5.1.2 압축기 설계의 확장

2023.04.25 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5장 가스 터빈 엔진 구성 요소

 

5.1.2 압축기 설계의 확장

기존 압축기 설계가 선형적으로 스케일링되면 일차적으로 다음과 같이 앞서 설명된 스케일링 매개변수에 의해서 명백해집니다.

 

. 회전 속도 변화는 선형 스케일 계수에 반비례합니다.

. 유량 변화는 선형 스케일 계수의 제곱에 비례합니다.

. 압력비와 효율은 변하지 않습니다.

. 블레이드 속도와 속도 삼각형은 변하지 않습니다.

 

스케일링 '다운'으로 인해 작은 압축기를 설계해야 한다면 레이놀즈수 효과를 고려해야 합니다. 스케일링 시, 레이놀즈수를 계산하는 방법은 이후 절에서 설명됩니다. 또한, 이 같은 경우에는 팁 간극 또는 트레일링 에지 두께와 같은 모든 치수를 정확하게 스케일링하는 것이 불가능할 수 있으며, 이는 어떤 속도에서 유량, 압력비 및 효율에 있어서 추가적인 2차 손실을 초래하게 됩니다.

 

5.1.3 효율

등엔트로피 효율은 주어진 압력비에서 이상적인 비 일 입력 또는 전 온도 상승을 실제 값으로 나눈 값입니다. 등엔트로피 효율은 때때로 단열 효율로 잘못 언급됩니다. 등엔트로피의 정의는 단열과 가역성을 내포합니다. 즉, 열전달과 마찰이 모두 제외됩니다. 앞서 설명한 것처럼 이와 관련된 한 가지 기본사항은 전온도 상승이며, 그에 따라 주어진 압력비를 유지하기 위한 입력 동력은 입구 전온도에 비례한다는 것입니다.

폴리트로픽 효율은 크기가 전체적으로 일정하도록 압축 과정에서 무한히 작은 단계의 등엔트로피 효율로 정의됩니다. 이를 통해 압축기 후단의 유입 온도가 더 높기 때문에 동일한 압력 상승에 대해 더 많은 일 입력이 필요하다는 사실을 설명합니다. 차트 3.16은 폴리트로픽 효율과 등엔트로피 효율 사이의 상호 관계를 보여줍니다.

폴리트로픽 효율은 설계점 계산에 직접 사용되지는 않습니다. 그러나 '비교할 수 있는 두그룹'을 기준으로 서로 다른 압력비의 압축기를 비교할 수 있다는 점에서 중요합니다. 동일한 기술 수준, 평균 스테이지 하중 및 전면부와 같은 기하학적 설계 자유도는 압력비와 관계없이 동일한 폴리트로픽 효율을 갖습니다. 그러나 차트 3.16에서 알 수 있듯이 등엔트로피 효율은 동일한 폴리트로픽 효율에 대해 압력비가 증가함에 따라 저하됩니다.

축류 압축기의 폴리트로픽 효율은 상세 설계에 사용할 수 있는 크기와 기술 수준이 증가함에 따라 향상됩니다. 그에 따라 부하 및 스테이지 당 압력비가 감소하고 매우 작은 전면 영역과 같은 기하학적 제약이 완화됩니다. 차트 5.1은 일반적인 수준의 폴리트로픽 효율 대 평균 스테이지의 부하를 나타냅니다. 가장 높은 라인은 수십 년의 경험과 최첨단 설계 도구를 갖춘 회사에서 설계한 대형 산업용 헤비급 엔진 또는 민간 터보팬에 적용할 수 있으며, 가장 낮은 라인은 RPV 엔진에 일반적입니다. 전면 영역을 최소화하는 기하학적 제약으로 인해 초음속 엔진은 최고선보다 1~3포인트 낮습니다.

 

5.1.4 기본 사이징 매개변수 가이드

축류 압축기의 윤곽 환형 또는 치수를 설정하기 위한 주요 매개변수에 대한 안내사항은 다음과 같습니다.

 

평균 입구 마하수

해당 변수는 알려진 입구 유량, 압력, 온도 및 전면 면적과 함께 Q 곡선을 사용하여 계산된 압축기 면에서의 평균 마하수입니다. 특히 항공기 엔진의 경우, 전면 면적을 최소화하기 위해 높은 입구 마하수를 갖는 것이 바람직하지만 이는 첫 번째 스테이지의 블레이드 팁에서 높은 상대 속도를 초래하므로 비효율적입니다. 0.4에서 0.6 사이의 값이 일반적이며 가장 높은 수준은 초음속 응용 분야의 항공용 엔진입니다.

 

팁 상대 마하수

가장 높은 팁 상대 마하수는 첫 번째 스테이지에서 발생합니다. IGV가 사용되지 않는 한 기체의 입구 절대 속도는 일반적으로 축 방향이며 환형에 걸쳐 일정한 것으로 간주할 수 있습니다. 따라서 팁 상대 마하수는 속도 삼각형을 그리고 평균 입구 마하수와 팁 속도를 알면 평가할 수 있습니다.

보수적이고 높은 수준의 설계치는 각각 0.9와 1.3입니다. 후자는 압력 손실을 증가시키는 아음속 조건을 달성하기 위해 블레이드에 비해 높은 확산이 필요합니다. VIGV를 사용하여 이러한 수준을 줄일 수 있습니다.

 

단하중(스테이지 하중)

하중은 압축기 또는 스테이지에 필요한 일량을 측정한 것입니다. 앞의 장에서 볼 수 있듯이 무차원 그룹이며 공기의 단위 질유량당 엔탈피 증가를 블레이드 속도의 제곱으로 나눈 값입니다. 부하가 감소함에 따라 효율이 향상되지만 주어진 압력비에 대해 더 많은 스테이지가 필요하게 됩니다.

초음속 항공 엔진을 제외하고, 피치 라인을 따른 하중은 모든 단계에서 0.25에서 0.5 사이여야 합니다. 가장 낮은 값은 일반적으로 여러 스풀 엔진의 LP 압축기에만 사용할 수 있습니다. 초음속 비행 엔진의 경우, 피치 라인 부하는 0.7만큼 높을 수 있으며, 감소한 스테이지 수에 대한 대가로 일부 효율의 손실이 허용됩니다. 첫 번째 패스의 경우, 모든 스테이지에 대해 상숫값을 사용하는 것이 합리적입니다. 추가 반복을 위해 허용할 수 있는 림 속도, 첫 번째 스테이지 팁 상대 마하수, 허브 부하 등을 달성하는 일부로 스테이지를 통해 변화할 수 있습니다. 일반적인 설계 관행은 압축기를 통해 감소시키거나 때때로 다시 감소시키기 전에 중간 단계까지 상승하도록 허용하는 것입니다.

스테이지 하중은 피치 라인 이외의 방사형 위치에서도 계산할 수 있습니다. 주요 설계 문제는 낮은 블레이드 속도로 인해 가장 높은 첫 번째 단계의 허브에서의 수치입니다. 여기에서 허용할 수 있는 확산 속도를 유지하기 위해 값 0.6은 보수적이며 0.9는 상당히 높은 수준의 값입니다.

 

 

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