• Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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• 제38권3호
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• pp.276-284
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• 2014

본 연구의 목적은 ORC(Organic Rankine Cycle) 반경류터빈의 설계기법을 확립하는 것이다. 이를 위하여 반경류터빈의 예비설계프로그램인 RTDM(Radial Turbine Design Modeler) Ver.2.1를 개발하였다. RTDM Ver.2.1의 정확성을 검증하기 위해 R32를 이용한 200kW급 OTEC(Ocean Thermal Energy Conversion)용 반경류터빈을 설계하였고 이에 대해 CFD(Computational Fluid Dynamics) 수치해석을 수행하였다. 그 결과 RTDM Ver.2.1의 정확성은 설계한 반경류터빈의 전엔탈피 강하를 기준하여 약 94.6%로 나타났다. 본 연구에서는 반경류터빈의 설계요구조건인 출력조건과 로터출구조건을 충족시키기 위해 질량유량조정 방법을 도입하였다. 이에 따라 RTDM Ver.2.1을 이용하여 설계한 200kW급 OTEC용 반경류터빈의 질량유량은 21.2kg/s이며 이 때 Total to Total과 Total to Static 효율은 각각 89.8%, 85.3%이다.

• Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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• 제38권9호
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• pp.1101-1105
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• 2014

해양온도차발전은 해양의 따뜻한 표층수와 차가운 심층수의 온도차를 발전에 이용하는 전도유망한 기술이다. 지속가능한 온도차를 이용하여 온실가스감축기술로서 활용할 수 있다는 장점을 가지는 반면, 시스템의 효율이 낮다는 단점을 가진다. 해양온도차발전의 낮은 시스템 효율을 개선하기 위해서는 성능이 우수한 터빈의 설계 및 개발기술의 확보가 필요하다. 이에 따라 본 연구에서는 R32를 이용한 100kW급 해양온도차발전용 반경류터빈을 설계하였으며, CFD 해석을 통해 설계한 터빈의 성능을 검증하였다. CFD 해석결과를 참고하여 설계한 반경류터빈의 형상을 수정하였으며 이러한 과정을 반복하여 설계요구조건에 적합한 해양온도차발전용 반경류터빈의 최종 형상을 도출하였다.

• Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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• 제39권7호
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• pp.735-743
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• 2015

유기랭킨사이클의 열역학적 효율에 큰 영향을 미치는 구성요소는 터빈이다. 일반적으로 유기랭킨사이클에서 팽창과정은 작동유체의 급격한 물성치 변화를 수반하므로 터빈의 설계에 많은 어려움이 따른다. 그러므로 효율이 우수한 터빈의 개발을 위해서는 정밀한 터빈의 예비설계가 요구된다. 반경류터빈의 효율은 loading과 flow 계수에 큰 영향을 받으므로 터빈의 예비설계에서 이러한 변수의 선정이 매우 중요하다. 그러나 기존의 성능곡선으로부터 loading과 flow 계수를 선정하는 고전적인 방법을 이용할 경우 정밀한 예비설계를 기대하기 힘들다. 그러므로 본 연구에서는 로터 깃의 개수와 열역학적 설계조건으로부터 loading과 flow 계수를 산출하는 방법을 제시하였다. 본 연구에서 제시한 예비설계모델을 이용하여 예비설계를 수행한 결과는 공신력 있는 상용예비설계프로그램을 이용한 결과와 비교하여 만족스러운 것을 확인하였다. 또한 예비설계모델의 정확성을 검증하기 위해 예비설계한 반경류터빈에 대한 수치해석을 수행하였으며 효율을 제외한 대부분의 변수들이 예비설계조건을 비교적 충족하는 것을 확인하였다.

• Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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• 제40권6호
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• pp.484-492
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• 2016

유기랭킨사이클의 열역학적 효율에 지대한 영향을 미치는 구성요소는 터빈이며, 성능이 우수한 터빈의 원활한 개발을 위해서는 정밀한 예비설계 뿐만 아니라 성능 예측을 위한 유동해석과 구조적인 안전성을 평가하기 위한 구조해석이 필수적이다. 그러나 현재 이러한 포괄적인 유기랭킨사이클용 반경류 터빈에 대한 개발 내용을 포함한 연구사례를 찾아보기 힘들다. 본 연구에서는 유기랭킨사이클용 반경류 터빈에 대한 예비설계를 수행하고 유동해석 뿐만 아니라 구조해석을 수행하였다. 예비설계에는 인하우스 코드 형태로 개발된 RTDM이 사용되었으며 그 결과는 유동해석 결과로부터 설계목표를 충족하는 것으로 나타났다. 예비 설계한 터빈에 대한 구조해석은 선정한 터빈의 재료가 예비 설계한 터빈의 유동조건에 적합한지 여부를 판단하기 위하여 수행되어야 하며, 구조해석 결과로부터 본 연구에서 선정한 알류미늄 합금은 예비 설계한 터빈의 유동조건에 적합한 것으로 판단되었다. 그러나 예비설계 알고리즘 및 수치해석 기법에 대한 신뢰성은 실증실험을 통하여 엄밀히 검증되어야 할 것으로 판단된다.

• 대한기계학회논문집B
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• 제39권3호
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• pp.207-214
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• 2015

해양온도차발전용 터빈의 효율과 크기를 파악하기 위해 R134a를 작동유체로 하고 출력 5 kW인 반경류형 터빈의 설계가 수행되었다. 터빈입구온도 $25^{\circ}C$, 출구 정압 4.9 bar, 질량유량 1.16 kg/s 로 설정하고 평균유동해석을 수행하여 터빈의 회전수와 주요 치수를 결정하였다. 이들을 바탕으로, 3 차원 터빈 모델을 구축하였으며, 도출된 터빈회전수 12,820 rpm에 대하여 전산유체역학(CFD) 소프트웨어 ANSYS CFX를 이용하여 볼류트와 노즐을 포함하는 터빈 내부 유동장 특성과 효율이 조사되었다. 80%이상의 터빈 효율이 적정 범위 내의 노즐 안내깃 수(10-15 개)에서 제시되었으며, 가장 높은 터빈 효율은 15 개의 안내 깃에서 나타났다.

• Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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• 제35권6호
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• pp.757-764
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• 2011

본 연구에서는 폐열회수 발전시스템에 적용가능한 100kW급 구심터빈을 대상으로 베인노즐의 출구각도 변화에 따른 구심터빈의 성능과 내부유동의 영향을 분석하였다. 이를 위해 상용코드를 이용한 3차원 CFD 해석을 수행하였다. 베인노즐 출구각이 커짐에 따라 블레이드 근처 재순환영역은 점차 작아 졌으며, 또한 단면축소효과로 인해 베인노즐 출구끝단 마하수는 1까지 관찰되었다. 본 연구를 통해 분석된 해석결과는 목표출력용 구심터빈의 최적 설계파라미터 구성을 위한 설계자료로 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

• Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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• 제35권2호
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• pp.175-181
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• 2011

본 연구에서는 선박용 폐열회수 발전시스템에 적용 가능한 100kW급 구심터빈의 설계 및 CFD 해석기법을 이용하여 열사이클 시스템 및 구심터빈 최적화를 위한 설계자료를 확보하는 것이다. 구심터빈은 스크롤 케이싱, 18개의 베인노즐, 13개의 로터 블레이드로 구성되며, 해석격자는 격자테스트를 통해 약 230만개 정도의 최적격자를 구성하였다. 질량유량 0.5kg/s, 회전속도는 75,000rpm, 입구압력은 195~620kPa 범위 내에서 8가지 조건으로 설정하였다. 베인노즐 내부로 증기가 유입된 후 출구로 갈수록 노즐의 압력면과 흡입면의 압력이 비슷해지면서 마하수가 거의 같은 값을 보였다. 입구온도와 압력이 $250^{\circ}C$, 352kPa 일 때 등엔트로피 효율은 74%, 기계동력은 108kW의 해석결과를 보이고 있다.

• 수산해양기술연구
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• 제29권3호
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• pp.220-228
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• 1993

This paper presents a description and evaluation of a detailed mathematical simulation for the steady and unsteady flow in a radial inflow-turbine which is most frequently used, at present, for exhaust gas turbochargers of internal combustion engines. As a method of computation, the two-step differential Lax-Wendroff method and the characteristic method were used. The turbine characteristics, the mass flow rate, the power output and fluid movements at the turbine scroll inlet were compared with the experiment data. The results of the simulation were in good agreement with experimental values under both steady and unsteady flow conditions.

• 대한기계학회논문집
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• 제15권6호
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• pp.2109-2124
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• 1991

본 연구에서는 축류 터빈의 최적 설계 계산에서 사용 용도에 따라 달리 적용 될 수 있는 특정 제한조건, 즉 유량 계수, 압력비, 출력 그리고 하중 계수를 각각 고 려하였을 경우에 최대 효율을 가지기 위한 최적 조건을 계산하고자 한다. 또한 단일 설계 변수의 민감도(sensitivity) 뿐만 아니라, 단일 민감도에서 성능에 큰 영향을 주 는 설계 변수들에 대하여 복수 민감도를 나타내어 설계 변수 및 설계 제한 조건이 축 류 터빈의 성능에 미치는 영향을 조사하고자 한다.

• 유체기계공업학회:학술대회논문집
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• 유체기계공업학회 1997년도 강연회 및 연구개발 발표회 논문집
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• pp.58-73
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• 1997

본 연구는 항공기용 환경제어계통의 시스템관련 제반 기술 및 그 핵심요소인 ACM(Air Cycle Machine)시제기의 개발을 통하여 국내의 여런 항공기개발 사업과 관련하여 급속히 요구되고 있는 항공기의 sub-system을 국산화할 수 있는 기술축적을 목적으로 수행되었다. 본 연구에서는 항공기용 환경제어장치(Environmental Control System : ECS)를 개발대상으로 하여 그 핵심부품인 Air Cycle Machine의 시제품을 순수 국내 기술로 설계/제작하였고, 자체 개발한 성능시험기를 이용하여 성능시험을 수행하였으며 또한 ACM 성능을 검증하기 위하여 기존제품의 자료와 비교하였다. 향후 이 시스템의 상품화를 위해서는 구동축의 무윤활 베어링에 대한 연구가 병행되어 주유동의 오일오염을 국소화시키는 시스템보완이 요구된다. 항공기용 환경제어장치(ECS)의 시스템해석부터 ACM의 공력/구조설계, 제작, 시험등 일련의 개발과정을 통하여 시스템에 대한 해석능력이 향상되었고, 그 핵심요소인 ACM의 순수 국산화개발이 가능하다는 판단을 내릴 수 있었다. 또한, ACM을 구성하고 있는 원심압축기와 반경류형 터빈의 제작 및 시험법은 유사 시스템 및 일반 터보기계류의 국산화개발에 유용하게 이용될 것으로 기대된다.