KR19980024999A - 축류 유체기계용 날개 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배면측 말굽형 소용돌이 및 유로 소용돌이의 성장을 억제함으로써 날걔열 효율의 향상을 도모한 축류유체기계용 날개를 제공한다.
본 발명에 관한 축류유체기계용 날개는 날개 유효부(34a)의 루트부(34b) 및 칩부(34c)의 적어도 한쪽으로부터 상류측을 향하여 뻗는 축기선(XA, XB)과, 이 축기선(XA, XB)의 단부로부터 상기 날개 유효부(34a)의 전연(34e)을 향하여 경사져서 뻗는 축기선(YA, YB)로 형성된 돌출 날개부(35a, 35b)를 상기 전연(34e)에 연속해서 일체로 설치함과 동시에, 상기 날개 유효부(34a)의 최대 날개 두께와 상기 돌출 날개부(35a, 35b)의 최대 날개 두께를 동일한 날개 두께로 형성한 것이다.
Description
본 발명은 축류유체기계용 날개에 관한 것이며, 특히 회전축의 축방향을 따라 배열된 날개열이 작동유체를 통과할 때 발생하는 2차흐름 손실을 저감하여, 그 날개열 효율의 향상을 도모한 축류유체기계용 날개에 관한 것이다.
일반적으로 유체기계에는 축류식, 복류식, 원심식, 용적식 등 많은 형식의 원동기가 있으나, 이 중에서 축류식은 고출력이 얻어지므로 항공용 또는 발전용의 공기압축기, 가스터빈, 증기터빈 등의 초대형 원동기에 사용되고 있다.
축류식의 유체기계, 예를 들어 공기압축기는 도 14에 나타낸 바와 같이 케이싱(1)에 수용되어 정익(3), 동익(3)을 조합한 단락(4)을 회전축(5)의 축방향을 따라 배열하고, 입구(6)에서 흡입한 대기(7)를 정익(2)으로 압축하여, 그 고압공기를 동익(3)을 거쳐서 다음의 단락(4)에 안내하고, 여기서도 정익(2)에 의해 압축화하며, 이와 같이 해서 최종적으로 소정 압력의 고압공기(8)로 하여 출구(9)로부터 가스터빈(도시하지 않음)에 공급하도록 되어 있다.
또 축류식의 유체기계, 예를 들어 도 15에 나타낸 바와 같이 케이싱(10)에 수용되어, 다이어프램 외륜(11), 다이어프램 내륜(12)에 끼워진 정익(13)과 회전축(15)의 디스크(16)에 설치된 동익(14)을 조합한 단락(17)을 회전축(15)의 축방향을 따라 배열하고, 증기(18)를 정익(14)으로 팽창시켜서, 그 팽창력을 동익(14)에 주어 회전시켜서 회전동력을 꺼내도록 하고 있다. 또한 증기(18)가 단락(17)을 통과할 때의 누설 증기는 다이어프램 내륜(12)에 설치한 래버린스(19)에 의해 봉쇄된다.
그러나 축류식의 공기압축기에서는 고압공기(8)가 정익(2), 동익(3)을 통과할 때, 또는 축류식의 증기터빈에서는 증기(18)가 정익(13), 동익(14)을 통과할 때에, 어느 것이나 여러 가지 손실이 생기며, 이들 손실이 날개열손실이 되어 날개열효율을 저하시키는 원인이 되고 있다.
날개열손실에는 익(날개)형의 형상 그 자체에 기인하여 발생하는 익형손실, 날개 정상부와 유로벽간의 틈새로부터 발생하는 극간누설손실, 유로의 내주벽과 외주벽의 존재에 의해 발생하는 벽면손실 등이 있다. 이 중에서도 벽면손실은 날개열효율을 저하시키는 큰 비중을 점하고 있다.
벽면손실의 주원인에는 날개열내에 발생하는 2차흐름에 수반하는 소용돌이와, 이 소용돌이에 의해 발생되는 유로벽의 경계층 박리가 있으며, 2차흐름에 수반하는 소용돌이 및 경계층 박리의 전형적인 예는 축류식의 공기압축기 및 증기터빈에도 공통되며, 날개열간을 통과하는 주류(공기압축기의 경우에는 공기가 작동유체이고, 또 증기터빈의 경우에는 증기가 작동유체이지만, 어느 경우의 작동유체도 이하 주류라 한다)의 거동에 의해 2차흐름을 일으킴이 알려져 있다.
2차흐름이라 함은 주류가 날개열간을 통과할 때에, 날개 길이 중간부측에서 주류가 날개형상을 따라 흐르는 데 비해, 날개 정상부측 및 날개 루트부측에서는 주류가 날개 높이 중간부측에서 흐르는 주류와 교차하는 방향으로 흐르는 것을 말하는 데, 날개와 인접하는 날개 사이의 압력차가 원인이 되어 생긴다.
주류가 2차흐름으로 되는 경우에는 소용돌이를 수반하나, 이 소용돌이는 도 16에 나타낸 바와 같이 발생하고, 즉시 성장한다. 즉 입구 경계층(20a1, 20b1)을 수반한 주류(20a, 20b)가 날개(21a, 21b)사이의 유로(22a, 22b)에 유입할 때, 전연(23a, 23b)에 충돌하여 소용돌이(24a, 24b)가 발생한다.
소용돌이(24a, 24b)는 복면측 말굽형 소용돌이(24a1, 24b1), 배면측 말굽형 소용돌이(24a2, 24b2)으로 나누어진다. 배면측 말굽형 소용돌이(24a2, 24b2)는 부압이 되어 있는 날개(21a, 21b)의 배면측(25a, 25b)을 따라 흐르는 사이에 유로(22a, 22b)의 경계층을 휩쓸리게 하여 차차 성장하면서 후연(26a, 26b)으로 흐른다.
한편 복면측 말굽형 소용돌이(24a1, 24b1)는 정압이 되어 있는 날개(21a, 21b)의 복면측(27a, 27b)과 부압이 되어 있는 인접한 날개(21b, 21c)의 배면측(25b, 25c)간의 압력차에 의해 2차흐름과 함께 인접한 날개(21b, 21c)의 배면측(25b, 25c)를 향해 흐를 때 유로(22a, 22b)의 경계층을 휩쓸어 크게 성장하여 유로 소용돌이(24a3, 24b3)가 되고, 즉시 배면측 말굽형 소용돌이(24a2, 24b2)과 합류한다.
이와 같이 주류(20a, 20b)의 날개(21a, 21b)의 전연(23a, 23b)에서 충돌하여 발생하는 소용돌이(24a, 24b)는 복면측 말굽형 소용돌이(24a1, 24b1)와 배면측 말굽형 소용돌이(24a2, 24b2)로 나누어지고, 복면측 말굽형 소용돌이(24a1, 24b1)가 크게 성정하여 유로 소용돌이(24a3, 24b3)가 되고, 또 배면측 말굽형 소용돌이(24a2, 24b2)가 배면측(25a, 25b)을 따라 흐르는 사이에 크게 성장하는 것을 총칭하여 2차흐름 소용돌이라 한다.
이 2차흐름 소용돌이는 유로(22a, 22b)의 벽면 가까이를 통과하는 주류(20a, 20b)의 유선을 나타내고, 날개(21a, 21b)의 날개열효율을 저하시키는 큰 원인이 되고 있다. 이 때문에 2차흐름 소용돌이를 어떻든 억제하여야 한다.
2차흐름 소용돌이를 억제하는 한가지 방법으로는, 예를 들어 일본국 특공소 56-19446호 공보에 이미 공표되어 있다. 이 기술은 도 17에 나타낸 바와 같이 날개 유효부(28)의 전연(29)에 유로벽(31)으로부터 거리(1a)에 걸쳐 돌출 날개부(30)를 형성하여, 이 횡단면 형상을 도 18에 나타낸 바와 같이 돌출 날개부 복면측(32a)을 날개 유효부 복면측(32b)에 일치시키고, 돌출 날개부 배면측(33a)을 날개 유효부 배면측(33b)보다도 팽출시킨 것이다. 또한 도 17에 나타낸 돌출 날개부(30)와 유로벽(31)간의 교점(S10), 돌출 날개부(30)와 날개 유효부(28)간의 교점(S20), 교점(S20)의 유로벽(31)에 대한 투영접(S30)의 각각은 도 18에 나타낸 S10, S20, S30의 각각과 대응시키고 있다.
이 기술에서는 날개 유효부(28)의 전연(29)에 유로벽(31, 31)측을 향해서 돌출 날개부(30, 30)을 형성하고, 또 돌출 날개부(30, 30)의 코드 길이를 날개 유효부의 코드 길이보다 증가시킴으로써, 도 19에 나타낸 바와 같이 날개 코드(c)를 따라 날개 유효부 배면측(33b)의 압력을 돌출 날개부 배면측(33a)의 압력보다 높게 하여 2차흐름 소용돌이중에서 배면측 말굽형 소용돌이를 낮게 억제한 것이다. 즉 날개 유효부 배면측(33b)으로부터 돌출 날개부 배면측(33a)에 압력을 가하여 배면측 말굽형 소용돌이의 성장을 억제한 것이다.
이와 같이 도 17에 나타낸 종래기술에서는 배면측 말굽형 소용돌이의 성장을 낮게 억제하는 면에서는 우수한 효과를 갖추고 있는 반면에, 도 19에 나타낸 바와 같이 날개 유효부 복면측(32b) 및 돌출 날개부 복면측(32a)과 돌출 날개부 배면측(33b) 사이의 압력차가 종래보다 더욱 높아지기 때문에, 한쪽 날개의 복면측으로부터 다른 쪽의 인접한 날개 배면측을 향하는 유로 소용돌이의 성장을 더욱 촉진하게 된다. 이 때문에 도 17에 나타낸 종래기술에서는 복면측 말굽형 소용돌이로부터 즉시 크게 성장하는 유로 소용돌이를 억제할 수가 없어서, 날개열효율이 높아지는 문제가 있었다.
본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 배면측 말굽형 소용돌이 및 유로 소용돌이의 성장을 낮게 억제함으로써 비약적인 날개열효율의 향상을 도모한 축류유체기계용 날개를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 축류유체기계용 날개의 제1실시형태를 개략적으로 나타낸 사시도.
도 2는 도1의 A-A 화살표방향 절단단면도.
도 3은 본 발명에 의한 축류유체기계용 날개와, 이 날개를 통과하는 주류의 압력분포특성을 관련시킨 설명도.
도 4는 본 발명에 의한 축류유체기계용 날개의 유입각이 실속을 일으키지 않도록 정의 실속 마진 범위내 있는 것을 나타낸 설명도.
도 5는 본 발명에 의한 축류유체기계용 날개의 날개열 손실을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명에 의한 축류유체기계용 날개의 제1실시형태의 제1실시예를 나타낼 때, 압력분포특성, 날개를 통과하는 주류의 거동, 날개 횡단면의 형상(B-B 화살표방향 절단단면)을 관련시킨 설명도.
도 7은 본 발명에 의한 축류유체기계용 날개의 제2실시형태를 개략적으로 나타낸 사시도.
도 8은 도 7의 C-C 화살표방향 절단단면도.
도 9는 본 발명에 의한 축류유체기계용 날개의 제2실시형태에서의 날개와, 이 날개를 통과하는 주류의 압력분포특성을 관련시킨 설명도.
도 10은 본 발명에 의한 축류유체기계용 날개의 제2실시형태의 제1실시예를 나타낸 개략도.
도 11은 본 발명에 의한 축류유체기계용 날개의 제2실시형태의 제2실시예를 나타낸 개략도.
도 12는 본 발명에 의한 축류유체기계용 날개의 제3실시형태를 나타낸 개략도.
도 13은 도 12의 D-D 화살표방향 절단단면도.
도 14는 종래의 축류공기압축기의 개략단면도.
도 15는 종래의 축류 증기터빈의 개략 부분단면도.
도 16은 종래의 날개열에서 소용돌이의 발생기구, 거동을 나타낸 설명도.
도 17은 종래의 축류유체기계용 날개를 나타낸 개략도.
도 18은 도 17의 A-A 화살표방향 절단단면도.
도 19는 도 17의 축류유체기계용 날개의 압력분포를 나타낸 그래프.
본 발명에 의한 축류유체기계용 날개는 상기 목적을 달성하기 위하여, 청구항 1에 기재한 바와 같이 날개 유효부의 루트부 및 칩부중의 적어도 한쪽으로부터 상류측을 향해서 뻗는 축 기선과, 이 축 기선의 단부로부터 상기 날개 유효부의 전연을 향해서 경사져서 뻗는 축선으로 형성된 돌출날개부를 상기 전연에 연속해서 일체로 설치함과 동시에, 상기 날개 유효부의 최대 날개 두께와 상기 돌출 날개부의 최대 날개 두께를 동일 날개 두께로 형성한 것이다.
본 발명에 의한 축류유체기계용 날개는 상기 목적을 달성하기 위하여, 청구항 2에 기재한 바와 같이 날개 유효부의 전연을 향해서 경사져서 뻗는 축선은 날개 유효부의 전연에 대한 경사각도를 15˚∼45˚의 범위로 설정한 것이다.
본 발명에 의한 축류유체기계용 날개는 상기 목적을 달성하기 위하여, 청구항 3에 기재한 바와 같이 날개 유효부의 전연을 향해서 경사져서 뻗는 축선의 높이는 날개 유효부의 전 날개 길이에 대하여 1/6∼2/6의 범위로 설정한 것이다.
본 발명에 의한 축류유체기계용 날개는 상기 목적을 달성하기 위화여, 청구항 4에 기재한 바와 같이 날개 유효부의 루트부 및 칩부의 적어도 한쪽으로부터 상류측으로 뻗는 축 기선과, 이 축 기선의 단부로부터 상기 날개 유효부의 앞 가장자리를 향해서 경사져서 뻗는 축 기선으로 형성된 돌출날개부를 상기 전연에 연속해서 일체로 설치하는 한편, 상기 날개 유효부의 루트부 및 칩부중의 적어도 한쪽으로부터 하류측으로 뻗는 축 기선과, 이 축 기선의 단부로부터 상기 날개 유효부의 후연을 향해서 경사져서 뻗는 축선으로 형성된 돌출날개부를 상기 후연에 연속해서 일체로 설치함과 동시에, 상기 날개 유효부의 최대 날개 두께와 상기 전연에 설치한 상기 돌출 날개부 및 상기 후연에 설치한 돌출 날개부의 각각의 최대 날개 두께를 동일 날개 두께로 형성한 것이다.
본 발명에 의한 축류유체기계용 날개는 상기 목적을 달성하기 위하여, 청구항 5에 기재한 바와 같이 날개 유효부의 후연을 향해서 경사져서 뻗는 축선은 날개 유효부의 후연에 대한 경사각도를 15˚∼45˚의 범위로 설정한 것이다.
본 발명에 의한 축류유체기계용 날개는 상기 목적을 달성하기 위하여, 청구항 6에 기재한 바와 같이 날개 유효부의 후연을 향해서 경사져서 뻗는 축선의 높이는 날개 유효부의 전 날개 길이에 대하여 1/6∼2/6의 범위로 설정한 것이다.
본 발명에 의한 축류유체기계용 날개는 상기 목적을 달성하기 위하여, 청구항 7에 기재한 바와 같이 날개 유효부에 구분된 루트 날개부, 중간 날개부, 칩 날개부를 연속해서 일체로 형성하고, 루트 날개부의 횡단면 중심을 통과하는 축선 및 칩 날개부의 횡단면 중심을 통과하는 축선의 각각이 상기 중간 날개부의 횡단면 중심을 통과하는 축선에 대해 상류측을 향해서 경사져서 형성됨과 동시에, 상기 루트 날개부 및 칩 날개부의 각각의 최대 두께와 상기 중간 날개부의 최대 두께를 동일 날개 두께로 형성한 것이다.
본 발명에 의한 축류유체기계용 날개는 상기 목적을 달성하기 위하여, 청구항 8에 기재한 바와 같이 루트 날개부의 횡단면 중심을 통과하는 칩 날개부의 횡단면 중심을 통과하는 축선의 각각은 중간 날개부의 횡단면 중심을 통과하는 축선에 대한 경사각도를 15˚∼45˚의 범위로 설정한 것이다.
본 발명에 의한 축류유체기계용 날개는 상기 목적을 달성하기 위하여, 청구항 9에 기재한 바와 같이 루트 날개부의 횡단면 중심을 통과하는 축선의 높이 및 칩 날개부의 횡단면 중심을 통과하는 축선의 높이의 각각은 날개 유효부의 전 날개 길이에 대하여 1/6∼2/6의 범위로 설정한 것이다.
[발명의 실시형태]
이하 본 발명에 의한 축류유체기계용 날개의 1실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 축류유체기계용 날개를 축류공기압축기 및 축류증기터빈에 적용한 실시형태를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 그리고 도 1에 나타낸 프로파일(익형)은 축류공기압축기용 날개를 일례로서 든 것이다.
날개(34)는 회전축방향선(X1)을 기준으로 스태거각(엇갈림각)(ξ)만큼 어긋나게 한 스태거선(X2)(날개 전연과 날개 후연을 잇는 선)을 따라 주류(F)를 향해서 전진시키고, 또한 루트부(34b)(날개 뿌리)로부터 칩(34c)(날개 정상부)을 향해서 가상 파선으로 나타낸 기준 날개소자(34d)를 겹쳐 쌓은 프로파일로 형성되어 있다.
또 이 날개(34)에는 기준 날개소자(35d)를 스태거선(X2)상에 겹쳐 쌓고, 또한 스태거선(X2)이 반경방향(날개 길이방향)을 향해서 그 각도를 변화시킨 날개 유효부(34a)를 갖추고 있으며, 이 날개 유효부(34a)에 연속해서 일체로 접속된 돌출 날개부(35a, 35b)가 각각 설치된다.
돌출 날개부(35a, 35b)는 날개 유효부(34a)의 루트부(34b) 및 칩부(34c)의 각각으로부터 주류(F)측을 향해서 뻗는 축 기선(XA, XB)과 축 기선(XA, XB)의 단부로부터 날개 유효부(34a)의 전연(34e)에 접속한 아크형상의 만곡면을 갖춘 축선(YA, YB)으로 형성된다.
또 돌출 날개부(35a, 35b)는 축선(YA, YB)과 날개 유효부(34a)의 전연(34e)간의 교점(ZA, ZB)을 필릿형상(소곡률 원호)으로 형성하여 접속하도록 되어 있다.
또 날개 유효부(34a)의 전연(34e)으로부터 연속해서 일체로 팽출한 돌출 날개부(35a, 35b)의 횡단면과 날개 유효부(34a)만의 횡단면은 도 2에 나타낸 바와 같이, 주류(F)의 유입각이 돌출 날개부(35a, 35b) 및 날개 유효부(34a)의 각각에 대해 동일하게 되도록 돌출 날개부(35a, 35b)의 캠버선(CL1)과 날개 유효부(34a)의 캠버선(CL2)을 어긋나게 하여, 날개 유효부(34a)의 최대 날개 두께(W2)로 서로 일치시키도록 형성되어 있다. 이 때문에 돌출 날개부(35a, 35b)의 최대 날개 두께(W1)와 날개 유효부(34a)의 최대 날개 두께(W2)는 서로 어긋나게 되어 있다. 또한 날개 유효부(34a)의 최대 날개 두께(W2)로 각각의 캠버선(CL1, CL2)을 일치시킨 돌출 날개부(35a, 35b) 및 날개 유효부(34a)의 횡단면 형상은 후연(34f)을 향해서 복면측(36a)의 윤곽선(36b)과 배면측(37a)의 윤곽선(37b)을 일치시키고 있다.
한편 돌출 날개부(35a, 35b)의 축선(YA, YB)은 날개 유효부(34a)의 전연(34e)에 대해 각각 경사각도(Ah, Ac)만큼 어긋나도록 형성되어 있다. 또 돌출 날개부(35a, 35b)의 경사진 축선(YA, YB)은 날개 유효부(34a)의 전 날개 길이(LO)에 대해 각각 높이(Lh, Lc)가 되도록 형성되어 있다.
축선(YA, YB)의 경사각도(Ah, Ac)는 다 같이 다음 수학식1의 범위로 설정된다.
축선(YA, YB)의 경사각도(Ah, Ac)의 각각의 범위는 주류(F)의 실속을 충분히 고려하여 설정한 것이다.
일반적으로 주류(F)는 도 2에 나타낸 바와 같이 좌표축(X)에 대해 날개 입구각(β)의 날개 입구선(F1)(캠버선(CL1, CL2)의 접선)과 일치시키는 것이 이상적이지만, 실제로는 좌표축(X)에 대해 유입각(σ)으로 날개열에 유입하는 경우가 많다. 이 경우에 날개 입구각(β)과 유입각(σ)간의 차를 인시던스(i)(영입각)라 하고, 이 인시던스(i)가 복면측(36a)을 향해서 실속을 일으키는 것을 정의 실속이라 한다.
주류(F)가 정의 실속을 일으키느냐의 여부는 오로지 인시던스(i)의 대소에 관련된다. 이 때문에 인시던스(i), 직접적으로는 유입각(σ)을 미리 실험으로 구해 두고, 실험에서 구한 유입각(σ)이 도 4에 나타낸 바와 같이 날개열손실특성(L)의 최소치(ωmin)의 교점(M)으로부터 날개열손실치(2ωmin)의 교점(N)까지의 정의 실속마진 범위내에 있으면 정의 실 속의 위험성을 피할 수가 있다.
이와 같이 축선(YA, YB)의 경사각도(Ah, Ac)의 각각은 주류(F)의 실속 위험성을 확실하게 피할 수 있기 때문에, 도 4에 나타낸 정의 실속마진 범위내에 들어가도록 15˚∼45˚의 범위로 설정한 것이다. 따라서 이 범위를 일탈하면 실 속의 우려가 있다.
또 축선(YA, YB)의 각각의 높이(Lh, Lc)는 날개 유효부(34a)의 전 날개 길이(Lo)에 대해 다음 수학식2의 범위내로 설정한다.
이 관계식은 축선(YA, YB)의 경사각도(Ah, Ac)가 주류(F)의 실속 위험성을 확실하게 피하기 때문에, 정의 실속마진 범위내로 들어가도록 설정한 15˚∼45˚의 범위의 관계로부터 설정한 것이다. 이 범위를 일탈하면 실속의 우려가 있다.
여기서 축선(YA, YB)의 각각의 경사각도(Ah, Ac)를 15˚∼45˚로 설정하고, 돌출 날개부(35a, 35b)의 각각의 날개 길이비(Lh/Lo, Lc/Lo)를 상기 식의 범위로 설정한 경우에, 돌출 날개부(35a, 35b)가 존재하지 않는 경우의 종래의 날개열손실치 1.0을 기준으로 비교하면, 도 5에 나타낸 바와 같이 돌출 날개부(35a, 35b)의 각각의 날개 길이비(Lh/Lo, Lc/Lo)의 범위 1/6∼2/6은 다 같이 종래의 비교기준치 1.0보다 낮다는 것이 실험에 의해 확인되어서, 좋은 결과를 얻고 있다.
다음에 작용을 설명한다.
주류(F)가 압력(정압)(PO)으로 날개열에 유입할 경우에는 날개열간의 유로는 유한으로 되어 있기 때문에 그 속도는 증가하고 압력(PO)은 낮아진다. 이 때문에 날개 유효부(34a)의 날개 길이 중심선(X3)을 따라 흐르는 주류(F)의 압력분포특성(PA)과 돌출 날개부(35a, 35b)의 각각의 날개 길이 중심선(X4, X4)를 따라 흐르는 주류(F)의 압력분포특성(PB)은 도 3의 실선과 파선으로 나타낸 바와 같이 날개열 최소 통로부의 압력(P1)까지 저하하고, 이 압력(P1)으로부터 후연(34f)을 향해서 서서히 압력이 회복하도록 되어 있다. 이 경우에 주류(F)는 우선 돌출 날개부(35a, 35b)의 각각의 점(S1, S1)에 유입하고, 다음에 날개 유효부(34a)의 점(S2)에 유입하므로, 전연(34e)의 선상의 점(S2)과 점(S3, S3) 사이에 압력차가 생기게 되고, 이 압력차에 의해 압압력(PF)이 발생한다. 이 압압력(PF)은 날개 유효부(34a)의 날개 길이 중심선(X3)으로부터 루트부(34b) 및 칩부(34c)를 향해 작용하므로, 도 14에 나타낸 배면측 말굽형 소용돌이(25a, 25b)를 억제할 수가 있다. 그리고 도 3중의 돌출 날개부(35a, 35b)의 각각의 날개 길이 중심선(X4, X4) 및 날개 유효부(34a)의 날개 길이 중심선(X3)을 통과하는 주류(F)는 압력(P1)을 넘으면 압력이 회복하고, 후연(34f)의 점(S4, S5, S5)에서 다시 일치하게 된다.
또 본 실시형태는 도 2에 나타낸 바와 같이 날개 유효부(34a)의 최대 날개 두께(W2)와 돌출 날개부(35a, 35b)의 각각의 최대 날개 두께(W1)를 일치시킴으로써 한쪽 날개의 복면측과 다른 쪽 인접한 날개의 배면측간의 압력차를 도 17에 나타낸 종래기술의 압력차[S10(S20-S30]보다 낮게 되도록 형성하고 있으므로, 한쪽 날개의 복면측으로부터 다른 쪽 날개의 배면측을 향해서 복면측 말굽형 소용돌이로부터 성장한 유로 소용돌이가 흘러와도 상술한 압압력(PF)에 의해 낮게 억제할 수가 있다.
이와 같이 본 실시형태에서는 기준 날개소자(34d)를 스태거선(X2)상을 따라 겹쳐 쌓고, 또한 주류(F)측을 향해 전진시켜 돌출 날개부(35a, 35b)와 날개 유효부(34a)를 갖춘 날개(34)를 형성하여, 날개 유효부(34a)의 중심으로부터 루트부(34b) 및 칩부(34c)를 향하는 압압력(PF)을 발생시키므로 배면측 말굽형 소용돌이를 억제할 수가 있다.
또 본 실시형태에서는 돌출 날개부(35a, 35b)와 날개 유효부(34a)의 최대 날개 두께(W1, W2)를 서로 일치시킴으로써 한쪽 날개의 복면측과 다른 쪽의 인접한 날개의 배면측간의 압력차를 종래보다 낮게 하고 있으므로, 한쪽 날개의 복면측으로부터 다른 쪽의 인접한 날개의 배면측을 향하는 유로 소용돌이를 상술한 압압력(PF)으로 낮게 억제할 수가 있다.
또 돌출 날개부(35a, 35b)의 각각의 축선(YA, YB)의 경사각도(Ah, Ac) 및 축선(YA, YB)의 각각의 높이(Lh, Lc)를 주류가 실속하지 않는 범위로 설정하고 있으므로, 부분부하운전과 같이 주류(F)의 유량이 비교적 적어져도 안전한 운전을 할 수가 있다.
도 6은 본 발명에 의한 축류유체기계용 날개의 제1실시형태의 제1실시예를 나타낸 설명도이다.
도 6에 나타낸 실시예는 축류증기터빈 날개에 적용한 것이지만, 날개 두께만이 제1실시형태와 상이할 뿐이고 다른 구성은 실질적으로 다르지 않으므로 동일 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
본 실시예도 날개 유효부(34a)의 날개 길이 중심선(X3)으로부터 루트부(34b) 및 칩부(34c)를 향해서 압압력(PF)을 발생시킬 수 있으므로, 제1실시형태와 마찬가지로 배면측 말굽형 소용돌이를 억제할 수가 있다.
또 본 실시예도 날개 유효부(34a)의 최대 날개 두께(W2)와 돌출 날개부(35a, 35b)의 각각의 최대 날개 두께(W1)를 서로 일치시키고 있으므로, 제1실시형태와 마찬가지로 유로 소용돌이를 상술한 압압력(PF)으로 억제할 수가 있다.
도 7은 본 발명에 의한 축류유체기계용 날개를 축류공기압축기 및 축류증기터빈에 적용한 제2실시형태를 개략적으로 나타낸 사시도이다, 그리고 도 7에 나타낸 프로파일은 축류공기압축기용 날개를 일례로 든 것이다. 또 제1실시형태의 구성부품과 동일 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 중복 설명을 생략하며, 다른 점만 설명한다.
본 실시형태는 제1실시형태에 의한 돌출 날개부(35a, 35b)에 추가해서 주류(F)의 후류측을 향해서 날개 유효부(34a)의 후연(34f)과 연속해서 일체로 형성하는 돌출 날개부(38a, 38b)를 각각 설치한 것이다.
돌출 날개부(38a, 38b)는 날개 유효부(34a)의 루트부(34b) 및 칩부(34c)의 각각으로부터 주류(F)의 후류측을 향해서 뻗는 축 기선(XA1, XB1)과 축 기선(XA1, XB1)의 단부로부터 날개 유효부(34a)의 후연(34f)에 접속하는 아크형상의 만곡면을 갖춘 축선(YA1, YB1)으로 형성한다.
또 돌출 날개부(38a, 38b)는 축선(YA1, YB1)의 각각과 날개 유효부(34a)의 후연(34f)간의 교점(ZA1, ZB1)을 필릿형상으로 형성하여 접속하도록 되어 있다.
또 날개 유효부(34a)의 후연(34f)으로부터 연속해서 일체가 되어 팽출한 돌출 날개부(38a, 38b)의 횡단면과 날개 유효부(34a)만의 횡단면은 도 8에 나타낸 바와 같이, 주류(F)의 유입각이 돌출 날개부(35a, 35b) 및 날개 유효부(34a)의 각각에 대해 동일하게 되도록 돌출 날개부(35a, 35b)의 캠버선(CL1)과 날개 유효부(34a)의 캠버선(CL2)를 어긋나게 하여, 날개 유효부(34a)의 최대 날개 두께(W2)로 서로 일치시키도록 형성되어 있다. 이 때문에 돌출 날개부(35a, 35b)의 최대 날개 두께(W1)와 날개 유효부(34a)의 최대 날개 두께(W2)는 어긋나도록 되어 있다. 또한 날개 유효부(34a)의 최대 날개 두께(W2)로 일치시킨 돌출 날개부(35a, 35b)의 캠버선(CL1)과 날개 유효부(34a)의 캠버선(CL2)은 각각의 후연(34f1, 34f2)을 향함에 따라 어긋나도록 되어 있다.
한편 돌출 날개부(38a, 38b)의 축선(YA1, YB1)의 각각은 날개 유효부(34a)의 후연(34f)에 대해 각각의 경사각도(Aht, Act)만큼 어긋나도록 형성되어 있다. 또 돌출 날개부(38a, 38b)가 경사한 축선(YA1, YB1)의 각각은 날개 유효부(34a)의 전 날개 길이(Lo)에 대해 각각 높이(Lht, Lct)가 되도록 형성되어 있다.
경사각도(Aht, Act) 및 높이(Lht, Lct)의 각각은 다음 수학식3의 범위내로 설정한다.
1/6 ≤ Lht/Lo,Lct/Lo≤ 2/6
경사각도(Aht, Act) 및 높이(Lht, Lct)의 각각을 상기 식의 범위내로 설정한 경우에는 날개 유효부(34a)의 날개 길이 중심선(X3)을 따라 흐르는 주류(F)의 압력분포특성(FA)은 도 9의 파선으로 나타낸 바와 같이 날개 유효부(34a)의 점(S21)에 압력(PO)으로 유입한 주류(F)가 날개열 최소통로에 도달하면 압력(P1)까지 내려가고, 그 후에 압력이 서서히 회복하여 후연(34f)의 점(S41)에 도달하면 원래의 압력(FO)을 회복하도록 되어 있다.
한편 돌출 날개부(35a, 35b, 38a, 38b)의 날개 길이 중심선(X4, X4)의 각각을 따라 흐르는 주류(F)의 압력분포특성(PB)은 도 9의 실선으로 나타낸 바와 같이 돌출 날개부(35a, 35b)의 각각의 점(S11, S11)에 압력(P0)으로 유입한 주류(F)가 날개열 최소통로에 도달하면 압력(P1)까지 내려가고, 그 후에 압력이 회복하여 돌출 날개부(38a, 38b)의 각각에 도달하면 원래의 압력(P0)을 회복하도록 되어 있다. 이 경우에 점(S21)과 점(S31, S31) 및 점(S41)과 점(S51, S51)과의 각각에는 압력차가 있으며, 이 압력차가 날개 유효부(34a)의 중앙부로부터 전연(34e)의 루트부(34b), 칩부(34c) 및 후연(34f)의 루트부(34b), 칩부(34c)의 각각을 향해서 압압력(PF, PF)로서 주어진다.
이와 같이 본 실시형태에서는 전연(34e)측 및 후연(34f)측의 각각에 돌출 날개부(35a, 35b, 38a, 38b)를 날개 유효부(34a)에 연속해서 일체로 형성하고 2종의 압압력(PF, PF)을 날개 유효부(34a)의 중앙으로부터 루트부(34b) 및 칩부(34c)의 각각에 발생시키도록 하였으므로, 날개의 배면측을 따라 흐르는 배면측 말굽형 소용돌이 및 한쪽 날개의 복면측으로부터 다른 쪽의 인접한 날개의 배면측을 향해서 흐르는 유로 소용돌이를 확실하게 억제할 수가 있다. 그리고 본 실시형태는 축류공기압축기용 날개를 일례로 들어 설명하였으나, 증기터빈용 날개에도 적용할 수가 있다.
또한 본 실시형태에서는 날개 유효부(34a)의 전연(34e)에 있는 루트부(34b) 및 칩부(34c)의 각각에 돌출 날개부(35a, 35b)를 설치한 한편, 후연(34f)에 있는 루트부(34b) 및 칩부(34c)의 각각에도 돌출 날개부(38a, 38b)를 설치한 것을 설명하였으나, 이 실시형태에 한정하지 않고 도 10에 나타낸 바와 같이, 날개 유효부(34a)의 전연(34e)에 있는 루트부(34b)측에 돌출 날개부(35a)를 설치하여도 좋으며, 또 도 11에 나타낸 바와 같이 날개 유효부(34a)의 전연(34e)에 있는 루트부(34e)측 및 후연(34f)에 있는 루트부(34b)측의 각각에 돌출 날개부(35a, 38a)를 설치하여도 좋다. 특히 압압력(PF)이 회전중의 날개(34)에 발생하는 원심력을 억제하므로, 축류공기압축기 및 축류증기터빈의 동익에 적용하는 경우에 효과적이다.
도 12는 본 발명에 의한 축류유체기계용 날개의 제3실시형태를 나타낸 개략도이다. 그리고 제1실시형태의 구성부분과 동일 부분에는 동일 부호를 붙인다.
본 실시형태는 날개 유효부(34a)를 루트 날개부(39), 중간 날개부(40), 칩 날개부(41)로 구분하고, 각 날개부(39, 40, 41)를 연속해서 일체로 형성함과 동시에, 루트 날개부(39) 및 칩 날개부(40)의 가상 파선으로 나타낸 기준 날개소자(39g)의 각각을 중간 날개부(40)에서의 가상 파선으로 나타낸 기준 날개소자(39g)의 전연(34e)으로부터 주류(F)를 향해서 전진시킨 것이다. 이 경우에 루트 날개부(39)의 횡단면 중심(관성주축)을 통과하는 축선(I) 및 칩 날개부(41)의 횡단면 중심(관성주축)을 통과하는 축선(K)의 각각은 중간 날개부(40)의 횡단면 중심(관성주축)을 통과하는 축선(J)에 대해 경사각도(Ah1, Ac1)만큼 어긋나도록 형성되어 있다. 또 루트 날개부(39)의 횡단면 중심을 통과하는 축선(I) 및 칩 날개부(41)의 횡단면 중심을 통과하는 축선(K)은 날개 유효부(34a)의 전 날개 길이(L1)에 대해 각각의 높이(Lh1, Lc1)가 되도록 형성되어 있다.
횡단면 중심을 통과하는 축선(I, K)의 경사각도(Ah1, Ac1)의 각각은 다 같이 다음 수학식4의 범위로 설정한다.
이 설정범위는 제1실시형태와 마찬가지로 주류(F)의 실속을 충분히 고려한 것으로서, 이 범위를 일탈하면 실속의 우려가 있다.
또 횡단면 중심을 통과하는 축선(I, K)의 각각의 높이(Lh1, Lc1)는 날개 유효부(34a)의 전 날개 길이(L1)에 대해 다음 수학식5의 범위내로 설정한다.
이 관계식은 횡단면 중심을 통과하는 축선(I, K)의 각각의 경사각도(Ah1, Ac1)가 주류(F)의 실속 위험성을 확실하게 피하기 위해 정의 실속마진 범위에 들어가도록 설정한 15˚∼45˚의 범위의 관계로부터 설정한 것이다.
한편 중간 날개부(40)의 전연(34e)로부터 연속해서 일체로 돌출한 루트 날개부(39)의 횡단면 및 칩 날개부(41)의 횡단면의 각각과 중간 날개부(40)만의 횡단면과는 도 13에 나타낸 바와 같이 주류(F)의 유입각이 루트 날개부(39), 칩 날개부(41) 및 중간 날개부(40)의 각각에 대해 동일하게 되도록 루트 날개부(39), 칩 날개부(41)의 캠버선(CL11)과 중간 날개부(40)의 캠버선(CL21)을 어긋나게 하여, 중간 날개부(40)의 최대 날개 두께(W21)로 서로 일치시키도록 형성되어 있다. 이 때문에 루트 날개부(39), 칩 날개부(41)의 최대 날개 두께(W11)와 중간 날개부(40)의 최대 날개 두께(W21)는 어긋나게 되어 있다.
이와 같이 본 실시형태는 날개 유효부(34a)를 루트 날개부(39), 중간 날개부(40), 칩 날개부(41)로 각각 구분하고, 루트 날개부(39), 칩 날개부(41)의 각각을 중간 날개부(40)의 전연(34e)으로부터 주류(F)를 향해서 전진시키므로, 제1실시형태와 마찬가지로 중간 날개부(40)로부터 루트 날개부(39)의 루트부(34b) 및 칩 날개부(41)의 칩부(34c)의 각각을 향해 압압력(PF)을 발생시킬 수가 있다.
따라서 본 실시형태에서는 중간 날개부(40)로부터 루트 날개부(39)의 루트부(34b) 및 칩 날개부(41)의 칩부(34c)의 각각을 향해 압압력(PF)을 발생시킬 수 있으므로, 배면측 말굽형 소용돌이 및 유로 소용돌이를 억제할 수가 있다. 그리고 본 실시형태는 압압력(PF)이 배면측 말굽형 소용돌이에 의한 경계층 박리위치에서 보다 많이 발생하므로, 축류공기압축기의 정익, 동익에 적용하면 효과적이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 축류유체기계용 날개는 날개 유효부의 전연에 연속해서 일체로 형성한 돌출 날개부를 루트측 및 칩부측중의 적어도 한쪽에 갖추고, 날개 유효부의 중앙으로부터 루트부 및 칩부중의 적어도 한쪽을 향해서 압압력을 발생시킴과 동시에, 날개 유효부의 최대 날개 두께와 돌출 날개부의 최대 날개 두께와의 날개 두께를 서로 일치히키고, 한쪽 날개의 복면측과 다른 쪽의 인접한 날개의 배면측간의 압력차를 낮게 억제하도록 하였으므로, 배면측 말굽형 소용돌이 및 유로 소용돌이를 억제할 수 있어서, 종래보다도 높은 날개열효율의 축류유체기계용 날개를 실현할 수가 있다.
또 본 발명에 의한 축류유체기계용 날개는 날개 유효부의 전연 및 후연의 각각에 연속해서 일체로 형성한 돌출 날개부를 루트부측 및 칩부측중의 적어도 한쪽에 갖추며, 날개 유효부의 중앙으로부터 전연의 루트부측, 칩부측 및 후연의 루트부측, 칩부측의 각각에 2중의 압압력을 발생시키므로, 배면측 말굽형 소용돌이 및 유로 소용돌이를 확실하게 억제할 수가 있다.
또 본 발명에 의한 축류유체기계용 날개는 날개 유효부를 루트 날개부, 중간 날개부, 칩 날개부로 구분하고, 루트 날개부 및 칩 날개부의 각각을 중간 날개부의 전연에 대해 연속해서 일체가 되도록 팽출시켜서 중간 날개부로부터 루트 날개부의 루트부 및 칩 날개부의 칩부를 향해서 압압력을 발생시킴과 동시에, 중간 날개부의 최대 날개 두께와 루트 날개부 및 칩 날개부의 각각의 최대 날개 두께의 날개 두께를 서로 일치시켜서, 한쪽 날개의 복면측과 다른 쪽의 인접하는 날개의 배면측간의 압력차를 낮게 억제하도록 하였으므로, 배면측 말굽형 소용돌이 및 유로 소용돌이를 억제할 수가 있다.
Claims (9)
- 날개 유효부의 루트부 및 칩부중의 적어도 한쪽으로부터 상류측을 향해서 뻗는 축 기선과, 이 축 기선의 단부로부터 상기 날개 유효부의 전연을 향해서 경사져서 뻗는 축선으로 형성된 돌출날개부를 상기 전연에 연속해서 일체로 설치함과 동시에, 상기 날개 유효부의 최대 날개 두께와 상기 돌출 날개부의 최대 날개 두께를 동일 날개 두께로 형성한 것을 특징으로 한 축류유체기계용 날개.
- 제1항에 있어서, 날개 유효부의 전연을 향해서 경사져서 뻗는 축선은 날개 유효부의 전연에 대한 경사각도를 15˚∼45˚의 범위로 설정한 것을 특징으로 한 축류유체기계용 날개.
- 제1항에 있어서, 날개 유효부의 전연을 향해서 경사져서 뻗는 축선의 높이는 날개 유효부의 전 날개 길이에 대하여 1/6∼2/6의 범위로 설정한 것을 특징으로 한 축류유체기계용 날개.
- 날개 유효부의 루트부 및 칩부중의 적어도 한쪽으로부터 상류측으로 뻗는 축 기선과, 이 축 기선의 단부로부터 상기 날개 유효부의 전연을 향해서 경사져서 뻗는 축 기선으로 형성된 돌출날개부를 상기 전연에 연속해서 일체로 설치하는 한편, 상기 날개 유효부의 루트부 및 칩부중의 적어도 한쪽으로부터 하류측으로 뻗는 축 기선과, 이 축 기선의 단부로부터 상기 날개 유효부의 후연을 향해서 경사져서 뻗는 축선으로 형성된 돌출 날개부를 상기 후연에 연속해서 일체로 설치함과 동시에, 상기 날개 유효부의 최대 날개 두께와 상기 전연에 성치한 상기 돌출 날개부 및 상기 후연에 설치한 돌출 날개부의 각각의 최대 날개 두께를 동일 날개 두께로 형성한 것을 특징으로 한 축류유체기계용 날개.
- 제4항에 있어서, 날개 유효부의 후연을 향해서 경사져서 뻗는 축선은 날개 유효부의 후연에 대한 경사각도를 15˚∼45˚의 범위로 설정한 것을 특징으로 한 축류유체기계용 날개.
- 제4항에 있어서, 날개 유효부의 후연을 향해서 경사져서 뻗는 축선의 높이는 날개 유효부의 전 날개 길이에 대하여 1/6∼2/6의 범위로 설정한 것을 특징으로 한 축류유체기계용 날개.
- 날개 유효부에 구분된 루트 날개부, 중간 날개부, 칩 날개부를 연속해서 일체로 형성하고, 루트 날개부의 횡단면 중심을 통과하는 축선 및 칩 날개부의 횡단면 중심을 통과하는 축선의 각각이 상기 중간 날개부의 횡단면 중심을 통과하는 축선에 대해 상류측을 향해서 경사져서 형성됨과 동시에, 상기 루트 날개부 및 칩 날개부의 각각의 최대 날개 두께와 상기 중간 날개부의 최대 날개 두께를 동일 날개 두께로 형성한 것을 특징으로 한 축류유체기계용 날개.
- 제7항에 있어서, 루트 날개부의 횡단면 중심을 통과하는 축선 및 칩 날개부의 횡단면 중심을 통과하는 축선의 각각은 중간 날개부의 횡단면 중심을 통과하는 축선에 대한 경사각도를 15˚∼45˚의 범위로 설정한 것을 특징으로 한 축류유체기계용 날개.
- 제7항에 있어서, 루트 날개부의 횡단면 중심을 통과하는 축선의 높이 및 칩 날개부의 횡단면 중심을 통과하는 축선의 높이의 각각은 날개 유효부의 전 날개 길이에 대하여 1/6∼2/6의 범위로 설정한 것을 특징으로 한 축류유체기계용 날개.
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