KR20020076245A - 탄성유체 유동을 위한 축방향 유동 터빈형식 회전자기계 - Google Patents

탄성유체 유동을 위한 축방향 유동 터빈형식 회전자기계 Download PDF

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KR20020076245A
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롤프알렉시스 자콥슨
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아틀라스 콥코 툴스 에이비
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Abstract

탄성유체유동을 위한 축방향 유동 터빈은 방사형 구동 블레이드(24,64) 배열을 수용하는 두 개 이상의 영역(26,27)을 갖는 회전자(11) 및 구동 블레이드(24,64)에 초기유동을 향하도록 하기 위해 가이드 날개(14,54)의 원주 배열을 수용하는 하나 이상의 영역(15) 및 여러개의 유동입력부 노즐(12)을 갖는 고정자(10)로 구성되는데, 유동경로(30,60)는 각각의 회전자 영역(26,27)에서 두 개의 인접한 구종 블레이드(24,64) 사이에 형성되고, 넓혀진 영역(F,E)은 입구영역(A,C), 회전자유동경로(30,60)중 하나의 출구영역(B,D)과 고정자 영역 유동경로(29,59) 사이에 제공되는데, 표면(18)을 형성하는 외부유동경로 및 표면(28)을 형성하는 내부유동경로 사이의 방사상 거리는 출구영역(B,D) 보다 넓혀진 영역(F,E)에서 크다.

Description

탄성유체 유동을 위한 축방향 유동 터빈형식 회전자기계{AXIAL FLOW TURBINE TYPE ROTOR MACHINE FOR ELASTIC FLUID OPERATION}
각각 방사상으로 연장된 구동 블레이드(blade)의 원주 배열 구성된 하나 이상의 축방향으로 이격된 영역을 갖는 회전자 및 방사상으로 연장된 가이드 날개의 원주의 배열로 구성된 두 개 이상의 축방향 이격된 영역을 갖는 고정자로 구성된다. 각각의 고정자 영역은 회전자 영역의 대향한 측면에 위치하며, 유동경로는 각각의 회전자 영역에 있는 두 개의 인접한 구동 블레이드 사이와 각각의 고정자 영역에 있는 두 애의 인접한 가이드 날개 사이에 형성되며, 각각의 유동경로는 입구영역과 출구영역 사이로 연장되고 특정한 길이를 갖는다.
가스 터빈 같은 터빈형식의 기계는 회전자와 고정자의 유동경로에서 손실이 발생하기 때문에 일반적으로 효율이 제한된다. 출력이 수천 킬로와트되는 대형 가스터빈 모터는 종종 최대 효율이 90%에 다다른다. 그러나 최고 출력이 몇백 킬로와트되는 중간크기의 가스터빈 모터는 최대 효율이 85% 이상되지 않는다. 어떠한 분야에 사용하기 위해 이러한 크기 범위의 가스 터빈을 제작하기 위해 효율이 너무낮다.
본 발명은 탄성유체 유동에 대한 축방향 유동 터빈형식 회전자기계에 관련된다.
도 1은 본 발명을 따르는 터빈의 종방향 단면도;
도 2는 도 1에 도시된 터빈의 고정자영역에 대한 여러개의 가이드 날개 및 회전자 영역에 대한 여러개의 구동 블레이드의 도식도;
도 3은 본 발명의 한가지 실시예를 따르는 터빈의 구동 블레이드 및 가이드 날개에 대한 상세도;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예를 따르는 터빈의 구동 블레이드/가이드 날개 장치의 상세도;
도 5는 도 4에 도시된 구동 블레이드/가이드 날개 장치의 도면;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예를 따르는 구동 블레이드/가이드 날개장치의 도면;
* 부호 설명 *
10 : 하우징11 : 회전자
12 : 입력부 노즐13 : 출력부 디퓨저
14 : 가이드 날개15 : 고리모양 영역
16 : 가스 입력부17 : 링구조
18 : 원통형 표면19 : 주변 공간
20 : 몸통부분22 : 전방 부분
23 : 후방부분
본 발명의 주요목적은 탄성유체유동을 위한 축방향 유동 터빈형식 회전자기계를 제공하는 것인데, 회전자 및 고정자 유동경로를 통과할 때의 유동손실은 줄어들고 터빈의 효율은 증가한다.
본 발명의 또 다른 이점 및 특성은 본 발명의 선호되는 실시예의 상세한 설명과 첨부된 도면을 참고로 명백해질 것이다.
하기 설명될 터빈장치는 가스터빈모터 같은 것에 적합하다. 도 1에 도시된 것을 먼저 보면, 터빈장치는 고정자 하우징(10)과 회전자(11)로 구성된다. 고정자 하우징(10)은 주로 원통형이고 그 단부에 가스입력부(16)와 상호작용하는 여러개의 가스 입력부 노즐(12)이 구비되고, 반대쪽 단부에는 여러개의 깔때기 모양의 출력부 디퓨저(13)가 구비된다. 고정자 하우징(10)은 고리모양 영역(15)에 배열되고 원주에 배열되는 여러개의 가이드 날개(14)로 구비된다. 가이드 날개(14)는 내부링구조(17)에 장착되고 고정자 하우징(10)의 원통형 표면(18)에 대해 그 외부단부에 의해 지지된다. 링구조(17)는 회전자(11)의 주변공간(19)에 수용되고 회전자의 원통형 몸통부분(20)과 밀봉작용하도록 배열된다.
회전자(11)는 전방부분(22) 및 후방부분(23)으로 구성되며 두 개의 베어링에 의해 고정자 하우징(10)에 대해서 저널링되며 도시되지는 않는다. 회전자(11)는 두 개의 축방향으로 이격된 작동영역(26,27)으로 구성되는데, 각각은 구동 블레이드(24)의 원주배열을 수용한다. 상기 두 개의 영역(26,27)은 고정자영역(15)으로 분리된다. 회전자 영역(26,27)과 고정자링(17)으로 형성된 내부표면(28)은 가스유동이 팽창하여 터빈을 통과하도록 출력부 디퓨저(13) 쪽으로 천천히 점점 끝이 가늘어진다.
각각의 배열의 두 개의 인접한 가이드 날개(14) 사이에서 가이드 날개(14) 사이가 거리(SB)인 출구영역(B) 및 인접한 가이드 날개(14) 사이의 거리(SA)를 갖는 입구영역(A)을 포함하는 고정자 유동경로(29)가 형성된다(도 2 참조). 거리(SA,SB)는 유동경로(29)에 가로횡단으로 측정된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 거리(SA)는 거리(SB)보다 상당히 큰데, 일반적으로 유동경로(29) 영역은 입구영역(A)에서 출구영역(B)으로 줄어든다.
비슷한 방식으로 각각의 배열에서 두 개 인접한 구동 블레이드(24)는 회전자 유동경로(30)를 형성하는데 입구영역(C)에서의 폭(SC)은 출구영역(D)에서의 폭(SD)보다 크며, 이것은 각각의 회전자 유동경로(30)가 출구영역(D) 쪽으로 감소되는 영역을 갖는 것을 의미한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 회전자 유동경로(30)는 입구영역(C)과 출구영역(D) 사이에 위치한 방사형으로 넓혀진 영역(F)으로 구성된다. 전술된 예에서, 상기 넓혀진 영역(F)은 내부표면(28)의 오목한 영역(31)으로 형성된다. 넓혀진 영역(F)에서 구동 블레이드(24)의 방사형 연장부(RF)는 출구영역(D)의 구동 블레이드(24)의 연장부(RD)보다 크다. 이것은 유동경로(29)의 횡단면이 출구영역(D)에 가까운 크기를 유지하여서 출구영역(D)의 가스 상류 속도가 느리게 되고 유동경로(30)에서 낮은 유동 손실이 발생된다.
비슷한 장치가 각각의 고정자 유동경로(29)에 제공되는데, 오목한 영역(32)은 입구영역(A)과 출구영역(B) 사이의 링구조(7)에 위치하며 넓혀진 영역(E)을 형성한다. 가이드 날개(14)의 방사형 연장부는 출구영역(B) 보다 큰 넓혀진 영역(E)이다. 링구조(17)는 회전자(11)의 중앙영역(20)에 수용된다.
도 3에서 회전자(11)의 오목한 영역(31)은 방사형으로 넓혀진 영역(F)을 형성하는데, 구동블레이드(24)의 방사형 연장부(RF)는 출구영역(D)의 방사형 연장부(RD)보다 크다. 입구영역(C)의 방사형 연장부(RC)는 출구영역(D)에서의 방사형 연장부(RD)보다도 작다.
고정자 유동경로(29)와 회전자 유동경로(30)의 방사형으로 넓혀진 영역(E,F) 장치는 유동경로(29,30)를 통해 유체유동 속도를 감소시키는데 효율적이며 유동이 손실된다. 가이드 날개(14) 및 구동 블레이드(24)의 방사형 연장부는 능동적인 효과를 얻기 위해 유동경로(29,30)의 출구영역(B,D)에서 보다 넓혀진 영역(E,F)에서 약 5% 정도 크다. 터빈효율을 증가시키기 위해서 방사형 연장부의 차이는 비교적 커야 한다.
그러나 넓혀진 영역에서 구동블레이드/가이드 날개의 방사형 연장부의 증가된 비율은 각각의 구동 블레이드 혹은 가이드 날개의 길이 및 방사형 연장부 사이의 관계에 의존하는데, 길이가 짧지만 방사형 연장부가 넓은 가이드 날개 혹은 구동 블레이드는 유동경로가 지나치게 넓고 갑작스런 영역 변화를 피하기 위해 비교적 작은 오목한 영역과 결합되어야 한다.
본 발명을 따르는 방사형으로 넓혀진 유동경로를 사용함으로 작은 방사형 연장부와 상당한 길이를 갖는 구동 블레이드 및 가이드 날개를 갖는 터빈에서 유익하다. 이러한 터빈에서 넓혀진 영역에서 구동 블레이드 및 가이드 날개의 방사형 연장부는 출구영역에서의 방사형 연장부보다 10-20% 정도 크다.
본 발명을 따라, 회전자 영역과 고정자 영역 통해 유동경로의 방사형으로 넓혀진 영역은 약 60% 정도 연장되어야 하는데, 선호적으로 유동경로 길이의 80% 정도이며, 유체유동 속도는 유동경로 길이의 주요부분에 대해서 줄어든다. 낮은 유동속도는 낮은 내부유동 손실을 나타낸다. 유동경로의 맨 끝에서 횡단면이 줄어드는데 이로인해 유체유동의 빠르게 가속된다.
내부유동 손실을 줄이고 터빈의 효율을 높이기 위해서, 도 4,5,6에 도시된 본 발명의 실시예는 구동 블레이드/가이드 날개 장치로 구성되는데, 유동경로 입구 영역과 출구 영역 사이에 방사형으로 넓혀진 영역만 사용될 뿐만 아니라 회전자 영역 및 고정자 영역 사이가 중첩되는 것이 유동손실을 감소의 중요한 부분이다.
도 5 및 도 5에 도시된 본 발명의 실시예에서, 가이드 날개(54)가 배열된 두 개의 고정자 영역 및 구동 블레이드(64)가 배열된 하나의 회전자 영역이 도시되었다. 인접한 가이드 날개(54) 사이에 입구영역(A) 및 출구영역(B)을 갖는 유체유동 경로(59)가 있고, 인접한 구동 블레이드(64) 사이에 출구영역(D) 및 입구영역(C)을 갖는 유동경로(D)가 있다. 가각의 고정자 유동경로(54)의 입구영역(A) 및출구영역(b) 사이에 방사형으로 넓혀진 영역(E)이 있고, 입구영역(C) 및 각각의 회전자 유동경로(60)의 출구영역(D) 사이에 방사형으로 넓혀진 영역(F)이 있다.
전술된 바와 같이, 인접한 가이드 날개(54) 사이의 거리는 입구영역(A)에서 비교적 큰 거리(SA) 및 출구영역(B)에서 비교적 작은 거리(SB)를 특징으로 한다. 가이드 날개(54) 사이의 거리는 유동경로(59)를 따라 감소하지만 넓혀진 영역(E)에서 가이드 날개(54)의 증가된 방사형 연장부 때문에 유동경로의 횡단면 영역은 출구영역(b)에 가까운 지점의 크기로 되며, 각각의 가이드 날개(54)는 넓혀진 영역(E)에서 방사형 연장부(RE)를 갖으며 출구영역(b)의 방사형 연장부(RB)보다 크다.
비슷한 방식으로 인접한 구동 블레이드(64) 사이의 거리는 입구영역(C)의 큰 거리(SC)에서 출구영역(D)의 작은 거리(SD)까지 줄어든다. 그러나 넓혀진 영역(F)에서의 방사형 거리(RF)는 출구영역(D)에서의 방사형 거리(RD)보다 큰데, 유동경로(60)의 횡단면이 출구영역(D)에 가까운 지점의 유동방향 크기가 된다는 것을 의미한다. 이것은 유동속도가 유동경로(60)의 주요부분에 대해서 낮아지고 출구영역(D)에서 매우 짧은 거리에 대해서 가속된다.
본 발명의 전술된 실시예와 관련하여, 고정자 및 회전자 영역을 통해 유동경로의 내부 경계부는 내부표면(28)에 의해 형성된다. 내부표면(28)은 회전자 영역(26,27)과 고정자 영역 혹은 영역(15)에 의해 함께 형성된다.
본 발명의 실시예를 따르는 회전자 및 고정자 영역의 특징은 구동 블레이드(64)의 끝종단영역(62) 및 가이드 날개(54)의 끝종단영역(52)은 표면(28)을 형성하는 내부유동경로를 만드는 고정자 및 회전자영역을 넘어선 유동방향으로 연장된다. 또한 가이드 날개(54)의 리딩엣지(leading edge)(53) 뿐만 아니라 구동 블레이드(64)의 리딩엣지(63)는 고정자 및 회전자 변부로부터 유동방향으로 일정한 축방향 거리로 수축되는데, 각각의 회전자 영역에 고리모양 넥(neck)부분(65)과 각각의 고정자 영역에 고리모양 넥부분(55)을 남긴다. 이러한 각각 고정자 및 회전자 영역의 넥영역(65,55)은 유동방향에 대해서 반대 축방향으로 연장되고, 구동 블레이드(64) 및 가이드 날개(54)의 연장된 끝종단영역(62,52)은 하류측 고정자 및 회전자 영역의 넥부분(55,65)에 대해서 연장된다.
고정자 및 회전자 영역의 고리모양 넥부분(65,55)과 함께 가이드 날개(54) 및 구동 블레이드(64)의 연장된 끝부분에 대한 장치는 터빈의 효율을 높이고 유동경로를 통한 유동저항을 낮추는 역할을 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 회전자 영역으로 형성된 내부표면(28) 영역은 오목한 영역(69)에 의해 유동방향 다음에 오는 볼록한 영역(68)으로 구성되며, 볼록한 영역(68)은 넥부분(65)에 의해 부분적으로 형성된다. 비슷한 방식으로, 내부표면(28)의 고정자 영역중 각각은 볼록한 영역(58) 및 오목한 영역(59)으로 구성되며, 볼록한 영역(58)은 넥부분(55)에 의해 부분적으로 형성된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 유동경로(29,30)를 형성하는 외부표면(18)은 원통형인데 유동경로의 횡단면의 모든 변화는 내부표면(28)의 회전자 및 고정자영역의 볼록영역 및 오목한 영역으로 이루어진다.
도 6에서, 표면(18,29)을 형성하는 내부 및 외부 유동경로의 선택적인 설계가 도시되었다. 내부표면(28) 위에 모든 볼록하고 오목한 영역을 위치시키는 대신에, 이러한 선택적인 외부 표면(18)은 내부표면(28) 위의 오목하고 볼록한 영역(58,57,68,69)에 대해 반대로 위치한 오목하고 볼록한 영역으로 형성된다. 이러한 장치로 터빈을 통한 유체유동 특성을 개선시키기 위해 유동경로의 최적형상을 형성할 수 있는 가능성을 얻는다.
선택적인 설계에서 원통형 내부표면(18)을 갖고 모든 볼록하고 오목한 영역(57,58,68,69)을 외부표면(18)에 위치시킨다.

Claims (12)

  1. 탄성유체유동을 위한 축방향 유동 터빈 회전자는,
    방사형으로 연장된 구동 블레이드(24,64)가 원주로 배열된 하나 이상의 축방향으로 이격된 영역(26,27)을 갖는 회전자(11),
    방사형으로 연장된 가이드 날개(14,54)가 원주로 배열된 두 개 이상의 축방향으로 이격된 영역(15)을 갖는 고정자(10)를 포함하는데,
    각각의 상기 고정자영역(15)은 상기 하나 이상의 회전자영역(26,27)의 반대 측면에 배열되고,
    회전자 영역 유동경로(30,60)는 각각의 회전자영역(26,27)에서 두 개의 인접한 구동 블레이드(24) 사이에 형성되며,
    상기 회전자 유동경로(30,60)는 특정한 길이(H), 고정자의 입구영역(A), 고정자의 출구영역(B)을 갖는데 있어서,
    각각의 회전자 영역의 유동경로(30,60)에서 상기 회전자 입구영역(C)은 상기 회전자 출구영역(D)보다 큰 횡단면을 갖으며,
    각각의 고정자 유동경로(29,59)에서, 상기 고정자 입구영역(A)은 상기 고정자 출구영역(B) 보다 큰 횡단면을 갖고,
    각각의 회전자 유동경로(30,60)는 상기 회전자 입구영역(C)으로부터 하류측으로 상기 회전자 유동경류 길이(H)에 대해 약 75%은 일정한 횡단면을 갖으며,
    각각의 고정자 유동경로(29,59)는 상기 고정자 유동경로 길이(G)에 대해 약75%로써 상기 고정자 입구영역(A)으로부터 하류측으로 일정한 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는 터빈.
  2. 제 1 항에 있어서, 각각의 고정자 유동경로(29,59)의 상기 일정한 횡단영역은 상기 고정자 유동경로 길이(G)의 60% 정도로 연장되며, 각각의 회전자 유동경로(30,60)의 상기 일정한 횡단영역은 상기 회전자 유동경로 길이(H)의 약 60%로 연장되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  3. 제 2 항에 있어서, 각각의 고정자 유동경로(29,59)의 상기 일정한 횡단영역은 상기 고정자 유동경로 길이(G)에 대해 약 80% 정도로 연장되며, 각각의 회전자 유동경로(30,60)의 상기 일정한 횡단영역은 상기 회전자 유동경로 길이(H)에 대해 약 80% 정도로 연장되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 구동 블레이드(24,64) 및 상기 안내 날개(14,54)는 회전대힝 내부표면(28) 및 회전대칭 외부표면(18) 사이에서 방사형으로 연장되며,
    각각의 상기 회전 유동경로(30,60)는 상기 입구영역(C) 및 상기 출구영역(D) 사이에 위치한 방사형으로 넓혀진 영역(F)을 갖으며, 각각의 상기 구동 블레이드(24,64)는 상기 출구영역(D)의 상기 구동 블레이드(24,64)의 방사형 연장부(RD)보다 넓은 상기 넓혀진 영역(F)의 방사형 연장부(RF)를 갖으며, 각각의 상기고정자 유동경로(29,59)는 상기 출구영역(B) 및 상기 입구영역(A) 사이에 위치한 방사형으로 넓혀진 영역(E)을 포함하며, 각각의 상기 가이드 날개(14,54)는 상기 출구영역(B)의 상기 가이드 날개(14,54)의 방사형 연장부(RB)보다 큰 상기 넓혀진 영역(E)의 방사형 연장부(RE)를 갖는 것을 특징으로 하는 터빈.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 내부표면(28)은 상기 회전자 영역(26,27) 및 상기 고정자 영역(15)에 의해 부분적으로 형성되며, 각각의 상기 회전자 영역(26,27)의 각 구동 블레이드(64)에 대한 상기 끝부분(62)은 유체유동 방향으로 개별의 회전자 영역(26,27)으로 형성된 상기 내부표면(28)을 넘어서서 연장되며, 각각의 고정자 영역(15)으로 형성된 상기 내부표면(28)의 상기 부분은 유체유동에 대해서 반대방향으로 상기 가이드 날개(54)를 넘어서 연장되므로 고리모양 고정자 넥부분(55)이 개별의 고정자영역(15)에 형성되는데 있어서,
    상기 회전자 영역(26,27) 중 하나에서 각각의 구동 블레이드(64)의 상기 끝부분(62)은 유체유동 방향으로 고정자영역(15)의 상기 고정자 넥부분(55)에 대해서 연장되며, 각각의 상기 고정자영역(15)에서 가이드 날개(54)의 상기 끝부분(52)은 유체유동방향으로 개별의 고정자영역(15)에 의해 형성된 상기 내부표면(28) 이상으로 축방향으로 연장되며,
    각각의 회전자 영역(26,27)에 의해 형성된 상기 내부표면(18)의 상기 부분은 상기 유체유동 방향의 반대방향으로 구동 블레이드(64) 이상으로 연장되어서 고리모양의 넥부분(65)을 개별의 회전자영역(26,27)에 형성하고,
    상기 고정자영역(15) 중 하나의 상기 가이드날개(54) 끝부분(52)은 유체유동 방향으로 회전영역(26,27)의 회전영역 넥부분(65)에 대해서 연장되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 회전자 유동경로(60) 중 하나의 상기 출구영역(D)은 두 개의 인접한 구동 블레이드(64)의 상기 끝부분(62)으로 형성되며, 상기 고정자 유동경로(59) 중 하나의 상기 출구영역(B)은 두 개의 인접한 가이드 날개(54)의 상기 끝부분(52)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  7. 제 5 항에 있어서, 각각의 회전영역(26,27) 위에서 상기 내부표면(28)은 오목한 영역(69)에 의해 유체유동방향 다음에 볼록한 영역(68)으로 구성되며, 상기 볼록한 영역(68)은 유체유동의 방향의 반대로 상기 구동 블레이드(64) 이상으로 연장되어서 상기 회전자 넥부분(65)을 형성하는 것을 특징으로 하는 터빈.
  8. 제 5 항에 있어서, 각각의 고정자영역(15) 위에서 상기 내부표면(28)은 오목한 영역(57)에 의해 유체유동 방향 다음에 볼록한 영역(58)을 포함하며, 상기 볼록한 영역(58)은 유체유동 방향의 반대방향으로 상기 가이드 날개(54) 이상으로 연장되어서, 상기 고정자 넥부분(55)을 형성하는 것을 특징으로 하는 터빈.
  9. 제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부표면(18)은 상기 회전자영역(26,27)중 하나와 축방향으로 일치하는 두 개 이상의 고리모양 회전자 유동 영역으로 형성되며, 상기 회전자 유동영역중 하나는 오목한 영역(89)에 의해 유체유동 방향 다음에 볼록한 영역(88)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  10. 제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부표면(18)은 상기 고정자영역(15)과 일치하는 하나 이상의 고리모양 유동 영역으로 형성되며, 상기 고정자 유동영역 중 하나는 오목한 영역(87)에 의해 유체유동 방향 다음에 볼록한 영역(86)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 구종 블레이드(24,64)는 유체유동 방향에서 각각의 구동 블레이드(24,64)의 길이(H) 보다 작거나 같은 최대 방사상 연장부(RF)를 갖는 것을 특징으로 하는 터빈.
  12. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 가이드 날개(14,54)는 유체유동 방향으로 각각의 가이드 날개(14,54)의 길이(G)보다 작거나 같은 최대 방상 연장부(RE)를 갖는 것을 특징으로 하는 터빈.
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