5.9 축류 터빈 – 설계점 성능 및 기본 크기 조정 가이드

2023.06.21 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.8 연소기 – 탈 설계 성능

 

5.9 축류 터빈 – 설계점 성능 및 기본 크기 조정 가이드

터빈은 기체 흐름에서 동력을 추출하여 엔진 압축기 또는 동력 터빈의 경우, 프로펠러 또는 발전기와 같은 부하를 구동합니다. 5.11.6 및 5.11.7절에서는 축류 형 또는 방사형 터빈이 개별 응용 분야에 가장 적합한 이유를 설명합니다. 5.15절에서는 터빈 블레이드 및 디스크 냉각에 관해 설명합니다.

 

5.9.1 구성 및 속도 삼각형

그림 5.28은 1단 축류 터빈의 구성을 나타냅니다. 스테이지는 한 줄의 노즐 가이드 베인(NGV)과 디스크에 장착된 한 줄의 로터 블레이드로 구성됩니다. 슈라우드 블레이드는 간극 손실을 줄이고 종종 연동되어 기계적 댐핑을 제공합니다. 그러나 슈라우드는 스트레스 수준을 높입니다. 다단계 터빈의 경우, 블레이딩은 드럼을 형성하는 원추형 구동기를 통해 연결된 디스크와 함께 환형으로 순차적으로 배열됩니다.

그림 5.29는 입구 및 출구 속도 삼각형과 함께 피치 라인 NGV 및 블레이드 에어포일을 보여주며 스테이지를 통한 주요 열역학 매개변수의 변화도 주석으로 표시하고 있습니다. 고온 및 고압가스는 일반적으로 0.2 마하수 미만에서 축 방향으로 첫 번째 단계 NGV에 들어간 다음, 회전에 따라 가속되면서 유동 면적을 줄입니다. 평균 NGV 출구 마하수는 0.75에서 초음속 사이일 수 있습니다. 일이나 열전달이 없으며 마찰과 난류 손실로 인한 총 압력 손실이 적습니다. 냉각 공기를 추가하는 경우를 제외하고 전체 온도는 변하지 않고 정압과 온도는 가속으로 인해 감소합니다.

소용돌이 속도의 변화를 통해 로터 전체에서 동력이 추출됩니다. 압축기의 경우, 오일러 일은 블레이드 속도의 곱입니다. 총 온도와 총압력이 감소합니다. 상대 속도는 증가하고 상대 총온도는 일정하게 유지됩니다. 출력은 압축기와 유사한 공식을 통해 계산할 수 있습니다.

 

5.9.2 기존 터빈 크기 조정

압축기의 선형 스케일링에 관한 5.1.2절의 모든 설명은 터빈에도 동일하게 적용됩니다. 또한 출구 소용돌이 각도는 변경되지 않습니다.

 

5.9.3 효율

관련 공식에 정의된 대로 등엔트로피 효율은 주어진 팽창비를 이상값으로 나눈 실제 특정 일 출력 또는 총 온도 강하입니다.

압축기의 경우, 폴리트로픽 효율은 팽창 과정에서 무한히 작은 단계의 등엔트로피 효율로 정의되며 전체적으로 일정합니다. 다단계 터빈의 후단에서의 입구 온도가 더 낮고 따라서 동일한 압력 강하에 대해 더 적은 일 출력이 달성된다는 사실을 설명합니다. 폴리트로픽 효율은 설계점 계산에 직접 사용되지는 않지만 비교 기준으로써 서로 다른 팽창비의 터빈을 비교할 수 있다는 점에서 중요합니다. 동일한 기술 수준의 제품은 정면 면적과 스테이지당 요구되는 팽창비에 대해 유사한 기하학적 설계 자유도를 가지며 전체 팽창비와 관계없이 동일한 폴리트로픽 효율을 갖습니다. 이 두 효율 유형 간의 변환에 대한 공식 및 차트는 3장에서 설명하고 있습니다.

차트 5.8은 일반적으로 Swindell 또는 Smith 차트라고 합니다. 일정한 등엔트로피 효율 대 부하 및 축 속도 비율의 등고선을 보여줍니다. 다양한 설계 옵션에 대한 우수한 비교 대상일 뿐만 아니라 차트는 주어진 설계에 대해 얻을 수 있는 효율에 대한 1차 판단을 제공하는 데 사용될 수 있습니다. 다음은 유의해야 할 사항입니다.

 

. 제공되는 차트는 3D 직교 공기역학 설계, 대형 엔진 LP 또는 동력 터빈(10 kgK/skPa 이상의 용량)과 같은 대형 블레이드, 가스 경로 공기역학에 영향을 미치는 냉각 공기 없을 경우, 풍압이 없을 경우, 50% 반동 제로 팁 간극 및 기타 기하학적 타협이 없을 경우에서 최고 기술 수준에 대한 것입니다.

 

. 위의 장점을 모두 갖춘 실용적인 설계에서 얻을 수 있는 최고 효율 수준은 95%입니다.

 

. 낮은 기술 블레이딩의 다른 극단에서 약 3개 지점은 차트 5.8의 값에서 차감됩니다.

 

. 낮은 용량(약 0.1 kgK/skPa)의 경우, 차트 5.8의 수준에서 약 3% 포인트 더 차감되어야 하며 손실은 크기 범위의 하단에서 더 빠르게 증가합니다.

 

. 위의 두 데이텀 레벨 사이의 값은 중간 기술 레벨 또는 나중에 설명하는 다른 주요 설계 매개변수 중 일부가 기하학적 또는 기계적 제약으로 인해 최적 레벨로 설정될 수 없는 경우에 달성됩니다.

 

. 냉각 공기는 또한 달성할 수 있는 효율 수준을 낮춥니다. 먼저 로터 블레이드 냉각 공기의 각 백분율에 대해 차트 5.8의 값을 다음과 같이 빼야 합니다. 이 값은 냉각 공기가 블레이드 열에서 작동하지 않는다는 가정하에 성능 모델을 기반으로 합니다.

- 흡입면 필름 냉각 1%당 1.5%

- 업스트림 분사에 의한 로터 슈라우드 냉각의 1%당 0.5%

- 뒷전 냉각 1%당 0.5%

- 리딩 엣지 또는 압력면 냉각의 1%당 0.25%

 

. 적용할 수 있는 경우, 교환율은 NGV의 대해 위의 약 절반입니다.

 

. 0이 아닌 팁 간극은 일반적으로 불가피하며 5.10.8절에서 설명한 것처럼 효율 수준을 낮춥니다.

 

 

 

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