분야
doc2.화력 발전 시스템 구성
3.증기 터빈 효율 향상 방안
(1)Leakage Control
(2)Erosion Resistance
(3)Blade Material
(4)etc
그림3-1. Steam Path Loss[1] 그림3-2. Leakages[1]
위에서 그림3-1은 스팀 터빈이 구동하는 중에 Steam Path에서 발생되는 손실 요인들에 대해서 나타내고 있다. 손실 중 50%로 가장 많은 부분을 차지하고 있는 것은 누설 손실로, 세부적으로는 블레이드 상단으로 누설되는 양인 Radial Spill Strip(27.5%), Rotor와 Diaphragm 사에에서 생기는 Inter-stage Packing Leakage(14.4%) 등이 지배적으로 영향을 미치는 요인이다.(그림3-2)
두 번째로 많은 부분을 차지하는 Flow Path Damage에 의한 손실로는 보일러, 증기관 등에서 발생된 박리된 금속 산화물, 이물질과의 충돌에 의해 생기는 Solid-Particle Erosion(SPE), 사이클에 사용되는 물에 들어가 있는 불순물들이 블레이드 표면에 침전되는 현상인 Deposite 등이 대표적이다.
본 보고서에서는 위에서 살펴본 주요 손실 요인들에 대해, 현재 적용되고 있는 방법들을 살펴보고 개선할 수 있는 측면에 대해서 요즘 연구되고 있는 내용 혹은 우리 조에서 생각해낸 독창적인 방법들을 제시한다. 또, 위에서 언급한 주요 요인들 이외에도 개선할 수 있는 factor들에 대해서 생각해본다.
(1) leakage control
1) Present Technology
위에서 살펴본 것처럼, 터빈의 효율을 감소시키는 요인 중에서 가장 기여도가 큰 것이 바로 누설 손실이다. 그 중에서도 bucket tip을 통한 누설과 packing부에서의 누설이 가장 많은 부분을 차지한다.
그림3-3. A typical combination-type-staggered-labyrinth seal geometry[3]
예전부터 이러한 누설 손실을 막기 위해서 가장 많이 쓰인 방법은 위의 그림과 같은 래버린스 실(Labyrinth Seal)이다. 이 sealing system은 교축작용(throttling process)을 이용하여 누설을 방지하는 것으로, 날카로운 실 스트립(Strip)을 로터 또는 Stator에 차례로 배열하여 누설 증기가 교축과 확대를 반복하는 과정에서 발생하는 압력강하 효과로써 누설량을 저감시키게 된다. 이 스트립은 rubbing이 발생했을 경우 축 손상을 줄이기 위해서 축 재질보다는 마모가 쉬운 재질을 사용한다.
일반적으로 스트립의 수를 증가시키고 길게 설치하면 누설을 줄일 수 있으나, 축과 케이싱이 길어지기 때문에 제한된 수의 스트립을 이용하여 더 많은 누설을 차단하기 위하여 많은 형태가 개발 되었는데, 위의 그림3-3에 나온 것은 가장 성능이 좋은 labyrinth seal 의 하나인 Hi-Low Labyrinth이다.
그림3-4. Diagram of a bristle[4] 그림3-5. Typical Brush Seal close-up
Labyrinth Seal의 경우 교축 작용에 의존하고, turbine의 진동 특성 때문에 clearance가 어느 정도 필요할 수 밖에 없다. 이러한 단점을 보완하기 위해, brush같은 구조물을 축과 직접 접촉시킴으로써 clearance를 최대한 줄이는 brush seal이 개발되었다. Clearance가 줄어들기 때문에 labyrinth seal보다 탁월한 성능을 보인다. 그림 3-4에서와 같이 brush 의 솔이 직접 rotor와 기계적인 접촉을 함으로써, Labyrinth seal 보다 더 좋은 sealing 효과를 가진다.
그림3-6. Brush Seal Performance-5.1’’ Test Rig Data
Brush seal은 단독으로 써도 Labyrinth seal 보다는 좋은 효과를 가지지만, 이 둘을 복합해서 쓰면 더 좋은 sealing 효과를 얻을 수 있으므로 주로 그림 2-5와 같은 구조로 적용된다. 이를 그래프로 나타낸 것이 그림 3-6이다.
이렇게 비약적인 성능 향상을 이루어낸 brush seal 역시 단점이 있다. 즉 터빈이 동작 중에 있을 때 역시 rotor와 직접 닿아있어야 하기 때문에 brush의 wear가 문제가 된다. 축 손상을 막기 위해 brush를 더 쉽게 마모가 되는 재질로 제작할 수 밖에 없기 때문에 brush의 내구성 문제는 더욱 심각해진다. 이러한 단점을 해결하고 성능 향상을 꾀하기 위해 나온 것이 다음 그림 3-7의 leaf seal이다.
그림3-7. Structure of Leaf Seal[5] 그림3-8. Force Balance of Leaf Seal[5]
그림 3-7에서 볼 수 있듯이, 수많은 leaf들이 housing에 고정되어 있고, 터빈이 멈춰있을 때는 Rotor와 기계적인 접촉이 이루어지지만, 동작 중에는 그림 3-8과 같이 각 leaf의 위와 아래 압력 차이에 의해서 발생되는 hydrodynamic force에 의해서 Rotor와 접촉을 하지 않게 된다. 이는 Rotor와의 마찰에 의한 손상을 줄여 비약적인 내구성 상승을 이끌어 낼 수 있다. 다음 표는 각 sealing system의 성능과 특징을 비교한 것이다.
표3-1. Characteristics of each seal[5]
위의 표에서 보면, 가장 성능이 좋은 것은 종합적으로 봤을 때 Leaf seal임을 판단할 수 있다. 이러한 이유에서 우리 조에서는 이러한 Leaf Seal의 성능을 개선할 수 있는 방향을 모색해보고자 한다.
2) Advanced Solution
일단 개선 방법에 대한 특허나 논문 등을 통해서 어떠한 방향으로 연구가 진행이 되고 있는지 살펴보도록 하자.
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[3] 하태웅, 2004, “스팀 터빈용 조합형 엇갈린 래버린스 실의 누설량 및 동특성 해석”, 유체기계저널, 제7권, 제6호
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