KR100713252B1 - Rotor blade for axial-flow turbine - Google Patents
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Abstract
본 발명은 로터 블레이드 전연(Leading Edge)에서 발생하는 경사 충격파와 유로 내의 유동박리(Separation)의 영향을 줄이기 위하여 블레이드 전연의 모양을 설계변경하여 터빈의 효율과 추력 향상을 도모할 수 있는 축류 터빈용 로터 블레이드를 제공하는 것을 그 목적으로 한다. The present invention is designed for the axial flow turbine that can improve the efficiency and thrust of the turbine by designing the shape of the blade leading edge in order to reduce the influence of the gradient shock wave generated in the rotor blade leading edge and the flow separation in the flow path It is an object to provide a rotor blade.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 축류 터빈용 로터 블레이드는, 전연(leading edge)과 후연(trailing edge) 사이에 정압을 발생시키는 내측둘레면; 및 상기 전연과 후연 사이에 부압을 발생시키는 외측둘레면을 포함하고, 상기 전연에서의 상기 내측둘레면과 상기 외측둘레면은 서로 평면으로 연결되도록 챔퍼링(chamfering)되며, 상기 챔퍼링된 평면의 연장면과 외측둘레면 사이의 각도는 상기 외측둘레면과 전연을 포함하는 수직면 사이의 각도보다 작은 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the rotor blade for an axial turbine according to the present invention, the inner peripheral surface for generating a static pressure between the leading edge (trailing edge); And an outer circumferential surface generating a negative pressure between the leading and trailing edges, wherein the inner circumferential surface and the outer circumferential surface at the leading edge are chamfered to be connected to each other in a plane, and the chamfered plane The angle between the extended surface and the outer circumferential surface is smaller than the angle between the outer circumferential surface and the vertical surface including the leading edge.
터빈, 로터 블레이드, 전연, 챔퍼링, 절단각도 Turbine, Rotor Blade, Leading Edge, Chamfering, Cutting Angle
Description
도 1a는 추진제 공급시스템을 나타내며, 도 1b는 도 1a의 추진제 공급시스템중 초음속 터빈의 로터를 나타내는 도면.1A shows a propellant supply system, and FIG. 1B shows a rotor of a supersonic turbine of the propellant supply system of FIG. 1A.
도 2는 축류 터빈의 단면 형상을 나타낸 도면.2 shows a cross-sectional shape of an axial turbine;
도 3a 및 도 3b는 기존 초음속 터빈의 로터 블레이드 형상에 대한 도면.Figures 3a and 3b is a view of the rotor blade shape of the existing supersonic turbine.
도 4는 기존 초음속 터빈의 로터 블레이드에 있어서 전연(leading edge)에서 내측둘레면과 외측둘레면 사이의 각도가 챔퍼링된 내측둘레면과 전연을 포함하는 수직면 사이의 각도와 일치하도록 형성된 블레이드의 수치해석 결과를 등마하선도로 나타낸 그래프.Figure 4 is a numerical value of the blade formed so that the angle between the inner peripheral surface and the outer peripheral surface at the leading edge in the rotor blade of the conventional supersonic turbine coincides with the angle between the chamfered inner peripheral surface and the vertical plane including the leading edge. Graph showing the analysis results in isometric lines.
도 5는 각각 종래기술(좌측도)과 본 발명(우측도)에 의한 로터 블레이드의 챔퍼링(chamfering) 절단각도를 나타내기 위하여 도시한 부분확대도.Fig. 5 is a partially enlarged view showing the chamfering cutting angle of the rotor blades according to the prior art (left view) and the present invention (right view), respectively.
도 6a 내지 도 6d는 로터 블레이드 챔퍼링 절단각도에 따른 수치해석 결과를 등마하선도로 나타낸 그래프.6a to 6d are graphs showing the numerical results of the rotor blade chamfering angle according to the cutting angle.
도 7은 본 발명에 의한 로터 블레이드 챔퍼링 절단각도 변화에 따른 추력 분포에 대한 그래프.Figure 7 is a graph of the thrust distribution according to the rotor blade chamfering cutting angle change according to the present invention.
도 8은 본 발명에 의한 로터 블레이드 챔퍼링 절단각도 변화에 따른 전압력 손실계수 분포에 대한 그래프.8 is a graph showing the distribution of the total pressure loss coefficient according to the change of the cutting angle of the rotor blade chamfering according to the present invention.
도 9는 본 발명에 의한 터빈의 유동가시화 실험에 대한 개략도.Figure 9 is a schematic diagram for the flow visualization experiment of the turbine according to the present invention.
도 10a 및 도 10b는 각각 로터 블레이드의 전연 챔퍼링 절단각도의 변화에 따른 가시화 영상.10A and 10B are visualized images according to changes in cutting edge chamfering angles of rotor blades, respectively.
<도면의 주요부호에 대한 간단한 설명><Brief description of the major symbols in the drawings>
1 : 외측둘레면(extrados) 2 : 내측둘레면(intrados)1: outer circumferential surface (extrados) 2: inner circumferential surface (intrados)
3 : 챔퍼링된 평면 3: chamfered plane
본 발명은 축류 터빈용 로터 블레이드에 관한 것으로, 구체적으로 터빈 효율과 추력 향상을 위한 초음속 충동형 축류터빈용 로터 블레이드에 관한 것이다.The present invention relates to a rotor blade for an axial turbine, and more particularly to a rotor blade for a supersonic impulse axial turbine for improving turbine efficiency and thrust.
일반적으로 우주발사체용 액체추진로켓에서는 추진제를 연소실로 공급하는 추진제 공급시스템이 필수적인 구성요소가 된다. 이러한 추진제 공급시스템은 보통 고압 터보펌프 방식을 적용하고 있으며, 터보펌프는 유도 무기의 핵심 부품이기도 하다. 그러므로 우주 및 방위산업의 발전을 위해서는 터보펌프의 개발이 선행되어야 한다.In general, in a liquid propulsion rocket for a space launch vehicle, a propellant supply system for supplying a propellant to a combustion chamber becomes an essential component. These propellant supply systems usually employ high pressure turbopumps, which are also a key component of guided weapons. Therefore, development of turbopump needs to be preceded for the development of space and defense industry.
이 터보펌프 시스템에서 펌프를 구동하는 터빈으로는 대부분 부분 흡입형, 충동형 축류터빈이 사용된다. 충동형 축류 터빈은 크기가 작고 가벼울 뿐만 아니라 큰 출력을 얻을 수 있기 때문에 무게가 중요시되는 경우에 널리 사용되고 있다. 이렇게 작은 크기에서 큰 출력을 내기 위해서 충동형 축류 터빈은 기존의 일반 발전용이나 산업용 가스터빈에 사용되는 축류 터빈과는 달리 초음속 유동조건에서 작동되고, 부분 흡입형 방식을 채택하고 있다. 따라서 그 유동 특성은 축 방향, 반경 방향, 회전 방향 모두에서 심한 역 압력 구배와 큰 2차 유동이 유도되며, 역 압력 구배에 인해 유동 박리가 발생하며, 패시지 소용돌이(passage vortex), 홀스슈 소용돌이(horseshoe vortex), 코너 소용돌이(corner vortex) 등 깃 통로 전방이나 내부에서 발생한 각종 소용돌이(vortex)는 익렬 후반부의 반류(wake)와 혼합하여 복잡한 3차원, 점성, 난류 유동을 형성하는 등 기존 터빈의 유동특성과 판이하게 다르다. 일반 축류터빈에 대해서는 실험적으로나 수치적인 방법으로 그 동안 많은 연구가 수행되어 그 성능 특성은 많이 알려져 터빈의 성능 예측이나 설계에 널리 사용되고 있는 것에 반해, 초음속 충동형 터빈은 이러한 아주 복잡한 유동 특성 때문에 그 유동 및 성능 특성에 대한 예측이 매우 힘든 상황이다. In this turbopump system, most of the turbines driving the pumps are partially suction type and impulse type axial turbines. Impulse axial turbines are widely used when weight is important because they are small in size, light in weight, and have a large output. To produce high output at such a small size, the impulse axial turbine operates in supersonic flow conditions and adopts a partial suction type, unlike conventional axial turbines used for general power generation or industrial gas turbines. Therefore, its flow characteristics lead to severe back pressure gradients and large secondary flows in both axial, radial and rotational directions, and flow separation due to back pressure gradients, resulting in passage vortex, horseshoe vortex Various vortices, such as horseshoe vortex and corner vortex, that occur in front of or inside the collar passage, mix with wakes in the latter half of the blade row to form complex three-dimensional, viscous, turbulent flows. It is very different from the characteristics. In general, axial turbines have been widely studied experimentally and numerically, and their performance characteristics are well known, and they are widely used in the prediction and design of turbines. And prediction of performance characteristics is very difficult.
도 1a는 추진제 공급시스템을 나타내며, 도 1b는 도 1a의 추진제 공급시스템중 초음속 터빈의 로터을 나타낸다. 특히 초음속 터빈의 효율은 로터 블레이드 전연에서 발생하는 경사충격파나 유로에 발생하는 유동박리(Separation) 등에 의해 크게 영향을 받는다. FIG. 1A shows the propellant supply system, and FIG. 1B shows the rotor of the supersonic turbine of the propellant supply system of FIG. 1A. In particular, the efficiency of the supersonic turbine is greatly influenced by the gradient shock wave generated at the leading edge of the rotor blades and the separation of flow generated in the flow path.
도 2는 축류 터빈의 단면 형상을 나타낸다. 이러한 축류 터빈은 도 2에 나타난 바와 같이 노즐 혹은 스테이터라 불리는 정지한 익렬 또는 도 1과 같은 원뿔형 노즐 뒤에 로터가 뒤따르는 형태로 한 단이 구성된다. 한편 고온고압의 가스는 노즐을 통과하면서 팽창하여 가속된다. 이때 원주방향의 속도가 크게 증가하여 로 터를 치면 로터가 회전하면서 동력이 발생하게 된다.2 shows a cross-sectional shape of an axial turbine. This axial turbine consists of a stage followed by a rotor followed by a stationary blade row called a nozzle or stator as shown in FIG. 2 or a conical nozzle as shown in FIG. 1. On the other hand, the gas at high temperature and high pressure expands and accelerates while passing through the nozzle. At this time, the speed of the circumferential direction is greatly increased, and the rotor rotates to generate power.
축방향 속도가 일정한 조건으로 로터에서의 비출력(specific power output)이라 불리는 단위 질유량당 얻을 수 있는 단당 터빈 출력은 다음 수학식 1과 같다.The turbine output per unit, which can be obtained per unit mass flow rate, which is called the specific power output in the rotor under constant axial speed, is given by
: 비출력 (specific power output) Specific power output
U : 로터의 회전속도 U : Rotational Speed of Rotor
W w1 : 로터 회전방향의 로터 입구에서의 상대속도 W w1 : Relative speed at rotor inlet in rotor rotation direction
W w2 : 로터 회전방향의 로터 출구에서의 상대속도 W w2 : Relative speed at rotor exit in rotor rotation direction
C a : 로터에서의 축방향 속도 C a : Axial speed at the rotor
tan β 1 : 로터 입구에서의 상대 유동각tan β 1 : relative flow angle at rotor inlet
tan β 2 : 로터 출구에서의 상대 출구각tan β 2 : relative outlet angle at rotor exit
상기 수학식 1에서 보면 깃 회전속도, 축방향 유동속도 및 로터 각도 변화를 크게 하면 큰 비출력을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. In
그러나 회전속도의 증가는 원심력에 의한 인장응력의 증가를 초래하므로 구조적인 면에서 한계가 있다. 특히 터빈은 고온에서 작동하므로 온도에 따른 재료 의 성질을 정확하게 파악하여 회전수를 결정하여야만 한다. 또한 종종 이 회전수는 터빈과 같이 회전하고 있는 압축기의 성능특성과 맞물려 제한이 되기도 한다.However, the increase in the rotational speed causes an increase in the tensile stress due to the centrifugal force, so there is a limit in terms of structure. In particular, since turbines operate at high temperatures, the rotational speed must be determined by accurately understanding the properties of the material with temperature. Often this speed is also limited by the performance characteristics of a rotating compressor, such as a turbine.
그리고 회전속도의 증가는 유동속도의 증가를 야기하고 축방향 속도 증가 또한 유동속도의 증가를 의미한다. 유동속도가 증가하여 초음속 유동이 될 경우에는 충격파가 발생하여 유동 손실이 크게 발생한다. In addition, increasing the rotational speed causes an increase in the flow velocity, and an increase in the axial velocity also means an increase in the flow velocity. In case of supersonic flow due to increased flow velocity, shock wave is generated and flow loss is largely generated.
그러므로 우수한 성능을 유지하기 위해서는 로터의 회전속도와 유체의 축방향 속도가 깃 유로 내에서 초음속 유동이 발생하지 않거나 초음속 영역이 국부적으로 발생하더라도 충격파에 의한 손실이 크지 않은 범위로 제한되어야 한다. Therefore, in order to maintain excellent performance, the rotational speed of the rotor and the axial speed of the fluid should be limited to a range in which the loss due to the shock wave is not large even if no supersonic flow occurs or a localized supersonic region occurs in the feather channel.
현재 일반적으로 주로 사용하는 초음속 터빈의 로터 블레이드에 있어서, 전연(Leading Edge: LE)와 후연(Trailing Edge: TE)의 형태가 원호 모양의 곡선 처리(또는 0°)로 처리되어 있다. 여기서, 도 3a 및 도 3b는 기존 초음속 터빈의 로터 블레이드 형상에 대한 도면으로서, 도 3a는 전연와 후연의 형태를 원호 모양의 곡선으로 처리한 경우를 나타내며, 도 3b는 전연와 후연의 형태를 코드 방향으로 90° 절단 처리한 경우를 나타낸다. 즉, 도 3b에 도시된 축류 터빈용 로터 블레이드는, 전연과 후연 사이에 정압을 발생시키는 내측둘레면과, 상기 전연과 후연 사이에 부압을 발생시키는 외측둘레면을 포함하고, 상기 전연에서의 상기 내측둘레면과 상기 외측둘레면은 서로 평면으로 연결되며, 상기 내측둘레면과 외측둘레면 사이의 각도는 상기 챔퍼링된 내측둘레면과 전연을 포함하는 수직면 사이의 각도와 일치하도록 형성되어 있다. In the rotor blades of supersonic turbines currently commonly used, the shape of leading edge (LE) and trailing edge (TE) is treated by arc-shaped curve processing (or 0 °). 3A and 3B are views of the rotor blade shape of a conventional supersonic turbine, and FIG. 3A shows a case in which the shapes of the leading edge and the trailing edge are treated with arc-shaped curves, and FIG. 3B shows the shapes of the leading edge and the trailing edge in the cord direction. The case of 90 degree cutting process is shown. That is, the rotor blade for an axial turbine shown in FIG. 3B includes an inner circumferential surface for generating a positive pressure between the leading edge and the trailing edge, and an outer circumferential surface for generating a negative pressure between the leading edge and the trailing edge, The inner circumferential surface and the outer circumferential surface are connected to each other in a plane, and the angle between the inner circumferential surface and the outer circumferential surface is formed to coincide with the angle between the chamfered inner circumferential surface and the vertical surface including the leading edge.
이러한 초음속 터빈의 로터 전연에서는 노즐 출구에서 가속화된 초음속 유동 의 영향으로 도 4에 도시된 바와 같이 전연에서 경사 충격파나 궁형 충격파가 발생하며, 또한 블레이드 코드 길이의 약 40% 지점에서 유동박리(Separation) 현상이 발생한다. 한편, 도 4는 상기 내측둘레면과 외측둘레면 사이의 각도가 상기 챔퍼링된 내측둘레면과 전연을 포함하는 수직면 사이의 각도와 일치하도록 형성된, 즉 코드 방향 90° 절단 처리된 블레이드의 등마하선도에 관한 그래프로서, 이러한 충격파나 유동박리는 터빈의 효율과 비출력(specific power output)에 크게 영향을 미친다. In the rotor leading edge of such a supersonic turbine, oblique shock waves or arcuate shock waves are generated at the leading edge as shown in FIG. 4 due to the influence of the accelerated supersonic flow at the nozzle outlet, and the separation at about 40% of the blade cord length is also separated. Phenomenon occurs. On the other hand, Figure 4 is formed so that the angle between the inner circumferential surface and the outer circumferential surface coincides with the angle between the chamfered inner circumferential surface and the vertical plane including the leading edge, i.e., the back of the blade cut in the cord direction 90 °. As a graph on the diagram, these shock waves or flow separations greatly influence the efficiency and specific power output of the turbine.
한편, 터빈 블레이드 형상에 관한 종래기술로서, 일본 특개소 57-113906, 특개평 7-332007, 특개평 9-125904 및 특개 2002-138801과 미국특허공보 US 6,666,654 등에 개시된 발명을 들 수 있다. On the other hand, as a prior art regarding a turbine blade shape, the invention disclosed in Unexamined-Japanese-Patent No. 57-113906, Unexamined-Japanese-Patent No. 7-125904, Unexamined-Japanese-Patent No. 2002-138801, US Patent Publication US 6,666,654, etc. are mentioned.
본 발명은 로터 블레이드 전연(LE)에서 발생하는 경사 충격파와 유로 내의 유동박리(Separation)의 영향을 줄이기 위하여 상술한 종래기술과는 달리 블레이드 전연의 모양을 설계변경하여 터빈의 효율과 추력 향상을 도모할 수 있는 축류 터빈용 로터 블레이드를 제공하는 것을 그 목적으로 한다. The present invention is designed to change the shape of the blade leading edge in order to reduce the influence of the gradient shock wave generated in the rotor blade leading edge (LE) and flow separation in the flow path to improve the efficiency and thrust of the turbine. It is an object of the present invention to provide a rotor blade for an axial turbine.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 축류 터빈용 로터 블레이드는, 전연(leading edge)과 후연(trailing edge) 사이에 정압(positive pressure)을 발생시키는 내측둘레면(intrados); 및 상기 전연과 후연 사이에 부압(negative pressure)을 발생시키는 외측둘레면(extrados)을 포함하고, 상기 전연에서의 상기 내측둘레면과 상기 외측둘레면은 서로 평면으로 연결되도록 챔퍼링(chamfering)되며, 상기 챔퍼링된 평면의 연장면과 외측둘레면 사이의 각도는 상기 외측둘레면과 전연을 포함하는 수직면 사이의 각도보다 작은 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the rotor blade for an axial turbine according to the present invention, the inner circumferential surface (intrados) for generating a positive pressure between the leading edge (trailing edge); And an outer circumferential surface generating a negative pressure between the leading edge and the trailing edge, wherein the inner circumferential surface and the outer circumferential surface at the leading edge are chamfered to be connected to each other in a plane. And an angle between the extension surface of the chamfered plane and the outer peripheral surface is smaller than the angle between the outer peripheral surface and the vertical surface including the leading edge.
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아울러, 상기 챔퍼링된 평면의 연장면과 외측둘레면 사이의 각도와 상기 외측둘레면과 전연을 포함하는 수직면 사이의 각도와의 차이는, 실질적으로 1° 내지 4°인 것이 더욱 바람직하다. Further, the difference between the angle between the extended surface and the outer peripheral surface of the chamfered plane and the angle between the outer peripheral surface and the vertical surface including the leading edge is more preferably 1 ° to 4 °.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 관련 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에서는 로터 블레이드 전연(Leading Edge)에서 발생하는 경사 충격파와 유로 내의 유동박리(Separation)의 영향을 줄이기 위해 블레이드 전연의 모양이 점점 날카로워질 수 있도록 도 5와 같이 블레이드 전연의 형상을 챔퍼링 절단각도의 변화를 주어 터빈의 효율과 추력 향상을 도모하였다. In the present invention, in order to reduce the influence of the gradient shock wave generated in the rotor blade leading edge and the separation in the flow path (chamfer), the shape of the blade leading edge chamfering the shape of the blade leading edge as shown in FIG. By changing the cutting angle, the efficiency and thrust of the turbine were improved.
여기서 도 5에 있어서 좌측도는 종래기술, 우측도는 본 발명에 의한 로터 블 레이드의 챔퍼링 절단각도를 나타내기 위하여 도시한 부분확대도로서, 축류 터빈용 로터 블레이드는, 전연과 후연 사이에 정압을 발생시키는 내측둘레면(2)과 상기 전연과 후연 사이에 부압을 발생시키는 외측둘레면(1)을 포함한다.5 is a partially enlarged view showing a chamfering cutting angle of the rotor blade according to the prior art and a right side of the present invention, wherein the rotor blade for the axial turbine has a positive pressure between the leading and trailing edges. An inner circumferential surface (2) for generating a and an outer circumferential surface (1) for generating a negative pressure between the leading and trailing edge.
여기서, 상기 전연에서의 상기 내측둘레면(2)과 상기 외측둘레면(1)은 서로 평면(3)으로 연결되도록 챔퍼링(chamfering)되며, 상기 챔퍼링된 평면(3)의 연장면과 외측둘레면(1) 사이의 각도(γ)는 상기 외측둘레면(1)과 전연을 포함하는 가상의 수직면(도 5에서의 수직점선) 사이의 각도(γvertical)보다 작게 되도록 형성된 것을 알 수 있다. 즉, 챔퍼링 가공을 통한 모따기에 의하여 본 발명에 의한 로터 블레이드의 전연이 날까롭게 첨예한 형상을 갖게 된다. Here, the inner
또한, 상기 챔퍼링된 절단각도(모따기 각도), 즉, 상기 챔퍼링된 평면(3)의 연장면과 외측둘레면(1) 사이의 각도(γ)와 상기 외측둘레면(1)과 전연을 포함하는 가상의 수직면 사이의 각도(γvertical)와의 차이(γvertical-γ)는, 실질적으로 1° 내지 12°인 것이 바람직하다. 후술하겠지만, 챔퍼링되는 절단각도(γvertical-γ)가 증가할수록 블레이드 전연에서 발생하는 경사충격파의 강도가 약해져서 유동 방향으로 뒤로 밀리게 되어 초음속 터빈의 추력을 증가시키는 중요한 요인으로 작용하게 된다. 그러나, 가공 및 기구적인 측면에서 실질적으로 12°보다 큰 각도로 챔퍼링하는 것은 로터 블레이드의 제작상 한계에 다다르기 때문에, 상기 챔퍼링된 절단각도는 12°이하인 것이 바람직하다.Further, the chamfered cutting angle (chamfering angle), that is, the angle γ between the extended surface and the outer
나아가, 상기 챔퍼링되는 절단각도(모따기 각도; γvertical-γ), 즉, 상기 챔퍼링된 평면(3)의 연장면과 외측둘레면(1) 사이의 각도(γ)와 상기 외측둘레면(1)과 전연을 포함하는 수직면 사이의 각도(γvertical)와의 차이(γvertical-γ)는, 실질적으로 1° 내지 4°인 것이 더욱 바람직하다. 이는, 초음속 터빈의 로터 블레이드에 대한 챔퍼링된 절단각도가 상기 범위 내에서 가장 큰 추력 증가폭을 나타내게 되고, 그 이상의 범위에서는 충격파의 강도가 더 이상 약해지지 않기 때문이다. Further, the chamfered cutting angle (chamfering angle; γ vertical -γ ), that is, the angle γ between the extension surface of the chamfered
한편, 본 발명에 의한 로터 블레이드의 전연에서 발생하는 충격파와 유동박리 현상을 알아보기 위하여 터보기계 전문 해석 프로그램인 Numeca 사의 FineTM/Turbo를 이용한 수치해석과 초음속 풍동 실험 장치를 이용하였다. On the other hand, in order to investigate the shock wave and the fluid peeling phenomenon occurring in the leading edge of the rotor blade according to the present invention was used a numerical analysis and supersonic wind tunnel experiment using Fine TM / Turbo of Numeca, an expert program for turbomachinery analysis.
로터Rotor 블레이드 blade 챔퍼링Chamfering 절단각도에 대한 수치해석 Numerical Analysis of Cutting Angle
먼저, FineTM/Turbo를 이용한 수치해석은 로터 블레이드 챔퍼링 절단각도를 0°부터 12°까지 변화를 주어 실시하였다. 상술한 바와 같이, 챔퍼링 절단각도가 0°인 경우는 종래기술에 대한 것이며, 가공 및 기구적인 측면에서 실질적으로 12°보다 큰 각도로 챔퍼링하는 것은 로터 블레이드의 제작상 한계에 다다르기 때문에 12°를 임계각도로 설정하였다. First, numerical analysis using Fine TM / Turbo was performed by changing the rotor blade chamfering cutting angle from 0 ° to 12 °. As described above, the chamfering cutting angle of 0 ° is for the prior art, and in terms of processing and mechanics, chamfering at angles substantially greater than 12 ° may reach the manufacturing limits of the rotor blades. ° was set at the critical angle.
도 6a 내지 도 6d는 로터 블레이드 챔퍼링 절단각도에 따른 수치해석 결과를 등마하선도로 나타낸 것으로서, (a)는 챔퍼링 절단각도가 0°,(b)는 챔퍼링 절단각도가 4°, (c)는 챔퍼링 절단각도가 8°, 그리고 (d)는 챔퍼링 절단각도가 12°인 경우에 대한 결과이다. 도 6a 내지 도 6d에서 확인되는 바와 같이, 챔퍼링 절단각도가 증가할수록 블레이드 전연에서 발생하는 경사충격파의 강도가 약해져서 유동 방향으로 뒤로 밀리는 현상을 나타낸다. 이러한 현상은 초음속 터빈의 추력을 증가시키는 중요한 요인으로 작용한다.6a to 6d show the numerical results of the rotor blade chamfering cutting angles in the equilateral line diagram, (a) shows the chamfering cutting angle of 0 °, and (b) shows the chamfering cutting angle of 4 °, ( c) shows the result of the chamfering cutting angle of 8 ° and (d) of the chamfering cutting angle of 12 °. As shown in FIGS. 6A to 6D, as the chamfering cutting angle increases, the strength of the sloped shock wave generated at the blade leading edge becomes weaker, and thus shows a phenomenon of being pushed backward in the flow direction. This phenomenon is an important factor to increase the thrust of the supersonic turbine.
한편, 도 7은 로터 블레이드 챔퍼링 절단각도 변화에 따른 추력 분포에 대한 그래프이며, 도 8은 로터 블레이드 챔퍼링 절단각도 변화에 따른 전압력 손실계수 분포에 대한 그래프를 나타낸다. On the other hand, Figure 7 is a graph of the thrust distribution according to the change of the cutting angle of the rotor blade chamfering, Figure 8 shows a graph of the distribution of voltage loss coefficient according to the change of the cutting angle of the rotor blade chamfering.
즉, 터빈 로터 블레이드의 챔퍼링 절단각도(Chamfer Angle)에 따른 추력값과 충격파의 강도를 나타내어주는 전압력 손실계수를 도 7 및 도 8에서 살펴보면, 챔퍼링 절단각도가 0°에서 4°로 바뀔 때 추력 변화량이 가장 크게 나타나며 4°보다 큰 경우에서는 어느 정도 일정한 추력값을 나타낸다. 이에 따른 전압력 손실계수 또한 4°보다 큰 경우에서는 변화량이 작은 일정한 값을 나타내는데, 이는 블레이드 전연에서 발생하는 충격파의 강도가 더 이상 약해지지 않음을 나타내는 것이다. 따라서 초음속 터빈의 로터 블레이드 챔퍼링 절단각도는 1°내지 4°의 범위 내에서 가장 큰 추력 증가폭을 나타냄을 확인할 수 있다.In other words, when the chamfering cutting angle is changed from 0 ° to 4 °, the voltage loss coefficients representing the thrust value and the shock wave intensity of the turbine rotor blade according to the chamfering angle are shown in FIGS. 7 and 8. The change in thrust is the largest and when it is greater than 4 °, the thrust is somewhat constant. The resultant voltage loss factor is also higher than 4 °, indicating a small change, indicating that the intensity of the shock wave generated at the leading edge of the blade is no longer weakened. Therefore, it can be seen that the rotor blade chamfering cutting angle of the supersonic turbine shows the largest thrust increase in the range of 1 ° to 4 °.
로터Rotor 블레이드 blade 챔퍼링Chamfering 절단각도에 대한 초음속 Supersonic speed for cutting angle 풍동wind tunnel 실험 Experiment
상술한 수치해석의 결과와 마찬가지로 동일 조건에서의 초음속 풍동 실험 장치를 이용한 실험 결과를 이하에서 살펴본다. Similar to the above numerical results, the experimental results using the supersonic wind tunnel test apparatus under the same conditions will be described below.
본 발명에 의한 초음속 터빈 유동가시화를 위해 쉴러린시스템(Schlieren system)을 사용하였다. 또한 섀도우그래프(Shadowgraph) 영상을 획득하기 위해 싱글미러 쉴러린시스템(Single mirror Schlieren system)을 사용하였다. 광원으로는 150W 텅스텐 연속광을 사용하였으며 가시화된 영상을 획득하기 위해 고속카메라 시스템(Kodak, SR Ultra-C)을 사용하였다. 카메라는 유동가시화 실험의 시작과 동시에 작동되며 이러한 유동가시화 실험에 의해 획득된 영상은 광학 필터로 보정하여 디지털 영상으로 저장된다.The Schlieren system was used for the supersonic turbine flow visualization according to the present invention. In addition, a single mirror Schlieren system was used to acquire shadowgraph images. A 150W tungsten continuous light was used as a light source and a high speed camera system (Kodak, SR Ultra-C) was used to acquire the visualized image. The camera is operated at the same time as the start of the flow visualization experiment, and the image obtained by the flow visualization experiment is corrected with an optical filter and stored as a digital image.
도 9는 유동가시화 실험에 대한 개략도를 나타내며, 구체적으로 실험은 도 10에 도시된 바와 같이 노즐과 익렬을 조합하여 전연 챔퍼링 절단각도(Leading Edge Chamfer Angle) 값이 서로 다른 2 종류의 블레이드[도 10a는 절단각도가 0°, 도 10b는 절단각도가 8°인 경우]에 대해 각각 실험을 실시하였으며, 또한 노즐 압력비에 따라 노즐 출구 유동각이 변화하므로 완전팽창이 되는 노즐 입·출구 압력비(Pressure Rate: PR)인 5.1에서 실험을 실시하였다.FIG. 9 is a schematic diagram of a flow visualization experiment. Specifically, the experiment is a combination of two types of blades having different leading edge chamfering angles by combining a nozzle and a blade row as shown in FIG. 10a has a cutting angle of 0 ° and FIG. 10b has a cutting angle of 8 °], and the nozzle exit flow angle is changed according to the nozzle pressure ratio. Rate: PR) was performed in 5.1.
상기 도 10a 및 도 10b는 실험을 통해 획득한 섀도우그래프(Shadowgraph) 영상이다. 오른쪽 상단의 검은 영역은 노즐 부분이며, 왼쪽 상단의 꺾여진 부분이 노즐 상부면이고 오른쪽 중간부분에 뾰족하게 튀어나온 부분이 노즐 하단부 끝단을 나타낸다. 10A and 10B are shadowgraph images obtained through experiments. The black area at the top right is the nozzle part, the bent part at the top left is the nozzle top surface, and the pointed protruding part at the right middle part represents the end of the nozzle.
상술한 바와 같이, 도 10a는 전연 챔퍼링 절단각도값이 0°일 때의 가시화 영상을 나타낸다. 노즐 출구 하단 끝단 부분에서 제트 경계면을 관찰할 수 있으며 이 경계면이 6번 블레이드 전연과 만나는 것을 볼 수 있다. 그리고 각 블레이드 전연에서 궁형(Bow) 충격파가 발생하는 것을 관찰할 수 있으며 각 궁형 충격파의 바로 뒷부분, 블레이드 전연의 모서리각에 의해 꺾여진 부분에서 확장파가 발생하는 것을 볼 수 있다. 6번 블레이드를 제외한 나머지 3~5번 블레이드의 궁형 충격파각은 궁형 충격파와 확장파를 지나면서 유동각이 비슷해서 서로 유사한 것을 알 수 있다. 익렬 전연에서 발생한 궁형 충격파는 다시 노즐 상부면에 반사되어 익렬 유로쪽으로 들어가는 것을 볼 수 있다. 또한 익렬 전연에서 발생된 충격파가 노즐 상부면 출구 부분에 집중되어 복잡한 형태의 유동이 나타나는 것을 알 수 있다. As described above, FIG. 10A illustrates a visualized image when the leading chamfering cutting angle value is 0 °. The jet interface can be observed at the lower end of the nozzle outlet and the interface meets the leading edge of
한편, 각 익렬 유로 흡입면 축방향 코드의 약 40% 지점에서 유동박리가 발생하는 것을 관찰할 수 있다. 그리고 유동박리 영역의 차이는 2번과 3번 블레이드 사이의 유로에서 발생한 유동박리를 제외하고는 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다. 익렬 유로부분에서는 충격파들이 반사되어 익렬 후류로 빠져나가는 것을 볼 수 있다. 그리고 익렬 후연에서 피시-테일(Fish-tail) 충격파가 발생하는 것을 볼 수 있다. On the other hand, it can be observed that flow separation occurs at about 40% of the axial cord of each blade channel suction surface. And it can be seen that the difference in the flow separation area is not a big difference except the flow separation generated in the flow path between the
도 10b는 전연 챔퍼링 절단각도값이 8°일 때의 가시화 영상을 나타낸다. 익렬 전연에서 발생한 궁형 충격파가 블레이드 전연이 좀더 날카로워짐에 따라 전연 챔퍼링 절단각도값이 0°일 때보다 약간 더 유로쪽으로 향한 것을 볼 수 있다. 그리고 익렬 유로 내부에서 발생한 유동박리의 경우 앞의 경우와 거의 변화없이 흡입면 축방향 코드(Axial chord)의 약 40% 지점에서 발생하는 것을 관찰할 수 있으며 박리 영역 또한 거의 유사함을 알 수 있다. 10B illustrates a visualized image when the leading edge chamfering cutting angle value is 8 °. It can be seen that the arcuate shock wave generated at the blade leading edge is slightly more toward the flow path than when the leading chamfering cutting angle value is 0 ° as the blade leading edge becomes sharper. In addition, it can be seen that the flow separation in the casing flow channel occurs at about 40% of the axial chord of the suction surface with almost no change from the previous case, and the peeling region is also similar.
결국, 도 10a 및 도 10b는 로터 블레이드의 전연의 챔퍼링 절단각도가 0°에서 8°와 같이 점차 증가되어 변화하였을 경우, 블레이드 전연에서 발생하는 경사 충격파의 강도가 약해져서 유동 방향으로 밀리는 효과를 관찰할 수 있다. 따라서, 챔퍼링되는 절단각도가 증가할수록 블레이드 전연에서 발생하는 경사충격파의 강도가 약해져서 유동 방향으로 뒤로 밀리게 되는 현상이 발생되며, 이러한 현상은 초음속 터빈의 추력을 증가시키는 중요한 요인으로 작용하게 된다.10A and 10B, when the chamfering cutting angle of the leading edge of the rotor blade is gradually increased and changed from 0 ° to 8 °, the strength of the inclined shock wave generated at the blade leading edge is weakened and is observed to be pushed in the flow direction. can do. Therefore, as the chamfered cutting angle increases, the strength of the gradient shock wave generated at the blade leading edge is weakened and pushes backward in the flow direction. This phenomenon acts as an important factor for increasing the thrust of the supersonic turbine.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 특허청구범위에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함되는 것으로 보아야 할 것이다. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes can be made by those skilled in the art, which should be regarded as included in the spirit and scope of the present invention as defined in the appended claims. will be.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 초음속 터빈에서의 로터 블레이드 챔퍼링 절단각도의 형성에 의하여, 로터 블레이드 전연(LE)에서 발생하는 경사 충격파와 유로 내의 유동박리(Separation)의 영향을 줄여서 터빈의 효율과 추력 향상을 도모할 수 있다. As described above, by forming the rotor blade chamfering cutting angle in the supersonic turbine according to the present invention, the efficiency of the turbine by reducing the influence of the gradient shock wave generated in the rotor blade leading edge (LE) and the flow separation in the flow path And thrust can be improved.
아울러, 본 발명에 의한 초음속 터빈의 로터 블레이드 챔퍼링 절단각도을 1°내지 4°의 범위 내로 형성함으로 인하여, 가장 큰 추력 증가폭 효과를 창출할 수 있다. In addition, since the cutting angle of the rotor blade chamfering of the supersonic turbine according to the present invention is formed within a range of 1 ° to 4 °, the largest thrust increase effect can be created.
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