KR100800117B1 - Gyro axial flow turbine Compressor - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면, 양단에 삽입구가 형성되며, 내부에 공간부가 형성된 케이싱과; 삽입구를 통해 케이싱 내부에 삽입되어 회전하는 회전축과; 이 상기 회전축에 길이방향을 따라 다수가 배치되고, 회전축에 고정결합하여 회전축과 함께 회전하며, 그 둘레를 따라 다수의 블레이드가 배치된 회전로터; 및 회전축에 길이방향을 따라 회전로터와 교대로 배치되고, 회전축의 회전에 영향받지 않도록 회전축에 대하여 회전가능하게 결합하며, 그 둘레를 따라 다수의 블레이드가 배치된 다수의 자유-고정로터를 포함하는 일체형 축류 터빈 압축기가 제공된다. 개시된 일체형 축류 터빈 압축기에 따르면, 종래 스테이터 블레이드에 해당하는 자유-고정로터를 회전축 상에 일체로 구비함으로써, 저속 또는 초고속 영역의 운전시에도 회전로터의 선회실속에 의한 피로파괴를 예방하는 동시에 정속운전시와 대등한 효율을 기대할 수가 있다.According to the present invention, an insertion hole is formed at both ends, and a casing having a space portion therein; A rotating shaft inserted into the casing through the insertion hole and rotating; A plurality of rotary rotors disposed along the rotational shaft in a longitudinal direction and fixedly coupled to the rotary shaft to rotate together with the rotary shaft, and a plurality of blades disposed along the circumference thereof; And a plurality of free-fixed rotors disposed alternately with the rotary rotor along the longitudinal direction on the axis of rotation, rotatably coupled to the axis of rotation so as not to be affected by the rotation of the axis of rotation, and with a plurality of blades disposed around the axis of rotation. An integrated axial turbine compressor is provided. According to the disclosed integrated axial turbine compressor, the free-fixing rotor corresponding to the conventional stator blade is integrally provided on the rotating shaft, thereby preventing fatigue destruction due to the rotating stall of the rotating rotor even during operation in a low speed or ultra high speed region, and at the same time operating at a constant speed. We can expect efficiency equal to city.
축류 터빈, 압축기, 로터, 베어링 Axial flow turbine, compressor, rotor, bearing
Description
도 1은 가스 터빈 엔진의 개략도이고,1 is a schematic diagram of a gas turbine engine,
도 2는 종래 축류 터빈 압축기의 개략도이고,2 is a schematic diagram of a conventional axial turbine compressor,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 축류 터빈 압축기의 단면 사시도이고,3 is a cross-sectional perspective view of an integrated axial turbine compressor according to an embodiment of the present invention;
도 4는 도 3에 도시된 일체형 축류 터빈 압축기의 단면도이고,4 is a cross-sectional view of the integrated axial turbine compressor shown in FIG. 3,
도 5는 도 2에 도시된 종래 축류 터빈 압축기의 단의 구성을 나타낸 개략도이고,5 is a schematic view showing the configuration of the stage of the conventional axial turbine compressor shown in FIG.
도 6은 도 2에 도시된 종래 축류 터빈 압축기의 저속회전 영역에서의 입사각 증가 메커니즘을 나타낸 도면이고,6 is a view showing an incidence angle increasing mechanism in a low speed rotation region of the conventional axial turbine compressor shown in FIG.
도 7은 도 2에 도시된 종래 축류 터빈 압축기의 선회실속 발생 메커니즘을 나타낸 도면이고,FIG. 7 is a view illustrating a rotating stall generating mechanism of the conventional axial turbine compressor illustrated in FIG. 2;
도 8은 도 3에 도시된 회전로터 및 자유-고정로터의 운동방향을 나타낸 도면이고,8 is a view showing the direction of movement of the rotary rotor and the free-fixed rotor shown in Figure 3,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 축류 터빈 압축기의 단면도이다.9 is a cross-sectional view of an integrated axial turbine compressor according to another embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100,200...일체형 축류 터빈 압축기 110...케이싱100,200 ... integral
111...삽입구 112,113...보스부111 ... Inlet 112,113 ... Boss section
114...안내 블레이드 120,220...회전축114 ... Guide blade 120,220 ... spindle
130...회전로터 131,141...블레이드130 ... rotary rotor 131,141 ... blade
140...고정로터 142...베어링140 ... Fixed
150...축 베어링150 ... axial bearing
본 발명은 축류 터빈 압축기(Axial flow turbine Compressor)에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 가스 터빈 엔진에 이용되는 일체형 축류 터빈 압축기에 관한 것이다.The present invention relates to an axial flow turbine compressor, and more particularly to an integrated axial turbine compressor for use in a gas turbine engine.
도 1은 가스 터빈 엔진의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a gas turbine engine.
일반적으로 가스 터빈 엔진은 항공기, 선박, 자동차 등의 추진력을 제공하거나 발전(發電) 등의 산업용으로 이용되는 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(10), 연소실(20) 및 터빈(30)을 구비한다. 이러한 가스 터빈 엔진(40)은, 압축기(10)를 이용하여 공기를 축 방향으로 유동시키면서 압축하고, 이렇게 압축된 압축공기를 연소실(20)로 유입시킨 다음, 연소실(20)에서 연소실(20) 내부에 분무 된 연료와 혼합시켜 착화함으로써 고온의 가스를 생성하며, 이렇게 생성된 고온의 가스를 이용하여 터빈(30)을 구동시킴으로써 동력을 얻게 된다. 한편 상기 압축 기(10)에서 압축된 압축공기의 일부는 압축기(10)로부터 수집되어 연소실(20), 터빈(30)과 같은 후단부에 위치하는 장치를 냉각시키기 위해 사용된다.In general, a gas turbine engine is used to provide propulsion force for aircraft, ships, automobiles, and the like, or is used for industrial purposes such as power generation. As shown in FIG. 1, the
이러한 가스 터빈 엔진(40)에 구비되는 압축기(10)는, 상기한 바와 같이, 공기를 축 방향으로 유동시키면서 압축함으로써, 터빈(30)에서 공급되는 기계적 에너지를 공기의 압력에너지로 전환하여 공기의 퍼텐셜(Potential)을 높이는 역할을 하는 것이며, 제한된 체적의 연소실(20)에서 가열된 후 터빈(30)을 통과하면서 팽창하게 될 공기를 최대한의 압력으로 상승시켜주게 된다.As described above, the
이러한 압축기(10)는, 원심 압축기(Centrifugal compressor)와 축류 압축기(Axial compressor)로 분류될 수 있는데, 이 중, 축류 압축기는, 대량의 공기를 처리할 수 있고, 압력비 증가를 위해 다단으로 제작이 가능하며, 입,출구의 압력비 및 효율이 높아 고성능 기관에 사용된다.The
도 2는 이러한 종래 축류 터빈 압축기의 개략도이다.2 is a schematic diagram of such a conventional axial turbine compressor.
도면을 참고하면, 종래 축류 터빈 압축기(10)는, 압축기(10)의 외관을 형성하는 스테이터(Stator;11)와, 스테이터(11) 내부를 회전하는 회전축(Rotor shaft;12)과, 이 회전축(12)에 고정되어 회전하며 그 외주면을 따라 로터 블레이드(Rotor blades;14)가 장착된 로터(Rotor;13) 및 스테이터(11)에 장착된 스테이터 블레이드(Stator blades;15)를 포함하며, 이때 로터 블레이드(14)와 스테이터 블레이드(15)는 회전축(12)의 길이방향을 따라 교대로 배치된다.Referring to the drawings, the conventional
이러한 종래 축류 터빈 압축기(10)는, 통상 1단에서의 압축비가 1.1∼1.3:1 정도이므로, 항공기나 산업용에 실용되려면 12∼20단(단=로터 블레이드+스테이터 블레이드)으로 설계하여야 한다. 이 경우, 제작 및 조립 과정에서 로터 블레이드(13)와 스테이터 블레이드(14)를 번갈아 조립하여야 하는데, 특히 스테이터 블레이드(14)의 부착 공정이 매우 까다롭기 때문에 정밀도를 유지하기가 어렵다. 더욱이, 소형의 축류 터빈 압축기일수록 이러한 어려움이 가중되므로, 종래 축류 터빈 압축기(10)는 높은 효율에도 불구하고, 중소형은 경제성이 떨어지는 단점이 있다.The conventional
또한 종래 축류 터빈 압축기(10)는, 저속 가동에서는 로터 블레이드(14)의 유입 입사각이 증가하여 로터 블레이드(14)에 선회실속(Rotating stall)이 발생하므로 저속성 피로파괴가 발생할 수 있으며, 정속 범위를 벗어나는 초고속 영역의 운전시에서는 로터 블레이드(14)의 유입 입사각이 지나치게 감소하면서, 정속 가동할 때보다 효율이 떨어지는 현상이 발생할 수 있다.In addition, in the conventional
이러한 단점을 보완하기 위하여 스테이터 블레이드(15)의 각도를 압축기(10)의 속도에 따라 변화시키는 방법이 있으나, 제조원가의 상승과 유지보수의 어려움으로 실제 적용이 어려운 실정이다.In order to compensate for these disadvantages, there is a method of changing the angle of the
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 제조원가가 적게 들고, 중소형으로도 용이하게 제작할 수 있을 뿐 아니라, 저속 또는 초고속 영역의 운전시에도 피로파괴가 발생할 염려 없이 높은 효율을 낼 수 있도록 그 구조를 개선한 일체형 축류 터빈 압축기를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was created in order to solve the above-mentioned problems, so that the manufacturing cost is low, and can be easily manufactured even in the small and medium size, so that high efficiency can be achieved without the fear of fatigue failure even in the operation of the low speed or the ultra high speed region. It is an object of the present invention to provide an integrated axial turbine compressor having improved structure.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구 범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.Other objects and advantages of the invention will be described below and will be appreciated by the embodiments of the invention. In addition, the objects and advantages of the invention may be realized by the means and combinations indicated in the claims.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일체형 축류 터빈 압축기는, 양단에 삽입구가 형성되며, 내부에 공간부가 형성된 케이싱과; 상기 삽입구를 통해 상기 케이싱 내부에 삽입되어 회전하는 회전축과; 상기 회전축에 길이방향을 따라 다수가 배치되고, 상기 회전축에 고정결합하여 상기 회전축과 함께 회전하며, 그 둘레를 따라 다수의 블레이드가 배치된 회전로터; 및 상기 회전축에 길이방향을 따라 상기 회전로터와 교대로 배치되고, 상기 회전축의 회전에 영향받지 않도록 상기 회전축에 대하여 회전가능하게 결합하며, 그 둘레를 따라 다수의 블레이드가 배치된 다수의 자유-고정로터를 포함한다.An integrated axial turbine compressor of the present invention for achieving the above object, the insertion hole is formed at both ends, and the casing having a space therein; A rotating shaft inserted into the casing and rotating through the insertion hole; A rotating rotor disposed in the longitudinal direction on the rotating shaft, fixedly coupled to the rotating shaft to rotate together with the rotating shaft, and having a plurality of blades disposed along a circumference thereof; And a plurality of free-fixing parts disposed alternately with the rotary rotor along a longitudinal direction on the rotary shaft, rotatably coupled with respect to the rotary shaft so as not to be affected by the rotation of the rotary shaft, and having a plurality of blades disposed around the rotary shaft. It includes a rotor.
여기서, 상기 회전로터에 배치된 블레이드와 상기 자유-고정로터에 배치된 블레이드는 서로 상반된 기울기를 갖는 것이 바람직하다.Here, the blades disposed in the rotary rotor and the blades disposed in the free-fixed rotor preferably have opposite inclinations.
또한, 상기 자유-고정로터는, 공기베어링을 매개로 상기 회전축에 결합하는 것이 바람직하다.In addition, the free-fixed rotor is preferably coupled to the rotating shaft via an air bearing.
아울러, 상기 자유-고정로터는, 최종 단 자유-고정로터를 통과하여 압축된 공기를 이용하여 회전축 내부에서 무화 된 윤활유에 의해 냉각 및 윤활 되는 것이 바람직하다.In addition, the free-fixed rotor is preferably cooled and lubricated by the atomized lubricating oil inside the rotating shaft using the air compressed through the final stage free-fixed rotor.
여기서, 상기 회전축 내부에는, 개방된 상기 회전축 일단으로부터 길이방향을 따라 상기 회전축의 내부로 연장되며, 외부로부터 분무 된 윤활유가 회전축 내부로 유입되는 통로를 제공하는 유로공과; 상기 유로공으로부터 상기 회전축의 표 면으로 방사상으로 연장되며, 상기 회전로터 및 자유-고정로터를 통과하여 압축된 압축공기의 일부가 상기 유로공으로 유입되는 통로를 제공하는 공기유입공; 및 상기 회전축과 자유-고정로터의 접점 부분에 배치되며, 상기 유로공으로부터 상기 메인축의 표면으로 방사상으로 연장되어, 압축공기와 혼합된 윤활유가 분사되는 통로를 제공하는 다수의 분사공이 형성된 것이 바람직하다.Here, the rotary shaft inside, the flow path hole extending from the open end of the rotary shaft to the inside of the rotary shaft in the longitudinal direction, and provides a passage for the lubricant oil sprayed from the outside into the rotary shaft; An air inlet hole extending radially from the passage hole to the surface of the rotating shaft and providing a passage through which the compressed air, which is compressed through the rotating rotor and the free-fixing rotor, flows into the passage hole; And a plurality of injection holes disposed at the contact portion of the rotating shaft and the free-fixing rotor, and extending radially from the flow path hole to the surface of the main shaft to provide a passage through which lubricant oil mixed with compressed air is injected. .
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to the common or dictionary meanings, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 축류 터빈 압축기의 단면 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 일체형 축류 터빈 압축기의 단면도이다.3 is a cross-sectional perspective view of an integrated axial turbine compressor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a sectional view of the integrated axial turbine compressor shown in FIG.
아래에, 도 3 및 도 4를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 축류 터빈 압축기의 구성을 간략히 설명한다.3 and 4, the configuration of the integrated axial turbine compressor according to one embodiment of the present invention will be briefly described.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 축류 터빈 압축기(100)는, 케이싱(110)과, 회전축(120)과, 회전로터(130) 및 자유-고정로터(140)를 포함한다.3 and 4, the integrated
먼저, 케이싱(110)은, 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 축류 터빈 압축기(100)의 외관을 이루는 것으로서, 내부에 회전축(120)과 회전 및 자유-고정로터(130,140)가 배치되는 공간인 공간부(부호생략)가 형성되고, 일단에는 공기가 외부로부터 케이싱(110) 내부로 유입되는 통로가 형성되며, 타단에는 케이싱(110) 내부에 유입되어 압축된 공기가 케이싱(110) 외부로 배출되는 통로가 형성되어 있다.First, the
이것을 좀 더 구체적으로 설명하면, 상기 케이싱(110)의 양단에는, 삽입구(111)를 형성하는 보스부(112,113)가 각각 위치하게 되며, 이 각각의 보스부(112,113) 주위는 개방된 상태로서, 일단에 위치한 보스부(112) 주위에는 케이싱(110) 내부로 유입되는 공기의 유입경로를 안내하는 안내 블레이드(114)가 배치된다. 여기서 안내 블레이드(114)는 공기의 유입경로를 안내하는 동시에 상기 보스부(112)를 케이싱(110)에 지지하는 역할을 한다. 한편, 상기 보스부(112,113) 각각의 내부에는 축 베어링(150)이 각각 장착되는데, 이러한 축 베어링(150)의 내부는 상기 삽입구(111)와 연통 되어 있다.In more detail, the
다음으로, 상기 회전축(120)은, 케이싱(110) 양단에 형성된 삽입구(111)를 통해 케이싱(110) 내부에 삽입되는 것으로서, 상기 삽입구(111)를 통해 케이싱(110) 내부를 관통하며, 보스부(112,114) 각각의 내부에 장착된 축 베어링(150)에 의해 지지 되어 축 방향으로 회전한다.Next, the
또한, 회전로터(130)는, 회전축(110)에 고정결합하여 상기 회전축(110)과 함 께 회전하는 것으로서, 회전축(110)의 길이방향을 따라 다수가 배치되며, 이러한 회전로터(130)에는 그 둘레를 따라 다수의 블레이드(131)가 장착된다.In addition, the
마지막으로, 자유-고정로터(140)는, 상기 회전축(110)의 회전에 영향받지 않도록 회전축(110)에 대하여 회전가능하게 결합하는 것으로서, 회전축(110)의 길이방향을 따라 회전로터(130)와 교대로 하나씩, 다수가 배치된다. 상기 자유-고정로터(140)에는, 회전로터(130)와 마찬가지로, 그 둘레를 따라 다수의 블레이드(141)가 장착되는데, 자유-고정로터(140)에 장착되는 각각의 블레이드(141)는, 상기 회전로터(130)에 장착된 블레이드(131)와 상반된 기울기를 가지게 된다. 이러한 자유-고정로터(140)는, 회전축(110)에 대하여 회전가능하게 결합하기 위하여, 베어링(142)을 매개로 하여 회전축(110)과 결합하는 것이 바람직하다. 즉, 자유-고정로터(140) 내부에 베어링(142)을 결합하고, 이 베어링(142)에 회전축(110)이 삽입되도록 함으로써, 상기 자유-고정로터(140)는 회전축(110)의 회전에 영향받지 않도록 회전축(110)에 대하여 회전가능하게 결합할 수 있도록 한다.Finally, the free-fixed
아래에 이러한 구성의 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 축류 터빈 압축기(100)의 작동관계에 관하여 간략히 설명한다.Hereinafter, the operation relationship of the integrated
본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 축류 터빈 압축기(100)에서, 회전축(120)은 엔진이나 전동기 등의 원동력을 전달받아 일정 방향으로 회전하게 되며, 그에 따라 회전축(120)에 결합한 회전로터(130)도 회전축(120)의 회전에 따라 위와 같은 방향으로 회전하게 된다. 이에 따라 안내 블레이드(114) 사이에 형성된 유로를 통하여 흡입된 공기는 회전로터(130)가 갖는 강제 이송력에 의하여 계속 흡입되 고, 각 단의 회전로터(130)와 자유-고정로터(140)의 블레이드(131,141) 사이에 형성된 유로를 통과하면서, 감속 및 가압 된다.In the integrated
이때 자유-고정로터(140)는, 회전축(110)의 회전에 영향받지 않도록 회전축(110)에 대하여 회전가능하게 결합한 상태이며, 이에 장착되는 각각의 블레이드(141)가 상기 회전로터(130)에 장착된 블레이드(131)와 상반된 기울기를 가진 상태이므로, 상기 회전로터(130)와 함께 회전하지 않은 상태에서, 상기 회전로터(130)에 의하여 발생된 기류의 축-방향 에너지에 의해 회전로터(130)의 회전방향과 반대방향으로 회전하게 된다. 이러한 자유-고정로터(140)의 반대방향 회전속도는, 상기 회전축(120)의 회전에 따라 회전하는 회전로터(130)의 회전속도에 의존된다. 즉, 회전로터(130)가 더욱 빠른 속도로 회전하면, 이에 따라 증가하는 기류의 축-방향 에너지에 의해 자유-고정로터(140) 또한 더욱 빠르게 회전로터(130)의 회전 반대방향으로 회전하게 된다.In this case, the free-fixed
이러한 구성의 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 축류 터빈 압축기(100)는, 상기한 바와 같이, 종래 스테이터 블레이드에 해당하는 자유-고정로터(140)를 회전축 상에 일체로 구비함으로써, 종래 축류 터빈 압축기의 제작 및 조립 과정에서 요구되던 까다로운 스테이터 블레이드 부착 공정이 필요 없어 제작이 용이하고 제작비가 크게 절감될 뿐 아니라 소형으로 제작하기가 용이하며, 또한 구조가 단순하여 유지 및 보수가 용이한 장점이 있다.The integrated
도 5는 도 2에 도시된 종래 축류 터빈 압축기의 단의 구성을 나타낸 개략도이고, 도 6은 도 2에 도시된 종래 축류 터빈 압축기의 저속회전 영역에서의 입사각 증가 메커니즘을 나타낸 도면이고, 도 7은 도 2에 도시된 종래 축류 터빈 압축기의 선회실속 발생 메커니즘을 나타낸 도면이고, 도 8은 도 3에 도시된 회전로터 및 자유-고정로터의 운동방향을 나타낸 도면이다.5 is a schematic view showing the configuration of the stage of the conventional axial turbine compressor shown in Figure 2, Figure 6 is a view showing the angle of incidence increasing mechanism in the low-speed rotation region of the conventional axial turbine compressor shown in Figure 2, Figure 7 Figure 2 is a view showing a rotating stall generating mechanism of the conventional axial turbine compressor shown in Figure 2, Figure 8 is a view showing the direction of movement of the rotary rotor and the free-fixed rotor shown in FIG.
여기서, 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조부호는 동일한 기능을 하는 동일한 부재를 가리킨다.Here, the same reference numerals as in the above-described drawings indicate the same members having the same function.
아래에, 도 5 내지 도 8을 참고하여, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 일체형 축류 터빈 압축기의 작동 메커니즘을 종래 축류 터빈 압축기와 비교하여 상세히 설명한다.5 to 8, the operation mechanism of the integrated axial turbine compressor according to the preferred embodiment of the present invention will be described in detail in comparison with the conventional axial turbine compressor.
먼저, 종래 축류 터빈 압축기의 회전축을 중심으로 원통면으로 절단한 단면 중에서 1단 만을 취하여 분석하여 보면, 도 5에 도시된 바와 같이 표시될 수 있다.First, if only one stage is taken and analyzed from a cross section cut into a cylindrical surface around a rotating shaft of a conventional axial turbine compressor, it may be displayed as shown in FIG. 5.
여기서,here,
기호 C는 절대속도, W는 상대속도, U는 로터 블레이드의 원주 속도를 나타내며,The symbol C stands for absolute speed, W for relative speed, U for the circumferential speed of the rotor blades,
첨자 1은 로터 블레이드 입구, 2는 로터 블레이드 출구(스테이터 블레이드 입구), 3은 스테이터 블레이드 출구(다음 단 로터 블레이드 입구), a는 축 방향 성분, u는 원주 방향 성분을 나타낸다.
이러한 분석에서 1단의 압력비는 1.1∼1.3 정도로 작으므로 공기를 비압축성으로 가정하고, 로터 블레이드 입구에서 스테이터 블레이드 출구에 이르는 단면에서 원심력에 의한 속도 성분은 무시하기로 한다.In this analysis, since the pressure ratio of the first stage is as small as 1.1 to 1.3, it is assumed that the air is incompressible, and the velocity component due to the centrifugal force in the cross section from the rotor blade inlet to the stator blade outlet is ignored.
도면을 참고하면, 일반적인 종래 축류 압축기에 구비되는 로터(13)의 외주면 에 형성되는 로터 블레이드(14)의 형상은 의도적으로 입구각(B1)을 출구각(B2)에 비하여 상대적으로 크게 구성되고, 또한 인접한 로터 블레이드(14)와의 사이인 유로는 입구면적에 비하여 출구면적이 점차 확대 되도록 구성된다. 반면, 스테이터(11)에 고정된 스테이터 블레이드(15)는 공기의 흐름 방향이 전환되도록 로터 블레이드(14)에 대하여 적절히 역방향으로 형성된다. 이에 따라 공기의 흐름이 절대속도 C1으로 a1각을 이루며 양 로터 블레이드(14) 사이의 유로 입구로 진입할 때, 절대속도 C1와 로터 블레이드(14)의 원주속도 U를 합성하면, 그 벡터에 대한 상대속도 W1 와 입구 각 B1이 되며, 로터 블레이드(14)의 출구면적이 입구면적보다 크므로 상대속도 W1은 W2로 감속되어, 그로 인해 로터 내부에서도 압력이 상승한다. 로터 블레이드(14) 출구에서는, 상대속도 W2와 원주속도 U를 합성하면 출구 절대속도 C2가 되어 당초 C1에 비하여 증속 됨으로써, 로터 블레이드(14)를 통과한 공기는 압력도 증가하고 속도도 증가한다. 이렇게 로터 블레이드(14)를 통과한 공기는 스테이터에 형성된 유로를 통과하게 되는데, 이때 스테이터 블레이드(15) 입구 각 a2가 출구 각 a3에 비하여 더 크므로, 공기의 흐름속도는 C2에서 C3로 감속되면서 동압의 일부가 정압으로 전환된다. 이와 같이 종래 축류 터빈 압축기는, 그러한 로터 블레이드(14)와 스테이터 블레이드(15)를 복수의 단으로 형성하여 각 단을 지나면서 공기의 흐름 방향 전환과 절대속도와 상대속도의 증감 과정에서 고압을 얻을 수 있는 역학적 구성을 갖고 있다.Referring to the drawings, the shape of the
결론적으로, 이러한 종래방식의 스테이터와 함께 배치되는 로터는, 로터 블레이드(14)의 형상에 따른 상대속도의 감속으로 인한 압력상승 효과를 얻는 일면도 있지만, 결정적인 역할은 로터 블레이드(14)의 회전속도에 따라 흡입유량을 최대한 확보하여 강제로 이송함으로써 압력상승 효과를 얻는 것이다. 반면 고정체인 스테이터는 공기의 흐름 속도를 감속하여 압력상승 효과를 얻는 일면, 공기의 흐름을 바꾸어 버림으로써 일단 로터에서 강제 흡입된 공기가 진입할 때 와는 달리 쉽게 역류하지 못하고 다음 단의 로터에서 또다시 압력상승 효과를 얻게 하는 등의 작용을 하여 로터와 상호 보완작용을 한다.In conclusion, the rotor disposed with the stator of the conventional method, in some cases to obtain a pressure increase effect due to the deceleration of the relative speed according to the shape of the
그러나 위와 같은 종래 축류 터빈 압축기는, 위에서 지적한 바와 같이, 저속 가동에서는 선회실속이 발생하여 저속성 피로파괴가 발생할 수 있다. 여기서 종래 축류 터빈 압축기에서 저속 회전에 의한 선회실속의 원인을 살펴보면,However, in the above-described conventional axial turbine compressor, as indicated above, in low speed operation, rotating stall may occur and low-speed fatigue failure may occur. Looking at the cause of the rotating stall by the low speed rotation in the conventional axial turbine compressor,
종래 축류 터빈 압축기에서는, 터빈 입구에서 출구에 이르는 압력비가 15∼30에 달하므로 밀도의 변화가 매우 크다. 그 때문에 터빈 내의 유로 면적은 밀도의 증가에 대응하여 입구에서 출구를 향하여 크게 교축 되어 있다. 그러나, 저속회전 영역에서는 압력상승이 작아서 충분한 밀도증가가 얻어지지 않음에도 불구하고 유로 단면적이 교축 되어 있으므로 유동저항이 크게 되어 흐름이 폐쇄되는 상태가 된다. 그 결과, 터빈의 입구 부근의 단에서는 축류 속도가 감소하여 블레이드로의입사각이 증가하고 블레이드의 뒷면에 층류 박리가 발생하여 실속에 이르게 된다.In the conventional axial turbine compressor, since the pressure ratio from the turbine inlet to the outlet reaches 15 to 30, the density change is very large. Therefore, the flow path area in the turbine is largely throttled from the inlet to the outlet in response to the increase in density. However, in the low-speed rotation region, although the pressure increase is small and a sufficient density increase is not obtained, the flow path cross section is throttled, so that the flow resistance becomes large and the flow is closed. As a result, at the stage near the inlet of the turbine, the axial flow rate is reduced to the blades. The angle of incidence increases and laminar delamination occurs on the back of the blade leading to stall.
이를 도 6에 도시된 바와 같이, 속도 삼각형을 이용하여 저속 회전시의 입사 각 증가 과정을 정상 회전시 설계점의 속도 삼각형과 비교하여 보면, 밀도의 증가로 인하여 설계점에서는 질량 유량이 회전수의 약 1.4승에 비례한다. 또한, 질량 유량이 축류 속도에 정비례하므로, 축류 속도도 회전수의 1.4승에 비례한다. 이때 원주 속도는 회전수에 정비례하므로, 저속 회전시에는 기류의 속도변화 과정이 점선으로 표시된 속도 삼각형의 형태로 나타나게 되어, 블레이드에 대한 기류의 입사각이 설계치 보다 Δθ만큼 증가하게 된다.As shown in FIG. 6, when the incident angle increase process at low speed rotation using the speed triangle is compared with the speed triangle of the design point at the normal rotation, the mass flow rate at the design point is increased due to the increase in density. It is proportional to approximately 1.4 wins. In addition, since the mass flow rate is directly proportional to the axial flow rate, the axial flow rate is also proportional to 1.4 power of the rotation speed. At this time, since the circumferential speed is directly proportional to the number of revolutions, the speed change process of the airflow is shown in the form of a speed triangle indicated by a dotted line during the low-speed rotation, and the angle of incidence of the airflow to the blade is increased by Δθ than the design value.
이러한 메커니즘에 따라, 상기에 설명한 바와 같이, 압력비가 높은 축류 압축기를 저속회전 영역에서 운전하는 경우에는 압력비가 적기 때문에 뒷 단의 좁은 유로가 저항이 되어 풍량이 제한되며, 앞 단의 블레이드에서는 설계상태보다 입사각이 크게 되어 실속(stall)을 일으키게 된다. 일부의 블레이드가 실속을 일으키면, 도 7에 개략적으로 도시된 바와 같이, 블레이드(b)의 박리영역(Separation zone)이 블레이드 사이의 유로를 좁히므로 그 전후로 블레이드에 유입되는 공기 흐름의 방향이 변하여 블레이드(c)에서는 입사각이 작게 되어 박리가 억제된다. 반대로 아직 실속하지 않은 블레이드(a)에서는 입사각이 크게 되어 새로이 실속이 일어난다. 이와 같이 하여 실속영역이 화살표 방향으로 거의 일정속도로 전파해 간다. 이와 같은 실속영역의 전파 방향은 회전 방향과는 반대 방향이고, 후속 블레이드로의 실속의 전파 속도는 회전 속도의 30∼80%이다. 따라서 정지좌표계에서는 실속된 로터 블레이드가 회전 방향으로 블레이드의 회전 속도의 70∼20%의 속도로 회전하고 있는 것처럼 보이는데, 이러한 현상을 선회실속이라고 한다. 또한, 실속의 전파 속도가 회전 속도와 같은 경우에는 실속 된 로터 블레이드는 정지상태로 관찰되며, 이러한 선회실속이 발생하면 예기치 못할 강도의 진동 응력이 작용하여 로터 블레이드의 피로파괴에 직접 관계하게 된다.According to this mechanism, as described above, when the axial compressor having a high pressure ratio is operated in a low-speed rotation region, since the pressure ratio is small, the narrow flow path at the rear end becomes a resistance and the air volume is limited, and in the front blade, the design state The angle of incidence becomes larger, causing stall. When some of the blades stall, as shown schematically in FIG. 7, the separation zone of the blade b narrows the flow path between the blades, so that the direction of air flow flowing into the blades before and after the blades changes, thereby changing the blades. In (c), incident angle becomes small and peeling is suppressed. On the contrary, in the blade (a) which has not stalled yet, the incident angle becomes large, and a new stall occurs. In this way, the stall area propagates at a substantially constant speed in the direction of the arrow. The propagation direction of this stall area is the opposite direction to the rotation direction, and the propagation speed of the stall to the subsequent blade is 30 to 80% of the rotation speed. Therefore, in the stationary coordinate system, the stalled rotor blade appears to rotate at a speed of 70 to 20% of the rotational speed of the blade in the rotational direction. This phenomenon is called turning stall. In addition, when the propagation speed of the stall is the same as the rotation speed, the stalled rotor blade is observed in a stationary state. When such a stall stall occurs, vibration stress of unexpected strength acts and is directly related to fatigue failure of the rotor blade.
반면에, 막연히 고압을 얻고자 로터의 회전 속도를 높여 흡입유량을 크게 하였을 때는 위 스테이터에서 압력상승 요인으로 작용한 흐름 속도의 감속은 배압(背壓)으로 작용하여 흡입유량에 장애를 주게 되므로, 회전 속도에 비하여 기대치의 압력을 얻지 못하게 된다.On the other hand, when the inlet flow rate is increased by increasing the rotational speed of the rotor to obtain a high pressure vaguely, the deceleration of the flow rate acting as a pressure increase factor in the upper stator acts as a back pressure, which impedes the intake flow rate. The pressure of the expected value cannot be obtained compared to the rotation speed.
이 때문에, 도 4에 도시된 바와 같은, 종래 축류 터빈 압축기(10)는, 로터 블레이드(14) 및 스테이터 블레이드(15)의 형상과 빗각의 정도에 따라 이미 작동치와 설계치가 정해지며. 그 이하와 이상의 회전속도 영역에서는 비효율적인 문제점이 있다.For this reason, in the conventional
도 8을 참고하여, 이러한 종래 축류 터빈 압축기의 문제점을 보완한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일체형 축류 터빈 압축기의 작동 메커니즘을 살펴보면,Referring to Figure 8, looking at the operating mechanism of the integrated axial turbine compressor according to a preferred embodiment of the present invention, which complements the problems of the conventional axial turbine compressor,
본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 축류 터빈 압축기는, 종래 축류 터빈 압축기의 스테이터 블레이드를 대신하여, 회전로터의 블레이드와 상반된 기울기를 가지는 다수의 블레이드(141)가 장착된 자유-고정로터를 구비하고 있다. 이러한 자유-고정로터는, 회전축에 베어링을 이용하여 결합 되어 있기 때문에 회전축의 회전에 관계없이 자유로운 특징이 있다. 이러한 특징으로, 회전로터의 블레이드(131)를 통과하여 발생된 기류의 축 방향 에너지가 자유-고정로터를 회전로터의 회전방향과 반대방향으로 회전시킬 수 있다.An integrated axial turbine compressor according to an embodiment of the present invention, in place of the stator blade of the conventional axial turbine compressor, has a free-fixed rotor equipped with a plurality of
이러한 자유-고정로터의 역방향 회전력은 저속회전 영역에서의 운전시에 다 음 단 회전로터로의 유입 입사각을 감소시키는 효과를 일으키게 되며, 이에 따라 층류박리에 의한 선회실속 발생을 방지할 수 있게 된다. 또한 초고속 영역의 운전시에 자유-고정로터의 역방향 회전력은, 선행 회전로터로부터 유입된 공기를 강제로 다음 단 회전로터로 이송시킴으로써, 배압이 발생하는 것을 제지하게 된다.The reverse rotational force of the free-fixed rotor causes an effect of reducing the incidence angle of inflow into the next rotary rotor during operation in the low-speed rotation region, thereby preventing the turning stall caused by laminar flow separation. In addition, the reverse rotational force of the free-fixed rotor during the operation of the ultra-high speed region restrains the occurrence of back pressure by forcibly transferring the air introduced from the preceding rotary rotor to the next rotary rotor.
따라서, 상기와 같은 특징을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 축류 터빈 압축기에 따르면, 저속 또는 초고속 영역의 운전시에도 회전로터의 선회실속에 의한 피로파괴를 예방하는 동시에 정속운전시와 대등한 효율을 기대할 수가 있다.Therefore, according to the integrated axial turbine compressor according to an embodiment of the present invention having the above characteristics, even when operating in the low speed or ultra high speed region, while preventing fatigue failure due to the rotating stall of the rotary rotor and at the same time constant speed operation You can expect efficiency.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 축류 터빈 압축기의 단면도이다.9 is a cross-sectional view of an integrated axial turbine compressor according to another embodiment of the present invention.
여기서, 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조부호는 동일한 기능을 하는 동일한 부재를 가리킨다.Here, the same reference numerals as in the above-described drawings indicate the same members having the same function.
도면을 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 일체형 축류 터빈 압축기(200)는, 베어링(142)에 의해 회전축(220)에 결합한 자유-고정로터(140)에 대한 윤활수단을 개시한 것으로서, 회전축(220) 내부에 유로공(221)과, 공기유입공(222) 및 다수의 분사공(223)이 형성되어 있다.Referring to the drawings, the integrated
더욱 구체적으로 설명하면, 상기 유로공(221)은, 외부로부터 분무 된 윤활유가 회전축(220) 내부로 유입되는 통로가 되는 것으로서, 개방된 상기 회전(220)축 일단으로부터 길이방향을 따라 회전축(220)의 내부로 연장되어 있다.More specifically, the flow path hole 221 is a passage through which the lubricant oil sprayed from the outside flows into the
또한, 공기유입공(222)은, 최종 단의 회전로터(130) 및 자유-고정로터(140) 를 통과하여 압축된 압축공기의 일부가 유로공(221)으로 유입되는 통로가 되는 것으로서, 최종 단 자유-고정로터(140) 부근에 형성되는 것이 바람직하며, 상기 유로공(221)으로부터 회전축(220)의 표면으로 방사상으로 연장됨으로써, 유로공(221)과 연통 되어 있다.In addition, the
상기 분사공(223)은, 압축공기와 혼합된 윤활유가 상기 회전축(220)과 자유-고정로터(140)의 접점 부분에 분사되는 통로가 되는 것으로서, 회전축(220)과 자유-고정로터(140)의 접점 부분, 즉 회전축(220)과 베어링(142)의 접점 부분에 형성되는 것이 바람직하며, 상기 유로공(221)으로부터 회전축(220)의 표면으로 방사상으로 연장됨으로써, 유로공(221)과 연통 되어 있다.The
아래에, 이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 축류 터빈 압축기(200)의 윤활계통에 관하여 간략히 설명한다.Hereinafter, the lubrication system of the integrated
베어링(142)에 의해 회전축(220)에 결합한 자유-고정로터(140)에 대한 윤활을 위하여, 회전축(220)의 개방된 일단을 통해 상기 유로공(221)으로 윤활유가 주입된다. 이러한 윤활유의 공급을 위하여, 로터리 조인트(Rotary joint;미도시)가 사용될 수 있다. 이와 같이 유로공(221) 내부로 주입된 윤활유는, 공기유입공(222)을 통해 유입된 압축공기와 만나 혼합된다. 이 압축공기는, 최종 단의 회전로터(130) 및 자유-고정로터(140)를 통과하여 압축된 것으로서, 최종 단 자유-고정로터(140) 부근에 다수 형성된 공기유입공(222)을 통해 유로공(221)으로 유입된다. 이렇게 유입된 압축공기는, 유로공(221) 내부에서 윤활유와 혼합되어 윤활유를 무화(霧化)시키게 된다.Lubricant is injected into the flow path hole 221 through an open end of the
이와 같은 과정을 통해 무화된 윤활유는, 분사공(223)을 통해 유로공(221)으로부터 회전축(220) 표면, 더욱 구체적으로는 회전축(220)과 베어링(142)의 접점 부분에 분사되어 회전축(220)과 베어링(142) 사이에서 윤활작용을 할 뿐만 아니라, 냉각의 역할도 동시에 수행한다. 다시 말해, 상기와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 축류 터빈 압축기(200)는, 고압의 압축공기를 이용하여 윤활유를 무화시킨 후, 이렇게 무화된 상태의 윤활유를 회전축(220)과 베어링(142)의 접점 부분에 분사하는 윤활계통을 가짐으로써, 회전축(220) 및 베어링(142)의 냉각과 윤활을 동시에 행할 수 있는 장점이 있다.The lubricating oil atomized through the above process is injected from the flow path hole 221 to the surface of the
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As mentioned above, although this invention was demonstrated by the limited embodiment and drawing, this invention is not limited by this, The person of ordinary skill in the art to which this invention belongs, Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.
본 발명의 일체형 축류 터빈 압축기에 따르면, 종래 스테이터 블레이드에 해당하는 자유-고정로터를 회전축 상에 일체로 구비함으로써, 저속 또는 초고속 영역의 운전시에도 회전로터의 선회실속에 의한 피로파괴를 예방하는 동시에 정속운전시와 대등한 효율을 기대할 수가 있다.According to the integrated axial turbine compressor of the present invention, the free-fixing rotor corresponding to the conventional stator blade is integrally provided on the rotating shaft, thereby preventing fatigue failure due to the rotating stall of the rotating rotor even during operation in a low speed or ultra high speed region. Efficiency equivalent to that in constant speed operation can be expected.
그뿐 아니라, 종래 축류 터빈 압축기의 제작 및 조립 과정에서 요구되던 까다로운 스테이터 블레이드 부착 공정이 필요 없어 제작이 용이하고 제작비가 크게 절감될 뿐 아니라 소형으로 제작하기가 용이하며, 구조가 단순하여 유지 및 보수가 용이한 장점이 있다.In addition, there is no need for the difficult stator blade attachment process required in the manufacturing and assembling of the conventional axial turbine compressor, and it is easy to manufacture, greatly reduces the manufacturing cost, and is easy to manufacture in small size, and the structure is simple to maintain and repair. There is an easy advantage.
또한, 고압의 압축공기를 이용하여 윤활유를 무화시킨 후, 이렇게 무화된 상태의 윤활유를 회전축과 베어링의 접점 부분에 분사하는 윤활계통을 가짐으로써, 냉각과 윤활을 동시에 행할 수 있는 장점이 있다.In addition, after atomizing the lubricating oil by using a high-pressure compressed air, by having a lubricating system for spraying the lubricating oil in the atomized state to the contact portion of the rotating shaft and the bearing, there is an advantage that cooling and lubrication can be performed simultaneously.
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