KR101347469B1 - 원심 압축기의 임펠러 - Google Patents

Abstract

유체의 입구부로부터 출구부에 걸쳐 서로 이웃하여 마련되는 풀 블레이드와 해당 풀 블레이드 사이에 유로의 도중으로부터 출구부에 걸쳐서 마련되는 스플리터 블레이드를 구비한 원심 압축기의 임펠러에 있어서, 원심 압축기의 복잡한 내부 유동에 적합하게 하여, 유량 배분의 균일화와 고압력비, 고효율화를 달성하는 스플리터 블레이드의 입구부 형상을 제공하는 것이 과제이다. 스플리터 블레이드(7)의 입구 단부에 있어서의 전연 날개각(θ)을 허브면으로부터의 높이 방향으로 다르게 하는 동시에, 선단 부분을 그 이외 부분보다 큰 경사 각도를 갖고서 풀 블레이드(5)의 부압면측(Sb)으로 경사지게 하고, 스플리터 블레이드(7)의 입구 단부에 있어서의 전연 날개각(θ)을 허브면으로부터의 높이 방향으로 다르게 하는 동시에, 허브면측 부분을 그 이외 부분보다 큰 경사 각도를 갖고서 풀 블레이드(5)의 압력면측(Sa)으로 경사지게 한 것을 특징으로 한다.

Description

원심 압축기의 임펠러{IMPELLER OF CENTRIFUGAL COMPRESSOR}

본 발명은 차량용, 선박용 터보 차저 등에 이용되는 원심 압축기의 임펠러(익근차)에 관한 것이며, 특히, 서로 이웃하는 풀 블레이드(전체 날개) 사이에 마련되는 스플리터 블레이드(짧은 날개)의 날개형상으로서, 유체의 입구부의 날개형상에 관한 것이다.

차량용, 선박용 터보 차저의 압력부 등에 이용되는 원심 압축기는, 임펠러의 회전을 거쳐서 유체에 운동 에너지를 주는 동시에, 직경방향 외측에 유체를 토출함으로써 원심력에 의한 압력 상승을 얻는 것이다. 이 원심 압축기는 넓은 운전 범위에 있어서 고압력비와 고효율화가 요구되기 때문에, 도 9에 도시하는 바와 같이 서로 이웃하는 풀 블레이드(전체 날개)(01) 사이에 스플리터 블레이드(짧은 날개)(03)를 마련한 임펠러(05)가 자주 이용되는 동시에, 그 날개형상에 대해서 여러 가지 연구가 이루어지고 있다.

이 스플리터 블레이드(splitter blade; 03)를 갖는 임펠러(05)는 도 9, 도 10(도 9의 직경방향의 부분 단면도)에 도시하는 바와 같이, 풀 블레이드(01)와 스플리터 블레이드(03)가 허브(07)면상에 교대로 설치되지만, 일반적인 스플리터 블레이드(03)는, 풀 블레이드(01)의 상류측을 단순히 절제한 형상으로 되어 있다.

이러한 일반적인 스플리터 블레이드(03)의 경우는, 도 11(도 10의 A－A선 단면도)과 같이, 풀 블레이드(01)의 입구 단부 가장자리(LE1)로부터 일정 거리 하류측에 스플리터 블레이드(03)의 입구 단부 가장자리(LE2)가 위치되고, 출구 단부 가장자리(TE)는 일치하여 마련되고, 스플리터 블레이드(03)의 전연 날개각(θ)[전연의 방향과 임펠러(05)의 축방향(G)이 이루는 각도로서 나타냄)은 풀 블레이드(01)간의 유로를 흐르는 유체의 흐름방향(F)과 동일하게 설정되어 있다.

그렇지만, 도 11과 같이, 단순히 풀 블레이드(01)의 상류측을 절제한 형상으로는, 풀 블레이드(01)의 압력면측(Sa)의 스로트 면적(A1)과 부압면측(Sb)의 스로트 면적(A2)에 A1＜A2의 차이가 생기므로, 각각의 유로의 유량에 불균일이 생겨, 유체를 균등 분배하지 못하고, 날개 부하가 불균등하게 되어 유로 손실도 증가하여, 임펠러 효율의 향상이 방해되는 문제가 있었다.

그래서, 특허 문헌 1(일본 특허 공개 제 1998-213094 호 공보)에 개시되어 있는 기술이 알려져 있고, 이 특허 문헌 1은 도 12와 같이, 스플리터 블레이드(09)의 전연 날개각을 θ+ㅿθ로 크게 취함으로써[유체의 흐름방향(F)에 대해서 ㅿθ 크게 설정함], 즉, 풀 블레이드(01)의 부압면측(Sb)에 가까이 함으로써, 스플리터 블레이드(09)의 양측 통로의 스로트 면적을 동일(A1=A2)하게 하는 연구가 이루어지고 있다.

또한, 스플리터 블레이드의 입구 단부를, 풀 블레이드의 부압면측으로 경사지게 하는 것으로서 특허 문헌 2(일본 특허 제 3876195 호 공보)도 알려져 있다.

그렇지만, 상기 특허 문헌 1(도 12)과 같이, 스플리터 블레이드(09)의 전연 날개각을 θ+ㅿθ로 크게 취하는 것에 의해, 스플리터 블레이드(09)의 경사가 커진 전연 부분이나 풀 블레이드(01)의 부압면측(Sb)으로부터의 박리류의 발생이 염려되는 동시에, 스플리터 블레이드(09)의 압력면측 및 부압면측의 양측 통로에서 스로트 면적을 동일(A1=A2)하게 해도, 해당 양쪽 통로에서 유속이 상이함으로써 유량의 균일화를 도모할 수 없게 되는 문제가 있었다.

즉, 스플리터 블레이드(09)의 양측, 즉 풀 블레이드(01)의 압력면측과 부압면측에서 유속이 다르므로, 풀 블레이드(01) 사이에 들어온 유체는, 주로 부압면측에 빠른 흐름이 모이는 분포가 되기 때문에, 스플리터 블레이드(09)의 양측 통로의 유로 단면적을 기하학적으로 동일하게 해도, 부압면측이 압력면측에 비해 유속이 빠른 만큼, 유량이 증가해 각각의 유로의 유량에 불균일이 생겨 유체를 균등 분배하지 못하여, 날개 부하가 불균등하게 되고, 유로 손실도 증가하여, 임펠러 효율의 향상이 방해되는 문제가 있었다.

그래서, 또한 특허 문헌 3(일본 특허 공개 제 2002－332992 호 공보)에 개시되어 있는 기술이 알려져 있다. 이 특허 문헌 3에서는, 도 13에 도시하는 바와 같이, 스플리터 블레이드(011)의 전연 날개각을 θ인 채로 하여, 전연을 굳이 풀 블레이드(01)의 부압면측에 기울여서 A1＞A2로 하고 있다. 이것에 의해서, 스플리터 블레이드(011)의 양측 통로에 있어서의 유량의 균일화를 도모하고 있다.

일본 특허 공개 제 1998－213094 호 공보 일본 특허 제 3876195 호 공보 일본 특허 공개 제 2002－332992 호 공보

그렇지만, 상기 특허 문헌 1 내지 3 모두, 블레이드(날개) 사이의 흐름이 풀 블레이드를 따라서 흐른다는 가정을 기초로, 스플리터 블레이드에 의해 분할되는 유로의 유량 배분에 착안하여, 날개형상의 개량이 이루어지고 있는 것으로써, 스플리터 블레이드의 날개 높이 방향에 따라서 흐름의 분포에 착안하여 날개형상의 개량은 이루어지지 않았다.

또한, 원심 압축기는 복잡한 삼차원 기하 형상을 가지므로, 코리올리력이나 원심력이나 유선 곡률에 기인한 강한 2차 흐름을 발생시키고, 특히, 날개간 간극을 갖는 오픈형 임펠러의 경우에는 날개단 누출 흐름이나, 케이싱면과 임펠러의 상대운동에 의한 영향이 나타나 흐르는 곳은 더욱 복잡하게 된다.

따라서, 이들 복잡한 내부 유동에 적합하지 않는 종래형의 날개형상에서는, 유량 및 날개 부하의 불균일을 상정대로 해소할수 없고, 결과로서 충분한 임펠러 성능을 얻지 못하고 있었다.

그래서, 본 발명은, 이들 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 유체의 입구부로부터 출구부에 걸쳐 서로 이웃하여 마련되는 풀 블레이드와, 해당 풀 블레이드 사이에 유로의 도중으로부터 출구부에 걸쳐서 마련되는 스플리터 블레이드를 구비한 원심 압축기의 임펠러에 있어서, 원심 압축기의 복잡한 내부 유동에 적합하게 하여, 유량 배분의 균일화와 고압력비, 고효율화를 달성하는 스플리터 블레이드의 입구부 형상을 제공하는 것을 과제로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위해서, 본 출원의 제 1 발명은, 허브면상에 유체의 입구부로부터 출구부에 걸쳐 복수 마련되는 풀 블레이드와, 서로 이웃하여 마련되는 상기 풀 블레이드 사이에 형성되는 유로의 도중으로부터 출구부에 걸쳐서 마련되는 스플리터 블레이드를 구비한 원심 압축기의 임펠러에 있어서, 상기 스플리터 블레이드의 입구 단부에 있어서의 전연 날개각을 허브면으로부터의 높이 방향으로 다르게 하는 동시에, 선단 부분을 그 이외 부분보다 큰 경사 각도를 가지고 상기 풀 블레이드의 부압면측으로 경사지게 한 것을 특징으로 한다.

이러한 제 1 발명에 의하면, 스플리터 블레이드의 입구 단부의 전연 날개각에 대해서, 허브면으로부터의 높이 방향으로 다르게 하는 동시에, 높이 방향의 선단 부분을 그 이외 부분보다 큰 경사 각도를 갖고서 상기 풀 블레이드의 부압면측으로 경사지게 한 것에 의해서, 구체적으로는 전체 높이의 대략 70% 이상의 부분을 풀 블레이드의 부압면측으로 경사지게 하여 가깝게 함으로써, 다음과 같은 작용 효과를 갖는다.

첫번째는 날개단 누출 흐름에 대한 적합이다. 도 5의 수치 해석 결과의 흐름선에 나타내는 바와 같이, 풀 블레이드의 허브면으로부터의 높이 방향에 있어서의 선단과 케이싱 사이에 날개단 간극을 갖는 오픈형 임펠러의 경우에는, 풀 블레이드의 유체 입구 단부의 날개의 선단 부분과 케이싱의 간극 부분(B)을 통과하여 근처의 유체 통로의 풀 블레이드의 압력면측의 유체가 해당 풀 블레이드의 부압면측으로 누출되는 날개단 누출 흐름(W)이 생긴다. 이러한 누출 흐름은, 강한 와류(날개단 누출 소용돌이)를 수반하고, 스플리터 블레이드의 입구 단부의 선단부 근방에서는, 흐름은 풀 블레이드를 따르는 흐름으로는 되지 않아 편류(M)가 생기는 문제가 있었다.

본 발명에서는, 스플리터 블레이드의 입구 단부에 있어서의 허브면으로부터의 높이 방향의 선단 부분(P)(도 5 참조)을 풀 블레이드의 부압면측(Sb)으로 경사지게 한 것에 의해서, 스플리터 블레이드의 입구 단부의 선단부 근방에 생기는 날개단 누출 소용돌이에 의한 편류(M)에 대해, 해당 편류를 따르는 형상으로 하는 것이 가능하게 되고, 이것에 의해서, 편류를 매끄럽게 출구측으로 인도할 수 있게 되어, 고압력비 및 고효율화할 수 있다.

또한, 두번째는 날개단 누출 소용돌이에 대한 간섭 회피이다. 날개단 누출 소용돌이는 저에너지 유체의 집적역(集積域)이며, 이러한 소용돌이 흐름이 스플리터 블레이드의 입구 단부의 선단 부분을 향해 스플리터 블레이드의 입구 단부의 선단부에 간섭하면, 박리나 더욱 소용돌이 구조의 발생에 의해서 흐름의 손출(損出) 생성이 증대하여 효율 저하로 연결되는 문제가 있었다.

본 발명에 있어서는, 이 날개단 누출 소용돌이가 스플리터 블레이드의 입구 단부의 선단 부분과 간섭하는 것을 피하기 위해서, 스플리터 블레이드의 입구 단부의 선단 부분을, 바람직하게는 높이 방향의 70% 이상의 부분을 풀 블레이드의 부압면측으로 경사지게 하고, 날개단 누출 소용돌이의 소용돌이 중심선으로부터 멀리 함으로써 간섭에 의한 임펠러의 효율 저하를 방지하여, 고압력비 및 고효율화할 수 있다.

또한, 세번째는 역압력 구배의 변경에 의한 서징(surging)의 억제이다. 원심 압축기내에서는, 원심력이나 코리올리력의 영향으로, 저에너지 유체는 날개 선단측, 즉, 허브면으로부터의 높이 방향에 있어서의 선단측에 퇴적하기 쉽다. 또한, 이 저에너지 유체는, 임펠러내의 역압력 구배, 즉, 유체의 출구측으로부터 입구측으로 향하는 압력 구배(출구측의 고압력으로부터 입구측의 저압력으로의 압력 구배)에 의해서 용이하게 역류하여 서징에 이르는 요인이 되고 있었다.

　본 발명에 있어서는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 스플리터 블레이드의 입구 단부에 대해서, 허브면으로부터의 높이 방향의 선단 부분을 풀 블레이드의 부압면측으로 경사지게 하여 가깝게 하기 때문에, 유로내의 역압력 구배의 방향이, 통상의 경우(스플리터 블레이드의 전단 익각이 풀 블레이드와 동일한 경우)의 방향(X) 보다 둘레방향(Y)으로 향하게 되고, 허브면으로부터의 높이 방향에 있어서의 선단측, 즉 케이싱면 근방에서의 역류가 억제되어 출구측으로부터 입구측으로 향하는 압력 구배에 의해서 생기기 쉬운 서징을 방지하여, 압축기를 광역(wide range)화 할 수 있다.

또한, 제 1 발명에 있어서, 바람직하게는 상기 높이 방향의 선단 부분이 전체 높이의 대략 70% 이상이며, 해당 대략 70%의 위치를 기점으로 하여 선단을 향해 일정 각도까지 서서히 경사 각도를 증가시키면 좋다.

일정 각도까지 서서히 경사 각도를 증가시키기 때문에, 급변에 의한 박리의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 대략 70%의 위치는 날개단 누출 소용돌이로부터 편류의 수치 해석에 근거하여 스플리터 블레이드의 입구 단부에 생기는 흐름 상태의 결과로부터 설정한 것이며, 날개단 누출 소용돌이의 영향을 효과적으로 저감할 수 있다.

다음에, 본 출원의 제 2 발명은, 허브면에 유체의 입구부로부터 출구부에 걸쳐 복수 마련되는 풀 블레이드와, 서로 이웃하여 마련되는 상기 풀 블레이드 사이에 형성되는 유로의 도중으로부터 출구부에 걸쳐서 마련되는 스플리터 블레이드를 구비한 원심 압축기의 임펠러에 있어서, 상기 스플리터 블레이드의 입구 단부에 있어서의 전연 날개각을 허브면으로부터의 높이 방향으로 다르게 하는 동시에, 허브면측 부분을 그 이외 부분보다 큰 경사 각도를 갖고서 상기 풀 블레이드의 압력면측으로 경사지게 한 것을 특징으로 한다.

이러한 제 2 발명에 의하면, 허브면 근방에 형성되는 경계층내의 저에너지 유체는, 풀 블레이드간의 압력 구배에 져서, 도 6의 수치 해석 결과의 흐름선에 나타내는 바와 같이, 풀 블레이드의 압력면측(Sa)로부터 부압면측(Sb)으로 향하는 2차 흐름(Z)이 형성된다. 이 2차 흐름(Z)에 적합시키도록 스플리터 블레이드의 입구 단부에 있어서의 허브면으로부터의 높이 방향의 허브면측 부분(Q)을 풀 블레이드의 압력면측으로 경사지게 함으로써, 허브면 근방에 형성되는 2차 흐름(Z)에 대해서 매끄럽게 유체를 출구측으로 인도할 수 있게 되어, 고압력비 및 고효율화할 수 있다.

또한, 제 2 발명에 있어서, 바람직하게는 상기 허브면측 부분이 전체 높이의 대략 70% 이하이며, 해당 대략 70%의 위치를 기점으로 하여 허브면을 향해 일정 각도까지 서서히 경사 각도를 증가시키면 좋다.

일정 각도까지 서서히 경사 각도를 증가시키기 때문에, 급변에 의한 박리의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 대략 70%의 위치는, 날개단 누출 소용돌이에 의한 편류, 또한, 허브면 근방의 2차 흐름의 수치 해석에 근거하여 스플리터 블레이드의 입구 단부에 생기는 흐름 상태의 결과로부터 설정한 것이며, 허브면 근방의 2차 흐름에 효과적으로 적합할 수 있다.

다음에, 본 출원의 제 3 발명은, 허브면상에 유체의 입구부로부터 출구부에 걸쳐 복수 마련되는 풀 블레이드와, 서로 이웃하여 마련되는 상기 풀 블레이드 사이에 형성되는 유로의 도중으로부터 출구부에 걸쳐서 마련되는 스플리터 블레이드를 구비한 원심 압축기의 임펠러에 있어서, 상기 스플리터 블레이드의 입구 단부에 있어서의 전연 날개각을 허브면으로부터의 높이 방향으로 다르게 하는 동시에, 허브면으로부터의 높이 방향의 상단 부분을 풀 블레이드의 부압면측으로 경사지게 하고, 높이 방향의 허브면측 부분을 풀 블레이드의 압력면측으로 경사지게 한 것을 특징으로 한다.

이러한 제 3 발명에 의하면, 상기한 제 1 발명에 의한 작용 효과 및 제 2 발명에 의한 작용 효과를 가지는 동시에, 또한 부가하여, 스플리터 블레이드에 의해서 분할되는 풀 블레이드 사이내의 각 통로의 유량 배분의 균일화를 도모할 수 있다.

즉, 스플리터 블레이드의 입구 단부에 대해서, 허브면으로부터의 높이 방향의 선단 부분을 풀 블레이드의 부압면측으로 경사지게 하고, 또한 허브면으로부터의 높이 방향의 허브면측 부분을 풀 블레이드의 압력면측으로 경사지게 하여 가깝게 하기 때문에, 각각 단독의 경우에는 스플리터 블레이드로 분할되는 유로의 스로트폭에 편향이 생겨 유량의 불균일을 일으키는 원인이 되지만, 허브면으로부터의 높이 방향에 있어서 선단측과 허브면측을 동시에 실시함으로써 이들 유량의 편향이 사라져서, 유량 배분을 균일화할 수 있다.

또한, 높이 방향의 상기 상단 부분과 상기 허브면측과는 허브면으로부터의 전체 높이의 대략 70% 보다 상부와 하부에 의해서 구분하면 좋다.

제 1 발명에 의하면, 상기 스플리터 블레이드의 입구 단부에 있어서의 전연 날개각을 허브면으로부터의 높이 방향으로 다르게 하는 동시에, 선단 부분을 그 이외 부분보다 큰 경사 각도를 갖고서 상기 풀 블레이드의 부압면측으로 경사지게 했으므로, 날개단 누출 흐름에 적합한 형상으로 하는 것이 가능해져, 편류를 매끄럽게 출구측으로 인도하는 동시에, 날개단 누출 소용돌이에 대한 간섭을 회피할 수 있어 고압력비 및 고효율화를 달성할 수 있다.

또한, 유로내의 출구측으로부터 입구측으로의 역압력 구배의 방향이 도 3에 도시하는 바와 같이, 통상의 경우의 방향(X)보다 둘레방향(Y)으로 향하게 되고, 허브면으로부터의 높이 방향에 있어서의 선단측, 즉 케이싱면 근방에서의 역류가 억제되어, 출구측으로부터 입구측으로 향하는 압력 구배에 의해서 생기기 쉬운 서징을 방지하여, 압축기를 광역화 할 수 있다.

또한, 제 2 발명에 의하면, 상기 스플리터 블레이드의 입구 단부에 있어서의 전연 날개각을 허브면으로부터의 높이 방향으로 다르게 하는 동시에, 허브면측 부분을 그 이외 부분보다 큰 경사 각도를 갖고서 상기 풀 블레이드의 압력면측으로 경사지게 했으므로, 허브면 근방에 형성되는 2차 흐름에 적합한 형상으로 할 수 있고, 허브면 근방에 형성되는 2차 흐름을 매끄럽게 유체를 출구측으로 인도할 수 있어. 고압력비 및 고효율화할 수 있다.

또한, 제 3 발명에 의하면, 상기 스플리터 블레이드의 입구 단부에 있어서의 전연 날개각을 허브면으로부터의 높이 방향으로 다르게 하는 동시에, 허브면으로부터의 높이 방향의 상단 부분을 풀 블레이드의 부압면측으로 경사지게 하여, 높이 방향의 허브면측 부분을 풀 블레이드의 압력면측으로 경사지게 했으므로 제 1 발명 및 제 2 발명의 작용 효과에 부가하여 스플리터 블레이드에 의해서 분할되는 양측의 각 통로의 유량 배분을 균일화 할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 원심 압축기의 복잡한 내부 유동에 적합하게 하여, 고압력비, 고효율화의 달성과 유량 배분의 균일화를 달성하는 스플리터 블레이드의 입구부 형상을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 스플리터 블레이드가 마련된 원심 압축기의 임펠러의 주요부를 도시하는 사시도,
도 2는 제 1 실시 형태의 풀 블레이드와 스플리터 블레이드의 관계를 도시하는 단면 설명도,
도 3은 제 1 실시 형태에 있어서의 압력 구배의 변화를 도시하는 설명도,
도 4는 제 2 실시 형태의 풀 블레이드와 스플리터 블레이드의 관계를 도시하는 단면 설명도,
도 5는 스플리터 블레이드의 입구 단부의 선단부에 형성되는 풀 블레이드 선단부로부터의 날개단 누출 흐름을 도시하는 수치 해석 결과,
도 6은 스플리터 블레이드의 입구 단부의 허브면 근방에 형성되는 2차 흐름을 도시하는 수치 해석 결과,
도 7은 스플리터 블레이드의 입구 단부 위치에서의 허브면으로부터의 높이(%)와 전연 날개각(θ) 및 유입각의 수치 해석 결과의 관계를 도시하는 설명도,
도 8은 풀 블레이드 및 스플리터 블레이드의 코드방향(길이방향) 위치와 익각(β)의 관계를 도시하는 설명도,
도 9는 종래 기술의 설명도,
도 10은 종래 기술의 설명도,
도 11은 종래 기술의 설명도,
도 12는 종래 기술의 설명도,
도 13은 종래 기술의 설명도.

(제 1 실시 형태)

도 1은 본 발명의 스플리터 블레이드가 적용되는 원심 압축기의 임펠러의 주요부를 나타내는 사시도이다. 임펠러(1)는, 도시하지 않는 로터축에 끼워 장착된 허브(3)의 상면에 복수의 서로 이웃하는 풀 블레이드(전체 날개)(5)와, 그 풀 블레이드(5)의 사이에 마련되는 스플리터 블레이드(짧은 날개)(7)가 둘레방향으로 등피치로 교대로 입설되어 있다. 그리고, 스플리터 블레이드(7)는 풀 블레이드(5)보다 유체의 흐름 방향에 대해서 길이가 짧고, 풀 블레이드(5, 5) 사이에 형성되는 유로(9)의 도중부터 출구부에 걸쳐서 마련되어 있다.

도 2에는 스플리터 블레이드(7)와 풀 블레이드(5)의 관계를 블레이드의 길이방향에 따른 단면 형상을 나타낸다(도 10의 A－A선 단면도에 상당). 여기서의 형상은 직경방향 외측 위치, 즉, 케이싱측 위치에 있어서의 관계를 나타낸다. 또한, 임펠러(1)는 화살표 방향으로 회전하는 것으로 한다.

스플리터 블레이드(7)의 입구측 단부인 리딩 에지(7a)는, 풀 블레이드(5)의 입구측 단부의 리딩 에지(5a)보다 흐름 방향 하류측에 위치하고, 스플리터 블레이드(7)의 출구측 단부 가장자리의 트레일링 에지(7b)와 풀 블레이드(5)의 출구측 단부 가장자리의 트레일링 에지(5b)의 위치는 일치하고 있다.

또한, 풀 블레이드(5)의 압력면측(Sa)과 풀 블레이드(5)의 부압면측(Sb) 사이에 형성되는 유로(9)를 스플리터 블레이드(7)에 의해서 2분할되고, 스플리터 블레이드(7)와 풀 블레이드(5)의 압력면측(Sa)의 벽면 사이에 압력면측 유로(11)가 형성되어 부압면측(Sb)의 벽면과의 사이에 부압면측 유로(13)가 형성되어 있다.

　이와 같이 구성된 임펠러(1)는, 풀 블레이드(5) 및 스플리터 블레이드(7)를 덮는 도시하지 않는 케이싱과의 사이에 날개단 간극을 갖는 오픈형 임펠러로서 구성된다. 따라서, 풀 블레이드(5)의 입구 단부의 선단 부분과 케이싱의 간극 부분을 통과하여 근처의 유체 통로의 풀 블레이드(5)의 압력면측의 유체가 풀 블레이드(5)의 부압면측으로 누출하는 날개단 누출 흐름(W)이 생긴다.

이 날개단 누출 흐름(W)은 스플리터 블레이드(7)의 입구 단부의 흐름에 영향을 주기 때문에, 이 날개단 누출 흐름(W) 상태에 대해 수치 해석을 실행했다. 그 수치 해석 결과의 흐름선 도면을 도 5에 도시한다. 풀 블레이드(5)의 리딩 에지(5a)부의 선단의 간극부(B)를 통해 날개단 누출 흐름이 생긴다. 이 날개단 누출 흐름(W)은 도 5와 같이, 강한 와류(날개단 누출 소용돌이)를 수반하고 있고, 풀 블레이드(5)를 따르는 흐름에 대해서 강한 블록 작용을 갖기 때문에, 스플리터 블레이드(7)의 입구 단부의 선단부 근방에서는, 흐름은 풀 블레이드(5)를 따르는 흐름으로는 되지 않고, 상기 소용돌이를 핵으로하여 스플리터 블레이드(7)의 입구 단부로 향하는 편류(M)를 일으키는 문제가 있었다.

이 날개단 누출 흐름(W) 상태를 더 조사하기 위해서, 스플리터 블레이드(7)의 리딩 에지(7a) 부분의 유로(9)내를 흐르는 유체의 유입각을 수치 해석을 실행하여 구하고, 그 결과를 도 7에 동그라미 점으로 나타낸다. 이 도 7은 가로축에 스플리터 블레이드의 전연 날개각(θ)과 수치 해석 결과의 유입각(동그라미)을 취하고, 세로축에 허브면으로부터의 높이(스팬)를 취하고 있다.

도 7에 있어서의 직선(H1)은, 스플리터 블레이드(7)의 전연 날개각(θ)이 풀 블레이드(5)간의 유로(9)를 흐르는 유체의 흐름방향(F)과 동일하거나, 또는 풀 블레이드(5)의 경사와 동일하게 했을 경우인 종래를 나타내며, 높이 방향의 중앙부에 있어서는 수치 해석 결과와 근사하지만, 대략 70% 이상의 높이의 범위에 있어서는, 동그라미 점으로 나타내는 수치 해석 결과가 좌우로 변화(유입각이 대소로 변화)하고 있는 것을 알 수 있다. 이것은 날개단 누출 흐름의 소용돌이 운동의 영향이 나타난 것이고, 또한 날개단 누출 흐름에 의한 편류의 영향에 의해서, 날개단부 근방에서는 흐름각은 평균적으로 직선(H1)보다 커지는 측으로 편향되어 있다.

이 대략 70% 이상의 범위에 대해서는, 날개단 누출 흐름(W)이 스플리터 블레이드(7)의 선단부의 어느 범위까지 영향을 주는가에 근거하기 때문에, 풀 블레이드(5)에 대한 스플리터 블레이드(7)의 배치의 위치 관계에서 바뀌는 것이지만, 스플리터 블레이드(7)의 기능으로부터 풀 블레이드(5)의 위치 관계는 대략 일정한 관계가 되므로[스플리터 블레이드(7)가 풀 블레이드(5)에 대해서 너무 짧은 경우, 동등한 길이인 경우에는 스플리터 블레이드(7)로서의 기능이 발휘되지 않음), 다른 오픈형 임펠러를 해석해도 대략 70% 이상의 범위에 있어서 경사지게 하는 것이 효과적이라고 말할 수 있다.

그래서, 도 7의 스팬이 대략 70% 이상의 범위에 있어서의 수치 해석 결과의 포인트에 근거하여, 해석 포인트의 변동 경향에 따르도록, 스팬의 대략 70% 위치로부터 서서히 전연 날개각(θ)을 직선(H1)의 관계로부터 증대시켜 θ+ㅿθ(h)로서 ㅿθ(h)가 스팬의 높이에 따라 변화하도록 설정하고, 스플리터 블레이드(7)의 선단에 있어서, 도 7의 R점보다도 대략 15°이상 경사지게 하는 것이 좋은 것을 발견하여, 곡선(H2)을 스플리터 블레이드(7)의 전연 날개각(θ)의 특성으로서 설정하고 있다.

스플리터 블레이드(7)와 풀 블레이드(5)의 코드방향, 즉, 블레이드의 길이방향의 소정 위치에 있어서의 익각(β)의 분포를 도 8에 도시한다.

이 도 8은, 세로축에 익각(β)을 취하고, 가로축에 블레이드의 전체 길이를 1로 하여 각 위치를 정규화한 위치로서 나타내고, 해당 가로축의 제로점이 풀 블레이드(5)의 입구측 단부의 리딩 에지(5a)의 위치를 나타낸다.

또한, 도 8중의 라인(L1)이 스플리터 블레이드(7)의 상단 형상을 나타내고, 라인(L2)이 스플리터 블레이드(7)의 허브면의 형상을 나타낸다. 따라서, 스플리터 블레이드(7)의 상단 부분은 종래의 풀 블레이드(5)와 동일한 형상을 갖고 있던 경우에 비해, 15°이상 플러스측으로 경사지고, 허브면측에 있어서는, 15°이상 마이너스측으로 경사지며, 그 후, 출구를 향해 종래의 형상으로 수습하도록 익각(β)의 분포가 급변하지 않도록 매끄럽게 감소하여, 스플리터 블레이드(7)의 출구측에 있어서는, 풀 블레이드(5)의 형상(경사)과 동일하게 되는 동시에, 출구측 단부 가장자리의 트레일링 에지(7b)는 풀 블레이드(5) 및 스플리터 블레이드(7) 모두 동일 위치가 되도록 설정되어 있다.

이와 같이 스플리터 블레이드(7)의 입구 단부에 대해서, 허브(3)면으로부터의 높이 방향의 대략 70% 이상의 부분을 풀 블레이드(5)의 부압면측(Sb)으로 경사지게 하고, 대략 70% 위치로부터 서서히 전연 날개각(θ)을 증대시켜, 스플리터 블레이드(7)의 선단에 있어서, 도 7의 R점보다 대략 15°경사지게 함으로써, 다음과 같은 작용 효과를 갖는다.

첫번째는, 날개단 누출 흐름(W)에 대한 적합성이다. 스플리터 블레이드(7)의 입구 단부의 선단부 근방에 생기는 날개단 누출 소용돌이에 의한 편류(M)에 대해, 해당 편류(M)에 따른 형상으로 하는 것이 가능하게 되고, 이것에 의해서 편류(M)를 매끄럽게 출구측으로 인도할 수 있게 되어, 고압력비 및 고효율화할 수 있다.

또한, 두번째는, 날개단 누출 소용돌이에 대한 간섭 회피이다. 날개단 누출 소용돌이가 스플리터 블레이드(7)의 입구 단부의 선단 부분과 간섭하는 것을 피할 수 있기 때문에, 간섭에 의한 박리나 새로운 와류의 발생에 의한 임펠러의 효율 저하를 방지하여, 고압력비 및 고효율화할 수 있다.

또한, 세번째는 역압력 구배의 변경에 의한 서징의 억제이다. 원심 압축기내에서는, 원심력이나 코리올리력의 영향으로 저에너지 유체는 날개 선단측, 즉, 허브면으로부터의 높이 방향에 있어서의 선단측에 퇴적하기 쉽다.

이 저에너지 유체는 임펠러내의 역압력 구배, 즉 유체의 출구측으로부터 입구측으로 향하는 압력 구배(출구측의 고압력으로부터 입구측의 저압력으로의 압력 구배)에 의해서 용이하게 역류하여 서징에 이르는 요인이 되고 있었지만, 도 3에 도시하는 바와 같이, 스플리터 블레이드(7)의 입구 단부에 대해서, 허브면으로부터의 높이 방향의 선단 부분을 풀 블레이드의 부압면측으로 경사지게 하여 가깝게 했기 때문에, 유로내의 역압력 구배의 방향이 통상의 경우(스플리터 블레이드의 전단 날개각이 유체의 흐름 방향과 동일, 또는 풀 블레이드와 동일한 경우)의 방향(X)보다 둘레방향(Y)으로 향하게 되고, 허브면으로부터의 높이 방향에 있어서의 선단측, 즉 케이싱면 근방에서의 역류가 억제되어, 출구측으로부터 입구측으로 향하는 압력 구배에 의해서 생기기 쉬운 서징을 방지하여, 압축기의 광역화를 달성할 수 있다.

(제 2 실시 형태)

다음, 스플리터 블레이드(7)의 입구 단부의 허브면측에 있어서 전연 날개각(θ)에 대해 설명한다.

도 4에는, 스플리터 블레이드(7)와 풀 블레이드(5)의 관계를 블레이드의 길이방향에 따른 단면 형상을 나타낸다(도 10의 A－A선 단면도에 상당). 여기서의 형상은 허브(3)측 위치에 있어서의 관계를 나타낸다. 또한, 임펠러(1)는 화살표 방향으로 회전하는 것으로 한다.

허브(3)의 근방의 유체는 경계층내의 저에너지 유체를 형성하기 때문에, 풀 블레이드(5, 5) 사이의 유로(9)내에서는 압력 구배에 져서, 풀 블레이드(5)의 압력면측(Sa)으로부터 부압면측(Sb)으로 향하는 2차 흐름(Z)이 형성된다.

이 2차 흐름 상태를 수치 해석한 결과를 도 6의 흐름선 및 상기 제 1 실시 형태에서 나타낸 도 7, 도 8에 도시한다. 도 6과 같이, 풀 블레이드(5, 5) 사이의 흐름은 압력면측(Sa)으로부터 부압면측(Sb)으로 향하는 2차 흐름(Z)이 형성된다. 본 실시 형태에서는, 이 2차 흐름(Z)에 적합하게 되도록 스플리터 블레이드(7)의 입구 단부에 있어서의 허브면으로부터의 높이 방향의 허브면측 부분(Q)의 영역을 풀 블레이드(5)의 압력면측(Sa)으로 경사지게 함으로써, 허브면 근방에 형성되는 2차 흐름(Z)에 대해서 매끄럽게 유체를 출구측으로 인도하도록 하는 것이다.

이것에 의해서, 스플리터 블레이드(7)의 허브면 근방에 있어서의 유체의 흐름이 스플리터 블레이드(7)에 의해서 방해되는 있는 일 없이 부드럽게 출구로 향하여, 고압력비 및 고효율화를 달성할 수 있다.

또한, 상기 제 1 실시 형태에서 나타낸 도 7에 동그라미 점으로 나타내는 수치 해석 결과에 있어서, 스팬이 대략 70% 이하의 범위에서, 스팬의 대략 70% 위치로부터 서서히 전연 날개각(θ)을 직선(H1)의 관계보다 감소시켜 마이너스측으로 경사지는 경향이 나타나고, 상기 2차 흐름의 영향이 발생하고 있는 것이 나타나 있다.

그래서, 도 7의 스팬이 대략 70% 이하의 범위에서는, 스플리터 블레이드(7)의 전연 날개각(θ)을 수치 해석 결과에 따르도록, 스팬의 대략 70%의 위치로부터 서서히 전연 날개각(θ)을 직선(H1)보다 감소시켜 θ-ㅿθ(h)로 하여, ㅿθ(h)가 스팬의 높이에 따라 변화하도록 설정하여, 스플리터 블레이드(7)의 허브면에 있어서, 도 7의 S점보다 대략 -15°이상 경사지게 하는 것이 좋은 것을 발견하여, 곡선형상의 실선(H2)을 스플리터 블레이드(7)의 전연 날개각(θ) 의 특성으로서 설정하고 있다.

이와 같이 제 2 실시 형태에 의하면, 허브면 근방에 형성되는 2차 흐름(Z)에 대해서 매끄럽게 유체를 출구측으로 인도할 수 있게 되어, 고압력비 및 고효율화로 연결시킬 수 있다.

또한, 스팬이 대략 70% 이하에서, -15°이상의 경사각으로 서서히 경사 각도를 증가시키기 때문에, 급변에 의한 박리의 발생을 방지할 수 있다.

(제 3 실시 형태)

제 3 실시 형태는, 스플리터 블레이드(7)의 입구 단부의 선단 부분 및 허브면측에 있어서 전연 날개각(θ)에 대해서, 상기 제 1 실시 형태 및 제 2 실시 형태를 함께 구비한 것이다.

도 7에 도시하는 바와 같이, 스플리터 블레이드(7)의 입구 단부에 있어서의 허브면으로부터의 높이 방향의 상단 부분에 있어서는, 스팬의 대략 70% 위치로부터 서서히 전연 날개각(θ)을 풀 블레이드(5)의 부압면측(Sb)을 향해서 경사지게 하고, 스플리터 블레이드(7)의 선단 위치에서는, 도 7의 R점 위치보다도 대략 15°이상 경사지게 한다. 이 R점은 풀 블레이드(5) 사이의 유로(9)를 흐르는 유체의 흐름방향(F)과 동일, 또는 풀 블레이드(5)와 동일한 전연 날개각(θ)을 가진 관계를 나타내는 직선(H1)의 상단을 나타내는 점이며, 이 위치를 기준으로 하여 대략 15°이상 경사지게 한다.

또한, 스팬의 대략 70% 위치로부터 아래에서는, 서서히 전연 날개각(θ)을 풀 블레이드(5)의 압력면측(Sa)을 향하여 경사지게 하고, 스플리터 블레이드(7)의 허브면에 대해서는 도 7의 S점 위치보다 대략 15°이상 경사지게 한다. 이 S점은 직선(H1)의 하단의 S점이며, 이 위치를 기준으로 하여 대략 15°이상 경사지게 한다. 즉, 제 1 실시 형태와 제 2 실시 형태의 서로 역방향으로 경사진 스플리터 블레이드(7)의 전연 날개각의 특성을 함께 갖는 형상으로 되어 있다.

이상의 제 3 실시형태에 의하면, 상기한 제 1 실시 형태에 의한 작용 효과 및 제 2 실시 형태에 의한 작용 효과를 갖는 동시에, 또한 부가하여, 스플리터 블레이드(7)에 의해서 분할되는 각 통로(11, 13)의 유량 배분의 균일화를 도모할 수 있다.

　즉, 스플리터 블레이드(7)의 입구 단부에 대해서, 허브면으로부터의 높이 방향의 선단 부분을 풀 블레이드(5)의 부압면측(Sb)으로 경사지게 하여 가깝게 하고, 또한 허브면으로부터의 높이 방향의 허브면측 부분을 풀 블레이드(5)의 압력면측으로 경사지게 하여 각각 가깝게 하기 때문에, 단독인 경우에는, 스플리터 블레이드(7)로 분할되는 압력면측 유로(11) 및 부압면측 유로(13)의 스로트폭에 편향이 생겨 유량의 불균일을 발생하는 원인이 되지만, 허브면으로부터의 높이방향에 있어서 선단측과 허브면측에 있어서, 서로 역방향으로 경사짐으로써 이들 유량의 편향이 취소되어, 유량 배분을 균일화할 수 있다.

[산업상의 이용 가능성]

본 발명은 유체의 입구부로부터 출구부에 걸쳐 서로 이웃하여 마련되는 풀 블레이드와, 해당 풀 블레이드의 사이에 유로의 도중으로부터 출구부에 걸쳐서 마련되는 스플리터 블레이드를 구비한 원심 압축기의 임펠러에 있어서, 원심 압축기의 복잡한 내부 유동에 적합하게 하여, 고압력비, 고효율화의 달성과 유량 배분의 균일화를 달성하는 스플리터 블레이드의 입구부 형상을 제공할 수 있으므로, 원심 압축기의 임펠러에의 이용에 적절하다.

또한, 상기에서는 풀 블레이드간 유로에 1개의 싱글 스플리터 블레이드를 갖는 경우에 대해 설명했지만, 싱글 스플리터 블레이드 사이 유로에 마련된, 싱글 스플리터 블레이드보다 더 짧은 더블 스플리터 블레이드에 대해 본 발명을 적용해도 물론 좋다.

Claims (6)

1. 허브면상에 유체의 입구부로부터 출구부에 걸쳐 복수 마련되는 풀 블레이드와, 서로 이웃하여 마련되는 상기 풀 블레이드 사이에 형성되는 유로의 도중으로부터 출구부에 걸쳐서 마련되는 스플리터 블레이드를 구비한 원심 압축기의 임펠러에 있어서,
   상기 스플리터 블레이드의 입구 단부에 있어서의 전연 날개각을 허브면으로부터의 높이 방향으로 다르게 하는 동시에, 선단 부분을 그 이외 부분보다 큰 경사 각도를 갖고서 상기 풀 블레이드의 부압면측으로 경사지게 하고, 상기 높이 방향의 선단 부분이 전체 높이의 대략 70% 이상이며, 상기 대략 70%의 위치를 기점으로 하여 선단을 향해 일정 각도까지 서서히 경사 각도를 증가시킨 것을 특징으로 하는
   원심 압축기의 임펠러.
2. 삭제
3. 허브면상에 유체의 입구부로부터 출구부에 걸쳐 복수 마련되는 풀 블레이드와, 서로 이웃하여 마련되는 상기 풀 블레이드 사이에 형성되는 유로의 도중으로부터 출구부에 걸쳐서 마련되는 스플리터 블레이드를 구비한 원심 압축기의 임펠러에 있어서,
   상기 스플리터 블레이드의 입구 단부에 있어서의 전연 날개각을 허브면으로부터의 높이 방향으로 다르게 하는 동시에, 허브면측 부분을 그 이외 부분보다 큰 경사 각도를 갖고서 상기 풀 블레이드의 압력면측으로 경사지게 한 것을 특징으로 하는
   원심 압축기의 임펠러.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 허브면측 부분이 전체 높이의 대략 70% 이하이며, 상기 대략 70%의 위치를 기점으로 하여 허브면을 향해 일정 각도까지 서서히 경사 각도를 증가시킨 것을 특징으로 하는
   원심 압축기의 임펠러.
5. 허브면상에 유체의 입구부로부터 출구부에 걸쳐 복수 마련되는 풀 블레이드와, 서로 이웃하여 마련되는 상기 풀 블레이드 사이에 형성되는 유로의 도중으로부터 출구부에 걸쳐서 마련되는 스플리터 블레이드를 구비한 원심 압축기의 임펠러에 있어서,
   상기 스플리터 블레이드의 입구 단부에 있어서의 전연 날개각을 허브면으로부터의 높이 방향으로 다르게 하는 동시에, 허브면으로부터의 높이 방향의 상단 부분을 풀 블레이드의 부압면측으로 경사지게 하고, 높이 방향의 허브면측 부분을 풀 블레이드의 압력면측으로 경사지게 한 것을 특징으로 하는
   원심 압축기의 임펠러.
6. 제 5 항에 있어서,
   높이 방향의 상기 상단 부분과 상기 허브면측 부분은 허브면으로부터의 전체 높이의 대략 70%보다 상부와 하부에 의해서 구분하는 것을 특징으로 하는
   원심 압축기의 임펠러.

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