압축기 지도

압축기 지도는 터보모터 압축기의 성능을 보여주는 도표다. 이러한 유형의 압축기는 가스터빈 엔진, 초충전 왕복 엔진 및 산업 공정에 사용되며, 여기서 동적 압축기로 알려져 있다. 지도는 압축기 리그 시험 결과로부터 생성되거나 특별한 컴퓨터 프로그램에 의해 예측된다. 또는 유사한 압축기의 지도는 적절히 크기를 조정할 수 있다. 이 글은 압축기 지도와 그 다양한 용도에 대한 개요이며, 3축 에어로엔진의 팬 및 중간 및 고압 압축기 지도에 대한 자세한 설명도 구체적인 예에 들어 있다.

컴프레서 맵은 설계 조건과 오프설계 조건에서 모두 가스터빈 및 터보차지 엔진의 성능을 예측하는 데 필수적인 부분이다. 또한 산업 공정에 적합한 압축기를 선택하는 데 중요한 목적을 제공한다.

팬과 터빈은 압축기와 외관이 크게 다르지만 작동 지도도 있다.

압축기 설계

압축기 지도는 압축기의 작동 범위와 작동 범위 내에서 얼마나 잘 작동하는지 보여준다. 압축기를 통해 흐르는 가스에 대한 두 가지 기본적인 요건은 가스가 설계 조건에서 가장 잘 작동하고 설계 이외의 조건(Off-Design)에서는 잘 작동하지 않는 이유를 설명한다. 첫째, 압축 가스의 밀도가 높기 때문에 출구 면적이 입구 면적보다 작아야 한다. 출구 면적은 설계 조건에서 특정 볼륨을 통과하도록 크기가 지정된다.^[1] 둘째, 축압축기의 모든 로터 및 스테이터 블레이드와 원심압축기의 임펠러 유도기와 확산기 베인은 발생손실을 최소화하기 위해 설계 조건에서 접근하는 공기에 정면으로 맞도록 각도를 맞춘다.^[2][3] 발생 손실은 압축의 효율성을 감소시킨다. 컴프레서의 만족스러운 작동은 가스가 회전 및 정지 블레이드에 접근하는 각도를 허용 범위 이내로 제어하는 데 의존한다. 최적의 첫 번째 단계에서 벗어나면 손실/효율이 증가하며 동시에 축압기 반대쪽 끝의 블레이드 통로에서 발생하는 정지 또는 음속/취킹이 발생한다.^[4] 또한 임펠러 진입 시 원심압축기와 디퓨저에서도 발생한다.

압축기 설계 지점은 압축기가 가스 터빈 엔진의 일부인지 또는 용광로로 공기를 펌핑하는 데 사용되는지 여부에 관계없이 고효율 영역에 위치할 것이다. 그러나 컴프레서는 부과된 다른 작동 조건에서 적절한 성능을 제공해야 하며 이는 보다 광범위한 작동 범위에서 높은 효율이 요구됨을 의미한다.^[5] 가스터빈 엔진의 경우, 엔진을 쉽게 시동하고 설계 속도보다 낮은 속도로 작동한다는 것을 의미하는 설계 속도까지 빠르게 가속할 수 있어야 한다. 속도와 설계 지점에서 멀리 떨어진 흐름에서 컴프레서 유량 감소는 실제 밀도 상승에 적합하지 않다. NACA 보고서는^[6] 설계 조건과 저속에서 요구되는 수축의 차이를 그림으로 보여준다. 예를 들어 저속에서는 가스가 압축기를 통한 공격의 블레이드 각도에 부정적인 영향을 미치지 않고 압축기를 빠져나올 수 있을 만큼 충분히 압축되지 않았다. 설계 지점에서 벗어나 축압기의 중간 단계는 최적의 공격 각도 정도로 계속 작동하지만 전면 단계는 한쪽 방향으로, 스톨 쪽으로, 후면 단계는 초크를 향해 반대 방향으로 이탈한다.^[7] 편차는 약 5:1의 설계 압력비까지 허용되어 효율 손실만 발생하였다. 낮은 보정 속도에서 발생하는 회전 스톨의 높은 설계 압력비 방지 및 저속에서는 부분적으로 닫히는 흡입구 가이드 베인의 도입이나 저속에서는 컴프레서를 따라 공기 파트를 제거하여 질식시킬 필요가 있었다.^[8][9] 전단이 속도를 높이고 후방이 서로 상대적으로 속도를 늦출 수 있도록 한 가변형 스타터나 분할형 압축기도 같은 이유로 도입된다. 압력비가 약 12:1에 도달했을 때 압축기는 이러한 특징들 중 하나 이상을 함께 통합할 것이다.

회전 스톨 고정 장치

다른 해결책의 조기적인 사례는 앞 단계에서 선회 실속을 완화하기 위해 분할 압축기와 안에 있는 롤스로이스 에이번 가변 입구 안내 날개와 순환과 피를 흘리다, 제너럴 일렉트릭 J79 가변 입구 안내 날개 및 가변 고정자로, 브리스톨 올림푸스 분할 압축기와 프랫 및, 휘트니 J57을 포함한다.terc옴프레서 블리딩 압축기 블리딩은 저보정 속도 이상으로 시동하고 가속하는 데만 필요했는데, 이때는 덤핑 오버보드에서 추력 생산에 이르는 손실이 중요하지 않았다.

또 다른 발전은 영구적인 컴프레서 블리딩이 엔진에 전달되어 추진력을 높이는 것이었습니다. 롤스로이스 콘웨이에는 제트파이프에 인터컴프레서 블리딩이 있는 분할 압축기가 있었다. 이 바이패스 장치가 있는 분할 압축기는 가변 흡기 가이드 베인이나 단계간 블리딩 없이 롤스로이스 엔진의 최고 압력비를 허용했다.^[10] 그것은 더 나은 추진 효율을 위한 배치, 우회 엔진으로 더 잘 알려져 있었다. Pratt & Whitney J58은 낮은 보정 속도를 통해 시동하고 가속하기 위해 단계간 오버보드 블리딩을 사용했지만 높은 마하 수치로 복귀했기 때문에 블리딩이 다시 열렸으나 이번에는 제트 파이프로 라우팅되어 애프터버너와 노즐을 냉각시켰다. 이러한 냉각은 간접적으로 애프터버너에서 더 많은 연료를 태울 수 있도록 하는 추진력에 기여했다. 유사한 배열이지만 제트 파이프에 인터컴프레서 블리딩이 있는 분할 압축기를 사용하는 것은 나중에 애프터버너와 노즐을 냉각하기 위한 충분한 바이패스만 있는 바이패스 엔진인 '리키' 터보젯으로 알려져 있었다.

압축기 지도

압축기는 가스를 펌핑하여 매우 다양한 용도에 사용할 수 있도록 하는데, 가스가 계속 흐르도록 압축기가 충족해야 하는 고유 흐름 저항성이 있다. 지도는 전체 흐름 범위에 대한 펌핑 특성 및 적용에 대한 압력 요구사항을 보여준다. 지도는 가변 면적 스로틀 밸브를 사용하여 인위적으로 선택된 유량 저항을 가진 전기 모터로 컴프레서를 구동하여 제작할 수 있다. 압축기가 터빈 출구에 밸브가 있는 가스 발생기의 일부인 경우에도 매핑될 수 있다. 캠벨은^[11] 이러한 방식으로 매핑된 General Electric J79 컴프레서를 보여준다.

치수 분석

컴프레서 성능은 주변 압력 및 온도 변화에 따라 매일 변화한다. 모직 웨버는^[12] 흡기 온도가 섭씨 70도에서 100도 사이일 때 터보차저 컴프레서의 성능 변화를 보여준다. 항공기 압축기의 경우 흡입구 압력과 온도도 고도 및 비행 속도에 따라 변화한다. 흡입구 온도와 압력의 모든 조합에 대해 서로 다른 성능을 제시하는 것은 관리 불가능하지만 치수 분석을 사용하여 광범위한 흡입구 조건에 적용할 수 있는 단일 맵으로 모든 것을 축소할 수 있다. 치수 분석에서 로터 속도, 질량 흐름 및 전달 압력과 같은 개별 수량은 각 그룹이 치수는 없지만 물리적 의미를 가질 수 있도록 다른 관련 수량과 그룹화된다. For example rotor speed ${\displaystyle N}$, inlet temperature ${\displaystyle T}$, compressor diameter ${\displaystyle D}$ and gas properties ${\displaystyle \gamma }$ and ${\displaystyle R}$ are grouped together as dimensionless ${\displaystyle ND/{\sqrt {\gamma \ R\ T}}}$ which 블레이드 마하 숫자와 동일하다.

가스터빈 엔진 압축기 맵의 기초로 사용되는 매개변수 그룹은 총압력비(P_exit/P_inlet)이며, W ${\displaystyle \sqrt{\text{r}}}$ ${\displaystyle \sqrt{\text{R}}}$T / ${\displaystyle A}$ P$${\$displaystyle$ w${\sqrt${\$gamma \ R\T}/{$$AP}$, $N{\displaystyle }$ ${\displaystyle D}$ /${\displaystyle \gamma \sqrt{}}$ ${\displaystyle \sqrt{\text{R}}}$ ${\displaystyle \sqrt{\text{T}}}$ ${\$\$R\ T}}$ 및 효율성$$. ${\displaystyle 예}$를 들어, ${\displaystyle N}$D / ${\displaystyle \sqrt{\text{r}}}$ ${\displaystyle \sqrt{\text{R}}}$ T$${\$displaystyle ND/{\sqrt${\$gamma$\ $R\$ T$\}\}$은(는) 마하 숫자를 나타내면서도 아래에서 단순화된다. 다른 용도에 대한 지도는 헤드 또는 방출 압력 및 볼륨 흐름을 사용한다.^[13]

특정 압축기와 가스의 경우 압축기 치수와 가스 특성 $D{\displaystyle }$ ${\displaystyle D$ $A{\displaystyle }$ ${\displaystyle A$ $R{\displaystyle }$ ${\displaystyle R}$ 및$$ γ과 같은 특정 압축기와 애플리케이션에 대해 일정한 용어를 삭제하여 흐름과 속도 그룹을 단순화한다. 이러한 파라미터의 이름은 의사 비차원 파라미터 w ${\displaystyle T}$/ ${\displaystyle P}$ ${\$ 및$$ ${\displaystyle N\sqrt{}}$/ T ${\$ N$/{\sqrt{T}}}$이다$.$

마지막 단계는 치수 분석의 일부로 도출된 압력 및 온도 비율 보정 계수를 적용하여 사이비 비차원 파라미터의 질량 흐름과 속도에 대한 표준 단위와 보다 인지도가 높은 수치 값을 제공하는 것이다.

보정된 파라미터는 $w{\displaystyle }$ ${\displaystyle \theta \sqrt{}}$ /${\displaystyle \Delta }$ ${\$ w${\sqrt {\theta }/{\delta }},$ ${\displaystyle N\sqrt{}}$/ $displaystyle$ N$/{\sqrt${\sqrt${\theta}}}$이다$.$^[14] 이들은 원래 관측된 값과 동일한 단위를 가지며 합의된 표준 조건인 해발 국제 표준 대기(ISA SL)로 보정된다. 또는 설계 값이 100% 또는 1.0으로 지정된 경우 설계 값에 상대적인 값을 표시할 수 있다.

가스터빈 엔진에서 연소된 연료는 컴프레서 작동 라인을 설정하고 엔진 작동에 미치는 영향을 보여주기 위해 '비차원' 형태로도 사용해야 한다.^[15] 압축기 지도에 표시되면 가연성 압력과의 비율로 사용된다. 수정된 연료 흐름 w으로 보인다{w\displaystyle}연료){\displaystyle)}w/θ δ{\displaystyle w/{\sqrt{\theta}}{\delta}}. 비록 둘 다 연료를 공기와 있흐름의 유동적 그들의 무차원 변수가 다른, 아니 θ/δ{\displaystyle w{\sqrt{\theta}}{\delta}}과 w/θ δ.비차원 기류는 연료가 압축 불가능한 에너지원의 흐름인 동안 유체 마하수의 한 형태이기 때문에 ${\displaystyle which$ which which which which is a fluid Mach number$.$ 공기 흐름의 치수는 M/t이고 연료 흐름의 치수는² ML/t이며³, 여기서 M, L, t는 질량, 길이 및 시간이다.^[16]

연료 흐름은 압축기 지도에도 나타나 있지만 그 효과의 형태, 즉 터빈 입구 온도. 이 효과는 압축기 입구 온도에 대한 터빈 입구 온도의 비율로 비장력적으로 나타나며 엔진 온도비로 알려져 있다.그랜드코팅은^[17] 헬리콥터 압축기가 무부하에서 최대부하로 이동할 때 교차되는 일정한 온도선을 연료 유량이 증가하는 것을 보여준다.

관측치 또는 측정값을 표준일 조건으로 수정

서로 다른 두 일$({\displaystyle w\sqrt{}}$ T${\displaystyle }$/ $){\displaystyle (w{\sqrt{T}/{P}}}$_{day 1}= ${\displaystyle$ $=\}($${\displaystyle W}$/ P$){\displaystyle (w{\sqrt{T}/{P$_{day 2}의 흐름 매개변수의 동일성으로부터 하루 측정값을 표준일에 측정할 수 있다.

${\displaystyle w}$_corr ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle =w{\sqrt {T/519}}/(P/14.7)}$ where ${\displaystyle w,T,P}$ are measured values and 519 degR and 14.7lb/sq in are the standard day temperature and pressure.

온도 및 압력 보정 계수는 ${\displaystyle \theta }$과 ${\displaystyle$$w$_corr = ${\displaystyle =}$${\displaystyle }$$$${\displaystyle \theta }$/ ${\displaystyle \Delta }$ $w{\sqrt}/{\delta$ }}}}이다$.$

속도에서 보정된 값은 N ${\displaystyle N}$_corr= ${\displaystyle =}$N /${\displaystyle \theta }$ ${\$ N$/{\sqrt{\ta}}}}$이다.

예:^[18] 엔진이 100% 속도로 구동되고 매초마다 107lb의 공기가 컴프레서로 유입되며, 주간 조건은 14.5psia와 30도 F(490도 R)이다.

표준일의 공기 흐름은${\displaystyle }$= ${\displaystyle 107}$ ${\displaystyle \sqrt{490}}$/ ${\displaystyle \sqrt{519}}$/${\displaystyle }$(${\displaystyle 14.5}$/ ${\displaystyle 14.}$7${\displaystyle }$) ${\displaystyle$= $107{\sqrt{490/519}/(14.5/14.7)$이며, 105.2 lb/sec이다. 속도는${\displaystyle }$= ${\displaystyle 100}$/ ${\displaystyle \sqrt{490}}$/ ${\displaystyle \sqrt{519}}$ ${\$ 103$$%가 될 것이다. 이러한 보정값은 이 특정 엔진의 컴프레서 맵에 나타나는 값이다.

이 예는 압축기가 '추운' 날에는 공기역학적으로 더 빨리 작동하고 '뜨거운' 날에는 더 느리게 작동한다는 것을 보여준다. 'day' 조건은 컴프레서에 진입하는 조건이기 때문에 마하 수치가 높은 램 온도 상승에 의해 극도로 '핫'한 날이 인위적으로 생성된다. 엔진이 100% 정격 기계 속도로 작동하고 있음에도 불구하고 공기역학적 속도는 지도에서 회전하는 스톨 영역으로 들어갈 만큼 낮으므로 이러한 마하 번호로 작동하는 엔진은 적절한 기능을 필요로 한다. General Electric J93에는 다양한 입구 가이드 베인과 스타터가 있었다. Pratt & Whitney J58은 컴프레서와 2-위치 흡기 가이드 베인으로부터 단계간 출혈이 있었다. 투만스키 R-15는 공기 온도를 낮추고 낮은 보정 속도를 피하기 위해 프리컴프레서 냉각기를 가지고 있었다.

키네마틱 유사성

지도에서 보정된 파라미터를 사용하는 근거는 마하 수 키네마틱 유사성이다. 보정된 흐름과 속도는 컴프레서를 통과하는 마하 수치를 정의하고 속도 삼각형을 사용하여 블레이드로의 흐름 각도를 정의한다. 속도 삼각형은 서로 다른 기준 프레임 간에 흐름이 전달될 수 있도록 한다. 이 경우 고정 프레임의 가스 속도와 원주 블레이드 속도는 회전 프레임(회전 프레임) 통로에서 속도로 변환된다.^[19] 블레이드 및 베인 행의 손실은 주로 발생 각도와 마하 수에 따라 달라진다.^[20] 지도상의 특정 작동 지점은 압축기의 모든 곳에 마하 번호와 흐름 각도를 결정한다.^[21]

높은 마하 수에서의 비행

역사적 사례인 Pratt & Whitney J58은 수정된 값을 사용하는 것의 중요성을 보여준다. 회전 스톨은 보정된 낮은^[22] 속도에서 발생하므로 시동 중 및 공회전 이상에서도 발생한다. 공기 흐름을 증가시키기 위해 블리딩 밸브를 열면 완화될 수 있다. 매우 높은 비행 속도에서 컴프레서는 지상의 낮은 회전 속도에서 동일한 작동 지점이 발생하고 높은 고도에서 마하 3에서 최대 회전 속도가 발생하도록 보정된 낮은 속도 영역으로 되돌아간다. 지상에서 낮은 보정 속도를 괴롭혔던 정지, 저효율, 블레이드 진동 및 고장은 마하 3에서 100% 로터 rpm으로 되돌아왔다.^[23] 지도상의 동일한 작동 지점은 실제 로터 속도와 압축기 입구 온도가 지면에서 4750RPM/60degF이고 마하 3에서 7,000RPM/60degF 이상임에도 불구하고 축 및 주변 마하 수, 속도 삼각형, 효율이 동일하다^[24].^[25][26] 동일한 보정 작동 지점은 4차 압축기 단계에서 공기를 블리딩하는 Stating을 방지하고 효율성을 높이기 위해 동일한 솔루션이 필요했다.^[27]

작동 경계

컴프레서는 다른 현상에 의해 발생하는 특정 속도에 대해 극한 유량에서 작동 경계를 가진다. 일정 속도 라인에서 높은 유량 부분의 경사는 압축성의 영향 때문이다. 선의 다른 쪽 끝의 위치는 블레이드 또는 통로 흐름 분리에 의해 위치한다. 지도에는 잘 정의된 저유량 경계가 스톨 또는 서지 라인으로 표시되어 있으며, 이때 양의 발생 분리로 인해 블레이드 스톨이 발생한다. 터보차저 및 가스 터빈 엔진 지도에는 가스 속도가 음속에 도달하면 통로가 질식하는 고유량 경계가 점점 더 가까워진다. 이 경계는 산업용 압축기의 경우 과부하, 초크, 소닉 또는 석벽으로 식별된다. 이 흐름 한계에 대한 접근은 속도선이 더 수직이 되면서 나타난다. 지도의 다른 영역은 변동 베인 Stating이 고장으로 이어지는 블레이드 구조 모드(즉, 회전 스톨이 금속 피로를 유발하는)와 상호 작용할 수 있는 영역이다.^[28]

다양한 응용 프로그램의 작동 범위

서로 다른 애플리케이션은 다른 경로를 따라 특정 맵 위로 이동한다. 작동 라인이 없는 예제 맵은 왼쪽의 스톨/서지 라인과 오른쪽의 초크 및 과부하 방향으로 가파른 속도 라인이 그림 참조로 표시된다.

지도는 모두 압축성 액체를 펌핑하는 데 유사한 원리를 사용하는 회전 베인이 있는 기계에 적용되기 때문에 유사한 특징과 일반적인 모양을 가지고 있다. 모든 기계에 고정식 베인이 있는 것은 아니다(센터식 압축기가 분리 또는 무분산 디퓨저가 있을 수 있음). 그러나 가스터빈 또는 터보차지 엔진의 일부로 작동하는 압축기의 흐름과 압력 특성은 구동 터빈 및 기타 엔진 구성 요소(예: 가스 터빈용 파워 터빈 또는 제트 노즐)의 흐름과 일치해야 하기 때문에 산업용 압축기와 다르게 작동하며, 터보차저의 경우 다음과 같은 엔진 공기 흐름과 엔진 속도와 충전 압력에 따라 달라진다.^[29] 가스터빈 압축기와 그 엔진 사이의 링크는 일정한 엔진 온도 비율의 라인, 즉 온도 비율이 증가함에 따라 구동 라인을 상승시키는 연료 공급/증가 터빈 온도 효과로 표시될 수 있다.

다른 행동의 한 징후가 지도 우측의 초크 영역에 나타난다. 가스터빈, 터보차저 또는 산업용 축압기에서는 무부하 상태지만 산업용 원심압축기에서는 과부하 상태임.^[30] Hiereth ^[31]외 연구진은 터보차저 컴프레서 풀로드 또는 최대 연료 공급 곡선이 서지선에 가깝게 올라가는 것을 보여준다. 가스터빈 압축기 풀로드 라인도 서지 라인에 가깝게 달린다. 산업용 압축기 과부하는 용량 제한으로, 요구되는 높은 유량을 통과하기 위해서는 높은 전력 레벨이 필요하다.^[32] 가스터빈에 의해 구동되는 경우 컴프레서를 실수로 과부하 한계를 넘어 추운 날에 위험한 상태로 만들 수 있는 과도한 전력 사용 가능.^[33][34][35]

가스 터빈 컴프레서

컴프레서는 구동 터빈과 동일한 속도(또는 고정 기어비)로 구동해야 하며 동력이 동일하고 구동 터빈과 동일한 흐름을 통과해야 한다. 이것은 가스 발전을 생산하는 가스 발전기를 구성한다. 압축기는 또한 가스 출력을 사용하는 것과 동일한 흐름, 즉 단일 축 엔진 또는 별도의 동력 터빈 또는 제트 노즐을 위한 추가 터빈 단계를 통과해야 한다. 이 등유량 요건은 전체 압축률과 팽창 비율 사이의 동일한 압력 비율 요건과 함께 적용되며, 이 요건과 함께 안정적인 상태 작동을 위한 런닝 라인을 배치한다.

전기 발전기 또는 헬리콥터 로터/항공 프로펠러를 구동하는 단일축 엔진은 작동 속도로 가속하면서 컴프레서와 함께 무부하 상태로 작동한다. 무부하란 최소한 전기 부하나 로터/프로펠러 피치가 없는 상태에서 발전기를 구동하는 데 필요한 최소 연료 공급을 말하며 초크에 가깝게 발생한다. Cohen 등은 전기 발전기가 부하 없이 필요한 속도까지 작동한다는 것을 보여준다.^[36] 전기 부하 증가는 연료 유량을 증가시킴으로써 얻어진다. 바키 등은 부하가 가해질 때 연료를 증가시키기 전에 부하가 없는 상태에서 발전기 터빈을 설계 속도 또는 그리드 주파수로 가져오는 사건의 순서를 상세히 설명한다.^[37] 그랜드코잉은^[38] 터보메카 아르투스테 헬리콥터 엔진의 무부하 공회전부터 최대 출력까지 일정한 속도 작동 상태를 보여준다. 무부하(no-load)는 최소 로터 피치와 공회전 연료 흐름이다. 연료 흐름의 증가는 컴프레서 맵에 일정한 엔진 온도 비율, 터빈 흡기 온도/압축기 입구 온도 라인으로 표시되어 있다. 그랜드코팅은^[39] 또한 필요한 설정을 되찾기 전에 속도가 감소하는 급격한 부하 증가의 효과를 보여준다.

고정 영역 노즐이 있는 제트 엔진

고정된 배기 노즐 면적을 가진 항공기 엔진은 공회전부터 최대 속도에 이르는 연료 흐름에 의해 고정된 단일 정상 상태 작동 또는 주행 라인을 가지고 있다. 컴프레서의 가변 베인 각도와 유량 영역(블리드 밸브)은 각도와 밸브 위치가 보정 속도에 대해 고유하기 때문에 특정 작동 지점에서 주행 라인을 변경하지 않는다. 즉, 보정 속도에 대해 일정에 따라 제어되기 때문이다. 엔진이 속도를 새로운 요구조건으로 바꾸는 동안, 일정한 속도 주행에 필요한 연료 흐름에 비해 연료가 과부하하면 라인이 위아래로 움직인다.

조정 가능한 영역 노즐이 있는 제트 엔진

캠벨은^[40] 정상 상태 주행 라인에 다른 노즐 부위의 영향을 보여준다. 이번 조사를 위해 그 지역의 자동제어가 불가능했다. 서비스 시 영역은 공회전 상태에서 개방되며 영역 스케줄링에 표시된 것처럼 엔진이 가속할 때 점진적으로 닫힌다.^[41] 조정 가능한 노즐은 이러한 특정 목적을 위해 추가되지는 않지만 애프터버너를 장착할 경우 공회전 추력을 줄이고 애프터버너가 작동하게 되는 스러스트까지의 가속 시간을 단축하는 데 사용할 수 있다. 증강 터보팬의 이상적인 팬 작동 라인은 팬의 압력비율을 최대한 높게 설정하여 적절한 팬 스톨 마진을 유지하면서 팬 성능과 추력을 최적화한다. 팬 작동 라인은 조절 밸브와 같은 역할을 하는 노즐 면적을 변화시켜 제어된다. 조절은 연소 연료로부터의 열과 조절 가능한 노즐 영역의 기하학적 결합이다.^[42]

허용할 수 없는 행동이 발생할 수 있는 영역

저속 후방 단계 터빈은^[43][44] 과도한 음극 발생으로 인해 압력 비율이 1 미만이고 컴프레서 단계가 공기 흐름에서 동력을 흡수하는 방식으로 발생한다. 서지선을 통과하여 고속으로 가속하는 것을 방지하는 두 가지 예는 롤스로이스^[45] 에이본과 IAE^[46] V2500의 첫 번째 설계와 주요 압축기 재설계를 요구하면서 일어났다. 낮은 보정 속도로 스톨을 회전시키면 초기 축압기에서 블레이드 고장이 발생하였다.^[47]

디젤 및 가솔린 엔진용 터보차저

컴프레서 흐름과 압력 범위는 엔진의 일정한 rpm과 일정한 토크 라인의 카펫 플롯을 지도에 겹쳐서 보여준다. OpenCourseWare 재료는^[48] 4행정 트럭 엔진의 공기 흐름 요구 사항에 대한 엔진 속도와 부하에 대한 카펫 플롯을 보여준다. 샤헤드는^[49] 엔진 속도가 일정하고 디젤 엔진의 엔진 BMEP를 보여준다. 울렌베버는^[50] 다양한 엔진 속도와 부하/연료 공급/토크에서 엔진 공기 흐름 요구 사항을 보여준다. 히에레스 외에서는 승용차 엔진의 풀로드 작동 라인, 트럭 디젤 엔진에 대한 제어되지 않은 터보차저의 영향 및 승객 디젤 및 가솔린 엔진에 대한 웨이스트게이트 제어, 압축기 작동 라인에 대한 고도의 영향 등 다양한 용도에 대한 운용 라인을 보여준다.^[51]

석유 및 가스 산업의 압축기

프로세스 요구 사항이 변경되어 컴프레서 상태가 달라질 수 있음 컴프레서는 가변 속도 또는 정속 기계에 의해 구동될 수 있다. 일정 속도 전기 모터에 의해 구동되는 경우 가변 흡기 가이드 베인 또는 흡입 및 방전 조절로 제어될 수 있다. Welch는^[52] 원심압축기의 흐름에 대한 가변 베인 각도의 영향을 보여준다.

에어로 엔진 고압 컴프레서 맵

흐름 축

x축은 보통 압축기 입구 질량 흐름의 일부 기능이며, 보통 실제 흐름과 반대로 보정된 흐름 또는 비차원 흐름이다. 이 축은 장치를 통과하는 유량의 축 마하수를 대략적으로 측정할 수 있다.

압력비축

일반적으로 y축은 압력비(P_exit/P_inlet)이며 여기서 P는 정체(또는 총 헤드) 압력이다.

T가 정체(또는 총 헤드) 온도인 ΔT/T(또는 유사)도 사용된다.

서지선

지도 주요 부분의 약간 구부러진 대각선은 서지선(또는 스톨선)으로 알려져 있다. 이 선 위로는 흐름이 불안정한 지역으로, 가장 피해야 할 지역이다.

컴프레서 서지 또는 컴프레서 스톨은 컴프레서에서 갑자기 공기 흐름을 역전시키는 원인이 된다. 컴프레서 블레이드는 에어포일로 작동하여 펌핑 작업을 생성한다. 급류 또는 스톨에서 블레이드는 공기역학적 스톨(항공기 날개 멈춤과 유사)을 경험하고 하류에서 높은 압력을 억제할 수 없게 되어 결과적으로 격렬한 흐름 반전을 초래한다. 일반적으로 연소실에 갇혀 있는 불꽃은 배기 노즐뿐만 아니라 엔진 입구에서 나올 수 있다.

서지 마진

이름에서 알 수 있듯이, 서지 마진은 운영 지점이 얼마나 서지 가까이에 있는지를 측정한다. 불행하게도, 서지 마진에 대한 많은 다른 정의들이 있다. 널리 사용되는 용어는 다음과 같이 정의된다.

${\displaystyle SM=100\%\cdot {m_{w}}-{\dot {m_{s}}{\dot{m_{w}}}}}$

여기서:

${\displaystyle \stackrel{}{m_{}}}$ $˙{\$은(는) 정상 상태 또는 과도 상태일 때 작동 지점에서의 질량 흐름이다$$.

${\displaystyle \stackrel{}{m_{}}}$ $˙{\$${s$$}}}}$은(는) $m{\displaystyle \stackrel{}{{}_{}}}$ ${\displaystyle \stackrel{}{w_{}}}$ ${\displaystyle \stackrel{}{{}_{}}}$ ${\dot${\$m_{$w}}}과(와) 같은 보정 속도로 서지에서의$$ 질량 흐름이다.

속도선

지도의 주요 부분에 있는 거의 수직에 가까운 약간 구부러진 선은 (정수 회전) 보정 속도선이다. 로터 블레이드 팁 마하 숫자의 측정값이다.

그림에서 속도 라인은 흐름과 함께 선형적으로 분포되지 않는다는 점을 참고하십시오. 이는 이 특정 압축기에 가변형 스태터가 장착되어 속도가 증가함에 따라 점진적으로 개방되어 중속 영역에서 고속 영역으로의 흐름이 과장되게 증가하기 때문이다. 저속에서는 가변 스타터가 잠기므로 속도와 흐름 사이에 더 선형적인 관계가 발생한다.

또한 100% 유량을 초과하면 숨이 막혀 속도선이 빠르게 닫힌다는 점에 유의하십시오. 초크를 넘어, 속도의 추가 증가는 공기 흐름을 더 이상 증가시키지 않을 것이다.

효율 축

하위 그림은 일정한 속도에서 흐름에 따른 등방성(즉, 단열성) 효율의 변동을 보여준다. 일부 지도는 다방성 효율을 사용한다. 또는 예시를 위해 효율성 등고선을 주 지도에 교차 표시하기도 한다.

피크 효율의 중심은 상승 추세에 약간의 변화를 나타낸다. 이는 속도가 증가함에 따라 가변 스타터가 폐쇄되면서 컴프레서가 질식사하기 때문이다. 변수가 열리기 시작하면 추세선이 재개된다.

작업라인

또한 지도에는 일반적인 정상 상태 작업(또는 작동/실행) 라인이 표시되어 있다. 이것은 엔진의 작동 지점의 위치로서, 조절된다.

고압비 장치인 만큼 작업 라인이 상대적으로 얕다. 장치에 가변 기하학이 없다면 서지 라인이 매우 가파르고 부분 흐름에서 작업 라인을 통과하기 때문에 취급 문제가 있을 것이다.

중간 회전 설정에서 슬램 가속이 진행되는 동안 컴프레서 작업 라인은 서지 방향으로 빠르게 이동한 다음 정상 상태 작동 지점에 천천히 접근하여 지도를 더 위로 이동한다. 그 역효과는 슬램 감속 중에 발생한다. 이러한 영향은 엔진 연료 흐름의 빠른 변화에 대한 스풀의 느린 응답(즉, 관성 효과)에 의해 발생한다. 압축기 서지는 슬램 가속 중 특정한 문제로, 연료 공급 일정 및/또는 블로오프(취급 목적을 위해 압축기에서 공기를 배출)의 적절한 조정을 통해 극복할 수 있다.

표시된 특정 예에서 지면 공회전으로부터의 슬램 가속은 고압 압축기 서지 현상을 일으킬 수 있다. 블로오프를 여는 것도 도움이 되지만 가변 스테이터 일정의 일부 변경도 필요할 수 있다.

고압 압축기는 고압 터빈의 질식된 유량을 '인식'하기 때문에 압축기 작동 라인은 비행 조건에 거의 영향을 받지 않는다. 작업 라인의 경사는 일정하게 보정된 출구 흐름에 가깝다.

1단 에어로 엔진 팬 지도

저압 비율 팬(높은 바이패스 비율 터보팬에 사용되는 팬 등)에는 다양한 작업 라인이 있다. 높은 비행 속도에서 램 압력 비율은 냉간 노즐 압력 비율을 증가시켜 노즐을 질식시킨다. 질식 상태 이상으로, 작업선은 독특한 가파른 직선으로 합쳐지는 경향이 있다. 노즐이 풀리면 노즐 특성의 곡률을 반영하여 작업 라인이 더 커지기 시작한다. 비행 마하 수치가 떨어지면 냉간 노즐 압력비가 감소한다. 초기에는 길이가 길어지는 곡선(유인화되지 않은) 꼬리와 별도로 작업 라인의 위치에는 영향을 미치지 않는다. 결국, 냉간 노즐은 풀 스로틀에서 조차도 낮은 비행 마하 수치에 끼지 않게 된다. 이제 작업 라인은 곡선이 되어 비행 마하 수가 감소함에 따라 점차 급증하는 방향으로 이동하게 된다. 최저 서지 마진 작업 라인은 정적 조건에서 발생한다.

관련된 제약 조건의 특성상 혼합 터보팬의 팬 작동 라인은 동등한 비혼합 엔진의 작동 라인에 비해 다소 더 가파르다.

팬은 바이패스(즉, 외부) 섹션과 일반적으로 더 길고 평평한 속도선이 있는 내부 섹션에 대한 지도 두 개를 가질 수 있다.

군용 터보팬은 민간 엔진보다 디자인 팬 압력 비율이 훨씬 높은 편이다. 결과적으로 최종(혼합) 노즐은 대부분의 스로틀 범위에 걸쳐 모든 비행 속도에서 질식된다. 그러나 낮은 스로틀 설정에서는 노즐이 풀려서 작업 라인의 하단부에 짧은 곡선의 꼬리가 생기게 되며, 특히 낮은 비행 속도에서는 더욱 그러하다.

그러나 초고우회비 터보팬은 설계 팬 압력비(예: 바이패스 섹션 1.2)가 매우 낮다. 따라서 크루즈 비행 속도에서도 콜드(또는 혼합 결승) 프로펠링 노즐은 높은 스로틀 설정에서만 질식될 수 있다. 팬 작업 라인은 비행 마하 수가 감소함에 따라 곡선이 더 커지며 급증하는 방향으로 빠르게 이동한다. 결과적으로, 정적 작업 라인은 특히 낮은 스로틀 설정에서 서지 속으로 잘 들어갈 수 있다.

한 가지 해결책은 가변 영역 콜드(또는 혼합) 노즐을 갖는 것이다. 낮은 비행 속도에서 노즐 면적을 증가시키면 팬 작업 라인이 서지 않게 된다.^[53]

다른 해결책은 가변 피치 팬을 맞추는 것이다. 팬 블레이드의 피치를 스케줄링하는 것은 팬 작업 라인의 위치에 영향을 미치지 않지만, 팬 서지 마진을 개선하기 위해 서지 라인을 위쪽으로 이동하는 데 사용할 수 있다.^[54]

에어로엔진 IP 압축기 맵

일부 터보팬에는 팬과 고압(HP) 컴프레서 사이에 중간 압력(IP) 컴프레서가 있어 전체 압력 비율을 높인다. 미국의 토목 엔진은 일반적으로 IP 압축기를 팬 바로 뒤에 있는 LP축에 장착하는 경향이 있는 반면, 롤스로이스는 IP 터빈에 의해 구동되는 별도의 IP축에 탑재한다. 어느 쪽이든 일치하는 문제가 발생할 수 있다.

IP 압축기 출구 보정 흐름은 엔진이 다시 조절될 때 감소하는 HP 압축기의 입력 보정 흐름과 일치해야 한다. 특정 IP 압축기 작업 라인 기울기에서 IP 압축기 출구 보정 유량은 일정하게 유지된다. 그러나, 셸로우 작업 라인을 채택함으로써, 주어진 IP 압축기 입력 보정 흐름에서 추가 IP 압축기 압력비를 통해 IP 압축기 출구 보정 흐름이 감소하고 HP 압축기 입력 보정 흐름과 일치할 수 있다. 불행히도 이는 부분 흐름에서 IP 압축기 서지 마진을 저하시킬 수 있다.

서지 마진은 가변 스타터를 IP 압축기에 추가하거나 IP와 HP 압축기 사이에 블로오프 밸브를 추가함으로써 개선할 수 있다. 전자는 IP 압축기 서지 라인을 얕은 작업 라인에서 떨어지도록 흔들어 IP 압축기 서지 마진을 개선한다.

주어진 IP 압축기 압력비에서 블로오프 밸브를 열면 IP 압축기 입구 보정 흐름이 IP 압축기 서지 여유가 더 나은 경향이 있는 지점까지 증가하게 된다. 효과적으로 블로오프 밸브를 열면 IP 압축기 작업 라인이 낮아진다. HP 컴프레서가 요구하는 흐름 잉여는 블로오프 밸브를 통과하여 바이패스 덕트로 들어간다. 블로오프 밸브는 일반적으로 에너지를 낭비하기 때문에 조절된 조건에서만 개방된다.

참조

외부 링크

• 스피드-위즈 터보차저 컴프레서 맵 계산
• 소프트인웨이 주식회사 원심압축기의 성능 및 효율성 지도
• Ctrend 원심압축기 지도 예측 및 설계외 조건에서의 성능해석