KR20140114757A - 불균일하게 분배된 에어포일과 균일한 스로트 면적을 가진 노즐 링 - Google Patents

불균일하게 분배된 에어포일과 균일한 스로트 면적을 가진 노즐 링 Download PDF

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Abstract

본원에 도입되는 세그먼트화된 노즐 링에 대하여, 이웃하는 베인들 사이의 스로트 면적은, 상이한 세그먼트들에 속하는 개별 베인 컴파운드들의 회전 (즉, 스로트 면적의 개방 또는 폐쇄) 에 의해 달성되는 각각의 세그먼트에 대해서도 동일하다. 그 결과 균일한 스로트 면적은 노즐의 균일한 유출 유동각 및 로터의 균일한 유입 유동각을 유도한다.
이에 기초하여, 불균일한 유동에 의해 유발되는 로터의 높은 사이클 피로 여기가 없어지고, 터빈 스테이지의 열역학적 효율이 향상될 수 있으며, 노즐 링은 가스 입구 케이싱에 대하여 고정된 위치에 배열되지 않아야 한다.

Description

불균일하게 분배된 에어포일과 균일한 스로트 면적을 가진 노즐 링 {NOZZLE RING WITH NON-UNIFORMLY DISTRIBUTED AIRFOILS AND UNIFORM THROAT AREA}
본 발명은 일반적으로 연소 기관들용 터보과급기들의 배기 가스 터빈들에 관한 것으로, 보다 자세하게는 이러한 가스 터빈에서 배기 가스 유동을 안내하기 위한 노즐 링에 관한 것이다.
터빈의 고정된 기하학적 형상을 가진 연소 기관들용 터보과급기들의 종래의 배기 가스 터빈들은, 다수의 로터 블레이드들에 배기 가스들을 채널링하기 (channeling) 위한 터빈 노즐을 포함한다. 이 터빈 노즐은, 원주방향으로 이격된 다수의 스테이터 베인들의 루트들 및 팁들에서 환형의 반경방향 내부 지지 링 및 외부 지지 링에 고정 결합되는 원주방향으로 이격된 다수의 스테이터 베인들을 포함한다. 반경방향류 또는 혼합 유동 터빈의 경우에, 노즐 링의 스테이터 베인들은 그들의 루트들 및 팁들에서 유동 채널의 각각의 대향측에서 서로 이웃하여 배열된 환형의 지지 링들에 고정된다.
도 4 에 도시된 바와 같이, 노즐 베인들 각각은 전연, 후연 및 이들 사이에서 연장되는 압력측 및 흡인측을 가진 에어포일 단면을 가진다. 하나의 베인의 후연은 인접한 베인의 흡인측으로부터 이격된다. 베인들 각각은, 베인들 중 인접한 베인의 후연과 함께 최소한의 스로트 면적 (throat area) 의 스로트를 규정하기 위해서, 베인 흡인측에서 루트에서부터 팁까지 연장되는 스로트 라인을 포함한다. 베인들 중 인접한 베인들은 개별 스로트 면적들을 규정하고 그리고 이 베인들은 총체적으로 전체 스로트 면적을 규정한다. 이러한 면적들은 각각의 특별한 배기 가스 터빈 설계에 의해 특정되고 그리고 터보과급기의 성능에 영향을 주는 중요한 인자들이다.
전체 스로트 면적은 인접한 베인들 사이에 실질적으로 균일한 개별 스로트 면적들을 제공함으로써 얻어지는 것이 바람직하다. 인접한 베인들 사이의 스로트 면적의 변경들은 원하지 않는 공기역학적 여기 압력 힘들을 제공할 수 있고, 이는 노즐로부터 하류측에 배치된 로터 블레이드들의 원하지 않는 진동을 유도할 수 있다.
US 5 182 855 에는, 인접한 베인들 사이의 스로트 면적의 미리 정해진 값을 얻기 위한 터빈 노즐을 제조하는 방법이 개시되어 있다.
축류, 반경방향류, 및 혼합 유동 터보과급기 터빈들용 노즐 링들은, 통상적으로 각도당 상이한 개수의 노즐 베인들로 구성되는 2 개 이상의 상이한 세그먼트들로 분할된다. 원주방향으로 균일하게 분배된 베인들을 가진 비세그먼트화된 노즐 링들에 비하여, 로터의 공기동역학적 여기가 저감되고, 높은 사이클 피로에 대한 역학적 무결성 마진 (mechanical integrity margin) 이 개선된다.
전술한 세그먼트화된 노즐 링 설계의 주요 문제점은, 노즐 스로트 면적이 하나의 세그먼트에서부터 다른 세그먼트까지 상이하다는 것이다. 그리하여, 노즐의 유출 유동각 (exit flow angle) 도 하나의 세그먼트에서부터 다른 세그먼트까지 상이하다. 유동의 불균일성으로 인해, 로터는 제 1 모드 형상들로 여기되고, 균일하게 분포된 베인들로 구성되는 노즐 링을 가진 스테이지에 비하여 터빈 스테이지의 열역학적 효율이 저감된다. 유동의 불균일성으로 인해, 노즐 링은 가스 입구 케이싱에 대하여 고정된 위치에 배열되어야 한다.
본 발명의 주요 목적은, 인접한 베인들 사이의 균일한 개별 스로트 면적들을 가진 세그먼트당 상이한 개수의 노즐 베인들로 구성되는 세그먼트화된 노즐 링을 제공하는 것이다.
본원에 도입된 세그먼트화된 노즐 링에 대해서, 이웃하는 베인들 사이의 스로트 면적은, 상이한 세그먼트들에 속하는 개별 베인 컴파운드들의 회전 (즉, 스로트 면적의 개방 또는 폐쇄) 에 의해 달성되는 각각의 세그먼트에 대해서도 동일하다. 그 결과 균일한 스로트 면적은 노즐의 균일한 유출 유동각 및 로터의 균일한 유입 유동각을 유도한다.
이에 기초하여, 불균일한 유동에 의해 유발되는 로터의 높은 사이클 피로 여기가 없어지고, 터빈 스테이지의 열역학적 효율이 향상될 수 있으며, 노즐 링은 가스 입구 케이싱에 대하여 고정된 위치에 배열되지 않아야 한다.
터빈 스테이지의 열역학적 효율 뿐만 아니라 높은 사이클 피로에 대한 로터의 역학적 무결성 마진이 향상될 수 있다. 더 높은 로터 베인들이 실현되어, 증가된 비 유동 용량 (specific flow capacity) 을 제공할 수 있다. 공기동역학적으로 개선된 로터 베인들이 사용되어, 더 큰 열역학적 효율을 제공할 수 있다. 보다 컴팩트한 제품들이 실현되어, 제품 비용들을 저감시킬 수 있다. 더 큰 열역학 효율로 인해 최종 소비자에 대한 엔진 연료 비용들을 절약할 수 있다. 노즐 링은 가스 입구 케이싱에 대하여 고정된 위치에 배열되지 않아야 하기 때문에, 더 간단하고 그리고 더 값싼 설계가 실현될 수 있고, 이는 장착을 더 용이하게 또한 더 신속하게 하여, 제품 및 서비스 비용들을 추가로 저감시킬 수 있다.
본 발명의 상기 장점과 특징 및 다른 장점과 특징은 본원의 원리를 예로서 도시한 첨부한 도면을 참조하여 이하 보다 상세한 설명으로부터 명백할 것이다.
첨부된 도면들은 본 발명을 도시한다.
도 1 은 2 개의 세그먼트들 및 균일한 스로트 면적을 가진 축류 터보과급기 터빈용 노즐 링을 도시하는 도면,
도 2 는 일정한 스로트 면적을 달성하기 위해서 베인의 회전, 즉 폐쇄 (도면의 상부) 및 개방 (도면의 하부) 을 설명하는 도면,
도 3 은 2 개의 세그먼트들 및 균일한 스로트 면적을 가진 반경방향류 및 혼합 유동 터보 과급기 터빈용 노즐 링을 도시하는 도면, 및
도 4 는 2 개의 베인들 사이의 스로트 면적을 하이라이트한 노즐 링의 2 개의 이웃하는 베인들을 도시하는 도면.
노즐 링의 각각의 베인은 내부 지지 링에 종래대로 고정 결합되는 루트, 외부 지지 링에 종래대로 고정 결합되는 팁, 상류측 방향으로 대향하는 전연, 하류측 방향으로 대향하는 후연, 및 상기 루트와 상기 팁 사이에서 상기 전연에서부터 상기 후연까지 연장되는 반대로 대향하는 흡입측 또는 볼록측 및 압력측 또는 오목측을 포함한다.
베인들의 인접한 베인들 사이에는 수렴 채널이 규정되어 있고, 이 수렴 채널은 베인들 사이에서 그리고 베인들 하류의 스로트들을 통하여 종래의 터빈 로터 스테이지 (비도시) 까지 연소 가스들을 채널링한다.
도 4 에 도시되고 그리고 전술한 바와 같이, 각각의 베인은 전연 (1) 과 후연 (2) 을 가진다. 각각의 베인은 지지 링들 중 하나의 링에 고정 결합된 루트 (4) 와 지지 링들 중 다른 링에 고정 결합된 팁 (3) 을 가진다. 압력측 (7, 7') 과 흡인측들 (8, 8') 은 루트 (4) 와 팁 (3) 사이에서 전연 (1) 에서부터 후연 (2) 까지 연장된다. 베인들 각각은, 베인들 중 인접한 베인의 후연 (2') 에 의해 최소 스로트 면적의 스로트를 규정하도록 베인 압력측 (7) 에서 루트 (4) 에서부터 팁 (3) 까지 연장되는 스로트 라인 (5) 을 포함한다.
노즐 링은 2 개 이상의 상이한 세그먼트들로 구성된다. 이 세그먼트들은 각도당 상이한 개수의 베인들로 구성된다. 각각의 개별 세그먼트내에서, 베인들은 원주방향으로 균일하게 분포된다. 이러한 종류의 종래의 노즐 링 설계와는 반대로, 이웃하는 베인들 사이의 스로트 면적은 상이한 세그먼트들에 속하는 개별 베인 컴파운드들의 회전 (즉, 개방 또는 폐쇄) 에 의해 달성되는 각각의 세그먼트에 대하여 동일하다.
그 결과 균일한 스로트 면적은 노즐의 균일한 유출 유동각과 로터의 균일한 유입 유동각을 유도한다. 이에 기초하여, 불균일한 유동에 의해 유발되는 로터의 높은 사이클 피로 여기들이 없어지고, 터빈 스테이지의 열역학적 효율이 개선될 수 있으며, 노즐 링은 가스 유입 케이싱에 대하여 고정된 위치에 배열되지 않아야 한다.
도 1 에는, 2 개의 세그먼트들 (세그먼트의 개수 s = 2) 로 구성되는 축류 터보과급기 터빈 스테이지용 노즐 링이 도시되어 있다. 제 1 세그먼트는, n1 = 11 베인들을 포함하고, 제 2 세그먼트는 n2 = 12 베인들을 포함한다. 각각의 세그먼트에 대하여, 베인들은 원주방향으로 균일하게 분포된다.
세그먼트 1 에서, 베인들 사이의 각도는 α1 이고, 세그먼트 2 에서, 베인들 사이의 각도는 α2 이며, 여기에서 α1≠α2 가 적용된다. 각각의 세그먼트에 대한 이웃하는 베인들 사이의 동일한 스로트 면적들을 달성하기 위해서, 상이한 세그먼트들에 속하는 개별 베인 컴파운드들은, 도 2 에 도시된 바와 같이, 프로파일에 수직한 축선을 중심으로 회전되고 그리고 일 방향 또는 다른 방향으로 각각의 베인의 루트에서부터 팁까지 연장 (즉, 폐쇄 또는 개방) 시킴으로써, 특정 프로파일 회전 각도들에서 위치된다. 제 1 세그먼트에서, 베인 컴파운드는 각도 (γ1) 만큼 폐쇄되고, 그리하여 베인들 압력측에서 루트에서부터 팁까지 연장되는 스로트 라인과 후속의 베인의 후연 사이의 포위되는 면적을 저감시킨다. 제 2 세그먼트에서, 베인 컴파운드는 각도 (γ2) 만큼 개방되고, 그리하여 베인 압력측에서 루트에서부터 팁까지 연장되는 스로트 라인과 후속의 베인의 후연 사이의 포위되는 면적을 확장시킨다. 세그먼트의 특별한 프로파일 회전 각도들 (γ1, γ2) 은, 이 세그먼트의 스로트 면적, 즉 세그먼트 1 의 경우 a1 이 다른 세그먼트의 스로트 면적, 즉 세그먼트 2 의 경우 a2 와 동일하게 되도록 선택되고, 여기에서 a=a1=a2 는 대상으로 하는 스로트 면적 (a) 에 대응한다.
동일한 개념을 또한 도 3 에 도시된 바와 같이 반경방향류 또는 혼합 유동 터보과급기 터빈 스테이지의 노즐 링에 적용된다.
대안으로, 이러한 개념은 하기의 임의의 개수의 베인들 및 2 개 이상의 세그먼트들에 의해 실현될 수 있다.
s≥2, n1≥1, n2≥1,..., ns≥1, ni≠nj, α1 ≠ α2,여기에서 i, j=1...s,
여기에서 a1=a2=...=as=a 인 γ1,γ2,...,γs
선택적으로, 각도당 상이한 개수의 베인들로 구성되는 세그먼트들을 위한 이웃하는 베인들 사이의 동일한 스로트 면적들은 상이한 세그먼트들의 베인들에 대하여 상이한 에어포일 프로파일들을 사용함으로써 달성될 수 있다.
도 4 에 도시된 배열체에 대한 대안으로, 베인들은 베인 흡인측에서 루트에서부터 팁까지 연장되는 스로트 라인이 베인들 중 인접한 베인의 후연과 함께 최소한의 스로트 면적의 스로트를 규정하도록 하는 각도로 배열될 수 있다.
본원은 적어도 하나의 바람직한 실시형태를 참조하여 설명되었지만, 본원의 이에 한정되지 않음을 당업자라면 명확하게 이해할 것이다. 오히려, 본원의 관점은 첨부된 청구범위에 의해서만 해석될 것이다.
1 : 베인의 전연
2, 2' : 베인의 후연
3 : 베인의 팁
4 : 베인의 루트
5 : 스로트 라인
7, 7' : 베인의 압력측
8, 8' : 베인의 흡인측
a : 최소한의 스로트 면적
ns : 세그먼트당 베인들의 개수
αi, αj : 세그먼트 중 2 개의 이웃하는 베인들 사이의 각도
γ1, γ2 : 베인 프로파일 회전각

Claims (7)

  1. 2 개의 지지 링들과 원주방향으로 이격된 다수의 베인들을 포함하는 배기 가스 터보과급기의 터빈용 노즐 링으로서,
    상기 베인 각각은,
    상기 지지 링들 중 하나의 링에 고정 결합되는 루트 (4),
    상기 지지 링들 중 다른 링에 고정 결합되는 팁 (3),
    전연 (1),
    후연 (2),
    상기 루트 (4) 와 상기 팁 (3) 사이에서 상기 전연 (1) 에서부터 상기 후연 (2) 까지 연장되는 흡인측 (8) 과 압력측 (7), 및
    상기 베인들 중 인접한 베인의 후연 (2') 과 함께 스로트 면적 (a) 을 규정하기 위해 상기 압력측 (7) 에서 상기 루트 (4) 에서부터 상기 팁 (3) 까지 연장되는 스로트 라인 (5) 을 포함하고,
    상기 베인들은 적어도 2 개의 세그먼트들로 배열되고, 상기 세그먼트들은 각도당 상이한 베인 분포를 가지며,
    각각의 상기 세그먼트는 각도당 상이한 개수의 베인들로 구성되는 반면, 상기 베인들은 각각의 상기 세그먼트내에서 원주방향으로 균일하게 분포되며, 이웃하는 상기 베인들 사이의 스로트 면적 (a) 은 모든 상기 세그먼트들에서 이웃하는 상기 베인들의 각 쌍에 대하여 동일한 것을 특징으로 하는 노즐 링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    세그먼트의 모든 베인들은 특정 프로파일 회전 각도들 (γ1,γ2) 에 위치되는 것을 특징으로 하는 노즐 링.
  3. 제 2 항에 있어서,
    제 1 세그먼트의 모든 베인들의 특정 프로파일 회전 각도들 (γ1) 은 제 2 세그먼트의 모든 베인들의 특정 프로파일 회전 각도들 (γ2) 과 상이한 것을 특징으로 하는 노즐 링.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐 링의 상기 베인들은 동일한 에어포일 프로파일들을 가지는 것을 특징으로 하는 노즐 링.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제 1 세그먼트의 베인들의 에어포일 프로파일들은 제 2 세그먼트의 베인들의 에어포일 프로파일들과 상이한 것을 특징으로 하는 노즐 링.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 노즐 링을 포함하는 배기 가스 터빈.
  7. 제 6 항에 따른 배기 가스 터빈을 포함하는 터보과급기.
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