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날개와 블레이드의 열 전달을 수치 해석하기 위한 첨단 CAD 포함 CFD 코드 사용

posted Dec 20, 2017, 10:04 PM by Songyi Han
가스 터빈 날개와 블레이드 안쪽의 내부 냉각 통로 열 전달 성능은 설계 엔지니어가 중요하게 생각하는 부분 중 하나입니다. 냉각 효율성이 높을수록 터빈 온도가 높아질 수 있어, 결과적으로 터빈 효율성도 증진되기 때문입니다.

고온 터빈의 설계 최적화에는 CFD 툴이 널리 사용되고 있습니다. 그러나, 각각의 계산에는 엄청난 연산 문제가 수반된다는 사실을 알아두어야 합니다. 또한, 이러한 문제를 극복하려면 까다로운 조건을 갖춘 전문가를 투입해야 합니다. 전문가가 투입될 때까지 구조 설계는 설계 엔지니어의 책임인데, 이런 엔지니어에게는 대개 전산 유체 역학에 대한 전문적인 지식이 없습니다. 따라서 설계 엔지니어가 CFD 툴을 보유해야 한다는 필요성이 점차 커지고 있는 상황입니다. 이 CFD 툴은 CAD 시스템과 함께 연동할 수 있어야 하고, 안정적이고 강력하며 다른 CFD 툴과 같은 수준의 결과를 도출하되 CFD처럼 까다로운 자격 조건을 갖추지 않아도 다룰 수 있어야 합니다.

이 글에서는 터빈 날개와 블레이드의 열 및 온도 조건을 평가하기 위해 CAD 포함, CFD 소프트웨어 FloEFD 를 사용한 결과를 소개합니다. FloEFD 방식은 크게 두 가지 원칙을 근거로 합니다. 하나는 기본 CAD를 지오메트리 정보 출처로 직접 사용한다는 것, 그리고 다른 하나는 전체 3D CFD 모델링의 시너지 효과를 이용한다는 것입니다. 여기에 전체 3D 시뮬레이션에 메시 해상도만으로는 부족한 경우 이보다 단순한 엔지니어링 방식을 조합하여 적용합니다.

가스 터빈 날개와 블레이드의 열 전달이라는 분야에서 CFD 코드의 유효성을 검증하기 위해 서로 별개의 세 가지 실험을 선택하였습니다. 각 사례마다 복합 열전달의 특정 매개변수를 감안하여 이를 연산한 뒤 공개된 테스트 결과와 비교하였습니다.

첫째로, C3X 특성을 지닌 날개의 실제 테스트 조건하에서의 온도와 열 전달 계수를 계산하였습니다.
두 번째 사례에서는 증기 터빈 날개에서의 대류 열 전달을 실험 대상으로 삼았습니다. 날개의 온도 분포를 평가하였습니다. 이 사례의 특별한 점은 실험용 테스트 장비가 날개 3개짜리 캐스케이드 베인(통풍구)을 포함한 직사각형 덕트라는 사실입니다. 세 번째인 FloEFD 시뮬레이션에서는 유막 냉각식 1단계 터빈 날개를 사용하였습니다. 모델의 지오메트리가 비교적 단순한 편이기 때문에 냉각 프로세스에 유막이 미치는 효과와 그 기여도를 알아볼 수 있습니다.

마지막으로, 실제 산업용 고압 터빈 블레이드에 대한 수치 계산을 수행하였습니다. 복잡한 내부 냉각 시스템에는 증폭제가 가득한 통로가 포함되어 있습니다. 유입구 가스 매개변수 설정을 택함으로써 원주 왜곡도 감안하였습니다. 축 주변 공간에서 흘러나오는 냉각 공기 또한 계산에 감안하였습니다.



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