KR20220116295A - 일정하지 않은 디퓨저 베인 피치를 갖는 디퓨저 및 상기 디퓨저를 포함하는 원심 터보기계 - Google Patents

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로렌조 토니
비토리오 미켈라시
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누보 피그노네 테크놀로지 에스알엘
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Abstract

스톨을 감소시키거나 방지하기 위한 원심 터보기계(1)용 신규한 디퓨저(11). 디퓨저는 디퓨저 축(A-A) 주위에 배열된 디퓨저 베인(11.1)을 포함한다. 각각의 디퓨저 베인(11.1)은 선단 에지(11.3), 후단 에지(11.5), 반경 방향 내측을 향하는 흡입 측(11.7), 및 반경 방향 외측을 향하는 압력 측(11.9)을 포함한다. 각각의 유동 통로는 인접하게 배열된 디퓨저 베인의 쌍 각각의 제1 디퓨저 베인(11.1)의 흡입 측(11.7)과 제2 디퓨저 베인(11.1)의 압력 측(11.9) 사이에 한정된다. 디퓨저 베인(11.1)은 디퓨저 축(A-A) 주위에 일정하지 않은 피치(pitch)로 배열된다. 인접하게 배열된 제1 디퓨저 베인(11.1) 및 제2 디퓨저 베인(11.1)(이들 사이에 각각의 유동 통로가 한정됨)의 쌍 각각 사이의 피치(S1, S2)는 상기 제1 디퓨저 베인(11.1) 및 제2 디퓨저 베인(11.1) 중 하나의 코드(chord)와 상관된다.

Description

일정하지 않은 디퓨저 베인 피치를 갖는 디퓨저 및 상기 디퓨저를 포함하는 원심 터보기계
본 개시는 방사상 터보기계에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시의 실시예는 원심 펌프 및/또는 하나 이상의 신규한 블레이드 디퓨저, 즉 베인 디퓨저를 포함하는 원심 압축기와 같은 원심 터보기계에 관한 것이다.
원심 압축기는 가스의 압력을 부스팅하기 위해 다양한 용례에서 사용된다. 원심 압축기는 케이싱, 및 케이싱에서 회전하도록 배열된 하나 이상의 임펠러를 포함한다. 임펠러(들)로 전달되는 기계적 에너지는 회전 임펠러에 의해 운동 에너지의 형태로 가스에 전달된다. 임펠러에 의해 가속된 가스는 가스 유동을 수집하고 이의 속도를 감소시키는, 임펠러를 원주방향으로 둘러싸는 디퓨저를 통해 유동하여, 운동 에너지를 가스 압력으로 변환한다.
디퓨저를 통한 가스 유동의 보다 양호한 안내를 위해, 베인 디퓨저가 개발되었다. 디퓨저 베인은 가스 유동을 보다 반경 방향으로 재-지향시키고 압축기의 공기역학적 효율을 향상시킨다. 그러나, 디퓨저 베인은 압력 펄스를 생성하며, 이는 임펠러 블레이드 내의 진동을 여기시킨다. 임펠러 진동은 고사이클 피로(HCF)로 인한 임펠러의 고장을 야기할 수 있다.
디퓨저 베인에 의해 유도된 진동으로 인한 임펠러 고장의 위험을 완화시키기 위해, 소위 비-주기적 디퓨저를 갖는 원심 압축기가 개발되었다. 비-주기적 디퓨저는 베인 디퓨저이며, 여기서 디퓨저 베인은 비대칭 및 비-주기적 배열로 배열된다. 원심 압축기에 대한 비-주기적 디퓨저는 예를 들어 US 7,845,900 및 WO 2011/096981에 개시된다.
원심 압축기에 대한 비-주기적 디퓨저의 몇몇 실시예는 가변 피치(pitch)에 따라 배열된, 즉, 2개의 인접한 디퓨저 베인(이들 사이에 유동 통로가 한정됨)의 각도 간격이, 2개의 다른 인접한 디퓨저 베인(이들 사이에 다른 유동 통로가 한정됨)의 각도 간격과 상이하도록 배열된 디퓨저 베인을 포함한다. 디퓨저 베인의 불규칙한(즉, 일정하지 않은) 각도 간격은 임펠러 블레이드에서 진동의 여기를 감소시키는 것으로 밝혀졌다.
그러나, 디퓨저 베인의 비대칭 비-주기적 설계는 압축기의 작동 범위에 악영향을 미친다. 보다 구체적으로, 인접한 디퓨저 베인 사이의 각도 간격(피치) 증가는 관련 유동 통로의 견고성 감소를 야기한다. 견고성은 베인 코드(chord)(즉, 베인의 후단 에지와 선단 에지 사이의 거리)와 2개의 연속적인 베인 사이의 피치 사이의 비율이다. 견고성 감소는 압축기가 스톨 없이 또는 성능의 상당한 감소 없이 작동할 수 있는 질량 유동 범위의 감소를 야기한다. 스톨 조건이 달성되는 최소 질량 유량은 견고성 감소로 인해 증가한다. 따라서, 가변 베인 피치는 진동 감소 면에서는 유익하지만, 압축기의 작동성 감소를 고려했을 때는 불리하다.
신규한 디퓨저 설계는 당업계에서 환영받을 것이며, 이는 임펠러 진동 감소라는 면에서 압축기의 거동을 개선하고, 압축기의 작동 범위에 부정적 영향을 덜 미친다.
본 개시의 일 양태에 따르면, 원심 압축기(또는 원심 펌프)와 같은 원심 터보기계용 디퓨저가 제공된다. 디퓨저는 디퓨저 축 주위에 원주방향으로 배열된 복수의 디퓨저 베인을 포함한다. 각각의 디퓨저 베인은 디퓨저 축으로부터 제1 거리에 있는 선단 에지, 디퓨저 축으로부터 제1 거리보다 큰 제2 거리에 있는 후단 에지, 반경 방향 내측을 향하고 선단 에지로부터 후단 에지로 연장되는 흡입 측, 반경 방향 외측을 향하고 선단 에지로부터 후단 에지로 연장되는 압력 측을 포함한다. 디퓨저 베인은 복수의 유동 통로를 한정한다. 보다 구체적으로, 유동 통로는 인접한, 즉 연속적인 베인의 쌍 각각 사이에, 디퓨저 베인의 쌍 각각의 제1 디퓨저 베인의 흡입 측과 제2 디퓨저 베인의 압력 측 사이에 한정된다. 디퓨저 베인은 디퓨저 축 주위에 일정하지 않은 피치로 배열된다. 압축기의 작동 범위를 개선하고 압축기 작동성에 대한 피치 변화의 부정적 영향을 감소시키기 위해, 인접하게 배열된 제1 디퓨저 베인 및 제2 디퓨저 베인(이들 사이에 각각의 유동 통로가 한정됨)의 쌍 각각 사이의 피치가 코드, 구체적으로, 상기 제1 디퓨저 베인 및 제2 디퓨저 베인 중 하나의 코드의 길이와 상관된다.
보다 구체적으로, 피치와 상관되는 코드는 디퓨저 베인의 코드이고, 그의 흡입 측은 유동 통로를 향한다.
코드와 피치 사이의 상관관계는 디퓨저 베인 사이의 피치 증가에 의해 야기될 견고성 감소가 적어도 부분적으로 코드 길이의 증가에 의해 오프셋되도록 하는 것이다.
또한, 원심 터보기계, 특히 디퓨저 축 주위에 원주방향으로 배열된 복수의 디퓨저 베인을 포함하는 원심 압축기(또는 원심 펌프)용 베인 디퓨저가 본원에 개시된다. 각각의 디퓨저 베인은 선단 에지, 후단 에지, 반경 방향 내측을 향하고 선단 에지로부터 후단 에지로 연장되는 흡입 측, 반경 방향 외측을 향하고 선단 에지로부터 후단 에지로 연장되는 압력 측을 포함한다. 각각의 유동 통로는 서로 인접하게 배열된 디퓨저 베인의 쌍 각각의 제1 디퓨저 베인의 흡입 측과 제2 디퓨저 베인의 압력 측 사이에 한정된다. 디퓨저 베인은 디퓨저 축 주위에 일정하지 않은 피치로 배열된다. 또한, 디퓨저 베인은 일정하지 않은 코드를 갖고, 제1 디퓨저 베인의 코드와, 디퓨저 베인의 쌍 각각의 제1 디퓨저 베인과 제2 디퓨저 베인 사이의 피치 사이의 비율은 실질적으로 일정하다.
디퓨저 베인은 모든 디퓨저 베인의 선단 에지가 디퓨저 축 주위의 동일한 원주 상에 배열되도록 배열될 수 있다. 그러한 경우에, 인접한 디퓨저 베인(이들 사이에 각각의 유동 통로가 형성됨) 사이의 피치는 유동 통로를 형성하는 상기 2개의 디퓨저 베인의 2개의 선단 에지의, 상기 원주를 따르는 거리이다.
그러나, 실시예의 다음의 설명에서 더 상세히 설명될 바와 같이, 디퓨저 베인은 선단 에지가 디퓨저 축 주위에서 최소 직경의 동일한 원주를 따라 모두 배치되는 것은 아니도록 배열될 수 있다. 오히려, 유동 통로를 형성하는 적어도 한 쌍의 디퓨저 베인의 2개의 디퓨저 베인은 디퓨저 축으로부터 가변 거리를 두고 각각의 선단 에지와 함께 배열될 수 있다.
따라서, 보다 일반적인 용어로, 인접한, 즉 연속적인 디퓨저 베인 사이의 피치는 디퓨저 축으로부터의 최소 거리에서 측정되는, 2개의 인접한 디퓨저 베인의 캠버라인 사이의 거리로서 정의될 수 있으며, 여기서 상기 2개의 디퓨저 베인은 둘 모두 존재한다.
또한, 위와 아래에 정의된 바와 같은 적어도 하나의 임펠러 및 적어도 하나의 베인 디퓨저를 포함하는 터보기계, 및 구체적으로 원심 압축기 또는 원심 펌프가 본원에서 개시된다.
디퓨저를 포함하는 신규한 디퓨저 및 원심 터보기계의 추가적인 특징 및 실시예는 아래에서 개략적으로 설명되고, 설명의 필수적인 부분을 형성하는 첨부된 청구범위에 기재되어 있다.
첨부 도면과 관련하여 고려될 때 하기의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해되므로, 본 발명의 개시된 실시예 및 그의 수반되는 이점들 중 많은 것의 더 완전한 인식이 용이하게 얻어질 것이다.
도 1은 압축기의 회전 축을 포함하는 평면에 따른 압축기의 개략적인 단면도를 예시하고;
도 2는 일 실시예에서의, 도 1의 압축기의 디퓨저의 도 1의 라인 II-II에 따른 단면도를 도시하고;
도 3은 도 1의 압축기의 디퓨저의 등각도를 도시하고;
도 4는 도 2의 확대된 상세도를 도시하고;
도 5는 질량 유동-대-압력비 다이어그램으로 압축기 단의 특성 작동 곡선을 개략적으로 도시하고;
도 6은 도 5의 다이어그램의 2개의 상이한 작동 지점에서의 유동 방향을 도시하고;
도 7, 도 8 및 도 9는 3개의 실시예에서의, 본 개시에 따른 디퓨저에서의 피치, 코드 및 견고성의 변화를 도시하고;
도 10은 다른 실시예에서의, 도 1의 압축기의 디퓨저의 도 1의 라인 II-II에 따른 단면도를 도시한다.
디퓨저의 유동 통로를 한정하는 인접한 디퓨저 베인 사이의 피치의 증가로 인한 압축기 작동성에 대한 부정적 영향은, 디퓨저 베인의 코드 길이의 대응하는 증가만큼 오프셋될 수 있고, 그의 흡입 측은 유동 통로를 향한다는 것이 발견되었다. 이러한 방식으로, 피치의 증가에 의해 야기되는 견고성의 감소는 감소되고, 코드의 대응하는 변화에 의해 적어도 부분적으로 오프셋된다. 몇몇 실시예에서, 피치 및 코드 변화의 조합은 견고성이 디퓨저 주위에서, 즉 베인 디퓨저의 인접한 베인의 쌍 사이에 한정된 다양한 유동 통로에서 실질적으로 일정하게 유지되도록 하는 것일 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 원심 압축기(1) 일부분이 압축기의 회전 축을 포함하는 평면을 따라 단면도로 도시된다. 도 1에 도시된 부분은 원심 압축기의 하나의 단으로 제한되어 있다. 압축기 단의 수, 및 그에 따른 임펠러의 수는 압축기 설계 및 압축기 요건에 따라 압축기마다 상이할 수 있다. 본 개시에 따른 디퓨저의 신규한 특징은 주어진 압축기의 하나, 일부 또는 바람직하게는 모든 디퓨저에서 구현될 수 있다.
압축기는 케이싱(3)을 포함하며, 여기서 연속적인 압축기 단을 분리하는 다이어프램(5)이 배열된다. 각각의 압축기 단은 케이싱(3)에서의 회전을 지지하는 임펠러(7)를 포함한다. 임펠러(7)는 회전 샤프트(9)에 열박음될 수 있다. 도시되지 않은 다른 실시예에서, 임펠러(7)는 원심 압축기의 당업자에게는 공지되어 있지만 본원에는 개시되어 있지 않은 설계에 따른 적층 임펠러일 수 있다. 임펠러(7)는 임펠러 허브(7.1)를 가지며, 그로부터 복수의 임펠러 블레이드(7.3)가 돌출되어 있다. 각각의 임펠러 블레이드(7.3)는 선단 에지(7.5) 및 후단 에지(7.7)를 갖는다. 선단 에지(7.5)는 임펠러 입구를 따라 배열되고, 후단 에지(7.7)는 임펠러 출구를 따라 배열된다. 후단 에지(7.7)는 회전 축(A-A)으로부터 선단 에지(7.5)의 거리보다 큰 거리를 두고 배열된다.
도 1에 도시된 실시예에서, 임펠러(7)는 슈라우드(7.9)를 더 포함한다. 도시되지 않은 다른 실시예에서, 임펠러(7)는 언슈라우드 임펠러(un-shrouded impeller)일 수 있으며, 이러한 경우 슈라우드(7.9)는 생략된다.
임펠러 출구 주위에는 디퓨저(11)가 배열된다. 디퓨저(11)는 임펠러(7)를 둘러싸고, 이와 동축이다. 디퓨저(11)는 도 1의 II-II 선을 따라 취한 도 2의 단면도 및 도 3의 등각도에서 별개로 도시된다. 도 2의 세부사항에 대한 확대도가 도 4에 도시된다. 디퓨저(11)는 임펠러(7) 주위에서 원주방향으로 연장되고 샤프트(9)의 회전 축(A-A)과 일치하는 축을 갖는다.
디퓨저(11)는 디퓨저 축(A-A) 주위에 배열된 복수의 디퓨저 베인(11.1)이 제공된, 소위 베인 디퓨저이다. 디퓨저 베인(11.1)의 목적은 유입 가스 유동을 보다 반경 방향으로 재-지향시키는 것, 즉, 디퓨저(11)를 빠져나가는 가스 유동의 속도의 접선 성분을 감소시키고 압력 회복 및 전체 단의 효율을 증가시키는 것이다.
각각의 디퓨저 베인(11.1)은 선단 에지(11.3) 및 후단 에지(11.5)를 포함한다. 선단 에지(11.3)와 후단 에지(11.5) 사이의 거리는 디퓨저 베인(11.1)의 코드(B)로 지칭된다. 선단 에지(11.3)는 축(A-A)으로부터 후단 에지(11.5)의 거리보다 작은 거리에 있다.
각각의 디퓨저 베인(11.1)은 흡입 측(11.7) 및 압력 측(11.9)을 더 포함한다. 각각의 디퓨저 베인(11.1) 상의 공기역학적 부하는 흡입 측이 디퓨저(11)의 입구, 즉 반경 방향 내측을 향하는 디퓨저 베인(11.1) 측 쪽을 향하여 있는 베인 측이 되도록 하는 것이다. 반대로, 압력 측은 디퓨저(11)의 출구를 향하는, 즉 반경 방향 외측을 향하는 디퓨저 베인(11.1) 측이다.
디퓨저(11)의 입구에서의 가스 유동 방향은 압축기를 통한 질량 유량에 좌우된다. 보다 많은 반경 방향 유동(더 낮은 접선 속도 성분)은 보다 높은 질량 유량에서 발생하고, 보다 많은 접선 방향 유동(더 높은 접선 속도 성분)은 보다 낮은 질량 유량에서 발생한다. 압축기 단에 걸친 압력비는 질량 유량이 감소함에 따라 증가한다.
도 5는 질량 유량-대-압력비 다이어그램에서 원심 압축기 단의 특성 곡선을 개략적으로 도시한다. 질량 유량은 수평축에 플롯팅되고 압력비는 수직축에 플롯팅된다. 특성 곡선은 CC로 표지된다. 디퓨저 입구에서의 유동 각도, 즉 디퓨저(11)의 입구에서의 가스 속도의 방향은 질량 유량이 떨어짐에 따라 보다 접선이 된다. 도 6은 특성 곡선의 2개의 반대되는 작동 지점(PA 및 PB)에서의 유동 각도를 개략적으로 도시한다. VA 및 VB는 각각 작동 지점(PA 및 PB)에 대응하는 디퓨저 베인(11.1)의 선단 에지에서의 속도 벡터이다.
압축기의 질량 유량은 스톨 조건이 발생하는 하한을 갖는다. 이러한 한계는 도 5의 다이어그램에서 스톨 한계(SL)로 표시된다. 디퓨저 베인(11.1)은 주로 흡입 측(11.7)에서 스톨된다. 속도 벡터가 벡터(VB)의 경사를 달성할 때, 유동은 디퓨저 베인(11.1)의 흡입 측(11.7)으로부터 분리된다. 압축기에 대한 손상을 방지하기 위해, 압축기의 작동 지점은 스톨 한계(SL)로부터 안전 거리를 두고 유지될 것이다.
스톨 한계(SL)는 도 5의 다이어그램의 우측으로 이동할 수 있고, 그에 따라, 디퓨저의 견고성이 감소되는 경우, 질량 유량 면에서 압축기의 작동 범위를 감소시킬 수 있다. 견고성은 디퓨저 베인(11.1)의 코드와 2개의 연속적인, 즉 인접하게 배열된 디퓨저 베인(11.1) 사이의 간격 사이의 비율로서 정의된다. 디퓨저 베인 사이의 피치가 일정한 베인 디퓨저에서, 견고성은 하기로서 정의되고
Figure pct00001
(1)
각각의 유동 통로에 대해 동일하다. B는 디퓨저 베인의 코드이고, S는 피치, 즉 인접한 디퓨저 베인(11.1) 사이의 간격, 즉 2개의 연속적으로 배열된 디퓨저 베인(11.1)의 거리이다.
견고성은, 보다 낮은 견고성이 이전의 스톨, 즉 도 5의 다이어그램에서 우측을 향한 스톨 한계의 이동을 내포할 수 있다는 점에서 스톨 한계에 영향을 미친다.
현재 기술의 베인 디퓨저에서, 원주방향으로 배열된 디퓨저 베인(11.1) 사이의 피치가 일정하지 않은 경우, 견고성은 다시 하기로서 정의되고
Figure pct00002
(2)
각각의 i 번째 유동 통로에 대해, 여기서 Si는 간격, 즉, i 번째 유동 통로를 한정하는 2개의 연속적인 디퓨저 베인(11.1) 사이의 피치이다. 견고성이 디퓨저 주위에서 일정하지 않기 때문에, 가장 작은 견고성, 즉 가장 큰 피치(Si)를 갖는 유동 통로에서 스톨 조건이 발생할 수 있다. 안전한 조건에서 작동하는 압축기의 경우, 작동 지점은 가장 중요한 유동 통로, 즉 가장 큰 피치를 갖는 유동 통로의 스톨 한계로부터 안전 거리에 있을 것이다. 이는 압축기의 작동성 범위를 실질적으로 감소시킨다. 따라서, 종래 기술의 압축기 설계에 따르면, 임펠러의 고사이클 피로 고장의 위험을 감소시키는 것을 목표로 하는 진동의 감소는 압축기의 작동성을 감소시킨다.
위의 단점을 완화시키기 위해, 본 개시의 실시예는 디퓨저 설계 시의 신규한 접근법을 제공한다. 인접한 디퓨저 베인(11.1) 사이의 피치 증가에 의해 결정될 견고성의 감소는 관련 디퓨저 베인의 코드, 및 보다 구체적으로는 스톨이 발생할 수 있는 흡입 측에서 디퓨저 베인(11.1)의 코드의 증가에 의해 상쇄된다. 이러한 디퓨저 베인은 관련 유동 통로를 향하는 그의 하나의 흡입 측이다.
도 1, 도 2 및 도 3을 계속 참조하면서 도 4를 참조하면, 일반성의 임의의 손실 없이, 디퓨저(11)의 일부분의 확대도가 도시된다. 이러한 실시예에서, 디퓨저 베인(11.1)은 2개의 상이한 피치 또는 간격(S1 및 S2)에 따라 배열된다. 보다 구체적으로, 간격(S2)은 S1보다 크다.
보다 구체적으로, 이러한 실시예에서, 디퓨저 베인(11.1)의 연속적인 쌍은 대안적으로 간격(S1 및 S2)을 두고 배열된다. 다시 말해서, 디퓨저 축을 중심으로 시계 방향으로 이동하면, 제1 통로(P1)를 한정하는 디퓨저 베인(11.1) 사이에 간격(S1)을 갖는 제1 통로(P1)에 이어, 제2 통로(P2)를 한정하는 각각의 디퓨저 베인(11.1) 사이에 간격(S2)(S2>S1)을 갖는 제2 통로(P2)가 이어진다. 다음 통로는 다시 간격 S1 등을 갖는다. 이러한 실시예에서, 통로(P1, P2)는 일정하지 않은 피치를 갖는다.
통로(P1 및 P2)를 형성하는 3개의 후속적으로 배열된 베인의 코드(B)가 동일하면, 제1 통로(P1)의 견고성은 다음과 같이 제2 통로(P2)의 견고성보다 높을 것이다:
Figure pct00003
(3)
여기서
Si는 i 번째 유동 통로의 피치 또는 간격이고
σPi는 i 번째 유동 통로(Pi)의 견고성이다.
더 낮은 견고성을 갖는 통로(P2)는 보다 빠른 스톨을 야기할 수 있다. 그리고 P2는 압축기 작동성의 제한적인 통로일 것이다. 이를 피하기 위해, 본원에 개시된 실시예는 가변, 즉 일정하지 않은 코드(B)를 갖는 디퓨저 베인(11.1)을 제공한다. 보다 구체적으로, 디퓨저 베인(11.1)의 코드(B)는 피치, 즉 연속적인 또는 인접한 디퓨저 베인(11.1) 사이의 간격(S)과 상관되고, 그에 따라 통로(P)를 형성하는 디퓨저 베인 중 하나의 증가된 코드(B)는 다음과 같이 통로 견고성의 균형을 재조정한다:
Figure pct00004
(4)
여기서 Bi는 i 번째 통로(Pi)를 한정하는 2개의 디퓨저 베인(11.1) 중 하나의 코드이다. 보다 구체적으로, Bi는 디퓨저 베인의 코드이며, 그의 흡입 측(11.7)은 도 4에 도시된 바와 같이, i-번째 통로(Pi)를 향한다. 디퓨저 유동 통로의 견고성은 본 경우에, 디퓨저 베인(11.1)(그의 흡입 측은 유동 통로를 향함)의 코드와, 2개의 디퓨저 베인(11.1)(이들 사이에 유동 통로가 한정됨) 사이의 피치 사이의 비로서 정의된다.
통로를 형성하는 2개의 디퓨저 베인 사이의 피치 또는 간격(Si)에 좌우되는 각각의 i 번째 유동 통로(Pi)의 제1 디퓨저 베인(11.1)의 코드(B)를 만듦으로써, 피치 변화에 의해 유발된 견고성 변화의 효과는 코드 변화에 의해 상쇄된다.
따라서, 임펠러 진동의 감소라는 면에서 피치 변화의 유익한 효과는 관련 디퓨저 베인(11.1)의 코드를 증가시키면서, 피치 증가에 의해 야기될, 견고성 감소의 균형을 맞추는 것에 의해 압축기 작동성에 부정적 영향을 미치지 않으면서 달성된다.
바람직한 실시예에서, 각각의 디퓨저 베인 코드(Bi)와 각각의 i 번째 유동 통로(Pi)의 베인 피치 또는 간격(Si) 사이의 관계는 유동 통로의 견고성(σPi)이 일정하게 유지되도록 한다.
그러나, 엄격하게 일정한 견고성 값이 필수적인 것은 아니다. 견고성이 사전-설정된 값 주위에서 실질적으로 일정하게 유지되는 경우, 향상된 압축기 작동성이라는 면에서 유익한 효과가 또한 달성될 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, "실질적으로 일정한"은 일정한 사전-설정된 견고성 값 주위의 +/- 20% 범위 내에 있는 견고성으로 이해될 수 있다. 본원에 개시된 실시예에 따르면, "실질적으로 일정한"은 사전-설정된 일정한 견고성 값 주위의 +/-10% 범위, 바람직하게는 +/-5%의 범위, 및 보다 바람직하게는 +/-2% 범위 내에서 유지되는 견고성으로 이해될 수 있다.
도 7은 가로 좌표에 플롯팅된, 유동 통로의 각도 위치에 대한 피치(간격)(S) 및 코드(cord)(B)를 나타내는 다이어그램을 도시한다. 순차적으로 배열된 디퓨저 베인의 쌍의 피치는 S1, S2, … Si, ….Sn으로 표지된다. 각각의 유동 통로(P1, P2, …. Pi, …. Pn)의 제1 디퓨저 베인(11.1)의 대응하는 코드는 B1, B2, … Bi, …. Bn으로 표지된다. 수평 직선(σconst)은 일정한 견고성 값을 나타내는 반면, σmin 및 σmax는 사전-설정된 일정한 견고성 값(σconst) 주위의, 견고성 값의 용인 가능한 범위의 최소 및 최대 값을 나타낸다. 위에서 언급한 바와 같이, σmin은 σconst의 20% 미만일 수 있거나, 바람직하게는 σconst의 10% 미만, 또는 보다 바람직하게는 5% 미만, 또는 훨씬 더 바람직하게는 2% 미만일 수 있다. 유사하게, σmax는 σconst의 20% 초과, 바람직하게는 σconst의 10% 초과, 또는 보다 바람직하게는 5% 초과, 또는 훨씬 더 바람직하게는 2% 초과일 수 있다.
도 2, 도 4에서, 2개의 상이한 피치(S1 및 S2)에 따라 인접한 디퓨저 베인(11.1) 사이의 피치(S)의 주기적 변화 및 베인 코드(B)의 대응하는 주기적 변화가 도시된다. 다른 실시예에서, 베인은 2개 초과의 상이한 피치 또는 간격(S1, S2)에 따라 배열될 수 있다(도 7).
다른 실시예에서, 피치 및 코드 둘 모두의 변화는 주기적이기보다는 도 8에 도시된 바와 같이 무작위일 수 있다. 도 10은 무작위로 배열된 디퓨저 베인(11.1)을 갖는 디퓨저(11)의 단면도를 도시한다.
또 다른 실시예에서, 변화는 단조로울 수 있으며, 즉, 피치 및 코드는 도 9에 도시된 바와 같이 제1 유동 통로로부터 마지막 디퓨저 통로까지 디퓨저 축(A-A) 주위에서 점진적으로 감소할 수 있다.
임펠러 블레이드의 진동을 추가로 감소시키기 위해, 디퓨저 베인의 추가적인 특징은 디퓨저 축 주위에서 가변적일 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 예를 들어, 디퓨저 베인(11.1)은 가변 프로파일을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 디퓨저 베인은 선단 에지 및/또는 후단 에지의 가변 반경 방향 위치를 가질 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 디퓨저 베인은 가변 경사를 가질 수 있다.
또한, 도 1에서 디퓨저는 일정한 높이를 갖지만, 몇몇 실시예에서 디퓨저는 접선 방향 및/또는 유동 방향으로 가변 높이를 가질 수 있다.
위에서 설명된 실시예는 구체적으로 원심 압축기를 지칭한다. 그러나, 본 개시에 따른 신규한 디퓨저는 도 1에 도시된 것과 유사한 구조를 갖는 원심 펌프에서도 유리하게 사용될 수 있다.
예시적인 실시예는 위에 개시되어 있으며, 첨부된 도면에 도시되어 있다. 다음의 청구범위에서 정의된 바와 같은 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서, 본원에 구체적으로 개시된 다양한 변경, 생략 및 추가가 그에 이루어질 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.

Claims (14)

  1. 원심 터보기계(1)용 디퓨저(11)로서, 상기 디퓨저는 디퓨저 축(A-A) 주위에 원주방향으로 배열된 복수의 디퓨저 베인(11.1)을 포함하며; 각각의 디퓨저 베인(11.1)은 상기 디퓨저 축(A-A)으로부터 제1 거리에 있는 선단 에지(11.3), 상기 디퓨저 축(A-A)으로부터 상기 제1 거리보다 큰 제2 거리에 있는 후단 에지(11.5), 반경 방향 내측을 향하고 상기 선단 에지(11.3)로부터 상기 후단 에지(11.5)로 연장되는 흡입 측(11.7), 반경 방향 외측을 향하고 상기 선단 에지(11.3)로부터 상기 후단 에지(11.5)로 연장되는 압력 측(11.9)을 포함하며; 각각의 유동 통로는 인접하게 배열된 디퓨저 베인의 쌍 각각의 제1 디퓨저 베인(11.1)의 상기 흡입 측(11.7)과 제2 디퓨저 베인(11.1)의 상기 압력 측(11.9) 사이에 한정되며; 상기 디퓨저 베인(11.1)은 상기 디퓨저 축(A-A) 주위에 일정하지 않은 피치(pitch)로 배열되며; 인접하게 배열된 제1 디퓨저 베인(11.1) 및 제2 디퓨저 베인(11.1)(이들 사이에 각각의 유동 통로가 한정됨)의 쌍 각각 사이의 피치(S1, S2)는 상기 제1 디퓨저 베인(11.1) 및 제2 디퓨저 베인(11.1) 중 하나의 코드(chord)(B)와 상관되며; 상기 디퓨저 베인(11.1)은 가변 길이의 코드를 가지며; 인접하게 배열된 디퓨저 베인(11.1)의 쌍 각각과 상기 제1 디퓨저 베인(11.1) 및 제2 디퓨저 베인(11.1) 중 상기 하나의 상기 코드 사이의 상기 피치(S1, S2)는 각각의 유동 통로(Pi)의 견고성이, 일정한 견고성 값 주위의 범위 내에서 유지되도록 선택되며; 상기 디퓨저 베인(11.1)은 상기 선단 에지(11.3)의 가변 반경 방향 위치를 갖는, 디퓨저(11).
  2. 제1항에 있어서, 인접하게 배열된 제1 디퓨저 베인(11.1) 및 제2 디퓨저 베인(11.1)(이들 사이에 각각의 유동 통로가 한정됨)의 쌍 각각 사이의 상기 피치는 상기 제1 디퓨저 베인(11.1)의 상기 코드와 상관되고, 그의 상기 흡입 측(11.7)은 상기 각각의 유동 통로를 향하는, 디퓨저(11).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 범위는 상기 일정한 견고성 값의 +/- 20%, 바람직하게는 상기 일정한 견고성 값의 +/- 10%이며; 보다 바람직하게는 상기 일정한 견고성 값의 +/-5%, 및 훨씬 더 바람직하게는 +/-2%인, 디퓨저(11).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디퓨저 베인(11.1)은 가변 프로파일을 갖는, 디퓨저(11).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피치 및 상기 코드 둘 모두의 변화는 무작위인, 디퓨저(11).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피치 및 상기 코드의 상기 변화는 단조로우며, 상기 피치 및 상기 코드는 제1 유동 통로로부터 마지막 유동 통로까지 상기 디퓨저 축(A-A) 주위에서 점진적으로 감소하는, 디퓨저(11).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디퓨저 베인(11.1)은 상기 후단 에지(11.5)의 가변 반경 방향 위치를 갖는, 디퓨저(11).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디퓨저 베인(11.1)은 가변 경사를 갖는, 디퓨저(11).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 디퓨저 높이는 접선 방향 및 유동 방향 중 적어도 하나에서 가변적인, 디퓨저(11).
  10. 원심 터보기계(1)용 디퓨저(11)로서, 상기 디퓨저는 디퓨저 축(A-A) 주위에 원주방향으로 배열된 복수의 디퓨저 베인(11.1)을 포함하며; 각각의 디퓨저 베인(11.1)은 선단 에지(11.3), 후단 에지(11.5), 반경 방향 내측을 향하고 상기 선단 에지로부터 상기 후단 에지로 연장되는 흡입 측(11.7), 반경 방향 외측을 향하고 상기 선단 에지(11.3)로부터 상기 후단 에지(11.5)로 연장되는 압력 측(11.9)을 포함하며; 각각의 유동 통로(P)는 인접하게 배열된 디퓨저 베인(11.1)의 쌍 각각의 제1 디퓨저 베인(11.1)의 상기 흡입 측(11.7)과 제2 디퓨저 베인(11.1)의 상기 압력 측(11.9) 사이에 한정되며; 상기 디퓨저 베인(11.1)은 상기 디퓨저 축(A-A) 주위에 일정하지 않은 피치(S1, S2)로 배열되며; 상기 디퓨저 베인(11.1)은 일정하지 않은 코드(B)를 가지며; 상기 제1 디퓨저 베인(11.1)의 상기 코드와, 디퓨저 베인(11.1)의 쌍 각각의 상기 제1 디퓨저 베인과 상기 제2 디퓨저 베인 사이의 상기 피치(S1, S2) 사이의 비율은 실질적으로 일정하며; 상기 디퓨저 베인(11.1)의 상기 선단 에지는 상기 디퓨저 축으로부터 가변 반경 방향 거리를 갖는, 디퓨저(11).
  11. 제10항에 있어서, 상기 비율은 일정한 견고성 값 주위의 범위 내에서 유지되는, 디퓨저(11).
  12. 제11항에 있어서, 상기 범위는 상기 일정한 견고성 값의 +/- 20% 이하, 바람직하게는 상기 일정한 견고성 값의 +/- 10% 이하이며; 보다 바람직하게는 상기 일정한 견고성 값의 +/-5% 이하, 및 훨씬 더 바람직하게는 +/-2% 이하인, 디퓨저(11).
  13. 회전 축(A-A) 주위에서 회전하도록 배열된 적어도 하나의 임펠러(7); 및 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 디퓨저(11)를 포함하는, 원심 터보기계(1).
  14. 제13항에 있어서, 상기 터보기계는 원심 압축기인, 터보기계.
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