5.2 축류 압축기 – 오프 설계 성능

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

 

5.2 축류 압축기 – 오프 설계 성능

 

5.2.1 압축기 맵

압축기 형상이 설계점에서 고정되면 압축기 맵이 생성되어 모든 오프 설계 조건에서 성능을 정의할 수 있습니다. 때로는 특성 또는 시크라고도 하는 지도의 형태가 그림 5.4에 나와 있습니다. 압력비와 등엔트로피 효율은 참조된 속도가 일정한 일련의 라인에 대해 참조된 유동에 대해 도시됩니다. 서지 라인은 5.2.6절에서 나중에 설명합니다. 각 속도 라인에는 압력비가 아무리 낮아져도 초과할 수 없는 최대 유량이 있습니다. 이러한 운용 방식을 초크(초킹, choked)라고 합니다. 설계 참조 속도에서 3개의 작동점에서의 속도 삼각형은 5.1절에 설명되어 있습니다.

레이놀즈수 효과와 같은 2차 현상을 무시하고 입구 유동각이 고정되고 회전/3차 실속 또는 입구 왜곡이 없는 경우 다음의 사항들이 적용될 수 있습니다.

 

. 고정된 압축기 형상의 경우 맵이 고유합니다.

. 압축기 맵의 작동점은 주로 압축기 자체가 아니라 주변 구성 요소에 의해 결정됩니다.

. 지도의 각 작동점에는 고유한 속도 삼각형이 있습니다(속도는 마하수로 표시됨).

. 압력비, CP.dT/T 및 효율의 세 가지 매개변수 중 두 가지를 맵의 세로 좌표로 사용할 수 있습니다. 실제로 참조된 그룹 또는 완전 무차원 그룹이 유동, 압력비 및 온도 상승을 정의하는 경우, 어떠한 조합으로 구성되어도 적합합니다.

주어진 압축기 형상에 대한 맵을 생성하는 공기역학적 설계 방법은 복잡하고 대규모 컴퓨터 코드를 사용합니다.

 

5.2.2 기존 압축기 설계의 선형 확장이 맵에 미치는 영향

5.1.2절에서는 압축기를 선형적으로 스케일링하는 설계점 성능에 미치는 영향에 관해 설명합니다. 그림 5.4에 따라 참조된 매개변수로 표시된 전체 맵은 유사한 방식으로 축척될 수 있습니다. 그림 5.5는 4장에 설명된 스케일링 매개변수 측면에서 도시된 압축기 맵을 보여줍니다. 우선 이 맵은 압축기 설계의 모든 선형 스케일에 대해 고유합니다.

 

 

5.2.3 레이놀즈수 및 T1 효과

레이놀즈수가 임계값 아래로 떨어지면 점성 유동 효과는 2차 효과로써의 영향을 갖게 되면서 속도에 있어서 유동, 압력비 및 효율을 낮춥니다. 낮은 값은 주변 조건으로 인해 또는 압축기를 더 작은 크기로 선형적으로 스케일링함으로써 발생할 수 있습니다. 실제로 레이놀즈수는 그림 5.6에 표시된 것처럼 맵의 네 번째 차원입니다.

입구 온도가 변하면 열팽창과 기체 특성의 변화로 인해 압축기 구조와 그 맵이 수정될 수 있습니다. 디스크/블레이드 사이의 차동 방사형 성장으로 인해 팁 간극이 변경될 수 있습니다. 일반적으로 T1 효과는 작고 일반적으로 무시됩니다. 한 가지 중요한 예외는 HP 압축기 리그와 엔진의 차이점으로, 더 높은 입구 온도(리그 주변 온도보다)로 인해 더 빠른 엔진 속도가 응력 관련된 성장을 변화시킬 수 있습니다.

 

5.2.4 작동 유체의 변화

습도가 있는 경우와 같이 작동 유체가 단순히 건공기가 아닌 경우, 4장에 설명된 전체 무차원 매개변수를 불러와야 합니다. 맵이 5.2.1절에 언급된 참조 매개변수 맵과 동일한 내용으로 그림 5.7에 따라 무차원 매개변수로 도시되면 모든 선형 스케일 및 작동 유체에 대해서 고유한 값을 갖게 됩니다. 실제로 건공기에 기초한 지도는 일반적으로 그림 5.7과 같이 고려되는 기체 특성의 변화와 함께 사용됩니다.

 

5.2.5 엔진 오프 설계 성능 모델에 대한 부하 압축기 맵 - 베타 라인

압축기 맵을 엔진 오프 설계 성능으로 불러오는 것을 용이하게 하기 위해서 컴퓨터 모델인 베타 라인이 사용됩니다. 이 선은 지도에서 서지선과 거의 등간격으로 평행하게 그려진 임의의 선입니다. 해당 맵은 그림 5.8과 같이 표로도 만들 수 있습니다. 베타는 단순히 배열 주소 역할을 하며 압력비 대 유량의 도시를 위해 일정한 속도 라인의 수평 및 수직 부분 문제를 회피합니다.

이와 같은 과정을 통하여 엔진 정지 설계 성능 프로그램에서 해당 표를 사용하여 주어진 참조 속도 및 베타 수준에서 참조 유량, 압력비 및 효율의 일관된 값을 얻을 수 있습니다. 전체 엔진 오프 설계 성능 계산 프로세스에서 베타 라인의 사용은 이후에 설명될 예정입니다. 엔진 시동 모델에 대한 맵은 대체 변수를 활용하여 모델 수렴을 지원합니다.

 

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