5.11 방사형 터빈(Radial turbine)

2023.07.03 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.10.2 터빈 설계의 선형 스케일링 맵에 미치는 영향

 

5.11 방사형 터빈 – 설계

방사형 터빈에서 유동은 원심의 방사되는 방향에서 축 방향으로 변경됩니다. 이는 축류 단계에 대한 유동 각도 및 환형 라인만 변경하여 달성할 수 있는 것보다 훨씬 더 큰 면적비 및 팽창비를 가능하게 합니다.

 

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5.11.1 구성 및 속도 삼각형

그림 5.32는 방사형 터빈의 일반적인 블레이딩 구성을 나타냅니다. 스테이지는 NGV(Nozzle Guide Vanes) 링과 휠이라고 하는 블레이드 디스크로 구성됩니다. 축류 형 터빈과 달리 유동은 대부분 방사형 방향으로 NGV로 들어갑니다. 이를 달성하기 위해 사용되는 터빈 입구 덕트 형상은 주로 연소기 유형에 따라 다릅니다. 예를 들어 환형 연소기가 사용되는 경우 환형 터빈 입구 덕트는 NGV의 바로 상류에서 축 방향에서 반경 방향으로 회전해야 합니다. 종종 방사형 터빈은 단일 캔 연소기가 사용되는 소형 산업용 엔진에 사용되며 스크롤이 필요하므로 NGV 입구에 약간의 접선방향 속도가 존재합니다. 자동차 터보차저용 방사형 터빈은 종종 NGV를 생략하고 스크롤만의 효과를 통해 로터 입구에서 접선 속도를 생성합니다.

또한, 그림 5.32는 입구 및 출구 속도 삼각형을 보여줍니다. NGV 및 로터 블레이드를 통해 주요 열역학적 매개변수가 변경되는 방식은 축류 형 터빈에 대한 그림 5.29와 같습니다. 관련 공식은 오일러 일을 도출할 수 있게 하고 , 이는 방사형 터빈에도 동일하게 적용됩니다.

가스는 더 낮은 출구 반경으로 인한 면적 감소와 방사형에서 65도에서 80도 사이로 유동을 전환하여 NGV를 통해 가속됩니다. 평균 출구 마하수는 0.6과 초음속 사이일 수 있으며 후자는 매우 높은 팽창비 설계에 적용됩니다. 일이나 열전달이 없으며, 마찰과 난류 손실로 인한 압력 손실은 적습니다. 전온도는 변하지 않고 정압과 정온도는 가속으로 인해 감소합니다.

토크를 생성하는 스월 속도의 변화를 통해 로터에서 일이 추출됩니다. 이러한 속도를 달성하려면 전압력이 떨어지고 전온도가 낮아져야 합니다. 가스를 팽창시킬 뿐만 아니라 로터는 출구에서 유동을 방사형에서 축 방향으로 바꿉니다.

 

5.11.2 기존 디자인 크기 조정

축류 형 터빈에 대한 5.9.2절의 설명은 모두 방사형 유동 터빈에 동일하게 적용됩니다.

 

5.11.3 효율

5.9.3절과 관련 공식을 통해 정의된 등엔트로피 및 폴리트로픽 효율 정의는 방사형 터빈에 동일하게 적용할 수 있습니다. 원심형 압축기의 경우, 축류 형 터빈과 달리 효율은 5.3절에 설명된 특정 속도 매개변수와 상관관계가 있습니다. Total-to-Total 효율과 Total-to-static 효율이 모두 고려되며, 후자는 출구 동적 수두가 손실된다는 기준으로 출구 정압을 사용합니다. 총 Total-to-tatal 효율이 사이클 계산에 적합하지만, 높은 출구 마하수는 필연적으로 다운스트림 압력 손실을 증가시키므로 Total-to-static 효율은 터빈 설계에 있어서 비교적 공정한 비교 기준이 됩니다.

차트 5.9는 특정 속도에 대해 주어진 NGV 출구 각도에 대한 Total-to-등엔트로피 효율에 대한 총계를 나타냅니다. 이 차트는 첨단 기술 수준, 대형(0.5 kgp K/skPa) 및 5.11.4절에 제공된 지침에 따라 설계된 기타 치수에 대한 것입니다. 3차원 공기역학적 코드 없이 설계된 가장 작은 크기(0.05 kgp K/skPa)의 경우, 표시된 수준에서 최대 3% 포인트를 차감해야 합니다. 차트 5.9는 설계점 계산을 위한 방사형 터빈 효율을 추정하는 데 사용할 수 있습니다.

효율을 위한 최적의 특정 속도는 약 0.6입니다. 따라서 주어진 설계에 필요한 질 유량과 팽창비가 설정되면 출구 체적 유량과 엔탈피 변화가 계산될 수 있으며, 효율을 위한 최적의 특정 속도를 달성하는 데 필요한 회전 속도도 도출될 수 있습니다. 설계가 진행됨에 따라 다른 제약 조건으로 인해 회전 속도가 변경됨에 따라, 특정 속도가 최적값에서 멀어져 가게 되며, 이는 결과적으로 효율의 손실로 귀결될 수 있습니다.

 

 

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