Comparative Study of Tip Clearance Loss in Impulse and Reaction Turbine Cascades

충동터빈과 반동터빈 캐스케이드에서의 팁 간극 손실에 대한 비교 연구

Korea Aeronautics Research Institute (KARI) is developing a turbo pump that has 1-stage impulse turbine and relatively high tip clearance for safety. The objective of this research is to investigate the effect of reaction on tip clearance loss in axial turbines. Both cascades were tested in a subsonic wind tunnel. In each cascade, total pressure was measured for tip clearance ranging from 1% to 20% of chord. In results, increasing tip clearance, total pressure loss in reaction turbines is continually increased but impulse turbines keep almost same level of mass averaged total pressure loss. When tip clearance becomes more than 10% of chord, mass-averaged total pressure loss in impulse turbines is less than in reaction. This means that when tip clearance is more than 10% of chord, impulse turbines have better efficiency than reaction turbines.

현재 항우연에서 개발 중인 우주발사체 터보펌프에 사용되는 터빈은 단단 충동터빈을 적용하고 있다. 우주발사체의 안정성을 위해 팁 간극을 비교적 많이 허용하고 있는데, 효율적인 면에서는 반동터빈 보다 다소 뒤지지만, 높은 출력비를 가지는 충동터빈이 팁 간극이 커질 때 어떤 효율경향을 나타내는지 알아보는 일은 의미 있는 일이다. 실험은 아음속 조건에서 실험하였고, 팁 간극을 각각 코드기준 1%$\sim$20%일 경우 충동과 반동 각각의 경우에 대하여 하류 전압손실을 측정하였다. 측정결과 팁 간극이 10%보다 더 커지면, 충동터빈이 오히려 전압손실량이 반동터빈보다 더 작아진다. 이것은 팁 간극이 비교적 큰 조건에서 충동터빈이 반동터빈보다 효율이나 출력비 면에서 더 나은 성능을 나타냄을 의미한다.