Effect of Outer Stator Swirler on Gas Turbine Rim Seal Performance = 외부 스테이터 스월러에 의한 가스 터빈 림 씰 성능 변화

국문 초록 (Abstract)

가스터빈 휠 스페이스로의 고온 가스 유입은 터빈의 수명을 감소시키므로 이를 방지할 필요가 있다. 실제 가스터빈에서는 고압 압축기에서 추출된 주 유동의 일부를 퍼지 유동으로 휠 스페이스에 공급하여 고온 가스 유입을 방지한다. 그러나 퍼지 유량이 증가할수록 터빈 단 효율이 감소하므로, 퍼지 유동의 사용을 최소화하면서 고온 가스 유입을 억제하는 것이 요구된다. 이에 따라 림 씰을 사용하여 퍼지 유동 사용을 줄이면서도 충분한 밀봉 성능을 확보하려는 연구가 진행되어 왔다. 최근 연구에서는 주 유동과 휠 스페이스 유동 간의 스월 차이를 감소시키는 것이 고온 가스 유입 억제에 효과적임이 보고되었다. 이를 위해 휠 스페이스 내부의 스월을 증가시키는 내부 스테이터 스월러가 연구되었으며, 휠 스페이스 외부 반경 영역으로 갈수록 스월 증가 효과가 감소하였다. 본 연구에서는 이러한 점을 개선하기 위해 외부 휠 스페이스의 스테이터 디스크에 장착되어 휠 스페이스 외부 반경 영역의 스월을 직접적으로 증가시키는 외부 스테이터 스월러를 제안하였다. 외부 스테이터 스월러는 베이스 라인 및 내부 스테이터 스월러 케이스와 비교하여 외부 반경 영역에서 스월을 효과적으로 증가시킬 뿐만 아니라, 전 반경에 걸쳐 밀봉 효율 향상 효과를 보여주었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Hot gas ingestion into the turbine wheel space of a gas turbine declines mechanical properties and reduces the turbine’s life span, and therefore has to be prevented. In practical gas turbines, a portion of the main flow extracted from the high-pressure compressor is supplied as purge flow to the wheel space in order to suppress ingress. However, increasing the purge flow rate leads to a reduction in turbine stage efficiency; therefore, it is necessary to prevent ingress while reducing the use of purge flow. Consequently, rim seals have been employed to minimize the required purge flow while maintaining adequate protection against hot gas ingestion. Recent studies suggest that decreasing the swirl difference between the main and the rim seal flows can reduce ingress. To achieve this, inner stator swirlers have been used to increase swirl within the wheel space; however, their effectiveness diminishes toward the outer radii. Therefore, this study introduces a swirler mounted on the stator disk of the outer wheel space, designed to directly increase swirl at the outer radii. Compared with the baseline and inner stator swirler configurations, the proposed outer stator swirler not only enhances swirl at the outer radii but also improves sealing effectiveness across all radii

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents ii
• List of Tables iv
• List of Figures v
• Nomenclatures viii
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Research Background 1
• 1.2. Previous Researches 6
• 1.3. Research Objective 11
• Chapter 2. Literature Review 12
• 2.1. Rotationally Induced Ingress 12
• 2.2. Externally Induced Ingress 14
• 2.3. Swirl Difference Induced Ingress 18
• Chapter 3. Design of Outer Stator Swirler 21
• Chapter 4. Experimental Setup 24
• 4.1. SNU 1-Stage Axial Turbine Research Facility 24
• 4.1.1. Operating Condition 25
• 4.1.2. Vane and Blade Geometries 28
• 4.2. Instrumentation 30
• 4.2.1. Main Flow System 30
• 4.2.2. Secondary Flow System 32
• 4.2.3. CO2 Gas Supply System 35
• 4.2.4. Powertrain 38
• 4.2.5. Measurement inside the Wheel Space 40
• 4.2.6. Uncertainty Analysis 44
• Chapter 5. Experimental Results 46
• 5.1. Swirl Ratio 46
• 5.2. Sealing Effectiveness 48
• 5.3. Pressure Coefficient 50
• 5.4. Minimum Sealing Flow Rate 56
• Chapter 6. Conclusions 58
• Bibliography 60
• 국문 초록 63