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4.7 디퓨져
효율적인 연소시스템을 설계하는 것은 연소실로 들어오는 공기의 속도가 가능한 낮을수록 쉬워진다. 일반적인 디퓨져 출구 속도는 90m/s 정도이다. 디퓨젼 과정에서 공기의 자연스런 현상은 그림4.7에서 보여지듯이 갈라지는 통로로부터 박리가 일어나며, 압력구배의 방향에서 유체가 역류하는 것이다. . (박리: 흐름이 넓어지는 경우 유로의 중앙부로 흐름이 집중하여 역류를 일으키는 현상을 말한다. 기계공학용어사전)
공기가 감속할때 회오리(eddy) 형성은 최대압력상승을 줄임으로써 손실을 야기한다. 그러므로, 최대 허용 베인 디퓨져의 각은 약11degC이다. 이 각도의 증가는 통로벽에서의 경계층 분리때문에 효율의 손실을 발생시킨다.
설계유량과 설계압력비로부터의 어떠한 변화는 효율의 손실을 야기할 수 있다. 다양한 각도의 디퓨져 베인의 사용은 효율 손실을 제어할 수 있다. 챕터2에서 다룬 디퓨젼의 유체 이론은 여기에 적용할 수 있다.
4.8 압축성 효과
만약 압축성 유체의 상대 속도가 유체의 음속에 도달한다면, 유체의 분리(separation)은 지나친 압력 손실을 야기한다. 앞서 언급했듯이, 디퓨젼은 매우 어려운 과정이고, 항상 표면으로부터 박리하며, 소용돌이 형성을 이끌며 압력 상승을 줄이는 경향이 있다. 이 문제를 완화시키기 위해 유체에 어떤 점에서 마하수를 제어하는 것이 필요하다. 마하수는 충격파가 일어나는 것을 초과할 수 없다. 임펠러 입구에서 상대 마하수는 1보다 작아야만 한다.
그림 4.8a에서 보여지듯이, 임펠러의 휘어진 부분에서 볼록한 부분으로부터의 공기 박리, 그리고 이점에서 마하수는 매우 중요하며 충격파가 발생할 수 있다. 이제, 그림4.5b의 입구 속도 삼각형을 다시 고려해보자. 입구에서 상대마하수는 다음과 같다.
T1은 입구에서의 정적 온도(Static temperature)이다.
예선회를 소개함으로서 마하수를 줄이는 것이 가능하다. 예선회는 임펠러에 앞서 있는 고정된 IGV(Inlet Guide Vane)에 의해 주어진다. 그림 4.8b에서 보듯이, 상대속도는 점으로 표현한 삼각형이며 점차 줄어든다. 예선회의 한가지
4.9 디퓨져에서 마하수
유체의 절대 속도는 임펠러의 끝(tip)에서 최대가 되며, 마하수는 아마도 1을 넘게 될 것이다. 이상기체로 가정하면, 임펠러 출구에서 마하수 M2는 다음과 같다.
하지만, 반경상대속도성분 (Cr2)가 아음속인한, 1보다 큰 마하수는 효율의 손실 없이 임펠러 끝에서 사용될 수 있음을 알 수 있다. 추가적으로, 아음속 디퓨젼은 베인리스 공간에서 맴돌이 운동(vortex motion)과 유지되는 일정한 각운동량이 공급되는 충격파의 형성없이도 일어날 수 있다. 디퓨져 베인 입구에서 높은 마하수는 디퓨져 베인 끝에서 stagnation점에서 높은 압력을 야기할 것이며, 이는 디퓨져의 둘레 주위의 정압의 변화를 이끌 것이다.
압력 변화는 베인리스 공간을 통해서 반경 방향으로 위쪽으로 전달되며, 임펠러의 반복 하중(cyclic loading)을 야기한다. 이는 exciting 주파수가 임펠러 베인의 고유 주파수와 같은 순서를 갖는다면 초기 피로 파괴를 이끌 것이다. 이러한 걱정을 극복하기 위해서, 임펠러 베인 그리고 디퓨져 베인의 수를 소수를 사용한는 것이 일반적이다.
4.10 원심압축기 특성
압축성 유체 기계의 성능은 차원 해석으로 유도된 다양한 변수들의 그룹으로 묘사될 수 있다. (챕터 1) 이러한 특성은 압축기 입구에서 압력과 온도의 조건 그리고 작동 유체의 물리적인 특성과 같은 다른 변수들에 의한다. 압축기 성능을 완벽하게 연구하기 위해서, 고정된 회전수
에 대한 유량 계수
에 대한 압력비(P03/P01)를 그리는 것이 필요하다.
에 대한 유량 계수
에 대한 압력비(P03/P01)를 그리는 것이 필요하다.그림4.9는 이상적인 회전수 특성을 보여준다. 일정한 속도로 작동하는 압축기에 연결된 밸브를 고려해보자. 첫째, 밸브가 완벽하게 닫혀 있다고 가정해보자. 압축비는 점A에 위치한다. 이 압력비는 임펠러에서 이동하는 공기의 베인으로부터 이용가능하다. 지금 밸브가 열려있고 공기가 들어온다고 가정해보자.
디퓨져는 압력 상승에 공헌을 하고, 압력비는 증가한다. 그리고 점 B에서 최대 압력이 발생한다. 그러나 이 압력비에서 압축기 효율은 최대 효율 아래에 있을 것이다. 점C는 유량에서 더 많은 증가를 가리키지만 압력은 최대 가능한 점에서 약간 떨어진다. 이는 디자인 유량과 압력이다. 유량에 더 많은 증가는 포인트 D까지 증가할 것이다. 점D는 압력상승이 제로라는 것을 가리킨다. 하지만 위의 커브는 가능하지는 않다.
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