5.3 원심 압축기 – 설계 포인트 성능 및 기본 크기

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

2023.05.15 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.2.6 서지, 회전 실속 및 잠김 실속

2023.05.16 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.2.9 블리드 밸브의 이용

 

 

5.2.13 맵에 계수 및 델타 공식의 적용

종종 개념 설계 단계에서 엔진 정지 설계 성능을 예측하기 위해 압축기 맵이 필요할 수 있지만 압축기 공기역학적 예측 코드에 의해 아직 생성되지 않았을 수 있습니다. 일반적인 관행은 유사한 압축기 설계의 맵을 사용하고 '계수' 및 '델타 적용하여 설계 지점을 필요한 지점에 맞추는 것입니다. 이는 초기 엔진 탈 설계 성능에 대한 대략적인 맵 모양만 제공하는 기술이라는 점에서 압축기를 선형적으로 스케일링하는 것과 혼동해서는 안 됩니다. 유사한 기술이 엔진 탈 설계 성능 모델과 테스트 데이터를 정렬하는 데에도 사용됩니다.

 

5.2.14 압축기 리그 테스트

새로운 압축기가 설계되면 엔진에 내장되기 전에 리그에서 테스트할 수 있습니다. 이를 통해 종종 엔진 하드웨어의 나머지 부분을 사용하기 전에 제어된 환경에서 압축기 형상을 최적화할 수 있습니다. 축류 압축기와 관련된 설계 매개변수가 너무 많아 설계가 이전 경험 범위 내에 있지 않은 한 리그 테스트는 필수적입니다.

일반적인 리그 구성은 그림 5.16에 나와 있습니다. 압축기는 지정된 속도로 제어되는 전기 모터에 의해 구동됩니다. 유량, 압력비 및 효율을 계산할 수 있도록 측정이 이루어집니다. 그런 다음 압축기 속도가 유지된 상태에서 출구 밸브가 닫히면 압력비가 증가하고 유량이 감소합니다. 이 프로세스는 서지 라인을 만날 때까지 반복됩니다. 그런 다음 여러 스피드 라인에 대해 유사한 절차를 따릅니다. 속도를 변경하는 각 스로틀 설정에 대해 엔진 내의 압축기 작동과 유사한 고유한 작업 라인이 생성됩니다.

 

 

5.2.15 플러터

플러터는 압축기 공기역학으로 인한 블레이드 또는 디스크 고유 주파수의 여기입니다. 초킹 상태의 플러터는 압축기가 매우 높은 로컬 마하수 및 높은 음의 발생률과 관련된 유동 체제로 인해 여기 상태 및 초킹에서 과중하게 운용되는 곳에서 발생합니다. 일반적으로 압축기가 작동할 수 있는 기준 속도에 상한을 부과하는 것이 바로 이 현상입니다.

스톨 플러터는 압축기가 서지 라인에 가까울 때 모든 엔진 속도에서 발생할 수 있으며 높은 양의 입사각에서 심하게 실속 된 흐름과 관련된 유동 불안정으로 인해 여기가 발생합니다.

 

5.3 원심 압축기 – 설계 포인트 성능 및 기본 크기

원심 압축기의 로터와 스테이터를 통한 주요 매개변수의 변화는 앞에서 설명한 축류 압축기의 변화와 유사합니다. 그러나 유동은 원심 임펠러에서 축 방향에서 방사 방향으로 변경되고 방사형 디퓨저가 이어집니다. 증가하는 직경은 축류 단계에서 달성될 수 있는 것보다 훨씬 더 큰 면적비와 확산을 제공합니다. 이에 따라 9:1 이상의 축류 압축기보다 훨씬 더 높은 압력비가 단일 단계에서 달성될 수 있습니다.

 

5.3.1 구성 및 속도 삼각형

그림 5.17은 원심 압축기의 구성을 보여줍니다. 임펠러 입구는 인듀서 또는 Eye라고 하고 출구는 익스듀서라고 합니다. 임펠러는 고정 슈라우드에 대해 팁 간극이 있고 백플레이트에 대해 씰이 있습니다. 익스듀서의 임펠러 베인은 방사형일 수 있으며, 전면 영역이 백 스윕 되는 대신 효율을 높일 수 있습니다. 베인리스 공간에서 유동은 디퓨저 베인의 앞쪽 가장자리까지 자유 와류(소용돌이 속도는 반경에 반비례함)에 있습니다. 종종 왕복 엔진용 터보차저에는 디퓨저 베인이 사용되지 않지만 가스 터빈 엔진에서는 효율 저하로 인해 드뭅니다.

디퓨저를 떠날 때 유동은 일반적으로 약 50° 정도의 높은 소용돌이를 가지므로 일반적으로 연소 시스템에 들어가기 전에 축 방향 교정기 베인 세트로 굴곡부 주위로 흐릅니다. 그러나 단일 파이프 연소기가 사용되는 경우 디퓨저 바로 뒤에 유동이 환형 통로가 아닌 단일 파이프인 스크롤로 전달됩니다.

그림 5.18은 레이디얼 베인과 백 스윕 베인 모두에 대한 속도 삼각형을 보여줍니다. 필요한 작업 입력은 축류 압축기에 따라 관련 공식들로 정의됩니다. 이상적으로 방사형 베인의 경우 익스듀서에서 상대 속도는 방사형이고 절대 속도의 소용돌이 성분은 림 속도와 동일합니다. 그러나 그림 5.18과 같이 실제로는 약간의 미끄러짐이 발생합니다. 슬립은 블레이드 속도에 대한 절대 속도의 소용돌이 구성 요소의 비율로 정의됩니다.

백스윕은 임펠러 외부의 절대 마하수를 크게 줄여 베인 리스 공간과 디퓨저의 압력 손실을 줄이고 효율을 향상합니다. 그러나 더 낮은 선회 속도로 인해 더 적은 일과 그에 따른 압력비가 주어진 직경에서 달성됩니다. 약 5:1 이상의 높은 압력비의 경우 디퓨저 선단에서 높은 마하수로 인한 과도한 압력 손실을 방지하려면 백 스윕이 필수적입니다.

 

 

5.3.2 기존 원심 압축기 설계의 확장

축류 압축기에 대한 5.1.2절의 설명은 모두 원심류 압축기에 동일하게 적용됩니다.

 

5.3.3 효율

5.1.3절의 등엔트로피 및 폴리트로픽 효율의 정의는 원심 유동 압축기에 동일하게 적용할 수 있습니다. 그러나 폴리트로픽 효율은 하중과 반대로 매개변수 특정 속도와 가장 잘 연관됩니다. 비속도는 방사형 터보 기계에 고유하며 가장 일반적인 정의는 관련 공식에 나와 있습니다. 해당 정의는 유공학과 관련이 있습니다.

차트 5.3은 폴리트로픽 효율 대 비속도를 보여줍니다. 하단 라인은 낮은 기술 수준, 제로 백 스윕, 낮은 디퓨저 반경 비율 및 작은 크기를 위했지만 상단은 컨버스를 위한 것입니다. 이 차트는 초기 설계점 계산을 위한 원심 압축기 효율을 추정하는 데 사용할 수 있습니다. 효율성을 위한 최적의 특정 속도는 약 0.75입니다. 따라서 주어진 설계에 필요한 질유량과 압력비가 설정되면 입구 체적 유량과 엔탈피 변화가 계산되고 이 최적의 특정 속도를 달성하는 데 필요한 회전 속도가 도출될 수 있습니다. 설계가 진행됨에 따라 다른 모든 공기역학적 및 기계적 설계 한계를 수용할 수 없거나 터빈 설계자의 요구에 맞게 유지할 수 없기 때문에 회전 속도를 변경해야 한다는 것을 알 수 있습니다. 특정 속도는 결과적으로 효율성 손실과 함께 최적 속도에서 멀어지게 됩니다.

 

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