4.3 응용 사례 및 4.4 2차 효과 – 정상 상태 성능

2023.04.16 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 4.3 응용 사례

 

4.3.5 기타 작동 유체

폐쇄 사이클에서는 헬륨과 같은 공기 이외의 작동 유체가 사용됩니다. 차트 4.1과 4.2에 제시된 무차원 그룹은 선행 구성 요소 및 엔진 성능 변수에 대한 영향을 평가할 수 있게 합니다. 헬륨은 3장에서 설명된 것과 같이 공기보다 훨씬 큰 비열과 기체 상수를 가지고 있습니다. 그 결과 매우 높은 비출력이 발생하며, 이는 차트 4.1의 축 동력에 대한 비차원 그룹에서 확인할 수 있습니다.

완전 무차원 그룹이 유익한 또 다른 상황은 습도 또는 증기 또는 물 주입으로 인한 높은 수분 함량을 처리할 때입니다.

 

4.3.6 엔진 과도 성능

앞에서 설명한 내용 대부분은 정상 상태 성능을 다루었지만 매개 변수 그룹은 시간이 지남에 따라 매개 변수가 변경되는 과도적인 성능 문제에도 적용될 수 있습니다. 그림 4.1의 터보젯 예를 설명에 다시 사용하고자 합니다. 여기서 과도 작동 시 다음 내용은 1차 정확도에 해당합니다:

 

. 추진 노즐이 초킹 상태에 이르면 정상 상태 작동을 위한 그룹이 아닌 두 그룹을 고정하여 다른 모든 그룹의 고윳값을 제공해야 합니다.

. 추진 노즐이 초킹 상태가 아닐 경우에는 다른 모든 그룹을 고정하기 위해 비행 마하수(또는 다른 세 번째 그룹)와 함께 두 개(한 개가 아닌) 매개 변수 그룹을 고정해야 합니다.

 

과도 성능에 대한 위 내용의 응용은 다음에 자세히 다룰 예정입니다. 그러나 이 시점에서 다룰 가치가 있는 한 가지 예증이 있습니다. 일시적으로 추진 노즐이 초킹 상태에 이르고 기준 연료량이 기준 속도에 맞춰 운용되는 경우, 다른 모든 그룹은 과도 중에 특수한 '궤도'를 따릅니다. 따라서 압축기 작동 라인은 모든 과도기에 대해 동일하며, 그에 대한 첫 번째 순서는 압축기 서지 마진입니다. 실제로 과도 작동 중 엔진 제어 전략은 항상 매개 변수 그룹 관계를 기반으로 합니다.

차트 4.1에 제시된 엔진 이득, 시간 상수 및 불균형 축 토크와 같은 매개 변수에 대한 매개 변수 그룹을 통해 가스 터빈 과도 성능을 기본적으로 이해할 수 있습니다.

 

4.4 2차 효과 – 정상 상태 성능

본 장에서는 엔진 매칭에 2차 영향을 미침에 따라 매개 변수 그룹 관계에 영향을 미치는 다양한 현상을 설명합니다. 1차 정확도만 필요한 경우에는 이러한 효과가 무시될 수 있지만, 그런데도 항상 발생할 수 있는 오류를 어느 정도는 평가하는 것이 좋습니다.

엄격한 분석을 수행해야 할 경우, 모든 영향을 충분히 설명해야 합니다. 이를 위해서는 항상 복잡한 컴퓨터 코드가 필요합니다.

 

4.4.1 P1 효과 – 레이놀즈수

점도가 엔진 성능에 미치는 영향에 대한 비차원 그룹은 차트 4.1과 4.2에 표시된 것과 같이 레이놀즈수입니다. 주어진 엔진 설계 점도에 대한 임계 레이놀즈수 이하에서는 엔진 성능에 2차 유해한 영향을 미치므로 구성 요소 효율과 유량이 감소하게 됩니다. 이 같은 경우 그림 4.1에 표시된 것처럼 레이놀즈수는 실제로 매개변수 그룹 관계에서 또 다른 축을 이루게 됩니다. 이러한 레이놀즈수 효과는 종종 P1 효과라고 하는데, P1이 값에 가장 큰 영향을 미치기 때문입니다. 고정된 형상의 엔진의 경우 흡입구 압력이 떨어지면 레이놀즈수가 감소하므로 2장에서 설명된 바와 같이 높은 고도의 운용에서 그 효과가 가장 두드러지게 됩니다. 또는 이와 관련하여 엔진의 크기를 줄일 경우 레이놀즈수도 감소합니다.

제5장에 제시된 방법은 이러한 효과에 대해 참조 및 수정된 매개변수의 합리적으로 조정된 내용들을 제공합니다. 임계 레이놀즈수 수준은 난류에서 층류로의 전환에 해당하는 구성 요소 유동 특성의 변화를 반영하며, 이러한 변화는 유동 분리를 증가시켜 압력 손실을 초래합니다.

 

4.4.2 T1 효과

기체 특성(Cp 및 γ)은 3장에 나와 있는 것처럼 온도 및 연료 공기 비율에 따라 달라집니다. 또한 비차원 운용 점에서 연료 공기 비율은 차트 4.1과 같이 입구 온도에 따라 달라집니다. 무차원 그룹을 표시할 때 엔진의 콜드 엔드의 경우 하나의 외부 온도에 대한 가스 특성을 사용하고 핫 엔드의 경우 고정된 연소 온도에 대한 가스 특성을 사용하는 것이 일반적입니다. 이에 따라 다른 작동 온도에서 이와 같은 관계를 사용할 경우, 2차 오류가 발생합니다.

엔진 흡기 온도가 변경에 따른 부가적인 결과로 엔진 형상에 2차 영향이 발생할 수 있습니다. 흡입구 온도를 변경하면 N/sqrt(T)가 일정하게 유지될 경우 기계적 속도가 변경됩니다. 이는 블레이드 및 디스크 스트레스를 변경하게 되고, 이는 물리적인 확장을 초래하게 됩니다. 이에 따라 팁 및 씰 간극이 변경되고 블레이드가 풀리면서 구성 요소 성능에 영향을 미칩니다. 흡기 온도가 크게 변화하는 강력한 예는 엔진에서 발생하는 것보다 주변 리그 흡기 온도가 훨씬 낮을 수 있는 리그 테스트 구성 요소일 경우에 발생하게 됩니다.

P1 및 T1 효과로 인한 이러한 부정확성을 극복하는 한 가지 방법은 세타 또는 T1과 델타 또는 P1을 정확하게 0.50 또는 1.00이 아닌 다른 지수만큼 올리는 것입니다. 이러한 새로운 지수는 테스트 또는 보다 엄격한 엔진 모델링을 통해서 도출할 수 있습니다.

 

 

 

 

2023.04.16 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 4.3 응용 사례

4.3 응용 사례