KR101346085B1 - 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법 및, 이 설계기법에 의해 제작된 축류형 압축기 동익 - Google Patents

축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법 및, 이 설계기법에 의해 제작된 축류형 압축기 동익 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 축류형 압축기에 장착되는 동익(100)의 동익단 설계기법에 있어서, 수직적 위치에 따라 루트부(111), 미드스팬부(113) 및 팁부(115)로 구분되는 블레이드(110) 상에서, 상기 블레이드(110)의 정단면 형상을 상기 루트부(111)에 대응되는 제1단면(ⓐ), 상기 루트부(111)와 미드스팬부(113)의 중간 위치(112)에 대응되는 제2단면(②), 상기 미드스팬부(113)에 대응되는 제3단면(③), 상기 미드스팬부(113)와 팁부(115)의 중간 위치(114)에 대응되는 제4단면(④) 및, 상기 팁부(115)에 대응되는 제5단면(⑤)을 포함하는 복수 개의 설계단면으로 구분하는 설계단면 구분단계(S210); 및 상기 제2단면(②)의 길이는 상기 루트부(111)에 가해지는 응력이 완화되도록 제1단면(①)의 길이보다 짧아지고, 상기 제3단면(③)의 길이는 상기 제2단면(②)의 길이가 짧아짐에 따라 낮아진 압력을 회복할 수 있도록 상기 제1단면(①) 및 제2단면(②)의 길이보다 길어지며, 상기 제4단면(④)의 길이는 상기 블레이드(110)의 마찰손실이 감소되도록 상기 제3단면(③)의 길이보다 짧아지고, 상기 제5단면(⑤)의 길이는 충격파를 저감시켜 상기 축류형 압축기의 전체적인 효율이 증대되도록 상기 제4단면(④)의 길이보다 길어지도록 각 설계단면의 형상을 결정하는 설계단면 형상 결정단계(S220);를 포함하는 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법을 개시한다.

Description

축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법 및, 이 설계기법에 의해 제작된 축류형 압축기 동익{Transonic Compressor Rotor Design Method, And Transonic Compressor Rotor}
본 발명은 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법 및, 이 설계기법에 의해 제작된 축류형 압축기 동익에 관한 것으로, 보다 상세하게는 축류형 압축기에 장착되는 동익단이 공력적인 성능은 동일하면서도 구조적인 안정성을 가질 수 있도록 최적화된 형상으로 제작할 수 있는 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법 및, 이 설계기법에 의해 제작된 축류형 압축기 동익에 관한 것이다.
일반적인 축류형 압축기의 경우 회전반경에 따라 2차원 설계 익형을 적층하여 블레이드를 구성하는 방법으로 설계되어 왔다. 대부분 2차원 익형에 대한 유동 데이터는 실험을 통해 얻었으며 이들 결과로부터 축류형 압축기를 설계하였다.
최근에 들어 컴퓨터를 이용해 설계를 수행함에 있어서도, 익형에 대한 데이터는 기존 실험데이터를 모델링하여 활용한다는 측면에서는 축류형 압축기의 설계는 상당히 보수적인 방법으로 진행되어지는 것이 현실이다.
여기서, 도 1은 종래의 적층식 축류형 압축기의 동익의 구성을 나타내며, 도 2는 동익에 구성되는 블레이드의 형상을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 상기 축류형 압축기에 장착되는 동익(10)은, 축류형 압축기의 회전축에 체결되는 환 형상의 허브(12)와, 상기 허브의 둘레에서 방사상으로 연장된 형태로 고정되는 다수 개의 블레이드(11)로 구성된다.
또한, 도 2를 참조하면, 각각의 블레이드(11)는 수직적 위치에 따라 허브(120)에 고정되는 루트부(11a)와, 블레이드(11)의 중앙부를 형성하는 미드스팬부(11b) 및, 블레이드(11)의 말단부를 형성하는 팁부(11c)로 각각의 영역이 구분되어 명칭된다.
일반적으로 축류형 압축기는 많은 유량을 수송해야 하기 때문에 매우 고속으로 회전하므로 원심력으로 인해 상기 블레이드(11)의 루트부(11c)에 가해지는 응력이 매우 높은 편이다. 이 응력이 소재의 항복응력(Yield Stress)보다 높아지게 되면 탄성변형(Elastic Deformation)이 아닌 소성변형(Plastic Deformation)이 발생하게 되고, 소성변형이 발생하고도 상기 응력이 최대인장강도(Ultimate Tensile Stress)보다도 높아지게 되면 소재는 파괴된다. 또한, 상기 블레이드(11)와 같은 반복적인 하중을 받는 소재의 경우 시간이 지남에 따라 상기 최대인장강도가 떨어지는 등 내구연한이 존재한다.
이에 축류형 압축기의 경우 안전율을 최대로 높이기 위해 정속운전 시 혹은 불가피하거나 의도하지 않은 가속/감속 시 발생할 수 있는 최대응력을 낮추어 수명을 최대한 늘리는 것이 매우 중요하다. 또한 매우 고속으로 회전하는 축류형 압축기 내부에서는 충격파 등이 형성되기 쉬운데, 특히 천음속 축류형 압축기는 많은 유량을 수송하기 위해 매우 높은 회전수로 축류형 압축기의 동익(10)이 회전하게 되며, 이에 동익(10)의 내부에서 마하수 1 이상의 영역이 발생하고 동익(10)의 하류에서 순간적으로 마하수가 1이하로 떨어지는 충격파가 발생하는 문제점이 있었다.
최근에는 전산유체수치해석(Computational Fluids Dynamics, 이하 CFD)기법의 개발로, 압축기의 설계 혹은 설계 검증에 많이 활용하기 시작하고 있다. 특히 원심형 압축기에 대해서는 국내에서도 연구개발이 활발하여, 설계 및 상용화 제작 등에 최신 설계 기법을 많이 도입하고 있으나, 국내에서는 축류압축기, 특히 천음속 축류압축기 설계 기술이 매우 미약하고 선진국과의 기술 격차가 매우 컸다.
<학술논문> 가중평균대리모델을 사용한 천음속 압축기 블레이드 최적화(압두스 사마드, 김광용, 최재호) : 대한기계학회논문집 B권, 제32권 제4호, pp. 317~326, 2008
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 축류형 압축기에 장착되는 동익단이 공력적인 성능은 동일하면서도 구조적인 안정성을 가질 수 있도록 최적화된 형상으로 제작할 수 있는 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법을 제공하는 것에 있다
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법은, 축류형 압축기에 장착되는 동익(100)의 동익단 설계기법에 있어서, 수직적 위치에 따라 루트부(111), 미드스팬부(113) 및 팁부(115)로 구분되는 블레이드(110) 상에서, 상기 블레이드(110)의 정단면 형상을 상기 루트부(111)에 대응되는 제1단면(ⓐ), 상기 루트부(111)와 미드스팬부(113)의 중간 위치(112)에 대응되는 제2단면(②), 상기 미드스팬부(113)에 대응되는 제3단면(③), 상기 미드스팬부(113)와 팁부(115)의 중간 위치(114)에 대응되는 제4단면(④) 및, 상기 팁부(115)에 대응되는 제5단면(⑤)을 포함하는 복수 개의 설계단면으로 구분하는 설계단면 구분단계(S210); 및 상기 제2단면(②)의 길이는 상기 루트부(111)에 가해지는 응력이 완화되도록 제1단면(①)의 길이보다 짧아지고, 상기 제3단면(③)의 길이는 상기 제2단면(②)의 길이가 짧아짐에 따라 낮아진 압력을 회복할 수 있도록 상기 제1단면(①) 및 제2단면(②)의 길이보다 길어지며, 상기 제4단면(④)의 길이는 상기 블레이드(110)의 마찰손실이 감소되도록 상기 제3단면(③)의 길이보다 짧아지고, 상기 제5단면(⑤)의 길이는 충격파를 저감시켜 상기 축류형 압축기의 전체적인 효율이 증대되도록 상기 제4단면(④)의 길이보다 길어지도록 각 설계단면의 형상을 결정하는 설계단면 형상 결정단계(S220);를 포함한다.
또한, 상기 설계단면 구분단계(S210)는, 상기 블레이드(110)의 정단면 형상을 6개 이상의 설계단면으로 구분하되, 상기 설계단면 형상 결정단계(S220)는, 상기 6개 이상의 설계단면으로 구분하여 결정된 블레이드(110)의 전체적인 형상이 5개의 설계단면(제1단면(①),제2단면(②),제3단면(③),제4단면(④),제5단면(⑤))으로 구분하여 결정된 블레이드(110)의 전체적인 형상과 동일한 위상을 갖도록 각 설계단면의 형상을 결정할 수 있다.
한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법은, 축류형 압축기에 장착되는 동익(100)의 동익단 설계기법에 있어서, 수직적 위치에 따라 루트부(111), 미드스팬부(113) 및 팁부(115)로 구분되는 블레이드(110) 상에서, 상기 블레이드(110)의 정단면 형상을 상기 루트부(111)에 대응되는 제1단면(ⓐ), 상기 루트부(111)와 미드스팬부(113)의 중간 위치(112)에 대응되는 제2단면(ⓑ), 상기 미드스팬부(113)에 대응되는 제3단면(ⓒ), 상기 미드스팬부(113)와 팁부(115)의 중간 위치(114)에 대응되는 제4단면(ⓓ) 및, 상기 팁부(115)에 대응되는 제5단면(ⓔ)을 포함하는 복수 개의 설계단면으로 구분하는 설계단면 구분단계(S210); 및 상기 제2단면(ⓑ)의 길이는 상기 루트부(111)에 가해지는 응력이 완화되도록 제1단면(ⓐ)의 길이보다 짧아지고, 상기 제3단면(ⓒ)의 길이는 상기 제2단면(ⓑ)의 길이가 짧아짐에 따라 낮아진 압력을 회복할 수 있도록 상기 제1단면(ⓐ) 및 제2단면(ⓑ)의 길이보다 길어지며, 상기 제5단면(ⓔ)의 길이는 충격파를 저감시켜 상기 축류형 압축기의 전체적인 효율이 증대되도록 제2단면(ⓑ)의 길이보다 길어지고, 상기 제4단면(ⓓ)의 길이는 상기 제3단면(ⓒ)의 길이와 제5단면(ⓔ)의 길이의 중간값을 갖도록 각 설계단면의 형상을 결정하는 설계단면 형상 결정단계(S230);를 포함한다.
여기서, 상기 설계단면 구분단계(S210)는, 상기 블레이드(110)의 정단면 형상을 6개 이상의 설계단면으로 구분하되, 상기 설계단면 형상 결정단계(S230)는, 상기 6개 이상의 설계단면으로 구분하여 결정된 블레이드(110)의 전체적인 형상이 5개의 설계단면(제1단면(ⓐ),제2단면(ⓑ),제3단면(ⓒ),제4단면(ⓓ),제5단면(ⓔ))으로 구분하여 결정된 블레이드(110)의 전체적인 형상과 동일한 위상을 갖도록 각 설계단면의 형상을 결정할 수 있다.
또한, 상기 설계단면 형상 결정단계(S230)에서, 상기 제4단면(ⓓ)의 길이는,
상기 제3단면(ⓒ)의 길이값과 제5단면(ⓔ)의 길이값을 보간(Interpolation)하여 상기 제3단면(ⓒ)의 길이와 제5단면(ⓔ)의 길이의 중간값을 갖도록 설계할 수 있다.
본 발명에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법 및, 이 설계기법에 의해 제작된 축류형 압축기 동익에 의하면, 축류형 압축기에 장착되는 동익단이 공력적인 성능은 동일하면서도 구조적인 안정성을 가질 수 있도록 최적화된 형상으로 제작할 수 있다.
따라서, 구조적으로 안정성이 높고 신뢰성 있는 천음속 압축기의 설계가 가능하며, 이에 가스터빈 엔진 및 산업용 압축기 등 대용량의 압축공기를 필요로 하는 기계류의 효율을 상승시킬 수 있으며, 더욱이, 안전율이 높아 급가속 또는 급감속 시에도 압축기에 손상이 발생할 확률 등도 현저하게 감소하게 된다.
도 1은 종래의 적층식 축류형 압축기의 동익의 구성을 나타낸 정면도,
도 2는 종래의 동익에 구성되는 블레이드의 형상을 나타낸 정면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기의 동익의 형상을 나타낸 정면도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동익에 구성되는 블레이드의 형상을 나타낸 정면도,
도 5는 본 발명의 바람직한 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법에 따라 제작된 동익단의 형상을 나타낸 도 4의 A-A'를 절개한 단면도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법에 따라 제작된 동익단의 다른 형상을 나타내 단면도,
도 7a는 종래의 축류형 압축기에서 운전시 측정된 응력 분포를 나타낸 도면,
도 7a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법이 적용된 축류형 압축기에서 운전시 측정된 응력 분포를 나타낸 도면,
도 8a는 종래의 축류형 압축기에서 운전시 측정된 압력분포를 나타낸 그래프,
도 8b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법이 적용된 축류형 압축기에서 운전시 측정된 압력분포를 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법의 순서를 나타낸 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법에 의해 제작된 동익(100)은, 축류형 압축기의 회전축에 체결되는 환형상의 허브(120)와, 상기 허브(120)의 둘레에서 방사상으로 연장된 형태로 고정되는 복수 개의 블레이드(110)를 포함하여 구비된다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 블레이드(110)는 수직적 위치에 따라 허브(120)에 고정되는 부분인 루트부(111)와, 상기 블레이드(110)의 중앙부를 형성하는 미드스팬부(113) 및, 상기 블레이드(110)의 말단부를 형성하는 팁부(115)로 각각의 영역을 구분할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법은, 종래의 축류형 압축기의 기본적인 동익단에 대한 위상을 바탕으로 해당 형상에 축류형 압축기 설계에 대한 제한사항(유로형상, 회전수 등)에 근거하여 동익단 위상을 선택하고 크기 및 입출구 각도를 조절하여 원하는 유량 및 압력비를 내는 축류형 압축기를 설계할 수 있도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법은, 도 9에 도시된 바와 같이 설계단면 구분단계(S210) 및 설계단면 형상 결정단계(S220)를 포함하여 구비된다.
먼저, 상기 설계단면 구분단계(S210)는, 동익단의 형상을 결정하기 위해 복수 개의 설계단면으로 구분하는 단계로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 수직적 위치에 따라 루트부(111), 미드스팬부(113) 및 팁부(115)로 구분되는 블레이드(110) 상에서, 상기 블레이드(110)의 정단면 형상을 상기 루트부(111)에 대응되는 제1단면(①)과, 상기 루트부(111)와 미드스팬부(113)의 중간 위치(112)에 대응되는 제2단면(②)과, 상기 미드스팬부(113)에 대응되는 제3단면(③)과, 상기 미드스팬부(113)와 팁부(115)의 중간 위치(114)에 대응되는 제4단면(④) 및, 상기 팁부(115)에 대응되는 제5단면(⑤)을 포함하는 복수 개의 설계단면으로 구분한다.
여기서, 상기 중간 위치(112,114)는 두 구성간의 간격의 1/2 지점에 해당하는 수치상의 중앙 위치를 의미하는 것이 아니라, 두 구성간의 간격 내에서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법을 적용하여 동익단의 형상이 변형되는 일위치를 의미한다. 따라서, 상기 중간 위치(112,114)는 두 구성간의 간격의 1/2 지점에 해당할 수도 있으나 상기 1/2지점에 정확하게 일치하지 않은 상기 두 구성간의 간격 내에서도 정해질 수 있음은 물론이다. 또한, 상기 중간 위치(112,114)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법에서 동익단의 구조적 안정성에 민감한 설계 변수들을 고려하여 정해질 수 있다.
다음으로, 설계단면 형상 결정단계(S220)는, 상기 설계단면 구분단계(S210)을 통해 구분된 각 설계단면의 형상을 결정하는 단계로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제2단면(②)의 길이는 상기 루트부(111)에 가해지는 응력이 완화되도록 제1단면(①)의 길이보다 짧아지고, 상기 제3단면(③)의 길이는 상기 제2단면(②)의 길이가 짧아짐에 따라 낮아진 압력을 회복할 수 있도록 상기 제1단면(①) 및 제2단면(②)의 길이보다 길어지며, 상기 제4단면(④)의 길이는 상기 블레이드(110)의 마찰손실이 감소되도록 상기 제3단면(③)의 길이보다 짧아지고, 상기 제5단면(⑤)의 길이는 충격파를 저감시켜 상기 축류형 압축기의 전체적인 효율이 증대되도록 상기 제4단면(④)의 길이보다 길어지도록 각 설계단면의 형상을 결정한다.
여기서, 종래의 축류형 압축기의 동익(10)의 경우에 루트부(11a)에서 큰 응력이 집중되는데 반해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법이 적용된 동익(100)의 경우에는 상기 제2단면(②)의 길이가 제1단면(①)의 길이보다 짧아지면서 사다리꼴의 형상을 하게 되는데, 이로 인해 상기 루트부(111)에 걸리는 응력을 대폭 완화시키는 효과를 구현할 수 있는 것이다.
또한, 블레이드(110)의 단면의 길이가 짧아지게 되면 축류형 압축기의 압력이 해당 단면에서 올라가지 않게 되는데, 이를 위해 상술한 바와 같이 상기 제3단면(③)에서 단면의 길이를 길게 함으로써 충분한 압력을 회복할 수 있게 한다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법은 천음속 축류형 압축기의 경우 발생하는 충격파를 감소시킬 수 있는 안정적인 구조로도 구비될 수 있는데, 이를 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법은, 상술한 바와 같은 설계단면 구분단계(S210)를 통해 구분된 각 설계단면의 형상을 상술한 설계단면 형상 결정단계(S220)와는 다른 방식의 설계단면 형상 결정단계(S230)로 결정할 수 있다.
상기 설계단면 형상 결정단계(S230)는, 천음속 축류형 압축기에서 발생하는 충격파가 감소될 수 있도록 상기 설계단면 구분단계(S210)을 통해 구분된 각 설계단면의 형상을 결정하는 단계로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2단면(ⓑ)의 길이는 상기 루트부(111)에 가해지는 응력이 완화되도록 제1단면(ⓐ)의 길이보다 짧아지고, 상기 제3단면(ⓒ)의 길이는 상기 제2단면(ⓑ)의 길이가 짧아짐에 따라 낮아진 압력을 회복할 수 있도록 상기 제1단면(ⓐ) 및 제2단면(ⓑ)의 길이보다 길어지며, 상기 제5단면(ⓔ)의 길이는 충격파를 저감시켜 상기 축류형 압축기의 전체적인 효율이 증대되도록 제2단면(ⓑ)의 길이보다 길어지고, 상기 제4단면(ⓓ)의 길이는 상기 제3단면(ⓒ)의 길이와 제5단면(ⓔ)의 길이의 중간값을 갖도록 각 설계단면의 형상을 결정한다.
여기서, 상기의 제1단면(ⓐ), 제2단면(ⓑ) 및 제3단면(ⓒ)의 길이는 상술한 설계단면 형상 결정단계(S220)에 의한 제1단면(①), 제2단면(②) 및 제3단면(③)의 길이와 동일하지만, 제4단면(ⓓ)은 상기 제3단면(ⓒ)의 길이와 제5단면(ⓔ)의 길이의 중간값을 갖도록 형상을 결정한다는 점에서 차이점이 있다.
이와 같이, 제5단면(ⓔ)에서 제4단면(ⓓ) 아래까지 확장하는 형상을 갖게 되면 천음속 축류형 압축기 내부의 충격파가 매우 크게 발생할 경우, 마찰손실을 증가시키는 대신, 충격파 손실을 저감시켜 전체적인 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이때, 상기 제4단면(ⓓ)의 길이는, 상기 제3단면(ⓒ)의 길이값과 제5단면(ⓔ)의 길이값을 보간(Interpolation)하여 상기 제3단면(ⓒ)의 길이와 제5단면(ⓔ)의 길이의 중간값을 갖도록 설계할 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법에서는, 상술한 바와 같이 블레이드(110)의 정단면 형상을 다섯 개의 설계단면으로 구분하여 각 설계단면의 형상을 결정하는 것에 국한되지 않으며, 상기 설계단면 구분단계(S210)는 블레이드(110)의 정단면 형상을 6개 이상의 설계단면으로 구분하여 동일한 방식으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동익단의 형상을 결정할 수도 있다. 이때, 상기 설계단면 형상 결정단계(S220,S230)에서 상기 6개 이상의 설계단면으로 구분하여 결정된 블레이드(110)의 전체적인 형상은 5개의 설계단면(①,②,③,④,⑤ 또는 ⓐ,ⓑ,ⓒ,ⓓ,ⓔ)으로 구분하여 결정된 블레이드(110)의 전체적인 형상과 동일한 위상을 갖도록 각 설계단면의 형상을 결정하는 것이 바람직하다.
도 7a는 종래의 축류형 압축기에서 운전시 측정된 응력 분포가 도시되어 있고, 도 7b에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법이 적용된 축류형 압축기에서 운전시 측정된 응력 분포가 도시되어 있으며, 각 도면의 상부 좌측에는 최대응력(Max)의 측정값의 크기가 표시되어 있다. 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 종래의 축류형 압축기는 최대응력(Max)의 측정값이 6.1772e8 인데 반하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기의 경우에는 최대응력(Max)의 측정값이 2.7604e8 이다. 즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법을 적용한 축류형 압축기의 경우에는 최대응력이 절반 정도로 확연하게 감소한 것을 확인할 수 있다. 이는 구조적으로 매우 안정적인 축류형 압축기의 형상임을 의미한다.
또한, 도 8a는 종래의 축류형 압축기에서 운전시 측정된 압력분포가 도시되어 있으며, 도 8b에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법이 적용된 축류형 압축기에서 운전시 측정된 압력분포가 도시되어 있다. 그래프는 각각의 축류형 압축기의 압력면 및 흡입면에서의 압력을 나타내고 있는데, 해당 압력의 차는 각 축류형 압축기이 흡입된 공기를 압축시킨 정도를 의미하며, 이는 그래프에서 회색으로 표시된 면적의 크기로 표시된다.
즉, 종래의 축류형 압축기보다 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법이 적용된 축류형 압축기에서 전반적으로 흡입된 공기를 압축시킨 정도가 크게 나타나고 있으며, 또한, 블레이드(110)의 전단에서 후단에 걸쳐 고르게 분포하기 때문에 충 등으로 인한 손실이 줄어들어 효율 상승 효과가 있다. 실제 컴퓨터 실뮬레이션을 통해 검증해본 결과 도 8a와 같은 종래의 축류형 압축기의 경우에는 약 84%의 효율을 예측하는데 반해, 도 8b와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기의 경우에는 약 86%의 효율을 예측한다. 즉, 2% 정도 효율이 향상된 것을 확인할 수 있었다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축류형 압축기 동익단의 최적화 설계기법에 의하면, 축류형 압축기에 장착되는 동익단이 공력적인 성능은 종래의 축류형 압축기와 동일하면서도 구조적으로 안정성을 가질 수 있도록 최적화된 형상으로 제작할 수 있다.
따라서, 구조적으로 안정성이 높고 신뢰성 있는 천음속 압축기의 설계가 가능하며, 이에 가스터빈 엔진 및 산업용 압축기 등 대용량의 압축공기를 필요로 하는 기계류의 효율을 상승시킬 수 있으며, 더욱이, 안전율이 높아 급가속 또는 급감속 시에도 압축기에 손상이 발생할 확률 등도 현저하게 감소하게 된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100...동익 110...블레이드
111...루트부 113...미드스팬부
115...팁부 120...허브
S210...설계단면 구분단계
S220,S230...설계단면 형상 결정단계

Claims (6)

  1. 축류형 압축기에 장착되는 동익(100)의 동익단 설계기법에 있어서,
    수직적 위치에 따라 루트부(111), 미드스팬부(113) 및 팁부(115)로 구분되는 블레이드(110) 상에서, 상기 블레이드(110)의 정단면 형상을 상기 루트부(111)에 대응되는 제1단면(ⓐ), 상기 루트부(111)와 미드스팬부(113)의 중간 위치(112)에 대응되는 제2단면(②), 상기 미드스팬부(113)에 대응되는 제3단면(③), 상기 미드스팬부(113)와 팁부(115)의 중간 위치(114)에 대응되는 제4단면(④) 및, 상기 팁부(115)에 대응되는 제5단면(⑤)을 포함하는 복수 개의 설계단면으로 구분하는 설계단면 구분단계(S210); 및
    상기 제2단면(②)의 길이는 상기 루트부(111)에 가해지는 응력이 완화되도록 제1단면(①)의 길이보다 짧아지고, 상기 제3단면(③)의 길이는 상기 제2단면(②)의 길이가 짧아짐에 따라 낮아진 압력을 회복할 수 있도록 상기 제1단면(①) 및 제2단면(②)의 길이보다 길어지며, 상기 제4단면(④)의 길이는 상기 블레이드(110)의 마찰손실이 감소되도록 상기 제3단면(③)의 길이보다 짧아지고, 상기 제5단면(⑤)의 길이는 충격파를 저감시켜 상기 축류형 압축기의 전체적인 효율이 증대되도록 상기 제4단면(④)의 길이보다 길어지도록 각 설계단면의 형상을 결정하는 설계단면 형상 결정단계(S220);를 포함하는 축류형 압축기 동익단 설계기법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 설계단면 구분단계(S210)는, 상기 블레이드(110)의 정단면 형상을 6개 이상의 설계단면으로 구분하되,
    상기 설계단면 형상 결정단계(S220)는, 상기 6개 이상의 설계단면으로 구분하여 결정된 블레이드(110)의 전체적인 형상이 5개의 설계단면(제1단면(①),제2단면(②),제3단면(③),제4단면(④),제5단면(⑤))으로 구분하여 결정된 블레이드(110)의 전체적인 형상과 동일한 위상을 갖도록 각 설계단면의 형상을 결정하는 것을 특징으로 하는 축류형 압축기 동익단 설계기법.
  3. 축류형 압축기에 장착되는 동익(100)의 동익단 설계기법에 있어서,
    수직적 위치에 따라 루트부(111), 미드스팬부(113) 및 팁부(115)로 구분되는 블레이드(110) 상에서, 상기 블레이드(110)의 정단면 형상을 상기 루트부(111)에 대응되는 제1단면(ⓐ), 상기 루트부(111)와 미드스팬부(113)의 중간 위치(112)에 대응되는 제2단면(ⓑ), 상기 미드스팬부(113)에 대응되는 제3단면(ⓒ), 상기 미드스팬부(113)와 팁부(115)의 중간 위치(114)에 대응되는 제4단면(ⓓ) 및, 상기 팁부(115)에 대응되는 제5단면(ⓔ)을 포함하는 복수 개의 설계단면으로 구분하는 설계단면 구분단계(S210); 및
    상기 제2단면(ⓑ)의 길이는 상기 루트부(111)에 가해지는 응력이 완화되도록 제1단면(ⓐ)의 길이보다 짧아지고, 상기 제3단면(ⓒ)의 길이는 상기 제2단면(ⓑ)의 길이가 짧아짐에 따라 낮아진 압력을 회복할 수 있도록 상기 제1단면(ⓐ) 및 제2단면(ⓑ)의 길이보다 길어지며, 상기 제5단면(ⓔ)의 길이는 충격파를 저감시켜 상기 축류형 압축기의 전체적인 효율이 증대되도록 제2단면(ⓑ)의 길이보다 길어지고, 상기 제4단면(ⓓ)의 길이는 상기 제3단면(ⓒ)의 길이와 제5단면(ⓔ)의 길이의 중간값을 갖도록 각 설계단면의 형상을 결정하는 설계단면 형상 결정단계(S230);를 포함하는 축류형 압축기 동익단 설계기법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 설계단면 구분단계(S210)는, 상기 블레이드(110)의 정단면 형상을 6개 이상의 설계단면으로 구분하되,
    상기 설계단면 형상 결정단계(S230)는, 상기 6개 이상의 설계단면으로 구분하여 결정된 블레이드(110)의 전체적인 형상이 5개의 설계단면(제1단면(ⓐ),제2단면(ⓑ),제3단면(ⓒ),제4단면(ⓓ),제5단면(ⓔ))으로 구분하여 결정된 블레이드(110)의 전체적인 형상과 동일한 위상을 갖도록 각 설계단면의 형상을 결정하는 것을 특징으로 하는 축류형 압축기 동익단 설계기법.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 설계단면 형상 결정단계(S230)에서,
    상기 제4단면(ⓓ)의 길이는,
    상기 제3단면(ⓒ)의 길이값과 제5단면(ⓔ)의 길이값을 보간(Interpolation)하여 상기 제3단면(ⓒ)의 길이와 제5단면(ⓔ)의 길이의 중간값을 갖도록 설계하는 것을 특징으로 하는 축류형 압축기 동익단 설계기법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 축류형 압축기 동익단 설계기법에 의해 제작된 축류형 압축기 동익.
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