KR20000067727A - 날개 입구 재순환류 및 날개 선회 실속을 억제한 터보 기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우측 상승 특성이 없는 양정 - 유량 특성을 지닐 뿐만 아니라, 효율 저하를 억제하는 것이 가능한 날개 입구 재순환류 및 날개 선회 실속을 억제한 터보 기계의 제공을 목적으로 한다.

펌프 케이싱(121) 내면의 날개의 존재 영역 내의 하류측 종단부 위치(a)와 날개 입구측의 저유량시 재순환류 발생 장소인 상류측 종단부 위치(b)를 잇는 유로(124)를 유체가 하류측 종단부 위치로부터 상류측 종단부 위치를 향해 역류하고, 저유량시 재순환류 발생 장소에서 분출하여 재순환류 및 날개 선회 실속의 발생을 방지한다.

Description

날개 입구 재순환류 및 날개 선회 실속을 억제한 터보 기계{TURBOMACHINE FOR SUPPRESSING A RECYCLING FLOW OF VANE INLET AND A VANE ROTATING STALL}

본 발명은 터보 기계에 관한 것으로, 특히 형식 및 유체에 관계없이 날개 입구 재순환류 및 날개 선회 실속을 억제함으로써 유동 불안정성을 방지하는 것이 가능한 터보 기계에 관한 것이다.

터보 기계로 총칭되는 회전 기계는 취급하는 유체 및 형식에 의해 이하와 같이 분류 가능하다.

1. 취급 유체

액체, 기체

2. 형식

축류, 사류, 원심

도1은 운전이 용이하기 때문에 현재 주로 사용되고 있는 사류 펌프의 단면도로서, 상류로부터 하류를 향해 흡입 케이싱(11), 펌프(12) 및 디퓨저(13)로 구성된다.

펌프(12)의 케이싱(121) 내에서 회전하는 날개(임펠러)(122)는 회전축(123)에 의해 회전 구동되고, 흡입 케이싱(11)으로부터 흡입된 액체에 에너지를 부여한다. 디퓨저(13)는 유체의 속도 에너지의 일부를 정압으로 변환하는 기능을 갖는다.

도2는 도1에 도시한 사류 펌프를 포함하는 터보 기계의 전형적인 양정 - 유량 특성으로서, 횡축은 유량을 나타내는 변수, 종축은 양정을 나타내는 변수이다.

즉, 저유량 영역에서는 유량이 증가함에 따라 양정은 저하하지만, 유량이 S 영역에 있는 동안은 유량이 증가함에 따라 양정도 증가한다(우측 상승 특성). 그리고, 유량이 우측 상승 특성 영역 이상으로 증가하면 유량이 증가함에 따라 양정은 저하한다.

그리고, 우측 상승 특성 영역의 유량에서 터보 기계를 운전한 경우에는 유체 덩어리가 관로 내에서 자려 진동하는 서어징 현상이 발생한다.

우측 상승 특성은 터보 기계를 흐르는 유체의 유량이 낮게 된 때에 임펠러 입구 외부 모서리에서 재순환류가 발생하지만, 이 때 날개로 들어가는 유체의 유로가 좁아져서 유체에 선회가 발생하기 때문에 발생한다(도1 참조).

서어징은 터보 기계뿐만 아니라, 상류 및 하류에 접속되는 배관에도 손상을 주기 때문에 저유량 영역에서의 운용은 금지되어 있다. 또한, 터보 기계의 운전 영역을 확대하기 위해 날개의 형상(프로파일)을 개선하는 외에, 하기에 나타낸 바와 같이 서어징을 억제하는 방법은 이미 제안되어 있다.

1. 케이싱 트리트먼트

임펠러가 존재하는 케이싱 영역에, 날개의 현(弦) 길이의 10 내지 20 %의 가는 홈을 형성함으로써 실속 마진을 개선하는 것이다.

도3은 이미 제안되어 있는 케이싱 트리트먼트의 설명도로서, (a)는 케이싱 트리트먼트와 날개의 위치 관계의 설명도, (b)는 케이싱 트리트먼트의 단면 형상도이다.

즉, 이미 제안되어 있는 케이싱 트리트먼트는 케이싱 내벽의 날개의 존재 영역에 축 방향, 주위 방향 , 혹은 경사 방향으로 직경 경향 혹은 기울기에 상당한 깊이를 갖는 홈을 형성하는 것이다.

케이싱 트리트먼트에 의해 실속 마진을 향상할 수 있는 메카니즘은 이론적으로 충분히 해명되어 있지는 않지만, 압력이 높은 유체가 저에너지 영역으로 분출하여 실속 셀의 발생을 방지하기 때문이라고 생각되어지고 있다.

2. 세퍼레이터

저유량 영역에서 날개 입구 외부 모서리에서 발생하는 재순환류의 역류 부분을 순류 부분과 분리하기 위해 세퍼레이터를 설치하고, 재순환류의 확대를 방지하는 것이다.

도4는 축류 터보 기계에 적용된 세퍼레이터의 설명도로서, 흡입링(a), 블레이드 세퍼레이터(b) 및 에어 세퍼레이터(c)가 제안되어 있다.

흡입링(a)은 역류를 흡입링 외측에 가두는 것이며, 블레이드 세퍼레이터(b)는 케이싱과 링 사이에 핀을 설치하는 것이다. 또한, 에어 세퍼레이터(c)는 동익(날개) 선단부를 개방하여 역류를 케이싱 밖의 유로로 유도하여 핀에 의해 역류의 선회를 방지하는 것으로, 앞의 두 경우에 비교하여 효과는 크지만 장치가 대규모가 된다.

3. 액티브 컨트롤

날개 입구 근방의 재순환류의 발생 장소에 외부로부터 고압의 유체를 분출하여 재순환류의 발생을 억제하는 것이다.

그러나, 케이싱 트리트먼트 및 세퍼레이터에 따르면, 양정 - 유량 특성의 상기 우측 상승 특성을 보다 저유량측으로 이동하여 안정 운전 영역을 확대하는 것은 가능하지만, 우측 상승 특성 자체를 없애는 것은 곤란하다. 또한, 케이싱 트리트먼트에 있어서 실속 마진을 10 % 향상시킬 때마다 터보 기계의 효율은 약 1 % 저하한다.

또한, 액티브 컨트롤에 있어서는 터보 기계 자체 혹은 외부로부터 고압 유체를 얻을 필요가 있으므로, 터보 기계 시스템으로서의 효율이 저하하는 것은 회피할 수 없다.

본 발명은 상기 문제에 비추어 이루어진 것으로서, 우측 상승 특성이 없는 양정 - 유량 특정을 지닐 뿐만 아니라, 효율 저하를 억제하는 것이 가능한 날개 입구 재순환류 및 날개 선회 실속을 억제한 터보 기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도1은 사류 펌프의 단면도.

도2는 터보 기계의 전형적인 양정 - 유량 특성도.

도3은 케이싱 트리트먼트의 설명도.

도4는 세퍼레이터의 설명도.

도5는 본 발명의 제1 실시 형태의 확대 단면도.

도6은 본 발명의 효과의 설명도(1).

도7은 본 발명의 효과의 설명도(2).

도8은 본 발명의 효과의 설명도(3).

도9는 본 발명의 효과의 설명도(4).

도10은 본 발명의 제2 실시 형태의 확대 단면도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

11 : 흡입 케이싱

121 : 펌프 케이싱

122 : 날개

124 : 홈

a : 하류측 종단부 위치

b : 상류측 종단부 위치

본 발명에 관한 날개 입구 재순환류 및 날개 선회 실속을 억제한 터보 기계는 케이싱 내면에, 날개 입구측의 저유량시 재순환류 발생 장소와 케이싱 내면의 날개의 존재 영역 내를 유체 압력의 구배 방향으로 잇는 유로를 구비한다.

본 발명에 따르면, 케이싱 내면의 날개의 존재 영역 내의 하류측 종단부 위치와 날개 입구측의 저유량시 재순환류 발생 장소인 상류측 종단부 위치를 잇는 유로 내를 유체가 하류측 종단부 위치로부터 상류측 종단부 위치를 향해 역류하고, 저유량시 재순환류 발생 장소에서 케이싱(121) 내로 분출한다.

도5는 본 발명의 제1 실시 형태의 확대 단면도로서, 도1의 일점 쇄선으로 둘러싸여진 부분을 확대한 도면이다.

즉, 본 발명에 관한 날개 입구 역류를 억제한 터보 기계에 있어서는 케이싱(121) 내면의 날개(122)의 중간 정도(a)(홈의 하류측 종단부 위치)로부터 저유량시에 재순환류가 발생하는 위치(b)(홈의 상류측 종단부 위치)에 걸쳐서 유체 압력 구배 방향으로 얕은 홈(124)이 형성된다.

그러면, 날개에 의해 압력이 상승한 유체가 홈(124) 내부를 홈의 하류측 종단부 위치(a)로부터 홈의 상류측 종단부 위치(b)를 향해 역류하고, 저유량시에 발생하는 재순환류의 발생 장소로 분출하여 재순환류 및 날개 선회 실속의 발생을 방지한다.

도6은 본 발명의 효과의 설명도(1)로서, 홈을 형성하는 효과를 나타내고 있다. 또, 도6 내지 도9에 있어서 횡축은 무차원화한 유량, 종축은 무차원화한 양정이다.

즉, 흰원은 케이싱에 홈을 형성하지 않은 경우의 양정 - 유량 특성으로서, 무차원화 유량이 0.12 내지 0.14의 범위에서 유량의 증가에 수반하여 양정도 증가하는 우측 상승 특성이 존재한다.

흰삼각 및 흰사각은 케이싱에 홈을 형성한 경우의 양정 - 유량 특성 및 효율 - 유량 특성으로서, 흰삼각은 폭(W)이 5 ㎜, 깊이(D)가 4 ㎜인 홈을 28개(N = 28) 형성한 경우를, 흰사각은 폭 10 ㎜, 깊이 2 ㎜인 홈을 28개 형성한 경우를 나타낸다.

도6으로부터 명백한 바와 같이, 폭 × 깊이가 5 × 4 ㎜인 홈을 형성한 경우에는 우측 상승 특성을 해소할 수 없지만, 10 × 2 ㎜인 홈을 형성한 경우에는 완전히 우측 상승 특성이 해소되고 있다. 즉, 홈을 형성하는 경우에는 깊은 홈보다도 얕게 또한 폭이 넓은 홈을 형성하는 것이 효과적인 것을 나타내고 있다. 또, 도6은 터보 기계의 효율(η)은 이론적으로는 유로 내의 유체의 역류에 의해 저하하지만, 실제로는 인식할 수 없을 정도로 작다는 것도 나타내고 있다.

도7은 본 발명의 효과의 설명도(2)로서, 홈 길이의 영향을 나타내고 있다.

즉, 홈의 형상은 거의 일정하게 유지하고, 홈의 상류측 종단부 위치(b)를 고정하고 홈의 하류측 종단부 위치(a)를 변경한 경우의 양정 - 유량 특성 및 효율 - 유량 특성으로서, 홈의 하류측 종단부 위치(a)를 하류측으로 할수록 양정 - 유량 특성의 우측 상승 특성은 개선된다. 그러나, 극단적으로 하류측으로 하면 필요 이상으로 고압의 유체를 추출하게 되므로 효율이 저하한다.

도8은 본 발명의 효과의 설명도(3)로서, 홈의 깊이 및 폭의 영향을 나타내고 있다.

즉, 홈의 갯수를 일정하게 한 경우에는 홈의 깊이는 양정 - 유량 특성에 큰 영향은 주지 않으며, 홈의 폭을 넓게 할수록 양정 - 유량 특성의 우측 상승 특성은 개선되는 것을 나타내고 있다.

도9는 본 발명의 효과의 설명도(4)로서, 홈의 깊이 및 폭의 영향을 나타내고 있다.

즉, 홈의 형상을 일정하게 한 경우에는 홈의 갯수를 많이 할수록 양정 - 유량 특성의 우측 상승 특성은 개선되는 것을 나타내고 있다.

이상으로부터 홈을 설계할 때의 고려점으로서, 이하를 들 수 있다.

1. 홈의 하류측 종단부 위치(a)의 위치는 분출에 의해 홈의 상류측 종단부 위치(b)에 발생하는 재순환류를 억제할 수 있는 압력을 갖는 유체를 취출할 수 있는 위치이면 특별히 규정되지 않지만, 필요 이상의 고압 위치(즉, 하류측)로 하면 터보 기계의 효율이 저하하므로, 적당한 위치를 선택하는 것이 필요하다.

2. 홈은 깊게 할 필요가 없으며, 폭이 넓은 홈을 가능한 한 여러개 형성하는 것이 유효하다.

이상 케이싱에 홈을 형성하는 경우에 대해서 설명하였지만, 본 발명에 있어서는 고압 유체를 재순환류의 발생 장소에 분출 가능하면 유로의 구조는 상관없다.

도10은 본 발명의 제2 실시 형태의 확대 단면도로서, 홈의 하류측 종단부 위치(a)로부터 상류측 종단부 위치(b)를 향하는 유로는 홈이 아닌, 케이싱을 관통하는 관로로 구성된다.

본 발명에 따르면, 자신이 승압한 유체의 일부가 케이싱에 형성된 유로를 역류하여 재순환류 발생 장소로 분출하여 재순환류 및 날개 선회 실속의 발생을 억제하므로, 터보 기계의 양정 - 유량 특성의 우측 상승 특성을 제거하는 것이 가능하게 된다.

Claims (3)

1. 케이싱 내면에, 날개 입구측의 저유량시 재순환류 발생 장소와 케이싱 내면의 날개의 존재 영역 내를 유체 압력의 구배 방향으로 잇는 유로를 구비한 것을 특징으로 하는 날개 입구 재순환류 및 날개 선회 실속을 억제한 터보 기계.
2. 제1항에 있어서, 상기 유로가 케이싱 내면에 형성된 홈인 것을 특징으로 하는 날개 입구 재순환류 및 날개 선회 실속을 억제한 터보 기계.
3. 제1항에 있어서, 상기 유로가 케이싱을 관통하는 것을 특징으로 하는 날개 입구 재순환류 및 날개 선회 실속을 억제한 터보 기계.