KR20140005145A

KR20140005145A - 원심 압축기용 반경 방향 디퓨저 베인

Info

Publication number: KR20140005145A
Application number: KR1020137006210A
Authority: KR
Inventors: 센 라다크리쉬난; 리베로 타피나시; 클라리 수산느 잉게보르크 스벤스도떠르
Original assignee: 누보 피그노네 에스피에이
Priority date: 2010-08-12
Filing date: 2010-08-12
Publication date: 2014-01-14
Also published as: WO2012019650A1; EP2603703A1; RU2581686C2; RU2013110571A; CN103154526A; US20130224004A1; CA2811348A1; AU2010358891A1

Abstract

예시적 실시형태들에 따른 장치들, 시스템들 및 방법들은 S자 형상의 캠버 라인(408)을 갖는 디퓨저 베인들을 구비하는, 예를 들면, 터보 기계(300)의 부품으로서의 디퓨저를 제공한다. 이와 같은 S자 형상의 캠버 라인(408)은 변곡점을 갖는 함수들에 의해 정의된다. 이와 같은 형상을 갖는 디퓨저 베인(400)들을 사용하면, 무엇보다도, 전연(402)에 근접하여 배치되는 디퓨저 베인(400)들 중의 일부분이 설계 조건들에서의 작동 시에 실질적으로 부하를 받지 않고, 이 부하는 디퓨저 베인들의 중간 부분을 향해 최대 부하 값까지 점진적으로 증대되는 작동 특징을 얻게 된다.

Description

원심 압축기용 반경 방향 디퓨저 베인{RADIAL DIFFUSER VANE FOR CENTRIFUGAL COMPRESSORS}

본 발명은 일반적으로 압축기에 관한 것이고, 더 구체적으로는 원심 압축기용 디퓨저 베인에 관한 것이다.

압축기는 기계적 에너지의 사용을 통해 기체 입자들을 가속시켜 궁극적으로 압축성 유체, 예를 들면, 기체의 압력을 증대시키는 기계이다. 압축기는 가스 터빈 엔진의 초기 단계로서의 작동을 포함하는 복수의 상이한 용도에 사용된다. 다양한 유형의 압축기 중에 소위 원심 압축기가 있고, 이 원심 압축기에서는 기계적 에너지가, 예를 들면, 압축성 유체가 통과하는 원심 임펠러(때때로 "로터"라고도 부름)를 회전시킴으로써 원심 가속도를 통해 압축기의 기체 입력에 작용한다. 더욱 일반적으로, 원심 압축기는 "터보 기계" 또는 "터보 회전 기계"로 알려져 있는 기계류의 일종의 일부라고 말할 수 있다.

원심 압축기는 단일 임펠러, 즉 단단(single stage) 구성이나 복수의 직렬 임펠러들을 장착할 수 있고, 이 경우 종종 다단(multistage) 압축기라고 부른다. 원심 압축기의 단(stages)들의 각각은 압축될 기체를 위한 입구 도관(인듀서 부분), 입력 기체에 운동 에너지를 부여할 수 있는 임펠러, 및 로터/임펠러로부터 배출되는 기체의 운동 에너지를 압력 에너지로 변환시키는 디퓨저를 포함한다.

더 구체적으로, 공정 기체의 유동 방향으로 압축기의 축선을 따라 취해진 도 1a의 예시적인 측단면도에 도시된 바와 같이, 원심 압축기 단(100)은 로터(104)에 부착되는 임펠러(102), 임펠러에 이어지는 디퓨저(106) 및 반송로 또는 출구 스크롤(108)을 포함한다. 디퓨저(106)는 임펠러(102)의 출구로부터 고속 유체를 수집하고, 이 유체를 감속시킬 수 있고, 이것에 의해 동압을 정압으로 변환시킨다. 이 구조의 다른 도면을 제공하기 위해, 도 1b는 다른 축선, 즉 공정 기체의 유동 방향에 수직한 축선을 따라 취한 압축기 단(100)의 단면도를 도시한다. 여기서, 로터(104)는 복수의 임펠러 블레이드(114)들을 갖는 임펠러(102)가 둘러싸고 있는 도면의 중앙에 도시되어 있다. 임펠러 블레이드(114)들은 그 일단부 상에서 임펠러(102)의 허브 부분(116)에 그리고 그 타단부 상에서 임펠러(102)의 슈라우드 부분(118)에 연결될 수 있다.

본 출원에서 더욱 흥미로운 것은 디퓨저 부분(106)이다. 베인을 장착한 디퓨저(106)들(즉, 이들 디퓨저는 도 1b에서 가장 잘 보여지는 바와 같이 유동로를 따라 원주 배열의 에어포일들(디퓨저 블레이드(110)들)을 갖는다)을 사용하여 임펠러 출구에서의 고도의 접선방향 유체 유동을 디퓨저 출구를 향해 더욱 반경방향이 되도록 안내함으로써 더 높은 단 효율(stage efficiency)을 달성한다. 비교로서, 일부의 원심 압축기는 도 1c에 도시된 바와 같이 베인리스 디퓨저 부분(120)을 갖는다. 유체 유동을 베인들을 사용하여 디퓨저(106) 내측에서 더욱 반경 방향화하면 디퓨저(106)를 통한 유체의 이동 거리가 감소한다. 이 개념은 1(d)에 도시된 원심 펌프 내의 유동 화살표에 의해 도시되어 있다.

유체에 의해 취해지는 거리를 감소시키면, 공정 유체의 이동과 관련된 마찰 손실이 감소되고, 그 결과 베인리스 디퓨저를 사용하는 압축기에 비해 베인을 장착한 디퓨저를 사용하는 압축기의 효율이 증대된다. 다른 한편, 원심 압축기 베인을 장착한 디퓨저(106)를 사용하는 원심 압축기 단들은 또한 그들 베인리스를 사용하는 원심 압축기의 단들에 비해 그들의 감소된 작동 범위로 유명하다.

베인을 장착한 디퓨저(106)를 포함하는 원심 압축기(100)의 작동 범위는 적어도 부분적으로 사용되는 디퓨저 블레이드(110)의 형상에 기초하여 결정된다. 디퓨저 블레이드(또는 더욱 일반적으로 임의의 에어포일)의 형상은 캠버 라인(즉, 디퓨저 블레이드의 상면 및 디퓨저 블레이드의 하면 사이의 중앙에서 작도되는 선) 및 이 캠버 라인을 따른 두께 분포에 의해 표현될 수 있다. 2가지 종래에 사용되는 디퓨저 블레이드의 형상이 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있다. 도 2a에서 시작하면, 직선상 캠버 라인(202), 즉 디퓨저 블레이드의 상면(204)과 디퓨저 블레이드의 하면(206) 사이에 점선으로 작도된 구배 변화가 전혀 없는 캠버 라인을 갖는 디퓨저 블레이드(200)가 도시되어 있다.

원심 압축기에 직선상 캠버 라인을 갖는 디퓨저 블레이드(200)들을 사용하는 것은, 예를 들면, 그 형상을 구비하는 디퓨저 베인의 전연은 비교적 높은 부하를 받고, 압축기는 비교적 낮은 스톨(stall) 한계를 가지므로 문제가 된다.

도 2b는 등각 사상 블레이드 캠버라고 부르는 상이한 형상을 갖는 대안적인 디퓨저 블레이드(208)를 도시한다. 그 상면(212)과 하면(214) 사이에 점선(210)으로 작도된 등각 사상 블레이드 캠버 라인은, 예를 들면, 사각 평면 내에서 에어포일의 캠버 라인의 좌표(x, y) 및 원형 평면 내에서 극좌표(r, θ)를 이용하여 다음과 정의될 수 있다:

여기서,

r₀은 디퓨저 베인 전연의 반경 방향 위치의 반경,

α₃은 디퓨저 베인 전연에서의 절대 속도의 각도이다.

이 디퓨저 블레이드의 형상은 또한 원심 압축기에서 디퓨저의 부품으로서 사용될 때 어느 정도의 결점을 갖게 된다. 예를 들면, 원심 압축기에 등각 사상 캠버 라인을 갖는 디퓨저 블레이드(208)를 사용하는 것은 그 형상을 구비하는 디퓨저 베인의 후연은 비교적 높은 부하를 받고, 압축기는 비교적 낮은 초크(choke) 한계를 가지므로 문제가 된다.

따라서, 원심 압축기의 성능을 향상시키고, 또 기존의 디퓨저 블레이드의 형상의 전술한 결점들에 대처하는 형상을 갖는 디퓨저 블레이드를 설계하여 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 다양한 장치들, 시스템들 및 방법들은, 예를 들면, 터보 기계의 부품으로서, S자 형상의 캠버 라인을 가지는 디퓨저 베인들을 구비하는 디퓨저를 제공한다. 이와 같은 S자 형상의 캠버 라인은 그 길이를 따라 변곡점을 갖는 함수 또는 이와 같은 곡선의 일부로서 정의된다. 이와 같은 형상을 갖는 디퓨저 베인을 사용하면, 무엇보다도, 설계 조건에서 작동할 때 전연에 근접하여 배치되는 디퓨저 베인들 중의 일부분은 실질적으로 부하를 받지 않고, 부하는 디퓨저 베인들의 중간부를 향해 최대 부하 값까지 점진적으로 증대되는 작동 특징을 얻게 된다.

예시적인 실시형태에 따르면, 터보 기계는 적어도 하나의 임펠러를 갖는 로터 조립체, 로터 조립체에 연결되고, 로터 조립체를 회전 가능하게 지지하기 위한 베어링, 및 임펠러의 출구 부분에 연결되는 적어도 하나의 디퓨저를 포함하는 스테이터를 포함하고, 적어도 하나의 디퓨저는 복수의 디퓨저 베인들을 포함하고, 복수의 디퓨저 베인들 중 적어도 하나는 변곡점을 갖는 함수에 의해 정의되는 캠버 라인을 갖는다.

다른 예시적인 실시형태에 따르면, 터보 기계를 제작하는 방법은 적어도 하나의 임펠러를 포함하는 로터 조립체를 제공하는 단계, 로터 조립체를 회전 가능하게 지지하기 위해 베어링 조립체에 로터 조립체를 연결하는 단계, 및 임펠러의 출구 부분에 연결되는 적어도 하나의 디퓨저를 포함하는 스테이터 조립체를 제공하는 단계를 포함하고, 적어도 하나의 디퓨저는 복수의 디퓨저 베인들을 포함하고, 복수의 디퓨저 베인들 중 적어도 하나는 변곡점을 갖는 함수에 의해 정의되는 캠버 라인을 갖는다.

다른 예시적인 실시형태에 따르면, 디퓨저는 내부 환형 벽, 외부 환형 벽, 내부 환형 벽과 외부 환형 벽 사이에 배치되는 플레이트 부분, 및 플레이트 부분 상에 배치되는 복수의 디퓨저 베인들을 포함하고, 복수의 디퓨저 베인들 중 적어도 하나는 변곡점을 갖는 함수에 의해 정의되는 캠버 라인을 갖는다.

첨부된 도면들은 예시적 실시형태들을 도시한다.

도 1a 내지 도 1d는 원심 압축기에 사용되는 디퓨저와 관련되는 배경 기술을 도시하고;
도 2a 및 도 2b는 각각 종래의 직선상 캠버 라인 및 등각 사상 캠버 라인 디퓨저 블레이드를 도시하고;
도 3은 예시적 실시형태들에 따라 제작된 디퓨저가 사용될 수 있는 예시적인 원심 압축기를 도시하고;
도 4는 에어포일 개념을 도시하고;
도 5는 예시적 실시형태들에 따른 디퓨저 실시와 관련되는 베타 각도들을 도시하고;
도 6은 하나의 예시적 실시형태에 따른 S자 형상의 캠버 라인을 갖는 디퓨저 블레이드 프로파일을 도시하고;
도 7은 다른 캠버 라인들에 대비되는 하나의 예시적 실시형태에 따른 S자 형상의 캠버 라인을 도시하는 그래프이고;
도 8은 하나의 예시적 실시형태에 따른 S자 형상의 캠버 라인 및 그 변곡점을 도시하는 그래프이고;
도 9 내지 도 11은 예시적 실시형태들에 따른 시뮬레이션 결과들을 도시하는 도면들이고;
도 12는 하나의 예시적 실시형태에 따른 터보 기계를 제작하는 방법을 설명하는 흐름도이고;
도 13은 하나의 예시적 실시형태에 따른 디퓨저를 도시하고,
도 14는 하나의 예시적 실시형태에 따른 S자 형상의 캠버 라인을 정의하는 베지어 곡선(Bezier curves)의 사용법을 도시한다.

이하의 예시적 실시형태들의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조한다. 다른 도면들 내의 동일한 도면 부호들은 동일하거나 유사한 요소들을 나타낸다. 또한, 이하의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 그 대신, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들에 의해 한정된다.

예시적 실시형태들에 따른 디퓨저 블레이드 및 디퓨저 블레이드의 형상에 관련된 이하의 설명에 대한 배경을 제공하기 위해, 도 3은 이와 같은 디퓨저 블레이드들이 사용될 수 있는 예시적인 다단 원심 압축기(300)를 개략적으로 도시하고 있다. 여기서, 압축기(300)는 박스 또는 하우징(스테이터)(302)을 포함하고, 그 내부에는 복수의 원심 로터들 또는 임펠러(306)들을 구비하는 회전 압축기 샤프트(304)가 장착된다. 로터 조립체(308)는 샤프트(304) 및 로터(306)들을 포함하고, 또 이 로터 조립체(308)의 양측 상에 배치되는 베어링(310)들을 통해 반경 방향 및 축방향으로 지지된다.

이 다단 원심 압축기(300)는 덕트 입구(312)로부터 입력 공정 기체를 취하고, 로터 조립체(308)의 작동을 통해 이 공정 기체 입자들을 가속시키고, 이어서 그 입력 압력보다 높은 출력 압력으로 복수의 중간단 덕트(314)들을 통해 공정 기체를 이송하도록 작동한다. 공정 기체는, 예를 들면, 대기, 이산화탄소, 수소 황화물, 부탄, 메탄, 에탄, 프로판, 천연 가스, 또는 이들의 조합 중의 임의의 하나일 수 있다. 임펠러(306)들과 베어링(310)들 사이에는, 베어링(310)들로부터 공정 기체의 유출을 방지하기 위해 실링 시스템(도시되지 않음)들이 제공된다. 하우징(302)은 베어링(310)들과 실링 시스템의 양자를 커버하여 원심 압축기(300)로부터 기체의 유출을 방지하도록 구성된다. 본 기술 분야의 당업자들은 도 3에 도시된 원심 압축기(300)가 단순히 예시적인 것이고, 또 이하에서 설명되는 디퓨저 및 디퓨저 블레이드는 다른 압축기, 예를 들면, 직렬 압축기, 병렬 압축기, 축류 압축기, 원심 펌프, 터빈, 터보 팽창기 등에 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

다음에 디퓨저 및 디퓨저 블레이드의 형상의 설명으로 돌아가서, 에어포일 및 에어포일 용어의 설명은 본 예시적 실시형태들의 더 깊은 이해를 위해 독자에게 도움이 될 것이다. 도 4를 보면, 일반적인 에어포일(400)은 전연(LE)(402) 및 후연(TE)(404)을 갖고, 전연(402)은 유체와 최초로 접촉하고, 그 결과 이 유체를 상측 및 하측 흐름으로 분리시키는 에어포일의 일단부이고, 후연은 이 흐름들이 합류하는 에어포일(400)의 타단부이다. 코드 라인(406)은 전연(402)과 후연(404) 사이의 직선이고, 한편 평균 캠버 라인(408)(때때로 간단히 "캠버 라인"이라고도 한다)은 에어포일(400)의 상면(410)과 에어포일(400)의 하면(412) 사이의 중간에 배치된다. 에어포일(400)은 전연(402)으로부터 소정의 거리에 위치될 수 있는 최대 두께(414)의 지점을 가질 수 있다. 에어포일(400)에 관련된 이들(또는 다른) 파라미터들을 변화시키면 다양한 공기역학적 성능을 얻을 것이다.

도 5는 원심 압축기(300)의 디퓨저 부분(502)에서 디퓨저 블레이드(500)들로서의 에어포일의 용도와 관련되는 일부의 추가의 용어를 설명한다. 캠버 라인은, 예를 들면, 디퓨저 블레이드(500)의 길이를 가로지르는 베타 각도들(또는 베타 각도들의 변화)의 함수로서 작도될 수 있다. 예를 들면, 디퓨저 블레이드(500)들의 형상 뿐만 아니라 그 배향은 디퓨저 블레이드(500)들의 전연 및 후연의 각각에 대한 입구 및 출구 베타 각도들을 정의한다. 더 구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 입구 및 출구 베타 각도들은 (1) 원 또는 호와 관련되는 그리고 (샤프트(104)의 회전 축선으로부터) 작도된 전연 및 후연의 위치를 나타내는 반경(504, 506), 및 (2) 문제의 지점에서의 순간 곡률과 관련된 (블레이드 캠버 라인에 접하는) 투사선(508, 510)에 대해 정의된다. 도 5에는 디퓨저 블레이드(500) 상의 입구 및 출구 점들에 대해서만 도시되어 있으나, 금속 디퓨저 베인(400)들의 베타 각도들은 또한 전연 및 후연 사이의 임의의 점에 대해서 계산될 수 있고, 또 이하에서 설명되는 바와 같이 베타 각도들의 분포의 함수로서 캠버 라인들을 작도하기 위해 사용될 수 있다.

예시적 실시형태들에 따르면, 디퓨저 베인들의 캠버 라인들은, 무엇보다도 전술한 디퓨저 베인의 형상 및 관련된 캠버 라인에 비해 베인의 전연 및 후연 사이의 더욱 균형 잡힌 부하를 얻는 S자 형상이다. 예시적 실시형태에 따른 S자 형상의 캠버 라인(602)을 갖는 디퓨저 베인(600)의 일례는 도 6과 같이 제공된다. 도 6에서는 잘 보이지 않지만, 이 캠버 라인(602)의 S자 형상은 전연(x축 상의 0)으로부터 후연(x축 상의 100)까지 베인(600)의 길이를 가로지르는 베타 각도의 함수로서 S자 형상의 캠버 라인(602)을 보여주는 도 7에서 더 명확하게 보인다. 비교를 위해, 직선상 캠버 라인(700)과 등각 사상 캠버 라인(702)도 동일한 도면 상에 도시되었다.

본 명세서에서 일반적으로 "S자 형상" 캠버 라인이라고 기재되어 있으나, 이들 예시적 실시형태들에 따른 디퓨저 블레이드들 또는 베인들은, 예를 들면, 최소 3차인 대수 방정식 또는 함수에 의해 더 구체적으로 정의되는 캠버 라인들을 갖는다. 비교로서, 도 2a 및 도 2b에 관하여 설명된 전술한 종래의 디퓨저 베인들은 선형 또는 이차 방정식, 즉 1차 및 2차 방정식에 의해 정의되는 캠버 라인들을 갖는다. 따라서, 일부의 예시적 실시형태들에 따른 디퓨저 블레이드(600)들에 관련된 캠버 라인(602)들은 다음의 형태의 함수에 의해 정의될 수 있다:

y = ax³ + bx² + cx +d

여기서, a, b, c 및 d는 상수이다. 그러나, 이하에서 설명되는 바와 같이, 다른 예시적 실시형태들에 따른 디퓨저 블레이드들에 관련된 캠버 라인들은 다른 유형의 함수에 의해 설명될 수 있다.

하나의 예시적 실시형태에 따른 디퓨저 블레이드에 관련된 다른 S자 형상의 캠버 라인(800)은 도 8에 도시되어 있다. 여기서, 베타 각도의 변화가 디퓨저 블레이드의 길이를 가로질러 작도되어 캠버 라인의 S자 형상의 특징을 드러내고 있다. 3차 방정식의 특징은 변곡점, 즉 곡률(이차 도함수)의 부호가 변화하는 함수 또는 그래프 내의 하나의 점을 갖는다는 것이다. 비교로서, 종래의 설계에 관련된 캠버 라인 함수는 도 8에 또한 도시된 직선상 캠버 라인 및 등각 사상 캠버 라인에 의해 도시된 바와 같이 변곡점을 갖지 않는다. 본 명세서에 설명된 S자 형상의 곡선의 전체가 예시적 실시형태들에 따른 디퓨저 블레이드의 제작에 사용될 필요는 없다는 것, 즉 곡선은 절단될 수 있고, 여전히 본 명세서에 기재된 이익을 제공할 수 있다는 것에 주목해야 한다. 예를 들면, 도 8에 도시된 곡선의 일부인 x축 상의 0.6 내지 1배의 곡선이 예시적 실시형태에 따른 디퓨저 블레이드를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 무엇보다도, 이것은 직선상 캠버 라인의 형상(따라서, 또한 도 8에 도시된 바와 같은 등각 사상 캠버 라인)과 관련되는 것보다 큰 Δβ 값을 구비하는 일부의 예시적 실시형태들에 따른 캠버 라인들을 갖는 디퓨저 형상을 제공한다. 따라서, "변곡점을 갖는 함수에 의해 정의되는 캠버 라인을 갖는 디퓨저 베인들"이라는 어구는, 예를 들면, 함수에 의해 정의되는 변곡점이 절단된 것을 포함하는 이와 같은 함수들의 절단 형(cutoff version)에 의해 정의되는 형상을 갖는 디퓨저 베인들을 포함한다는 것이 본 기술분야의 당업자에 의해 인정될 것이다.

전술한 바와 같은 S자 형상의 디퓨저 베인들을 사용함으로써, 설계 조건들에서 전연에 근접하는 블레이드의 부분은 부하를 받지 않고, 블레이드의 중간 부분을 향해 최대 부하까지 점진적으로 부하가 증대된다. 예시적 실시형태에 따른 부하를 받지 않는 전연은 보다 낮은 유량에서 보다 낮은 유동 분리(flow separation)를 겪게 될 것이고, 그 결과 압축기의 좌측 작동 한계를 증대시킨다. 예시적 실시형태들과 관련된 이들 이익은 이하에서 설명되고, 도 9 내지 도 11에 도시되는 다양한 시뮬레이션 결과에 의해 보여진다.

도 9는 (1) 선(910, 912)으로서 작도되는 직선상 캠버 라인을 구비하는 베인을 장착한 디퓨저, 및 (2) 선(900, 902)에 의해 도시되는 이들 예시적 실시형태들에 따른 (이하에서 설명되는 바와 같은 시그모이드 함수에 기초한) S자 형상의 프로파일을 구비하는 베인을 장착한 디퓨저에 대해 실행된 2개의 시뮬레이션에 관련된 결과를 도시한다. 이 시뮬레이션에서 사용되는 난류 모델은 임펠러 블레이드 통로 (인듀서, 하나의 실물 크기의 블레이드 및 스플리터(splitter) 임펠러의 경우에 하나의 스플리터 블레이드) 및 하나의 디퓨저 블레이드 통로로 이루어지는 계산 영역을 구비하는 윌콕스(Wilcox) k-w 난류 모델이다. 이 시뮬레이션에서 디퓨저 베인들은 낮은 솔리디티(solidity)의 베인들로서 설계되었다. 이 시뮬레이션에서 회전 영역과 비회전 영역 사이의 경계는 임펠러 후연과 디퓨저 베인 전연 사이의 거리의 50%로서 규정된다. 이 시뮬레이션에 관련된 계산은 입구에서 특정되는 총 압력과 총 온도 및 출구에서 특정되는 질량 유량을 이용하여 실행되었다. 모든 외벽은 단열된 것으로 가정되었고, 임펠러 시일을 통한 누설 유동은 무시할 수 있는 것으로 가정되어 모델화되지 않았다. 상류의 임펠러는 0.0206의 설계 유량 계수 및 0.3의 주속 마하수(peripheral Mach number)를 갖는 것으로서 시뮬레이션되었다.

도 9에 도시된 결과들은 원심 압축기(300)의 설계 점에서 약 0.5포인트의 효율 증가 및 이 그래프의 좌측에 근접하여, 즉, 75% 유동에서 약 2포인트의 효율 증가를 보여준다. 이 결과는 예시적 실시형태들은 원심 압축기를 위한 스톨 한계(stall limit)를 증대시킨다는 전술한 결론을 확인해 준다. 직선상 캠버 라인을 가지는 디퓨저 베인들로서 시뮬레이션된 원심 압축기에 대한 그래프의 우측 상의 효율 감소가 또한 주목된다.

도 10 및 도 11에 그 결과가 도시된 다른 시뮬레이션은 등각 사상 캠버 라인(함수(1000, 1100)), 직선상 캠버 라인(함수(1004, 1104))을 갖는 디퓨저 블레이드들을 사용하는 원심 압축기에 대해 수행되었고, 예시적인 S자 형상의 캠버 라인의 결과는 함수(1002, 1102)로서 도시되었다. 도 10은 예시적 실시형태들의 더 높은 전체적 효율을 도시한다. 더 구체적으로, 이 비교는, 예를 들면, 이 예시적 실시형태가 비록 등각 사상 캠버 라인 압축기에 비해 약간 낮은 효율이기는 하지만 직선상 캠버 라인 디퓨저를 사용하는 원심 압축기에 대비하여 작동 범위의 좌측 상에서 약 1.5포인트의 효율 개선을 갖는다는 것을 보여준다. 추가하여, 도 10의 그래프의 우측에서, 예시적 실시형태에 따른 S자 형상의 캠버는 등각 사상 캠버보다 훨씬 우수하고, 직선상 캠버보다는 약간만 낮은 효율로 수행되었음을 볼 수 있다.

요약하면, 원심 압축기에서 S자 형상의 캠버 라인을 갖는 디퓨저 베인들 또는 블레이드들을 사용하는 것과 관련된 효율의 이익 및 이점의 일부는 좌측(하측) 작동 범위를 향한 더 높은 효율, 그 결과 압축기의 스톨 한계의 증대, 다른 설계에 비해 설계 점에서의 더 우수하거나 필적하는 효율, 및 일부의 설계(즉, 등각 사상 캠버 라인 설계를 제외)에 비해 초크 한계를 향한 더 낮은 효율을 포함한다.

이 시뮬레이션은 또한 도 11에 도시된 바와 같이 직선상 캠버 라인 디퓨저 및 베인리스 디퓨저에 대비되는 예시적 실시형태에 따른 S자 형상의 캠버 라인 디퓨저에 대한 더 높은 폴리트로프 헤드(polytropic head)의 상승을 보여주었다. 여기서, 직선상 캠버 라인 디퓨저 함수(1104)에 대한 5.2%의 헤드 상승 및 베일리스 디퓨저에 대한 6.2%의 헤드 상승에 대비되는 6.5%의 헤드 상승은 예시적 실시형태에 따른 S자 형상의 캠버 라인의 디퓨저 함수(1102)에 대해 측정되었음을 볼 수 있다. 등각 사상 디퓨저 함수(1100)는 예시적 실시형태(1102)의 것보다 단지 약간 우수한 헤드 상승을 보여준다.

예시적 실시형태들은 또한 도 12의 흐름도와 같이 표현될 수 있는 터보 기계의 제작 방법을 포함한다. 여기서, 단계(1200)에서, 적어도 하나의 임펠러를 포함하는 로터 조립체가 제공된다. 이 로터 조립체는 단계(1202)에서 로터 조립체를 회전 가능하게 지지하는 베어링 조립체에 연결된다. 단계(1203)에서 임펠러(102)의 출구 부분에 연결되는 적어도 하나의 디퓨저를 포함하는 스테이터 조립체가 제공되고, 적어도 하나의 디퓨저는 복수의 디퓨저 베인들을 포함하고, 복수의 디퓨저 베인들 중 적어도 하나는 변곡점을 갖는 함수에 의해 정의되는 캠버 라인을 갖는다.

이들 다양한 예시적 실시형태들에 따른 S자 형상의 캠버 라인을 갖는 디퓨저 베인들을 구비하는 원심 압축기를 제조하는 것에 외에, 또한, 예를 들면, 베인리스 디퓨저에 대비하여 효율을 상승시키거나 기존의 베인을 장착한 디퓨저와 관련된 범위의 손실을 감소시키기 위해, 예시적 실시형태에 따른 S자 형상의 캠버 라인을 갖는 디퓨저를 이용하여 베인리스 디퓨저 또는 상이한 형상의 디퓨저 베인들을 구비하는 기존의 원심 압축기를 개조하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 예시적 실시형태들은 기존의 압축기의 개조 및/또는 수리를 위해 디퓨저 자체의 제작도 고려한다. 도 13은 내부 환형 벽(1302), 외부 환형 벽(1304), 내부 환형 벽(1302)과 외부 환형 벽(1304) 사이에 배치되는 플레이트 부분(1306), 및 이 플레이트 부분(1306) 상에 배치되는 복수의 디퓨저 베인들(1308)을 포함하는 예시적인 디퓨저(1300)를 도시한다. 디퓨저 베인들 또는 블레이드(1308)들 중 하나 이상은 변곡점을 갖는 함수에 의해 정의되는, 즉 S자 형상의 캠버 라인을 갖는다. 이 디퓨저(1300)는 높은 솔리디티의 에어포일 디퓨저 또는 낮은 솔리디티의 에어포일 디퓨저일 수 있다. 일부의 예시적 실시형태들에 따르면, 본 명세서에서 설명되는 S자 형상의 디퓨저 베인들은 10개를 초과하는 베인들(1308)을 갖는 디퓨저(130)에서 사용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 3차 대수 방정식은 일부의 예시적 실시형태들에 따른 캠버 라인을 정의하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 다른 유형의 방정식, 예를 들면, 지수 방정식도 예시적 실시형태들에 따른 캠버 라인을 한정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 시그모이드(Sigmoid) 함수 또는 곰퍼츠(Gompertz) 함수도 예시적 실시형태들에 따른 캠버 라인을 정의하기 위해 사용될 수 있다. 로지스틱 함수(logistic function)로도 알려져 있는 시그모이드 함수는 다음과 같이 표현될 수 있다:

한편, 곰퍼츠 함수는 다음과 같은 형태를 취한다:

전술한 3차 대수 방정식과 같이, 이들 지수 방정식도 변곡점을 갖는 함수를 생성한다.

또한, 예를 들면, 4차 이상의 고차 다항식 함수도 동일한 S자 형상을 얻기 위해 사용될 수 있다. 더욱, 다른 예시적 실시형태들에 따르면, (복수의 변곡점들을 갖는) 더욱 복잡한 형상도 특별한 용도를 위해 특별 주문 설계될 수 있다. 이와 같은 일반화된 곡선을 정의하기 위한 한 가지 방법은 베지어 곡선을 이용하는 것이다. 예시적 실시형태들에 따른 S자 형상의 캠버 라인을 형성하는 베지어 곡선은 도 14에 도시된 바와 같이 설명될 수 있다. 여기서, 캠버 라인의 형상은 각각 좌표(X1, Y1 및 X2, Y2)를 갖는 제어 점(1401, 1402)들의 좌표 값에 의해 정의된다. 더 많은 수의 제어 점들이 복수의 변곡점을 갖는 고차 곡선을 정의하기 위해 사용될 수 있다.

전술한 예시적 실시형태들은 본 발명을 제한하기 보다는 모든 관점들에 대해 설명하는 목적을 갖는다. 따라서, 본 발명은 본 기술 분야의 당업자에 의해 본 명세서에 포함된 설명으로부터 유도될 수 있는 세부적인 실시에 대해 많은 변형이 가능하다. 모든 이와 같은 변형 및 개조는 이하의 청구항들에서 한정되는 본 발명의 범위 및 사상 내에 포함되는 것으로 본다. 본 출원의 명세서에서 사용되는 요소, 동작, 또는 지시는 본 명세서에 명확하게 기재되어 있지 않는 한 본 발명에 대해 결정적으로 중요하거나 본질적인 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에 사용되는 용어 "하나의(a)"는 하나 이상의 항목을 포함하는 것을 의도한다.

Claims

터보 기계에 있어서,
적어도 하나의 임펠러를 포함하는 로터 조립체와,
상기 로터 조립체에 연결되고, 상기 로터 조립체를 회전 가능하게 지지하기 위한 베어링과,
상기 임펠러의 출구 부분에 연결되는 적어도 하나의 디퓨저를 포함하는 스테이터를 포함하고,
상기 적어도 하나의 디퓨저는 복수의 디퓨저 베인들을 포함하고, 상기 복수의 디퓨저 베인들 중 적어도 하나는 변곡점을 갖는 함수에 의해 정의되는 캠버 라인을 갖는
터보 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 함수는 y = ax³ + bx² + cx +d이고, 여기서 a, b, c 및 d는 상수인
터보 기계.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 함수는 고차 다항식 함수, 시그모이드 함수, 곰퍼츠(Gompertz) 함수 및 베지어(Bezier) 곡선 중의 하나인
터보 기계.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 함수는 지수 함수인
터보 기계.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
전연에 근접하여 배치되는 상기 복수의 디퓨저 베인들 중 적어도 하나의 일부분은 설계 조건들에서의 작동 시에 실질적으로 부하를 받지 않고, 부하는 상기 복수의 디퓨저 베인들 중 적어도 하나의 중간 부분을 향해 최대 부하까지 점진적으로 증대되는
터보 기계.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 디퓨저 베인들의 각각은 허브 또는 슈라우드 중 하나에 부착되는
터보 기계.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 함수는 베지어 곡선인
터보 기계.
터보 기계의 제작 방법에 있어서,
적어도 하나의 임펠러를 포함하는 로터 조립체를 제공하는 단계와,
상기 로터 조립체를 회전 가능하게 지지하기 위해 베어링 조립체에 상기 로터 조립체를 연결하는 단계와,
상기 임펠러의 출구 부분에 연결되는 적어도 하나의 디퓨저를 포함하는 스테이터 조립체를 제공하는 단계를 포함하고,
상기 적어도 하나의 디퓨저는 복수의 디퓨저 베인들을 포함하고, 상기 복수의 디퓨저 베인들 중 적어도 하나는 변곡점을 갖는 함수에 의해 정의되는 캠버 라인을 갖는
터보 기계의 제작 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 함수는 y = ax³ + bx² + cx +d이고, 여기서 a, b, c 및 d는 상수인
터보 기계의 제작 방법.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 함수는 고차 다항식 함수, 시그모이드 함수, 곰퍼츠 함수 및 베지어 곡선 중의 하나인
터보 기계의 제작 방법.
제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 함수는 지수 함수인
터보 기계의 제작 방법.
제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
전연에 근접하여 배치되는 복수의 디퓨저 베인들 중 적어도 하나의 일부분은 설계 조건들에서의 작동 시에 실질적으로 부하를 받지 않고, 부하는 상기 복수의 디퓨저 베인들 중 적어도 하나의 중간 부분을 향해 최대 부하까지 점진적으로 증대되는
터보 기계의 제작 방법.
제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 디퓨저 베인들의 각각을 허브 또는 슈라우드 중 하나에 부착하는 단계를 더 포함하는
터보 기계의 제작 방법.
제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 함수는 베지어 곡선인
터보 기계의 제작 방법.
디퓨저에 있어서,
내부 환형 벽과,
외부 환형 벽과,
상기 내부 환형 벽과 상기 외부 환형 벽 사이에 배치되는 플레이트 부분과,
상기 플레이트 부분 상에 배치되는 복수의 디퓨저 베인들을 포함하고,
상기 복수의 디퓨저 베인들 중 적어도 하나는 변곡점을 갖는 함수에 의해 정의되는 캠버 라인을 갖는
디퓨저.
제 15 항에 있어서,
상기 함수는 y = ax³ + bx² + cx +d이고, 여기서 a, b, c 및 d는 상수인
디퓨저.
제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
상기 함수는 고차 다항식 함수, 시그모이드 함수, 곰퍼츠 함수 및 베지어 곡선 중의 하나인
디퓨저.
제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 함수는 지수 함수인
디퓨저.
제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
전연에 근접하여 배치되는 복수의 디퓨저 베인들 중 적어도 하나의 일부분은 설계 조건들에서의 작동 시에 실질적으로 부하를 받지 않고, 부하는 상기 복수의 디퓨저 베인들 중 적어도 하나의 중간 부분을 향해 최대 부하까지 점진적으로 증대되는
디퓨저.
제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 함수는 베지어 곡선인
디퓨저.