3장 건공기, 연소 생성물 및 기타 작동 유체의 특성 및 차트

3장 건공기, 연소 생성물 및 기타 작동 유체의 특성 및 차트

(Properties and Charts

for Dry Air, Combustion Products and other Working Fluids)

 

3.0 서론(Introduction)

가스 터빈 엔진에서 작동 유체의 특성은 엔진 성능에 강력한 영향을 미칩니다. 이러한 기체 특성은 계산에 있어서 엄격하게 설명되거나 가정의 단순화로 인한 부정확성을 정량화하고 이해하는 것이 중요합니다. 본 장에서는 엔지니어링 수준에서 해당 기체의 기본적인 특성과 다양한 상호 관계에 관해 설명합니다. 또한 다음에 대한 계산에 사용할 수 있는 포괄적인 데이터베이스를 제공합니다:

 

. 건공기

. 등유 또는 디젤 연료의 연소 생성물

. 천연가스 연료의 연소 생성물

. 폐쇄 사이클에서 종종 사용되는 작동 유체인 헬륨

 

3.1 기본 기체 특성 설명(Description of fundamental gas properties)

 

3.1.1 이상 기체 상태 방정식(Equation of state for a perfect gas)

수증기를 제외한 가스 터빈 엔진의 작동 유체로 사용되는 모든 기체는 계산 정확도를 저하하지 않고 이상 기체로 간주할 수 있습니다. 수증기의 질량 분율이 10% 미만일 경우, 이는 일반적으로 주변 습도와 연소 생성물의 조합으로 인해 발생하는 경우이며, 성능 계산을 위해 기체 혼합물은 여전히 완벽한 것으로 간주할 수 있습니다. 수증기 함량이 10%를 초과하면 이상 기체라는 가정은 더 이상 유효하지 않으며, 엄격한 계산을 위해서 혼합물에 해당하는 부분에 대해 증기 테이블을 병행하여 사용해야 합니다.

이상 기체에 대한 물리적 설명은 밀도가 변할 때 에너지를 흡수하거나 방출하는 분자간 힘이 없기 때문에 엔탈피는 단지 온도의 함수일 뿐 압력이 아니라는 것입니다.

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3.1.2 분자량 및 몰(Molecular weight and the mole)

순수 기체의 분자량은 주기율표에 정의되어 있습니다. 공기와 같은 기체 혼합물의 경우 분자량은 몰(부피) 기준으로 해당 성분을 평균하여 구할 수 있습니다. 이와 같은 과정은 아래에 설명된 것처럼 1몰의 분자의 수가 정해져 있기 때문입니다. 예를 들어 샘플 계산 C3.1에 표시된 바와 같이, 3.5.1절에 제시된 건조 공기의 분자량은 3.3절에 제공된 구성 요소의 분자량과 몰 분율에서 도출할 수 있습니다.

몰은 질량이 그램 단위의 분자량인 것처럼 물질의 양입니다. 이상 기체의 경우, 1몰은 0℃, 101.325kPa에서 22.4 리터의 부피를 차지합니다. 1몰은 아보가드로의 분자 수 6.0231023을 포함하고 있습니다.

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3.1.3 일정한 압력(CP)과 일정한 부피(CV)에서의 비열

(Specific heat at constant pressure (CP) and at constant volume ( CV ))

이것들은 일정한 압력과 부피에서 각각 1킬로그램의 가스의 온도를 18도 상승시키는 데 필요한 에너지의 양입니다. (간헐적인 피스톤 엔진과 달리) 기체의 정적 유동이 있는 가스 터빈 엔진의 경우, 일정한 압력(CP)에서 특정 열만 직접적으로 사용됩니다. 이를 간단히 비열이라고 합니다.

관심 있는 기체의 경우 비열은 기체 구성과 정적 온도의 함수입니다. 성능 계산의 경우 동적 온도가 전체에서 차지하는 비율이 낮기 때문에 정확도가 거의 손실되지 않고 마하수 0.4까지 전 온도를 사용할 수 있습니다.

 

3.1.4 기체 상수(R) (Gas constant (R))

기체 상수는 압력 및 온도 변화와 관련된 공식에서 광범위하게 나타나며 수치상으로 CP와 CV의 차이와 같습니다. 개별 기체에 대한 가스 상수는 보편 기체 상수(universal gas constant)를 분자량으로 나눈 값이며, 단위는 J/kgK입니다. 보편 기체 상수의 값은 8314.3 J/molK입니다.

 

3.1.5 비열비, 감마 (Ratio of specific heats, gamma(γ))

비열비는 일정한 압력에서의 비열과 일정한 부피에서의 비열의 비율입니다. 가스 구성과 정적 온도의 함수이지만 마하수가 0.4 미만일 경우, 전 온도를 사용할 수 있습니다. 감마는 압력 및 온도 변화와 구성 요소 효율성과 관련된 '이상 기체' 공식에서 광범위하게 나타납니다.

 

3.1.6 동점도(VIS) 및 레이놀즈수(RE)

(Dynamic viscosity (VIS) and Reynolds number ( RE ))

동점도는 유체에 존재하는 점성력에 대한 운동량의 비율을 반영하는 레이놀즈수를 계산하는 데 사용됩니다. 레이놀즈수는 디스크 회전과 같은 많은 성능 계산에 사용되며 구성품 효율에 2차 영향을 미칩니다. 동점도는 점성력의 척도이며 기체 구성과 정적 온도의 함수입니다. 점도는 엔진 사이클에 이차적인 영향만 미치기 때문에 전 온도는 마하수 0.6까지 사용할 수 있습니다. 연료 공기 비율(기체 구성)의 효과는 실용적인 면에서 무시될 수 있습니다.

Ns/m2의 점도 단위는 N/(m/s)/m; 단위 속도 구배당 힘에서 도출됩니다. 기체 속도는 모든 기체 세척 표면(gas washed surfaces )의 경계층 흐름에 수직인 방향으로 변화합니다.