KR102579644B1 - 터보 기계류 회전자 블레이드 - Google Patents

터보 기계류 회전자 블레이드 Download PDF

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에어로포일 몸체 및 흡입 표면으로부터 압력 표면으로 에어로포일 몸체를 관통하는 구멍을 갖는 터보 기계류 회전자 블레이드가 제공된다. 구멍은 레이싱 와이어를 수용하기에 적합하다. 상기 블레이드는 흡입 또는 압력 표면으로부터 돌출부를 더 갖는다. 돌출부는 구멍의 하류 측으로부터 하류 방향으로 연장하고 및/또는 구멍의 상류 측으로부터 상류 방향으로 연장하여, 흡입 또는 압력 표면을 방해하여 구멍에 인접한 에어로포일 몸체를 국부적으로 두꺼워지게 한다. 블레이드의 반경 방향 외측으로의 돌출부의 최대 반경 방향 크기는 구멍의 아웃보드 측과 반경 방향으로 거의 동일하고, 블레이드의 반경 방향 내측으로의 돌출부의 최대 반경 방향 크기는 구멍의 인보드 측과 반경 방향으로 거의 동일하다.

Description

터보 기계류 회전자 블레이드
본 발명은 터보 기계류 회전자 블레이드에 관한 것이다.
고도로 맥동하는 가스 흐름에서 작동하는 터빈은 수명을 보장하기 위해 추가적인 댐핑/강성이 필요할 수 있다. 터빈 블레이드들의 구멍을 통해 레이싱 와이어(lacing wire)를 삽입하여 터빈 블레이드들을 서로 묶고 작동 중에 터빈 블레이드들을 지지함으로써, 이러한 부가적인 댐핑/강성이 제공 될 수 있다.
그러나 작동 중 레이싱 와이어는 블레이드에 응력을 발생시키는 관성 부하를 인가한다. 이러한 응력이 과도 해지지 않도록 각 블레이드의 구멍 주변에 보스가 추가될 수 있다.
보스는 블레이드의 에어로포일 섹션을 국부적으로 두꺼워지게 하여 와이어의 관성 부하에 의해 블레이드에 발생되는 응력을 감소시킨다. 예를 들어, 도 1은 블레이드의 에어로포일 몸체(7)의 구멍(5)을 통해 삽입된 레이싱 와이어(3)를 갖는 이웃의 산업적 터보차저 터빈 블레이드(1)를 도시한다. 보스(9)는 각 구멍을 둘러싸고 와이어를 지지한다.
보스가 블레이드의 응력을 감소시키지만 에어로포일 몸체 위로 가스 스트림의 흐름을 방해하여 블레이드의 효율을 감소시킨다.
독일공개특허 DE 19913265 A1 (2000.09.28)
일반적으로, 본 발명은 향상된 공기 역학적 성능을 갖는 회전자 블레이드를 제공한다.
따라서, 제 1 양태에서, 본 발명은 에어로포일 몸체와, 에어로포일 몸체를 흡입 표면으로부터 압력 표면으로 관통하는 구멍을 갖는 터보 기계류 회전자 블레이드를 제공하며, 상기 구멍은 레이싱 와이어(lacing wire)를 수용하기에 적합하며; 상기 흡입 또는 압력 표면으로부터의 돌출부는 상기 구멍의 하류 측으로부터 하류 방향으로 연장하고 및/또는 상기 구멍의 상류 측으로부터 상류 방향으로 연장하고, 상기 돌출부가 상기 흡입 또는 압력 표면을 방해하여 상기 구멍에 인접한 상기 에어로포일 몸체를 국부적으로 두껍게 하고, 상기 블레이드의 반경 방향 외측으로 돌출부의 최대 반경 방향 크기는 상기 구멍의 아웃보드(outboard) 측과 반경 방향으로 거의 동일(coterminous)하고, 상기 블레이드의 반경 방향 내측으로 돌출부의 최대 반경 방향 크기는 상기 구멍의 인보드(inboard) 측과 반경 방향으로 거의 동일하다.
종래의 블레이드의 보스에 의한 가스 스트림의 가장 큰 방해는 전형적으로 구멍의 국부적으로 두꺼워진 인보드 측 및 아웃보드 측에 의해 발생된다. 대조적으로, 구멍의 두꺼워진 하류는 와이어의 공기 역학적 후류(wake)에 위치하므로, 보스의 나머지 부분보다 에어로포일의 공기 역학에 덜 해로운 영향을 미친다. 유사하게, 공기 역학 후류에 있지 않은 동안 구멍의 두꺼워진 상류는 와이어에 접근하는 흐름의 유선이 와이어에서 정체되거나 그 주위로 우회시키는 위치에 있으며 이에 따라 덜 해로운 공기 역학적 영향을 미친다. 또한, 공기 속도가 더 높은 블레이드의 흡입 측에서의 두꺼워짐은 블레이드의 압력 측에서의 두꺼워짐보다 더 해로운 영향을 미치는 경향이 있다.
레이싱 와이어에 의한 블레이드의 관성 부하는 구멍의 상류 측 및 하류 측상의 위치에서 블레이드 응력을 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 그러나, 돌출부를 구멍의 하류 및/또는 상류에 포함시킴으로써, 이러한 응력이 감소될 수 있고, 블레이드는 구멍의 인보드 측 또는 아웃보드 측으로 두껍게 될 필요가 없다.
따라서, 본 발명의 블레이드에서, 돌출부의 최대 반경 크기는 구멍의 인보드 측 및 아웃보드 측을 초과하지 않으며, 즉 인보드 측 및 아웃보드 측을 넘어 에어로포일 몸체가 국부적으로 두꺼워지지 않는다. 유리하게는, 블레이드의 에어로포일 섹션 위로 흐르는 가스 스트림의 방해가 감소될 수 있어, 블레이드의 효율을 향상시킬 수 있다.
제 2 양태에서, 본 발명은 제 1 양태에 따른 일 열의 블레이드를 가지며, 블레이드의 구멍 내에 수용된 레이싱 와이어를 더 가지는 회전자(rotor)를 제공한다.
본 발명의 다른 양태는 제 2 양태의 회전자를 갖는 터보 차저(turbocharger)를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 제 2 양태의 회전자를 갖는 가스 터빈 엔진, 제 2 양태의 회전자를 갖는 증기 터빈 및 제 2 양태의 회전자를 갖는 워터 터빈을 각각 제공한다.
이제 본 발명의 선택적 특징이 설명될 것이다. 이들은 단독으로 또는 본 발명의 임의의 양태와 임의의 조합으로 적용 가능하다.
돌출부는 단지 하류 방향으로, 즉 구멍의 상류 측으로부터 상류 방향으로가 아니라, 구멍으로부터 연장할 수 있다. 따라서, 흡입 표면 및 압력 표면은 구멍의 상류 측에 인접한 방해되지 않은 에어로포일 표면을 가질 수 있다. 즉, 상류 측상의 에어로포일 몸체가 국부적으로 두꺼워지지 않는다. 일반적으로, 가스 스트림의 더 큰(여전히 작지만) 양의 방해는 구멍의 국부적으로 두꺼워진 하류보다 구멍의 국부적으로 두꺼워진 상류에 의해 발생한다.
구멍으로부터 하류 방향으로 연장하는 돌출부에 대해, 구멍으로부터의 하류 거리를 증가시킴에 따라, 돌출부에 의해 발생된 두꺼워짐이 감소할 수 있다. 유사하게, 구멍으로부터 상류 방향으로 연장하는 돌출부에 대해, 구멍으로부터의 상류 거리를 증가시킴에 따라, 돌출부에 의해 발생된 두꺼워짐이 감소할 수 있다.
구멍으로부터의 하류 거리를 증가시킴에 따라, 블레이드의 반경 방향으로의 돌출부의 폭이 감소할 수 있다.
상기 돌출부는 상기 블레이드의 반경 방향으로 측정된 상기 구멍의 직경의 4배 미만인 거리만큼 상기 구멍의 하류 측으로부터 하류 방향으로 연장할 수 있다. 바람직하게는, 상기 돌출부는 상기 블레이드의 반경 방향으로 측정될 때 상기 구멍의 직경의 2배 미만의 거리만큼 연장할 수 있다. 그러나, 돌출부는 블레이드의 반경 방향으로 측정된 구멍의 직경의 1/4보다 큰 거리만큼 연장할 수 있다. 바람직하게는, 상기 돌출부는 상기 블레이드의 반경 방향으로 측정될 때 상기 구멍의 직경의 절반보다 큰 거리만큼 연장할 수 있다.
유사하게, 돌출부는 블레이드의 반경 방향으로 측정된 구멍의 직경의 4배 미만 (바람직하게는 2배 미만) 및/또는 블레이드의 반경 방향으로 측정된 구멍의 직경의 1/4보다 큰(바람직하게는 1/2보다 큰) 거리만큼 구멍의 상류 측으로부터 상류 방향으로 연장할 수 있다.
인접한 방해되지 않은 에어로포일 표면 위의 돌출부의 최대 높이는 블레이드의 반경 방향으로 측정된 구멍의 반경보다 작을 수 있다. 바람직하게는, 최대 높이는 블레이드의 반경 방향으로 측정된 구멍의 직경의 1/4 미만일 수 있다. 그러나, 최대 높이는 블레이드의 반경 방향으로 측정된 구멍의 직경의 16분의 1보다 클 수 있다. 바람직하게는, 최대 높이는 블레이드의 반경 방향으로 측정된 구멍의 직경의 1/8보다 클 수 있다.
블레이드는 흡입 표면으로부터의 돌출부 및 압력 표면으로부터의 돌출부를 가질 수 있다.
블레이드는 터빈 회전자 블레이드 또는 압축기 회전자 블레이드일 수 있다.
본 발명의 실시예들은 이제 첨부 도면들을 참조하여 예로서 기술될 것이다:
도 1은 레이싱 와이어가 있는 인접한 터빈 블레이드들을 도시하며,
도 2는 (a) 압력 측에서 본 일 열의 블레이드 및 (b) 흡입 측에서 본 블레이드들 중 하나의 확대도를 개략적으로 도시하며,
도 3은 도 2의 블레이드의 구멍에서의 전형적인 레이싱 와이어 관성 부하의 유한 요소 모델링으로부터 (a) 압력 측 및 (b) 흡입 측 계산된 변형 윤곽을 도시하며,
도 4는 돌출부가 없는 종래의 블레이드의 구멍에서 유사한 레이싱 와이어 관성 하중의 유한 요소 모델링으로부터 (a) 압력 측 및 (b) 흡입 측의 계산된 변형 윤곽을 도시한다.
도 2는 (a) 압력 측에서 축류 터보차저 터빈 회전자용의 일 열의 블레이드 및 (b) 흡입 측에서 본 블레이드 중 하나의 확대도를 개략적으로 도시한다. 각각의 블레이드(11)는 압력 표면(15) 및 흡입 표면(17)을 갖는 에어로포일 몸체(13)를 갖는다. 구멍(19)은 에어포일 몸체를 통해 흡입 표면으로부터 압력 표면으로 관통하여, 레이싱 와이어가 구멍을 통과하여 블레이드를 인접한 블레이드로 링크한다.
블레이드(11)는 압력 표면(15)으로부터의 돌출부(21)와 흡입 표면(17)으로부터의 유사한 다른 돌출부(21)를 갖는다. 돌출부는 에어로포일 몸체의 국부적인 두꺼워짐이며 구멍의 하류 측으로부터 하류 방향으로 연장한다. 유리하게는, 이러한 국부적인 두꺼워짐은 블레이드와 구멍(19)을 통해 삽입된 와이어 사이의 접촉 면적을 증가시켜서, 와이어의 관성 부하에 의해 블레이드에 발생되는 응력을 감소시킨다. 여기에서 표시되지는 않았지만, 또 다른 옵션은 블레이드의 압력 측 또는 흡입 측으로부터 하나의 돌출부를 갖는 것이다.
각각의 돌출부(21)는 블레이드의 반경 방향으로 측정된 홀(19)의 직경의 4배 미만인 거리, 보다 바람직하게는 상기 직경의 2배 미만의 거리만큼 하류로 연장한다. 그러나, 각각의 돌출부는 또한 상기 직경의 1/4, 바람직하게는 상기 직경의 절반보다 큰 거리만큼 연장한다.
블레이드(11)의 반경 방향으로 각각의 돌출부(21)의 폭과 각각의 표면(15, 17) 위의 각 돌출부의 높이 모두는 홀(19)로부터의 하류 거리가 증가함에 따라 감소한다. 인접한 방해되지 않는 에어로포일 표면 위의 각각의 돌출부의 최대 높이는 블레이드의 반경 방향으로 측정된 구멍의 직경의 절반 미만(바람직하게는 직경의 1/4 미만)이지만, 상기 직경의 1/16 보다 크다(바람직하게는 1/8보다 크다).
구멍(19)에 인접한 압력 표면(15) 및 흡입 표면(17)은 상류, 인보드 측 및 아웃보드 측 방향으로 방해되지 않는 에어로포일 표면을 갖는다. 즉, 구멍의 상류 측으로부터 상류 방향으로, 구멍의 인보드 측으로부터 반경 방향 내측으로, 또는 구멍의 아웃보드 측으로부터 반경 방향 외측으로 두꺼워짐이 없다. 따라서, 바람직하게는, 돌출부(21)는 에어로포일 표면(15, 17)을 가로 질러 흐르는 가스 스트림의 방해를 감소시키며, 이는 사용시 돌출부가 구멍(19)을 통해 삽입된 레이싱 와이어의 후류에 위치하기 때문이다. 이러한 방식으로, 블레이드(11)의 공기역학적 성능이 개선될 수 있다.
도 3은 도 2의 블레이드의 구멍에서의 전형적인 레이싱 와이어 관성 부하의 유한 요소 모델링으로부터 (a) 압력 측 및 (b) 흡입 측의 계산된 변형 윤곽을 도시하며, 도 4는 돌출부가 없는 종래의 블레이드의 구멍에서 유사한 레이싱 와이어 관성 하중의 유한 요소 모델링으로부터 (a) 압력 측 및 (b) 흡입 측의 계산된 변형 윤곽을 도시한다. 돌출부가 없는 블레이드에 비해, 구멍의 하류 측에서 돌출부(21)는 블레이드가 겪는 변형 패턴을 유용하게 변경하고 최대 변형을 감소시킬 수 있다. 또한, 돌출부는 구멍의 하류 측상의 최대 변형 점을 흡입 측 위치로부터 구멍 내의 덜 손상된 위치로 변위시킬 수 있다. 이 두 가지 효과는 블레이드의 피로 수명을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 상술 한 예시적인 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 개시 내용이 제공될 때 당업자에게는 많은 동등한 수정 및 변형이 명백할 것이다. 예를 들어, 도면에 도시되지는 않았지만, 블레이드의 피로 수명을 더욱 증가시키기 위해, 상기 또는 각각의 돌출부는 구멍의 상류 측으로부터 상류 방향으로 유사한 방식으로 또한 연장할 수 있다. 구멍의 상류 측에 돌출부가 레이싱 와이어의 후류에 있지는 않지만,이 위치에서 와이어에 접근하는 흐름의 유선은 와이어 상에 정체되거나 그 주위를 전환할 수 있다. 실제로 덜 바람직하기는 하지만, 돌출부 또는 각각의 돌출부는 하류 방향 대신에 상류 방향으로 연장할 수 있다. 또한, 본 발명은 터빈 적용에 한정되지 않고 다른 적용에 사용될 수 있다. 예를 들어, 블레이드는 가스 터빈 엔진의 저압 축류 압축기에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 축류 장치에 한정되지 않고 다른 장치에도 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 회전자 블레이드는 터보 차저의 워터 터빈 또는 반경 방향 흐름 터빈과 같은 반경 방향 또는 혼합류 장치에 사용될 수 있다. 따라서, 전술한 본 발명의 예시적인 실시 예는 예시적인 것이며 제한적인 것으로 간주되지 않는다. 설명된 실시 예에 대한 다양한 변경이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다.

Claims (11)

  1. 에어로포일 몸체와, 에어로포일 몸체를 흡입 표면으로부터 압력 표면으로 관통하며 레이싱 와이어(lacing wire)를 수용하기에 적합한, 구멍을 갖는, 터보 기계류 회전자 블레이드로서,
    상기 흡입 표면 또는 압력 표면으로부터의 돌출부는 상기 구멍의 하류 측으로부터 하류 방향으로 연장하고/연장하거나 상기 구멍의 상류 측으로부터 상류 방향으로 연장하고, 상기 돌출부가 상기 흡입 표면 또는 압력 표면을 방해하여(disturbing) 상기 구멍에 인접한 상기 에어로포일 몸체를 국부적으로 두껍게 하고, 상기 블레이드의 반경 방향 외측으로의 돌출부의 최대 반경 방향 크기는 상기 구멍의 아웃보드(outboard) 측과 반경 방향으로 동일(coterminous)하고, 상기 블레이드의 반경 방향 내측으로 돌출부의 최대 반경 방향 크기는 상기 구멍의 인보드(inboard) 측과 반경 방향으로 동일한, 블레이드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 구멍으로부터 하류 방향으로 연장하고, 상기 구멍으로부터의 하류 거리가 증가함에 따라, 상기 돌출부에 의해 생성된 두꺼워짐이 감소하는, 블레이드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 구멍으로부터 상류 방향으로 연장하고, 상기 구멍으로부터의 상류 거리가 증가함에 따라, 상기 돌출부에 의해 생성된 두꺼워짐이 감소하는, 블레이드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 구멍으로부터의 하류 거리가 증가함에 따라, 상기 블레이드의 반경 방향으로의 상기 돌출부의 폭이 감소하는, 블레이드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 블레이드의 반경 방향으로 측정된 상기 구멍의 직경의 4배 미만인 거리만큼 상기 구멍의 하류 측으로부터 하류 방향으로 연장하는, 블레이드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 블레이드의 반경 방향으로 측정된 상기 구멍의 직경의 4배 미만인 거리만큼 상기 구멍의 상류 측으로부터 상류 방향으로 연장하는, 블레이드.
  7. 제 1 항에 있어서,
    인접한 방해되지 않은 에어로포일 표면 위의 상기 돌출부의 최대 높이는 상기 블레이드의 반경 방향으로 측정된 상기 구멍의 직경의 1/2배보다 작은, 블레이드.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드는 상기 흡입 표면으로부터의 돌출부 및 상기 압력 표면으로부터의 돌출부를 갖는, 블레이드.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드는 터빈 회전자 블레이드 또는 압축기 회전자 블레이드인, 블레이드.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 일 열의 블레이드를 갖는 회전자로서,
    상기 블레이드의 구멍 내에 수용되는 레이싱 와이어를 더 갖는, 회전자.
  11. 제 10 항의 회전자를 갖는, 터보 차저.
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