5장 가스 터빈 엔진 구성 요소

5장 가스 터빈 엔진 구성 요소

 

5.0 서론

가스 터빈 구성 요소의 설계를 포괄적으로 설명하는 훌륭한 교과서가 많이 있습니다. 본 장은 이러한 작업을 반복하려고 시도하지 않고 대신 근본적으로 다른 접근 방식을 취합니다. 전통적인 교과서에서 쉽게 이용할 수 없는 정보를 제공하며, 전체 엔진 성능에 특히 적합한 내용을 다룹니다. 오프 디자인 구성 요소 성능의 광범위한 적용은 이러한 접근 방식의 좋은 예입니다. 본 장의 목적은 다음과 같습니다.

 

(1) 독자가 엔진 설계점 성능 계산에 사용하기 위해 효율과 같은 구성 요소 성능 매개변수에 대한 현실적인 수준을 도출할 수 있도록 합니다. 대부분의 이전 교과서는 단순히 독자가 샘플 계산에서 '맹목적으로' 사용할 수 있는 값을 제공합니다.

(2) 독자가 설계 포인트 계산과 병행하여 각 구성 요소의 기본 크기 조정을 수행할 수 있도록 합니다. 여기에는 축류 압축기를 사용해야 하는지 원심 압축기를 사용해야 하는지 여부, 터빈 단계 수 등과 같은 주어진 작업에 대한 구성 요소 선택에 대한 지침이 포함됩니다. 따라서 독자는 결과 성능이 실용성 여부에 대해 불명확한 상태에서 숫자만 입력하는 대신 설계점 계산 결과 전체 엔진 설계를 일차적으로 스케치할 수 있습니다.

(3) 각 구성 요소의 오프 디자인 모델링을 가능하게 하는 핵심 정보와 오프 디자인 작업을 제한하는 실질적인 고려 사항에 대한 지침을 제공합니다. 여기에는 정상 상태, 과도 상태, 윈드밀 및 시동 성능이 포함됩니다.

 

각 구성 요소에 대해 위의 처음 두 가지 사항을 다루는 설계점 장절이 제공되며 그 외의 별도 장절은 세 번째 항목을 다루는 오프 디자인 내용을 다룹니다. 설계점 문제에 대해 본 내용에서는 구성 요소 또는 엔진 설계가 '예상 범위 안'에 있다는 것을 보장할 수 있습니다. 제공된 광범위한 참조를 통해 이러한 첫 번째 통과 구성 요소 성능 수준 및 크기 조정을 더욱 강화할 수 있습니다. 불행하게도 구성 요소 설계는 매우 복잡하며 상세한 설계를 위해 가스 터빈 회사의 독점적인 설계 규칙과 수십 년에 걸쳐 구축된 컴퓨터 코드가 필요하게 됩니다.

 

5.1 축류 압축기 – 설계점 성능 및 기본 크기 조정

압축기의 목적은 기체 흐림의 전압력을 사이클에 필요한 수준까지 높이는 동시에 가능한 최소 축 동력을 흡수하는 데 있습니다. 항공용 적용품의 경우, 직경과 무게도 중요한 설계 문제 요소입니다. 팬은 일반적으로 바이패스 엔진 또는 터보팬의 첫 번째 단일단 압축기이며, 고유한 설계 기능을 가지고 있습니다. 다단 팬의 경우, 차이가 작고 LP 압축기라는 용어가 더 자주 사용됩니다.

축류 압축기는 다른 어떤 가스 터빈 부품보다 더 많은 설계 매개변수를 가지고 있습니다. 따라서 기본 크기 조정에 대한 지침을 제공하는 것은 어려운 일이며, 여기에 제시된 지침은 주어진 설계점에 대해 매우 일차적인 치수만 제공할 수 있습니다.

 

5.1.1 구성 및 속도 삼각형

그림 5.1은 축류 압축기의 일반적인 블레이드 구성을 보여줍니다. 하나의 스테이지는 한 줄의 고정자(스테이터, Stator) 베인이 뒤따르는 한 줄의 로터 블레이드로 구성됩니다. 공통 축에 로터가 있는 여러 단이 압축기를 형성합니다. 종종 구조적 하중을 전달하거나 유동이 하류의 덕트로 들어가기 전에 잔류 와류를 제거하기 위해 마지막 스테이터 열의 하류에 추가 OGV(Outlet Guide Vanes) 열이 필요로 하게 됩니다. 또한 가변 흡입 가이드 베인(VIGV, Variable Inlet Guide Vanes)을 사용할 수 있습니다. 이와 같은 구성품들은 오프 디자인 작업을 개선하기 위해 제어 시스템 동작에 의해 각도가 변경될 수 있는 스테이터 베인 열입니다. 스테이터 열 중 일부는 가변 각도일 수도 있으며 가변 스테이터 베인(VSV, Variable Stator Vanes)이라고 합니다. 만족스러운 부품 속도 서지 라인을 제공하려면 5단을 초과하는 각각 추가 압축기 단계당 VIGV 또는 VSV의 1단이 1차 규칙으로써 필요합니다. 핸들링 블리드 밸브를 사용할 수 있는 경우, 이와 같은 비율은 감소하게 됩니다.

그림 5.2는 피치 라인, 즉 허브와 팁의 평균에서 일반적인 로터 블레이드 및 스테이터 베인 부분을 보여줍니다. 또한 단을 통해 선행 매개변수의 변화를 보여주고 입사각을 정의합니다. 그림 5.3은 설계 속도와 압력비, 그리고 서지 근처와 초크에서 피치 라인 블레이드에 대한 속도 삼각형을 보여줍니다. 로터 블레이드는 축동력 입력을 증가한 정적 온도, 절대 속도 및 전온도의 형태로 엔탈피로 변환됩니다. 그러나 그림 5.3에서 볼 수 있듯이 모든 블레이드 및 베인 열 내에서 상대 속도는 감소하므로 정압력은 증가합니다. 입력 동력은 질유량, 블레이드 속도 및 기체 회전 속도 변화의 곱입니다. 스테이터 베인의 경우, 일이나 열전달이 없고, 마찰과 난류 혼합 손실만 있습니다. 여기서 유동은 단지 확산되고 정압이 더 증가하기 위해 속도가 교환됩니다. 로터와 스테이터를 통과하는 역정압 구배로 인해 단일 단에서 달성할 수 있는 압력비는 유동 박리 및 역전을 피하기 위해 제한됩니다.