자 하였으며, 그 결과 경사형 래비린스 실에서의 누설량은 0.448 kg/s로 직선형 래비린스 실에서의 누설량 0.478 kg/s에 비해 약 6.3% 감소한 것으로 예측되었다.