5.15 공기 시스템, 터빈 NGV 및 블레이드 냉각 – 설계점 성능

2023.08.02 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.14 덕트 - 탈 설계 성능

 

5.15 공기 시스템, 터빈 NGV 및 블레이드 냉각 – 설계점 성능

5.15.1 구성

엔진 공기 시스템은 주 가스 경로와 평행한 여러 개의 공기 흐름 경로로 구성됩니다. 각각의 공기는 외부 케이싱의 슬롯을 통해 또는 드럼의 축 방향 틈이나 구멍을 통해 내부에서 압축기를 통해 부분적인 방식을 통해 추출됩니다. 그런 다음 공기는 일련의 오리피스와 미로 모양의 핀 밀폐 형상을 통해 내부적으로 전달되거나 엔진 케이싱 외부의 파이프를 통해 외부적으로 전달됩니다. 추출 지점이 빠를수록 공기에서 수행되는 일이 적어져 성능에 대한 손실이 낮아집니다. 그러나 추출 지점은 공기 시스템을 통한 손실을 허용한 후 목표한 지점에서 합류하기 전에 공기가 주 가스 경로보다 더 높은 압력에 있을 수 있도록 충분한 압력을 가져야 합니다. 소스 및 싱크 압력은 각각 추출 지점과 반환 지점에서 가스 경로의 정압입니다. 초기 근사치의 경우, 최소 1.3의 압력 비율이 필요합니다.

 

엔진 에어 시스템은 전부는 아니더라도 다음 구성 요소 중 일부로 구성됩니다.

 

. 터빈 디스크 냉각 및 림 실링에는 각 디스크 면 위로 방사상으로 바깥쪽으로 흐르는 유동이 필요합니다.

. 오일이 엔진으로 누출되지 않도록 베어링 챔버 밀폐가 필요합니다. 공기는 핀이 있는 씰을 통해 베어링 챔버로 유입된 다음 공기-오일 분리기를 통해 선외로 흘러야 합니다.

. 누출은 고압에서 저압 공기 시스템 흐름 경로에서 발생합니다. 메카니컬 씰을 사용하여 이를 최소화하기 위해 모든 노력을 기울이지만 근절하는 것은 불가능합니다.

. 추력 베어링 임무를 줄이기 위해 스풀 축 방향 하중의 일부를 줄이기 위해 추력 밸런스 피스톤이 필요할 수 있습니다. 해당 부품은 회전하는 디스크의 각 측면에서 서로 다른 정압의 두 공기 시스템 유동으로 구성됩니다. 때때로 이를 달성하기 위해 추가 또는 증가된 공기 시스템 유동이 필요합니다.

. 엔진 보조 냉각은 항공기 엔진에 필요할 수 있으며, 엔진 케이싱의 액세서리 위치 위로 흐르고 일반적으로 선외로 흐릅니다. 산업, 선박 및 자동차 엔진의 경우 보조 장치는 일반적으로 엔클로저를 통해 공기를 끌어들이는 팬에 의해 냉각되므로 엔진 공기 시스템 흐름 경로가 필요하지 않습니다.

. 블리드 처리: 5.2절에 설명된 대로 부분 전력에서 압축기 서지 마진을 관리하는 데 필요할 수 있습니다.

. 냉각 플랜트 시스템 또는 항공기 객실 여압과 같은 기능을 위해 고객 블리드 추출이 필요할 수 있습니다. 이는 뒷장에서 설명한 바와 같이 설치 손실로 처리되므로 엔진 제거 성능에 포함되지 않습니다.

 

5.15.2 일반 공기 시스템 유량의 크기

공기 시스템이 전체 엔진 성능에 미치는 영향은 매우 강력하므로 정확하게 설명해야 합니다. 연소기 이전에 추출된 엔진 입구 질유량의 총비율은 간단한 RPV 엔진의 경우 2%로 낮을 수 있지만 첨단 항공기 또는 산업용 엔진의 경우 최대 25%입니다.

 

5.15.1절에 주어진 소스 및 싱크 압력에 대한 규칙을 사용하여 첫 번째 패스 엔진 성능 설계 점에서 추출을 위한 스테이션의 추정치를 만들 수 있습니다. 공기 시스템 유량의 일반적인 크기는 아래에 요약되어 있으며 각각은 엔진 입구 유량의 백분율로 표시됩니다.

 

. 터빈 디스크 냉각 및 림 밀폐: HP 터빈의 경우, 디스크 면당 약 0.5%가 필요합니다. LP 또는 동력 터빈의 경우, 디스크 밀봉 요구 사항이 0.25%로 감소하지만, 낮은 기술의 림 밀폐가 적용되는 경우, 뜨거운 가스의 유입을 방지하기 위해 다시 0.5%를 사용해야 합니다. 방사 속도가 느린 가스 경로로 반환되는 경우, 터빈 공기 역학적 효율에 미치는 영향은 무시할 수 있습니다.

. 베어링 챔버 밀폐: 챔버당 약 0.02kg/s가 필요합니다.

. 고압 공기 시스템 유동 경로에서 저압으로의 누출: 복잡한 공기 시스템에서 최대 2%가 인접한 유동 경로 사이에서 누출될 수 있습니다.

. 추력 균형 피스톤: 추가 또는 증가된 공기 시스템 유동이 필요한 것처럼 여기에서 일반화하는 것은 불가능하며 이는 엔진 설계에 매우 구체적입니다.

. 엔진 보조 냉각: 항공 엔진에 필요한 유량의 양은 엔진 및 설치 구성에 따라 크게 다릅니다.

. 블리드 처리: 일반적으로 블리드 밸브당 약 5%가 있습니다. 최대 약 4개의 블리드 밸브가 각 압축기의 다운스트림에 배열될 수 있습니다.

. 고객 요청에 따른 블리드 추출: 산업용 엔진의 경우, 일반적으로 1% 미만입니다. 항공기 엔진의 경우, 승객당 약 0.01kg/s가 필요합니다. 유량이 너무 커서 저고도와 고고도에 대해 두 개의 소스 포인트를 갖는 복잡성을 보증하는 경우가 많습니다. 선박 엔진의 경우, 흡입 유량의 최대 10%가 필요합니다.

 

5.15.3 터빈 및 NGV 블레이드 냉각 유량의 크기

1장에서는 터빈 NGV 또는 블레이드 냉각의 복잡성을 보장하는 엔진 응용 분야에 대한 몇 가지 지침을 제공합니다. 냉각 기술의 도입은 비용에 상당한 영향을 미칩니다.

 

더욱이, 냉각 기술에 의해 달성된 SOT 증가의 약 첫 번째 50도의 이점은 터빈을 우회하고 일을 수행하지 않는 증가된 유량으로 인해 손실되고 이는 터빈 효율로 반환될 때 손실의 요인이 됩니다. 전자의 크기는 엔진 설계점 성능 계산 결과이며 후자의 일반적인 크기는 5.9절에 나와 있습니다. 따라서 터빈 냉각이 가치가 있으려면 SOT의 상당한 증가와 함께 달성되어야 합니다.

 

차트 5.16은 예비 엔진 설계점 성능 계산을 위한 1차 추정치로 적합한 일반적인 NGV 및 블레이드 냉각 공기 유량 대비 SOT를 나타냅니다. 주어진 NGV 및 블레이드 세트에 필요한 냉각 공기의 양을 정확하게 평가하는 것은 다음과 같은 다양한 매개변수에 따라 달라지므로 복잡합니다.:

 

. 요구 수명

. 기술 수준: 재료 및 냉각 모두

. NGV용 연소기 OTDF 및 블레이드용 RDTF(5.9절 참조)

. 냉각 공기 온도

. 부식성 환경: 연료 유형 및 대기 중 염분 존재

. 반응: 낮은 반응은 주어진 SOT에 대한 블레이드 금속 온도를 감소시킵니다.

. 크리프를 유발하는 회전 속도로 인한 원심 응력 – 블레이드만 해당

. 블레이드 구성: 슈라우드와 비슈라우드

 

 

 

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