KR20080038041A - 비대칭 압축기 공기 추출 방법 - Google Patents

비대칭 압축기 공기 추출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일정한 비정상 부하 형성을 방지함에 의해 회전 실속(stall) 공기역학을 미스튜닝하는 방법에 관한 것으로서, 압축 공기가 원주방향에서 비대칭 패턴으로 추출되고, 비 대칭 흐름 패턴이 회전 실속 영역(10) 회전 패턴을 파괴하여, 일정한 공기역학적 추출의 형성을 방지하도록 한다.
압축기, 비대칭, 추출, 유동, 흐름, 추출, 회전, 공기역학

Description

비대칭 압축기 공기 추출 방법{ASYMMETRIC COMPRESSOR AIR EXTRACTION METHOD}
본 발명은, 고정된 회전 속도 및 출력에서 최적으로 작동하도록 설계된 산업용 축류 가스 터빈에 관한 것이다.
종래의 축류 산업용 가스 터빈 압축기는 가변 스테이지 형상 및 공기 추출이 제한되었다. 이들 세 가지 요소, 즉, 고정된 속도의 작동과, 제한된 가변 스테이지 형상과, 제한된 추출에 기인하여, 시동하는 동안 그리고 정지 작동 중에 상당한 탈 설계(off-design) 공기역학적 상태에 이르게 된다. 이러한 탈 설계 작동 중에 축류 압축기에서 회전 실속(stall)이 발생된다.
회전 실속은 휠 속도의 약 절반으로 회전하는 국부적 실속 영역(local stall cell)으로 밝혀져 있다. 이들 영역은 로터 및 고정자 블레이드상에 일정한 비정상 공기역학적 부하를 부여하게 된다. 로터 속도가 변화됨에 따라, 실속 영역 카운트가 변화되어 상이한 노드 직경(nodal diameter)을 설정하게 된다. 회전 실속 공기역학적 부하로부터의 회전자 및 고정자 블레이드 상의 진동 응답은 정상적 블레이드 손상 및 조기 훼손의 감도를 증가시키게 될 수도 있다.
본 발명은 회전 실속에 의해 생성된 일정한 공기역학적 힘을 제거하거나 또는 감소시킴에 의해 축류 압축기 로터 및 고정자 블레이드의 내구성을 향상시킨다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 회전 실속 공기역학을 미스튜닝(mistune)함으로써 일정한 비정상 부하의 형성을 방지하도록 하는 방법을 제공하게 된다.
본 발명은 부분 속도 또는 탈 설계 조작에 의해 야기된 유동 장애를 수반하는 압축기에서의 기류를 제어하는 방법으로 구현되며, 일련의 원주방향 비대칭 이격 위치에서 압축기의 선택적 축방향 부분에서 유동을 추출하여, 유동 장애에 대해 작용하도록 추출 패턴을 생성하도록 하는 유동 추출 단계를 포함한다.
본 발명은 또한 회전 실속과 같은 장애에 대해 작용하도록 상기 압축기 케이싱의 외주 둘레에서 비대칭적으로 압축기 공기를 추출해내도록 작용시키는 단계를 포함하는 압축기에서의 기류 제어 방법으로 구현된다.
본 발명은 비 대칭 흐름 패턴이 회전 실속 영역(10) 회전 패턴을 파괴하여, 일정한 공기역학적 추출의 형성을 방지하도록 한다.
본 발명의 기류 제어 방법에 의하면 일정한 비정상 부하의 형성을 방지하여, 효율을 높이게 된다.
그리고, 회전 실속에 의해 생성된 일정한 공기역학적 힘을 제거하거나 또는 감소시킴에 의해 축류 압축기 로터 및 고정자 블레이드의 내구성을 향상시킨다.
동력 발생을 위한 산업용 축류 가스 터빈은 고정된 회전 속도 및 출력에서 최적으로 조작되도록 설계된다. 또한 종래의 축류 산업용 가스 터빈 압축기는 가변 스테이지 형상 및 공기 추출이 제한되었다. 세 가지 요소, 즉, 고정 속도의 작동과, 제한된 가변 스테이지 형상과, 제한된 추출에 기인하여, 시동하는 동안 그리고 정지 작동 중에 상당한 탈 설계 공기역학적 상태로 이르게 된다. 이러한 탈 설계 조작이 진행 동안 축류 압축기에서 회전 실속이 발생된다.
도 1에 개략적으로 예시된 바와 같은, 회전 실속은 휠 속도의 절반(ω실속영역 ≒ ω엔진)에서 회전하는 구역 실속 영역(10)으로 밝혀져 있다. 이들 영역은 로터 및 고정자 블레이드(12)상에 일정한 비정상 부하를 부여하게 된다. 이에 따라, 로터 속도가 변경되면서, 실속 영역 카운트는 노드(nodal) 직경으로 공지된 다른 자극(excitation) 특징의 설정을 변경시키게 된다. 회전 실속 공기역학적 부하로부터의 회전자 및 고정자 블레이드 상의 진동 응답은 정상적 블레이드 손상 및 조기 훼손의 민감도를 증가시키게 된다.
축류 압축기 블레이드의 내구성의 향상은, 회전 실속에 의해 발생되는 일정한 공기역학적 힘을 제거하거나 또는 감소시키는 것에 기인한다. 이러한 공기역학적 진동 부하의 감소는 정상적 조작 손상, 예컨대 팁 마찰, 부식 및 선단부의 이질적 개체의 손상에 대한 블레이드 손상 내성(tolerance)을 증가시킨다.
본 발명은 회전 실속으로부터 축 상 유동 압축기 로터 및 고정자 블레이드 상의 공기역학적 자극을 제거하거나 또는 감소시킴에 의해 축류 압축기 로터 및 고정자의 내구성을 향상시킨다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 일정한 비정상적 부하의 형성을 방지하여 회전 실속 공기역학을 미스튜닝하는 방법을 제공하는 것이다.
이에 따라, 본 발명은 보다 구체적으로, 압축기에서의 장애, 예컨대 회전 실속을 제거 또는 감소시키는 신규 방법을 제안하며, 예컨대, 연속적으로 외주부상에서 이격된 위치에서, 하나 또는 그 이상의 선택된 축방향 위치(스테이지)에서 압축 공기가 변화의 원인에 따라 외주부에서 선택적인 방법으로 비대칭적으로 선택적으로 흘러나와서, 회전 실속 유동 장애에 대해 작용하도록 한다. 이러한 경우에, 공기 추출 공정이 개시될 수 있는데, 즉 회전 실속 조건 및 잠재적 실속 조건은 공기의 비대칭적 추출에 의해 극복될 수 있다. 이것은 조작적으로 동일화된 현상-부분 속 및/또는 부분 부하에 따라 센서를 필요로 하지 않는다.
도 2 및 도 3에 개략적으로 예시된 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면, 압축기 공기는 비대칭적인 외주부를 따른 패턴으로 된 외경 유동 통로 벽(18)상에 형성된 연속되는 일반적 형태의 홀 또는 슬롯(16)을 통해 추출된다. 추출 패턴은 영역의 공기역학적 강도 뿐만아니라 회전 실속 노드 직경의 기능에 따라 결정된다. 비대칭 복합 흐름 패턴은 회전 실속 영역 회전 패턴을 파괴하여, 일정한 비대칭 추출이 형성되는 것을 방지하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일반적 형태의 공기 추출 홀 또는 슬롯 이 장착된 축류 압축기를 개략적으로 예시한 것이다. 일반적 형태의 추출 홀 또는 슬롯(16)은 압축기 공기를 선택적으로 압축기 케이싱을 통해 선택적으로 흘려보내도록 형성되어 있다. 추출된 공기를 제거하고 그리고 필요 또는 의도한바에 따라 이것을 재전달할 수 있는 개별식의 신속 작용 차단 밸브(미도시)를 통해 도관(미도시)에 의해 유입이 정정된다. 만약 유사한 공기 추출 홀이 복수 개의 축방향 스테이션에 구비된다면, 2개 또는 그 이상의 스테이션에서 외주의 대응되는 추출 도관은 동일한 제어 밸브를 할당할 수 있다. 원주방향의 일련의 추출 홀 또는 슬롯이 통상적으로 경로에서 동시에 작용되어 질 수 있게 된다면, 원주방향의 일련의 추출 도관은 공통의 제어 밸브에 연결될 수 있다. 고압 공기 추출에서의 소모를 막기를 위해서, 실속 영역이 억제될 때에는 제어 유닛은 밸브를 차단할 수 있다. 일 실시예에서는, 소정의 기간 동안에는 추출이 계속되고 그리고 종료될 수 있다. 다르게 구현되는 실시예에서는, 시동 후에, 추출이 점진적으로 감소된다. 다른 추출 프로토콜이 필요 또는 의도한 바에 따라 적용될 수 있다.
상기 언급된 바와 같이, 비정상적인 일정한 부하 형성을 방지하고 이에 따라 회전 실속 공기역학을 미스튜닝하기 위해서, 본 발명은 압축기 공기가 도 2에 예시된 바와 같이 비대칭의 원주방향의 패턴으로 외측 직경 유동 통로 벽(18)상에서 일련의 일반적인 형태의 홀 또는 슬롯(16)을 통해 추출된다. 추출 패턴은 회전 실속 노드 직경 패턴 뿐만 아니라 영역의 공기 역학적 강도의 기능에 따라 실험적으로 또는 분석적으로 결정될 수 있다. 이들 추출부 또는 단계는 회전 실속, 필수 추출 유동 및 엔진 배치 제한의 특성에 따라 단일의 축방향 위치 또는 다수개의 축방향 위치에 위치되어 작용될 수 있다. 도 3에 예시된 바와 같이, 이 실시예는 축방향 위치가 2개인 비대칭 추출 레이아웃을 제공한다. 축방향 위치의 수, 원주방향 원호 길이, 추출 홀 형태 및 수는 회전 실속의 특성을 기초로 규정된다. 비대칭 복합 스테이지 흐름 패턴은 회전 실속 영역 회전 패턴을 파괴하여, 도 2에 개념적으로 예시된 바와 같은, 일정한 공기역학적 추출의 형성을 방지하도록 한다.
전술한 부분에서 이해할 수 있는 바와 같이, 비대칭 흐름 특징은 압축기 케이스(18)의 각각의 특정화된 축방향 위치(20)에서, 추출 형태가 규정된 특정 원주방향 위치에서 특정 호의 길이 θ호내의 비대칭으로 이격된 추출부(16)를 구비하여, 필수적인 전체 추출 유동을 제공하도록 한다. 이 실시예에서, 호 길이θ호는 약 90도이다.
분할 케이스 용도에 있어서, 추출부(16)는 상단 케이스의 상반부에 배치되어 현장 개장 뿐만 아니라, 매니폴드 및 배관(미도시)의 추출 능력을 개선시키게 된다. 전술한 바에 의해 이해할 수 있겠지만, 복합 스테이지 추출은 유닛으로부터 유동을 흘려보내도록 추출 매니폴드를 필요로 할 수 있을 것이다.
이에 따르면, 본 발명은 팁 마찰, 맞춤부 부식 및 선단부 손상에 대해 손상 내성을 증가시킴에 의해, 1) 블레이드상에서 비정상적 일정한 공기역학적 추출을 감소/제거, 2) 분할 케이스 설계구조를 갖는 기존 엔진에 개장, 3) 공기역학적 블레이드를 향상시킴, 4) 압축기 블레이드 내구성을 개선시키는 이점을 제공할 수 있다.
본 발명은 현재 고려될 수 있는 가장 실제적이고 바람직한 것을 기술하였지만, 본 발명은 기술된 실시예에 제한되는 것이 아니며 이와는 대조적으로, 첨부된 청구항의 정신 및 범위 내에 포함되는 다양한 변형예 및 동등한 배치를 망라하는 것이다.
도 1은 회전 실속(stall)을 대표적으로 예시한 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 비대칭 압축기 공기를 대표적으로 예시한 개략도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 비대칭 압축기 공기 추출을 하도록 하는 구조로 된 압축기를 개략적으로 예시한 사시도.

Claims (10)

  1. 압축기에서의 기류 제어 방법에 있어서,
    회전 실속과 같은 유동 장애에 대해 작용하도록, 선택된 축방향 부분(20)의 부근 또는 하류로부터 고압 공기를 압축기의 케이싱(18)을 통해 원주방향의 비대칭 패턴으로 추출하는 추출 단계(16)를 포함하는
    기류 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기의 케이싱(18)의 원주 둘레에 비대칭으로 배치된 복수 개의 홀 또는 슬롯(16)을 통해서 고압 공기가 추출되는
    기류 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이싱이 분할 케이싱이고, 상기 분할 케이싱의 상단 케이싱 부분에 배치된 복수의 홀 또는 슬롯을 통해서 상기 고압 공기가 추출되는
    기류 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    회전 실속 형성의 필요 유동 용적 및 특성에 의해 규정된 호(θ호)에 배치된 복수의 홀 또는 슬롯을 통해 고압 공기를 추출하는 단계를 포함하는
    기류 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 홀 또는 슬롯(16)이 상기 호(θ호)에 비대칭적으로 배치되어 있는
    기류 제어 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 추출 단계가 소정 기간 후에 종료되는
    기류 제어 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 추출 단계가 개시된 후 점진적으로 감소될 수 있는
    기류 제어 방법.
  8. 압축기에서의 기류 제어 방법에 있어서,
    회전 실속과 같은 장애에 대해 작용하도록 상기 압축기의 케이싱(18)의 원주 둘레에 비대칭적으로 압축기 공기를 추출하도록 작용시키는 단계(16)를 포함하는
    기류 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    고압 공기의 추출이 압축기 케이싱(18)의 외주 둘레에서 호(θ호)에 배치된 복수의 홀 또는 슬롯(16)을 통해 이루어지며, 상기 호가 필요 유동 용적 및 회전 실속 형성 특성에 의해 규정되는
    기류 제어 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 케이싱이 분할 케이싱이며, 상기 분할 케이싱의 상단 케이싱 부분에 배치된 복수의 홀 또는 슬롯을 통해서 상기 고압 공기가 추출되는
    기류 제어 방법.
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