Numerical Investigation of Flow Characteristics in Full and Partial Shrouded Axial Turbines using CFD

Abstract

Tip leakage flow loss is a main aerodynamic loss source in operating a turbine. To reduce the tip leakage flow loss, a shrouded turbine is used in the modern turbomachinery industry. Shrouded turbine exhibits the improved aerodynamic performance, but it has a structural problem related to increased weight and high stress on rotating parts. The concept of partial shroud arises for the purpose of reducing weight with maintaining high efficiency. Some researchers have studied several types of shroud applied in low-pressure axial turbines both experimentally and numerically. Based on former studies, the new geometry of a partial shroud is invented. In this paper, the aerodynamic performance and flow structures of the new partial shrouded turbine is numerically investigated.

팁 누설 유동에 의한 손실은 터빈에서 발생하는 손실의 약 1/3을 차지하고 있는 주요 공력손실원이다. 이러한 팁 누설 유동 손실을 줄이기 위해 로터 블레이드의 팁에 슈라우드를 달아 팁 누설 유동을 억제 시키는 방법이 있다. 슈라우드 형 터빈은 팁 누설 유동에 의한 손실을 줄여 터빈 공력 효율을 높이는 장점이 있는 반면, 슈라우드로 인해 단 무게와 회전 부품에 가해지는 응력이 증가 하는 단점이 있다. 부분 슈라우드는 터빈의 무게를 줄이면서 높은 공력 효율을 유지하기 위해 고안된 개념이다. 부분 슈라우드 형 터빈의 공력 성능에 대한 선행 연구가 있지만, 다양한 부분 슈라우드 형상에 대해서 연구가 이루어지지 않았다. 본 논문에서는 leading edge 위에 슈라우드 덮개가 없는 새로운 형태의 부분 슈라우드 형 터빈을 직접 설계하고, CFD 유동해석을 수행하였다. CFD 결과, 완전 슈라우드 형 터빈에 비해 동익 블레이드 출구에서의 전압력 손실이 증가하였고, 이로 인해 공력 효율이 감소하였다. 유동장 분석을 통해 슈라우드 덮개를 제거함으로서 tip passage vortex가 발달하여 전압력 손실이 증대되는 것을 확인하였다.