고압 증기터빈 스팀 디플렉터 최적형상 설계를 통한 누설저감에 관한 연구
Abstract
A Study on the Optimal Shape Design of Steam Deflector on the HP Steam Turbine for reducing steam leakage. In this study, approached for unexpected steam leakage on the steam turbine at the plant needs various kind of investigations to reduce or stop leaking problem. Systematical approach is essential to reach root
cause analysis for eliminating abnormal terms and conditions using by certain appropriate computational fluid analyzing program as ANSYS CFD. This study is presented based on experienced case but many of
numerical measurements are amended by author to follow information control policy. Some Geometry measurements are assumed by author with only academic, without any commercial purpose. Initially, rotor gland journal of high land metal had dented due to uneven contact pressure by causing misaligned metal rollers on the roller stand. About
1 mm of dented high land surfaces are machined out to keep flat surface of gland journal. After outage service, steam leakage are occurred during the plant start up. Thus, remedial action are required as plant atmospheric. Attachment named steam deflector is attached end
side of shaft gland box. After that, steam leakage is reduced much more than before, but not stoped perfectly.
This study is for designing optimal steam deflector which is located adjacent to the end of HP Turbine rotor gland atmospheric side. Rotor surface has half rounded groove which is not deal with previous resercher yet. So, there is no reference data such shape of shaft gland surfaces. For this reserch, numerical analysis was performed about LFR(Leakage steam flow Rate) with ANSYS Fluent, commercialized CFD program by 2 dimensional axisymmetric methods. Coupled Pressure Based Solver is utilized to estimate inlet pressure as a boundary condition based on the leakage flow rate of steam vapour at the outlet side which is founded initially after steam turbine running. Leakage steam flow rate of range is estimated by changing fin shapes, number of fins, clearances of labyrinth seal, etc. Investigated seal specifications are typical labyrinth seal packing of domestic power plants. The result of first to fifth study about LFR characteristics by
changing Fin shapes of Labyrinth Seal, LFR of case #7 is reached up to 22%. To optimize the structure of labyrinth seal internal, put 2 and 3 additional short fins between 5 long fins as a fourth study, estimated LFR are from 15 to 22%. 3 short fins type is higher than 2 short fins type relatively as predicted. Final design is recombined by case #7 which is 22% of LFR and case #12 which is same LFR as 22% of case #7. Results of sixth study, final design is designated by case #15 which has 26% of LFR. Final suggestions for optimal design of steam deflector are optional. For convenience of installation and cost of
manufacturing reason, steam deflector case #7 shall be a best choice. For maximum efficient of plant, case #15 shall be the best choice of case. The result of sensitivity analysis for seal influence of coefficients, seal clearance of fin tip were a dominant influence. The influence coefficients of the rest factor which is heigh of land were minor. The
results of optimized design of the steam deflector, heigh of seal fin, heigh of land, tip clearances on the seal are key factors. On the other hand, If plant need to apply remedial action to reduce leaking steam within short periods of maintenance, steam deflector case #7 can be a best choice for that situation. The optimal model of 3 fined case #7 and case #12 are expected to be used as a useful idea for power industry because it could estimated, changed and measured easily by using CFD program.
증기터빈은 산업현장에서 전력생산용 주발전기 구동 또는 압축기 구동 등을 위한 증기 원동기로서 회전부와 고정부사이에 접촉 또는 비접촉식 밀봉장치가 존재하며, 대기와 접하는 축 밀봉부에는 작동유체인 증기가 외부로 누출되거나 대기가 내부로 누입되는 것을 방지하도록 설계되어있다. 증기터빈 내부 단에서의 누설은 내부 누설 단 다음 단에서 재이용되는 측면이 있으나, 축 밀봉부에서의 증기누출 또는 공기누입은 재이용되는 측면보다는 엔트로피의 증가측면이 있어서 효율저하와 직결되며 부품의 침식, 주변 환경의 오염문제를 수반하게 된다. 고압 증기터빈의 축 밀봉부의 누설은 미세한 양이라도 최소화 저감 조치를 위한 다각적인 검토와 조치방안 강구노력이 필요하며, 수년전 직접 경험한 산업현장에서의 증기누설 저감 조치경험 사례를 토대로 연구를 진행하게 되었다. 추가 밀봉구조물 스팀 디플렉터를 설치해본 경험을 학문적으로 재검증하고, 밀봉장치의 최적형상을 설계해 보고자 널리 상용하는 ANSYS Fluent 프로그램을 이용하여 열 유체의 유동 해석을 수치해석으로 접근하여
연구를 수행하여 결과 값을 제시하였다. 선행 연구 자료에서 알 수 없는 축에 마련된 반원 그루브 포켓형상과 접하는 Knife Edge 형태의 Sealing Device와 접하는 곳에서의 여러 Case 별 부가구조물(Attachment)인 스팀 디플렉터를 설계하여 각각의 Flow Coefficient를 수치해석으로 추정하여, 최적의 밀봉효과를 갖는 형상을 설계하고자 하였다. Land 높이, Fin의 높이, Fin 수량, 실 간극 등 밀봉형상변수에 영향을 주는 인자에 대한 민감도 분석을 수행하여 각 영향인자의 특성을 파악하여 최적화 모델을 제시하는데 고려하였다. 명기된 치수는 학문적 연구목적을 위해 필요한 수치를 모사하는 과정에서 실제와 달리 일부 수정하여 연구한 결과, 주어진 현장의 물리적 제원 공간을
기준으로 최적의 Steam Deflector 형상을 도출하였으며, 결론은 다음과 같다. 가. Steam Deflector 형식에 따른 누설유량 저감 효과는 가장 복잡한 형식인 Case #6보다는 Case #5와 Case #3이 오히려 누설저감 효과가 높은 것으로 나타났다. 형식의 복잡성 자체보다는 유로 통로에서 교축(Throttling)을 일으킬 수 있는 복잡성 구조가 저항을 높여 누설계수 설계범위를 만족하게 됨을 알 수 있었다. 나. 민감도 분석 결과 Steam Deflector의 Sealing Coefficient는 최소간극부의 간극 크기에 의한 누설변화량 영향이 지배적이었다. Fin의 개수와는 비례함은 선행연구 결과와 비교하여 유사하게 나타났다. 다. Steam Deflector의 형상을 최적 설계하여 Case #3과 Case #5를 융합한 Case #7을 설계하였고, 누설유량 22% 저감의 유의미한 연구결과 값을 얻었다. Case #12를 통해 기존의 Long Fin사이에 Short Fin 3개 부착시 누설유량 감소 효과는 Case #7과 동일한 22%였다. Case #7과 Case #12를 조합하여 Case #15모델을 선정하여 해석한 결과 26%의 효과가 산출되었다. 현장 운영관리자는 Case #7, Case #12, Case #15의 특성을 고려하여 선택할 수 있다. 이를 통해 증기누설을 저감, 방지하여 증기터빈 열효율 향상, 주변 오염 방지를 위해 향후 설비운영에 유용한 자료로 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.
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