KR20000035199A - 축류 터어빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은, 효율이 개선된 축류 터어빈을 제공하며, 또한 조립 가능성 및 해체 가능성도 확대시키는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 노즐링(15)의 외부링(12)과 커버(8) 사이에 있는 주형 시임(17)이 축방향 갭(18)내에서 갭 폭(19)의 절반으로 나누어 진행되는 가상 평면(20) 중에서 가동 블레이드측에 배치됨으로써 달성된다.

Description

축류 터어빈 {AXIAL FLOW TURBINE}
본 발명은, 다수의 가동 블레이드를 지지하는 회전자, 유동 방향으로 가동 블레이드 위에 배치되고 외부링, 내부링 및 그 사이에 배치된 다수의 가이드 블레이드로 이루어진 노즐링, 가동 블레이드와 가이드 블레이드 사이에 형성되고 갭 폭을 갖는 축방향 갭, 및 가동 블레이드를 외부로 제한하는 커버를 포함하며, 노즐링의 외부링과 커버 사이에서 주형 시임이 형성되도록 구성된 축류 터어빈에 관한 것이다.
터어보 기계의 축류 터어빈의 주요 부품들은 가동 블레이드를 갖는 회전자, 노즐링 및 가동 블레이드용 커버이다. 불가피한 제조 허용 오차 및 조립 허용 오차로 인해 상기 방식의 축류 터빈의 유동 채널내에서는, 결과적으로 효율의 감소를 야기하는 불연속성(discontinuity)이 나타난다.
EP 806 547 A1호에는, 축류 터빈과 결합된 내연 기관의 작동시 상당히 높은 온도에 노출되는 폐가스 터어보 과급기의 축류 터어빈이 공지되어 있다. 상기 터어빈에 의해서는, 예를 들어 가스 유입 하우징, 노즐링, 커버 및 가스 배출 하우징과 같은 터어빈측 구성 부품내에서 큰 열응력이 형성된다. 상기 부품들이 내연 기관에 대해 각각 다른 간격을 가지며, 또한 상이한 재료들이 사용되기 때문에, 그에 상응하게 구성 부품의 온도 또한 상이하다. 그 결과 나사의 파괴, 가스의 누출 및 부품의 균열을 야기할 수 있는, 개별 부품 사이의 상대 운동에 의한 상이한 열팽창이 야기된다. 따라서, 가스 유입 하우징, 가스 배출 하우징, 노즐링 및 커버의 분리 장소를 형성하고 배치하는 것은 축류 터어빈의 기능 및 그에 따라 폐가스 터어보 과급기의 기능을 위해 중요한 역할을 한다.
열팽창과 관련하여 특히 중요한 것은, 축류 터어빈의 고정된 하우징부와 회전하는 가동 블레이드 사이에 배치된 주조된 노즐링이다. EP 806 548 A1호에는 노즐링을 간단하고 확실하게 고정하는 해결책이 공지되어 있다. 이 목적을 위해 노즐링의 외부링은 커버에 접하고, 상기 노즐링의 내부링은 가스 유입 하우징에 접한다. 외부링과 가스 유입 하우징 사이에서는, 상기 외부링과 가스 배출 하우징 사이에서 축방향으로 또는 방사 방향으로 팽창되는 팽창 갭이 형성된다.
그러나, 전술한 제조 허용 오차 및 조립 허용 오차 이외에 또한 열팽창이 원인이 되어 특히 노즐링의 외부링으로부터 커버로 변환되는 영역에서 불연속성이 나타나는 경우에도 효율의 상응하는 악화가 예측될 수 있다고 나타났다.
Dejc ＆ Trojanovskij의 "축방향 터어빈단의 연구 및 개발", VEB 출판사, 베를린, 1973, Page 452 (그림 7,32,II)에는 또한, 터어빈 블레이드의 방사형 유격에 의해 야기되는 갭 손실을 감소시키기 위한 장치가 공지되어 있다. 이 목적을 위해 가동 블레이드는 노즐링내에 집중된 가이드 블레이드에 대해 단계적으로 배치되며, 포지티브한 오버래핑부 (overlapping portion) 를 갖는다. 즉, 가동 블레이드의 영역에서는 커버의 내부 윤곽이 가이드 블레이드의 영역에서보다 방사형으로 더 외부에 배치되어 있다.
그러나 상기 방식의 구성은 해체시에, 축류 터어빈이 다만 노즐링에 대해 반대 방향으로만 이동될 수 있고 양방향으로는 이동될 수 없다는 단점을 갖는다.
본 발명의 목적은, 전술한 모든 단점들을 제거하는 동시에 효율이 개선된 축류 터어빈을 제공하는 것이다. 또한 조립 가능성 및 해체 가능성도 확대되어야 한다.
도 1은 선행 기술에 따른 축류 터어빈의 부분 종단면도.
도 2는 본 발명에 따라 형성된 도 1의 노즐링을 절단하여 도시한 확대 절단면도.
도 3은 도 2에 따른 도면이지만, 제 2실시예.
도 4는 가동 블레이드를 도 3의 선 IV-IV를 따라 절단한 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 가스 유입 하우징 2 : 가스 배출 하우징
3 : 터어빈 하우징 4 : 연결 부재, 나사
5 : 샤프트 6 : 회전자
7 : 가동 블레이드 8 : 커버, 디퓨저
9 : 플랜지 10 : 나사
11 : 유동 채널 12 : 외부링
13 : 내부링 14 : 가이드 블레이드
15 : 노즐링 16 : 위치 설정 부재, 핀
17 : 주형 시임 18 : 축방향 갭
19 : 갭 폭 20 : 평면, 절반 갭 폭
21 : 커버의 내부 윤곽 22 : 외부링의 내부 윤곽
23 : 블레이드 프로파일 24 : 압력측
25 : 흡인측 26 : 블레이드 첨두
27 : 콘솔 28 : 돌출부
29 : 방사형 갭
상기 목적은 본 발명에 따라, 노즐리의 외부링과 커버 사이에 있는 주형 시임이 축방향 갭내에서 갭 폭의 절반으로 나누어 진행되는 가상 평면 중에서 가동 블레이드측에 배치되는 것을 특징으로 하는 축류 터어빈에 의해 달성된다.
그럼으로써 노즐링의 외부링이 가동 블레이드의 방향으로 연장되고, 그 결과 유동 채널은 축방향 갭의 갭 폭의 대부분에 걸쳐서 불균일성을 갖지 않게 된다. 그에 의해 축류 터어빈의 유동비 및 효율의 개선이 달성될 수 있다.
특히 바람직한 것은, 유동 방향으로 가동 블레이드의 바로 위에 외부링 및 커버의 주형 시임이 배치되는 것이다. 이 경우에는 축방향 갭의 거의 전체 갭 폭이 불균일성 없이 형성됨으로써, 축류 터어빈의 효율이 더욱 상승될 수 있다.
추가로 커버의 내부 윤곽이 외부링의 내부 윤곽 외부에 방사형으로 배치되면 특히 바람직하다. 이 경우에는 소위 포지티브 블레이드 오버래핑에 의해 하나의 계단이 형성되는데, 이 계단은 가동 블레이드의 유동 방향 위쪽 영역에서 가동 블레이드의 과류를 감소시키며, 확실하게 감소된 불연속성과 함께 효율의 초과 비례적인(superproportional) 상승을 야기할 수 있다.
유동 방향으로 가동 블레이드 바로 위에 외부링 및 커버의 주형 시임이 배치됨으로써, 가이드 블레이드 영역에서는 커버에 의한 방사 방향 내부로의 가동 블레이드의 오버래핑이 필요치 않게 된다. 상기 오버래핑 및 그와 함께 필요한 계단의 역할은 이제부터 노즐링의 외부링이 담당하게 되며, 상기 외부링은 가동 블레이드 커버의 내부 윤곽 위로 방사 방향 내부로 돌출한다. 상기와 같은 바람직한 블레이드 오버래핑을 사용함에도 불구하고 노즐링을 제거한 후에는 축류 터빈이 양측면에서 해체될 수 있는데, 이것은 지금까지 불가능했던 것이다.
적어도 압력측에서 블레이드 프로파일 위로 돌출하는 콘솔이 블레이드 첨두에 배치되는 방식으로, 압력측, 흡인측 및 블레이드 첨두가 형성된 개별 가동 블레이드의 블레이드 프로파일이 형성되는 것도 또한 바람직하다. 콘솔 영역에서 형성되는 와류에 의해서는, 효율에 불리하게 작용하는 블레이드 첨두의 과류가 확실하게 감소될 수 있다.
마지막으로, 블레이드 첨두에는 바람직하게 커버의 방향으로 콘솔 위로 돌출하는 돌출부가 배치된다. 상기 돌출부는 가동 블레이드와 커버 사이에 형성된 방사형 갭의 갭 손실을 감소시킨다.
본 발명의 실시예는 도면에서 폐가스 터어보 과급기를 참조하여 도시된다.
도 1에 선행 기술로서 도시된 폐가스 터어보 과급기의 축류 터어빈은 가스 유입 하우징 및 가스 배출 하우징(1, 2)에 의해 형성된 터어빈 하우징(3)을 포함하며, 이 하우징은 나사로 형성된 연결 부재(4)에 의해 결합된다. 터어빈 하우징(3)내에는 샤프트(5)에 의해 지지되는, 가동 블레이드(7)를 갖는 회전자(6)가 배치된다. 회전자(6)는 디퓨저(diffuser)로 형성된 덮개(8)에 의해 외부로 제한되며, 상기 덮개는 플랜지(9) 및 나사(10)에 의해 가스 배출 하우징(2)에 고정된다. 회전자(6)와 터어빈 하우징(3) 사이에는 유동 채널(11)이 형성되며, 이 채널은 폐가스 터어보 과급기와 연결된 도시되지 않은 디젤 엔진의 폐가스를 흡수하여 회전자(6)의 가동 블레이드(7)에 전달한다. 물론, 다른 내연 기관도 폐가스 터어보 과급기와 연결될 수 있다.
유동 방향으로 가동 블레이드(7) 위의 유동 채널(11)내에는 외부링(12), 내부링(13) 및 그 사이에 형성된 다수의 가동 블레이드(14)로 이루어진, 캐스팅부로 형성된 노즐링(15)이 배치되어 있다. 상기 노즐링은 커버(8)와 가스 유입 하우징(1) 사이에서 축을 따라 변형되고, 가스 배출 하우징(2) 내부에 방사형으로 배치된다. 이러한 배치를 위해 노즐링(15)의 외부링(12)은 커버(8)에 접하고, 내부링(13)은 가스 유입 하우징(1)에 접한다. 내부링(13)은 핀으로 형성된 다수의 위치 설정 부재(16)에 의해 가스 유입 하우징(1)에서 비틀리지 않게 지지된다. 노즐링(15)의 외부링(12)과 커버(8) 사이에는 주형 시임(17)(mould seam)이 형성되어 있다(도 1). 물론 노즐링(15)은 예를 들어 판금 프로파일 혹은 강철 프로파일과 같은 다른 재료로도 제조될 수 있거나 또는 세라믹으로 이루어질 수도 있다.
도 2에는 본 발명의 제 1 실시예를 보여주는 도 1의 확대 단면도가 도시되어 있다. 축류 터어빈의 가동 블레이드(7)와 가이드 블레이드(14) 사이에서는 임의의 갭 폭(19)을 갖는 축방향 갭(18)이 형성된다. 노즐링(15)의 외부링(12)과 커버(8) 사이의 주형 시임(17)은 축방향 갭(18)내에서 갭 폭(19)의 절반으로 나누어 진행되는 가상 평면(20) 중에서 가동 블레이드측에 배치된다. 유동 방향으로 가동 블레이드(7) 바로 위에 주형 시임(17)이 배치된 바람직한 배치예가 도시되어 있다.
디젤 엔진의 작동시에는 상기 엔진의 뜨거운 폐가스가 가스 배출 하우징(1) 및 상기 하우징 내부에 배치된 유동 채널(11)을 통해 축류 터어빈의 회전자(6)에 도달된다. 이 때 노즐링(15)의 과제는, 폐가스를 회전자(6)의 가동 블레이드(7)상에 최상으로 가이드하는 것이다. 이와 같은 방식으로 구동된 회전자(6)는 상기 회전자와 결합된 도시되지 않은 압축기를 구동시키는 역할을 한다. 압축기내에서 압축된 공기는 충전을 위해, 즉 디젤 엔진의 출력 상승을 위해 사용된다.
본 발명에 따라 주형 시임(17)을 유동 방향으로 볼 때 가동 블레이드(7) 및 그에 상응하게 연장된 외부링(12) 바로 위에 배치함으로써, 제조 허용 오차 및 조립 허용 오차에 의해 야기될 불연속성이 축방향 갭(18)의 거의 전체 영역에서 확실하게 감소된다. 따라서, 축류 터어빈 내부로 유입되는 폐가스가 전반적으로 방해를 받지 않으면서 노즐링(15)을 거쳐 가동 블레이드(7)까지 이를 수 있게 되며, 이것은 결국 효율의 상승을 가져온다.
제 2 실시예에서는 가동 블레이드(7)의 커버(8)뿐만 아니라 노즐 링(15)의 외부링(12)도 또한 내부 윤곽(21, 22)을 가지며, 이 때 커버(8)의 내부 윤곽(21)은 외부링(12)의 내부 윤곽(22) 외부에 방사형으로 배치된다(도 3). 그럼으로써, 가동 블레이드(7)의 유동 방향 위쪽에 있는 영역에서 가동 블레이드(7)의 과류를 감소시키는 소위 포지티브 블레이드 오버래핑을 위한 계단이 형성된다. 선행 기술에 공지된, 가이드 블레이드(14)의 영역에서 커버(8)에 의해 방사 방향 내부로 이루어지는 가동 블레이드(7) 오버래핑의 역할은 이제부터 노즐링(15)의 외부링(12)이 담당한다. 그렇기 때문에 축류 터어빈은, 상기와 같은 바람직한 블레이드 오버래핑의 사용에도 불구하고 노즐링(15)을 제거한 후에는 양측면에서 해체될 수 있으며, 이것은 지금까지 불가능했던 것이다.
도 3에는 또한, 압력측(24), 흡인측(25) 및 블레이드 첨두(26)를 갖는 가동 블레이드(7)의 블레이드 프로파일(23)이 도시되어 있다. 블레이드 첨두(26)에는 압력측에서 뿐만 아니라 흡인측에서도 블레이드 프로파일(23) 위로 돌출하는 콘솔(27) 및 커버(8)의 방향으로 상기 콘솔(27) 위로 돌출하는 돌출부(28)가 배치되어 있다(도 4).
콘솔(27)에 의해서는, 효율에 불리하게 작용하는 블레이드 첨두(26)의 과류가 확실하게 감소된다. 뿐만 아니라 상기 돌출부(28)는 가동 블레이드(7)와 커버(8) 사이에 형성된 방사형 갭(29)내에서 경우에 따라 나타날 수 있는 갭 손실을 감소시킨다.
본 발명에 따른 축류 터어빈에 의해서는, 전술한 모든 점들이 제거되는 동시에 효율이 개선되며, 또한 조립 가능성 및 해체 가능성도 확대되었다.

Claims (5)

  1. 다수의 가동 블레이드(7)를 지지하는 회전자(6), 유동 방향으로 가동 블레이드(7) 위에 배치되고 외부링(12), 내부링(13) 및 그 사이에 배치된 다수의 가이드 블레이드(14)로 이루어진 노즐링(15), 가동 블레이드(7)와 가이드 블레이드(14) 사이에 형성되고 갭 폭(19)을 갖는 축방향 갭(18), 및 가동 블레이드(7)를 외부로 제한하는 커버(8)를 포함하며,
    노즐링(15)의 외부링(12)과 커버(8) 사이에서 주형 시임(17)이 형성되도록 구성된 축류 터어빈에 있어서,
    외부링(12)과 커버(8) 사이에 있는 상기 주형 시임(17)이 축방향 갭(18)내에서 갭 폭(19)의 절반으로 나누어 진행되는 가상 평면(20) 중에서 가동 블레이드측에 배치되는 것을 특징으로 하는 축류 터어빈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    외부링(12)과 커버(8) 사이에 있는 상기 주형 시임(17)이 유동 방향으로 가동 블레이드(7) 바로 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 축류 터어빈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    커버(8) 뿐만 아니라 외부링(12)도 내부 윤곽(21, 22)을 가지며, 커버(8)의 내부 윤곽(21)은 외부링(12)의 내부 윤곽(22) 외부에 방사형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 축류 터어빈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    각각의 가동 블레이드(7)가 압력측(24), 흡인측(25) 및 블레이드 첨두(26)를 갖는 블레이드 프로파일(23)을 가지며, 상기 블레이드 첨두(26)에는 적어도 압력측에서 블레이드 프로파일(23) 위로 돌출하는 콘솔(27)이 배치되는 것을 특징으로 하는 축류 터어빈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    블레이드 첨두(26)에는 커버(8)의 방향으로 상기 콘솔(27) 위로 돌출하는 돌출부(28)가 배치되는 것을 특징으로 하는 축류 터어빈.
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