KR20020004968A - 터빈 블레이드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 블레이드 팁부분에 배치되어 블레이드 프로파일을 넘어 돌출하는 브래킷을 구비한 터빈 블레이드의 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여, 상기 브래킷 (10) 은 압력면 (8) 의 표면 영역 (13) 의 영역 (11) 에만 형성되는데, 상기 표면 영역 (13) 은 선단 에지 (5) 의 영역 및 후단 에지 (6) 의 영역에서 블레이드 몸체 (4) 의 압력면 (8) 에 접하는 가상의 현 (12) 에 의하여 한정된다.

Description

터빈 블레이드 {TURBINE BLADE}
특히 작은 터보기계에 있어서는, 터빈 블레이드의 팁부분 즉, 블레이드 팁 (blade tip) 과 블레이드 덮개 (blade shroud) 사이에서 발생하는 간극손실 (gap loss) 이 상당히 크게 나타나고, 따라서 이는 두드러진 효율의 손실로 이어진다. 이 간극손실은 블레이드의 팁부분에서 흡입면 (suction side) 과 압력면 (pressure side) 간의 압력차이에 의하여 발생하는 것이며, 그 결과로서 작동유체의 오버플로우가 발생된다. 상기 오버플로우는, 간극손실의 감소 및 이에 따른 효율의 증가로 이어지는 요인인 블레이드 팁과 블레이드 덮개 간의 마찰손실을 증가시킴으로써, 감소될 수 있다.
간극손실을 감소시키고 터빈 블레이드의 신뢰성을 증대시키기 위한 수단으로서, 블레이드 프로파일을 넘어 측방향으로 돌출하는 리브 (rib) 또는 브래킷 (bracket) (작은 덮개 (minishroud) 또는 작은 날개(winglet)로도 알려져 있음) 을 블레이드 팁부분에 배치하는 것이 알려져 있다 (카르만 연구소(Karman Institute)의 유체역학에 관한 강의시리즈(1987-07) 의 일부분으로서, "소형 고압비 터빈(Small High Pressure Ratio Turbines)"에 관한, 오카푸(U. Okapuu) 저, "소형 항공 기관용의 제 1 단계 터빈의 공기역학적 설계(Aerodynamic design of first stage turbines for small aero engines)", 6월 15-18, 1987, 1-4쪽 및 도 1-4).
그러나, 그러한 해결책은, 블레이드의 선단웨지각 (leading wedge angle) 및 후단웨지각 (trailing wedge angle) 을 증가시키고, 이에 따라서 효율 손실이 증가하게 되는 결과를 가져온다.
본 발명은, 청구범위 제 1 항의 전제부에 따른 블레이드 프로파일 (blade profile) 을 넘어 돌출되고 상기 블레이드의 팁 (tip) 부분에 위치된 브래킷 (bracket) 을 구비하는 터빈 블레이드에 관한 것이다.
본 발명의 예시적인 실시형태가, 터보과급기 (turbocharger) 의 배기가스 터빈의 이동 블레이드 (moving blade) 와 관련하여 도면에 도시되어 있다.
도 1 은 이동 블레이드의 압력면의 평면도이다.
도 2 는 도 1 의 Ⅱ-Ⅱ선을 따른 이동 블레이드의 단면도이다.
도 3 은 도 1 의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따른 이동 블레이드의 단면도이다.
본 발명의 이해를 위한 필수적인 구성요소들만이 도시되었다. 도시되지 아니한 구성요소들은 예를 들어, 블레이드 덮개를 포함하여 배기가스 터빈의 다른 구성품들이다.
상기의 모든 단점을 제거하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 블레이드 프로파일을 넘어 돌출되고 블레이드의 팁부분에 위치된 브래킷이 제공되는 터빈 블레이드에 대한 효율을 향상시키는 것이다.
본 발명에 따르면, 청구범위 제 1 항의 전제부에 따른 터빈 블레이드에 있어서, 압력면의 한정된 표면영역의 일부분에만 형성된 브래킷에 의하여 상기의 목적이 달성된다. 이 경우에, 상기 표면영역은, 선단 에지의 영역 및 후단 에지의 영역에서 블레이드 몸체의 압력면에 접하는 가상의 현(弦)에 의하여 한정되는 압력면의 일부 영역이다.
따라서, 상기 브래킷은 압력면의 일부에만 존재하기 때문에, 블레이드 몸체의 양 웨지 각, 즉 선단웨지각 및 후단웨지각은 작게 될 수 있다. 이 결과, 날렵한 블레이드 형태가 얻어지며, 이리하여 블레이드 몸체의 선단 에지 영역에서 마하수 (Mach number) 가 높게 되지 않게 되고, 또한 블레이드 몸체의 후단 에지 영역에서는 후류 (wake) 가 발생하지 않게 된다. 궁극적으로, 간극손실의 감소가 계속 보장되면서, 효율이 향상된다.
압력면에서 브래킷이 위치하는 영역은, 블레이드 몸체의 압력면 상에 있는 두 지점의 사이에서 그 지점들로부터 일정 거리 떨어져 형성되는 것이 유리한데, 제 1 지점은 선단 에지의 영역에 있으며, 제 2 지점은 후단 에지의 영역에 있고, 상기 가상의 현은 이들 점을 지나게 된다. 상기 제 1 지점과 상기 브래킷 사이 및 상기 제 2 지점과 상기 브래킷 사이에 각각 거리 a1및 a2가 있고, 이들 거리 a1및 a2는 대략적으로 각각 블레이드 몸체의 대응하는 부분에 있어서의 블레이드 두께 d1및 d2와 대략적으로 같도록 하는 것이 특히 적합하다는 것이 판명되었다.
이러한 방식으로, 상기 브래킷과 블레이드 몸체의 선단 에지 사이의 거리 및 상기 브래킷과 후단 에지 사이의 거리가 모두 길어지게 되어, 블레이드의 웨지각이 더 감소될 수 있다.
선단 에지로부터 블레이드 몸체의 현 길이 (l) 의 30 내지 40 % 인 곳에서 시작하는 브래킷은, 압력면 위로 최대높이 (hmax) 를 갖는다. 이 경우에 브래킷의 높이는, 블레이드 몸체의 선단 에지 방향 및 후단 에지 방향으로 연속적으로 감소한다. 브래킷의 최대높이 (hmax)는, 블레이드 팁으로부터 먼 쪽에서 브래킷에 인접한 블레이드 몸체의 일영역에서의 블레이드 두께 d3와 대략적으로 같다. 또한, 상기 브래킷이 파형으로 되는 것이 유리하다.
상기와 같은 구성의 브래킷으로 최적의 유동 안내 (flow guidance) 가 이루어 질 수 있음이 판명되었다.
도 1 에 도시되고 이동 블레이드 (1) 로서 설계된 터빈 블레이드는, 블레이드 루트 (2), 플랫폼 (3), 및 블레이드 몸체 (4) 로 구성된다. 터빈 휠 (turbine wheel)(도시되지 않음) 의 인접한 터빈 블레이드들의 플랫폼들은 서로 직접 지탱하여 유동덕트 (flow duct) 의 내부 경계를 한정하고, 상기 유동덕트의 외부 경계는 블레이드 덮개 (도시되지 않음) 에 의하여 한정된다. 상기 블레이드 몸체 (4) 는 선단 에지 (5), 후단 에지 (6), 흡입면 (7), 압력면 (8), 및 블레이드 팁 (9) 을 구비한다 (도 2).
블레이드 팁 (9) 의 영역에서, 브래킷 (10) 이 블레이드 몸체 (4) 의 압력면(8) 에 배치되고, 이 브래킷 (10) 은 전체 압력면 (8) 중의 영역 (11) 에 걸쳐서만 존재한다. 이 영역 (11) 은, 압력면 (8) 에서 가상적인 현 (12) 에 의하여 한정되는 표면영역 (13) 의 일부분이다. 이를 위하여, 상기 현 (12) 은 블레이드 몸체 (4) 의 선단 에지 (5) 영역의 제 1 지점 (14) 및 블레이드 몸체 (4) 의 후단 에지 (6) 영역의 제 2 지점 (15) 을 지난다. 브래킷 (10) 을 수용하는 영역은, 상기 두 지점 (14, 15) 사이에서 이들 지점들로부터 거리를 두고 형성된다. 그러므로, 브래킷이 위치하는 상기 영역은, 현 (12) 에 의하여 한정되는 표면 영역 (13) 보다 작다 (도 3).
제 1 지점 (14) 과 브래킷 (10) 사이에는 거리 a1가 있고, 이 거리는 블레이드 몸체 (4) 의 관련 영역에서의 블레이드 두께 d1과 대략적으로 같다. 이와 마찬가지로, 제 2 지점 (15) 과 브래킷 (10) 사이에는 거리 a2가 있으며, 이 거리 a2는 블레이드 몸체 (4) 의 관련 영역에서의 블레이드 두께 d2와 대략적으로 같다.
상기 브래킷 (10) 은 압력면 (8) 위로의 최대높이 (hmax) 를 갖는데, 이 높이는 블레이드 팁 (9) 으로부터 먼쪽에서 브래킷 (10) 과 인접한 블레이드 몸체 (4) 의 일영역에서의 블레이드 두께 d3과 대략적으로 같다(도 2).
상기 최대높이 (hmax) 는 선단 에지 (5) 로부터의 거리가 b 인 곳에 위치하며, 이 거리 b 는 블레이드 몸체 (4) 의 현길이 (l) 의 30 내지 40 % 에 상당한다(도 3). 최대높이 (hmax) 로부터 시작하여, 브래킷 (10) 의 높이는 블레이드 몸체 (4) 의 선단 에지 (5) 및 후단 에지 (6) 의 방향으로 연속적으로 감소한다. 이 경우에, 파형 윤곽이 현 길이 (l) 에 걸쳐서 얻어지도록, 상기 브래킷 (10) 의 높이가 양 방향으로 감소된다.
상기 브래킷 (10) 은 압력면 (8) 의 영역 (11) 에만 형성되며 또한 압력면 (8) 의 현 (12) 의 지지점 (bearing points) 에 대하여 내부로 오프셋 (offset) 되어 있기 때문에, 그리고 브래킷의 높이는 블레이드의 양 에지를 향하는 방향으로 연속적으로 감소하기 때문에, 터빈 블레이드 (1) 의 두개의 웨지각 (wedge angle), 즉 선단각 (ω1) 및 후단각 (ω2) 은 종래기술과 비교하여 상대적으로 작게 될 수 있다.
작동에 있어서, 상기의 날렵한 블레이드 형태는 블레이드 몸체 (4) 의 선단 에지 (5) 영역에서 입사하는 유동을 향상시키며, 따라서 마하수를 감소시킨다. 또한, 날렵한 블레이드 형태로 인하여, 블레이드 몸체 (4) 의 후단 에지 (6) 영역에서 후류 구역의 발생이 방지된다. 이렇게 해서 효율이 더욱 개선되며, 이에 따라 간극손실이 감소될 수 있다. 더우기, 브래킷 (10) 의 파형 윤곽에 의하여 최적의 유동 안내가 이루어진다.
블레이드 몸체 (4) 의 압력면 (8) 에 있는 브래킷 (10) 에 부가하여, 압력면 (7) 에도 브래킷 (도시되지 아니함) 이 배치될 수 있는데, 이렇게 하면 오버플로우의 위험이 더 감소되고, 적절한 설계가 이루어진다면 이 영역에서의 상기 유동 안내 또한 개선될 수 있다. 물론, 상기와 같은 브래킷 (10) 은, 이동 블레이드 뿐만이 아니라 안내 블레이드 (guide blades) 에서도 사용될 수 있다.
도면부호 목록
1 터빈 블레이드, 이동 블레이드
2 블레이드 루트
3 플랫폼
4 블레이드 몸체
5 선단 에지
6 후단 에지
7 흡입면
8 압력면
9 블레이드 팁
10 브래킷
11 영역
12 현
13 표면 영역
14 제 1 지점
15 제 2 지점
a1거리
a2거리
b 거리
d14 의 블레이드 두께
d24 의 블레이드 두께
d34 의 블레이드 두께
hmax4 의 최대높이
l 4 의 현 길이
ω14 의 선단 각도
ω24 의 후단 각도

Claims (6)

  1. 선단 에지 (5), 후단 에지 (6), 흡입면 (7), 및 압력면 (8) 이 제공되고 블레이드 팁 (9) 이 구비된 블레이드 몸체 (4) 를 가지며, 상기 블레이드 팁 (9) 영역의 블레이드 몸체 (4) 압력면 (8) 에 브래킷 (10) 이 배치된 터빈 블레이드에 있어서,
    상기 브래킷 (10) 은 압력면 (8) 의 표면 영역 (13) 의 영역 (11) 에만 형성되고, 상기 표면 영역 (13) 은, 선단 에지 (5) 영역 및 후단 에지 (6) 영역에서 블레이드 몸체 (4) 의 압력면 (8) 에 접하는 가상의 현 (12) 에 의하여 한정된 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가상의 현 (12) 은, 선단 에지 (5) 영역에서 블레이드 몸체 (4) 의 압력면 (8) 의 제 1 지점 (14) 과 후단 에지 (6) 영역에서 블레이드 몸체 (4) 의 압력면 (8) 의 제 2 지점 (15) 을 지나고, 상기 브래킷 (10) 이 위치하는 영역 (11) 은, 상기 두 지점 (14, 15) 사이에서 이들 지점으로부터 거리를 두고 형성된 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
  3. 제 2 항에 있어서, 제 1 지점 (14) 과 브래킷 (10) 사이 및 제 2 지점 (15) 과 브래킷 사이에 거리 a1및 a2가 각각 있고, 이들 거리 a1및 a2는 블레이드 몸체(4) 의 대응하는 영역에서의 블레이드 두께 d1및 d2와 대략적으로 같은 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 선단 에지 (5) 로부터 블레이드 몸체 (4) 의 현 길이 (l) 의 30 내지 40 % 인 곳에서 브래킷 (10) 은 압력면 (8) 위로 최대높이 (hmax) 를 가지며, 상기 브래킷 (10) 의 높이는 블레이드 몸체 (4) 의 선단 에지 (5) 및 후단 에지 (6) 의 방향으로 연속적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
  5. 제 4 항에 있어서, 브래킷 (10) 의 최대높이 (hmax) 는, 블레이드 팁 (9) 으로부터 먼 쪽에서 브래킷 (10) 에 인접한 블레이드 몸체 (4) 의 일영역에서의 블레이드 두께 (d3) 과 대략적으로 같은 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 브래킷 (10) 은 파형인 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드.
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