5.19 혼합기(Mixer) - 설계점 성능 및 기본 사이징

 

 

 

5.19 혼합기(Mixer) - 설계점 성능 및 기본 사이징

 

터보팬의 경우, 공통 추진 노즐을 통해 배기되기 전에 뜨거운 기류와 차가운 기류를 결합하기 위해 믹서를 사용할 수 있습니다. 분리형 제트 터보팬과 달리 혼합형 터보팬은 여러 가지 이유로 고려됩니다.

 

. 애프터버너를 사용하는 경우 애프터버너의 상류에 차가운 기류와 뜨거운 기류를 혼합하면 애프터버너 추력이 훨씬 더 높아집니다.

. 사이클이 혼합기용으로 특별히 설계된 경우, 순항 시 소량의 비추력 및 SFC 개선이 이루어질 수 있습니다.

. 특정 추력 및 SFC에 대한 최적의 팬 압력비는 개별 제트 구성보다 훨씬 낮습니다. 따라서 팬과 팬 터빈 모두의 무게와 비용이 줄어듭니다.

. Bypass Duct Blanking Style Thrust Reverser(높은 바이패스 비 터보팬의 일반적인 설계)를 배치하면 역추력이 증가합니다. 이는 혼합기 챔버의 큰 덤프 압력 손실로 인해 코어 스트림에서 여전히 생성되는 순방향 추력이 감소하기 때문입니다.

. 열 추적 미사일을 피하는 것이 중요한 군용 항공기의 경우, 공통 추진 노즐 평면의 낮은 온도로 인해 적외선 신호가 감소합니다.

. 제트 소음은 제트 속도의 8승에 정비례합니다. 혼합기를 사용하면 제트 속도는 별도의 제트 엔진의 코어 스트림보다 훨씬 낮기 때문입니다.

 

 

5.19.1 구성

 

혼합기 채택 여부를 결정할 때는 추가 비용 및 무게의 단점과 이러한 고려 사항을 균형 있게 고려해야 합니다.또한 Bypass Duct Style의 Thrust Reverser를 사용하는 경우, 선외 누출을 최소화하기 위해 복잡한 씰링 배열이 필요합니다. 카울 항력에 미치는 영향은 설치 설계에 따라 크게 달라집니다.

 

위의 결과로 애프터버너를 사용하는 모든 터보팬은 혼합형입니다. 이는 스텔스를 고려한 사항으로 인해 아음속 RPV 터보팬의 경우에도 일반적으로 마찬가지입니다.최근 몇 년 전까지만 해도 아음속 민간 운송용 항공기용 중대형 바이패스 터보팬은 분리형 제트기를 사용했습니다. 그러나 추력 및 SFC 이득으로 이어지는 바이패스 비가 계속 증가하고 저소음에 대한 중요성이 증가함에 따라 많은 최신 엔진의 경우에는 혼합형으로 사용되고 있습니다.

 

 

그림 5.39 는 길이 요구 사항이 증가하는 순서대로 세 가지 믹서 유형의 구성을 보여줍니다:

. Injection mixer

. Lobed annular mixer

. Plain annular mixer

 

Injection mixer 의 높은 압력 손실로 인해 Lobed annular mixer 또는 Plain annular mixer 구성이 가장 일반적입니다. 고온 및 저온 믹서 슈트와 믹싱 챔버로 구성됩니다. 혼합이 시작되는 슈트 끝에 원형 벽이 아닌 로브를 사용하면 둘레가 최대 3배까지 증가합니다. 이렇게 하면 필요한 믹싱 챔버 길이를 크게 줄일 수 있습니다.

 

5.19.2 기존 혼합기 설계 확장

 

우선, 기존 혼합기를 선형적으로 스케일링하는 경우 동일한 고온 대 저온 총 온도 및 압력 비가 유지되는 한 성능은 변경되지 않습니다. 각 유동에 대한 기준 입구 질유량은 선형 스케일 계수의 제곱 비율만큼 증가합니다.

 

 

5.19.3 총 추력, 순 추력 및 SFC 개선

 

분리형 제트 터보팬과 혼합형 터보팬의 이론적 추력 및 SFC 이득의 도출은 관련 문헌에 설명되어 있습니다. 구현이 복잡하므로 초기 개념 설계 연구에서는 설계점에서 혼합기 성능을 평가하는 간단한 방법을 제시합니다. 엔진 설계점 성능을 개별 제트에 대해 분석한 다음 이론적 총 추력 이득과 실제 효과를 설명하는 요소를 평가합니다. 따라서 혼합 엔진의 총 추력을 추정할 수 있습니다. 마지막으로 혼합 사이클에 필요한 팬 압력 비는 추후에 관련 차트에서 도출됩니다.

 

차트 5.17은 혼합 엔진의 이론적 총 추력 이득과 바이패스 비 및 고온-저온 스트림 총 온도 비를 보여줍니다. 다음 설명의 내용도 적용됩니다: . 혼합 및 분리 제트 엔진의 총 추력은 각각의 최적 팬 압력비에서 각 구성에 대한 것입니다. 5.19.4절에 설명된 대로 혼합 터보팬의 최적 팬 압력비는 동일한 코어를 사용하는 분리형 제트의 최적 팬 압력 비보다 훨씬 낮습니다.

 

. 다운스트림 추진 노즐 팽창비는 2.5:1보다 크므로 제트 속도가 충분히 빨라 혼합기가 상당한 이점을 제공합니다.

. 슈트 또는 혼합 챔버에서 압력 손실이 발생하지 않습니다.

. 혼합기는 최적의 길이 대 직경 비로 설계되어 혼합기 출구에서 온도 확산이 발생하지 않습니다.

. 혼합 엔진은 믹서 슈트 출구 평면에서 고온 및 저온 스트림의 총 압력이 동일합니다.

 

추진 노즐 팽창비는 일반적으로 순항 시 대부분의 터보팬에서 2.5보다 크므로 해당 차트가 적용됩니다. 2보다 훨씬 낮은 팽창비에서는 총 추력 이득이 미미해집니다.

 

차트 5.18은 혼합 챔버 길이 대 직경비에 따른 이론적 총 추력 이득이 어느 정도에 도달하는지 보여줍니다. 이 수치는 혼합 챔버 압력 손실, 믹서 슈트 압력 손실 및 믹서 출구에서의 온도 확산 정도를 설명합니다. 차트 5.19는 고온 및 저온 스트림 총 압력이 같지 않은 경우 차트 5.17의 결과인 총 추력 이득에 적용해야 하는 추가 차감을 보여줍니다.

 

 

 

 

위의 그림에서 전 온도 비가 3이고 전 압력이 같으며 길이 대 직경비가 2인 5:1 바이패스 비 터보팬과 길이 대 직경 비가 2인 lobed mixer의 경우 0.8 마하수의 순항에서 실제 총 추력의 이득은 약 2%라는 것을 알 수 있습니다. 처음에는 이것이 그다지 유의미한 이득처럼 보이지 않을 수 있지만, 모멘텀 항력은 변하지 않기 때문에 순 추력의 이득은 약 4%가 됩니다. 마하수 2에서 작동하는 낮은 바이패스 비의 터보팬의 경우, 총 추력이 1% 증가할 때마다 순 추력의 증가는 약 3%가 됩니다. 순추력의 개선은 동일한 코어에 대해 연소되는 연료가 변하지 않기 때문에(바이패스 비, 전체 압력비 및 SOT가 일정하게 유지되기 때문에) 순추력에 따른 것입니다.

차트 5.17, 5.18 및 5.19는 6장에 제시된 별도의 제트 사이클 다이어그램과 함께 사용하여 믹서가 주어진 SOT, 전체 압력비 및 바이패스 비에 대한 SFC 및 특정 추력에 미치는 영향을 예측할 수 있습니다. 그러나 도출된 값은 해당 개별 제트 엔진의 팬 압력 비율과 다른 혼합 터보팬에 적용된다는 점을 기억해야 합니다.

 

 

5.19.4 혼합 터보팬을 위한 최적의 팬 압력비

 

위에서 살펴본 바와 같이 엔진 사이클은 믹서 슈트 출구면에서 이상적으로 동일한 전 압력이 달성되도록 처음부터 믹서용으로 설계되어야 합니다. 6장에서는 SOT, 전체 압력비 및 바이패스비의 각 조합에 대한 최적의 팬 압력비를 보여주는 개별 제트 터보팬에 대한 설계점 다이어그램을 제시합니다. 차트 5.20 및 5.21은 선택한 SOT 및 바이패스 비에 대해 혼합기가 전체 압력비 대비 최적 팬 압력비에 미치는 영향을 보여줍니다. 다른 SOT 및 바이패스 비의 값은 보간을 통해 찾을 수 있습니다. 혼합 터보팬에 대해 제시된 팬 압력비 수준은 핫 및 콜드 믹서 슈트 출구 평면의 전 압력이 동일하도록 보장합니다.

 

 

 

 

차트 5.20 및 5.21에서 모든 비행 마하 수와 다른 사이클 매개변수의 조합에서 혼합 엔진의 경우 최적의 팬 압력비가 상당히 낮다는 것을 알 수 있습니다. 이 감소의 크기는 바이패스 비가 감소함에 따라 증가합니다.

5.19.5 기본 사이징 파라미터 가이드

 

초기 개념 설계의 경우, 다음 지침을 사용하여 믹서 형상을 스케치할 수 있습니다.

 

- 슈트 출구 마하수 및 정압

슈트는 0.35~0.55의 출구 마하수에 맞게 설계해야 합니다. 총 추력 이득은 마하수 수준과 그 비율에 영향을 받지 않습니다. 믹서 슈트의 출구 평면의 정압은 뜨거운 기류와 차가운 기류에 대해 동일해야 합니다. 여기에는 Q 곡선이 적용되므로 주어진 유동 조건에 대한 면적을 찾을 수 있습니다.

- 혼합 챔버 직경

평균 출구 마하 수는 0.35에서 0.5 사이여야 만족스러운 혼합 및 압력 손실을 허용합니다. 면적과 그에 따른 직경은 Q 곡선과 알려진 유량 조건을 사용하여 구할 수 있습니다.

- 혼합 챔버 길이

 

혼합 챔버 길이는 차트 5.18을 통해 이론적 추력 이득의 적절한 비율을 달성하도록 설정해야 합니다. 실제로 많은 설치에 있어서, 엔진 길이 제한으로 인해 길이 대 직경 비에 약 1.25의 상한이 적용될 수 있습니다. 엔진이 동체에 장착되는 경우와 같이 소수의 경우에만 이보다 높은 비가 허용됩니다.