KR20080067986A - 터보 엔진의 블레이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보 엔진용 블레이드에 관한 것으로서, 상기 터보 엔진용 블레이드는 터빈 블레이드를 포함하고, 매체와 접촉된 상기 터빈 블레이드의 외부면은 지지 구조물을 감싸는 탄성적인 외피로부터 형성되며, 상기 탄성 외피와 상기 지지 구조물 사이에는 유동성 팽창 매체가 존재하며, 상기 팽창 매체가 터빈 블레이드의 한 측면으로부터 다른 측면으로 흘러넘칠 수 있도록 하기 위한 조치들이 취해진다.

Description

터보 엔진의 블레이드{BLADE OF A TURBO ENGINE}

본 발명은 터보 엔진용 블레이드에 관한 것이다.

예를 들어, 터빈, 펌프, 구동 회전자와 같은 모든 종류의 터보 엔진들이 선박용 엔진의 구성 부품으로서 고려된다. 상기와 같은 엔진들의 블레이드는 토크 전달을 위해서 이용된다. 파워는, 예를 들어, 수차(water turbine)와 같은 경우에는 유동 매체로부터 터빈 블레이드에 작용하거나, 예를 들어, 선박 프로펠러와 같은 경우에는 터빈 블레이드로부터 유동 매체에 가해진다.

영국특허공보 제1 345 835호는 터보 엔진용 블레이드에 관하여 기술하고 있다. 상기 공보에 있어서, 상기 블레이드는 유연한 벽들로 구성되어 팽창할 수 있다.

영국특허공보 제1 404 665호는 가스 터빈용 블레이드에 관한 기술을 개시하고 있다. 상기 공보에 있어서, 상기 블레이드의 유입 영역은 공동부를 둘러싸는 하나의 유연한 벽으로부터 형성된다. 상기 공동부의 내부로 압력 매체가 유입됨으로써, 상기 유연한 벽은 변형된다.

블레이드의 형상은 토크 전달의 효율을 위해 중요하다. 회전자 블레이드는 상기 회전자 블레이드가 완전히 규정된 프로파일 단면들을 갖도록 형성되어, 터보 엔진의 작동 조건에 적응되어 있다. 하지만 작동 조건들이 변동되기 때문에, 상기 블레이드의 선택된 프로파일 단면 형상들은 단지 하나의 절충안이 될 수밖에 없다. 개별 블레이드들의 순환은 단지 규정된 작동 상태에서만 최상으로 이루어진다. 상기와 같은 한 가지 작동 상태의 파라미터들 -유동 매체의 유동률, 속도 등- 이 변동되면, 이와 같은 변동은 터보 엔진의 효율 및 캐비테이션(cavitation) 경향에 대하여 단점으로 작용하게 된다. 대칭으로 형성된 프로펠러 블레이드가 설치된 선박용 프로펠러가 있다. 이에 따라, 전방 항해 및 후방 항해를 위한 한 가지 절충안을 얻고자 한다. 그러나 이와 같은 절충안 역시 최선안이 될 수 없는데, 그 이유는 특정 추력(thrust) 방향을 위하여 최적화된 블레이드를 갖는 프로펠러와 비교할 때, 25% 정도까지의 효율 손실이 나타나기 때문이다. 개별 블레이드가 블레이드 푸트의 종축을 중심으로 선회할 수 있는 가변-피치 프로펠러(variable-pitch propeller)가 존재한다. 이와 같은 프로펠러는 소정의 개선을 도모한다. 하지만 상기와 같은 프로펠러로써는 터빈 블레이드의 최적화된 구조의 장점들에 도달할 수 없다. 또한 이와 같은 방안은 값비싼 해결 방안이라는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상이한 작동 조건들에서도 충분히 최상의 상태로 동작할 수 있는 터보 엔진의 터빈 블레이드를 제공하는 데 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 터빈 블레이드는 상기 터빈 블레이드의 관련 지지면의 형태가 개별 작동 조건들에 자동으로 적응된다는 특성을 갖는다. 이와 같은 내용은 특히 상기 지지면의 곡률과 관련이 있다. 이로써, 파워 변환은 최적으로 될 수 있고, 터보 엔진의 효율은 상승할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 터빈 블레이드는 내부 지지 구조물 및 상기 지지 구조물을 둘러싸는 탄성적인 외피를 포함하고, 상기 외피는 작동 중에 매체와 접촉한다. 상기 지지 구조물은 종래 블레이드의 윤곽에 대응하는 윤곽을 갖는다. 상기 지지 구조물의 프로파일은 반드시 특성 작동 조건들과 관련해서 최적화될 필요는 없다. 상기 프로파일은 -두 개의 측면을 기준으로 할 때에는- 대칭일 수 있고, -상기 두 개의 측면에 대하여 수직인 횡단면으로 볼 때에는- 창끝(spearhead)의 형상을 가질 수 있다.

상기 탄성 외피와 지지 구조물 사이에는 유동성 팽창 매체가 주입된다. 상기 유동성 팽창 매체는 일 측면에 있거나 또는 다른 측면에 있을 수 있다. 상기 유동성 팽창 매체가 어느 측면에 있느냐에 따라, 그곳에 있는 상기 탄성 외피의 부분은 팽창되고, 이에 따라 다른 측면에서보다 더 심하게 불룩해진다.

팽창 매체가 터빈 블레이드의 일 측면으로부터 다른 측면으로 흘러넘칠 수 있도록 하기 위한 조치들이 취해질 수 있다. 이와 같은 조치들로서는, 예를 들어, 상기 지지 구조물 내부에서 이루어지는 천공 작업이 고려될 수 있다.

관련 수압 엔진의 작동 시에는, 팽창 매체가 터빈 블레이드의 두 개의 측면들 중 하나의 측면으로 이동함으로써, 결국 탄성적인 외피는 오로지 그 측면에서만 만곡된다. 이와 같은 현상은, 언제나 유입된 측에 마주 놓인 상기 터빈 블레이드의 측면에서만 나타난다. 그러므로, 만곡 현상은 언제나 상기 터빈 블레이드의 "오른" 쪽에서만, 다시 말해 상기 만곡 현상이 수압 엔진의 동작을 최적화하기에 바람직한 장소에서만 나타난다.

이와 같은 사실은 특히, 상술한 바와 같이 추력 방향을 변동시키기 위하여 회전 방향의 진행 방향이 바뀔 수 있는 선박용 프로펠러에서 중요하다. 이 경우에는 터빈 블레이드의 흡입 측과 압력 측이 교체된다.

하지만 전술된 실시예의 대안으로서 아래와 같은 실시예도 고려될 수 있다. 지지 구조물의 양측에 있는 -지지 구조물과 탄성 외피 사이에 각각 존재하는- 두 개의 중간 공간은 압력 매체에 연결될 수 있다. 따라서, 상기 하나의 중간 공간 또는 다른 중간 공간에는 상이한 질량의 압력 매체가 공급될 수 있는데, 다시 말하자면 상이한 양으로 그리고 상이한 압력으로 공급될 수 있다.

상기와 같은 경우에는 지지 구조물을 천공할 필요가 없다. 오히려 지지 구조물은 격막의 기능을 하게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 터빈 블레이드에 의하면, 상기 터빈 블레이드의 관련 지지면의 형태가 개별 작동 조건들에 자동으로 적응된다는 특성을 갖는다. 이와 같은 내용은 특히 상기 지지면의 곡률과 관련이 있다. 이로써, 파워 변환은 최적으로 될 수 있고, 터보 엔진의 효율은 상승할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 터보 엔진용 블레이드에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 제1 유입 상태에서의 선박용 프로펠러의 터빈 블레이드를 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 대상물의 제2 유입 상태를 나타내는 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 터빈 블레이드(1)는 지지 구조물(2)을 포함한다. 상기 지지 구조물은 창끝의 윤곽을 갖는다. 상기 지지 구조물은 자신의 종축을 기준으로 할 때 대칭으로 형성된다. 따라서, 상기 지지 구조물(2)의 두 개의 외부면은 동일한 프로파일을 갖는다.

지지 구조물(2)은 탄성적인 외피(3)에 의하여 감싸져 있다. 예를 들면, 고무 또는 플라스틱과 같은 모든 재료가 고려될 수 있다. 상기 탄성적인 외피(3)가 지지 구조물(2)에 대하여 소정의 초과 크기(oversize)를 가짐으로써, 결과적으로 터빈 블레이드(1)의 일 측면 또는 다른 측면에서는 간극(gap)이 나타나게 된다.

탄성 외피(3)와 지지 구조물(2) 사이에는 유동성 매체(4)가 존재한다. 이하에서는, 상기 유동성 매체를 "팽창-매체"라 언급하기로 한다. 상기 유동성 매체는 지지 구조물(2) 내부에 있는 천공부(2.1)를 통해 터빈 블레이드의 한 측면으로부터 다른 측면으로 흘러갈 수 있다. 도 1 및 도 2는 각각 상기 터빈 블레이드(1)의 상이한 측면에 있는 팽창-매체(4)를 보여준다.

도 1 및 도 2로부터 더 알 수 있는 바와 같이, 상기 팽창-매체는 유입 측으로부터 떨어져서 마주한 상기 터빈 블레이드(1)의 측면에 각각 존재한다. 그와 동시에, 상기 팽창-매체(4)가 존재하는 바로 그 측면에서는 탄성 외피(3)가 더 심하게 만곡되어 있음을 알 수 있다.

작동 중에는 상기 상태가 자동으로 조절된다. 추력 방향을 변동시키기 위해 선박용 프로펠러의 회전 방향이 전환되면, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 압력 분포는 터빈 블레이드에서 초과 압력을 야기하고, 그와 더불어 상기 측면에서 만곡부를 야기하게 된다. 상기 만곡부는 각각 "오른" 쪽에 있다. 터빈 블레이드(1)의 순환이 개선된다. 이에 따라, 효율은 상승하고, 캐비테이션 현상이 방지될 수 있다.

본 발명은 다른 형태로 형성된 터빈 블레이드들에도 적용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 상술한 바와 같은 대칭으로 형성되지 않은 터빈 블레이드가 사용될 수 있다. 본 발명은 또한 다른 조치들에 의하여 형태 또는 윤곽이 변동될 수 있는 터빈 블레이드에도 적용될 수 있다.

도 1은 두 개의 유닛들 중에 제1 유닛의 회전자의 블레이드(1)를 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 일곱 개의 블레이드가 사용될 수 있다. 그러나 일곱 개보다 많거나 또는 적을 수도 있다. 도면을 통해 알 수 있는 바와 같이, 상기 블레이드의 자유 단부들이 방사 유닛의 중앙을 향하고 있음으로써, 결국 상기 자유 단부들 사이에는 공간이 남게 된다.

도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 두 개의 유닛이 사용될 수 있다. 본 도면에서는 두 개의 방사 유닛의 터빈 블레이드들 중에서 일부의 블레이드로 볼 수 있는데, 다시 말하자면 제1 유닛의 터빈 블레이드(1) 및 제2 유닛의 터빈 블레이드로 볼 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터빈 블레이드에 의하면, 상기 터빈 블레이드의 관련 지지면의 형태가 개별 작동 조건들에 자동으로 적응된다는 특성을 갖는다. 이와 같은 내용은 특히 상기 지지면의 곡률과 관련이 있다. 이로써, 파워 변환은 최적으로 될 수 있고, 터보 엔진의 효율은 상승할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 제1 유입 상태에서의 선박용 프로펠러의 터빈 블레이드를 나타내는 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 대상물의 제2 유입 상태를 나타내는 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 터빈 블레이드 2 : 지지 구조물

2.1 : 천공부 3 : 탄성적인 표피

4 : 팽창-매체

Claims (7)

1. 터빈 블레이드(1)를 구비하는 터보 엔진용 블레이드에 있어서,

   매체와 접촉된 상기 터빈 블레이드(1)의 외부면은 지지 구조물(2)을 감싸는 탄성적인 외피(3)로 형성되며,

   상기 탄성 외피(3)와 상기 지지 구조물(2) 사이에는 유동성 팽창 매체(4)가 존재하며,

   상기 팽창 매체(4)가 터빈 블레이드(1)의 일 측면으로부터 다른 측면으로 흘러넘칠 수 있도록 하기 위한 조치들이 취해지는 것을 특징으로 하는 터보 엔진용 블레이드.
2. 터빈 블레이드(1)를 구비하는 터보 엔진용 블레이드에 있어서,

   매체와 접촉된 상기 터빈 블레이드(1)의 외부면은 지지 구조물(2)을 감싸는 탄성적인 외피(3)로부터 형성되며,

   상기 지지 구조물(2)과 상기 탄성 외피(3)의 하나의 넓은 측면 또는 다른 넓은 측면 사이의 중간 공간에 유동성 팽창 매체(4)가 주입될 수 있는 것을 특징으로 하는 터보 엔진용 블레이드.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 지지 구조물(2)은 상기 터빈 블레이드(1)의 두 개의 측면 사이를 연결하는 접속부를 만들기 위하여 천공부(2.1)를 갖는 것을 특징으로 하는 터보 엔진용 블레이드.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 횡단면으로 볼 때 상기 지지 구조물(2)은 상기 터빈 블레이드(1)의 세로 중앙 평면 또는 종축을 기준으로 대칭으로 형성된 것을 특징으로 하는 터보 엔진용 블레이드.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 팽창-매체(4)는 유체, 가스 또는 페이스트 형태의 물질인 것을 특징으로 하는 터보 엔진용 블레이드.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 구조물(2)은 작업 특성의 최적화와 관련하여 유연성을 갖거나 또는 적어도 부분적으로 가요성 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 터보 엔진용 블레이드.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 구조물(2) 및/또는 상기 탄성 외피(3)는 작업 특성의 최적화와 관련하여 상기 터빈 블레이드(1)의 표면에 걸쳐 각각 상이한 두께 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 터보 엔진용 블레이드.

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