5.7 연소기 – 설계점 성능 및 기본 크기

2023.06.06 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.5.5 기본 크기 매개변수 가이드 / 5.6 팬 - 탈 설계 성능

 

5.7 연소기 – 설계 점 성능 및 기본 크기

연소 시스템은 모든 가스 터빈 구성요소 중에서 가장 분석하기 어려운 부분입니다. 최근 몇 년 동안 특히 '전산유체역학' 또는 'CFD'를 통해 설계 방법론을 개선하는 데 상당한 진전이 있었지만 설계 프로세스의 대부분은 여전히 경험적으로 도출된 설계 규칙에 의존하고 있습니다. 따라서 중요한 연소 시스템 장비 테스트 프로그램은 엔진 개발 프로그램 이전과 병행에 필수적입니다. 이 장비 테스트는 설계점 및 위의 Idle 설계 작업뿐만 아니라 시동, 점화 및 재점화와 같은 시동 중에 발생하는 매우 어려운 현상도 해결해야 합니다.

이 절에 제시된 효율 및 기본 크기 지침은 애프터버너 및 램제트를 제외한 모든 연소 시스템을 대표합니다. 이 같은 특별한 경우는 5.21절 및 5.22절에서 하고자 합니다.

 

5.7.1 구성

그림 5.22 및 5.24는 다음으로 구성된 환형 연소 시스템의 주요 특징을 보여줍니다.

. 공기가 연소기에 도달하기 전에 공기의 마하수를 줄이기 위한 압축기 출구 디퓨저

. 연소기 벽을 관통하는 1차, 2차 및 3차 인젝터 구멍은 종종 CD 및 제트 위치 안정성을 개선하기 위해 둥글게 만듭니다. 구멍을 통과하는 유동의 마하수는 제트가 연소기로 충분히 침투할 수 있도록 0.3 정도입니다.

. 연소 및 화염 안정화를 촉진하기 위해 주입된 연료가 공기와 충분히 혼합되도록 하는 천천히 움직이는 재순환 '1차 구역'

. 더 많은 공기가 주입되고 연소가 완료되는 2차 구역

. 나머지 공기가 주입되어 평균 출구 온도를 터빈 입구에 필요한 온도로 낮추고 반경 방향 및 원주 방향 온도 트래버스를 제어하는 3차 구역

. 벽 냉각 시스템

. 연료 인젝터 또는 버너

. 점화 장치

 

환형 연소기는 낮은 정면 면적과 주어진 부피에 대한 무게로 인해 항공기 엔진에만 거의 독점적으로 사용됩니다. 일반적으로 순방향 흐름이지만 원심 압축기를 사용할 때는 역방향 흐름이 선호되는 경우가 많습니다. 이는 원심 압축기의 더 큰 직경으로 인해 터빈이 연소기 '아래'(반경 방향 내부)에 배치되어 엔진 길이가 줄어들기 때문입니다.

초기 항공기 엔진은 환형 내에 여러 개의 캔을 사용했습니다. 그림 5.23은 이러한 캐뉼러(Cannular) 연소 시스템의 배열을 보여줍니다. 그러나 더 큰 직경과 무게로 인해 이 구성은 이제 환형 시스템으로 대체되었습니다. 또한, 하나 또는 두 개의 캔에서 점화 후 'light around'에 필요한 포트 사이의 상호 연결기는 추가 중량 페널티가 추가됐으며, 기계적 무결성 문제도 있었습니다. 산업용 엔진의 경우, 정면 면적과 무게는 그렇게 중요한 문제가 아니며 일부는 여전히 이 배열을 사용합니다. 이를 통해 장비를 독립적으로 테스트할 수 있어 리그 테스트 시설의 크기와 비용을 줄일 수 있고, 유지 관리 중에 독립적으로 교체할 수도 있습니다. 최소 비용을 위한 소형 산업용 엔진의 경우 그림 5.23에서도 볼 수 있듯이 단일 파이프 연소기가 사용될 수 있습니다. 이는 특히 원심 압축기의 스크롤 출구에 적합합니다.

DLE(dry low emission)에 대한 요구 사항은 연소기 구성을 더욱 복잡하게 만들었습니다. 이에 대해서는 5.7.8절에서 자세히 설명하고자 합니다. 연료 공급 시스템, 연료 인젝터 또는 버너 및 점화 시스템은 각각 그 자체로 큰 주제입니다. 이 장의 목적은 초기 엔진 개념 설계 중에 구성 요소의 윤곽 형상을 1차 정확도로 유도하는 것이므로 여기서는 더 이상 설명하지 않습니다.

 

 

5.7.2 기존 연소기 설계 및 무차원 성능의 스케일링

연소기는 모든 가스 터빈 부품 중에서 스케일링에 가장 취약합니다. 동일한 입구 온도, 입구 압력 및 온도 상승에 대해 이를 시도하면 다음의 사항이 적용됩니다.:

 

. 유량 변화는 선형 스케일 계수의 제곱에 비례합니다.

. 연료 공기 비율은 변경되지 않습니다.

. 공기 및 가스 속도는 변하지 않습니다.

. 백분율 압력 손실은 변경되지 않습니다.

. 연소기 부하 및 연소기 강도는 스케일 팩터에 반비례하는 반면 체류 시간은 직접적으로 비례합니다.

 

마지막 세 매개변수의 변화는 연소기의 효율, 점화, 안정성 등의 특성을 변화합니다. 길이는 제외하고 직경만 스케일링하여 일정하게 유지할 수 있습니다. 그러나 이 같은 경우, 단위 표면적당 냉각 공기의 양은 스케일 팩터가 1보다 작은 경우에 감소합니다. 또한, 두 경우 모두 기본 영역에 들어가는 속도는 동일하지만 벽에서 벽까지의 반경 방향 거리가 변경됩니다. 따라서 상대 침투가 수정되어 공기역학이 변경되고 따라서 연료 혼합 및 화염 안정화가 변화하게 됩니다. 이것으로부터 연소기를 순전히 선형적으로 스케일링하는 것은 실용적이지 않다는 것이 명백합니다. 그러나 한 크기에서 배운 경험은 다른 크기의 디자인을 위한 기초로 엄청난 이점이 될 것입니다.

또한 연소기 부하 및 연소기 강도와 연료 인젝터 기능은 입구 압력 및 온도의 절대 수준에 따라 달라집니다. 따라서 다른 구성요소와 달리 연소기 성능은 동일한 무차원 작동점에 있지만 입구 압력과 온도의 절댓값이 다를 때 크게 수정됩니다.

 

5.7.3 연소 효율

연소 효율은 총 연료 입력에 대한 연소기에서 연소된 연료의 비율입니다. 가스 터빈 엔지니어링 초기에 많은 실증적 장비 테스트에서 연소기 부하 및 연료 공기 비율과 상관관계가 있을 수 있음이 밝혀졌습니다. 차트 5.5는 개념 설계에 충분한 일반 데이터를 보여줍니다. SFC와의 연소 효율의 일대일 교환 비율로 인해 일반적으로 차트 5.5의 구속되지 않은 설계에 대한 곡선이 달성되도록 설계 지침을 충족하도록 다른 타협이 이루어집니다.

연소기 부하는 연소기 설계 충족사항의 어려움을 측정하는 것으로 간주될 수 있습니다. 효율성 상관관계를 위해, 부하는 총 공기 흐름과 캔 부피(외부 환형 제외)를 사용하여 계산됩니다. 이는 전체 연소 과정을 반영하기 때문입니다. 낮은 부하 값이 연소 효율을 향상시킨다는 것은 차트 5.5를 통해서도 명백해집니다. 이 차트는 구속되지 않은 설계에 대해 50kg/satm1.8m3의 하중 값에서 발생하는 Knee point를 특징으로 하며, 이 이상에서는 효율이 급격히 떨어집니다. 설계점 질 유량 및 온도가 증가함에 따라 주어진 하중 값을 유지하기 위해 화염 튜브 부피를 증가시켜야 하므로 효율이 높아집니다. 그러나 지배적인 용어는 지수 1.8로 올려지기 때문에 연소기 압력입니다. 입구 압력이 증가함에 따라 주어진 적재 수준에 필요한 부피가 급격히 감소합니다.

연소기 체적은 처음에 해수면 정적 최대 정격 조건에서 10kg/s atm1.8 m3 미만의 부하 값을 달성하도록 설정되어야 합니다. 이것은 구속되지 않은 설계에 대해 99.9% 이상의 효율을 제공하며, 상당한 연소 안정성 특성을 보장해야 합니다. 이후의 개념 설계 반복 중에 필요한 볼륨이 비실용적이거나 반대로 탈 설계 효율성이 좋지 않은 경우 수정해야 할 수 있습니다. 작동 범위의 어느 곳에서든 90% 미만의 효율성은 허용되지 않을 것입니다.

 

 

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