원심 압축기

임펠러 압축기 또는 레이디얼 압축기로도 불리는 원심 압축기는 동적 축대칭 작업 흡수 터보 ^[1]기계의 하위 등급입니다.

로터/임펠러를 통과하는 연속적인 유체 흐름에 에너지를 추가하여 압력 상승을 달성합니다.다음 방정식은 이 특정 에너지 입력을 보여 줍니다.이 에너지의 상당 부분은 확산기를 통한 흐름을 느리게 함으로써 상승된 위치 에너지/정압으로 변환되는 운동성이다.임펠러의 정압 상승은 디퓨저 상승과 거의 같을 수 있습니다.

식 0.1

${\displaystyle H=parcome }\left(\left(R{C\theta }\right)_{2}-\left(R{C\theta }\right)_{1}\right)}$^[1]

여기서 제어 볼륨 명명법(그림 0.4 참조)은 다음과 같습니다.

• 1개의 첨자는 임펠러 입구 위치, 스테이션1
• 2개의 첨자, 임펠러 배출/배출 위치, 스테이션 2
• H는 단위 질량당 에너지 입력(단위=(LP/m))입니다.
• δ는 임펠러의 회전 속도(단위=(라디안/t))입니다.
• R은 지정된 위치의 반지름입니다. units=(L)
• C는 지정된 위치에서의 유체/가스 속도, 단위=(L/t)
• θ는 극좌표계의 접선 벡터 성분이다.

단순 원심 압축기 구성 요소

단순 원심 압축기 스테이지에는 흡입구, 임펠러/로터, 디퓨저 및 ^[1]컬렉터의 네 가지 구성 요소(통과 흐름 순서대로 나열됨)가 있습니다.그림 1.1은 원심 임펠러로 들어가는 흐름(작업 가스)이 왼쪽에서 오른쪽으로 축 방향으로 흐르는 흐름의 각 구성 요소를 보여줍니다.이 터보샤프트(또는 터보프롭) 임펠러는 컴프레서를 다운스트림으로 볼 때 시계 반대 방향으로 회전합니다.흐름은 컴프레서를 왼쪽에서 오른쪽으로 통과합니다.

흡입구

원심 압축기의 가장 간단한 흡입구는 일반적으로 단순한 파이프입니다.사용/어플리케이션의 도입구에 따라서는 매우 복잡할 수 있습니다.여기에는 흡기 스로틀 밸브, 쉬라우드 포트, 고리형 덕트(그림 1.1 참조), 분기 덕트, 흐름을 직진하거나 선회하는 데 사용되는 고정식 가이드 날개/에어로일(그림 1.1 참조), 가동 가이드 날개(선회 전 조절 가능) 등의 다른 구성 요소가 포함될 수 있습니다.압축기 인렛에는 압축기 성능을 제어하기 위해 압력 및 온도를 측정하는 계측기가 포함되어 있는 경우가 많습니다.

베르누이의 유체 역학 원리는 흡기구와 같은 날개 없는 고정 구성 요소를 이해하는 데 중요한 역할을 합니다.보조 흐름을 가정한 엔지니어링 상황에서는 다음 형식으로 방정식을 작성할 수 있습니다.

식 1.1

$\displaystyle \left(\frac {v^{2}}{\right})+\frac\frac{\right}{p}{\rho}}_{0}=\left(\frac{v^{2}}}\frac{\fright}+\frac}\frac{\frac}\frac}$

여기서:

• 0은 컴프레서의 입구, 스테이션 0입니다.
• 1은 임펠러 입구, 1번 스테이션입니다.
• p는 압력입니다.
• θ는 $밀도$이고 $p$~ $)({displaystyle$ \rho$({\tilde${p$$}})})는 압력의 함수임을 나타냅니다.
• $\displaystyle$v는$$ 흐름 속도입니다.
• θ는 유체의 비열 비율입니다.

원심 임펠러

원심 컴프레서 단계에서 식별되는 구성 요소는 원심 임펠러 로터입니다.임펠러는, 「오픈」(가시블레이드), 「커버 또는 쉬라우드」, 「스플리터」(기타 인듀서 모두 떼어냄), 「스플리터 없음」(모두 풀 블레이드) 등, 많은 구성으로 설계되어 있습니다.그림 0.1, 1.2.1 및 1.3은 풀 블레이드/베인과 더 짧은 길이의 스플리터 블레이드/베인을 번갈아 사용하는 3개의 다른 오픈 풀 인듀서 로터를 보여줍니다.일반적으로 사용되는 수학적 명명법은 첨자 1이 있는 임펠러의 앞쪽 가장자리를 가리킵니다.이에 대응하여 임펠러의 후연을 첨자 2라고 한다.

작동 가스/흐름이 스테이션 1에서 2까지 임펠러를 통과하면 운동 에너지와 위치 에너지가 증가합니다.이는 임펠러의 증가하는 반지름을 통해 가스가 더 높은 에너지 수준에 도달할 수 있다는 점을 제외하면 축방향 압축기와 동일합니다.현대의 많은 고효율 원심 압축기에서 임펠러에서 나오는 가스는 음속에 가깝게 이동합니다.

현대의 고효율 임펠러는 대부분 블레이드 ^[2][3][4]형태에 "백위프"를 사용합니다.

일반적인 오일러 방정식(유체 역학)의 파생은 오일러의 펌프 및 터빈 방정식으로, 임펠러 성능을 이해하는 데 중요한 역할을 합니다.이 방정식은 다음 형식으로 작성할 수 있습니다.

식-1.2 (임펠러 속도 삼각형을 나타내는 그림 1.2.2 및 1.2.3 참조)

$({displaystyle E=\left({\frac {u_{2}}{2g}})-{\frac {u_{1}}{2g}\right}+\frac {w_{2}}{2g}})-{\frac {w_{1}}-{2g}-{\right}-{\frac})+\frac {\frac}:{\frac}{2g}{\frac}:{\frac}:{\frac}:{c}$

여기서:

• 1 첨자 1은 임펠러 선단(선단), 1번 스테이션입니다.
• 2 첨자 2는 임펠러 후행 가장자리(추정), 2번 스테이션입니다.
• E는 유체에 가해지는 에너지입니다.
• g는 중력에 의한 가속도입니다.
• u는 임펠러의 기준 속도, 단위 속도입니다.
• w는 임펠러에 대한 유속(단위 속도)입니다.
• c는 정지 상태에 대한 흐름의 절대 속도, 단위 속도입니다.

• 

  그림 1.2.2 - 원심 압축기 임펠러용 흡입 속도 삼각형

• 

  그림 1.2.3 - 원심 압축기 임펠러용 출구 속도 삼각형

디퓨저

다음 구성 요소인 단순 원심 압축기 내 임펠러 다운스트림에서 디퓨저가 발생할 수 있습니다.^{[5] [4]} 디퓨저는 가스 속도를 점진적으로 느리게(확산)함으로써 흐름의 운동 에너지(고속)를 증가된 위치에너지(정압)로 변환합니다.디퓨저는 베인리스, 베인드 또는 교대로 조합할 수 있습니다.고효율 베인드 디퓨저도 1개 미만부터 4개 이상까지 다양한 고도에 걸쳐 설계되어 있습니다.베인드 디퓨저의 하이브리드 버전에는 웨지(그림 1.3 참조), 채널 및 파이프 디퓨저가 포함됩니다.일부 터보차저에는 디퓨저가 없습니다.일반적으로 허용되는 명명법은 확산기의 리드 에지를 스테이션 3으로, 후행 에지를 스테이션 4로 나타낼 수 있습니다.

베르누이의 유체역학 원리는 디퓨저 성능을 이해하는 데 중요한 역할을 합니다.보조 흐름을 가정한 엔지니어링 상황에서는 다음 형식으로 방정식을 작성할 수 있습니다.

식-1.3

$(\displaystyle \left(\frac {v^{2}}{\right})+\frac\frac{\right}_{2}=\left(\frac\frac {v^{2}}\right})+\frac{\frac}\frac{1}\frac{\frac}\frac}\light}\fright}$

여기서:

• 2는 디퓨저의 입구, 스테이션 2입니다.
• 4는 디퓨저(스테이션 4)의 방전입니다.
• (위의 흡입구 참조).

수집기

원심 압축기의 컬렉터는 다양한 형태와 형태를 취할 수 있습니다.^{[5] [4]} 디퓨저가 큰 빈 원주형(고정 면적) 챔버로 방출되면 컬렉터를 플레넘(Pleenum)이라고 부를 수 있습니다.달팽이 껍질, 황소 뿔 또는 프렌치 뿔처럼 생긴 장치에 디퓨저가 방출되면 수집기는 볼루트 또는 스크롤이라고 불릴 수 있습니다.

디퓨저가 고리형 벤드로 배출되면 컬렉터를 연소기 입구(제트 엔진 또는 가스 터빈에 사용됨) 또는 리턴 채널(온라인 다단 컴프레서에 사용됨)이라고 할 수 있습니다.이름에서 알 수 있듯이 수집기의 목적은 확산기 방전 고리로부터의 흐름을 수집하여 응용 프로그램이 필요로 하는 모든 컴포넌트로 이 흐름을 다운스트림으로 전달하는 것입니다.집전관 또는 배출관에는 컴프레서를 제어하는 밸브 및 계기도 포함될 수 있습니다.일부 어플리케이션에서는 컬렉터가 확산기보다 훨씬 ^[6]덜 효율적으로 흐름(운동 에너지를 정압으로 변환)을 확산시킵니다.

베르누이의 유체역학 원리는 디퓨저 성능을 이해하는 데 중요한 역할을 합니다.보조 흐름을 가정한 엔지니어링 상황에서는 다음 형식으로 방정식을 작성할 수 있습니다.

식 1.4

$(\displaystyle \left(\frac {v^{2}}{\right})+\frac\frac{\right}{p}{\rho}}_{4}=\left(\frac{v^{2}}}\frac\frac{1}\fright}+\frac{\frac}\frac}\fright})$

여기서:

• 4는 디퓨저(스테이션 4)의 입구입니다.
• 5는 디퓨저(스테이션 5)의 방전입니다.
• (위의 흡입구 참조).

역사적 공헌, 선구자

지난 100년 동안, Stodola(1903, 1927-1945),^[7] Pfleider(^[8]1952), Hawthorne(1964),^[9] Shepherd(^[1]1956), Lakshminarayana(1996),^[10] Japikse(인용문 ^{[2][11][citation needed][12]}포함 많은 문서)를 포함한 응용 과학자들은 젊은 엔지니어들을 터보 기계의 기초에 대해 교육시켰다.이러한 이해는 축방향, 혼합 흐름 및 방사형/중심 구성의 모든 동적, 연속 흐름, 축대칭 펌프, 팬, 블로어 및 압축기에 적용됩니다.

이러한 관계가 터빈과 축방향 압축기의 발전으로 원심 압축기를 비롯한 다른 터보 기계에서 흔히 볼 수 있는 이유입니다.그림 1.1과 1.2는 원심 ^[13][14]압축기를 나타내는 라벨이 부착된 터보 기계의 영역을 보여줍니다.원심 압축기의 개선은 대규모 발견을 통해 달성되지 않았습니다.오히려, 많은 개인이 발견한 지식의 조각을 이해하고 적용함으로써 개선이 이루어졌습니다.

공기역학-열역학 영역

그림 2.1(오른쪽 그림)은 터보 기계의 에어로 서모 영역을 나타낸다.수평축은 열역학 ^[1][14]제1법칙에서 도출할 수 있는 에너지 방정식을 나타냅니다.마하 수치로 특징지을 수 있는 수직 축은 유체 압축성(또는 탄성)^[1][14]의 범위를 나타냅니다.레이놀즈 수로 특징지을 수 있는 Z축은 유체 점도의 범위(또는 ^[14]점착성)를 나타냅니다.이 에어로 서모 영역의 기초를 확립한 수학자와 물리학자는 다음과 같습니다.^[15][16]아이작 뉴턴, 다니엘 베르누이, 레온하르트 오일러, 클로드 루이 나비에, 조지 스토크스, 에른스트 마하, 니콜라이 예고로비치 주코프스키, 마르틴 쿠타, 루트비히 프란틀, 테오도르 폰 카르만, 폴 리처드 하인리히 블라시우스, 앙리 코안드.

물리 기계 영역

그림 2.2(오른쪽 그림)는 터보 기계의 물리적 또는 기계적 영역을 나타냅니다.다시, 수평축은 터빈이 왼쪽으로 전력을 생성하고 압축기가 오른쪽으로 ^[1][14]전력을 흡수하는 에너지 방정식을 나타냅니다.물리적 영역 내에서 수직 축은 터보 기계 ^[1][14]용도에 따라 고속과 저속을 구분합니다.Z축은 터보 ^[1][14]기계의 물리적 영역 내에서 Axial-flow 지오메트리와 Radial-flow 지오메트리를 구분합니다.혼합 흐름 터보 기계는 축 방향과 ^[1][14]방사형 사이에 있음을 암시합니다.터보 기계의 실용화를 추진한 기술적 성과는 다음과 같습니다.^[15][16]Denis Papin,^[17] Kernelien Le Demour, Daniel Gabriel Fahrenche, John Smeaton, Dr. A. C. E. Rateau,^[18] John Barber, A. Sablukov, Charles Algernon Parsons, Agidius Elling, Sanford Alexanderman Mos, Willis, Hermann, Hermann, Hermann, Hermann, Hermann, Hermann

역사적 기여의 일부 연대표

표 2.1

1689 미만	초기 터보 기계	펌프, 송풍기, 팬
1689	데니스 파핀	원심 압축기의 원점
1754	레온하르트 오일러	오일러의 "펌프 & 터빈"
1791	존 바버	제1회 가스터빈
1899	A. C. E. 레이토	최초의 실용적인 원심 압축기
1927	아우렐 볼레슬라프 스토돌라	공식화된 "슬립 팩터"
1928	아돌프 부세만	파생된 "슬립 계수"
1937	프랭크 위틀과 한스 폰 오하인은 독립적으로	원심 압축기를 사용한 첫 번째 가스 터빈
1970년 이상	현대 터보 기계	3D-CFD, 로켓 터보펌프, 심장 보조 펌프, 터보차지 연료전지

터보 기계의 유사성

원심 압축기는 여러 면에서 다른 터보 기계와 유사하며 다음과 같이 비교 및 비교됩니다.

축방향 압축기와의 유사성

원심 압축기는 회전 날개형 압축기라는 점에서 축방향 압축기와 유사합니다.두 가지 모두 5단 축 압축기와 1단 원심 ^{[10][citation needed]}압축기가 장착된 엔진의 인접 사진에 나와 있습니다.원심 임펠러의 첫 번째 부분은 축방향 컴프레서와 매우 유사합니다.원심 임펠러의 첫 번째 부분은 인덕터라고도 합니다.원심 압축기는 임펠러의 입구부터 출구까지의 반지름의 큰 변화를 사용하여 단일 스테이지(예[19]: Pratt & Whitney Canada PW200 시리즈의 헬리콥터 엔진)에서 축 스테이지보다 훨씬 더 큰 압력 상승을 발생시키기 때문에 축과 다릅니다.1940년대 독일의 Heinkel HeS 011 실험 엔진은 항공 터보제트로서는 최초로 축방향의 흐름 회전이 없음과 원심형의 90도 사이에 있는 압축기 단을 가지고 있었다.혼합/대각 흐름 압축기로 알려져 있습니다.소형 터보팬인 Pratt & Whitney Canada PW600 시리즈에는 사선 스테이지가 사용됩니다.

원심 팬

원심 압축기는 둘 다 증가하는 ^[1]반지름을 통해 흐름의 에너지를 증가시키기 때문에 옆 그림에 표시된 스타일의 원심 팬과 유사합니다.원심 팬과 달리 컴프레서는 더 높은 압력 상승을 일으키기 위해 더 빠른 속도로 작동합니다.대부분의 경우 원심 팬 설계에 사용되는 공학적 방법은 원심 압축기 설계 방법과 동일하기 때문에 매우 비슷하게 보일 수 있습니다.

일반화와 정의를 위해 원심 압축기는 밀도가 5% 이상 증가하는 경우가 많습니다.또한 작동 유체가 공기 또는 질소일 때 마하 0.3 이상의^[20] 상대 유체 속도를 경험하는 경우가 많습니다.이와는 대조적으로 팬이나 송풍기는 종종 5% 미만의 밀도 증가 및 최대 상대 유체 속도가 마하 0.3 미만인 것으로 간주된다.

다람쥐 케이지 팬

다람쥐 케이지 팬은 주로 환기를 위해 사용됩니다.이 타입의 팬내의 플로우 필드에는 내부 재순환이 있습니다.이에 비해 원심팬은 원주방향으로 균일하다.

원심 펌프

원심 압축기는 또한 옆 그림에 표시된 스타일의 원심^[1] 펌프와 유사합니다.이러한 컴프레서와 펌프의 주요 차이점은 컴프레서 작동 유체가 기체(압축 가능)이고 펌프 작동 유체가 액체(압축 불가능)라는 것입니다.다시 원심펌프를 설계하기 위해 사용되는 공학적 방법은 원심압축기를 설계하기 위한 공학적 방법과 동일합니다.그러나 한 가지 중요한 차이가 있습니다. 펌프 캐비테이션에 대처해야 한다는 것입니다.

레이디얼터빈

또한 원심 압축기는 그림과 같이 방사형 터빈과 터보 기계와 매우 유사합니다.압축기가 압력을 높이기 위해 에너지를 흐름으로 전달하는 동안 터빈은 흐름에서 에너지를 추출하여 압력을 ^{[citation needed]}감소시킴으로써 반대로 작동합니다.즉, 전력은 압축기에 입력되고 터빈에서 출력됩니다.

원심 압축기를 이용한 터보 기계

표준

터보 기계가 보편화됨에 따라 제조업체가 제품이 최소 안전 및 성능 요건을 충족하도록 최종 사용자에게 안내하기 위한 표준이 마련되었습니다.이러한 표준을 성문화하기 위해 결성된 협회는 제조업체, 최종 사용자 및 관련 기술 전문가에 의존합니다.이러한 어소시에이션과 그 표준의 일부를 다음에 나타냅니다.

• 미국 기계 공학회:BPVC, PTC.^[21][22]
• 미국석유협회: API STD 617 8TH ED(E1), API STD 672 5TH ED(2019).^[23][24]
• 미국 난방·냉장·공조 기술자 협회: 핸드북 ^[25]기초
• 자동차 기술자 협회^[26]
• 압축 공기 가스 연구소^[27]
• 국제 표준화 기구ISO 10439, ISO 10442, ISO 18740, ISO 6368, ISO 5389^[28]

적용들

아래는 각각 원심 압축기 적용의 일부 목록과 이러한 압축기가 보유한 일반적인 특성 중 일부를 간략하게 설명합니다.이 목록을 시작하려면 가장 잘 알려진 두 가지 원심 압축기 응용 프로그램, 즉 가스 터빈과 터보차저가 ^[10]나열되어 있습니다.

• 가스터빈과 보조 동력 장치.^[29]그림 4.1-4.2 참조
  현대식 가스 터빈은 단순한 형태로 브레이튼 사이클로 작동합니다.(그림 5.1 참조) 압축기는 압축하기 위해 축방향 압축기와 원심 압축기 중 하나 또는 둘 모두를 사용한다.원심 압축기를 포함하는 가스터빈의 유형은 소형 항공기 엔진(터보샤프트, 터보프롭, 터보팬), 보조 동력 장치 및 마이크로 터빈을 포함합니다.항공기 용도에 사용되는 모든 원심 압축기에 적용되는 산업 표준은 서비스에 필요한 안전과 내구성을 달성하기 위해 관련 민간 및 군 인증 기관이 설정합니다.가스 터빈에 사용되는 원심 임펠러는 일반적으로 티타늄 합금 단조로 제조됩니다.플로우 패스 블레이드는 일반적으로 5축 밀링 머신에서 측면 밀링 또는 포인트 밀링됩니다.임펠러가 쉬라우드를 문지르지 않고 주행 간극을 최대한 줄여야 하는 경우 임펠러는 먼저 고온, 고속으로 꺾인 형태로 그려지고 제조를 위해 그에 상응하는 냉간 정적 형태로 그려집니다.이는 가장 심한 작동 조건에서 임펠러가 휘어지는 경우 임펠러와 쉬라우드 사이의 필요한 핫 러닝 간격보다 100배 더 클 수 있기 때문에 필요합니다.

• 자동차 엔진 및 디젤 엔진과 과급기.^[30]참조: 그림 1.1
  왕복식 내연 엔진과 함께 사용되는 원심 압축기는 엔진의 배기 가스에 의해 구동되는 경우 터보차저, 엔진에 의해 기계적으로 구동되는 경우 터보차저로 알려져 있습니다.업계에서 설정한 터보차저 표준은 SAE에 의해 ^[26]제정되었을 수 있습니다.이상적인 가스 특성은 터보차저 원심 압축기 성능의 설계, 테스트 및 분석에 적합한 경우가 많습니다.

• 천연가스의 파이프라인 압축기에서 가스를 생산 현장에서 ^[31]소비자로 이동시킵니다.
  이러한 용도로 사용되는 원심 압축기는 1단 또는 다단일 수 있으며 대형 가스 터빈에 의해 구동됩니다.업계에서 정한 표준(ANSI/API, ASME)에 따라 케이싱이 두꺼워져 필요한 안전 수준을 달성합니다.임펠러는 항상 덮개가 있는 스타일이 아니더라도 펌프 임펠러처럼 보이는 경우가 많습니다.이러한 유형의 압축기는 API 스타일이라고도 합니다.이러한 압축기를 구동하는 데 필요한 전력은 대부분 수천 마력(HP)입니다.천연가스 파이프라인 원심 압축기의 성능을 적절하게 설계, 테스트 및 분석하려면 실제 가스 특성을 사용해야 합니다.

• 정유, 천연가스 가공, 석유화학 및 화학 공장.^[31]
  이러한 용도로 사용되는 원심 압축기는 대개 1축 다단으로 대형 증기 또는 가스 터빈에 의해 구동됩니다.로터가 슬라이딩된 상태에서 세로 분할선이 없는 경우 조립 또는 배럴 중에 로터가 하단 절반으로 낮아지는 경우 케이싱은 수평 분할이라고 합니다.이러한 압축기에 대한 업계 표준(ANSI/API, ASME)에 따라 필요한 수준의 안전성을 달성하기 위해 두꺼운 케이싱이 제공됩니다.임펠러는 종종 펌프 임펠러처럼 보이게 하는 덮개 스타일입니다.이러한 유형의 압축기는 API 스타일이라고도 합니다.이러한 압축기를 구동하는 데 필요한 전력은 보통 수천 대의 HP입니다.성능을 적절하게 설계, 테스트 및 분석하려면 실제 가스 특성을 사용해야 합니다.

• 냉난방, 냉동 및 HVAC: 원심 압축기는 수냉기 ^[32]사이클에서 압축력을 공급하는 경우가 많습니다.
  증기 압축 사이클(열역학 사이클, 열역학)이 다양하고 작동 가스(냉매)가 다양하기 때문에 원심 압축기는 다양한 크기와 구성으로 사용됩니다.이러한 기계의 성능을 적절하게 설계, 테스트 및 분석하려면 실제 가스 특성을 사용해야 합니다.이러한 압축기의 업계 표준에는 ASHRAE, ASME 및 API가 포함됩니다.

• 모든 유형의 공압 ^[33]공구에 압축 공기를 공급하는 산업 및 제조 분야.
  이러한 용도로 사용되는 원심 압축기는 종종 다단으로 전기 모터에 의해 구동됩니다.공기 온도를 제어하기 위해 단계 간에 종종 상호 냉각이 필요합니다.도로 수리 직원과 자동차 수리 차고는 스크류 압축기가 자신들의 요구에 더 잘 적응한다는 것을 발견합니다.이 압축기에 대한 업계 표준에는 ASME와 안전을 강조하는 정부 규제가 포함됩니다.이상적인 가스 관계는 종종 이러한 기계의 성능을 적절하게 설계, 테스트 및 분석하는 데 사용됩니다.반송파 방정식은 습도에 대처하기 위해 자주 사용됩니다.

• 공기 분리 공장에서 정제된 최종 제품 ^[33]가스를 제조합니다.
  이러한 용도로 사용되는 원심 압축기는 종종 공기 온도를 제어하기 위해 인터쿨링을 사용하여 다단식 압축기를 사용합니다.이 압축기에 대한 업계 표준에는 ASME와 안전을 강조하는 정부 규제가 포함됩니다.이상적인 가스 관계는 종종 작동 가스가 공기 또는 질소일 때 이러한 기계의 성능을 적절하게 설계, 테스트 및 분석하는 데 사용됩니다.다른 가스는 실제 가스 특성을 필요로 합니다.

• 석유회수를 개선하기 위해 유전에서 고압 천연가스를 ^[31]재주입한다.
  이러한 용도로 사용되는 원심 압축기는 대개 1축 다단식이며 가스 터빈에 의해 구동됩니다.배출 압력이 700bar에 육박하는 상황에서 케이스는 배럴형입니다.업계(API, ASME)에서 정한 압축기 규격에 따라 안전성을 극대화하기 위해 두꺼운 케이싱이 크게 제작되었습니다.임펠러는 항상 덮개가 있는 스타일이 아니더라도 펌프 임펠러처럼 보이는 경우가 많습니다.이러한 유형의 압축기는 API 스타일이라고도 합니다.성능을 적절하게 설계, 테스트 및 분석하려면 실제 가스 특성을 사용해야 합니다.

연산 이론

원심압축기에 들어가기 위해 직선을 통과하는 경우, 흐름은 축방향으로 균일하며 소용돌이 운동과 같은 소용돌이성이 없다.흐름이 원심 임펠러를 통과할 때 임펠러는 회전축에서 멀어질수록 흐름이 더 빨리 회전하도록 강제합니다.펌프와 터빈 방정식으로 알려진 오일러의 유체 역학 방정식의 형태에 따르면, 유체에 대한 에너지 입력은 흐름의 국부 회전 속도에 국부 임펠러 접선 속도를 곱한 것에 비례합니다.

대부분의 경우 원심 임펠러를 빠져나가는 흐름은 음속 근처로 이동합니다.그런 다음 정지된 컴프레서를 통해 흐르면서 감속합니다.정지형 압축기는 에너지 변환이 발생하는 유동 면적이 증가하는 덕트를 형성하고 있습니다.예를 들어 다른 임펠러나 연소기와 같은 기계의 다음 부품으로 들어가기 위해 흐름이 후방으로 회전해야 하는 경우, 정지된 회전 베인 또는 개별 회전 파이프(파이프 디퓨저)로 흐름을 유도함으로써 흐름 손실을 줄일 수 있습니다.베르누이의 원리에 기술된 바와 같이, 속도의 감소는 압력 ^[1]상승을 일으킨다.

성능

그림 5.1에는 가스터빈의 브레이튼 ^[15]사이클이 예시되어 있지만 압력별 부피와 온도 엔트로피의 예가 포함되어 있다.이러한 유형의 그래프는 한 작동 지점의 원심 압축기 성능을 이해하는 데 기초적입니다.두 그림은 압축기 입구(스테이션 1)와 압축기 출구(스테이션 2) 사이에서 압력이 상승함을 보여줍니다.동시에 특정 부피는 감소하고 밀도는 높아집니다.온도-엔트로피 그림은 온도가 엔트로피(손실) 증가와 함께 증가함을 보여 줍니다.건조한 공기와 이상적인 기체 방정식 및 등방성 프로세스를 가정하면 이 한 점에 대한 압력 비율과 효율을 정의할 수 있는 충분한 정보가 있습니다.컴프레서 맵은 전체 작동 범위에 걸친 컴프레서 성능을 이해하는 데 필요합니다.

그림 5.2, 원심 압축기 성능 맵(시험 또는 추정)은 4개의 속도 라인 각각에 대한 흐름, 압력 비율을 보여줍니다(총 23개의 데이터 지점).또한 지속적인 효율성 등고선도 포함됩니다.이 양식에 제시된 원심 압축기 성능은 맵에 표시된 하드웨어를 간단한 최종 사용자 요구 사항에 일치시키기에 충분한 정보를 제공합니다.

매우 비용 효율이 높은(따라서 설계에 유용함) 성능을 추정하는 것과 비교하면, 테스트는 비용이 많이 들지만 여전히 가장 정확한 방법입니다.^[12]또한 원심 압축기 성능 테스트는 매우 복잡합니다.ASME(즉, PTC–10, Fluid Meter Handbook, PTC-19.x),^[34] ASHRAE(ASHRAE 핸드북), API(ANSI/API 617–2002, 672–2007)^[31][33]와 같은 전문 사회는 자세한 실험 방법과 테스트 결과 분석에 대한 표준을 확립했다.이러한 복잡성에도 불구하고 테스트 성능 맵의 예를 검토함으로써 성능의 몇 가지 기본 개념을 제시할 수 있습니다.

퍼포먼스 맵

압력비와 유량은 그림 5.2 성능 맵을 단순한 압축기 애플리케이션에 일치시키는 데 필요한 주요 매개변수입니다^{[15][31][33][34]}.이 경우 흡입구 온도는 해수면 기준이라고 가정할 수 있다.흡기 온도 변화가 컴프레서 성능의 큰 차이를 일으키기 때문에 이러한 가정은 실제로 받아들여지지 않습니다.그림 5.2는 다음과 같습니다.

• 보정 질량 유량: 0.04 ~ 0.34 kg/s
• 총 압력비, 흡입구 대 배출(PR_t-t = P_t,discharge/P_t,inlet): 1.0 – 2.6

표준 관행과 마찬가지로 그림 5.2에는 흐름 매개변수로 라벨이 지정된 수평 축이 있습니다.흐름 측정에서는 다양한 단위를 사용하지만 모두 다음 두 범주 중 하나에 적합합니다.

단위 시간당 질량 흐름

kg/s와 같은 질량 흐름 단위는 혼동의 여지가 거의 없기 때문에 실제로 가장 쉽게 사용할 수 있습니다.남은 질문은 흡입구 또는 배출구(컴프레서에서 누출되거나 습기가 응결될 수 있음)에 관한 것입니다.대기의 경우 질량 흐름이 습하거나 건조할 수 있습니다(습도 포함 또는 제외).질량 흐름 사양은 종종 동등한 마하 수치인 $m{\displaystyle \mu \sqrt{}}$ /$µ$ {\$displaystyle$ m${\sqrt {theta }}/{\delta$^[35]에 따라 제시됩니다. 이러한 경우 등가 온도, 등가 압력 및 가스가 표준 조건에서 명시되거나 암시되는 것이 표준입니다.

단위 시간당 볼륨 흐름

반면 모든 볼륨 흐름 사양에는 밀도 사양이 추가로 필요합니다.베르누이의 유체역학 원리는 이 문제를 이해하는 데 큰 가치가 있다.압력, 온도 및 가스 상수가 부정확하거나 잘못 사용되어 혼동이 발생합니다.

또한 표준 관행과 마찬가지로 그림 5.2에는 압력 매개변수로 라벨이 지정된 수직 축이 있다.다양한 압력 측정 장치가 있습니다.모두 다음 두 가지 범주 중 하나에 해당합니다.

• A △ 압력, 즉 흡입구에서 배출구로 증가(압력계 포함)
• 토출 압력

압력 상승은 단위가 없는 비율로 지정할 수 있습니다.

• 압력비(출구/입구)

퍼포먼스 맵에 공통되는 기타 기능은 다음과 같습니다.

일정한 속도선

원심 압축기의 지도를 작성하는 가장 일반적인 두 가지 방법은 일정한 축 속도 또는 일정한 스로틀 설정을 사용하는 것입니다.속도가 일정하게 유지되는 경우 스로틀 위치를 변경하여 일정한 속도 라인을 따라 테스트 지점을 취합니다.반대로 스로틀 밸브가 일정하게 유지되면 속도를 변경하여 테스트 포인트를 설정하고 다른 스로틀 위치로 반복한다(일반 가스터빈 관행).그림 5.2에 표시된 지도는 가장 일반적인 방법인 일정한 속도의 라인을 보여줍니다.이 경우 데이터 포인트는 직선을 통해 50%, 71%, 87%, 100% RPM의 속도로 연결됩니다.처음 세 개의 스피드 라인은 각각 6점이고, 가장 빠른 라인은 5점이다.

항상 효율이 뛰어난 환경

다음으로 설명해야 할 특징은 일정한 효율의 섬을 나타내는 타원형 곡선이다.이 그림에서는 56%의 효율성(10진수 0.56)에서 76%의 효율성(10진수 0.76)에 이르는 11개의 등고선을 볼 수 있습니다.일반적으로 이러한 효율성은 폴리트로픽이 아닌 등엔트로픽으로 해석됩니다.효율성 섬이 포함되면 이 2차원 지도에 대한 3차원 토폴로지가 효과적으로 생성된다.흡기 밀도를 지정하면 공기역학적 출력을 계산할 수 있습니다.정전력의 라인은 쉽게 대체될 수 있습니다.

설계 또는 보증 포인트

가스터빈 작동 및 성능과 관련하여, 가스터빈의 원심 압축기에 대해 일련의 보장 포인트가 설정될 수 있습니다.이러한 요구사항은 전체 가스터빈 성능에 이차적으로 중요하다.이러한 이유로 이상적인 경우 원심 압축기의 피크 효율 곡선이 가스터빈의 필요한 작동 라인과 일치할 때 가장 낮은 비연료 소비량이 발생한다는 것만 요약하면 된다.

가스터빈과 달리, 대부분의 다른 애플리케이션(산업용 포함)은 덜 엄격한 성능 요구사항을 충족해야 합니다.과거에는 특정 흐름 및 압력에서 성능을 달성하기 위해 산업 애플리케이션에 적용되는 원심 압축기가 필요했습니다.최신 산업용 압축기는 다양한 흐름과 압력에 걸쳐 특정 성능 목표를 달성하기 위해 종종 필요합니다. 따라서 가스터빈 애플리케이션에서 볼 수 있는 정교함을 향한 중요한 발걸음을 내디뎠습니다.

그림 5.2에 나타난 압축기를 단순한 용도로 사용할 경우 76% 효율 내의 모든 지점(압력 및 흐름)은 매우 만족스러운 성능을 제공할 수 있습니다."최종 사용자"는 0.21kg/s에서 2.0 압력비의 성능 요건에 매우 만족할 것입니다.

서지

서지 - 임펠러가 시스템 저항 또는 배압을 ^[36]극복하기에 충분한 에너지를 추가할 수 없는 저유량 현상입니다.저유량 작동 시 임펠러 상에서의 압력비는 시스템 배압과 마찬가지로 높습니다.위급한 상황에서는 흐름이 로터 블레이드의 끝을 통해 임펠러 아이(흡입구)^[37]로 역류합니다.질량 흐름 또는 에너지의 비율이 너무 낮기 때문에 이러한 흐름 반전은 눈에 띄지 않을 수 있습니다.충분히 크면 급격한 흐름 반전(즉, 서지)이 발생합니다.임펠러 입구에서 나오는 역류 흐름은 강력한 회전 구성 요소를 나타내며, 이는 블레이드 앞쪽 가장자리의 낮은 반경 흐름 각도(임펠러 허브에 근접)에 영향을 미칩니다.유각의 열화로 인해 임펠러가 비효율적입니다.풀 플로우 반전이 발생할 수 있습니다.(따라서 서지는 축대칭 스톨이라고도 합니다).역류가 충분히 낮은 수준으로 감소하면 임펠러가 회복되고 단시간 동안 안정을 되찾아 스테이지가 다시 급상승할 수 있습니다.이러한 주기적 이벤트는 큰 진동을 유발하고 온도를 증가시키며 축 추력을 빠르게 변화시킵니다.이러한 현상이 발생하면 로터 씰, 로터 베어링, 컴프레서 드라이버 및 사이클 작동이 손상될 수 있습니다.대부분의 터보기계는 간헐적인 서핑을 쉽게 견딜 수 있도록 설계되어 있습니다.그러나 장시간 동안 기계 서지를 반복하거나 설계가 불량할 경우 서지를 반복하면 치명적인 고장으로 이어질 수 있습니다.특히 터보 기계는 내구성이 매우 뛰어나지만 물리적 시스템은 훨씬 덜 견고할 수 있습니다.

서지선

그림 5.2에 표시된 서지 라인은 4개의 속도 라인 각각에서 가장 낮은 유량을 통과하는 곡선입니다.테스트 맵으로서, 이 지점들은 테스트 시설/장비 내에서 안정적인 판독값을 기록하기 위해 가능한 가장 낮은 흐름점이 될 것입니다.많은 산업용 애플리케이션에서는 시스템 배압으로 인해 스톨 라인을 늘려야 할 수 있습니다.예를 들어, 100% RPM에서는 압력비 곡선의 양의 기울기로 인해 지연 흐름이 약 0.170 kg/s에서 0.215 kg/s로 증가할 수 있습니다.

앞에서 설명한 바와 같이, 그 이유는 그림 5.2의 고속 라인이 그 흐름 범위 내에서 지연 특성 또는 양의 기울기를 나타내기 때문입니다.다른 시스템에 배치되어 있는 경우, 그 시스템과의 상호 작용에 의해, 이러한 저흐름에 도달할 수 없는 경우가 있습니다.시스템 저항 또는 역압은 수학적으로 컴프레서 서지의 중요한 원인이라는 것이 입증되었습니다.

최대 흐름 라인 대 초크

초크는 두 가지 조건 중 하나에서 발생합니다.일반적으로 고속 장비의 경우 흐름 속도가 증가하면 압축기 단계 내 어딘가에서 음속에 근접할 수 있습니다.이 위치는 임펠러 입구 "throat" 또는 베인 디퓨저 입구 "throat"에서 발생할 수 있습니다.반면 저속기기는 흐름이 증가함에 따라 손실이 증가하여 압력비가 1:1로 떨어집니다.이 경우 초크가 발생할 가능성은 거의 없습니다.

가스터빈 원심 압축기의 속도 라인은 일반적으로 초크를 나타냅니다.이는 속도 라인의 압력비가 흐름의 변화가 거의 또는 전혀 없이 빠르게(수직으로) 떨어지는 상황입니다.대부분의 경우 임펠러 및/또는 확산기 내부 어딘가에서 마하 1에 가까운 속도에 도달하여 손실이 빠르게 증가했기 때문입니다.높은 압력 비율의 터보차저 원심 컴프레서도 동일한 현상을 보입니다.실제 초크 현상은 원심 압력 단계 내의 영역 제한 내에서 국소 마하 수치로 측정되는 압축성의 함수입니다.

그림 5.2에 표시된 최대 유량 라인은 각 속도 라인의 가장 높은 유량 지점을 통과하는 곡선입니다.검사 결과, 각 포인트의 효율이 56%에 가까운 것을 알 수 있습니다.저효율(60% 미만)을 선택하는 것은 높은 흐름에서 압축기 성능 맵을 종료하는 데 사용되는 가장 일반적인 방법입니다.최대 유량 라인을 설정하는 데 사용되는 또 다른 요인은 1에 가깝거나 같은 압력 비율입니다.50% 속도 라인은 그 예로 간주할 수 있습니다.

그림 5.2의 속도선 모양은 모든 원심 압축기 속도선의 최대 흐름과 관련하여 초크라는 용어를 사용하는 것이 부적절한 이유를 보여주는 좋은 예를 제공한다.요약하자면, 대부분의 산업용 및 상업용 원심 압축기는 최고 효율 또는 그 근처에서 작동하도록 선택되거나 설계되어 저효율에서 작동하지 않도록 되어 있습니다.이러한 이유로 원심 압축기 성능이 60% 미만임을 설명할 이유가 거의 없습니다.

많은 산업 및 상업용 다단 압축기 성능 맵은 스테이지 스태킹이라고 알려진 것과 관련된 다른 이유로 이와 같은 수직적 특성을 나타냅니다.

기타 동작 제한

최소 동작 속도

허용 가능한 작동을 위한 최소 속도, 이 값 이하에서는 컴프레서가 정지하거나 "유휴" 상태가 되도록 제어할 수 있습니다.

최대 허용 속도

컴프레서의 최대 작동 속도입니다.이 값을 초과하면 응력이 규정 한계 이상으로 상승하고 로터 진동이 빠르게 증가할 수 있습니다.이 레벨을 넘는 속도에서는 기기가 매우 위험해지고 저속 제어될 가능성이 있습니다.

치수 분석

원심 압축기 간의 이점을 비교하기 위해서는 터보 기계와 고전적인 8가지 매개 변수를 비교하는 것이 중요합니다.구체적으로는 압력상승(p), 흐름(Q), 각속도(N), 출력(P), 밀도(θ), 직경(D), 점도(μ) 및 탄성(e)이다.이것은 하나의 파라미터의 효과를 실험적으로 판단하려고 할 때 실질적인 문제를 일으킵니다.이는 이들 파라미터 중 하나를 개별적으로 변경하는 것은 거의 불가능하기 때문입니다.

버킹엄 δ 정리라고 알려진 절차 방법은 이러한 매개변수의 ^{[1][citation needed][16]}5차원 없는 형식을 생성함으로써 이 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.이러한 Pi 매개변수는 터보 기계에서 "단순도"와 "선호도 법칙"의 기초를 제공합니다.퍼포먼스의 특성화에 있어서 가치 있는 추가 관계(차원이 없는 관계)를 작성한다.

아래 예에서는 Head가 압력으로, 음속이 탄성으로 대체됩니다.

버킹엄 Ⅱ 정리

터보 기계의 경우 이 절차에서 사용되는 세 가지 독립적인 치수는 다음과 같습니다.

• $(\displaystyle$ M$)$ 질량$$(대안)
• ${\displaystyle L}${\$displaystyle$ L$}$ 길이$$
• ${\displaystyle T}$ $\$ $displaystyle$ T$$time$$ t

정리에 따라 8개의 주요 파라미터 각각은 다음과 같이 독립적 치수와 동일하다.

흐름	${\displaystyle Q=}$	$(\displaystyle\frac{L^{3}}){T}}}$	예: = m3/s
머리	${\displaystyle H=}$	$(\displaystyle\frac{ML}{T^{2}}})$	예: = kg·m/s2
스피드	${\displaystyle U=}$	${\displaystyle\frac{L}{T}}$	예: = m/s
힘	${\displaystyle P=}$	${\displaystyle {ML^{2}}{T^{3}}}}:$	예: = kg·m2/s3
밀도	${\displaystyle \rho =}$	$(\displaystyle\frac{M}{L^{3}}})$	예: = kg/m3
점성	${\displaystyle\mu =}$	${\displaystyle\frac{M}{LT}}$	예: = kg/m·s
직경	${\displaystyle D=}$	${\displaystyle L}$	예: = m
음속	${\displaystyle a=}$	${\displaystyle\frac{L}{T}}$	예: = m/s

고전적인 터보 기계 유사성

정식 절차를 따르는 작업을 완료하면 터보 ^[1]기계용 5차원 없는 매개 변수 세트를 생성할 수 있습니다.5개의 Pi-파라미터 각각이 서로 다른 두 경우를 비교할 때 동일한 경우 최대 유사성이 달성됩니다.이것은 물론 비교되고 있는 두 터보 기계가 기하학적으로나 성능 면에서 비슷하다는 것을 의미합니다.

Classic dimension-less similitude 파라미터 표

1	흐름 계수	${\displaystyle\Pi_{1}=}$	$\displaystyle\frac{Q}{ND^{3}}}}:$
	헤드 계수	${\displaystyle\Pi_{2}=}$	$(\displaystyle\frac{gH}{N^{2}D^{2}}})$
3	속도 계수	${\displaystyle\Pi_{4}=}$	${\displaystyle\frac{ND}{a}}$
4	전력 계수	${\displaystyle\Pi_{3}=}$	$(\displaystyle\frac {P}{\rho N^{3}D^{5}}})$
5	레이놀즈 계수	${\displaystyle\Pi_{5}=}$	$(\displaystyle\frac\rho ND^{2}}{\mu }})$

터보 기계 분석가는 위의 표에 표시된 5가지 매개변수를 비교함으로써 성능에 대한 엄청난 통찰력을 얻을 수 있습니다.특히 효율성 및 손실 계수와 같은 성능 매개 변수는 차원 없는 것입니다.일반적으로는 흐름계수와 헤드계수가 가장 중요한 것으로 간주됩니다.일반적으로 원심 압축기의 경우 속도 계수가 2차적으로 중요한 반면 레이놀즈 계수는 3차적으로 중요합니다.반면 펌프의 예상대로 레이놀즈 계수는 2차적으로 중요해지고 속도 계수는 3차적으로 중요해진다.그림 1.1의 y축을 정의하기 위해 속도 계수를 선택하는 동시에 z축을 정의하기 위해 레이놀즈 계수를 선택할 수 있다는 점이 흥미로울 수 있다.

기타 무차원 조합

아래 표에 치수 분석의 또 다른 값이 나와 있습니다.지수 및 곱셈을 통해 임의의 수의 새로운 차원 없는 매개변수를 계산할 수 있습니다.예를 들어, 아래에 표시된 첫 번째 매개변수의 변형은 항공기 엔진 시스템 분석에서 일반적으로 사용됩니다.세 번째 매개변수는 첫 번째와 두 번째의 단순화된 치수 변동입니다.이 세 번째 정의는 엄격한 제한에 따라 적용됩니다.네 번째 파라미터인 특정 속도는 직경을 제거한다는 점에서 매우 잘 알려져 있으며 유용합니다.다섯 번째 파라미터인 특정 직경은 Balje에 ^[38]의해 유용하게 발견되는 덜 자주 논의되는 무차원 파라미터입니다.

1	보정 질량 흐름 계수	${\displaystyle\Pi_{1}\Pi_{4}=}$	${\displaystyle\frac{m}{pD^{2}}\left({\frac {Rt}{k}}\right)^{0.5}}$
2	Alternate #1 등가 마하 폼	${{displaystyle {m_{1}}{\rho _{1}a_{1}{D_{1}}{2}\cos(\alpha_{1}}=}$	${{displaystyle {m_{2}}{\rho _{2}a _{2}{D_{2}}{2}\cos(\alpha _{2}}}}$
3	대체 #2 심플한 치수 형태	${\displaystyle {m_{1}{t_{1}}{0}.5} {p_{1}} =}$	$({displaystyle {m_{2}{t_{2}})^{0.5} {p_{2}}}}:$
4	특정 속도 계수	${\displaystyle {{\Pi _{1}}^0.5} {{\Pi _{2}} {{0.75}$	$(\displaystyle {NQ^{0.5}}{(gH)^{0.75}}}})$
5	비직경계수	${\displaystyle {{\Pi _{2}}^{.25}}{\Pi _{1}}^{0.5}}}=}$	$({displaystyle{D(gH)^{0.25}}{Q^{0.5}}})$

그림 1.2의 y축을 정의하기 위해 속도 대신 특정 속도 계수를 사용하는 동시에 z축을 정의하기 위해 특정 지름 계수를 사용할 수 있다는 점이 흥미로울 수 있다.

친화력의 법칙

위의 5가지 δ 파라미터에서 다음 어피니티 법칙을 도출합니다.터보기계를 한 애플리케이션에서 다음 애플리케이션으로 확장할 수 있는 간단한 기반을 제공합니다.

유량계수	${\displaystyle {Q_{1}}{Q_{2}}=}$	${\displaystyle {N_{1}} {N_{2}} =}$	$\displaystyle \left({\frac {D_{1}}}{D_{2}}\오른쪽)^{3}}$
유도두계수	${\displaystyle {H_{1}} {H_{2}} =}$	${\displaystyle\frac{N_{1}}{N_{2}}\오른쪽)^{2}=}$	$\displaystyle \left({\frac {D_{1}}}{D_{2}}\오른쪽)^{2}}$
검정력 계수에서	${\displaystyle {P_{1}} {P_{2}} =}$	${\displaystyle\frac{N_{1}}{N_{2}}\오른쪽)^{3}=}$	$\displaystyle \left({\frac {D_{1}}}{D_{2}}\right)^{5}$

공기 열역학의 기초

다음 방정식은 ^[10][39]가정을 단순화하더라도 매우 풀기 어려운 완전 3차원 수학 문제의 개요를 나타냅니다.최근까지 계산 능력의 한계로 인해 이러한 방정식을 의사 손실을 가진 Inviscid 2차원 문제로 단순화해야 했습니다.컴퓨터가 등장하기 전에는 이러한 방정식은 거의 항상 1차원 문제로 단순화되었습니다.

이 1차원 문제를 해결하는 것은 오늘날에도 여전히 가치 있고 종종 평균선 분석이라고 불립니다.이러한 모든 단순화에도 불구하고, 여전히 개요를 설명하는 큰 교과서와 실질적으로 해결하기 위한 큰 컴퓨터 프로그램이 필요합니다.

질량 보존

연속성이라고도 불리는 이 기본 방정식은 일반적인 형태로 다음과 같습니다.

$(\displaystyle\frac\rho}{\displayt}+\displayla\cdot(\rho\mathbf {v})=0}$

운동량 보존

Navier라고도 불립니다.-스토크스 방정식, 이 기본은 유체 운동에 적용될 때 뉴턴의 제2법칙에서 파생됩니다.뉴턴 유체에 대해 압축 가능한 형태로 작성된 이 방정식은 다음과 같이 작성될 수 있습니다.

$\displaystyle \rho \frac {v} {\fac t} {\fac t} + \mathbf {v} \cdot \cdot \mathbf {v} \right =-\facla p+\mu ^2} \mathbf {v} +\mu} \mu right ^{v} +\mu} \f}$

에너지 절약

열역학 제1법칙은 에너지 보존에 대한 진술이다.특정 조건에서 원심 압축기의 작동은 가역 프로세스로 간주됩니다.가역 공정의 경우, 시스템에 가해지는 총 열량은 ${\displaystyle \delta }$ ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle T}$d ${\displaystyle S}$ \ $displaystyle$Q$$=$Optrop$S로$$ 나타낼 수 있으며$,$ $여기$서 T { $displaystyle$$T$$}$는 온도$,$ S { $displaystyle$S}는 엔트로피이다.따라서 리버서블 프로세스의 경우:

${\displaystyle dU=S-pdV}$

U, S 및 V는 열역학적 상태의 함수이기 때문에 위의 관계는 되돌릴 수 없는 변화에도 적용된다.위의 방정식을 기본 열역학 관계라고 합니다.

상태 방정식

고전적인 이상 기체 법칙은 다음과 같이 기술될 수 있다.

$(\displaystyle\pV=nRT)}$

이상 기체 법칙은 다음과 같이 표현될 수도 있다.

$\displaystyle \p=\rho (\displaystyle - 1)유}}$

여기서$\theta {\displaystyle }$ {$displaystyle \$$rho$$}$는 밀도, $\theta {\displaystyle }$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle p_{}}$/ ${\displaystyle C_{}}$v { $displaystyle = C_{p}/C_{v}$는 단열 지수(특정 발열량), $U{\displaystyle }$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle C_{}}$ V$$ {$displaystyle$ U=$C_{v}T}$는 단위당 내부 에너지(특정 에너지)입니다.${\displaystyle {cp}_{}}$ ${$는 일정한 압력에서의 비열입니다.

상태 방정식과 관련하여, 공기와 질소 특성(표준 대기 조건 근처)은 이 단순한 관계에 의해 쉽고 정확하게 추정되지만 이상적인 관계가 불충분한 원심 압축기 애플리케이션이 많이 있다는 것을 기억해야 합니다.예를 들어 대형 에어컨 시스템(냉수기)에 사용되는 원심 압축기는 이상적인 기체로 모델링할 수 없는 작동 가스로 냉매를 사용합니다.또 다른 예로는 석유 산업을 위해 설계되고 제조된 원심 압축기가 있습니다.메탄과 에틸렌과 같은 탄화수소 가스의 대부분은 이상적인 기체보다는 실제 기체 상태의 방정식으로 가장 잘 모델링됩니다.위키피디아의 국가 방정식 항목은 매우 철저하다.

장점과 단점

장점

• 원심 압축기는 제조가 간편하고 상대적으로 비용이 저렴하다는 장점을 제공합니다.이는 동일한 압력 상승을 달성하기 위해 더 적은 단계가 필요하기 때문입니다.
• 원심 압축기는 비슷한 크기의 왕복 압축기나 다른 양용량 펌프보다 마찰 부분이 적고 상대적으로 에너지 효율적이며 높은 비진동 일정한 공기 흐름을 제공하기 때문에 산업 전반에 걸쳐 사용됩니다.
• 원심 압축기는 주로 터보차저, 보조 동력장치(APU)와 같은 소형 가스터빈 엔진, 헬리콥터와 같은 소형 항공기의 메인 엔진으로 사용된다.이에 대한 중요한 이유는 현재의 기술에서는 주로 로터와 가변 스테이터 팁 클리어런스 손실의 조합으로 인해 동등한 공기 흐름 축 압축기의 효율성이 떨어지기 때문입니다.

단점

• 단점은 다단계 없이 왕복 압축기의 높은 압축률을 달성할 수 없다는 것입니다.압축기의 안전, 내구성 및 수명을 심각하게 제한하는 응력 고려 사항으로 인해 10:1 이상의 압력비가 가능한 1단 원심 압축기는 거의 없습니다.
• 원심 압축기는 대형 가스터빈 및 대형 항공기를 추진하는 터보젯 엔진에서 사용되는 데 축방향 압축기와 비교하여, 결과적으로 발생하는 무게와 응력, 그리고 방사형 확산기의 큰 직경으로 나타나는 전면 영역에 비실용적입니다.

구조 기계, 제조 및 설계의 타협

이상적으로는 원심 압축기 임펠러에는 각각 가벼운 로터에 장착되는 튼튼한 얇은 에어포일 블레이드가 있습니다.이 재료는 기계나 주조하기 쉽고 저렴합니다.또, 동작 노이즈가 발생하지 않고,^{[clarification needed]} 어느 환경에서 동작해도 수명이 길어집니다.

공기 열역학 설계 프로세스의 시작부터 성공적인 설계를 위해서는 공기역학적 고려사항과 최적화[29,30]가 매우 중요합니다.설계 시 진공청소기 송풍기용 플라스틱, 터보차저용 알루미늄 합금, 공기 압축기용 강철 합금 또는 가스터빈용 티타늄 합금 등 원심 임펠러의 재료 및 제조 방법을 설계 내에서 고려해야 한다.이는 원심 압축기 임펠러 형태, 작동 환경, 재료 및 임펠러의 ^[40][41]구조적 무결성을 결정하는 제조 방법의 조합입니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

외부 링크

• MIT 가스터빈 연구소
• 1948년, 최초의 해양 가스 터빈 서비스. 미국 해군 기술자 학회지, 60:66-86.doi:10.1111/j.1559-3584.1984.tb02754.x
• 크라이슬러 터빈 자동차의 역사
• API 코드, 표준 및 자료를 검색하려면
• ASME 코드, 표준 및 출판물을 검색하려면
• ASHRAE 코드, 표준 및 출판물 검색
• NASA 글렌 연구소
• 펌프스의 유체역학, Christopher Earls Brennen 지음
• 온라인으로 원심 압축기 헤드를 계산하는 Ctrend 웹사이트