터보 기계

이 글은 검증을 위해 추가 인용문이 필요합니다. 신뢰할 수 있는 출처에 인용문을 추가하여 이 기사를 개선하는 데 도움을 주십시오. 조달되지 않은 자재는 제거될 수 있습니다.출처 : '터보머신'– 뉴스 · 신문 · 서적 · 학자 · JSTOR (2009년 11월) (이 템플릿메시지 삭제 방법 및 삭제 시기 확인)

기계공학에서 터보기계는 터빈과 압축기를 포함하여 회전자와 유체 사이에 에너지를 전달하는 기계를 말합니다.터빈이 유체에서 로터로 에너지를 전달하는 동안 컴프레서는 로터에서 ^[1][2]유체로 에너지를 전달합니다.

이 두 가지 유형의 기계는 압축 가능한 유체에 대한 뉴턴의 제2 운동 법칙과 오일러의 펌프 및 터빈 방정식을 포함한 동일한 기본 관계에 의해 지배됩니다.원심 펌프는 또한 회전자에서 유체(일반적으로 액체)로 에너지를 전달하는 터보 기계이며 터빈과 압축기는 보통 ^[1]기체로 작동합니다.

역사

최초의 터보 기계는 지중해 지역에서 기원전 3세기에서 1세기 사이에 나타난 물레방아로 식별될 수 있었다.이것들은 중세 내내 사용되었고 첫 번째 산업혁명이 시작되었다.증기 동력이 사용되기 시작했을 때, 재생 가능한 천연 동력원이 아닌 연료의 연소에 의해 구동되는 최초의 동력원으로서, 이것은 왕복 엔진과 같았다.스모크 잭과 같은 원시 터빈과 개념적 설계는 간헐적으로 나타났지만 실질적으로 효율적인 터빈에 필요한 온도와 압력은 당시의 제조 기술을 능가했다.가스터빈에 대한 첫 번째 특허는 1791년 존 바버에 의해 출원되었다.실용적인 수력 터빈과 증기 터빈은 1880년대까지 등장하지 않았다.가스 터빈은 1930년대에 등장했다.

최초의 임펄스형 터빈은 1883년 칼 구스타프 드 라발에 의해 만들어졌다.1884년 찰스 파슨스가 만든 최초의 실용 반응형 터빈이 그 뒤를 바짝 따랐다.파슨스의 첫 번째 디자인은 다단계 축류 장치였고, 조지 웨스팅하우스는 1895년에 인수하여 제조하기 시작했고, 제너럴 일렉트릭은 1897년에 드 라발의 디자인을 인수했다.그 이후, 0.746 kW를 생산하는 Parsons의 초기 설계에서 1500 MW 이상을 생산하는 최신 핵 증기 터빈으로 개발이 급증했다. 오늘날 ^{[citation needed]}증기 터빈은 미국에서 발생하는 전력의 약 90%를 차지한다.그 후, 1890년대 후반에 처음으로 작동하는 산업용 가스 터빈이 가로등에 전력을 공급하기 위해 사용되었다(Meher-Homji, 2000).

분류

일반적으로 터보기계는 개폐식 터보기계의 2종류가 있다.프로펠러, 풍차 및 수축되지 않은 팬과 같은 개방형 기계는 무한한 범위의 유체에 작용하지만, 닫힌 기계는 하우징이나 ^[2]케이스를 통과할 때 한정된 양의 유체에 작용합니다.

터보 기계도 흐름의 종류에 따라 분류됩니다.유량이 회전축에 평행한 것을 축류기라고 하며, 유량이 회전축에 수직인 것을 방사형(또는 원심형) 유량기라고 합니다.또한 혼합 흐름 기계라고 불리는 세 번째 범주가 있는데, 여기에는 방사형 및 축 방향 흐름 속도 성분이 ^[2]모두 존재합니다.

터보 기계는 두 가지 추가 범주로 분류할 수 있습니다. 즉, 에너지를 흡수하여 유체 압력을 높이는 펌프, 팬 및 압축기와 같은 에너지와 낮은 압력으로 흐름을 확장하여 터빈과 같은 에너지를 생산하는 기계입니다.펌프, 팬, 압축기 및 터빈을 포함하는 응용 프로그램이 특히 중요합니다.이러한 구성 요소는 전원 및 냉동 ^[2][3]사이클과 같은 거의 모든 기계 장비 시스템에서 필수적입니다.

유체 기계의 종별 및 그룹별 분류

기계 유형 → 그룹 ↓	기계	힘과 기계의 조합	엔진
오픈 터보 기계	프로펠러		풍력 터빈
유압 유체 기계 (비압축성) 액체)	원심 펌프 터보펌프 그리고. 팬	유체 커플링 및 클러치 (유압식 변속 장치); Voith 터보 변속기 펌프로 작동시키다 (펌프 저장 수력 발전)	수력 터빈
온도 터보 기계 (가소성 유체)	압축기	가스 터빈 (GT의 흡입구는 컴프레서로 구성됩니다.)	증기 터빈 ← 터빈 제트 엔진

터보 기계

정의.

연속적으로 움직이는 유체의 흐름으로부터 에너지를 추출하거나 에너지를 보내는 모든 장치는 터보 기계라고 불립니다.구체적으로는 터보기계는 회전 요소인 로터의 동적 작용을 사용하는 동력 또는 헤드 생성 기계입니다. 로터의 작용은 기계를 통해 지속적으로 흐르는 유체의 에너지 수준을 변화시킵니다.터빈, 압축기 및 팬은 모두 이 기계 ^[4]제품군에 속합니다.

양의 변위 기계(특히 역학적 및 체적 효율 고려사항에 기초한 저속 기계)와 달리, 대부분의 터보 기계는 기계적 문제 없이 비교적 빠른 속도로 작동하며 체적 효율은 100%에 ^[5]가깝습니다.

분류

에너지 변환

터보 기계는 에너지 ^[1][2]변환 방향에 따라 분류할 수 있습니다.

• 전력을 흡수하여 유체 압력 또는 헤드(덕트 팬, 컴프레서 및 펌프)를 높입니다.
• 낮은 압력 또는 헤드(유압, 증기 및 가스 터빈)로 오일을 확장하여 전력을 생산합니다.

유체 흐름

터보 기계는 ^[6]로터의 통로를 통과하는 흐름의 특성에 따라 분류할 수 있습니다.

축류 터보머신 ^[7]- 통로의 경로가 회전축에 전체적으로 또는 주로 평행한 경우, 이 장치를 축류 터보머신이라고 합니다.유체 속도의 반경 구성요소는 무시할 수 있습니다.유체의 방향에 변화가 없기 때문에 여러 축 단계를 사용하여 출력을 높일 수 있습니다.

카플란 터빈은 축류 터빈의 한 예입니다.

그림:

• U = 블레이드 속도,
• V_f = 유속,
• V = 절대 속도,
• V_r = 상대 속도,
• V_w = 속도의 접선 또는 소용돌이 성분.

레이디얼 플로우 터보머신 - 스루플로우가 회전축에 수직인 평면 전체 또는 주로 있는 경우, 이 장치를 레이디얼 플로우 ^[7]터보머신이라고 합니다.따라서 엔트리와 출구 사이의 반지름 변화는 유한합니다.레이디얼 터보머신은 서비스해야 하는 목적에 따라 내향 또는 외향 흐름 타입이 될 수 있습니다.외부 흐름 유형은 유체의 에너지 레벨을 증가시키고 그 반대도 증가시킵니다.지속적인 방향 변경으로 인해 일반적으로 여러 방사형 단계가 사용되지 않습니다.

원심 펌프는 방사형 흐름 터보 기계의 한 예입니다.

혼합 흐름 터보 기계 – 축방향 및 방사형 흐름이 모두 존재하며 둘 다 무시할 수 없는 경우 이 장치를 혼합 흐름 터보 ^[7]기계라고 합니다.방사형 및 축형 모두의 흐름 및 힘 구성요소를 결합합니다.

프랜시스 터빈은 혼합류 터빈의 한 예입니다.

물리적인 동작

터보 기계는 최종적으로 단계 ^[2][3]전체에서 발생하는 압력 변화의 상대적 크기에 따라 분류할 수 있습니다.

임펄스 터보머신은 정지된 노즐(스테이터 블레이드)을 통해 로터 블레이드로 유입되는 유체의 흐름 방향을 가속 및 변경함으로써 작동합니다.노즐은 유입 압력을 속도로 변화시키는 역할을 하며 속도가 증가함에 따라 유체의 엔탈피가 감소합니다.로터 블레이드 위의 압력 및 엔탈피 강하는 최소화됩니다.회전자 ^[1][7]위에서 속도가 감소합니다.

뉴턴의 제2법칙은 에너지의 전달을 설명한다.임펄스 터보머신은 유체 제트가 로터의 블레이드에 도달하기 전에 노즐에 의해 생성되므로 로터 주위에 압력 케이스가 필요하지 않습니다.

펠튼 휠은 임펄스 디자인입니다.

반응 터보 기계는 에어로포일 모양의 로터 및 스테이터 블레이드를 통과하는 유체의 흐름에 반응하여 작동합니다.블레이드 세트를 통과하는 유체의 속도는 로터에서 스테이터로 통과할 때(노즐과 마찬가지로) 약간 증가합니다.유체의 속도는 틈새 사이를 지나면 다시 감소합니다.블레이드 ^[1]세트를 통해 압력과 엔탈피가 지속적으로 감소합니다.

뉴턴의 제3법칙은 반응 터빈의 에너지 전달을 설명한다.작동 유체를 담으려면 압력 케이스가 필요합니다.압축 가능한 작동 유체의 경우, 팽창하는 가스를 효율적으로 활용하기 위해 일반적으로 여러 터빈 단계가 사용됩니다.

대부분의 터보기계는 설계 시 임펄스와 반작용의 조합을 사용하며, 종종 임펄스와 반작용 부분이 같은 블레이드에 있습니다.

터보 기계를 설명하는 무차원 비율

이 섹션은 어떠한 출처도 인용하지 않습니다. 신뢰할 수 있는 출처에 인용문을 추가하여 이 섹션의 개선에 도움을 주십시오. 소스되지 않은 소재는 이의신청 및 삭제될 수 있습니다. (2015년 10월) (이 템플릿메시지 삭제방법 및 삭제시기 확인)

유체 기계의 특성화에는 다음과 같은 무차원 비율이 자주 사용됩니다.치수 및 경계 조건이 다른 흐름 기계를 비교할 수 있습니다.

1. 압력 범위 †
2. 유량계수θ(발신번호 또는 볼륨번호 포함)
3. 퍼포먼스 번호»
4. 실행 번호 »
5. 직경 번호 »

적용들

발전

수력 전기 - 수력 전기 터보 기계는 물에 저장된 위치 에너지를 사용하여 열린 임펠러 위를 흐르며 발전기를 회전시켜 전기를 생성합니다.

증기 터빈 - 발전에서 사용되는 증기 터빈은 여러 가지 종류가 있습니다.전체적인 원리는 고압 증기가 축에 부착된 날개 위로 강제되어 발전기를 돌리는 것입니다.증기가 터빈을 통과할 때, 증기는 더 작은 날개를 통과하여 샤프트가 더 빨리 회전하도록 하여 더 많은 전기를 생성합니다.

가스 터빈 - 가스 터빈은 증기 터빈처럼 작동합니다.공기는 축을 회전시키는 일련의 블레이드를 통해 강제로 유입됩니다.그러면 연료가 공기와 혼합되어 연소 반응을 일으켜 출력을 증가시킵니다.그러면 샤프트가 더 빨리 회전하여 더 많은 전기를 생성합니다.

풍차 - 풍력 터빈으로도 알려진 풍차는 전기를 생산하기 위해 바람을 효율적으로 사용하는 능력으로 인기가 높아지고 있다.모양과 크기가 다양하지만 가장 일반적인 것은 대형 3블레이드입니다.날개는 비행기의 날개와 같은 원리로 작동한다.바람이 날개 위를 지날 때, 그것은 낮은 압력과 높은 압력의 영역을 만들어, 날개를 움직이게 하고, 축을 회전시키고 전기를 발생시킨다.그것은 증기 터빈과 가장 비슷하지만, 무한한 풍력 공급으로 작동합니다.

마린

증기 터빈- 해양 애플리케이션의 증기 터빈은 발전의 터빈과 매우 유사합니다.그 사이에 몇 가지 차이점은 크기와 출력입니다.배 위의 증기 터빈은 마을 전체에 전력을 공급할 필요가 없기 때문에 훨씬 더 작다.그것들은 높은 초기 비용, 높은 특정 연료 소비량, 그리고 그에 수반되는 값비싼 기계들 때문에 그리 흔하지 않다.

가스 터빈 - 해양 분야에서 가스 터빈은 크기가 작고 효율이 높으며 더 깨끗한 연료를 연소할 수 있는 능력으로 인해 점점 더 인기를 얻고 있습니다.발전용 가스 터빈과 마찬가지로 작동하지만, 훨씬 작고 추진용 기계도 더 많이 필요합니다.이들은 몇 분 안에 최대 동력으로 정지할 수 있기 때문에 해군 함정에서 가장 인기가 있으며(Kayadelen, 2013) 전력량이 훨씬 작습니다.

워터젯 - 기본적으로 워터젯 구동은 항공기 터보젯과 유사하지만 작동 유체는 공기 ^[8]대신 물입니다.워터제트는 빠른 함정에 가장 적합하기 때문에 군대에서 자주 사용된다.워터 제트 추진은 선미 구동, 선외기 모터, 축이 있는 프로펠러 및 표면 ^[9]구동과 같은 다른 형태의 해양 추진에 비해 많은 이점을 가지고 있습니다.

자동

터보차저 - 터보차저는 가장 인기 있는 터보 기계 중 하나입니다.그것들은 주로 공기를 더 넣어 엔진에 힘을 더하는 데 사용됩니다.그것은 두 가지 형태의 터보기계를 결합한다.엔진에서 나오는 배기 가스는 터빈처럼 날개 달린 바퀴를 회전시킵니다.그 바퀴는 또 다른 날개 달린 바퀴를 회전시켜 외부 공기를 엔진으로 흡입하고 압축합니다.

슈퍼차저- 슈퍼차저는 엔진 출력 향상에도 사용되지만 압축 원리에 따라 작동합니다.엔진의 기계적 동력을 사용하여 나사 또는 베인을 회전시키고, 이를 통해 공기를 흡입하여 엔진으로 압축합니다.

일반

펌프- 펌프는 또 다른 매우 인기 있는 터보 기계입니다.펌프의 종류는 매우 다양하지만, 모두 같은 기능을 합니다.펌프는 전기 모터에서 실물 크기의 디젤 엔진까지 일종의 기계적 동력을 사용하여 유체를 이동시키는 데 사용됩니다.펌프는 수천 가지 용도로 사용되며 터보 기계의 진정한 기반입니다(Shkorpik, 2017).

공기 압축기 - 공기 압축기도 매우 인기 있는 터보 기계입니다.이들은 공기를 흡입하고 홀딩 탱크에 압축함으로써 압축 원리에 따라 작동합니다.공기 압축기는 가장 기본적인 터보 기계 중 하나입니다.

팬 - 팬은 터보 기계의 가장 일반적인 유형입니다.

항공우주

가스 터빈 - 제트 엔진으로 더 일반적으로 알려진 항공 우주 가스 터빈은 가장 일반적인 가스 터빈입니다.

터보펌프- 로켓 엔진은 매우 높은 추진제 압력과 질량 유속을 필요로 하는데, 이는 펌프에 많은 전력이 필요하다는 것을 의미합니다.이 문제에 대한 가장 일반적인 해결책 중 하나는 에너지 흐름에서 에너지를 추출하는 터보펌프를 사용하는 것입니다.이 에너지 유체 흐름의 원천은 과산화수소의 분해, 추진제의 일부 연소, 연소실 벽의 냉각수 재킷을 통해 흐르는 극저온 추진제의 가열 등 여러 가지 요소 중 하나 또는 조합일 수 있습니다.

터보 기계 토픽의 일부

동적인 연속 흐름 터보 기계에는 여러 종류가 있습니다.다음은 이러한 유형의 일부 목록입니다.이 터보 기계에서 주목할 점은 모든 사람에게 동일한 기초가 적용된다는 것이다.이러한 기계와 특정 사례에 일반적으로 적용되는 분석 유형 사이에는 상당한 차이가 있습니다.이것은 그들이 유체역학, 기체역학, 공기역학, 유체역학, 열역학이라는 동일한 기초 물리학에 의해 통일된다는 사실을 부정하지 않습니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 블레이드의 견고성
• 터보 기계의 2차 흐름
• 슬립 계수
• 터보기계에서의 3차원 손실과 상관관계

레퍼런스

원천

• S. M. Yahya"Turbines Compressor and Fans", 1987.맥그로 힐.
• Meher-Homji, Cyrus B. (2000). The Historical Evolution Of Turbomachinery. Turbomachinery Laboratory Turbomachinery and Pump Symposia. pp. 281–322. doi:10.21423/R1X948. hdl:1969.1/163364.
• 나그푸르왈라, Q. (n.d.)증기 터빈2017년 4월 10일 http://164.100.133.129:81/eCONTENT/Uploads/13-Steam%20Turbines%5BCompatibility%20Mode%5D.pdf에서^{[dead link][unreliable source?]} 취득
• 소아스, C.M. (n.d.)단순 사이클 및 복합 사이클 적용 시 가스터빈. 1-722017년 4월 10일 https://www.netl.doe.gov/File%20Library/Research/Coal/energy%20systems/turbines/handbook/1-1.pdf에서 취득
• 미국 펄먼(2016년 12월 2일)수력 발전:작동 방식.2017년 4월 10일 https://water.usgs.gov/edu/hyhowworks.html에서 취득
• 슈코르피크, J. (2017년, 1월 1일)Lopatkov stro stroj 영어 버전.2017년 4월 9일 http://www.transformacni-technologie.cz/en_11.html에서 취득
• 카야델렌, H. (2013년)선박용 가스 터빈.제7회 국제 고도 기술 심포지엄.2017년 4월 15일 취득.

외부 링크

• 펌프의 유체역학
• 온라인으로 원심 압축기 헤드를 계산하는 Ctrend 웹사이트