KR101629524B1 - 축 방향 접촉부를 갖는 터빈엔진의 압축기 커버 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터빈엔진의 원심 압축기에 관한 것으로, 이 압축기가, 상류 단부(40a)와 하류 단부(100b)를 포함하는 커버와; 상류 에지(32)와 하류 에지(34)를 갖는 케이싱(30); 및 상기 케이싱 내에 회전하도록 장착된 블레이드를 갖춘 임펠러(20);를 포함하고서, 상기 커버가 케이싱의 상류 및 하류 에지들 사이로 연장하는 가스 흐름 통로(39)의 외부표면을 형성하도록 임펠러의 블레이드(28)들을 덮도록 설계되고, 또 그 하류 단부(100b)가 자유로이 남아있는 동안에 그 상류 단부를 매개하여 케이싱의 상류 에지(32)에 체결된 압축기에 있어서, 상기 커버가, 압축기가 작동되는 동안에 케이싱의 하류 에지(34)에 대한 하류 단부(100b)의 축 방향 이동을 제한하기 위하여 접촉부(102)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

축 방향 접촉부를 갖는 터빈엔진의 압축기 커버{A turbine engine compressor cover having an axial abutment}

본 발명은 가스터빈 분야에 관한 것으로, 특히 헬리콥터의 터빈엔진 또는 항공기의 터보 제트 뿐만 아니라 이에 한정되지않는 예로서, 터보기계에서 발견되는 것에 관한 것이다.

본 발명은 특히 항공기의 주 동력 플랜트를 구성하는 그러한 가스터빈의 압축단계에 관한 것이다.

보다 더 정확하게, 본 발명은 터빈엔진의 원심 압축기에 관한 것으로, 이 압축기는, 상류 단부와 하류 단부를 포함하는 커버와; 상류 에지와 하류 에지를 갖는 케이싱; 및 상기 케이싱 내에 회전하도록 장착된 블레이드를 갖춘 임펠러;를 포함하고서, 상기 커버가 케이싱의 상류 및 하류 에지들 사이로 연장하는 가스 흐름 통로의 외부표면을 형성하도록 임펠러의 블레이드들을 덮도록 설계되고, 또 그 하류 단부가 자유로이 남아있는 동안에 상류 단부를 매개하여 케이싱의 상류 에지에 체결된다.

통상적으로, 압축기는 신선한 공기입구와 연소실 사이에 위치되고, 압축기의 역할은 가스터빈으로 유입되는 신선한 공기를 압축하고 또 연료와 혼합되도록 하기 위하여 압축된 공기를 연소실로 이송하도록 된다.

또한, 임펠러(impeller)는 임펠러 허브로부터 일반적으로 반경 방향으로 연장하는 복수의 블레이드를 포함하고, 상기 허브는 가스터빈의 회전축에 체결되는 것은 공지되어 있다.

따라서 가스 흐름은 초기에 상류 입구를 매개로 압축기의 케이싱 내로 유입되고, 그런 다음 커버에 의하여 형성된 외부표면과 임펠러 허브의 표면에 의하여 형성된 내부표면 사이에 형성된 가스 흐름 통로를 따라 흐른다. 다음, 압축기의 하류 출구를 통해 배출되기 전에 임펠러의 축을 중심으로 구동되고 압축된다. "상류" 및 "하류"란 용어는 압축기를 통한 가스 흐름 통로에서 가스의 흐름 방향에 대하여 취해진 것으로 특정된다.

일반적으로, 임펠러를 떠난 압축된 가스는 연소실로 유입되기 전에 확산기 (diffuser)로 진입한다.

커버는 가스 흐름 통로의 외부표면을 형성하고, 통로의 내부표면은 그로부터 블레이드가 연장하는 임펠러 허브의 표면에 의하여 형성됨을 알 수 있다.

커버의 열기계적인(thermomechnical) 거동을 제어하기 위하여, 그 하류 단부 (end)가 일반적으로 자유롭게 남겨지는바, 즉 하류 단부는 케이싱의 하류 에지에 체결되지 않는다.

이러한 구성은, 임펠러와 커버 사이의 틈새에 대한 제어에 해를 주는 잠재성을 갖는 통계적으로 과잉결정된 방식으로 커버가 고정되는 것을 피하도록 하는 역할을 한다.

그럼에도 불구하고, 그러한 해결책은 완전하지 않다. 예컨대, 펌핑 또는 다른 불안정한 현상들과 같은 압축기의 어떤 저하된 거동들이 나타날 수 있고, 또 압축기의 임펠러 내에서 갑작스런 압력변동으로 이어질 수 있다.

커버의 하류 단부가 자유로운 한, 압축기 내에서 압력변동의 결과로 커버가 약간 변형될 수 있고, 또 그러한 변형은 커버가 임펠러의 블레이드들과 접촉하도록 할 수 있음을 알 것이다. 압축기 내의 압력이, 커버 외부에 걸리는 압력 이하로 강하되면, 임펠러의 블레이드들과 접촉하기 위하여 커버가 변형하게 된다. 이러한 변형은 또한 진동에 기인하는 것일 수 있다.

물론, 만일 커버가 임펠러의 블레이드들과 접촉하게 되면 커버와 임펠러에 모두 극히 유해하고, 그러한 접촉은 압축기를 심하게 손상할 수 있다.

그러한 현상은, 가스터빈이 극한 조건들에서 작동될 때에도 일어난다.

상기 문제에 대한 하나의 해결책은 커버와 임펠러의 블레이드들 사이에 존재하는 틈새를 증가시키는 것이다. 그럼에도 불구하고, 그러한 해결책은 압축기의 효율을 감소시키고, 또 그에 따라 가스터빈의 성능을 감소시키는 결점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 압축기의 저하된 작동 동안에 임펠러의 블레이드들과의 접촉을 피할 수 있도록 된 커버를 제안하는 것이다.

본 발명은, 커버가, 압축기가 작동하는 동안에 케이싱의 하류 에지에 대하여 그 하류 단부의 축 방향 이동을 제한하기 위한 접촉부(abutment)를 더 포함한다는 사실에 의하여 그 목적을 달성한다.

바람직하기에는, 접촉부는 커버의 하류 단부에 위치된다.

본 발명에 따른 접촉부에 의하여 커버의 하류 단부의 축 방향 이동이 제한된다.

커버의 하류 단부가 케이싱의 하류 에지에 대하여 접촉할 때, 임펠러의 블레이드들과 커버 사이에 여전히 틈새가 남아서 접촉이 유리하게 회피될 수 있는 방식으로, 커버의 하류 단부와 케이싱의 하류 에지가 배열된다.

바람직하기에는, 커버의 하류 단부와 케이싱의 하류 에지 사이의 축 방향 틈새의 보정된 양을 남기도록 장착된다.

유리하게는, 바람직하게 환상인 접촉부는, 커버의 하류 단부로부터 연장하는 반경 방향 연장부(extension)를 형성한다. 이러한 연장부는, 커버가 제 위치에 있을 때 임펠러의 축에 대하여 수직으로 연장한다. 변형예에서, 접촉부는 복수의 반경 방향 설편(tongue)들에 의하여 구성된다.

그래서 접촉부는 케이싱의 에지의 원주 부위를 반경 방향으로 덮어준다.

바람직하기에는, 커버의 하류 단부는 또한, 커버가 제 위치에 있을 때 케이싱의 하류 에지와 거의 같은 높이로 놓여지기에 적합한 환상 림을 형성하는 축 방향 연장부를 포함한다.

축 방향 연장부의 이점은, 임펠러로부터 나오는 공기의 흐름에 대하여 보다 나은 안내를 제공하는 것이다.

공기통로에서 갑작스런 형상 변화들을 제한하기 위하여 커버의 하류 단부와 케이싱의 하류 에지의 내부 단부 사이에는 보정된 적은 양의 반경 방향 틈새가 제공되는바, 그러한 변화들은 압축기의 효율에 해를 준다.

끝으로, 본 발명은, 본 발명에 따른 하나 이상의 압축기들을 포함하는, 특히 헬리콥터를 위한 가스터빈을 또한 제공한다.

비제한적인 예로 주어진 실시예의 아래 기재를 읽음으로써, 본 발명은 더 잘 이해될 것이고 또 그 이점들도 보다 명확해질 것이다.

도 1a는 종래기술의 커버가 제공된 압축기를 포함하는 헬리콥터 터빈엔진의 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 커버의 상세도이다.
도 2는 본 발명에 따른 커버의 하류 단부를 나타낸다.

도 1a는 공지된 헬리콥터 터빈엔진의 전체 단면도이다.

이 예에서 터빈엔진(10)은, 또한 압축단계라 불리는 압축기(12)와, 압축기(12)로 신선한 공기가 유입되도록 하는 공기 입구(14) 및, 압축기(12)에 의하여 압축된 공기와 연료의 혼합물의 연소가 일어나는 연소실(16)을 포함하는, 가스터빈으로 구성된다.

터빈엔진(10)은 샤프트(22)를 매개로 압축기(12)의 블레이드를 갖춘(bladed) 임펠러(20)에 연결된 터빈(18)을 또한 포함하고, 터빈(18)은 연소실(16)을 떠나는 연소가스의 흐름에 의하여 작동되고 또 임펠러(20)를 회전구동하는 역할을 한다.

끝으로 터빈엔진(10)은 또한, 터빈(18)을 떠나는 가스의 흐름에 의하여 회전구동되는 자유(free) 터빈(24)을 포함하고, 상기 자유 터빈은 헬리콥터(도시 안 됨)의 회전자를 회전구동하는 역할을 한다.

원심 임펠러 타입의 블레이드를 갖춘 임펠러는 어느 곳에서나 공지되어 있다. 이는 허브(26)를 포함하고, 이 허브(26)로부터 굴곡진 형상들을 나타내는 복수의 블레이드(28)들이 반경 방향으로 연장하며, 블레이드(28)의 반경 방향 단부들은 쌍곡면 회전체의 형상을 갖는 기하학적 포락면(envelope) 내에 포함된다. 임펠러(20)는 또한 회전축(A)을 갖고 또 "축 방향"이란 용어는 이 축에 관하여 사용된다.

게다가 압축기(12)는, 바람직하기에는 터빈엔진(10)의 케이싱의 구성부위를 형성하는 케이싱(30)을 포함한다.

케이싱(30)은 압축기의 요소들을 서로 고정지지하는 구조물이고, 이러한 관점에서 임펠러(20)가 케이싱(30) 내에 회전하도록 장착된다.

케이싱(30)은 상류 에지(32)와 하류 에지(34)를 갖는바, "상류" 및 "하류"란 용어는 압축기(20) 내부에서 가스 흐름의 흐름 방향에 관하여 고려된다. 흐름 방향은 여러 도면에서 화살표 F로 표시된다.

도 1b로부터, 가스 흐름(F)은 상류 입구(33)를 매개하여 축 방향으로 블레이드를 갖춘 임펠러(20)로 유입되고, 또 확산기(36)로 진입하기 전에 케이싱(30)의 하류 에지(34)에 인접한 출구(35)를 통하여 반경 방향으로 임펠러(20)를 떠나는 것을 알 수 있다. 케이싱(30)의 하류 에지(34)는 본 예에서 확산기(36)의 상류 에지로 구성된다.

가스 흐름은, 케이싱(30)의 상류 에지(32)로부터 하류 에지(34)로 연장하는 가스 흐름 통로(38)에서 임펠러(20)의 블레이드(28)들 사이에서 흐르는 것을 알 수 있다.

가스 흐름 통로(38)는 허브(26)에 의하여 구성된 표면(26a) 사이에 형성되고, 상기 허브로부터 블레이드(28)들이 연장하며, 커버(40)가 통로(38)의 외부표면을 형성함을 알 수 있다.

환언하면, 커버(40)는, 상기에서 언급된 기하학적 포락면의 형상에 실질적으로 일치하면서, 케이싱(30)의 상류 에지와 케이싱(30)의 하류 에지(34) 사이에서 연장하도록 임펠러(20)의 블레이드(28)들을 덮는다. 즉, 각각의 블레이드(28)들과 커버(40) 사이의 틈새는 작다.

보다 자세하게, 커버(40)는 상류 단부(40a)와 하류 단부(40b)를 갖고, 하류 단부(40b)가 자유로운 반면에, 상류 단부(40a)는 체결부재(42)를 매개로 케이싱(30)의 상류 에지(32)에 체결된다.

환언하면, 커버(40)의 하류 단부(40b)는 케이싱(30)의 하류 에지(34)에 체결되지 않는다.

반면에 케이싱(30)의 하류 에지(34)는 연속성을 갖고 커버(40)의 하류 단부(40b)를 연장함을 알 수 있다.

커버(40)가 단지 상류 에지(32)에 의하여 체결되는 한, 본질적으로 자유로운 하류 단부(40b)에서 변형되기 쉬운 것을 알 수 있다.

도 2를 참조하면, 이는 본 발명의 터빈엔진의 상세를 도시하는 것으로서, 본 발명에 따른 원심 압축기(200)의 커버(40)의 기재가 이어지고, 터빈엔진(10)의 다른 구성부위들은 상기에서 기재된 것들과 동일하고 동일한 참조번호들을 갖는다.

도 2에 도시된 바와 같이, 종래기술과 비교하여, 본 발명의 커버(100)의 하류 단부(100b)는, 임펠러(20)의 축(A)에 대하여 수직으로 연장하는 반경 방향 연장부를 형성하는 접촉부(abutment:102)를 포함한다. 이 접촉부(102)는 바람직하기에는 환상(annular)이고, 커버(100)의 하류 단부(100b)의 축 방향 이동을 제한하는 역할을 한다.

이러한 목적을 위하여, 커버(100)의 하류 단부(100b)가 임펠러의 블레이드(28)들을 향하여 구부려지면 케이싱(30)의 하류 에지(34)에 대하여 지지하기에 적합한 접촉면(103)을 갖추고, 그리하여 커버(100)가 더 이상 변형되는 것을 방지하며, 또 커버(100)와 임펠러(20)의 블레이드(28)들 사이의 임의의 접촉을 유리하게 회피하도록 한다.

정상작동에서, 접촉면(103)과 케이싱(30)의 하류 에지(34) 사이에 틈새 (Ja)가 확보된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 커버(100)의 하류 단부(100b)는 또한, 접촉면(103)에 반대방향으로 연장하는 축 방향 돌출부(104)를 포함한다. 이 돌출부(104)는 환상 형태를 갖고 또 접촉부(102)의 기계적 강도를 보강하는 역할을 하는바, 상기 접촉부(102)는 케이싱(30)의 하류 에지(34)와 접촉하게 될 때 기계적 응력을 받게 된다.

또한, 하류 단부(100b)는, 케이싱(30)의 하류 에지(34)와 실질적으로 같은 높이가 되도록 설계된 환상 림(rim) 형태로 된 축 방향 연장부(extension: 106)를 또한 포함한다. 더 자세하게, 커버(100)의 하류 단부(100b)와 케이싱(30)의 하류 에지(34) 사이에 존재하는 간극에서 가스 흐름이 방해되는 것을 방지하기 위하여, 상기 환상 림(106)과 하류 에지(34) 사이에는 작은 반경 방향 틈새(Jr)가 제공된다.

바람직하기에는, 환상 림(106)은, 블레이드들의 날개 뒷부분의 높이보다 더 큰 반경 방향 높이를 갖도록 구성된다.

바람직하기에는, 임펠러 이외에, 커버(100)의 내부표면은 커버와 블레이드들이 접촉하는 경우 손상을 가하는 것을 피하기 위하여, 공지된 마모가능한 재료로 덮여진다.

Claims (6)

1. 터빈엔진의 원심 압축기로서, 상기 원심 압축기가,
   상류 단부(40a)와 하류 단부(100b)를 포함하는 커버와;
   상류 에지(32)와 하류 에지(34)를 갖는 케이싱(30); 및
   상기 케이싱 내에 회전하도록 장착된 블레이드를 갖춘 임펠러(20);를 포함하고,
   상기 커버가 케이싱의 상류 및 하류 에지들 사이로 연장하는 가스 흐름 통로(38)의 외부표면을 형성하도록 임펠러의 블레이드(28)들을 덮도록 설계되고, 또 상기 커버의 하류 단부(100b)가 자유로이 남아있는 한편, 상기 커버가 상기 상류 단부(40a)를 매개로 케이싱(30)의 상류 에지(32)에 체결된 원심 압축기에 있어서,
   상기 커버가, 상기 원심 압축기가 작동되는 동안에 케이싱의 하류 에지(34)에 대한 하류 단부(100b)의 축 방향 이동을 제한하기 위하여 접촉부(102)를 더 포함하고,
   상기 커버의 하류 단부(100b)는, 환상 림을 형성하는 축 방향 연장부(106)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈엔진의 원심 압축기.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 접촉부(102)는 커버의 하류 단부로부터 연장하는 반경 방향 연장부를 형성하는 것을 특징으로 하는 터빈엔진의 원심 압축기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 접촉부(102)는 환상(annular)인 것을 특징으로 하는 터빈엔진의 원심 압축기.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 접촉부(102)는 복수의 반경 방향 설편(tongue)들로 구성된 것을 특징으로 하는 터빈엔진의 원심 압축기.
5. 삭제
6. 제1항 또는 제2항에 따른 원심 압축기(200)를 포함하는 가스터빈.
   

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