5.7.4 압력 손실

2023.06.07 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.7 연소기 – 설계점 성능 및 기본 크기

 

5.7.4 압력 손실

압축기 출구 마하수는 대략 0.2–0.35입니다. 이것은 캔 주변의 연소기 입구 디퓨저에서 0.05와 0.1 사이로 줄여야 합니다. 그렇지 않으면 캔 벽면에서 압력 손실이 허용할 수 없을 정도로 높아질 것입니다. 연소기 입구 디퓨저의 설계점 성능은 5.13절에서 설명하고 있습니다.

연소기 냉각 손실은 벽을 통해 주입되는 공기 흐름으로 인해 발생합니다. 좋은 설계는 기하학적 구속조건에 따라 설계점에서 전압력의 2~4% 값을 갖습니다. 비행 마하수가 높은 경우, 캔 외부의 항공 엔진 마하수는 정면 영역을 최소화하기 위해 원하는 값보다 크게 설계될 수 있습니다. 이 같은 경우, 냉압 손실은 7%까지 높을 수 있습니다.

또한 화염관의 연소 부분에 기본적인 또는 고온의 손실이 있을 수 있습니다. 열전달이 있는 덕트의 흐름을 Raleigh 유동이라고 하며 기본적인 열역학을 통해 열 방출과 관련된 압력 손실이 있음을 나타낼 수 있습니다. 이는 밀도가 감소하면 속도가 증가하고 운동량 변화에 대한 압력 강하가 필요하게 됩니다. 일반적인 연소기 마하수가 0.025인 경우, 고온 손실은 온도 비율이 2와 4인 경우 각각 약 0.05%와 0.15%입니다.

 

5.7.5 연소기 온도 상승

입구 온도, 연료 공기 비율 및 연료 유형의 함수로서 연소 온도 상승에 대한 차트 및 공식은 3장에서 제공됩니다.

 

5.7.6 기본 크기 매개변수 가이드

연소기의 첫 번째 패스 치수를 생성하기 위한 지침은 아래와 같습니다.

 

부하

연소기 체적은 여러 작동 조건에서의 부하를 고려하여 도출해야 합니다. 여기에서 제공된 가이드는 총 캔 부피(외부 환형 제외)와 질유량을 기반으로 합니다. 해수면에서 정적 최대 정격 하중은 10 kg/satm1.8 m3 미만, 바람직하게는 5kg/satm1.8 m3 미만이어야 합니다. 산업용 엔진의 경우, 더 큰 부피가 실용적이며 1kg/satm1.8 m3 만큼 낮은 값을 얻을 수 있습니다.

작동 영역에서 가장 높은 부하량은 일반적으로 가장 높은 고도, 가장 낮은 비행 마하수 및 가장 추운 날의 Idle 상태에서 발생합니다. 이 조건에서 이상적으로 적재하는 것은 50kg/satm1.8 m3 미만이어야 수용할 수 있는 효율성과 약한 강도 여유 마진을 보장할 수 있습니다. 최악의 경우, 구속 또는 비제약 설계의 경우, 각각 75 kg/satm1.8 m3 또는 100 kg/satm1.8 m3 미만이어야 합니다.

또한 항공 엔진이 연소기 재점화를 달성하려면 필요한 최고 고도와 최저 마하수에서 윈드밀일 때, 300 kg/satm1.8 m3 미만이어야 합니다.

연소기 부피는 위의 지침에서 유도된 세 가지 값 중에서 가장 큰 값이어야 합니다.

 

연소 강도

연소 강도는 단위 체적당 열 방출 속도를 측정하는 지표입니다. 하중에 대해서는 연소의 어려움을 측정하는 다른 지표이며, 낮은 값이 바람직합니다. 해수면 정적 최대 등급에서는 60 MW/m3 atm 미만이어야 합니다. 이는 산업용 엔진에 대해서는 쉽게 달성할 수 있지만 항공 엔진에 대해서는 도전적일 수 있습니다. 연소기 부피는 하중과 강도의 지침 모두를 충족시키기 위해 적절히 조정되어야 합니다.

 

체류 시간

체류 시간은 하나의 공기 분자가 연소기를 통과하는 데 소요되는 시간을 의미합니다. 전통적인 연소기의 경우 최소 3ms 이상이어야 합니다.

 

국부 마하수와 연소 시스템 면적

국부 마하수와 연소 시스템 면적에 대한 설계 지침은 그림 5.24에 제시되어 있습니다. 주요 영역에서의 인젝터 포트 이전의 내부 및 외부 환형에서의 마하수는 약 0.1의 수준이어야 하며, 이는 더 먼저 따라오는 환형에서 낮은 수준의 마하수로 이어져야 합니다. 따라서 각 환형의 면적은 주어진 입구 조건에 대해 Q 곡선을 사용하여 유도될 수 있습니다. 낮은 환형 마하수는 인젝터 포트의 Mach 수를 약 0.3으로 유지하기 위해 필수적입니다. 왜냐하면 좋은 방출 계수를 위해서는 인젝터 포트 대 환형 마하수 비율이 2.5보다 크게 유지되어야 하기 때문입니다. 인젝터 포트의 마하수 0.3은 압력 손실을 최소화하면서 좋은 관통력을 달성하기 위한 타협점입니다. 포트가 각도가 있는 경우, 기본 포트를 통해 들어가는 공기의 절반은 상류의 기본 영역에 합류하고, 나머지 절반은 하류의 보조 영역에 합류한다고 가정하는 것이 합리적입니다.

주요 영역 내의 유동 상태는 복잡하며, 가장 일반적인 것은 그림 5.24에 표시된 이중 토로이드입니다. 이는 연료와 공기를 적절하게 혼합하고, 화염이 안정화될 수 있는 저속도 영역을 제공하는 데 필수적입니다. 주요 영역을 떠나는 평균 축 방향 마하수는 약 0.02-0.05의 수준이어야 합니다. 열 방출에도 불구하고, 알려진 질유량 (다음 절에 따라 분수를 사용하여 유도)과 압력, 아래에서 설명하는 화학적 평형 온도를 사용하여 이 평면에서 화염 관의 면적을 평가하는 데 Q 곡선을 사용할 수 있습니다.

보조 영역에서 공기 유량이 유입된 후, 화염 관 내의 마하수는 약 0.075-0.1 정도로 상승할 수 있습니다. 마지막으로, 제3의 공기가 유입되고 유동은 터빈 진입 덕트를 따라 가속되어 노즐 가이드 베인 선단에서 약 0.2까지 상승합니다.

 

 

2023.06.07 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.7 연소기 – 설계점 성능 및 기본 크기

5.7 연소기 – 설계점 성능 및 기본 크기