Effect of multi-cavity tip on tip leakage flow in variable geometry nozzle of radial expander

Abstract

A numerical research has been conducted for a radial expander with Variable Geometric Nozzle (VGN) to analyze its tip leakage flow rate using CFD. The tip discharge coefficients are calculated for the flat tips, the squealer tips, and the cavity tips to choose a design factor that has the smallest discharge coefficient. The cavity tip is selected and applied to the VGN of the radial expander as a design factor to reduce its tip leakage flow rate. The tip leakage flow rates along the pressure side, the suction side, and the leading edge side are numerically calculated compared to the flat tip. Their flow mechanism is investigated depending on the streamwise location. VGN blade with the cavity tip applied had little labyrinth seal effect due to the blade thickness and non-rotation characteristic of the nozzle blade, and there was little change in the tip leakage flow rate. Thus, the multi-cavity tip idea, a new shape to complement the thick blade thickness, was devised and applied to VGN. VGN blade with the multi-cavity tip had a partially reduced leakage flow rate on the pressure side compared to the flat tip, and the size of the leakage flow vortex was increased and reduced the bulk flow angle of the VGN outlet. Numerical calculations indicated that applying the multi-cavity tip to the VGN blade increased the aerodynamic efficiency by 1.25%p due to the reduction of the leakage flow rate at the pressure side and reduced flow angle of the VGN outlet.

익스팬더는 가스를 팽창시켜 에너지를 얻는 터보 기계로, 천연가스 운송기지에서 전기에너지를 회수하는 것과 같이 산업현장에서 다양한 목적으로 사용되고 있다. 특히 방사형 익스팬더 관련 고객의 주 요구조건은 높은 성능과 넓은 운전범위, 작은 사이즈이다. 방사형 익스팬더의 유량 제어방법은 Inlet Throttle Valve (ITV)와 Variable Geometric Nozzle (VGN) 로 분류할 수 있는데, VGN은 ITV와 달리 익스팬더 노즐의 각도를 조절하여 노즐 출구부 속도 방향 조절을 통해 유량을 제어한다. ITV는 제작된 설계점에서의 공력성능은 높으나 탈설계점에서의 성능이 감소하고 이에 따라 운전 범위가 좁은 특징이 있다. 반면 VGN은 설계점에서의 성능은 상대적으로 낮으나, 탈설계점에서의 성능저하가 작고 넓은 운전범위를 확보할 수 있다. 따라서, 고객의 요구조건 만족을 위해 VGN의 사용이 선호된다. 그러나 노즐 각도 조절이 가능한 VGN의 특성 상, 노즐과 캐이싱 사이의 간극이 필수적으로 존재한다. 노즐에서 이러한 팁과 허브의 간극을 통해 누설 유동이 발생하며 이는 무시할 수 없는 크기의 공력 손실을 야기한다. 방사형 익스팬더의 경우 역시 공력성능 향상 및 제품 경쟁력 향상을 위해, VGN의 간극을 통한 누설 유동 손실을 최소화할 필요가 있다. 본 연구에서는 문헌 조사를 통해 VGN 간극이 공력 손실에 미치는 영향 및 설계요소가 미치는 영향에 대해 파악하고, 팁 간극의 누설 유동 저감을 위해 기존에 선행된 연구 사례들을 분석하고자 한다. 이후 문헌 조사를 바탕으로 기존 형상과 조건에 적용할 수 있는 설계 인자를 선정하고 CFD 유동 해석 방법을 정립한다. 설계 인자를 적용한 case study를 진행하여, 설계 변수들이 설계점에서 VGN 공력성능에 미치는 영향을 파악하고 분석한다. 최종적으로 방사형 익스팬더의 VGN 누설 유동으로 인한 공력 손실을 최소화하는 것을 목표로 한다.