3.2 주요 열역학적 파라미터 설명 및 3.3 건공기 및 연소 생성물의 구성

2023.03.30 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 3장 건공기, 연소 생성물 및 기타 작동 유체의 특성 및 차트

 

3.2 주요 열역학적 파라미터 설명

가스 터빈 성능 계산에 가장 널리 사용되는 주요 열역학 매개 변수는 아래에 설명되어 있습니다. 이들의 상호 관계는 앞에서 설명한 기본 가스 특성값에 따라 달라집니다. 이러한 매개변수들과 함께 3.5절에서는 모든 성능 계산에 충분한 데이터베이스를 제공합니다.

 

3.2.1 전 또는 정체 온도(T)

전 온도는 일이나 열전달 없이 기체의 흐름을 정지시킬 때 발생하는 온도입니다. 여기서 '정지 상태'는 엔진에 상대적인 것을 의미하며, 지구에 상대적인 비행 속도를 나타낼 수 있습니다. 특정 지점의 전 온도와 정 온도 간의 차이를 동 온도라고 합니다. 정 온도에 대한 전 온도의 비율은 공식 F3.10 또는 F3.31에 따라 감마와 마하수의 함수입니다.

일반적으로 가스 터빈 성능 계산의 경우 전 온도는 엔진 전반적으로 사용되며, 엔진 입구에서 주변 정 온도 및 모든 램 효과로부터 평가됩니다. 엔진 구성 요소 사이사이에서 전 온도는 에너지 변화의 유효한 측정값입니다. 또한 전 온도를 측정하는 것이 실용적이며 예측 데이터와 검정 데이터를 비교하는 데 도움이 됩니다. 그러나 대부분의 구성 요소 설계 목적에 있어서 정적 조건도 관련이 있습니다. 예를 들어 압축기 스테이터 또는 터빈 로터 블레이드의 입구에서 마하수가 높은 경우(1.0 이상)가 종종 그 같은 경우에 해당합니다.

전 온도는 흡기 및 배기 시스템과 같이 일 또는 열전달이 없는 덕트를 따라 흐르는 유동에 대해 일정합니다. 전 및 정 온도는 아래 설명된 바와 같이 전 및 정 압력보다 마하수 대비 훨씬 덜 빠르게 발산됩니다.

 

3.2.2 전 또는 정체 압력(P)

전 압력은 일이나 열전달 없이 또는 엔트로피의 변화 없이 기체 흐름을 정지시킬 때 발생합니다(3.2.4절). 따라서 전 압력은 이상화된 특성입니다.

한 지점의 전 압력과 정 압력 사이의 차이를 동압력, 동적 헤드 또는 속도 헤드라고 합니다. 헤드라는 용어는 유압 엔지니어링과 관련이 있습니다. 온도와 마찬가지로 전압 대비 정압의 비율은 감마와 마하수의 함수입니다. 대부분의 성능 계산은 전 압력을 사용하여 계산됩니다. 전 압력은 엔진 입구에서 주변 정압 및 흡기 RAM 회수를 통해서 동일하게 계산됩니다.

덕트를 통과하는 유동에 대한 전 압력은 일정하지 않으며, 벽면 마찰 및 유동 방향의 변화로 인한 감소와 같은 난류 손실이 발생합니다. 이 두 가지 효과는 모두 동적 헤드에 영향을 미칩니다. 제5장에서 설명한 바와 같이 주어진 형상 및 흡기 스월 각도의 덕트 내 압력 손실은 거의 항상 고정된 수의 흡기 동적 헤드입니다. 이러한 이유로 성능 계산을 위해 덕트 입구에서 전 압력과 정 압력을 모두 평가해야 하는 경우가 많습니다. 구성품 설계의 경우에도 전 압력 값과 정 압력 값이 모두 중요합니다.

전 압력 및 정 압력은 전 온도 및 정 온도보다 마하수에 비해 훨씬 빠르게 발산됩니다. 온도 비에서 압력비를 계산하는 것은 그것에 대한 역계산보다 감마 평균 가정의 오차에 대해서 훨씬 더 민감합니다.

 

3.2.3 비 엔탈피(H)

비 엔탈피는 규정된 제로 데이텀에 대한 기체의 킬로그램당 에너지입니다. 절댓값보다는 엔탈피의 변화가 가스 터빈 성능에 중요합니다. 사용되는 각 온도에 따라 총 엔탈피 또는 정 엔탈피를 계산할 수 있습니다. 총 엔탈피는 전 온도와 마찬가지로 성능 계산에 있어서 가장 일반적입니다.

 

3.2.4 비 엔트로피(S)

통상적으로 엔트로피값은 신비에 싸여 있었는데, 이는 주로 본 장에서 논의된 다른 특성치보다 유형성이 낮기 때문입니다. 3.6.4절은 엔트로피가 가스 터빈 성능과 관련된 다른 열역학적 특성과 어떻게 관련되는지 보여주며, 이에 따라 관련된 어려움을 극복하는 데 도움을 줍니다.

압축 또는 팽창하는 동안 엔트로피의 증가는 마찰로 인해 손실되는 열에너지의 척도이며, 이는 유용한 일로 사용할 수 없게 됩니다. 이와 관련하여 절댓값이 아닌 엔트로피의 변화가 중요해집니다. 전자는 3.3.3절에서 설명한 총 엔탈피 다항식과 함께 사용되며, 후자는 평균 온도에서 비열을 사용하는 단순화된 형태입니다. 관련 엔트로피 공식은 3.6.4절에 설명된 바와 같이 등엔트로피 형태, 즉 제로 엔트로피 변화를 제공합니다. 이와 같은 이상화된 사례는 가스 터빈 성능 계산에 광범위하게 사용됩니다.

 

3.3 건공기 및 연소 생성물의 구성

3.3.1 건공기

건공기는 다음과 같이 구성된다고 명시하고 있습니다.

 

	By mole or volume	By mass
	(%)	( % )
Nitrogen (N2)	78.08	75.52
Oxygen (O2)	20.95	23.14
Argon (Ar)	0.93	1.28
Carbon dioxide	0.03	0.05
Neon	0.002	0.001

 

헬륨, 메탄, 크립톤, 수소, 아산화질소, 크세논도 미량 존재합니다. 이는 가스 터빈 성능 목적에서는 무시할 수 있는 수준입니다.

 

3.3.2 연소 생성물

탄화수소 연료가 공기 중에서 연소할 때 연소 생성물은 관련 성분을 크게 변화시킵니다. 13장에 나와 있는 것처럼 대기 중의 산소는 수소와 탄소를 산화시키기 위해 소비되어 각각 물과 이산화탄소를 생성합니다. 공기 구성의 변화 정도는 연료 공기 비율과 연료 화학에 따라 달라집니다. 관련 내용 중, 모든 산소가 소비되는 연료 공기 비율을 화학량론이라고 합니다.

등유나 디젤과 같은 증류된 액체 연료는 각각 상대적으로 고정된 화학 물질을 가지고 있습니다. 연료 화학 성분이 내장된 특수한 공식을 사용하여 연소 생성물의 특성을 연료 공기 비율 및 온도와 비교하여 계산할 수 있습니다. 이와는 대조적으로, 천연가스의 화학적 성질은 상당히 다양합니다. 모든 천연가스는 종종 질소, 이산화탄소 또는 수소와 같은 다른 기체와 함께 가벼운 탄화수소의 비율이 높습니다. 천연가스 연소 생성물의 구성이 연료 화학과 함께 다양하기 때문에 고유한 가스 특성 공식이 존재하지 않으므로 계산은 더욱 복잡해집니다.

 

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3장 건공기, 연소 생성물 및 기타 작동 유체의 특성 및 차트