KR100389797B1 - 가스터빈엔진의컴프레서단부벽처리용장치및그방법 - Google Patents

가스터빈엔진의컴프레서단부벽처리용장치및그방법 Download PDF

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Abstract

가스 터빈 엔진의 컴프레서 섹션은 벌집형 콘피규레이션을 가진 셀들을 포함하는 컴프레서 블레이드들의 주위에 설치된 삽입부를 포함한다. 각 셀은 블레이드가 회전하여 그 팁이 셀의 위를 통과함에 따라 팁의 공기 유동을 활성화하도록 블레이드 팁에 대하여 복합의 각을 가지고 있으므로, 실속 마진을 개선한다. 각 셀은 블레이드 익현의 방향으로 향하여 전진하는 블레이드들을 면한다. 블레이드가 회전함에 따라 블레이드는 각 셀을 지나며 고압의 공기 유동이 블레이드의 고압측으로부터 셀내에 우선 포획되어 블레이드가 셀을 통과함에 따라 저압측에 방출하므로, 블레이드에 걸쳐서 공기 유동의 방향으로 고속 유동의 활성화된 분사를 발생시킨다.

Description

가스 터빈 엔진의 컴프레서 단부벽 처리용 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR COMPRESSOR ENDWALL TREATMENT OF GAS TURBINE ENGINE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 가스 터빈에 관한 것으로서, 특히 컴프레서의 실속(失速) 특성을 개선하는 기법에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진에 있어서, 컴프레서 블레이드는 "단부벽"에 가능한한 근접하도록 블레이드의 팁이 구비된 회전 디스크에 부착된다. 팁과 단부벽 사이의 틈새와 밀봉부에서의 팁 마찰로 인한 역효과를 최소화하기 위하여 여러가지 밀봉기법이 사용된다. 컴프레서 회전자 블레이드의 팁과 단부벽 사이의 틈새가 증가하게 되면, 블레이드의 압력측과 흡입측간의 누설로 인해 컴프레서의 실속 마진이 현저히 감소된다. 이러한 누설은 블레이드 통로를 통한 전체 흐름방향의 유동 모멘텀을 감소시키고, 블레이드 압력 상승능력을 감소시켜 실속 마진도 감소시킨다. 블레이드의 뿌리(root)로부터 팁까지의 압력을 그래프로 도시하면, 누설로 인해 전체 압력이 팁을 향하여 감소하는 것을 알 수 있다. 틈새 증가로 인한 실속 마진 손실은 단부벽과 블레이드 흡입측의 경계층간의 상호 작용으로 인하여 발생되는데, 이러한 상태는 잠재적으로 흡입측에 경계층 유동 분리를 유발시켜 그 영역에 유동 봉쇄를 야기시킨다.
본 발명의 목적은 단부벽과 컴프레서 블레이드 팁 사이의 팁 틈새에 의한 역효과를 최소화하고 블레이드 팁 근처의 유동 특성들을 개선함으로써 개선된 컴프레서 실속 마진을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면 블레이드 팁과 단부벽 사이에 특수한 공기역학적 구조물이 놓여지는데; 이러한 구조물은 유동방향의 모멘텀을 증진시키고, 단부벽 유동의 효과적인 혼합을 발생시키도록 팁의 유동을 "활성화"한다.
본 발명에 따르면, 컴프레서 블레이드와 그 주위의 단부벽에는 보호판 삽입부가 위치되는데, 이러한 삽입부는 복합적인 각도(compound angle)로 경사진 폐색(閉塞)된 벌집형 셀을 포함한다. 제1각도는 블레이드의 회전방향에 접하는 축선과 연관이 있으며, 제2각도는 블레이드의 반경(수직) 방향과 연관이 있다. 블레이드 압력측이 전진함에 따라, 상기 벌집형 셀은 압력측의 공기로 "충진되고"; 블레이드가 각 셀을 횡단함에 따라, 각각의 셀은 흡입측으로 배기되어 순간적인 고속 제트흐름(jet)을 생성하는데; 이러한 제트흐름은 단부벽 유동을 활성화하는 셀로부터 방출된다.
셀의 복합적인 각도는 두가지의 목적을 달성하도록 선택된다. 셀은 이동하는 블레이드에 의해 부여된 동압력을 포획하기 위해, 전진하는 블레이드의 압력측과 대면하도록 지향된다. 이에 의해, 셀은 효과적인 제트흐름 유도압력비를 생성할 수 있는 공기로 충진될 수 있다. 또한, 셀의 방향이 블레이드의 익현(翼弦)을 따라 향하고 있으므로, 최종적인 제트흐름 방향은 유동방향쪽으로 상당한 성분을 갖게 되어, 흐름 방향의 유동 모멘텀을 증진시킨다. 이러한 복합적인 각도에서 셀로부터의 고속 제트흐름은 주된 흐름을 방해함 없이 최외측 단부벽(안정성 충돌 영역)의 흐름을 효과적으로 혼합시키므로, 효율의 손실을 최소화한다. 유동방향으로의 제트흐름의 성분들은, 팁 영역에서의 전체 압력증가에 의하여 입증된 조건인, 유동방향모멘텀을 증대시킨다.
본 발명에 따르면, 셀의 크기는 블레이드 통과 주기의 일부인 셀 비움 시간상수가 되도록 선정된다. 셀의 직경(셀 축선에 수직)은 블레이드 두께이며, 셀의 깊이(셀 축선을 따른)는 1배 내지 7배의 범위를 갖는다.
본 발명의 특징은 단부벽(정지중이거나 회전중이거나 관계없음)의 근처에 형성되는 유동장을 활성화함으로써 컴프레서 효율 손실이 최소로 되는 우수한 실속마진 특성을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 특징은 단부벽과 상승면 팁 사이에 상승 특성(lift characteristic)을 개선하도록 사용될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 컴프레서 고정자 섹션에 있어서, 고정자 베인 팁과 대면하는 회전자 드럼에는 이러한 셀을 구비한 삽입부가 위치될 수 있다. 본 발명의 기타 다른 목적과 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 하기의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
제1도에서 다수의 컴프레서 터빈 블레이드(10)는 케이스(16)내에서 해당 컴프레서 디스크(14)에 부착된다. 제8도에 도시된 바와 같이, 블레이드와 디스크는 가스 터빈 엔진에서 전형적인 컴프레서의 구성요소이다. 고정자 베인(18)은 블레이드(10)의 상류에 위치되어 공기의 유동방향으로 지향된다. 제2도에 도시된 바와같이, 벌집형 셀(28)의 층을 포함하는 링 삽입부(24)를 수용하기 위하여, 케이스(16)에는 원주형 시트(22)가 제공된다. 화살표(RT)는 블레이드의 회전방향을 가리키며, 컴프레서를 향하는 공기의 유동은 화살표(20)로 도시되어 있다. 제1도에서, 삽입부(24)는 셀(28)의 층으로 구성되어 있으며; 상기 셀은 복합적인 각도, 즉 제1각도(θ)와 제2각도(φ)로 지향된다. 제1각도(θ)는 제2도에서 블레이드의 접선방향(RT)으로부터의 셀 축선(30)의 변위로 정의된다. 제2각도(φ)는 수직선(반경방향)(29)으로부터의 셀 축선의 변위로 정의된다. 이것은 제3도를 참조하면 쉽게 알 수 있는데, 이에 따르면 셀 축선(30)은 셀의 구멍이 셀의 구멍이 화살표(RT) 방향으로 이동전진하는 블레이드와 대면하도록 지향된다. 또한 상기 셀은 블레이드의 코드 선상에 있다. 이러한 특성들의 중요성은 하기에 상세히 서술될 것이다.
블레이드가 회전함에 따라, 블레이드는 셀(28)을 스쳐 지나간다. 이에 의해, 셀은 블레이드 위치의 함수로서 서로 다른 압력 조건을 갖는다. 예를 들어, t0에서의 블레이드의 위치가 표시된, 제2도의 셀(36)과 블레이드(28)를 예로 들어 보자. 이러한 셀은 블레이드(36)의 고압측에 위치되지만, 블레이드가 화살표(RT) 방향으로 회전함에 따라 상기 블레이드 및 셀(40)은 나중의 시간(T+1)에서 저압측에 노출되며, 상기 셀(40)은 초기 시간(블레이드 위치)(t0)에서 압축되었다. 제3도의 화살표(Rtc)는 제2도의 선3-3을 따른 블레이드 속도의 성분을 의미한다.
제7도에 있어서, 셀(36)과 마찬가지로, 고압측으로부터 시간(t0)에서 초기에 압축되었던 셀(40)은 블레이드가 셀 위를 통과한 후에 블레이드의 저압측에 폭발(burst) 또는 공기의 제트 흐름(41)을 제공한다. 블레이드 또는 "날개 혹은 상승면"에 대한 셀의 위치와 함께, 블레이드의 두께는 셀의 직경(d)과 같아야만 하며, 셀의 깊이 또는 두께(L1)는 적어도 상기 직경(d)과 같거나, 직경(d)의 4배인 것이 바람직하다. 이러한 비율은 셀의 충전 및 배기와 관련된 시간 정수를 제어하기 때문에 매우 중요하다. 블레이드 통로 방향으로의 속도 성분에 의해(복합적인 각도로 인해), 순간적인 제트흐름은 블레이드 팁에서 에너지화된 흐름을 발생시켜 효과적인 혼합을 유발시키므로, 단부 영역에서의 잠재적인 흐름 분리를 방지할 수 있다.
상기 각도(θ, φ)의 크기는 특정한 컴프레서 디자인에 의존하지만, 셀은 정확히 충전되어야 하고, 저압측에서 제트흐름을 에너지화시키는 배기도 정확하게 지향되어야만 한다. 이러한 각도에 대한 예시적인 값은 θ= 34°및 φ= 60°이다.
본 발명은 단부벽의 유동장을 효과적으로 활성화함으로써 효율 손실이 최소한으로 되고 컴프레서의 실속 마진을 현저히 개선한다. 또한 이러한 설계에 대한 테스트에 따르면, 마모성 팁(본 기술분야에 공지되어 있음)을 갖는 블레이드 팁이 삽입부와 마찰될 때, 블레이드를 마모시킴 없이 각이 진 셀이 쉽게 벗겨지기 때문에, 삽입부가 양질의 마모성 밀봉부가 되도록 셀 각도의 방향이 결정되는 것으로 나타났다.
본 발명에 의해 제공된 유동 활성 효과는 터빈 블레이드의 주위에 유사한 벌집형 삽입부를 삽입함으로써 가스·터빈 엔진의 터빈 섹션에 사용될 수 있지만, 터빈 블레이드가 회전함에 따라 셀의 압축에 있어서 중요한 차이점을 갖는다. 상술의 컴프레서의 실시예에 있어서, 셀은 먼저 블레이드의 압력측에 노출된 후에 저압측에 노출된다. 터빈에 있어서, 셀은 저압측에 먼저 노출되어 셀내의 압력을 낮추기 때문에, 블레이드가 셀을 통과할 때 셀 내부로의 유동을 증진시킨다. 이에 따라, 터빈 팁과 단부벽 사이의 틈새를 통한 누설이 감소되므로, 터빈 효율이 개선된다.
본 발명은 양호한 실시예를 참조로 서술되었기에 이에 한정되지 않으며, 본 기술분야의 숙련자라면 첨부된 청구범위로부터의 일탈없이 본 발명에 다양한 변형과 수정이 가해질 수 있음을 인식해야 한다.
제1도는 제8도에 도시된 전형적인 가스 터빈 엔진의 선1-1을 따른 단면도.
제2도는 본 발명에 따른 블레이드를 둘러싸는 보호판의 단면도.
제3도는 제2도의 선3-3을 따른 단면도.
제4도는 제2도의 선4-4를 따른 단면도.
제5도는 보호판의 두개의 층을 도시하는 분해사시도.
제6도는 보호판내의 여러 셀들의 사시도.
제7도는 블레이드 팁과 보호판의 인접 층을 도시하는 확대도.
제8도는 보호판이 포함된 가스 터빈 엔진의 단면도.
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]
10: 컴프레서 터빈 블레이드 16: 케이스
20: 공기 유동 방향 24:: 링 삽입부
38: 벌집형 셀 30: 셀 축선
41: 제트 θ: 제1 각도
φ: 제2 각도 L: 층
d: 셀의 직경 L1: 셀의 두께

Claims (15)

  1. 케이스(16)와 컴프레서 블레이드(10)가 구비된 컴프레서 스테이지를 포함하는 가스 터빈 엔진에 있어서,
    케이스와 컴프레서 블레이드의 사이에 배치되며, 블레이드가 회전함에 따라 공기 유동방향으로 블레이드를 거쳐 블레이드의 저압측까지 압축된 공기유동을 제공하기 위하여, 블레이드 팁의 고압측으로부터 압축된 공기 유동을 포획하는 제1수단을 구비하는 삽입부(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1수단은 다수의 셀(28)을 포함하며; 이러한 셀 각각은 유동방향의 하류를 향하도록 접선 방향(RT)에 대한 제1각도(θ)와, 케이스에 수직인 선에 대해 30°보다 큰 제2각도(φ)로 지향되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1수단은 다수의 셀을 포함하며; 이러한 셀 각각은 블레이드의 회전방향의 접선에 대한 제1각도와, 케이스에 수직인 선에 대하여 30°보다 큰 제2각도로, 블레이드 팁을 향하여 연장되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 삽입부(24)는 셀을 갖는 벌집형 시트의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 삽입부(24)는 셀을 갖는 벌집형 시트의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 셀(28)은 실질적으로 블레이드의 두께와 같은 직경(d)과, 이러한 직경보다 작지 않은 깊이(L1)를 갖는 다각형인 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 셀은 실질적으로 블레이드의 두께와 같은 직경과, 이러한 직경보다 작지 않은 깊이를 갖는 다각형인 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 직경 보다 큰 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 직경 보다 큰 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
  10. 단부벽(16)과 대면하며 상기 단부벽을 향하여 이동하는 날개(10)의 팁을 활성화하는 방법에 있어서,
    블레이드가 회전함에 따라 공기의 유동방향으로 블레이드를 거쳐 블레이드의 저압측까지 압축된 공기 유동을 제공하기 위하여, 블레이드 팁의 고압측으로부터 압축된 공기 유동을 포획하는 제1수단을 구비하는 삽입부(24)를, 단부벽과 팁 사이에 설치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 삽입부(24)는 다수의 셀(28)을 포함하며, 이들 각각의 셀은 날개 익현을 따라 팁을 향하여 날개 회전방향에 접하는 접선으로부터 10°보다 큰 제1각도(θ)로 연장되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 삽입부(24)는 다수의 셀(28)을 포함하며; 이들 각각의 셀은 셀 축선이 블레이드 익현을 따른 성분을 갖는 제1각도(θ)와, 단부벽에 수직한 블레이드에 대해 30°보다 큰 제2각도(φ)로 지향되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 단부벽(16)과 이러한 단부벽에 대헤 회전운동을 하는 날개(10)의 결합체에 있어서,
    날개(10)의 팁과 단부벽(16) 사이에 배치되며, 날개가 단부벽에 대해 이동함에 따라 공기의 운동방향으로 팁을 거쳐 블레이드의 저압측까지 압축된 공기 유동을 제공하기 위하여, 팁의 고압측으로부터 압축된 공기 유동을 포획하는 제1수단을 구비하는 삽입부(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 결합체.
  14. 단부벽(16)과 이러한 단부벽에 대해 회전운동을 하는 날개(10)의 결합체에 있어서,
    날개(10)의 팁과 단부벽(16) 사이에 배치되는 삽입부(24)를 포함하며; 상기 삽입부는 다수의 셀(28)을 포함하며; 이들 각각의 셀은 날개가 회전할 때, 상기 회전운동의 방향에 대하여 복합적인 각도로 날개의 고압측 및 저압측에 노출되는 것을 특징으로 하는 결합체.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 삽입부(24)는 다수의 셀(28)을 포함하며; 이들 각각의 셀은 날개의 익현을 형성하는 선을 따라, 날개의 상대 운동방향의 접선에 대하여 10°보다 큰 각도로 팁을 향하여 연장하며; 각각의 셀 직경은 실질적으로 팁 두께와 동일하며; 셀의 깊이는 셀의 직경과 최소한 동일한 것을 특징으로 하는 결합체.
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