5.2.6 서지, 회전 실속 및 잠김 실속

2023.05.01 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.2 축류 압축기 – 오프 설계 성능

 

5.2.6 서지, 회전 실속 및 잠김 실속

주어진 속도에서 익형(에어포일, Airfoil) 열은 실속(stall)할 수 있습니다. 즉, 그림 5.2와 5.3에 표시된 것처럼 압력비와 입사각이 증가함에 따라 유동이 흡입 면에서 분리됩니다. 에어포일의 실속 지점은 에어포일 손실 계수가 최솟값의 두 배에 도달하는 입사각으로 정의됩니다. 다단 압축기에서 실속 작동은 허용될 수 있습니다. 예를 들어 시동 후 저속에서 정상 작동 중에 전단이 실속 될 수 있지만, 후단이 실속 되지 않고 압력 구배에 대해 흐름을 안정화하므로 정상 상태 작동이 가능합니다. 그러나 실속이 심해지거나 갑자기 시작되면 허용할 수 없는 많은 유동 상황들이 발생할 수 있습니다.

그림 5.4에 따라 압력비가 서지 라인 값으로 증가하도록 주변 구성 요소가 압축기 작동 점을 속도 라인 위로 강제하는 경우, 속도 범위 전체에서 서지가 발생할 수 있습니다. 블레이드 스톨이 너무 심해져서 블레이딩이 더 이상 역 압력 구배를 지원할 수 없고, 이제 더 낮은 압력 상승이 생성되면서 흐름이 순간적으로 중단되는 지점입니다. 그 결과 흐름의 일부가 압축기를 통해 고압에서 저압으로 역전되면서 큰 소리가 납니다. 엔진에서 연소가 연소기에서 앞뒤로 이동함에 따라 엔진 흡기 및 배기에서도 화염이 종종 보입니다. 블리드 밸브를 열거나 연료 흐름을 줄이는 등 운용 라인을 낮추기 위한 조치를 즉시 취하지 않아 서지에서 회복되지 않으면 압축기 유동이 다시 설정되고 또다시 서지가 발생합니다. 서지 사이클은 초당 5회에서 10회 사이의 빈도로 계속되어 결국 엔진 손상으로 이어집니다. 서지 동안 매개변수의 변화와 서지 감지 방법은 나중에 논의되며 가장 극적인 징후는 압축기 공급 압력의 단계적 감소입니다.

회전 스톨 또는 보조 스톨은 그림 5.9와 같이 회전 방향으로 40~70% 속도로 회전하는 전면 스테이지의 단일 또는 여러 개의 스톨 포켓으로 구성됩니다. 이동 메커니즘은 원주 방향으로 앞쪽에 있는 블레이드 통로가 추가 흐름을 받고 실속에서 멀어지는 것입니다. 실속 된 통로 뒤의 통로는 더 적은 흐름을 받고 실속 하여 더 많은 흐름을 첫 번째 통로로 편향시킨 다음 복구합니다. 잘 설계된 압축기의 경우 회전 실속은 50% 이상의 속도에서 발생하지 않습니다. 회전 실속 상태의 정상 상태 작동은 압축기의 열화로 인해 엔진 성능이 저하되고 파괴적인 고주기 블레이드 진동을 유발할 가능성으로 인해 바람직하지 않습니다. 그림 5.9는 또한 압축기 맵의 회전 실속 영역을 보여줍니다. 운용 라인이 드롭인 라인을 가로지르면 회전 실속에 있게 됩니다. 복구하려면 상당히 낮은 드롭아웃 라인 아래로 눌려야 합니다. 회전 실속 체제에서 작동하는 동안 압축기는 흐름, 압력 비율 및 효율성이 최대 20%까지 감소할 수 있는 수정된 공기 역학으로 인해 2차 특성을 나타냅니다. 회전 실속 저하가 발생할 수 있는 최고 속도에서 고속 서지 라인을 가로지르는 2차 서지 라인이 있습니다. 이는 고속 서지 라인보다 훨씬 낮으며 회전 실속에 있는 동안 속도를 높일 때 발생할 수 있습니다. 엔진 성능 매개변수의 변화로 인해 회전 실속이 시작되어 다운스트림 압축기가 서지를 일으키지 않는 한 종종 회전 실속을 감지하기 어렵습니다.

잠긴 실속 또는 3차 실속은 서지 후 낮은 엔진 속도에서 발생할 수 있습니다. 이 같은 경우 유동이 회복되었다가 다시 급증하는 대신 회전 방향으로 약 50% 엔진 속도로 회전하는 실속 상태로 유로에 남습니다. 이는 그림 5.10에서와 같이 앞단에만 있는 것과는 반대로 압축기의 전체 축 방향 길이에 걸쳐 실속 부분이 존재한다는 점에서 회전 실속과 다릅니다. 변화된 공기 역학으로 인해 3차 특성이 다시 생성됩니다. 스피드 라인은 맵에서 거의 수평입니다. 그림 5.10은 잠긴 스톨 '드롭아웃' 라인이 서지 라인보다 상당히 아래에 있음을 보여줍니다. 잠긴 실속에서 작동하는 동안 참고 속도에서 참고 유량, 압력비와 효율은 약 50% 감소합니다. 이는 터빈 입구 온도가 급격히 상승하는 동안 엔진이 정지하는 것이 특징이며 손상을 방지하기 위해 엔진을 즉시 정지해야 합니다.

 

 

5.2.7 다단 압축기의 운용

다단 압축기의 개별 단계에는 고유한 맵이 있습니다. 일반적으로 이러한 모든 것이 함께 쌓여 엔진 성능에 보다 편리한 전체 맵을 형성하게 됩니다. 그림 5.11은 저속 및 고속에서 전방, 중간 및 후방 단의 운용 점이 개별 맵에서 어떻게 다른지를 보여줍니다. 초킹 상태로 이동하는 후방 스테이지에 의해 유동이 제한되기 때문에 전방 스테이지는 저속에서 서지 쪽으로 밀려납니다. 고속에서는 전방 스테이지가 초크 상태에 있고 후방 스테이지가 서지로 이동하면서 상황이 역전됩니다. 속도가 증가함에 따라 후단의 참조 유동이 매우 증가하기 때문에 이러한 효과가 발생합니다.

그림 5.11은 또한 저속에서 스테이지 간 블리드를 추출하여 전방 스테이지를 통과하는 추가 유동으로 인한 서지 문제를 완화하는 방법을 보여줍니다. 그러나 고속에서 후방 스테이지는 유동이 부족하게 되고 서지로 더 이동하게 됩니다.

 

 

5.2.8 입구 유동 각의 영향 – VIGV

5.2.1절에서 언급한 바와 같이 압축기 맵은 입구 유동 각의 고정된 값에 대해서만 고유합니다. 대부분의 경우 입구 유동은 축 방향이지만 특정 주요 운용 범위에서 맵을 수정하기 위해 입구 흐름 각도를 변경하는 데 VIGV가 사용되는 경우가 있습니다.

그림 5.12는 압축기 맵에 대한 VIGV의 영향을 보여줍니다. 저속에서는 압축기 맵에서 참조된 속도 라인을 거의 수평으로 이동하게 합니다. 일정 속도로 유동을 줄이면서 더 중요한 역할인 서지 라인을 왼쪽으로 이동하기 위해 폐쇄(높은 회전 스월 각도)가 되게 되어 있습니다. 압축기 운용 라인은 엔진이 스로틀 백 될 때 종종 서지로 이동합니다. VIGV는 부분 속도 서지 라인을 올려 이를 완화하는 메커니즘을 제공합니다. 일차적으로 압력비 대 유동의 관점에서 운용 라인은 관련 설정에 영향을 받지 않는다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

고속에서 참조 속도 라인에 대한 VIGV의 효과는 더욱 '대각선'의 형태입니다. 여기에서 VIGV 및 VSV는 완전히 개방되어 축 방향이거나 작은 음의 입사각을 제공합니다. 압축기가 출력 또는 추력을 최대화하기 위해 가능한 한 많은 흐름을 통과시키는 것이 중요하기 때문입니다. 전단이 아닌 후단이 서지를 제어하기 때문에 서지 라인의 약간의 성능 향상만 발생할 수 있습니다.

VIGV 및 VSV는 주로 압축기가 하나의 축에 있는 모든 단계에서 허용할 수 있는 저속 서지 라인을 갖도록 하는 상황에 필요합니다. 다른 운용 가능한 일정은 압축기 효율과 주요 엔진 참조 매개변수 간의 관계에 이차적인 영향만 미칩니다. 예를 들어, SFC 대 추력 또는 출력은 더 높은 출력 또는 추력을 얻을 수 있지만 이동에 따라 사실상 변경되지 않습니다. 유일한 다른 중요한 효과는 두 조건에서 발생하는 압축기 속도가 크게 변경된다는 것입니다.

 

 

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5.2 축류 압축기 – 오프 설계 성능