KR101191060B1

KR101191060B1 - 압축기

Info

Publication number: KR101191060B1
Application number: KR1020097010371A
Authority: KR
Inventors: 나오노리 나가이; 겐지 사토
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2012-10-15
Also published as: US8206097B2; CN101542129A; EP2096321A1; EP2096321B1; WO2008075747A1; CN101542129B; JP5222152B2; EP2096321A4; KR20090074082A; JPWO2008075747A1; US20100068044A1

Abstract

회전축을 감싸도록 배치된 내측 케이싱과, 상기 내측 케이싱을 감싸도록 배치되고, 상기 회전축 주위에 유체 유로를 형성하는 외측 케이싱과, 상기 유체 유로의 입구측에서 상기 내측 케이싱과 상기 외측 케이싱 사이에 가설된 복수의 스트럿을 구비하는 압축기에 있어서, 상기 복수의 스트럿이, 상기 회전축을 중심으로 하여 방사상으로 배치 형성되고, 또한 상기 회전축 둘레 방향에 인접하는 상기 스트럿의 간격이 동일하지 않다.

Description

압축기{COMPRESSOR}

본 발명은 공기를 압축시키는 압축기에 관한 것이다. 본원은 2006년 12월 21일에 출원된 일본 특허출원 2006-343814호에 대하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래부터, 가스 터빈에 있어서, 터빈을 회전시키기 위한 연소 가스가, 압축기에 의해 압축된 압축 공기에 의해 연소기가 연료 가스를 연소시킴으로써 발생되었다. 이 압축 공기를 생성하는 압축기의 입구에는, 외기로부터 공기를 흡기하는 흡기 덕트가 설치되어 있다. 도 11 의 단면도에 나타내는 바와 같이, 흡기 덕트 (100) 는, 압축기 (101) 의 회전자 블레이드 (12) 가 설치된 회전축 (5) 의 선단측에서, 회전축 (5) 의 외주에서 링 형상이 되도록 설치됨과 함께 외기를 흡입하도록 상측이 개방된 편(片)흡입 구조로 되어 있다.

그리고, 흡기 덕트 (100) 에 있어서, 회전축 (5) 측의 흡기 케이싱 (100a) 이 회전축 (5) 의 외주를 감싸는 내측 케이싱 (101a) 과 접속되고, 외측의 흡기 케이싱 (100b) 이 내측 케이싱 (101a) 의 외주측에 설치되는 외측 케이싱 (101b) 과 접속된다. 또한, 내측 케이싱 (101a) 과 외측 케이싱 (101b) 사이에 껴 있는 원환 형상의 공간을 공기 유로 (101c) 로 하여, 고정자 블레이드 (11) 및 회전자 블레이드 (12) 가 교대로 나란히 배치된다. 그리고, 회전자 블레이드 (12) 가 회전축 (5) 에 의해 회전함으로써, 흡기 덕트 (100) 를 통하여 흡기된 공기가 압축된다.

도 11 에 나타내는 흡기 덕트 (100) 와 같이, 회전축에 직교하는 방향으로부터 공기를 흡입하는 편흡입 구조로 한 경우, 흡기 케이싱 (100a, 100b), 내측 케이싱 (101a) 및 외측 케이싱 (101b) 에 의해 구성되는 원환 형상의 공간 (102) 에 있어서, 회전축 (5) 둘레 방향으로부터 흡입된 공기는 환형 유로의 둘레 방향으로 분배된다. 그리고, 이 원환 형상의 공간 (102) 에서 둘레 방향으로 분배된 공기가, 내측 케이싱 (101a) 및 외측 케이싱 (101b) 에 의해 구성되는 공기 유로 (101c) 로 흘러들어가게 된다. 이와 같이, 공간 (102) 에서부터 공기 유로 (101c) 로 흘러들어갈 때, 그 흐름을 매끄럽게 하기 위해, 흡기 케이싱 (100b) 과 외측 케이싱 (101b) 의 선단이 외주 방향으로 굴곡됨과 함께, 이 굴곡 부분 (101d) 이 흡기 케이싱 (100a) 의 내벽을 향하여 볼록해진 벨마우스 (bell mouth) 형상이 된다. 그리고, 외측 케이싱 (101b) 의 굴곡 부분 (101d) 의 선단에 흡기 케이싱 (100b) 이 접속된다.

이와 같이, 흡기 케이싱 (100a, 100b) 과 내측 케이싱 (101a) 및 외측 케이싱 (101b) 에 의해 흡기 덕트 (100) 가 구성되고, 내측 케이싱 (101a) 이 외측 케이싱 (101b) 보다 회전축 (5) 의 선단을 향하여 연장된 구성이 된다. 그리고, 내측 케이싱 (101a) 및 외측 케이싱 (101b) 을 지지하기 위해, 회전축 (5) 을 중심으로 하여 방사상으로 복수의 스트럿 (103) 이 형성된다. 이 복수의 스트럿 (103) 은, 종래에는 도 12 에 나타내는 바와 같이, 회전축 (5) 둘레 방향에 대하여 등간격이 되도록 설치되는 것이 보통이었다 (특허 문헌 1 참조).

특허 문헌 1 : 일본 공개실용신안공보 평7-17994호 (4 페이지 및 도 4, 도 5)

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

도 11 에 나타내는 바와 같이 흡기 덕트 (100) 가 구성되는 경우, 회전축에 직교하는 방향으로부터 외기를 흡입하는 편흡입 구조이기 때문에, 원환 형상의 공간 (102) 에 있어서 회전축 (5) 둘레 방향으로 분배된 공기는, 둘레 방향의 유로 면적에 대한 유량이 밸런스가 맞추어져 있지 않기 때문에, 그 공기의 흐름에 둘레 방향의 편류가 존재한다.

따라서, 압축기 (101) 의 공기 유로 (101c) 에 공기가 흘러들어갈 때에 둘레 방향으로 일정하지 않은 유입 조건이 되어, 그 스톨 마진 (stall margin)(실속 (失速) 에 대한 여유) 저하의 한 요인이 될 수 있음과 함께, 압축기 (101) 의 기동 승속시에 있어서 선회 실속의 야기 요인이 될 수 있다. 또한, 압축기 (101) 의 공기 유로 (101c) 에 대한 공기의 유입 조건이 둘레 방향으로 일정해지지 않기 때문에, 스트럿 (103) 에 대한 영각 (迎角) 이 커지는 지점이 생긴다. 그 결과, 영각이 큰 지점에서는, 스트럿 (103) 에서 박리가 생겨, 프로파일 손실이 증가된다.

또, 도 11 과 같이, 흡기 케이싱 (100b) 과 외측 케이싱 (101b) 의 접속부 부근의 굴곡 부분 (101d) 을 완만한 벨마우스 형상으로 함으로써, 흡기 케이싱 (100b) 및 외측 케이싱 (101b) 에 의한 벽면측을 흐르는 공기의 흐름을 가속시키게 된다. 그 결과, 스트럿 (103) 에 유입되는 흐름은 스팬 (span) 방향에도 분포하는 3 차원적인 편류를 갖는다. 특히 스트럿 외주측에서는, 공기의 흐름이 고속이 되는 지점에서 프로파일 손실이 증가된다. 프로파일 손실은 속도의 제곱에 비례하기 때문이다.

또한, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 회전축 (5) 둘레 방향에 대하여 등간격으로 스트럿 (103) 을 형성한 경우, 스트럿 (103) 의 후단측에 발생되는 웨이크 (유속이 느린 영역) 의 영향에 기초하여, 스트럿 (103) 의 개수에 상당하는 여진력의 고조파 성분 (하모닉스 성분) 이 커진다. 이 때문에, 압축기 (101) 의 고정자 블레이드 (11) 및 회전자 블레이드 (12) 를 설계할 때, 스트럿 (103) 에 의한 하모닉스 성분에 공진하지 않도록 이조 (離調) 시킨 설계로 할 필요가 있다.

이와 같이, 흡기 덕트의 편흡입 구조와 스트럿의 배치 관계로 인하여, 압축기에 유입되는 공기의 유입 조건이 일정해지지 않게 됨과 함께, 스트럿에 의한 압손 (壓損) 이 증대되어, 압축기의 효율이 저하된다. 또, 스트럿을 둘레 방향으로 등간격으로 설치함으로써 발생되는 여진력의 하모닉스 성분에 의해서도, 압축기의 날개 설계에 있어서의 자유도가 제한받게 된다.

이러한 문제를 감안하여, 본 발명은 날개 설계의 자유도가 높고, 압축 효율이 높은 압축기를 제공하는 것 목적으로 한다.

과제를 해결하기 위한 수단

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 압축기 흡기 덕트는, 회전축을 감싸도록 배치된 내측 케이싱과, 상기 내측 케이싱을 감싸도록 배치되고, 상기 회전축 주위에 유체 유로를 형성하는 외측 케이싱과, 상기 유체 유로의 입구측에서 상기 내측 케이싱과 상기 외측 케이싱 사이에 가설된 복수의 스트럿을 구비하고, 상기 복수의 스트럿이, 상기 회전축을 중심으로 하여 방사상으로 배치 형성되고, 또한 상기 회전축 둘레 방향에 인접하는 상기 스트럿의 간격이 동일하지 않다.

본 발명의 압축기 흡기 덕트에 있어서, 상기 스트럿은 상기 회전축 둘레 방향으로 n 개 배치되고 (n 은 2 이상의 정수), 상기 회전축을 중심으로 했을 때의 인접하는 상기 스트럿의 간격을 나타내는 각도의 최대값과 최소값의 차가 120°/n 이상이어도 된다.

본 발명의 압축기 흡기 덕트는, 상기 유체 유로의 입구단 (端) 에서 상기 내측 케이싱에 접속되는 제 1 케이싱과, 상기 유체 유로의 입구단에서 상기 외측 케이싱에 접속되는 제 2 케이싱을 추가로 구비하고, 상기 외측 케이싱의 상기 제 2 케이싱과의 접속 부분에, 상기 제 1 케이싱을 향하여 돌출되도록 굴곡되는 굴곡부가 형성되어 있어도 된다.

본 발명의 압축기 흡기 덕트에 있어서, 상기 굴곡부는, 상기 제 2 케이싱에 인접하고, 상기 회전축의 외주면과 거의 평행한 면을 이루는 평탄부와, 상기 평탄부의 선단으로부터 상기 회전축의 직경 방향 안쪽을 향하여 매끄럽게 만곡되는 곡면부를 구비하고, 상기 굴곡부의 단면 (斷面) 은, 상기 제 1 케이싱을 향하여 돌출되는 대략 U 자 형상을 이루어도 된다.

본 발명의 압축기 흡기 덕트에 있어서, 상기 스트럿의 상기 외측 케이싱과의 접속부는, 상기 굴곡부의 선단보다 상기 회전축 축 방향의 하류측에 위치해도 된다.

본 발명의 압축기 흡기 덕트에 있어서, 상기 회전축의 둘레 방향을 따라 원환 형상으로 형성된 상기 평탄부 중, 상기 제 1 및 제 2 케이싱의 선단에 형성된 외기의 흡입구에 인접하는 임의 부분의 상기 축 방향의 길이가, 상기 임의 부분보다 상기 흡입구로부터 먼 곳에 위치하는 다른 부분의 상기 축 방향의 길이보다 길어도 된다.

본 발명의 압축기 흡기 덕트에 있어서, 상기 회전축 둘레 방향을 따라 원환 형상으로 형성된 상기 굴곡부 중, 상기 제 1 및 제 2 케이싱의 선단에 형성된 외기의 흡입구에 인접하는 임의 부분의 선단이, 상기 임의 부분보다 상기 흡입구로부터 먼 곳에 위치하는 다른 부분의 선단보다 상기 제 1 케이싱을 향하여 돌출되어 있어도 된다.

본 발명의 압축기 흡기 덕트에 있어서, 상기 스트럿의 상기 외측 케이싱과의 접속부는, 상기 스트럿의 상기 내측 케이싱과의 접속부보다 상기 회전축 축 방향의 하류측에 위치해도 된다.

본 발명의 압축기 흡기 덕트에 있어서, 상기 스트럿의 상기 외측 케이싱과의 접속부와, 상기 스트럿의 상기 내측 케이싱과의 접속부의 상기 축 방향의 거리는, 상기 흡입구에 가까운 상기 스트럿만큼 길어도 된다.

발명의 효과

본 발명에 의하면, 회전축을 중심으로 하여 방사상으로 설치하는 스트럿에 대하여, 그 회전축 둘레 방향에 있어서의 간격을 동일하지 않게 함으로써, 종래와 같이 등간격으로 배치한 경우에 발생되었던 하모닉스 성분을 저감시킬 수 있다. 즉, 압축기 내에서, 스트럿 하류측에 유입되는 유체의 주파수 분포에 있어서 각 주파수에 있어서의 여진력을 분산시킬 수 있다. 이와 같이 하여, 종래 형상에서 발생되었던 하모닉스 성분을 저감시킬 수 있기 때문에, 압축기에 있어서의 날개 설계의 자유도를 높일 수 있다.

또, 제 2 케이싱과 외측 케이싱의 접속 부분에 있어서의 굴곡 부분에 회전축의 외주면과 거의 평행한 면이 되는 평탄부를 형성함으로써, 제 2 케이싱 내벽의 외주측으로부터 흘러오는 유체의 흐름을 정지시킬 수 있다. 이로써, 이 평탄부를 따라 회전축 둘레 방향으로 유체를 흐르게 하여, 회전축 둘레 방향에 있어서, 굴곡 부분의 선단으로부터 흐르는 유체의 흐름을 거의 동일한 조건의 흐름으로 할 수 있다. 따라서, 회전축 둘레 방향에 있어서, 압축기에 공급하는 흐름의 편류를 저감시킬 수 있어, 압축기의 효율 저하를 억제할 수 있다.

또한, 제 2 케이싱과 외측 케이싱의 접속 부분에 대하여, 스트럿의 외측 케이싱의 접속 위치가 떨어진 위치가 됨으로써, 스트럿에 대하여 회전축의 직경 방향에 대하여 외주측으로 유입되는 유체의 흐름을 보다 일정한 흐름으로 할 수 있다. 따라서, 스트럿에 있어서의 회전축의 직경 방향에 대한 외주측에서의 압손을 저감시킬 수 있기 때문에, 압축기의 효율 저하를 억제할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 흡기 덕트를 구비한 가스 터빈의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다.

도 2 는 제 1 실시형태의 흡기 덕트의 구성을 나타내는 흡기 덕트 주변의 개략적인 단면도이다.

도 3 은 제 1 실시형태의 흡기 덕트에 있어서의 스트럿의 배치 관계를 나타내는 도면이다.

도 4 는 스트럿을 등간격으로 배치한 경우와 부등 간격으로 배치한 경우의 주파수 성분의 분포 특성을 나타내는 도면이다.

도 5 는 제 1 실시형태의 흡기 덕트에 있어서의 스트럿 배치 관계의 다른 예를 나타내는 도면이다.

도 6 은 제 2 실시형태의 흡기 덕트의 구성을 나타내는 흡기 덕트 주변의 개략적인 단면도이다.

도 7 은 제 2 실시형태의 흡기 덕트의 다른 구성을 나타내는 흡기 덕트 주변의 개략적인 단면도이다.

도 8 은 스트럿과 회전축의 위치 관계를 설명하기 위한 도면이다.

도 9 는 제 3 실시형태의 흡기 덕트의 구성을 나타내는 흡기 덕트 주변의 개략적인 단면도이다.

도 10 은 제 3 실시형태의 흡기 덕트의 다른 구성을 나타내는 흡기 덕트 주변의 개략적인 단면도이다.

도 11 은 종래의 흡기 덕트의 구성을 나타내는 흡기 덕트 주변의 개략적인 단면도이다.

도 12 는 종래의 흡기 덕트에 있어서의 스트럿의 배치 관계를 나타내는 도면이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 압축기 2 : 연소기

3 : 터빈 4a : 내측 케이싱

4b : 외측 케이싱 5 : 회전축

6a : 흡기 케이싱 (제 1 케이싱) 6b : 흡기 케이싱 (제 2 케이싱)

7 : 흡입구 8 : 스트럿

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

(가스 터빈의 구성)

본 발명의 흡기 덕트를 구비한 가스 터빈의 기본 구성에 대하여 도 1 을 참조하여 간단하게 설명한다. 도 1 은 가스 터빈의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 가스 터빈은, 공기를 압축시키는 압축기 (1) 와, 압축기 (1) 에 의해 압축된 공기와 연료가 공급되어 연소 동작을 행하는 연소기 (2) 와, 연소기 (2) 로부터의 연소 가스에 의해 회전 구동되는 터빈 (3) 을 구비한다. 이 압축기 (1) 및 터빈 (3) 은, 각각 차실 (40a, 40b) 에 의해 감싸져 있고, 또 연소기 (2) 가 압축기 (1) 와 터빈 (3) 을 1 축으로 하는 회전축 (5) 의 외주에 등간격으로 복수 배치된다.

또한, 압축기 (1) 에 공급하는 공기를 외기로부터 흡입하기 위한 흡입구 (7) 를 회전축 (5) 과 직교하는 방향 (회전축 (5) 의 직경 방향) 에 구비한 편흡입 구조인 흡기 덕트 (6) 가 압축기 (1) 의 상류측에 설치된다. 그리고, 회전축 (5) 의 직경 방향에 대하여 내측 및 외측 각각에 형성되는 내측 케이싱 (4a) 및 외측 케이싱 (4b) 에 의해 차실 (40a) 이 구성된다. 또, 이 흡기 덕트 (6) 가, 압축기 (1) 측에서 내측 케이싱 (4a) 및 외측 케이싱 (4b) 각각에 접속되는 흡기 케이싱 (제 1 케이싱 ; 6a) 및 흡기 케이싱 (제 2 케이싱 ; 6b) 에 의해 구성된다.

즉, 흡기 덕트 (6) 가, 동심의 원고리 형상의 흡기 케이싱 (6a, 6b) 에 의해 원환 형상의 공간 (10) 을 구비한 구조가 되고, 흡기 케이싱 (6a, 6b) 에 의해 구성되는 공간에 회전축 (5) 의 직경 방향으로 열린 흡입구 (7) 로부터의 외기가 공급된다. 또한, 도 1 에서도 나타내는 바와 같이, 이하의 각 실시형태에 있어서, 흡입구 (7) 가 상방에 형성되는 것으로서 설명하지만, 흡입구 (7) 는, 상방에 한정되지 않고, 회전축 (5) 의 직경 방향으로 열리는 것이면 된다. 마찬가지로, 차실 (40a) 이, 동축의 원주 형상의 내측 케이싱 (4a) 및 외측 케이싱 (4b) 에 의해 2 중 관 구조가 되어, 내측 케이싱 (4a) 및 외측 케이싱 (4b) 사이의 공간에 압축 공기 유로 (13) 가 구성된다.

또, 내측 케이싱 (4a) 및 외측 케이싱 (4b) 은, 압축기 (1) 의 입구측에서 지지하기 위한 스트럿 (8) 이 형성된다. 즉, 압축기 (1) 의 IGV (입구 안내 날 개) 가 되는 제 1 단째 고정자 블레이드 (11) 의 전단에 스트럿 (8) 이 설치되어 있다. 또한, IGV 가 되는 제 1 단째 고정자 블레이드 (11) 는 개폐 가능한 가동 (可動) 블레이드로서, 이 제 1 단째 고정자 블레이드 (11) 에 의해, 흡기 덕트 (6) 로부터 압축기 (1) 에 공급되는 공기 유량을 설정할 수 있다.

그리고, 압축 공기 유로 (13) 는, 외측 케이싱 (4b) 에 고정된 고정자 블레이드 (11) 와, 회전축 (5) 에 고정된 회전자 블레이드 (12) 가 교대로 배치되어, 흡기 덕트 (6) 에 의해 흡기된 외기에 의한 공기가 공급된다. 또, 터빈 유로 (33) 는, 터빈 차실 (40b) 에 고정된 고정자 블레이드 (31) 와, 회전축 (5) 에 고정된 회전자 블레이드 (32) 가 교대로 배치되어, 연소기 (2) 에 의해 발생된 연소 가스가 공급된다.

이 가스 터빈에 있어서, 압축기 (1) 에 의해 압축된 공기는 연소기 (2) 에 공급된다. 그리고, 연소기 (2) 에 공급된 압축 공기는, 연소기 (2) 에 공급되는 연료의 연소에 사용된다. 압축 공기의 일부는, 연소기 (2) 로부터의 연소 가스에 의해 고온에 노출되는 터빈 차실 (40b) 에 고정된 고정자 블레이드 (31) 와, 회전축 (5) 에 고정된 회전자 블레이드 (32) 를 냉각시키기 위해 사용된다.

그리고, 연소기 (2) 에 있어서의 연소 동작에 의해 발생되는 연소 가스가 터빈 (3) 에 공급되고, 연소 가스가 회전자 블레이드 (32) 및 고정자 블레이드 (31) 를 교대로 통과함으로써 터빈 (3) 이 회전 구동된다. 터빈 (3) 의 회전 구동이 회전축 (5) 을 통하여 압축기 (1) 에 전달됨으로써, 압축기 (1) 가 회전 구동된다. 이로써, 압축기 (1) 에서, 회전축 (5) 에 고정된 회전자 블레이드 (12) 가 회전 함으로써, 차실 (40a) 에 고정된 고정자 블레이드 (11) 와 회전자 블레이드 (12) 에 의해 형성되는 공간을 흐르는 공기가 압축된다.

이와 같이 구성되는 가스 터빈 (3) 의 압축기 (1) 에 관한 각 실시형태에 대하여, 이하에 설명한다.

(제 1 실시형태)

본 발명의 압축기의 제 1 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 2 는 본 실시형태의 압축기의 흡기 덕트 주변의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이고, 도 3 은 본 실시형태의 압축기에 사용되는 스트럿의 회전축 둘레 방향에 있어서의 설치 관계를 나타내는 도면이다.

도 2 에 나타내는 바와 같이, 내측 케이싱 (4a) 이 회전축 (5) 의 선단측까지 연장됨과 함께, 그 선단이 외주 방향을 향하여 굴곡된 구조가 되고, 이 굴곡된 선단에 원환 형상의 흡기 케이싱 (6a) 이 접속된다. 또, 외측 케이싱 (4b) 이 내측 케이싱 (4a) 보다 압축기 (1) 측에서 굴곡됨과 함께, 그 굴곡 부분 (41) 이 흡기 케이싱 (6a) 의 내벽을 향하여 볼록해진 벨마우스 구조가 되고, 그 선단에 원환 형상의 흡기 케이싱 (6b) 이 접속된다. 그리고, 흡기 케이싱 (6a, 6b) 각각의 측면이 접속되어, 흡기 케이싱 (6a, 6b) 과 내측 케이싱 (4a) 및 외측 케이싱 (4b) 에 의해 원환 형상의 공간 (10) 을 구비한 흡기 덕트 (6) 가 형성된다. 이 흡기 덕트 (6) 는 상방이 열린 구성이 됨으로써, 상방으로부터 외기를 흡입하는 흡입구 (7) 가 형성된다.

또한, 회전축 (5) 을 중심으로 하여 방사상으로 형성된 스트럿 (8) 이, 외측 케이싱 (4b) 의 굴곡 부분 (41) 의 내측에 접속됨과 함께 내측 케이싱 (4a) 과도 접속된다. 이 스트럿 (8) 에 의해, 내측 케이싱 (4a) 및 외측 케이싱 (4b) 이 압축기 (1) 의 입구측에서 지지된다. 또, 스트럿 (8) 은, 회전축 (5) 의 축 방향에서 내측 케이싱 (4a) 및 외측 케이싱 (4b) 각각과의 접속 위치가 거의 일치된 형상이 된다.

이와 같이 구성될 때, 회전축 (5) 에 대하여 방사상으로 설치되는 스트럿 (8) 에 대하여, 회전축 (5) 둘레 방향에 대한 배치 관계를 도 3 에 나타낸다. 즉, 8 개의 스트럿 (8a ～ 8h) 이 회전축 (5) 둘레 방향에 설치될 때, 스트럿 (8a ～ 8h) 에서 인접하는 스트럿 간격 각도의 최소값과 최대값의 차가 120°/8 = 15℃ 이상이 된다. 또한, n 개의 스트럿 (8) 의 경우, 인접하는 스트럿 (8) 간격 각도의 최소값과 최대값과 차가 120°/n 이상이 되도록 설정된다.

도 3 과 같이 8 개의 스트럿 (8a ～ 8h) 이 설치되는 경우, 스트럿 (8a, 8b) 및 스트럿 (8e, 8f) 의 간격을 각도 θ1, 스트럿 (8b, 8c) 및 스트럿 (8f, 8g) 의 간격을 각도 θ2, 스트럿 (8c, 8d) 및 스트럿 (8g, 8h) 의 간격을 각도 θ3, 스트럿 (8d, 8e) 및 스트럿 (8h, 8a) 의 간격을 각도 θ4 로 한다. 이 때, 예를 들어, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 각도 θ1 ～ θ3 을 각각 40°로 함과 함께 각도 θ4 를 60°로 하도록, 각도 θ1 ～ θ4 에 있어서의 최소값이 되는 각도 θmin 의 값과 최대값이 되는 각도 θmax 의 값의 차가 15°이상으로 설정된다.

이와 같이, 스트럿 (8) 간격 각도의 최소값과 최대값의 차를 120°/n 이상으로 함으로써, 압축 유로 (13) 에 있어서의 스트럿 (8) 하류에서의 전체압의 주파수 성분의 분포를 도 4 의 (b) 에 나타내는 바와 같은 분포 특성으로 할 수 있다. 즉, 스트럿 (8) 간격의 각도를 모두 동일하게 한 도 4 의 (a) 와 같은 분포 특성에서는, 스트럿 갯수에 따른 하모닉스 성분을 갖기 때문에, 그 하모닉스 성분이 되는 주파수에 있어서의 여진력이 돌출되어 커진다. 이에 대해, 본 실시형태에서는, 도 4 의 (b) 에 나타내는 바와 같이, 스트럿 (8) 을 둘레 방향에 부등간격으로 배치하기 때문에, 각 주파수에 있어서의 여진력을 분산시켜, 하모닉스 성분을 저감시킬 수 있다. 또한, 도 4 는 스트럿 (8) 하류측에 유입되는 공기의 전체압의 주파수 분포를 여진력에 의해 나타낸 것, 즉 스트럿 하류, IGV 상류의 흐름의 전체압 변동 진폭의 주파수 분포를 나타낸다.

이와 같이, 본 실시형태에서는, 도 4(b) 에 있어서, 스트럿 (8) 하류측에 유입되는 공기의 전체압의 주파수 성분 분포에 나타내는 바와 같이, 하모닉스 성분을 저감시킬 수 있기 때문에, 압축기 (1) 의 고정자 블레이드 (11) 및 회전자 블레이드 (12) 의 설치 위치에 대한 설계 자유도를 증가시킬 수 있다. 또한, 스트럿 (8) 둘레 방향의 위치 관계에 대해서는 도 3 은 일례이며, 8 개의 스트럿 (8a ～ 8h) 에 대하여, 도 5 와 같이, 각도 θ1, θ2 를 30°, 각도 θ3 을 50 °, 각도 θ4 를 70°와 같이 일부의 인접하는 간격의 각도가 15°(= 120/8°) 이상이 되도록 해도 상관없다.

또한, 스트럿 (8) 의 개수에 대해서도 8 개에 한정되지 않고, 내측 케이싱 (4a) 과 외측 케이싱 (4b) 을 충분히 지지할 수 있을 만큼의 개수만 설치되는 것으로 한다면, 8 개보다 적거나 많아도 상관없다. 또한, 상기 서술한 바와 같이, 스트럿 (8) 에 의해 발생되는 웨이크에 의해 압손이 발생되기 때문에, 압축기 (1) 에 유입시키는 공기의 압손을 저감시키기 위해서는, 스트럿 (8) 의 개수는 가능한 한 적은 편이 좋다.

(제 2 실시형태)

본 발명의 압축기의 제 2 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 6 은 본 실시형태의 압축기의 흡기 덕트 주변의 구성을 나타내는 개략적인 단면도로서, 도 2 의 구성과 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 실시형태에서는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 도 2 에 나타내는 구성과 달리, 스트럿 (8) 이, 그 내측 케이싱 (4a) 에서의 접속 위치 A 가 외측 케이싱 (4b) 에서의 접속 위치 B 와 비교하여 상류측에 위치하도록, 회전축 (5) 의 외주를 따라 회전축 (5) 축 방향의 하류측으로 경사진 형상이 된다. 이와 같이 구성함으로써, 외측 케이싱 (4b) 의 굴곡 부분 (41) 의 선단 C 에서 스트럿 (8) 의 외측 케이싱 (4b) 에서의 접속 위치 B 까지의 거리 d 가, 도 2 의 구성의 경우와 비교하여 길어진다.

이제 외측 케이싱 (4b) 의 굴곡 부분 (41) 이 벨마우스 형상이기 때문에, 흡기 덕트 (6) 의 압축기 (1) 측 흡기 케이싱 (6b) 의 내벽을 따라 외주측으로부터 흐르는 공기가, 그 흐름이 정지되지 않고, 스트럿 (8) 이 설치되는 공기 유로 (13) 의 입구까지 흐른다. 이 때문에, 공기 유로 (13) 의 입구에서는, 내측 케이싱 (4a) 측과 외측 케이싱 (4b) 측에서는 유입되는 공기의 유속에 차가 생긴다.

그러나, 스트럿 (8) 을 도 6 과 같은 후방 가장자리측 (회전축 (5) 의 축 방향에 있어서의 하류측) 으로 기울인 형상으로 함으로써, 내측 케이싱 (4a) 측에서 외측 케이싱 (4b) 을 향하여, 공기 유로 (13) 의 입구에서 스트럿 (8) 까지의 거리를 길게 할 수 있다. 따라서, 회전축 (5) 의 직경 방향에 대하여, 스트럿 (8) 의 전방 가장자리 (회전축 (5) 의 축 방향에 있어서의 상류측의 가장자리) 에 있어서의 공기의 유속 분포를 대략 동일한 상태로 할 수 있다. 이로써, 스트럿 (8) 에 유입되는 공기의 흐름을 보다 일정한 흐름으로 할 수 있어, 외측 케이싱 (4b) 과의 접속 위치측 (칩측) 에 있어서의 압손을 저감시킬 수 있다.

또한, 도 6 에서는, 회전축 (5) 둘레 방향에 배치된 복수 개의 스트럿 (8) 에서, 그 외측 케이싱 (4b) 과의 접속 위치 B 가 내측 케이싱 (4a) 과의 접속 위치 A 와 비교하여 하류측에 위치하는 것으로 하고, 외측 케이싱 (4b) 의 굴곡 부분 (41) 의 선단 C 에서 접속 위치 B 의 거리 d 를 동일한 것으로 하였다. 그러나, 흡입구 (7) 에 가까운 위치의 스트럿 (8a) 및 흡입구 (7) 보다 먼 위치의 스트럿 (8d) 각각에 있어서의, 외측 케이싱 (4b) 의 굴곡 부분 (41) 의 선단 C 에서 외측 케이싱 (4b) 의 접속 위치 B 까지의 거리 d1, d4 를 비교했을 때, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 거리 d1 이 거리 d4 보다 길어지도록 설정해도 상관없다.

또한, 도 7 과 같이, 스트럿 (8) 둘레 방향의 위치에 따라, 외측 케이싱 (4b) 의 굴곡 부분 (41) 의 선단 C 에서 외측 케이싱 (4b) 의 접속 위치 B 까지의 거리 d 를 변화시킬 때, 흡입구 (7) 의 중심과 회전축 (5) 의 중심을 연결하는 직선 L 의 교차 각도 θ (0°≤ θ ≤ 180°, 도 8 참조) 에 따라 변화시키는 것으로 하고, 교차 각도 θ 가 커져 흡입구 (7) 로부터 멀어질수록 거리 d 가 작아지는 것으로 해도 상관없다.

또, 스트럿 (8) 둘레 방향의 위치 관계에 대해서는, 제 1 실시형태와 같이 (예를 들어, 도 3 또는 도 5), 인접하는 스트럿 (8) 의 간격을 동일하지 않은 것으로 함으로써, 스트럿 (8) 하류측에 유입되는 공기의 전체압의 주파수 성분 분포에 있어서의 하모닉스 성분을 저감시켜, 압축기 (1) 의 날개 설계의 자유도를 높이도록 해도 상관없다.

(제 3 실시형태)

본 발명의 압축기의 제 3 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 9 는 본 실시형태의 압축기의 흡기 덕트 주변의 구성을 나타내는 개략적인 단면도로서, 도 2 의 구성과 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 실시형태에서는, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 도 2 에 나타내는 구성과 달리, 외측 케이싱 (4b) 의 굴곡 부분 (41) 이 더욱 흡기 케이싱 (6a) 측으로 돌출된 구성이 되고, 외주측에서 회전축 (5) 의 외주면과 거의 평행한 면 (흡기 케이싱 (6b) 에 대하여 거의 수직한 면) 이 되는 평탄 부분 (41a) 이 형성된다. 그리고, 이 평탄 부분 (41a) 의 흡기 케이싱 (6a) 측의 선단으로부터 내측을 향하여 단면이, 그 선단이 흡기 케이싱 (6a) 측을 향한 U 자 형상이 되는 곡면 부분 (41b) 이 형성된다.

이와 같이, 외측 케이싱 (4b) 의 흡기 케이싱 (6b) 과 접속되는 굴곡 부분 (41) 에 평탄 부분 (41a) 을 형성함으로써, 흡기 케이싱 (6b) 의 내벽을 따라 외주측으로부터 흘러들어오는 공기의 흐름을 정지시킬 수 있다. 이 때, 이 공기의 흐름을 평탄 부분 (41a) 에서 둘레 방향으로 돌아 들어가게 할 수 있기 때문에, 굴곡 부분 (41) 의 평탄 부분 (41a) 으로부터 곡면 부분 (41b) 을 따라 흐르는 공기의 흐름을 둘레 방향에서 거의 동일 조건에서 가속시킬 수 있다. 이로써, 공기 유로 (13) 에 흘러들어오는 공기의 흐름의 분포를 회전축 (5) 둘레 방향에 대하여 거의 동일한 상태로 하여, 편류를 완화시킬 수 있다.

또, 굴곡 부분 (41) 에 평탄 부분 (41a) 을 형성함으로써, 흡기 케이싱 (6a) 을 향하여 돌출시킨 구성으로 하기 때문에, 도 2 의 구성과 비교하여, 굴곡 부분 (41) 의 선단 C 에서 스트럿 (8) 의 외측 케이싱 (4b) 에서의 접속 위치 B 까지의 거리 d 를 길게 할 수 있다. 이로써, 제 2 실시형태와 마찬가지로, 스트럿 (8) 에 유입되는 공기의 흐름을 보다 일정한 흐름으로 할 수 있어, 외측 케이싱 (4b) 과의 접속 위치측 (칩측) 에 있어서의 압손을 저감시킬 수 있다.

따라서, 본 실시형태와 같이, 굴곡 부분 (41) 에 평탄 부분 (41a) 을 형성하고 흡기 덕트 (6) 내부로 돌출시킴으로써, 공기 유로 (13) 에 흘러들어오는 공기 흐름의 분포를 회전축 (5) 의 직경 방향 및 둘레 방향 각각에 대하여 거의 동일한 상태로 하여 편류를 작게 할 수 있기 때문에, 압축기의 효율 저하를 억제할 수 있다.

또한, 도 9 에서는, 외측 케이싱 (4b) 의 굴곡 부분 (41) 을 회전축 (5) 둘레 방향에 대하여 동일한 단면 형상으로 하는 것으로 했는데, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 흡입구 (7) 에 가까운 위치의 평탄부 (41a) 의 축 방향의 길이가 흡입구 (7) 에 먼 위치의 평탄부 (41a) 의 축 방향의 길이보다 길어지도록 해도 상관없다. 이와 같이 함으로써, 흡입구 (7) 에 가까운 위치의 스트럿 (8a) 및 흡입구 (7) 보다 먼 위치의 스트럿 (8d) 각각에 있어서의, 외측 케이싱 (4b) 의 굴곡 부분 (41) 의 선단 C 에서 외측 케이싱 (4b) 의 접속 위치 B 까지의 거리 d1, d4 를 비교했을 때, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 거리 d1 이 거리 d4 보다 길어진다. 또한, 흡입구 (7) 에서 먼 위치에서는, 굴곡 부분 (41) 에 평탄부 (41a) 가 구성되지 않고, 도 2 와 동일한 벨마우스 형상이 되도록 해도 상관없다.

또한, 도 10 에 나타내는 구성으로 할 때, 굴곡 부분 (41) 둘레 방향의 위치에 따라, 외측 케이싱 (4b) 의 굴곡 부분 (41) 의 선단 C 에서 외측 케이싱 (4b) 의 접속 위치 B 까지의 거리 d 를 변화시킬 때, 흡입구 (7) 의 중심과 회전축 (5) 의 중심을 연결하는 직선 L 의 교차 각도 θ (0°≤ θ ≤ 180°, 도 8 참조) 에 따라 변화시키는 것으로 하고, 교차 각도 θ 가 커져 흡입구 (7) 로부터 멀어질수록 거리 d 가 커지는 것으로 해도 상관없다.

또한, 본 실시형태에서도, 스트럿 (8) 둘레 방향의 위치 관계에 대해서는, 제 1 실시형태와 같이 (예를 들어, 도 3 또는 도 5), 인접하는 스트럿 (8) 의 간격을 동일하지 않은 것으로 함으로써, 스트럿 (8) 하류측에 유입되는 공기의 전체압의 주파수 성분 분포에 있어서의 하모닉스 성분을 저감시켜, 압축기 (1) 의 날개 설계의 자유도를 높이도록 해도 상관없다. 또, 제 2 실시형태와 같이, 스트럿 (8) 에 있어서, 외측 케이싱 (4b) 과의 접속 위치 B 가 내측 케이싱 (4a) 과의 접 속 위치 A 와 비교하여 하류측에 위치하는 것으로 하여, 스트럿 (8) 의 전방 가장자리에 있어서의 공기의 유속 분포를 거의 동일한 상태로 하는 것으로 해도 상관없다.

본 발명의 압축기는, 회전축을 중심으로 한 원환 형상의 공간을 구비함과 함께, 편측을 개구하여 흡입구로 한, 편흡입 구조의 압축기에 적용할 수 있다. 또, 연소 가스에 의해 회전 구동되는 가스 터빈과 동일축이 되도록 구성된 압축기에 대하여 적용할 수 있다.

Claims

회전축을 감싸도록 배치된 내측 케이싱과,

상기 내측 케이싱을 감싸도록 배치되고, 상기 회전축 주위에 유체 유로를 형성하는 외측 케이싱과,

상기 유체 유로의 입구측에서 상기 내측 케이싱과 상기 외측 케이싱 사이에 가설된 n 개의 스트럿을 구비하고 (n 은 2 이상의 정수),

상기 n 개의 스트럿이, 상기 회전축을 중심으로 하여 방사상으로 배치 형성되고, 또한 상기 회전축 둘레 방향에 인접하는 상기 스트럿의 간격이 동일하지 않고,

인접하는 상기 스트럿의 간격을 나타내는 각도의 최대값과 최소값의 차가 120°/n 이상인 압축기.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 유체 유로의 입구단에서 상기 내측 케이싱에 접속되는 제 1 케이싱과, 상기 유체 유로의 입구단에서 상기 외측 케이싱에 접속되는 제 2 케이싱을 더 구비하고,

상기 외측 케이싱의 상기 제 2 케이싱과의 접속 부분에, 상기 제 1 케이싱을 향하여 돌출되도록 굴곡되는 굴곡부가 형성되어 있는 압축기.
제 3 항에 있어서,

상기 굴곡부가, 상기 제 2 케이싱에 인접하고, 상기 회전축의 외주면과 거의 평행한 면을 이루는 평탄부와, 상기 평탄부의 선단으로부터 상기 회전축의 직경 방향 안쪽을 향하여 매끄럽게 만곡되는 곡면부를 구비하고,

상기 굴곡부의 단면은, 상기 제 1 케이싱을 향하여 돌출되는 대략 U 자 형상을 이루는 압축기.
제 3 항에 있어서,

상기 스트럿의 상기 외측 케이싱과의 접속부는, 상기 굴곡부의 선단보다 상기 회전축 축 방향의 하류측에 위치하는 압축기.
제 4 항에 있어서,

상기 회전축 둘레 방향을 따라 원환 형상으로 형성된 상기 평탄부 중, 상기 제 1 및 제 2 케이싱의 선단에 형성된 외기의 흡입구에 인접하는 임의 부분의 상기 축 방향의 길이가, 상기 임의 부분보다 상기 흡입구로부터 먼 곳에 위치하는 다른 부분의 상기 축 방향의 길이보다 긴 압축기.
제 3 항에 있어서,

상기 회전축 둘레 방향을 따라 원환 형상으로 형성된 상기 굴곡부 중, 상기 제 1 및 제 2 케이싱의 선단에 형성된 외기의 흡입구에 인접하는 임의 부분의 선단이, 상기 임의 부분보다 상기 흡입구로부터 먼 곳에 위치하는 다른 부분의 선단보다 상기 제 1 케이싱을 향하여 돌출되어 있는 압축기.
제 1 항에 있어서,

상기 스트럿의 상기 외측 케이싱과의 접속부는, 상기 스트럿의 상기 내측 케이싱과의 접속부보다 상기 회전축 축 방향의 하류측에 위치하는 압축기.
제 8 항에 있어서,

상기 유체 유로의 입구단에서 상기 내측 케이싱에 접속되는 제 1 케이싱과, 상기 유체 유로의 입구단에서 상기 외측 케이싱에 접속되는 제 2 케이싱을 더 구비하고,

상기 외측 케이싱의 상기 제 2 케이싱과의 접속 부분에, 상기 제 1 케이싱을 향하여 돌출되도록 굴곡되는 굴곡부가 상기 회전축의 둘레 방향을 따라 원환 형상으로 형성되고,

상기 굴곡부는 상기 굴곡부의 선단으로부터 상기 스트럿의 상기 내측 케이싱과의 접속부까지의 거리는 상기 제 1 및 제 2 케이싱의 선단에 형성된 외기의 흡입구에 가까운 상기 스트럿만큼 길고, 상기 흡입구로부터 먼 상기 스트럿만큼 짧은 압축기.