Turbomachinery Design and Theory - CH4 Centirufugal compressors and fans (4.1~4.3)

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4.1 소개

이 장은 압축성 유체를 다루는데 쓰이는 터보기계(Turbomachines)에 관해 다룰 것이다. 여기에는 세가지 형태의 터보기계가 있으며, 이는 팬, 블로워 그리고 압축기이다. 팬은 유체의 흐름에서 정압력(stagnation pressure)의 작은 압력 상승을 발생시킨다. 팬은 하우징이라는 정지한 것에 의해 둘러쌓인 회전하는 휠(wheel인)인 임펠러로 구성된다. 에너지는 파워를 전달하는 휠에 의해 공기로 전달이 되며, 공기 흐름이 발생하면, 압력차이가 발생한다.

팬으로 들어간 공기는 유도 통풍(induced draft)이라고 불리는 반면, 팬으로부터 나온 공기는 강제 통풍(forced draft)이라 불리운다. 블로워에서 공기는 연속 스테이지에 의해 압축이 되며 종종 출구 근처에 디퓨져를 통하여 나간다. 전체 압력 상승은 축의 속도, 30000rpm까지 혹은 그 이상에서 1.5~2.5atm의 압력 상승 범위를 지닌다.

4.2 원심압축기

축류 압축기일수도, 원심 압축기일수도, 두 압축기의 결합의 형태일수도 있으며, 효율적인 연소과정을 위해 필요한 고압의 압축된 공기를 생산한다. 터보압축기 혹은 동역학적 압축기에서, 고압은 임펠러에서 공기에 운동 에너지를 전달함으로 얻어진다.

그리고 이 운동에너지는 디퓨져에서 압력으로 변환된다. 공기흐름의 속도는 매우 빠르며 유체의 마하수는 공기 흐름의 많은 부분에서 1로 접근한다. 압축성 효과는 압축기의 모든 단(stage)에서 고려되어야만 할 것이다. 4:1의 압축비는 1단에서는 일반적이며, 6:1의 압축비는 티타늄 재질이 사용되면 가능하다. 작은 터보팬이나 터보프롭 항공기 엔진에서, 하나의 혹은 더 많은 축류단에서 사용되는 원심식 단(centrifugal stage)에 흥미가 새롭게 대두되고 있다.  원심압축기는 공기역학적 문제로 인해 다단의 사용이 필요로 하는 압축비에서 안정적이지 않다. 그럼에도 불구하고, 2단 원심압축기는 터보팬 엔진에서 성공적으로 사용되어 왔다.

그림4.1은 원심압축기의 일부를 보여준다. 회전하고 공기에 운동에너지를 전달하는 임펠러를 포함하는 정적인 케이싱과 공기 속도가 줄어드는 많은 통로로 이뤄진다. 이런 프로세스는 발산(diffusion)이라고 알려지며, 이는 원심입축의 갈라지는 통로를 포함하는 디퓨져로 알려져 있다. 원심압축기는 이중입구 혹은 하나의 입구의 임펠러로 구성될 수 있다. 그림 4.2는 이중 입구 원심압축기를 보여준다.

공기는 임펠러 눈(impeller eye)으로 들어오며 임펠러 디스크위에서 베인에 의해 높은 속도로 선회하게 된다. 임펠러를 떠난 후에 공기는 운동에너지가 압력으로 바뀌는 디퓨져를 통과한다. 에너지는 회전하는 블레이드에 의해 공기에게 전달되며, eye radius r1에서 tip radius r2로 움직일 때, 정압(the static pressure)이 증가하게 된다. 정압 상승의 나머지는 디퓨져에서 이뤄진다. 임펠러에서 압력상승의 반, 디퓨져에서 압력상승의 반을 이루기 위해 압축기를 설계하는 것은 흔한 일이다. 디퓨져를 떠난 공기는 모아진 뒤 출구로 떠나가게 된다.

4.3 블레이드 형상이 성능에 미치는 영향성

챕터2에서 언급했듯이, 임펠러에는 세가지 형태의 베인 타입이 존재한다. 이는 그림 4.3에서 보듯이 세가지 형태이다.

(forward-curved, backward-curved, radial vane)

임펠러는 높은 스트레스를 견디는 경향이 있다. 팬과 수력펌프에 사용되는 곡면 블레이드(Curved blades)는 원심력과 휨응력(bending stress)이 베인에 집중되기 때문에, 강해야만 한다.

곧은 레이디얼 블레이드는 휨응력(bending stress)에 자유롭지 못하며, 또한 curved blade보다 제작하기 쉬울 것이다.

그림 4.3은 세가지 형태의 임펠러를 각각의 베인의 출구에서 속도 삼각형과 함께 도식으로 보여준다. 

그림 4.4는 세가지 형태의 블레이드의 상대적인 성능을 보여준다. backward blade에서 유량이 증가할수록 압력이 감소하는 것이 확인된다. Radial blade에서는 일정한 양의 헤드를, forward blade에서는 유량이 늘수록 헤드가 증가하는 경향이 있다.

주어진 tip speed에서, forward-curved blade 임펠러는 최대 에너지를 전달하며, radial blade는 조금 적게, backward-curved blade는 가장 적게 에너지를 전달한다. 그리하며 forward-blade 임펠러는 radial이나 backward-curved blade보다도 더 작은 크기의 기계로부터 주어진 압력비를 획득할 수 있다.