5.3.4 기본 사이징 매개변수 가이드

2023.05.17 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.3 원심 압축기 – 설계 포인트 성능 및 기본 크기

 

 

5.3.4 기본 사이징 매개변수 가이드

원심 압축기의 치수 설정을 위한 주요 매개변수에 대한 지침은 다음과 같습니다. 많은 매개변수가 축류 압축기에 공통적이므로 해당 정의는 5.1절에 나와 있습니다.

 

- 평균 입구 마하수

인듀서로 유입되는 평균 마하수는 0.4–0.6 범위에 있어야 합니다.

 

- 인듀서 팁 상대 마하수

인듀서 팁 상대 마하수 값 0.9 및 1.3은 각각 보수적이고 도전적인 수치입니다. 축-반경(axi-centrifugal) 압축기의 원심 후단의 경우 더 낮은 값이 불가피할 수 있습니다.

 

- 회전 속도

회전 속도는 비속도를 최적화하는 동시에 여기서 논의된 다른 매개변수를 목표 수준 내에서 유지하면서 동시에 터빈 설계에 허용되는 범위에서 효율성을 최대화하도록 설정되어야 합니다. 원심 압축기가 있는 단일 스풀 엔진이 중간 기어박스 없이 발전기를 직접 구동하는 것은 드문 일입니다. 이는 실제 크기에서 최적의 성능 속도가 3600 rpm보다 훨씬 높기 때문입니다. 한 가지 예외는 고속 교류 발전기가 고려되고 있는 하이브리드 전기 자동차 엔진입니다.

 

- 압력비 및 단 수

주어진 림 속도, 백스윕 각도 및 효율성에 대해 달성된 압력비는 관련 공식을 통해서 계산할 수 있습니다. 관련 공식을 사용하면 주어진 일 입력에 대해 림 속도를 계산할 수 있습니다. 이 관련 공식은 회전 속도와 함께 기본 임펠러 형상을 정의할 수 있습니다.

단일 단계에서 가능한 최고 압력비는 약 9:1이고 2단계에서 최대 15:1입니다. 덕트 배치의 어려움으로 인해 2개 이상의 원심형 스테이지를 직렬로 사용하는 것은 드문 일입니다. 두 단계가 동일한 스풀에 있으면 필연적으로 두 번째 단계는 효율성을 위한 최적 속도보다 낮은 비속도로 끝납니다. 산업 공정용 구동 장비로 사용되는 원심 압축기는 넓은 유동 범위를 촉진하기 위해 단당 낮은 압력비를 갖는 것이 다르므로 여러 단계를 직렬로 사용할 수 있습니다.

 

- 백스윕

최대 효율을 위해 최대 40°의 백스윕 각도가 실용적입니다. 그러나 이 각도는 주어진 질유량 및 압력비에 대해 증가한 직경을 초래합니다.

 

- 인듀서 허브 팁 비율 및 블레이드 각도

허브 팁 비율은 허브가 제조하기에 충분한 크기인지 확인하고 적절한 베어링 및 노즈 불릿 설계가 가능하도록 충분히 커야 합니다. 따라서 하한은 임펠러 베인 제조 능력 또는 샤프트 기기 설계에 의해 설정됩니다. 샤프트에 업스트림 축 단계가 없는 경우 그 상한은 인듀서 팁 상대 마하수에 의해 결정됩니다.

값은 이상적으로 0.35–0.5 범위에 있어야 하며 0.7은 절대 상한 값입니다. 인듀서 팁 블레이드 각도는 60°를 초과해서는 안 됩니다

 

- 림 속도 및 흡진기 출구 온도

익스듀서 림 속도는 알루미늄의 경우 약 500m/s, 티타늄의 경우 625m/s를 초과하지 않아야 합니다. 온도 고려 사항으로 인해 알루미늄은 최대 4.5:1의 압력비에 대해 LP 압축기에 허용됩니다.

 

- 익스듀서 높이

익스듀서 높이는 처음에 인듀서 팁에서 출구까지 약 0.5–0.6의 목표 상대 속도비를 달성하도록 설정됩니다. 이상적으로 해당 높이는 장비 테스트를 통해 최적화되어야 합니다.

 

- 임펠러 길이

일반적인 임펠러 길이는 관련 공식에 정의된 길이 매개변수를 사용하여 도출할 수 있습니다. 효율성을 높이려면 1.1–1.3 범위에 있어야 합니다.

 

- 베인리스 공간 반경 비율

베인이 없는 공간은 자유 와류 확산을 허용하며, 상대적으로 느리지만 디퓨저 베인 리딩에지 이전에서 마하수가 약간 감소합니다. 그러나 너무 길면 필요한 전체 직경이 증가합니다. 디퓨저 베인 리딩에지 대 임펠러 팁 반경 비율은 1.05 이상이어야 합니다. 낮은 값은 여기로 인한 기계적 손상 위험이 있습니다.

 

- 임펠러 팁 반경비에 대한 방사형 디퓨저 출구

주어진 수준의 디퓨저 면적 비율을 달성하는 데 필요한 반경 비율은 사용된 베인의 수에 따라 다릅니다. 베인 수의 하한은 일반적으로 베인을 통해 볼트 또는 서비스를 통과시키기 위한 요구 사항에 의해 설정됩니다. 반경 비율이 높으면 정면 면적과 무게를 희생시키면서 효율을 개선할 수 있습니다. 그에 대한 가이드라인은 다음과 같습니다.

 

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                                    Turbojets and turbofans                                    1.3–1.5

                                   Turboprops                                                       1.4–1.7

                                    Industrial, marine and automotive                    1.7–2.2

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- 디퓨저 반경 대 축 굽힘 반경비

앞에서 설명한 것처럼 일부 엔진 구성의 경우, 유동이 방사형에서 축 방향으로 전환된 다음 다운스트림 구성 요소 이전에 베인으로 직선화됩니다. 굽힘 반경비가 증가함에 따라 굽힘 압력 손실이 감소합니다. 이는 효율을 향상하지만 더 큰 직경의 압축기로 이어집니다.

관련 공식에 의해 정의된 굽힘 매개변수는 0.4와 1.5 사이여야 합니다. 낮은 값은 항공 추력 엔진용이고 큰 값은 산업, 해양 및 자동차 응용 분야용입니다.

 

- 출구 마하수 및 스월 각

굽힘 및 축 교정기가 사용되는 경우, 출구 마하수 및 스월 각도는 각각 0.2 및 10° 미만이어야 합니다. 굽힘 및 축 교정기가 사용되지 않는 경우, 스월 각도는 디퓨저 베인에서 나오는 50° 정도가 됩니다. 이것은 5.12절에 설명된 대로 스크롤 출구 덕트를 사용하는 경우에만 허용됩니다.

 

2023.05.17 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.3 원심 압축기 – 설계 포인트 성능 및 기본 크기

5.3 원심 압축기 – 설계 포인트 성능 및 기본 크기