축방향 압축기의 성능 테스트

성능 테스트는 고급 축류 압축기 설계 및 개발 프로세스의 핵심 부분입니다. 이들은 현대 세계에서 널리 사용되며 거의 모든 산업에서 찾을 수 있으며, 공기 추진 터보팬 엔진용 코어 압축기와 발전용 공기 파생형 가스 터빈 엔진을 포함합니다. 이것의 한 예는 산업용 가스 터빈과 다단 고압 코어 압축기가 있는 높은 바이패스 비율 터보팬 엔진을 특징으로 하는 그림 1과 2에 표시된 터빈 엔진입니다. 이러한 기계의 개발 시간은 효율적이고 경쟁력 있는 제품이 되기 전에 많은 값비싼 설계-구축-테스트 반복을 포함할 수 있습니다. 이는 테스트 데이터가 설계 도구 내에서 손실 모델을 고정하는 데 자주 사용되기 때문에 압축기 개발 중 성능 테스트 중에 얻은 데이터의 정확성에 매우 중요합니다. 최신 액시얼 압축기는 일반적으로 시스템 효율성을 개선하기 위해 스테이지당 높은 공기역학적 부하를 가지며 고효율로 필요한 압력비를 달성하기 위해 스테이지의 정확한 공기역학적 매칭이 필요합니다. 처음 몇 단계의 가변 형상 입구 가이드 베인과 고정자는 일반적으로 높은 효율성과 적절한 스톨 마진을 유지하면서 수용 가능한 작동성을 제공해야 합니다.

축방향 압축기의 성능 테스트

액시얼 압축기는 모두 제품으로서의 궁극적인 성공을 위해 성능 테스트가 필수적인 철저한 설계 및 개발 단계를 거칩니다. 이러한 고출력 밀도 기계의 개발 단계에서 성능 테스트는 설계가 지정된 요구 사항을 충족하는지 확인하거나 예상 성능에 미치지 못하는 터보 기계 내의 구성 요소를 식별할 수 있으며 추가 개발 및 가능한 재설계가 필요할 수 있습니다. 성능 테스트는 또한 장치가 단지 보증된 조건이 아니라 지정된 모든 조건을 충족하는지 확인할 수 있습니다. 개발 초기 단계에서 다단 축 압축기의 공기역학적 성능 테스트는 종종 단계적으로 수행됩니다. 개발 테스트 프로그램은 실험 설계 방식으로 계획 및 실행되며 압축기를 완전히 특성화하기 위해 다양한 기류 및 샤프트 회전 속도와 가변 형상 일정을 포함합니다. 첫 번째 단계에서 압축기의 전면 블록이 제작되고 수정된(참조된) 공기 유량, 입구 압력, 온도 및 샤프트 회전 속도에서 테스트됩니다. 계측에는 압력, 온도 및 흐름 각도의 스팬 방향 분포를 얻기 위해 출구에서 전통적인 갈퀴와 측량을 활용하는 것이 포함됩니다. 단계별 테스트는 일반적으로 두 가지 이유로 수행됩니다. 첫째, 이러한 유형의 장치의 코어 압축기는 고출력 밀도 기계이며 전체 기하학적 규모에서 전체 다단 축 압축기를 테스트하는 것은 구동 장치에서 엄청난 마력을 필요로 하기 때문에 일반적으로 금지됩니다. 테스트 시설 구동 모터 또는 터빈의 전력 제한 내에서 유지하기 위해 축소된 기하학적 규모에서 압축기를 테스트하는 것이 일반적입니다. 그러나 축소된 압축기의 경우 블레이드 통로가 작기 때문에 정확한 테스트 데이터를 얻기가 더 어렵습니다. 또한 축소된 축척 모델은 주행 간극을 유지하지 못할 수 있으며 더 작은 블레이드 전연 및 후연 두께도 제조 관점에서 문제가 될 수 있습니다. 개발 초기 단계에서 전방 및 후방 컴프레서 블록을 별도로 테스트하는 두 번째 이유는 다단식 액시얼 컴프레서에서 전방 블록의 실제 성능이 설계 목표에 미달할 수 있고 전체 성능이 불리할 가능성이 있기 때문입니다. 단계 간의 공기역학적 불일치로 인해 영향을 받습니다. 이러한 방식으로 설계자는 후면 블록의 최종 블레이드를 제작하는 비용을 부담하기 전에 중간 과정을 수정하고 전면 또는 후면 블록 블레이드의 디자인을 조정할 수 있습니다.

이러한 압축기 구성 요소의 테스트는 정밀하고 보정된 계측 및 고응답 데이터 수집 시스템으로 수행됩니다. 그림 4는 일반적으로 개별적으로 성능 테스트를 거친 전면 및 후면 블록과 코어 압축기의 컴퓨터 흐름 모델을 보여줍니다.

주요 매개변수의 전면 블록 압축기 출구 프로필.

그림 5는 고속 회전 다단 축 압축기 전면 블록의 고도로 계측된 테스트 장비를 보여줍니다. 테스트 장비에는 입구 및 출구 압력과 온도, 출구 흐름 각도에 대한 전통적인 정상 측정과 이러한 매개변수의 방사상 분포가 포함됩니다.

그림 6은 전면 블록 압축기의 출구 평면에서 갈퀴와 측량 프로브로 측정한 방사형 프로파일 데이터의 예를 보여줍니다. 테스트에서 측정된 값은 일반적으로 압축기의 컴퓨터 흐름 모델에서 얻은 값과 비교됩니다. 후방 블록 압축기의 블레이드 설계를 마무리하기 전에 전방 블록 압축기 출구에서 주요 공기역학적 매개변수의 측정된 스팬 방향 기울기를 아는 것이 중요합니다. 정확한 테스트 데이터를 얻는 것은 압축기 설계 및 흐름 분석 코드 내에서 손실 모델의 교정에도 중요합니다.

전면 블록 테스트에서 얻은 압력, 온도 및 흐름 각도 결과의 범위별 분포는 설계 및 분석 코드의 예측 정확도를 검증하거나 개선하는 데 사용되며, 필요한 경우 전면 블록의 블레이드를 순서대로 재설계하는 데 사용할 수 있습니다. 성능을 향상시키기 위해. 후방 블록 압축기 블레이드의 설계를 위해서는 설계 작동 조건에서 스팬 방향의 압력, 온도 및 흐름 각도의 정확한 측정이 필요합니다.

축류 압축기의 개발 단계에서 성능 테스트의 또 다른 주요 목적은 엔진 작동 라인을 따라 다양한 유속 및 샤프트 회전 속도에 대해 최고 수준의 전체 효율을 초래하는 최적의 가변 형상 일정을 실험적으로 결정하는 것입니다. 인렛 가이드 베인과 가변 스테이터의 재설정 각도는 다양하며 결과적인 공기역학적 성능은 일정한 속도 라인의 범위에 대해 측정됩니다. 이 데이터는 오프 설계 작동 조건에서 설계 및 흐름 분석 코드 내에서 손실 및 편차 각도 모델의 검증 및 교정을 위해 특히 중요합니다. 고응답 트랜스듀서로 측정된 비정상 압력 데이터는 실속, 회전 실속 및 압축기 서지의 한계를 결정하는 데도 사용됩니다. 이는 테스트 장비의 상태 모니터링을 위해 수행되어 완전한 압축기 서지에서 작동하는 것을 방지합니다. 장기간 동안 작동하면 압축기 테스트 장비와 압축기 블레이드에 해로울 수 있기 때문입니다.

압축기 전체 특성 성능 맵

압축기의 전체 성능은 일반적으로 그림 7에 표시된 압축기 압력비 및 효율 맵과 같은 특성 맵으로 표시됩니다. 특성 맵은 일반적으로 측정된 테스트 데이터와 유량에서 얻은 예측 시뮬레이션 결과의 비교를 보여줍니다. 기계의 모델. 압력비 및 효율 맵은 일반적으로 표준 압력 및 온도 조건을 참조하는 수정된 유속 및 수정된 샤프트 회전 속도로 표시됩니다. 그림 7의 속도선은 설계 수정 속도에 대한 수정 속도의 비율로 나타낸 것입니다. 후방 컴프레서 블록의 성능 테스트는 전방 블록과 유사한 방식으로 수행됩니다. 압력 및 온도의 입구 조건은 주변 값이지만 후방 블록 XNUMX단의 보정 공기 유량 및 보정 샤프트 회전 속도는 전체 엔진 시스템과 동일한 값이어야 합니다.

축류 압축기 테스트의 성능은 공기의 구성, 즉 공기 중 상대 습도의 비율을 고려해야 합니다. 공기의 유체 특성은 지역 온도와 수증기 함량에 따라 변합니다. 따라서 습한 공기의 유체 특성은 매우 정확하게 계산되어야 하며 습도가 있는 공기의 실제 유체 특성을 사용하여 테스트 데이터 축소를 수행해야 합니다. 이 주요 고려 사항은 압축기의 효율성을 계산할 때 중요합니다. 이러한 측정 및 유체 속성 계산과 관련된 정확도는 종종 작지만 각 변수의 작은 오류가 계산된 출력의 더 큰 오류로 결합될 수 있습니다.

코어 엔진 성능 테스트

개발 프로그램의 후반부에서 전체 코어 압축기는 일반적으로 코어 엔진 하위 시스템 구성에서 테스트됩니다. 여기서 고압 압축기, 연소기 및 고압 터빈 어셈블리는 함께 성능 테스트를 받습니다. 핵심 엔진 테스트의 목적은 압축기와 터빈이 공기열역학적으로 적절하게 일치하여 하위 시스템 환경에서 설계 의도 수준의 성능으로 작동하는지 확인하는 것입니다. 코어 엔진은 마찬가지로 일반적으로 보정된(참조된) 입구 압력, 온도 및 샤프트 회전 속도로 테스트됩니다. 입구 공기가 주변 조건에 있고 엔진에 있는 것처럼 저압 압축기 뒤에 묻히지 않기 때문입니다. 핵심 엔진 테스트 중에 취한 공기역학적 성능 데이터는 일반적으로 유속, 샤프트 회전 속도, 구성 요소 전체 압력 및 온도 비율, 연료 유속입니다.

저자 만나기

이 블로그는 Turbomachinery Expert인 Joseph Veres가 작성했습니다. 그는 상업 및 항공우주 압축기 설계, 개발 테스트 및 코드 개발 분야에서 40년 이상의 경험을 가지고 있습니다. 그는 미국 오하이오주 클리블랜드에 있는 NASA Glenn Research Center에서 은퇴했으며 2004년부터 2009년까지 NASA의 터보기계 및 열전달 지점장이었습니다. NASA에서 그는 축 및 원심 압축기와 펌프에 대한 설계 및 분석 코드를 개발했습니다. 코드는 고급 가스 터빈 엔진 구성 요소의 연구 압축기 리그의 성능 테스트 결과에서 검증되었습니다. 이전에 그는 Dresser-Rand에서 정유 공장, 가스 파이프라인 부스터 및 천연 가스 재주입을 위한 산업용 다단 원심 압축기를 성공적으로 설계하고 테스트했습니다. 1984년부터 1989년까지 그는 Teledyne CAE Turbine Engines에서 고급 설계 및 개발 그룹에서 핵심적인 역할을 수행하여 소형 터보제트, 터보팬 및 터보샤프트 엔진을 위한 수많은 고성능 원심 압축기를 설계하고 테스트했습니다. Joseph은 ASME(American Society of Mechanical Engineers)의 평생 회원이며 33개 이상의 기술 컨퍼런스 간행물을 저술하거나 공동 저술했습니다.

참조 :

1. https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1243/0954410971532758?journalCode=piga
2. https://www.ihi.co.jp/var/ezwebin_site/storage/original/application/2b9fb4333c5a3718efbac1c4c99ad3e4.pdf
3. https://assets-turbomachinerymag-com.s3.amazonaws.com/uploads/2018/09/ge-turbine.jpg
4. https://www.calspan.com/services/aerospace-test-equipment-design-fab/turbomachinery-test-rigs/
5. https://www.semanticscholar.org/paper/Computational-Assessment-of-a-3-Stage-Axial-Which-Kulkarni-Beach/87053c6f42a939e45e807734e7ef5f539b31fee9

출처: https://blog.softinway.com/performance-testing-of-axial-compressors/