6.2 설계점 성능 매개변수

 

[가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 6장. 설계점 성능 및 엔진컨셉 설계

6장. 설계점 성능 및 엔진컨셉 설계

[가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5장 가스 터빈 엔진 구성 요소

5장 가스 터빈 엔진 구성 요소

 

 

6.2.1 엔진 성능 매개변수

전체 엔진 성능을 정의하는 여러 주요 매개변수는 주어진 엔진 설계가 해당 응용 분야에 적합한지 평가하거나 여러 가능한 엔진 설계를 비교하는 데 활용됩니다. 이러한 엔진 성능 매개변수는 아래에 설명되어 있습니다.

 

. 출력 동력 또는 순 추력(Output power or net thrust, PW, FN)

필요한 출력 동력 또는 순 추력은 거의 항상 엔진 설계의 기본 목표입니다. 이는 전체 사이클 계산을 통해 평가됩니다. 터보프롭과 터보샤프트에는 유효 동력 또는 등가 동력이라는 용어가 사용되며, 배기가스에 잔류하는 추력은 관련 공식을 통해 동력으로 변환되어 샤프트 출력 동력에 더해집니다.

 

. 배기가스 출력 (Exhaust gas power)

터보샤프트 엔진 코어의 경우, 이는 100% 효율의 파워 터빈에서 생성되는 출력 동력입니다. 자유 동력  터빈(Free power turbine) 없이 엔진 코어를 테스트하거나 공급할 경우, 해당 설비에 그대로 남아 있거나 다른 협력 회사에서 공급할 수 있으므로 이 점이 중요합니다.

 

. 비출력 또는 비추력(Specific power or thrust, SPW, SFN)

엔진으로 유입되는 단위 질유량당 출력 또는 추력의 양입니다. 이는 엔진 중량, 정면 면적 및 체적을 나타내는 좋은 1차 지표입니다. 특히 엔진 중량이나 체적이 중요한 경우, 또는 단위 정면 면적당 항력이 큰 높은 마하수로 비행하는 항공기의 경우 비출력 또는 비추력을 최대화하는 것이 중요합니다. 터보프롭 및 터보샤프트의 경우, 관련공식의 유효 출력을 기반으로 유효 비출력을 평가할 수 있습니다.

 

. 비연료소비량(Specific fuel consumption, SFC)

비연료소비량은 단위 시간당 단위 출력 또는 추력당 연소되는 연료의 질량입니다. 연료의 무게 및/또는 비용이 상당한 경우, SFC를 최소화하는 것이 중요합니다. SFC 값을 인용할 때는 유효한 '연속' 비교를 위해 연료의 발열량과 발열량이 더 높은지 낮은지를 명시하는 것이 필수적입니다. 또한, 터보프롭과 터보샤프트의 경우에도 효과적인 SFC를 평가할 수 있습니다.

 

 

. 축 동력 엔진의 열 효율(Thermal efficiency for shaft power engines, ETATH)

엔진 출력을 연료 에너지 입력 비로 나눈 값으로, 일반적으로 백분율로 표시됩니다. 이는 사실상 SFC의 역수이지만 연료 발열량과는 무관합니다. 그러나 열효율을 인용할 때는 연료 발열량이 더 높은지 낮은지를 기준으로 한 값인지 명시하는 것이 중요합니다. 복합 사이클 적용 분야에서는 총 열 효율(Gross Thermal Efficiency)과 순 열 효율(Net Thermal Efficiency)이라는 용어가 사용됩니다. 총 열 효율은 증기 플랜트 보조 장치를 구동하는 데 필요한 동력을 차감하지 않지만, 순 열 효율은 차감합니다.

열 효율은 일반적으로 산업용 가스터빈에, SFC는 항공기 터보샤프트 및 터보프롭에 사용됩니다. 선박 및 자동차용 가스터빈의 경우 두 용어가 모두 일반적으로 사용됩니다. 이러한 차이는 항공 응용 분야에서 연료 중량의 중요성이 더 높고 연료 발열량의 변동 가능성이 더 낮음을 나타냅니다.

 

. 축 동력 사이클의 열 소비율(Heat rate for shaft power cycles, HRATE)

열 소비율은 발전 산업에서만 사용되는 매개변수이며, 연료 에너지 투입량을 유효 출력량으로 나눈 값입니다. 따라서 SFC와 비슷하지만 연료 발열량과는 무관합니다. 연료 에너지 투입량을 계산할 때 더 높은 발열량을 가정했는지, 더 낮은 발열량을 가정했는지, 그리고 복합 사이클의 경우 값이 총 발열량인지 순 발열량인지 명시하는 것이 중요합니다.

관련 공식은 축 동력 엔진의 SFC, 열효율, 열 소비율 간의 상호 관계를 보여줍니다.

 

※ 발전기의 열소비율(heat rate)은 1kWh를 생산하는데 필요한 열량(kCal)을 일컬음

 

. 배기 온도(Exhaust temperature, T6)

산업용 복합 발전에 사용되는 엔진의 경우, 높은 배기 온도는 전체 효율을 극대화하는 데 필수적입니다. 열병합 발전의 경우, 최적값은 열과 전력의 상대적 수요에 따라 달라집니다. 두 경우 모두 증기 발전소의 기계적 무결성을 고려하여 허용 배기 온도에 한계가 있습니다. 군용 항공기의 경우, 열 추적 미사일에 나타나는 적외선 신호를 줄이기 위해 낮은 배기 가스 온도가 중요합니다.

 

. 배기 질유량(Exhaust mass flow, W6)

복합 사이클 또는 열병합 발전에 사용되는 엔진의 경우, 배기 질유량은 가스터빈 배기가스에서 이용 가능한 열을 나타내는 데 중요하며, 따라서 발전소의 전체 열효율을 결정하는 데에도 중요합니다.

 

관련 공식에서 볼 수 있듯이, 추력 SFC는 비행 속도에 정비례하고 열 효율과 추진 효율 모두에 반비례합니다. 효율에 대한 의존성은 직관적으로 명확합니다. 최소 SFC를 위한 압력비와 SOT의 선택은 추진 효율과 열 효율을 극대화하는 것 사이의 절충안입니다. 일반적인 설계점 다이어그램에서 알 수 있듯이 최적의 압력비와 SOT가 발생합니다.

추력 SFC가 비행 속도에 의존하는 이유는 연료 흐름이 열 효율과 추진 효율이 고정된 상태에서 출력과 관련이 있고, 추진 출력은 주어진 추력에서 비행 속도에 정비례하기 때문입니다.

 

※ Stator Outlet Temperature (SOT)

정의: 가스터빈 또는 압축기 내의 Stator (고정익)를 지난 후, 로터(Rotor, 회전익)**로 들어가기 직전의 가스 온도를 의미합니다.

 

 

6.2.2 사이클 설계 매개변수

3.6.5절에서는 온도 엔트로피 다이어그램과 관련하여 가스터빈 사이클의 기본 열역학을 논의했습니다. 이는 작동 유체가 겪는 압력과 온도의 변화가 엔진 성능 매개변수에 큰 영향을 미친다는 것을 즉시 보여줍니다. 압력과 온도 변화의 정도는 다음과 같은 사이클 설계 매개변수를 통해 반영됩니다.

 

. 전체 압력비(Overall pressure ratio)

전체 압력비는 압축기 공급 시 전압력을 엔진 입구 압력으로 나눈 값입니다.

 

. 고정자 출구 온도(SOT)

SOT는 첫 번째 터빈 로터에 들어갈 때 일을 할 수 있는 가스의 온도이며, 5장에 도표로 표시되어 있습니다. 사이클의 최대 온도를 나타내는 데는 다른 용어도 사용됩니다.

 

. 로터 입구 온도(Rotor inlet temperature, RIT): 이 용어는 북미에서 가끔 사용되며, SOT와 같은 의미입니다.

. 연소기 출구 온도(Combustor outlet temperature, COT): 첫 번째 터빈 노즐 가이드 베인 앞전(Leading edge)의 온도입니다.

. 터빈 입구 온도(Turbine entry temperature, TET): 위의 두 가지 의미 중 하나를 가질 수 있습니다.

 

 

여기서 사용되는 SOT의 표준 정의는 다음과 같습니다:

연소 전달 가스가 첫 번째 터빈 로터의 상류로 유입되는 모든 냉각 공기와 혼합되어 노즐 가이드 베인 유동과 비슷한 운동량을 가지기 때문에 일로써 작동할 수 있는 완전히 혼합된 출구 온도입니다.

따라서 이 정의에서는 노즐 가이드 베인 또는 플랫폼 냉각 공기가 목(Throat) 상류로 유입되거나 주 유동과 동일한 운동량 및 방향으로 배출되는 뒷전(Trailing Edge) 냉각 공기가 포함됩니다. 그러나 전면 디스크 면 냉각 공기 유량은 터빈 로터에서 일로써 작동하지 않으므로 SOT 평가에 고려되지 않습니다. 대부분의 가스 터빈 엔진 유형에서는 기계적 설계 제약 조건 내에서 가능한 한 높은 수준으로 SOT를 높이는 것이 바람직합니다.

또한 터보팬 엔진의 경우, 평행 가스 경로로 인해 두 가지 추가 사이클 설계 변수가 발생합니다.

 

. 팬 압력비(Fan pressure ratio)

팬 압력비(Fan pressure ratio)는 팬 출구의 전압력(total pressure)과 팬 입구의 전압력의 비율입니다.
그리고 코어 흐름(core stream)에서의 팬 압력비는 바이패스 흐름(bypass stream)보다 일반적으로 더 낮습니다, 그 이유는 (코어 흐름 쪽 팬 블레이드의) 블레이드 속도가 더 낮기 때문입니다.

 

. 바이패스 비율(Bypass ratio, BPR)

냉각 흐름의 질유량과 고온 흐름의 질유량의 비율입니다. 바이패스 비율의 실제 한계는 5.5절에서 설명되어 있습니다.

 

[가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 5.5 팬 – 설계점 성능 및 기본 크기 조정

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