Design Optimization of a Secondary-Air-System in an Industrial Gas Turbine

Abstract

가스터빈 이차유로 내 프리스월 시스템의 유량계수 향상을 위한 노즐을 설계하였고, 디스크 캐비티 시스템에서 발생하는 누설을 활용할 수 있도록 퍼지 홀을 설계하였다. 기존 실험적으로 연구된 결과를 바탕으로 상용 CFD 코드의 기법을 검증 및 구축하였다. 난류 모델은 k-ω SST를 사용하고, 벽면에서의 점성 효과를 고려하였다. 최적화 설계 절차는 OLHD를 활용한 실험설계법과 Kriging을 활용한 근사모델, 그리고 GA 또는 MOGA를 활용한 최적해 도출법을 적용하였다. 홀 형 프리스월 노즐을 설계하기 위해 노즐의 입구 길이와 직경, 출구 길이, 그리고 노즐의 설치 반경 위치를 고려하였고, 해당 변수들이 유량계수에 미치는 영향을 확인하였다. 노즐의 직경과 길이는 노즐 입구에서 발생하는 박리와 내부의 차폐 효과를 최소화하는 방향으로 설계되었고, 설치 반경은 작게 설계되어 회전면의 펌핑 효과를 받도록 설계되었다. 설계 결과, 유량계수를 약 31.7% 향상시켰으며, 온도 강하 효율은 약 21.9% 향상되었다. 베인 형 프리스월 노즐의 단면 곡선을 결정하는 제어점의 위치를 형상 변수로 정의하여 최적 설계를 하였다. 노즐의 단면을 정의하는 곡선은 회전축과 이루는 각도와 에어포일의 두께로 이루어진다. 각 곡선에 제어점을 4개와 5개로 만들어 제약이 없는 형상을 만들 수 있도록 하였다. 기존 베인 형 프리스월 노즐 설계 방식보다 형상 변수가 적고, 제약이 없는 형상을 만들 수 있는 기법을 구축 및 제시하였다. 베인 형 프리스월 노즐은 홀 형에 비해 높은 유량계수와 온도 강하 효율을 보였지만, 압력비가 낮은 경우 홀 형보다 성능이 급격히 나빠지는 것을 확인하여 설계자가 해당 엔진에 적합한 타입을 선정할 수 있도록 제시하였다. 디스크 캐비티 시스템은 프리스월 시스템과 동일한 추기를 사용하기 때문에 이차유로 설계 시 동시에 고려해야 한다. 가스터빈의 메인 유로에서 디스크 캐비티 내부로 들어오는 기체는 가스터빈 축 부분으로 흘러 열적 손상을 야기시킨다. 이에 따라 비회전부의 구조적 및 조립의 한계로 인해 발생하는 누설을 활용해 메인 유로의 기체가 유입되는 것을 최소화 시켰다. 누설 유동을 제어하는 Purge Hole의 직경과 각도, 설치 반경 위치, 그리고 Bore Flow와의 비율을 설계 변수로 정의하고 최적 설계를 수행하였다. Purge Hole은 Rim Seal을 통해 유입된 기체가 비회전면으로 내려오는 것을 막는 방향으로 설계되었고 그 결과 디스크 캐비티 내부의 유동 구조가 바뀌었다. Bore Flow만 있는 경우 생기는 두 와류 영역이 누설로 인해 하나의 와류로 합쳐졌고, 이는 누설로 인해 비회전면으로 내려오는 유동이 감소했음을 의미했다. Purge Hole의 설계로 인해 디스크 캐비티 내부의 Ingestion 체적분율이 기존 21.4%에서 5.72%로 감소하였다. Purge Hole 설계를 통해 불가피한 누설을 활용하였고, 결과적으로 Ingestion을 감소시켜 냉각에 사용되는 추기량을 줄일 수 있었다. 홀 형과 베인 형의 프리스월 시스템을 설계하여 추후 다른 엔진의 이차유로 설계 시 압력비에 따라 유리한 온도 강하를 위해 노즐의 형상을 선택하도록 하였고, 디스크 캐비티에 Purge Hole을 적용하여 Ingestion의 양을 줄임으로써 감소된 추기량으로 인해 가스 터빈의 전체 효율을 향상시켰다.