KR20150106002A - 터보머신들의 인접한 블레이드 요소들의 흐름장들의 결합을 가하는 구조들 및 방법들, 그리고 그들을 포함하는 터보머신들 - Google Patents

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Abstract

터보머신들은 인접한 블레이드 요소들의 흐름장을 가깝게 결합시키도록 설계되고 구성되는 인접-결합 흐름 가이드들을 구비한다. 몇몇의 실시예들에서, 인접-결합 흐름 가이드들은 인접한 블레이드 요소들 사이를 연장하는 영역들에 위치될 수 있고, 결합 회피 존들로 여기에서 묘사되었고, 종래의 터보머신 설계는 구조가 더해지지 않는다는 것을 제안한다. 다른 실시예들에서, 인접-결합 흐름 가이드들은 블레이드 요소들에 결합되는 블레이드들의 열들의 상방 흐름 그리고/또는 하방 흐름에 위치되고, 흐름 결합 및 기계 성능을 향상시키기 위해 블레이드들의 하나 또는 이상의 열들을 오버래핑한다. 인접-결합 흐름 가이드들 구성하는 터보머신을 설계하는 방법은 또한 제공된다.

Description

터보머신들의 인접한 블레이드 요소들의 흐름장들의 결합을 가하는 구조들 및 방법들, 그리고 그들을 포함하는 터보머신들{STRUCTURES AND METHODS FOR FORCING COUPLING OF FLOW FIELDS OF ADJACENT BLADED ELEMENTS OF TURBOMACHINES, AND TURBOMACHINES INCORPORATIONG THE SAME}
본 출원은 "Methods for Forced Coupling of Rotor-Stator Pairs and Turbomachines Incorporating the Same"의 제목으로 2013년 1월 23일 출원된 미국 임시 특허 출원 번호 61/755,747의 출원이고, 이것은 그것의 완전함으로 여기에서 참조에 의해 이루어진다.
본 발명은 일반적으로 터보머신의 분야에 관련한다. 특히, 본 발명은 터보머신들의 인접한 블레이드 요소들의 흐름장들의 결합을 가하는 구조들 및 방법들, 그리고 그들을 포함하는 터보머신들과 관련한다.
컴프레서들, 펌프들, 터빈들을 포함하는 터보머신은 사용 중 작용하는 유체를 위한 통로를 형성하는 서로 종종 밀접하게 위치되는 블레이드 요소들의 복수 개의 열(row)들을 포함한다. 빈번하게, 자주 높은 속도에서 이러한 근접한 열들 사이에 상대적인 이동이 있다. 예들은 정지된 디퓨져 또는 노즐 블레이드들 또는 스테이터에 결합된 베인(vane)들의 열에 인접하게 위치되는 로터에 결합되는 회전하는 임펠러 블레이드들의 열을 포함한다. 종래의 터보머신들 설계는 이러한 열들을 형성하는 구조들 사이 예를 들면 로터 블레이드들 및 스테이터 베인들 사이에서 원하지 않는 상호 작용을 최소화하고 피하기 위해 블레이드 요소들의 이러한 인접한 열들 사이의 최소의 갭을 의무화한다. 이러한 원하지 않는 상호 작용은 소음 및 진동의 생산을 포함하고, 이들 중 후자는 크랙으로 알려져 있거나 로터 블레이드들 그리고/또는 디퓨저 베인들을 깨는 것으로 알려져 있다.
본 발명의 목적은 터보머신들의 인접한 블레이드 요소들의 흐름장들의 결합을 가하는 구조들 및 방법들, 그리고 그들을 포함하는 터보머신들을 제공하는 것이다.
하나의 실행에서, 본 발명은 터보머신으로 안내된다. 터보머신은 복수 개의 제1 블레이드들을 보유한 제1 블레이드 영역을 갖는 제1 블레이드 요소; 적어도 하나의 제2 블레이드를 보유한 제2 블레이드 영역을 갖는 제2 블레이드 요소; 및 사용 시 제2 블레이드 요소의 흐름장과 제1 블레이드 요소의 흐름장을 가깝게 결합시키도록 설계되고 구성되는 인접-결합 흐름 가이드(CCFG, close-coupling flow guide)를 포함하며, 제2 블레이드 영역은 제1 블레이드 영역에 인접하게 위치된다.
다른 하나의 실행에서, 본 발명은 터보머신으로 안내된다. 터보머신은 제2 블레이드 열에 인접하게 위치되는 제1 블레이드 열; 및 적어도 하나의 제1 블레이드 열 및 제2 블레이드 열에 아주 가깝게 위치되는 인접-결합 흐름 가이드(CCFG, close-coupling flow guide)를 포함하며, 인접-결합 흐름 가이드는 제1 블레이드 열의 흐름장을 제2 블레이드 열의 흐름장에 가깝게 결합시키도록 설계되고 구성된다.
본 명세서 내에 포함되어 있음.
도 1은 터보머신의 인접한 블레이드 요소들 사이에서 흐름장들의 결합력을 강화시키는 하나 또는 이상의 인접-결합 흐름 가이드(CCFG, close-coupling flow guide)를 갖는 본 발명에 따른 터보머신을 나타내는 하이-레벨 블록 다이어그램이고;
도 2는 인접-결합 흐름 가이드를 갖는 터보머신의 전후 관계에서 본 특징들을 나타낸 개략적인 다이어그램이고;
도 3은 인접-결합 흐름 가이드들을 갖는 낮은-고체성 플레이트 디퓨져의 형태인 블레이드 요소의 예이며;
도 4는 인접-결합 흐름 가이드들 및 세로로 연결된 열의 흐름을 따르는 블레이드들을 갖는 낮은-고체성 플레이트 디퓨져의 형태인 블레이드 요소의 예이며;
도 5는 외곽 표면의 형태인 인접-결합 흐름 가이드를 갖는 블레이드의 측부 도면이며;
도 6은 도 5에 도시된 블레이드의 사시도이고;
도 7은 도 5 및 6에 도시된 블레이드를 전방에서 본 단면도이고;
도 8은 도 5 내지 7에 도시된 블레이드를 전방에서 본 단면도이며;
도 9는 도 5 내지 8에 도시된 블레이드를 전방에서 본 단면도이고;
도 10은 도 5 내지 9에 도시된 블레이드를 전방에서 본 단면도이며;
도 11은 비틀린 외곽 표면의 형태인 변경 인접-결합 흐름 가이드를 갖는 블레이드의 상면도이고;
도 12는 도 11에 도시된 블레이드의 측면도이며;
도 13은 도 11 및 12에 도시된 비틀린 외곽 표면을 갖는 예로서의 블레이드 요소의 사시도이고;
도 14는 복수 개의 블레이드들 및 복수 개의 인접-결합 흐름 가이드를 구비한 디퓨져의 형태인 예로서의 블레이드 요소의 사시도이고;
도 15는 도 14에 도시된 블레이드 요소의 다른 사시도이며;
도 16은 임펠러의 형태인 다른 블레이드 요소와 결합된 도 14 및 15에 도시된 블레이드 요소의 사시도이고;
도 17은 테이퍼진 허브 표면을 갖지 않는 예로서의 블레이드 요소의 사시도이고:
도 18은 블레이드들의 압력 측부 상에서 모서리를 딴 표면을 갖는 인접-결합 흐름 가이드들을 갖는 블레이드들을 구비한 예로서의 블레이드 요소의 사시도이며;
도 19는 블레이드들의 흡입 측부 상에서 모서리를 딴 표면을 갖는 인접-결합 흐름 가이드들을 갖는 블레이드들을 구비한 예로서의 블레이드 요소의 사시도이고;
도 20은 필터들에 의한 꼭대기 및 바닥 상에서 구획된 직진의 중앙 부분을 각각 갖는 안내 및 추적 모서리들을 포함한 인접-결합 흐름 가이드들을 갖는 예로서의 블레이드 요소의 사시도이고;
도 21은 변경 외곽 표면을 갖는 인접-결합 흐름 가이드들을 갖는 블레이드들을 구비한 예로서의 블레이드 요소의 사시도이며;
도 22는 디퓨져 통로 내로 연장하는 인접-결합 흐름 가이드를 갖는 임펠러 블레이드들을 구비한 예로서의 반경 방향으로의 컴프레서/펌프의 사시도이고;
도 23는 도 22에 도시된 임펠러 블레이드 인접-결합 흐름 가이드의 근접 도면이며; 및
도 24는 슈라우드(shroud) 표면을 따라서 블레이드들의 추적 모서리로부터 연장하는 립(rib)들을 구비한 인접-결합 흐름 가이드들을 갖는 블레이드들을 구비한 예로서의 블레이드 요소의 사시도이다.
이제 도면들을 참조하면, 도 1은 본 발명에 따라 만들어지고 제1 블레이드 요소(104) 및 즉시 인접한 제2 블레이드 요소(108)을 구비한 터보머신(100)을 나타낸다. 터보머신(100)은 제한되지 않고 터보머신의 카테고리에 상관 없이 예를 들면 터보머신이 원심 분리 머신, 축 머신, 혼합된-흐름 머신, 어느 다른 머신의 카테고리 또는 그것의 어느 조합이던지 상관 없이 컴프레서, 터빈, 펌프, 팬, 기타 등등을 포함하는 본 발명의 특징 및 면들을 구체화하는 데 적합한 터보머신의 어느 종류일 수 있다. 이러한 완전한 공개를 읽음으로부터 기술에 능숙한 이들에게 명백하게 될 것이고, 각각의 제1 및 제2 블레이드 요소(104, 108)은 회전하는 요소(예를 들면, 원심 분리 임펠러, 원심 분리 인듀서, 축의 컴프레서 휠, 축 터빈 휠, 팬, 펌프 휠, 기타 등등) 또는 정지 요소(예를 들면 디퓨져, 노즐, 흐름 가이드 기타 등등)일 수 있다.
아래에서 상세하게 설명될 것처럼, 본 발명의 몇몇의 면들은 추가 특징들로 안내되는데, 여기에서 그리고 청구된 청구항들에서 "인접-결합 흐름 가이드들"(CCFG, close-coupling flow guides), CCFG 영역, 여기에서 CCFG 영역(112)로 언급되고, 일반적으로 도 1의 블레이드 요소들(104, 108)과 같은 블레이드 요소들 사이에 인접하게 위치되고/되거나 이러한 블레이드 요소들의 흐름장들을 의도적으로 가깝게 결합시키기 위해 인접한 블레이드 요소들의 하나 또는 둘 다를 오버래핑한다. 변경 실시예들에서, CCFG 영역들은 그들이 블레이드 요소들(104, 108)들 사이로 연장하는 공간(110) 내로 연장하지 않도록 상방 흐름 그리고/또는 추가적으로 하방 흐름을 갖도록 위치될 수 있다. 또한 아래에서 상세하게 설명될 것처럼, 이러한 인접-결합 흐름 가이드(CCFG)들은, 원하지 않는 흐름, 압력 그리고/또는 진동 장애들 등과 같은 원하지 않는 영향들을 야기시키지 않고 인접한 블레이드 영역들의 흐름장들의 결합을 강화하기 위해 특별히 설계되고 구성되는 구조를 포함할 수 있다. 도 1은 오직 한 쌍의 인접한 블레이드 요소들(104, 108)들을 갖는 것처럼 터보머신(100)을 묘사하는 반면에 다른 실시예에서는 경우에 따라 2개 또는 이상의 쌍의 인접한 블레이드 요소들을 가질 수 있고 몇몇의 또는 인접한 쌍들은 본 발명의 인접-결합 흐름 가이드들로 강화될 수 있다는 것이 알려져 있다. 특별히 인접-결합 흐름 가이드들을 설명하기 전에, 약간의 배경은 우선적으로 본 발명의 면들의 상세한 이해를 갖도록 독자에게 제공하도록 된다.
종래의 터보머신 설계에서, 최소의 베인 없는 공간이 블레이드 영역들 사이의 원하지 않는 상호 작용을 피하기 위해 인접한 블레이드 영역들 사이에 유지될 수 있도록 넓게 허용된다. 압력 분야 깨짐 왜곡들을 야기시킬 수 있는 이러한 상호 작용들의 예들이 1980년 제이픽스, 디.( Japikse, D.)에 의해 연구된 AGARD CP-282 "원심 분리 컴프레서 스테이지들의 범위 및 내구성에 대한 디퓨져 입구 압력 분야들의 영향(The Influence of Diffuser Inlet Pressure Fields on the Range and Durability of Centrifugal Compressor Stages)"에 포함되었다. 정말로, 이러한 진동들을 조절하기 위한 필요성은 터보머신 설계가 이러한 분리를 충분히 유지시키는 데 강력하게 집중하고 둘을 가깝게 결합시키기 위한 바람 없이 분리된 존재로서 각각의 요소를 설계하는 것에 대해 변함없이 생각하도록 커지게 되었다. 이러한 사고방식의 하나의 결과는 좋은 스테이지들이 로터 및 스테이터 사이의 공기역학적인 결합을 거의 갖지 않고 서로에 대해 중대한 영향을 한 쪽도 갖지 않도록 하나로부터 다른 하나에 피드백을 거의 갖지 않는다는 일반적으로 믿음이다.
그러나, 본 발명의 발명자는 종래의 생각이 부정확하고 보다 복잡한 설계 도달을 갖도록 구조들 및 특징들이 전통적으로 베인 없는 공간에 더해질 수 있다는 것을 연장 연구 및 테스트로부터 발견되었고, 의도적으로 인접한 흐름장들의 결합을 증가시키기 위해 "결합 회피 존(coupling avoidance zone)"으로 여기에서 언급되었다. 이러한 가까운 결합은 컴플레서 또는 펌프 로터로부터의 더 큰 작업 인풋, 터빈 로터로부터 더 큰 작업 아웃풋 그리고 임펠러 내에서 더 큰 흐름의 상대적인 분산, 수많은 다른 이점들을 포함하는 증가된 기계 성능을 야기시킬 수 있다. 컴퓨터의 유체 역학들 그리고 유한 요소 분석과 같은 현대의 컴퓨터 방법들의 도움으로, 이러한 높게 결합된 3차원 문제는 특징될 수 있고 인접-결합 특징들이 설계될 수 있다. 여기에서 설명되고 인접-결합 흐름 가이드들로 여기에서 다시 언급되고 청구항으로 청구되는 인접-결합 특징들은 흐름장들의 결합을 의도적으로 증대시키기 위해 더 복잡한 구조들을 개발하는 터보머신 설계자들을 위한 자유의 여러 정도들을 제공하며, 블레이드 영역들 사이의 원하지 않는 상호 작용을 창출하지 않고 성능의 감소 진동 및 소음과 같은 이러한 상호 작용들의 부정적인 영향들을 발생시키지 않고 개선된 기계 성능을 야기시킨다. 아래에서 다양한 예들로 설명될 것처럼, 본 실시예의 인접-결합 흐름 가이드들은 상응하는 결합 회피 존 내에서 부분적으로 또는 완전히 위치될 수 있고/있거나 바람직한 흐름-분야 결합을 달성하기 위해 상방 흐름 그리고/또는 하방 흐름의 블레이드 영역들을 오버래핑하도록 위치될 수 있다.
종래의 터보머신 설계에서, 베인 없는 공간의 최소 크기 또는 위에서 언급한 것처럼 결합 회피 존은 기계의 종류 및 크기에 따라 다양할 수 있다. 방사 방향의 흐름 컴프레서들 및 펌프들에 있어서, 최소 사이즈는 일반적으로 대략 1.08 = r3/r2 =　1.15의 범위 내에 있는데, 여기서 r3는 기계의 중앙선으로부터 베인의 앞선 모서리까지의 반지름이고, r2는 임펠러 또는 로터 추적 모서리로의 반지름이다. 축 흐름 기계들에 있어서, 최소 결합 회피 존은 전형적으로 대략 ¼C to ½C의 범위 내에 있는데 여기서 C는 관계가 있는 블레이드의 코드(chord) 길이이다. 혼합된 흐름 기계들에 있어서, 적용 가능한 거리는 기계의 구성에 따라 방사 방향의 흐름 거리(r3/r2) 또는 축 방향으로의 흐름 거리(¼C to ½C) 중 어느 하나일 수 있다. 더욱 충분하게 아래에서 설명될 것처럼, 인접-결합 흐름 가이드들은 결합 회피 존 내로 연장하거나 완전히 위치될 수 있고 이를 통해 방사 방향 흐름 컴프레서들 그리고 펌프들에 있어서 rc/r2 는 1.08보다 작을 수 있고, rc 는 기계의 중앙선으로부터 인접-결합 흐름 가이드까지의 반지름이고, 축 흐름 기계들에 있어서 인접-결합 흐름 가이드의 안내 또는 추적 모서리 및 인접한 블레이드 사이의 분리는 ¼C보다 작을 수 있다.
동반된 도면들 중 도 2는 도 1에 비해 더욱 상세하게 이하에서 설명되고 존재하는 도면들 및 수반된 설명에서 특별한 예들로 예증될 인접-결합 흐름 가이드들을 이루는 일반적인 특징들 및 원리들을 소개한다. 도 2는 전술한 종래의 결합 회피 존(200)과 본 발명과의 관계를 개념적으로 설명한다. 도 2에서, 각각의 블레이드 요소들(212, 216)에 상응하는 2개의 본보기의 블레이드들(204, 208)이 하나에 이격되되 인접하게 위치되고 기계를 통한 흐름의 방향에 의존하는 안내/추적(leading/trailing) 성질을 갖는 상응하는 각각의 안내/추적 모서리들(204A, 208A)을 갖는다. 언급한 것처럼, 각각의 블레이드 요소(212, 216)들은, 예를 들면 로터(예를 들면, 원심 분리 임펠러, 원심 분리 인듀서, 축의 컴프레서 휠, 축 터빈 휠, 팬, 펌프 휠, 기타 등등) 또는 스테이터(예를 들면 디퓨져, 노즐, 흐름 가이드 기타 등등)일 수 있고, 블레이드 요소들은 상대적인 이동을 위한 구조를 가질 수 있고 이를 통해 하나의 블레이드 요소는 정지되고 다른 하나는 기계의 회전축에 대해 회전한다.
본 발명에 따르면, 도 2는 인접-결합 흐름 가이드 영역(220)을 묘사하는데, 위에서 논한 것처럼 인접한 블레이드 요소들(212, 216) 사이의 흐름장 결합을 촉진시키기 위해 의도적으로 제공되는 하나 또는 이상의 인접-결합 흐름 가이드들(미도시)을 보유한다. 설명된 것처럼, 인접-결합 흐름 가이드 영역(220)은 안내/추적 모서리들(204A, 208A)의 상방 및 하방으로 연장할 수 있고, 결합 회피 존(200) 내로 또는 가로질러 연장할 수 있고, 하나에 대해 다른 하나가 또는 둘 다의 블레이드(204, 208)들을 덮도록 연장할 수 있고, 경우에 따라(여기서는 일반적으로 페이지의 내부 또는 밖) 터보머신의 회전축에 대해 둘레 방향으로 연장할 수도 있다. 인접- 결합 흐름 가이드 영역(220)의 연장이 극도로 묘사된 반면에 어느 특별한 설계에 사용되는 실제의 인접-결합 흐름 가이드는 그렇게 될 필요가 없다는 것은 공지되었다. 예를 들면, 몇몇의 설계에서, 인접-결합 흐름 가이드 영역은 완전한 결합 회피 존(200)을 차지할 것이고/것이거나 하나가 다른 하나를 또는 둘 다의 인접한 블레이드 요소들(212, 216)을 오버래핑할 것이다. 다른 설계들에서, 인접-결합 흐름 가이드 영역은 결합 회피 존(200)의 오직 상방의 흐름 그리고/또는 하방의 흐름을 갖도록 위치될 수 있고 결합 회피 존에 위치되지 않을 수도 있다. 전술한 것처럼, 본 발명의 인접-결합 흐름 가이드들의 중요한 면은 그것들이 만들어내는 의도적인 흐름-분야-결합 효과인데, 그 자체로는 그들의 위치들이 필수적이지는 않다.
전술하였고 아래에서 더욱 상세히 설명될 것처럼, 인접-결합 흐름 가이드 영역(220)은 하나 또는 이상의 종류들의 하나 또는 이상의 인접-결합 흐름 가이드들을 포함한다. 하나의 예로, 블레이드들(204, 208)의 각각의 안내/추적 모서리들(204A, 208A)의 하나 또는 다른 하나 또는 둘 다는 각각의 블레이드들(204, 208)에 상응하는 적합한 인접-결합 흐름 가이드 구조들(24, 228)(점선으로 개념적으로 도시됨)의 선택적인 추가에 의해 결합 회피 존(200) 내로 효과적으로 이동될 수 있다. 설명된 것처럼, 인접-결합 흐름 가이드들(224, 228)은 하나 또는 이상의 블레이드들(204, 208)에 더해질 수 있고, 안내/추적 모서리들(204A, 208A)을 종래의 설계 안내/추적 모서리(230, 232)로부터 결합 회피 존(200)에 있는 위치로 옮길 수 있다. 추가된 인접-결합 흐름 가이드 구조들의 구성에 의존하여, 결과로서의 구조는 종래의 설계에서 종래의 블레이드처럼 보일 수 있으나, 차이점은 블레이드들이 예를 들면 인접-결합 기능성과 같은 추가 기능성이 제공되고 인접-결합 흐름 가이드 구조를 더함으로써 이전에 회피된다는 점이다.
도시된 것처럼, 각각의 블레이드들(204, 208)들은 상응하는 블레이드 요소(212, 216)의 상응하는 각각의 블레이드 영역(240A, 242A)에 위치되며, 회전 요소에 있어서, 종래의 설계 추적/안내 모서리들(230, 232)과 같은 블레이드 요소 상에서 하나 또는 이상의 블레이드들의 열들의 종래 설계의 추적 또는 안내 모서리들의 후미로 기운 영역들 사이의 체적의 공간이고, 요소가 완전한 회전을 만들 때 정지 요소에 있어서는 블레이드 영역이 스테이터 요소의 회전이 실제보다 허구인 것을 제외하고는 동일하다. 종래의 터보머신 설계에서, 결합 회피 존은 인접한 블레이드 요소들의 블레이드 영역들 사이에서 연장하는데, 흐름장 결합의 양을 최소화하기 위해 의도적으로 공간이 떨어져있다. 이것은 블레이드 요소(212)의 블레이드 영역(240A) 및 블레이드 영역(216)의 블레이드 영역(242A) 사이를 연장하는 결합 회피 존(200)에 의해 도 2에 도시되었다. 본 발명의 실시예들은 결합 회피 존(200)에 인접-결합 흐름 가이드의 추가를 포함하고, 이를 통해 인접-결합 흐름 가이드 영역(220)은 각각의 블레이드 영역(240A, 242A)의 어느 자오선의(meridional) 연장을 넘어 연장할 수 있다(예를 들면, 방사 방향의 흐름 장치에 있어서, 블레이드 영역의 방사 방향의 외측으로 가장 연장하는 것의 방사 방향의 외측 그리고/또는 블레이드 영역의 방사 방향의 내측으로 가장 연장하는 방사 방향의 외측으로).
도 2가 인접-결합 흐름 가이드들(224, 228)을 오직 나타내는 반면에, 전술한 것처럼 인접-결합 흐름 가이드들은 인접-결합 흐름 가이드 영역(220) 내에서 어디에나 위치될 수 있다. 또한, 인접-결합 흐름 가이드들(224, 228)들은 도 2에 개념적으로 그리고 상대적으로 단순하게 도시되었지만 이하에서 더욱 완전히 설명되고 묘사될 것처럼 본 발명의 인접-결합 흐름 가이드는 외곽 표면, 립(rib), 트로프(trough) 및 채널을 포함하는 다양한 다른 구성들의 하나 또는 이상을 포함할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 인접-결합 흐름 가이드는 립들, 트로프들 또는 결합 회피 존(200)으로부터 블레이드들(204, 208)의 하나의 반대 측에 위치되는 채널들을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 실시예들에서, 블레이드들(204, 208) 중 하나는 결합 회피 존(200)의 하방 흐름에 위치되는 디퓨져 베인이고, 인접-결합 흐름 가이드는 디퓨져 베인의 추적 모서리의 하방 흐름에 위치될 수 있다.
실시예들에서 더욱 충분히 설명될 것처럼, 립들 및 외곽 표면들의 형태인 인접-결합 흐름 가이드들은 설계를 최적화하는 트로프들 또는 채널들의 형태인 인접-결합 흐름 가이드들에 결합되어 더해질 수 있다. 예를 들면, 흐름 결합을 개선하는 것에 더하여, 트로프들 그리고 채널들은 외곽 표면과 같은 인접-결합 흐름 가이드의 추가로 인해 어느 베인 깨짐을 취소함으로써 캐스케이드(cascade)를 따라서 가짜의-통로의 적절한 수직 단면 영역을 유지하는 데 사용될 수 있다.
몇몇의 실시예들에서, 여기에서 개시된 인접-결합 흐름 가이드들은 국제 특허 출원 번호 PCT/US02/19173호 명칭 "흐름 안정화 장치(FLOW STABILIZING DEVICE)"에 묘사된 것과 같은 안정성 및 흐름 조절 홀들에 결합될 수 있는데, 이 특허에는 안정성 및 흐름 조절 홀들의 그것의 가르침을 위해 여기에서 참조에 의해서 포함된다. 다른 실시예들은 공명기들, 허니콤(honeycomb)들 그리고 표면 처리들의 추가를 포함하는 인접-결합 흐름 가이드들의 설계에 더한 다양한 소음 감소 방법들을 포함할 수 있다.
전술되고 동반된 도면들에 표현된 하나 또는 이상의 인접-결합 흐름 가이드들을 포함하는 터보머신의 일반적인 특징들의 관점에서, 다음의 논의 및 상응하는 도면들은 공개의 면들을 더 설명하고 묘사하기 위해 몇몇의 예로서의 실시예들을 나타낸다.
몇몇의 실시예들에서, 인접-결합 흐름 가이드들을 포함한 터보머신은 낮은 고체성 열의 에어포일들 또는 플레이트들을 갖는 블레이드 요소들을 구비할 수 있는데, 여기서 블레이드 요소는 디퓨져이고, 고체성은 피치까지 코드(chord) 길이의 비율로 정의되고, 낮은 고체성은 대략 0.5 내지 1.3의 범위 내에 있는 고체성 비율을 가질 수 있다. 예를 들면, 낮은 고체성은 어느 2개의 인접한 베인들 사이에서 최소로 오버래핑하거나 오버래핑하지 않는 것으로 언급할 수 있다. 도 3은 플레이트들의 형태인 복수 개의 블레이드들(302)을 구비한 본보기의 낮은-고체성 디퓨져(300)의 부분을 나타낸다. 비교의 편의를 위해 디퓨져(300)는 블레이드 요소들(104 또는 108, 도 1) 중 하나의 예이고, 블레이드(302)들은 블레이드들(204 또는 208, 도 2)의 예들이다. 설명된 실시예에서, 각각의 블레이드(302)들의 안내 모서리는 디퓨져(300)에서 흐름장을 갖는 임펠러와 같은 인접한 블레이드 요소에서 흐름장을 가깝게 결합시키도록 설계되고 구성되는 외곽 표면(304)의 형태인 인접-결합 흐름 가이드를 포함한다. 더욱 완전히 아래에서 설명될 것처럼, 외곽 표면(304)은 주어진 적용을 위한 최적의 결합을 위해 인접-결합 흐름 가이드를 설계하는 자유의 복수의 정도들을 제공할 수 있고, 외곽 표면들은 블레이드(302)들을 위한 추가 구조적인 지지로서 작용할 수 있으며 이는 진동 성능을 개선시킬 수 있다. 블레이드들(302)들은 외곽 표면(304)이 인접한 흐름장들에 더욱 가까이 결합되도록 결합 회피 존 내로 연장하도록 구성될 수 있다. 변경 실시예들에서, 낮은-고체성 디퓨져(300)는 여기서 설명된 인접-결합 흐름 가이드들의 어느 형태인 추가적인 인접-결합 흐름 가이드들을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 인접-결합 흐름 가이드들은 하나 또는 이상의 블레이드들(302)의 추적 모서리(306)의 하방 흐름에 위치될 수 있거나 인접한 블레이드들 사이에 위치될 수 있다. 인접-결합 흐름 가이드들은 에어포일 수직 단면 형상을 갖는 베인들을 포함한 낮은 고체성 열(row)들에 더해질 수도 있고, 더 높은 고체성을 가진 블레이드 열들에 더해질 수도 있다.
도 4는 플레이트들의 형태인 블레이드(404)의 제1 낮은 고체성 열을 포함하는 낮은-고체성 디퓨져(400)를 나타내며, 또한 세로로 연결된(tandem) 블레이드들(408)의 제2 하방 흐름 열을 포함한다. 종래의 터보머신 설계에서, 하방 흐름의 세로로 연결된 블레이드들의 수는 종래의 설계에서 세로로 연결된 블레이드들의 주요 목적이 열마다 로딩 효율의 레벨을 제한하는 것이기 때문에 상방 흐름의 블레이드들의 수보다 보통 같거나 더 많다. 그러나 전술된 실시예에서 하방 흐름의 세로로 연결된 블레이드들의 수는 단지 하나의 세로로 연결된 블레이드(408)를 포함하여 제1 열의 블레이드들의 수보다 많은 것으로부터 제1 열의 블레이드들의 수보다 작은 것에 이르기까지 다양할 수 있고, 세로로 연결되는 블레이드들은 완전한 또는 부분적인 높이 블레이드들일 수 있다. 전술된 실시예에서, 낮은-고체성 디퓨져(400)는 제1 열의 블레이드들(404) 및 제2 열의 세로로 연결되는 블레이드들(408)을 구비하며, 제1 열의 블레이드들의 수의 절반보다 적다. 전술된 실시예에서 회전하는 칸막이(stall) 셀(cell)들을 위한 브레이크로서 작용하거나 흐름 오버터닝(overturning) 및 분리 또는 구획을 방지하기 위해 경계 층 또는 펜스로서 제공함으로써 세로로 연결되는 블레이드들이 안정성을 개선하도록 설계되고 구성되기 때문에, 전술된 실시예는 제1 열의 블레이드들(404)보다 더 많은 세로로 연결되는 블레이드들(408)을 필요로 하지 않는다.
도 5 내지 10은 블레이드의 안내/추적 모서리(504) 상에 형성되는 외곽 표면(502)의 형태인 인접-결합 흐름 가이드를 구비한 본보기의 블레이드(500)의 다양한 면들을 나타낸다. 전술된 실시예에서, 외곽 표면(502)은 종래의 안내/추적 모서리(506)로부터 연장하고, 이것은 종래의 안내 추적 모서리(230 또는 232, 도 2)에 상응한다. 따라서 블레이드(500)에 외곽 표면(502)의 더함은 안내/추적 모서리(504)가 블레이드 영역(508)을 넘어 결합 회피 존(미도시) 내로 연장하는 것을 야기시킨다(이것은 블레이드 영역(240A 또는 242A, 도 2)에 상응한다.). 그러므로 외곽 표면(502)은 기계의 결합 회피 존 내로 연장할 수 있고 흐름장 결합을 개선할 수 있고 기계 성능을 증대시킬 수 있다. 외곽 표면(502)은 인접-결합 흐름 가이드 영역의 확신할 위치들에 위치될 수 있고 이는 인접-결합 흐름 가이드 영역(220, 도 2)에 상응한다. 블레이드(500)는 기계들의 종류들의 어느 수에 위치될 수 있고 기계들에서 많은 블레이드 요소들 중 어느 하나에 결합될 수 있다. 예를 들면, 블레이드(500)는 컴프레서 또는 펌프 내에 있는 디퓨져의 베인일 수 있거나 터빈 내에 있는 노즐의 베인일 수 있다. 전술된 실시예에서 블레이드(500)는 (블레이드 요소들(104 또는 108, 도 1)과 같은) 블레이드 요소의 허브 및 슈라우드(512, shroud) 사이에서 연장하고, 흐름 통로(52)에 위치된다. 예로서의 외곽 표면(502)은 안내/추적 모서리(504)에 형성되고 정점(524, apex)을 갖는 곡선 또는 포물선의 형상을 가질 수 있고 각각이 단부(end)들(530, 532)을 갖는 상부 레그(526) 및 하부 레그(528)를 포함한다. 외곽 표면(502)은 진동 성능을 개선할 수 있도록 블레이드(500)에 추가적인 구조를 제공한다. 게다가, 블레이드(500)는 베이스의 하나 또는 이상에서 또는 블레이드의 탑에서 필렛 반경(fillet radii)를 가질 수 있고, 진동 성능을 향상시키기 위해 적절한 두께 분배를 가질 수도 있다.
실시예에서, 외곽 표면(502)은 실질적으로 대칭이고, 허브 표면(540) 및 슈라우드 표면(542) 그리고 상부 및 하부 레그들(526, 528)의 단부들(530, 532) 사이에 있는 중앙 지점에 정점(524)이 실질적으로 위치되고 정점(524)으로부터 실질적으로 같은 거리에 위치된다. 변경 실시예들에서, 인접-결합 흐름 가이드들은 비대칭 형상들을 포함하여 선택적인 외곽 표면 형상의 다양성을 포함할 수 있다. 예를 들면, 정점의 위치는 허브 표면(540) 및 슈라우드 표면(542) 사이에서 상대적인 거리 및 단부들(530, 532)로부터의 거리 둘 다 다양할 수 있다. 예를 들면, 예로서의 외곽 표면들은 결합 회피 존에 위치되는 정점들을 포함할 뿐만 아니라 외곽 표면들은 정점이 결합 회피 존의 외측에 위치되는 것이고 외곽 표면의 레그들 중 하나 또는 둘 다는 결합 회피 존 내로 연장한다. 변경적인 외곽 표면들은 삼각형 및 정점이 없는 형상을 포함하여 다른 기하학적인 형상들을 포함한다. 아래의 실시예들에서 설명되고 묘사되는 것처럼, 레그는 길이에서 다양할 수 있는데, 예를 들면 상부 레그가 하부 레그보다 길고, 비틀린 외곽 표면과 같은 비평면적인 외곽 표면을 가질 수 있다.
도 6 내지 10은 도 6에서 화살표에 의해 도시된 관점으로부터 봤을 때 외곽 표면(502)의 다양한 수직 단면들을 나타낸다. 보다 특별하게는, 도 7은 외곽 표면(502)의 시작에서 블레이드(500)의 수직 단면을 나타내고, 도 8 내지 10은 블레이드(500) 및 외곽 표면(502)을 따른 위치들에서 수직 단면들을 나타낸다. 도시된 것처럼, 외곽 표면(502)의 안내/추적 모서리(504)는 블레이드(500)의 두께에 있어서 중앙선(1000, 도 10)에서 좁아지고, 흐름 성능을 향상하도록 날카로운 공기역학적인 형상을 형성한다. 이러한 갈매기 무늬(chevron) 또는 안내 모서리의 얇음 또는 테이퍼링은 베인 측부의 한 쪽 또는 둘 다에 위치될 수 있거나 한 측으로부터 다른 한 측으로 다르게 다양할 수 있다.
도 11 내지 13은 비틀린 외곽 표면(1102)의 형태인 인접-결합 흐름 가이드를 갖는 변경 블레이드(1100)를 나타낸다. 외곽 표면(502)을 가짐으로써, 비틀린 외곽 표면(1102)은 다양한 다른 기계들에 위치될 수 있는 블레이드(1100)의 안내 또는 추적 모서리(1104)에 형성된다. 외곽 표면(502)과는 달리, 비틀린 외곽 표면(1102)은 비틀린 형상을 가짐으로써 상부 레그(1106)가 한 방향으로 블레이드(1100)로부터 멀리 굽어지고 하부 레그(1108)가 실질적으로 다른 방향으로 블레이드로부터 멀리 굽어진다. 전술된 실시예에서, 블레이드(1100)의 오직 안내/추적 부분(1110)은 비틀리고, 블레이드(1100)의 남은 부분은 실질적으로 평평하다. 변경 실시예들에서, 블레이드(1100)의 완전한 길이를 포함하는 블레이드(1100)의 큰 부분은 비틀린 구조를 가질 수 있다. 도 13은 블레이드 요소들(104, 108, 도 1)의 하나와 같은 블레이드 요소(1306)의 슈라우드 표면(1302) 및 허브 표면(1304)의 사이에 위치되는 블레이드(1300)의 안내 모서리에 위치되는 비틀린 외곽 표면(1102)의 적용의 예를 나타낸다.
따라서, 도 5 내지 13에서 설명되고 동반된 도면에 묘사된 것처럼, 외곽 표면의 형태인 인접-결합 흐름 가이드들은, 외곽 표면의 형상, 레그들의 상대적인 길이 그리고 외곽 표면의 비틀림을 포함하여 주어진 적용을 위하여 기하학을 최적화하는 자유의 많은 정도들을 터보머신 설계자에게 제공하고, 뿐만 아니라 외곽 표면은 내에 형성된다.
도 14 내지 16은 인접-결합 흐름 가이드들의 다양한 형태들을 활용하는 방사 방향의 흐름 컴프레서/펌프(1402)의 디퓨져(1400)의 형태인 블레이드 요소의 본보기의 실시예를 나타낸다. 비교의 편의를 위해, 방사 방향의 흐름 컴프레서/펌프(1402)는 예로서의 터보머신(100, 도 1)이고 디퓨져(1400)는 예로서의 블레이드 요소(104 또는 108, 도 1)이다. 컴프레서/펌프(1402)는 슈라우드(1404) 및 허브(1406) 그리고 그것들 사이에서 연장하여 디퓨져(1400)를 형성하는 복수 개의 블레이드들(1408)을 포함한다. 실시예에서, 블레이드들(1408)들은 낮은 고체성 열을 형성하고 방사 방향으로 외측으로 블레이드들의 종래의 설계 안내 모서리(1410)로부터 연장하는 블레이드 영역에 위치된다. 블레이드들(1408)들은 외곽 표면(502, 도 3)으로서 같은 구조를 갖는 외곽 표면들(1412)의 형태인 인접-결합 흐름 가이드들을 구비한다. 도 15에 가장 잘 도시된 것처럼, 외곽 표면(502)과는 달리, 외곽 표면(1412)의 상부 레그(1414)는 하부 레그(1416)보다 더 큰 연장으로 방사 방향의 내측 방향으로 연장하고 슈라우드 표면(1418)을 따라 연장하여 임펠러 블레이드(1600, 도 16)를 오버래핑한다. 따라서 상부 레그들(1414)은 슈라우드 표면(1418) 내에서 형성하고 또한 립들 사이에서 연장하는 트로프들(1420)을 형성한다. 따라서, 종래의 터보머신 설계와는 달리, 블레이드들(1408)의 안내 모서리는 전통의 결합 회피 존 내로 연장하지 않는 외곽 표면(1402)의 형태인 인접-결합 흐름 가이드를 포함하나, 외곽 표면(1412)의 부분을 실제로 임펠러 블레이드들(1600, 도 16)의 추적 모서리(1602)를 오버래핑한다. 그러므로 전술된 구조는 1.0보다 작은 rc/r2 비율을 야기시키고 반면에 종래 설계는 1.8보다 작은 비율들을 금한다. 이러한 구성은 트로프들(1420) 및 상부 레그들(1414)을 사용하여 흐름이 아직 임펠러(1604, 도 16) 내에 있을 동안 디퓨져(1400)가 흐름을 안내하는 것을 시작하도록 허용하며, 디퓨져(1400)의 가짜의 경로 내에서 흐름을 효율적으로 안내하는 것을 계속적으로 하고 로터 및 스테이터 흐름장들 사이의 인접-결합을 발생시킨다.
변경 실시예들에서, 블레이드들의 안내 모서리로부터 연장하는 것보다 다소 디퓨져 블레이드들 사이에 위치되는 분리된 립들 또는 채널들은 대신 활용될 수 있거나 도 14 내지 16에 설명된 인접-결합 흐름 가이드들에 결합되어 사용될 수 있다. 립들 그리고 채널들의 크기 및 형상은 다양할 수 있다. 예를 들면, 전술된 실시예에서 트로프들(1420)은 블레이드들(1408)로부터 연장하는 상부 레그들(1414)에 의해 정의되는 폭을 구비한 반면에, 더 좁은 채널들이 사용될 수 있거나 더하여 트로프들(1420)이 선택적으로 사용될 수 있다. 게다가, 트로프들 및 채널들은 흐름 안내 및 결합을 더 강화하기 위해 블레이드들(1408)의 하방 흐름이 사용될 수 있다. 터뷸레이터 또는 상승된 립 또는 리블렛(riblet)과 같은 추가적인 구조들은 동요(turbulence)를 발생시키고 이를 통해 국부 혼합을 강화함으로써 흐름을 안정화하기 위해 하나 또는 이상의 허브 및 슈라우드 표면들(1422, 1418)들에 더해질 수 있다.
인접-결합 흐름 가이드들의 자유의 다양한 정도들은 인접-결합 흐름 가이드들이 역의 진동 성능을 발생시키기 않는다는 것을 설계자에게 확신시키기 위해 활용될 수 있다. 예를 들면, 트로프들(1420)의 크기는 상부 레그들(1414) 및 외곽 표면들(1412)에 의해 취해진 증가되는 공간을 상쇄하도록 마련될 수 있다. 또한, 도 14 및 16에 가장 잘 도시된 것처럼, 허브 그리고 슈라우드 표면들(1422, 1418)은 디퓨져(1400)의 입구에서 더 큰 높이(1606)로 그리고 디퓨져 출구에서 더 작은 높이(1608)를 갖도록 테이퍼질 수 있다. 몇몇의 설계들에서, 디퓨져 입구에서 높이(1606)를 낮추는 것은 흐름 결합을 개선시킬 수 있다. 또한, 디퓨져 입구에서 높이(1606)를 증가시키는 것은 흐름 통로에 더해진 추가적인 인접-결합 흐름 가이드를 밸런싱하고 베인 깨짐을 최소화하기 위해 트로프(1420)를 따라서 활용될 수 있다. 또한, 전술한 것처럼, 외곽 표면(1412)의 형상은 명시된 적용에 최적화될 수 있다.
도 17은 디퓨져(1400)와 유사한 변경 컴프레서/펌프 디퓨져(1700)를 나타내는데, 허브 표면(1702)이 테이퍼지지 않는 것이 예외이며, 슈라우드 표면(1704)은 슈라우드 표면(1418, 도 14-15)와 유사하게 테이퍼진다. 변경 실시예들에서, 허브 표면(1702)은 슈라우드 표면(1704) 대신에 테이퍼질 수 있다. 따라서, 슈라우드 및 허브 표면들(1702, 1704)의 각도는 흐름을 최적화하는 추가 인접-결합 흐름 가이드와 결합된 흐름 통로의 크기 및 외곽을 맞추도록 다양해질 수 있다.
도 18 및 19는 변경 인접-결합 흐름 가이드 구성들을 나타낸다. 컴프레서/펌프들(1800, 1900)은 복수 개의 블레이드들(1804, 1904)을 갖는 낮은 고체성 디퓨져들(1802, 1902)을 포함한다. 컴프레서/펌프(1402)와는 달리, 블레이드들(1804, 1904)은 각각이 외곽 표면(1412)보다 더 얕은 곡선을 갖는 변경 외곽 표면(1806, 1906)을 구비한다. 또한, 컴프레서/펌프(1402)와는 달리, 블레이드들(1804, 1904)은 안내 모서리들(1808, 1908) 및 추적 모서리들(1810, 1910) 모두의 상에 외곽 표면을 구비한다. 또한, 상부 레그들(1812, 1912)은 상부 레그들(1414)에 비해 짧고 슈라우드 표면(1814, 1914) 위로 연장하지 않는다. 변경 실시예들에서, 외곽 표면들(1806 또는 1906)은 여기에 공개된 다른 인접-결합 흐름 가이드들의 어느 것과 결합될 수 있으며, 트로프들, 채널들, 립들을 형성하는 연장된 상부 레그들뿐만 아니라 다른 위치들에서의 립들을 포함한다. 블레이드들(1804, 1904)은 블레이드들의 상단 및 바닥의 주변을 따라서 연장하는 필렛 반경(1816, 1916)을 포함한다. 필렛 반경(1816, 1916)은 블레이드들(1804, 1904)에 증가된 구조적인 온전성(integrity) 제공하고 블레이드들의 안내 및 추적 모서리들(1808, 1908, 1810, 1910)에서 작은 거싯판(gusset)을 제공한다.
외곽 표면들(1806, 1906)은 변경 안내 모서리 설계를 포함하고 이는 차별적인 발생(incidence) 조절에 활용될 수 있다. 더욱 특별하게는, 전술하였고 도 8 내지 10에서 가장 잘 묘사된 것처럼, 외곽 표면(502)은 블레이드(500)의 중앙 지점(1000)에서 커버하는 날카로운 안내 모서리를 포함한다. 대조적으로, 외곽 표면(1806)의 안내 모서리(1808)는 블레이드들(1804)의 압력 측부 상에서 모서리를 딴 표면(1822)를 포함하고, 외곽 표면(1906)의 안내 모서리(1908)는 블레이드들(1904)의 흡입 측부 상에서 모서리를 딴 표면(1922)을 포함한다. 따라서 여기에서 공개된 인접-결합 흐름 가이드 외곽 표면의 안내 모서리는 다양해질 수 있는데, 블레이드 설계에서 차별적인 발생 조절을 하기 위해 모서리를 딴 표면의 선택적인 위치에 의해서 포함한다.
도 20 및 21은 추가적인 변경 외곽 표면들(2000, 2100)을 나타낸다. 도 20에 도시된 것처럼, 외곽 표면(2000)은 테이퍼진 상부 및 하부 부분을 블레이드(2008)의 안내 모서리로 제공하는 필렛들(2004, 2006)에 의해 상단 및 바닥 상에서 바운딩된 실질적으로 직진의 중앙 부분(2002)으로부터 형성된다. 블레이드들(1804, 1904)을 가짐으로써, 블레이드(2008)는 안내 및 추적 모서리들 둘 다 상에서 외곽 표면(2000)을 갖는다. 도 21은 평평한 플레이트들의 형태인 블레이드들(2014)을 포함하고 외곽 표면(2100)을 갖는 디퓨져(2102)를 나타낸다. 외곽 표면(2100)은 라운딩된 형상을 갖고 상부 레그(2016) 및 하부 레그(2108)를 포함한다. 상부 및 하부 레그(2106, 2018) 둘 다 곡면을 갖고 블레이드들(2104)의 흡입 측부(2110)로부터 멀리 굽어진다. 상부 레그(2106)는 하부 레그(2108)보다 더 긴 길이를 갖고, 트로프들(2114)을 형성하는 슈라우드 표면(2112)을 따라서 연장한다.
도 22는 연장된 임펠러(2202)를 구비한 변경 컴프레서/펌프(2200)을 나타낸다. 도 22에 가장 잘 도시된 것처럼, 임펠러 블레이드(2202)의 추적 모서리(2204)는 (편의상 종래의 설계 추적/안내 모서리(230, 232, 도 1)에 상응하는) 종래의 설계 추적 모서리(2300)를 넘어 연장하고, 디퓨져 통로(2206) 내로 연장한다. 그러므로 임펠러 블레이드(2202)의 연장된 부분(2304, 도 23)은 인접한 흐름장들을 가깝게 결합시키도록 설계되고 구성되는 인접-결합 흐름 가이드이다. 따라서 컴프레서/펌프(2200)의 설계는 종래의 설계 실행들의 직접적인 반대에 있고 이것은 디퓨져 베인들 및 임펠러 블레이드들 사이에 최소의 갭을 의무화한다. 대신에, 디퓨져(2210)의 블레이드(2208)의 부분들은 슈라우드 표면(2212)을 따라서 연장할 수 있고, 임펠러 블레이드(2202)를 오버래핑하고 흐름이 아직 임펠러 내에 있을 동안에 흐름을 안내하는 것을 시작하고, 임펠러 블레이드(2202)의 추적 모서리(2204)는 디퓨져 통로(2206)을 오버래핑할 수 있고, 디퓨져 통로 내로 연장하여 효율적으로 안내하고 2개의 흐름장들을 가깝게 결합시킨다. 컴프레서/펌프(2200)는 로터-스테이터 기하학을 최적화하도록 테이퍼링한 대각선 또는 임펠러 추적 모서리(2204)의 트림(trim)을 포함할 수도 있다.
도 24는 여기에서 공개된 다른 디퓨져들과 유사한 낮은 고체성 디퓨져(2402)를 구비한 변경 컴프레서/펌프(2400)를 나타내는데, 다양한 인접-결합 흐름 가이드들을 구비하고, 블레이드(2408)의 안내 모서리 상에 있는 외곽 표면(2406)을 포함한다. 블레이드들(2408)은 슈라우드 표면(2412)을 따라서 블레이드들의 추적 모서리로부터 연장하는 립들(2410) 형태인 추가 인접-결합 흐름 가이드를 갖는다. 립들(2410)은 블레이드들(2408)의 추가적인 흐름 가이드 하방 흐름으로서 작용할 수 있고 또한 회전하는 칸막이(stall) 셀(cell)들을 위한 브레이크로서 작용하거나 흐름 오버터닝(overturning) 및 분리 또는 구획을 방지하기 위해 경계 층 또는 펜스로서 제공함으로써 안정성을 개선할 수 있다. 립들(2410)은 가까운 결합을 증가시키기 위해 디퓨져의 베인 없는 공간 하방 흐름으로 디퓨져를 통해 임펠러 내에서 슈라우드 표면으로부터 연장하는 연속적인 트로프들을 형성하는 트로프들과 결합될 수 있다. 변경 실시예들에서 립들(2410)은 허브 표면(2414) 또는 더하여 대신에 슈라우드 표면(2414)을 따라서 놓일 수 있고, 립들의 형상 및 크기는 다양할 수 있는데, 슈라우도 표면(2412)으로부터 더 연장하는 더 큰 길이, 에어포일, 스큐 또는 커브를 포함하는 변경 형상들을 포함한다.
본 발명의 추가 변경 실시예들은 아래에서 패러그래프로 설명된다.
하나의 예로서, 터보머신은 복수 개의 제1 블레이드들을 보유한 제1 블레이드 영역을 갖는 제1 블레이드 요소; 적어도 하나의 제2 블레이드를 보유한 제2 블레이드 영역을 갖는 제2 블레이드 요소; 및 사용 시 상기 제2 블레이드 요소의 흐름장(flow field)에 상기 제1 블레이드 요소의 흐름장을 가깝게 결합시키도록 설계되고 구성되는 인접-결합 흐름 가이드(close-coupling flow guide, CCFG);를 포함하며, 상기 제2 블레이드 영역은 상기 제1 블레이드 영역에 인접하게 위치된다. 이러한 본보기로서의 터보머신은 하나 또는 이상의 다음의 특징들을 포함할 수 있다.
낮은 고체성 블레이드 열에서 복수 개의 제2 블레이드들 중 하나는 복수 개의 에어포일들을 포함한다.
인접-결합 흐름 가이드는 핀(fin) 구조를 포함한다.
외곽 표면은 중앙 지점을 갖는 안내 또는 추적 모서리를 갖고, 안내 또는 추적 가이드는 중앙 지점으로의 대략 테이퍼링을 포함한다.
외곽 표면은 챔퍼(chamfer)를 구비한 안내 모서리를 포함한다.
챔퍼는 외곽 표면의 압력 측부 상에 위치한다.
챔퍼는 외곽 표면의 흡입 측부 상에 위치한다.
안내 모서리를 갖는 제2 블레이드는 제1 블레이드 영역에 인접하게 위치되고 추적 모서리는 안내 모서리로부터 제2 블레이드의 반대 측부 상에 위치되고, 립들은 제2 블레이드의 추적 모서리로부터 연장한다.
인접-결합 흐름 가이드는 채널을 포함한다.
채널은 제1 블레이드 영역을 오버래핑한다.
채널은 제2 블레이드 영역을 오버래핑한다.
인접-결합 흐름 가이드는 1) 복수 개의 제1 블레이드들 중 하나 그리고 2) 적어도 하나의 제2 블레이드들 중 적어도 어느 하나의 안내 모서리 또는 추적 모서리에 결합된다.
인접-결합 흐름 가이드는 1) 복수 개의 제1 블레이드들 중 하나 그리고 2) 적어도 하나의 제2 블레이드들 중 적어도 어느 하나를 오버래핑한다.
인접-결합 흐름 가이드는 리세스(recess)를 포함한다.
리세스는 제1 블레이드 영역을 오버래핑한다.
리세스는 제2 블레이드 영역을 오버래핑한다.
허브 표면을 포함하고, 리세스는 허브 표면 내에 테이퍼진 리세스이다.
제1 블레이드 요소는 로터를 포함하고, 제2 블레이드 요소는 스테이터를 포함한다.
제2 블레이드 요소는 노즐의 부분이다.
제2 블레이드 요소는 디퓨져의 부분이다.
로터 커버를 포함하고, 인접-결합 흐름 가이드는 로터 커버 내에 형성된다.
인접-결합 흐름 가이드는 리세스를 포함한다.
로터 커버는 제1 블레이드 및 제2 블레이드들 중 적어도 어느 하나에 직면한 표면을 구비하고, 인접-결합 흐름 가이드는 표면으로부터 연장한다.
터보머신은 방상 방향으로의 흐름 기계이고, 로터는 회전축을 갖고, 제1 블레이드는 회전축으로부터 반경(r2)에 위치되는 추적 모서리를 구비하고 인접-결합 흐름 가이드는 회전축으로부터 반경(rc)에 위치되는 안내 모서리를 포함하며, rc/r2는 0보다는 크고 1.08보다는 작다.
터보머신은 축 흐름 기계이고, 제1 블레이드는 코드 길이(C) 및 추적 모서리를 구비하고, 인접-결합 흐름 가이드는 안내 모서를 구비하고, 안내 모서리 및 추적 모서리 사이의 거리는 ¼ 시간 C보다 작다.
제2 변경 실시예에서, 터보머신은 제2 블레이드 열에 인접하게 위치되는 제1 블레이드 열; 및 상기 제1 블레이드 열 및 상기 제2 블레이드 열의 적어도 하나에 가장 가깝게 위치되는 인접-결합 흐름 가이드(close-coupling flow guide, CCFG);를 포함하며, 상기 인접-결합 흐름 가이드는 상기 제1 블레이드 열의 흐름장을 상기 제2 블레이드 열의 흐름장에 가깝게 결합시키도록 설계되고 구성된다. 이러한 실시예의 터보머신은 하나 또는 이상의 다음의 특징들을 포함할 수 있다.
인접-결합 흐름 가이드는 제1 블레이드 열 및 제2 블레이드 열들 중 적어도 어느 하나를 오버래핑한다.
제1 블레이드 열은 제1 블레이드 영역을 포함하고, 제2 블레이드 열은 제2 블레이드 영역을 포함하고, 인접-결합 흐름 가이드는 제1 블레이드 영역 및 제2 블레이드 영역 중 하나를 오버래핑한다.
터보머신은 제1 블레이드 영역 및 제2 블레이드 영역 사이를 연장하는 결합 회피 존을 포함하고, 인접-결합 흐름 가이드의 부분은 결합 회피 존 내에 위치된다.
허브 표면 및 슈라우드 표면을 포함하고, 인접-결합 흐름 가이드는 허브 표면 및 슈라우드 표면 중 적어도 어느 하나에 형성된다.
특징은 허브 표면 및 슈라우드 표면 중 적어도 어느 하나에서 테이퍼진 리세스이다.
제2 블레이드 열의 하방 흐름에 위치되는 세로로 연결되는 블레이드 열을 포함하고, 세로로 연결되는 블레이드 열은 제2 블레이드 열의 수보다 작은 블레이드를 갖는다.
제3 변경 실시예에서, 터보머신을 설계하는 방법은, 블레이드들의 인접한 열들을 정의하는 단계; 블레이드들의 인접한 열들 사이에서 연장하는 결합 회피 존에 인접-결합 흐름 가이드를 더하는 단계; 및 인접한 열들에서 흐름장 사이에서 피드백을 발생시켜 블레이드들의 인접한 열들을 가깝게 결합시키도록 인접-결합 흐름 가이드를 설계 및 구성하는 단계를 포함한다.
전술한 실시예들은 위에서 공개되었고 동반된 도면에서 묘사되었다. 다양한 변화들, 생략들 그리고 추가들이 본 발명의 범위 및 취지로부터 분리됨 없이 여기에 명시적으로 공개된 것으로 만들어질 수 있다는 것은 기술에 있는 능숙한 이들에게 이해되어진다.

Claims (17)

  1. 복수 개의 제1 블레이드들을 보유한 제1 블레이드 영역을 갖는 제1 블레이드 요소;
    적어도 하나의 제2 블레이드를 보유한 제2 블레이드 영역을 갖는 제2 블레이드 요소; 및
    사용 시 상기 제2 블레이드 요소의 흐름장(flow field)에 상기 제1 블레이드 요소의 흐름장을 가깝게 결합시키도록 설계되고 구성되는 인접-결합 흐름 가이드(close-coupling flow guide, CCFG);
    를 포함하며,
    상기 제2 블레이드 영역은 상기 제1 블레이드 영역에 인접하게 위치되는 터보머신.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 블레이드 영역 및 상기 제2 블레이드 영역 사이에서 연장하는 결합 회피 존을 더 포함하며,
    상기 인접-결합 흐름 가이드는 상기 결합 회피 존에 위치되는 터보머신.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 블레이드 요소는 낮은 고체성 블레이드 열(row) 내에 배치되고 구성되는 복수 개의 제2 블레이드들을 포함하는 터보머신.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 블레이드 요소는 상기 낮은 고체성 블레이드 열의 하방 흐름에 위치되는 세로로 연결되는(tandem) 블레이드 열 내에 배치되고 구성되는 복수 개의 제3 블레이드들을 더 포함하는 터보머신.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 낮은 고체성 블레이드 열은 복수 개의 평평한 플레이트들을 포함하는 터보머신.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 블레이드 요소는 원심 분리(centrifugal) 임펠러를 포함하고 상기 제2 블레이드 요소는 디퓨져를 포함하는 터보머신.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인접-결합 흐름 가이드는 외곽 표면(contoured surface)을 포함하는 터보머신.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 외곽 표면은 상기 제1 블레이드 영역을 오버래핑하는 레그를 구비한 터보머신.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 외곽 표면의 부분은 상기 제2 블레이드 영역 내에 위치되는 터보머신.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 외곽 표면은 비대칭인 터보머신.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 외곽 표면은 비틀린 표면을 포함하는 터보머신.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 인접-결합 흐름 가이드는 립(rip)을 포함하는 터보머신.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 립의 제1 부분(portion)은 상기 제1 블레이드 영역 내에 위치되고 상기 립의 제2 부분은 상기 제2 블레이드 영역 내에 위치되는 터보머신.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 인접-결합 흐름 가이드는 제2 립 및 트로프(trough)를 포함하고, 상기 트로프는 상기 립 및 상기 제2 립의 사이에 위치되는 터보머신.
  15. 제2 블레이드 열에 인접하게 위치되는 제1 블레이드 열; 및
    상기 제1 블레이드 열 및 상기 제2 블레이드 열의 적어도 하나에 가장 가깝게 위치되는 인접-결합 흐름 가이드(close-coupling flow guide, CCFG);
    를 포함하며,
    상기 인접-결합 흐름 가이드는 상기 제1 블레이드 열의 흐름장을 상기 제2 블레이드 열의 흐름장에 가깝게 결합시키도록 설계되고 구성되는 터보머신.
  16. 제15항에 있어서,
    슈라우드(shroud) 표면을 더 포함하며,
    상기 인접-결합 흐름 가이드는 상기 슈라우드 표면 내에 형성되는 트로프(trough)인 터보머신.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 트로프는 상기 제1 블레이드 열 및 상기 제2 블레이드 열 둘 다를 오버래핑하는 터보머신.
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