KR102228248B1 - 고강도 터보기계 임펠러, 상기 임펠러를 포함하는 터보기계 및 제조 방법 - Google Patents

Abstract

터보기계 임펠러(1)로서, 회전축(A-A)을 구비하는 허브(3); 슈라우드(13); 허브(3)와 슈라우드(13) 사이의 복수의 블레이드(5; 5A, 5B); 및 복수의 유동 베인(11)으로서, 각 유동 베인은, 허브(3), 슈라우드(13), 및 이웃하는 블레이드들(5; 5A, 5B) 사이에 한정되며, 각 유동 베인은, 유동 베인 입구 및 유동 베인 출구를 구비하는 것인, 복수의 유동 베인(11)을 포함하는 것인, 터보기계 임펠러(1)가 개시된다. 각 유동 베인(11)은, 반경 방향 내향으로, 유동 베인 입구로부터 반경 방향으로 가장 내측의 유동 베인 섹션을 향해 그리고 반경 방향으로 가장 내측의 유동 베인 섹션으로부터 유동 베인 출구로, 연장된다.

Description

고강도 터보기계 임펠러, 상기 임펠러를 포함하는 터보기계 및 제조 방법

본 개시는, 개괄적으로 터보기계들 및 그들의 임펠러들에 관한 것이다. 본 명세서에 개시되는 실시예들은, 소위 슈라우드형 임펠러에 관련된다.

레이디얼형 또는 혼합형 터보기계들은 일반적으로, 케이스 내부에 회전을 위해 배열되는 하나 이상의 임펠러를 포함한다. 각 임펠러는, 전방 표면, 후방 표면, 및 이들 사이의 측면을 구비하는 허브를 포함한다. 임펠러는 추가로, 허브의 측면 상의 블레이드 기부로부터 블레이드 끝단부를 향해 연장되는 복수의 블레이드를 포함한다.

블레이드들이, 허브와, 허브를 둘러싸며 그리고 함께 회전하는, 외측 슈라우드 사이에 배열되는, 슈라우드형 임펠러들이, 공지된다. 블레이드 끝단부들은, 슈라우드의 내측 표면에 연결된다. 유동 베인들이, 슈라우드, 허브 및 이웃하는 블레이드들의 쌍들 사이에, 그에 따라 한정된다. 슈라우드는, 임펠러 블레이드들의 강성을 개선한다.

임펠러들은 일반적으로, 터보기계의 고정형 케이스 내에 회전을 위해 배열되는 터보기계 로터를 형성하도록, 샤프트 상에 장착된다. 터보기계 로터는, 또한 공진 주파수들로 지칭되는, 고유 주파수들을 나타낸다. 고유 주파수가, 로터 속도와 같은 가진 주파수(forcing frequency)일 때 또는 그에 가까울 때, 공진이 일어난다. 회전 기계의 임계 속도는, 회전 기계의 고유 주파수에 대응하는 회전 속도이다. 제1 고유 주파수와 직면하게 되는 가장 낮은 속도는, 제1 임계 속도로 지칭된다. 회전 속도가 증가함에 따라, 부가적인 임계 속도들과 직면하게 된다. 기계 진동 진폭은, 고유 주파수가 달성될 때, 증가한다. 공진은, 고 사이클 피로로 인한 피로를 야기할 수 있다.

터보기계 로터를 설계할 때, 중요한 양태들 중의 하나가, 작동 속도가 터보기계 로터의 고유 속도들 아래에 유지하도록 및/또는 로터가 가속 또는 감속 시 임계 속도들을 안전하게 통과하도록, 임계 속도에 접근할 때 진동 진폭을 감소시킴에 의해 그리고 로터의 강성을 증가시킴에 의해, 그에 따라 고유 속도를 증가시킴에 의해, 자체의 로터 역학 관계를 최적화하는 것이다.

따라서, 터보기계 로터의 강성을 개선하는 것이, 자체의 로터 역학적 거동을 개선하기 위해, 바람직하다.

일부 양태에 따라, 본 명세서에, 허브, 슈라우드, 및 허브와 슈라우드 사이에 배열되는 복수의 블레이드를 포함하며, 그리고 회전축을 구비하는, 터보기계 임펠러가, 개시된다. 터보기계 임펠러는, 복수의 유동 베인을 더 포함하고, 각 유동 베인은, 허브, 슈라우드 및 인접한 블레이드들 사이에 한정된다. 각 유동 베인은, 2개의 인접한 블레이드의 개별적인 제1 에지들 사이에 위치하게 되는 유동 베인 입구, 및 2개의 인접한 블레이드의 개별적인 제2 에지들 사이에 위치하게 되는 유동 베인 출구를 구비한다. 입구 표면이, 제1 에지들 사이에 한정되며, 그리고 출구 표면이, 제2 에지들 사이에 한정된다. 입구 표면 및 출구 표면은, 평면형 기하학적 표면들일 수 있다. 입구 표면 및 출구 표면은, 개별적인 유동 베인을 가로질러, 개별적으로 상기 2개의 제1 에지 및 2개의 제2 에지의 하나로부터 다른 하나까지 연장된다. 입구 표면에 직교하며 그리고 유동 베인을 외향으로 지향하는 벡터 및 출구 표면에 직교하며 그리고 유동 베인을 외향으로 지향하는 벡터가, 추가로 한정될 수 있다. 각각의 상기 벡터는, 임펠러의 회전축에 수직인, 외향으로 지향되는 벡터 성분을 갖는다.

본 명세서에 개시되는 대상은, 회전축을 갖는 그리고, 허브; 슈라우드; 허브와 슈라우드 사이에 배열되는 복수의 블레이드; 및 복수의 유동 베인으로서, 각 유동 베인은, 허브, 슈라우드, 및 인접한 블레이드들 사이에 한정되며, 각 유동 베인은, 2개의 인접한 블레이드의 개별적인 제1 에지들 사이에 위치하게 되는, 유동 베인 입구 및, 2개의 인접한 블레이드의 개별적인 제2 에지들 사이에 위치하게 되는, 유동 베인 출구를 구비하는 것인, 복수의 유동 베인을 포함하는, 터보기계 임펠러에 관련된다. 각 유동 베인은, 반경 방향 내향으로, 유동 베인 입구로부터 반경 방향으로 가장 내측의 유동 베인 섹션을 향해 그리고 반경 방향으로 가장 내측의 유동 베인 섹션으로부터 반경 방향 외향으로 유동 베인 출구로, 연장된다.

각 유동 베인은, 유동 베인 입구에서의 유체 유동이 반경 방향 내향으로 지향되는 속도 성분을 가지며 그리고 유동 베인 출구에서의 유체 유동이 반경 방향 외향으로 지향되는 속도 성분을 갖도록, 구성되고 배열될 수 있다.

본 개시에 따른 임펠러의 일부 실시예에 대한 뒤따르는 설명으로부터 명백해질 것으로서, 유동 베인들의 반경 방향 연장은, 단일 임펠러 뿐만 아니라 복수의 적층된 임펠러를 포함하는 로터의 공진 주파수에 관해 긍정적인 영향을 갖는, 임펠러의 더욱 견고한 전체 구조를 야기한다.

일부 실시예에 따르면, 허브는, 전방 디스크 부분, 후방 디스크 부분, 및 이들 사이에서 연장되는 중간 허브 부분을 포함한다. 블레이드들은, 전방 디스크 부분과 후방 디스크 부분 사이에 배열된다. 중간 허브 부분은, 전방 디스크 부분 및 후방 디스크 부분 양자 모두의 반경 방향 치수보다 더 작은, 최소 반경 방향 치수를 갖는다.

슈라우드는, 최소 반경 방향 치수의 일부분을 구비할 수 있으며, 그의 직경은, 후방 디스크 부분 및 전방 디스크 부분 중의 적어도 하나의 직경보다 더 작지 않다. 이러한 방식으로, 슈라우드는, 전방 디스크 부분, 후방 디스크 부분, 중간 허브 부분, 및 블레이드들을 포함하는 허브 유닛과 별도로, 제조될 수 있다. 슈라우드는, 예를 들어 용접, 접착, 납땜에 의해, 또는 임의의 다른 적당한 수단에 의해, 허브 유닛 둘레에 장착될 수 있으며 그리고 그에 연결될 수 있다.

일부 실시예에서, 각 블레이드는, 유동 베인의 입구로부터 출구로 연장될 수 있다. 다른 실시예에서, 블레이드들은, 임펠러를 가로질러 유동 베인들보다 더 짧을 수 있다. 각 유동 베인은 이때, 블레이드들의 상이한 세트들에 속하는 순차적으로 배열되는 블레이드들에 의해 한정될 수 있다. 예를 들어, 2세트의 순차적으로 배열되는 블레이드들이 제공될 수 있고, 제1 세트의 블레이드들은 유동 베인 입구들로부터 유동 베인들의 중간 섹션으로 연장되며, 그리고 제2 세트의 블레이드들은 중간 섹션으로부터 유동 베인 출구들로 연장된다. 제1 세트의 블레이드들 및 제2 세트의 블레이드들은, 동일한 개수의 블레이드들 또는 상이한 개수의 블레이드들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 세트는, 다른 세트의 블레이드들의 개수의 2배를 포함할 수 있다.

본 명세서에 개시되는 실시예들에서, 적어도 제1 블레이드 에지들 또는 제2 블레이드 에지들은, 임펠러의 자오면(meridian plane) 상에서 자체의 돌출부들이 회전축에 실질적으로 평행하도록, 지향된다. 상기 제1 블레이드 에지들 및 제2 블레이드 에지들 중의 다른 하나는, 자오면 상에서의 그들의 투영선들(projections)이 회전축과 약 0° 내지 약 60° 사이, 바람직하게 약 0° 내지 약 45° 사이, 또는 더욱 바람직하게 약 0° 내지 약 30° 사이의 각도를 형성하도록, 지향될 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 블레이드 에지들 및 제2 블레이드 에지들 양자 모두, 자오면 상에서의 그들의 투영선들이 임펠러의 회전축과 약 0°의, 또는 약 0° 내지 약 60° 사이에, 바람직하게 약 0° 내지 약 45° 사이에, 그리고 더욱 바람직하게 약 0° 내지 약 30° 사이에 포함되는 각도를 형성하도록, 지향된다.

다른 양태에 따르면, 케이스 및 적어도 본 명세서에 개시되는 제1 임펠러를 포함하는 터보기계가, 본 명세서에 개시된다. 일부 실시예에서, 터보기계는, 예를 들어 서로 적층되어 그에 따라 고정형 터보기계 케이스 내에 회전을 위해 배열되는 로터를 형성하는, 복수의 순차적으로 배열되는 임펠러를 포함하는, 복수-스테이지 터보기계이다. 확산기 및 복귀 채널이, 순차적으로 배열되는 제1 임펠러 및 제2 임펠러의 각각의 쌍 사이에 배열되며, 그리고 제2 임펠러의 유동 베인 입구들이, 복귀 채널의 출구를 지향한다.

또 다른 양태에 따르면, 허브, 블레이들 및 슈라우드가 단일 부가적 제조 공정에서 일체형으로 생성되는, 이상에 언급된 기술의 터보기계 임펠러를 제조하기 위한 방법이, 개시된다.

상이한 실시예에서, 이상에 언급된 기술의 터보기계 임펠러를 제조하는 방법이, 뒤따르는 단계들을 포함할 수 있다:

각 블레이드가 허브에서 블레이드 기부로부터 블레이드 끝단부로 연장되도록, 허브 및 복수의 블레이드를 단일품으로 생성하는 단계;

블레이드들 둘레에 그리고 허브에 대해 실질적으로 동축으로 슈라우드를 배열하는 단계;

슈라우드를 블레이드 끝단부들에 연결하는 단계.

특징부들 및 실시예들이, 이하에 개시되며 그리고, 본 설명의 일체형 부분을 형성하는, 첨부되는 청구항들에 추가로 기술된다. 이상의 간단한 설명은, 뒤따르는 상세한 설명이 더욱 양호하게 이해될 수 있도록 그리고 당해 기술분야에 대한 본 발명의 기여가 더욱 잘 인식될 수 있도록, 본 발명의 다양한 실시예들의 특징적 구성들을 기술한다. 물론, 이하에 설명될 그리고 첨부되는 청구항들에 기술될, 본 발명의 다른 특징적 구성들이 존재한다. 이러한 관점에서, 본 발명의 여러 실시예들을 상세하게 설명하기 이전에, 본 발명의 다양한 실시예들은, 뒤따르는 설명에 기술되거나 뒤따르는 도면에 도시되는, 구성에 대한 세부 사항 및 구성요소들의 배열로 그 자체의 적용이 제한되지 않는다는 것이 이해된다. 본 발명은, 다른 실시예들을 가능하게 하며 그리고 다양한 방식으로 실행 및 수행될 수 있다. 또한, 여기에서 사용되는 어법 및 전문용어는 설명의 목적을 위한 것이며 그리고 제한하는 것으로서 간주되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다.

그에 따라, 당업자는, 본 개시가 기초하게 되는 개념이, 본 발명의 여러 목적을 수행하기 위한, 다른 구조물들, 방법들, 및 시스템들을 설계하기 위한 기초로서 쉽게 활용될 수 있다는 것을, 인식할 것이다. 따라서, 청구항들이, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 한, 그러한 균등 구성들을 포함하는 것으로 간주된다는 것이, 중요하다.

본 발명의 개시된 실시예들에 대한 더욱 완전한 인식 및 본 발명의 부수적 이점들 중 많은 부분이, 첨부되는 도면과 관련하여 고려될 때 뒤따르는 상세한 설명을 참조함에 의해 더욱 양호하게 이해됨에 따라, 쉽게 획득될 것이다:
도 1은, 본 개시에 따른 임펠러의 예시적 실시예의 측면도를 도시하고;
도 2는, 도 1의 임펠러의 부등각 투영도를 도시하며;
도 3은, 도 1의 III-III 선을 따르는 정면도를 도시하고;
도 4는, 도 3의 IV-IV 선을 따르는 단면도를 도시하며;
도 5는, 도 4와 유사한 다른 단면도를 도시하고;
도 5a는, 본 개시에 따른 임펠러의 수정된 실시예를, 부분 단면도로 도시하며;
도 6은, 본 개시에 따른 임펠러의 다른 예시적 실시예의 측면도를 도시하고;
도 7은, 도 6의 임펠러의 부등각 투영도를 도시하며;
도 8은, 도 6의 VIII-VIII 선을 따르는 정면도를 도시하고;
도 9는, 도 8의 IX-IX 선을 따르는 단면도를 도시하며;
도 10은, 도 9와 유사한 다른 단면도를 도시하고;
도 11은, 본 개시에 따른 임펠러의 다른 실시예의 측면도를 도시하며;
도 12는, 도 11의 임펠러의 부등각 투영도를 도시하고;
도 13은, 도 11의 XIII-XIII 선을 따르는 정면도를 도시하며;
도 14는, 도 13의 XIV-XIV 선을 따르는 단면도를 도시하고;
도 15는, 도 14와 유사한 단면도를 도시하며;
도 16은, 본 개시에 따른 임펠러의 다른 예시적 실시예를 측면도로 그리고 예비 조립 상태에서 도시하고;
도 17 및 도 18은, 도 16의 임펠러의 부등각 투영도들을 도시하며;
도 19는, 단일 회전 구성요소를 형성하도록 함께 조립되는, 도 16 내지 도 18에 따른 3개의 임펠러에 의해 형성되는 터보기계 로터를 도시하고;
도 20은, 본 개시에 따른 임펠러들에 의해 형성되는 로터를 포함하는, 원심 압축기의 일부분을 도시하며;
도 21은, 본 개시에 따른 임펠러들을 포함하는 복수-스테이지 로터를 조립하는 상이한 방식에 대한 단면도를 도시한다.

예시적인 실시예들에 대한 뒤따르는 상세한 설명은, 첨부 도면들을 참조한다. 상이한 도면들에서, 동일한 참조 부호들이 동일한 또는 유사한 요소들을 식별한다. 부가적으로, 도면들은 반드시 실척으로 작도되는 것은 아니다. 또한, 뒤따르는 상세한 설명은, 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부 특허청구범위에 의해 한정된다.

"일 실시예" 또는 "실시예" 또는 "일부 실시예"에 대한 명세서 전체에 걸친 참조는, 실시예와 연관되어 설명되는 특정 특징적 구성, 구조, 또는 특성이, 개시된 대상의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 명세서 전체에 걸친 여러 개소들에서의 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서" 또는 "일부 실시예에서"와 같은 문구의 출현은, 반드시 동일한 실시예(들)를 참조하는 것은 아니다. 나아가, 특정 특정적 구성들, 구조들 또는 특성들이, 하나 이상의 실시예에서 임의의 적당한 방식으로 조합될 수 있을 것이다.

이하에 설명될 것으로서, 임펠러 강성 및 그에 따라 하나 이상의 임펠러를 포함하는 터보기계 로터의 전체 강성을 개선하는 것을 목표로 하는, 신규의 임펠러 설계가 제안된다. 강성은, 블레이드들의 리딩 에지 및 트레일링 에지 양자 모두를 임펠러의 회전축으로부터 거리를 두고 배열하도록, 반경 방향 및 축 방향으로 임펠러 블레이드들을 연장시킴에 의해 개선된다. 임펠러의 허브는, 블레이드들에 더 많은 지지를 제공하기 위해 전방 단부 및 후방 단부 양자 모두에서 반경 방향으로 연장된다. 임펠러의 그리고 로터의 전체 구조는, 더욱 견고하게 이루어지며, 그에 따라 자체의 로터 역학 관계를 개선하도록 한다.

지금부터 도 1 내지 도 5를 참조하면, 레이디얼 터보기계를 위한 임펠러(1)가 일반적으로, 회전축(A-A)을 구비하는 허브(3)를 포함한다. 허브(3)는, 전방 단부(3F), 후방 단부(3B), 및 전방 단부(3F)와 후방 단부(3B) 사이에서 연장되는 측면(3S)을 구비한다. 각각 허브(3)의 측면(3S) 상에 위치하게 되는 블레이드 기부로부터 연장되며 그리고 그로부터 돌출하는, 복수의 블레이드(5)가, 제공된다.

도 1 내지 도 5의 실시예에서, 각 블레이드(5)는, 제1 블레이드 에지(7) 및 제2 블레이드 에지(9)를 구비한다. 각 블레이드(5)는, 제1 블레이드 에지(7)와 제2 블레이드 에지(9) 사이에서 연장되는, 배향하는 압력 측부 및 흡입 측부를 구비한다. 인접한, 즉 연속적인 또는 이웃하는 블레이드들(5)의 각각의 쌍 사이에, 유동 베인(11)이 한정된다. 각 유동 베인(11)은, 허브(3)의 측면(3S)의 일부분 및 슈라우드(13)의 내측 표면의 일부분에 의해 추가로 경계 한정되고, 슈라우드는, 허브(3)에 대해 동축으로 배열되며 그리고 블레이드들(5)에 의해 허브에 연결되고, 각 블레이드는, 허브(3)의 측면(3S)에 위치하게 되는 개별적인 블레이드 기부로부터 슈라우드(13)에 위치하게 되는 개별적인 블레이드 끝단부로 연장된다.

작동 도중에, 임펠러를 통해 처리되는 작동 유체가, 유동 베인들(11)을 통해, 유동 베인 입구로부터 유동 베인 출구로 유동한다. 임펠러(1)가, 원심형 기계 임펠러, 예를 들어 원심 펌프 임펠러 또는 원심 압축기 임펠러인 경우, 제1 블레이드 에지(7)는, 블레이드의 리딩 에지이며 그리고 제2 블레이드 에지(9)는, 트레일링 에지이다. 임펠러(1)를 통해 처리되는 유체는, 각 유동 베인(11)을 따라, 이웃하는 블레이드들(5)의 제1 또는 리딩 에지들(7) 사이에 위치하게 되는 유동 베인 입구로부터, 상기 이웃하는 블레이드들(5)의 제2 또는 트레일링 에지들(9) 사이에 위치하게 되는 유동 베인 출구로, 유동한다.

구심형 기계에서, 유체 유동은, 제2 에지들(9)로부터 제1 에지들(7)로, 반전된다. 제2 에지들(9)은, 이 경우에, 블레이드들(5)의 리딩 에지들이며, 그리고 제1 에지들(7)은, 트레일링 에지들이다. 각 유동 베인(11)은, 제2 리딩 에지들(9) 사이에 한정되는 유동 베인 입구, 및 제1 트레일링 에지들(7) 사이에 한정되는 유동 베인 출구를 구비한다.

지금부터 도 1 내지 도 5의 예시적 실시예로 돌아가서, 각 블레이드(5)는, 리딩 에지들(7)이 위치하게 되는 곳인 유동 베인 입구로부터, 트레일링 에지들(9)이 배열되는 곳인 유동 베인 출구로 연장된다. 그러나, 다른 예시적 실시예들에 대해 이후에 설명될 것으로서, 임펠러(1)는, 복수의 블레이드 세트를, 예를 들어, 하나의 세트는 유동 베인 입구들로부터 임펠러의 중간 섹션으로 연장되며 그리고 다른 세트는 임펠러의 중간 섹션으로부터 유동 베인 출구들로부터 연장되는 것인, 2개의 블레이드 세트를 갖도록 제공될 수 있다.

도 4 및 도 5에 최상으로 도시되는 바와 같이, 일부 실시예에 따르면, 허브(3)는, 전방 디스크 부분(3X) 및 후방 디스크 부분(3Y), 뿐만 아니라 전방 디스크 부분(3X)과 후방 디스크 부분(3Y) 사이에 위치하게 되는 중간 허브 부분을 구비한다. 블레이드들(5)은, 전방 디스크 부분(3X)과 후방 디스크 부분(3Y) 사이에 배열된다. 중간 허브 부분은, 최소 반경 방향 치수(Rmin)를 갖는다. 유동 베인들(11)은 그에 따라, 임펠러(1)의 회전축(A-A)으로부터 변화하는 반경 방향 거리를 갖는다. 각 유동 베인(11)의 가장 작은 반경 방향 거리는, 중간 허브 부분 내에 위치하게 된다. 가장 작은 반경 방향 거리로부터 출발하여, 각 유동 베인은, 유동 베인(11)을 경계 한정하는, 개별적인 블레이드들(5)의 제1 에지들(7) 및 제2 에지들(9)을 향해 반경 방향 외향으로 연장된다.

전방 디스크 부분(3X) 및 후방 디스크 부분(3Y) 양자 모두는, 허브(3)의 최소 반경 방향 치수(Rmin)보다 더 큰 반경 방향 치수를 갖는다. 도 1 내지 도 5의 예시적 실시예에서, 후방 디스크 부분(3Y)은, 전방 디스크 부분(3X)의 반경 방향 치수(RMED)보다 더 큰 반경 방향 치수(RMAX)를 갖는다.

각 유동 베인(11)은, 그에 따라, 리딩 에지들(7)에서의, 유동 베인 입구로부터 반경 방향 내향으로, 허브(3)의 최소 반경 방향 치수(Rmin)의 부분에 위치하게 되는, 반경 방향으로 가장 내측의 유동 베인 섹션을 향해, 그리고 반경 방향으로 가장 내측의 유동 베인 섹션으로부터, 트레일링 에지들(9)에서의, 유동 베인 출구로 연장된다.

반경 방향 치수(RMED)는, 임펠러 입구에서 슈라우드(13)의 반경 방향 치수와 실질적으로 동등할 수 있다(특히 도 4 참조). 제1 블레이드 에지들(7)은, 그에 따라, 허브(3)에 대해 동축의, 즉 임펠러(1)의 회전축(A-A)에 대해 동축의, 실질적으로 원통형 표면 상에 놓일 수 있다. 제1 블레이드 에지들(7)은, 회전축(A-A)에 실질적으로 평행하게 연장될 수 있으며, 또는 회전축(A-A)을 포함하는 평면인, 자오면 상에서의 그들의 투영선들이, 회전축(A-A)에 평행할 것이다.

유사하게, 제2 블레이드 에지들(9), 또는 트레일링 에지들(9)은, 허브(3)에 대해, 즉 임펠러(1)의 회전축(A-A)에 대해 동축의, 실질적으로 원통형 표면 상에 배열될 수 있다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 블레이드 에지들(9)은, 회전축(A-A)에 실질적으로 평행하게 연장될 수 있으며, 또는 자오면 상에서의 그들의 투영선들이, 회전축(A-A)에 실질적으로 평행할 수 있다.

본 명세서에 도시된 예시적인 실시예에서, 제1 블레이드 에지들(7) 및 제2 블레이드 에지들(9)은, 직선형이다. 그러나, 이는, 의무적인 것은 아니다. 제1 블레이드 에지들(7), 또는 제2 블레이드 에지들(9), 또는 제1 블레이드 에지들(7) 및 제2 블레이드 에지들(9) 양자 모두, 곡선형 형상을 구비할 수 있다. 이 경우, 자오면 상에서의 제1 블레이드 에지들 또는 제2 블레이드 에지들의 투영선은, 직선이 아닐 것이다. 블레이드 에지 투영선의 회전축(A-A)에 대한 이상에 언급된 배향은, 이 경우, 자오면 상에서의 블레이드 에지의 만곡된 투영선의 끝지점들을 연결하는 직선으로 지칭될 수 있으며, 상기 끝지점들은, 개별적으로 블레이드의 기부에서 그리고 끝단부에서의 에지의 지점에 대응한다.

각 유동 베인 입구에, 입구 표면이, 한정될 수 있다. 도 1 내지 도 5에 도시된 예시적인 실시예에서, 각 유동 베인 입구가, 블레이드들(5)의 각 쌍의 이웃하는 제1 에지들(7)에 의해 한정되기 때문에, 각 입구 표면은, 상기 쌍의 이웃하는 제1 에지들(7) 사이에 걸쳐 있는 기하학적 표면이다. 제1 에지들(7)이 직선형인 경우, 입구 표면은 평면형이다. 도 2에서, Vi가, 입구 표면에 대해 수직이며 그리고 유동 베인(11)에 대해 외향으로 지향되는 기하학적 벡터를 지시한다. 이러한 실시예에서, 벡터(Vi)는, 반경 방향으로 지향되며, 즉, 임펠러(1)의 회전축(A-A)에 대해 수직이며 그리고 반경 방향 외향으로 지향되는, 반경 방향 성분만을 갖는다. 벡터(Vi)는, 입구 표면 벡터로 지칭될 것이다.

유사하게, 유동 베인들(11)의 반대편 단부에, 출구 표면이, 개별적인 유동 베인 출구를 한정하는 2개의 이웃하는 제2 에지(9) 사이에 걸쳐 있는 기하학적 표면으로서, 한정될 수 있다. 제2 에지들(9)이 직선형인 경우, 출구 표면은 평면형일 수 있다. 출구 표면에 수직이며 그리고 유동 베인(11)에 대해 외향으로 지향되는 벡터가, 한정될 수 있다. 그러한 벡터가, 도 2에 개략적으로 도시되며, 그리고 Vo으로 지시된다. 벡터(Vo)는, 반경 방향으로 지향되며, 즉, 임펠러(1)의 회전축(A-A)에 대해 수직이며 그리고 반경 방향 외향으로 지향되는, 반경 방향 성분만을 갖는다. 벡터(Vo)는, 출구 표면 벡터로 지칭될 것이다.

제1 에지들(7) 및/또는 제2 에지들(9)이 직선형이 아닌 경우, 입구 표면 및/또는 출구 표면은, 평면형 대신에 만곡된다. 그러한 만곡된 입구 표면 또는 출구 표면의 각 지점에, 접선 평면이 한정될 수 있다. 유동 베인(11)의 외향으로 지향되며 그리고 접선 평면에 수직인 기하학적 벡터가, 만곡된 입구 표면 및/또는 출구 표면의 각 지점에 대해 한정될 수 있다. 입구 표면 벡터(Vi) 및 출구 표면 벡터(Vo)는, 이 경우에, 개별적으로, 입구 표면의 그리고 출구 표면의 중점에 접하는 평면에 수직인, 외향으로 지향되는 벡터들(즉, 개별적인 유동 베인(11)에 대해 외향으로 지향되는 벡터들)이다. 이러한 입구 표면 벡터 및 출구 표면 벡터는 다시, 임펠러(1)의 회전축(A-A)에 수직인, 외향으로 지향되는 반경 방향 벡터 성분을 구비한다.

도 4 및 도 5의 단면도로부터 인식될 수 있는 것으로서, 본 개시에 따른 임펠러(1)에서, 허브(3)는, 전방 디스크 부분(3X) 및 후방 디스크 부분(3Y) 양자 모두에서 반경 방향으로 연장되어, 블레이드들(5)을 위한 더 강한 지지를 제공하도록 한다. 더 강한 구조의 임펠러(1)가, 그에 따라 획득된다. 현재 기술의 원심 압축기들과 상이하게, 리딩 에지들(7)은, 허브(3)의 최소 반경 방향 치수의 위치에 대해 반경 방향 외향으로 변위된 위치에 배열된다. 블레이드들(5)은 그에 따라, 최소 반경 방향 허브 치수로부터 임펠러 입구를 향해 연장되는, 임펠러 부분을 따라 연장된다. 블레이드 기부들은, 전방 디스크 부분(3X)을 따라 허브(3)의 최소 반경 방향 치수(Rmin)의 섹션으로부터 반경 방향 외향으로 연장된다.

도 1 내지 도 5의 예시적 실시예에서, 블레이드들(5)은, 제1 에지들(7)이 허브(3)에 동축인 원통형 표면 상에 위치하게 되도록, 임펠러 입구를 향해 연장된다.

복수의 임펠러(1)가 로터를 형성하기 위해 조립될 때, 로터 구조물의 개선된 강성 덕분에, 더 우수한 로터 역학 관계가 달성된다. 계산들이, 현재의 로터들의 고유 주파수들에 대한 제1 고유 주파수 및 제2 고유 주파수의 대략 140-150%의 증가가 달성될 수 있다는 것을, 확인했다. 현재 기술의 임펠러들 위로, 대략 170-180%의 더욱 더 높은 증가가, 제3 고유 주파수에 대해 달성될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 허브(3)의 전방 디스크 부분(3X)의 반경 방향 치수 및 전방 디스크 부분(3X)을 따르는 블레이드들(5)의 연장폭은, 제1 에지들(7)이, 임펠러(1)의 회전축(A-A)에 동축인 원통형 표면 상에 놓이는, 도 1 내지 도 5에 도시된 것보다 작을 수 있다. 예를 들어, 도 5a는, 본 개시에 따른 임펠러(1)의 수정된 실시예를 도시하며, 여기서, 동일한 참조 부호들이, 도 1 내지 도 5에 대한 관계에서 이미 개시된 동일한 또는 균등한 부분들 및 구성요소들을 지시한다. 도 5a의 임펠러(1)의 허브(3)의 전방 디스크 부분(3X)은, 슈라우드(13)의 최소 내측 반경 방향 치수(RS)보다 더 크지 않은, 반경 방향 치수(RMED)를 갖는다.

이러한 실시예에서, 제1 블레이드 에지들(7), 또는 자오면 상에서의 그들의 투영선들은, 축 방향에 대해, 즉 임펠러(1)의 회전축(A-A)에 대해, 경사진다. 제1 블레이드 에지들(7)은, 임펠러(1)의 회전축(A-A)에 대해 동축인 원추형 표면 상에 놓인다. 자오면 상에서의 블레이드 에지(7)의 투영선에 의해 축 방향에 대해 형성되는 각도는, 도 5a에 참조 부호 'α'로 지시된다. 각도(α)는, 제1 블레이드 에지들(7)이 그 위에 위치하게 되는, 원추형 표면의 꼭지점에서의 각도의 절반에 대응한다. 일부 실시예에서, 각도(α)는, 0° 초과 약 60° 미만, 예를 들어 약 0° 내지 약 50° 사이, 바람직하게 약 0° 내지 약 45° 사이, 또는 더욱 바람직하게 약 0° 내지 약 30° 사이일 수 있다. 도 5a의 실시예에서, 각도(α)는 약 30°이다.

임펠러의 고유 주파수들에 대한, 그리고 서로 적층되는 복수의 그러한 임펠러들에 의해 형성되는 로터에 대한 덜 효과적인 개선이, 이 경우에, 예상될 수 있음에도, 이후에 더욱 상세하게 설명될 것으로서, 더 단순한 제조가 달성될 수 있다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 이러한 예시적 실시예에서, 외향으로 지향되는 입구 표면 벡터(Vi)는, 제1 반경 방향 성분(Vi1) 및 제2 축 방향 성분(Vi2)을 갖는다. 반경 방향 성분(Vi1)은, 유동 베인(11)에 대해 외향으로 지향되며, 그리고 임펠러(1)의 회전축(A-A)에 직교한다. 출구 표면 벡터(Vo)는, 이러한 실시예에서 반경 방향 성분만을 갖는다.

다른 실시예에서, 제2 블레이드 에지들(9)은, 제1 블레이드 에지들(7)과 유사하게, 각도(α)와 관련하여 이상에 설명된 바와 같이 동일한 크기의 것일 수 있는, 임펠러(1)의 회전축(A-A)과 각도를 형성하는, 원추형 표면 상에 놓일 수 있다. 이 경우에, 출구 표면 벡터(Vo)는, 반경 방향 외향으로 지향되는 벡터 성분 및 축 방향 성분을 가질 것이다.

또한, 도 5a의 실시예에서, 도 1 내지 도 5의 실시예와 유사하게, 그리고 현재 기술의 임펠러들과 상이하게, 임펠러(1)는, 허브(3)의 전방 디스크 부분(3X)과 후방 디스크 부분(3Y) 사이의 중간 위치에서의 허브(3)의 최소 반경 방향 치수(Rmin)보다 더 큰, 반경 방향 치수(RMED)를 갖는 전방 디스크 부분(3X)을 구비한다. 더불어, 제1 블레이드 에지들(7)은, 각 유동 베인(11)의 제1 부분이 관련 제1 블레이드 에지들(7)로부터 회전축(A-A)을 향해 반경 방향 내향으로 연장되도록, 회전축(A-A)으로부터 반경 방향 거리를 두고 허브(3)의 전방 디스크 부분(3X)과 슈라우드(13) 사이에 위치하게 된다. 제2 블레이드 에지들(9)은, 현재 기술의 임펠러들과 유사한 방식으로, 각 유동 베인(11)의 반경 방향으로 연장되는 제2 부분이 허브(3)의 최소 반경 방향 치수의 중간 위치와 제2 에지들(9) 사이에 제공되도록, 슈라우드(13)와 허브(3)의 후방 디스크 부분(3Y) 사이에 배열된다.

따라서, 각 유동 베인(11)은, 자체의 입구에서 뿐만 아니라 출구 양자 모두에서, 회전축(A-A)으로부터 개별적으로 제1 블레이드 에지들(7) 및 제2 블레이드 에지들(9)을 향해 반경 방향으로 연장되는, 대향하는 끝단 부분들을 구비한다.

원심 임펠러의 경우에, 유체는, 각 유동 베인(11)을 통해 제1 블레이드 에지들(7)에서 자체의 입구로부터 제2 블레이드 에지들(9)에서 출구를 향해, 반경 방향 내향으로 지향되는 속도 성분을 갖는 유동 방향으로 유동 베인들(11)에 진입하며 그리고 반경 방향으로 유동 베인들(11)에서 나오도록, 유동한다.

다른 실시예에 따르면, 트레일링 에지들(9)은, 소위 혼합형 레이디얼-액시얼 압축기들에서 공지되는 바와 같이, 회전축(A-A)에 의해 한정되는 축 방향에 대해 경사질 수 있다.

구심 팽창기 또는 구심 터빈과 같은, 구심형 기계의 경우에, 유체 유동은, 제2 블레이드 에지들(9)(이 경우, 리딩 에지들)에서 유동 베인들(11)에 진입하며 그리고 제1 블레이드 에지들(7)(이 경우, 트레일링 에지들)에서 유동 베인들(11)로부터 나오도록, 반전된다. 유체는 따라서, 유동 베인들(11)의 가장 하류측 부분에서, 반경 방향 외향으로 지향되는 속도 성분을 갖는 속도로 유동한다. 각 유동 베인(11)의 입구 표면은, 이 경우, 대응하는 이웃한 제2 블레이드 에지들(9) 사이에 한정되며 그리고 입구 표면 벡터는, 벡터(Vo)인 가운데, 출구 표면은, 개별적인 제1 에지들(7) 사이에 한정되며 그리고 출구 표면 벡터는, 벡터(Vi)이다.

도 1 내지 도 5a의 실시예에서, 임펠러(1)는, 임펠러(1)를 가로지르는 전체 유동 경로를 따라 제1 에지들(7)로부터 제2 에지들(9)로 연장되는, 단일 세트의 블레이드들(5)을 갖도록 제공된다. 일부 또는 모든 유동 베인(11) 내에서 그들의 일부분에 대해 연장되는, 중간 블레이드들(미도시)이, 제공될 수 있다.

다른 실시예에서, 각각 임펠러(1)를 가로질러 유동 경로의 단지 일부분에 대해서만 연장되는, 상이한 세트의 블레이드들이 제공될 수 있다. 도 6 내지 도 10은, 제1 세트의 블레이드들(5A) 및 제2 세트의 블레이드들(5B)이 허브(3)의 측면(3S)과 슈라우드(13)사이에 배열되는, 원심형 또는 구심형 터보기계를 위한 임펠러(1)를 도시한다. 도 6 내지 도 10의 예시적 실시예에서, 제1 세트의 블레이드들(5A) 및 제2 세트의 블레이드들(5B)은, 동일한 개수의 블레이드들을 포함한다.

전방 디스크 부분(3X)의 직경(RMED)은, 슈라우드(13)의 최소 내측 직경보다 더 작지만, 허브(3)의 최소 직경(Rmin)보다 더 크다. 다른 실시예에서, 직경(RMED)은, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 슈라우드(13)의 최소 내측 직경보다 더 클 수 있다.

제1 세트의 블레이드들의 각 블레이드(5A)는, (원심형 터보기계의 경우에) 개별적인 유동 베인(11)의 입구에서의 제1 에지(7)로부터, 유동 베인(11)을 따라 중간 위치에 위치하게 되는, 중간 제2 에지(9A)로 연장된다. 유사하게, 제2 세트의 블레이드들의 각 블레이드(5B)는, 유동 베인(11)을 따르는 중간 위치에서, 중간 에지(7A)로부터, 유동 베인(11)의 출구에서의 제2 에지(9)로 연장된다.

도 1 내지 도 5A의 실시예들과 유사하게, 각 유동 베인(11)은, 임펠러(1)의 입구에 그리고 출구에, 유체 유동이 반경 방향 속도 성분을 갖는, 단부 부분들을 갖는다. 원심형 터보기계의 경우에, 각 유동 베인(11)의 입구는, 블레이드들(5A)의 개별적인 제1 에지들(7)에 위치하게 되며, 그리고 유동 베인들(11)은, 이웃하는 블레이드들(5A) 사이에 한정되는, 작동 유체 유동이 그 내부에서 구심 속도 성분을 갖는 곳인, 제1 부분을 구비한다. 블레이드들(5B)의 제2 에지들(9)에 위치하게 되는 출구에서, 유동 베인들(11)은, 이웃하는 블레이드들(5B) 사이에 한정되는, 작동 유체 유동이 그 내부에서 원심 속도 성분을 갖는 곳인, 최종 부분을 구비한다.

역으로, 구심형 터보기계의 경우에, 유동 베인들(11)의 입구는, 블레이드들(5B)의 개별적인 제2 에지들(9)에 위치하게 되며, 그리고 유동 베인들(11)은, 블레이드들(5B)에 의해 한정되는, 작동 유체 유동이 그 내부에서 구심 속도 성분을 갖는 곳인, 제1 부분을 구비한다. 블레이드들(5A)의 제1 에지들(7)에 위치하게 되는 출구에서, 유동 베인들(11)은, 이웃하는 블레이드들(5A)에 의해 한정되는, 작동 유체 유동이 그 내부에서 원심 속도 성분을 갖는 곳인, 최종 부분을 구비한다.

도 6 내지 도 10의 실시예에서, 입구 표면 및 출구 표면 그리고 그들에 수직인 관련 입구 표면 벡터(Vi) 및 출구 표면 벡터(Vo)는, 이상에서 도 2에 관련하여 설명된 바와 같은 매우 동일한 방식으로 식별될 수 있다. 더욱 구체적으로, 도 6 및 도 7을 참조하면, 2개의 이웃하는 제1 에지(7) 사이에 걸쳐 있는 평면형 입구 표면이, 한정될 수 있다. 입구 표면에 수직이며 그리고 유동 베인(11)에 대해 외향으로 지향되는, 기하학적 입구 표면 벡터(Vi)가 또한, 각 유동 베인 입구에 대해 식별될 수 있다. 도 6 내지 도 10의 실시예에서, 제1 에지들(7)이, 임펠러(1)의 회전축(A-A)에 대해 동축인 원추형 표면 상에 위치하게 되기 때문에, 입구 표면 벡터(Vi)는, 반경 방향 성분(Vi1) 및 축 방향 성분(Vi2)을 갖는다. 반경 방향 성분(Vi1)은, 유동 베인(11)에 대해 반경 방향 외향으로 지향되며, 그리고 임펠러(1)의 회전축(A-A)에 직교한다.

유사하게, 여전히 도 6 및 도 7을 참조하면, 유동 베인들(11)의 반대편 단부에, 출구 표면이, 개별적인 유동 베인 출구를 한정하는 2개의 이웃하는 제2 에지(9) 사이에 걸쳐 있는 기하학적 표면으로서, 한정될 수 있다. 제2 에지들(9)이 직선형인 경우, 출구 표면은 평면형일 수 있다. 출구 표면에 직교하며 그리고 유동 베인(11)에 대해 외향으로 지향되는, 이러한 실시예에서, 임펠러(1)의 회전축(A-A)에 직교하는 반경 방향 외향으로 지향되는 성분만을 가지는, 출구 표면 벡터(Vo)가, 한정될 수 있다.

앞서 이미 언급된 바와 같이, 입구 표면 및/또는 출구 표면이 평면형이 아닌 경우, 입구 표면 벡터 및 출구 표면 벡터는, 그의 중앙 지점에서 개별적으로 입구 표면 및 출구 표면에 접하는 평면에 대해, 한정될 수 있다.

도 11 내지 도 15는, 본 개시에 따른 임펠러(1)의 다른 실시예를 도시한다. 동일한 참조 번호들이, 도 1 내지 도 10에서 이미 개시된 바와 같은, 동일한 또는 균등한 구성요소들 및 부분들을 지시한다. 이러한 실시예에서, 전방 디스크 부분(3X)의 반경 방향 치수(RMED)는, 자체의 전방 단부에서의 슈라우드(13)의 외측 반경 방향 치수와 동일하며, 블레이드 에지들(7)은 원통형 표면 상에 위치하게 된다. 다른 실시예(미도시)에 따르면, 반경(RMED)은, 더 작을 수 있으며, 그리고 블레이드 에지들(7)은, 도 5a 및 도 6 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 원추형 표면 상에 위치하게 될 수 있다.

도 6 내지 도 10의 실시예와 유사하게, 도 11 내지 도 15의 임펠러(1)는, 2세트의 블레이드들(5A)(5B)을 구비한다. 그러나, 앞서 설명된 실시예와 상이하게, 2세트의 블레이드들은, 상이한 개수의 블레이드들을 구비한다. 더욱 구체적으로, 도 11 내지 도 15의 임펠러에서, 제1 세트의 블레이드들(5A)은, 제2 세트의 블레이드들(5B)보다 더 적은 개수의 블레이드들을 구비한다.

또한, 도 11 내지 도 15의 실시예에서, 입구 표면 및 출구 표면이, 개별적으로, 각 유동 베인 입구 및 유동 베인 출구에서 식별될 수 있으며, 입구 표면 및 출구 표면은, 도 1 내지 도 10과 관련하여 설명되는 벡터들(Vi 및 Vo)과 매우 동일한 방식으로, 유동 베인들(11)에 대해 외향으로 지향하고, 자체에 직교하는, 개별적인 입구 표면 벡터 및 출구 표면 벡터를 구비한다. 이러한 벡터들은 각각, 반경 방향으로 지향되는, 즉 임펠러(1)의 회전축(A-A)에 직교하며 그리고 유동 베인(11)에 대해 외향으로 지향되는, 벡터 성분을 갖는다.

터보기계는, 단일 임펠러(1)를 포함할 수 있다. 그러나, 이상에 설명된 임펠러 구조는, 복수의 임펠러(1)가 로터를 형성하게 위해 조립되는, 복수-스테이지 터보기계에서 사용되는 경우에 특히 유리하다.

일부 실시예에 따르면, 임펠러들(1)은, 회전하는 샤프트 상에 키에 의해 고정될 수 있으며 그리고 그로 인해 회전을 위해 지지될 수 있다.

다른 실시예에서, 임펠러는, 적층체를 형성하기 위해 서로에 대해 직접적으로 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 샤프트가 제공되지 않으며, 그리고 임펠러들은, 그 자체로 축 방향 지지 구조물을 형성한다.

임펠러들은, 서로에 대해 적층될 수 있으며 그리고, 예를 들어 납땜, 용접, 브레이징에 의해, 서로에 대해 비틀림 결합될 수 있다. 다른 실시예에서, 임펠러들은, 허스 커플링(Hirth coupling)에 의해서와 같이, 기계적 커플링에 의해 비틀림 결합될 수 있다.

각 임펠러(1)는, 예를 들어 부가적 제조 방법에 의해, 제조될 수 있다. 허브(3), 블레이드들(5, 5A, 5B) 및 슈라우드(13)는 그에 따라, 금속 분말의 연속적인 층들을 적층함에 의해, 일체형 구성요소로서 제조될 수 있다. 각 금속 분말 층은, 임펠러의 대응하는 단면에 대응하는 패턴에 따라, 전자 빔 소스 또는 레이저 빔 소스와 같은 에너지원에 의해 용융된다. 부분적으로 용융된 금속 분말의 연속적은 층들은, 단일의 일체형 최종 임펠러로 고화된다.

다른 실시예에 따르면, 임펠러(1)의 제조는, 밀링 프로세스 또는 다른 기계가공 프로세스에 의해 이루어질 수 있다.

일부 실시예에서, 일 측부에서 허브(3) 및 블레이드들(5, 5A, 5B) 그리고 다른 측부에서 슈라우드(13)가, 별도로 제작될 수 있으며, 그리고 이후에 조립될 수 있다. 슈라우드(13)는, 이 경우에, 허브(3) 및 블레이드들(5; 5A, 5B)을 포함하는 유닛에, 동축으로 장착되어야만 한다. 이는, 허브(3)의 전방 디스크 부분(3X)이, 도 5a 및 도 6 내지 도 10에서 예로서 도시된 바와 같이, 슈라우드(13)의 최소 내측 직경 치수보다 더 작은 직경 치수를 가질 것을 요구한다. 슈라우드(13)는, 이어서, 예를 들어 납땜 또는 용접에 의해, 블레이드 끝단부들을 따라 블레이드들(5)에 연결된다. 슈라우드(13) 그리고 허브와 블레이드들의 유닛(3, 5, 5A, 5B)은 각각, 임의의 적당한 프로세스에 의해, 예를 들어, 부가적 제조에 의해, 또는 밀링에 의해, 또는 임의의 다른 재료 제거 방법(stock removal method)에 의해, 제조될 수 있다.

도 16 내지 도 18은, 본 개시에 따른 임펠러(1)의 다른 실시예를 도시한다. 임펠러(1)는, 2개의 임펠러 섹션(1A, 1B)에 의해 형성된다. 도 16 내지 도 18에서, 2개의 임펠러 섹션(1A, 1B)은, 분해된 상태로 도시된다. 임펠러 섹션들(1A, 1B)은, 예를 들어 용접, 납땜 또는 브레이징에 의해, 또는 임의의 다른 적당한 방식으로, 조립될 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 임펠러(1)의 임펠러 섹션들(1A, 1B)이, 적층되며 그리고, 중앙 샤프트 및, 적층된 임펠러 섹션들(1A, 1B) 사이의 상호 접촉 표면들에 제공되는, 전방 톱니부, 예를 들어 허스 톱니부(Hirth toothing)에 의해, 서로에 대해 비틀림식으로 축 방향으로 결합된다.

일단 조립되면, 2개의 임펠러 섹션(1A, 1B)에 의해 형성되는 임펠러(1)는, 도 11 내지 도 15의 임펠러(1)와 실질적으로 동일하며, 그리고 전방 디스크 부분(3X) 및 후방 디스크 부분(3Y)을 갖는 허브(3)를 포함하게 된다. 2개의 세트의 블레이드들(5A, 5B)이, 제공된다. 블레이드들(5A)의 세트는, 제1 임펠러 섹션(1A) 상에 형성되는 가운데, 블레이드들(5B)의 세트는, 제2 임펠러 섹션(1B) 상에 형성된다. 도 16 내지 도 18에 도시된 실시예에서, 제1 세트의 블레이드들(5A)은, 제2 세트의 블레이드들(5B)의 블레이드들의 개수의 절반을 포함한다. 다른 실시예에서, 동일한 개수의 블레이드들이, 2개의 세트의 블레이드들(5A, 5B) 내에 제공될 수 있다.

도 17에서, 회전축(A-A)에 직교하는 반경 방향을 구비하며 그리고 유동 베인(11) 외부로 지향하는, 입구 표면 벡터(Vi) 및 출구 표면 벡터(Vo)가, 도시된다.

도 19는, 서로 연결되며 그리고 회전축(A-A)에 대해 동축인, 3개의 임펠러(1)의 세트에 의해 형성되는 로터(31)의 예시적 실시예를 도시한다. 각 임펠러(1)는, 도 11 내지 도 18의 임펠러로서 구성된다. 도 1 내지 도 10의 실시예들에 따른 임펠러들(1)이, 매우 동일한 방식으로 로터(31)를 형성하기 위해 조립될 수 있다는 것을, 이해해야 할 것이다.

이웃하는 임펠러들(1)은, 상호 바라보는 하나의 임펠러의 후방 디스크 부분(3Y)과 다른 임펠러의 전방 디스크 부분(3X)에 의해 형성되는 경계부에서 결합된다. 이웃하는 임펠러들의 경계부에서의 로터의 큰 단면적은, 로터(31)를 현재 기술의 로터들보다 더 강하게 만든다.

로터(31)는, 도 20에 개략적으로 도시된 바와 같이, 터보기계(41)의 고정형 케이스(43) 내에 회전을 위해 장착될 수 있다. 고정형 케이스(43)는, 터보기계(41)의 고정형 구성요소를 형성하는 다이어프램들(45)을 수용한다. 확산기들(47) 및 복귀 채널들(49)이, 터보기계(41)의 다이어프램들(45)에 의해 형성된다. 확산기들 및 복귀 채널들, 뿐만 아니라 터보기계(41)의 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드, 뿐만 아니라 그들의 다른 구성요소들이, 현재 기술의 기계들에서와 같은 매우 동일한 방식으로 설계될 수 있다. 복귀 채널들(49)은, 그 내부에 배열되는 고정형 복귀 채널 블레이드들을 갖도록 제공된다. 도 20에 도시된 바와 같이, 각 복귀 채널 블레이드는, 리딩 에지(49L) 및 트레일링 에지(49T)를 구비한다. 복귀 채널 블레이드들의 트레일링 에지들(49T)은, 복귀 채널(49) 하류에 배열되는 임펠러(1)의 유동 베인 입구들이 복귀 채널 블레이드들의 트레일링 에지들(49T)을 지향하도록, 후속 임펠러(1)의 제1 블레이드 에지들(7)을 지향한다.

이상에 설명된 실시예들에서, 로터(31)의 각 임펠러(1)가, 단일 요소로 형성되거나, 또는 서로 조립되는 2개 이상의 요소로 형성되는 가운데, 다른 실시예에서, 로터(31)는, 각각 부분적으로 제1 임펠러에 그리고 부분적으로 제2 임펠러에 속할 수 있는, 로터 섹션들을 포함하게 될 수 있으며, 제1 임펠러 및 제2 임펠러는 로터에 의해 처리되는 유체의 유동 방향에서 순차적으로 배열된다. 도 21은, 로터 섹션들이 서로 분리되어, 즉 로터(31)를 조립하기 이전 상태에서, 도시되는, 이러한 종류의 구성을 도시한다.

도 21의 예시적 실시예에서, 3개의 임펠러(1)를 포함하는 로터(31)가, 도시된다. 그러나, 상이한 개수의 임펠러들(1)이 제공될 수 있다는 것을 이해해야할 것이다. 로터(31)는, 참조부호들(51, 53, 55, 57)로 지시되는, 4개의 로터 섹션에 의해 형성된다. 2개의 중간 로터 섹션(53, 55)은, 서로 실질적으로 유사하다.

제1 로터 섹션(51)은 실질적으로, 도 16 내지 도 18의 임펠러 섹션(1A)으로서 구성된다. 마지막 로터 섹션(57)은 실질적으로, 도 16 내지 도 18의 임펠러 섹션(1B)으로서 구성된다. 2개의 중간 섹션(53, 55) 중의 각각의 하나는, 개별적으로 임펠러 섹션(1B)에 의해 그리고 임펠러 섹션(1A)에 의해 형성된다. 로터 섹션들(51, 53, 55, 57)은, 서로 결합되어, 그에 따라 로터(31)를 형성한다. 결합은, 예를 들어, 용접에 의해 달성될 수 있다. 다른 실시예에서, 로터 섹션들(51, 53, 55, 57)은, 서로 적층될 수 있으며 그리고, 도시되지 않은 중앙 샤프트에 의해, 축 방향으로 잠금 고정될 수 있다. 로터 섹션들 사이의 비틀림 연결은, 허스 커플링의 허스 톱니부와 같은, 전방 톱니부에 의해 달성될 수 있다.

여기에서 설명되는 대상의 개시된 실시예들이 도면에 도시되며 그리고 여러 예시적인 실시예들에 관해 구체적으로 그리고 상세하게 이상에서 완전히 설명되었지만, 많은 수정, 변경 및 생략이, 여기에 기술되는 신규의 교시, 원리 및 개념, 그리고 첨부 청구항들에 인용되는 대상의 이점들로부터 벗어남 없이, 가능하다는 것이, 당업자에게 명백하게 될 것이다. 따라서, 개시된 혁신의 적절한 범위는, 모든 그러한 수정, 변경 및 생략을 포괄하도록, 첨부 청구항들의 가장 넓은 해석에 의해서만 결정되어야 한다. 부가적으로, 임의의 프로세스 또는 방법 단계들의 순서 또는 순차는, 대안적인 실시예들에 따라 변화되거나 또는 순서 재설정될 수 있을 것이다.

Claims (17)

1. 회전축(A-A)을 갖는 터보기계 임펠러(1)로서,
   허브(3);
   슈라우드(13);
   허브(3)와 슈라우드(13) 사이에 배열되는 복수의 블레이드(5; 5A, 5B);
   복수의 유동 베인(11)으로서, 각 유동 베인은 허브(3), 슈라우드(13) 및 이웃하는 블레이드들(5; 5A, 5B) 사이에 한정되고; 각 유동 베인(11)은 복수의 블레이드 중 2개의 인접한 블레이드(5; 5A, 5B)의 개별적인 제1 블레이드 에지들(7) 사이에 위치하게 되는 유동 베인 입구 및 복수의 블레이드 중 2개의 인접한 블레이드(5; 5A, 5B)의 개별적인 제2 블레이드 에지들(9) 사이에 위치하게 되는 유동 베인 출구를 구비하며; 그리고 입구 표면이 제1 블레이드 에지들(7) 사이에 한정되며, 출구 표면이 제2 블레이드 에지들(9) 사이에 한정되는 것인, 복수의 유동 베인(11)
   을 포함하고,
   입구 표면에 직교하며 유동 베인(11)에 대해 외향으로 지향하게 되는 입구 표면 벡터(Vi)가, 회전축(A-A)에 직교하는, 외향으로 지향되는 벡터 성분(Vi; Vi1)을 구비하며; 출구 표면에 직교하며 그리고 유동 베인(11)에 대해 외향으로 지향하게 되는 출구 표면 벡터(Vo)가, 회전축(A-A)에 직교하는, 외향으로 지향되는 벡터 성분(Vo; Vo1)을 구비하는 것인, 터보기계 임펠러.
2. 제 1항에 있어서,
   각 유동 베인(11)은, 유동 베인 입구에서의 유체 유동이 반경 방향 내향으로 지향되는 유동 속도 성분을 가지며 유동 베인 출구에서의 유체 유동이 반경 방향 외향으로 지향되는 유동 속도 성분을 갖도록, 구성되고 배열되는 것인, 터보기계 임펠러.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   허브(3)는 전방 디스크 부분(3X), 후방 디스크 부분(3Y) 및 이들 사이에서 연장되는 중간 허브 부분을 포함하고; 중간 허브 부분은 전방 디스크 부분 (3X) 및 후방 디스크 부분(3Y)의 반경 방향 치수보다 작은, 최소 반경 방향 치수(Rmin)를 구비하며; 블레이드들(5; 5A, 5B)은 전방 디스크 부분(3X)과 후방 디스크 부분(3Y) 사이에 배열되는 것인, 터보기계 임펠러.
4. 제 3항에 있어서,
   각 유동 베인(11)은, 전방 디스크 부분(3X)과 슈라우드(13) 사이에서, 중간 허브 부분을 넘어 연장되는 것인, 터보기계 임펠러.
5. 제 3항에 있어서,
   각 유동 베인(11)은, 후방 디스크 부분(3Y)과 슈라우드(13) 사이에서, 중간 허브 부분을 넘어 연장되는 것인, 터보기계 임펠러.
6. 제 3항에 있어서,
   슈라우드(13)는 최소 반경 방향 치수(RS)의 부분을 구비하며, 후방 디스크 부분(3Y) 및 전방 디스크 부분(3X) 중의 적어도 하나의 반경 방향 치수(RMED)는 슈라우드(13)의 최소 반경 방향 치수(RS)보다 크지 않은 것인, 터보기계 임펠러.
7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   유동 베인 입구들에서의 제1 블레이드 에지들(7)은, 임펠러의 자오면 상에서의 그들의 투영선들이 회전축(A-A)의 방향과 0° 내지 60° 사이의 각도를 형성하도록 지향되며; 유동 베인 출구들에서의 제2 블레이드 에지들(9)은, 자오면 상에서의 그들의 투영선들이 회전축(A-A)의 방향과 0° 내지 60° 사이의 각도를 형성하도록 지향되는 것인, 터보기계 임펠러.
8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   블레이드들(5)은 유동 베인 입구로부터 유동 베인 출구까지 연장되는 것인, 터보기계 임펠러.
9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   제1 세트의 블레이드들(5A)이 각각, 유동 베인 입구에서의 개별적인 제1 에지(7)로부터 유동 베인(11)을 따라 중간 위치에 위치하게 되는 개별적인 중간 제2 에지(9A)까지 연장되며; 제2 세트의 블레이드들(5B)이 각각, 유동 베인을 따르는 개별적인 중간 제1 에지(7A)로부터 유동 베인 출구에서의 제2 에지(9)까지 연장되는 것인, 터보기계 임펠러.
10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    서로에 대해 비틀림식으로 축 방향으로 결합되는, 제1 임펠러 섹션(1A) 및 제2 임펠러 섹션(1B)을 포함하고; 상기 제1 임펠러 섹션(1A) 및 제2 임펠러 섹션(1B) 중의 하나는 유동 베인 입구들을 포함하며, 상기 제1 임펠러 섹션(1A) 및 제2 임펠러 섹션(1B) 중의 다른 하나는 유동 베인 출구들을 포함하는 것인, 터보기계 임펠러.
11. 터보기계(41)로서,
    케이스(43) 및, 케이스(43) 내에서의 회전을 위해 지지되는, 제 1항 또는 제 2항에 따른 적어도 하나의 제1 임펠러(1)를 포함하는 것인, 터보기계.
12. 제 11항에 있어서,
    케이스(43) 내에서의 회전을 위해 지지되며 제1 임펠러(1)와 직렬로 배열되는, 제 1항 또는 제 2항에 따른 적어도 하나의 제2 임펠러(1)를 더 포함하는 것인, 터보기계.
13. 제 12항에 있어서,
    확산기(47) 및 복귀 채널(49)이 제1 임펠러(1)와 제2 임펠러(1) 사이에 배열되고; 상기 복귀 채널(49)은, 각각 리딩 에지(49L) 및 트레일링 에지(49T)를 구비하는, 고정형 복귀 채널 블레이드들을 갖도록 제공되며; 제2 임펠러(1)의 유동 베인 입구들은 복귀 채널 블레이드들의 트레일링 에지들(49T)을 지향하는 것인, 터보기계.
14. 제 12항에 있어서,
    제1 임펠러 및 제2 임펠러는, 순차적으로 배열되는 임펠러 섹션들(51, 53, 55, 57)에 의해 형성되고, 상기 임펠러 섹션들 중의 적어도 하나는 제1 임펠러의 부분 및 제2 임펠러의 부분을 형성하는 것인, 터보기계.
15. 제 1항 또는 제 2항에 따른 터보기계 임펠러(1)를 제조하기 위한 방법으로서,
    허브(3), 블레이드들(5; 5A, 5B) 및 슈라우드(13)가 부가적 제조 프로세스에 의해 일체형으로 생성되는 것인, 터보기계 임펠러 제조 방법.
16. 제 1항 또는 제 2항에 따른 터보기계 임펠러를 제조하는 방법으로서,
    각 블레이드(5; 5A, 5B)가 허브(3)에서 블레이드 기부로부터 블레이드 끝단부로 연장되도록, 허브(3) 및 복수의 블레이드(5; 5A, 5B)를 단일품으로 생성하는 단계;
    블레이드들(5; 5A, 5B) 둘레에 그리고 허브(3)와 실질적으로 동축으로 별도로 제조된 슈라우드(13)를 배열하는 단계;
    슈라우드(13)를 블레이드 끝단부들에 연결하는 단계
    를 포함하는 것인, 터보기계 임펠러 제조 방법.
17. 제 16항에 있어서,
    허브(3) 및 블레이드들(5; 5A, 5B)은, 단일품으로부터의 재료 밀링에 의해 제조되는 것인, 터보기계 임펠러 제조 방법.

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