KR102519091B1 - 가스터빈의 축류 압축기 유로형상 설계방법 - Google Patents

Abstract

개시되는 발명은 가스터빈의 축류 압축기 유로형상 설계방법에 관한 것으로서, 축류 압축기의 유로를 형성하며 반경방향을 따라 동심을 이루는 외주면과 내주면 중에서, 상기 내주면의 반경방향 단면 상에서 상기 유로의 입구와 출구를 연결하는 선분을 설정하는 제1 단계;와, 상기 유로의 입구와 출구를 연결하는 선분의 전부 또는 일부를 장축으로 하는 타원을 설계하는 제2 단계;와, 상기 타원에서 반경방향 안쪽의 절반을 상기 내주면의 반경방향 단면으로 설정하는 제3 단계; 및 상기 타원의 절반인 내주면을 상기 축류 압축기의 축심을 따라 회전하여 3차원 내주면을 설계하는 제4 단계;를 포함한다.

Description

가스터빈의 축류 압축기 유로형상 설계방법{Design method for flowpath of axial compressor of gas turbine}

본 발명은 가스터빈의 축류 압축기 유로형상 설계방법에 관한 것으로서, 단일 타원곡면 또는 복수 타원곡면의 조합을 통해 압축기 유로형상을 설계하는, 간단하면서도 설계기준이 명확한 가스터빈의 축류 압축기 유로형상 설계방법에 관한 것이다.

가스터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.

일반적으로 가스터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연소로 인해 발생된 연소가스는 터빈으로 배출된다. 연소가스에 의해 터빈은 회전을 하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.

여기서, 가스터빈에서 생산하는 동력 중의 일부는 압축기를 구동하는데 사용된다. 즉, 연소가스에 의해 회전하는 터빈을 통해 동력을 얻어내는데, 이 터빈의 출력은 압축기를 구동하는데 소모된 동력을 제외한 것이다. 따라서, 압축기의 효율을 올리는만큼, 동일한 압축비에서 동일한 양의 연료를 사용하더라도 순 출력값은 상승하게 되고, 장기간 운전되는 가스터빈에서 압축기의 효율을 조금이라도 향상시키는 것은 운전비용을 절감하는데 큰 기여를 하게 된다.

압축기의 설계요소 중에서 효율에 영향을 주는 인자는 다양한데, 그 중의 하나로서 압축기의 유로형상이 포함된다. 압축기의 유로형상은 압축기 블레이드와 상호작용을 하고, 이는 압축기 블레이드의 확산인자(Diffusion Factor)로 평가될 수 있다. 압축기 블레이드의 스팬 방향을 따라 적절한 확산인자가 확보되도록 압축기 블레이드와 유로형상이 설계되어야 원하는 수준의 압축기 효율이 구현되고, 또한 스톨의 위험이 없는 안정적인 운전이 가능해진다.

그렇지만, 현재까지의 압축기 유로형상은 개발 도중 문제가 있는 부분을 조금씩 고쳐서 해결하는 경우가 대부분이었다. 이는 전산해석으로는 복잡한 공기 유동을 미시적으로 해석하는 것이 너무 어렵고, 해석결과의 신뢰성에 비해 시간과 비용이 과다하여 효용성이 낮기 때문이다.

그러나, 이러한 방법은 설계의 기준이 분명하지 않고 엔지니어의 경험에 의존하는 경향이 높기 때문에 일관성이 부족하다는 한계가 있다. 즉, 어떤 케이스에서 적용했던 설계안을 다른 케이스에 적용했을 때 동등한 결과를 보장하기 어렵고, 설계 엔지니어에 따라 설계안이 가지각색으로 구현될 가능성이 높으며, 명확한 기준이 없기에 시행착오의 횟수가 과다해질 수 있다.

일본공개특허공보 특개2011-190714호 (2011.09.29 공개)

본 발명은 명확한 기준에 의해 과도한 시행착오 없이 일관적으로 가스터빈의 축류 압축기 유로형상을 설계할 수 있는 효율적인 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 가스터빈의 축류 압축기 유로형상 설계방법에 관한 것으로서, 축류 압축기의 유로를 형성하며 반경방향을 따라 동심을 이루는 외주면과 내주면 중에서, 상기 내주면의 반경방향 단면 상에서 상기 유로의 입구와 출구를 연결하는 선분을 설정하는 제1 단계;와, 상기 유로의 입구와 출구를 연결하는 선분의 전부 또는 일부를 장축으로 하는 타원을 설계하는 제2 단계;와, 상기 타원에서 반경방향 안쪽의 절반을 상기 내주면의 반경방향 단면으로 설정하는 제3 단계; 및 상기 타원의 절반인 내주면을 상기 축류 압축기의 축심을 따라 회전하여 3차원 내주면을 설계하는 제4 단계;를 포함한다.

본 발명의 일 실시형태에 의하면, 상기 제2 단계에서, 상기 타원은 상기 선분의 전체를 장축으로 하는 단일 타원으로 설계될 수 있다.

또는, 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 제2 단계에서, 상기 타원은 상기 선분의 일부를 장축으로 하는 복수의 타원으로 설계될 수 있다.

여기서, 상기 복수의 타원 중의 하나는 상기 유로의 입구에 그 장축의 끝이 일치하고, 상기 복수의 타원 중의 다른 하나는 상기 유로의 출구에 그 장축의 끝이 일치할 수 있다.

그리고, 상기 복수의 타원은 장축의 일부가 서로 중첩될 수 있다.

이러한 경우에, 상기 복수의 타원에서 장축이 중첩되는 부분을 제외한 타원의 반경방향 안쪽을 연결한 선을 상기 내주면의 반경방향 단면으로 설정하는 것이 바람직할 수 있다.

그리고, 상기 제2 단계에서, 상기 타원의 단축의 길이를 조정하며 설계할 수 있다.

또한, 상기 제3 단계 또는 상기 제4 단계 이후에, 사전에 설정된 압축비에 대응하여, 상기 외주면 반경방향 단면 상에서 상기 유로의 입구와 출구를 연결하는 선분 또는 단순 곡선을 설정하는 제5 단계를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 제5 단계 이후에, 상기 선분 또는 단순 곡선으로 설정된 경계를 상기 축류 압축기의 축심을 따라 회전하여 3차원 외주면을 설계하는 제6 단계를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명은 상기와 같은 단계를 포함하는 가스터빈의 축류 압축기 유로형상 설계방법에 따라 설계된 축류 압축기를 제공한다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 축류 압축기의 환형 유로에 스쿠프 구조를 적용함에 있어서 복잡하고 재현하기 어려운 임의적인 곡선을 배제하고 간단한 수식으로 표현되는 타원을 이용함에 따라 그 설계기준이 간단하면서도 명확해진다.

또한, 타원의 형태(장축 대 단축의 길이), 타원의 개수, 타원의 배치 등의 간단하지만 다양한 변형을 통해 매우 자유롭게 축류 압축기의 유로를 설계할 수 있다.

나아가, 본 발명은 유로의 2차원 단면상에서 1차적으로 설계를 한 후에 간단한 회전 대칭을 이용하여 3차원 내주면 형태를 완성할 수 있기에 설계 과정이 효율적으로 이루어지고, 이에 따라 시행착오를 거치더라도 설계 시간이 과도하게 소요되지 않는다는 장점을 가진다.

도 1은 축류 압축기를 구비하는 가스터빈의 일 실시형태에 대해 그 내부를 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 가스터빈의 단면을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 축류 압축기의 유로형상 설계방법에 관한 일련의 단계를 보여주는 순서도.
도 4는 단일 타원을 이용하여 유로의 내주면 형상을 설계하는 방안을 도시한 도면.
도 5는 2개의 타원을 이용하여 유로의 내주면 형상을 설계하는 방안을 도시한 도면.
도 6은 3개의 타원을 이용하여 유로의 내주면 형상을 설계하는 방안을 도시한 도면.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

도 1은 본 발명에 따른 압축기 로터 디스크가 적용되는 축류 압축기를 구비하는 가스터빈의 일 실시형태에 대해 그 내부를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 가스터빈의 단면을 나타내는 단면도이다. 이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 가스터빈의 압축기에 대해 먼저 개략적으로 설명한 후, 본 발명의 압축기 로터 디스크에 대해 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 가스터빈(1000)은 압축기(1100), 연소기(1200), 터빈(1300)을 포함한다. 압축기(1100)는 외부 공기를 흡입하여 압축하고, 연소기(1200)는 압축기(1100)에서 압축된 공기에 연료를 혼합해 연소시키며, 터빈(1300)은 연소기(1200)로부터 배출되는 연소 가스에 의해 회전하게 된다.

압축기(1100)는 압축기 로터 디스크(1110), 센터 타이로드(1120), 압축기 블레이드(1130), 스테이터(1140), 압축기 하우징(1150)을 포함한다.

압축기 로터 디스크(1110)는 압축기 블레이드(1130)를 고정하고, 센터 타이로드(1120)의 회전에 따라 회전하여 압축기 블레이드(1130)를 회전시킨다. 도시된 축류 압축기(1100)에는 복수 개의 압축기 로터 디스크(1110)가 연이어 배치되어 순차적으로 공기의 압축비를 상승시킨다.

복수 개로 형성된 압축기 로터 디스크(1110)들은 하나의 센터 타이로드(1120)에 의해 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다. 각각의 압축기 로터 디스크(1110)들은 센터 타이로드(1120)에 의해 관통된 상태로 축 방향을 따라서 정렬된다. 복수 개의 압축기 로터 디스크(1110)는 그 외면에 복수 개의 돌기(미도시)가 형성되거나 플랜지(1111)가 형성되어 인접한 압축기 로터 디스크(1110)가 미끄러짐 없이 함께 회전하도록 결합한다.

복수 개의 압축기 로터 디스크(1110) 중 적어도 어느 하나에는 압축 공기 공급 유로가 형성될 수 있다. 압축 공기 공급 유로를 통해 압축기 블레이드(1130)에 의해 압축된 압축 공기가 터빈(1300) 측으로 이동되어 터빈 블레이드를 냉각시킬 수 있다.

센터 타이로드(1120)는 압축기 로터 디스크(1110)를 관통하여 정렬한다. 센터 타이로드(1120)는 터빈(1300)에서 발생된 토크를 전달받아서 압축기 로터 디스크(1110)를 회전시킨다. 이를 위해 압축기(1100)와 터빈(1300) 사이에는 터빈(1300)에서 발생된 회전 토크를 압축기(1100)로 전달하는 토크 전달부재로서 토크튜브(1400)가 배치될 수 있다.

센터 타이로드(1120)의 일측 단부는 최상류 측에 위치한 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 토크튜브(1400)에 삽입된다. 센터 타이로드(1120)의 타측 단부는 토크튜브(1400) 내에서 가압너트(1121)와 체결된다. 가압너트(1121)는 토크튜브(1400)를 압축기 로터 디스크(1110) 측으로 가압하여 각각의 압축기 로터 디스크(1110)들이 기밀하게 밀착되게 한다.

압축기 블레이드(1130)는 각 압축기 로터 디스크(1110)의 외주면에 방사상으로 결합된다. 압축기 블레이드(1130)는 복수 개가 구비되며, 다단으로 형성될 수 있다. 각각의 압축기 블레이드(1130)와 압축기 로터 디스크(1110)에는 상호 체결을 위한 도브테일(1131) 조인트가 형성된다.

본 실시예에서는 압축기 블레이드(1130)와 압축기 로터 디스크(1110)가 도브테일 방식으로 결합되지만, 이에 한정되지 않고 다양한 방식으로 결합될 수 있다. 압축기 블레이드(1130)는 로터 디스크(1110)의 회전에 따라 회전하면서 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 바로 후단의 스테이터(1140)로 이동시킨다.

스테이터(1140)는 전단의 압축기 블레이드(1130)로부터 이동된 압축 공기를 다시 후단의 압축기 블레이드(1130) 측으로 가이드한다.

압축기 하우징(1150)은 압축기(1100)의 외형을 형성한다. 압축기 하우징(1150)은 내부에 압축기 로터 디스크(1110), 센터 타이로드(1120), 압축기 블레이드(1130), 스테이터(1140) 등을 수용한다.

압축기 하우징(1150)에는 다단의 압축기 블레이드(1130)에 의해 여러 단계로 압축된 압축 공기를 터빈(1300) 측으로 유동시켜서 터빈 블레이드를 냉각시키는 연결관이 형성될 수 있다.

압축기(1100)의 출구에는 압축 공기를 확산 이동시키는 디퓨저가 배치된다. 디퓨저는 압축 공기가 연소기에 공급되기 전에 압축 공기를 정류시키며, 압축 공기의 운동 에너지 일부를 정압(static pressure)으로 전환시킨다.

위와 같은 구성을 가진 압축기(1100)는 압축기 하우징(1150) 안에 수용된 다단의 압축기 블레이드(1130)와 스테이터(1140)를 통과하는 유체, 즉 압축공기의 유로가 환형으로 형성되어 있다. 환형의 유로를 가로질러 다단의 압축기 블레이드(1130)와 스테이터(1140)가 교대로 배열되어 있으며, 압축기(1100)의 단을 거치면서 공기의 압력은 점차로 증가하여 유로의 출구에서는 목표로 하는 압축비에 도달하게 된다.

전술한 바와 같이, 가스터빈(1000)에서 생산하는 동력 중의 일부는 압축기(1100)를 구동하는데 사용되기 때문에 압축기(1100)의 효율을 향상시키는만큼, 동일한 압축비에서 동일한 양의 연료를 사용하더라도 순 출력값은 상승하게 되므로, 장기간 운전되는 가스터빈(1000)에서 압축기(1100)의 효율을 조금이라도 향상시키는 것은 매우 중요하다.

압축기(1100)의 설계요소 중에서 효율에 영향을 주는 다양한 인자 중에는 압축기(1100)의 유로형상이 포함되는데, 현재까지의 압축기(1100) 유로형상은 개발 도중 문제가 있는 부분을 조금씩 고쳐서 해결하는 경우가 대부분이었다. 본 발명은 이러한 압축기(1100) 유로형상의 설계에 명확한 기준을 둠으로써 기존 설계를 변경하거나 새로운 사양을 설계하는 다양한 상황에서도 일관되고 효율적으로 설계를 진행할 수 있도록 하기 위해 도출되었다.

도 3은 본 발명에 따른 축류 압축기(1100)의 유로형상 설계방법에 관한 일련의 단계를 보여주는 순서도이다. 도 3을 참조하여 본 발명의 전반적인 구성에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서, 제1 단계는 축류 압축기(1100)의 유로를 형성하며 반경방향을 따라 동심을 이루는 외주면과 내주면 중에서, 내주면의 반경방향 단면 상에서 유로의 입구와 출구를 연결하는 선분(FL)을 설정하는 단계이다. 축류 압축기(1100)(이하, 간략히 "압축기"라 할 수 있음)의 목표 압축비가 정해지면, 축류 압축기(1100)의 입구와 출구의 단면적은 기하학적으로 정해질 수 있다. 그리고, 압축기 블레이드(1130)는 축류 압축기(1100)의 축심에서부터 방사상으로 연장되므로, 유로의 내주면 설계가 더 중요하기기에 본 발명은 우선적으로 유로의 내주면을 설계하도록 구성되어 있다. 유로의 내주면 설계에서의 첫 단계는 내주면의 반경방향 단면 상에서 유로의 입구와 출구를 연결하는 선분(FL)을 설정하는 것이다. 이 선분(FL)은 도 4 내지 도 6에 나타나 있다.

제1 단계에 의해 내주면의 반경방향 단면 상에서 유로의 입구와 출구를 연결하는 선분(FL)이 설정되면, 제2 단계에서는 유로의 입구와 출구를 연결하는 선분(FL)의 전부 또는 일부를 장축으로 하는 타원을 설계한다. 도 4 내지 도 6은 각각 단일 타원과 2개 및 3개의 타원으로 설계한 일 실시형태를 도시하고 있다. 단일 타원인 경우에는 선분(FL)의 전체가 타원의 장축이 되고, 복수의 타원인 경우에는 각 타원은 선분(FL)의 일부를 자신의 장축으로 한다. 여기서, 장축은 설계되는 타원의 길이를 결정하고, 단축은 타원의 높이 내지 곡률을 결정하게 된다. 따라서, 타원의 길이가 정해진 이후에는 단축의 길이를 조정하면서 다양한 형태로 타원을 설계할 수 있다.

제3 단계는 설계된 타원에서 반경방향 안쪽의 절반을 유로 내주면의 반경방향 단면으로 설정하는 단계이다. 즉, 전체 타원에서 유로의 입구와 출구를 연결하는 선분(FL)의 하방에 위치한 타원의 일부를 내주면의 반경방향 단면 형태로 선택하는 것이다. 선택되지 않은 타원의 나머지 부분은 유로의 내주면 설계에서 제외된다.

제3 단계를 거치면, 유로의 내주면은 압축기(1100)의 축심에 대해 오목하게 만입된 다면 형태를 이루게 된다. 이렇게 오목하게 들어간 형태를 스쿠프(scoop)라 부르기도 하며, 스쿠프 형태의 유로는 압축기 블레이드(1130)의 확산인자를 개선하는 효과가 있는 것으로 보고되고 있다. 본 발명은 이러한 스쿠프 구조의 유로를 설계함에 있어, 기하학적인 수식으로 간명하게 표현되는 타원을 이용하여 일관적이면서도 다양한 형태로 설계할 수 있는 유용한 도구를 제공한다는데 그 의미가 있다.

다음의 제4 단계에서는, 제3 단계에서 선택된 타원의 절반인 내주면을 축류 압축기(1100)의 축심을 따라 회전하여 3차원 내주면을 설계하는 단계이다. 환형을 이루는 압축기(1100)의 유로는 유동의 균일성을 고려하여 어느 방향으로든지 대칭을 이루도록 설계되는 것이 바람직하므로, 내주면의 반경방향 단면 상에서 평면적으로 내주면의 형태를 설계하더라도, 제4 단계를 거침으로써 회전 대칭형의 3차원상의 유로 설계가 완성될 수 있다. 즉, 본 발명은 스쿠프 구조에 있어서 복잡하고 재현하기 어려운 임의적인 곡선을 배제하고 타원을 이용한다는 점과, 2차원상에서 설계를 한 후에도 손쉽게 3차원 내주면 형태를 완성할 수 있다는 것에 장점이 있는 것이다.

제2 단계에 있어서, 타원의 형태는 장축 및 단축의 길이로서 조정됨은 이미 설명한 바와 같다. 나아가 타원의 개수를 다양하게 선택함으로써 내주면의 단면 형상을 더욱 다양하게 조정할 수도 있다

도 4는 유로의 입구와 출구를 연결하는 선분(FL) 전체를 장축으로 하는 단일 타원, 즉 제1 타원(P1)으로 내주면을 설계하는 실시형태를 도시한 것이다. 선분(FL) 전체를 장축으로 하는 제1 타원(P1) 하나만을 사용함에 따라, 제1 타원(P1)의 형태는 단축의 길이를 조정함으로써 변경할 수 있다.

도 5는 제1 타원(P1)과 제2 타원(P2)의 두 개 타원을 조합하여 내주면을 설계하는 일 실시형태를 보여주고 있다. 두 개의 타원을 조합하는 경우에는, 제1 타원(P1)의 장축은 그 일단이 유로의 입구에 일치하고, 제2 타원(P2)의 장축은 그 일단이 유로의 출구에 일치하도록 배치할 수 있다. 이는 유로의 입구와 출구 전체에 걸쳐 스쿠프 구조를 형성할 때 요구되는 배치라 할 수 있다. 이를 복수의 타원을 조합할 때를 고려하여 일반화 한다면, 복수의 타원 중의 어느 하나는 유로의 입구에 그 장축의 끝이 일치하고, 복수의 타원 중의 다른 어느 하나는 유로의 출구에 그 장축의 끝이 일치하도록 배치한다고 정의할 수 있을 것이다.

또한, 도 5를 보면, 제1 타원(P1)과 제2 타원(P2)은 그 일부가 서로 중첩되어 있다. 복수의 타원이 반드시 중첩될 필요는 없지만, 복수의 타원이 중첩되면 유로의 중간 영역에도 스쿠프 형태가 형성될 수 있고, 중첩되는 길이와 위치를 조정함으로써 더욱 다양한 유로 형태를 구현할 수 있게 된다는 이점이 생긴다.

복수의 타원, 예를 들어 도 5에서 제1 타원(P1)과 제2 타원(P2)이 중첩된 경우에는, 장축이 중첩되는 부분을 제외한 타원의 반경방향 안쪽을 연결한 선을 내주면의 반경방향 단면으로 설정하면 된다. 다시 말해, 제1 타원(P1)과 제2 타원(P2)이 중첩된 전체를 선분(FL)에 걸쳐진 하나의 도형으로 취급하고, 선분(FL)의 하방에 위치한 도형의 반절을 내주면의 반경방향 단면 형태로 설정하면 된다.

도 6은 제1 타원(P1) 내지 제3 타원(P3)의 세 개 타원을 중첩하는 실시형태를 도시하고 있다. 도 6의 실시형태는 전술한 설명의 연장선상에 있다. 제1 타원(P1) 및 제2 타원(P2)이 선분(FL)의 양 끝에 위치하고, 제1 타원(P1)과 제3 타원(P3)의 일부가 중첩되는 한편 제2 타원(P2)과 제3 타원(P3)의 일부가 또한 중첩되어 있다. 도 5의 실시형태와 비교하자면, 도 6의 실시형태는 중간의 제3 타원(P3)이 제1 타원(P1)과 제2 타원(P2)의 연결을 좀더 매끄럽게 이어주는 역할을 한다고 볼 수 있다. 따라서, 도 4 내지 도 6의 실시형태에 의해 뒷받침되는 바와 같이, 본 발명은 타원의 형태(장축 대 단축의 길이), 타원의 개수, 타원의 배치 등의 간단하지만 다양한 변형을 통해 상당히 자유롭게 유로의 내주면 스쿠프 구조를 설계할 수 있도록 한다.

전술한 일련의 단계는 축류 압축기(1100)의 환형 유로에서 내주면을 설계하는 방안에 대해 설명하고 있다. 환형 유로를 완성하기 위해서는 외주면의 형태도 설계해야 하는데, 외주면의 형태는 매우 간단하고 단순하게 설계할 수 있다. 이는 유로의 외주면은 압축기 블레이드(1130)의 팁 영역을 형성하기에, 이 영역에서는 팁을 넘어가는 압축공기의 누설(leakage)이 더 중요하게 다루어져야 하고, 이러한 누설을 억제하는 구조는 유로의 전체적인 형태와는 별개로 설계되는 다른 세부구조가 필요하기 때문이다.

외주면을 설계하는 것은 전술한 제3 단계 또는 제4 단계 이후에 진행할 수 있으며, 다음의 제5 단계와 제6 단계로 이루어진다.

제5 단계는 사전에 설정된 압축비(목표 압축비)에 대응하여, 외주면 반경방향 단면 상에서 유로의 입구와 출구를 연결하는 선분 또는 단순 곡선을 설정하는 것이다. 여기서 단순 곡선은 하나의 포물선이나 하나의 타원의 전체 또는 일부를 구성하는 곡선 등이 사용될 수 있으며, 설계의 복잡성을 배제하기 위해 가능한 단순하게 정의되는 것이 바람직할 수 있다.

그리고, 제6 단계는, 제5 단계 이후에, 외주면을 만들기 위한 선분 또는 단순 곡선으로 설정된 경계를 축류 압축기(1100)의 축심을 따라 회전하여 3차원 외주면을 설계하는 단계에 해당한다. 이러한 제5 단계 및 제6 단계는 전술한 내주면에서의 제1 단계 및 제4 단계와 유사하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이상의 설명과 같은 본 발명의 가스터빈의 축류 압축기 유로형상 설계방법에 따르면, 가스터빈(1000)의 축류 압축기(1100)를 설계 및 제조할 수 있게 된다. 이러한 축류 압축기(1100)의 구조적 특징은 단일 또는 복수 타원의 형태를 가진 환형 유로의 내주면 형태에서 나타날 것이다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이다. 예를 들어, 압축기가 아닌 터빈의 유로를 설계할 때에도 본 발명이 적용될 수 있을 것이며, 이러한 수정, 변경 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

1000: 가스터빈 1100: 압축기
1110: 압축기 로터 디스크 1120: 센터 타이로드
1130: 압축기 블레이드 1140: 스테이터
1150: 압축기 하우징
FL: 유로의 입구와 출구를 연결하는 선분
P1: 제1 타원
P2: 제2 타원
P3: 제3 타원

Claims (10)

1. 축류 압축기의 유로를 형성하며 반경방향을 따라 동심을 이루는 외주면과 내주면 중에서, 상기 내주면의 반경방향 단면 상에서 상기 유로의 입구와 출구를 연결하는 선분을 설정하는 제1 단계;
   상기 유로의 입구와 출구를 연결하는 선분의 전부 또는 일부를 장축으로 하는 타원을 설계하는 제2 단계;
   상기 타원에서 반경방향 안쪽의 절반을 상기 내주면의 반경방향 단면으로 설정하는 제3 단계; 및
   상기 타원의 절반인 내주면을 상기 축류 압축기의 축심을 따라 회전하여 3차원 내주면을 설계하는 제4 단계;를 포함하고,
   상기 제2 단계에서,
   상기 타원은 상기 선분의 일부를 장축으로 하는 복수의 타원으로 설계되는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 축류 압축기 유로형상 설계방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 타원 중의 하나는 상기 유로의 입구에 그 장축의 끝이 일치하고,
   상기 복수의 타원 중의 다른 하나는 상기 유로의 출구에 그 장축의 끝이 일치하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 축류 압축기 유로형상 설계방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 타원은 장축의 일부가 서로 중첩되는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 축류 압축기 유로형상 설계방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제3 단계에서,
   상기 복수의 타원에서 장축이 중첩되는 부분을 제외한 타원의 반경방향 안쪽을 연결한 선을 상기 내주면의 반경방향 단면으로 설정하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 축류 압축기 유로형상 설계방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제2 단계에서,
   상기 타원의 단축의 길이를 조정하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 축류 압축기 유로형상 설계방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 제3 단계 또는 상기 제4 단계 이후에,
   사전에 설정된 압축비에 대응하여, 상기 외주면 반경방향 단면 상에서 상기 유로의 입구와 출구를 연결하는 선분 또는 단순 곡선을 설정하는 제5 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 축류 압축기 유로형상 설계방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제5 단계 이후에,
   상기 선분 또는 단순 곡선으로 설정된 경계를 상기 축류 압축기의 축심을 따라 회전하여 3차원 외주면을 설계하는 제6 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 축류 압축기 유로형상 설계방법.
10. 제1항, 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항의 가스터빈의 축류 압축기 유로형상 설계방법에 따라 설계된 축류 압축기.

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