5.21 후기연소기(Afterburner) - 설계점 성능 및 기본 크기

 

2024.10.02 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.20 혼합기(Mixer) – 탈설계 성능

5.20 혼합기(Mixer) – 탈설계 성능

 

목차

 

5.21 후기연소기(Afterburner) - 설계점 성능 및 기본 크기

후기연소(afterburning)는 때때로 재열이라고도 하며, 초음속 항공기 엔진의 추력을 증강하는 메커니즘입니다. 마지막 터빈과 추진 노즐 사이에 부가적인 연소기가 도입됩니다. 노즐 온도가 극적으로 증가하면 노즐 기체 속도가 증가하고 따라서 추력이 증가합니다. 추진 효율이 감소하기 때문에 SFC가 상당히 저하됩니다.

 

 

엔진은 작동 범위의 특정 핵심 지점(Key point)에서 Wet, 즉 후기연소기를 켜서만 사용됩니다. 예를 들어, 마하 수가 높은 군용 전투기 엔진은 이륙과 초음속 비행 속도에서 후기연소기를 사용합니다. 초음속 민간 수송 항공기 콩코드의 엔진은 이륙 시와 음속 장벽을 통과할 때만 Wet으로 작동합니다. 다른 모든 조건에서 두 항공기 유형의 엔진은 후기연소기를 끄고 Dry로 작동합니다.

또한 효율과 기본 크기에 대해 여기에서 제시된 지침은 램젯 연소기에도 적용할 수 있습니다. 이는 램젯 연소기가 후기연소기와 유사한 입구 조건과 직경 제약에 맞닥뜨리기 때문입니다.

 

5.21.1 구성

그림 5.40은 터보젯의 가장 일반적인 후기연소기 구성을 보여줍니다. 마지막 터빈단을 떠나는 기체는 만족스러운 연소를 위한 충분히 낮은 속도를 제공하기 위해서 확산되어야 합니다. 방사형 에어포일 스트럿은 화염을 유지하기 위한 난류 혼합 체제를 제공하는 원주형 V 거터(Gutter)를 지지하며, 이는 앞서 기존 연소기에 대해 설명한 것과 같이 이중 토로이드(torroid)가 있는 1차 구역과 유사합니다. 연료는 스트럿 내부에 있는 매니폴드를 통해 V 거터 뒤로 분사됩니다. 만족스러운 후기연소기 부하를 달성하려면 비교적 낮은 압력으로 인해 부피가 주 엔진 연소기보다 훨씬 커져야 합니다. 따라서 직경은 일반적으로 주 엔진의 직경과 같고 기존 연소기에 비해 깁니다. 높은 화염 온도로 인해 냉각기술이 적용된 후기연소기 라이너를 적용해야 합니다.

 

 

 

 

터보팬에 후기연소기를 적용하는 경우, 앞서 설명된 대로 상류 혼합기(Upstream mixer)를 사용하면 뜨거운 흐름과 차가운 흐름을 결합하는 데 매우 유용합니다. 취급 목적에 대해 후기연소기의 하류 추진 노즐은 면적이 가변적이어야 합니다. 또한 5.13절에 설명된 대로 마하가 1보다 훨씬 큰 항공기의 경우, 일반적으로 수축-확산(con-di)형태입니다.

 

 

 

2023.07.13 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.13 덕트 – 설계

5.13 덕트 – 설계

 

 

 

5.21.2 기존 후기연소기 설계 및 비차원 성능 확장

기존 연소기 설계의 선형적 확장에 관한 앞선 모든 설명은 후기연소기에도 동일하게 적용됩니다.

 

5.21.3 효율

 

후기연소기 효율은 관련 공식에 따른 화학적 연소 효율과 추력 생성 능력에 대한 출구 온도 프로파일의 영향을 모두 반영합니다. 화학적 효율은 주 연소기에 비해 압력이 낮고 사용 가능한 부피를 제한하는 기하학적인 제약요소로 인해서 일반적으로 부하가 높기 때문에 낮아지게 됩니다. 온도 프로파일은 동일한 구동 압력비에서 더 높은 속도에 이르는 지나치게 뜨거운 유동흐름에서 에너지가 낭비되기 때문에 추력을 감소시키게 됩니다. 후기연소기 효율은 일반적으로 높은 고도 및 초음속 비행 마하수 설계점에서 약 90%입니다. 엄밀히 말하면 차트 5.22는 기존 연소기 구성에만 적용되지만, 약 7% 포인트를 공제하고 후기연소기 효율의 1차 추정치에 사용할 수 있습니다.

 

 

 

 

연소기의 경우, 개발 프로그램에서 엔진 시험 전에 후기연소기에 대한 리그 테스트를 수행하는 것이 필수적입니다. 해당 시점에서만 후기연소기의 효율 특성을 정확하게 결정할 수 있습니다.

 

 

 

5.21.4 온도 상승

 

추진 노즐 출구 전온도는 일반적으로 1850-2000K 정도이며, 이는 다음과 같은 제한 사항으로 인해 달성할 수 있는 최고 온도입니다:

. 해리: 연소 생성물의 구성이 반응물(예: CO2 →CO + O)로 되돌아가는 흡열 반응입니다. 해리는 연소 효율과 혼동해서는 안 되며 고온 및 저압에서 발생합니다.

 

. 후기연소기 벽면 냉각에는 터빈 공급 공기의 약 10%가 필요합니다. 이 공기는 일반적으로 연소 과정에 참여하지 않으며 후기연소기의 하류에서 혼합되어 평균 추진 노즐 온도를 낮춥니다.

. 후기연소기의 온도 상승은 주 연소기의 산소 사용으로 인한 공기의 오염(vitiation)으로 인해 제한될 수 있습니다. 이는 일반적으로 후기연소기 연료 유량이 많이 필요한 낮은 터빈 출구 온도의 경우에만 해당됩니다.

 . 재가열 버즈

예비 설계 작업(Preliminary design)의 경우, 관련 공식 및 차트 3.15를 사용하여 연료 공기 비의 함수로서 후기연소기 온도 상승을 평가할 수 있습니다.  관련 공식은 주 연소기에는 엄격하지만 해리가 1900K 이상에서 발생할 수 있으므로, 후기연소기에 대해서는 1차 정확도(First-order Accuracy)만 제공합니다. 해리가 존재하는 경우, 차트 3.15에 도입해야 하는 추가 변수는 압력입니다.  관련 문헌을 통해서 해리에 따른 엄격한 온도 상승 계산을 용이하게 적용할 수 있습니다.