최근 들어 환경 문제와 연료 고갈의 문제로 산업현장에서 발생하는 낮은 온도 대의 폐열을 재활용하기 위한 연구가 여러 기관에서 활발히 이루어지고 있다. 폐열로부터 에너지를 얻기 위해서는 랭킨 사이클 시스템이 적용되며, 유기 냉매는 기존 냉매보다 응축 온도 대역이 낮아서 낮은 온도 대의 폐열 에너지를 유기 냉매에 적용하는 것이 가능하다. 여기서 유기 냉매를 이용한 랭킨 사이클을 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle) 시스템이라고 한다. 유기 랭킨 사이클 시스템 연구의 관심도가 커짐에 따라 터빈, 펌프, 응축기 등 주요 구성품의 연구가 진행 중이다.
본 연구에서는 유기 랭킨 사이클 시스템에 사용되는 외향반경류터빈(Radial Outflow Turbine)을 개발하고자 하였다. 외향 반경류 터빈은 유체가 축 방향으로 유입되어 반경 방향을 으로 흐르는 특징이 있다. 외향 반경류 터빈과 축류 터빈의 유량이 같을 경우 축류 터빈과 비교했을 때 부피는 작고 출력은 높다. 따라서 축류 터빈과의 비교 분석에 관한 수많은 연구가 진행되고 있으며, 해외에서도 꾸준히 연구 중이다.
설계 경계 조건은 한국기계연구원(KOREA INSTITUTE OF MACHINERY AND MATERIALS)의 초임계유기랭킨사이클(Supercritical Organic Rankine Cycle)에 맞춰 설정하였다. 작동 유체는 R1234ze(E)를 사용하였고, 입구 조건은 전압력 52bar와 전온도 176℃, 출구 조건은 정압력 5.783bar이며 목표 출력은 125kW이다. 사이클의 경계 조건을 적용 기본 설계를 위해 stator와 rotor의 치수 설정 및 1차원 설계를 반복적인 수행하여 실험적으로 설계를 진행하였다. 최적화 1차원 설계 수행 결과 회전속도 18000rpm 5단 외향 반경류 터빈을 설계하였다. 수치 해석을 통해 1차원 설계 방법을 검증하고 설계 방법을 보완한다. 또한 tip 간극의 두께 변화 따라 3가지의 경우로 나눠 수치 해석을 진행하여 유량, 출력과 효율을 비교 하였다. 첫 번째는 1차원 설계에서의 tip 간극(clearance)의 두께는 0.03~0.11mm이고, 나머지는 0.2mm와 0.3mm를 증가시켜 수치 해석을 진행하였다. 수치 해석의 설정 조건은 경계 조건은 1차원 설계와 같게 설정하였고, 작동 유체는 Peng and Robinson(PR) 상태방정식(EOS)을 사용하여 물성을 생성하였다. 또한 압축성 유동(compressible flow), 정상 상태(steady state)의 조건, 단(stage) 사이에서 데이터를 넘길 때는 Stage(Mixing-Plane) 기법을 적용, 난류 모델은 Shear Stress Transport(SST)를 적용, 벽에서는 단열 조건(adiabatic)과 점착 조건(no slip)을 적용하였다. 3차원 유동 해석을 통해 유량 3.59kg/s, 출력 149kW와 효율 79.81%를 얻었다. 또한 tip 간극의 변화에 따른 수치해석을 통해 간극이 0.23~0.31mm일 때의 실제 제작 및 성능 실험이 가능한 터빈의 설계 결과를 도출하였다. 유량은 3.73kg/s, 출력은 130.25kW이고 효율은 69.23%이다. 효율을 높이기 위해 tip 간극에서의 유량이 새는 것을 방지하기 위한 의견을 제시하였다.
결론적으로 수치 해석을 통해 1차원 설계를 검증을 하여 외향 반경류 터빈의 설계 방법을 확보하였으며, tip 간극의 최적화를 통해 실제로 제작 및 실험이 가능한 외향 반경류 터빈을 설계하였다.

This paper describes a development for a radial outflow turbine which is for Organic Rankine Cycle(ORC) system. The radial outflow turbine is characterized in that the working fluid moves in along the axial direction and out along the radial direction. If the flow rate of the radial outflow turbine is the same as that of the axial turbine, the volume is smaller and the power is higher than that of the axial turbine. The stator/rotor sizing and one dimensional design are conducted for the basic layout design. The design conditions are determined by referring to the Supercritical Organic Rankine Cycle(SORC) system of Korea Institute of Machinery and Materials(KIMM). The boundary condition are obtained from an ORC system with 100kW power generation using the R1234ze(E) fluid. Based on the concept and conditions from the paper, a radial outflow turbine with 125kW power, 18000rpm rotation speed and 5 stages is designed and CFD simulation. Power and efficiency were compared according to variation of tip clearance.