5.22 후기연소기(Afterburner) – 탈설계 성능

 

 

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

 

 

2024.10.27 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.21 후기연소기(Afterburner) - 설계점 성능 및 기본 크기(2)

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

 

 

 

5.22 후기연소기(Afterburner) – 탈설계 성능

 

5.22.1 운용

 

그림 5.41은 일반적인 군용 전투기 작전에 대한 엔진 순 추력과 항공기 항력 대 비행 마하 수를 보여줍니다. 애프터버너는 이륙에 작동하지만, 좋은 SFC를 유지하기 위해 전투를 제외하고는 아음속 비행에 사용되거나 실제로 필요하지 않습니다. 그러나 0.9의 비행 마하 수는 항공기 항력이 엔진 최대 Dry 추력을 초과하기 때문에 달성 가능한 가장 높은 Dry 마하 수입니다. 따라서 해당 마하 수에서 애프터버너가 점화되고 추가 추력으로 인해 항공기가 음속 장벽을 빠르게 통과할 수 있습니다. 최대 비행 마하 수는 이제 2.2이며, 여기서 항공기 항력이 다시 엔진 추력을 초과합니다.

 

 

 

 

애프터버너는 보통 최대 Wet 및 최소 Wet 정격을 갖습니다. 이러한 정격은 애프터버닝의 정도와 관련이 있으며 가스 발생기는 모두 다른 정격일 수 있습니다. 다음 설명은 극단적인 조합에 적용됩니다.

 

최소 가스 발생기

 

. 최소 Wet: 최소 Wet 조건은 접근 시 사용되며, 비상 시 조종사가 스로틀을 세게 밟아야 돌아갈 수 있습니다. 이것은 가스 발생기를 풀 스로틀로 사용할 때 최대 Wet 정격의 약 25%를 제공합니다.

 

. 최대 Wet: 해당 조건은 일반적으로 사용되지 않습니다.

 

최대 가스 발생기

 

. 최소 Wet: 해당 조건은 전투 상황이나 저초음속 마하 수 비행에 사용됩니다. 해당 조건은 최대 Wet 정격의 약 90%를 제공합니다.

 

. 최대 Wet: 최대 Wet 조건은 이륙과 달성 가능한 가장 높은 비행 마하 수에서 사용됩니다.

 

 

 

5.22.2 가변 면적 추진 노즐

 

압축기 서지 문제를 피하려면 애프터버너 하류에 가변 면적 추진 노즐을 두는 것이 필수적입니다. 애프터버너에 불이 붙으면 추진 노즐 온도가 극적으로 증가하여 가스 발생기를 밀어내는 압축기가 서지에 다시 대응하기 때문입니다. 동일한 가스 발생기 작동 지점을 유지하려면 가변 노즐 면적을 애프터버너 출구 온도의 제곱근으로 늘려야 합니다. 가장 일반적인 제어 시스템 전략은 Dry 시 참조된 매개변수 관계를 모니터링한 다음, Wet 조건일 때 이러한 관계를 유지하기 위해 추진 노즐 면적을 조절합니다. 터빈 팽창 비와 압축기 압력 비는 노즐 온도의 변화에 매우 민감하기 때문에 가장 일반적으로 사용되는 매개변수로, 제어가 노즐 면적을 신속하게 변경할 수 있습니다.

 

높은 노즐 압력 비에서 너무 큰 노즐은 엔진 공기 유량을 증가시켜 추력을 증가시키는 데 도움이 됩니다. 이를 과잉 복원(Over Restoring)이라고 합니다. 낮은 노즐 압력 비에서 더 작은 노즐 영역이 더 좋으며, 이를 결핍 복원(Under Restoring)이라고 합니다. 두 과정 모두 압축기 서지 마진에 의해 제한됩니다.

 

Dry하게 작동할 때 추진 노즐 영역은 동일한 엔진에 애프터버너가 장착되지 않은 경우보다 몇 퍼센트 더 커야 합니다. 이는 추가 애프터버너 압력 손실과 연료 유량이 제트의 참조 유량을 증가시키기 때문에 동일한 가스 발생기 운용점을 유지하기 위한 것입니다.

 

5.22.3 온도 상승, 효율, 압력 손실 및 벽면 냉각

 

설계점에서와 마찬가지로, 관련 공식은 입구 온도와 연료 공기 비율을 알게 되면 설계 조건을 벗어난 온도 상승을 결정하기 위해 1차 정확도로 사용될 수 있습니다. 애프터버너 출구 온도가 1900K 미만이면 해리(dissociation)가 일어나지 않을 가능성이 높고 이러한 계산은 엄격해야 합니다. 약 200℃의 가장 낮은 온도 상승은 가스 발생기가 다시 조절된 최소 Wet 정격에서 발생합니다.

 

다시 말해, 화학적 효율은 탈설계 조건에서 애프터버너 부하와 상관 관계가 있을 수 있습니다. 1차 계산의 경우 차트 5.5에 나와 있는 수준에서 약 7%를 빼야 합니다. 엔진 프로그램이 이행된 경우 해당 특성은 5.8절에 따라 리그시험에서 결정해야 합니다. 가스 발생기를 조절하면 최소 Wet 정격에서 효율이 30%까지 떨어질 수 있습니다.

 

 

2023.06.21 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.8 연소기 – 탈 설계 성능

5.8 연소기 – 탈 설계 성능

 

 

저온 및 고온 압력 손실 계수, 그리고 압력 손실은 관련 공식들을 사용하여 기존 연소기의 경우와 동일하게 결정됩니다. 애프터버너 냉각에 사용되는 공기의 백분율은 탈설계 조건에서 일정하게 유지됩니다.

 

5.22.4 안정성

 

실제 운용에서 애프터버너는 결코 농후 소염(Rich Extinction)을 겪지 않습니다. 그러나 화학양론(stoichiometric)에 가까운 농후 혼합물에서는 애프터버너 버즈(Afterburner Buzz)라고 하는 가청 불안정성(Audible Instability)이 발생할 수 있습니다. 버즈는 연소 과정에서 발생하는 소음이며 애프터버너 압력이 높고 애프터버너 마하 수가 낮을 때 더 흔합니다. 버즈가 있는 상태에서 애프터버너가 계속 작동하면 기계적 손상이 발생할 가능성이 높아 집니다. 5.21절에서 언급했듯이, 이는 달성 가능한 애프터버너 출구 온도를 제한하는 실제 설계 현상 중 하나입니다. 약한 소염(Weak Extinction)은 애프터버너 연료 공기 비가 낮은 경우 설계해야 합니다. 가스 발생기를 조절한 최소 Wet 정격의 하한은 약한 소염으로 인해 부과되는 제한의 전형적인 예입니다.

 

 

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

 

 

2024.10.27 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.21 후기연소기(Afterburner) - 설계점 성능 및 기본 크기(2)