KR20200041275A - 블레이드형 가이드 디바이스를 갖는 터빈 가이드 장치 - Google Patents

블레이드형 가이드 디바이스를 갖는 터빈 가이드 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 등거리가 아닌 불규칙적인 간격(Δi,i + 1)으로 서로 뒤따르도록 둘레 방향으로 로터(2) 상에 배열되는 n개의 가이드 블레이드(L1, L2, ..., Li, Li+1, ... Ln)를 구비하는 로터(2)를 갖도록 설계되고, Δi,i + 1는 각각 둘레 방향으로 서로 바로 뒤따르는 2개의 가이드 블레이드(Li, Li+1)의 간격으로 정의되는 것인, 터빈 또는 압축기를 위한 터빈 가이드 장치(1)에 관한 것이다.

Description

블레이드형 가이드 디바이스를 갖는 터빈 가이드 장치{TURBINE GUIDE APPARATUS WITH BLADED GUIDING DEVICE}
본 발명은, 압축기에 그리고 가이드 블레이드들을 갖는 가이드 디바이스를 구비하는 터빈 가이드 장치에 관한 것이다.
압축기는, 에워싸인 가스에 기계적 일을 공급하는 기계이며, 이러한 목적을 위한 압축기들은, 가스를 압축하기 위해 사용된다. 프로세스에서, 이들은, 작동 가스의 압력 및 밀도를 증가시킨다. 낮은 압축이 가스의 운반 도중의 부작용인 기계들은, 팬들 또는 송풍기들로 지칭되며, 그리고 일반적으로, 압축기들의 일부로 간주되지 않는다. 터빈은, 유동하는 유체의 내부 에너지의 강하를 기계적 출력으로, 말하자면 토크 × 회전 속도로, 변환하는, 회전하는 터보 기계이고, 상기 속도는, 터빈이, 그의 샤프트를 통해 다시 출력하는 것이다.
자체의 내부 에너지의 일부가, 터빈의 이동하는 블레이드들로 전달되는, 유체 유동으로부터 추출된다. 터빈 샤프트는 이때, 이러한 블레이드들에 의해 회전하게 되고; 사용 가능한 동력은, 출력에서 사용된다. 작동 도중의 원심력 및 열적 구배 및 과도현상(transients)을 고려한 높은 기계적 및 열적 응력들 때문에, 터빈 로터들은, 터빈을 설계함에 있어서 중심점으로서 간주된다. 그에 따라, 효율에 관한 최적의 구성 이외에, 구조적-기계적 양태들이, 터빈 로터들의 작동 안전성을 보장하기 위해 구성의 중심점이다. 여기에서, 중요한 부가적 포인트는, 사용되는 재료들이 일반적으로 비싸며 그리고 낮은 질량 또는 낮은 질량 관성 모멘트가 가속 거동을 위해 결정적이기 때문에, 낮은 터빈 질량을 실현하는 것이다. 그러한 터빈들 및 압축기들의 경제적인 사용을 위해, 터빈 로터들의 수명이, 개선되고 최적화되는 것이 바람직하다. 터빈들의 수명을 제한하는 것은, 주기적인 하중의 결과로서의 재료 피로이다. 여기서, 저-주기 피로(LCF) 및 고-주기 피로(HCF)가, 중첩된다. 작동 도중의 높은 온도 때문에, 크리프 피로가, 터빈 휠의 가이드 블레이드들에 대한 추가적인 손상 메커니즘을 구성한다.
여기서, 공명 진동에 기인하는, 예를 들어 레이디얼 터빈들의, 로터 블레이드들의 진동-유발 파손이, 예를 들어 대형 디젤 기관들의 배기 가스 터보 차저에서, 고장 및 손상의 가장 빈번 원인 중의 하나이다.
이론적으로 가정되는 이상적인 휠 기하형상과 더불어, 모든 가이드 블레이드들이 동일하게 성형되는 경우에, 진동의 마디선들(nodal lines)은 초기에, 휠에 대하여 바람직한 위치를 갖지 못한다. 그러나, 로터의 둘레에 걸쳐 분포되는, 가이드 블레이드들은, 서로에 대해 커플링되는 진동자들(oscillators)과 같이 거동한다. 로터 블레이드들의 커플링은, 허브에 대한 연결부를 통해 제공된다. 적당한 진동 여기(excitation)의 경우에, 둘레 방향으로의 블레이드 진동의 파동형 전파가, 발생할 수 있다. 이러한 영향의 범위는, 블레이드들 사이의 실제 커플링에 의존한다.
본 발명은 따라서, 상기한 단점들을 방지하고자 하는 그리고, 특히 로터 블레이드들의 HCF 손상들이 그와 더불어 상당히 감소되거나 또는 방지되는 해법을 제공하고자 하는, 목적에 기초하게 된다.
이러한 목적은, 특허 청구범위 제 1항에 따른 특징 조합을 통해 해소된다.
본 발명의 기본 개념은, 가이드 블레이드들이, 각각 둘레 방향으로 종래기술로부터 공지되는 바와 같이 일련의 등거리 간격으로 배열되는 것이 아니라, 불규칙적인 간격으로, 그에 따라 바로 인접한 가이드 블레이드들의 간격이 상이한 간격 패턴으로, 배열되는 것으로, 구성된다. 여기서, 둘레 방향으로의 간격은, 각각의 경우에, 하나의 가이드 블레이드로부터 다음 가이드 블레이드로 증가 또는 감소될 수 있으며, 또는, 적절한 경우, 또한 그 후에 다시 증가 또는 감소하도록 동일하게 유지될 수도 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 터빈을 위한 터빈 가이드 장치 또는 압축기를 위한 압축기 가이드 장치가, 이러한 목적을 위해, 등거리가 아닌 불규칙적인 간격(Δi,i + 1)으로 둘레 방향으로 연속해서 로터 상에 배열되는 n개의 가이드 블레이드를 구비하는 로터를 갖도록 설계되고, 여기서, Δi,i + 1는 각각의 경우 둘레 방향으로 서로 바로 뒤따르는 2개의 가이드 블레이드(말하자면, 위치 i에 놓이는 가이드 블레이드 및 위치 i+1에 놓이는 뒤따르는 가이드 블레이드)의 간격으로 정의된다. 이러한 목적을 위해, 로터의 중심을 기준으로 하는 고정된 간격(반경)을 따르는 둘레 방향으로의 간격이, 바람직하게 고려된다.
본 발명의 바람직한 구성에서, 둘레에 걸쳐 분포되도록 배열되는 n개의 가이드 블레이드는, 그들의 형상에 관하여 동일하게 설계되는 것이, 제공된다. 그러나, 본 발명의 대안적인 구성에서, 개별적인 또는 모든 가이드 블레이드들이, 그들의 형상에 관하여, 적어도 부분적인 영역에서 상이하게 설계되는 것이, 또한 제공될 수 있다. 그에 따라, 부수적 등급(subsidiary orders)의 추가적 여기를 위해 그리고 고조파 여기(harmonic excitation)의 메인 모드를 방지하기 위해, 개별적인 가이드 블레이드들의 형상 변화가 또한, 예를 들어, 이러한 결과에 기여할 수 있다.
각각의 경우에 둘레 방향으로 서로 바로 뒤따르는 2개의 가이드 블레이드에 대한 복수의 간격이 구별되는 것이, 부가적인 이점을 제공한다. 따라서, 모든 가이드 블레이드들은 또한, 예를 들어, 각각의 경우에 바로 인접한 가이드 블레이드에 기초하여, 상이한 간격을 갖도록 로터 상에 배열될 수 있다. 본 발명에 따르면, 이러한 목적을 위해, 둘레 방향으로 서로 바로 뒤따르는 2개의 가이드 블레이드의, 각각의 경우의, 모든 간격들(Δi,i + 1)이, 구별되고, 그 결과 n개의 (360°에 기초한) 상이한 각도 분할 치수를 갖는 둘레 방향의 분할 패턴이, 획득되는 것이, 제공된다.
본 발명의 다른 유리한 구성에서, 개별적인 뒤따르는 간격 또는 선행하는 간격에 대한 2개의 가이드 블레이드의, 각각의 경우의, 간격(Δi,i + 1)의 변화가, 변하는 것이, 제공될 수 있다. 특히, 개별적인 선행하는 가이드 블레이드의 간격(Δi - 1,i) 또는 개별적인 뒤따르는 가이드 블레이드의 간격(Δi + 1,i + 2)에 대한, 각각의 경우의, 서로에 대한 2개의 가이드 블레이드의 간격(Δi,i + 1)의 변화가, 증가하거나 또는 감소하는 것이, 본 발명에서 또한 제공될 수 있다. 이에 의해, 전체 둘레에 걸친 각각의 2개의 연속적인 가이드 블레이드의 간격은, 서로 상이하고, 그 결과 예를 들어 연속적인 20°, 30°, 27°, 18°, ..., 33°의 예시적인 각도 간격과 같은, n개의 (360°에 기초한) 상이한 각도 분할 치수를 갖는 둘레 방향의 분할 패턴이, 획득된다.
더불어, 둘레 방향으로의 각각의 2개의 가이드 블레이드의 개별적인 간격(Δi,i +1)이, 사전 결정된 분할 계획에 따라 결정되고, 따라서 터빈 가이드 장치의 작동 도중의 진동 여기 도중에, 주기적 고조파 진동 여기의 그의 부수적 등급으로의 표적화된 분할이, 일어날 때, 유리하다.
본 발명의 다른 양태가, 이상에 설명된 바와 같은 터빈 가이드 장치를 구비하는 터빈에 관련된다.
본 발명의 다른 유리한 추가적 개선예들이, 종속 청구항들에서 특징지어지거나 또는, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 설명과 함께 도면에 의해, 더욱 상세하게 예시된다.
도 1은 본 발명에 따른 터빈 가이드 장치의 예시적인 개략적 실시예를 도시한다.
이하에서, 본 발명은, 도 1을 참조하여 더욱 상세하게 설명되고, 도 1에, 가이드 블레이드들(L1, L2, ..., L15)의 장착 위치들을 나타내는, 분할 위치들(T1 내지 T15)을 갖는, 터빈 가이드 장치(1)에 대한 단지 예시적인 계획도가, 도시된다.
터빈 가이드 장치(1)는, 터빈 또는 압축기를 위해 설계되며, 그리고 로터(2)의 중심(Z)에 놓이는 더욱 상세하게 도시되지 않는 허브를 갖는 로터(2)를 포함한다. 15개의 가이드 블레이드(L1, L2, ..., Li, Li+1, ... L15)가, 로터(2) 상에 둘레 방향으로 등거리가 아닌 불규칙적인 간격(Δi,i+1)으로 연속적으로 배열된다.
여기서, Δi,i + 1는 각각, 둘레 방향으로 서로 바로 뒤따르는 2개의 가이드 블레이드(Li, Li+1)의, 원호를 따르는 둘레 방향으로의 상대적인 간격으로 정의된다.
도 1에서 더욱 명백한 바와 같이, 둘레 방향으로 서로 바로 뒤따르는 각각의 2개의 가이드 블레이드(Li, Li+1)의 모든 간격들(Δi,i + 1)이, 구별되고, 그 결과 상이한 각도 분할 치수들을 갖는 둘레 방향의 분할 패턴이, 획득된다. 그럼에도 불구하고, 특정 가이드 블레이드 간격들이 또한, 복수 회 발생할 수 있으며, 바람직하게 그러나, 항상 2개의 가이드 블레이드의 적어도 하나의 상이한 가이드 블레이드 간격이 사이에 위치하게 된다. 따라서, 가이드 블레이드(L3)의 위치와 가이드 블레이드(L4)의 위치 사이의 간격은, 가이드 블레이드(L9)의 위치와 가이드 블레이드(L10)의 위치 사이의 간격과 동등할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 본 발명은, 이상에 진술된 바람직한 예시적 실시예들로 제한되지 않는다. 이 점에 있어서, 터빈 가이드 장치는, 터빈 또는, 압축기 가이드 장치로 구현되어, 압축기 양자 모두를 위해 적합하다. 대조적으로, 심지어 기본적으로 상이한 유형의 실시예들을 갖는, 도시된 해법을 사용하는, 다수의 버전이, 고려될 수 있다.

Claims (9)

  1. 터빈 또는 압축기를 위한 터빈 가이드 장치(1)로서,
    등거리가 아닌 불규칙적인 간격(Δi,i + 1)으로 둘레 방향으로 서로 뒤따르도록 로터(2) 상에 배열되는 n개의 가이드 블레이드(L1, L2, ..., Li, Li+1, ... Ln)를 구비하는 로터(2)를 갖도록 설계되고, Δi,i + 1는 각각의 경우에 둘레 방향으로 서로 바로 뒤따르는 2개의 가이드 블레이드(Li, Li+1)의 간격으로 정의되는 것인, 터빈 가이드 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    n개의 가이드 블레이드(L1, L2, ..., Li, Li+1, ..., Ln)는, 그들의 형상에 관하여 동일하게 설계되는 것인, 터빈 가이드 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    n개의 가이드 블레이드(L1, L2, ..., Li, Li+1, ..., Ln)는, 그들의 형상에 관하여 적어도 부분적인 영역에서 상이하게 설계되는 것인, 터빈 가이드 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 경우의 둘레 방향으로 서로 바로 뒤따르는 2개의 가이드 블레이드(Li, Li+1)에 대한 복수의 간격(Δi,i+1)이 구별되는 것인, 터빈 가이드 장치.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 경우의 둘레 방향으로 서로 바로 뒤따르는 2개의 가이드 블레이드(Li, Li+1)의 모든 간격들(Δi,i + 1)이, 구별되고, 그 결과 상이한 각도 분할 치수들을 갖는 둘레 방향의 분할 패턴이, 획득되는 것인, 터빈 가이드 장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    개별적인 뒤따르는 간격 또는 선행하는 간격에 대한, 각각의 경우의 2개의 가이드 블레이드(Li, Li+1)의 간격(Δi,i + 1)의 변화는, 일정하지 않은 것인, 터빈 가이드 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    개별적인 선행하는 가이드 블레이드의 간격(Δi - 1,i) 또는 개별적인 뒤따르는 가이드 블레이드의 간격(Δi + 1,i + 2)에 대한, 각각의 경우의, 서로에 대한 2개의 가이드 블레이드의 간격(Δi,i + 1)의 변화가, 증가하거나 또는 감소하는 것인, 터빈 가이드 장치.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 경우의 둘레 방향으로의 2개의 가이드 블레이드(Li, Li+1)의 개별적인 간격(Δi,i + 1)이, 사전 결정된 분할 계획에 따라 결정되고, 따라서 터빈 가이드 장치(1)의 작동 도중의 진동 여기 시에, 주기적 고조파 진동 여기의 그의 부수적 등급으로의 표적화된 분할이, 일어나는 것인, 터빈 가이드 장치.
  9. 터빈으로서,
    제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 터빈 가이드 장치(1)를 구비하는 것인, 터빈.
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