KR101750121B1 - 압축기용 원심 임펠러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체가 통과해 지나갈 수 있는 압축기용 원심 임펠러로서, 상기 임펠러(18)는 각각 리딩 에지(24A, 25A)와 트레일링 에지(24F, 25F)를 구비하는 블레이드들(24, 25)을 구비하고, 상기 임펠러(18)가 회전하여 임펠러의 전면을 통해 유체를 빨아들이고, 상기 임펠러를 통과하는 유체의 축방향 속도는 점차 방사방향 속도로 전환되고, 상기 유체는 임펠러의 바깥 원주에서 즉, 블레이드들(24, 25)의 트레일링 에지(24F, 25F)에서 임펠러를 나가게 되어 있고, 상기 블레이드들(24, 25)은 상기 블레이드들의 트레일링 에지(24F, 25F)를 가로지르는 방사상 단면에서 상기 임펠러의 회전 방향에 반대 방향으로 만곡져 있도록 형성되어 있으며, 유체의 흐름이 방사방향으로 방향이 바뀌어 편향되도록 함으로써, 상기 블레이드들(24, 25)의 트레일링 에지 부분이 상기 임펠러의 회전 방향에서 바뀌도록 형성되어 있다.

Description

압축기용 원심 임펠러{A Centrifugal Impeller for a Compressor}

본 발명은 유체, 특히, 가스가 지나갈 수 있는 원심 임펠러에 관한 것이다. 상기 임펠러는 특히 터보머신(turbomachine) 압축를 위한 것이다. 이 임펠러는 고정식 또는 항공용의 어떠한 형식의 터보머신에도 설치될 수 있으며, 특히 헬리콥터 터빈 엔진에 설치될 수 있다.

더욱 특히, 본 발명은 회전축, 작은 단면적의 전면부 및 큰 단면적의 후면부를 제공하는 형태의 원심 임펠러에 대한 것으로, 상기 임펠러는 각각 리딩 에지(leading edges)와 트레일링 에지(trailing edges)를 구비하는 블레이드를 구비한다. 상기 임펠러의 회전은 임펠러의 전면을 통해 유체를 빨아들이고, 임펠러를 통해 지나가는 유체의 축방향 속도는 점차 방사상 속도로 전환되고, 유체는 임펠러의 바깥 원주를 통해 블레이드의 트레일링 에지에서 임펠러를 떠난다. 상기 블레이드는 방사상 단면에서 상기 블레이드의 트레일링 에지를 가로지르고, 임펠러의 회전방향에 반대 방향으로 만곡되어 있다.

본 발명에서는 상류와 하류는 임펠러를 통한 유체 흐름의 통상적인 방향에 상대적으로 정의된다.

더욱이, 임펠러의 회전축은 종종 간단히 임펠러축으로 칭할 것이다. 축방향은 임펠러축의 방향에 해당하고, 방사방향은 이 축에 수직이고 이 축을 가로지른다. 비슷하게, 축평면은 임펠러축을 포함하는 평면이고, 방사 평면은 이 축에 수직인 평면이다. '축방향으로' 및 '방사방향으로'라는 용어는 각각 축방향 및 방사 방향을 지칭하는 것이다.

반대로 특히 언급하지 않는 한, '내부' 및 '외부'는 방사방향에 대하여 사용되고, 부재의 내부(즉, 축방향으로 내부)는 동일 부재의 외부(즉, 방상방향으로 외부)보다 임펠러의 축에 더 가깝다.

마지막으로, 반대로 특히 언급하지 않는 한, '전면' 및 '후면'은 축방향에 대하여 사용되는데, 유체는 임펠러의 전면을 통해 들어온다.

예컨대 헬리콥터 터빈 엔진과 같은, 원심형인 또는 축류-원심 혼합형인 항공 터보머신의 압축기는, (원심형 휠 또는 로터로 지칭될 수 있는) 상기와 같은 형태의 원심형 임펠러를 구비한 하나 이상의 압축단계를 구비하고, 케이싱은 외부면에서 임펠러의 블레이드를 둘러싸고, 하나 이상의 디퓨저가 임펠러의 하류에 배치되어 있다. 일반적으로 공기로서 기체인 유체는 이와 같은 압축기를 통과한다.

임펠러에서, 기체의 절대 속도는 원심 가속의 결과로 증가하게 되고, 기체의 압력은 블레이드와 임펠러 사이에 형성된 채널의 분기하는 단면의 결과로 증가하게 된다. 그리하여, 기체는 블레이드 단부의 하류에서, 즉 그 트레일링 에지에서 아주 높은 속도로 나가게 된다.

압축기용 원심 임펠러의 공지된 예가 미국특허 US3,973,872에 개시되어 있다.

본 발명의 목적은, 주어진 기하학적 규격과 수정된 유속에 대하여, 상기 언급한 형태의 임펠러의 성능(즉, 총 압력비와 등온효율)을 향상시키기 위한 것이다.

본 발명의 상기 목적은, 임펠러 블레이드의 트레일링 에지를 가로지르는 방사상 단면에서, 블레이드의 트레일링 에지 부분(즉, 블레이드의 후방부의 외부단에 위치하는 부분)이, 유체의 흐름을 방사상으로 다시 방향설정함으써 편향될 수 있도록 하는 각각의 단부 핀(end fin)을 형성하도록 하기 위해, 임펠러의 회전방향에 있어서 방향이 재설정되는 임펠러에 의해 달성된다.

일반적으로, 유체흐름의 그런 편향은 총 압력비가 임페러의 등온 효율을 감소시키지 않으면서 증가될 수 있도록 한다.

더욱이, 그런 편향에 대한 더나은 제어를 획득함으로써, 온도를 상승시키지 않고 총 압력비를 증가시킬 수 있다. 그리고, 총 압력비의 증가는 임펠러의 등온 효율의 다소간의 증가를 가져온다.

요약하면, 상기 단부 핀은 임펠러의 성능을 향상시키는 역할을 한다.

압축기용 원심형 임펠러는 두 종류의 블레이드를 가지는데, 이른바 "메인" 블레이드와 "중간" 블레이드가 있다. 선택적인 중간 블레이드는 메인 블레이드들 사이에 놓이고, 중간 블레이드는 축방향으로 더 짧다는 점에서 메인 블레이드와 다른 바, 중간 블레이드의 리딩 에지가 메인 블레이드의 리딩 에지에 대하여 후방에 배치되면서, 더 짧은 전방부를 제공한다.

하나의 실시예에서, 임펠러는 메인 블레이드만을 구비하고 (즉, 중간 블레이드 없이), 메인 블레이드는 앞에서 언급한 형태의 단부 핀(fin)을 제공한다.

다른 실시예에서는, 임펠러는 메인 블레이드와 중간 블레이드를 구비한다. 그러한 조건에서, 메인 블레이드만이 상기 단부 핀을 갖는 블레이드이거나, 중간 블레이드만이 상기 단부 핀을 구비하는 블레이드이거나, 메인 블레이드 및 중간 블레이드 모두 상기 단부 핀을 제공할 수 있다.

하나의 실시예에서, 임펠러의 블레이드의 트레일링 에지를 가로지르는 상기 방사상 단면에서, 상기 단부 핀은 가까운 상류에 위치하는 블레이드 부분과 상호작용하여, 155도 보다 같거나 크고 180도 보다 작은 둔각을 형성한다.

하나의 실시예에서는, 임펠러의 메인 블레이드가 단부 핀을 제공할 때, 상기 단부 핀은, 메인 블레이드의 (곡선)바깥 테두리를 따라 측정하였을 때, 상기 바깥 테두리의 총 길이의 15% 보다 작고, 특히 2% 내지 10% 사이를 나타내는 길이에 걸쳐, 임펠러의 메인 블레이드의 트레일링 에지로부터 연장된다.

하나의 실시예에서는, 임펠러의 중간 블레이드가 단부 핀을 제공할 때, 상기 단부 핀은, 중간 블레이드의 바깥 테두리를 따라 측정하였을 때, 상기 바깥 테두리의 총 길이의 15% 보다 작고, 특히 2% 내지 10% 사이를 나타내는 길이에 걸쳐, 임펠러의 중간 블레이드의 트레일링 에지로부터 연장된다.

각도값과 핀의 길에 대하여 앞에서 설정한 범위는, 단독으로 또는 결합하여 임펠러의 성능을 더 향상시키기 위하여 작용한다.

본 발명은 본 발명의 원심 임펠러를 포함하는 압축기에 적용될 수 있다. 원심식 압축기일 수도 있는데, 즉, 원심 임펠러와 결합된 적어도 하나의 압축 단계를 가지는 압축기, 또는 축류-원심 혼합형 압축기, 즉, 축류 임펠러와 결합된 하나 이상의 압축단계와 원심 임펠러와 결합된 하나 이상의 압축단계를 가지는 압축기가 될 수 있다.

또한 본 발명은 터보 머신에도 적용될 수 있고, 특히 본 발명의 압축기를 구비하는 헬리콥터 터빈 엔진에 적용될 수 있다.

본 발명, 주어진 기하학적 규격과 수정된 유속에 대하여, 상기 언급한 형태의 임펠러의 성능(즉, 총 압력비와 등온효율)을 향상시킬 수 있는 압축기를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 원심 임펠러를 구비하는 압축기를 구비한 헬리콥터 터빈 엔진의 부분적인 축방향 단면을 개략적으로 나타내는 도면이다.(원심 임펠러와 엔진의 터빈은 단면이 아니라 측면도로 나타냄)
도 2는 엔진의 나머지 부분으로부터 분리된 도 1의 원심 임펠러를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 원심 임펠러의 2 개의 블레이드의 부방 부분을 나타내는 부분 사시도를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는, 블레이드의 트레일링 에지를 가로지르는 방사상 단면에서 단면으로 나타낸, 도 2에 표시된 IV-IV선을 따르는 도 3의 블레이드 중의 하나의 후방부분을 부분적으로 나타내는 개략도이다.

본 발명과 그 장점은 도면이나 설명에 한정되지 않고, 이하에서 자세하게 설명될 것이고, 보다 나은 이해를 위해 상세한 설명과 도면이 활용될 것이다. 첨부된 도면을 참고하여 상세한 설명이 이루어질 것이다.

도 1에 보인, 예시적인 헬리콥터 터빈 엔진(10)은 단일의 압축 단계를 가지는 원심형 압축기(16)를 구비한다. 상기 압축기(16)는 본 발명에 따른 원심형 임펠러와, 임펠러(18)의 블레이드(24,25)의 외부를 둘러싸는 케이싱(15)를 구비한다.

상기 터빈 엔진(10)은 공기 입구(12)를 구비하여 공기가 이 입구(12)를 통해 압축기(16)에 도달한다. 회전축(A) 둘레로 임펠러(18)가 회전하면, 임펠러의 전방을 통해 공기를 빨아들이고, 임펠러(18)를 통과하는 유체의 축방향 속도는 점점 방사상 속도로 전환되고, 유체는 임펠러의 바깥 둘레를 통해 임펠러(18)를 떠나간다. 공기는, 도 1에서 화살표(F1)로 나타낸 바와 같이, 임펠러(18)의 회전축(A)에 실질적으로 평행한 방향으로 임펠러(18)로 진입하고, 화살표(F2)로 나타낸 바와 같이 상기 회전축(A)에 실질적으로 수직인 방향으로 임펠러(18)를 나간다.

임펠러(18)를 나가는 공기는 연소실(20)에 도달하기 전에 디퓨저(19)를 통과한다. 연소실(20)을 나가는 연소 가스는 고압 터빈(22)과 저압 터빈(23)을 구동한다.

임펠러(18)는 고압 터빈(22)에 의해 회전 구동되는 축(21)에 장착되어 있다.

도 2를 참조하면, 임펠러(18)는 작은 단면의 전방부와 큰 단면의 후방부를 제공한다. 임펠러(18)는 엠펠러의 전면(18A)으로부터 임펠러(18)의 뒤에 위치한 방사상 판(17)까지 축방향으로, 그리고 임펠러의 허브로부터 임펠러의 바깥 원주로 이어지는 다수의 메인 블레이드(24)를 구비한다. 각각의 메인 블레이드(24)는 임펠러(18)의 전단에 위치하는 리딩 에지(24A)와, 상기 방사상 판(17)의 직전에 임펠러(18)의 바깥 테두리 원주 부위에 위치하는 트레일링 에지(24F)를 제공한다.

또한 임펠러(18)는 메인 블레이드(24)들 사이에 위치하고, 축방향으로 메인 블레이드(24) 보다 짧은 점에서 차이가 나는 중간 블레이드(25)를 구비하는데, 상기 중간 블레이드(25)의 리딩 에지(25A)는 상기 메인 블레이드(24)의 리딩 에지(24A)에 비해 후방에 놓여진다. 반면에, 중간 블레이드(25)의 트레일링 에지(25F)는 상기 메인 블레이드(24)의 트레일링 에지(24F)와 상기 축(A)으로부터 동일한 방사상 거리에 위치한다.

또 3은 임펠러(18)의 메인 블레이드(24)와 중간 블레이드(25)의 후방부를 자세히 보여주는 사시도이다.

도 2의 IV-IV 면과 같이, 상기 블레이드들(24, 25)의 트레일링 에지(24F, 25F)를 가로지르는 방사상면(즉, 상기 축(A)에 수직인 평면)에서, 상기 블레이드들(24, 25)은 임펠러의 회전방향에 반대되는 방향으로 만곡되어 있고, 임펠러(18)의 회전방향은 도 3과 도 4에서 화살표 R로 표시되어 있다.

동일한 방사방향 단면에서, 상기 블레이드들(24, 25)의 트레일링 에지 부분은 임펠러의 회전방향으로 방향이 틀어지게 되어 있는데, 이들은 공기의 흐름을 ㅂ방사방향으로 바뀌게 하여 편향되게 하는 단부핀(26, 27)을 형성하도록 되어 있다.

동일한 상기 방사방향 단면에서, 상기 단부핀(26, 27)은 이들 단부핀(26, 27)으로부터 바로 상류에 위치하는 블레이드(24, 25)들 부분과 상호작용하여, 155도 이상이고 180도 보다 작은 둔각(T)를 형성하게 된다. 도 2의 방사상 단면 IV-IV 면에서 메인 블레이드(24)의 단면도인 도 4에 상기 둔각(T)가 나타나 있다.

위에서 설명한 실시예에서, 메인 블레이드(24)와 중간 블레이드(25)는 단부핀(26, 27)을 제공한다. 도시하지 않은 다른 실시예에서는, 메인 블레이드(24)와 중간 블레이드(25) 어느 한쪽에 상기 단부핀들을 구비한다.

하나의 실시예에서, 단부핀(26)이 상기 메인 블레이드(24)에 구비되었을 때, 상기 메인 블레이드(24)의 곡선 바깥 에지(24E)를 따라 잰 각 단부핀(26)의 곡선 수평좌표 상의 길이는 상기 바깥 에지(24E)의 총 길이의 15% 보다 크지 않게 한다. 예를 들어, 상기 단부핀의 길이는 상기 바깥 에지(24E)의 총 길이의 2% 내지 10% 정도로 한다.

하나의 실시예에서, 단부핀(26)이 상기 중간 블레이드(25)에 구비되었을 때, 상기 중간 곡선 바깥 에지(25E)를 따라 잰 각 단부핀(27)의 곡선 수평좌표 상의 길이는 상기 바깥 에지(25E)의 총길이의 15% 보다 크지 않게 한다. 예를 들어, 상기 단부핀의 길이는 상기 바깥 에지(25E)의 총 길이의 2% 내지 10% 정도로 한다.

10: 터빈 엔진 15: 케이싱
16: 압축기 18: 임펠러
24: 메인 블레이드 25: 중간 블레이드

Claims (9)

1. 유체가 통과해 지나갈 수 있는 압축기용 원심 임펠러로서,
   상기 임펠러(18)는 회전축(A)과, 작은 단면으로 이루어진 전방부 및 큰 단면으로 이루어진 후방부를 구비하고, 상기 임펠러(18)는 각각 리딩 에지(24A, 25A)와 트레일링 에지(24F, 25F)를 구비하는 블레이드들(24, 25)을 구비하고, 상기 임펠러(18)가 회전하여 임펠러의 전면을 통해 유체를 빨아들이고, 상기 임펠러를 통과하는 유체의 축방향 속도는 점차 방사방향 속도로 전환되고, 상기 유체는 임펠러의 바깥 원주에서 즉, 블레이드들(24, 25)의 트레일링 에지(24F, 25F)에서 임펠러를 나가게 되어 있고, 상기 블레이드들(24, 25)은 상기 블레이드들의 트레일링 에지(24F, 25F)를 가로지르는 방사상 단면에서 상기 임펠러의 회전 방향에 반대 방향으로 만곡져 있도록 형성되어 있는, 유체가 통과해 지나갈 수 있는 압축기용 원심 임펠러에 있어서,
   상기 방사상 단면에서, 상기 블레이드들(24, 25)이 단부핀(26, 27)을 형성하도록 되어, 유체의 흐름이 방사방향으로 방향이 바뀌어 편향되도록 함으로써, 상기 블레이드들(24, 25)의 트레일링 에지 부분의 방향이 상기 임펠러의 회전 방향에서 바뀌도록 형성되어 있고, 상기 단부핀(26, 27)은 상기 블레이드의 트레일링 에지(24F, 25F)로부터, 상기 블레이드(24, 25)의 바깥 에지(24E, 25E)를 따라 측정하여, 상기 바깥 에지의 총 길이의 2% 보다 크고 10% 보다 작은 길이에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는, 유체가 통과해 지나갈 수 있는 압축기용 원심 임펠러.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 방사상 단면에서, 상기 단부핀(26, 27)은 단부핀의 바로 상류에 위치하는 블레이드들과 함께 155도 이상이고 180도 보다 작은 둔각(T)를 형성하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는, 유체가 통과해 지나갈 수 있는 압축기용 원심 임펠러.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 임펠러는 메인 블레이드(24)와, 상기 메인 블레이드들 사이에서 메인 블레이드보다 축방향으로 짧게 위치되는 선택적인 중간 블레이드(25)를 구비하고, 상기 메인 블레이드(24) 또는 상기 중간 블레이드(25)에 상기 단부핀(26, 27)이 형성되어 있는, 유체가 통과해 지나갈 수 있는 압축기용 원심 임펠러.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 메인 블레이드(24)에 상기 단부핀(26)이 형성되어 있는, 유체가 통과해 지나갈 수 있는 압축기용 원심 임펠러.
   
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 중간 블레이드(25)는 상기 단부핀(27)을 제공하도록 형성된, 유체가 통과해 지나갈 수 있는 압축기용 원심 임펠러.
   
6. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 따라 이루어진 원심 임펠러(18)를 구비하는 압축기.
   
7. 제6항에 따라 이루어진 압축기를 구비하는 터보 머신.
   
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