KR100530824B1 - 혼류 터빈 및 혼류 터빈 회전 블레이드 - Google Patents

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KR100530824B1 KR10-2003-0060479A KR20030060479A KR100530824B1 KR 100530824 B1 KR100530824 B1 KR 100530824B1 KR 20030060479 A KR20030060479 A KR 20030060479A KR 100530824 B1 KR100530824 B1 KR 100530824B1
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

혼류 터빈은 회전축에 부착되는 허브 및 복수의 회전 블레이드를 포함한다. 복수의 터빈 블레이드 각각은 허브에 반경 방향으로 부착되고, 허브는 복수의 회전 블레이드의 회전 영역에 공급되는 유체에 기초하여 회전된다. 복수의 회전 블레이드 각각은 유체 공급 측면 상에서 볼록하게 부풀어오른 만곡된 형상을 가진다.

Description

혼류 터빈 및 혼류 터빈 회전 블레이드{MIXED FLOW TURBINE AND MIXED FLOW TURBINE ROTOR BLADE}
본 발명은 혼류 터빈 및 혼류 터빈 회전 블레이드에 관한 것이다.
효율적으로 연소 가스 에너지를 기계적인 회전 에너지로 변환시키는 기계로서 반경류 터빈이 알려져 있다. 도1의 (a)는 반경류 터빈의 회전 블레이드(103)의 수평 단면도이고, 도1의 (b)는 반경류 터빈의 회전 블레이드 유닛(100)의 수직 단면도이다.
도1의 (b)에 도시된 바와 같이, 반경류 터빈에는 회전축에 부착되는 회전 블레이드 유닛(100) 및 소용돌이와 유사한 형상을 가지는 스크롤(102)이 제공된다. 회전 블레이드 유닛(100)은 허브(101) 및 반경 방향으로 허브(101) 상에 배열된 복수의 블레이드(103)를 가진다. 노즐(104)은 블레이드(103)의 회전 영역과 스크롤(102) 사이에 개제된다.
가스는 스크롤(102)로부터 노즐(104) 내부로 유동하고, 회전축 방향으로 유입하는 고속 유동부(105)를 생성하도록 노즐(104)에 의해 가속되어 회전력을 갖게된다. 고속 유동부(105)의 유동 에너지는 허브(101) 상에 배열된 블레이드(103)에 의해 회전 에너지로 변환된다. 블레이드(103)는 에너지를 소모한 가스(107)를 회전축 방향으로 배출시킨다.
도1의 (a)에 도시된 바와 같이, 블레이드(103)의 단면은 허브의 표면으로부터 가스 입구의 주변에서 회전축 방향으로 대략 선형으로 연장하고 이어서 회전축에 수직 방향으로 절곡되는 형상을 가진다. 따라서, 블레이드(103)는 허브 측으로부터 배출 측으로 회전 방향에 수직인 방향으로 매끄럽게 비틀어지도록 형성된다. 또한, 노즐(104)의 측면 상의 블레이드(103)의 상부 에지는 편평하고 회전축에 평행하다.
도2는 회전축 방향으로부터 본 블레이드(103)의 블레이드 프로파일과 반경류 터빈의 입구 속도 삼각형 사이의 관계를 도시한다. 도2에 도시된 바와 같이, U는 가스 입구에서의 블레이드(103)의 회전 속도를 나타내고, C는 절대 유동 속도를 나타내며, W는 상대 유동 속도를 나타낸다. 터빈의 효율은 이론 속도비(= U/C0)의 관계로 표현된다. 여기서, C0은 주어진 터빈 입구 온도 및 주어진 압력비의 조건 하에서 유체로서 가속된 가스의 최대 유동 속도를 나타낸다. 도3에 도시된 바와 같이, 터빈 효율(η)은 이론 속도비가 약 0.7인 경우 최대화되고 이론 속도비(U/C0)가 0.7보다 더 큰 영역 및 이론 속도비(U/C0)가 0.7보다 더 작은 영역에서 포물선 모양으로 감소한다. 도2에 도시된 바와 같이, 속도 삼각형은 최대 효율 지점(A)의 주변 영역에서 U, C1 및 W1에 의해 표시된다. 반경류 터빈으로 유입하는 가스는 반경 방향의 반대 방향, 예를 들면 최대 효율 지점 주변 영역(A) 내의 중심을 향하는 방향에서 상대 유동 속도(W1)를 가지며, 그 기울기는 대략 0이다.
이러한 종류의 터빈이 터보 차저용으로 사용되는 경우, 가속을 위해 엔진에 공급되는 연료를 증가시킴으로써 터빈 입구 온도가 상승한다. 또한, 노즐 출구에서의 절대 유동 속도는 도2의 C2에 의해 도시된 바와 같이 증가하고, 상대 유동 속도(W2)는 블레이드(103)에 대해 경사지게 된다. 그 결과, 0이 아닌 기울기가 야기된다. 이론 속도(C0)는 터빈 입구 속도의 상승과 함께 상승하고, 이론 속도비(U/C0)는 B 지점까지 감소한다. 또한, 터빈 효율(η)은 도3에 도시된 바와 같이 기울기(i2)의 발생으로 인해 최대 효율 지점(A)으로부터 더 낮은 효율 지점(B)으로 감소한다. 연료 공급을 증가시킴으로써, 회전수의 상승을 기대하지만, 터빈 효율은 실제 감소하고 터빈의 가속 동력은 약해져서 가속에 대한 반응 능력은 훼손된다. 이러한 터빈이 가스 터빈으로서 사용되는 경우, 터빈 입구에서의 고온이 C0의 증가를 야기시킨다. 이러한 경우에 있어서, 고온 저항 재료가 가스 터빈용으로 요구된다. 종래의 재료가 사용되는 경우, 재료의 강도에 대한 제한은 블레이드(103)의 회전 속도(U)에 대한 제한을 야기하여서, 이론 속도비(U/C0)는 감소한다. 그 결과, 터빈은 저효율 지점(B)에서 작동되어야만 한다.
이러한 문제점을 극복하기 위해, 혼류 터빈이 고안된다. 도4의 (a) 내지 도4의 (c)는 종래의 혼류 터빈을 나타낸다. 도4의 (a) 내지 도4의 (c)에 있어서, 동일하거나 유사한 도면 부호는 도1의 (a) 및 도1의 (b)의 것과 동일한 구성 요소에 할당된다.
종래의 혼류 터빈에 있어서, 도4의 (b)에 도시된 바와 같이, 블레이드(103')의 가스 입구측 에지는 회전축 방향에 대해 소정의 각도를 가지는 선형을 가진다. 가스 입구측 상의 허브(102)의 표면 상의 블레이드(103')의 끝점(106')과 반경 방향의 라인 사이의 블레이드 부착 각도(δ)는 0이 아닌 값으로 설정되고, 보통 10 내지 40°로 설정된다. 반경류 터빈의 경우에 있어서, 블레이드 부착 각도(δ)는 0으로 설정된다. 혼류 터빈에 있어서, 도4의 (b)에 도시된 선 I-I를 따라 취한 블레이드(103')의 단면 프로파일은 도4의 (a)에 도시된 바와 같이 가스 입구 주변을 포함하는 전체적으로 만곡된(포물선) 형상을 가진다.
이론 속도비(U/C0)가 감소하는 조건 하에서 B 지점에서의 전형적인 혼류 터빈의 유동 문제점이 이후에 설명될 것이다. 도5는 블레이드 각도(βk)와 유동 각도(β) 사이의 관계를 도시한다. 도5를 참조하면, 유동 각도(β107)는 약 20°이고 반경류 터빈 내의 B 지점에서 일정하다. 반경류 터빈의 블레이드 각도(βk108)는 0이 아니며 일정하다. 이러한 일예에 있어서, 기울기(i2)는 약 20°이고 효율은 이러한 기울기(i2)에 기인하여 최대 효율과 비교하여 감소한다. 반면에, 혼류 터빈에 있어서, 유동 각도(β109)는 시라우드(shroud)의 측면 상에서 약 20°이지만 허브의 측면 상에서 약 40°로 증가한다. 이러한 유동 각도(β109)의 분포는 도4의 (c)에 도시된 바와 같이 회전 반경(R106)이 회전 반경(R111)보다 더 작은 혼류 터빈의 특성에 기인한다. 도4의 (c)에 도시된 바와 같이, R106은 입구측 블레이드 에지 라인 상의 허브 측면 상의 블레이드(103')의 끝점(106')과 회전축(L) 사이의 거리인 회전 반경이다. 또한, 회전 반경(R111)은 입구측 블레이드 에지 라인 상의 시라우드 측면 상의 블레이드(103')의 끝점(111')과 회전축(L) 사이의 거리인 회전 반경이다.
회전 반경(R106)이 회전 반경(R111)보다 작아지는 경우, 도6에 도시된 바와 같이, 회전 속도(U)는 감소한다. 반면에, 절대 유동 속도(C)의 원주 방향 성분은 각운동량 보존 법칙에 의해 반경에 반비례하여 증가하여서, 유동 각도(β109)는 도5에 도시된 바와 같이 허브 측면 상에서 약 40°로 증가한다. 이러한 방식으로, 종래 혼류 터빈에 있어서, 기울기(i2106)는 허브 표면의 측면 상에서 감소될 수 있다. 유동 각도의 증가에 의해 야기되는 기울기의 증가를 측정하기 위해, 혼류 터빈 내의 블레이드 각도(βk110)는 유동 각도와 대략 일치하도록 허브 측면 상에서 약 40°로 설정된다. 이때의 기울기는 i2113으로 표시된다.
이러한 방식으로, 혼류 터빈은 유동 각도(β) 및 블레이드 각도(βk)가 허브 측면 상에서 서로 근접하도록 설계될 수 있고, 허브 측면에서의 기울기(i2106)는 0에 가깝도록 이루어질 수 있다.
혼류 터빈은 이러한 장점을 가진다. 그러나, 유동 각도(β109)는 허브 측으로부터 시라우드 측으로 선형으로 감소하고, 블레이드 각도(βk110)는 허브 측으로부터 시라우드 측으로 포물선 모양으로 감소한다. 따라서, 기울기(i2112)는 가스 입구측 블레이드 에지 라인의 중간 지점(112)에서 최대값까지 증가된다. 혼류 터빈의 손실은 유동 각도의 분포 및 블레이드 각도의 분포 사이의 차이에 기인하여 증가하고 혼류 터빈의 효율 감소는 기울기의 증가에 기인하여 야기된다.
낮은 이론 속도비(U/C0)에서 작동되는 혼류 터빈의 효율을 더 높이는 기술이 달성될 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 낮은 이론 속도비에서 고효율로 작동될 수 있는 혼류 터빈 및 혼류 터빈 회전 블레이드를 제공하는 것이다.
본 발명의 일태양에 있어서, 혼류 터빈은 회전축에 부착되는 허브 및 복수의 회전 블레이드를 포함한다. 복수의 회전 블레이드 각각은 허브에 반경 방향으로 부착되고, 허브는 복수의 회전 블레이드의 회전 영역에 공급되는 유체에 기초하여 회전된다. 복수의 회전 블레이드 각각은 유체 공급 측면 상에서 볼록하게 부풀어오른 만곡된 형상을 가진다.
이러한 경우에 있어서, 복수의 회전 블레이드 각각은 유체 공급 측면 상의 만곡된 형상 내에 제1 내지 제3 지점을 가진다. 제1 지점이 회전 블레이드가 허브에 부착되는 지점인 경우, 제3 지점은 제1 지점으로부터 이격된 지점이고, 제2 지점은 제1 지점과 제3 지점 사이의 중간 지점이며, 회전축으로부터의 제2 지점의 회전 반경은 회전축으로부터의 제1 지점의 회전 반경보다 더 클 수도 있고, 회전축으로부터의 제3 지점의 회전 반경은 제2 지점의 회전 반경보다 더 클 수도 있다.
또한, 복수의 회전 블레이드 각각은 유체의 공급 측면 상의 만곡된 형상 내에 제1 내지 제3 지점을 가진다. 제1 지점이 회전 블레이드가 허브에 부착되는 지점인 경우, 제3 지점은 제1 지점으로부터 이격된 지점이고, 제2 지점은 제1 및 제3 지점 사이의 중간 지점이며, 회전축으로부터의 제2 지점의 회전 반경은 회전축으로부터의 제1 지점의 회전 반경보다 더 클 수도 있고, 제2 지점의 회전 반경은 회전축으로부터의 제3 지점의 회전 반경보다 더 클 수도 있다.
또한, 유체의 유동 각도는 허브 측으로부터 시라우드 측으로 하향으로 볼록해지도록 감소하는 것이 바람직하다.
이후, 본 발명의 혼류 터빈이 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도7의 (a) 내지 도7의 (c)에 있어서, 본 발명의 실시예에 따른 혼류 터빈은 회전 블레이드 유닛(10), 노즐(4) 및 스크롤(2)을 포함한다.
스크롤(2)은 고정 시라우드(20)에 고정된다. 노즐(4)은 회전 블레이드(3)의 회전 영역과 스크롤(2) 사이에 개제된다.
노즐(4)은 스크롤(2)로부터 공급되는 유체에 도2에서 도시된 전술된 속도 삼각형에서 표시된 절대 속도를 제공하고, 회전 블레이드(3)의 회전 영역에 유체를 공급한다.
회전 블레이드 유닛(10)은 허브(1) 주위에 배열되고 허브(1)에 고정되는 복수의 블레이드(3)를 포함한다. 회전 블레이드(3)는 내부측 에지(206), 외부측 에지(211), 가스 입구측 에지(208) 및 외부측 에지(209)를 가진다. 내부측 에지(206)는 허브(4)의 표면에 고정된다. 외부측 에지(211)는 시라우드(20)의 내부의 만곡된 표면을 따라 회전축 주위에서 회전된다.
도7의 (b)에 도시된 바와 같이, 회전 블레이드(5)는 회전축(L) 방향에 수직인 방향으로 연장하는 부분 및 평면도에서 가스 유동 경로를 따라 상류측으로부터 하류측으로 축방향으로 연장하는 부분을 가진다. 도7의 (a)에 도시된 바와 같이, 회전 블레이드(5)는 회전 방향에서 포물선 모양으로 돌출하는 형상을 가진다.
허브 측면 상의 끝점(6)으로부터 시라우드 측면 상의 끝점(11)으로 연장하는 블레이드(3)의 가스 입구측 에지(208)는 상류측 상에 만곡된 돌출부를 가지도록 형성된다. 입구측 에지(208)는 상류측을 향해 전체 영역에서 볼록하게 부풀어오르고, 양호하게는 포물선 곡선과 같은 2차원 곡선이 입구측 에지(208)의 곡선으로서 좋은 예가 된다. 그러나, 곡선은 3차원, 4차원 또는 더 높은 차수의 곡선일 수도 있다. 종래의 혼류 터빈에서의 회전 블레이드(103)의 입구측 에지는 선형이다.
블레이드(3)의 입구측 에지(208)의 허브 측면 상의 끝점(6)에서의 회전 반경(R6)은 RH (=R6)이고, 블레이드(3)의 입구측 에지(208)의 시라우드 측면 상의 끝점(11)에서의 회전 반경(R11)은 RS (=R11)이며, 블레이드(3)의 입구측 에지(208)의 중간 지점(123)에서의 회전 반경(R123)은 RM (=R123)이다. 입구측 에지(208)의 허브 측면과 입구측 에지(208)의 시라우드 측면 사이를 연결하는 일직선 상의 중간점의 회전 반경은 RM*이다. 끝점(11)은 시라우드 측면 상에 위치하고 다음 관계식을 가진다.
RS > RM > RM* > RH
그러나, 관계식은 다음과 같이 설정될 수도 있다.
RM > RS > RM* > RH
이러한 경우에 있어서, 도8에 도시된 바와 같이 기울기 차이(△In)를 더 증가시키고 기울기(Ina)를 더 감소시키는 것이 가능하다.
본 발명의 혼류 터빈에 있어서, 허브 측면 및 시라우드 측면 상에서의 유동 각도(β15) 모두는 종래의 혼류 터빈에서의 유동 각도(β109)와 대략 동일하다. 그러나, 본 발명의 혼류 터빈에서의 유동 각도(β15)의 분포는 허브 측으로부터 시라우드 측으로 단조롭게 감소하고 하향으로 볼록하게 부풀어오른다. 본 발명의 혼류 터빈에서의 유동 각도(β15)는 종래의 혼류 터빈에서의 유동 각도(β109)보다 더 작다.
도9에 도시된 바와 같이, 상류측을 향해 볼록하게 부풀어오른 입구측 에지(208)로 인해, 다음 특징은 작동 지점이 이론 속도비 B 지점에 있는 경우 가스 입구측 에지(208)의 중간점(123)에서의 유동 각도(β15)에 추가된다.
본 발명의 혼류 터빈에서의 기울기(Ina)는 다음식에 제시된 바와 같이 도5에 도시된 종래의 혼류 터빈의 기울기(In112)보다 더 작다.
Ina = In112 - △In
여기서 △In은 (종래의 혼류 터빈에서의 유동 각도) - (본 발명의 혼류 터빈에서의 유동 각도)이다.
본 발명의 혼류 터빈의 기울기는 종래의 반경류 터빈을 향상시킨 종래의 혼류 터빈의 기울기보다 더 작다. 이러한 기울기의 향상을 통해 도9에 도시된 바와 같이 본 발명의 혼류 터빈의 최대 효율 지점에서의 이론 속도비(U/C0)는 종래의 혼류 터빈의 최대 효율 지점에서의 이론 속도비(U/C0)보다 더 작다. 그 결과, 본 발명의 혼류 터빈은 이론 속도비 지점(B)에서 더 높은 효율 지점(B')으로 작동될 수 있다.
본 발명에서의 혼류 터빈 및 혼류 터빈 블레이드는 기울기 손실을 감소시킴으로써 혼류 터빈 효율을 향상시키는 것을 가능하게 한다.
도1의 (a) 및 도1의 (b)는 종래의 블레이드 및 그 형상 프로파일의 평면 단면도 및 전방 단면도이다.
도2는 속도 삼각형을 도시한 정면도.
도3은 종래 터빈의 효율을 도시한 그래프.
도4의 (a) 내지 도4의 (c)는 종래의 회전 블레이드, 그 형상 프로파일 및 그 회전 반경의 평면 단면도, 전방 단면도 및 측단면도.
도5는 종래 회전 블레이드에서의 기울기 분포를 도시한 그래프.
도6은 종래 회전 블레이드 각각의 회전 반경을 도시한 측단면도.
도7의 (a) 내지 도7의 (c)는 본 발명의 실시예에 따른 혼류 터빈을 도시한 평면 단면도, 전방 단면도 및 측단면도.
도8은 실시예에서의 혼류 터빈에서의 기울기 분포를 도시한 그래프.
도9는 본 발명의 혼류 터빈의 터빈 효율을 도시한 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 허브
2 : 스크롤
3 : 회전 블레이드
4 : 노즐
10 : 회전 블레이드 유닛
20 : 시라우드
203 : 입구측 에지

Claims (7)

  1. 회전축에 부착되는 허브와,
    각각 상기 허브에 반경 방향으로 부착되는 복수의 회전 블레이드를 포함하고,
    상기 허브는 상기 복수의 회전 블레이드의 회전 영역에 공급되는 유체에 기초하여 회전되고, 상기 복수의 회전 블레이드 각각은 상기 유체의 공급 측면 상에 볼록하게 부풀어오른 만곡된 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 혼류 터빈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 회전 블레이드 각각은 상기 유체의 공급 측면 상의 만곡된 형상 내에 제1 내지 제3 지점을 가지고,
    상기 제1 지점은 상기 회전 블레이드가 상기 허브에 부착되는 지점이고, 상기 제3 지점은 상기 제1 지점으로부터 이격된 지점이고, 상기 제2 지점은 상기 제1 및 제3 지점 사이의 중간 지점이며,
    상기 회전축으로부터의 상기 제3 지점의 회전 반경은 상기 회전축으로부터의 상기 제2 지점의 회전 반경보다 더 크고, 상기 회전축으로부터의 상기 제2 지점의 회전 반경은 상기 회전축으로부터 상기 제1 지점과 상기 제3 지점 사이를 연결하는 일직선 상의 중간점의 회전 반경보다 더 크며, 상기 회전축으로부터의 상기 중간점의 회전 반경은 상기 회전축으로부터의 상기 제1 지점의 회전 반경보다 더 큰 것을 특징으로 하는 혼류 터빈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 회전 블레이드 각각은 상기 유체의 공급 측면 상의 만곡된 형상 내에 제1 내지 제3 지점을 가지고,
    상기 제1 지점은 상기 회전 블레이드가 상기 허브에 부착되는 지점이고, 상기 제3 지점은 상기 제1 지점으로부터 이격된 지점이고, 상기 제2 지점은 상기 제1 및 제3 지점의 중간 지점이며,
    상기 회전축으로부터의 상기 제2 지점의 회전 반경은 상기 회전축으로부터의 상기 제3 지점의 회전 반경보다 더 크고, 상기 회전축으로부터의 상기 제3 지점의 회전 반경은 상기 회전축으로부터 상기 제1 지점과 상기 제3 지점 사이를 연결하는 일직선 상의 중간점의 회전 반경보다 더 크며, 상기 회전축으로부터의 상기 중간점의 회전 반경은 상기 회전축으로부터의 상기 제1 지점의 회전 반경보다 더 큰 것을 특징으로 하는 혼류 터빈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체의 유동 각도는 상기 허브 측으로부터 상기 시라우드 측으로 하향으로 볼록해지도록 감소하는 것을 특징으로 하는 혼류 터빈.
  5. 혼류 터빈에 사용되는 회전 블레이드이며,
    각각 허브에 반경 방향으로 부착되는 복수의 회전 블레이드를 포함하고,
    상기 허브는 상기 복수의 회전 블레이드의 회전 영역에 공급되는 유체에 기초하여 회전되고, 상기 복수의 회전 블레이드 각각은 상기 유체의 공급 측면 상에 볼록하게 부풀어오른 만곡된 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 회전 블레이드.
  6. 제5항에 있어서, 상기 복수의 회전 블레이드 각각은 상기 유체의 공급 측면 상의 만곡된 형상 내에 제1 내지 제3 지점을 가지고,
    상기 제1 지점은 상기 회전 블레이드가 상기 허브에 부착되는 지점이고, 상기 제3 지점은 상기 제1 지점으로부터 이격된 지점이고, 상기 제2 지점은 상기 제1 및 제3 지점 사이의 중간 지점이며,
    상기 회전축으로부터의 상기 제3 지점의 회전 반경은 상기 회전축으로부터의 상기 제2 지점의 회전 반경보다 더 크고, 상기 회전축으로부터의 상기 제2 지점의 회전 반경은 상기 회전축으로부터 상기 제1 지점과 상기 제3 지점 사이를 연결하는 일직선 상의 중간점의 회전 반경보다 더 크며, 상기 회전축으로부터의 상기 중간점의 회전 반경은 상기 회전축으로부터의 상기 제1 지점의 회전 반경보다 더 큰 것을 특징으로 하는 혼류 터빈.
  7. 제5항에 있어서, 상기 복수의 회전 블레이드 각각은 상기 유체의 공급 측면 상의 만곡된 형상 내에 제1 내지 제3 지점을 가지고,
    상기 제1 지점은 상기 회전 블레이드가 상기 허브에 부착되는 지점이고, 상기 제3 지점은 상기 제1 지점으로부터 이격된 지점이고, 상기 제2 지점은 상기 제1 및 제3 지점의 중간 지점이며,
    상기 회전축으로부터의 상기 제2 지점의 회전 반경은 상기 회전축으로부터의 상기 제3 지점의 회전 반경보다 더 크고, 상기 회전축으로부터의 상기 제3 지점의 회전 반경은 상기 회전축으로부터 상기 제1 지점과 상기 제3 지점 사이를 연결하는 일직선 상의 중간점의 회전 반경보다 더 크며, 상기 회전축으로부터의 상기 중간점의 회전 반경은 상기 회전축으로부터의 상기 제1 지점의 회전 반경보다 더 큰 것을 특징으로 하는 혼류 터빈.
KR10-2003-0060479A 2002-08-30 2003-08-30 혼류 터빈 및 혼류 터빈 회전 블레이드 KR100530824B1 (ko)

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