KR101226363B1

KR101226363B1 - 원심 압축기

Info

Publication number: KR101226363B1
Application number: KR1020107013259A
Authority: KR
Inventors: 히로타카 히가시모리
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2008-06-24
Publication date: 2013-01-24
Also published as: KR20100087386A; WO2009078186A1; US8425186B2; JP2009150245A; EP2221487A4; US20110002780A1; EP2221487B1; EP2221487A1; JP4969433B2

Abstract

효율의 저하를 억제하면서 큰 유량을 달성할 수 있는 높은 압력비를 갖는 원심 압축기가 제공된다. 케이싱 (11) 에 선회 가능하게 지지되는 임펠러 (10) 의 회전에 의해 흡입되는 가스는, 주로 원심력에 의해 압축 및 배출된다. 상기 임펠러 (10) 의 입구 반경/출구 반경비 (R1/R2) 는 0.7 ≤ R1/R2 ≤ 0.85 로 설정되고, 상기 임펠러 (10) 의 허브 (10a) 의 뒷 판 부분의 경사각 (θ) 은 5°≤ θ ≤ 15°로 설정된다.

Description

원심 압축기{CENTRIFUGAL COMPRESSOR}

본 발명은 과급기, 소형 가스 터빈 등에 사용되는 원심 압축기에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 효율의 저하를 억제하면서 큰 유량 또는 유량의 증가를 달성할 수 있는, 높은 압력비를 갖는 원심 압축기에 관한 것이다.

과급기, 가스 터빈, 또는 산업용 압축기에서, "유량의 증가" 는 성능을 개선하는데 중요한 과제이다. 원심 압축기의 "유량의 증가 (용량의 증가)" 라는 용어는 동일한 쉘 크기의 압축기의 배출 유량의 증가를 나타낸다. 일반적으로는, 임펠러 (impeller) 의 외경은 기준 치수로서 사용된다. 다시 말하면, 유량의 증가는 동일한 외경의 임펠러의 배출 유량의 증가를 나타낸다.

이러한 "유량의 증가" 에 대한 상호 배타적인 사건으로서, "효율의 저하" 가 문제가 된다. "효율의 저하를 억제하면서 증가된 또는 큰 유량을 달성하기 위한 기술" 이 산업 분야에서 매우 의미가 있다.

한편, "압력비의 증가" 가 중요한 기술 요구사항이다. 이는 증가된 압력비가 원심 압축기가 적용되는 과급기 (터보 차저) 의 소형 왕복 엔진에 의해 높은 출력 및 높은 효율을 유도할 수 있기 때문이다. 가스 터빈에서도 마찬가지로, 증가된 압력비는 소형 엔진에 의해 높은 출력 및 높은 효율이 얻어지는 것을 가능하게 한다. 과급기에서, 특히, 요구되는 압력비가 4 ~ 5 로 증가될 때, 증가된 유량에 대한 동시적으로 증가되는 요구가 있다. 높은 압력비를 갖는 이러한 원심 압축기에서, 유량의 증가와 연관된 효율의 저하가 현저하다. 따라서, "높은 압력비 (4 ~ 5) 를 갖는 원심 압축기의 효율의 저하를 억제하면서 증가된 또는 큰 유량을 달성하기 위한 기술" 은 산업적으로 매우 중요하다.

비특허 문헌 : Transactions of the ASME 126/Vol. 110 JANUARY 1988

유량의 증가와 연관된 효율의 저하의 원인은 이하와 같이 인식된다.

도 6 은 종래의 원심 압축기의 구성과 그 안의 임펠러의 형상을 나타낸다. 임펠러 (100) 는 허브 (100a) 의 외주에 둘레 방향으로 소정의 간격으로, 용접 등에 의해 고정적으로 제공되는 다수의 블레이드 (100b) 를 포함하고, 각각의 블레이드는 박판으로 이루어진다. 임펠러 (100) 는 케이싱 (101) 내에 회전 가능하게 그리고 선회 가능하게 지지되고, 임펠러 (100) 의 회전에 의해, 흐름이 축선 방향으로 임펠러의 입구로부터 흡입되고 (임펠러의 입구에서 축선 방향으로의 운동량을 나타내는 중공 화살표 참조), 그 결과 소용돌이 (swirl) 에너지가 흐름에 부여된다. 임펠러의 출구에서, 정압이 상승하며, 이는 큰 소용돌이 유속의 유출을 초래한다. 이러한 소용돌이 에너지는 확산기 (102) 에 의해 감소되고, 이에 의해 압력의 증가로 변환된다. 확산기의 배출구의 흐름은 소용돌이꼴 (volute) 형상의 스크롤 (103) 에 의해 주변을 통하여 수집되고 접선 방향으로 향하는 덕트의 스트림으로서 흘러나가게 된다.

과급기 또는 소형 가스 터빈은 공기가 압축되는 압력비가 2 이상이 되고, 임펠러의 출구의 소용돌이 속도 또는 접선 속도의 최대값이 400 m/s 이상이 되도록 설계된다. 임펠러의 입구는 원심력에 의한 높은 응력을 견디기 위해 블레이드 (100b) 의 전방 에지가 사실상으로는 방사상의 방향으로 향하도록 구성된다. 또한, 임펠러의 출구는 흐름이 방사상의 방향으로 향하도록 허브 (100a) 의 뒷 판 표면이 방사상의 방향으로 향하는 디스크의 형상이 되고, 블레이드 (100b) 의 후방 에지는 회전축과 거의 평행하고, 비록 경사지더라도, 허브 (100a) 의 측과 블레이드 (100b) 의 전방 단부측 사이의 치수적 차이가 평균 직경의 5% 이내가 되도록 구성된다.

상기 언급된 특성에 의해 구조되는 원심 압축기에서, 중간 내지 적은 유량의 임펠러 (100) 의 흐름은 도 7a 에 나타난다. 큰 유량의 임펠러와 중간 내지 적은 유량의 임펠러 사이의 차이는 임펠러 (100) 의 입구 반경/출구 반경비 (R11/R21) 가 0.7 인 것을 인덱스로 사용한다. 본 발명에서, R11/R21 ≥ 0.7 인 압축기가 큰 유량의 압축기로서 규정되고, 이러한 범위를 충족하는 임펠러가 본 발명에서 포함된다.

중간 내지 적은 유량의 임펠러 (100) 에서, 임펠러의 출구의 흐름은 실질적으로 방사상의 방향으로 향한다 (도 7a 의 화살표로 나타낸 유속 분포 참조). 확산기가 적절하게 설계된다면, 이러한 흐름은 적은 손실로 압력으로 변환될 수 있다. 큰 유량의 임펠러 (100) 에서, 입구 반경/출구 반경비는 종종 R11/R21 = 0.7 ~ 0.8 로 설정되고, 어떠한 경우에는, 0.85 등으로 설정된다. 하지만 이러한 비가 0.8 을 초과한다면, 효율의 저하가 너무 커서 실제 사용은 일반적으로 불가능하다.

그 이유는 입구 반경/출구 반경비가 0.7 을 초과한다면, 임펠러의 입구의 축선 운동량이 임펠러의 출구 이전에 0 으로 없어지지 않으며, 축선 방향으로의 속도가 임펠러의 출구에서 남아있기 때문이다. 임펠러의 입구에서의 이러한 축선 운동량을 0 으로 줄이기 위해, 임펠러의 입구의 영역의 2 배 이상의 영역에 대한 필요가 이론적으로 나타난다. 따라서, 임펠러 (100) 의 입구 반경 (R11) 에 대한 출구 반경 (R21) 의 비는

= 1.414 이고, 그의 역은 R11/R21 ≒ 0.7 이다.

요컨데, 입구 반경/출구 반경비 R11/R21 ≥ 0.7 을 갖는 큰 유량의 임펠러에서, 임펠러의 출구에서의 흐름이 도 7b 에 나타낸 것과 같이 허브 (100a) 의 뒷 판 부분을 향하여 편류된다는 (도 7b 에 화살표로 나타낸 유속 분포 참조) 문제가 발생한다. 이러한 편류된 흐름이 발생한다면, 임펠러의 출구까지 정압의 상승이 줄어들며, 이는 임펠러 효율이 낮아지는 산업적인 단점을 야기한다. 하류의 확산기에서, 또한, 확산기의 형상이 연구된다고 해도, 확산기의 손실은 줄어들 수 없다는 문제가 일어난다. 이는 전체 원심 압축기에서의 손실을 증가시키고, 효율이 저하되는 문제를 유도한다.

따라서, 본 발명의 목적은 효율의 저하를 억제하면서 큰 유량 또는 유량의 증가를 달성할 수 있는 높은 압력비를 갖는 원심 압축기를 제공하는 것이다.

상기 언급된 문제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 원심 압축기는 케이싱에 선회 가능하게 지지되는 임펠러의 회전에 의해 흡입되는 가스를, 주로 원심력에 의해 압축 및 배출하게 되는 원심 압축기이며,

이 임펠러의 입구 반경/출구 반경비 (R1/R2) 는 0.7 ≤ R1/R2 ≤ 0.85 로 설정되고,

이 임펠러의 허브의 뒷 판 부분의 경사각 (θ) 이 5°≤ θ ≤ 15°로 설정되는 것을 특징으로 한다.

이 원심 압축기는 또한 (R1/R2) - θ 의 관계도가 경사각의 최적의 값을 위해 그려질 때, R1/R2 = 0.7 일 때 θ = 5°, 그리고 R1/R2 = 0.85 일 때 θ = 15°에 대응하는 지점을 연결하는 직선이 최적의 경사각으로서 취해지고, 임펠러의 입구 반경/출구 반경비 (R1/R2) 및 허브의 뒷 판 부분의 경사각 (θ) 은 직선으로부터 ±5°의 범위 내로 설정되는 것을 특징으로 한다.

이 원심 압축기는 또한 뒷 판 부분의 경사각 (θ) 이 400 m/s 이상의 임펠러 출구 외주 속도를 갖는 임펠러에, 바람직하게는 현저한 효과를 생산하는 450 m/s 이상의 임펠러 출구 외주 속도를 갖는 임펠러에 적용되는 것을 특징으로 한다.

이 원심 압축기는 또한 임펠러의 하류 구역에 연결되는 확산기의 입구 측 벽 표면이 소정의 범위에 걸쳐 임펠러의 출구의 벽 표면의 경사부와 연속하는 곡선, 또는 경사부에 연결되는 직선으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 원심 압축기에 따르면, 임펠러의 입구 반경/출구 반경비는 큰 유량을 달성하기 위해 가능한한 높게 정해져서, 임펠러의 허브의 뒷 판 부분의 경사각은 최적의 값으로 설정되고, 이에 의해 압축기 효율의 저하는 방지될 수 있다.

도 1 은 본 발명의 실시형태 1 을 나타내는 원심 압축기의 주요 부분의 단면도이다.
도 2 는 작용의 설명도이다.
도 3 은 뒷 판 경사각과 효율 개선비 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4 는 임펠러의 입구 반경/출구 반경비와 뒷 판 경사각 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5 는 본 발명의 실시형태 2 를 나타내는 원심 압축기의 주요 부분의 단면도이다.
도 6 은 종래의 원심 압축기의 주요 부분의 단면도이다.
도 7a 는 중간 내지 적은 유량의 임펠러의 가스 흐름의 설명도이다.
도 7b 는 큰 유량의 임펠러의 가스 흐름의 설명도이다.

본 발명에 따른 원심 압축기가 도면을 사용하여 이하의 실시형태에 의해 상세하게 설명될 것이다.

실시형태 1

도 1 은 본 발명의 실시형태 1 을 나타내는 원심 압축기의 주요 부분의 단면도이다. 도 2 는 작용의 설명도이다. 도 3 은 뒷 판 경사각과 효율 개선비 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 4 는 임펠러의 입구 반경/출구 반경비와 뒷 판 경사각 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 1 에 나타낸 것과 같이, 원심 압축기에서, 임펠러 (10) 는 허브 (10a) 의 외주에 둘레 방향으로 소정의 간격으로, 용접 등에 의해 고정적으로 제공되는 다수의 블레이드 (10b) 를 포함하고, 각각의 블레이드는 박판으로 이루어진다. 임펠러 (10) 는 케이싱 (11) 내에 회전 가능하게 그리고 선회 가능하게 지지되고, 임펠러 (10) 의 회전에 의해, 흐름이 축선 방향으로 임펠러의 입구로부터 흡입되고, 그 결과 소용돌이 에너지가 흐름에 부여된다. 임펠러의 출구에서, 정압이 상승하며, 이는 큰 소용돌이 유속의 유출을 초래한다. 이러한 소용돌이 에너지는 확산기 (12) 에 의해 감소되고, 이에 의해 압력의 증가로 변환된다. 확산기의 배출구의 흐름은 소용돌이꼴 형상의 스크롤 (13) 에 의해 주변을 통하여 수집되고, 접선 방향으로 향하는 덕트의 스트림으로서 흘러나가게 된다.

과급기 또는 소형 가스 터빈에 사용될 때, 원심 압축기는 이하와 같이 설계된다. 임펠러의 출구에서의 접선 속도 (외주 속도) 는 400 m/s 이상으로 설정된다. 공기가 압축되는 압력비가 4 ~ 5 이상일 때, 임펠러의 출구에서의 접선 속도 (외주 속도) 의 최대 값은 450 m/s 이상으로 설정된다. 임펠러의 입구는 원심력에 의한 높은 응력을 견디기 위해 사실상 방사상의 방향으로 향하는 블레이드 (10b) 의 전방 에지를 갖도록 구성된다. 또한, 블레이드 (10b) 의 후방 에지는 회전축에 거의 평행하게 구성되고, 비록 경사지더라도, 허브 (10a) 측과 블레이드 (10b) 의 전방 단부측 사이의 치수적 차이는 평균 직경의 5% 이내이다.

본 실시형태에서, 도 4 에 나타낸 것과 같이, 임펠러 (10) 의 입구 반경/출구 반경비 (R1/R2) 는 0.7 ≤ R1/R2 ≤ 0.85 로 설정되고, 임펠러 (10) 의 허브 (10a) 의 뒷 판 부분의 경사각 (즉, 뒷판 경사각 (θ)) 은 5°≤ θ ≤ 15°로 설정된다 (도 4 의 구역 (A) 참조).

바람직하게는, 마찬가지로 도 4 에 나타낸 것과 같이, 최적의 뒷 판 경사각 (θ) 은 이하와 같이 결정된다. (R1/R2) - θ 의 관계도가 R1/R2 = 0.7 일 때 θ = 5°, 그리고 R1/R2 = 0.85 일 때 θ = 15°로 그려진다. 이러한 관계를 충족하는 대응하는 지점을 연결하는 직선 (일점 쇄선) 이 최적의 경사각을 나타내는 것으로서 취해진다. 이러한 직선으로부터 ±5°의 범위 내에서 (도 4 의 구역 (B) 참조), 임펠러 (10) 의 입구 반경/출구 반경비 (R1/R2) 및 허브 (10a) 의 뒷 판 경사각 (θ) 을 설정한다.

도 7b 에서 큰 유량의 임펠러의 중간 구역 (100c) 에서 (흐름의 방향이 축선 방향에서 방사상의 방향으로 변경되는 구역), 임펠러의 출구에서의 외주 속도가 높아질 때, 원심력의 효과에 의해 흐름이 슈라우드 (shroud) 를 향해 편류되려는 경향이 증가된다 (중간 구역 (100c) 의 파선으로 나타낸 유선 참조). 따라서, 임펠러의 출구에서의 흐름의 경사각은 증가된다. 이러한 경향은 임펠러의 출구에서의 외주 속도가 450 m/s 를 초과할 때 뚜렷해진다. 그 결과, 증가된 유량에 의한 효율의 저하가 현저해진다. 따라서, 상기 언급된 뒷 판 경사각 (θ) 을 적용하는 것이 바람직하다.

본 실시형태에서, 상기 설명된 것과 같이, 임펠러 (10) 의 입구 반경/출구 반경비는 큰 유량을 달성하기 위해 가능한한 높게 정해지며, 임펠러 (10) 의 허브 (10a) 의 뒷 판 경사각 (θ) 은 최적의 값으로 설정된다. 그러므로, 압축기 효율의 저하는 방지될 수 있다.

즉, 도 2 에 나타낸 것과 같이, 임펠러 (10) 의 출구에서의 흐름의 경사각은 뒷 판 경사각 정도의 값으로 유지된다. 하지만, 도 2 에 화살표로 나타낸 유속 분포는 임펠러의 출구의 폭의 중앙에 대하여 가로로 실질적으로는 유사한 유속 분포에 근접한다. 따라서, 임펠러 (10) 의 출구까지 정압의 상승은 개선되어 임펠러 효율은 증가한다.

비특허 문헌 1 등으로부터 공지된 것과 같이, 뒷 판 경사각 (θ) 이 너무 많이 증가되면, 도 3 에 나타낸 특정 대표적인 반경비에서의 압축기 효율과 뒷 판 경사각 (θ) 사이의 관계에 의해 나타나는 것과 같이, 효율이 현저하게 낮아지는 문제가 발생한다. 따라서, 도 4 의 구역 (A 또는 B) 에 의해 나타낸 것과 같이, 최적의 값은 임펠러 (10) 의 입구 반경/출구 반경비에 대하여 존재한다. 도 4 의 구역 (C) 이 보통의 원심 압축기의 임펠러의 경우를 나타내고, 구역 (D) 이 효율이 낮아지는 구역을 나타낸다. 도 4 의 등고선은 임펠러의 일정한 입구 반경/출구 반경비에서의 뒷 판 경사각 (θ = 0°) 에 대한 효율의 증가량을 나타낸다.

실시형태 2

도 5 는 본 발명의 실시형태 2 를 나타내는 원심 압축기의 주요 부분의 단면도이다.

이는 실시형태 1 의 확산기 (12) 의 입구 측 벽 표면 (12a) 이 R3/R2 가 반경비이며 R3/R2〈 1.15 에 의해 규정되는 구역의 임펠러 (10) 의 출구의 벽 표면 경사부와 연속하는 곡선, 또는 경사부에 연결되는 직선으로 이루어지는 실시형태이다.

실시형태 1 에서, 임펠러 (10) 의 출구에서의 유속 분포의 대칭은 개선되지만, 임펠러 (10) 의 출구에서의 흐름의 경사가 도 2 에 나타낸 것과 같이 변하지 않고 남아있다는 문제가 존재한다. 이러한 흐름이 확산기 (12) 내로 흐르고, 임펠러의 출구가, 하류의 확산기 (12) 와 같이, 자오면 (meridional plane) 의 형상에서 방사상의 라인을 갖는 디스크 형상 확산기 (12) 에 연결된다면, 확산기 내의 흐름의 경사를 확산기 벽과 실질적으로 평행하게 할 필요가 있다.

따라서, 종래의 디스크 형상 확산기가 확산기 (12) 로서 설치된다면, 확산기의 입구에서의 손실이 흐름의 각도의 갑작스런 변경에 의해 증가된다는 문제가 발생한다. 이러한 문제는 본 실시형태와 같이 확산기 (12) 를 구성함으로써 해결된다.

본 발명에 따른 원심 압축기는 과급기, 가스 터빈, 산업용 압축기 등에 사용될 때 바람직하다.

10 : 임펠러 10a : 허브
10b : 블레이드 11 : 케이싱
12 : 확산기 12a : 확산기의 입구 측 벽 표면
13 : 스크롤

Claims

케이싱에 선회 가능하게 지지되는 임펠러의 회전에 의해 흡입되는 가스를, 원심력에 의해 압축 및 배출하게 되는 원심 압축기로서,
상기 임펠러의 입구 반경/출구 반경비 (R1/R2) 는 0.7 ≤ R1/R2 ≤ 0.85 로 설정되고,
상기 임펠러의 허브의 뒷 판 부분의 경사각 (θ) 이 5°≤ θ ≤ 15°로 설정되는 원심 압축기.
제 1 항에 있어서,
(R1/R2) - θ 의 관계도가 경사각의 최적의 값을 위해 그려질 때, R1/R2 = 0.7 일 때 θ = 5°, 그리고 R1/R2 = 0.85 일 때 θ = 15°에 대응하는 지점을 연결하는 직선이 최적의 경사각으로서 취해지고, 상기 임펠러의 입구 반경/출구 반경비 (R1/R2) 및 허브의 뒷 판 부분의 경사각 (θ) 은 직선으로부터 ±5°의 범위 내로 설정되는 원심 압축기.
제 1 항에 있어서,
상기 뒷 판 부분의 경사각 (θ) 은 400 m/s 이상의 임펠러 출구 외주 속도를 갖는 임펠러에 적용되는 원심 압축기.
제 2 항에 있어서,
상기 뒷 판 부분의 경사각 (θ) 은 400 m/s 이상의 임펠러 출구 외주 속도를 갖는 임펠러에 적용되는 원심 압축기.
제 1 항에 있어서,
상기 임펠러의 하류 구역에 연결되는 확산기의 입구 측 벽 표면이 소정의 범위에 걸쳐 임펠러의 출구의 벽 표면의 경사부와 연속하는 곡선, 또는 경사부에 연결되는 직선으로 이루어지는 원심 압축기.
제 2 항에 있어서,
상기 임펠러의 하류 구역에 연결되는 확산기의 입구 측 벽 표면이 소정의 범위에 걸쳐 임펠러의 출구의 벽 표면의 경사부와 연속하는 곡선, 또는 경사부에 연결되는 직선으로 이루어지는 원심 압축기.
제 3 항에 있어서,
상기 임펠러의 하류 구역에 연결되는 확산기의 입구 측 벽 표면이 소정의 범위에 걸쳐 임펠러의 출구의 벽 표면의 경사부와 연속하는 곡선, 또는 경사부에 연결되는 직선으로 이루어지는 원심 압축기.
제 4 항에 있어서,
상기 임펠러의 하류 구역에 연결되는 확산기의 입구 측 벽 표면이 소정의 범위에 걸쳐 임펠러의 출구의 벽 표면의 경사부와 연속하는 곡선, 또는 경사부에 연결되는 직선으로 이루어지는 원심 압축기.