5.3.5 기본 효율 및 크기 조정 지침 적용

2023.05.23 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.3.4 기본 사이징 매개변수 가이드

 

5.3.5 기본 효율 및 크기 조정 지침 적용

관련 계산을 통해서 여기에 제시된 기본 효율 및 크기 조정 지침의 적용을 보여줍니다.

 

5.3.6 원심 압축기 대 축류 압축기

여기에서는 축류 및 원심 압축기를 정성적으로 비교합니다. 다음 절에서는 각각의 압축기가 가장 적합한 주요 응용 분야에 대한 질유량 및 압력비 범위를 보여줍니다.

축류 압축기는 다음과 같은 장점이 있습니다.

 

. 전면 면적은 주어진 질유량 및 압력비에 대해 더 낮습니다. 예를 들어, 5:1의 압력비와 동일한 질유량에서 축류 압축기는 원심 압축기 직경의 약 절반 정도가 됩니다.

. 결과적으로 엔진 직경이 낮아지기 때문에 일반적으로 무게가 더 적습니다.

. 약 5kg/s보다 큰 질유량의 경우 축류 압축기는 더 나은 등엔트로피 효율을 가지며 이 이점의 크기는 질량 유량에 따라 증가합니다.

. 제조상의 어려움으로 인해 원심 임펠러는 직경에 대해 약 0.8m의 실질적인 상한이 있으므로 질유량 및 압력비에 있어서 향상이 가능합니다.

 

원심 압축기는 다음과 같은 장점이 있습니다.

. 단일 단계에서 9:1 이상의 압력비를 달성할 수 있습니다. 축류 압축기의 경우, 설계 요구 사항 및 제약 조건에 따라 6~12단계가 소요될 수 있습니다. 원심 압축기의 경우, 더 큰 값이 가능하지만 효율이 떨어지기 때문에 일반적으로 경쟁력이 없습니다.

. 원심 압축기는 동일한 질유량 및 압력비에 대해 단가가 상당히 낮습니다.

. 5kg/s 미만의 질량 유량에서 등엔트로피 효율이 더 높습니다. 이는 이 유량 범위에서 팁 간극, 블레이드 전단 및 후단 가장자리 두께, 고정 제조 공차가 있는 표면 거칠기의 상대적 수준 증가로 인해 크기가 감소함에 따라 축류 압축기 효율이 급격히 떨어지기 때문입니다.

 . 원심 압축기는 주어진 유량 및 압력비에 대해 훨씬 더 짧습니다. 이러한 이점은 두 번째 원심 단계가 필요한 지점까지 압력비에 따라 증가합니다.

. 출구 마하수는 일반적으로 원심 압축기에서 낮아지므로 다운스트림 덕트의 압력 손실이 줄어듭니다.

. 원심 압축기는 축류 압축기보다 이물질 손상(FOD)이 적습니다. 이러한 장점은 기존의 드럼과 별도의 블레이딩과 달리 축류 압축기 로터가 '블리스크'(블레이드 디스크)로 구성될 수 있는 매우 작은 크기에서 증폭됩니다. 이러한 구조는 제조상의 어려움을 극복하고 단가를 낮추기 위해 필요합니다. 이 같은 경우, FOD가 발생하면 개별 블레이드가 아닌 전체 블리스크를 교체해야 합니다.

. 원심 압축기는 다단 축류 압축기보다 라인에서 저속 서지 및 회전 실속 저하가 훨씬 더 높습니다. 이는 기본적인 저속 공기역학의 조합 때문이며 5.2절에서 설명한 축류 다단계 효과가 없기 때문입니다. 따라서 압력비가 최대 9:1인 1단 원심 압축기의 경우, 일반적으로 저속 서지 문제를 방지하기 위해 처리용 블리드 밸브 또는 가변 입구 가이드 베인 또는 가변 고정자 베인이 필요하지 않습니다. 이것은 원심 압축기의 비용 효율성을 더욱 향상할 뿐만 아니라 상대적으로 무게 적인 면에서 이점이 있습니다.

. 원심 압축기 서지 라인은 설명된 바와 같이 압력 상승이 모두 각 블레이드에 걸친 압력 차이로 나타나지 않기 때문에 축류 압축기보다 높은 팁 간극에 덜 취약합니다.

 

요약하면, 축류 압축기는 낮은 전면 면적, 가벼운 무게 및 고효율이 필수적이고 큰 크기에서 유일한 선택지이면서 지배적입니다. 반대로 원심 압축기는 단가가 가장 중요하고 크기가 작은 곳에서 지배적입니다.

 

5.3.7 축류 및 원심 압축기에 적합한 질유량 범위

아래 표는 주요 엔진 적용을 위한 축류 또는 원심 압축기에 적합한 ISA SLS 최대 등급에서 참조된 질유량 범위를 보여줍니다.

.

	Aircraft	Industrial, marine and
	engines	automotive engines
	(kg/s)	(kg/s)
Predominantly centrifugal	<1.5	<5
Centrifugal or axial depending	1.5–10	5–15
upon requirements Predominantly axial	>10	>15

  

추진 엔진의 경우, 축류 압축기는 약 1.5kg/s의 매우 낮은 질유량까지 지배적입니다. 높은 비행 속도에서 항력을 최소화하기 위해 낮은 전면 면적과 무게의 중요성으로 인해 더 높은 비용의 프리미엄이 보장됩니다. 항공기 축 동력 엔진의 경우, 원심 압축기는 비행 속도가 더 낮기 때문에 최대 10kg/s까지 경쟁력이 있습니다. 산업, 선박 및 자동차 엔진의 경우, 낮은 전면 면적과 무게는 덜 중요하며, 단가를 최소화하기 위해 원심 압축기는 더 높은 질유량에서 경쟁력이 있습니다. 보조 동력 장치의 경우, 원심 압축기가 거의 독점적으로 사용되는데, 이 경우에는 단가가 주요 동인이고 엔진 중량과 전면 면적이 항공기에 비해 작기 때문입니다.

축류 또는 원심 압축기가 모두 적합할 수 있는 질유량 범위의 경우, 개념 설계 단계에서 두 가지 모두에 대한 설계를 다루어야 합니다. 또한 여기에서 다수의 축류 단계 다음에 원심 단계가 이어지는 축 원심 압축기를 고려할 수 있습니다.

 

 

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