KR101716019B1 - 터보 압축기 및 이를 포함하는 터보 냉동기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 터보 압축기 및 이를 포함하는 터보 냉동기에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 터보 압축기에는, 구동력을 발생시키는 모터가 배치되는 케이싱; 상기 모터의 구동에 의하여 회전 가능하게 설치되는 회전축; 및 상기 회전축의 회전에 따라 회전하여 냉매를 압축하는 임펠러가 포함되고, 상기 임펠러에는, 상기 회전축에 결합되는 허브; 상기 허브의 외주면에 결합되며, 외주면을 규정하는 팁이 구비되는 블레이드; 및 상기 블레이드의 외측에 고정되는 임펠러 커버가 포함되고, 상기 블레이드의 팁과, 상기 임펠러 커버 사이의 팁 간격은, 상기 블레이드의 외주면에 걸쳐 서로 다른 값을 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

터보 압축기 및 이를 포함하는 터보 냉동기 {A turbo compressor and a turbo chiller including the same}
본 발명은 터보 압축기 및 이를 포함하는 터보 냉동기에 관한 것이다.
일반적으로 공기 조화장치는 실내 공간을 냉방 또는 난방하는 기기이다. 상기 공기 조화기는 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기로부터 토출되는 냉매가 응축되는 응축기와, 상기 응축기를 통과한 냉매가 팽창되는 팽창기 및 상기 팽창기에서 팽창된 냉매가 증발되는 증발기를 포함한다.
터보 냉동기는 저압의 냉매를 흡입하여 고압의 냉매로 압축하는 압축기와, 응축기, 팽창밸브 및 증발기가 포함되어 냉동 사이클이 구동될 수 있다.
상기 터보 냉동기에는 원심식 터보 압축기(이하, 터보 압축기)가 구비된다. 상기 터보 압축기는 구동모터에서 발생되는 운동에너지를 정압으로 변환시키면서 가스를 고압 상태로 토출시키도록 작용하며, 구동모터의 구동력에 의하여 회전하여 냉매를 압축하는 하나 또는 그 이상의 임펠러 및 상기 임펠러가 수용되는 임펠러 커버(또는 쉬라우드)등이 포함될 수 있다.
터보 압축기의 구조와 관련하여 아래와 같은 선행문헌이 개시된다.
1. 출원번호(출원일자) : 10-2010-0028647 (2010년 3월 30일)
2. 발명의 명칭 : 터보 압축기
종래의 터보 압축기에 의하면, 임펠러와 임펠러 커버 사이에 틈새를 두어, 임펠러와 임펠러 커버 사이에 간섭되지 않도록 구성된다. 그리고, 임펠러를 통과하는 냉매 누설량을 줄이고 상기 임펠러의 성능을 높이기 위하여, 상기 임펠러와 임펠러 커버 사이에 틈새를 작게 설계하는 것이 바람직하다.
그러나, 상기 틈새가 너무 작은 경우, 임펠러가 고속 회전되는 과정에서 임펠러와 임펠러 커버의 간섭이 발생되는 문제점이 발생될 수 있으므로, 종래에는 상기 임펠러의 외주면과 임펠러 커버의 내주면 전체에 걸쳐, 상기 틈새를 일정하게 형성하였다.
이와 같은 종래의 터보 압축기의 경우, 상기 임펠러가 고속으로 회전할 때, 임펠러의 원심력, 유체 압력 또는 열하중등에 의하여, 상기 임펠러에 변형이 발생될 수 있고, 상기 임펠러의 변형에 의하여 상기 틈새가 비균일해지는 현상이 나타났다.
냉매 유로를 형성하는 임펠러와 임펠러 커버의 사이 공간, 즉 상기 틈새가 비균일해지는 경우, 압축기의 성능 및 효율을 저하시키고, 압축기의 구조적 안정성이 약화되는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 임펠러와 임펠러 커버간의 간섭을 방지하고 압축기의 성능을 개선할 수 있는 터보 압축기 및 이를 포함하는 터보 냉동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
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본 발명의 실시예에 따른 터보 압축기에는, 구동력을 발생시키는 모터가 배치되는 케이싱; 상기 모터의 구동에 의하여 회전 가능하게 설치되는 회전축; 및 상기 회전축의 회전에 따라 회전하여 냉매를 압축하는 임펠러가 포함되고, 상기 임펠러에는, 상기 회전축에 결합되는 허브; 상기 허브의 외주면에 결합되며, 외주면을 규정하는 팁이 구비되는 블레이드; 및 상기 블레이드의 외측에 고정되는 임펠러 커버가 포함되고, 상기 블레이드의 팁과, 상기 임펠러 커버 사이의 팁 간격은, 상기 블레이드의 외주면에 걸쳐 서로 다른 값을 형성하고, 상기 블레이드에는, 상기 블레이드의 일측 모서리를 규정하며, 냉매를 도입하는 리딩 에지; 상기 블레이드의 타측 모서리를 규정하며, 압축된 냉매를 배출하는 트레일링 에지; 및 상기 리딩 에지와 트레일링 에지 사이에서 팁 간격이 가장 짧은 일 지점인 최단 거리부를 가지는 블레이드 본체가 포함되고, 상기 최단 거리부에서 상기 리딩 에지까지의 거리가 상기 최단 거리부에서 트레일링 에지까지 거리보다 짧은 것을 특징으로한다.
또한, 상기 리딩 에지에서의 팁 간격은, 상기 최단 거리부에서의 팁 간격보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 트레일링 에지에서의 팁 간격은, 상기 최단 거리부에서의 팁 간격보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 리딩 에지에서의 팁 간격은, 상기 트레일링 에지에서의 팁 간격보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 최단 거리부에서 상기 리딩 에지를 향하는 방향으로, 상기 팁 간격이 증가하는 기울기는, 상기 최단 거리부에서 상기 트레일링 에지를 향하는 방향으로, 상기 팁 간격이 증가하는 기울기보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 블레이드의 변형에 따른 한계 팁 간격이 미리 설정되며, 상기 리딩 에지에서의 변형에 따른 팁 간격은 상기 한계 팁 간격보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 한계 팁 간격은 0.15mm에서 0.25mm의 범위 내로 설정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 블레이드는 서로 이격되어 복수 개가 구비되며, 상기 트레일링 에지에서의 복수 개의 블레이드 간의 간격은, 상기 리딩 에지에서의 복수 개의 블레이드 간의 간격보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 블레이드에는, 상기 블레이드의 내주면을 형성하며, 상기 허브에 결합되는 허브 결합부가 더 포함된다.
다른 측면에 따른 터보 냉동기에는, 냉매를 압축하는 터보 압축기; 상기 터보 압축기에서 압축된 냉매를 응축시키는 응축기; 상기 응축기에서 응축된 냉매를 감압시키는 팽창장치; 및 상기 팽창장치에서 감압된 냉매를 증발시키는 증발기가 포함되며, 상기 터보 압축기에는, 구동력을 발생시키는 모터; 상기 모터의 구동에 따라 회전 가능하게 구비되는 허브; 상기 허브에 결합되어 내주면을 형성하는 허브 결합부 및 외주면을 형성하는 팁이 구비되는 복수 개의 블레이드; 및 상기 복수 개의 블레이드의 외측에 고정되는 임펠러 커버가 포함되고, 상기 블레이드의 팁과, 상기 임펠러 커버 사이의 팁 간격에 대하여, 상기 블레이드의 양측부 팁 간격은, 상기 블레이드의 양측부 사이의 블레이드 본체에서의 팁 간격보다 더 크게 형성되고 상기 블레이드 본체에는, 최단 거리의 팁 간격을 형성하는 최단 거리부가 포함되며, 상기 최단 거리부에서 양측부까지의 거리는 일측이 더 길게 나타나는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 블레이드의 양측부에는, 냉매가 도입되는 리딩 에지; 및 압축된 냉매가 배출되는 트레일링 에지가 더 포함된다.
또한, 상기 블레이드 본체에서의 팁 간격은, 상기 최단 거리부로부터 상기 리딩 에지 및 트레일링 에지를 향하여 점점 증가되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 리딩 에지에서의 팁 간격은, 상기 트레일링 에지에서의 팁 간격보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 의하면, 블레이드의 변형량에 기초하여, 임펠러와 임펠러 커버의 조립시, 블레이드의 팁과 임펠러 커버 사이의 팁 간격이 비균일하게 형성될 수 있으므로, 임펠러의 운전과정에서는 상기 블레이드의 변형에 따라 상기 팁 간격이 균일해질 수 있다.
따라서, 상기 팁 간격이 설정간격 이하로 유지된 상태에서, 상기 블레이드의 팁에 걸쳐 균일하게 형성될 수 있으므로, 냉매 누설량을 줄이고 압축기의 성능을 개선할 수 있다.
또한, 상기 설정간격은 임펠러의 운전중 발생될 수 있는 비상상황을 고려하여, 한계 팁 간격 이상으로 형성될 수 있으므로, 임펠러와 임펠러 커버간에 간섭이 발생되는 것을 방지할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보 냉동기의 구성을 보여주는 사이클 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터보 압축기의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 임펠러의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 임펠러와 임펠러 커버의 구성을 보여주는 도면이다.
도 5는 임펠러의 구동 과정에서, 블레이드의 변형이 발생되는 모습을 보여주는 시뮬레이션 도면이다.
도 6은 임펠러의 구동 과정에서 블레이드의 변형량을 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 임펠러와 임펠러 커버 사이의 팁 간극의 설계값을 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 임펠러의 효율이 개선된 모습을 보여주는 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보 냉동기의 구성을 보여주는 사이클 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터보 압축기의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 터보 냉동기(10)에는, 냉매를 압축시키기 위한 압축기(20)와, 상기 압축기(20)에서 압축된 냉매를 응축시키기 위한 응축기(50)와, 상기 응축기(50)에서 응축된 냉매를 감압하기 위한 팽창 밸브(60) 및 상기 팽창 밸브(60)에서 감압된 냉매를 증발시키기 위한 증발기(70)가 포함된다.
상기 압축기(20)에는, 원심식 터보 압축기(centrifugal turbo compressor)가 포함될 수 있다. 상기 압축기(20)의 입구측에는, 상기 증발기(70)에서 증발된 냉매의 흡입을 가이드 하는 흡입 배관(12)이 제공된다. 그리고, 상기 압축기(20)의 출구측에는, 상기 응축기(30)로 연장되는 토출 배관(14)이 제공된다.
상기 응축기(50)에는 냉각수(W1)가 유입 및 토출되며, 상기 냉각수는 상기 응축기(50)를 통과하는 과정에서 냉매와 열교환 되어 가열된다. 그리고, 상기 증발기(70)에는 냉수(W2)가 유입 및 토출되며, 상기 냉수는 상기 증발기(70)를 통과하는 과정에서 냉매와 열교환 되어 냉각된다.
상기 팽창 밸브(60)에는, 개도 조절이 가능한 전자 팽창밸브(Electronic Expansion Valve, EEV)가 포함될 수 있다. 이하에서는, 상기 압축기(20)의 구조에 대하여 상세히 설명한다.
상기 압축기(20)에는, 냉매 유입구(21a)와 냉매 유출구(21b)가 형성되는 케이싱(21)과, 상기 케이싱(21)에 구비되는 모터(25)와, 상기 케이싱(21)의 내부에 설치되며 상기 모터(25)의 구동력에 의하여 회전될 수 있는 회전축(30) 및 상기 모터(25)와 회전축(30)을 연결하여 상기 모터(25)의 구동력을 상기 회전축(30)에 전달하는 동력전달 부재(35)가 포함된다.
상기 냉매 유입구(21a)는 상기 흡입배관(12)에 연결되고, 상기 냉매 유출구(21b)는 상기 토출배관(14)에 연결될 수 있다. 그리고, 상기 동력전달 부재(35)는, 하나 이상의 기어(gear)가 포함될 수 있다.
상기 압축기(20)에는, 상기 케이싱(21)의 내부에 위치되며 상기 회전축(30)에 의하여 회전 가능하게 구비되는 임펠러(100)가 더 포함된다. 상세히, 상기 임펠러(110)에는, 상기 회전축(30)에 결합되는 허브(110) 및 상기 허브(110)의 외주면에 배치되어 냉매를 압축시키는 복수의 블레이드(120)가 포함된다.
상기 케이싱(21)의 내부에는, 상기 임펠러(100)를 둘러싸도록 배치되는 임펠러 커버(150)가 제공된다.
상기 냉매 유입구(21a)를 통하여 유입된 냉매는 상기 임펠러의 블레이드(120)와 임펠러 커버(150) 사이의 이격된 공간(흡입 공간부)으로 유동한다.
상기 임펠러(100)는 상기 회전축(30)과 함께 회전되며, 상기 임펠러(100)의 회전 과정에서 냉매는 상기 임펠러(100)의 흡입 공간부로 흡입되어 압축되고, 압축된 냉매는 상기 냉매 유출구(21b)를 통하여 배출된다.
상기 회전축(30)은 상기 허브(30)에 삽입하여 결합될 수 있다. 상기 회전축(30)의 외주면 중 적어도 일부분은 상기 케이싱(21)의 내부에 제공되는 스러스트 칼라(40)에 의하여 지지될 수 있다.
상기 스러스트 칼라(40)는 상기 회전축(30)의 일 지점에서 외측 반경방향으로 연장될 수 있다. 여기서, 상기 "반경 방향"이라 함은, 상기 회전축(30)의 연장 방향에 수직한 방향으로서 이해될 수 있다. 그리고, 상기 스러스트 칼라(40)는 상기 회전축(30)에 일체로 형성되거나, 별도의 고정수단에 의하여 체결 또는 용접될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 임펠러의 구성을 보여주는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 임펠러와 임펠러 커버의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 임펠러(100)에는, 상기 회전축(30)에 결합되는 허브(110) 및 상기 허브(110)의 외주면에 배치되는 다수의 블레이드(120)가 포함된다.
상기 허브(110)는 냉매가 유동하여 오는 유입측으로부터 압축된 냉매가 배출되는 배출측을 향하여 단면적이 증가하도록 형성될 수 있다.
상기 다수의 블레이드(120)는 상기 허브(110)의 외주면에 걸쳐, 서로 이격되어 배치되어 냉매의 흡입력을 발생시킬 수 있다. 그리고, 각 블레이드(120)는, 상기 허브(110)의 냉매 유입측으로부터 배출측을 향하여 소정의 곡률을 가지고 연장되도록 구성될 수 있다.
그리고, 상기 다수의 블레이드(120)는, 일 블레이드(120)와 타 블레이드(120)간에 이격된 거리가 상기 허브(110)의 냉매 유입측으로부터 배출측을 향하여 점점 커지도록 배치될 수 있다. 즉, 상기 일 블레이드(120)와 타 블레이드(120) 사이에 형성되는 냉매 유로는, 냉매의 유동방향을 기준으로 점점 커지게 형성되며, 이에 따라 냉매의 유동과정에서 냉매의 유속 저하 및 압력의 상승이 이루어질 수 있다.
상세히, 상기 블레이드(120)에는, 블레이드 본체(121)와, 상기 허브(110)의 냉매 유입측에 배치되어 냉매가 흡입되는 리딩 에지(123) 및 상기 허브(110)의 냉매 배출측에 배치되어 냉매가 배출되는 트레일링 에지(125)가 포함된다. 상기 블레이드 본체(121)는 상기 리딩 에지(123)와 트레일링 에지(125)의 사이에 배치된다.
상기 블레이드(120)는, 상기 리딩 에지(123)로부터 블레이드 본체(121) 및 트레일링 에지(125)를 향하여 소정의 곡률을 가지도록 형성될 수 있다.
상기 블레이드(120)에는, 상기 허브(110)의 외주면에 결합되는 허브 결합부(128) 및 상기 임펠러 커버(150)와의 사이에서 팁 간격을 형성하는 팁(127)이 더 포함된다. 상기 허브 결합부(128)는 상기 블레이드(120)의 내주면으로서 상기 허브(110)의 결합면을 규정하고, 상기 팁(127)은 상기 블레이드(120)의 외주면으로서 상기 허브(110)의 결합면의 반대면을 규정한다.
그리고, 상기 팁 간격은 상기 팁(127)과 상기 임펠러 커버(150) 사이의 이격된 거리를 규정하며, 상기 블레이드(120)의 변형량에 기초하여, 상기 팁(127)의 전체 부분에 걸쳐 서로 다른 값을 가지도록 형성될 수 있다.
상세히, 도 4를 참조하면, 상기 블레이드(120)의 팁(127)과 상기 임펠러 커버(150)간의 간격, 즉 팁 간격은, 상기 리딩 에지(123)측의 팁(127)으로부터 상기 트레일링 에지(125)측의 팁(127)까지, 변화되도록 구성될 수 있다.
일례로, 상기 블레이드(120)의 리딩 에지(123)측에 형성되는 팁(127)과, 상기 임펠러 커버(150)간의 내주면 사이의 거리(C2)는 상기 블레이드(120)의 블레이드 본체(121)측에 형성되는 팁(127)과, 상기 임펠러 커버(150)간의 내주면 사이의 거리(C1)보다 크게 형성될 수 있다 (C2 > C1).
여기서, 상기 C1는, 상기 팁(127)과 임펠러 커버(150) 사이의 팁 간격 중, 최단 간격으로서 이해되며, 상기 C1이 형성되는, 블레이드 본체(121)의 일 지점을 "최단 거리부"라 이름할 수 있다. 상기 일 지점은 상기 블레이드 본체(121)의 대략 중간부 지점에 형성될 수 있다.
상기 블레이드(120)의 트레일링 에지(125)측에 형성되는 팁(127)과, 상기 임펠러 커버(150)간의 내주면 사이의 거리(C3)는 상기 블레이드(120)의 블레이드 본체(121)의 최단 거리부에 형성되는 팁(127)과, 상기 임펠러 커버(150)간의 내주면 사이의 거리(C1)보다 크게 형성될 수 있다 (C3 > C1).
그리고, 상기 블레이드(120)의 리딩 에지(123)측에 형성되는 팁(127)과, 상기 임펠러 커버(150)간의 내주면 사이의 거리(C2)는 상기 블레이드(120)의 트레일링 에지(125)측에 형성되는 팁(127)과, 상기 임펠러 커버(150)간의 내주면 사이의 거리(C3)보다 크게 형성될 수 있다 (C2 > C3).
여기서, 상기 C1은 상기 블레이드 본체(121)의 최단 거리부의 팁(127)과 상기 임펠러 커버(150)의 내주면 사이의 최단 거리이며, 상기 C2는 상기 리딩 에지(123)측의 팁(127)과 상기 임펠러 커버(150)의 내주면 사이의 최단 거리이고, 상기 C3는 상기 트레일링 에지(125)측의 팁(127)과 상기 임펠러 커버(150)의 내주면 사이의 최단 거리로서 이해될 수 있다.
달리 말하면, 상기 블레이드(120)의 팁(127)과, 상기 임펠러 커버(150)간의 내주면 사이의 거리는, 상기 리딩 에지(123)측으로부터 상기 블레이드 본체(121)의 최단 거리부측으로 갈수록 점점 작아지도록 형성되고, 상기 블레이드 본체(121)의 최단 거리부측으로부터 상기 트레일링 에지(125)측으로 갈수록 점점 커지도록 형성될 수 있다.
그리고, 상기 리딩 에지(123)측으로부터 상기 블레이드 본체(121)의 최단 거리부측으로 갈수록 작아지는 팁 간격의 정도(기울기)는, 상기 블레이드 본체(121)의 최단 거리부측으로부터 상기 트레일링 에지(125)측으로 갈수록 커지는 팁 간격의 정도(기울기)보다 크게 형성될 수 있다. 달리 말하면, 상기 블레이드(120)의 팁(127)을 기준으로, 상기 C2가 형성되는 블레이드 본체(121)의 최단 거리부측으로부터 상기 리딩 에지(123)측까지의 거리(d1)가, 상기 블레이드 본체(121)의 최단 거리부측으로부터 상기 트레일링 에지(125)측까지의 거리(d2)보다 작게 형성될 수 있다(도 7 참조).
도 5는 임펠러의 구동 과정에서, 블레이드의 변형이 발생되는 모습을 보여주는 시뮬레이션 도면이고, 도 6은 임펠러의 구동 과정에서 블레이드의 변형량을 보여주는 그래프이다.
도 5 및 6은, 본 발명의 실시예에 따른 블레이드(120)의 팁(127)과, 상기 임펠러 커버(150) 사이의 거리(Co)를 일정하게 유지한 상태에서 임펠러를 작동하였을 때, 블레이드에서의 변형량을 보여주는 도면이다. 상기 일정하게 유지된 거리(Co)는 종래기술에 제안되었던 균일한 팁 간격으로서 이해되며, 일례로 약 0.4mm 일 수 있다.
상기 임펠러가 작동하면, 상기 임펠러에는, 원심력, 냉매 유동에 따른 압력 또는 온도 상승에 따른 열하중등이 작용될 수 있다. 상기 작용되는 힘에 의하여, 상기 블레이드에는 변형이 발생될 수 있다.
특히, 상기 블레이드의 팁을 기준으로, 양측 에지(123,125)측 부분의 변형량이 중앙부측 부분의 변형량에 비하여 크게 형성될 수 있다. 도 5에서, 변형량은, 푸른색, 녹색, 노란색, 주황색 및 붉은색으로 갈수록, 커지는 것을 의미한다.
상세히, 도 6을 참조하면, 임펠러의 작동시, 블레이드의 위치에 따라, 블레이드의 팁과, 임펠러 커버의 내주면 사이의 팁 간격이 변화될 수 있다.
특히, 블레이드의 중앙부측에서의 팁 간격(C1)은, 리딩 에지측에서의 팁 간격(C2)보다 크게 형성될 수 있다. 달리 말하면, 상기 블레이드의 중앙부측에서의 변형량(Q1)은 상기 리딩 에지측에서의 변형량(Q2)보다 작게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 블레이드의 중앙부측에서의 팁 간격(C1)은, 트레일링 에지측에서의 팁 간격(C3)보다 크게 형성될 수 있다. 달리 말하면, 상기 블레이드의 중앙부측에서의 변형량(Q1)은 상기 트레일링 에지측에서의 변형량(Q3)보다 작게 형성될 수 있다.
한편, 상기 팁 간격(C3)는 팁 간격(C2)보다 크게 형성될 수 있다. 달리 말하면, 상기 변형량(Q2)은 상기 변형량(Q3)보다 크게 형성될 수 있다.
정리하면, 임펠러의 작동과정에서, 상기 블레이드(120)의 리딩 에지(123)측에서의 변형량(Q2)은 트레일링 에지(125)측에서의 변형량(Q3) 및 블레이드 본체(121)의 최단 거리부측에서의 변형량(Q1)보다 크게 형성된다. 그리고, 상기 트레일링 에지(125)측에서의 변형량(Q3)은 블레이드 본체(121)의 최단 거리부측에서의 변형량(Q1)보다 크게 형성된다.
이와 같은 변형량에 기초하여, 도 4와 같이, 블레이드(120)의 팁(127)과 임펠러 커버(150) 사이의 팁 간격은, 상기 블레이드(120)의 블레이드 본체(121)의 최단 거리부측, 리딩 에지(123)측 및 트레일링 에지(125)측에서 서로 다르게 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 임펠러와 임펠러 커버 사이의 팁 간극의 설계값을 보여주는 그래프이다.
도 7은, 도 6에 더하여, 본 실시예에 따른 블레이드(120)의 팁(127)과, 임펠러 커버(150) 사이의 팁 간격을, 상기 팁(127)의 위치에 따라 서로 다르게 변화시키는 모습을 보여준다 (실선).
도 6에서 설명된 바와 같이, 상기 블레이드(120)의 리딩 에지(123)측에서의 변형량(Q2)이 트레일링 에지(125)측에서의 변형량(Q3) 및 블레이드 본체(121)의 최단 거리부측에서의 변형량(Q1)보다 크게 형성되고, 상기 트레일링 에지(125)측에서의 변형량(Q3)이 블레이드 본체(121)의 최단 거리부측에서의 변형량(Q1)보다 크게 형성되므로, 상기 팁 간격은 이러한 경향에 반대되는 경향으로 형성되도록 설계될 수 있다.
상세히, 상기 리딩 에지(123)측에서의 팁 간격은 상대적으로 높은 값(CL)에 형성된다. 따라서, 임펠러의 작동 과정에서, 상기 리딩 에지(123)측에서 상대적으로 많은 변형량이 발생하더라도 상기 블레이드(120)와 임펠러 커버(150) 사이의 간섭을 방지할 수 있다.
반면에, 상기 블레이드 본체(121)의 최단 거리부측에서의 팁 간격(Cb)은 상대적으로 작게 형성된다. 상기 임펠러의 작동 과정에서, 상기 최단 거리부측에서 적은 변형량이 발생되므로, 상기 팁 간격(Cb)을 상대적으로 작게 설계하더라도, 상기 블레이드(120)와 임펠러 커버(150) 사이의 간섭을 방지할 수 있다.
한편, 상기 트레일링 에지(125)측에서의 팁 간격은 상기 팁 간격(Cb)보다는 작고 상기 팁 간격(Cb)보다는 큰 값(Ct)에 형성된다. 따라서, 임펠러의 작동 과정에서, 상기 트레일링 에지(123)측에서 많은 변형량이 발생하더라도 상기 블레이드(120)와 임펠러 커버(150) 사이의 간섭을 방지할 수 있다.
상기한 바와 같이, 상기 블레이드(120)의 팁(127)을 기준으로, 상기 C2가 형성되는 블레이드 본체(121)의 최단 거리부측으로부터 상기 리딩 에지(123)측까지의 거리(d1)는, 상기 블레이드 본체(121)의 최단 거리부측으로부터 상기 트레일링 에지(125)측까지의 거리(d2)보다 작게 형성될 수 있다.
달리 말하면, 상기 팁 간격의 변화되는 선도를 기준으로, 상기 블레이드 본체(121)의 최단 거리부측으로부터 상기 리딩 에지(123)측까지의 선도의 기울기(g1)는, 상기 블레이드 본체(121)의 최단 거리부측으로부터 상기 트레일링 에지(125측까지의 선도의 기울기(g2)보다 크게 형성될 수 있다. 이러한 팁 간격의 변화경향은, 임펠러 작동중의 블레이드의 변형 경향에 기초하여, 결정될 수 있다.
상기한 블레이드(120)의 팁(127)과 임펠러 커버(150) 사이의 팁 간격의 변화는, 임펠러 작동시 한계 팁 간격(Cr) 이상이 될 수 있도록 제안된다.
상기 팁 간격이 작을수록 압축기의 성능에 도움이 되기는 하나, 압축기 또는 임펠러의 작동중에 예상치 못한 상황, 일례로 운전중 변화되는 냉매의 성질 또는 임펠러의 제작 단계에서 발생되는 가공 오차등에 따라, 설계된 팁 간격에 비하여 더 작은 팁 간격이 형성될 수 있다. 이 경우, 임펠러와 임펠러 커버간에 간섭이 발생될 수 있다.
따라서, 본 실시예는 안전장치로서 한계 팁 간격(Cr)을 설정하였으며, 이에 따라 블레이드(120)의 변형량 및 비상 상황을 고려하더라도, 상기 임펠러와 임펠러 커버간에 간섭이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 일례로, 상기 한계 팁 간격(Cr)은 0.15mm에서 0.25mm의 범위 내의 값으로서 설정될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 임펠러의 효율이 개선된 모습을 보여주는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 블레이드의 팁과 임펠러 커버 사이의 팁 간격이 증가함에 따라 압축기의 효율이 감소됨을 알 수 있다. 여기서, 상기 압축기의 효율은, 일례로 정압 폴리트로픽 효율(static polytropic efficiency)일 수 있다.
종래에는 상대적으로 큰 값을 가지는 팁 간격(Co)을 일정하게 유지하도록 설계하였으며, 이 경우 상기 압축기의 효율은 ηp를 형성한다.
반면에, 본 실시예에 따라, 팁 간격이 가변하도록 설계될 경우, 운전중의 팁 간격은 최소한의 한계 팁 간격(Cr) 이상으로 유지될 수 있으며, 이 경우, 압축기의 효율은 ηI를 형성한다. 상기 효율(ηI)은 상기 효율(ηp)보다 높게 형성될 수 있다.
이와 같이, 임펠러의 운전중 블레이드의 변형량에 기초하여, 임펠러의 블레이드와 임펠러 커버 사이의 팁 간격을 가변하여 설계함으로써, 임펠러와 임펠러 커버와의 간섭문제를 해결함과 함께, 상기 팁 간격을 상대적으로 작게 유지할 수 있으므로, 압축기의 효율이 개선될 수 있다는 장점이 있다.
10 : 터보 냉동기 20 : 압축기
21 : 케이싱 25 : 모터
30 : 회전축 35 : 동력 전달부재
100 : 임펠러 110 : 허브
120 : 블레이드 121 : 블레이드 본체
123 : 리딩 에지 125 : 트레일링 에지
127 : 팁 128 : 허브 결합부
150 : 임펠러 커버

Claims (13)

  1. 모터가 배치되는 케이싱;
    상기 모터에 의하여 회전가능하게 설치되는 회전축; 및
    상기 회전축의 회전에 따라 회전하는 임펠러가 포함되고,
    상기 임펠러에는,
    상기 회전축에 결합되는 허브;
    상기 허브의 외주면에 결합되며, 외주면을 규정하는 팁이 구비되는 블레이드; 및
    상기 블레이드의 외측에 고정되는 임펠러 커버가 포함되고,
    상기 블레이드의 팁과, 상기 임펠러 커버 사이의 팁 간격은 상기 블레이드의 외주면에 걸쳐 서로 다른 값을 형성하고,
    상기 블레이드에는,
    상기 블레이드의 일측 모서리를 규정하며, 냉매를 도입하는 리딩 에지;
    상기 블레이드의 타측 모서리를 규정하며, 압축된 냉매를 배출하는 트레일링 에지; 및
    상기 리딩 에지와 트레일링 에지 사이에서 팁 간격이 가장 짧은 일 지점인 최단거리부를 가지는 블레이드 본체가 포함되고,
    상기 트레일링 에지에서의 팁 간격은, 상기 최단거리부에서의 팁 간격보다 크게 형성되고,
    상기 리딩 에지에서의 팁 간격은, 상기 트레일링 에지에서의 팁 간격보다 크게 형성되며,
    상기 최단거리부에서 상기 리딩 에지까지의 거리가 상기 최단거리부에서 트레일링 에지까지 거리보다 짧은 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 최단 거리부에서 상기 리딩 에지를 향하는 방향으로, 상기 팁 간격이 증가하는 기울기는,
    상기 최단 거리부에서 상기 트레일링 에지를 향하는 방향으로, 상기 팁 간격이 증가하는 기울기보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드의 변형에 따른 한계 팁 간격이 미리 설정되며,
    상기 리딩 에지에서의 변형에 따른 팁 간격은 상기 한계 팁 간격보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 한계 팁 간격은 0.15mm에서 0.25mm의 범위 내로 설정되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드는 서로 이격되어 복수 개가 구비되며,
    상기 트레일링 에지에서의 복수 개의 블레이드 간의 간격은, 상기 리딩 에지에서의 복수 개의 블레이드 간의 간격보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드에는,
    상기 블레이드의 내주면을 형성하며, 상기 허브에 결합되는 허브 결합부가 더 포함되는 터보 압축기.
  10. 냉매를 압축하는 터보 압축기;
    상기 터보 압축기에서 압축된 냉매를 응축시키는 응축기;
    상기 응축기에서 응축된 냉매를 감압시키는 팽창장치; 및
    상기 팽창장치에서 감압된 냉매를 증발시키는 증발기가 포함되며,
    상기 터보 압축기에는,
    구동력을 발생시키는 모터;
    상기 모터의 구동에 따라 회전 가능하게 구비되는 허브;
    상기 허브에 결합되어 내주면을 형성하는 허브 결합부 및 외주면을 형성하는 팁이 구비되는 복수 개의 블레이드; 및
    상기 복수 개의 블레이드의 외측에 고정되는 임펠러 커버가 포함되고,
    상기 블레이드의 양측부에는,
    냉매가 도입되는 리딩 에지; 및
    압축된 냉매가 배출되는 트레일링 에지가 더 포함되며,
    상기 블레이드의 팁과, 상기 임펠러 커버 사이의 팁 간격에 대하여,
    상기 리딩 에지에서의 팁 간격은, 상기 트레일링 에지에서의 팁 간격보다 크게 형성되고,
    상기 트레일리 에지의 팁 간격은, 상기 블레이드의 양측부 사이의 블레이드 본체에서의 팁 간격보다 더 크게 형성되고,
    상기 블레이드 본체에는, 최단 거리의 팁 간격을 형성하는 최단 거리부가 포함되며,
    상기 최단 거리부에서 양측부 까지의 거리는 일측이 더 길게 나타나는 것을 특징으로 하는 터보 냉동기.
  11. 삭제
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 블레이드 본체에서의 팁 간격은, 상기 최단 거리부로부터 상기 리딩 에지 및 트레일링 에지를 향하여 점점 증가되는 것을 특징으로 하는 터보 냉동기.
  13. 삭제
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JP2010275950A (ja) * 2009-05-29 2010-12-09 Toyota Central R&D Labs Inc コンプレッサ及びこれを用いたターボチャージャ

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