KR20200042187A - 저손실 곡관 배기덕트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 곡률을 일정하게 형성하여 손실이 적은 배기덕트에 관한 것으로, 터빈으로부터 배출되는 유체를 배출시키는 곡관으로 형성된 배기덕트에 있어서, 유체가 유입되는 입구, 유입된 유체를 출구로 유도하는 몸체, 및 유체가 배출되는 출구를 포함하고, 몸체의 내주면의 곡률 및 외주면의 곡률이 일정하거나 몸체의 내주면의 곡률의 변화 및 외주면의 곡률의 변화가 일정한 것을 특징으로 함으로써 배기덕트의 형상을 개선하여 유동의 박리를 감소시켜 유동손실을 줄일 수 있다.

Description

저손실 곡관 배기덕트{Low loss curved pipe exhaust duct}

본 발명은 곡관 배기덕트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 곡률을 일정하게 형성하여 손실이 적은 배기덕트에 관한 것이다.

항공기에서 엔진 시동 전이나 비행 중 엔진이 비정상적으로 작동할 경우 전력과 공기압 또는 유압 등 항공기를 작동하는 데 필요한 동력을 발생시키는 보조 엔진을 보조 동력 장치, APU(Auxiliary Power Unit)이라고 한다. APU는 항공기 시동 시 외부 동력 없이 자체 시동용으로도 사용될 수 있다.

APU는 도 1과 같이, 연소기(11), 터빈(12), 압축기(디퓨져, 13)로 구성되며, 터빈 출구에 배기덕트(14)가 설치되어 배기되는 가스를 기체 밖으로 배출시킨다. 터빈(11)은 고온/고압의 가스를 팽창시켜 저압으로 떨어뜨리는 역할을 하는데, 이는 터빈 출구(배기덕트)의 압력에 영향을 받는다. 배기덕트(14)에서 차압이 크게 발생하면 터빈의 효율이 떨어져 연료 소모율이 증가하고, 터빈 팽창율이 낮아져 엔진 출력이 떨어지는 문제가 발생한다.

한국공개특허공보 제특1998-060765호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 곡률을 일정하게 형성하여 손실이 적은 배기덕트를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 배기덕트는 터빈으로부터 배출되는 유체를 배출시키는 곡관으로 형성된 배기덕트에 있어서, 상기 유체가 유입되는 입구; 상기 유입된 유체를 출구로 유도하는 몸체; 및 상기 몸체의 내주면의 곡률 및 외주면의 곡률이 일정하거나 상기 몸체의 내주면의 곡률의 변화 및 외주면의 곡률의 변화가 일정한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 출구의 단면은 외주면 측은 볼록하고 내주면 측은 오목할 수 있고, 상기 외주면 측의 곡률 및 상기 내주면 측의 곡률이 일정할 수 있다.

또한, 상기 출구의 단면은 외주면 측과 내주면 측 사이의 길이보다 측면 양측 사이의 길이보다 짧을 수 있고, 상기 유체의 흐름에 따른 형태로 형성될 수 있다.

또한, 상기 입구 및 출구의 단면은 외주면 측과 내주면 측 사이의 길이가 서로 동일할 수 있다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명에 따르면 터빈 출구단의 배기덕트의 형상을 개선하여 유동의 박리를 감소시켜 유동손실을 줄일 수 있다. 이로 인해, 배기덕트 내 차압을 감소시켜 터빈의 출력은 증가하게 되고, 연료 소모량을 줄일 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 기존 APU를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기덕트의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기덕트의 측면도 및 출구의 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기덕트와 종래의 배기덕트를 비교하기 위한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기덕트의 사시도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배기덕트(110)는 터빈으로부터 배출되는 유체를 배출시키는 곡관으로 형성된 배기덕트로서, 입구(111), 출구(112), 및 몸체(113)로 구성된다.

터빈으로부터 배출되는 유체가 입구(111)로 유입된다. 몸체(113)는 입구(111)로 유입된 유체를 출구(112)로 유도하며, 유입된 유체는 출구(112)로 배출된다.

몸체가 곡관으로 형성되면, 유체가 유입되는 방향과 유출되는 방향이 달라지고, 유체의 유입방향과 유출방향이 달라짐에 따라 유체의 유동 흐름이 발생하게 되고, 유동 박리로 인해 유동손실이 발생할 수 있다. 유동 박리는 경계층의 운동에너지가 물체에 발생하는 역압력 구배(adverse pressure gradient)를 극복하지 못하고 역류(reverse flow)가 발생하면서 흐름이 표면으로부터 떨어져 나가는 현상으로, 유동 박리로 인해 유동 손실이 발생한다. 배기덕트로 유출되는 유체의 유동 손실이 발생하면 배기덕트로 유체가 원활히 배출되지 못하는 바, 배기덕트에서의 차압이 발생한다. 그로 인해 터빈 팽창비가 떨어지고 터빈 출력이 떨어진다. 그에 따라 연료 소모량도 증가한다. 따라서, 유동 박리를 감소시켜 유동 손실을 줄여야 터빈의 출력을 증가시킬 수 있고, 연료 소모량도 줄일 수 있다.

본 발명의 일 실싱예에 따른 배기덕트(110)는 유동손실을 줄이기 위하여, 몸체(113)의 내주면의 곡률 및 외주면의 곡률이 일정하거나 몸체(113)의 내주면의 곡률의 변화 및 외주면의 곡률의 변화가 일정하게 형성된다.

곡관에서 유동의 흐름의 변화를 줄여 유동 박리를 줄이기 위하여, 곡관에서 유동 박리가 발생하는 내주면과 외주면의 입구(111)부터 출구(112)까지 곡률이 일정하거나 곡률의 변화가 일정하도록 형성한다. 몸체의 내주면 곡률 및 외주면 곡률이 일정한 경우에 유동 박리를 최소화할 수 있으나, 설계 조건에 따라 곡률을 일정하게 어려운 경우, 몸체(113)의 내주면의 곡률의 변화 및 외주면의 곡률의 변화가 일정하게 형성한다.

도 3과 같이, 몸체(113)의 내주면의 곡률과 외주면의 곡률이 일정하게 형성하기 위해, 내주면의 곡률 R₁은 H₂ - H₁이 되도록 형성하고, 외주면의 곡률 R₂는 H₂가 되도록 형성한다. 설계상 곡률변화가 불가피한 경우에도 하기의 조건을 만족하도록 형성한다.

도 3에서 보이는 바와 같이, 원활한 유체의 배출을 위해 배기덕트의 입구(111)의 면적보다 출구(112)의 면적을 넓게 형성된다. 입출구 면적비는 설계에 따르며, 1.4일 수 있다.

출구의 면적이 입구의 면적보다 넓게 형성하면서 몸체의 내주면 곡률과 외주면 곡률을 일정하게 유지하는 경우, 출구의 단면의 외주면 측과 내주면 측의 거리를 증가시킬 수 없다. 몸체의 내주면 곡률과 외주면 곡률을 일정하게 유지하면서, 출구의 면적이 입구의 면적보다 넓게 형성함과 동시에 유동 박리를 감소시키기 위하여, 출구의 단면을 원형이 아닌 다른 형상으로 형성한다.

출구(112)의 단면은 상기 유체의 흐름에 따른 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 유체의 흐름을 시뮬레이션 등을 통해 분석하고, 그에 따라 몸체(113) 및 출구(112)의 단면을 형성함으로써, 유동 박리를 최소화할 수 있다.

또는, 유동 박리를 최소화함과 동시에, 입출구 면적비를 만족시키기 위하여, 출구(112) 단면은 외주면 측은 볼록하고 내주면 측은 오목하게 형성할 수 있다. 볼록하게 형성되는 외주면 측의 곡률 및 오목하게 형성되는 내주면 측의 곡률은 일정하게 형성할 수 있다. 도 3과 같이, 출구 단면의 외주면 측 곡률 R₃는 L₂가 되도록 형성하고, 출구 단면의 내주면 측 곡률 R₄는 L₂ - L₁이 되도록 형성할 수 있다.

몸체의 내주면 곡률 R₁, 몸체의 외주면 곡률 R₂, 출구 단면의 외주면 측 곡률 R₃, 및 출구 단면의 내주면 측 곡률 R₄를 정리하면 다음과 같다.

몸체의 내주면 곡률 및 외주면 곡률이 일정한 경우, 입구(111)의 단면과 출구(112)의 단면은 외주면 측과 내주면 측 사이의 길이가 서로 동일하게 형성될 수 있다.

또는, 상기 외주면 측의 곡률의 변화 및 상기 내주면 측의 곡률의 변화가 일정하게 형성할 수 있다. 내주면 측과 외주면 측 간의 거리를 증가시키지 않는 대신, 양 측면으로 넓어지게 형성한다. 즉, 출구(112)의 단면은 외주면 측과 내주면 측 사이의 길이보다 측면 양측 사이의 길이보다 짧도록 형성할 수 있다.

즉, 곡률의 변화가 발생하는 것을 최소화함과 동시에 입출구 면적비를 만족할 수 있는 형태로 출구(112)의 단면을 형성함으로써 유동 박리를 최소화할 수 있다.

입구(111)의 단면은 터빈의 출구에 맞게 형성하되 출구(112)의 단면을 상기와 같이 형성하고, 입구(111)와 출구(112)를 연결하는 형상으로 몸체(113)를 형성한다.

상기와 같이, 몸체(113) 및 출구(112)의 단면을 형성함으로써 유동 박리를 최소화하여 유동 손실을 줄일 수 있고, 배기덕트 내 차압을 감소시켜 터빈의 출력이 증가하고 연료 소모량을 줄일 수 있다.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기덕트와 종래의 배기덕트를 비교하기 위한 도면이다.

도 4(a)와 같이, 종래의 배기덕트는 유동 박리의 고려없이 입출구 면적비만을 고려하여 배기덕트를 형성하여, 몸체(213)에서의 곡률 변화가 일정하기 않고, 특히 내주면에서의 곡률 변화가 크기때문에 유동 박리가 발생하게 된다. 이와 다르게, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기덕트는 도 4(b)와 같이, 몸체(113)의 내주면의 곡률 및 외주면의 곡률이 일정하거나 상기 몸체의 내주면의 곡률의 변화 및 외주면의 곡률의 변화가 일정하게 형성하고, 출구(112)의 단면을 유체의 흐름에 따른 형태로 형성하거나, 곡률변화가 최소가 되도록 형성함으로써 유동 박리를 최소화할 수 있다.

도 4(a), (b)와 같이 형성된 배기덕트에서의 유체의 흐름은 도 5(a), (b)와 같이 나타난다. 파란 영역이 유동 박리가 발생하는 영역이고, 빨간 영역은 최대마하수로 유체가 흐르는 영역이다. 두 영역이 넓을 수록 손실이 많아진다. 곡률 변화가 큰 도 4(a)의 종래 배기덕트는 도 5(a)와 같이, 유동 박리가 넓은 범위(510)에서 발생하는 것을 알 수 있다. 이에 반해, 도 4(b)의 본 발명의 실시예에 따른 배기덕트는 도 5(b)와 같이, 유동 박리가 발생하는 범위(520)가 상당히 줄어드는 것을 알 수 있다. 최대마하수로 유체가 흐르는 영역 또한, 도 5(a)에 비해 도 5(b)에서 상당히 줄어든다는 것을 알 수 있다.

그 결과는 도 6과 같이, 수치로도 확인이 가능하다. 터빈 입구압이 500kPa인 조건에서 종래의 배기덕트(A)에 따른 결과와 본 발명의 실시예에 따른 배기덕트(B)의 결과를 비교하면, 터빈의 배기압은 117.7kPa (A)에서 116.4kPa (B)로 감소한 것을 알 수 있고, 따라서, 터빈의 팽창비가 4.25 (A)에서 4.30 (B)로 증가하고 터빈 출력이 (A) 대비 (B)에서 1.1% 상승한다는 것을 알 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

11. 연소기
12. 터빈
13. 압축기
14, 110: 배기덕트
111, 211: 입구
112, 212: 출구
113, 213: 몸체

Claims (6)

1. 터빈으로부터 배출되는 유체를 배출시키는 곡관으로 형성된 배기덕트에 있어서,
   상기 유체가 유입되는 입구;
   상기 유입된 유체를 출구로 유도하는 몸체; 및
   상기 유체가 배출되는 출구를 포함하고,
   상기 몸체의 내주면의 곡률 및 외주면의 곡률이 일정하거나 상기 몸체의 내주면의 곡률의 변화 및 외주면의 곡률의 변화가 일정한 것을 특징으로 하는 배기덕트.
2. 제1항에 있어서,
   상기 출구의 단면은,
   외주면 측은 볼록하고 내주면 측은 오목한 것을 특징으로 하는 배기덕트.
3. 제2항에 있어서,
   상기 출구의 단면은,
   상기 외주면 측의 곡률 및 상기 내주면 측의 곡률이 일정한 것을 특징으로 하는 배기덕트.
4. 제1항에 있어서,
   상기 출구의 단면은,
   외주면 측과 내주면 측 사이의 길이보다 측면 양측 사이의 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 배기덕트.
5. 제1항에 있어서,
   상기 출구의 단면은,
   상기 유체의 흐름에 따른 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 배기덕트.
6. 제1항에 있어서,
   상기 입구 및 출구의 단면은,
   외주면 측과 내주면 측 사이의 길이가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 배기덕트.
   

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