KR100548709B1 - 터보기계 임펠러 - Google Patents

Abstract

스플리터 블레이드(5)를 포함하는 임펠러(2)는 터보기계의 성능에 영향을 미치지 않는 광범위한 작동 범위를 갖는다. 터보기계용 임펠러(2)는, 서로 인접한 풀 블레이드들(4)사이에 배치된 복수의 스플리터 블레이드(5)를 포함한다. 각각의 스플리터 블레이드(5)는 스플리터 블레이드(5)내로 흐르는 유체 유속의 스팬방향 및 피치방향의 불균일 분포에 의해 상기 스플리터 블레이드의 전방 에지의 피치방향 위치의 스팬방향 분포가 결정되는 방식으로 성형된다.

Description

터보기계 임펠러{TURBOMACHINERY IMPELLER}

본 발명은 액체를 수송하는 펌프 또는 가스를 압축하는 압축기와 같은 터보기계에 관한 것이고, 특히 성능을 개선시키기 위해서 풀 블레이드(full blade)들 사이에 짧은 스플리터 블레이드를 갖는 임펠러를 포함하는 터보기계에 관한 것이다.

도 1은 풀 블레이드만으로 구성된 통상의 임펠러를 나타낸다. 이러한 형태의 임펠러는, 원뿔대 형상을 갖는 허브(2)의 굴곡진 외표면상에 샤프트(1)주위에 원주방향을 따라 등거리에 배치된 복수의 블레이드(3)를 갖는다. 유로는 보호판 (shroud)(도시 생략), 두 개의 인접한 블레이드 및 곡선 형상의 허브 표면에 의해 형성된 공간에 의해 형성된다. 유체는 상기 샤프트 주위의 입구를 통해 임펠러 공간에 들어가고 상기 임펠러 외주의 출구를 통해 흘러나간다. 상기 유체는 상기 샤프트에 대한 임펠러의 회전 운동에 의해 압축되고 운동 에너지를 얻어, 상기 터보기계에 의해 유체의 가압 수송(pressurized transport)을 가능하게 한다.

어떤 임펠러들은 보호판으로 덮여지지 않더라도 케이싱과 블레이드팁 사이의 틈새가 최소로 설정되어 그곳으로부터의 누출 유동이 방지된다. 따라서, 보호판으로 덮여지지 않은 임펠러내의 유동은 보호판을 구비한 임펠러의 유동과 실질적으로 동일하다. 그러므로, 앞으로 본 명세서에서 보호판을 구비한 임펠러에 대한 소정의 설명에서, "보호판측" 이라는 용어는 보호판으로 덮여지지 않는 임펠러의 경우는 "케이싱측" 또는 "블레이드팁측"으로 해석되어야 한다.

이러한 종래의 터보기계에서 해결되어야 할 중요한 문제들 중 하나는, 설계 유속에서의 터보기계의 성능을 개선시킬 뿐만 아니라 광범위한 작동 영역을 실현시키는 것이다. 예를 들어, 펌프가 설계 유속을 초과하는 유속으로 작동될 때, 유체 속도가 국부적으로 증가하게 되면 임펠러의 입구 영역에서의 국부적 압력 강하를 발생시킨다. 그리고 흡입 압력이 낮아질 때, 특히 유체 압력은, 소정 영역에서 상기 유체의 증기 압력보다도 낮아질 것이다. 그 결과로 유체가 증발되는 소위 "공동 현상(cavitation)" 이 발생하여, 기포의 반응 억제 효과(blockage effect)에 의해 펌프의 가압 효과가 열화됨은 잘 알려져 있다.

한편, 가스 압축을 위한 압축기가 설계 유속을 초과하는 유속으로 작동되면, 속도는 유로의 최소 단면의 영역에서의 음속보다 더 커져 소위 "초킹(choking)"이라 불려지는 현상을 발생시키고, 상기 가스 통로 차단에 의해 압축기의 압축 효과가 빠르게 손실된다는 것이 잘 알려져 있다.

공동 현상 및 초킹 현상에 의한 장치 성능의 저하에 대한 이러한 문제점은, 액체의 증발 영역 또는 가스의 초음속 영역의 확장에 의해서 발생하는 유효 유로 면적의 감소에 의해 상기 임펠러의 가압 작용이 방해를 받는다는 사실에 기인한다. 따라서, 터보기계의 흡입 성능을 개선시키기 위한 효과적인 해결책은, 임펠러의 입구 영역의 유로 면적을 확대시키는 것이다. 한가지 방법은 블레이드를 하나씩 건너서 그 전방부를 제거하는 것이다. 이러한 경우에는 원래의 블레이드 길이를 갖는 블레이드들은 소위 "풀 블레이드"라 불려지고 좀 더 짧은 블레이드 길이를 갖는 블레이드들은 소위 "스플리터 블레이드"라 불려진다. 스플리터 블레이드를 갖는 이러한 임펠러는, 유효한 블레이드 개수를 감소시킴으로써 임펠러의 입구 영역의 유로 면적을 증가시켜 흡입 성능을 향상시키는 동시에, 풀 블레이드들 사이에 놓인 스플리터 블레이드들에 의해 유로의 끝 부분에서 블레이드의 가압 효과가 유지되는 것을 목적으로 한다.

도 2는 스플리터 블레이드를 갖는 종래의 임펠러를 나타낸다. 상기 임펠러는 입구에 광범위한 유로를 확보할 수 있게 하기 위해 허브(2)상에 풀 블레이드(4)와 스플리터 블레이드(5)를 교대로 포함하여 이루어지고, 후반부에는 적절한 가압 효과를 얻도록 충분한 개수의 블레이드가 제공된다. 상술한 바와 같이, 제조의 편리함에 대한 관점에서, 허브 주위에서 등거리에 배치된 풀 블레이드를 하나씩 건너 그 전방부를 기계가공하여 절단함으로써, 상기 스플리터 블레이드를 구비한 임펠러가 만들어진다. 상기 스플리터 블레이드의 형상은 제거된 영역을 제외하면 풀 블레이드의 형상과 동일하고, 스플리터 블레이드는 상기 풀 블레이드들 사이의 중간피치(mid-pitch) 위치에 놓여진다.

그러나, 균일하게 이격되어 있는 풀 블레이드들을 하나씩 건너 그 전방부를 제거함으로써 만들어진 스플리터 블레이드를 구비한 이러한 임펠러에서는, 입구와 대향하는 풀 블레이드(4)의 흡입 표면(4s)에서의 유체 속도는 증가되는 반면, 대향하는 풀 블레이드(4)의 압력 표면(4p)에서의 유체 속도는 감소된다. 이러한 상태하에서는 풀 블레이드의 전방 절반(leading half)이 제거된 유로의 전방부에서, 유체가 상기 블레이드 표면을 따르는 방향으로 적절히 흐를 수 없다. 그 결과, 스플리터 블레이드에서 유동 분리(flow separation)의 문제를 발생시키는, 스플리터 블레이드의 입구에서의 유체 유동각과 블레이드각의 차이로 인해 유동장 불일치(flow field mismatch)가 발생한다.

도 3a는 400(m³/min, m, rpm)의 특정 속도를 가지는 도 2에 도시된 스플리터 블레이드를 갖는 임펠러의 메리디오날 기하(meridional geometry)를 나타내고, 도 3b는 도 3a의 단면 A-A 에 형성된 링형 유로상의 유동에 대하여 3차원 점성류 계산에 의해 산출된 메리디오날 속도의 등고선도이다. 도 4는 800 (m³/min, m, rpm)의 특정 속도를 가지는 임펠러에 대한 유사한 도면을 나타낸다. 이들 도면으로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 풀 블레이드의 흡입부상의 유체 속도는 허브로부터 보호판까지의 영역에 걸쳐 압력부상의 유체 속도보다 상당히 더 높아서, 임펠러를 통과하는 유체가 풀 블레이드의 흡입부상에서 더욱 집중된다.

상기 스플리터 블레이드가 이러한 유동 상태하의 풀 블레이들 사이의 중간피치 위치에 위치될 때에는, 유동 불균형 현상이 발생되어, 흡입 표면(4s)과 압력 표면(5p) 사이에 형성된 유로 내에 흐르는 유체는 압력 표면(4p)과 흡입 표면(5s)사이의 유체와 다르다. 이는 모든 스플리터 블레이드의 양측에서의 유출 속도와 유출각과 같은 유체 동적 파라미터에 불균형을 발생시킨다. 이러한 불균형이 임펠러의 하류에서 유동 혼합에 의한 손실 증가 및 임펠러로부터의 유출의 불균형 증가로 인한 하류 디퓨저 구획에서의 성능 저하와 같은 다수의 바람직하지 못한 효과를 발생시킨다는 것이 공지되어 있다.

임펠러의 성능을 향상시키기 위한 방법으로, 유동장의 이러한 불일치 및 유로의 불균일을 완화시키기 위해서, 상기 스플리터 블레이드의 전방 에지(LE)가 중간피치의 위치로부터 인접 풀 블레이드의 흡입부를 향하여 이동되어야 한다는 것이 일반적으로 고려된다. FR-A-2550585는 이점에 관하여 나타내는 예시이다. 예를 들어, 유속 불일치를 교정하는 일부 방법들은: 상기 유로의 너비를 상기 스플리터 블레이드 전방 에지의 양 측에 대해 동일한 크기로 함으로써 유체 입구에서의 불일치를 감소시키는 방법; 상기 스플리터 블레이드의 후방 에지(TE)를 풀 블레이드들 사이에 그것의 전방 에지와 동일한 거리 비율로 위치되도록 함으로써 유속 불균일에 대한 유해 효과를 감소시키는 방법; 및 유속을 최적화시키도록 스플리터 블레이드의 원주 위치를 변위시키는 방법을 포함한다.

그러나, 이러한 공지된 교정 기술은 스플리터 블레이드의 위치를 적절히 최적화시키기에는 충분하지 않다. 특히, 도 3 및 도 4에 나타난 바와 같이, 고속 영역의 피치방향 또는 원주방향으로의 팽창은 스팬방향으로 또는 허브로부터 보호판측으로 변하고, 유속에 대한 원주방향의 불균일 정도는 유로의 허브측과 보호판측 사이에서 급격히 변한다. 또한, 유속은 풀 블레이드의 흡입 표면의 보호판측에서 특히 높은데, 여기서는 스팬방향에서의 유속의 불균질성도 또한 발생된다. 따라서, 종래의 기술이 유속 분포의 3차원 특성에 대한 효과를 고려하지 않기 때문에 장치 성능에서의 유속의 불균질성에 대한 부작용은 완전히 제거되지는 않는다.

본 발명의 목적은 스플리터 블레이드의 부적절한 형상에 의해 발생되는 저하된 성능 문제를 해결하는 것이고 또한 적절한 스플리터 블레이드에 대한 명확한 설계를 제공하여, 터보기계의 성능에 영향을 미치지 않고도 광범위한 작동 영역을 갖는 스플리터 블레이드를 구비한 임펠러를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 터보기계용 임펠러는, 허브; 원주방향으로 상기 허브상에 등간격으로 배치된 복수의 풀 블레이드; 및 각각 인접한 두 개의 상기 풀 블레이드 사이에 배치된 복수의 스플리터 블레이드를 포함하여 이루어지고, 각각의 상기 스플리터 블레이드는, 도 5의 개략도에 의해 도시된 바와 같이, 상기 스플리터 블레이드의 전방 에지의 피치방향 위치의 스팬방향 분포가 상기 스플리터 블레이드내로 흐르는 유체의 유속의 스팬방향 및 피치방향으로의 불균일 분포에 따라 결정되는 방식으로 형성된다. 여기서, "스팬방향" 이라는 용어는 임펠러의 "두께" 방향, 즉 도 3a 또는 도 4a에 도시된 바와 같이 메리디오날 단면에서 허브 및 보호판(블레이드팁)상의 두 대응지점을 연결하는 일직선을 따르는 방향에 대해 사용된다. 또한, "피치방향" 이라는 용어는 도 5a 및 도 5b 에 도시된 바와 같이 두 개의 인접한 풀 블레이드 사이의 한 피치 범위 내의 원주방향에 대해 사용된다.

허브-대-보호판(hub-to-shroud) 공간내의 스플리터 블레이드의 전방 에지의 위치를 조절함으로써, 스플리터 블레이드를 구비한 본 발명의 임펠러는 유로에서의 유동장의 불일치 또는 불균일 유속을 막을 수 있어, 부분적인 유동 영역내에서의 임펠러에 실속 (stall)이 생기는 것을 막거나 지연시키게 된다. 따라서, 임펠러내의 허브-대-보호판 공간내의 유동장에서의 3차원 불균일에 의한 악영향을 완화시킬 수 있어 터보기계의 고효율 동작을 제공하게 된다.

상기 풀 블레이드와 상기 스플리터 블레이드 사이에 형성된 각각의 유로는, 상기 풀 블레이드와 상기 스플리터 블레이드의 흡입 표면의 후미 부분상의 유동 분리가 제거되도록 하는 방식으로 형성될 수 있다.

또한, 각각의 상기 스플리터 블레이드는, 블레이드팁에서의 상기 스플리터 블레이드의 전방 에지의 위치가 인접한 풀 블레이드의 중간피치 위치로부터 떨어져 변위되도록 하는 방식으로 형성될 수 있어, 각각의 상기 스플리터 블레이드의 전방 에지는 스팬방향을 따라 변하는 피치방향 위치의 소정 분포를 갖는다.

상기 스플리터 블레이드내로 흐르는 유체의 불균일 분포에 따라 원주방향 위치의 분포가 결정될 수 있다.

상기 전방 에지의 어떠한 위치라도 부등식 0.42 < P < 0.77 에 나타난 바와 같이 무차원 파라미터(P)의 범위내에서 위치하는 것이 바람직하고, 여기서 P는 상기 위치와, 인접한 풀 블레이드(도 6참조)사이에서 피치 거리로 정규화된 상기 스플리터 블레이드의 흡입부에 인접한 상기 풀 블레이드의 블레이드 캠버(camber)선상의 원주방향으로 대응하는 위치 사이의 피치방향 거리이다.

그리고, 도 7의 개략도에 도시된 바와 같이, 상기 스플리터 블레이드의 후방 에지는, 피치방향의 위치가 상기 스플리터 블레이드의 전방 에지의 위치를 초과하지 않는한 인접한 풀 블레이드의 중간피치로부터 원주방향으로 변위될 수 있다.

도 1a 내지 도 1c는 풀 블레이드를 구비한 종래의 임펠러의 사시도,

도 2a 내지 도 2c는 스플리터 블레이드를 구비한 종래의 임펠러의 사시도,

도 3a는 특정 속도 Ns = 400를 가지는 스플리터 블레이드를 구비한 종래의 임펠러의 메리디오날 구성이고,

도 3b는 도 3a의 A-A단면상의 임펠러의 메리디오날 속도 분포 패턴이고,

도 4a는 특정 속도 Ns =800 인 스플리터 블레이드를 구비한 종래의 임펠러의 메리디오날 구성이고,

도 4b는 도 4a의 A-A 단면상의 임펠러의 메리디오날 속도 분포 패턴이고,

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 스플리터 블레이드를 구비한 임펠러의 개략도이고,

도 6은 본 발명에서 사용된 좌표 시스템을 설명하는 도면이고,

도 7은 본 발명의 스플리터 블레이드를 구비한 압축기 임펠러의 또 다른 실시예의 도면이고,

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스플리터 블레이드를 구비한 임펠러의 메리디오날 구성이고,

도 9는 특정 속도 Ns = 300을 가지는 스플리터 블레이드를 구비한 임펠러의 사시도이고,

도 10a 및 도 10b는 각각 종래 임펠러와 도 9에 도시된 본 발명의 설계 유속에서의 유동장 해석의 비교 결과이고,

도 11a 및 도 11b는 각각 종래의 임펠러와 도 9에 도시된 본 발명의 설계 유속의 110 % 되는 유속에서의 유동장 해석의 비교 결과이고,

도 12a 및 도 12b는 각각 종래의 임펠러와 도 9에 도시된 본 발명의 설계 유속의 85% 되는 유속에서의 유동장 해석의 비교 결과이고,

도 13a 내지 도 13c는 특정 속도 Ns = 800을 가지는 스플리터 블레이드를 구비한 펌프 임펠러의 사시도이고,

도 14는 스플리터 블레이드의 전방 에지의 세 개의 다른 위치에 대한 도 13a 내지 도 13c에 도시된 펌프 임펠러의 압력 상승 특성 곡선을 나타내는 그래프이고,

도 15는 스플리터 블레이드의 전방 에지의 세 개의 다른 위치에 대한 도 13a 내지 도 13c에 도시된 펌프 임펠러의 임펠러 효율 곡선을 나타내는 그래프이고,

도 16a 내지 도 16c는 스플리터 블레이드의 전방 에지의 위치 변경에 대한 효과를 설명하는 개략도이고,

도 17a 내지 도 17c는 스플리터 블레이드의 고정 위치를 갖는 도 13a 내지 도 13c에 도시된 임펠러에서 발생하는 다양한 유동장이고,

도 18a 내지 도 18c는 스플리터 블레이드의 다른 위치를 포함하는 도 13a 내지 도 13c 에 도시된 임펠러에서 발생되는 다양한 유동장이고,

도 19a 내지 도 19c는 스플리터 블레이드의 다른 위치를 포함하는 도 13a 내지 도 13c에 도시된 임펠러에서 발생되는 다양한 유동장이고,

도 20은 스플리터 블레이드 후방 에지의 위치 변경에 대한 임펠러 효율의 변화를 나타내는 그래프이다.

터보기계에 대한 바람직한 실시예가 압축기 및 펌프와 관련된 임펠러에 의해 설명될 것이다. 상세한 설명에서, 특정 속도 Ns = NQ^0.5/H^0.75 로 정의되고, N은 임펠러의 회전 속도(rpm)이고, Q는 유속 (m³ /min)이고, H는 헤드(m)이다.

도 8 내지 도 12는 특정 속도 Ns = 300을 가지는 원심 압축기에 사용되는 임펠러의 실시예에 관한 것이다. 도 8의 메리디오날 구성에서 나타난 바와 같이, 메리디오날 단면에서 스플리터 블레이드의 전방 에지의 위치는 허브 표면상의 풀 블레이드 길이의 31% 되는 위치에 있고, 보호판 표면상의 풀 블레이드 길이의 40% 되는 위치에 있다. 도 9는 상기 실시예의 3차원 사시도이다. 허브 표면상에 있는 스플리터 블레이드의 전방 에지의 피치방향 위치는 Phub =0.43 (도 5a 참조)이고, 보호판측상에 있는 스플리터 블레이드의 전방 에지의 피치방향 위치는 Pshr = 0.55 이고 중간 스팬지점에서의 스플리터 블레이드의 위치는 Pm =0.49 이다. 후방 에지는 허브 및 보호판측 둘 모두에 대한 풀 블레이드의 중심 즉, P_hub,_TE = P_shr,_TE = 0.5 에 위치된다. 블레이드는 메리디오날 길이내 유로의 중간지점 정도에서 중간-스팬 위치로 정렬된다. 여기서, 스플리터 블레이드의 피치방향 위치는 무차원 원주방향 길이(P)(도 6 참조)로 표현되며, 이 길이는 인접한 풀 블레이드 사이의 피치 거리로 정규화된 스플리터 블레이드의 흡입부에 인접한 풀 블레이드의 원주방향 대응 위치와 상기 피치방향 위치 사이의 거리이다. 무차원 원주방향 길이(P)는 인접한 풀 블레이드의 흡입 표면을 향하여 증가하게 된다.

허브와 보호판 사이의 스팬방향을 따르는 전방 에지의 원주방향 위치의 변화는 바람직하게는 스플리터 블레이드 영역내로 흐르는 유체의 불균일 분포에 의해 결정된다. 예를 들어, 허브와 보호판 사이에서 유입의 불균일 분포가 선형인 경우에는 전방 에지의 위치가 허브와 보호판 사이에서 선형적으로 변화되어야 한다. 유입의 불균일이 보호판측 영역에 집중된다면, 허브와 중간-스팬 사이의 영역에서는 완만하게 변하고 그 후, 보호판을 향하여는 비교적 강하게 변하는 2차 이상의 곡선을 채택하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 실시예의 스플리터 블레이드의 전방 에지는, 보호판측 전방 에지가 인접한 풀 블레이드의 흡입 표면에 더 가깝게 위치되고 허브측 전방 에지는 풀 블레이드 사이의 중간피치지점에 대하여 다른 인접한 풀 블레이드의 압력 표면에 더 가깝게 위치되도록 하는 방식으로 형성된다. 이것은 임펠러내에 있는 스플리터 블레이드의 상류 부분에서 스팬방향을 따른 유동장의 불균일을 수정하기 위한 설계이다.

도 10a 및 10b는 중간피치 위치에 스플리터 블레이드를 갖는 종래의 설계 및 본 설계에 대한 3차원 점성류 계산에 의해 연산된, 설계 유속에서의 스플리터 블레이드의 흡입부 부근의 속도 벡터 분포를 비교하여 나타낸다. 도 10a에 도시된 종래의 임펠러는 스플리터 블레이드 전방 에지에서 보호판 표면 근처의 유동장에 불일치를 발생시켜, 보호판 표면을 따라 큰 유동 분리 영역을 초래한다. 이와 대조적으로, 본 임펠러는 유동 분리 영역의 발생을 완전히 억제할 수 있어서 우수한 유동 상태를 발생시킨다.

도 11a 및 도 11b는, 유속이 설계 유속의 110 % 가 될 때의 유동장에 대하여 앞과 유사한 비교 결과를 나타내는 것으로, 본 발명의 임펠러는 유동 분리를 발생시키지 않는 한편, 종래의 임펠러는 여전히 유동 분리를 발생시킨다는 것을 보여준다. 도 12a 및 도 12b는 유속이 설계 유속의 85%가 될 때의 또 다른 비교 결과이다. 종래의 임펠러에서는 유속이 감소됨에 따라 유체 입사각의 증가에 의해 큰 유동 분리가 발생하는 반면, 본 발명의 임펠러에서는 스플리터 블레이드 전방 에지에 가까운 매우 제한되어 있는 좁은 영역에서 유동 분리가 발생한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 실시예에서는, 설계 유속의 성능이 향상되고, 또한 터보기계의 작동 범위가 낮은 유속으로부터 높은 유속에 이르는 광범위한 범위에 걸쳐 확장된다는 것이 증명된다.

다음으로, 도 4a에 도시된 메리디오날 프로파일 및 특정 속도 Ns = 800을 갖는 펌프에 사용되는 임펠러의 특성을 설명할 것이다. 메리디오날 단면에서 스플리터 블레이드 전방 에지의 위치는 허브와 보호판 끝단에 대해 메리디오날 길이의 40% 에 있다. 도 13a 내지 도 13c 는 임펠러의 3차원 형상을 나타낸다. 스플리터 블레이드 전방 에지의 세 개의 다른 원주방향 변위 분포를 갖는 임펠러에 대한 성능 특성이 예측되었다.

도 14를 참조하면, Z08인 경우에는 Phub = 0.536, Pshr = 0.656; Z12인 경우에는 Phub=0.454, Pshr=0.588; 및 Z19인 경우에는 Phub=0.665, Pshr=0.594 이다. 따라서, Z08인 경우에 보호판측에서의 스플리터 블레이드 전방 에지의 위치는, Z12의 경우와 비교할 때 풀 블레이드의 흡입부를 향해 더욱 변위된다. Z19인 경우에는, 허브측 전방 에지가 보호판측과 비교할 때 인접한 풀 블레이드의 흡입 표면을 향해 더욱 변위된다.

도 14는 펌프의 유체 유속에 대해 임펠러의 압력 상승 계수의 변화를 나타내고, 도 15는 임펠러 효율의 변화를 나타낸다. 본 발명의 임펠러는, 설계 유속의 영역에서는 거의 동일한 고효율을 얻었지만, 설계 유속과 떨어진 유속 영역에서는 종래에 설계된 임펠러의 경우와 같이 효율이 떨어졌다. 도 17 내지 도 19는 부분적인 용량 범위에 있는 설계 유속의 60% 에 해당하는 유속에서의 예측된 유동장을 나타낸다.

도 14에 도시된 바와 같이, Z12의 경우에 압력 상승 계수의 증가는, 80% 미만의 유속에서 떨어지기 시작했고, 60% 미만의 유속에서의 헤드/유속 특성은 유동장의 불안정성이 발생할 가능성을 나타내는, 양(+)으로 기울어진 곡선을 나타냈다. Z08의 경우에는, 상기 스플리터 블레이드 전방 에지의 변위 정도를 증가시킴으로써, 압력 상승 계수가 80% 유속 아래로 압력 상승 계수가 Z12에서의 값보다 높게 유지된다. 도 16a에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 이것은 스플리터 블레이드를 풀 블레이드의 흡입 표면을 향하여 변위시킨 결과로 스플리터 블레이드의 유효 길이가 증가되어, 스플리터 블레이드의 단위 면적당 부하가 감소되기 때문이다. 도 17c 및 도 18c에 나타난 유동장을 비교함으로써 이해될 수 있는 바와 같이, 스플리터 블레이드의 흡입 표면의 유동 분리는 Z12와 비교할 때 Z08에서 더 적다.

그러나, 스플리터 블레이드 전방 에지가 Z08의 경우에서와 같이 풀 블레이드의 흡입 표면에 너무 가깝게 변위되는 경우에는, 풀 블레이드 흡입 표면의 후반부를 따르는 유로가 심하게 확대되고, 부분적인 용량 범위에서 풀 블레이드의 흡입 표면상에 큰 유동 분리가 발생된다. 그 결과, Z08의 경우에서는 임펠러의 실속으로 인해 압력 상승 계수와 임펠러 효율의 급격한 강하가 나타난다. 도 17a 내지 도 17c는 이러한 유동 상태에서의 임펠러 내부의 유동장을 나타내고, 풀 블레이드의 흡입 표면상에 큰 유동 분리와 역류가 발생된다는 것을 확인할 수 있다.

도 16c에 도시된 바와 같이, 인접한 풀 블레이드의 흡입 표면을 향한 스플리터 블레이드 전방 에지의 변위 정도가 과도할 때, 설계 유속에서 조차도 큰 유동 분리가 풀 블레이드의 흡입 표면의 후반부에서 발생될 것이고, 이는 고효율을 저해하게 된다. 이러한 관점으로부터, 인접한 풀 블레이드의 흡입 표면을 향하는 스플리터 블레이드 전방 에지의 최대 원주방향 변위를 재검토하여, 임계 한계가 허브측과 보호판측 에지상에서 P = 0.77 로 유지된다는 것을 알 수 있었다.

유입 상태에 따라, 인접한 풀 블레이드의 압력 표면을 향하여 스플리터 블레이드 전방 에지를 변위시키는 것이 적절할 수 있다. 그러나, 변위 정도가 과도할 때에는, 도 16b에 도시된 바와 같이, 스플리터 블레이드 흡입 표면을 따라 유로가 심하게 확대되고 설계 유속에서 조차도 스플리터 블레이드의 흡입 표면상에 큰 유동 분리가 발생될 것이므로, 이 역시 고효율을 저해시킨다. 이러한 관점으로부터, 스플리터 블레이드 전방 에지의 최소 원주방향 변위를 검토하여, 임계 한계가 허브측과 보호판측 에지상에서 P=0.42로 유지된다는 것을 알 수 있었다.

상술한 바와 같이, Z12의 경우에 실속 현상이 풀 블레이드에서 발생되지 않더라도, 도 18c의 스플리터 블레이드의 흡입 표면의 보호판측상에 유동 분리가 나타나고, 80% 미만의 유속에서 압력의 손실이 발생된다. 본 발명에서, 이러한 성능 특성은, 스플리터 블레이드의 3차원 형상을 최적화시킴으로써 여러가지 작동 조건(부분 용량 범위를 포함)이 더욱 개선될 수 있다.

Z19의 경우에는, 보호판측의 스플리터 블레이드의 변위 정도가 Z12의 경우와 동일하게 유지되지만, Z12와 비교할 때 허브측 스플리터 블레이드 전방 에지가 풀 블레이드의 흡입 표면을 향하여 더욱 변위된다. 스플리터 블레이드의 이러한 3차원 구성을 채택함으로써, 허브측 스플리터 블레이드의 유효 길이가 증가되어 유동 분리를 피할 수 있도록 스플리터 블레이드의 단위 면적당 부하를 감소시킨다. 허브측 풀 블레이드 흡입 표면의 후반부를 따라 도 16c 에 도시된 경우와 유사하게 유로가 대단히 확대되더라도, 상기 변위가 도 16c 에 대하여 설명된 임계 한계를 초과하지 않는 한 유동 분리를 발생시킬 가능성은 거의 없다. 도 19는 이런 상태하에서의 임펠러의 유동장을 나타내는 것으로, 스플리터 블레이드의 보호판측상에서의 유동 분리가 상당히 감소된다는 것을 알 수 있고, 도 14에 도시된 바와 같이, 유속이 60% 정도로 낮아질 때 고성능이 달성된다.

스플리터 또는 풀 블레이드상에 큰 유동 분리가 발생할 때에는 유출이 지나치게 불균일하게 되고, 유출 혼합에 의한 손실이 임펠러 효율을 저하시킬 뿐 아니라, 하류의 디퓨저 구간내로 흐르는 유체의 유동장에서의 상태가 열화됨에 따라 터보기계의 전체 성능에 상당한 저하가 발생된다. 도 14에 도시된 바와 같이, 설계 유속에서의 유동 불일치와 불균일 유동장이 작은 경우에도, 설계 유속을 벗어난 영역에서는 악영향이 증대될 가능성이 있다. 따라서, 임펠러내부의 유동장을 최적화시키기 위해서는, 본 발명을 이용하여 요구되는 특성에 따라 스플리터 블레이드의 형상을 세부적으로 구성하는 것이 중요하다.

상술된 모든 실시예에서, 임펠러의 출구 부분에서 스플리터 블레이드의 후방 에지의 피치방향 위치가 인접한 풀 블레이드의 중앙에 있도록 선택되고, 블레이드의 변위는 스팬방향을 따라 도입되지 않는다. 그러나, 도 16c를 참조로 이미 설명된 바와 같이, 풀 블레이드 흡입 표면의 후반부를 따라 Z08의 경우를 참조하여 보인 바와 같이 유로의 심한 확대가 형성되기 때문에, 스플리터 블레이드 전방 에지 변위를 대단히 크게 갖는 것은 바람직하지 않다. 다음의 실시예에서는, 스플리터 블레이드의 후방 에지를 동일한 스플리터 블레이드의 전방 에지에 대응하여 피치방향으로 이동시킴으로써 상기 문제가 해결된다.

도 20은 3차원 점성류 계산에 의해 얻어진 특정 속도 Ns=800을 갖는 펌프에 대한 임펠러 효율과 스플리터 블레이드 후방 에지의 피치방향 위치 사이의 관계를 나타낸다. 스플리터 블레이드의 전방 에지는 블레이드 스팬의 중심에서 Pm = 0.57 에 있다.

도 20의 결과로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 스플리터 블레이드 후방 에지 위치는 Pm=0.5보다 더 낮아지고 또한 풀 블레이드 흡입 표면의 후반부를 따른 유로의 확대 정도가 커지기 때문에, 풀 블레이드 흡입 표면에서의 유동 분리에 의해 임펠러 효율이 빠르게 감소된다. 또한, 스플리터 블레이드 후방 에지 위치가 대응하는 전방 에지 위치보다 풀 블레이드 흡입 표면에 더욱 가깝기 때문에, 스플리터 블레이드 흡입 표면을 따른 유로의 확대 정도가 증가하고, 스플리터 블레이드 흡입 표면상에 유동 분리가 나타난다. 따라서, 동일한 스팬방향 위치에서 스플리터 블레이드 전방 에지의 대응하는 피치방향 위치를 초과하지 않는 범위내에서, 인접한 풀 블레이드들 사이의 중간피치지점으로부터 스플리터 블레이드 후방 에지를 변위시킴으로써 임펠러 효율이 증가된다는 것을 이해할 수 있다.

Claims (10)

1. 터보기계용 임펠러에 있어서,

   허브(2);

   원주방향으로 상기 허브상에 등거리로 배치된 복수의 풀 블레이드(4); 및

   각각의 인접한 두 개의 상기 풀 블레이드 사이에 배치된 복수의 스플리터 블레이드(5)를 포함하여 이루어지고,

   각각의 상기 스플리터 블레이드(5)는, 상기 스플리터 블레이드(5)의 전방 에지의 무차원 원주방향 위치가 스팬 방향으로 변화되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 터보기계용 임펠러.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 풀 블레이드(4)와 상기 스플리터 블레이드(5) 사이에 형성된 각각의 유로는, 상기 풀 블레이드(4)와 상기 스플리터 블레이드(5)의 흡입 표면(4s ,5s)의 후미 부분상의 유동 분리가 제거되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 터보기계용 임펠러.
3. 제 1항에 있어서,

   각각의 상기 스플리터 블레이드(5)는, 블레이드팁에서의 상기 스플리터 블레이드(5)의 전방 에지 위치가 인접한 풀 블레이드(4)의 중간피치 위치로부터 떨어져 변위되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 터보기계용 임펠러.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 무차원 원주방향 위치는 상기 허브(2)의 표면으로부터의 거리에 대하여 선형으로 변하는 것을 특징으로 하는 터보기계용 임펠러.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 무차원 원주방향 위치는 상기 허브(2)의 표면으로부터의 거리에 대하여 2차 이상의 곡선을 따라 변하는 것을 특징으로 하는 터보기계용 임펠러.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 전방 에지의 임의의 위치가, 부등식 0.42 < P < 0.77 로 표현되는 파라미터(P)의 범위내에 위치되고,

   여기서 P는 상기 위치와, 인접한 풀 블레이드들(4) 사이의 피치 거리로 정규화되는 상기 스플리터 블레이드(5)의 흡입부에 인접한 상기 풀 블레이드(4)의 블레이드 캠버 선상의 원주방향 대응 위치와의 사이의 피치 방향 거리인 것을 특징으로 하는 터보기계용 임펠러.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 전방 에지의 블레이드팁측 위치는, 다른 인접 풀 블레이드(4)의 압력 표면(4p)보다는 인접 풀 블레이드(4)의 흡입 표면(4s)에 더 가깝게 위치되는 것을 특징으로 하는 터보기계용 임펠러.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 전방 에지의 허브측 위치는, 상기 전방 에지의 블레이드팁측 위치보다는 인접 풀 블레이드(4)의 대향 흡입 표면(4s)에 더 가깝게 위치되는 것을 특징으로 하는 터보기계용 임펠러.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 스플리터 블레이드(5)의 후방 에지는, 인접 풀 블레이드(4)의 중간피치 위치로부터 원주방향으로 변위되는 것을 특징으로 하는 터보기계용 임펠러.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 스플리터 블레이드의 후방 에지는, 동일한 스팬방향 위치에서 인접 풀 블레이드(4)의 중간피치 위치와 상기 스플리터 블레이드 전방 에지의 대응하는 무차원 피치방향 위치와의 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 터보기계용 임펠러.

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