KR20070118019A - 스테이터 블레이드 및 압축기 - Google Patents

Abstract

압축기용 제 10 스테이지 베인은 실질적으로 표 Ⅰ에 인치로 주어진 X, Y 및 Z의 데카르트 좌표값에 따른 에어포일 프로파일을 포함하고, 상기 Z 좌표값은, 상기 압축기 중심선으로부터 반경에 수직인 평면으로부터의 수직 거리이고, 상기 에어포일의 반경방향 공기 역학적 섹션의 X, Y 평면에서 상기 Z값이 제로(zero)로 시작하는 상기 X 및 Y값을 포함하며, 상기 X 및 Y 좌표값은 각 Z거리에서 에어포일 프로파일을 규정하는 값이다. 상기 X, Y 및 Z값은 비율에 따라 증가 또는 감소된 각 스테이터 베인을 위한 에어포일 섹션을 제공하기 위해 축척될 수 있다.

Description

스테이터 블레이드 및 압축기{STATOR BLADE AIRFOIL PROFILE FOR A COMPRESSOR}

도 1은 제 10 스테이지를 포함하는 압축기의 여러 스테이지를 도시하는 압축기의 부분 단면도,

도 2는 압축기의 제 10 스테이지용 블레이드의 사시도,

도 3은 압축기의 제 10 스테이지용 블레이드의 측면도,

도 4는 제 10 스테이지 압축기 블레이드의 접선방향 후방 사시도,

도 5는 블레이드 팁(tip)으로부터 반경방향 바깥쪽으로 본 제 10 스테이지 압축기 블레이드의 단부도,

도 6은 도 2와 유사한 도면,

도 7은 도 6의 선 7-7로부터 취한 단면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 압축기 12 : 제 10 스테이지

14 : 버킷 16 : 로터

18 : 에어포일

본 발명은 터빈용 압축기에 관한 것으로서, 특히 압축기 블레이드, 특히 제 10 스테이지 블레이드를 위한 스테이터 블레이드 에어포일 프로파일(stator blade airfoil profile)에 관한 것이다.

터빈의 고온 가스 경로는 효율 및 하중(loading)의 시스템 요구를 만족시키는 압축기 에어포일 스테이터 블레이드 프로파일을 필요로 한다. 압축기 스테이터 블레이드의 에어포일 형상은 압축기 내의 다른 스테이지들 사이의 상호작용을 최적화시키고, 공기 역학적 효율을 제공하며, 항공 역학적 수명 목표를 최적화시켜야 한다. 따라서, 이들 목표들을 최적화시키는 스테이터 블레이드 에어포일 프로파일에 대한 필요성이 존재한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 에어포일을 구비한 압축기용 스테이터 블레이드에 있어서, 상기 에어포일은 임의의 에어포일 표면 위치에 수직한 방향으로 ±0.100인치 내의 엔벨로프(envelope) 형상을 갖고, 상기 에어포일은 실질적으로 표 Ⅰ에 인치(inch)로 주어진 X, Y 및 Z의 데카르트 좌표값에 따른 비코팅된(uncoated) 공칭 프로파일을 구비하며, 상기 Z 좌표값은, 상기 압축기 중심선으로부터 반경에 수직인 평면으로부터의 수직 거리이고, 상기 에어포일의 반경방향 공기 역학적 섹션의 X, Y 평면에서 상기 Z값이 제로(zero)로 시작하는 상기 X 및 Y값을 포함하며, 상기 X 및 Y 좌표값은 매끄럽게 연속되는 호에 의해 연결되었을 때 각 Z거리에서 에어포일 프로파일을 규정하는 값이고, 상기 Z거리에서의 프로파일은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성하는 스테이터 블레이드가 제공된다.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 있어서, 에어포일을 구비한 압축기용 스테이터 블레이드에 있어서, 상기 에어포일은 실질적으로 표 Ⅰ에 인치로 주어진 X, Y 및 Z의 데카르트 좌표값에 따른 비코팅된 공칭 에어포일 프로파일을 구비하고, 상기 Z 좌표값은, 상기 압축기 중심선으로부터 반경에 수직인 평면으로부터의 수직 거리이고, 상기 에어포일의 반경방향 공기 역학적 섹션의 X, Y 평면에서 상기 Z값이 제로로 시작하는 상기 X 및 Y값을 포함하며, 상기 X 및 Y 좌표값은 매끄럽게 연속되는 호에 의해 연결되었을 때 각 Z거리에서 에어포일 프로파일을 규정하는 값이고, 상기 Z거리에서의 프로파일은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 프로파일을 형성하며, 상기 X, Y 및 Z값은 비율에 따라 증가 또는 감소된 압축기 에어포일을 제공하기 위해 동일한 상수 또는 수의 함수로서 축척되는 스테이터 블레이드가 제공된다.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 있어서, 압축기 스테이지의 일부를 형성하는 다수의 스테이터 블레이드를 포함하는 압축기에 있어서, 각각의 상기 블레이드는 임의의 에어포일 표면 위치에 수직한 방향으로 ±0.100인치 내의 에어포일 형상이고, 상기 에어포일은 실질적으로 표 Ⅰ에 인치로 주어진 X, Y 및 Z의 데카르트 좌표값에 따른 비코팅된 공칭 프로파일을 구비하며, 상기 Z 좌표값은, 상기 압축기 중심선으로부터 반경에 수직인 평면으로부터의 수직 거리이고, 상기 에어포일의 반경방향 공기 역학적 섹션의 X, Y 평면에서 상기 Z값이 제로로 시작하는 상기 X 및 Y값을 포함하며, 상기 X 및 Y 좌표값은 매끄럽게 연속되는 호에 의해 연결되었을 때 각 Z거리에서 에어포일 프로파일을 규정하는 값이고, 상기 Z거리에서의 프로파일은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성하는 압축기가 제공된다.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 있어서, 압축기 스테이지의 일부를 형성하는 다수의 스테이터 블레이드를 포함하는 압축기에 있어서, 각각의 상기 블레이드는 임의의 에어포일 표면 위치에 수직한 방향으로 ±0.100인치 내의 에어포일 형상이고, 상기 에어포일은 실질적으로 표 Ⅰ에 인치로 주어진 X, Y 및 Z의 데카르트 좌표값에 따른 비코팅된 공칭 프로파일을 구비하며, 상기 Z 좌표값은, 상기 압축기 중심선으로부터 반경에 수직인 평면으로부터의 수직 거리이고, 상기 에어포일의 반경방향 공기 역학적 섹션의 X, Y 평면에서 상기 Z값이 제로로 시작하는 상기 X 및 Y값을 포함하며, 상기 X 및 Y 좌표값은 매끄럽게 연속되는 호에 의해 연결되었을 때 각 Z거리에서 에어포일 프로파일을 규정하는 값이고, 상기 Z거리에서의 프로파일은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성하는 압축기가 제공된다.

각 예에 있어서, 압축기 에어포일은 주위의 에어포일과 협력하여 작동하도록 구체적으로 설계된다. 각각의 에어포일은 상류측 블레이드 열(row)로부터 공기를 받아들인다. 이 독특한 입구 조건에서, 에어포일은 전체 압축기 효율 및 압력 상승 능력을 최대화시키는 주어진 압력 상승을 달성하도록 의도된 양으로 유동을 방향전환시킨다. 만약 하나의 에어포일이 의도된 대로 작동하지 않는다면, 그 주위의 모든 에어포일의 공기 역학적 균형이 붕괴되어 압축기는 의도된 대로 작동하지 않을 것이다.

이제, 도 1을 참조하면, 제 10 스테이지[일반적으로 참조번호(12)로 지시됨]를 포함하는 다중 스테이지를 구비한 압축기[일반적으로 참조번호(10)로 지시됨]의 일부분이 도시된다. 각 스테이지는 로터(16) 상에 장착된 버킷(14)뿐만 아니라, 원주방향으로 이격된 다수의 스테이터 블레이드(13)를 포함한다. 원주방향으로 서로로부터 이격된 제 10 스테이지 압축기 블레이드(13)는 아래에 상술되는 바와 같은 특정 에어포일 형상 또는 프로파일의 에어포일(18)을 갖는다. 도 2를 참조하면, 에어포일 형상 또는 프로파일은 전연(leading edge)(20)과 후연(trailing edge)(22)을 각각 포함한다. 제 10 스테이지 압축기 스테이터 베인의 바람직한 그리고 도시된 실시예에 있어서, 제 10 스테이지를 형성하는 113개의 베인이 있다.

도 2 내지 도 7을 참조하면, 제 10 스테이지 스테이터 블레이드 각각은 X, Y 및 Z값을 갖는 데카르트 좌표계에 의해 규정된 에어포일 프로파일을 구비한다. 좌표값은 아래의 표 Ⅰ에서 인치(inch)로 설명된다. 데카르트 좌표계는 직교 관계의 X, Y 및 Z축을 포함하고, Z축은 압축기 로터의 중심선으로부터 반경을 따라 연장한 다. 즉, X 값과 Y 값을 포함하는 평면에 대해 수직이다. Z 거리는 반경방향 최외측의 공기역학적 블레이드 섹션에서, X, Y 평면에서 제로(zero)로 시작된다. 이 Z 거리(즉, Z=0)는 압축기 중심선으로부터 반경 17.322인치 상에 위치한다. X축은 압축기 로터 중심선, 즉 회전 축선에 평행하게 놓인다. X, Y평면에 수직한 Z방향으로 선택된 위치에서 X 및 Y 좌표값을 규정함으로써, 에어포일(18)의 프로파일이 확인될 수 있다. 매끄럽게 연속되는 호(arc)로 X 및 Y 값을 연결함으로써, 각각의 Z 거리에서의 각 프로파일 섹션이 결정된다. Z 거리들 사이의 여러 표면 위치에서의 표면 프로파일은 서로 매끄럽게 연결되어 에어포일을 형성한다. 아래의 표 Ⅰ에 주어진 표의 값은 인치이고, 순환하고 비작동의 또는 비고온(non-hot)의 조건에서의 에어포일 프로파일을 나타내며, 코팅되지 않은 에어포일에 대한 것이다. 부호 규칙은, 데카르트 좌표계에서 전형적으로 사용되는 것과 같이, 반경방향 안쪽 방향으로 양의 Z값을 지정하고 X 및 Y 좌표값에 대해 양의 값과 음의 값을 지정한다.

1,232개의 지점들은 에어포일의 각 단면에 대한 공칭 저온 또는 실내 온도 프로파일이다.

에어포일의 실제 프로파일에 있어서 고려되어야 하는 코팅 뿐만 아니라 전형적인 제조 공차가 존재한다. 따라서, 표 Ⅰ에 주어진 프로파일에 대한 값은 공칭 에어포일을 위한 것이다. 따라서, 전형적인 제조 공차, 즉 ±값과 코팅 두께가 아래의 표 Ⅰ에 주어진 X, Y값에 추가되거나 감해진다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 에어포일 프로파일을 따라 임의의 표면 위치에 수직한 방향으로의 ±0.100인치 의 거리는, 이 특정 에어포일 설계 및 압축기에 대해 에어포일 프로파일 엔벨로프(envelope)를 규정한다. 바람직한 실시예에 있어서, 아래에 주어진 표 Ⅰ에 주어진 베인 에어포일 프로파일은 압축기의 제 10 스테이지 블레이드를 위한 것이다.

아래의 표 Ⅰ에 주어진 좌표값은 인치이고, 바람직한 공칭 프로파일 엔벨로프를 제공한다.

표 Ⅰ

위의 표에 개시된 에어포일은 유사한 다른 압축기 설계에서의 사용을 위해 기하학적으로 비율에 따라 증감될 수 있음을 또한 이해할 것이다. 결과적으로, 표 Ⅰ에 주어진 좌표값은 에어포일 프로파일 형상이 변하지 않게 유지되도록 비율에 따라 증감될 수 있다. 표 Ⅰ에서 좌표의 비율에 따라 증감된 버전은 동일한 상수 또는 수로 곱하거나 나눈 X, Y 및 Z 좌표값에 의해 나타날 것이다.

본 발명은 현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예로서 고려되는 것과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않음을 이해하여야 하고, 반대로 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위 내에 포함되는 여러 변경 및 균등한 구성을 포괄한다.

본 발명에 따르면, 압축기 내의 다른 스테이지들 사이의 상호작용을 최적화시키고, 공기 역학적 효율을 제공하며, 항공 역학적 수명 목표를 최적화시키는 스테이터 블레이드 에어포일 프로파일이 제공된다.

Claims (10)

1. 에어포일(18)을 구비한 압축기(10)용 스테이터 블레이드(13)에 있어서,

   상기 에어포일은 임의의 에어포일 표면 위치에 수직한 방향으로 ±0.100인치 내의 엔벨로프(envelope) 형상을 갖고,

   상기 에어포일은 실질적으로 표 Ⅰ에 인치(inch)로 주어진 X, Y 및 Z의 데카르트 좌표값에 따른 비코팅된(uncoated) 공칭 프로파일을 구비하며,

   상기 Z 좌표값은, 상기 압축기 중심선으로부터 반경에 수직인 평면으로부터의 수직 거리이고, 상기 에어포일의 반경방향 공기 역학적 섹션의 X, Y 평면에서 상기 Z값이 제로(zero)로 시작하는 상기 X 및 Y값을 포함하며,

   상기 X 및 Y 좌표값은 매끄럽게 연속되는 호에 의해 연결되었을 때 각 Z거리에서 에어포일 프로파일을 규정하는 값이고, 상기 Z거리에서의 프로파일은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성하는

   스테이터 블레이드.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 스테이터 블레이드는 압축기의 제 10 스테이지(12)의 일부를 형성하는

   스테이터 블레이드.
3. 제 1 항에 있어서,

   제로인 상기 Z값은 상기 압축기 중심선으로부터 17.322인치의 반경방향 거리에서 시작하고, 상기 Z값은 표 Ⅰ에서 반경방향 바깥쪽 방향으로 점차 증가하는

   스테이터 블레이드.
4. 에어포일(18)을 구비한 압축기(10)용 스테이터 블레이드(13)에 있어서,

   상기 에어포일은 실질적으로 표 Ⅰ에 인치로 주어진 X, Y 및 Z의 데카르트 좌표값에 따른 비코팅된 공칭 에어포일 프로파일을 구비하고,

   상기 Z 좌표값은, 상기 압축기 중심선으로부터 반경에 수직인 평면으로부터의 수직 거리이고, 상기 에어포일의 반경방향 공기 역학적 섹션의 X, Y 평면에서 상기 Z값이 제로로 시작하는 상기 X 및 Y값을 포함하며,

   상기 X 및 Y 좌표값은 매끄럽게 연속되는 호에 의해 연결되었을 때 각 Z거리에서 에어포일 프로파일을 규정하는 값이고, 상기 Z거리에서의 프로파일은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 프로파일을 형성하며,

   상기 X, Y 및 Z값은 비율에 따라 증가 또는 감소된 압축기 에어포일을 제공하기 위해 동일한 상수 또는 수의 함수로서 축척되는

   스테이터 블레이드.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 스테이터 블레이드는 압축기의 제 10 스테이지(12)의 일부를 형성하는

   스테이터 블레이드.
6. 제 4 항에 있어서,

   제로인 상기 Z값은 상기 압축기 중심선으로부터 17.322인치의 반경방향 거리에서 시작하고, 상기 Z값은 반경방향 바깥쪽 방향으로 점차 증가하는

   스테이터 블레이드.
7. 압축기 스테이지의 일부를 형성하는 다수의 스테이터 블레이드(13)를 포함하는 압축기(10)에 있어서,

   각각의 상기 블레이드는 임의의 에어포일 표면 위치에 수직한 방향으로 ±0.100인치 내의 에어포일(18) 형상이고,

   상기 에어포일은 실질적으로 표 Ⅰ에 인치로 주어진 X, Y 및 Z의 데카르트 좌표값에 따른 비코팅된 공칭 프로파일을 구비하며,

   상기 Z 좌표값은, 상기 압축기 중심선으로부터 반경에 수직인 평면으로부터의 수직 거리이고, 상기 에어포일의 반경방향 공기 역학적 섹션의 X, Y 평면에서 상기 Z값이 제로로 시작하는 상기 X 및 Y값을 포함하며,

   상기 X 및 Y 좌표값은 매끄럽게 연속되는 호에 의해 연결되었을 때 각 Z거리에서 에어포일 프로파일을 규정하는 값이고, 상기 Z거리에서의 프로파일은 서로 매끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성하는

   압축기.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 압축기 스테이지는 제 10 스테이지(12)인

   압축기.
9. 제 7 항에 있어서,

   제로인 상기 Z값은 상기 압축기 중심선으로부터 17.322인치의 반경방향 거리에서 시작하고, 상기 Z값은 반경방향 바깥쪽으로 점차 증가하는

   압축기.
10. 압축기 스테이지의 일부를 형성하는 다수의 스테이터 블레이드(13)를 포함하는 압축기(10)에 있어서,

    각각의 상기 블레이드는 임의의 에어포일 표면 위치에 수직한 방향으로 ±0.100인치 내의 에어포일(18) 형상이고,

    상기 에어포일은 실질적으로 표 Ⅰ에 인치로 주어진 X, Y 및 Z의 데카르트 좌표값에 따른 비코팅된 공칭 프로파일을 구비하며,

    상기 Z 좌표값은, 상기 압축기 중심선으로부터 반경에 수직인 평면으로부터의 수직 거리이고, 상기 에어포일의 반경방향 공기 역학적 섹션의 X, Y 평면에서 상기 Z값이 제로로 시작하는 상기 X 및 Y값을 포함하며,

    상기 X 및 Y 좌표값은 매끄럽게 연속되는 호에 의해 연결되었을 때 각 Z거리에서 에어포일 프로파일을 규정하는 값이고, 상기 Z거리에서의 프로파일은 서로 매 끄럽게 연결되어 완전한 에어포일 형상을 형성하는

    압축기.

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