초임계 이산화탄소 발전을 위한 충동형 축류 터빈 개발 (Axial Impulse Turbine Design for Supercritical CO2 Cycle)

서지정보

· 발행기관 : 대한기계학회
· 수록지 정보 : 대한기계학회논문집 B / 42권 / 5호 / 379 ~ 385페이지
· 저자명 : 신형기, 조종재, 조준현, 나호상, 최봉수, 노철우, 이범준, 이길봉, 백영진, 강영석, 허재성

초록

본 논문에서는 초임계 이산화탄소(sCO2) 발전 사이클에 적용되는 축류 터빈 개발에 대하여 다루고 있다. 초임계 이산화탄소 발전사이클의 경우 초임계 상태로 작동 유체가 유지됨으로써 높은 밀도와 낮은 비체적으로 인하여 기존의 스팀 랭킨 사이클에 비하여 터빈 크기를 1/20 이하로 소형화가 가능하다. 그러나 이러한 장점은 터보 머시너리 개발에는 상당한 난점으로 작용한다. 이산화탄소의 임계점 부근 및 고온/고압 조건에서의 운전되는 터빈의 경우 낮은 비체적으로 인한 높은 회전수와 고압 조건으로 인한 높은 축력이 개발상의 난점이 된다. 이의 해결을 위하여 본 연구에서는 부분유입 운전 방식으로 운전되는 충동형 축류 터빈을 개발하였다. 부분유입 충동형 터빈 개념을 적용하여 입구 조건 135bar, 392℃, 출구 조건 77bar, 질량 유량 1.74kg/s의 설계조건에서 지름 73mm, 날개 높이 8mm, 정격 회전수 45,000RPM의 터빈을 설계할 수 있었으며, 기계적인 안정성을 위하여 틸팅패드 베어링을 적용한 터빈 시스템을 개발하였다. 개발된 터빈은 최대 입구 조건 100 bar, 205 ℃에서 45분의 연속 운전을 수행하였다.

영어초록

The design of an axial impulse turbine that was installed for a supercritical CO2 (sCO2) cycle. An sCO2 power generation cycle could decrease turbomachinery size to one-twentieth of the current size due to a small specific volume compared with a typical steam power cycle. However, this small turbomachinery makes it difficult to develop prototype sCO2 cycle equipment. Major problems of sCO2 turbines are the small volume flow rate and huge axial force. The small volume flow rate and turbine size correspond to a high rotating speed. In addition, the turbine inlet pressure of the sCO2 cycle must be more than 100 bar and the outlet pressure over 77 bar to maintain the supercritical state; such high pressure results in a huge axial force. To overcome these difficulties, an axial impulse turbine that was operated in partial admission condition was chosen, and tilting pad bearings were applied for mechanical reliability. The geometry of the turbine is 73-mm rotor diameter, 8-mm blade height, and 45,000 rpm of operating speed at the inlet design condition of 135 bar and 392 ℃, outlet condition of 77 bar, and mass flow rate of 1.74 kg/s. The designed turbine was tested at the Korea Institute of Energy Research (KIER) Pilot Plant Laboratory. The test condition was that maximum pressure and temperature were 100 bar and 205 ℃, and the cycle and turbine operated for 45 min.

참고자료

· 없음