Textbook&Thesis/Turbomachinery design

Turbomachinery Design and Theory - Ch1. Introduction (1.23~1.26)

BOKII 2016. 9. 9. 22:21
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1.23 폴리트로픽 효율 (Polytropic or small-stage efficiency)


위에서 언급된 단열효율(Isentropic efficiency, adiabatic efficiency)이 다단 압축과 팽장을 위해 사용된다고 하면, 오해의 소지가 있을 수 있다. 유체기계는  많은 단(stage)으로 구성할 수 있다. 각 단이 같은 효율을 갖는다 해도, 전체 유체 기계의 단열효율은 단별 효율과는 다르며, 이 차이는 유체 기계의 압축비에 의존한다.

압축기의 단열효율은 감소하는 경향이 있다. 터빈의 단열 효율은 설계된 기계의 압축비가 증가한다면, 증가하는 경향이 있다. 이는 다음의 논의에서 더 확실하게 할 수 있다.  그림(1.12)에서 각 단이 효율 를 갖는 다단 축류 압축기를 고려해보자. 전체 온도 상승은 다음과 같이 표현할 수 있다.


(는 등엔트로피 온도상승이며, 아래에 기입한 s는 단별 온도를 의미한다.) 또한, 효율에 의해 다음과 같이 사용할 수 있다. 


그리하여  ,  이는 그림 1.12를 통해 얻을 수 있다.


 그리고 이 차이는 증가한 압력비만큼 늘어날 것이다. 단별 효율이 터빈의 전체 효율보다 낮을 때 효율의 크기는 반대가 된다.


위의 의견은 폴리트로픽 효율의 개념을 의미하며  는 전체 과정을 통해 일정한 프로세스에서 기본적인 단의 등엔트로피 효율로써 정의 된다.

압축기를 통해 일정한 폴리트로픽 효율과 전체효율  의 관계는 일정한 비열의 가스에 대해 얻을 수 있다.




압축과정에 대해서는,  



하지만 등엔트로픽 과정에서,기 때문에, 미분형태는 다음과 같다.





이제, 이전 방정식에서 dT'를 대체한다면 다음의 식을 얻을 수 있다.






입구1과 출구2 사이의 위의 방정식을 통합하면, 다음과 같다.





식 (1.72)는 다음형태로 사용할 수 있다.







식(1.74)로부터, 만약 우리가  로 바꾼다면, 식 1.73은 폴리트로픽 과정에서 압력과 온도의 함수관계이다. 


그리고 등엔프로픽 과정이 폴리트로픽 과정과 같지 않은 것을 확실하다.


비슷하게, 등엔트로피 팽장과 폴리트로픽 팽장에 대해, 다음의 관계식은 입구1과 출구2 사이에서 정의된다.



그리고



는 터빈의 small-stage 혹은 폴리트로픽 효율이다.



그림 1.13은 일정한  일 경우, 폴리트로픽 효율과 전체 효율을 나타낸다. 



앞서 언급했듯이, 팽창과정의 등엔트로피 효율은 단별 효율보다 높다. 전체 등엔트로피 효율은 압력비의 범위와 다른 폴리트로픽 효율로 구해질 수 있다. 


이런 관계는 그림 1.14를 통해 알 수 있다.







1.24 노즐 효율 (Nozzle efficiency)


노즐의 기능은 입구에서 고압 가스의 온도에너지(엔탈피)를 운동에너지로 변형시킨다. 이는 노즐에서의 가스의 압력과 온도를 감소하면서 얻어질 수 있다. 그림 1.15부터, 최대양의 변형은 노즐 입구와 출구에서 압력 사이에 등엔트로픽 과정을 이끈다.

그런 과정은 1-2s로 나타난다. 이제 노즐 흐름이 마찰에 의해 동반된다면, 엔트로피는 증가할 것이다. 그 결과로, 패스는 1-2로 묘사될 것이다. 실제 과정과 이상과정 사이의 엔탈피 변화의 차이는 마찰 때문이다. 이러한 비는 노즐 단열 효율로 알려지고, 노즐 효율 () 혹은 제트 파이프 효율 로 불리운다.






1.25 디퓨져 효율 (Diffuser efficiency)

디퓨저 효율은는 압축기 효율과 비슷한 방법으로 정의된다. (그림 1.16)




발산(Diffusion) 혹은 감속(deceleration)의 목적은 최대 가능한 운동에너지를 압력 에너지로 변환하는 것이다. 발산은 달성하기 어렵고 유체기계 설계의 주된 문제중 하나로 여겨진다. 이 문제는 경계층의 발생과 디퓨져의 나뉘는 부분으로부터의 유체 분자의 분리에 따른다. 발산율이 너무 빠르면, 전압력 손실이 불가피하다. 반면에, 발산율(the rate of diffusion)이 너무 늦으면, 유체는 excessive length of wall 노출이 되며 마찰손실은 두드러지게 된다. 이러한 효과를 줄이기 위해서는 최적이 발산율이 반드시 이뤄져야 한다.




1.26 유체기계의 열전달 (Energy transfer in turbo machinery)


이번 섹션은 정의, 다이아그램, 무차원 파라미터에 의해 운동학과 동역학을 다룬다. 운동학과 동역학적 요소들은 기계에서 유체 흐름 속도뿐만 아니라 로터 속도 그리고 속도변화에 의한 힘의 상호 영향에 의존한다.



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