5.13 덕트 – 설계

2023.07.11 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.11.4 기본 크기 매개변수 가이드

5.12 방사형 터빈 - 오프 설계 성능

축류형 터빈의 탈 설계 작동을 논의하는 5.10절의 모든 항목은 방사형 터빈에도 적용됩니다.

 

5.13 덕트 – 설계

현재까지 논의된 구성 요소는 모두 관련된 일 또는 열전달을 포함합니다. 이러한 구성 요소 사이와 엔진 안팎으로 단순히 공기를 통과시키는 다양한 덕트가 필요합니다. 후자의 덕트는 항공 추력 엔진과 관련하여 더 힘든 임무를 수행합니다. 흡입구는 총 압력 손실을 최소화하면서 높은 비행 마하수에서 자유 흐름 공기를 확산시켜야 하고 추진 노즐은 추력을 생성하기 위해 뜨거운 배기가스를 가속해야 합니다. 흡기 및 노즐의 모델링은 일반적으로 해당 출구 및 입구 덕트의 모델링과 결합되므로 모든 덕트 종류에 대한 설명이 이번 절에서 결합됩니다.

덕트 내에서 스트럿은 종종 구조적 지지를 제공하거나 덕트를 가로지르는 오일 유동 또는 냉각 공기와 같은 중요한 일을 수행하는 데 필요합니다. 덕트 압력 손실은 가볍게 취급할 수 없으며 초음속 항공기 엔진 및 재생 자동차 엔진과 같은 특정 엔진 유형의 경우, 엔진 프로젝트의 성공에 있어서 매우 중요합니다.

덕트 성능 및 기본 크기 조정을 설명하기 전에 덕트 유동의 일부 기본 사항에 관해 설명합니다. 여기서도 Q 곡선의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다.

 

5.13.1 면적 변화가 있지만 일이나 열전달이 없는 덕트의 아음속 흐름

대부분의 가스 터빈 덕트는 아음속 흐름을 가지고 있습니다. 그림 5.34는 일이나 열전달이 없는 덕트에서 아음속 흐름에 대한 주요 매개변수에 대해서 면적 변화의 영향을 개략적으로 보여줍니다. 면적을 줄이면 흐름이 가속되고 정압과 온도가 감소합니다. 전온도는 덕트를 따라 변하지 않지만 마찰로 인해 전압력에 약간의 손실이 있습니다. 반대로 면적이 증가하면 속도는 감소하고 정적 온도는 증가합니다. 유효 디퓨저를 형성하기 위해 영역이 점진적으로 변경되면 정압력도 증가합니다. 그렇지 않으면 갑작스러운 확장에 의해서 속도가 감속되면서 난류로 소멸합니다. 다시 전온도는 변하지 않고 전압력이 손실됩니다.

전압력에 손실이 있다는 사실은 Q 곡선의 사용이 근사치라는 것을 의미합니다. 가장 적절한 국부 압력 값을 사용하기 위해 주의를 기울이면 이를 사용하는 데 무시할 수 있는 오류가 있으며, 이렇게 하는 것은 가스 터빈 산업에서 보편적인 관행입니다. 따라서 Q 곡선 매개변수 그룹이 덕트의 한 지점에서 알려지면 다른 모든 매개변수는 3장에 제공된 차트, 표 또는 공식을 통해 구해질 수 있습니다.

 

5.13.2 면적 변화가 있지만 일이나 열전달이 없는 덕트의 초음속 유동

유동이 초음속인 유일한 가스 터빈 엔진 덕트는 항공 엔진 추진 노즐과 초음속 항공기 엔진 흡입구입니다. 그림 5.35는 유동이 초음속일 때 변화하는 면적의 영향을 보여주며, 이는 위에서 설명한 아음속 유동의 경우와 반대입니다. 이제 영역을 줄이면 속도가 증가하는 것이 아니라 감소합니다. 다시 전온도는 덕트를 따라 변하지 않고 전압력이 약간 감소하며 Q 곡선이 적용될 수 있습니다.

 

수축 노즐

수축 노즐에서 유동은 출구 평면인 목으로 향함에 따라 가속됩니다. 전압력을 주변 대기압으로 나눈 값이 Q 곡선에서 구해진 초킹 값보다 작으면 유동은 목에서 아음속입니다(그림 5.35). 또한, 이 같은 경우, 목 평면의 정압은 대기압입니다. 그러나 대기에 대한 전압력의 비율이 Q 곡선에서 파생된 초킹 값보다 크면 유동은 목에서 음파(마하수 1)입니다. 여기에서 노즐은 초크 되고, 목 평면의 정압은 전압력과 초크 압력 비율을 통해서 얻을 수 있습니다. 주변 대기압보다 높으며, 노즐의 하류에 충격파가 발생하게 됩니다.

수축 추진 노즐이 사용되는 것과 반대로 수축-발산 또는 con-di가 사용되는 곳에 대한 지침은 본 절의 뒷부분에서 설명됩니다.

 

 

수축-확산(Con-di) 추진 노즐

con-di 노즐은 처음에 목으로 수렴한 다음 발산합니다. 그림 5.36은 전압 대 정압비와 마하수 분포를 보여줍니다. 고정된 입구 전압력에서 출구 주변 정압의 네 가지 수준이 적용되어 라인 A에서 라인 D로 감소합니다. 각 라인에 대해 입구 전온도와 덕트 형상은 변경되지 않습니다. 추력 엔진을 위한 실용적인 con-di 노즐은 항상 가득 차도록 설계되었으므로(아래 참조) 라인 C와 D만 실제 고려 사항입니다. 그러나 이해를 돕기 위해 라인 A와 B를 설명합니다.

라인 A의 경우, 영역이 여전히 아음속인 목으로 감소함에 따라 유동이 가속됩니다. 목 이후 유동은 출구까지 감속합니다. 따라서 덕트는 벤츄리 역할을 하게 됩니다.

덕트를 따른 전온도는 일정하게 유지되며 약간의 압력 손실을 제외하면 전압력도 마찬가지입니다. 출구 면에서 정압은 대기압이므로 약간의 전압력 손실이 알려진 경우, 전압 대 정압 비율을 계산할 수 있습니다. 이를 출구 면적 및 덕트 전온도와 함께 알면 Q 곡선에서 질유량을 계산할 수 있습니다.

라인 C의 경우, 출구 정압이 상당히 낮습니다. 여기서 유동은 목으로 그리고 확산부를 통해 가속됩니다. 마하수는 목이 초킹 된 곳에서 1이고 출구로 향할수록 초음속입니다. 출구면의 정압이 주변인 경우, con-di이 가득 차 있다고 합니다. 다시 Q 곡선이 적용되고 질유량은 출구면 전압 대비 정압비, 출구 면적 및 덕트 전온도에서 계산될 수 있습니다. Q 곡선에서 출구면의 더 높은 전압력 대비 정압 비율로 인해 질유량이 라인 A보다 상당히 높다는 것은 분명합니다.

라인 D의 출구 압력은 라인 C보다 낮습니다. 다시 Q 곡선이 적용되며, 이 같은 경우 전압 정압 비율과 덕트를 따라 있는 다른 Q 곡선 매개변수 그룹은 라인 C와 동일합니다. 여기에는 다음의 사항들 포함됩니다. 따라서 유동의 정압은 주변보다 높으며 유동은 덕트 외부의 주변 대기 압력으로 변하면서 충격파를 발생합니다. 질유량은 라인 C에서 변경되지 않습니다. 즉, con-di 노즐이 초킹되고 출구 압력을 더 낮추어도 이 같은 상황은 변하지 않습니다. 이 경우, 노즐이 가득 차 있다고 합니다.

라인 B는 A와 C의 출구 압력 사이에 있어 유동이 가속되고 마하수가 1인 목 이후에 있습니다. 그러나 확산부를 따라가는 도중에 유동은 초음속에서 아음속으로 충격파를 발생합니다. 흐름은 충격파로 가속되고 그 후 출구로 감속됩니다. Q 곡선은 충격파 전후에 적용되지만 충격파 전체에는 적용되지 않습니다. 충격파 전반에 걸쳐 다음과 같은 매개변수 변경이 발생합니다.

 

. 마하수는 초음속에서 아음속으로 변경됩니다.

. 전온도는 변하지 않습니다.

. 전압력이 감소합니다.

. 정온도가 증가합니다.

. 정압력이 증가합니다.

. 질유량은 변하지 않습니다.

 

수축-확산(Con-di) 흡입구

초음속 항공기의 경우, 유동은 흡입구에서 초음속에서 낮은 아음속으로 확산되어야 합니다. 이 같은 경우, 수용할 수 있는 수준의 효율을 제공하려면 흡입구가 con-di 구성이어야 합니다. 여기서 유동은 그림 5.36의 라인 B와 동일하지만 그 반대입니다. 초음속 유동은 수축부로 들어가 확산됩니다. 일련의 경사 충격파가 목 근처에서 발생하도록 형상이 설정되어 일반 충격파보다 더 효율적입니다. 그런 다음 유동은 확산부에서 압축기 면으로 계속 확산됩니다. con-di 노즐의 경우, Q 곡선은 충격파 전후에 적용되지만 충격파 전체에는 적용되지 않습니다. con-di 흡입구는 엔진 내에서 충격파가 발생하는 유일한 실용적인 가스 터빈 덕트의 예입니다.

 

 

2023.07.11 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.11.4 기본 크기 매개변수 가이드

5.11.4 기본 크기 매개변수 가이드