지난번의 길고 짧은

증기 터빈의 저압(LP) 섹션에 있는 최종 단계 블레이드(LSB) 열은 기계의 전체 성능, 크기 및 케이싱 수를 정의하므로 터빈 설계의 핵심 요소입니다. 역사적으로 전반적인 터빈 효율을 높이려는 노력은 고압 및 중압(HP 및 IP) 섹션에 집중되었습니다. 그러나 지난 몇 년 동안 터빈 제조업체들은 터빈 전체 전력의 최대 50%를 생산할 수 있는 LP 섹션을 목표로 삼기 시작했습니다(그림 1). 특정 배기 압력 값에서 해당 섹션의 효율성을 높이는 한 가지 방법은 LSB를 늘리는 것입니다. 이렇게 하면 필요한 LP 모듈 수가 줄어들거나 동일한 수의 모듈에 대해 더 낮은 응축기 압력에서 전력 출력이 증가합니다.

1. 가장 큰 기여자. 저압 섹션은 유틸리티 규모의 증기 터빈이 생산하는 전력의 최대 50%를 차지할 수 있습니다. 제공: Bechtel Power Corp.

LSB 길이를 늘리려는 노력은 대규모 석탄 화력 발전소 설계자뿐만 아니라 비교적 소규모 복합화력 발전소 개발자도 주도하고 있습니다. 복합 사이클용으로 설계된 터빈과 기존 증기 발전소용으로 설계된 터빈 간에는 상당한 차이가 있습니다. 급수 히터는 일반적으로 바닥 사이클의 열 설계에 사용되지 않기 때문에 동일한 HP 주 증기 흐름에 대해 바닥 사이클의 LP 배기 증기 흐름은 비슷한 크기의 기존 터빈보다 최대 35% 더 클 수 있습니다. 또한, 바닥형 발전소 설계에서는 경제적으로 타당한 경우 높은 주변 온도에서 가스 터빈 출력의 감소나 발전소의 최대 부하를 보상하기 위해 덕트 연소를 사용할 수 있습니다. 미국에서는 증기 터빈 출력을 거의 두 배로 늘리기 위해 대량의 보충 연소를 사용하는 것이 매우 일반적이 되었습니다.

이 기사에서는 점점 증가하는 복잡한 전산유체역학(CFD) 분석의 역할을 포함하여 최신 LSB 학제간(공기역학 및 기계) 설계의 기본 기능을 살펴봅니다. 우리의 목적은 LSB 길이를 늘리는 현재 추세가 터빈 성능과 작동성에 어떤 영향을 미치는지 조사하는 것입니다. 이 기사는 적합한 LSB 시스템을 선택할 때 사용할 수 있는 실제 옵션을 설명하는 테스트 사례로 마무리됩니다.

기존의 LSB 설계(회전 블레이드 끝 부분의 아음속 유입)는 블레이드 기계적 한계보다 공기역학적으로 허용 가능한 한계에 더 빨리 도달합니다. 이러한 단점을 해결하기 위해 터빈 OEM(Original Equipment Manufacturer)은 고정 및 회전 블레이드의 설계를 이해하고 개선하는 데 상당한 노력을 기울였습니다. 회전 블레이드 끝 부분의 초음속 상대 유입과 같은 기존 기존 설계 경계의 변경 사항은 사용자 승인을 얻기 위해 광범위한 분석 및 실험 시험을 통해 평가되었습니다.

완전히 개발된 3D 단계 흐름 분석만이 초음속 흐름으로 인한 충격파 손실을 최소화할 수 있는 최적의 블레이드 프로파일을 제공할 수 있습니다. 예측 도구로서 최신 3D 분석의 정확도가 크게 향상되었습니다. 이제 다양한 증기 습윤 조건과 상 변화 변화가 있는 비평형 응축 흐름을 설명할 수 있습니다.

대형 LP LSB의 경우 상대적 출구 마하수는 작동 범위와 배기 손실을 평가하는 데 중요한 설계 매개변수입니다. 블레이드가 길수록, 주로 중간 단계의 강한 압력 구배로 인해 출구 마하 수가 높아집니다.

그림 2는 일반적인 정압과 마하수 분포를 보여줍니다. 회전 블레이드 허브(Ps1)의 낮은 압력은 낮은 루트 반응을 생성하며, 이는 결국 회전 블레이드 내에서 흐름 분리로 이어집니다. 고정 블레이드 출구(M1)의 마하수는 매우 강한 기울기를 가지며, 회전 블레이드의 허브와 팁에서 입구 마하수(Mw1)를 높입니다. 팁의 높은 압력은 고정 베인의 허브에서 출구 마하 수의 높은 절대값을 생성하고 회전 블레이드의 팁과 허브에서 높은 상대 유입 마하 수를 생성하여 로터 통로 내에서 충격을 유발합니다.