Design Strategies for Multi-Stage Axial Turbines

ABSTRACT This paper describes a brief aerodynamic design procedure of multi-stage axial turbine. The design procedure was established including one dimensional scratch design, through flow analysis with empirical correlations, two dimensional airfoil design and three dimensional airfoil stacking. Detailed aerodynamic performance assessment was done with full three dimensional CFD method at the design and off design conditions to construct turbine performance map. With the present method, aerodynamic design procedure of 1st and 2nd stages of high pressure turbine for 10,000lbf class turbofan engine was introduced. 1. 서 론 가스터빈 엔진의 터빈단의 유동장 내부의 압력장은 순압력 구배로 형성이 되어있어, 압축기에 비해 공력설계 시 유동의 불안정성 등의 고려사항은 적은 편이나, 터빈의 공력설계 방법은 압축기의 공력설계 방법과 매우 상이하다. Fig. 1은 다단 축류형 압축기와 터빈의 내부 압력, 속도, 마하수 분포를 개략적으로 표시한 것이다. 압축기의 경우 단별 내부 속도 및 유동각의 분포를 비슷하게 설계하는 반복단 설계 방식을 채용하여, 설계 시 공력성능 및 안정성이 검증된 단을 기준으로 이를 반복적으로 붙여 압축기의 공력성능 및 안정성을 극대화 하는 방법으로 설계한다. 이에 각 단의 속도 삼각형은 매우 유사한 형상을 가지며, 각 단의 입/출구에서의 유동각 및 속도가 비슷한 분포를 보이는 것에 반해, 출구로 갈수록 상대 마하수는 낮아지는 경향을 가진다. 반면에 터빈은 노즐단에서 마하수를 극대화하여 가속을 시킨 다음, 이로부터 터빈단의 일추출을 극대화 시킨다. 이에 각 단에서의 마하수는 1.0 전후로 손실을 최소화하면서 유체를 가속시키도록 설계가 되지만, 하류로 갈수록 유체의 온도가 저하되어 속도는 점점 줄어들게 되고, 반면에 질량유량을 보존하기 위하여 내부유로가 급격하게 팽창하게 되도록 설계된다. 특히 항공기용 고압터빈의 경우 다단의 고압압축기(High Pressure Compressor)가 1단의 고압 터빈(High Pressure Turbine) 등으로 구동될 정도로 매우 높은 공력하중을 받도록 설계가 된다. 국내에서 개발된 소형 가스터빈 엔진의 경우 주로 구심형 터빈이 다수 적용되었고, 특히 자동차용 터보차저 등에서도 원심 압축기-구심 터빈 조합이 다수 개발되어 사용되고 있는 등 원심-구심형 압축기-터빈 조합에 대한 연구는 상당 부문 진행되었다.이에 비해 축류형 터빈의 경우 발전용 충동형 스팀터빈 및 로켓 연료 및 산화제 수송을 위한 터보펌프용 스팀터빈 등의 국산화 개발이 진행 중이다. 항공기용 가스터빈 엔진의 경우 한국형 헬기 사업을 진행하며 GE의 T700K엔진의 동력터빈 설계 및 시험 등의 연구개발 사례가 있다. 하지만 아직까지 국내에서 고압부의 축류터빈의 공력 및 냉각설계가 체계적으로 진행된 연구사례가 전무하다. 이에 본 논문에서는 다단 축류터빈의 설계 절차를 설명하고 이를 바탕으로 10, 000 lbf급 가스터빈 엔진에 적용이 가능한 2단 축류 터빈의 설계 결과를 소개하도록 한다.* 한국항공우주연구원 엔진요소기술팀(Korea Aerospace Research Institute, Engine C omponent Technology Team)** 한국항공우주연구원 항공엔진실(Korea Aerospace Research Institute, Aero-prop ulsion Division)† 교신저자(Corresponding Author), E-mail : electra@kari.re.kr