5.1.4 기본 사이징 매개변수 가이드(2)

2023.04.27 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.1.2 압축기 설계의 확장

 

5.1.4 기본 사이징 매개변수 가이드(2)

 

회전 속도
회전속도는 목표 수준 내에서 논의된 다른 매개변수를 유지하면서 터빈 설계치 내에서 설정해야 합니다. 터빈은 높은 온도와 스트레스 수준으로 인해 지배적인 요인이 되는 경우가 많습니다. 발전기를 직접 구동하는 단일 스풀 엔진의 경우 속도는 3000 rpm 또는 3600 rpm이어야 합니다.

압력비, 스테이지 및 스풀 수
차트 5.2는 주어진 스테이지 수에 의해 얻어진 LP 압축기 압력비의 범위를 보여줍니다. 항상 온도 증가로 인해 스테이지 압력비가 앞쪽에서 뒤쪽으로 향할수록 떨어집니다. 주어진 스테이지 수에 대해 달성할 수 있는 압력비는 많은 요인에 의해 결정되지만 가장 중요한 것은 만족스러운 구성품 속도에 대한 서지 마진과 우수한 효율을 달성하는 것입니다. 5.2절에서 설명한 것처럼 다단계 축류 압축기의 전단은 저속에서 실속 쪽으로 밀려납니다. 스테이지 수와 스테이지당 압력비가 높을수록 이 효과는 더 나빠집니다. VIGV 및 VSV와 같은 가변 형상을 처리하거나 블리드 밸브를 처리하려면 5.2절에 설명된 대로 도입해야 합니다. 또한 차트 5.1에 따라 주어진 스테이지 수에서 전체 압력비가 높을수록, 즉 부하가 높아질수록 효율은 낮아집니다.
HP 압축기의 경우 차트 5.2에 표시된 것보다 낮은 압력비를 달성할 수 있습니다. 이는 주어진 압력비와 블레이드 속도에 대한 하중이 입구 온도에 비례하기 때문입니다. 
2개의 스풀 사이에 압축 과정을 분할하면 많은 이점이 있습니다. 첫째, 부품 속도 일치 및 서지 라인 문제가 완화됩니다. 이것은 더 적은 단계와 더 적은 가변 형상으로 동일한 압력비를 달성할 수 있음을 의미합니다. 두 번째로 후방 스테이지에 더 높은 회전 속도를 사용하면 더 낮은 하중을 가질 수 있고 동일한 하중에 대해 더 낮은 피치 라인에 있을 수 있으므로 아래에 설명된 허브 팁 비율 문제를 완화할 수 있습니다. 그러나 이러한 이점은 추가된 레이아웃 복잡성과 함께 균형을 이루어야 합니다.

허브 팁 비율
허브 팁 비율은 허브와 팁 반경의 비율입니다. 허브 팁 비율 값이 크면 팁 간극이 블레이드 높이의 더 중요한 비율이 됩니다. 섹션 5.2에 설명된 대로 이에 따라 효율과 서지 마진이 감소합니다. 허브 팁 비율이 낮으면 디스크와 블레이드 응력이 엄청나고 2차 흐름이 강력해집니다.
이 두 가지 효과의 균형을 맞추려면 첫 번째 스테이지에서 허브 팁 비율이 0.65보다 커야 합니다. 높은 압력비의 압축기의 백 스테이지의 경우, 그에 대한 값이 0.92 정도로 높을 수 있습니다.

Hade 각도
Hade 각도는 축에 대한 내부 또는 외부 고리 선의 각도입니다. 산업용 엔진의 경우, 떨어지는 팁 라인과 제로 내부 각도는 디스크와 루트 고정의 일부 공통성을 허용하여 비용을 절감하므로 좋은 출발점이라고 할 수 있습니다. 반대로 항공 엔진의 경우, 상승하는 허브 라인과 제로 외부 경사각은 하중을 최소화하여 스테이지 수와 중량을 최소화합니다. 이는 우수한 팁 간극 제어를 달성하기 위해서 기계 설계를 단순화하게 합니다. 설계 반복이 진행됨에 따라 다른 주요 설계 매개변수에 대해 허용할 수 있는 수준을 달성하기 위해 이러한 시작점에서 일정한 반경 피치 라인과 같은 다른 배열로 이동해야 할 수도 있습니다.
최대 10°의 각도가 외부 환형 설계에 사용될 수 있지만 5° 미만이 바람직합니다. 내부 환형 선 각도는 10° 미만으로 유지되어야 합니다.

축방향 속도 및 축방향 속도비
압축기를 통과하는 모든 지점에서 속도의 축방향 성분은 Q 곡선에서 평가할 수 있습니다. 축방향 속도 비율 또는 Va/U는 피치 라인에서 블레이드 속도로 나눈 축 속도입니다.
첫 번째 순서로 속도의 축방향 구성 요소는 일반적으로 압축기 전체에서 일정하게 유지됩니다. 따라서 밀도 증가로 인해 환형 영역이 전면에서 후면으로 갈수록 감소하고 축 방향 마하수는 온도 증가로 인해 감소합니다. 축방향 속도비는 일반적으로 모든 단계에서 0.5에서 0.75 사이입니다. 허용할 수 있는 출구 마하수를 달성하기 위해 마지막 스테이지는 종종 이 범위의 낮은 부분에 있습니다.

종횡비
종횡비는 베인 또는 블레이드 코드로 나눈 높이로 정의됩니다. 축 및 실제 코드가 모두 사용됩니다. 무게가 중요한 경우, 높은 종횡비 블레이딩이 바람직하지만 서지 마진이 감소하고 블레이드가 많아져 비용이 상승하게 됩니다.
일반적인 설계 수준은 1.5–3.5이며 축 코드를 기준으로 하며, 낮은 값은 HP 압축기 및 기계적 문제가 지배적인 소형 엔진에 더 많이 사용됩니다.

블레이드 갭핑
블레이드 열과 하류의 스테이터 열 사이의 축 간격은 업스트림 선수파로 인한 진동 여기를 최소화하고, 로터 블레이드의 팁을 전방으로 이동시키는 서지 발생 시에 클리핑을 방지할 수 있을 만큼 충분히 커야 합니다. 역설적으로 길이와 중량을 고려하게 된다면 해당 수치를 최소화해야 합니다. 일반적으로 간격은 업스트림 코드의 20%로 설정됩니다.
림 속도 및 팁 속도
림 속도는 주로 디스크 스트레스 제한에 의해 제한되며 일반적으로 가장 높은 속도가 될 후면부 스테이지에서 가장 중요합니다. 팁 속도는 블레이드와 디스크 응력 모두에 영향을 미칩니다. 종종 터빈 요구 사항이 지배적이기 때문에 압축기에서의 제한은 회전 속도 선택의 주요 동인이 아닙니다. 제한치들은 형상, 재료 및 온도에 따라 다릅니다. 티타늄 LP 압축기의 경우, 림 속도는 최대 350m/s이고 팁 속도는 최대 500m/s입니다. HP 후면부 스테이지의 경우, 니켈 합금 디스크가 필요하므로 350m/s의 림 속도와 티타늄 블레이드로 400m/s의 팁 속도를 허용합니다.

출구 마하수 및 스월 각도
과도한 하류 압력 손실을 방지하려면 출구 마하수와 스월 각도 값을 최소화해야 합니다. 만약 마지막 스테이터에서 실용적인 것보다 더 많은 회전이 필요한 경우, 추가적인 OGV 행을 고려해야 합니다. 마하수는 0.35보다 높지 않아야 하며 이상적으로는 0.25입니다. 출구 스월은 이상적으로는 0이어야 하지만, 확실한 것은 10°보다 작아야 합니다.

서지 여유
주요 엔진 적용에 대한 설계점 목표 서지 마진은 다음에 논의할 예정입니다.

피치/코드비 – DeHaller 수 및 확산 계수
이러한 제한값들을 유지하면 유동 확산 및 잠재적 분리로 인한 과도한 압력 손실을 방지할 수 있습니다. DeHaller 수는 단순히 행 출구 대 입구 속도의 비율이며 0.72 이상으로 유지되어야 합니다. 확산 계수는 더 정교하며 블레이드 최대 표면 속도에 대한 블레이드 간격(피치/코드)의 효과를 경험적으로 반영한 것입니다. 제한 최댓값은 피치 라인의 경우 0.6이고 로터 팁 섹션의 경우 0.4입니다.

5.1.5 기본 효율 및 크기 조정 지침의 적용
축류 압축기 설계의 첫 번째 패스 설계는 매우 반복적입니다. 관련 계산은 1차 유로 효율 수준과 치수가 위와 같은 값들을 통해 도출되는 방법을 보여줍니다.

 

2023.04.28 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.1.4 기본 사이징 매개변수 가이드(2)