KR101181463B1

KR101181463B1 - 에어 스타터용 터빈

Info

Publication number: KR101181463B1
Application number: KR1020120042645A
Authority: KR
Inventors: 백제현; 박수영; 김용근; 김태자
Original assignee: 신흥정공(주)
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2012-09-10

Abstract

본 발명은 에어 스타터용 터빈에 관한 것으로, 그 목적은 터빈을 구성하는 노즐과 로터의 블레이드 형상을 개선하면서, 최적화 설계를 통하여 터빈의 효율을 높이고, 이를 통해 고성능의 에어 스타터를 실현할 수 있도록 하는 에어 스타터용 터빈을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명에 따른 에어 스타터용 터빈은 에어 스타터의 내부로 유입되는 압축공기에 의해 구동하며, 하나 이상의 노즐과 하나 이상의 로터로 구성된 에어 스타터용 터빈에 있어서, 상기 노즐의 외면 원주 상에는 압전, 뒷전, 가압면, 부압면으로 이루어지는 다수 개의 노즐 블레이드가 상호 소정 간격 이격된 구조로 형성되되, 상기 노즐 블레이드의 부압면은 압전으로부터 하류측을 향하여 오목한 곡선을 형성하며 연장되는 제1 곡선부와, 뒷전으로부터 상류측을 향하여 오목한 곡선을 형성하며 연장되어 제1 곡선부와 만나는 제2 곡선부로 구성된다.

Description

에어 스타터용 터빈{Air-turbine starter}

본 발명은 에어 스타터용 터빈에 관한 것으로, 특히 터빈을 구성하는 노즐과 로터의 블레이드 형상을 개선하여 터빈의 효율을 높일 수 있도록 한 에어 스타터용 터빈에 관한 것이다.

일반적으로 에어 스타터라 함은 선박용, 발전용 또는 소형선박 추진 엔진용으로 사용되는 중형디젤엔진(Medium-speed engine)의 시동을 위해 사용되는 장치로, 압축 공기를 이용하여 회전하는 터빈에 의해 구동하게 된다.

도 1은 에어 스타터의 구조를 보인 단면도를 도시하고 있다.

에어 스타터는 압축공기 도입부(11); 상기 압축공기 도입부를 통해 유입되는 압축공기에 의해 구동하는 터빈(12); 상기 터빈(12)으로부터 연장되는 터빈 샤프트(12-1)에 의해 구동하는 캐리어 샤프트(13)와, 상기 터빈 샤프트(12-1)와 캐리어 샤프트(13)를 연결하는 유성기어유닛(14); 상기 캐리어 샤프트에 결합되어 회전하며 캐리어 샤프트의 축방향으로 이동하는 드라이브 유닛(15); 압축공기에 의해 이동하며 상기 드라이브 유닛을 이동시키는 피스톤 유닛(16); 상기 드라이브 유닛과 연결되어 회전 및 이동하며 끝단에 엔진의 링기어와 맞물리는 피니언기어(17-1)가 구비된 라쳇 샤프트(17); 상기 드라이브 유닛과 라쳇 샤프트를 연결하는 클러치(18)로 구성되어 있다.

한편 상기 터빈은 하나 이상의 노즐과 하나 이상의 로터로 구성되며, 상기 노즐은 압축 공기가 가진 압력 에너지를 운동 에너지로 전환하고, 상기 로터는 노즐을 통해 나오는 공기와 충돌하여 회전함으로써 터빈 샤프트를 회전시키는 구조로 되어 있다.

도 2는 종래 노즐의 구조를 보인 사시도를, 도 3은 종래 노즐에 구비된 노즐 블레이드의 형상을 보인 예시도를 도시하고 있다. 한편 도 3은 노즐 허브의 원주 상에 일정한 간격으로 형성된 다수 개의 노즐 블레이드를 평면상에 나열하여 나타내고 있다.

상기 노즐 블레이드(22)는 압전(22a), 뒷전(22b), 가압면(22c), 부압면(22d)으로 이루어지고, 노즐 블레이드는 70도의 출구 각도를 이루도록 형성되어 있으며, 이러한 종래의 노즐 블레이드의 경우, 압축 공기가 노즐 목을 지나 출구측으로 유동할 때, 부압면에서 블레이드 표면을 따라가기 못하고 유동 박리가 다소 발생하는 문제점이 있다.

또한 로터의 경우, 로터 블레이드의 최대 두께가 두꺼운 형태로 되어 있으며, 그 만큼 로터로 들어오는 압축 공기의 유로의 폭이 좁은 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 터빈을 구성하는 노즐과 로터의 블레이드 형상을 개선하면서, 최적화 설계를 통하여 터빈의 효율을 높이고, 이를 통해 고성능의 에어 스타터를 실현할 수 있도록 하는 에어 스타터용 터빈을 제공함에 있다

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 에어 스타터용 터빈은 에어 스타터의 내부로 유입되는 압축공기에 의해 구동하며, 하나 이상의 노즐과 하나 이상의 로터로 구성된 에어 스타터용 터빈에 있어서, 상기 노즐의 외면 원주 상에는 압전, 뒷전, 가압면, 부압면으로 이루어지는 다수 개의 노즐 블레이드가 상호 소정 간격 이격된 구조로 형성되되, 상기 노즐 블레이드의 부압면은 압전으로부터 하류측을 향하여 오목한 곡선을 형성하며 연장되는 제1 곡선부와, 뒷전으로부터 상류측을 향하여 오목한 곡선을 형성하며 연장되어 제1 곡선부와 만나는 제2 곡선부로 구성된 것을 특징으로 한다.

한편 상기 제1 곡선부와 제2 곡선부가 만나는 교점은 이웃한 노즐 블레이드의 압전과 가압면이 만나는 교점에 이웃하도록 형성되는 것이 바람직하다.

한편 노즐 블레이드는 노즐 입구와 출구의 속도 삼각형을 구하고, 노즐 블레이드의 각 부분이 속도 삼각형을 만족하는 형상을 갖도록 구성되는 것이 바람직하다.

한편 상기 로터의 외면 원주 상에는 직선 구간, 원호 구간, 입구 천이 원호 구간, 출구 천이 원호 구간을 갖는 다수 개의 로터 블레이드가 상호 소정 간격 이격된 구조로 형성되되, 상기 로터 블레이드와 로터 허브가 연결되는 모서리는 필렛 가공처리되어 로터 블레이드의 앞전 영역에서 유동 박리를 억제토록 하는 것이 바람직하다.

이때 상기 로터 블레이드는 로터 입구와 출구의 속도 삼각형을 구하고, 로터 블레이드의 각 부분이 속도 삼각형을 만족하는 형상을 갖도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면, 노즐 블레이드와 로터 블레이드의 형상을 최적화하여 에어 스타터의 성능을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 에어 스타터의 구조를 보인 단면도,
도 2 는 종래 노즐의 구조를 보인 사시도,
도 3 은 종래 노즐에 구비된 노즐 블레이드의 형상을 보인 예시도,
도 4 는 본 발명에 따른 터빈의 형상을 보인 사시도,
도 5 는 본 발명에 따른 노즐의 형상을 보인 사시도,
도 6 은 본 발명에 따른 로터의 형상을 보인 사시도,
도 7 은 본 발명에 따른 노즐 블레이드의 형상을 보인 예시도,
도 8 은 본 발명에 따른 로터 블레이드의 형상을 보인 예시도,
도 9 는 본 발명에 따른 노즐 블레이드와 노즐 허브의 연결부 구조를 보인 상세도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 4는 본 발명에 따른 터빈의 형상을 보인 사시도를, 도 5는 본 발명에 따른 노즐의 형상을 보인 사시도를, 도 6은 본 발명에 따른 로터의 형상을 보인 사시도를 도시하고 있다.

본 발명에 따른 에어 스타터용 터빈은 하나 이상의 노즐(100)과 하나 이상의 로터(200)를 포함하는 것으로 구성되며, 이때 노즐(100)은 노즐 허브(110) 상에 다수 개의 노즐 블레이드(120)가 상호 소정 간격 이격된 구조로 형성된 것으로 구성되고, 상기 로터(200)는 로터 허브(210) 상에 다수 개의 로터 블레이드(220) 상호 소정 간격 이격된 구조로 형성된 것으로 구성되어 있다.

도 7은 본 발명에 따른 노즐 블레이드의 형상을 보인 예시도를 도시하고 있다. 한편 도 7은 노즐 허브(110)의 원주 상에 일정한 간격으로 형성된 다수 개의 노즐 블레이드(120)를 평면상에 나열하여 나타내고 있다.

상기 각각의 노즐 블레이드(120)는 압전(121), 뒷전(122), 가압면(123), 부압면(124)으로 이루어지며, 노즐목(101)을 기준으로 상류와 하류로 부분으로 구분할 수 있다.

한편 상기 압전(121)과 뒷전(122)은 유동박리를 최소화하면서 공기의 유동을 방해하지 않으며, 노즐 블레이드(120)의 가공성을 고려하여 둥글게 형성되고, 가압면(123)은 압전(121)과 뒷전(122) 부분의 접선을 직선으로 연결하는 구조로 형성되어 있다.

한편 상기 부압면(124)은 압전(121)으로부터 하류측을 향하여 오목한 곡선을 형성하며 연장되는 제1 곡선부(124-1)와, 뒷전(122)으로부터 상류측을 향하여 오목한 곡선을 형성하며 연장되어 제1 곡선부(124-1)와 만나는 제2 곡선부(124-2)로 구성되며, 제1 곡선부(124-1)와 제2 곡선부(124-2)가 만나는 교점(P1)은 이웃한 노즐 블레이드(120)의 압전(121)과 가압면(123)이 만나는 교점(P2)에 이웃하도록 형성되어 노즐목(101)을 형성하게 된다.

이러한 구조의 부압면(124)에 의하면 이웃한 두 노즐 블레이드(120)의 사이에 형성되는 유로는 좁아졌다가 다시 넓어지는 형상을 갖게 되며, 이때 좁아지는 부분은 노즐목(101)으로 이러한 노즐목(101)에 의하여 공기의 유동이 가속되어 마하수 1에 도달하게 되며, 노즐목(101) 이후의 유로는 넓어지면서 초음속 영역에서 유로 내부에 충격파가 발생되는 것으로 방지하게 된다.

한편 상기 노즐목(101)을 기준으로 상류 부분은 아음속 영역에 해당하고, 하류 부분은 초음속 영역에 해당하며, 이러한 노즐목(101)의 위치를 정하고, 아음속 영역 앞전 끝 좌표와 접선의 기울기, 그리고 초음속 영역 시작점의 좌표와 접선의 기울기 정보를 이용하여 제1 곡선부(124-1)의 프로파일에 해당하는 3차 다항식(cubic polynomial)을 아래와 같은 도출할 수 있으며, 도출된 3차 다항식은 [수식 1]과 같다.

--- [수식 1]

아울러 제2 곡선부(124-2)는 "Method of characteristic"방법을 사용하여 초음속 영역에서 유로 내부에 충격파가 생기지 않도록 제2 곡선부(124-2)의 프로파일을 도출할 수 있으며, 이러한 "Method of characteristic"방법은 기체역학(gas dynamic)에서 일반적으로 사용되고 있는 방법이므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.

한편 3차 다항식이나 "Method of characteristic"방법은 제1 곡선부(124-1)와 제2 곡선부(124-2)의 프로파일을 도출하기 위한 하나의 방법을 예시하여 설명한 것일 뿐, 상기 제1 곡선부와 제2 곡선부의 프로파일이 위와 같은 방법에 의해서만 도출될 수 있는 것은 아니다.

도 8은 본 발명에 따른 로터 블레이드의 형상을 보인 예시도를, 도 9는 본 발명에 따른 노즐 블레이드와 노즐 허브의 연결부 구조를 보인 상세도를 도시하고 있다. 한편 도 8은 터빈 허브의 원주 상에 일정한 간격으로 형성된 다수 개의 터빈 블레이드를 평면상에 나열하여 나타내고 있다.

상기 각각의 로터 블레이드(220)는 직선 구간(221), 입구 천이 원호 구간(222), 원호 구간(223), 출구 천이 원호 구간(224), 직선 구간(225), 원호 연결 구간(226)으로 구성되며, 이때 입구 천이 원호 구간(222)은 로터(200)로 유입된 유동을 와유동으로 전환시키는 역할을 하고, 원호 구간(223)은 와유동을 유지시킴과 동시에 유로를 따라 유동을 회전시키고, 출구 천이 원호 구간(224)은 다시 와유동을 유로에 평행한 유동으로 전환시켜 출구에서 균일한 유동을 만들어 주는 역할을 한다.

이러한 로터 블레이드(220)는 터빈의 작동 조건과 초음속 노즐 출구에서 구하여진 마하수를 기준으로 설계되는 것이 바람직하며, 최대 부하를 발생시키는 익형을 구성하여 터빈의 성능을 높이는 것이 바람직하다.

이처럼 최대 부하를 발생시켜 터빈의 출력을 높이기 위해서는 입출구의 운동량 차이가 커야 한다. 이를 위해 로터 블레이드(220)의 입출구 각도를 크게 하거나, 블레이드로 유입되는 작동 유체의 질량유량을 늘려주는 방법이 있지만, 설계된 로터 블레이드(220)의 입출구 각도는 노즐 출구 유동에 따라서 결정되는 항목이기 때문에 터빈 출력을 높이기 위해서는 블레이드 사이 유로 면적을 넓혀 터빈 부하를 늘리는 것이 바람직하다.

한편 본 발명에 따른 로터(200)의 경우, 로터 블레이드(220)와 로터 허브(210)가 연결되는 모서리가 3㎜의 크기로 필렛 가공처리 되어 있다. 이처럼 로터 블레이드(220)와 로터 허브(210)의 연결부위를 필렛 가공처리함으로써, 가공을 용이하게 함은 물론이고, 로터 블레이드(220)의 앞전 영역 부근에서 유동 박리(flow separation)의 발생을 억제할 수 있게 된다.

상기와 같은 노즐 블레이드(120)와 로터 블레이드(220)의 형상 설계는 터빈의 목표 출력, 목표 유량, 노즐 입구의 압력 및 온도 조건, 로터의 회전 속도, 로터 크기와 같은 정보를 이용하여 노즐 입구와 출구 그리고 로터 출구의 속도 삼각형을 얻을 수 있고, 노즐과 로터 각 부분에서 속도 삼각형을 만족시킬 수 있는 형상으로 노즐 블레이드와 로터 블레이드를 설계하게 된다. 이때 목표값은 속도이고, 밀도를 알면 형상(유로 면적)을 연속 방정식(Continuity equation)을 통해 구할 수 있다.

상기 속도 삼각형이 부합하는 노즐 블레이드(120)와 로터 블레이드(220)의 형상 설계를 위해서는 노즐 출구에서의 밀도(ρ₂)와 로터 출구에서의 밀도(ρ₃)를 구하고, 구해진 밀도와 속도 삼각형에서 요구되는 속도값을 하기 [수식 2] 및 [수식 3]에 각각 대입하여 노즐과 로터의 유로 면적(A_nn,A_rn)을 각각 구한 뒤, 노즐 블레이드(120)와 로터 블레이드(220)가 구해진 유로 면적(A_nn,A_rn)에 부합하는 유로를 형성하도록 노즐 블레이드(120)와 로터 블레이드(220)의 형상을 설계하게 된다.

[수식 2]

[수식 3]

여기서, m은 질량 유량, A_nn은 노즐의 유로 면적, A_rn은 로터의 유로 면적, C_x2는 노즐 출구 축방향 절대속도이다.

한편 상기 노즐 출구에서 밀도(ρ₂)를 구하기 위해서는, 먼저 노즐 출구에서의 밀도(ρ_2i)를 임의로 가정하고, 하기 [수식 4] 내지 [수식 7]을 통해 노즐 출구에서의 절대 속도(C₂), 노즐 출구에서의 온도(T₂), 노즐 출구에서의 압력(P₂) 및 노즐 출구에서의 밀도(ρ₂)를 구한 뒤, 최초 가정된 밀도(ρ_2i)와 구해진 밀도(ρ₂)가 같은지 판단하여 두 밀도가 같은 경우 구해진 밀도(ρ₂)를 노즐 출구에서의 밀도로 하고, 두 밀도가 같지 않은 경우 구해진 밀도(ρ₂)를 처음 노즐 출구에서의 밀도(ρ_2i)로 가정하여 노즐 출구에서의 절대 속도(C₂), 노즐 출구에서의 온도(T₂), 노즐 출구에서의 압력(P₂) 및 노즐 출구에서의 밀도(ρ₂)를 새로 구하고, 이러한 과정을 가정된 밀도와 구해진 밀도가 같을 때까지 반복함으로써 노즐 출구에서의 밀도(ρ₂)를 구하게 된다.

[수식 4]

[수식 5]

[수식 6]

[수식 7]

여기서, A_nn은 노즐의 유로면적, C_x2는 노즐 출구 축방향 절대속도, m은 질량유량, α₂는 노즐 출구에서의 절대 각도, T₀₂는 노즐 출구 전온도, C_p는 공기의 정압 비열, P₀₂는 노즐 출구 전압력, r은 공기의 비열비, R은 기체 상수 이다.

다음으로, 로터 출구에서의 밀도(ρ₃)를 구하기 위해서는, 먼저 로터 출구에서의 밀도(ρ_3i)를 가정하고, 하기 [수식 8] 내지 [수식 11]을 통해 로터 출구 축방향 절대속도(C_x3), 로터 출구에서의 전온도(T₀₃), 로터 출구에서의 전압력(P₀₃), 로터 출구 온도(T₃), 로터 출구 압력(P₃) 및 로터 출구에서의 밀도(ρ₃)를 구한 뒤, 최초 가정된 밀도(ρ_3i)와 구해진 밀도(ρ₃)가 같은지 판단하여 두 밀도가 같은 경우 구해진 밀도(ρ₃)를 로터 출구에서의 밀도로 하고, 두 밀도가 같지 않은 경우 구해진 밀도(ρ₃)를 처음 노즐 출구에서의 밀도(ρ_3i)로 가정하여 로터 출구 축방향 절대속도(C_x3), 로터 출구에서의 전온도(T₀₃), 로터 출구에서의 전압력(P₀₃), 로터 출구 온도(T₃), 로터 출구 압력(P₃) 및 로터 출구에서의 밀도(ρ₃)를 새로 구하고, 이러한 과정을 가정된 밀도와 구해진 밀도가 같을 때까지 반복함으로써 로터 출구에서의 밀도(ρ₃)를 구하게 된다.

[수식 8]

,

[수식 9]

,

[수식 10]

,

[수식 11]

여기서, A_rn은 로터의 유로면적, C_x2는 로터(200) 출구 축방향 절대속도, m은 질량유량, C_θ23는 C_θ2-C_θ3, C_θ3는 로터 출구에서의 반경방향 절대속도, U는 깃끝 속도(Tip speed), C_θ2는 로터 입구(혹은 노즐 출구)에서의 반경방향 절대속도, α₃는 로터 출구 절대유동각, β₃는 로터 출구 상대유동각, C_P는 공기의 정압비열, η은 터빈의 효율, k(또는 r) 공기의 비열비, h₂는 로터 입구(혹은 노즐 출구) 엔탈피(Enthalpy)값, W₂는 로터 입구(혹은 노즐 출구) 상대속도, h₃는 로터 출구 엔탈피(Enthalpy)값, W₃는 터빈 출구 상대속도 이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(100) : 노즐 (110) : 노즐 허브
(120) : 노즐 블레이드 (121) : 압전
(122) : 뒷전 (123) : 가압면
(124) : 부압면 (124-1) : 제1 곡선부
(124-2) : 제2 곡선부 (200) : 로터
(210) : 로터 허브 (220) : 로터 블레이드
(221) : 직선 구간 (222) : 입구 천이 원호 구간
(223) : 원호 구간 (224) : 출구 천이 원호 구간
(225) : 직선 구간 (226) : 원호 연결 구간

Claims

에어 스타터의 내부로 유입되는 압축공기에 의해 구동하며, 하나 이상의 노즐(100)과 하나 이상의 로터(200)로 구성된 에어 스타터용 터빈에 있어서,
상기 노즐(100)의 외면 원주 상에는 압전(121), 뒷전(122), 가압면(123), 부압면(124)으로 이루어지는 다수 개의 노즐 블레이드(120)가 상호 소정 간격 이격된 구조로 형성되되,
상기 노즐 블레이드(120)의 부압면(124)은 압전(121)으로부터 하류측을 향하여 오목한 곡선을 형성하며 연장되는 제1 곡선부(124-1)와, 뒷전(122)으로부터 상류측을 향하여 오목한 곡선을 형성하며 연장되어 제1 곡선부(124-1)와 만나는 제2 곡선부(124-2)로 구성된 것을 특징으로 하는 에어 스타터용 터빈.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 곡선부(124-1)와 제2 곡선부(124-2)가 만나는 교점(P1)은 이웃한 노즐 블레이드(120)의 압전(121)과 가압면(123)이 만나는 교점(P2)에 이웃하도록 형성되어 노즐목(101)을 형성하는 것을 특징으로 하는 에어 스타터용 터빈.
청구항 1에 있어서,
상기 로터(200)의 외면 원주 상에는 직선 구간(221,225), 원호 구간(223), 입구 천이 원호 구간(222), 출구 천이 원호 구간(224)을 갖는 다수 개의 로터 블레이드(220)가 상호 소정 간격 이격된 구조로 형성되되,
상기 로터 블레이드(220)와 로터 허브(210)가 연결되는 모서리는 필렛 가공처리되어 로터 블레이드(220)의 앞전 영역에서 유동 박리를 억제토록 한 것을 특징으로 하는 에어 스타터용 터빈.
청구항 1에 있어서,
상기 노즐 블레이드(120)와 로터 블레이드(220)는 노즐 입구와 출구 그리고 로터 출구의 속도 삼각형을 구하고, 노즐 블레이드(120)와 로터 블레이드(220)의 각 부분이 속도 삼각형을 만족하는 형상을 갖도록 한 것을 특징으로 하는 에어 스타터용 터빈.