KR101715979B1

KR101715979B1 - 수직축 터보머신

Info

Publication number: KR101715979B1
Application number: KR1020127024073A
Authority: KR
Inventors: 프레더릭 바틀레
Original assignee: 사프란 헬리콥터 엔진스
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2011-02-23
Publication date: 2017-03-13
Also published as: FR2956700A1; CN102782261B; ES2614859T3; RU2566869C2; PL2539547T3; FR2956700B1; US20120321460A1; JP5701909B2; JP2013520608A; WO2011104477A1; CA2790002C; CN102782261A; US9163526B2; EP2539547B1; EP2539547A1; CA2790002A1; KR20130004292A; RU2012140749A

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 터빈 휠을 구비하는 적어도 하나의 축(12, 22)을 구비하는 터보머신에 대한 것이다. 상기 축(12, 22)은 상기 터보머신(10)의 정상 작동상태에서 실질적으로 수직방향으로 배치되고, 상기 축(12, 22)은 단일 베어링(14, 24)에 의하여 지지된다.

Description

수직축 터보머신{A Vertical Shaft Turbomachine}

본 발명은 터보머신 분야에 대한 것이다.

통상적으로, 터보머신은 적어도 하나의 터빈 휠(터빈 휠은 자유롭거나 어디에 연결되어 있다)에 연결된 적어도 하나의 축(shaft)을 구비하는데, 상기 축은 수평으로, 즉 중력방향에 대체로 수직인 축(axis)을 가지도록 배치된다.상기 축을 적절히 그리고 그 무게를 지지하도록 지탱하기 위하여, 축을 따라 복수의 베어링이 배치되는데, 일반적으로 두 개의 베어링이 배치된다. 압축기, 연소실, 및 터빈이 상류로부터 하류로 연속적으로 구비된 터보머신에서, 하나의 베어링은 압축기로부터 상류에 배치되고, 다른 베어링은 연소실로부터 하류에 배치된다. 이는 몇 가지 단점을 가진다.

첫번째 단점은 축이 종종 길고 무거우며, 각 베어링에 의해 제공된 점 지지에도 불구하고 외팔보식으로 걸린 길다란 부분이 남아 있어서 그 자중과 거기에 걸린 터빈 휠의 무게에 의해 변형이 된다는 것이다. 그러한 정적인 변형은 축의 직선성을 변경하고, 불균형을 생성하여, 터보머신이 작동중에 있는 동안 축은 그 자체의 축 주위로 회전한다.

두번째 단점은 복수의 베어링의 존재에 관계되는데, 터보머신의 중량 증가시키고 그 효율은 감소시킨다는 점이다.

마지막으로, 세번째 단점은, 연소실로부터 하류에 위치하는 베어링이 특히 뜨거운 터보머신의 영역에 위치하여 높은 열적인 스트레스에 놓이게 된다는 점이다. 베어링을 적절히 작동하도록 하기 위하여, 그리고 코킹되는 어떠한 위험을 피하기 위하여, 통상 냉각 오일 회로를 사용하는 냉각 시스템을 구비하는 것이 필요하다. 그러한 냉각 시스템은 설치하고 유지하기에 복잡하고, 그리하여 제조원가나 유지비용을 증가시키며, 중량까지 증가시키게 된다.

본 발명의 목적은 상기 종래기술의 단점 중의 적어도 하나를 완화하기 위한 것이다.

상기한 목적은, 적어도 하나의 터빈 휠을 구비하는 적어도 하나의 축을 구비하고, 상기 축은 터보머신의 정상적인 사용상태에서 실질적으로 수직으로 배치되고, 상기 축은 단일의 베어링에 의해 지지되는 터보머신에 의하여 달성된다.

상기 터빈 휠은 터보머신의 연결 터빈(linked turbine) 또는 자유 터빈(free turbine)에 동등하게 속할 수 있다. 연결된 터빈은 터보머신의 압축기에 기계적으로 연결된 터빈이고, 자유 터빈은 압축기로부터 기계적으로 독립적인 터빈이다.

본 발명의 명세서에서, 수직방향은 중력방향에 상응한다. 따라서, "수직으로" 향한 것은 "중력방향으로" 놓인 것을 의미한다. "실질적으로"라는 용어는 축이 놓여진 방향이 수직방향으로부터 약간 벗어날 수 있는 것을 의미하는 것으로 사용된다.

"터보머신의 정상적인 사용상태"라는 용어는 터보머신이, (지상이나 수상 및 공중으로) 수평으로 이동하는 운송수단, 특히 항공기에 장착된 상태(이 경우, 터보머신은 예컨대 터보제트 또는 터보 샤프트 엔진에 의해 구성된다)를 의미하는 데 사용되거나, 사실 터보머신이 산업 생산현장에 장착되어(이 경우, 터보머신은 예컨대 지상의 가스 터빈에 의해 구성된다) 있다.

터보머신은 작동되거나 정지될 수 있다.특히, 설치 전에 이송을 포함하는 상태나 터보머신의 수리는 "정상 사용의 상태"를 구성하지 않는다.

수직방향으로 축을 위치시킴으로써, 축은 더 이상 그 자체의 주량의 결과와 터빈 휠의 중량의 결과로 그 직선성을 변경할 수 있는 정적인 변형으로 유도할 수 있는 방식으로, 축은 더 이상 밖으로 늘어지지 않는다. 종래의 터보머신과 달리, 본 발명의 축(shaft)은 방사상 정지력을 받지 않는다 (즉, 축(shaft)의 축(axis)에 수직인 방향 및 축을 가로지르는 방향으로 작용하는 힘). 당연히, 상기 축은 축방향 힘(즉, 축(shaft)의 축을 따라 작용하는 힘)을 거의 또는 전혀 받지 않기 때문에, 축이 굽혀지거나 꺾일 위험이 없고 직선성이 변화된다. 축과 터빈 휠의 중량은 축에 대하여 축방향으로 거의 무시할만하다는 것을 나타낸다. 이것은 축이 직선을 유지하는 것을 보장한다.

더욱이, 축은 수직으로 배치되어 있기 때문에, 종래기술에처럼, 축의 중량을 지지하기 위하여 길이를 따라 배치된 복수의 베어링에 의하여 축을 지지할 필요가 없다. 상기 축은 단일의 위치에서 단일의 베어링에 의해 바르게 지지될 수 있다. 당연히, 상기 단일의 베어링은 축방향으로 축과 터빈 휠에 의해 구성되는 조립체의 중량을 지지하기에 적절하여야 한다.

더욱이, 정상사용 상태에서, 터보머신이 작동 중에 있을 때, 상기 축은 자이로스코프 효과에 의해 원래의 축 위치 주위(즉, 정지시의 축 위치)에서 안정된다. 상기 자이로스코프 효과는 어떤 축 주위로 빠르게 회전하는 물체가 그 회전축 방향을 변경하려는 힘에 저항하는 경향을 의미한다. 따라서, 축의 축방향 위치는, 먼저 (터보머신 내에서 축의 원래 위치에 축을 고정하고 터보머신이 정지할 때 그 중량을 지지하는) 베어링 때문에, 두번째로 (터보머신이 작동하는 동안 터보머신 내에서 원래의 축위치 주위에 축을 안정시키는) 자이로스코프 효과 때문에, 터보머신의 어떠한 정상적인 사용상태에서든 터보머신 내에 동일한 위치에 유지된다.

게다가, 터보머신은 단일 베어링을 구비하기 때문에, 복수의 베어링을 가지는 종래의 터보머신에 비해 중량면에서 감소된다. 따라서, 본 발명의 터보머신은 경량이고, 종래의 터보머신에 비해 향상된 효과를 나타낸다.

상기 단일의 베어링은 또한 터보머신 내에서 공간의 절감을 가져올 수 있다. 본 발명의 터보머신의 단일 베어링은 종래의 터보머신에서 복수의 베어링보다 작은 공간을 차지한다. 이 공간상의 절감은 종래의 터보머신에 비해 본 발명의 터보머신에 있어서, 예컨대 축을 짧게 함으로써, 특히 더욱 콤팩트한 구조를 가능하게 한다.

"단일 베이링"이라는 용어는 축을 지지하는 단일 링을 구비하는 조립체 또는 축을 지지하고 나란히 위치하는 복수의 링을 구비하는 조립체를 지칭하는 것으로, 상기 나란히 위치하는 복수의 링은 축 길이의 10% 이하의 간격에 걸쳐 분포된다.

바람직하게는, 상기 터보머신은 고온 영역을 가지며 상기 단일 베어링은 상기 고온 영역의 바깥에 위치한다.

통상적으로, 터보머신에서, 상기 고온 영역은 연소실 인근과 바로 하류의 영역이고, 여기에서 자유 터빈이나 연결된 터빈이 고온 가스에 의하여 구동된다.

상기 베어링은 상기 고온 영역의 바깥 어느 영역이든 위치할 수 있다. 특히, 상기 베어링은 상기 연소실의 상류에 위치할 수도 있고, 또는 상기 연소실로부터 바로 하류에 있는 지역을 지나 위치할 수도 있다.

하나의 실시예에서, 특히 터보머신이 터보제트이거나 헬리콥터 터빈엔진일 때, 상기 베어링은 200℃를 초과하지 않는 터보머신의 저온 영역에 위치한다.

다른 실시예에서, 상기 베어링은 터보머신의 고온 영역에 위치한다. 이러한 환경에서, 고온으로부터 상기 단일의 베어링을 보호하기 위하여, 베어링은 냉각되는 영역이나 열 스크린으로 보호되는 영역에 한정된다.

본 발명의 명세서에서 "상류"나 "하류"는 터보머신을 통한 정상적인 가스의 흐름 방향을 나타낸다.

바람직하게는, 상기 터보머신은 연소실을 구비하고, 상기 단일 베어링은 상기 연소실로부터 상류에 위치한다.

상기 연소실로부터 상류 가스의 온도는 상기 연소실로부터 하류 가스의 온도보다 낮다. 따라서, 상기 베어링을 상기 연소실로부터 상류에 위치시킴으로써, 상기 베어링이 상기 연소실로부터 하류에 위치하였다면 받았을 열 스트레스보다 낮은 열 스트레스를 받는 환경에 놓이게 할 수 있다. 상기 연소실로부터 상류의 이러한 열 스트레스는 상기 베어링의 손상을 피하기 충분히 낮고, 베어링을 위한 어떠한 냉각장치도 필요로 하지 않는다.

바람직하게는, 상기 터보머신은 압축기를 구비하고, 상기 단일 베어링은 상기 압축기로부터 상류에 위치한다.

바람직하게는, 상기 터보머신은 압축기와, 제1 터빈 및 제2 터빈을 구비하고, 상기 축은 상기 제1 터빈 및 상기 제2 터빈 중의 어느 하나에 속하는 적어도 하나의 터빈 휠을 구비하는 제1 축을 구성하고, 상기 단일 베어링은 제1 단일 베어링을 구성한다.

예를 들어, 변형례에서, 상기 제1 터빈은 연결된 터빈인 반면에, 상기 제2 터빈은 자유 터빈이다. 다른 변형례에서, 상기 제1 터빈은 고압 스풀(spool)에 연결된 터빈인 반면에, 상기 제2 터빈은 저압 스풀에 연결된 터빈이다.

바람직하게는, 상기 터보머신은 또한 터보머신의 정상사용 상태에서 실질적으로 수직으로 향한 제2 축을 구비하고, 상기 제2 축은 상기 제1 터빈 및 상기 제2 터빈으로부터 선택된 다른 하나에 속하는 적어도 하나의 터빈 휠을 구비하며, 상기 제2 축은 제2의 단일 베어링에 의해 지지된다.

바람직하게는, 상기 제1 축 및 제2 축은 동축이다. 추가로, 상기 제1 축은 바람직하게는 상기 제2 축의 내부를 통과한다. 또한 바람직하게는, 상기 제1 단일 베어링과 제2 단일 베어링은 상기 압축기로부터 상류에 위치한다.

하나의 실시예에서, 본 발명의 상기 터보머신은 항공기 터보제트(turbojet)나 터보샤프트(turboshaft) 엔진이다 (즉, 이들을 구성한다). 바람직하게는, 본 발명의 상기 터보머신은 헬리콥터 터보샤프트(turboshaft) 엔진이다 (즉, 이를 구성한다).

본 발명과 그 장점은 비한정적인 실시예로 주어지는 본 발명의 실시예에 대한 이하의 자세한 설명을 읽으면 보다 잘 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예의 터보머신은, 종래기술에서 설치하고 유지하기에 복잡하고, 그리하여 제조원가나 유지비용을 증가시키며, 중량까지 증가시키게 되는 등의 단점이나 문제점을 효과적으로 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 터보머신의 제1 실시예를 도식적으로 나타내는 개략적인 종단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 터보머신의 제2 실시예를 도식적으로 나타내는 개략적인 종단면도이다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하는데, 이 도면과 설명은 예시적인 것이지 모든 실시예를 나타내는 것은 아니다.

도 1은 터보머신(10)의 X축 위에서 종단면도에서 도식적으로 나타낸 터보머신(10)의 제1 실시예이다. 상기 터보머신(10)의 상기 X축은 수직으로 즉, 굵은 화살표로 나타내진 중력(G)의 방향에 평행하게 배치된다. 점선 화살표는 상기 터보머신을 통한 가스의 흐름 방향을 나타낸다.

상기 터보머신(10)은 수직으로 배치되고 단일 베어링(14)에 의하여 고정된 축(12, shaft)을 구비하고, 상기 터보머신은 정상 사용 상태에서 나타내어진 것이다. 상기 터보머신(10)은 압축기(16)와, 연결된 터빈(18) 및 자유 터빈(20)을 구비하고, 상기 축(12)은 상기 자유 터빈(20)의 부분을 형성하는 터빈 휠을 구비하는 제1 축을 구성하고, 상기 단일 베어링(14)은 제1 단일 베어링을 구성한다.

도시된 실시예에서, 상기 자유 터빈(18)과 상기 연결 터빈(20)은 각각 단일 터빈 휠만을 구비한다. 자연스럽게, 변형례에서, 상기 연결 터빈이나 자유 터빈은 다수의 터빈 휠을 제공할 수 있다.

상기 터보머신(10)은 또한 제2 축(22)을 구비하고, 마찬가지로 수직으로 배치되어 있는 상기 제2 축(22)은 상기 연결 터빈(18)에 속하는 상기 터빈 휠을 구비하고, 상기 제2 축(22)은 제2 단일 베어링(24)에 의하여 지지된다.

상기 제1 축(12)은 상기 제2 축(22)과 동축이면서 그 내부를 관통하여 지나간다.

상기 제1 단일 베어링(14)과 제2 단일 베어링(24)는 상기 압축기(16)로부터 상류에 위치된다.

상기 자유 터빈(20)을 전달하는 상기 제1 축(12)은, 상기 터보머신(10)에 의해 발생된 구동 에너지를 사용하기 위하여 동력 전달장치(도시 안됨)에 기계적으로 연결된다.

상기 터보머신(10)은 또한 상기 축(X) 주위에 환형의 연소실(26)을 구비하고, 상기 제1 베어링(14) 및 제2 베어링(24)은 상기 연소실(26)로부터 상류에 위치된다. 이 실시예에서 상기 압축기(16)와 상기 연결 터빈(18)은 모두 제2 축(22)에 연결되는 반면, 상기 자유 터빈(20)은 상기 제1 축에 연결된다. 상기 연소실(26)은 정지되어 있고, 상기 터보머신(10)의 케이싱에 의하여 지지된다. 더욱이, 상기 자유 터빈(20)은 상기 연결 터빈(18)으로부터 하류에 위치한다.

상온의 기체가 기체 유입구(28)를 통해 터보머신(10) 안으로 들어간다. 그 다음 상기 기체는 상기 압축기(16)에 의하여 압축된다. 그 이후에, 상기 기체는 연료가 주입되어 연소되는 상기 연소실(26)로 들어간다. 이것이 상기 기체를 가열하게 된다. 이렇게 가열된 고온 기체는 그 다음 상기 연결 터빈(18)과 상기 자유 터빈(20)을 통과하여 지나가면서 팽창되고 냉각된다. 상기 연결 터빈(18)은 상기 압축기(16)를 구동하는 반면에, 상기 자유 터빈(20)은 동력 전달장치(도시 안함)로 기계적 에너지를 전달하는 상기 제1 축(12)을 구동한다. 결국 상기 기체는 배기구(30)를 통해 터보 머신(10)으로부터 배기된다. 상기 기체의 온도는 상기 연소실(26)로부터 상기 자유 터빈(20)으로 가면서 낮아지고 상기 배기구(30) 쪽으로 향하면서 더욱 낮아진다.

그리하여 상기 연소실(26)의 상류 단부와 상기 자유 터빈(20)의 하류 단부 사이에 놓이는 영역은 상기 터보머신(10)의 고온 영역(ZC)을 구성한다. 상기 연결 터빈(18)과 상기 자유 터빈(20)은 상기 연소실(26)로부터 바로 하부의 영역에 배치되어 있다.

상기 제1 단일 베어링(14)과 상기 제2 단일 베어링(24)을 상기 압축기(16)로부터 상류에, 상기 기체 유입구(28) 인근에 위치시킴으로써, 상기 제1 단일 베어링(14)과 상기 제2 단일 베어링(24)은 상기 고온 영역(ZC)에서 바깥쪽에 위치하게 된다. 다른 실시예에서, 상기 제1 단일 베어링(14) 및/또는 상기 제2 단일 베어링(24)은 상기 자유 터빈(20)으로부터 하류에 상기 고온 영역(ZC)에서 바깥쪽에 위치하게 된다. 그럼에도 불구하고, 상기 제1, 제2 단일 베어링(14, 24)에 의해 지지될 수 있을지라도, 그 위치에서의 주위 온도는 상기 고온 영역(ZC)으로부터 상류보다 높다. 다르게 말하면, 상기 제1, 제2 단일 베어링이 가장 낮은 열 스트레스에 놓이게 되는 것은 상기 연소실(26)의 상류이고, 특히 상기 기체 유입구(28) 인근이다.

이 실시예에서, 상기 제1 단일 베어링(14)은 단일 축 지지링(14a)을 구비하는 반면에, 상기 제2 단일 베어링(24)은 2 개의 축 지지링(24a, 24b)를 구비한다. 예를 들자면, 이러한 지지링(14a, 24a, 24b)으로서는 볼 베어링, 롤러 베어링 등이 있다.

더욱이, 상기 제1, 제2 단일 베어링(14, 24)은 (상기 터보머신(10)의 축방향과 일치하는)수직방향에서 상기 터보머신(10)의 바닥부에 위치한다. 더욱 일반적으로는, 도 1과 도 2에서, 상기 바닥부는 도면의 바닥쪽과 일치하고, 상분는 도면의 상부와 일치한다. 다르게 말하면, 상기 바닥부는 중력이 향하는 부분이고, 상기 상부는 그 반대부분이다.

도 1에서, 상기 제1, 제2 단일 베어링(14, 24)은 그 바닥 단부를 통해 상기 축(12, 22)을 지지한다. 그리하여 상기 제1, 제2 단일 베어링(14, 24)는 아래로부터 상기 축(12, 22)을 지지한다. 달리 말하면, 상기 터보머신(10)의 구조는 상기 제1, 제2 단일 베어링(14, 24) 위에 "서 있는" 구조로 생각할 수 있다. 이 실시예에서, 기체는 아래로부터 상기 터보머신(10)의 바닥부를 거쳐 상기 터보머신(10) 안으로 유입되고, 상기 터보머신(10)의 상부로부터 위로 배출된다.

도 2는 상기한 터보머신(10)의 제1 실시예와 비슷한 터보머신(110)의 제2 실시예를 나타낸다. 비슷한 구성요소는 반복해서 설명하지 않고, 도면부호는 100이 증가된 번호로 표시한다.

상기 터보머신(10)과 상기 터보머신(110) 사이에서 주된 차이는 서로 반대방향으로 향하고 있다는 것으로, 상기 터보머신(10)의 바닥부에서의 구성요소들은 상기 터보머신(110)의 상부에 있으며, 그 반대도 마찬가지이다. 그리하여, 제1, 제2 단일 베어링(114, 124)은 상기 터보머신(110)의 상부에 위치하고, 제2 축(112, 122)을 위로부터 그 상부단을 통해 지지한다. 다시 말하면, 상기 터보머신(110)의 구조는 상기 제1, 제2 단일 베어링(114, 124)으로부터 "매달린" 구조라고 생각할 수 있다. 이 실시예에서, 기체는 위로부터 상기 터보머신(110)의 상부를 거쳐 상기 터보머신(110) 안으로 유입되고, 상기 터보머신(110)의 바닥부로부터 아래로 배출된다.

10, 110: 터보머신 12, 22, 112, 122: 축
14, 24, 114, 124: 단일 베어링 16, 116: 압축기
18, 20, 118, 120: 터빈 26, 126: 연소실
28, 128: 유입구 30, 130: 배출구

Claims

압축기(16)와, 제1 축(12), 제2 축(22), 제1 터빈(18, 20) 및 제2 터빈(18, 20)을 구비하고, 상기 제1 축(12)은 상기 제1, 제2 터빈(18, 20)으로부터 선택된 어느 하나에 속하는 적어도 하나의 터빈 휠에 연결되고, 상기 제2 축(22)은 상기 제1, 제2 터빈(18, 20)으로부터 선택된 다른 하나에 속하는 적어도 하나의 터빈 휠에 연결되고, 상기 제1, 제2 축(12, 22)은 터보머신(10)의 정상 사용상태에서 실질적으로 수직으로 향하게 배치되고, 상기 제1 축(12)은 제1 단일 베어링(14)에 의해 지지되는 반면에, 상기 제2 축(22)은 제2 단일 베어링(24)에 의하여 지지되는 터보머신.
제1항에 있어서, 상기 제1 축(12)과 상기 제2 축(22)은 서로 동축으로 배치되어 있는 터보머신.
제2항에 있어서, 상기 제1 축(12)은 상기 제2 축(22) 내부를 통과하도록 배치되어 있는 터보머신.
제3항에 있어서, 고온 영역(ZC)을 구비하되, 상기 제1, 제2 단일 베어링(14, 24)은 상기 고온 영역(ZC)의 바깥쪽에 위치하는 터보머신.
제3항 또는 제4항에 있어서, 연소실(26)을 구비하되, 상기 제1, 제2 단일 베어링(14, 24)은 상기 연소실(26)로부터 상류에 위치하는 터보머신.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제1, 제2 단일 베어링(14, 24)은 상기 압축기(16)로부터 상류에 위치하는 터보머신.
제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 터보머신은 항공기 터보제트 또는 터보 샤프트 엔진을 구성하도록 되어 있는 터보머신.