This report presents a conceptual design of axial flow gas turbines for helium-cooled reactors. The reference design for the gas turbine system is adopted from the MPBR project of MIT, which uses an indirect helium/helium cycle. The purpose of this study is as follows: to develop the conceptual design tools for gas turbines, to validate an verify them comparing with the MIT design, to draw the off-design characteristics of the gas turbines, to do scaling analysis for scale-down gas turbines using the validated design tools.
In the reference design, the gas turbine system consists of three-shaft configuration. This report describes the conceptual design of the high-pressure compressor, the high-pressure turbine and the power turbine, and the scaling analysis of these gas turbines by the mean-line design and the meridional flow analysis method. It was found out that the high-pressure compressor, the high-pressure turbine, and the power turbine consist of 8 stages, 4 stages, and 14 stages, respectively. After completion of the stage design, the design point performance and the off-design characteristics of the gas turbines were estimated. Also the fluid properties were calculated through the gas turbines in the axial directions.
This report shows that the conceptual design tools are capable of predicting design point performance within ±1% compared with the reference. And the results of the scaling analysis indicate that the effects of the non-dimensional mass flow and the non-dimensional speed are stronger than the effect of the Reynolds number in subsonic flow.
본 연구는 헬륨 냉각로를 사용하는 발전소에서의 가스터빈과 동력터빈에 대한 열역학 및 유체역학적인 해석을 수행하여 초기설계시 개념설계의 관점에서 연구를 수행하였다. 축류 압축기와 축류 터빈에 대한 초기 설계치 설정과 성능해석을 하였으며 나아가서 탈설계를 수행하여 성능해석을 하였다. 또, 1/2 입출력을 갖는 축소모델에 대해서도 축척작업을 통해 성능해석을 수행하였다. 헬륨 냉각로 시스템은 최근에 연구가 많이 되고 있는 가스 냉각로 시스템의 한 종류로서 작동유체인 헬륨이 화학적으로 안정하고 특히 음속이 공기의 약 3배정도로 본 가스터빈 작동조건하에서는 아음속 영역으로 충격파의 손실이 없다는 잇점이 있다. 열역학적인 해석을 통해서 스테이터와 로터의 블레이드 갯수와 대략적인 치수 및 윤곽을 결정하고 이를 관통유동해석을 통해 각 단에서의 로터와 스테이터의 입구와 출구 유동각 및 유동단면적을 비롯한 열유체유동해석을 수행하였다. 이때 문제의 단순화를 위해서 헬륨은 이상기체로서 연속방정식을 만족하며, 블레이드는 자유와류형이라고 가정하였다. MIT에서 계산한 효율과 비교하면 오차가 ±1% 정도로 아주 적으며, 발전기를 구동하는 동력터빈은 축동력을 이용하기 때문에 반경방향으로 치수가 크게 나타났다. 축소 모델의 성능해석을 통해 아음속 영역에서는 레이놀즈 수의 영향이 아주 적다는 것으로 나타났다.
본 연구의 수행결과는 향후 각 블레이드간의 유동해석을 통해 블레이드 형상을 결정하고 적층작업을 통하여 3차원 상의 블레이드 형상을 구현할 수 있다. 이로써 압축기 및 터빈 유동장에서 기본적인 기하학적인 치수는 결정된다.
