KR101431870B1 - 원심 압축기용 에어포일 확산기 - Google Patents

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Abstract

확산기 통로 구역 및 확산기 통로 구역 내에 위치한 복수의 확산기 블레이드로 형성한 원심 압축기용 에어포일 확산기. 확산기 통로 구역은 원심 압축기의 허브 플레이트와 슈라우드 사이에 형성된다. 확산기 블레이드 각각은 허브 플레이트와 허브 플레이트 맞은편에 위치한 슈라우드의 외부 사이에서 이루어진 스태킹 방향으로 트위스트형 형상을 갖는다. 트위스트형 형상의 결과로서, 확산기 블레이드 입구 블레이드 각은 허브 플레이트로부터 슈라우드의 외부로 감소하고, 확산기 플레이트의 선단에서의 강성 측정치는 1.0 미만의 허브 플레이트에서 측정된 더 낮은 강성 값과 1.0 이상의 슈라우드의 외부에서 측정된 더 높은 강성 값 사이에서 변한다.

Description

원심 압축기용 에어포일 확산기{AIRFOIL DIFFUSER FOR A CENTRIFUGAL COMPRESSOR}
본 발명은 확산기 통로 구역 내에 위치한 복수의 확산기 블레이드를 포함하는 원심 압축기용 에어포일 확산기에 관한 것으로서, 확산기 통로 구역에서 확산기 블레이드 각각은 스태킹 방향으로 트위스트형 형상을 갖는다. 특히, 본 발명은 에어포일 확산기의 블레이드의 선단에서 측정된 강성 값(solidity value)이 압축기의 허브 플레이트에서 1.0 미만의 값과 허브 플레이트 맞은편에 위치한 압축기 슈라우드의 외부에서 측정된 1.0 초과의 값 사이에 있는 에어포일 확산기에 관한 것이다.
원심 압축기는 수많은 산업 용품에 사용한다. 원심 압축기의 주요 성분은 전원, 통상적으로 전기 모터로 구동되는 임펠러이다. 임펠러는 허브 플레이트의 내부 환 영역 내에서 슈라우드에 인접하여 회전한다. 임펠러는 압축될 유체를 슈라우드를 통해 빨아들이고 고속의 유체 및 그로 인한 운동 에너지를 일반적으로 임펠러의 회전 방향에 방사상인 방향으로 재안내하는 회전 블레이드를 갖는 구성요소이다. 확산기는 허브 플레이트와 슈라우드의 외부 사이에 형성되는 확산기 통로 구역 내 임펠러의 하류에 위치하여 압축되는 유체의 속도를 감소시킴으로써 기체의 압력을 회복한다. 이로 인해, 가압된 유체가 압축기의 출구 쪽으로 안내된다.
베인리스 확산기(vaneless diffuser)에서 허브 플레이트와 슈라우드의 외부 사이의 확산기 통로 구역은 압력을 회복하기 위해서 증가하고 있다. 베인(vane) 타입 확산기에서 블레이드(blade)는 확산기 통로 구역에서 허브 플레이트 또는 슈라우드의 외부에 연결된다. 블레이드는 허브 플레이트로부터 슈라우드까지 보면 일정한 횡단면을 가질 수 있다. 에어포일 확산기로서 알려진 베인 타입 확산기에서 베인은 일정한 횡단면이라기보다는 에어포일 단면(airfoil section)을 갖는다.
이러한 원심 압축기를 구동하는 데 필요한 동력은 원심 압축기를 사용하는 플랜트의 운영 비용 중 상당한 부분에 해당한다. 예를 들어, 공기 분리 플랜트에서 플랜트 작동에 관련된 대부분의 비용은 공기를 압축하는 데 드는 전기료이다. 공기 분리와 같은 응용 및 기타 응용에서 사용하는 압축기는 넓은 작동 범위를 요구한다. 예를 들어, 공기 분리 플랜트에서는 생산량을 낮추거나 생산량을 높일 수 있어야 한다. 이 가변적인 작동은 시간에 따라 변하는 요구 또는 지역 전기료에 의해 주도된다. 그러나 전기료를 고려하면, 넓은 작동 범위는 작동 범위에 따른 압축기 효율을 고려할 필요가 있다.
효율을 유지하면서 작동 범위를 높이려는 시도로 임펠러 디자인 및 확산기 디자인을 변경할 수 있다. 그러나 임펠러 디자인의 경우 채택된 실제 디자인은 압축기의 역학적 배치 및 그로 인한 유체 상태, 예컨대 특정 속도에 의해 제한된다. 이러한 배치는 수많은 임펠러 특성, 예컨대 임펠러 슈라우드 및 인듀서 배치의 디자인, 축 길이와 그로 인한 자오선 프로파일의 사전결정 및 3차원 공기역학적 형상, 즉 공기역학적 스윕(sweep)과 린(lean)의 사용 및 스플리터 블레이드의 사용을 요한다. 그러나 통상적으로 가장 일반적으로 이용하는 임펠러 특성은 임펠러 출구에서의 블레이드 백스윕(backsweep)이다. 이는 원심 단의 안정성을 높이는, 감소된 유속으로 상승하는 압력 특성을 원심 단에 제공한다. 또한, 동일한 회전 속도 및 압력 비로 디자인한 방사상 블레이드형 임펠러와 비교하면, 백스윕 임펠러는 방사상 블레이드형 임펠러 디자인에 비해 더 낮은 블레이드 압력 부하, 증가된 임펠러 반응 및 유체로의 증가된 무손실 에너지 전달(코리올리 가속)을 갖는다.
확산기 디자인은 임펠러보다 제한적이지 않다. 확산기 디자인에 대한 기하학적 제약은 오버헝 단(overhung stage)의 경우 볼류트(volute)와 컬렉터(collector)의 크기 또는 빔 타입 단의 경우 복귀 채널(return channel)이다. 베인리스 확산기는 중간 압력 회복 수준 및 중간 효율로 원심 압축기 단에 큰 작동 범위를 제공할 수 있다. 반면, 베인 타입 확산기는 더 높은 효율을 갖지만 작동 범위가 감소한다. 작동 범위를 증가시키려는 시도로 US 2,372,880이 제공하는 베인 타입 확산기는 에어포일 횡단면은 없지만 트위스트형 블레이드를 구비하여 쓰로트(throat) 구역을 변경시켜 압축기의 작동 범위를 증가시킨다. 이로 인한 확산기는 높은 강성 확산기이고, 또는 환언하면 블레이드의 선단(leading edge)과 후단(trailing edge) 사이에서 측정된 거리를 인접 블레이드들의 선단들 사이의 원주 간격으로 나눔으로써 계산되는 1.0 초과의 비를 기하학적으로 포함한다.
1.00 미만의 강성 값을 갖는 에어포일 확산기인 낮은 강성 확산기는 확산기 통로에 기하학적 쓰로트가 없다는 특징이 있고, 베인리스 확산기와 유사하지만 베인리스 확산기 이상의 증가된 압력 회복 수준으로 큰 유동 범위를 보유함을 입증한다. 그러나 작동 범위가 증가하면 높은 강성 확산기와 비교하여 효율이 나빠짐을 발견하였다. 다른 극단에서, 높은 강성 확산기는 더욱 효율적이지만 낮은 강성 확산기의 작동 범위를 보유하지 못하게 구성된다.
논의하는 바와 같이, 본 발명의 한 양상은 허브 플레이트에서 낮은 강성 값을 그리고 슈라우드에서 높은 강성 값을 제공하는, 트위스트형 형상으로 확산기 블레이드가 제조되는 에어포일 확산기를 제공하고, 결과적으로 확산기는 종래기술과 비교하여 더 넓은 작동 범위뿐만 아니라 넓은 범위에 걸쳐서 높은 효율을 원심 압축기에 부과한다.
본 발명은 허브 플레이트에서의 낮은 강성 값부터 슈라우드에서의 높은 강성 값으로 강성이 변하는 원심 압축기용 에어포일 확산기를 제공한다. 본 발명에 따르면, 에어포일 확산기는 허브 플레이트와 허브 플레이트 맞은편에 위치한 슈라우드의 외부 사이에 형성되는 확산기 통로 구역을 갖는다. 허브 플레이트와 슈라우드는 원심 압축기의 부분을 형성하고, 각각은 원심 압축기의 임펠러가 내부 환 영역 내에서 회전하게 하도록 일반적으로 환 형상을 갖는다. 복수의 확산기 블레이드는 허브 플레이트와 슈라우드의 외부 사이의 확산기 통로 구역 내에 원형 배열로 위치하고, 허브 플레이트 또는 슈라우드의 외부에 연결된다.
확산기 블레이드는 허브 플레이트와 슈라우드의 외부 사이에서 이루어진 스태킹 방향으로 트위스트형 형상을 구비하여, 확산기 블레이드 각각은 일반적으로 각 에어포일 단면의 공기역학적 중심을 통과하는 스태킹 방향으로 연장되는 선 주위로 트위스트되고, 확산기 블레이드 각각은 허브 플레이트로부터 슈라우드의 외부로 감소하는 입구 블레이드 각 및 임펠러 회전 방향에서 보면 선단에서는 네거티브 값을 그리고 후단에서는 포지티브 값을 갖는, 허브 플레이트에서 측정된 린 각을 갖는다. 본원과 특허청구범위에서 사용하는 용어 "스태킹 방향(stacking direction)"은 수많은 에어포일 단면이 허브 플레이트로부터 슈라우드의 외부로 적층되는, 확산기 블레이드 각각의 스팬(span) 방향과 관련된 방향을 의미함을 알아야 한다. 용어 "입구 블레이드 각(inlet blade angle)"은 선단을 따른 측정점, 예를 들어 허브 플레이트 및 슈라우드의 외부에서 블레이드를 통과하는 원형 아크(arc)에 대한 접선과 선단을 통과하는 확산기 블레이드의 캠버 선(camber line)에 대한 접선 사이에서 측정된 각을 의미한다. 본원과 특허청구범위에서 사용하는 용어 "린 각(lean angle)"은 확산기 블레이드 각각이 허브 플레이트에서 측정된 허브 플레이트에 법선인 선과 스팬 방향과 관련된 방향에서 만드는 각이다. 통상적으로, 이러한 각은 임펠러 회전 방향에서 포지티브 값을 갖는다.
또한, 본 발명의 에어포일 확산기에서 확산기 블레이드의 선단에서의 강성 측정치는 1.0 미만의 허브 플레이트에서 측정된 더 낮은 강성 값과 1.0 이상의 슈라우드의 외부에서 측정된 더 높은 강성 값 사이에서 변한다. 이러한 점에서, 용어 "강성 값(solidity value)"은 코드(chord) 선 거리 또는 환언하면 블레이드 선단에서의 블레이드의 원주 간격으로 나눈 확산기 블레이드 각각의 선단과 후단을 분리하는 거리 사이의 비를 의미한다. 원주 간격과 코드 선 거리는 측정이 이루어지는 위치인 허브 플레이트 및 슈라우드의 외부에서 결정된다. 블레이드 스윕(sweep)이 없으면 원주 거리는 동일하다.
바람직하게는, 더 낮은 강성 값은 약 0.5 내지 약 0.95의 더 낮은 범위에 있고, 더 높은 강성 값은 약 1.0 내지 약 1.4의 더 높은 범위에 있다. 가장 바람직하게는, 더 낮은 강성 값은 약 0.8이고, 더 높은 강성 값은 약 1.3이다. 입구 블레이드 각은 스태킹 방향에 대하여 선형적인 관계로 변할 수 있다. 바람직하게는, 확산기 블레이드 각각은 일반적으로 각 에어포일 단면의 공기역학적 중심을 통과하는 스태킹 방향으로 연장되는 선 주위로 트위스트된다.
린 각의 절대값은 바람직하게는 약 75도 이하이다. 바람직하게는, 허브 플레이트에서 측정된 입구 블레이드 각은 15.0도 내지 약 50.0도이고, 슈라우드의 외부부분에서 측정된 입구 블레이드 각은 약 5.0도 내지 약 25.0도이다. 확산기 블레이드 각각에 대한 허브 플레이트와 슈라우드의 외부 둘 다에서 캠버 각은 약 0.0도 내지 약 30도, 바람직하게는 약 5도 내지 약 10도이다. 이러한 점에서, 본원과 특허청구범위에서 사용하는 용어 "캠버 각(camber angle)"은 확산기 블레이드의 선단을 통과하는 확산기 블레이드의 캠버 선에 대한 접선과 블레이드의 후단을 통과하는 확산기 블레이드의 캠버 선에 대한 접선 사이에서 이루어지는 각을 의미한다.
바람직하게는, 확산기 블레이드 각각은 NACA 65 에어포일 단면을 갖는다. 또한, 확산기 블레이드 각각은 슈라우드의 외부와 허브 플레이트에서 각각 측정된 약 2% 내지 약 6%의 최대 두께 대 코드 비를 갖는다. 이러한 점에서, 슈라우드의 외부와 허브 플레이트에서 이루어진 측정치의 평균인 약 0.045의 최대 두께 대 코드 비가 바람직하다.
바람직하게는, 선단에서 확산기 블레이드는 허브 플레이트에서 측정된 허브 플레이트의 내부 반경으로부터, 에어포일 확산기와 연관해 사용하는 임펠러의 임펠러 반경의 약 5.0% 내지 약 25.0%의 일정한 오프셋으로 오프셋된다. 바람직한 일정한 오프셋은 약 15.0%이다. 본원과 특허청구범위에서 사용하는 용어 "오프셋(offset)"은 임펠러 반경의 백분율을 의미한다. 약 7개 내지 19개의 확산기 블레이드, 바람직하게는 9개의 확산기 블레이드가 존재할 수 있다. 선단과 후단 둘 다는 스윕없이 구성할 수 있다.
본 명세서는 출원인이 출원인의 발명으로 간주하는 주제를 명백하게 언급하는 특허청구범위로 끝을 맺지만, 본 발명은 첨부한 도면의 기재와 관련할 때 더욱 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 에어포일 확산기의 부분적인 입면도이다.
도 2는 도 1의 입면도에서 부분적으로 예시한 본 발명에 따른 에어포일 확산기의 허브 플레이트의 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시한 허브 플레이트에 포함된 확산기 블레이드의 확대된 부분 입면도이다.
도 4는 도 2에 예시한 허브 플레이트의 확대된 부분 평면도이다.
도 5는 허브 플레이트에서 얻은 본 발명에 따른 에어포일 확산기의 블레이드 외형의 확대된 평면도로서 허브 플레이트에서의 블레이드 각각의 입구 블레이드 각 및 캠버 각을 예시한다.
도 6은 슈라우드의 외부에서 얻은 본 발명에 따른 에어포일 확산기의 블레이드 외형의 확대된 평면도로서 슈라우드의 외부에서의 블레이드 각각의 입구 블레이드 각 및 캠버 각을 예시한다.
도 7은 본 발명에 따른 도 1 내지 5에 도시한 확산기의 블레이드에 포함된 린 각의 절대값 대 확산기 블레이드를 따른 자오선 거리의 그래프 표현이다.
도 8은 종래기술의 낮은 강성 및 높은 강성 에어포일 확산기와 비교한 본 발명에 따른 에어포일 확산기 압축기 단의 임펠러 회전 속도로 나눈 효율 대 부피 유량의 그래프 표현이다.
도 9는 종래기술의 낮은 강성 및 높은 강성 에어포일 확산기와 비교한 본 발명에 따른 에어포일 확산기의 유속으로 나눈 압력 회복 계수 대 부피 유량의 그래프 표현이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명에 따른 에어포일 확산기(1)를 예시한다. 에어포일 확산기(1)는 허브 플레이트(10)와 슈라우드(12) 사이에서 원심 압축기에 포함된다. 허브 플레이트(10)와 슈라우드(12) 둘 다는 원심 압축기의 임펠러가 내부 환 영역 내에서 회전하게 하도록 일반적으로 환 형상을 갖는다. 이와 같이, 허브 플레이트(10)는 원형 외부 주변부(14) 및 원형 내부 주변부(16)를 갖는다. 슈라우드(12)는 압축될 기체를 임펠러에 끌어들이는 콘투어형 입구 부분(18) 및 입구 부분(18)으로부터 방사상으로 연장되는, 허브 플레이트(10) 맞은편에 위치한 외부(20)를 갖는다. 본 기술분야에 알려진 바와 같이, 슈라우드(12)는 압축기 케이싱(casing)의 부분을 형성하고 허브 플레이트(10)는 압축기 케이싱에 연결된다. 에어포일 확산기(1)는 허브 플레이트(10)와 슈라우드(12)의 외부(20) 사이에 형성되는 확산기 통로 구역(21) 및 확산기 블레이드(22)로 형성된다. 예시하지 않지만, 확산기 통로 구역(21)은 압축된 기체가 볼류트 또는 복귀 채널을 통해 방출되는 압축기 출구와 소통한다. 확산기 블레이드(22)는 허브 플레이트(10)에 연결되어 허브 플레이트(10)와 슈라우드(12)의 외부(20) 사이에 위치한다. 확산기 블레이드(22)를 슈라우드(12)의 외부(20)에 연결할 수 있다. 도 2에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 확산기 블레이드(22)는 원형 배열로 배치한다.
예시하지 않지만, 임펠러는 허브 플레이트(10)의 원형 내부 주변부(16)에서 슈라우드(12)의 콘투어형 입구 부분(18)에 근접하여 회전하도록 배치된다. 본 발명은 임의의 임펠러 디자인으로 이용할 수 있지만, 임펠러 출구에 백스윕을 포함하는 임펠러가 바람직하다. 또한, 본 발명은 특정 제조자와 관계없이 임의의 원심 압축기에 적용된다는 점을 알아야 한다.
도 2로부터 명백한 바와 같이, 확산기 블레이드 각각은 스태킹 방향으로 트위스트형 형상을 갖는다는 점을 알 수 있다. 도 3을 추가로 참조하면, 확산기 블레이드(22) 각각은 선단(24) 및 후단(26)을 갖는다. 확산기 블레이드(22) 각각이 에어포일 단면을 포함하므로, 확산기 블레이드 각각은 선단(24)과 후단(26) 사이의 코드 선을 또한 갖는다. 코드 선 거리 또는 환언하면 각 확산기 블레이드(22)와 허브 플레이트의 연접부에서 확산기 블레이드(22) 각각의 선단(24)과 후단(26)을 분리하는 거리는 코드 선 거리 "D1"로 주어진다. 확산기 블레이드(22) 각각이 슈라우드(12)의 외부(20)와 만나는, 선단(24)과 후단(26)을 분리하는 코드 선 거리는 거리 "D2"로 예시한다. 예시하지 않지만, 확산기 블레이드(22)와 허브 플레이트(10) 간의 연접부에는 블레이드와 플레이트 간의 매끄러운 전이를 위하여 필렛(fillet)을 제공한다.
도 4를 추가로 참조하면, 확산기 블레이드(22) 각각의 선단(24)에서 블레이드(22)들 간의 간격, 즉 확산기 블레이드(22)를 분리하는 원주 거리는 허브 플레이트(10)와 슈라우드(12)의 외부(20)에서 측정할 수 있다. 확산기 블레이드(22)를 분리하는 반경 "R"을 갖는 아크(arc)를 따른 원주 거리는 "D3"으로 주어진다. 예시한 실시양태에서 "D3"은 확산기 블레이드(22) 각각의 선단(24)이 위치하는 원의 원주 2πR을 블레이드의 수로 나눔으로써 결정할 수 있다. 예시한 실시양태에서 이 거리는 블레이드가 선단(24)에서 스윕되지 않기 때문에 허브 플레이트(10)와 슈라우드(12)의 외부(20) 사이에서 변하지 않는다.
도면, 즉 도 1 내지 4에서 확산기 블레이드(22) 각각의 선단(24)의 각은 스윕 각(sweep angle)이 아니라 오히려 도면들에서 보는 바와 같이 확산기 블레이드(22)에 부여되는 트위스트로 인해 발생하는 각임을 알아야 한다. 본 기술분야에 알려진 바와 같이, 에어포일 확산기 블레이드의 선단과 연관해 사용하는 용어 "스윕(sweep)"은 확산기 블레이드의 선단 각각이 허브 플레이트(10)와 접촉하는 지점이 확산기 블레이드의 선단 각각이 슈라우드(12)의 외부(20)와 접촉하는 지점과는 상이한 반경에 있음을 의미한다. 스윕을 유사하게 제공할 수 있지만 예시한 실시양태에서는 스윕되지 않은 후단에 동일한 정의를 적용한다.
도 2에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 선단(24)은 허브 플레이트(10)의 내부 원주(16)로부터 일정한 오프셋 거리 "Do"에 위치한다. 이 오프셋은 허브 플레이트(10)의 내부 원주(16) 내에서 회전하는 임펠러 반경의 백분율로서 표현할 수 있고, 바람직하게는 그러한 반경의 약 5% 내지 약 25%이다. 15.0%의 일정한 오프셋이 바람직하다. 오프셋이 존재하는 원인은 선단(24)이 내부 원주(16)에 위치하면 임펠러 블레이드와 확산기 블레이드(22)를 약화시킬 수도 있는, 임펠러를 떠난 유체가 임펠러 블레이드와 확산기 블레이드(22)에 유체 유도 구조 진동을 초래할 수도 있기 때문이다. 그러나 너무 먼 오프셋 거리에서는 확산기(1) 성능이 확산기의 효율 및 압력 회복 능력 면에서 베인리스 확산기 성능으로 나빠질 수도 있을 정도로 유체와 확산기 블레이드(22) 간의 상호작용이 감소할 것이다. 통상적으로, 약 7개 내지 19개의 확산기 블레이드(22)가 존재할 수 있지만, 9개의 확산기 블레이드(22)가 바람직하다.
최대 효율뿐만 아니라 작동 범위를 얻기 위하여, 허브 플레이트(10)에서는 확산기 블레이드(22) 각각의 선단(24)에서 측정된 강성 값은 1.0 미만이고, 슈라우드(12)의 외부(20)에서 측정된 강성 값은 1.0 이상이다. 도 3 및 4를 특별히 참조하면, 허브 플레이트(10)에서의 더 낮은 강성 값은 "D1" 대 "D3"의 비로부터 계산하고, 슈라우드(12)의 외부(20)에서 측정된 더 높은 강성 값은 "D2" 대 "D3"의 비로부터 계산한다. 바람직하게는, 더 낮은 강성 값은 약 0.5 내지 약 0.95의 범위에 있다. 더 높은 강성 값은 약 1.0 내지 약 1.4의 더 높은 범위에 있다. 더욱 바람직하게는, 더 낮은 강성 값은 0.8이고, 더 높은 강성 값은 1.3이다.
블레이드가 트위스트형 형상임을 고려하면, 확산기 블레이드 입구 블레이드 각은 허브 플레이트(10)로부터 슈라우드(12)의 외부(20)로의 스태킹 방향으로 감소할 것이다. 도 5를 참조하면, 확산기 블레이드(22)가 허브 플레이트(10)와 만나는 확산기 블레이드(22)의 입구 블레이드 각 "A1"은 이전에 논의한 반경이 "R"인 원에 대한 접선 "T"와 선단(24)을 통과하는 블레이드 외형(22a)에서의 에어포일 단면의 캠버 선 "CL HP"에 대한 접선 "TLe HP" 사이에서 측정된다. 블레이드 외형(22a)에서의 에어포일 단면의 캠버 각 "A2"는 접선 "TLe HP"와 후단(26)을 통과하는 캠버 선 "CL HP"에 대한 접선 "TTe HP" 사이의 각임을 알아야 한다. 도 6을 참조하면, 확산기 블레이드(22)가 허브 플레이트(10)와 만나는 확산기 블레이드(22)의 입구 블레이드 각 "A3"은 이전에 논의한 반경이 "R"인 원에 대한 접선 "T"와 선단(24)을 통과하는 블레이드 외형(22b)에서의 에어포일 단면의 캠버 선 "CL S"에 대한 접선 "TLe S" 사이에서 측정된다. 다시, 블레이드 외형(22b)에서의 에어포일 단면의 캠버 각 "A4"는 접선 "TLe S"와 후단(26)을 통과하는 캠버 선 "CL S"에 대한 접선 "TTe S" 사이의 각임을 또한 알아야 한다. 도 5 및 6으로부터 명백한 바와 같이, 각 "A1"은 각 "A3"보다 크다.
허브 플레이트(10)에서 측정된 입구 블레이드 각 "A1"은 바람직하게는 약 15.0도 내지 약 50.0도이고, 슈라우드(12)의 외부(20)에서 측정된 입구 블레이드 각 "A3"은 바람직하게는 약 5.0도 내지 약 25.0도이다. 추가로, 허브 플레이트(10)와 슈라우드(12)의 외부(20) 둘 다에서의 캠버 각은 약 0.0도 내지 약 30도이다. 여기서, 본 발명자들은 입구 블레이드 각은 임펠러 및 에어포일 확산기로의 유도된 입구 유동에 기초하여 선택된다는 점을 발견하였다. 캠버 각 "A2" 또는 "A4"는 바람직하게는 약 5.0도 내지 약 10.0도이다.
확산기 블레이드 디자인에 이용하는 유동 각, 예컨대 입구 블레이드 각 및 캠버 각의 선택은 임펠러 디자인 및 확산기 확산 스케줄에 좌우될 것이다. 통상적으로, 현재의 에어포일 디자인은 전산 유체 역학을 이용하고 본 기술분야의 숙련자에게 잘 알려진 컴퓨터 지원 패키지를 이용하여 달성한다. 이러한 각의 외부 범위는 원심 임펠러와 연관해 이용하는 임펠러 디자인의 공지된 변동을 나타내고, 임펠러를 떠난 유체가 압력 회복과 함께 다시 확산기로 재안내될 수 있는 범위를 나타낸다. 일반적으로 말하면, 입구 블레이드 각에 관해서는 슈라우드에서의 유동이 일반적으로 더욱 접선이므로, 더 작은 각도 변화가 허용된다.
도 3을 다시 참조하면, 확산기 블레이드(22) 각각은 바람직하게는 확산기 블레이드 각각의 공기역학적 중심을 통과하는 스태킹 방향에 있는 선인 선 "Lac" 주위로 트위스트된다. 공기역학적 중심(aerodynamic center)은 그 주변에서 공기역학적 모멘트가 블레이드의 받음각(angle of attack)에 의해 변하지 않는 지점이다. 이는 바람직하고, 본 발명의 실시양태는 확산기 블레이드(22)의 몇몇 다른 위치에 대한 트위스트를 또한 제공할 수 있음을 알아야 한다.
블레이드 트위스트는, 허브 플레이트(10)에 대한 법선으로부터 측정되고, 선단(24)에서 네거티브이고 후단에서 포지티브인, 임펠러의 회전 방향(도 2에서 시계방향)으로 확산기 블레이드(22) 각각에서의 린 각을 제공한다. 바람직하게는, 절대 린 각은 약 75도 이하이다. 이는, 더 큰 린 각은 기계가공하기 어렵다고 알려진 점에서 제조 목적을 위한 것이다. 도 7을 참조하면, 예시한 실시양태에서 린 각은 선단(24) 각각에서 약 -30도이고, "Lac"에서 0으로 떨어진 다음, 후단(26) 각각에서 약 60도로 증가한다. 용어 "자오선 거리(Meridional distance)"는 에어포일의 흡입 및 압력 표면들 사이에 위치하는, 확산기 블레이드(22)들에 포함된 에어포일 단면의 캠버 선의 백분율 거리임을 알아야 한다.
바람직하게는, 확산기 블레이드(22) 각각은 NACA 65 에어포일 단면을 포함한다. 이러한 에어포일의 최대 두께 대 코드 비의 범위는 슈라우드(12)의 외부(20)에서 측정된 약 2%이고 허브 플레이트(10)에서 측정된 약 6%이다. 본 기술분야에 알려진 바와 같이, 이러한 비는 압력 및 흡입 표면들 사이의 블레이드들의 최대 두께를 취하여 코드 선 거리로 나눔으로써 결정한다. 예를 들어, 허브 플레이트(10)에서의 두께 대 코드 비에 관한 값은 도 5에 도시한 블레이드 외형(22a)의 최대 두께를 도 3에 도시한 거리 "D1"로 나눈 값이다. 예시한 확산기 블레이드(22)에서 이러한 비의 변화는 선형적이지만 비선형적일 수 있다. 인식할 수 있는 바와 같이, 강성은 허브 플레이트(10)로부터 슈라우드(12)의 외부(20)로 증가하므로, 확산기 블레이드(22) 각각의 코드도 증가하고, 따라서 슈라우드(12)의 외부(20)를 향하는 확산기 블레이드(22) 각각의 스태킹 방향으로 일정한 최대 두께를 유지하고 유동 분리를 회피하기 위하여 비가 감소한다. 슈라우드와 허브 플레이트에서의 두께 대 코드 비의 평균은 바람직하게는 .045이다.
이하의 표 1은 서로 다른 다양한 디자인의 확산기 블레이드의 최대 등엔트로피 효율의 실험 결과를 명시한다. 블레이드 타입 2는 순수 린 디자인이고, 블레이드 타입 8은 트위스트가 없고, 이와 같이 블레이드 트위스트를 위한 스태킹 위치가 존재하지 않는다. "블레이드 트위스트를 위한 스태킹 위치"는 블레이드의 선단으로부터의 캠버 선 거리의 백분율로서 선 주위로 특정 블레이드가 트위스트되는 선의 위치를 나타낸다. 모든 경우에서 "블레이드 트위스트를 위한 스태킹 위치"는 공기역학적 중심에 있지 않았다. 블레이드 1, 2 및 7은 강성이 1 이상이라는 점에서 높은 강성 디자인이다. 블레이드 3, 5, 6 및 8은 강성이 1 미만이라는 점에서 낮은 강성 디자인이다. 허브 플레이트에서 1.00 미만의 강성 값을 그리고 슈라우드에서 1.00 초과의 강성 값을 갖는 블레이드 타입 5는 공기역학적 중심에 있는 "블레이드 트위스트를 위한 스태킹 위치"의 배치가 바람직하지만 본 발명의 필수적인 특징은 아니라는 점에서 본 발명에 따른 블레이드이다. 예상하는 바와 같이, 블레이드 타입 4는 표 1에서 시험되고 제시된 모든 블레이드 중 가장 높은 피크 등엔트로피 피크 효율을 갖는다. 모든 에어포일은 NACA 65 타입 단면이었음을 알아야 한다.
Figure 112010026088683-pct00001
표 2는 모두 본 발명에 따르고, 공기역학적 중심에 있는 바람직한 "블레이드 트위스트를 위한 스태킹 위치"뿐만 아니라 다른 바람직한 특징도 포함한 블레이드를 예시한다. 모든 블레이드는 다시 NACA 65 타입 단면에 기초하였다. 여기서, 임펠러 직경이 타입 9보다 약 20% 작았다는 사실 때문에 효율이 나빠진 "블레이드 타입" 11을 제외하고는 피크 등엔트로피 효율은 표 2에서 보다 컸다. 그러나 이는 사실상 임펠러가 작을수록 내재적으로 효율이 낮다는 사실을 고려하면 상당한 효율이다. 표 1과 2의 비교 시 효율의 백분위 차는 수 퍼센트 포인트지만, 종래기술의 블레이드 디자인에 수반되는 기술은 이미 잘 개발되어 있고, 임의의 경우에서 효율의 임의의 증가는 전력 소모를 상당히 절감하기 때문에, 이러한 결과는 의미가 있음을 또한 알아야 한다. 이러한 점에서, 원심 공정 압축기에 관하여 중간 크기 압축기 단에 대한 1.5% 포인트의 등엔트로피 효율 변화는 단당 대략 20 킬로와트의 전력 절감을 나타낸다.
Figure 112010026088683-pct00002
작동 범위와 효율 면에서, 이하의 예에서 본 발명에 따른 에어포일 확산기("3D 확산기")를 낮은 강성 에어포일 확산기("LSA 확산기") 및 높은 강성 에어포일 확산기("HSA 확산기")와 비교하였다. 이하의 표 3은 이 비교에 사용한 상술한 확산기 각각의 디자인 세부사항을 명시한다.
Figure 112010026088683-pct00003
도 8을 추가로 참조하면, 정규화된 전체 대 정적 단 효율 "η"는 표 3에 명시한 세 타입의 에어포일 확산기에 대한 "Q/N"에 대하여 도식화한다. 본 기술분야에 잘 알려진 바와 같이, 단 전체 대 정적 효율 "ηts"는 수학식 (단 출구 정적 압력/단 입구 전체 압력)(γ/γ-1)-1/((단 출구 전체 온도/단 입구 전체 온도))-1)으로 제공되고, "γ"는 공기 또는 질소의 경우 1.4인 유체 단열 지수이다. 양 "Q/N"은 임펠러 회전 속도로 나눈 입구 부피 유량이다. 본 발명에 따른 확산기 "3D"는 높은 강성 에어포일 확산기 "HSA"의 피크 단 효율과 비슷한 피크 단 효율을 갖는다. 피크 효율은 더 넓은 범위의 유속에 걸쳐서 유지된다. 본 발명에 따른 에어포일 확산기의 작동 범위와 비슷한 넓은 작동 범위를 나타내는 낮은 강성 에어포일 확산기 "LSA"는 더 낮은 단 효율을 나타낸다.
도 9를 추가로 참조하면, 표 3에 명시한 확산기의 압력 회복 능력을 비교한다. 도 9에 도시한 그래픽 결과로부터 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 확산기 "3D"의 작동 범위는 낮은 강성 확산기 "LSA"의 작동 범위에 필적한다. 또한, 높은 강성 에어포일 확산기 "HSA"의 압력 회복 계수 "CP"는 유동 계수가 디자인 포인트 위로 상승함에 따라 매우 빠르게 떨어진다. 이는 확산기 쓰로트 초킹(throat choking) 때문이다. 그러나 Q/N 0.04의 디자인 유동 상태에서의 높은 압력 회복 계수에도 불구하고, 압력 회복 계수는 확산기 선단에서의 유동 분리 및 그로 인한 확산기 쓰로트에서의 유동 장애 증가 때문에 큰 선회 하강 범위에 걸쳐 유지되지 않는다. 본 발명에 따른 확산기 "3D"의 압력 회복은 디자인 유동 상태에서 높은 강성 에어포일 확산기 "HSA"의 압력 회복에 필적한다. 더욱이, 이 높은 압력 회복은 낮은 강성 확산기의 범위와 유사한 더 넓은 범위에 걸쳐서 유지된다. 확산기 통로에서 유리한 3차원 유동 구조를 설정하는 블레이드 트위스트 및 린과 결합되는 가변 강성에 기인한 기하학적 쓰로트의 부재는 본 발명에 따른 확산기를 높은 강성 확산기와 유사한 높은 압력 회복에서 낮은 강성 확산기의 작동 범위와 일치시킨다. 이러한 목적을 위하여, 본 기술분야의 숙련자에게 알려져 있는 바와 같이, 용어 "CP"는 확산기 입구에서의 동적 헤드(dynamic head)로 나눈 확산기 입구 압력을 뺀 확산기 방출 압력으로 제공되는 양이다. 확산기 입구에서의 동적 헤드는 .05×입구 밀도×입구 유속의 제곱과 동일하다.
본 발명은 바람직한 실시양태를 참조하여 기술하지만, 본 기술분야의 숙련자에게 발생하는 바와 같이 현재 계류중인 특허청구범위에서 설명하는 바와 같은 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않으면서 수많은 변경과 추가가 이루어질 수 있다.

Claims (14)

  1. 원심 압축기용 에어포일 확산기로서,
    허브 플레이트와 허브 플레이트 맞은편에 위치한 슈라우드의 외부 사이에 형성되는 확산기 통로 구역으로서, 허브 플레이트와 슈라우드는 원심 압축기의 부분을 형성하고, 허브 플레이트와 슈라우드 각각은 원심 압축기의 임펠러가 내부 환 영역 내에서 회전하게 하도록 일반적으로 환 형상을 갖는, 확산기 통로 구역;
    허브 플레이트와 슈라우드의 외부 사이의 확산기 통로 구역 내에 원형 배열로 위치하고, 허브 플레이트 또는 슈라우드의 외부에 연결되는 복수의 확산기 블레이드
    를 포함하고,
    확산기 블레이드는 허브 플레이트와 슈라우드의 외부 사이에서 이루어진 스태킹 방향으로 트위스트형 형상을 구비하여, 확산기 블레이드 각각은 일반적으로 각 에어포일 단면의 공기역학적 중심을 통과하는 스태킹 방향으로 연장되는 선 주위로 트위스트되고, 확산기 블레이드 각각은 허브 플레이트로부터 슈라우드의 외부로 감소하는 입구 블레이드 각 및 임펠러 회전 방향에서 보면 선단(leading edge)에서는 네거티브 값을 그리고 후단(trailing edge)에서는 포지티브 값을 갖는, 허브 플레이트에서 측정된 린 각(lean angle)을 갖고, 확산기 블레이드의 선단에서의 강성 측정치는 약 1.0 미만의 허브 플레이트에서 측정된 더 낮은 강성 값과 1.0 이상의 슈라우드의 외부에서 측정된 더 높은 강성 값 사이에서 변하는 에어포일 확산기.
  2. 제1항에 있어서,
    더 낮은 강성 값은 약 0.5 내지 약 0.95의 더 낮은 범위에 있고,
    더 높은 강성 값은 약 1 내지 약 1.4의 더 높은 범위에 있는 에어포일 확산기.
  3. 제1항에 있어서,
    더 낮은 강성 값은 약 0.8이고, 더 높은 강성 값은 약 1.3인 에어포일 확산기.
  4. 제1항에 있어서,
    입구 블레이드 각은 스태킹 방향에 대하여 선형 관계로 변하는 에어포일 확산기.
  5. 제1항에 있어서,
    린 각의 절대값은 약 75도 이하인 에어포일 확산기.
  6. 제1항에 있어서,
    허브 플레이트에서 측정된 입구 블레이드 각은 약 15.0도 내지 약 50.0도이고, 슈라우드의 외부에서 측정된 입구 블레이드 각은 약 5.0도 내지 약 25.0도이고, 확산기 블레이드 각각에 대한 허브 플레이트와 슈라우드의 외부 둘 다에서 캠버 각(camber angle)은 약 0.0도 내지 약 30도인 에어포일 확산기.
  7. 제6항에 있어서,
    캠버 각은 약 5도 내지 약 10도인 에어포일 확산기.
  8. 제1항에 있어서,
    확산기 블레이드 각각은 NACA 65 에어포일 단면을 갖는 에어포일 확산기.
  9. 제7항에 있어서,
    확산기 블레이드 각각은 슈라우드의 외부와 허브 플레이트에서 각각 측정된 약 2% 내지 약 6%의 최대 두께 대 코드(chord) 비를 갖는 에어포일 확산기.
  10. 제9항에 있어서,
    확산기 블레이드 각각은 슈라우드의 외부와 허브 플레이트에서 이루어진 측정치의 평균인 약 0.045의 두께 대 코드 비를 갖는 에어포일 확산기.
  11. 제1항에 있어서,
    선단에서 확산기 블레이드는 허브 플레이트에서 측정된 허브 플레이트의 내부 반경으로부터, 에어포일 확산기와 연관해 사용하는 임펠러의 임펠러 반경의 약 5.0% 내지 약 25%의 일정한 오프셋으로 오프셋되는 에어포일 확산기.
  12. 제10항에 있어서,
    일정한 오프셋은 약 15.0%인 에어포일 확산기.
  13. 제1항에 있어서,
    7개 내지 19개의 확산기 블레이드가 존재하는 에어포일 확산기.
  14. 제3항에 있어서,
    선단과 후단은 스윕(sweep)되지 않고,
    허브 플레이트에서 측정된 절대 린 각은 약 75도 이하이고,
    허브 플레이트에서 측정된 입구 블레이드 각은 약 15.0도 내지 약 50.0도이고, 슈라우드의 외부에서 측정된 입구 블레이드 각은 약 5.0도 내지 약 25.0도인 에어포일 확산기.
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