KR100305434B1

KR100305434B1 - 터보기계

Info

Publication number: KR100305434B1
Application number: KR1019930702886A
Authority: KR
Inventors: 고또아끼라; 가쯔마따다쯔요시; 아오기마사노리
Original assignee: 마에다 시게루; 가부시키 가이샤 에바라 세이사꾸쇼
Priority date: 1991-10-04
Filing date: 1992-10-02
Publication date: 2001-12-28
Also published as: EP0606475A4; WO1993007392A1; DE69219898D1; CA2107349A1; DE69219898T2; US5458457A; EP0606475B1; EP0606475A1; CA2107349C

Abstract

케이싱(3) 내를 회전하는 임펠러(1)를 구비한 터보 기계에서, 케이싱(3)의 내면을 따라 흐르는 환상 유동층을 형성하는 수단(노즐 4) 이 제공된다. 환상 유동층은 터보 기계의 양정곡선이 양의 기울기와 불안정 특성을 보이는 유량범위 근처에서 불안정 특성의 발생 또는 그 전조를 검출함으로써 제어되어 지속적 또는 간헐적으로 형성된다.

Description

[발명의 명칭]

터보 기계

[도면의 간단한 설명]

제1도는 본 발명에 따른 터보 기계의 입구부의 단면도로서, 제1(a)도는 자오선평면을 따라 취한 단면도이고, 제1(b)도는 제1(a)도의 선 E-E 를 따라 취한 단면도.

제2도는 제1도의 케이싱 부근의 유선면의 전개도.

제3도는 종래 터보 기계류의 유입구 부근에서 유동을 나타내는 도로서,

제3(a)도는 단면도이고, 제3(b)도는 제3(a)도의 선 C-C를 따라 취한 단면도이며,

제3(c)도는 단면도이고, 제3(d)도는 제3(c)도의 선 D-D를 따라 취한 단면도.

제4도는 제3도에서 나타낸 터보 기계류의 경우에서 3차원 점성유동 계산에 의해 수치 시뮬레이션의 결과를 나타내는 도면.

제5도는 제3도에서 나타낸 터보 기계류의 경우에서 3차원 점성유동 계산에 의해 수치 시뮬레이션의 결과를 나타내는 도면.

제6도는 터보 기계류의 양정곡선(head-capasity curve)(펌프양정)을 나타내는 도면.

제7도는 펌프 배관 계통에서 서지가 이미 발생한 상황하에서 소정시간 동안 제트가 분사되는 실험의 결과를 나타내는 도면.

제8도는 본 발명에 따른 터보 기계에 사용되는 노즐의 형상을 나타내는 도면으로서,

제8(a)도는 노즐 헤드의 수직단면도이고,

제8(b)도는 정면도이며, 제8(c)도는 수평단면도.

제9도는 본 발명에 따른 터보 기계에서 제트 분사 제어의 일 예를 나타내는 도면.

제10도는 본 발명에 따른 터보 기계에서 제트 분사 제어의 다른 예를 나타내는 도면.

제11도는 본 발명에 따른 터보 기계 구성의 일 예를 나타내는 도면.

제12도는 본 발명에 따른 터보 기계 구성의 다른 예를 나타내는 도면.

제13도는 본 발명에 따른 터보 기계의 임펠러 입구부에 제공된 노즐의 수와 이에 의한 효율 사이의 관계를 나타내는 도면.

제14도는 제트 분사의 방향과 이에 의한 효율 사이의 관계를 나타내는 도면.

제15도는 양정 곡선이 현저하게 떨어지는 일 예를 나타내는 도면.

제16도는 터보 기계의 유동장 내로 소용돌이층을 도입하는 기구를 설명하는 도면.

제17도는 터보 기계의 유동장 내로 도입된 소용돌이와 개방 임펠러 내의 임펠러 내부 유동 사이의 간섭을 3차원적으로 나타내는 도면.

제18도는 제3(b)도 (C-C 단면)에서 나타난 것과 동등한 위치에서 점성유동 계산에 의해 시뮬레이션된 임펠러 유로 내의 소용돌이도(소용돌이 강도)의 분포를 나타내는 도면.

제19도는 종래 터보 기계에서 발생하는 현상을 나타내는 도면으로서,

제19(a)도는 자오선면을 따라 취한 단면도이고,

제19(b)도는 제19(a)도의 선 E-E 를 따라 취한 단면도.

제20도는 종래의 터보 기계에서 제트 분사의 한 예를 나타내는 도면.

제21도는 임계유량과 계산파라미터(r) 사이의 관계를 나타내는 도면.

[발명의 상세한 설명]

본 발명은 터보 기계에 관한 것으로, 특히 부분유량 범위에서 동작동안 양정곡선에서 관찰되는 양의 기울기의 양정특성의 발생을 방지하거나 또는 양의 기울기 특성의 시작을 더 작은 유량측으로 이동시킴으로써 터보 기계의 불안정성을 개선하도록 구성되는 터보 기계에 관한 것이다.

제3(a)도와 제3(c)도는 종래 터보 기계의 임펠러 부분을 각각 보여주는 단면도이다. 제3(a)도는 앞보호판 없는 개방임펠러를 가진 터보 기게의 임펠러 부분을 도시하고, 반면에 제3(c)도는 앞보호판이 있는 폐쇄 임펠러를 가진 터보 기계의 임펠러 부분을 도시한다. 제3(b)도와 제3(d)도는 각각 제3(a)도와 제3(c)도에서 선 C-C와 D-D 를 따라 취한 단면도이다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, 임펠러(1)가 케이싱(3) 내부에서 회전축(2) 둘레를 회전함에 따라, 유체는 흡입구(비도시)로부터 케이싱(3) 내로 흡입되며, 배출구(비도시)로 배출된다.

위에 기술된 형태의 종래 터보 기계류에서, 유동의 대규모 박리는 날개 표면, 케이싱 및/또는 보호판상에서 불안정한 고손실 유체(즉, 저운동량 유체)때문에 발생한다. 결과적으로, 양의 기울기를 가진 양정곡선은 제6도에서 파선(9)에 의해 나타난 바와 같이 부분 유량범위에서 도시된다. 이러한 양정곡선의 양의 기울기 특성은 서지(surge), 즉 터보 기계 배관체계의 자려 진동)을 야기할 수 있고, 또한 장치에 진동, 소음 및 손상을 초래할 수 있는 실속 현상으로 알려져 있다. 따라서, 실속현상은 터보 기계류의 안정작동을 위해 해결되어야할 심각한 문제이다.

이러한 문제를 해결하기 위한 수단을, 터보 기계의 외부로부터 에너지 입력없이 제공되는 수동수단과 터보 기계의 외부로부터 약간의 에너지 입력과 함께 제공되는 능동수단으로 대략 나누어질 수 있다.

공지된 수동수단은 케이싱 처리라 불리우는 홈이 케이싱의 내부벽에 제공되는 수단과, 교정날개를 가진 환상유로가 임펠러 입구부에서 케이싱의 내부의 일부에 제공되는 수단을 포함한다(일본 기계공학도학회의 간사이파에 의해 주최된 181차 과정의 교육자료 p45∼46 참조). 그러나, 상기 수단들은 부분 유량 범위에서 작동하는 동안 개선 효율을 향상시키기 위해서는, 정상작동 동안 효율이 저하되는 문제가 수반한다.

더욱이, 부분유량 범위의 작동동안 유체가 배출측으로부터 유입구측으로 우회하는 수단이 널리 적용된다. 그러나, 이러한 수단은 터보 기계를 통과하여 흐르는 유체의 실제 중량을 증가시키고, 터보 기계의 펌프수두의 현저한 감소를 불가피하게 초래한다. 더욱이, 많은 양의 유체가 우회로를 통해 역류하기 때문에, 많은 양의 동력이 불리하게 소모된다.

반면에, 종래 능동수단은 대략 다음의 네 형태로 나누어질 수 있다.

(1) 날개 표면, 케이싱 및/또는 보호판 상의 저운동량 유체에 에너지를 외부적으로 공급하는 수단;

(2) 이러한 저운동량 유체를 제거하는 수단;

(3) 임펠러 입구 유동에 선회전을 주어, 임펠러 회전방향으로 회전시킴으로서 날개 실속을 방지하는 수단;

(4) 실속 발생전에 유동장에서 나타나는 불안정한 유체진동의 파동형태를 제거하기 위해 교란을 능동적으로 발생시키는 수단.

수단(1)의 한 예로서, 일본국 특허 출원공개번호 55-35173(1980)에는 압축기에서 서지 한계를 확장시키는 방법과 같은 수단이 개시되는데, 여기서 고압력측 유동의 일부가 임펠러의 선단부 및/또는 인접 날개의 쌍 사이의 영역으로 도입되므로, 고속제트의 형태로 이것을 분사한다. 상기 문헌에 의하면, 제트의 방향은 방사방향, 임펠러 회전방향 및 임펠러 회전의 반대방향 중 임의의 것일 수 있고, 제트 분사는 셋방향 중 어느 방향이라도 동일한 효과를 낸다. 상기 종래 기술에서 제트의 기능은 날개 표면상의 불안정한 저운동량 유체에 에너지를 공급함으로써 경계층 박리를 방지하기 때문에, 분사방향은 특별히 상술할 필요가 없다.

다른 공지 예로서, 일본국 특허출원 공개번호 45-14921(1970)은 고압력 공기가 원심압축기의 배출측으로부터 얻어져 임펠러의 후반부를 덮은 케이싱 일부에 제공된 노즐로부터 고압력 공기가 분사됨으로써 부분유량 범위 동안 작동을 안정시키는 수단이 개시된다. 상기 수단에서 제트의 기능은 날개 후부(날개 흡입면측)에 있는 저압력 영역에 압력을 공급시키는 터빈 효과와 임펠러 출구에 있는 유효 유로 넓이를 감소시키는 제트 플랩 효과를 포함한다. 따라서, 제트는 임펠러 회전 방향으로 원주방향 속도 성분과 케이싱 벽면에 수직 방향으로의 속도 성분을 가져야 한다.

수단(2)의 한 예로서, 일본국 특허출원 공개번호 39-13700(1964)에는 축류형 압축기 내의 고압력단측으로부터 저압력단측으로 유체가 복귀되어 고압력단측에서 케이싱 벽을 따라 경계층 내로 제공되는 저운동량 유체를 흡입함으로써 유동을 안정화하는 수단이 개시된다. 상기 종래 기술에서, 저압력단 내의 복귀 유체는 벽면 부근에 유체에 운동량을 제공하기 위해 제트의 형태로 작용하므로, 상술된 수단(1)과 같은 작용을 또한 제공한다.

수단(3)의 한 예로서, 일본국 특허출원 공개번호 56-167813(1981)에는 터보 과급기 내의 서지를 방지하는 장치가 개시되는데, 여기서 공기가 임펠러 입구부의 회전방향에 접하는 개구로부터 분사된다. 상기 문헌에는 분사된 공기의 기능이 유동에 날개에 대한 유동의 공격각을 줄이기 위해 유동의 선회전을 주기 때문에, 날개 표면 상의 박리를 방지한다고 서술된다. 따라서, 공기 분사의 방향은 임펠러의 회전방향 및 접선방향과 같게 정의된다. 상기 수단은 더 넓은 부분유량 범위에 걸쳐 실속을 방지하기 위해 날개 높이의 비교적 넓은 범위에 걸쳐 선회전이 주는 것을 필요로 하고, 압력수두의 감소가 불가피하게 초래된다.

수단(4)의 한 예로서, UK 특허출원 GB 21916064 에는 유동장에서 불안정하고 변동하는 파형태가 측정되고, 그것이 행해지는 동안, 파동의 진폭, 위상, 주파수 등이 분석되며, 진동하는 날개, 진동하는 벽, 간헐 제트등이 상술된 불안정한 파형태를 제거하기 위한 파동 교란 같은 유체를 실질적으로 제공하는 작동기로써 사용됨으로써 회전실속, 서지, 압력 맥동등을 방지하는 수단이 개시된다. 상기 수단은 실속, 서지 등의 전조로서 불안정한 파동이 있다는 가정에 기초를 두며, 그러므로 상기 파동이 제공되지 않는 터보 기계류에 적용될 수 있다.

본 출원서의 발명자는 상술된 형태의 기계류를 상세히 연구하였고, 결과적으로 양의 기울기의 양정특성의 발생(즉, 실속의 발생)은 단지 유동손실의 크기에만 의존하는 것이 아니라 임펠러 내부의 고손실 유체(즉, 저운동량 유체)의 교란형태에도 의존한다는 사실을 명료하게 하였다. 임펠러 내부에서 생성된 고손실 유체는 임펠러 내부의 2차 유동 작용에 의해 날개면과 케이싱(또는 보호판) 사이의 코너지역에서 축적된다. 혼합된 유동 터보 기계류에 있어서, 비교적 강한 유로 소용돌이(31)가 발생하고 상기 고손실 유체는 날개 흡입면에 근접한 코너부분(33)에 축적되는데 반하여, 축류형 터보 기계류에서 유로 소용돌이는 비교적 약하며, 유로 소용돌이와 반대의 날개 선단 누출 소용돌이(36)가 지배적인 동안, 고손실 유체가 날개 압력면에 근접한 코너지역(39)에 축적되기가 용이하다(제3(a)도, 제3(b)도, 제3(c)도, 제3(d)도 참조). 두 형태의 기계류에서, 상기 코너지역에서 대규모 박리가 발생하고, 양의 기울기의 양정특성이 감소되는 것을 초래한다.

상술된 상황의 관점에서, 본 발명의 목적은 상술된 종래 기술과 기본적으로 상이한 터보 기계를 제공하는 것과, 여기에는 유로 내부의 고손실 유체의 교란형태만이 임펠러 내부의 2차 유동을 제어함으로써 변할 수 있고, 이런 이유로 상술된 코너지역에서 고손실 유체의 축적을 억제하고, 따라서 터보 기계의 양정곡선에서 관찰될지도 모르는 양의 기울기의 양정특성의 발생을 억제하는 것이 가능하므로, 서지의 발생을 방지하는 것이 가능하다.

본 발명은 제1도에 도시된 바와 같이, 사실상 임펠러 유칩층에 직각으로 및 케이싱(3)의 내벽을 따라 원주방향으로 흐르는 환상 유동층을 형성하는 수단(노즐(4))을 제공하고, 터보 기계의 양정곡선이 양의 기울기를 보이고 불안정 특성을 보이는 유량 범위에서 불안정 특성 혹은 그 전조의 발생을 감지하고, 상술된 환상 유동층을 유동장내의 지속적으로 또는 간헐적으로 형성하여 임펠러 내부의 2차 유동을 제어하는 것을 특징으로 하는 케이싱(3) 내에서 회전하는 보호판이 있거나 혹은 없는 터보 기계를 제공한다.

상기 환상 유동층은 케이싱 내벽면 근처에 명백히 형성된 환상 영역의 원주방향으로 입구유동의 속도보다 빠른 속도로 흐르는 벽제트층으로 구성되어 있고, 상기 유동속도는 입구유동과 벽제트층 사이의 경계에서 불연속적으로 변화하여, 입구유동의 주요 유동에는 실질적인 효과를 갖지 않는다.

본 발명은 또한 환상 유동층의 회전방향이 임펠러 내부의 유동조건(2차 유동형태)에 따라 임펠러의 회전방향 α와 같거나 반대로 만들어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한 유동장 내의 상기 환상 유동층(36)을 형성하는 구체적인 수단이 임펠러 입구부에서 케이싱 일부의 내벽 안으로 제공되는 노즐(4)로부터 케이싱(3)의 내벽을 따라 제트를 분사하여 입구유동(6)과 환상 유동층(36) 사이의 경계에 소용돌이층을 발생시키는 수단이라는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 따르면, 터보 기계의 양정곡선이 양의 기울기와 불안정한 특성을 보이는 유량 범위의 근처에서 케이싱의 내벽을 따라 흐르는 환상 유동층을 형성하는 수단이 상술된 코너지역에서 고손실 유체의 축적을 억제하고 임펠러 내부에서 대규모 박리의 발생을 방지하기 위해 상술된 2차 유동 형태를 변경시키도록 제공됨으로써, 양정 곡선에서 양의 기울기 특성의 발생을 피하게 하고 혹은 수두특성을 개선하여 서지의 발생을 방지하고, 따라서 전체 유량 범위에 걸쳐 안정한 터보 기계 작동을 가능하게 한다. 이것은 아래에서 더욱 자세히 설명될 것이다.

본 발명에서, 환상 유동층을 형성하는 구체적인 수단으로서, 제트가 임펠러 입구부에 분사되므로, 입구 유동과 환상 유동층 사이의 경계에 소용돌이층을 발생시킨다. 제트가 케이싱 내벽면으로부터 떨어져 분사된다면, 서로 다른 방향으로 회전하는 두 종류의 소용돌이층이 다음에 설명될 제트층의 양측면 상에서 생성될 것이다. 소용돌이층 중 하나는 악영향을 주는 2차 유동층을 조장한다. 따라서, 노즐이 특징적으로 벽면을 따라 제트를 분사하도록 케이싱 내벽면의 내부로 제공되므로, 조장되는 2차 유동을 확실히 방지하고 유동층이 케이싱 내벽면을 따라 형성된다.

불안정 유동에 에너지공급이 적용된 상술된 능동수단(1)의 개선효과는 제트에 의해 유동장으로 공급되는 에너지의 전체량(제트의 유동율로 곱해진 제트의 운동에너지)의존하고, 제트속도의 3승에 비례한다는 것을 고려하여야 한다.

반대로, 본 발명은 소용돌이층을 도입함으로써 수두특성을 개선하는데 목표를 두며, 이는 효율이 소용돌이층의 강도(즉, 제트속도의 1승)에 비례한다는 것이 실험적으로 확인된다. 따라서 본 발명의 기능은 능동수단(1)의 기능과는 분명히 다르다.

더욱이, 본 발명은 제트 분사방향이 상술되는 것에서 능동수단(1)과 다른데, 예를 들어, 가장 효과적으로 소용돌이층을 형성하기 위해서, 입구 유동에 직각으로 및 케이싱 내역을 따라 원주방향으로 제트가 분사된다.

제20도에서 개략적으로 도시된 것처럼, 종래 기술은 케이싱(3)을 통해 연장된 노즐(41)이 케이싱(3) 내벽면의 소정각(ε)으로 제트를 분사하는데 사용되는 구성을 도시하는 첨부도면의 발표를 포함한다. 이러한 경우, 제트는 케이싱 내벽면과 떨어져서 분사된다.

다음에 설명될 바와 같이 본 발명에서는, 임펠러(1)의 회전방향에 반대이거나 같은 방향으로 흐르는 유동층의 임펠러(1) 내부의 2차 유동형태에 따라서 케이싱(3)의 내벽을 따라 형성되고(제1(b)도, 구체적인 회전방향을 가진 소용돌이층이 제16도의 도시처럼 유동층을 따라 속도 불연속지점에서 생성된다. 이와 반대로, 제20도에 도시된 종래 기술에서, 서로 다른 회전방향을 가진 소용돌이층(42,43)은 제트의 양측에서 동시에 발생한다. 따라서, 두 소용돌이층은 유동장 내의 악화를 초래하는 2차 유동을 조장하도록 불가피 하게 작용한다. 따라서 본 발명에서 얻어지는 것과 같은 유리한 효과를 기대하는 것이 불가능하다.

더욱, 제20도의 경우에서처럼 케이싱(3)의 내벽면을 따라 유동하지 않는 제트는 입구유동(6)을 저해하고, 임펠러 날개로 유동의 입사각을 더욱 증가시키고, 이는 유동의 박리를 감소시킬 수 있다. 따라서, 상술된 종래기술에 따른 수단은 반대로 성능을 악화시킬 수 있다.

능동수단(2)에서, 저운동량 유체 자체는 본 발명에서 제거되고, 이에 반해 단지 유동유로에서 저운동량 유체의 분포가 제어된다.

능동수단(3)에서, 입구유동은 임펠러 회전방향으로 선회전된다. 그러나, 본 발명에 따르면, 임펠러 회전방향에 반대로 회전하는 환상 유동층이 형성되지 않고 임펠러 회전방향의 반대로 소용돌이층이 발생되지 않으면, 사류형 터보 기계류의 양의 기울기 특성을 개선하는 것이 불가능하고, 여기서 강한 유로 소용돌이가 발생된다.

본 발명에서, 임펠러 회전방향으로 흐르는 환상 유동층이 형성되고 임펠러 회전방향으로의 회전성분을 갖는 소용돌이층이 임시로 도입되었다. 결과적으로, 양의 기울기 특성과 실속특성이 몹시 악화되었다.

반면에, 유로 소용돌이가 비교적 약한 축류형 터보 기계류에서, 사류형 터보 기계류의 경우의 반대방향으로 흐르는 환상 유동층이 형성되지 않고 임펠러 회전방향으로 회전하는 소용돌이층이 발생하지 않으면, 양의 기울기 특성은 개선될 수 없다. 따라서, 본 발명의 요점은 임펠러 회전방향과 같거나 또는 반대의 방향으로 흐르는 환상 유동층 이 임펠러 내부의 유동조건과 일치하여 형성된다는 것이고, 본 발명의 이러한 점은 선회전의 방향이 임펠러의 회전방향과 같게 서술된 종래 능동수단과 아주 다르다.

더욱, 본 발명에 의해 케이싱 내벽을 따라 매우 얇은 환상 유동층을 형성함으로써 적당한 효과를 쉽게 얻을 수 있다. 따라서, 종래 수단에서 처럼 선회전에 기인한 펌프수두의 감소가 없어진다.

능동수단(4)이 상술된 바와 같이 불안정 유동의 파형태가 있다는 가정에 기초하므로, 본 발명은 상기 파형태의 존재가 필요하지 않다. 많은 일반적인 터보 기계는 양의 기울기 특성 또는 실속 발생의 전조처럼 파동하는 파형태를 가지지 못하므로, 본 발명은 이러한 터보 기계에 효과적으로 적용된다. 이것은 본 발명의 장점이다.

따라서, 본 발명은 종래의 기술과 관련하여 기술한 능동수단(1)내지 (4)의 어느 기술적 사상과는 분명히 다른 제5의 능동수단이다. 본 발명은 또한 다른 능동수단의 경우와 동일한 방식의 정상작동 동안 터보 기계효율을 해치지 않고도 부분유량 범위에서의 특성이 개선될 수 있고, 본 발명은 종래 수동수단보다 우월하다.

종래 사류형 터보 기계류에서, 제3(b)도와 제3(d)도에서 보여진 것과 같은 현상들이 임펠러(1) 내부에서 발생한다. 즉, 제3(b)도에서 도시된 보호판 없는 개방 임펠러에서, 임펠러(1)의 날개 선단과 케이싱(3) 사이의 틈새를 통해 유동하는 선단 누출 소용돌이(30)가 날개 압력면으로부터 흡입면으로 유동하는 유로 소용돌이(31)를 방해하므로, 임펠러(1) 내부의 고손실 유체가 상기 소용돌이들의 간섭영역(32)에서 축적된다. 유량이 감소함에 따라, 임펠러(1)의 날개 선단과 케이싱(3) 사이의 틈새를 통해 상류방향으로 역류하는 틈새유동(7)은 강해지고, 입구 유동(6)과 틈새유동(7)의 간섭에 기인한 케이싱(3) 상의 입구경계층 두께(고손실 지역)의 증가를 발생시킨다. 결과적으로 유로 소용돌이(31)가 발달한다.

제4도와 제5도는 3차원 점성유동의 수치 계산에 의해 상술된 상황의 수치 시뮬레이션의 결과를 도시한다. 임펠러(1)의 날개 선단과 케이싱(3) 사이의 틈새유동(7)이 케이싱(3)의 부근에서(제4도 참조) 역류(7')을 유도하는 것이 제5도에서 관찰되며, 그러므로 케이싱(3) 상의 경계층(고손실지역)이 상기 지역에서(제5도의 B 부분 참조) 급격히 발달한다. 제4도의 LE는 날개 전연(leading edge)을 나타내는 것임에 주목하여야 한다. 유량이 축소되고 날개 압력과 흡입측 사이의 압력 차가 증가함에 따라, 틈새유동(7)이 강해지고, 결과적으로 유로소용돌이(31)가 발달하며, 날개 흡입면과 케이싱(3) 사이의 코너지역(33)으로 고손실유체(32)가 이도아는 것을 야기하여, 대규모 코너 박리가 발생하기 쉬운 유동 형태가 발생된다.

제3(d)도에서 도시된 보호판을 가진 폐쇄 임펠러에는, 유로 소용돌이(31)에 반대로 작용하는 날개 선단 누출 소용돌이(30)가 없다. 따라서, 보호판(35) 상의 고손실 유체가 날개 흡입면과 보호판(35) 사이의 코너지역(33)에 시동후 제공되고, 따라서 대규모 코너 박리가 개방임펠러의 경우에서 보다 큰 유량 범위에서 발생기 쉬운 유동 형태를 형성한다.

반면에 종래 축류형 터보 기계류에서, 제19도에 도시된 것 같은 현상이 발생한다. 즉, 축류형 터보 기계류에서, 유체가 회전축에 실제로 평행하게 주로 유동한다. 따라서, 코리올리힘의 작용이 비교적 약하므로, 유로 소용돌이(31)의 강도는 사류형 터보 기계류의 경우에서 보다 매우 낮다.

이러는 동안, 날개 선단 누출 소용돌이(30)의 강도는 유량이 감소함에 따라 증가한다. 결과적으로, 고손실 유체(32)가 날개 압력면과 케이싱(3) 사이에 형성된 코너지역(39)으로 이동되며, 따라서 대규모 코너박리가 발생하기 쉬운 유동 형태를 형성한다.

상술된 바와 같이, 양의 기울기 특성의 발생은 유동손실의 크기 뿐만 아니라 고손실 유체가 유로내에 축적되면서 나타나는 유동형태에도 밀접한 관계가 있다.

만일, 제3(a)도, 제3(c)도 또는 제19(a)도에서 A 에 도시된 바와 같은 대규모 코너박리가 터보 기계 임펠러(1)의 코너지역(33, 또는 39)에서 발생한다면, 양정곡선이 터보 기계류의 안정동작의 달성을 위해 매우 불리한 제6도의 파선(9)에 의해 도시된 바와 같은 양의 기울기 특성을 나타낸다.

이러한 상황 하에서, 본 발명은 다음의 구성을 제공한다.

사류형 터보 기계의 경우에서, 입구 유동(6)과 환상 유동층 사이의 경계에서 임펠러(1)의 회전방향과 반대방향으로 소용돌이층을 발생시키기 위해 케이싱(3)의 내벽을 따라 임펠러(1) 회전방향과 반대로 흐르는 환상 유동층을 형성하는 수단을 제공하므로, 임펠러(1) 회전방향으로 유로 소용돌이(31)의 발달을 억제하고 코너지역(33)으로부터 떨어진 위치에 고손실 유체를 축적하므로, 따라서 대규모 코너 박리의 발생을 방지한다.

보호판 없는 사류형 개방 임펠러의 경우, 본 발명에 의해 도입된 소용돌이층이 임펠러 회전방향과 반대방향으로 회전하는 선단 누출 소용돌이(30)의 발달을 조장한다. 따라서, 유로 소용돌이와 선단 누출 소용돌이(30) 사이의 간섭영역에 축적되는 고손실 유체는 코너지역(33)으로부터 더욱 멀리 떨어진 위치로 이동한다. 따라서 코너박리의 발생이 더욱 효과적으로 방지될 수 있다.

축류형 터보 기계류의 경우에서, 입구 유동(6)과 환상 유동층(36) 사이의 경계에서 임펠러(1)의 회전방향과 동일한 방향으로 소용돌이층을 발생시키기 위해 케이싱(3)의 내벽을 따라 임펠러(1)의 회전방향과 동일한 방향으로 흐르는 환상 유동층을 형성하는 수단을 제공함으로써, 선단 누출 소용돌이(30)의 발달을 조장하고, 선단 누출 소용돌이(30)를 억제하고 코너지역(39)으로부터 떨어진 위치에 고손실 유체를 축적하므로, 따라서 대규모 코너박리의 발생을 방지한다.

본 발명에서, 소용돌이층을 도입하는 구체적인 수단으로서, 임펠러(1)의 입구부에 제트를 이용한 환상 유동층이 형성된다. 제16도는 흡입구측으로부터 본 임펠러 입구부 근처의 케이싱을 따라 형성된 환상 유동층의 확대도이고, 소용돌이층을 유동장 내로 도입하는 기구를 도시한다.

하나의 예로써 입구유동이 지면에 수직이고, 임펠러(1) 회전방향에 반대 방향으로 분사된 제트(5)가 입구 유동에 수직인 환상 유동층(36)을 형성한다. 이 경우에, 환상 유동층(36)의 경계면(38)에서 속도는 불연속적으로 변화하고, 따라서 소용돌이층을 형성한다. 경계(38)를 따라 존재하는 소용돌이의 강도를 평가함으로 순환(dГ)은 길이(dx)의 경계부분을 둘러싼 폐곡선(c)를 따라 적분되어 단위길이당 소용돌이의 강도(γ)가 다음과 같이 얻어진다.

γ=dГ/dx = (1/dx)∮_cVdc= V_je

위 표현에서, 속도 V_je는 환상 유동층(36)의 내부 유동속도이고, 이것은 제트의 감쇠 때문에 분사후에 즉시 제트(5) 속도 V_j보다 낮아진다.

유입 안내 날개 또는 흡입 케이싱이 임펠러의 상류에 존재할 경우에, 임펠러 입구유동이 원주 속도성분을 가진 임펠러로 유입된, 이 경우에, 입구유동(6)과 환상 유동층(36) 사이 경계에서 발생되는 소용돌이의 강도는 입구유동(6)에 수직인 제트(5)의 속도 성분에 비례한다.

따라서, 발생되는 소용돌이의 강도를 최대로 하기 위해서는 입구 유동(6)에 사실상 직교하는 환상 유동층(36)을 형성하는 것이 필요하다. 입구유동(6)이 원주 속도성분을 가질때, 본 발명에 다른 케이싱 내벽면을 따라 형성되는 유동층은 고리형이 아니라 나성형을 형성한다. 그러나, 케이싱 내벽면을 따라 형성되는 얇은 유동층이 소용돌이층을 발생시키는 효율에는 차이가 없다.

본 발명의 효율은 발생된 소용돌이층의 강도에 비례한다(즉, 상술된 바와 같이 제트 속도의 1승). 이 점은 뒤에 설명되는 한 예에서 얻어지는 실험결과에 의해 확인된다. 주요 결과는 다음에 설명될 것이다. 소용돌이층의 효율은 제트의 넓이에 비례하여 증가한다. 유동층이 유입층(6)에 수직이 아닐경우, 효율은 입구 유동(6)에 수직인 방향으로부터 유동층이 벗어나는 정도에 따라 감소한다. 상기 점들을 고려하여, Г는 다음 표현에 의해 소용돌이층의 효율을 평가하는 파라미터로 정의된다.

Г=(B·γ·sinβ)/(L·U_1t)

위 표현에서, B는 제트 넓이이고, β는 축방향으로 측정된 제트의 분사각이다. 길이(L)은 Г를 무차원량으로 만드는 기준길이로 사용되고, 날개 입구 선단의 원주속도(U_1t)는 기준속도로 사용된다.

실험은 다양한 제트각, 제트 넓이, 노즐수, 제트속도 등을 사용하여 실행되고, 양의 기울기 양정특성이 발생된 곳에서 측정된 임계유량과 임계유량에서의 제트 계산 파라미터 Г 사이의 관계를 결정한다. 결과는 제21도에서 도시된다.

제트분사에 의한 개선효율은 파라미터 Г에 의해 평가될 수 있는 것이 도면으로부터 이해되어질 것이고, 제트속도의 1승에 비례한다. 이러한 사실에 의해 나타난 바와 같이, 본 발명은 소용돌이층을 도입함으로써 양의 기울기의 양정특성을 개선하고, 이것은 에너지 공급(이 경우에 효율은 제트속도의 3승에 비례) 또는 운동량 교환에 기인한 선회전(이 경우에 효율은 제트속도의 2승에 비례)에 기초한 종래기술과는 근본적으로 다르다.

상술된 바와 같이, 소용돌이는 소용돌이층(37)을 형성하는 불연속의 경계(38)에 걸쳐 모두 흩어지고, 본 발명의 효율은 발생된 소용돌이층의 강도 즉, 환상 유돛층에서 속도 V_je에 비례한다.

제17도는 유동장 내로 도입된 소용돌이(34)와 사류형 개방 임펠러에서 임펠러(1) 내부의 유동 사이의 간섭을 3차원적으로 나타낸다.

소용돌이층(37)에 의해 도입된 소용돌이(34)는 주요 흐름에 의해 임펠러(1)내로 운반된다. 소용돌이(34)는 소용돌이(34)와 같은 방향으로 회전하는 날개 선단 누출 소용돌이(30)와 간섭하여 이것을 조장한다. 반면에, 소용돌이(34)는 소용돌이(34)와 반대방향으로 회전하는 유로 소용돌이(31)와 간섭하여 이것을 억제한다. 결과적으로, 소용돌이 간섭영역(32)에서 축적되는 고손실 유체는 코너지역(33)으로부터 떨어진 위치로 이동된다.

양정특성을 안정화하는데 필요한 최소한의 제트속도 V_j는 양의 기울기의 양정특성이 발생되는 곳의 임계유량과 이 임계유량에서의 제트평가 파라미터 Г 사이의 관계를 도시한 제21도로부터 계산될 수 있다. 제15도에 도시된 양정곡선에 따라, 펌프가 안정화되는데 필요한 범위(제15도 23)의 넓이는 유량비가 0.03 이다. 따라서, 제트가 없는 경우(Г=0), 0.03 에 의해 더욱 낮아진 임계유량비를 필요로 하는 제트평가 파라미터 Г의 값은 데이타의 분포를 고려하여 제21도에서 읽혀지고, Г=0.5 가 얻어진다. 상기 예에서, 조건은 다음과 같다: 제트넓이 β=5mm, 기준길이 L=2.45mm, 그리고 날개 회전축에 대한 제트각 β=90°이다(회전방향과 반대). 이것을 제트평가 파라미터 Г를 고려한 정의식에 대입하면,

γ/V_1t=V_je/V_1t=0.245

이것은 환상 유동층(36)에서의 유체속도이다. 제트의 감쇠를 고려하면, 노즐 출구에서 필요한 제트 속도는 상기 환상 유동층(36)의 속도 V_je의 거의 두배이다. 따라서, V_j/V_1t=0.5가 얻어진다.

축류형 터보 기계류에서, 임펠러(1) 회전방향으로 흐르는 환상 유동층이 형성되어 임펠러(1)의 회전방향으로 소용돌이층을 발생시킨다. 소용돌이층은 날개 선단 유출 소용돌이(30)와 간섭하여 이것을 억제시키고, 반면에 이것은 유로소용돌이(31)와 간섭하여 이것을 촉진한다. 결과적으로, 고손실 유체가 코너지역(39)으로부터 떨어진 위치로 이동된다.

따라서, 상술된 바와 같이, 소용돌이층(37)의 도입은 임펠러(1) 내부2차 유동의 유동형태를 바꾸고, 코너박리의 발생을 방지하며, 따라서 터보 기계의 양의 기울기의 양정특성을 제한하거나 개선하여 서지를 방지한다.

사류형 펌프 장치에 적용되는 본 발명의 일 실시예가 첨부 도면을 참조하여 아래에 설명될 것이다. 제1도는 본 발명에 따른 펌프장치의 입구부를 도시한 단면도이고, 제2도는 임펠러의 회전방향과 반대로 케이싱을 따라 흐르는 환상 유동층을 형성하는 수단으로 사용되는 노즐로부터 물제트가 분사되는 수단을 도시하는 제1도의 케이싱 근처의 유선면의 발달도이다. 상기 실시예는 아래에 상세히 설명될 것이다.

본 발명에 따른 펌프장치에서, 노즐(4)은 케이싱(3)의 일부 근처에 제공되어 펌프 입구부에서 고압력 공급원으로부터 공급된 제트(5)를 케이싱(3)의 근처로부터 임펠러(1)의 회전방향(α)과 반대방향으로 케이싱의 내면을 따라 분사한다. 케이싱(3)을 따라 흐르는 제트는 속도 불연속면을 형성한다(제16도의 38). 결과적으로, 회전방향 α와 반대방향으로 회전하는 회전성분을 갖는 소용돌이층이 발생된다.

이러한 방식으로 도입된 소용돌이(제17도의 34)는 제3(b)도 또는 제3(d)도에서 도시된 유로소용돌이(31)에 반대로 회전하는 회전성분을 갖으므로, 유로소용돌이(31)를 억제하고 고손실 유체(32)가 코너지역(33)에 축적되는 것을 방지한다. 따라서, 제3(a)도 또는 제3(c)도에서 A 에 도시된 바와 같은 대규모의 코너박리의 발생(임펠러의 실속)을 방지하는 것이 가능하다. 결과적으로, 제6도에서 실선(10)에 도시된 바와 같이, 양의 기울기 특성의 발생을 피하는 것이 가능하다.

따라서, 제6도에 도시된 불안정지역(9)이 본 발명에 의해 안정화될수 있으므로, 전체유량 범위에 걸쳐 안정한 펌프특성을 얻는 것이 가능하다.

제7도는 펌프 배관체계에서 서지가 이미 발생된 상태에서 제트(5)가 소정시간 동안 노즐(4)로부터 분사되는(제트 분사) 실험 결과를 도시한다. 상기 도면으로부터 명백하지는 바와 같이, 배출압력이 시간에 따라 크게 진동하는 서지 상태의 불안정 작동조건(11)에서 조차, 서지 상태를 벗어나 안정 작동조건(12)으로 펌프를 회복시키는 것이 가능하다.

제8도는 노즐(4) 형태의 한 예를 도시하는데, 여기서 제8(a)도는 종단면도이고, 제8(b)도는 정면도이며, 제8(c)도는 노즐헤드의 횡단면도이다.

노즐헤드(4a)는 반구형으로 둥글게 되어 케이싱(3)의 내면으로부터 돌출된 노즐(4)의 헤드에 의해 유동이 산란되는 것을 방지한다. 고압력원(13)으로부터 공급된 고압력 유체는 임펠러(1) 회전방향 α와는 반대인 속도 성분을 갖고서 케이싱(3)의 내면을 따라 β방향으로 노즐 출구(4b)로부터 분사된다. 본 실시예에서 사용된 노즐(4)은 제8도에 도시된 바와 같은 단면형상을 가지므로, 제트(5)는 발산하여 분사된다. 이러한 노즐형상에 의해 효율이 향상될 수 있다.

제8(a)도의 참조번호(14)는 노즐(4)과 케이싱(3) 사이의 구역에서 누수를 방지하는 O-링을 나타낸다는 것을 주목해야 한다. 상기 노즐로 부터 분사되는 제트는 주변 유체와 혼합되고 확산되는 동안 하류쪽으로 가면서 발산된다. 분산각은 한 면에서 약 6도이다(트랜타코스테, N과 스폴자, P.M., 1966. 비압축성 난류자유제트에서 3차원 자유혼합의 실험적 조사, 뉴욕, 브루클린의 과학기술 연구소, 항공우주국, Rep. 81). 따라서, 제트분사 방향이 벽면을 따라 방향에 약 6도 정도 아래로 연장될 경우 조차, 제트가 케이싱 내벽에 재부착 되어 내벽을 따라 유동하는 유동층을 다시 형성한다는 것을 고려하여야 한다. 따라서, 제20도에 도시된 바와 같은 큰 역효과는 없게 된다. 반면에, 제트가 케이싱 내벽을 향해 분사될 경우, 제트가 내벽면에 충돌하므로 내벽을 따라 흐르는 유동층을 형성한다. 따라서, 제트가 분산되고 유동층을 형성하지 못하는 큰 각으로 제트가 분사되지 않으면 큰 역효과가 발생되지 않는다. 따라서, 제트는 엄밀하게 케이싱 내벽면에 평행하게 분사될 필요가 없다. 본 발명의 상술된 효율은 제트가 사실상 내벽면에 평행하게 주입되는 한은 얻어질 수 있다.

제9도와 제10도는 제트(5)의 분사제어의 예를 도시한다. 도시된 바와 같이 가장 쉽고 빠른 가장 단순한 작동 수단은 제9도에 도시된 바와 같이 서지(c)가 발생할 때 연속적으로 제트(5)를 분사하는 것이다. 또한, 제10도에 도시된 바와 같이 간헐적인 제어를 수행하는 것도 가능하다. 즉, 불안정한 펌프특성을 야기하는 임펠러(1)의 실속의 전조(D)(유동의 대규모 박리) 또는 서지현상이 검출될때(또는 이러한 현상의 발생이 검출될때), 제트(5)는 소정 시간동안만 분사되어 불안정 특성의 발생을 피하게 하고, 유사한 불안정 특성의 다른 전조(D)가 검출될 때까지 제트(5)는 분사되지 않는다. 이러한 간헐적인 제어에 의해, 에너지 소비를 최소화하는 것이 가능하다.

불안정한 특성의 전조(D)는 케이싱(3) 상에 또는 펌프유로면에 또는 노즐(4)의 내부에 설치된 압력센서, 유체소음, 기계의 비정상 소음, 기계의 진동, 또는 유로 내의 속도의 변화를 이용한 다양한 수단에 의해 검출될 수 있다.

제11도와 제12도는 본 발명에 의한 터보 기계의 구성의 예를 도시한다. 제11도에서, 노즐(4)는 부스터 펌프(17)와 솔레노이드 밸브(18)를 통해 외부 유체원(예를 들어, 수도꼭지에서 받은 물)로부터 유체를 공급한다. 케이싱(3) 상의 압력센서(15)로부터의 신호는 데이타 프로세서 (16)에서 분석된다. 불안정 특성의 발생이 예견될 때 부스터 펌프(17)및 솔레노이드 밸브(18)를 제어함으로써 제트가 간헐적으로 또는 지속적으로 분사된다.

제12도는 펌프출부부로부터 공급되는 유체원의 일 실시예를 도시하고, 펌프 자체의 배출압력은 부스터 펌프(17)의 위치에서 사용된다. 이 실시예는 유체가 펌프 출구부로부터 우회하는 종래수단과 외관상 유사하다.

그러나, 종래 우회수단에서는, 불안정 특성의 발생은 실질적인 작동유량의 증가에 의해 피해지지만, 펌프 수두는 필연적으로 크게 낮아진다. 반면에, 본 발명에서, 요구되는 전체 제트 유량은 펌프배출 유량의 약 1%이므로, 펌프 수두를 낮추지 않는다. 따라서, 본 발명의 기능은 우회하는 재출유동의 양이 큰 종래 수단과는 근본적으로 다르다.

더욱이, 본 발명은 불안정 조건의 발생을 우회에 의해 피하게 하는 종래 수단에서 보다 적은 에너지 소모에 의해 펌프작동을 안정화하는 것이 가능하다. 제11도와 제12도에서 도시된 예가 압력센서(15)를 사용한 것이지만, 펌프작동의 안정화는 상기 압력센서(15)를 이용하지 않고도 실현될 수 있다. 즉, 미리 측정된 양정특성(예를 들어, 제15도 참조)은 데이타 프로세서(16)의 메모리에 저장되고, 제트는 펌프가 제어가 필요한 제15도에 도시된 범위(23)에서 동작될 경우에만 유량감시에 의해 지속적으로 분사될 수 있다.

제13도는 터보 기계 임펠러(1)의 입구부에 제공되는 노즐의 수와 그에 의한 효율 사이의 관계를 도시한다. 상기 실험에서, 각각 밸브를 가진 12개의 노즐은 흡입구(내경:250mm) 주위에 동등하게 이격되고, 양의 기울기 특성이 발생될때의 유량은 다양한 노즐의 수를 위해 밸브의 개폐에 의해 측정된다. 노즐의 수가 증가함에 따라, 양의 기울기의 특성이 발생되는 곳의 임계유량은 저유량측을 향해 이동하고, 즉 제트의 효율이 향상된다. 상기 실시예의 경우, 노즐의 수가 6개를 초과할 경우 본 발명의 효율은 더 이상 변하지 않는다.

제14도는 제트 분사방향과 그에 의한 효율 사이의 관계를 도시한다. 제트가 축방향으로부터 0도 내지 180 도 범위의 각으로 측정되어 분사될 경우에만, 즉 제트가 임펠러 회전방향과 반대방향의 속도성분으로 분사될 경우에만 제트 분사가 효과적라는 것이 도면으로부터 이해될 것이다: 특히 제트분사각이 90도일때, 즉 제트가 임펠러 회전방향에 반대로 분사될 때, 최대효과가 얻어진다.

임펠러 회전방향에 반대로 회전하는 회전성분을 가진 소용돌이 층이 가장 효과적으로 유동장내로 도입될 수 있는 제트의 방향은 제16도와 연계하여 '기능'의 서술에서 설명된 바와 같이 입구유동에 수직방향이다. 상기 실시예에서, 입구유동은 축방향으로 유입된다. 따라서, 제14도에 도시된 실험에서, 최대 효율은 90도의 제트각에서 얻어진다.

제18도는 제3(b)도에서 도시된 것과 동등한 위치에서 (C-C단면) 점성유동의 분석에 의해 시뮬레이션된 임펠러 유로의 소용돌이 강도 분포를 도시한다. 상기 도면에서, 임펠러 회전방향과 같은 방향에서 회전하는 회전성분을 가진 소용돌이도(소용돌이 강도)가 실선 등고선에 의해 도시되고, 반면에 임펠러 회전방향에 반대로 회전하는 회전성분을 가진 소용돌이도가 일점쇄선 등고선에 의해 도시된다.

제18(a)도는 종래 임펠러에서의 소용돌이도의 분포를 도시하고, 반면에 제18(b)도는 케이싱(3) 근처에서 제트를 분사함으로써 임펠러 유입구에서 환상 유동층이 형성되는 배열에서의 소용돌이도를 도시한다. 동일한 소용돌이도를 갖는 유로소용돌이(31)의 영역은 빗금쳐져 있다. 제16도에 도시된 메카니즘에 의해 임펠러 회전방향에 반대로 회전하는 회전성분을 가진 소용돌이층을 도입함으로 유로소용돌이의 강도는 크게 억제된다는 것을 확인하게 될 것이다.

상술된 바와 같이, 상기 실시예가 유로소용돌이(31)의 발달을 억제하고 코너지역(33)에서 유동의 대규모 박리를 방지하는 것이 가능하다. 결과적으로, 부분유량 범위에서 펌프작동 동안 발생되는 양의 기울기 특성(9)은 제6도의 도시된 바와 같이 완전히 제거되고, 펌프가 전체 유량 범위에 걸쳐 서지상태에 의해 포획되지 않고 안정적으로 작동될 수 있다.

양정 곡선이 제15도의 20에 도시된 바와 같이 현저하게 떨어질때, 양의 기울기 영역은 완전히 제거될 수 없지만, 불안정 특성이 발생하는 임계유량(21)은 제트분사에 의해 저유량측으로 이동된다. 이 경우에, 펌프가 불안정 특성을 다시 나타낼 가능성이 있다. 그러나, 제트의 분사가 이 시점에서 정지되면, 펌프 특성은 원래 안정한 양정 곡선 상의 점(22)으로 이동한다. 따라서, 펌프가 서지상태로 가게 되지 않을것이다. 따라서, 제트에 의해 안정이 요구되지는 지역은 제15도의 23에 의해 도시된 양정 곡선이 양의 기울기 특성을 보이는 유량범위로 제한된다.

더욱이, 제15도의 23에 도시된 영역에서의 작동이 본 발명에 의해 안정화된 펌프는 전체 유량범위에 걸쳐 안정특성을 가진다. 따라서, 서지가 없는 펌프 배관 체계를 형성하는 것이 가능하다.

상술한 본 발명의 실시예가 사류형 펌프가 적용된 한 예에 의해 설명되었지만, 본 발명은 상기 사류형 펌프에만 한정되지 않고, 출류형 터보 기계를 포함하는 일반적인 터보 기계에도 당연히 적용될 수 있다는 것에 주의하여야 한다.

상술된 바와 같이 본 발명에 따르면, 제트 분사 수단은 상기 터보기계의 유량 설계점 보다 수 퍼센트 이하로 낮은 유동율로 유체를 분사하여 유동층을 형성한다. 유동층은 주요 유동의 제트 방향 성분 보다 더 빠른 속도로 케이싱의 내주를 따라 흐른다. 상기 층은 주요 유동에는 실질적인 영향을 끼지치 않고 소용돌이층이 환상 유동층과 주요 유동 사이의 경계에 형성된다. 따라서, 임펠러 내부의 2차 유동을 제어하는 것이 가능하고, 터보 기계의 양정곡선의 양의 기울기 특성의 발생을 피하게 하거나 개선하므로 서지의 발생을 방지하여 전체 유량 범위에 걸쳐 안정한 터보 기계의 작동을 가능하게 한다.

따라서, 본 발명은 터보 기계의 양정 곡선이 양의 기울기와 불안정 특성을 보이는 유량범위 근처에서 케이싱 내벽을 따라 흐르는 환상유동층을 형성하는 수단이 구비된 터보 기계를 제공함으로써, 2차 유동의 유동형태를 변경시키고, 코너지역에 고손실유체의 축적을 억제하며, 임펠러 내부의 대규모 박리의 발생을 방지하므로, 터보 기계의 양정 곡선에서 양의 기울기 특성의 발생을 방지하는 것이 가능하게 하여, 서지의 발생을 방지한다.

Claims

케이싱 내를 회전하며 보호판이 있거나 혹은 없는 임펠러를 구비한 터보 기계에 있어서, 케이싱 내벽을 따라 상기 임펠러의 입구 선단 근처에, 임펠러의 회전과 동일한 방향 혹은 반대방향으로 임펠러 입구유동 보다 높은 속도로 터보 기계 설계유량의 수 퍼센트 이하의 제트를 분사하는 수단을 포함하여, 상기 케이싱의 상기 내벽면 근처에서 상기 제트분사 수단에의해 분사되는 제트유체로부터 유동층이 형성되고, 상기 유동층은 상기 입구유동에 거의 수직방향으로 케이싱의 내주를 따라 흐르고 주요 유동에는 실질적인 영향을 주지 않는 것을 특징으로 하는 터보 기계.
제1항에 있어서, 상기 제트분사 수단은 둘 이상의 노즐을 포함하고, 상기 노즐은 케이싱 내벽에 안쪽으로 배치된 개구를 구비하며 주요 속도 성분이 상기 케이싱 내벽면을 따르는 제트를 분사하는 것을 특징으로 하는 터보 기계
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제트분사 수단으로부터 분사되는 유체는 상기 터보 기계의 유출부 혹은 외부 고압력원으로부터 유입되는 것을 특징으로 하는 터보 기계.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 터보 기계의 양정 곡선이 양의 기울기의 불안정 특성을 나타내는 유량범위 근처에서 상기 제트분사 수단으로부터 유체를 연소적으로 또는 간헐적으로 분사함으로써, 상기 환상 유동층이 연속적으로 또는 간헐적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 기계.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 터보 기계의 상기 케이싱 위 또는 유로 내부의 다른 부분에 배치된 센서를 사용하여 양정 곡선이에 양의 기울기의 불안정 특성이 발생할 것임을 검출함으로써, 상기 제트분사 수단의 제어를 통해 상기 환상 유동층의 형성 및 상기 환상 유동층 형성의 서스펜션을 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 기계.
제3항에 있어서, 상기 터보 기계의 양정 곡선이 양의 기울기의 불안정 특성을 나타내는 유량범위 근처에서 상기 제트분사 수단으로부터 유체를 연속적 또는 간헐적으로 분사함으로써, 상기 환상 유동층이 연속적으로 또는 간헐적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 기계.
제3항에 있어서, 상기 터보 기계의 상기 케이싱 위 또는 유로 내부의 다른 부분에 배치된 센서를 사용하여 양정 곡선이에양의 기울기의 불안정 특성이 발생할 것임을 검출함으로써, 상기 제트분사 수단의 제어를 통해 상기 환상 유동층의 형성 및 상기 환상 유동층 형성의 서스펜션을 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 기계.
제4항에 있어서, 상기 터보 기계의 상기 케이싱 위 또는 유로 내부의 다른 부분에 배치된 센서를 사용하여 양정 곡선이에양의 기울기의 불안정 특성이 발생할 것임을 검출함으로써, 상기 제트분사 수단의 제어를 통해 상기 환상 유동층의 형성 및 상기 환상 유동층 형성의 서스펜션을 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 기계.