KR101858647B1 - 원심 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원심 압축기에 관련된 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기는, 임펠러와, 임펠러의 둘레에 배치되는 복수의 디퓨져 베인을 구비하며, 상기 디퓨져 베인은 유체의 유동 방향으로 연장되게 형성되는 본체부와, 상기 본체부의 선단부로부터 이격되게 형성되어 상기 본체부와의 사이에 슬릿을 형성하는 보조부를 구비하며, 상기 디퓨져 베인의 압력면으로 입사되는 유체의 일부는 상기 슬릿을 통하여 상기 디퓨져 베인의 흡입면으로 유출되는 것을 특징으로 한다.

Description

원심 압축기 { Centrifugal compressor }

본 발명은 원심 압축기에 관한 것이다.

공기 등의 유체를 압축하기 위한 장치로서 압축기가 널리 사용되고 있다. 이러한 압축기로는 임펠러(impeller)의 회전에 의하여 유체를 원심 가속시킴으로써 유체를 압축시키는 원심 압축기가 있다.

도 1은 이러한 원심 압축기의 일부의 개략적인 평면도로서, 원심 압축기의 쉬라우드(shroud) 내부에 위치하는 임펠러와 디퓨져(diffuser) 만을 개략적으로 도시한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이 원심 압축기(1)는 쉬라우드(미도시)의 내부에 임펠러(10)와 디퓨져(20)를 구비한다.

임펠러(10)는 복수의 날개(11)를 구비하며, 회전하면서 유체를 원심 방향으로 가속시킨다. 도 1에서는 임펠러(10)의 날개(11)를 간략화하여 도시하였으나, 임펠러(10)의 날개는 여러 가지 형태의 곡선형으로 형성될 수 있음은 통상의 기술자에게 널리 알려져 있다.

디퓨져(20)는 임펠러(10)의 둘레에 배치되는 복수의 디퓨져 베인(21)을 구비하며, 임펠러(10)에 의해서 가속된 유체를 감속시킨다. 이 과정에서 유체의 운동 에너지는 압력으로 변환되며, 유체의 압력이 증가된다.

한편, 원심 압축기(1)를 운용하는 과정에서 유량의 변화함에 따라서, 유체의 입사 속도, 압력, 디퓨져 베인(21)에 대한 유체의 유동 입사각(angle of attack) 등이 변화되기도 하는데, 경우에 따라서는 디퓨져 베인(22)의 흡입면에서 유동 박리가 발생하기도 한다.

도 2a 내지 도 2c는 원심 압축기(1)의 운영 조건을 달리하며 수치해석을 수행한 결과를 도시한 것으로, 유체의 마하 수 등고선도(mach number contour diagram)를 개략적으로 도시한 도면이다. 더욱 구체적으로, 도 2a는 유량이 설계 유량보다 적을 때의 수치해석 결과이며, 도 2b는 설계 유량에서의 수치해석의 결과이며, 도 2c는 유량이 설계 유량을 초과하는 경우의 수치 해석의 결과이다.

도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 원심 압축기(1)가 설계 유량을 벗어나는 경우에 디퓨져 베인(21)의 흡입면에서 유동 박리 현상이 발생함을 알 수 있다. 특히, 도 2c와 같이 유량이 설계 유량을 초과하는 경우에 유동 박리 현상이 더욱 크게 나타남을 알 수 있다.

도 3a는 유체의 유동 입사각이 적을 때의 디퓨져 베인(21) 주변의 유선을 개략적으로 도시한 것이며, 도 3b는 디퓨져 베인(21)의 흡입면에서 유동 박리 현상이 발생할 때의 유선을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3a에 도시된 바와 같이 유동 입사각이 작은 때는 디퓨져 베인(21)의 주변에서 유동 박리 현상이 일어나지 않으나, 도 3b에서와 같이 유체의 유동 입사각이 증가함에 따라서 디퓨져 베인(21)의 흡입면에서 트레일링 에지(trailing edge) 측으로부터 유동 박리(flow separation)(FS) 현상이 발생하게 됨을 알 수 있다.

이러한 유동 박리 현상은 전압력의 손실을 증가시키고, 압축기의 효율 감소키는 등 압축기의 성능의 저하를 야기하는 문제가 있다.

본 발명의 일 측면은 원심 압축기의 운용 과정에서 유량이 변화되더라도, 원심 압축기의 디퓨져 베인 주변에서의 유동 박리 현상을 감소시킴으로써 압축의 효율의 저하를 효과적으로 억제할 수 있는 원심 압축기를 제공함을 일부 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기는, 임펠러와 임펠러의 둘레에 배치되는 복수의 디퓨져 베인을 구비하며, 상기 디퓨져 베인은 유체의 유동 방향으로 연장되게 형성되는 본체부와, 상기 본체부의 선단부로부터 이격되게 형성되어 상기 본체부와의 사이에 슬릿을 형성하는 보조부를 구비하며, 상기 디퓨져 베인의 압력면으로 입사되는 유체의 일부는 상기 슬릿을 통하여 상기 디퓨져 베인의 흡입면으로 유출되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 슬릿은 상기 디퓨져 베인의 압력면에 형성되는 유입구와 상기 디퓨져 베인의 흡입면에 형성되는 유출구를 구비하며, 상기 슬릿의 유출구는 상기 슬릿의 유입구에 비해서 상기 디퓨져 베인의 하류측 단부 방향으로 후퇴되게 위치될 수 있다.

또한 상기 슬릿은 상기 유출구가 유입구에 비해서 작게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기에 의하면, 압축기의 운용 과정에서 유량이 변화되더라도, 디퓨져 베인 주변에서의 유동 박리 현상을 억제함으로써 압축기의 효율 저하를 효과적으로 감소시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 원심 압축기의 임펠러와 디퓨져를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 원심 압축기 내의 유량에 따른 마하 수의 분포를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3a는 유체의 유동 입사각이 작을 때의 디퓨져 베인 주변의 유선을 개략적으로 도시한 것이며, 도 3b는 유체의 유동 입사각이 클 때의 디퓨져 베인 주변의 유선을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기의 임펠러와 디퓨져를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 5는 도 5의 원심 압축기의 디퓨져 베인을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 디퓨져 베인의 VI-VI선을 따라 취한 단면도이다.
도 7은 도 6의 디퓨져 베인의 주변에서의 공기의 흐름을 개략적으로 도시한 도면이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기에 대해서 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기의 임펠러(10)와 디퓨져를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면 본 실시예의 원심 압축기(2)도 임펠러(10)와, 디퓨져(20)를 구비한다.

임펠러(10)는 쉬라우드(미도시)의 내부에서 회전 가능하게 배치되며, 복수의 날개(11)를 가져 회전함에 따라서 유입된 유체를 원심 방향으로 가속한다.

디퓨져(20)는 임펠러(10)와 함께 쉬라우드의 내부에 배치되며, 임펠러(10)의 둘레에 고정적으로 배치된다. 임펠러(10)는 원심 가속된 유체를 감속시키면서 압력을 증가시키는 역할을 한다. 디퓨져(20)는 임펠러(10)의 둘레를 일주하도록 배치되는 플레이트와, 그 플레이트 상에 배치되며 임펠러(10)의 회전 방향으로 따라서 배열되는 복수의 디퓨져 베인(210)을 구비한다. 본 실시예의 원심 압축기(2)의 디퓨져 베인(210)은 도 4에 확대하여 도시된 바와 같이, 본체부(212)와, 보조부(214)를 구비한다. 또한 플레이트 및 디퓨져 베인은 일체로 제작될 수 있다.

본체부(212)는 상류측에서 하류측으로 연장되게 형성되며, 임펠러(10)를 바라보는 측의 압력면(210A)과 압력면(210A)의 반대편에 배치되는 흡입면(210B)을 구비한다. 흡입면(210B)은 압력면(210A)에 비해서 면적이 넓은 곡면으로 이루어진다.

보조부(214)는 본체부(212)의 상류측 전단(leading edge)에 배치되며, 본체부(212)로부터 이격되게 배치된다. 이와 같이 보조부(214)가 본체부(212)에 이격되게 배치되므로 보조부(214)와 본체부(212) 사이에는 슬릿(213)이 형성되므로, 보조부(214)와 본체부(212) 사이로 유입된 유체는 슬릿(213)을 통하여 디퓨져 베인(210)의 상류측 전단의 압력면(210A)에서 디퓨져 베인(210)의 흡입면(210B)으로 유동할 수 있다.

도 5는 디퓨져 베인(210)만을 도시한 개략적인 사시도이며, 도 6은 도 5의 디퓨져 베인(210)의 VI-VI선을 따라 취한 개략적인 단면도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 보조부(214)와 본체부(212) 사이에 형성된 슬릿(213)은 디퓨져 베인(210)의 압력면(210A) 측의 유입구(213A)가 디퓨져 베인(210)의 흡입면(210B) 측의 유출구(213B)에 비해서 넓게 형성되어 있다. 따라서 디퓨져 베인(210)의 압력면(210A) 측의 슬릿(213) 유입구(213A)로 유입된 유체는 디퓨져 베인(210)의 흡입면(210B) 측의 슬릿(213) 유출구(213B)로 유동되면서 가속된다. 이처럼 유체는 슬릿(213)을 통과하면서 가속되므로, 슬릿(213)을 통과한 유체와 디퓨져 베인(210)의 흡입면(210B)을 따라 유동하던 유체 간의 속도 차가 효과적으로 감소될 수 있다.

또한 슬릿(213)은 유체가 용이하게 유입될 수 있도록 디퓨져 베인(210)의 길이 방향에 대해서 예각을 이루는 각도로 형성된다. 즉 슬릿(213)의 유출구(213B)는 유입구(213A)에 비해서 디퓨져 베인(210)의 하류측 단부(트레일링 에지) 방향으로 후퇴되게 위치된다. 따라서 슬릿(213)의 유입구(213A)로 유입된 유체는 슬릿(213)의 유출구(213B)를 통과한 후, 디퓨져 베인(210)의 흡입면(210B)을 타고 디퓨져 베인(210)의 하류측 단부로 이동되도록 유도되므로, 디퓨져 베인(210)의 흡입면(210B)을 흐르던 유체와의 혼합이나 2차 유동의 발생이 효과적으로 억제될 수 있다.

도 6에서 디퓨져 베인(210)의 슬릿(213)의 주변을 부분적으로 확대하여 도시하는 바와 같이, 보조부(214)의 유입구(213A) 측의 폭은 유출구(213B)측의 폭(G)보다 크며, 보조부(214)는 본체부(212)의 익현선(LW)에 대하여 예각으로 경사지게 배치된다.

바람직하게는 보조부(214)의 상류측 단부에서 본체부(212)의 상류측 단부까지의 길이(W)는 디퓨져 베인(210)의 전체 길이(CM)에 대하여 5 내지 18 % 정도이며, 슬릿(213)의 유출구(213B) 측의 폭(G)은 디퓨져 베인(210) 전체 길에 대하여 1.5 내지 4 % 정도이며, 보조부(214)의 본체부(212) 압력면(210A)의 익현선(LW)에 대한 경사 각도(θ)는 대략 20 내지 70도 정도로 이루어질 수 있다. 또한 보조부(214)의 길이(CA)는 디퓨져 베인(210)의 길이(CM)의 약 5 내지 25 %인 것이 바람직하다.

보조부(214)의 길이(CA), 슬릿(213)의 형상 및 보조부(214)의 경사 각도가 상기의 범위 내에 있을 경우에 유체가 효과적으로 슬릿(213)으로 유입될 수 있다. 만일 보조부(214)의 길이(CA), 슬릿(213)의 형상 및 보조부(214)의 경사 각도가 상기의 범위를 벗어나는 경우에는 유체가 원활하게 슬릿(213)로 유입되기 어려움은 물론, 슬릿(213)을 통과한 유체가 흡입면(210B)으로 유출되는 과정에서 유동 박리를 심화시킬 수 있으며, 주변 유체와 혼합되면서 2차 유동 등이 발생하여 그로 인한 유체 에너지의 손실이 발생할 수도 있다.

또한 슬릿(213)의 유입구(213A) 측이 유출구(213B)에 비해서 크게 형성되므로 슬릿(213)으로 유입된 유체는 가속되어 유출구(213B)로 유출됨은 앞서 설명한 바와 같다. 따라서 슬릿(213)을 통과하는 유체와 디퓨져 베인(210)의 흡입면(210B)을 유동하는 유체 간의 유속 차가 감소하여 원활한 유체의 흐름이 형성될 수 있다.

또한, 디퓨져 베인(210)의 보조부(214)는 디퓨져 베인(210) 본체부(212)의 압력면(210A)의 익현선(LW)을 부분적으로 넘거나 익현선(LW)에 미치지 않도록 형성될 수도 있다. 바람직하게는 보조부(214)의 본체부(212)의 압력면(210A)에 대한 깊이(D)는 본체부(212)의 길이에 대하여 대략 -3% 내지 5% 정도로 이루어지는 것이 바람직하다. 이때 보조부(214)의 본체부(212) 압력면(210A)에 대한 깊이는 도 6에 도시된 바와 같이 보조부(214)가 본체부(212) 압력면(210A)의 익현선(LW)을 넘을 때를 음의 방향으로 한다. 상기와 보조부(214)의 본체부(212)의 익현선(LW)에 대한 깊이(D)가 상기의 범위를 벗어나는 경우에는 디퓨져 베인(210)의 상류측 선단부(리딩 에지)에서 유체의 흐름을 저해하여 오히려 유동 박리 현상이 증가될 수도 있다.

한편, 보조부(214)의 일부가 본체부(212)의 압력면(210A)의 익현선(LW)을 넘도록 배치되는 경우, 슬릿(213)의 입구부를 도 6에 표시된 음의 방향으로 기울여줄 수 있으므로 유체의 유동 입사각이 커지는 경우에도 유체가 효과적으로 슬릿(213)으로 유입될 수 있도록 할 수 있다.

도 7은 본 실시예의 디퓨져 베인(210)의 주변으로 유체가 흐르는 것을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 실시예의 디퓨져 베인(210)의 경우에는 디퓨져 베인(210)의 상류측 단부로 접근하는 유체의 유동 입사각이 큰 경우에도 디퓨져 베인(210)의 흡입면(210B)에서 유동 박리 현상이 발생하지 않음을 알 수 있다. 이는 슬릿(213)을 통하여 유체가 디퓨져 베인(210)의 압력면(210A)에서 흡입면(210B)으로 유동되면서 디퓨져 베인(210)의 흡입면(210B)에 보충되기 때문이다.

이와 같이 본 실시예의 디퓨져 베인(210)은 유동 입사각이 커지는 경우에도 효과적으로 디퓨져 베인(210)의 흡입면(210B)에서의 유동 박리 현상을 억제할 수 있다. 따라서 원심 압축기(2)의 유량이 증가함에 따라 디퓨져 베인(210)으로의 유동 입사각이 증가하더라도, 디퓨져 베인(210)에서의 유동 박리 현상이 억제되어 압축기(2)의 효율의 저하를 효과적으로 억제할 수 있다. 즉 본 실시예의 원심 압축기(2)는 도 1의 디퓨져 베인(210)을 구비하는 원심 압축기(2)에 비해서 고효율이 유지되는 유량의 범위가 넓게 이루어질 수 있다.

특히, 보조부(214)의 유입구(213A) 측의 폭은 디퓨져 베인(210)의 전체 길이에 대하여 5 내지 18 % 정도로 하고, 보조부(214)의 유출구(213B)의 폭을 디퓨져 베인(210) 전체 길에 대하여 1.5 내지 4 % 정도로 하며, 보조부(214)의 본체부(212) 압력면(210A)의 익현선에 대한 경사각도는 대략 20 내지 70도 정도로 형성하고, 보조부(214)의 본체부(212)의 압력면(210A)에 대한 깊이를 본체부(212)의 길이에 대하여 대략 -3% 내지 5% 정도로 하고, 보조부(214)의 길이(CA)를 디퓨져 베인(210)의 길이(CM)의 약 5 내지 25 %로 설계할 경우에는 유동 입사각의 증가에 따른 유동 박리 현상을 억제할 수 있음은 물론, 불규칙한 와류나 2차 유동을 효과적으로 억제할 수 있으므로 원심 압축기(2)에서의 손실을 효과적으로 억제할 수 있다.

이상 본 발명의 일부 실시예에 따른 원심 압축기(2)에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다양한 형태로 구체화될 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

1,2 ... 원심 압축기
10 ... 임펠러
20 ... 디퓨져
21, 210 ...디퓨져 베인
212 ... 본체부
214 ... 보조부
213 ... 슬릿

Claims (3)

1. 임펠러와, 상기 임펠러의 둘레에 배치되는 복수의 디퓨져 베인을 구비하는 원심 압축기에 있어서,
   상기 디퓨져 베인은,
   유체의 유동 방향으로 연장되게 형성되는 본체부와,
   상기 본체부의 선단부로부터 이격되게 형성되어, 상기 본체부와의 사이에 슬릿을 형성하는 보조부를 구비하며,
   상기 디퓨져 베인의 압력면으로 입사되는 유체의 일부는 상기 슬릿을 통하여, 상기 디퓨져 베인의 흡입면으로 유출되며,
   상기 슬릿은,
   상기 디퓨져 베인의 압력면에 형성되는 유입구와,
   상기 디퓨져 베인의 흡입면에 형성되며 상기 유입구보다 작게 형성된 유출구를 구비하며,
   상기 슬릿이 상기 디퓨져 베인의 길이 방향에 대해서 예각을 이루는 각도로 형성되도록, 상기 슬릿의 유출구는 상기 슬릿의 유입구에 비해서 상기 디퓨져 베인의 하류측 단부 방향으로 후퇴되게 위치하는 원심 압축기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 보조부는 상기 본체부의 압력면의 익현선에 대하여 예각으로 경사지게 배치되는 원심 압축기.
3. 삭제

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