5.21 후기연소기(Afterburner) - 설계점 성능 및 기본 크기(2)

 

 

2024.10.15 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.21 후기연소기(Afterburner) - 설계점 성능 및 기본 크기

5.21 후기연소기(Afterburner) - 설계점 성능 및 기본 크기

 

목차

 

5.21 후기연소기(Afterburner) - 설계점 성능 및 기본 크기(2)

 

5.21.5 압력 손실

 

애프터버너 '저온 손실(Cold loss)'는 터빈 출구 디퓨저와 스트럿, V 거터 등으로 인한 손실을 포함합니다. 디퓨저는 애프터버너에서 터빈 출구 마하 수를 약 0.25로 줄여야 합니다. 엔진 전면 영역을 최소화하기 위해 터빈 출구 마하 수는 일반적으로 5.9절에 제공된 지침의 상위에 있습니다. 결과적으로 설계점 총 압력 손실은 5~7% 사이가 됩니다.

 

 

2023.06.22 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.9 축류 터빈 – 설계점 성능 및 기본 크기 조정 가이드

5.9 축류 터빈 – 설계점 성능 및 기본 크기 조정 가이드

 

 

 

 

기존 연소기의 경우 5.7절에 설명된 대로 화염관의 연소부에는 애프터버너 '기본(fundamental)' 또는 '고온 손실(Hot loss)'도 있습니다. 더 큰 온도 상승으로 인해 이는 설계점에서 총 압력의 5~10% 사이가 됩니다.

 

 

2023.06.06 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.7 연소기 – 설계점 성능 및 기본 크기

5.7 연소기 – 설계점 성능 및 기본 크기

 

 

5.21.6 추력 증가 및 SFC 저하

 

위에서 언급했듯이 애프터버너의 목적은 추력을 증가시키는 것입니다. 차트 5.22는 일정한 비행 마하 수의 라인에 대한 Wet 대 Dry 순 추력의 비율과 Wet 대 Dry 추진 노즐 온도비를 보여줍니다. 이 수치는 터보젯과 터보팬 모두에서 사용 가능한 추력 증가에 대한 1차 추정치를 만드는 데 사용될 수 있습니다. 각 지점은 변경되지 않은 가스 발생기 운용점에 대한 것입니다. 따라서 Dry 엔진 추진 노즐 온도를 알게 되면 주어진 애프터버너 온도에 대한 추력 증가를 결정할 수 있습니다.

 

 

 

 

애프터버너의 추가 연료 유량과 압력 손실을 무시하면, 관련 공식은 Wet 대 Dry 총 추력의 비율이 Wet 대 Dry 추진 노즐 온도 비의 제곱근과 같음을 보여줍니다. 차트 5.22에서 순 추력과 총 추력이 같은 마하 수 0에 대한 선은 실제로 이 비율이지만 애프터버너 압력 손실과 연료 유량의 효과를 어느 정도 고려합니다. 압력 손실 효과는 연료 유량의 효과보다 더 크므로 추력 비는 실제로 온도 비의 제곱근으로 예측한 것보다 작습니다.

 

차트 5.22는 더 높은 비행 마하 수에서 주어진 제트 파이프 온도 비에 대한 순 추력 이득이 정적 조건보다 상당히 크다는 것을 보여줍니다. 이는 애프터버너가 온도 비의 제곱근만큼 총 추력을 증가시키지만 운동량 저항은 변하지 않기 때문입니다. 작동 시, Dry 순추력은 큰 값의 총추력과 운동량 저항 사이의 비교적 작은 차이이므로, 증가된 Wet 총추력이 더 큰 영향을 미칩니다.

 

 

일부 전형적인 가스 발생기 사이클도 차트 5.22에 나와 있으며, 모두 Wet 추진 노즐 온도가 1900K입니다. 터보젯의 최상의 순 추력 증가는 마하 수가 0일 때 28%, 2일 때 95%입니다. 이는 터빈 출구 온도가 낮은 1500K의 낮은 SOT 사이클에 대한 것입니다. 그러나 동일한 SOT 및 압력 비를 가진 1.5 바이패스 비의 혼합 터보팬은 마하 2에서 순 추력 증가가 330%입니다. 이는 더 낮은 터빈 출구 온도가 더 높은 온도 비를 허용하고, 순 추력이 총 추력에서 차지하는 비중이 훨씬 작기 때문입니다.

 

 

 

 

차트 5.23은 Wet 대 Dry SFC비 대 Wet 대 Dry 추진 노즐 온도 비를 보여줍니다. 다시 한번 Wet과 Dry 모두의 경우 가스 발생기 운용점은 변경되지 않습니다. 관련 공식은 1차적으로 증가된 연료 유량을 추정하는 방법을 보여주고, 또 다른 관련공식은 SFC 비를 보여줍니다. 다시 한번 Dry 엔진 성능이 사용 가능해지면 주어진 애프터버너 온도에 대한 SFC 변화를 평가할 수 있습니다. 이러한 공식은 SFC 비가 압축기 공급 온도 및 SOT와 같은 가스 발생기 사이클 매개변수에 크게 의존한다는 것을 보여줍니다. 차트 5.23은 SFC가 애프터버너 작동 시 항상 더 나쁘다는 것을 보여줍니다. 이는 저압에서 연료를 추가하고, 압력 손실이 발생하고, 연소 효율이 약 90%로 추력 이득보다 크기 때문입니다. 터보젯의 경우 마하 2, 온도 비 1.2에서는 SFC가 약 20% 정도 저하되지만, 바이패스 비율 1.5 터보팬의 경우 마하 2, 온도 비율 3에서는 최대 60%까지 저하됩니다.

 

 

5.21.7 기본 사이징 매개변수

 

애프터버너의 첫 번째 통과 치수(Pass scantling)을 설계하기 위한 지침은 아래와 같습니다.

 

축 방향 마하 수

거터 입구 마하 수는 만족스러운 연소 안정성과 점화 기능을 위해 0.2 ~ 0.3 사이로 설정해야 합니다. 이는 주 연소기보다 높지만 엔진 전면 영역 고려 사항으로 인해 더 낮추는 것은 일반적으로 실용적이지 않습니다. V 거터 하류의 재순환 영역의 국부 마하는 연소를 유지하기에 훨씬 낮습니다. 약 10%의 공기가 외벽을 냉각하는 데 사용되고 외측 환형 마하 수는 약 0.1로 유지해야 합니다. 결과로 도출된 직경이 기체 제조업체 또는 다른 엔진 구성 요소에서 설정한 직경보다 큰 경우 더 높은 마하 수가 불가피할 수 있습니다. 이는 성능에 부정적인 영향을 미칩니다.

 

하중부하(Loading)

이상적으로는 약 90%의 효율성을 달성하기 위해 100kg/ satm m^3 미만이어야 합니다.

 

길이

길이는 필요한 축 방향 마하 수에 대해 도출된 면적과 함께 필요한 하중을 제공하도록 설정해야 합니다. 실제 설계에서 기체 제한은 일반적으로 직경의 2.5배 미만으로 제한합니다.