개요

기체 역학 과정의 본질에 대한 깊은 이해와 계산 방법의 개발에도 불구하고 터보 기계 공학에서는 스케일링 및 트리밍과 같은 단순한 설계 방법이 여전히 요구되고 있습니다. 처음부터 설계하는 것보다 이러한 접근 방식의 주요 이점은 단순하고 적은 시간 지출과 계산 리소스의 낮은 수요로 인한 저렴한 특성입니다. 결과 기계의 성능과 효율성에 대한 우수한 예측 정확도는 잘 알려진 특성을 가진 기존 기계를 프로토타입으로 사용하는 것을 기반으로 합니다.

반대로 프로토타입을 사용하면 크기 조정 및 트리밍 방법 사용에 제한이 따릅니다. 프로토타입보다 더 높은 압력과 효율성으로 새로운 디자인을 얻는 것은 거의 불가능합니다. 또한 프로토타입과 상당히 다른 성능을 얻어야 하는 경우 원래 예측의 고유한 신뢰성이 부족할 수 있습니다.

스케일링 방법

설계 및 응용 엔지니어에게는 적용하기 쉽고 일반적이고 유효한 확장 법칙이 필요합니다. 스케일링 법칙은 다음과 같은 목적을 위해 필요합니다.

1. 스케일링 머신에서 얻은 모델 테스트 데이터로부터 본격적인 성능 머신 예측
2. 하나의 잘 테스트 된 기계를 기반으로 다른 성능을 가진 기계 제품군 확보

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터널 및 광산을 환기시키거나 발전소에서 연소 공기 및 연기 가스를 이동시키기 위한 팬과 같은 대형 기계의 실물 크기 모델에 대한 실험 성능 및 효율성 테스트는 높은 에너지 비용과 실험 스탠드의 기하학적 한계로 인해 비실용적일 수 있습니다. 이러한 경우 축척 모델이 사용됩니다. 그리고 레이놀즈 수와 같이 완전한 유사성은 유지되지 않지만 대부분의 경우 보정 계수가 잘 알려져 있고 예측 정확도가 높습니다.

이 방법은 프로토타입에 대한 규모로 설계된 팬 또는 압축기의 흐름 경로를 구현하는 것을 포함합니다. 이는 모든 선형 치수(예: 직경, 블레이드 현, 축 길이 등)에 배율(SF)을 곱해야 함을 의미합니다. 각도 치수(예: 입구 및 출구에서의 블레이드 각도, 지그재그 각도 등)는 변경되지 않은 상태로 유지됩니다.

스케일링 시 압력비, 원주방향 속도(U), 축방향 속도(Cz)와 같은 매개변수는 설계된 기계와 프로토타입에 대해 동일하다고 가정합니다. 따라서:

Reynolds 기준의 평등 조건은 보장되지 않습니다. 설계된 압축기와 프로토 타입은 Re_w. 이 설계는 흐름 경로의 가스 이동이 난류인 경우 계산된 특성의 실제 정확도를 보장합니다. 레이놀즈 수의 "물리적" 값에 대해

유동은 난류를 유지하고 설계된 압축기와 프로토타입의 레이놀즈 수의 부등식은 기체 역학 특성에 거의 영향을 미치지 않습니다.

저압 팬의 효율성을 결정하기 위해 일반적으로 잘 알려진 공식이 사용됩니다.

스케일링 방법으로 축류 압축기의 스테이지를 구하는 예는 그림 1에 나와 있습니다.

스케일링 방법의 단점은 로터 속도를 변경할 필요가 있다는 것입니다. 이것은 회전 속도가 종종 제한되고 전기 네트워크 전류의 주파수와 연결된 산업 설비와 관련될 수 있습니다. 또한 전체 치수를 변경해야 하는 필요성이 제한 요인이 될 수 있습니다. 특히 생산성을 크게 향상시켜야 하고 터보 기계의 설치 위치가 제한된 경우에는 더욱 그렇습니다. 어떤 경우에는 기술적 또는 건설적인 이유로 완전한 기하학적 유사성을 유지하는 것이 불가능합니다. 예를 들어, 팁 클리어런스의 최소값은 로터의 작동 조건(로터가 하우징에 닿지 않음) 또는 스케일링이 큰 프로토타입에서 작은 프로토타입으로 수행되는 경우 작은 클리어런스를 얻을 수 없는 경우에 의해 제한될 수 있습니다. 모델.

트리밍 방법

팬 로터 트리밍은 일반적인 산업 관행이며 여러 가지 다른 용도로 사용됩니다. 저비용이 고효율보다 더 중요한 응용 분야에서 주조 임펠러는 단일 다이에서 다른 작동 특성을 가진 임펠러를 생산하기 위해 공정 후반에 가공될 수 있습니다. 유사하게, 단일 고유량 설계는 광범위한 유량 범위를 커버하기 위해 연속적인 트리밍을 통해 팬 제품군으로 확장될 수 있습니다. 이 외에도 새 임펠러에서 "클린 시트" 설계를 수행하는 것보다 새로운 성능 요구 사항에 맞게 기존 임펠러 설계를 수정하는 것이 매우 유용할 수 있습니다. 트리밍의 장점은 로터 속도를 변경하지 않고 팬 성능을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 하우징 부품에 대한 최소한의 변경도 가능하다는 것입니다.

축류 압축기를 설계하는 방법 중 하나는 하나의 초기(모델) 단계를 사용하여 다단 압축기를 얻는 것입니다. 흐름 경로를 따라 축 방향 속도 제어는 각 단계의 입구 환형 영역을 줄임으로써 수행됩니다. 이를 위해 블레이드는 허브의 덮개를 따라 또는 양쪽에서 잘립니다(그림 2).

압축기 단계는 블레이드 높이를 따라 총 압력과 축 속도의 다른 분포를 가질 수 있습니다. 예를 들어, 자유 와류 법칙에 따라 설계된 단계에서 총 압력과 축 속도의 이론적 분포는 블레이드 높이를 따라 균일합니다. 따라서 이러한 유형의 스테이지에서 트리밍은 축 방향 속도 또는 총 압력의 요약 값에 영향을 미치지 않습니다.

그러나 실제로 많은 연구에서 자유 와류 법칙에 따라 설계된 단계에 대한 축 속도 및 총 압력의 균일한 다이어그램을 얻는 것이 불가능하다는 것을 보여줍니다. 그림 3은 축 방향 속도 및 총 압력 플롯이 있는 단계 구성을 보여줍니다. 허브와 슈라우드의 표면 근처 영역에서는 경계층의 손실로 인해 축 방향 속도 및 총 압력 값이 급격히 떨어집니다.

트리밍할 때 축 방향 속도 및 총 압력 다이어그램은 속도 및 압력 강하의 벽 근처 영역을 평행하게 변위하여 얻습니다. 트리밍이 증가하면 매개변수(유동 코어)의 균일한 분포 영역이 감소하고 흐름 코어가 사라지고 매개변수의 벽 근처 영역 병합이 떨어질 때까지 감소합니다.

일반적으로 실제 단계에서 총 압력 값은 허브에서 슈라우드로 증가하는 반면 총 압력 다이어그램은 입구에서 단계로 균일합니다. 허브 트리밍을 사용하면 스테이지의 다운스트림 평균 총 압력이 증가합니다. 그러나 오버 트리밍을 사용하면 매개변수의 벽 근처 영역이 병합될 때 스테이지의 평균 총 압력이 떨어집니다. 슈라우드 트리밍을 사용하면 스테이지의 평균 다운스트림 압력이 항상 떨어집니다.

트리밍으로 인한 스테이지의 헤드 계수(아래 공식)의 변화는 경험적으로 결정됩니다.

경험에 따르면 실제 압축기 단계에서 총 압력 다이어그램은 매개변수 강하의 벽 근처 영역에 따라 서로 다른 정도의 불균일성을 가질 수 있습니다. 따라서 K의 값은_트리밍ed 계수는 단계에 따라 다릅니다(아래 공식 참조).

예를 들어, 그림 4는 K_트리밍ed 허브 및 슈라우드 트리밍을 위한 K-100-4 스테이지용 분배.

결론

스케일링 및 트리밍과 같은 새로운 디자인을 얻는 간단한 방법은 현대적인 디자인 방법에 비해 많은 이점이 있으며 오늘날 터보 기계 엔지니어링에 적용되고 있습니다. 스케일링과 적당한 트리밍은 예측 가능성이 높은 디자인을 생성하며 새로운 클린 시트 디자인을 수행하는 것보다 저렴하고 쉽게 완성할 수 있습니다.

스케일링 및 트리밍 방법의 주요 단점은 프로토 타입보다 압력이 크게 증가한 디자인을 얻을 수 없다는 것입니다. 또한, 스케일링 및 트리밍을 큰 값으로 수행하면 매개변수 예측의 정확도가 떨어질 수 있습니다.

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출처: https://blog.softinway.com/scaling-and-trimming-in-axial-compressors-and-fans/