KR910002410B1 - 원심압축기 - Google Patents

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내용 없음.

Description

원심압축기

제1도 : 디젤엔진 배기터어보식과 급기의 원심압축기부의 종단면도.

제2도 : 제1도의 라인 2-2의 평면상으로 본 압축기의 횡단면도.

제3도 : 제2도의 일부를 나타내는 확대단면도.

제4도 : 본 발명에 부합되게 형성되는 제1도 및 제2도에 나타난 형태의 압축기에 대한 압축비 대 매스플로우를 그래프형태로 나타낸 압축기 상세도.

제5도 : 본 발명에 부합되는 압축기의 다양한 플로우속도에서 디퓨저 스로트내의 속도압을 나타내는 그래프.

제6도 : 압축기내의 임펠러에 대한 디퓨저의 다양한 축위치를 나타내는 그래프.

제7도 : 변경된 디퓨저에서 오는 특징을 나타내는 제4도와 유사한 압축기 상세도.

제8도 : 제7도의 변경된 유니트에서 오는 시험결과를 나타내는 제5도와 유사한 그래프.

제9도 : 압축비 대 비매스 플로우(Specific mass flow)를 플로트한 그래프(여기서 시라우드측면상의 정압은 디퓨저 스로트의 허브측면상의 총압과 같고, 다수의 다른 압축기 및 디퓨저 구조에 대한 시험값이 나타나 있음).

제10도 : 제9도에 플로트된 시험치의 기울기대 이를 시험치에 대한 입사각을 나타내는 그래프.

제11도-16도 : 제4도 및 제7도에 유사한 것으로서 제9도 및 제10도에서 비교되는 시험에 사용된 다른 압축기 구조의 특징을 나타낸 압축기 상세도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 디젤엔진 배기터어보식 과급기(diesel engine turbocharger)

11 : 원심압축기(centrifugal compressor)

18 : 베인식 임펠러(vaned impeller) 19 : 허브(hub)

23 : 시라우드(shroud) 27 : 환형출구(annular outlet)

28 : 베인식 디퓨저(vaned diffuser) 31 : 디퓨저 베인(diffuser vane)

34 : 통로(passage) 35 : 환형유입구(annular inlet)

40 : 흡입측면(suction side) 42 : 압축측면(pressure side)

43 : 입사각(incidence angle) 46 : 스톨버블(stall bubble)

본 발명은 엔진과급기, 배기터어보식 과급기, 개스터어빈, 개스처리장치 및 다른 적용에 대한 원심압축기 특히, 베인식 디퓨저(vaned diffuser)를 갖는 원심압축기에 관한 것이다.

압축기를 가로지르는 차압 또는 압축비, 최대 또는 초크플로우(choke flow)의 퍼센트로서의 작동플로우 범위 및 효율은 조립체에 사용되는 디퓨저의 형태 및 기하학에 따라 부분적으로 결정된다는 것이 일반적으로 원심압축기로서 언급되는 고정기하학 혼합 및 방사상 플로우 다이나믹 개스압축기와 관련하여 널리 알려져 있다.

통상, 베인레스(vaneless) 디퓨저는 가장 큰 작동범위를 제공하지만 반면에 가장 낮은 최대 압력비 및 효율을 제공하게 된다. 특정 공기포일형의 베인식 디퓨저는 작동범위에 있어서의 어느정도의 감소와 더불어 최대 압력비 및 효율을 개선시킨다.

한편, "직선 아이런드(straight island)"형으로서 알려진 쐐기모양의 직선형 브래드를 갖는 디퓨저는 작동 범위에 있어서의 추가감소 없이 최대 압력비 및 효율을 제공한다.

원심압축기에 대한 기계적 가변성 기하학 디퓨저(mechanically variable geometry diffuser)가 넓은 작동범위를 제공하는 것으로 과거부터 여겨져 왔다.

가변성 기하학은 디퓨저 베인을 피보트하여 임펠러로부터 오는 플로우의 배출각과 매칭되도록 하고 기계식 디퓨저 스로트면적(diffuser throat area)을 조절하므로서 달성된다. 이러한 조절은 초크조건하에서 보다 많은 플로루을 제공하지만 반면에 서지현상(surge)이 일어나는 플로우를 감소시킨다. 초크플로우는 디퓨저 스로트면적을 상기 조건하에서 보다 크게 되도록 함으로서 증가된다.

디퓨저 베인을 피보트하여, 보다 낮은 플로우조건에서, 임펠러로부터의 보다 접선형 배출플로우각과 매칭되도록 함으로서 디퓨저 스로트면적이 감소되는 경우 서지가 일어나는 플로우속도는 감소된다.

기계적 가변성 기하학 시스템에는 두개의 주요한 결점이 있다. 첫째, 조절시스템은 다양한 작동상태에서 디퓨저 베인의 위치를 이동 및 고정하는 것을 필요로 한다는 것이고, 둘째, 효율손실을 피하기 위하여 필요한 이동성 디퓨저 베인의 에지를 시일링하는 것이 어렵다는 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은, 통상의 고정기하학 디퓨저에 비하여, 현저하게 증가된 작동범위를 제공하는, 고정베인 기하학을 갖는 디퓨저를 포함하는 원심압축기를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적은 서지점 근처 및 접근된 작동범위의 일부분에서 서지의 발생을 예방하는 플로우가속 스톨버블(stall bubble)이 어떻게 나타나는가를 연구개발함으로서 달성된다.

스톨버블은, 통상의 것보다 다소 더 큰 방사상 각도에서, 서지점(surge point) 근처의 리딩에지에 의해서 방해되는 플로우에 대하여, 베인의 흡입측면을 고정하므로서 형성되어 임펠러에 의해서 이송되는 플로우에 대한 정상입사각(indidence angle) 보다 더 크게 형성된다.

최적입사각은 다른 압축기 구조에 대하여 변화되지만, 5-9°바람직하게는 7°의 범위로 설정되는 것이 적절하고 반면에, 유사한 통상 디퓨저에 대한 비교입사각은 1-1/2°로부터 3-1/2°까지의 크기를 갖는다.

공기역학 가변성 기하학 디퓨저(aerodynamically variable geometry diffuser)(이하, AVGD라 칭함)로 알려진 본 발명의 상기 스톨버블-형성 디퓨저는 기계적 가변성 기하학 디퓨저의 문제점을 해소할 수 있을 뿐만 아니라 움직이는 부분이 없으므로 제작상 경제적이다.

AVGD의 작동상태를 이해함에 있어서 가장 중요한 것은, 플로우 범위의 낮은 부분에 있어서, 디퓨저 스로트의 허브측면상 즉, 각각의 디퓨저 통로의 스로트내에서, 스톨버블의 생성과정이다.

디퓨저 스로트의 시라우드 측면(shroud side)상에서 스톨버블을 형성하는 것이 가능한데, 지금까지는 이러한 현상이 이로운 것으로 알려져 있지 않았다.

스톨버블은 그들의 리딩에지(leading edge) 근처의 벤인의 흡입측면을 따라 놓여있는 스테그넌트(stagnant) 또는 재순환 플로우의 작은 포켓(Pocket)으로 믿어진다.

작동점(operating point)이 보다 낮은 플로우로 이동되는 경우, 스톨버블이 디퓨저 스로트내의 각각의 통로에서 성장하므로서, 공기역학 디퓨저 스로트면적을 효과적으로 감소시키고, 스톨버블에 의해서 블로킹되지 않는 각각의 통로스로트의 잔류면적에서, 개스의 속도를 증가시키게 된다.

결과적으로, 서지의 발생은 만약 그렇지 않았더라면 가능하게 되는 것보다 훨씬 낮은 플로우에서 일어나게 된다.

작동범위의 높은 플로우 부분에서, 스톨버블은 존재하지 않는다.

AVGD의 다소 보다 경사가 급한 베인 각도로 인하여, 디퓨저 스로트면적이 통상 디퓨저의 면적보다 큰데, 특정예에 있어서는 대략 23퍼센트 정도 더 크다.

상기 큰 스로트면적으로 인하여, 초크플로우 및 작동범위는 둘다 증가된다. 일예에 있어서, 통상적으로 매칭되는 디퓨저보다 대략 17퍼센트 높은 초크플로우가 얻어진다.

따라서, 공기역학적 가변성 기하학 디퓨저(AVGD)의 독특한 특징을 입증해주는 특성 및 결과는 다음과 같다.

(1) 스톨버블은 디퓨저 스로트내에서 형성되어, 작동범위의 서지점 근처에서 작동중에 베인의 흡입측면으로부터 성장되므로서, 그렇지 않았더라면 얻어질 수 있는 것보다 낮은 매스플로우속도에서의 서지의 발생을 방지할 수 있다.

(2) 디퓨저의 측정된 스로트면적은 전형적인 장치의 것보다 23퍼센트 정도 더 크다. 특정 실시예에 있어서, 전형적인 장치의 임펠러 출구면적에 의해서 나누어진 총베인 디퓨저 스로트면적비는 0.467의 값을 갖는다. 동일한 압축기의 향상된 변형에 대한 AVGD 설계의 비에 의하여 디퓨저 스로트 대 임펠러 출구면적비가 0.575의 값을 갖게 된다. 이들 면적은 각각의 임펠러 및 디퓨저 통로의 최소 단면적을 합하므로서 결정된다.

(3) AVGD를 갖는 압축기에 대한 플로우챠트상의 서지라인(surge line)은 매우 작은 스로트면적 및 매우 낮은 초크플로우를 갖는 전형적인 매칭디퓨저(matched diffuser)의 경우와 유사한 낮은 플로우 및 낮은 압력비 특성에서 계속 유지된다.

본 발명의 특징을 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도에 나타난 바와 같이, 디젤엔진의 배기터어보식 과급기(10)는 방사형 플로우 원심압축기(11)를 포함한다.

상기 압축기는 압축기에 의해서 이송된 가압부하공기의 수집 및 분산을 위한 주변스크롤실(peripheral scroll chamber)(15)을 함께 한정하는 하우징(12)과 분리가능한 커버(14)를 포함한다.

상기 하우징(12)내에는 샤프트(16)와 회전가능한 임펠러(18)를 유지하는 스플라인 단부를 갖는 샤프트(16)가 유지되어 있다. 임펠러는 허브(19)를 포함하고, 커버(14)에 부착된 시라우드(23)에 의해서 외부방향으로 밀폐된 다수의 통로(22)를 한정하는다수의 뒷젖힘 브래드(backswept blade)(20)가 상기 허브(19)로부터 확장된다.

시라우드상의 유입구 확장부(24) 및 임펠러상의 원추형 두부(nose cone)(26)는 유입공기 필터링장치와 유입구 확장부(24)를 연결하는 수단(도시되어 있지 않음)을 통해 이송된 개스의 통로(22)에 대한 공통 입구를 한정한다.

통로(22)의 방향은 대체로 축상인 원형 두부에서의 입구로부터, 허브(19)를 따르는 곡선통로를 통하여, 주변환형출구(27) 즉, 임펠러의 외부직경에서 종료되는 외부방사형 방향으로 변화된다.

캐스팅 몸체를 포함하는 디퓨저(28)는 출구를 에워싸고 출구와 스크롤 통로(15) 사이를 확장하며, 상기 캐스팅 몸체는 다수의 통합기계 베인(integral machined vane)(31)을 갖는 측면고정판(30)을 포함하고, 이 고정판은 고정판과 맞서는 베인의 측면을 밀폐하고 임펠러의 허브측면과 대체로 일렬배열된 대체로 평평한 커버판(32)과 함께 조립된다.

디퓨저 베인과 고정 및 커버판은 압축기로부터 이송된 개스의 동적 에너지(dynamic energy)를, 통상의 방법으로, 압축 에너지로 효과적으로 변화시키기 위하여 외부방향으로 증가되는 면적을 갖는 다수의 각 상 배치된 직선형 디퓨저 통로(34)를 형성하게 된다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 베인은 상대적으로 날카로운 내부, 리딩에지(35)를 포함하고 외부방향으로 두꺼워져 디퓨저 통로(34) 사이의 쐐기모양의 직선형 아이런드를 한정하게 된다.

도시된 바와 같이, 각각의 디퓨저 통로(34)는 4개의 측면을 포함하는데, 도면에 나타난 것과 같이 평면형일 필요는 없다.

상기 측면은, 커버판(32)의 내부표면에 의해서 한정되는 허브측면(38), 고정판(30)의 내부표면에 의해서 한정되는 시라우드측면(39), 임펠러 회전방향에 있어서 리딩베인의 트레일링측면에 의해서 한정되는 흡입측면(40) 및 임펠러 회전방향에 있어서 트레일링베인의 리딩측면에 의해서 한정되는 입력측면(42)을 포함한다.

제2도의 단면도에 있어서, 임펠러의 회전방향은 시계반대방향이다.

임펠러의 방사상 외부에지를 지나는 개스플로우는 임펠러 회전방향에 있어서 근본적으로 접선성분을 포함한다.

따라서, 디퓨저베인(31) 및 통로(34)는 보다 큰 접선성분 뿐만 아니라 근본적인 방사형 성분에 향하게 되어, 개스플로우가 디퓨저 베인의 리딩에지(35)에 접근하는 경우, 이 개스플로우의 방향으로 대체로 향하도록 되어 있다.

디퓨저 설계에 있어서, 압축기가 최대 압축비 발생의 한계 또는 그 근처에 있고 플로우가 특정 작동속도에 대한 최소점(서지점)에 접근하는 경우, 통로방향이 유입개스플로우의 방향과 아주 거의 일렬 배열되도록 하는 것이 통상적이다. 다음에, 보다 큰 플로우 및 보다 낮은 압력비에서, 디퓨저로 들어오는 개스플로우의 방향은 점점 더 방사형을 취하게 되며 최대 플로우 조건하에서의 효율은 만약 베인이 다소 더 방사상방향으로 세트된 경우 얻을 수 있는 것보다 감소될 것이다.

또한, 더 방사상으로 세팅하는 경우는 통로의 면적을 다소 증가시켜 디퓨저에 있어서 초크 또는 플로우 한계조건이 도달되기 전에 보다 큰 개스플로우 능력을 제공하는 이점을 갖게 된다.

역시, 통상의 디퓨저장치에 있어서, 통로 또는 베인의 흡입측면은 서지점 근처의 유입개스플로우의 방향 보다 더 방사상인 입사각으로 배치된다. 통상의 디퓨저의 특정 실시예에 있어서, 입사각은 3.4-1.5°의 범위보다 크게는 1-4°로 결정되어 압축기에서 알려진 거의 서지 조건하에서 균일하게 디퓨저내로 개스의 비교적 완만한 유입을 유지하게 된다.

본 발명은, 제3도에 도시된 바와 같이, 서지점 근처의 인접디퓨저 통로로 들어오는 개스플로우방향(44)과 각 베인의 흡입측면(40) 사이의 입사각(43)은, 서지점에 접근되는 경우, 스톨버블(46)이 디퓨저 통로의 허브측면상에서 발생되는 점까지 현저하게 증가된다는 점에서 차이가 있는 것이다.

이러한 스톨버블(46)은 허브에 인접한 디퓨저 통로의 일부분에서 개스의 재순환을 포함하는 것으로 믿어진다.

이러한 현상은 통로에 있어서 플로우면적을 현저하게 감소시킴으로서 통로의 잔류부분을 통과하는 개스의 플로우속도를 증가시키고 서지점을 낮은 압축기 플로우로 이동하도록 한다.

초크플로우에 의해서 나누어지는 서지와 초크 사이의 플로우에 있어서 차이(differential)로서 한정되는 압축기의 작동범위는 근본적으로 증가된다.

디퓨저 베인으로 들어오는 개스의 플로우각이 서너개의 변수의 함수이므로, 압축기의 차등 크기 및 구조와 스톨버블 개념이 이용될 수 있는 매칭디퓨저에 대한 이상적인 비베인각도를 나타내는 것이 불가능하다. 그러나, 도면에 나타난 형태의 하나의 특정 실시예에 있어서, 최적입사각(43)은 베인 흡입측면(40)에 대하여 약 3.4°의 입사각(43)을 갖는 통상적인 디퓨저에 대하여 약 40퍼센트 범위의 증가를 제공하게 되는 약 6.9°로 결정된다.

또한, 얻어진 범위에 있어서 게인(gain)의 관점으로 볼때 적다고 여겨지는 약 1/2퍼센트의 효율손실이 있게 된다.

현재, 이러한 기술발전에 있어서, 스톨버블의 형성 및 그 이유는 충분히 이해되어 있지 않다. 그러나, 스톨버블 존재의 입증과 작동범위에 있어서의 개선점의 증명을, 이로부터 얻은 개념을 압축기 및 디퓨저에 적용하여, 이하에서 확립하고자 한다.

디퓨저의 스로트에 있어서 스톨버블의 존재는 실제로 고려되는 것보다 더 큰 면적으로 설계된 실험용 디퓨저를 포함하는 배기터어보식과 급기압축기의 시험결과를 연구하므로서 밝혀졌다. 증가된 면적은 예상된 개스플로우각이 나타내는 통상적인 경우보다 더 방사형으로 세팅된 디퓨저베인을 사용하므로서 얻어진다.

제4도는 본 시험에 있어서 압축기에 대한 매스플로우 대 압력비의 상세도(map)를 나타낸 것이다.

이로 인하여 예상된 통상장치보다 높은 플로우를 형성하지만 그러나 예상된 것보다 훨씬 낮은 플로우에서 서지라인(47)을 나타내게 된다.

상기 압축기에 있어서, 압축기의 작동플로우 범위는 제4도에 도시된 압축기속도의 대부분의 범위에 대하여 초크플로우에서 플로우의 30퍼센트를 초과하고 그리고, 16,000rpm 정도의 회전속에서는 초크플로우에서 플로우의 35퍼센트에 접근하게 된다.

따라서, 제4도에 따르면, 16,000rpm에서, 작동플로우 범위는 서지에서 7.1lb/sec의 매스플로우속도로부터 10.95lb/sec의 최대 매스플로우속도까지 확장된다. 상기 최대 매스플로우속도는 16K 라인이 수직하게 되고 초크플로우속도에 상응하는 값이다. 작동플로우 범위는 10.95-7.1인 3.85lb/sec값과 일치되는데, 이 값은 초크플로우에서 플로우의 35.2퍼센트에 상응하는 값이다. 서지 근처로부터 초크플로우까지의 넓은 범위의 조건하에서 디퓨저 스로트내의 다양한 점에서 속도값의 결과가 제5도에 도시되어 있다.

6섯개의 곡선(48a-48f)는 서지점(48a) 근처로부터 최대 또는 초크플로우 조건(48f) 근처까지의 조건을 도식적으로 나타낸 것이다. 그러나, 플로우가 감소되는 경우, 48c에서는, 허브측면상의 플로우에 있어서의 근본적인 감소가 나타나고, 48a 및 48b에서는 서지점 근처에서 동적압력 및 명확한 플로우 재순환 또는 스톨의 역전현상이 나타난다.

이러한 결과의 연구는 디퓨저 통로의 임펠러 허브측면상의 "스톨버블"(stall bubble)(이 항은 스태그넌트 또는 재순환 플로우의 명확한 형성에 대하여 사용된 것임)이, 압축기 매스플로우가 감소되는 경우, 디퓨저 스로트면적을 효과적으로 감소시킨다는 이론을 가져오게 된다. 이것은 높은 유속이 디퓨저 통로의 잔류부분에서 유지되도록 하여 플로우속도가 기대한 것보다 낮은 속도에 도달될 때까지 서지를 효과적으로 예방하도록 하여준다.

결과적으로, 디퓨저가 실제값보다 훨씬 적은 스로트면적을 갖는 것처럼 반응한다.

이러한 이론은 디퓨저 통로의 허브측면상의 슈트트래이스(soot trace)(50)를 명확하게 보여주는 시험 후에 디퓨저의 커버판을 조사함으로서 입증되었다.

상기 슈트트래이스는 흡입측면(40)을 따르는 디퓨저 브래드의 리딩에지(35)로부터 확장한 제3도에 도시된 스톨버블의 윤곽을 형성하고, 디퓨저의 허브측면을 따르는 스톨버블(46)을 형성하는 개스의 스톨링조건을 나타낸다.

만약 상기 스톨버블이 의도적으로 형성되고 파괴될 수 있다면 상기 버블을 조절하는 인자가 결정될 수 있고, 최적 AVGD가 개발될 수 있는 보다 큰 가능성이 있게 됨을 알 수 있다.

스톨버블은, 디퓨저 베인의 흡입측면(40)보다 더 접선형인 개스플로우에 기인하여, 베인 리딩에지(35)에 인접하는 디퓨저의 통로의 허브측면에서 생성된다는 것이 이론화되어 있다.

즉, 근본적인 입사각(43)은 존재하게 된다. 이러한 이론은 플로우를 보다 방사상으로 만들어 스톨버블을 제거하므로서 입증된다.

제6도의 점선으로 도시된 바와 같이, 이것은 디퓨저를 축상으로 이동시켜 디퓨저(28)내로의 플로우가 허브측면(38)상에서 다소 제한을 받아 가속화되므로서 디퓨저 베인 리딩에지를 지나는 개스의 보다 방사형 플로우각을 형성하도록 함으로서 달성된다.

극적인 결과가 제7도 및 제8도에 도시되어 있는데, 제7도는 상기 시험에 대한 압축기 플로우 상세도를 나타낸 것이고 제8도는, 서지로부터 초크플로우까지를 커버하는 플로우곡선 51a-f로, 디퓨저 베인의 리딩에지에서 스로트내의 속도압력 상세도를 나타낸 것이다. 여기서, 제5도와 비교되는 바와 같이, 역플로우(reverse flow) 또는 스톨버블의 증거는 찾아 볼 수 없다.

또한, 16,000rpm에서, 그 범위는 제4도의 35.2퍼센트로부터 제7도의 24.9퍼센트로 감소된다.

슈트트레이스 시험은 슈트빌드업(soot build up)이 없는 것으로 나타난 제3도의 것과 비교되는 조건하에서 행하여졌으므로, 제2시험의 결과에 의해서 알 수 있는 바와 같이, 스톨버블이 존재하지 않음을 확신하게 해준다.

유사한 토대(basis)에 의해서 스톨버블의 발생에 대한 다양한 시험을 적절하게 조사하고 비교하기 위하여, 평가기준(bench mark)을 개발하는 것이 필요하다.

논리적인 비교점은, 시라우드 측면에서 측정된 디퓨저 스로트정압이 디퓨저 스로트전압력과 같게 되는 경우, 스톨버블이 발생되는 곳(이 경우는 디포저 통로의 허브측면상임)에서 측정된 것이다.

이러한 동등압은 허브측면상의 플로우와 동적압력이 제로(zero)로 떨어지고 역플로우가 시작되는 것을 의미하는 것인데, 이는 스톨버블의 발생을 나타내는 것이다.

따라서, 각각의 일정속도 라인에 대한 일련의 시험데이타는 내삽 또는 외삽되어 이들 압력이 동일하게 되는 곳에서 압력비 및 플로우를 결정하게 된다.

다음에, 플로우는 임펠러 유입구면적에 의해서 나누어지므로서 비플로우(specific flow)로 변화되어 다른 크기의 압축기가 비교될 수 있다.

이러한 데이타는 배기터어보식 과급기 압축기의 하나의 크기에 대한 시험(52), (54), (55), (56) 및 (58)과 보다 작은 배기터어보식 과급기 압축기에 대한 시험(59) 및 (60)에 대하여 제9도에 플로트되어 있다.

제9도에 나타난 라인의 기울기는 서지근처의 조건하에서 디퓨저 베인라인 에지에서의 입사각과 상호 관련되어 있다. 이러한 상호 관련성은 제10도에 도시되어 있다.

이들을 비교하기 위하여, 시험(52), (54), (55), (56), (58), (59) 및 (60)에 대한 압축기 플로우 상세도가 제11, 12, 4, 13, 14, 15 및 16도에 각각 나타나 있다.

제9도 및 제10도와 관련된 데이타는 절대치에 근거했다기 보다는 오히려 상기 시험에 사용된 시험수단 및 데이타로부터 나온 상대값에 근거한 것이다.

따라서, 각각의 데이타는 다른 시설, 장비 및 시험수단에 의해서도 제9도 및 제10도와 유사한 곡선을 얻을 수 있는데 근본적으로는 현위치에서 그들의 절대위치로 이동되게 되는 것이다.

AVGD를 설계함에 있어서, 플로우가 속도라인을 따라 초크로부터 서지로 이동되는 경우, 기계적 가변성 기하학 디퓨저의 조절은 중요하고 실험적으로 특정 기계에 대하여 결정되어야만 하는데, 이는 고려해야할 만한 가치가 있는 것이다.

한편, 서지현상은 우연히 일어날 수도 있다. 같은 종류의 조절논리가 AVGD에 대하여 고려되어야만 한다. 스톨버블의 발생과 그것의 성장속도는, 플로우가 초크로부터 서지로 이동되는 경우, 조절되어 조기 서지현상을 피하도록 해준다. 부적합하게 매칭된 디퓨저는 일정속도 라인을 따라 두개의 강한 서지점을 나타낼 수 있다.

중요한 것은 제9도와 유사한 플로트에서 그 기울기가 작으면 작을수록 스톨버블이 처음 형성되는 플로우속도는 더 크게 된다는 것이다. 상기와 같은 관련성을 인식하는 것은 설계자가 조기 서지현상을 방지하기 위하여 디퓨저 스로트면적에 있어서의 효과적인 감소 및 스톨버블의 성장속도를 조절하는 것을 가능하게 해준다.

디퓨저 베인의 흡입측면에 대하여, 플로우각 또는 입삭각에 영향을 주는 스톨버블의 성장속도를 조절하는 4개의 아이템(item)이 있는데, 이에는 (1) 임펠러 뒷젖힘도, (2) 반경비, (3) 허브측면상의 셀프 또는 핀치(shelf or pinch), 및 디퓨저 베인의 흡입 측면각 (4) 이 속한다. 임펠러 뒷젖힘도는 보통 0-45°의 범위이고 통상의 설계방법에 따라 설계자에 의해서 결정된다.

반경비는 실제적으로 면적비이고, 플로우각에 영향을 주게되는데, 그 이유는 대략적으로 이러한 반경들 사이의 베인없는 공간이 플로우의 방사형 성분은 분산시키고 접선성분은 보존하기 때문이다.

허브측면상의 셀프 또는 핀치는 임펠러 허브에 대하여 디퓨저벽의 허브측면의 축상위치에 의해서 결정된다.

제6도의 실선에 의해서 나타나는 셀프에 의해서 플로우가 보다 접선형이 되도록 면적에 있어서의 증가를 가져오게 된다.

제6도의 점선으로 나타난 핀치는, 면적을 감소시키고, 플로우의 방사형성분을 가속시키므로, 거꾸로 되어 전 플로우가 보다 방사형이 되도록 한다.

상기 4개의 아이템의 첫 3개는 디퓨저 베인의 허브측면에서의 리딩에지(35)상에서 충돌되는 개스플로우의 방향에 영향을 주게되지만, 상기 방향은 임펠러의 회전속도 및 압축기를 통한 개스플로우의 속도(양자 모두 변화가능)에 따라 변화될 수 있다.

개스플로우의 상기 각도는 잘 알려진 방법으로 압축기의 설계에 있어서 이론적으로 결정될 수 있고 알려진 방법으로 작동조건하에서 행하여지는 실제시험의 결과로부터 경험적으로 계산될 수 있다.

디퓨저 베인의 흡입측면각은, 명확하게, 개스플로우와 디퓨저 베인의 흡입측면(40) 상기의 입사각(43)에 직접영향을 주게되지만 유용한 압력회복이 요구되는 경우 사이 베인각은 기본 디퓨저설계 기준치에 의해서 한정된다.

제4도 및 제11-14도의 압축기 플로우 상세도에 나타난 바와 같이, 제4도의 시험(55)은, 제10도에 나타난 바와 같이, 6.9°인명확한 최적입사각을 나타낸다. 상기 최적각을 결정함에 있어서, 상기한 아이템(2),(3) 및 (4)는 모두 변화된다.

제11도의 시험(52)으로부터 제12도의 시험(54)로 변화되는 경우, 반경비는 증가되고 그리고 디퓨저 베인은 보다 방사형으로 된다.

또한, 제12도의 시험(54)으로부터 제4도 및 제5도의 시험(55)으로 이동하여 행하여졌다.

제7도 및 제8도에 도시된 시험(62)은 허브측면상에 핀치를 사용한 것이다.

제13도의 시험(56)은 테스트리그(rig)상에서 기계적 압박에 의해서 허용되는 허브측면상의 최대가능 셀프를 사용한 것이다.

제14도의 시험(58)은 테스트(55)와 (56)사이의 한점으로 핀치를 조절한 것이다.

여기서 보고된 보다 작은 압축기상의 시험결과는 최적입사각으로 고려되는 것을 결정하기 위해서는 부적절하다. 그러나, 표시된 라인을 따른 추가시험 및 그 결과분석은 최적특성을 찾기 위하여 사용될 수 있다.

현재, AVGD에 대한 설계공정은 실험결과에 강하게 의존하게 되지만, 이는, 공기역학적 가변성 기하학 디퓨저가 기존 및 새로운 압축기에 장차보다 더 일반적으로 적용되는 경우, 실험적인 접근방법은 현저하게 감소될 수 있고, 직접설계 접근방법이 보다 더 유용하게 이용될 것이다.

본 발명에 있어서, 제3도에 도시된 바와 같이, 개스플로우(44)의 방향은 디퓨저 베인(42)의 드레일링에지(40)(흡입측면)의 각보다 각(42)만큼 덜 방사형을 갖게 된다.

상기 각(43)은 낮은 공기플로우에서 스톨버블(46)의 형성을 야기하게 되는데, 이는, 결과적으로 플로우 통로부를 블로킹하고 다른 부분을 통한 공기플로우를 높은 속도로 유지하므로서 서지현상을 피할 수 있다.

Claims (6)

1. 주변환형출구(27)를 갖는 베인식 임펠러(18)와, 상기 임펠러 출구(27)와 대체로 일렬 배열되고 이를 에워싸도록된 환형유입구(35)를 포함하여 임펠러속도 및 차압의 함수로서 부분적으로 변화되는 매스플로우방향 및 속도를 갖는 개스플로우를 수용하는, 베인식 디퓨저(28)를 포함하고, 디퓨저 베인(31)은 각이져 초크조건으로부터 서지조건까지의 압축기 작동범위에 걸쳐서 개스플로우의 전방향과 대체로 일렬 배열되고, 그리고 각각의 베인(31)은 임펠러 회전방향으로 트레일링하는 흡입측면(40)을 포함하도록된 원심압축기에 있어서, 각각의 흡입측면(40)이 압축기(11)가 압축기(11)의 서지조건 근처의 작동범위의 일부분에서 작동되는 경우 형성되는 개스플로우방향 각보다 더 큰 방사각으로 임펠러(18)에 대하여 기울어지고, 각(43)에 있어서의 차이가 충분하여 서지조건 근처의 디퓨저 스로트의 플로우면적을 공기역학에 의해서 효과적으로 감소시켜 서지현상을 예방함으로서 초크조건과 서지조건 사이의 압축기(11)의 작동 개스플로우 범위를 확장시키는, 디퓨저 유입구(35)에서 스로트내 및 이에 인접한 각각의 베인(31)의 흡입측면(40)을 따르는 공기플로우에 있어서, 스톨버블(46) 조건을 형성하도록 구성됨을 특징으로 하는 원심압축기(centrifugal compressor).
2. 제1항에 있어서, 각각의 디퓨저 베인(31)의 흡입측면(40)과 압축기(11)의 서지조건 근처의 개스플로우방향 사이의 각도(43)에 있어서의 상기 차이가 3.5°이상이되도록 구성됨을 특징으로 하는 원심압축기.
3. 제2항에 있어서, 각도(43)에 있어서의 상기 차이가 5-8°의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 원심압축기.
4. 제1항에서 제3항중의 어느 한항에 있어서, 주변환형출구(27)가 한측면상의 허브(19) 및 다른측면상의 시라우드(23)에 의해서 부분적으로 한정되고, 베인식 디퓨저(28)에 있어서의 베인(31)이 임펠러(18)를 향하여 테이퍼된 허브(19) 및 시라우드(23) 사이의 통로(34)를 한정하고, 그리고 베인(31)의 각각의 흡입측면(40)이 베인(31)의 상응압력측면(42)보다 더 방사형으로 임펠러에 대하여 경사져 있는 것을 특징으로 하는 원심압축기.
5. 제1항에서 제3항중의 어느 한항에 있어서 압축기(11)의 작동플로우 범위가 초크플로우에서 플로우외 30퍼센트를 초과하도록 구성됨을 특징으로 하는 원심압축기.
6. 제5항에 있어서, 압축기(11)의 작동플로우 범위가 초크플로우에서 플로우의 35퍼센트에 근접하도록 구성됨을 특징으로 하는 원심압축기.

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