A supercritical CO2 (S-CO$_2$) Brayton cycle has high compactness, simple configuration and competitive efficiency. The advantages are originated from S-CO$_2$ non-ideal gas properties, and enable to utilize the S-CO$_2$ Brayton cycle for distributed power generation in remote regions. However, the design of the cycle and components becomes challenging because of the strong real gas effect. Especially, turbomachinery is the key component for the expansion and compression processes and is most affected by the real gas effects of S-CO$_2$. In order to obtain precise design of the turbomachinery, accurate loss models are necessary. Windage loss is one of the external losses that determines motor load and heat generation due to friction. The overall turbomachinery efficiency is greatly affected by the windage loss especially in an S-CO$_2$ power cycle, since the windage loss is more significant due to high fluid density and high rotational speed. Therefore, an accurate windage loss model which reflects the real gas effect of S-CO$_2$ is essential to obtain precise design of the turbomachinery. In this thesis, existing windage loss models are compared under the S-CO$_2$ condition to understand the turbomachinery performance uncertainty due to the windage loss models. Then, they are corrected to reflect the S-CO$_2$’s real gas effect. Finally, the improved models are verified and new models are suggested based on the S-CO$_2$ windage loss experiments.
초임계 이산화탄소 (S-CO$_2$) 브레이튼 사이클은 높은 집적도와 간단한 구성 그리고 경쟁력있는 효율을 갖추었다. 이는 S-CO$_2$의 비이상기체 특성에 기인한다. 따라서 S-CO$_2$ 브레이튼 사이클은 전력망에 연결되지 않은 지역에 분산전원으로 적용되기 용이하다. 하지만 S-CO$_2$의 강한 비이상기체 특성은 발전 계통 및 구성요소의 설계를 어렵게한다. 특히, 회전기기는 사이클의 압축과 팽창을 담당하는 핵심 기기로 S-CO$_2$의 비이상기체 효과에 가장 영향을 많이 받는다. 회전기기의 정확한 설계를 위해서는 정확한 손실 모델이 필요하다. 풍손은 모터의 부하를 결정하고 마찰 열을 발생시키는 외부 손실 중 하나이다. S-CO$_2$ 발전 계통의 높은 유체 밀도와 높은 회전속도가 풍손을 높혀 효율에 크게 영향을 미친다. 따라서 회전기기를 정확히 설계하기 위해 CO$_2$가 임계점 근처에서 갖는 실제 기체 효과를 반영하여 정확한 풍손 모델을 개발해야한다. 본 논문에서는 기존의 모델들을 S-CO$_2$ 조건에서 비교하여 모델 선정이 회전기기 설계에 미치는 불확실성을 평가하고 기존 모델들이 S-CO$_2$의 특성을 반영할 수 있도록 보정하였다. 또한 풍손 실험을 통해 보정 모델을 검증하고 S-CO$_2$ 조건에 적합한 새로운 풍손 모델을 제시하였다.
