5.13.3 가스터빈 덕트 구성

2023.07.13 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.13 덕트 – 설계

 

 

5.13.3 구성

각 가스 터빈 덕트 유형에는 적용 분야와 설계 회사마다의 문화 및 경험에 따라 많은 수의 잠재적 형상이 있습니다. 여기에서 그에 대한 모든 것을 설명하기에는 너무 많습니다. 그러나 발생하는 모습 따른 성격들을 제공하고 관련된 공기 역학적 및 기계적 설계 과제를 제공하기 위해 그림 5.37은 각 덕트 유형에 대한 가장 일반적인 구성을 제시합니다.

산업용 엔진 흡입구에 대해 표시된 것은 핫 엔드 드라이브에서 가장 일반적입니다. 일반적으로 플레어 업스트림에는 큰 플레넘이 있습니다. 스노우 후드는 주변에서 수직으로 위쪽으로 공기를 가져오고 필터와 소음기는 수직 다운테이크에 위치하도록 배열됩니다. 엔진이 콜드 엔드 드라이브용으로 배열된 경우 플러그가 출력 샤프트를 둘러싸는 방사형 흡입구가 사용됩니다.

아음속 항공기 엔진은 일반적으로 앞쪽 가장자리에서 엔진 입구 앞쪽 가장자리로 확산하는 비행 흡입구가 있는 포드 마운팅을 사용합니다. 여기에서 유동 영역이 압축기 면 앞에서 원형에서 환형으로 전환됨에 따라 nose bullet을 따라 가속이 발생합니다. 높은 비행 속도에서는 흡입 전면을 채우기 위해 좁은 스트림 튜브에서 이동하는 유동과 함께 비행 흡입구 상류에 약간의 확산이 있습니다. 반대로, 정지 유동이 앞전의 뒤와 앞 모두에서 비행 흡입 앞전으로 가속될 때 유동 박리를 피하기 위해 앞전은 둥글어야 합니다.

앞에서 설명한 것처럼 초음속 비행 흡입구는 con-di여야 하며 7장에서는 가변 영역이 비설계 작동에 얼마나 유리한지 설명합니다. 2차원(직사각형) 흡입구가 일반적이며 다양한 목 영역과 목의 선외 하류로 일부 유동을 덤프하거나 끌어들일 수 있는 기능이 있습니다.

압축기 간 덕트는 일반적으로 평균선 반경이 감소하고 유동이 가속됩니다. 터빈 간 덕트의 경우, 그 반대로 나타납니다. 그림 5.37에 표시된 연소기 입구 덕트는 환형이고 환형 연소기에 공급하는 덤프가 뒤따릅니다.

그림 5.37은 방사형 또는 축류형 터빈에 공급하는 단일 캔의 전형적인 스크롤형 터빈 입구 덕트를 보여줍니다. 원심형 압축기 출구에서 단일 캔으로의 스크롤은 형상이 비슷하지만 유동이 반대 방향입니다.

터보팬 바이패스 덕트는 일반적으로 단면적이 일정하므로 유동 마하수가 있습니다. 항공기 엔진 추진 노즐은 응용 분야에 따라 수렴형 또는 con-di가 될 수 있습니다. 애프터버너(5.21절)를 사용하는 경우, 추진 노즐은 가변 스로트 영역의 형태로 설계여야 합니다.

콜드 엔드 드라이브 엔진용의 산업용 엔진 배기 장치는 일반적으로 긴 원추형 디퓨저입니다. 이것은 출력 샤프트로 인해 핫엔드 드라이브에 실용적이지 않으므로 그림 5.37에 표시된 것이 가장 일반적으로 사용됩니다. 짧은 원추형 디퓨저가 있고 그 후에 유동이 수집기 상자로 덤프됩니다. 그런 다음 소음기를 포함하는 수직 흡입구를 통해 대기로 배출됩니다.

 

 

5.13.4 기존 덕트 설계의 크기 조정

기존 덕트 설계가 선형으로 확장되는 경우, 아래에 정의된 손실 계수는 변경되지 않습니다. 따라서 전압력 손실의 설계점 비율은 덕트 흡입구 동적 헤드 또는 마하수가 확장된 적용품에서 다른 경우에만 달라집니다.

 

5.13.5 덕트 압력 손실

설계점 계산에서 전압력 손실은 관련 공식을 통해 입구 전압력의 백분율로 적용됩니다. 덕트 백분율 압력 손실은 다음의 함수입니다.:

 

. 덕트 형상 – 이는 일반적으로 ‘람다’라고 하는 손실 계수로 설명됩니다.

. 입구 스월 각도

. 입구 마하수 또는 동적 헤드

 

손실 계수 람다는 입구 동적 헤드에 대한 입구 및 출구 전압력 간의 차이 비율입니다. 따라서 람다는 마하수 수준과 관계없이 덕트에서 손실된 동적 헤드의 일부입니다. 그 크기는 덕트 형상과 입구 스월 각도의 함수입니다. 관련 공식은 전압력 손실을 람다의 함수로 나타냅니다. 입구 스월 각도에 따른 람다의 변화는 5.14절에서 논의됩니다. 터빈 출구 덕트를 제외하고 대부분의 덕트는 0도의 일정한 입구 스월을 가지므로 람다는 덕트 형상의 함수입니다. 덕트 형상이 설정되고 람다가 결정되면 전압력 손실 백분율은 입구 동적 헤드 및 마하수에 따라 달라집니다.

p data-ke-size="size18">전통적으로 입구 마하수는 입구 조건의 심각도를 판단하는 데 사용됩니다. 차트 3.14는 Q 곡선으로 정의된 대로 동적 헤드 대 마하수를 보여줍니다. 관련 공식은 입구의 Total-to-static 비율의 함수로 입구 동적 헤드를 입구 전압력으로 나눈 값을 나타내는 큰 이점도 있습니다. 따라서 백분율 압력 손실은 관련 공식을 통해 계산할 수 있습니다. 3장에 설명된 대로 Q 곡선 매개변수가 알려지면 입구 Total-to-static 비율을 결정할 수 있습니다.

주어진 형상에 대한 람다 값은 처음에는 경험을 통해, 그리고 상업적으로 이용할 수 있는 상관관계를 사용하여 결정해야 합니다. 엔진 프로젝트의 후반 단계에서 perspex 모델은 cold flow rig 테스트 시설에서 테스트 될 수 있으며 예측된 람다는 경험적으로 확인됩니다.

 

2023.04.04 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 3.6 주요 열역학적 파라미터의 상호관계를 보여주는 차트(1)

2023.04.06 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 3.6 주요 열역학적 파라미터의 상호관계를 보여주는 차트(2)

 

람다의 설계점 값, 입구 마하수 및 주요 가스 터빈 덕트 유형에 대한 백분율 전압력 손실에 대한 지침이 그림 5.37에 나와 있습니다. 이는 초기 엔진 설계점 성능 계산에 적합합니다. 일반적으로 가속되는 것과 반대로 확산되는 덕트는 더 높은 손실 계수를 갖습니다. 이것은 역방향 정압 구배로 인해 유동이 박리되기 더 쉽고, 두 가지 모두에서 발생하는 벽 마찰 손실을 가리는 훨씬 더 높은 난류 손실이 발생하기 때문입니다. Strut이 있는 경우 일반적으로 손실 계수가 5~10% 증가하거나 상당한 입사각 또는 회전각이 발생하는 경우, 그 이상으로 증가합니다. 추력 항공기 엔진용 덕트는 엔진 전면 영역을 최소화하기 위해 마하수 범위의 높은 쪽을 향하는 경향이 있습니다. 그림 5.34에서 엔진 흡입구는 입구가 아닌 덕트 출구의 동적 헤드가 사용된다는 점에서 다르게 취급된다는 점에 주목해야 합니다(흡입구에 대해 표시된 람다는 출구 동적 헤드에 상대적입니다). 이는 ISA SLS에서 덕트 입구 마하수가 매우 낮을 수 있기 때문입니다.

그림 5.37에 제시된 것 이외의 덕트 형상의 경우, 람다의 추정치는 아래 나열된 빌딩 블록을 결합하여 만들 수 있습니다. 이러한 기능 중 둘 이상이 연속적으로 사용되는 경우 개별 부분에 들어가는 동적 헤드에 람다가 적용됩니다.

 

. 급팽창: 람다는 관련 공식에 따른 면적 비율의 함수입니다.

. 덤프: 덤프는 관련 공식 람다=1에서 무한대로 갑자기 확장된 값입니다.

. 큰 단계 수축: 출구 동적 헤드를 기준으로 람다=0.5. 수축 지점에서 곡면을 사용하면 크게 줄일 수 있습니다.

. 바이패스 덕트와 같은 단면적이 일정한 파이프의 유동: 마찰로 인한 람다는 관련 공식에서 찾을 수 있으며, 마찰계수의 값은 'Moody Chart’에서 찾을 수 있습니다.

. 원뿔 디퓨저: Lambda는 면적 비율 범위에 대해 차트 5.11에서 찾을 수 있습니다. 끼인각은 6도가 최적입니다.

. 원추형 노즐: 포함된 원뿔 각도가 15도에서 40도 사이인 경우 람다는 면적 비율에 따라 0.15에서 0.2 사이입니다.

 

2023.07.13 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.13 덕트 – 설계

5.13 덕트 – 설계