5.10.2 터빈 설계의 선형 스케일링 맵에 미치는 영향

2023.06.26 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.9.4 기본 사이징 매개변수 안내 입구 마하수/5.10 축류형 터빈 - 탈 설계 성능

 

5.10.2 터빈 설계의 선형 스케일링 맵에 미치는 영향

5.1.2절 및 5.2.2절은 압축기 하드웨어를 선형적으로 스케일링하는 압축기 맵에 미치는 영향에 관해 설명합니다. 동일한 규칙이 터빈 맵에도 적용됩니다. 즉, 그림 5.30이 4장에 제시된 스케일링 매개변수의 관점에서 플롯 된 경우, 설계가 선형 스케일링 될 때 일차적으로 변경되지 않습니다.

스케일링 '축소'로 인해 터빈이 작은 경우, 팁 간극 또는 트레일링 에지 두께와 같은 모든 치수를 정확하게 스케일링하는 것이 불가능하여 속도에서 용량 압력비 및 효율이 추가로 손실될 수 있습니다. 또한 아래에 설명된 대로 레이놀즈수 효과를 고려해야 합니다.

 

 

5.10.3 레이놀즈수와 입구 온도 효과

그림 5.6에 표시된 압축기 맵의 경우, 레이놀즈수는 엄격하게 터빈 맵의 4차원이기도 합니다. 용량과 효율은 모두 참조 속도와 CPdT/T에서 약간 감소합니다. 그러나 터빈의 높은 압력과 온도로 인해 레이놀즈수는 거의 임계 값 이하로 떨어져 영향을 미치지 않습니다.

압축기의 경우, 절대 온도 변화로 인한 터빈 형상의 변화는 3차 효과만 가지며 일반적으로 무시됩니다.

 

5.10.4 작동 유체의 변화

맵이 그림 5.7의 압축기에 대해 표시된 대로 무차원 매개변수로 플롯 된 다음, 일차적으로 고정된 입구 유동 각도에 대해 모든 선형 스케일 및 작동 유체에 대해 고유하게 됩니다. 터빈 맵은 일반적으로 건공기에 대한 가스 특성을 사용하여 그림 5.30에 따라 참조된 매개변수로 생성됩니다. 실제로 이러한 속성은 연소 생성물의 존재에 의해, 그리고 습기나 물 또는 증기 주입에 따라 수정될 수도 있습니다. 3장에서는 새로운 가스 특성을 도출하는 방법을 설명합니다.

대부분의 엔진 탈 설계 성능 모델은 건공기에 대한 맵을 사용하고 그림 5.7 및 추후 장에서 압축기에 관해 설명된 대로 가스 속성의 모든 변화를 처리합니다.

 

5.10.5 엔진 탈 설계 성능 모델에 터빈 맵 로드

그림 5.31은 터빈 맵이 어떻게 디지털화되고, 엔진 탈 설계 성능 모델에 반영되는 세 개의 테이블로 배열되는지 보여줍니다. 이러한 모델에서 해당 맵의 사용은 다음에 자세하게 설명할 예정입니다. 엔진 시동 모델용 맵은 5.10.7절에 설명된 대로 대체 변수를 활용하여 모델 수렴을 지원합니다.

 

5.10.6 입구 유동 각도의 영향 – 가변 영역 NGV

5.10.1절에서 언급한 바와 같이 터빈 맵은 입구 유동 각도의 고정된 값에 대해서만 고유합니다. 변경된 사항은 참조 속도에서 용량 및 효율의 2차 감소를 유발합니다. 이러한 영향은 입구 스월의 존재가 매우 강력하게 나타나는 압축기와 현저하게 대조를 이룹니다. 이러한 이유는 터빈의 경우, 첫 번째 블레이드 열이 입사되는 유동 변화에 견딜 수 있는 둥근 앞전이 있는 NGV이기 때문이고, 목은 앞전과 반대되는 뒷전에 있기 때문입니다. 또한 유동은 NGV 통로 내에서 가속되며, NGV 출구 유동 각도가 변경되지 않도록 분리가 있는 경우에는 신속하게 다시 부착되도록 합니다.

VAN(가변 영역 NGV)은 높은 터빈 가스의 경로 온도를 유지하기 위해 회수 사이클을 위해 LP 또는 동력 터빈에 사용되어 부분 동력에서 열을 회수합니다. NGV를 회전시키는 작동 메커니즘은 압축기 VIGV 또는 VSV보다 훨씬 더 높은 온도 환경에 있기 때문에 비용이 많이 들고 복잡하게 됩니다. 이는 극한의 온도와 광범위한 냉각 요구 사항으로 인해 HP 터빈에는 실용적이지 않습니다. 각 NGV 각도는 고유한 형상을 나타내므로 자체적인 터빈 맵이 있습니다. 따라서 그림 5.30에 따른 일련의 터빈 맵은 각 VAN 각도에 대해 하나씩 탈 설계 성능 프로그램을 통해 반영되어야 합니다. 이러한 맵의 사용과 VAN 각도의 제어 시스템 스케줄링은 다음에 더 자세하게 논의됩니다.

 

5.10.7 맵의 저속 영역의 특성

시동 또는 윈드밀 운용 중 저속에서의 터빈은 일반적으로 압축기에 관해 설명된 '패들' 현상과 같은 비정상적인 작동 모드를 나타내지 않습니다. 일반적으로 압력 강하가 있지만 전체 온도에는 변화가 없는 캐스케이드로 작동하는 제로 속도를 제외하고는 항상 터빈으로 작동합니다.

일 량이 거의 0에 가까울수록 기존 맵에서 용량에 대한 기울기가 매우 가팔라지고 효율의 정의가 모호해집니다. 이러한 어려움을 극복하기 위해 시작 및 윈드밀 모델에 대한 맵을 로드하는 데 대체 매개변수 그룹이 사용됩니다. 그룹 N/pT 및 CP.DT/N2는 W.T/N.P 및 E.CP.DT/N2가 반환된 맵을 읽는 데 사용됩니다. 그룹이 기존 맵의 단순한 조합이므로 수정된 맵을 생성하기 위해 기존 버전을 이 형식으로 쉽게 변환할 수 있습니다. 그런 다음 0 속도가 0 작업과 일치해야 한다는 것을 인지한 상태에서 저속 및 낮은 일로 도시되고 외삽됩니다.

5.10.8 팁 간극 변경의 영향

팁 간극은 로터 블레이드와 케이싱 사이의 방사형 간격입니다. 블레이드 높이에 대한 비율은 레이아웃 설계 및 크기에 따라 1~2% 범위에서 설정해야 합니다. 터빈의 경우, 과도 열적 성장이 더 크기 때문에, 해당 값은 축류 형 압축기보다 더 큽니다. rms 팁 간극이 1% 감소하면 효율이 약 1% 감소합니다. 이 양은 오버팁 누출 가스에서 일을 추출하기 위한 팁 펜스가 있는 슈라우드 블레이드에 대한 영향도 반영하고 있습니다. 슈라우드가 없는 블레이드는 간극이 단순하므로 효과가 더 커집니다. 스퀼러를 사용하면 블레이드의 얇은 부분이 도드라지게 서 있고 엔진이 작동하는 동안 마모되어 달성할 수 있는 가장 낮은 간극을 생성함으로써 이에 영향을 줄일 수 있습니다.

 

5.10.9 맵에 계수 및 델타의 적용

종종 엔진 개념 설계 단계에서 탈 설계 성능을 예측하기 위해 터빈 맵이 필요할 수 있지만 터빈 설계 코드에 의해 아직 생성되지는 않습니다. 압축기의 경우, 일반적인 관행은 유사한 터빈 설계의 맵에 계수와 델타를 적용하여 설계 점을 필요한 항목에 맞추는 것입니다. 이것은 터빈을 선형적으로 확장하는 것과 혼동되어서는 안 되며, 초기 엔진 탈 설계 성능 모델링을 가능하게 하는 데 맵 모양만 사용됩니다. 따라서, 새로운 터빈 공기역학 설계가 여전히 필요합니다.

 

5.10.10 터빈 리그 시험

엔진 시험에 앞서 터빈 리그 시험은 최고 기술의 엔진에 대해서만 수행됩니다. 이는 독립적인 제어가 가능한 대형 히터와 압축기가 필요한 대표적인 입구 조건을 제공하기 위한 리그의 비용과 복잡성 때문입니다. 터빈 출력 동력은 워터 브레이크 또는 동력계에 의해 흡수되므로 참조 속도는 일정하게 유지되고 출구 스로틀 밸브는 속도 라인을 매핑하도록 변경됩니다.

 

 

2023.06.26 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.9.4 기본 사이징 매개변수 안내 입구 마하수/5.10 축류형 터빈 - 탈 설계 성능

5.9.4 기본 사이징 매개변수 안내 입구 마하수/5.10 축류형 터빈 - 탈 설계 성능