5.17 기계적 손실 - 설계 점 성능 및 기본 사이징

2024.01.07 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.15.4 설계점 계산에서 공기 시스템 유량/5.16 공기 시스템 - 탈 설계 성능

5.15.4 설계점 계산에서 공기 시스템 유량/5.16 공기 시스템 - 탈 설계 성능

 

5.17 기계적 손실 - 설계 점 성능 및 기본 사이징

 

램제트를 제외한 모든 엔진 구성에는 엔진 샤프트에서 동력 손실을 유발하는 여러 구성 요소와 메커니즘이 있습니다. 총 동력 손실은 스풀을 따라 전달되는 출력의 최대 5%에 달할 수 있으므로 이를 성능 계산에 포함시키는 것이 중요합니다. 또한 엔진 보조 장치를 구동하기 위해 추출된 동력도 고려해야 합니다.

 

5.17.1 베어링 - 구성, 출력 손실 및 기본 크기 조정 지침

 

저널 베어링은 샤프트를 반경 방향으로 지지하며, 스러스트 베어링의 특수한 경우, 스풀의 순축 방향 스러스트 하중에 반응합니다. 베어링 레이스의 마찰로 인해 출력이 손실되며 이는 오일의 열로 나타납니다. 볼 베어링과 롤러 베어링은 내부와 외부 레이스에 볼 또는 롤러가 있고 그 사이에 자유롭게 회전할 수 있는 베어링을 사용합니다. 전자는 반경 방향 및 축 방향 하중에 모두 반응하는 반면, 후자는 반경 방향으로만 반응합니다. 유체동압 베어링은 내부와 외부 레이스 사이에 볼이나 롤러를 사용하지 않습니다. 어떤 베어링 시스템을 사용할지 선택하는 것은 일반적으로 성능보다는 기계적 설계 사항에 의해 결정됩니다. 볼 베어링과 롤러 베어링은 다음과 같은 장점이 있습니다.

 

. 필요한 오일 유량은 유체동압 베어링의 5~10%입니다.

. 유체동압 베어링은 더 큰 샤프트 오정렬을 견딜 수 있습니다.

. 동력 손실은 유체동압 베어링의 약 10%입니다.

 

반대로 유체동압 베어링은 다음과 같은 장점이 있습니다.

. 일반적으로 주어진 하중에 대해 더 긴 수명을 가집니다.

. 베어링 레이스에 제트를 분사할 필요가 없으므로 오일 공급 시스템이 더 간단합니다.

. 단일 스러스트 베어링은 훨씬 더 높은 하중을 견딜 수 있으며, 단일 볼 베어링이 견딜 수 있는 최고 스러스트 하중은 약 125kN입니다.

 

위의 내용으로 인해 볼 베어링과 롤러 베어링이 가스터빈 엔진에 가장 일반적으로 사용됩니다. 그러나 대형 산업용 엔진은 일반적으로 수명을 고려하게 되고, 매우 높은 추력 하중의 균형을 맞추기 위해 유체동압 베어링을 사용합니다.

 

베어링은 합성유 또는 광유로 윤활할 수 있습니다. 합성유는 대부분의 용도에 사용되며, 자동 점화 온도가 높기 때문에 고온 영역에서만 사용됩니다. 때때로 광유는 저렴한 비용으로 인해 산업 응용 분야의 구동 장비 및 발전 터빈에 사용됩니다. 유체동압 베어링을 사용하는 경우 특히 활용도가 높습니다.

 

관련 공식을 사용하면 설계점에서 동력 손실을 계산할 수 있습니다. 이 손실은 엔진 설계점 성능 모델에 적용되기 전에 아래에 설명된 디스크 윈디지와 결합하여 기계적 효율을 산출할 수 있습니다.

 

1차 정확도를 위해 허용 수명에 대한 최대 베어링 레이스 피치 선 직경은 DN 번호를 2.5E06mm rpm 미만으로 유지하여 추정할 수 있으며, DN 번호는 관련 공식에 정의된 대로 회전 속도와 베어링 레이스 직경의 곱입니다. 베어링 선택의 또 다른 핵심 요소는 축 휘돌림을 방지하기 위해 임계 속도를 허용할 수 있어야 한다는 것입니다. 소형 엔진의 경우, 이는 엔진 레이아웃과 성능 주기 설계에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 샤프트 강성을 위해 큰 베어링 직경이 필요한 경우, 베어링 수명을 위해 허용 가능한 DN 값을 유지하기 위해 더 낮은 회전 속도를 선택해야 합니다. 따라서 이는 지정된 엔진 외경 내에서 달성 가능한 압력비에 영향을 미칠 수 있습니다.

 

5.17.2 윈디지 - 메커니즘 및 동력 손실

 

회전하는 압축기 또는 터빈 디스크와 정적 구조 부재 사이의 공기 마찰 일인 윈디지로 인해 샤프트 동력도 손실됩니다. 이는 챔버에 순류(nett flow)가 있는지 여부에 관계없이 적용됩니다.

관련 공식을 사용하면 디스크 윈디지를 계산할 수 있습니다. 이를 기계적 효율 용어의 일부로 계산하기 전에 터빈 또는 압축기 효율에 이미 포함되지 않았는지 확인해야 합니다. 후자가 장비 테스트에서 나온 것이라면 이미 포함되어 있을 가능성이 높지만, 구성 요소 효율이 컴퓨터 예측에서 나온 것이라면 일반적으로 그 반대의 경우입니다.

 

5.17.3 기계적 효율

 

관련 공식에 정의된 기계적 효율은 개별적으로 계산된 베어링 손실과 윈디지 손실을 하나의 항으로 결합한 것입니다. 그런 다음 관련 공식에 따라 샤프트의 동력 균형에 적용될 수 있습니다. 마찬가지로 기생 손실은 기계적 효율을 계산하는 중간 단계 없이 터빈 출력 동력에서 제외할 수 있습니다.

 

프로젝트의 초기 단계에서는 5.17.1절 및 5.17.2절에 관련된 공식에서 기계적 효율을 도출하는 대신 이전 경험으로부터 기계적 효율을 추정할 수도 있습니다.

 

5.17.2. 볼 베어링과 롤러 베어링을 사용하는 경우 엔진 크기 증가에 따라 기계적 효율은 99~99.9%에 달할 수 있습니다. 또는 일부 유체동압 베어링을 사용하는 경우, 소형 산업용 및 자동차 엔진의 경우에는 기계적 효율이 96%까지 낮아질 수 있습니다.

 

5.17.4 엔진 보조 장치 - 동력 추출 및 기본 크기 조정 지침

 

기계적 효율이라는 용어를 통해 설명되는 손실 외에도 오일 및 연료 펌프와 같은 '엔진 보조 장치'를 구동하기 위해 동력도 추출됩니다. 이 동력은 항상 HP 스풀에서 추출되며, 설치된 손실의 일부인 '고객 동력 추출(Customer power extraction)'과는 상당히 다릅니다. 엔진 보조 장치를 기계적 효율과 별도로 고려하는 것이 좋은 관행이며 오류 발생 가능성도 적습니다. 일반적으로 설계 시점에 소형 엔진의 경우, 샤프트 출력의 0.5%, 대형 엔진의 경우 0.1% 미만이 필요합니다. 그러나 천연가스 연료를 사용하는 경우, 저압 메인에서 연료 분사 시스템에서 요구하는 압력까지 펌핑해야 하는 경우, 이 값은 더 높아질 수 있습니다. 천연가스 펌핑 전력 요구량은 관련 데이터를 사용하여 계산할 수 있습니다.

엔진 보조장치의 총 부피는 대형 엔진의 경우 5% 미만이지만 소형 RPV 엔진의 경우 최대 20%입니다.

 

5.17.5 기어박스

 

엔진 보조장치는 일반적으로 기어박스를 통해 구동됩니다. 여기서 발생하는 손실은 위에 제시된 엔진 보조장치 요구사항에 포함됩니다. 그러나 샤프트 동력 엔진은 감속 기어박스를 통해 부하를 구동할 수도 있습니다. 이를 통해 발전기, 프로펠러 또는 천연가스 파이프라인 압축기에 필요한 회전 속도와 관계없이 파워 터빈 효율을 위한 최적의 회전 속도를 선택할 수 있습니다. 출력 기어박스의 비용, 무게 및 부피는 바람직하지 않으므로 엔진 컨셉 설계 단계에서는 이를 피하기 위해 모든 노력을 기울입니다.

기어박스를 사용할 수 있는 최대 실제 출력은 약 80MW입니다.

일반적으로 설계점 기어박스 효율은 97.5~99% 사이입니다.

 

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