Numerical Analysis of the Effect of Droplet Size Distribution on Steam Turbine Performance

국문 초록 (Abstract)

응축은 저압 증기 터빈 내부에서 발생하며 터빈 성능에 부정적인 영향을 끼치며 이런 영향을 파악하기 위해서 많은 연구가 수치 적 및 실험적으로 수행되었다. 그러나 실제 터빈의 블레이드 열에 다양한 액 적이 유입 될 수 있음에도 불구하고 다양한 크기의 입구 방울이 증기 터빈 성능에 미치는 영향은 수행되지 않았다. 본 논문에서는 증기 터빈의 성능에 미치는 크기 분포의 영향을 수치적으로 파악하였으며 시뮬레이션은 ANSYS CFX 17.0을 이용하였다. 다양한 크기의 입구 물방울 효과를 예측하기 위해 5 가지 크기의 물방울을 설정했으며 입구 물방울 크기 범위가 증가함에 따라, 블레이드 통로 내부에서 응축이 덜 발생함을 예측하였다. 입구 물방울의 표면에서 응축이 더 많이 발생하지만 입구 물방울의 응축은 핵 생성을 억제하여 총 응축량은 감소하게 됨이 예측되었다. 또한 입구 액적 크기 분포가 달라짐에 따라 블레이드 유동 내부 충격파 강도가 달라지게 됨이 예측되었다. 응축으로 인한 잠열로 인하여 입구의 물방울 크기가 증가함에 따라 1 차 충격 강도는 증가하지만 하류의 응축은 하류에서의 압력 강하가 감소하여 2 차 충격 강도가 약해진다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Condensation occurs inside low pressure steam turbine and it affect negatively on turbine performance. Many researches have been conducted numerically and experimentally. However, the effect of various size of inlet droplet on steam turbine performance has not been conducted although various droplet can enter blade row in real turbine. In this paper, the effect of size distribution on steam turbine performance has been conducted numerically. Simulation is conducted with ANSYS CFX 17.0. Setting 5 different size of droplet to predict the effect of various size of inlet droplet. As inlet droplet size range increases, condensation less occurs inside blade passage. At the surface of inlet droplet, condensation more occurs, but condensation on inlet droplet suppress nucleation, leads to less condensation inside blade passage. Different droplet mass fraction leads to different shock strength. Due to condensation latent heat, 1st shock strength increases as inlet droplet size increase, but downstream condensation leads less pressure drop at the downstream, leads to 2nd shock strength weaker.

목차 (Table of Contents)

• Table of Contents
• Abstract i
• Table of Contents iii
• List of Figures v
• List of Tables vi
• Nomenclature vii
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Study Background 1
• 1.2. Previous Research 2
• 1.3. Research Objective 4
• Chapter 2. Condensation Model 5
• 2.1. Non-Equilibrium State 5
• 2.2. Nucleation Model 7
• 2.3. Droplet Growth Model 9
• Chapter 3. Numerical Simulation 11
• 3.1. Geometry 11
• 3.2. Grid 13
• 3.3. Numerical Setup 16
• 3.4. CFD Validation 20
• Chapter 4. Results and Discussions 22
• 4.1. Different Condensation 22
• 4.2. Blade Loading 27
• 4.3.Different Shock Strength 29
• Chapter 5. Conclusion 35
• Bibliography 36
• Abstract in Korean 39