KR20190026924A - 터보기계 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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리하르트 뷔소브
로베르트 클라베스
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만 에너지 솔루션즈 에스이
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Abstract

본 발명은 터보기계(10), 특히 반경류 압축기에 관한 것으로, 로터 블레이드(12)를 갖는 로터(11); 및 바람직하게는 가이드 블레이드(17)를 갖는 스테이터(13)를 포함하며, 스테이터는 로터(11)의 로터 블레이드(12)로 통하는 적어도 하나의 유동 통로(14)와, 로터(11)의 로터 블레이드(12)로부터 멀어지는 적어도 하나의 유동 통로(15)를 적어도 부분적으로 획정하며, 스테이터(13)는 적어도 하나의 유동 통로(14, 15)의 영역에 적어도 하나의 발포체형 다공성 사운드 감쇠 요소(23)를 포함한다.

Description

터보기계 및 이의 제조 방법
본 발명은 터보기계, 특히 반경류 터보기계 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
US 6,669,436 B2로부터, 가동 블레이드를 포함한 로터와 가이드 블레이드를 포함한 스테이터를 구비하는 터보기계, 즉 반경류 압축기가 공지되어 있다. 압축 대상 매체의 흐름 방향으로 볼 때, 스테이터의 가이드 블레이드는 로터의 가동 블레이드의 하류측에 배치된 디퓨저의 가이드 블레이드로서 구성된다. 따라서, 가이드 블레이드는 로터의 가동 블레이드로부터 멀어지는 유동 통로의 영역에 배치된다. 게다가, US 6,669,436 B2로부터, 디퓨저의 영역, 즉 디퓨저의 가이드 블레이드의 영역에 사운드 감쇠 요소를 마련하는 것이 공지되어 있다. 여기서, 사운드 감쇠 요소는 복수의 개구를 갖는 플레이트형 링으로서 구성된 디퓨저 링의 일체형 부분으로서, 그 개구들은 중공 공간으로 통한다. 디퓨저 링의 일체형 부분인 US 6,669,436 B2로부터 공지된 사운드 감쇠 요소는, 개구들을 통해 디퓨저의 영역 내의 유동 통로와 연결되는 중공 공간을 포함하는 공명기로서 기능한다. 그러한 사운드 감쇠 요소의 감쇠 효과는 제한적이다.
이로부터 시작하여, 본 발명은 신규한 타입의 터보기계 및 이의 제조 방법을 제공한다는 목적에 기초한다. 이 과제는 청구항 1에 따른 터보기계를 통해 해결된다.
본 발명에 따르면, 스테이터는 적어도 하나의 유동 통로의 영역에 적어도 하나의 발포체형 다공성 사운드 감쇠 요소를 포함한다. 그러한 사운드 감쇠 요소는 양호한 사운드 감쇠 효과를 가지면서 간단하고 비용 효율적으로 제조할 수 있다.
다른 유리한 개선점에 따르면, 각 발포체형 사운드 감쇠 요소는 금속 발포체 요소로서 구성되며, 바람직하게는 제너레이티브 제조 기법(generative manufacturing method)에 의해 제조되고 개별적으로 소결 금속 발포체형 요소로서 형성된다. 제너레이티브 제조 기법에 의해 제조된 사운드 감쇠 요소로서의 금속 발포체 요소가 특히 바람직하다.
바람직하게는, 각 발포체형 사운드 감쇠 요소의 기공률은 기공의 개수 및/또는 기공의 깊이의 측면에서 동일하게 분포되는 것이 아니라 국부적으로 상이하다. 기공률의 그러한 편차는 기공 사이즈뿐만 아니라, 일정한 기공 사이즈를 갖는 재료의 밀도에도 의존한다. 기공 사이즈 및 기공 형상의 편차가 또한 기공률에 영향을 미친다. 각 사운드 감쇠 요소의 기공률의 상이한 분포를 통해, 사운드 감쇠 특성 및 강도 특성이 최적으로 조절될 수 있다.
다른 유리한 개선점에 따르면, 각 발포체형 사운드 감쇠 요소는 가이드 블레이드를 포함하는 디퓨저의 일체형 부분이다. 바람직하게는, 그 가이드 블레이드는 흐름 선단 에지, 흐름 후미 에지 및 이들 두 에지 사이에서 연장하는 흐름 제어 표면을 구비하며, 흐름 선단 에지와 흐름 후미 에지 사이의 중간 영역에는 흐름 선단 에지 및 흐름 후미 에지에 인접한 영역에서보다 더 많은 수의 기공 및/또는 더 깊은 기공이 형성되며, 및/또는 인접한 가이드 블레이드들의 흐름 제어 표면들 사이의 중간 영에는 해당 흐름 제어 표면에 인접한 영역에서보다 더 많은 수의 기공 및/또는 더 깊은 기공이 형성된다. 이를 통해, 디퓨저의 영역에서 사운드 감쇠 특성이 최적으로 조절될 수 있다.
본 발명의 다른 유리한 개선점에 따르면, 각 유동 통로 및/또는 각 유동 통로에 위치한 가이드 블레이드를 획정하는 벽은 발포체형 다공성 사운드 감쇠 요소로서 적어도 부분적으로 구현된다. 이는 터보기계의 스테이터측 유동 통로의 영역에서 사운드 감쇠 특성의 최적의 조절을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 터보기계를 제조하는 방법이 청구항 10에 정의되어 있다.
본 발명의 다른 바람직한 개선점들은 종속 청구항 및 이하의 상세한 설명으로부터 얻어진다. 본 발명의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 이에 한정되는 일 없이 보다 상세하게 설명한다. 도면에서,
도 1은 반경류 압축기로서 구성된 터보기계를 통한 축방향 단면도이며,
도 2는 도 1의 반경류 압축기의 디퓨저의 도 1에서의 방향 II에서 본 도면이며,
도 3은 도 1의 반경류 압축기의 대안적인 디퓨저의 도 1에서의 방향 II에서 본 도면이며,
도 4는 도 1의 반경류 압축기의 다른 대안적인 디퓨저의 도 1에서의 방향 II에서 본 도면이며,
도 5는 반경류 압축기로서 구성된 다른 터보기계를 통한 축방향 단면도이다.
본 발명은 터보기계, 특히 반경류 터보기계에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 터보기계를 제조하는 방법에 관한 것이다.
도 1 및 도 2는 반경류 압축기로서 구성된 터보기계(10)의 상이한 도면들을 도시한다.
반경류 압축기로서 구성된 도 1 및 도 2의 터보기계(10)는 가동 블레이드(12)를 갖는 로터(11)를 포함한다. 또한, 반경류 압축기로서 구성된 터보기계(10)는 스테이터(13)를 포함하며, 이 스테이터(13)는 한편으로는 로터(11)의 가동 블레이드(12)로 통하고 축방향으로 연장하는 유동 통로(14)를, 그리고 다른 한편으로는 로터(11)의 가동 블레이드(12)로부터 멀어지고 반경방향으로 연장하는 유동 통로(15)를 적어도 부분적으로 획정한다.
가이드 블레이드(17)를 포함하는 디퓨저(16)는 스테이터(13)의 부분이다. 압축 대상 매체의 흐름 방향으로 볼 때, 디퓨저(16)의 가이드 블레이드(17)는 로터(11)의 가동 블레이드(12)의 하류에서 반경방향으로 연장하는 유동 통로(15) 내에 배치된다. 스테이터(13)의 나선형 유출 하우징(18)은 디퓨저(16)의 하류측에 이어진다. 압축 대상 매체의 흐름 방향은 도 1에 화살표(19)로 나타낸다.
도 2는 디퓨저(16), 즉 디퓨저(16)의 가이드 블레이드(17)와 그 벽(24)의 도면(II)을 도시한다. 각 가이드 블레이드(17)는 흐름 선단 에지(20), 흐름 후미 에지(21) 및 해당 흐름 선단 에지(20)와 흐름 후미 에지(21) 사이에서 연장하는 흐름 제어 표면(22)을 포함한다. 본 발명에 따른 터보기계의 경우, 스테이터(13)는 적어도 하나의 유동 통로(14 및/또는 15)의 영역에 발포체형 다공성 사운드 감쇠 요소(23)를 포함한다.
각각의 발포체형 다공성 사운드 감쇠 요소(23)는 금속 발포체 요소, 특히 소결 금속 형태의 요소로서 또는 플라스틱 발포체 요소로서 형성될 수 있다. 금속 발포체 요소의 경우, 이는 바람직하게는 제너레이티브 제조 기법으로 제조된다.
스테이터(13)가 디퓨저(16)의 영역에 각 발포체형 다공성 사운드 감쇠 요소(23)를 포함하고 있는 도 1 및 도 2의 예시적인 실시예에서, 로터(11)의 가동 블레이드(12)로부터 멀어지는 유동 통로(15)를 적어도 부분적으로 획정하는 스테이터(13)의 벽(24)이 적어도 부분적으로, 즉 바람직하게는 디퓨저(16)의 영역에서 반경방향으로 연장하고 로터(11)의 가동 블레이드(12)로부터 멀어지는 스테이터(13)의 유동 통로(15)의 축방향 양측에서 또는 축방향 일측에서만 발포체형 다공성 사운드 감쇠 요소(23)로서 구현되도록 마련된다. 이는 특히 효과적인 사운드 감쇠를 가능하게 한다. 로터(11)로부터 방출되고 디퓨저(16)에 작용하는 압력 충격이 그 소스에서 직접 감소될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시한 예시적인 실시예에서, 각 발포체형 사운드 감쇠 요소의 기공률은 동일하게 분포되는데, 즉 발포체형 사운드 감쇠 요소(23)가 기공의 사이즈는 물론 그 개수 및 깊이의 측면에서 동일한 분포를 갖는다.
이에 비해, 도 3 및 도 4는, 각 발포체형 사운드 감쇠 요소(23)가 기공의 개수 및 기공 깊이의 측면에서 동일하게 분포된 기공률을 갖기보다는 국부적으로 상이한 기공률을 갖는 경우에 있어서의 본 발명의 양태를 도시하고 있다. 따라서, 디퓨저(16)의 영역에서 반경방향으로 연장하는 유동 통로(15)를 부분적으로 획정하는 도 3 및 도 4에 있어서의 반경방향으로 연장하는 벽(24)은 부분적으로 발포체형 사운드 감쇠 요소(23)로서 형성된다.
도 3에서, 흐름 선단 에지(20)와 흐름 후미 에지(21) 사이의 중간 영역에는 흐름 선단 에지(20)와 흐름 후미 에지(21)에 바로 인접하는 영역에서보다 더 많은 수의 기공과 더 깊은 기공이 마련된다.
추가로, 도 4의 양태에서는 반경방향으로 연장하는 유동 통로(15)를 획정하는 로터(13)의 벽(24)의 기공률이, 디퓨저(16)의 인접한 가이드 블레이드(17)들의 흐름 제어 표면(22)들 사이의 중간 영역에는 해당 가이드 블레이드(17)의 해당 흐름 제어 표면(23)에 바로 인접한 영역에서보다 더 많은 수의 기공 및 더 깊은 기공이 형성되도록 하는 식으로 디퓨저(16)의 영역에서 국부적으로 상이하다.
도 5는, 디퓨저(16)의 영역에서 반경방향으로 연장하는 유동 통로(15)를 획정하는 스테이터(13)의 벽(24)이 그 축방향 두께에 걸쳐 볼 때에 국부적으로 상이한 기공률을 갖는 본 발명의 양태를 도시한다. 따라서, 도 5에서는 유동 통로(15)에 바로 인접한 영역에서보다는 그 벽(24)의 축방향 중간 영역에 더 큰 기공이 형성되도록 마련된다.
각 유동 통로(14, 15)를 획정하는 벽(24)을 적어도 부분적으로 발포체형 다공성 사운드 감쇠 요소(13)로서 구현하는 것이 바람직하긴 하지만, 대안적으로 또는 추가적으로는 각 유동 통로(14, 15) 내에 배치된 가이드 블레이드(17)를 적어도 부분적으로 발포체형 다공성 사운드 감쇠 요소(13)로서 구현하는 것도 가능하다.
도시한 예시적인 실시예에서, 스테이터(13)는 로터(11)의 가동 블레이드(12)로부터 멀어지는 유동 통로(15)의 영역에 적어도 하나의 발포체형 다공성 사운드 감쇠 요소(23)를 포함한다.
대안적으로 또는 추가적으로, 스테이터(13)가 로터(11)의 가동 블레이드(12)로 통하는 유동 통로(14)의 영역에 적어도 하나의 그러한 발포체형 다공성 사운드 감쇠 요소(23)를 포함하는 것도 가능하다.
도시한 예시적인 실시예에서, 터보기계(10)는 반경류 압축기로서 구현된다. 본 발명은 반경류 터빈으로서 구성된 반경류 터보기계에 이용될 수도 있다. 반경류 터빈의 경우, 로터의 가동 블레이드로 통하는 유동 통로가 반경방향으로 연장하고, 로터의 가동 블레이드로부터 멀어지는 유동 통로가 축방향으로 연장한다.
하지만, 반경류 구조와 축류 구조를 조합한 터보기계도 대안으로서 가능하다.
각 발포체형 다공성 사운드 감쇠 요소(23)는 점성 사운드 감쇠를 생성한다. 따라서, 사운드는 종래의 공명기 형태의 사운드 댐퍼에 의한 것보다 효과적으로 감쇠될 수 있다. 특히, 로터 및 이 로터의 하류에 위치한 조립체의 고주파수 진동 여기도 또한 감소될 수 있다. 게다가, 공명기 형태의 사운드 댐퍼에 의한 것보다 압력 손실의 감소를 가져온다.
본 발명은 또한 그러한 목적을 위해 로터(11)와 스테이터(13)를 마련하면서 터보기계를 제조하는 방법에 관한 것이다.
로터(11)는 정밀 주조품, 절삭 가공 단조품 또는 절삭 가공에 의한 일체형 제조품일 수 있다.
게다가, 스테이터(13)는 적어도 부분적으로 정밀 주조품일 수 있다.
각 발포체형 다공성 사운드 감쇠 요소(23)의 영역에서, 스테이터(13)는 적어도 부분적으로 제너레이티브 제조 기법을 통해 제조된다.
특히 각 발포체형 사운드 감쇠 요소(23)가 금속 발포체 요소로서 형성되는 경우, 특히 예를 들면 (선택적) 레이저 비임 용융 또는 전자 비임 용접 등의 적층 제조 기법이 이용될 수 있다. 이 경우, 금속 발포체는 소결 금속형으로 생성된 금속 발포체이다.
특히 디퓨저(16)가 적어도 하나의 발포체형 다공성 사운드 감쇠 요소(23)를 포함하는 경우, 스테이터측 디퓨저(16)의 벽(24) 중 하나의 일부를 적어도 제공하고 또한 그 가이드 블레이드(17)를 일체적으로 제공하는 디퓨저(16)의 소위 디퓨저 링을 제너레이티브 제조 기법을 통해 제조하는 것이 바람직하다. 이 경우, 해당 사운드 감쇠 요소(23)는 디퓨저 링, 나아가서는 디퓨저(16)의 일체화 부분이다. 디퓨저 링은 디퓨저(16)의 가이드 블레이드(17)를 제공함과 더불어, 반경방향으로 연장하는 유동 통로(15)를 획정하는 벽(24) 중 하나를 적어도 부분적으로 제공한다.
발포체형 사운드 감쇠 요소(23)를 포함하고 제너레이티브 제조 기법을 통해 제조된 스테이터(13)의 특정 섹션은 스테이터(13)에 있어서의 바람직하게는 정밀 주조에 의해 제조되는 인접한 섹션에 연결되는 데, 이를 위해 그 특정 섹션은 정밀 주조에 의해 제조된 스테이터(13)의 섹션의 대응 리세스 내에 삽입된다.
10: 터보 기계
11: 로터
12: 가동 블레이드
13: 스테이터
14: 유동 통로
15: 유동 통로
16: 디퓨저
17: 가이드 블레이드
18: 유출 하우징
19: 유동 방향
20: 흐름 선단 에지
21: 흐름 후미 에지
22: 흐름 제어 표면
23: 사운드 감쇠 요소
24: 벽

Claims (10)

  1. 터보기계(10), 특히 반경류 압축기로서,
    가동 블레이드(12)를 포함한 로터(11); 및
    바람직하게는 가이드 블레이드(17)를 포함한 스테이터(13)
    를 포함하고, 상기 스테이터(13)는 상기 로터(11)의 가동 블레이드(12)로 통하는 적어도 하나의 유동 통로(14)와, 상기 로터(11)의 가동 블레이드(12)로부터 멀어지는 적어도 하나의 유동 통로(15)를 적어도 부분적으로 획정하는 것인 터보기계(10)에 있어서,
    상기 스테이터(13)는 적어도 하나의 유동 통로(14, 15)의 영역에 적어도 하나의 발포체형 다공성 사운드 감쇠 요소(23)를 포함하며, 상기 사운드 감쇠 요소(23)는 발포체 요소, 소결형 발포체 요소 또는 플라스틱 발포체 요소로서 구성되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  2. 제1항에 있어서,
    각 발포체형 사운드 감쇠 요소(23)는 제너레이티브 제조 기법을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각 발포체형 사운드 감쇠 요소(23)의 기공률은 기공의 개수 및 기공 깊이가 위치에 따라 동일하도록 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각 발포체형 사운드 감쇠 요소(23)의 기공률은 기공의 개수 및/또는 기공 깊이의 측면에서 균일하게 분포되는 것이 아니라 국부적으로 상이한 것을 특징으로 하는 터보기계.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 발포체형 사운드 감쇠 요소(23)는 가이드 블레이드(17)를 포함한 스테이터측 디퓨저(16) 및/또는 입구측 유동 영역의 일부인 것을 특징으로 하는 터보기계.
  6. 제4항 및 제5항에 있어서,
    상기 가이드 블레이드(17)는 흐름 선단 에지(20), 흐름 후미 에지(21), 및 이들 에지(20, 21)들 사이에서 연장하는 흐름 제어 표면(22)을 포함하며, 상기 흐름 선단 에지(20)와 상기 흐름 후미 에지(21) 사이의 중간 영역에는 상기 흐름 선단 에지(20) 및 상기 흐름 후미 에지(21)에 인접한 영역에서보다 더 많은 수의 기공 및/또는 더 깊은 기공 및/또는 가변적인 기공 사이즈 및/또는 기변적인 기공 밀도 및/또는 가변적인 기공 형상이 형성되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  7. 제4항 및 제5항에 있어서 또는 제6항에 있어서,
    상기 가이드 블레이드(17)는 흐름 선단 에지(20), 흐름 후미 에지(21), 및 이들 에지(20, 21)들 사이에서 연장하는 흐름 제어 표면(22)을 포함하며, 인접한 가이드 블레이드(17)들의 흐름 제어 표면(22)들 사이의 중간 영역에는 해당 흐름 제어 표면(22)에 인접한 영역에서보다 더 많은 수의 기공 및/또는 더 깊은 기공이 형성되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 유동 통로(14, 15)를 획정하는 벽(24) 및/또는 각 유동 통로(14, 15) 내에 배치된 가이드 블레이드(17)는 적어도 부분적으로 발포체형 다공성 요소(13)로서 형성되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 터보기계(10)를 제조하는 방법으로서:
    로터(11)를 제공하는 단계; 및
    스테이터(13)를 제공하는 단계
    를 포함하는, 방법에 있어서,
    상기 스테이터(13)는 적어도 부분적으로, 즉 적어도 하나의 발포체형 다공성 사운드 감쇠 요소(23)를 포함하는 섹션의 영역에서 제너레이티브 제조 기법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제10항에 있어서,
    상기 스테이터(13)의 제1 섹션은 정밀 주조품, 및/또는 절삭 가공 단조품 및/또는 절삭 가공에 의한 일체형 제조품으로 제조되며, 적어도 하나의 발포체형 다공성 사운드 감쇠 요소(23)를 포함하고 제너레이티브 제조 기법에 의해 제조되는 상기 스테이터(13)의 적어도 하나의 제2 섹션은 상기 제1 섹션의 해당 리세스 내에 삽입되는 것을 특징으로 하는 방법.
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