KR102196815B1 - 베인을 갖는 반경류 또는 혼류 압축기 디퓨저 - Google Patents

베인을 갖는 반경류 또는 혼류 압축기 디퓨저 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진(1)의 반경류 또는 혼류 압축기(2)용 디퓨저(5)의 베인(10)에 관한 것으로, 이 베인은 가스 흐름 쪽을 향해 위치하는 전연(11), 이 전연(11)의 반대쪽에 있는 후연(12), 전연(11)과 후연(12)을 연결하는 상부 측벽(13)과 하부 측벽(14), 및 전연(11)과 후연(12) 사이에서 적어도 2개의 변곡점(I1, I2)을 갖는 곡선(15)을 포함하는 프로파일을 포함한다. 본 발명은 또한 대응하는 반경류 디퓨저(2)에 관한 것이다.

Description

베인을 갖는 반경류 또는 혼류 압축기 디퓨저 {RADIAL OR MIXED-FLOW COMPRESSOR DIFFUSER HAVING VANES}
본 발명은 일반적으로 가스 터빈 엔진, 보다 구체적으로는, 가스 터빈의 반경류 또는 혼류 압축기의 확산 스테이지, 및 관련 압축기에 관한 것이다.
압축기는 블레이드가 있거나 없는 하나 이상의 회전 디스크(회전자 또는 휠), 및 고정된 베인을 갖는 하나 이상의 휠(정류기 스테이지)를 포함한다.
반경류(또는 원심) 압축기는 적어도 하나의 반경류 압축기 스테이지를 갖는데, 이 스테이지는 압축기의 중심 축선에 수직한 가스 흐름을 얻을 수 있다. 상기 압축기는 반경 방향 블레이드를 갖는 적어도 하나의 휠을 포함하며, 그 블레이드는 공기를 축방향으로 흡인하고, 공기는 반경 방향 힘의 영항하에서 가속되고 압축되어 반경 방향으로 나가게 된다. 그런 다음 이 공기는 디퓨저(고정된 베인)에서 정류되는데, 그 디퓨저는 휠을 떠나는 가스를 감속시켜 공기 속도의 일부를 정압으로 변환시킨다. 터보기계의 작동에 허용가능한 서지 여유(surge margin)를 유지하기 위해 여전히 압축기의 안정성의 만족스러운 수준을 유지하면서 작동은 최소의 총압력 손실로 일어나야 한다.
그리고 가스는 연소실 쪽으로 안내된다.
혼류(또는 축류-반경류) 압축기는 상기 중심 축선에 대해 비스듬한 적어도 하나의 압축 스테이지를 가지며, 그래서 유체는 반경 방향에 대해 영이 아닌 각도를 이루면서 압축기의 휠을 떠나게 된다.
반경류 압축기의 디퓨저는 2개의 플랜지로 구성된 휠로 이루어지며, 그들 플랜지 사이에서 가스는 중심으로부터 주변 쪽으로 반경 방향 또는 대각선 방향으로 흐르게 된다. 베인들은 플랜지들 사이에서 전체 휠을 따라 분산되어 있다. 상기 베인들은 이들 벤인의 전연과 후연 사이에서 유동 캐스케이드를 형성한다.
그러나, 휠을 떠나는 공기 흐름이 디퓨저에 의해 방향 전환될 때, 베인의 내호 또는 외호에서 유체의 박리가 일어날 수 있는데, 이 박리는 상당하다면 유체의 실속(stalling) 및 그 결과 펌핑의 실속을 야기할 수 있다. 이러한 펌핑 현상은 압축기를 구성하는 요소에 해로운 것으로 알려져 있으며, 그래서 이를 가능한 한 피하고자 하는 것이다.
일반적으로, 디퓨저의 베인은 원호 형상을 갖는 내호 벽 및 외호 벽으로 이루어지고, 준 선형 직각을 포함한다. 이러한 베인의 일례가 도 1 에 도시되어 있다. 그러나, 이들 베인은 확산 능력 면에서 제한이 있다. 사실, 이들 베인에 의한 확산의 증가로 인해, 등방 효율의 감소 및 압축기 불안정성의 증가가 일어날 수 있다.
청구항 1 의 전제부에 따른 베인을 포함하는 반경류 압축기용 디퓨저가 WO 2012/019650 에 제안되어 있다. 특히, 이 문헌에는 변곡점을 갖는 함수로 규정되는 캠버선(camber line)을 갖는 프로파일을 갖는 베인에 기재되어 있다. 이러한 이유로, 캠버선은 "S" 형상을 가지며 하중을 베인의 프로파일을 따라 분산시킬 수 있게 해주며, 전연의 영역에서는 하중이 낮고, 하중은 베인의 변곡점까지 점진적으로 증가하게 되며, 그 변곡점에서 하중은 최대가 된다. 그러나, "S" 프로파일을 나타내는 이러한 베인을 사용할 때에는, 디퓨저 목에서의 단면(즉, 유체 유입 단면)을 제한하는 것이 필요하다. 그러면, 유량 특성이 낮은 유량 쪽으로 이동하게 되는 효과가 나타나며 또한 디퓨저의 공기역학적 질식 유동이 감소된다.
"S"와 유사한 형상을 갖는 프로파일 곡선을 갖는 베인이 또한 JP 2011-252424 문헌에 기재되어 있다. 특히, 이 문헌의 베인은, 곡률의 라인과 원주 방향 프로파일 곡선 사이에 형성되는 각도가 베인의 전연과 후연 사이에서 커지다가 감소하고 다시 커지도록 구성되어 있다. 여기서도, 그러므로 디퓨저 목에서의 단면은 제한되어야 하는데, 그래서 디퓨저의 안정성이 감소하는 효과가 나타나게 된다.
본 발명의 일 목적은, 종래 기술의 반경류 및 혼류 압축기의 디퓨저의 성능 및 서지 여유를 개선하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은, 압축기의 등엔트로피 효율 감소를 제한할 수 있고 감속 능력을 개선할 수 있으며 또한 흐름의 안정성을 여전히 유지하면서 압축기의 휠에 의해 전달되는 흐름을 정류할 수 있는 반경류 또는 혼류 압축기용 디퓨저를 제안하는 것이다.
상기 목적을 위해, 본 발명은 반경류 또는 혼류 압축기용 디퓨저의 베인을 제안하는데, 이 베인은 가스 흐름 쪽을 향해 위치하는 전연, 이 전연의 반대쪽에 있는 후연, 및 상기 전연과 후연을 연결하는 외호 측벽과 내호 측벽을 포함한다. 상기 베인의 프로파일은, 상기 전연과 후연 사이에서 적어도 2개의 변곡점을 갖는 캠버선(camber line)을 포함한다. 또한, 내호 벽의 만곡 및 외호 벽의 만곡은 실질적으로 상기 캠버선의 만곡을 따르고 있어,
- 상기 내호 벽은 상기 전연과 후연 사이에서, 오목부에 의해 분리되어 있는 적어도 2개의 볼록부를 포함하고,
상기 외호 벽은 상기 전연과 후연 사이에서, 볼록부에 의해 분리되어 있는 적어도 2개의 오목부를 포함하며, 상기 프로파일은 전연과 후연 사이에서 연장되어 있는 익현(chord) 라인을 지며, 상기 내호 벽의 볼록부 및 외호 벽의 오목부는 적어도 부분적으로 상기 익현의 동일한 측에서 연장되어 있다.
본 발명은 또한 전술한 바와 같은 적어도 하나의 베인을 포함하는 디퓨저, 이러한 디퓨저를 포함하는 반경류 또는 혼류 압축기, 및 이러한 압축기를 포함하는 엔진을 제안한다.
본 발명의 다른 특징, 목표 및 이점은 이하의 상세한 설명 및 비제한적인 예로 주어진 첨부 도면을 통해 더욱 명백히 알 수 있을 것이다.
도 1 은 종래 기술에 따른 베인 프로파일의 일례를 도시한다.
도 2 는 본 발명에 따른 디퓨저의 베인 프로파일의 일례를 도시한다.
도 3 은 도 2 의 베인의 상세도로, 익현(chord) 라인 및 베인 중앙선이 나타나 있다.
도 4 는 본 발명에 따른 디퓨저를 포함할 수 있는 엔진의 일례를 도시한다.
본 발명에 따른 반경류 디퓨저는 특히 반경류 또는 혼류 압축기(2)에 사용되도록 설계되어 있다.
도 4 는 반경류 압축기(2)를 포함하는 엔진(1)의 부분 단면도이다. 가스 흐름(F)이 먼저 공기 유입 통로 안으로 흡인되고, 그런 다음에 반경류 압축기(2)의 휠(3)의 블레이드(3a)와 그의 케이싱 사이에서 압축된다. 압축기(2)는 축선(X)에 대해 축대칭이다. 그리고 압축된 가스 흐름(F)은 휠(3)에서 반경 방향으로 나가게된다. 압축기(2)가 혼류형이면, 가스 흐름은 축선(X)에 대한 반경 방향에 대해 영이 아닌 각도로 나가게 될 것이다.
압축된 공기는 여전히 각운동량을 갖고서 반경 방향으로 휠(3)에서 나가서 디퓨저(5) 안으로 들어가게 된다. 이 디퓨저의 역할은, 압축기(2)에서 오는 가스의 속도를 늦추어 그 가스의 운동 에너지의 일부를 정압(static pressure)으로 전환시키고 또한 휠(3)에서 나가는 흐름을 정류시키는 것이다. 이러한 목적으로 상기 디퓨저는 그의 둘레를 따라 위치되는 복수의 베인(10)을 포함하는데, 이들 베인은 전방 플랜지(5a)와 후방 플랜지(5b) 사이에서 연장되어 있다. 각각의 베인(10)은 공지된 방식으로, 가스 흐름 쪽을 향해 위치하는 전연(11), 이 전연(11)의 반대쪽에 있는 후연(12), 및 전연(11)과 후연(12)을 연결하는 내호 측벽(13)과 외호 측벽(14)을 갖는다.
상기 전방 플랜지(5a) 및 후방 플랜지(5b)는 평평할 수 있다. 일 변형예로서, 플랜지(5a, 5b) 중의 적어도 하나는, 그들 사이에 형성되는 공간에서, 두 베인(10) 사이에서 교번하는 곡률을 갖는 적어도 하나의 영역을 가지며, 그래서 공기 흐름은 적응성 선단 경선(meridian)과 뿌리 경선을 포함할 수 있다. 이러한 교번적인 곡률을 갖는 전방 플랜지(5a) 및/또는 후방 플랜지(5b)에 대한 더 많은 상세 사항에 대해서는 본 출원인의 FR 2 976 633 문헌을 참조할 수 있다.
또 다른 변형예에 따르면, 플랜지(5a, 5b)는 적응성 축대칭 형상을 가질 수 있다.
더욱이, 전방 플랜지(5a) 및 후방 플랜지(5b)는 디퓨저(5)에서의 흡인 및 송풍이 가능하도록 적합하게 될 수 있다.
디퓨저(5)의 베인(10) 중의 적어도 하나, 바람직하게는 모든 베인(10)은 가스 흐름 방향으로 상류에서 하류로,
- 집결 영역이라고 하는 제 1 영역(이 영역의 형상은 상류 흐름에 적합하게 되어 있음), 및
- 확산 영역이라고 하는 제 2 영역(이 영역의 형상은, 디퓨저(5)에서 나가는 더 큰 정압을 얻고 또한 하류부, 일반적으로 축류 디퓨저(5)에 대한 공급을 용이하게 하기 위해 상기 집결 영역에서 오는 흐름을 더욱 강하게 정류시키도록 되어 있음)을 포함한다.
베인(10)은 프로파일을 포함하는데, 이 프로파일의 캠버선(15)은 베인의 전연(11)과 후연(12) 사이에서 적어도 2개의 변곡점(I1, I2)을 갖는데, 즉 오목함의 변화가 적어도 두번 나타난다.
이하, 용어 "변곡점"은, 곡선이 그의 접선과 교차하는 그 곡선 상의 점을 의미한다. 더욱이, 베인(10)의 프로파일은 베인(10)의 단면, 즉 베인(10)의 외호(13)와 내호(14)에 일반적으로 수직인 평면 내에서의 베인(10)의 단면을 의미한다. 마지막으로, 프로파일의 "캠버선(15)"은 베인(10)의 외호(13)와 내호(14)로부터 등거리에 있는 모든 점들을 포함하는 가상의 선에 상당하고, "익현(16)"은 전연(11)과 후연(12)을 양 끝으로서 갖는 선분에 상당한다.
변곡점(I1, I2)은, 제 1 변곡점(I1)의 상류에 연장되어 있는 베인(10)의 일 부분을 포함하는 상기 집결 영역, 및 변곡점(I2)의 하류에 연장되어 있는 베인(10)의 일 부분을 포함하는 상기 확산 영역의 범위를 함께 규정한다.
바람직하게는, 디퓨저(5)의 안정성 및 이 디퓨저(5)의 출구에서의 정압을 최적화하기 위해, 변곡점(I1, I2)은 익현(16)의 10% 와 90% 사이, 바람직하게는 30% 와 70% 사이에 위치된다. 예컨대, 변곡점 중의 제 1 변곡점(I1)은 익현(16)의 35% 와 55% 사이에 위치될 수 있고, 제 2 변곡점(I2)은 익현(16)의 55% 와 65% 사이에 위치될 수 있다. 변곡점(I1, I2)은 특히 익현(16)의 중심에 대해 대칭적으로 배치될 수 있다.
일 변형예로서, 베인(10)의 프로파일은 추가적인 변곡점(I1, I2)을 포함할 수 있다.
그래서, 캠버선(15)은 전연(11)과 후연(12) 사이에서, 적어도 제 1 오목 영역, 이 제 1 오목 영역과는 다른 제 2 오목 영역, 그 다음에 제 3 오목 영역을 연속적으로 갖는다. 변곡점(I1, I2)이 익현(16)의 중심에 대해 대칭이면, 제 2 오목 영역은 베인(10)의 중앙에 있게 된다.
일 실시 형태에 따르면, 내호 벽(14) 및 외호 벽(13)은 실질적으로 캠버선(15)의 만곡을 따르며, 그래서 같은 수의 변곡점(I1, I2)을 갖게 된다.
도 2 및 3 에 나타나 있는 실시 형태에서, 내호 벽(14) 및 외호 벽(13)은 그래서 2개의 변곡점(I1, I2)을 포함한다. 내호 벽(14)은 전연(11)과 제 1 변곡점 사이의 볼록부(14a), 두 변곡점(I1, I2) 사이의 오목부(14b), 그리고 제 2 변곡점과 후연(12) 사이의 볼록부(14c)를 포함한다. 외호 벽(13)은 전연(11)과 제 1 변곡점 사이의 오목부(13a), 두 변곡점(I1, I2) 사이의 볼록부(13b), 그리고 제 2 변곡점과 후연(12) 사이의 오목부(13c)를 포함한다.
더욱이, 캠버선(15)은 내호 벽(14)과 익현(16) 사이에서 연장되어 있다. 다시 말해, 전연(11)과 후연(12) 사이의 모든 점에서, 캠버선(15) 및 내호 벽(14)은 익현(16)으로부터 떨어져 연장되어 있다. 추가로, 외호 벽(13)의 오목 영역은 익현(16)과 교차하고 그러므로 적어도 부분적으로 캠버선(15)의 익현(16)과 동일한 측에 나타나 있다.
캠버선(15)의 두 변곡점(I1, I2)에 의해 만들어질 수 있는 이러한 구성 덕분에, 전연(11)과 후연(12)은 가스 흐름 방향에 대해 일반적으로 종래의 디퓨저(5)에서 나타나는 방향과 동일한 일반적 방향으로 배향되는데, 그래서 목의 단면, 즉 서로 인접하는 두 베인(10) 사이의 유체 유입 단면을 보존할 수 있다. 이리하여, 흐름의 확산을 여전히 개선되면서 디퓨저(5)의 안정성이 유지된다.
받음각(α)(전연(11)에서 캠버선(15)에 접하는 접선과 익현(16) 사이의 각도에 대응함)은 종래의 베인(10)의 받음각과 실질적으로 동일할 수 있다. 예컨대, 받음각(α)은 약 0°와 약 45°사이일 수 있다. 이렇게 해서, 종래의 디퓨저(5)의 베인(10)의 집결 영역에서 그 베인의 형상을 실질적으로 유지할 수 있는데, 그래서 흐름의 안정성을 유지할 수 있다. 더욱이, 제 2 변곡점(I2)이 존재함으로써, 집결 영역의 형상을 변화시킴 없이 디퓨저(5)의 효율을 증가시키기 위해 확산 영역에서 베인(10)의 형상을 변경할 수 있다. 사실 현재, 집결 영역의 형상에 상관 없이, 후연(12)에서 캠버선(15)에 접하는 접선과 익현(16) 사이의 각도를 증가시킬 수 있으며, 그리하여 가스 흐름을 더욱 강하게 정류시킬 수 있어 디퓨저(5) 출구에서의 일정한 온도 상승에서 정압과 총 압력을 증가시킬 수 있으며 또한 그래서 압축기(2)의 서지 여유(surge margin)와 안정성을 여전히 유지하면서 디퓨저(5)의 등방 효율을 개선할 수 있다.
앞에서 언급한 바와 같이, 베인(10)의 프로파일의 캠버선(15)은 적어도 2개의 변곡점(I1, I2)을 포함한다. 바람직하게는, 흐름에 대한 전연(11)과 후연(12)의 일반적 배향을 유지하고 그래서 목에서의 단면을 보존하기 위해, 상기 변곡점(I1, I2)의 수는 짝수개일 수 있다. 더욱이, 일 실시 형태에 따르면, 대응하는 캠버선(15)은 여기서 내호 벽(14)과 익현(16) 사이에서 연장되어 있으며, 그래서 전연(11)과 후연(12) 사이의 모든 점에서, 캠버선(15)과 내호 벽(14)은 익현(16)으로부터 떨어져 연장되어 있고, 외호 벽(13)의 오목 영역은 익현(16)과 교차한다.

Claims (8)

  1. 엔진(1)의 반경류 또는 혼류 압축기(2)용 디퓨저(5)의 베인(10)으로서, 상기 베인은 가스 흐름 쪽을 향해 위치하는 전연(11), 이 전연(11)의 반대쪽에 있는 후연(12), 및 상기 전연(11)과 후연(12)을 연결하는 외호 벽(13)과 내호 벽(14)을 포함하며,
    상기 베인(10)은, 상기 전연(11)과 후연(12) 사이에서 적어도 2개의 변곡점(I1, I2)을 갖는 캠버선(camber line)(15)을 갖는 프로파일을 포함하고,
    상기 내호 벽(14)의 만곡 및 외호 벽(13)의 만곡은 실질적으로 상기 캠버선(15)의 만곡을 따르며, 그래서
    상기 내호 벽(14)은 상기 전연(11)과 후연(12) 사이에서, 오목부(14b)에 의해 분리되어 있는 적어도 2개의 볼록부(14a, 14c)를 포함하고,
    상기 외호 벽(13)은 상기 전연(11)과 후연(12) 사이에서, 볼록부(13b)에 의해 분리되어 있는 적어도 2개의 오목부(13a, 13c)를 포함하며,
    상기 프로파일은 전연(11)과 후연(12) 사이에서 연장되어 있는 익현(16)을 가지며, 상기 내호 벽(14)의 볼록부(14a, 14c) 및 외호 벽(13)의 오목부(13a, 13c)는 적어도 부분적으로 상기 익현(16)의 동일한 측에서 연장되어 있는, 엔진의 반경류 또는 혼류 압축기용 디퓨저의 베인(10).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로파일은 상기 전연(11)과 후연(12) 사이에서 연장되어 있는 익현(16)을 가지며, 전연(11)과 후연(12) 사이의 모든 점에서, 상기 익현(16)은 캠버선(15)으로부터 떨어져 위치되어 있는, 엔진의 반경류 또는 혼류 압축기용 디퓨저의 베인(10).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 프로파일은 상기 전연(11)과 후연(12) 사이에서 연장되어 있는 익현(16)을 가지며, 상기 변곡점(I1, I2)은 상기 익현(16)의 10% 와 90% 사이에 위치되어 있는, 엔진의 반경류 또는 혼류 압축기용 디퓨저의 베인(10).
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 변곡점 중의 제 1 변곡점(I1)은 상기 익현(16)의 35% 와 55% 사이에 위치되어 있고, 상기 변곡점 중의 제 2 변곡점(I2)은 익현(16)의 55% 와 65% 사이에 위치되어 있는, 엔진의 반경류 또는 혼류 압축기용 디퓨저의 베인(10).
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 베인은 0°와 45°사이의 받음각(α)을 갖는, 엔진의 반경류 또는 혼류 압축기용 디퓨저의 베인(10).
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 적어도 하나의 베인(10)을 포함하는 엔진(1)의 반경류 또는 혼류 압축기의 디퓨저(5).
  7. 제 6 항에 따른 디퓨저(5)를 포함하는 엔진(1)의 반경류 또는 혼류 압축기(2).
  8. 제 7 항에 따른 반경류 또는 혼류 압축기(2)를 포함하는 엔진(1).
KR1020157030921A 2013-03-28 2014-03-25 베인을 갖는 반경류 또는 혼류 압축기 디퓨저 KR102196815B1 (ko)

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