KR20110129465A

KR20110129465A - 측정가능한 경사각을 지닌 축류 원심 압축기

Info

Publication number: KR20110129465A
Application number: KR1020117024047A
Authority: KR
Inventors: 지오프로이 루이스-헨리 마리 빌로티; 쟝-필립 오우스티; 니꼴라 로츄온
Original assignee: 터보메카
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2011-12-01
Also published as: CN102341602B; RU2011141460A; EP2406500A1; CA2755017A1; FR2943103A1; JP5687215B2; WO2010103055A1; CA2755017C; US20110318188A1; FR2943103B1; JP2012520412A; CN102341602A; KR101746870B1

Abstract

본 발명은 터보기계의 원심 압축기 또는 축류-원심 압축기를 위한 이동 휠에 관한 것으로서, 상기 압축기는 베이스(2)를 포함하는데, 상기 베이스(2) 위에서 복수의 블레이드(3)가 리딩 에지(8)와 트레일링 에지(9) 사이에서 연장되며 상기 블레이드(3)는 블레이드 풋(6)에 의해 고정되고, 상기 트레일링 에지는 상기 블레이드(3)의 풋(6)에서 압축기(1)의 회전 방향에서 블레이드 풋을 통해 연장되는 자오면(meridian plane)에 대해 경사각(α)만큼 기울어져 있으며, 상기 트레일링 에지(9)는 블레이드(3)의 헤드(7)에서 경사각(β)을 가지는데, 상기 경사각(β)은 블레이드 풋에서의 경사각(α)보다 작다.

Description

측정가능한 경사각을 지닌 축류 원심 압축기{AXIAL CENTRIFUGAL COMPRESSOR WITH SCALABLE RAKE ANGLE}

본 발명은 터보기계에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 하나 이상의 원심 압축 단(stage) 또는 혼합형(축류-원심형) 압축 단을 가진 터보기계 압축기에 관한 것이다.

항공역학 터빈 엔진 및 특히 헬리콥터용 터빈 엔진은 일반적으로 가스 발생기(gas generator)의 압축 단(compression stage)으로서 원심 압축기 또는 혼합형 압축기를 포함한다. 이 압축기들은 실질적으로 축방향 공기 유입구(axial air inlet)와 반경방향 배출구(radial outlet)를 가진 이동 휠(moving wheel) 또는 임펠러(impeller)들에 의해 형성되는데, 블레이드(blade)들이 공기 흐름을 위한 안내부(guide)로서 사용되고 공기 흐름을 유입구 방향으로부터 배출구 방향으로 전환시키는 벨(bell) 형태의 베이스(base) 위에 고정된다. 따라서, 공기 흐름은 상기 베이스와 압축기 케이싱(casing) 사이에서 순환되며(circulate), 임펠러의 다양한 블레이드들에 의해 압축되고 추진된다(propelled).

블레이드의 헤드(head)는 자유롭게 되어 공기 덕트(air duct)를 밀폐하는(closed) 케이싱 또는 커버(cover)의 맞은편에 위치된다. 종래 기술에서 트레일링 에지(trailing edge)는 직선 형태(rectilinear)이며 블레이드의 풋(foot)을 통해 연장되는 임펠러의 자오면(meridian plane)에 대해 기울어질 수도 있다. 상기 자오면과 이루는 각도는 트레일링 에지의 "경사각(ragke angle 또는 slope angle)"으로 표시되며 원심형 임펠러 블레이드를 기술하기 위해 관련되는 기하학적 변수들 중 하나를 구성한다.

원심 임펠러의 트레일링 에지에서 상당한 크기의 경사각(예를 들어, 약 20°)을 선택하면, 특히, 원심력 하에서 블레이드가 굽혀지기 때문에, 블레이드 풋에서의 응력을 줄이는 공지된 수단이 된다.

따라서, 더 나은 성능을 지닌 압축기를 설계할 수 있게 하고, 특히, 똑같은 회전 속도에서 블레이드의 두께 이에 따라 베이스의 쉘(shell)의 두께를 줄일 수 있으며, 따라서 로터의 관성과 부피(mass)를 현저히 줄일 수 있거나, 혹은, 그 외의 경우, 임펠러에 대해 똑같은 부피와 관성에서, 회전 속도를 증가시킬 수 있다.

예를 들어, 터보기계 압축기용 원심형 임펠러가 공보 US 5730582호에 공지되어 있다. 실린더 내에 내접하고 있는(inscribed) 나선(helix) 형태를 지닌 이러한 임펠러에서, 경사각은 트레일링 에지를 따라 모두 일정하다.

직선형 트레일링 에지와 상당한 크기의 경사각을 선택함에 따라, 블레이드의 헤드는 자오면에 대해 블레이드 풋과 동일한 각도만큼 기울어져 있다. 블레이드와 커버 사이가 의도하지 않게 서로 접촉하는 경우에서, 트레일링 에지가 임펠러의 회전 방향에서 기울어져 있는 경우, 블레이드의 헤드는 금속과 자동으로 맞물리려는(auto-engage) 경향을 가지며, 이에 따라 작동 성능을 현저하게 떨어뜨리게 하는 위험이 있다.

또한, 임펠러를 포함하는 환기 장치(ventilation device)에 관해 기술되어 있는 공보 US 4819884호도 공지되어 있는데, 이 환기 장치에서, 경사각은 블레이드의 풋으로부터 블레이드의 헤드를 향해 지속적으로 증가되며 블레이드 헤드가 플레이트 내에 고정되어 블레이드가 상기 환기 장치의 케이싱과 맞물리는 위험이 방지된다.

본 발명의 목적은, 종래 기술의 특정 단점을 가지지 않으며 특히, 블레이드(blade)가 커버(cover)와 접촉하는 경우, 블레이드의 헤드(head)가 자동으로 맞물리는(auto-engagement) 현상 없이, 블레이드 풋(foot)에서 상당한 크기의 경사각을 가진 트레일링 에지(trailing edge)를 포함하는 원심 압축기 또는 혼합형 축류-원심 압축기를 제공하여 위에서 언급한 단점들을 해결하는 데 있다.

이에 따라, 본 발명의 주제는 터보기계(turbomachine)의 원심 압축기 또는 혼합형 축류-원심 압축기용 이동 휠(moving wheel)에 관한 것으로서, 상기 압축기는 베이스(base)를 포함하는데, 상기 베이스 위에서 복수의 블레이드가 리딩 에지(leading edge)와 트레일링 에지(trailing edge) 사이에서 연장되며 상기 블레이드는 블레이드 풋에 의해 고정되고, 상기 트레일링 에지는 상기 블레이드의 풋에서 압축기의 회전 방향에서 블레이드 풋을 통해 연장되는 자오면(meridian plane)에 대해 경사각만큼 기울어져 있으며, 상기 트레일링 에지는 블레이드의 헤드에서 경사각(β)을 가지는데, 상기 경사각(β)은 블레이드 풋에서의 경사각(α)보다 작다.

블레이드 헤드에서의 경사각이 더 작기 때문에, 블레이드의 헤드와 트레일링 에지에 의해 형성된 코너부분(corner)은 케이싱(casing)에 대해 더욱 접선 방향으로 이동하여(move tangentially) 따라서, 의도하지 않게 접촉하는 경우, 내부를 덜 통과할 수 있다.

상기 블레이드 헤드에서 트레일링 에지의 경사각(β)은 0°에 가깝거나 또는 심지어 0°인 것이 바람직하다. 심지어, 더 바람직하게는, 상기 블레이드 헤드에서 트레일링 에지의 경사각(β)은 음의(negative) 값이다. 이러한 형상들로 인해, 트레일링 에지의 헤드에서 코너부분은, 의도하지 않게 접촉하는 경우에, 케이싱 내로 삽입될 수 없게 된다.

한 특정 구체예에서, 트레일링 에지의 곡률(curvature)은 트레일링 에지의 풋과 헤드 사이에서 일정하다. 따라서, 트레일링 에지는 원(circle)의 호(arc) 형태를 가진다.

또 다른 구체예에서, 트레일링 에지의 곡률은 상기 트레일링 에지의 풋과 헤드 사이에서 연속 가변적(continuously variable)이다.

또한, 본 발명은 위에서 기술된 특징들 중 하나를 가진 압축기를 포함하는 터보기계에 관한 것이다. 마지막으로, 본 발명은 이러한 터보기계가 장착된 항공기(aircraft)에 관한 것이다.

하기에서, 도식적으로 도시된 첨부 도면들을 참조하여, 예시적이고 비-제한적인 실시예에 의해서만 주어진 본 발명의 대표 구체예를 상세하게 설명한 내용으로부터, 본 발명은 더 잘 이해될 것이며 그 외의 다른 목적, 상세한 설명, 특성 및 이점들이 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 원심 압축기의 임펠러를 도시한 투시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 원심 압축기 블레이드의 트레일링 에지를 도시한 정면도이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 원심 압축기 블레이드의 트레일링 에지를 도시한 정면도이다.

도 1을 보면, 벨(bell) 형태의 베이스(2)를 포함하는 원심 압축기(1)를 볼 수 있는데, 상기 베이스(2)의 주변(periphery)에 걸쳐 균일하게 분포된 블레이드(3)가 상기 원심 압축기(1) 위에 고정된다. 베이스(2)는 실린더 내에서 압축되어야 하는 공기의 유입 평면(inlet plane)에 상응하여 압축기용 허브(hub)(4)를 형성하는 상측 부분과 상기 압축기의 회전축에 대해 반경 방향으로 배열된 디스크(5) 내에 있는 하측 부분에서 끝을 이룬다(terminate). 블레이드(3)는 베이스(2)에 의해 블레이드 풋(foot)(6)에 고정되며 블레이드의 헤드(head)(7)는 자유롭게 되어 압축기 케이싱(도시되지 않음) 내부에서 회전된다. 공기 스트림(air stream)의 흐름 방향에서, 블레이드는 허브(4)에 위치된 리딩 에지(leading edge)(8)와 디스크(5)에 위치된 트레일링 에지(trailing edge)(9) 사이에서 연장된다.

이제, 종래 기술에 따른 도 2를 보면, 압축기 블레이드(3)의 트레일링 에지(9)를 볼 수 있다. 블레이드 풋에서 상기 블레이드 트레일링 에지는 트레일링 에지를 통과하는 자오면(meridian plane)에 대해 회전 방향에서 경사각(α)만큼 기울어져 있다. 상기 트레일링 에지(9)는 직선 형태(rectilinear)로서, 이는 블레이드 풋으로부터 트레일링 에지(9)의 헤드까지 모든 높이에 걸쳐 블레이드 풋에서의 한 값과 동일한 경사각을 가진다는 의미이다.

이에 비해, 도 3에서, 트레일링 에지(9)는 트레일링 에지의 높이를 따라 가변적인 형태를 가진다. 트레일링 에지는 종래 기술에서와 같이 형성되는 블레이드(3)의 풋(6)에서 회전 방향으로 경사각(α)만큼 기울어져 있으나, 하지만 이 경사각은 블레이드(3)의 헤드(7)에서 값(β)에 도달하게 하기 위해 트레일링 에지를 따라 상부를 향하는 방향(upward direction)으로 점차 감소하게 되며, 상기 값(β)은 경사각(α)보다 작다. 상기 값(β)은 0° 또는 심지어 음(negative)의 값일 수도 있는데, 이는 블레이드의 헤드가 임펠러(impeller)의 회전 방향에 대해 반대 방향으로 기울어져 있다는 의미이다.

따라서, 제안된 본 발명은, 트레일링 에지(9)에서 블레이드 풋(6)에서 큰 경사각(α)을 선택하는 단계 및 그 후 블레이드의 헤드에서 상대적으로 작거나 혹은 심지어 0° 또는 음의 경사각을 찾기 위해 블레이드(3)에 곡률(curvature)을 적용하는 단계로 구성된다. 블레이드 풋(6)에서 큰 경사각(α)이 존재하는 것은 블레이드의 풋에서 굽힘 응력(bending stress)을 줄일 수 있게 하는 반면, 헤드(7)에서의 작은 경사각(α)은 케이싱과 트레일링 에지(9)에서의 블레이드 헤드(7) 사이에서 우발적으로 접촉하는 경우 케이싱 내에서 블레이드(3)가 자동으로 맞물리는(auto-engagement) 위험성을 줄인다.

트레일링 에지(9)에서 이러한 프로파일은 블레이드의 기하학적 형태를 3차원으로 형성할 수 있게 하는 점 기계가공법(point machining method)에 좌우되며, 이에 비해, 종래 기술에서 사용된 플랭크 기계가공법(flank machining)은 블레이드 프로파일 디자인을 위해 룰드 표면(ruled surface)(즉 직선의 스택(stack)으로 구성된)을 부과하는(imposing) 가능성을 제한한다.

상기와 같이 블레이드 프로파일의 기하학적 형태를 변형시키는 것은 상당한 항공역학적인 영향을 끼치지 않는다. 본 발명에 따른 블레이드(3)를 사용하면 심지어 압축기의 성능을 높여, 트레일링 에지(9)의 높이를 따라 경사각이 감소되는 결과를 가져온다.

본 발명에 따라, 블레이드의 헤드가 자동으로 맞물리는 성질이 줄어들고 블레이드의 응력이 감소되는 이중 효과는 계산에 의해 실제 블레이드에서 입증되었다.

따라서, 본 발명은 부피(mass)와 관성을 줄이거나 또는 똑같은 부피와 관성으로 케이싱과 블레이드(3) 사이가 접촉되는 경우 작동 행태(behavior)를 떨어뜨리지(degrading) 않고도 회전 속도를 증가시킬 수 있게 한다.

블레이드 풋(6)과 헤드(7) 사이의 트레일링 에지(9)에서 블레이드(3)의 곡률을 변경시키기 위해 다수의 변형예들이 고려될 수 있다. 상기 곡률은 예를 들어 일정할 수 있으며, 트레일링 에지가 원(circle)의 호(arc) 형태를 가질 수 있거나 또는 그 외의 경우 연속 가변적(continuously variable)일 수 있다. 블레이드의 헤드와 풋 사이의 곡률은 압축기의 항공역학적 성능에 미치는 영향에 따라 선택된다.

본 발명이 특정 구체예에 대해 기술되었지만, 상기 특정 구체예에만 제한되는 것이 아니라 본 발명의 범위 내에 있는 상기 기술된 모든 기술적 균등예들과 그 조합예들을 포함한다는 것은 자명하다.

Claims

터보기계(turbomachine)의 원심 압축기 또는 혼합형 축류-원심 압축기(mixed axial-centrifugal compressor)용 이동 휠(moving wheel)로서, 상기 압축기는 베이스(2)를 포함하는데, 상기 베이스(2) 위에서 복수의 블레이드(3)가 리딩 에지(8)와 트레일링 에지(9) 사이에서 연장되며 상기 블레이드(3)는 블레이드 풋(6)에 의해 고정되고, 상기 트레일링 에지는 상기 블레이드(3)의 풋(6)에서 압축기(1)의 회전 방향에서 블레이드 풋을 통해 연장되는 자오면(meridian plane)에 대해 경사각(α)만큼 기울어져 있는, 터보기계의 원심 압축기 또는 혼합형 축류-원심 압축기용 이동 휠에 있어서,
상기 트레일링 에지(9)는 블레이드(3)의 헤드(7)에서 경사각(β)을 가지는데, 상기 경사각(β)은 블레이드 풋에서의 경사각(α)보다 작은, 터보기계의 원심 압축기 또는 혼합형 축류-원심 압축기용 이동 휠.
제 1 항에 있어서,
상기 블레이드 헤드에서 트레일링 에지(9)의 경사각(β)은 0°에 가깝거나 또는 심지어 0°인 것을 특징으로 하는 터보기계의 원심 압축기 또는 혼합형 축류-원심 압축기용 이동 휠.
제 1 항에 있어서,
상기 블레이드 헤드에서 트레일링 에지(9)의 경사각(β)은 음의(negative) 값인 것을 특징으로 하는 터보기계의 원심 압축기 또는 혼합형 축류-원심 압축기용 이동 휠.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 트레일링 에지(9)의 곡률(curvature)은 상기 트레일링 에지의 헤드(7)와 풋(6) 사이에서 일정한 것을 특징으로 하는 터보기계의 원심 압축기 또는 혼합형 축류-원심 압축기용 이동 휠.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 트레일링 에지(9)의 곡률은 상기 트레일링 에지의 헤드(7)와 풋(7) 사이에서 연속 가변적(continuously variable)인 것을 특징으로 하는 터보기계의 원심 압축기 또는 혼합형 축류-원심 압축기용 이동 휠.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 이동 휠을 포함하는 압축기.
제 6 항에 따른 압축기를 포함하는 터보기계.
제 7 항에 따른 터보기계가 장착된 항공기(aircraft).