5.11.4 기본 크기 매개변수 가이드

2023.07.07 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.11 방사형 터빈(Radial turbine)

 

5.11.4 기본 크기 매개변수 가이드

방사형 터빈의 치수 설계를 위한 주요 매개변수에 대한 지침은 아래에 제시되어 있습니다. 많은 매개변수가 다른 터보 기계와 동일하게 공통적이므로 해당 정의는 이전에 제시된 것과 같습니다.

 

입구 마하수

업스트림 덕트의 압력 손실을 최소화하고, 기체가 NGV 표면을 따라 모든 지점에서 가속되도록 하려면 이상적으로 0.2 미만이어야 합니다.

 

회전 속도

비속도를 통해 효율을 최적화하면서 기계적 무결성에 허용되는 한계 내에서 휠 림 속도를 유지하도록 설정해야 합니다. 또한 구동되는 장치 속도 요구 사항과 적절하게 타협해야 합니다.

 

비속도

원심 압축기의 경우, 비속도는 효율과 상호 연관될 수 있는 무차원 매개변수입니다. 차트 5.9는 터빈 효율을 위한 최적의 비속도를 보여줍니다. 그림 5.33은 낮고 높은 비속도에서 제시된 지침에 따른 일반적인 형태들을 보여줍니다.

 

 

팽창비, 스테이지수

허용할 수 있는 수준의 효율을 가진 단일 단에서 실제로 나타낼 수 있는 가장 높은 팽창비는 약 8:1입니다. 직렬로 연결된 2개의 방사형 터빈은 터빈 간 덕트의 복잡성으로 인해 심각하게 고려되는 경우가 거의 없으며 가장 일반적으로 사용되는 소형 엔진에서는 팽창비가 거의 없기 때문입니다. 일반적인 레이아웃 중 하나는 고압비 가스 발생기 압축기를 구동하는 단일 단계 방사형 터빈과 부하를 구동하는 축류형 자유 동력 터빈입니다.

 

휠 입구 팁 속도 및 직경

휠 입구 팁 속도는 관련 공식에서 계산됩니다. 따라서 회전 속도가 설정되면 팁 직경을 도출할 수 있습니다.

 

NGV 높이

차트 5.10은 비속도 대비 효율을 위한 NGV 높이 대 회전자 흡입구 직경 비율의 최적값을 보여줍니다. 더 높은 체적 유량을 반영하는 비속도에 따라 증가하고 과도한 마찰 손실을 피하기 위해 항상 0.04보다 커야 합니다.

 

로터 출구 팁 직경

차트 5.10은 또한 효율 대비 비속도에 대한 로터 출구 대비 입구 팁 직경의 최적 비율을 보여줍니다. 체적 유량에 대한 비일의 증가 비율을 반영하여 비속도에 따라 증가합니다. 바람직하지 않은 속도 비율을 피하려면 0.7 미만이어야 합니다.

 

 

로터 출구 허브 팁 비율 및 길이

팁 간극의 영향을 최소화하려면 비율이 0.4 미만이어야 합니다. 로터 길이는 임펠러 길이 매개변수를 사용하여 평가할 수 있습니다. 방사형 터빈 로터의 경우, 1.0–1.3 범위에 있어야 합니다.

 

베인리스 공간 반경 비율

블레이드 자극을 피하기 위해 1.10 정도여야 합니다.

 

NGV 반경비 및 출구각

NGV 외부 반경과 내부 반경의 비율은 1.35와 1.45 사이입니다. 효율을 위한 최적의 NGV 출구 각도는 차트 5.9에서 확인할 수 있습니다.

 

휠 림 속도

관련 공식을 사용하면 주어진 작업에 대한 블레이드 팁 속도를 계산할 수 있습니다. 기계적 무결성을 위해 휠 림 속도는 600m/s 미만이어야 합니다. 그러나 휠 백 플레이트가 '스캘럽'된 경우, 즉 블레이드 사이에서 절단된 경우 블레이드 팁에서 속도가 800m/s까지 상승할 수 있습니다.

 

최종단 출구 마하수

좋은 디자인의 경우, 해당 값은 약 0.3이어야 합니다. 최대 허용값은 0.55이며, 이 값을 초과하면 다운스트림 확산 덕트에서 급격한 유동 중단이 발생할 수 있습니다. 축류형 터빈의 경우, 미래의 업레이트 가능성을 제공하기 위해 새로운 설계가 이 범위의 하위 범위에 있어야 합니다.

 

최종단 터빈 출구 스월 각도

5.13절에 설명된 대로 다운스트림 덕트 압력 손실을 최소화하려면 피치 라인에서 20도(이상적으로는 5도) 미만이어야 합니다.

 

5.11.5 기본 효율 및 크기 조정 지침 적용

관련 계산들을 여기에 제시된 기본 효율 및 크기 조정 지침의 적용을 보여줍니다.

 

5.11.6 방사형 유동 터빈 대 축류 터빈

여기에서는 방사형 및 축류 터빈을 정성적으로 비교합니다. 5.11.7절은 각각 적합한 주요 적용 대상에 대한 용량 및 팽창비 범위를 보여줍니다. 축류형 터빈은 다음과 같은 장점이 있습니다.

 

. 요구 사항에 따라 크기, 속도 및 효율의 큰 변화와 함께 약 1–2.2의 매우 넓은 범위의 하중에 맞게 설계할 수 있습니다.

. 고부하 설계의 경우, 주어진 질유량 및 압력비에 대해 정면 면적이 더 낮습니다.

. 고하중 디자인의 경우, 중량이 더 낮습니다.

. 약 0.05 kgp K/skPa보다 큰 용량의 경우, 축류형 터빈은 더 나은 등엔트로피 효율을 가지며 이 이점은 용량에 따라 증가합니다.

. 필요한 팽창비가 하나 이상의 방사형 터빈이 필요한 경우, 터빈 간 덕트가 복잡해집니다. 이에 따라 다단 방사형 터빈은 거의 고려되지 않습니다. 축류 터빈에는 그와 같은 문제가 없습니다.

. 제조(단조)의 어려움으로 인해 방사형 터빈 휠의 활용 가능한 직경이 약 0.6m로 제한될 수 있으므로 충격 용량 및 팽창비 성능이 제한될 수 있습니다.

 

방사형 터빈에는 다음과 같은 장점이 있습니다.

 

. 방사형 터빈은 단일 스테이지에서 최대 8:1의 팽창비가 가능합니다. 축류형 터빈의 경우, 최소 두 스테이지가 필요합니다.

. 방사형 터빈은 동일한 용량 및 팽창비에 대해 단가가 상당히 낮습니다.

. 작은 크기, 즉 0.05 kgp K/skPa 미만의 용량에서 등엔트로피 효율이 더 높습니다. 압축기와 마찬가지로 이 용량 범위에서 고정된 제조 공차를 가진 팁 간극, 블레이드 전연 및 후연 두께, 표면 거칠기의 상대적인 수준 증가로 인해 크기가 감소함에 따라 축류형 터빈 효율이 급격히 떨어지기 때문입니다. 그러나 해당 용량 범위는 비교적 드문 초소형 가스 터빈 엔진에 해당합니다.

. 2단 축류형 스테이지보다 길이가 짧지만 단일 축류형 스테이지와 비슷합니다.

요약하면, 축류형 터빈은 낮은 정면 면적, 낮은 중량 및 고효율이 필수적이고 큰 크기의 경우에서 유일한 선택지입니다. 반대로 방사형 터빈은 단가가 가장 중요시되고 크기가 작은 경우에 경쟁력이 있습니다.

 

5.11.7 축류형 및 방사형 터빈에 적합한 용량 범위

아래에 제시된 표는 주요 엔진 적용을 위한 축류형 또는 방사형 유동 가스 발생기 터빈에 적합한 용량 범위를 보여줍니다.

 

 

추력 엔진의 경우 축류형 터빈이 매우 낮은 용량까지 우세합니다. 높은 비행 속도에서 항력을 최소화하기 위해 낮은 정면 면적과 무게의 중요성으로 인해 더 높은 비용이 확실시됩니다. 항공용 샤프트 동력 엔진의 경우, 방사형 터빈은 비행 속도가 더 낮기 때문에 표시된 용량 범위의 상단 부분에 대해서 경쟁력이 있습니다. 산업, 선박 및 자동차 엔진의 경우, 낮은 전면 면적과 무게는 덜 중요하게 되며 단가를 최소화하기 위해, 방사형 터빈은 더 높은 용량에 대해 경쟁력이 있습니다.

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5.11 방사형 터빈(Radial turbine)