KR20080079085A - 터보 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보 압축기에 관한 것으로, 상세하게는 유동 손실이 감소하여 효율이 향상되고, 조립 및 분해가 용이한 임펠러를 구비하고 있는 터보 압축기에 관한 것이다.

본 발명은 임펠러와 디퓨져를 포함하는 터보 압축기에 있어서, 상기 임펠러는 허브와, 상기 허브 일 측의 허브면에 배치되는 블레이드를 포함하고, 상기 허브의 최대 직경부로부터 상기 임펠러의 회전축까지의 거리가, 상기 블레이드의 각 단부 중 상기 임펠러의 회전축에서 최대로 이격되어 있는 일단부로부터 상기 임펠러의 회전축까지의 거리보다 길도록 형성되어 있는 터보 압축기를 개시한다.

압축기, 임펠러

Description

터보 압축기{Turbo compressor}

도 1은 종래의 터보 압축기의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 2는 도 1의 터보 압축기의 임펠러의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 관한 터보 압축기의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 4는 도 3의 터보 압축기의 임펠러의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 5a 내지 도 5c는 도 3의 터보 압축기의 각 구성 요소의 결합 관계를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 터보 압축기 112, 113: 압축실

117: 구동축 118, 119: 베어링 부재

121: 볼류트 케이싱 122: 볼류트

123: 디퓨져 124: 쉬라우드

130: 임펠러 131: 블레이드

132: 허브

본 발명은 터보 압축기에 관한 것으로, 상세하게는 유동 손실이 감소하여 효율이 향상되고, 조립 및 분해가 용이한 임펠러를 구비하고 있는 터보 압축기에 관한 것이다.

가스터빈엔진은 기존의 왕복동 엔진보다 가벼우면서도 훨씬 높은 파워를 낼 수 있고 대기 오염 물질의 배출량도 낮으므로 고출력 청정 엔진으로 각광을 받고 있다.

가스터빈엔진은 흡입공기를 압축하는 압축기, 압축기에서 압축된 공기와 연료가 혼합되어 연소가 일어나는 주연소기, 주연소기에서의 폭발로 고온 고압으로 급팽창된 제트가스에 의해 회전력을 얻어 상기 압축기를 구동시키고 배기 가스를 분출시키는 터빈을 구비한다. 압축기에 의해 압축된 공기는 연소실로 보내지고 연소실에서는 연료가 압축된 공기와 혼합돼 연소된다.

이때 연소된 제트가스의 에너지를 분사추진 에너지의 형태로 이용하는 것은 터보제트 엔진이며, 제트 대신에 이 에너지로 또 하나의 동력터빈을 돌려서 기계적 회전동력으로 사용하는 것이 터보축 엔진이고, 이 두 형태를 합해서 동력터빈으로 프로펠러를 돌리고, 가스의 잔여 에너지를 대기에 팽창시켜 일부 분사에너지를 얻는 것을 터보프롭 엔진이라고 한다.

이러한 가스터빈엔진에 있어서, 압축기의 역할은 제한된 체적의 연소실에서 가열되어 터빈을 통과하면서 팽창하게 될 공기에 최대한의 압력을 주는 것으로, 터빈에서 공급되는 기계적 에너지를 공기의 압력에너지로 전환시켜 공기의 위치에너 지를 높이는 것이다. 공기를 압축할 때 최소한의 온도상승으로 최대한의 압축을 얼마나 효율적으로 할 수 있는가 하는 것이 전체 엔진 성능을 결정하는 주요 인자가 되기 때문에 압축기는 가스터빈엔진에서 가장 중요한 구성요소 중의 하나이다.

일반적으로 압축기는 그 압축방식에 따라 회전식 압축기(rotary compressor), 왕복동식 압축기(reciprocating compressor), 스크롤 압축기(scroll compressor), 터보 압축기 등 여러 가지 종류가 있다.

그 중 터보 압축기는 회전차의 회전력을 이용하여 유체를 축 방향으로 흡입한 다음, 원심방향으로 토출시키면서 압축하는 장치로서, 상기 회전차 및 압축실의 개수에 따라 1단 내지는 다단식으로 구분된다.

터보 압축기는 공기 필터가 장착된 흡입부, 흡입된 공기를 가속시키는 임펠러 및 가속된 공기 흐름을 감속시켜 압력으로 전환시키는 디퓨저를 구비한다.

도 1은 종래의 터보 압축기의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 터보 압축기(1)는 흡입구(11)와, 흡입구(11)의 출구와 연통되는 제1 압축실(12)과, 제1 압축실(12)의 출구와 연통되는 제2 압축실(13)과, 제2 압축실(13)의 토출측에 연통되는 토출구(14)를 포함한다. 그리고, 본체의 내측 중앙에는 모터(15)가 설치될 수 있도록 모터실(16)이 배치되고, 모터(15)에 결합되어 회전가능하게 되는 구동축(17)의 양단에는 제1, 제2 베어링 부재(18)(19)와 제1, 제2 임펠러(30)(40)가 장착된다. 한편, 제1, 제2 임펠러(30)(40)의 외측에 인접설치된 볼류트 케이싱(21)의 내측에는 제1, 제2 임펠러(30)(40)와 소정 간격만큼 간격을 유지하도록 쉬라우드(24)가 조립되며, 디퓨 져(23) 및 볼류트(22)가 구비된다.

도 2는 도 1의 터보 압축기의 임펠러의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 임펠러(30)는 복수 매의 블레이드(31)와, 이들 블레이드(31)의 일 측에 배치되는 허브(32)를 포함하여 구성된다.

이와 같은, 종래의 터보 압축기의 임펠러(30)는, 임펠러(30)의 회전축(C)으로부터 허브(32)의 대경측 단부(32b)까지의 거리(R2)가 임펠러(30)의 회전축(C)으로부터 블레이드(31)의 후방 모서리 선단부(31d)까지의 거리(R1) 보다 작도록 형성된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 임펠러 및 이를 구비한 터보 압축기에는 다음과 같은 문제점이 존재하였다.

먼저, 종래의 터보 압축기의 경우 일반적으로 디퓨져 반경이 임펠러 반경보다 작으므로 임펠러를 분해하지 않고는 디퓨져를 분해할 수 없기 때문에, 조립 및 분해가 용이하지 않은 문제점이 있었다. 또한, 이와 같이 디퓨져 부분에만 고장이 발생할 경우에도 압축기 전체를 분해해야 하므로, 제품의 유지/보수 비용이 증가하고, 고객의 편의성이 저하되는 문제점이 존재하였다.

또한, 디퓨져를 임펠러 전방으로 분해할 수 있도록 베인을 쉬라우드에만 부착할 경우, 임펠러의 허브와 디퓨져 사이에 간극이 생기게 되고, 이로 인해 디퓨져 구간에서의 정압력 상승이 줄어들고 압력 손실이 증가하므로, 압축기의 효율 및 압축비가 감소하는 문제점이 존재하였다. 또한, 상기와 같은 이유로 발생한 임펠러의 허브와 디퓨져 사이의 간극에서 유동이 흘러 넘어오면서 와류가 발생하게 되고, 이 것이 다시 주 유동의 흐름에 장애물로 작용하여, 압력 손실이 증가하는 문제점이 존재하였다.

본 발명은 유동 손실이 감소하여 효율이 향상되고, 조립 및 분해가 용이한 임펠러 및 이를 구비한 터보 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 임펠러와 디퓨져를 포함하는 터보 압축기에 있어서, 상기 임펠러는 허브와, 상기 허브 일 측의 허브면에 배치되는 블레이드를 포함하고, 상기 허브의 최대 직경부로부터 상기 임펠러의 회전축까지의 거리가, 상기 블레이드의 각 단부 중 상기 임펠러의 회전축에서 최대로 이격되어 있는 일단부로부터 상기 임펠러의 회전축까지의 거리보다 길도록 형성되어 있는 터보 압축기를 개시한다.

이러한 구성을 구비함으로써, 터보 압축기의 유동 손실이 감소하여 효율이 향상되고, 조립 및 분해가 용이해지는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 허브의 최대 직경부는, 상기 디퓨져 방향으로 돌출 형성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 허브의 최대 직경부는, 상기 임펠러를 통과하여 상기 디퓨져로 유동하는 유체의 유로를 형성할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 임펠러의 최대 직경부의 직경은, 상기 디퓨져의 각 단부 중 상기 임펠러의 회전축에서 최소로 이격되어 있는 일단부로부터 상기 임펠러의 회전축까지의 거리보다 작도록 형성될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 관한 터보 압축기의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 관한 터보 압축기(100)는, 흡입구(111)와, 흡입구(111)의 출구와 연통되는 제1 압축실(112)과, 제1 압축실(112)의 출구와 연통되는 제2 압축실(113)과, 제2 압축실(113)의 토출측에 연통되는 토출구(114)가 압축기의 본체 내측에 각각 형성된다.

그리고, 본체의 내측 중앙에는 모터(115)가 설치될 수 있도록 모터실(116)이 형성되고, 제1, 제2 압축실(112)(113)은 제1, 제2 가스 유로(미도시)에 의해 연통된다. 그리고, 모터(115)에 결합되어 회전가능하게 되는 구동축(117)의 양단은 각각 제1, 제2 압축실(112)(113)에 삽입되어 그 단부에는 각각 제1, 제2 압축실(112)(113)에서 회전하면서 흡입되는 공기를 2단으로 압축하기 위한 제1, 제2 임펠러(130)(140)가 결합된다.

한편, 제1, 제2 임펠러(130)(140)의 외측에 인접설치된 볼류트 케이싱(121)의 내측에는 제1, 제2 임펠러(130)(140)와 소정 간격만큼 간격을 유지하도록 쉬라우드(124)가 조립되며, 디퓨져(123) 및 볼류트(122)가 구비된다. 여기서, 제1, 제2 임펠러(130)(140)는 흡입된 공기를 가속시키고, 디퓨져(123)는 가속된 공기 흐름을 감속시켜 압력으로 전환시키는 역할을 수행한다.

그리고, 구동축(117)의 양측에는 구동축(117)의 외주면에 일정공극을 두고 결합되어 반경 방향 및 축 방향을 지지하는 제1, 제2 베어링 부재(118)(119)가 장 착된다.

이와 같은 터보 압축기(100)의 작동을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 모터(115)에 전류가 인가되면 모터(115)가 작동함과 더불어 모터(115)의 구동력이 구동축(117)에 전달되어 구동축(117)이 회전하게 된다. 구동축(117)의 회전에 의해 구동축(117)의 양단부에 결합된 제1 임펠러(130)와 제2 임펠러(140)가 제1,2 압축실(112)(113) 내에서 각각 회전하게 된다. 제1 임펠러(130)와 제2 임펠러(140)의 회전력에 의해 공기가 흡입구(111)를 통해 제1 압축실(112)로 유입되어 1단 압축되고, 이 1단 압축된 공기는 가스 유로(미도시)를 통해 제2 압축실(113)로 유입되며, 그 제2 압축실(113)로 유입된 1단 압축된 공기는 제2 압축실(113)에서 2단 압축되어 토출구(114)를 통해 토출된다.

이와 같은 구조에서 공기가 압축되는 제1,2 압축실(112)(113) 및 그 압축실에서 회전하는 임펠러(130)(140)의 구조는 다음과 같다. 압축실(112)은 원뿔 형상 유사하게 형성된 것으로, 일 측에 흡입구(111)와 연통되어 흡입 가스를 유도하는 인듀서부(도 4의 131a 참조)와, 인듀서부(131a)와 연통되며 임펠러(130)가 삽입되어 흡입되는 가스의 운동에너지를 증가시켜주는 임펠러실(도 4의 112a 참조)과, 임펠러실(112a)에 이어 임펠러실(112a)과 가스 유로를 연통시킴과 더불어 증가된 가스의 운동에너지를 정압으로 변환시켜 가스 유로로 유도하는 디퓨져(123) 및 볼류트(122)로 형성되어 이루어지며, 임펠러실(112a)에 원뿔 형상 유사하게 형성된 임펠러(130)가 삽입되어 있다.

압축실(112)에서 공기가 압축되는 과정은, 먼저 임펠러(130)의 회전에 의해 흡입구(111)로 유입된 공기가 인듀서부(131a)를 통해 임펠러실(112a)로 유입되며, 그 임펠러실(112a)로 유입된 공기는 임펠러(130)의 회전력에 의해 운동에너지가 상승될 뿐만 아니라 정압도 상승하게 되고, 그 상태의 공기가 디퓨져(123)와 볼류트(122)를 지나면서 공기의 운동에너지가 정압으로 변환되면서 압력이 상승하여 토출된다.

여기서, 본 발명은 임펠러(130)의 허브(도 4의 132 참조)의 최대 직경부의 직경이 블레이드(도 4의 131 참조)의 최대 직경부의 직경보다 소정 정도 크게 형성되어, 유동 손실이 감소하여 효율이 향상되고, 조립 및 분해가 용이해지는 것을 일 특징으로 한다.

상기 내용을 본 발명의 일 실시예에 관한 임펠러(130)의 구조를 나타내는 단면도인 도 4를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 관한 임펠러(130)는 허브(132)와, 허브(132) 일 측의 허브면에 배치되는 복수 개의 블레이드(131)를 포함하여 구성된다.

블레이드(131)는 각각 허브(132)의 소경측 단부(132a), 즉 최소 직경부에 그 전방 모서리(131b)가 위치하는 동시에, 허브(132)의 대경측 단부(132b), 즉 최대 직경부에 그 후방 모서리(131c)가 위치하도록 허브(132)의 표면상에 설치되어 있다.

또한, 허브(132)는 임펠러(130)의 회전축(C)으로부터 허브(132)의 대경측 단부(132b) 즉 허브(132)의 최대 직경부까지의 거리(R2)가, 임펠러(130)의 회전축(C) 으로부터 블레이드(131)의 후방 모서리 선단부(131d) 즉 블레이드(131)의 최대 직경부까지의 거리(R1)와 실질적으로 동일하거나 또는 더 길도록 형성되어 있다.

종래의 임펠러의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 임펠러의 회전축으로부터 허브의 대경측 단부까지의 거리가 임펠러의 회전축으로부터 블레이드의 후방 모서리 선단부까지의 거리보다 작도록 형성된다. 따라서, 임펠러의 허브와 디퓨져 사이에 간극이 생기게 되고, 이로 인해 디퓨져 구간에서의 정압력 상승이 줄어들고 압력 손실이 증가하므로, 압축기의 효율 및 압축비가 감소하는 문제점이 존재하였다. 또한, 이와 같은 이유로 발생한 임펠러의 허브와 디퓨져 사이의 간극에서 유동이 흘러 넘어오면서 와류가 발생하게 되고, 이것이 다시 주 유동의 흐름에 장애물로 작용하여, 압력 손실이 증가하는 문제점이 존재하였다. 또한, 디퓨져 반경이 임펠러 반경보다 작으므로 임펠러를 분해하지 않고는 디퓨져를 분해할 수 없기 때문에, 조립 및 분해가 용이하지 않은 문제점이 있었다. 또한, 이와 같이 디퓨져 부분에만 고장이 발생할 경우에도 압축기 전체를 분해해야 하므로, 제품의 유지/보수 비용이 증가하고, 고객의 편의성이 저하되는 문제점이 존재하였다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 관한 임펠러(130)는, 임펠러(130)의 회전축(C)으로부터 허브(132)의 대경측 단부(132b)까지의 거리(R2)가 임펠러(130)의 회전축(C)으로부터 블레이드(131)의 후방 모서리 선단부(131d)까지의 거리(R1)와 실질적으로 동일하거나 또는 더 길도록 형성된다. 따라서, 허브(132)의 대경측 단부(132b)가 디퓨져(123) 방향으로 돌출되어 형성되고, 이로 인하여 허브(132)의 대경측 단부(132b)는 임펠러(130)를 통과하여 디퓨져(123)로 유동하는 유체의 유로의 일부를 형성하게 된다.

이와 같이, 임펠러(130)의 회전축(C)으로부터 허브(132)의 대경측 단부(132b)까지의 거리(R2)가 임펠러(130)의 회전축(C)으로부터 블레이드(131)의 후방 모서리 선단부(131d)까지의 거리(R1)와 실질적으로 동일하거나 또는 더 길도록 형성됨으로써, 임펠러의 허브면이 길게 연장 형성되어 유동하는 유체의 유로를 형성하여, 임펠러와 디퓨져 사이의 간극이 사라지고, 따라서 유동 손실이 감소되어 압축기의 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 압축기에서 디퓨져를 팁 간극 없이 제작할 수 있기 때문에, 제작이 간편해지고 압축기의 효율이 증가하는 효과를 얻을 수 있다.

도 5a 내지 도 5c는 도 3의 터보 압축기의 각 구성 요소의 결합 관계를 나타내는 도면이다.

도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 먼저 도 5a에 도시된 바와 같이 모터(115)에 결합되어 회전가능하게 되는 구동축(117)의 양단은 각각 압축실(112)(113)에 삽입되어, 그 단부에는 각각 압축실(112)(113)에서 회전하면서 흡입되는 공기를 2단으로 압축하기 위한 임펠러(130)(140)가 결합된다.

다음으로, 도 5b에 도시된 바와 같이 임펠러(130)의 외측에는 임펠러(130)의 대경측 단부(132b)와 인접하도록 디퓨져(123)가 설치된다. 여기서, 본 발명에 관한 터보 압축기(100)는 디퓨져(123)의 최소 직경부의 반경이 임펠러(130)의 최대 직경부의 반경보다 소정 정도 크도록 형성되는 것을 일 특징으로 한다. 따라서, 디퓨져(123)는 임펠러(130)의 장착 여부와 무관하게 조립 및 분해 가능하도록 구성된 다.

다음으로, 도 5c에 도시된 바와 같이 임펠러(130)의 외측에 인접설치된 볼류트 케이싱(121)의 내측에는 임펠러(130)와 소정 간격만큼 간격을 유지하도록 쉬라우드(124)가 조립된다.

이와 같은 구성에 의하여, 임펠러(130)와 디퓨져(123)의 분해 및 조립이 독립적이고 용이하게 수행되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 디퓨져의 베인을 임펠러 허브 및 쉬라우드 중 어느 쪽에 부착시키더라도, 임펠러가 조립된 상태에서 디퓨져만 분해하는 것이 가능해짐으로써, 제품의 유지/보수 비용이 감소하고, 고객의 편의성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 터보 압축기의 조립 및 분해가 용이해지고, 유동 손실이 감소하여 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (4)

1. 임펠러와 디퓨져를 포함하는 터보 압축기에 있어서,

   상기 임펠러는 허브와, 상기 허브 일 측의 허브면에 배치되는 블레이드를 포함하고,

   상기 허브의 최대 직경부로부터 상기 임펠러의 회전축까지의 거리가, 상기 블레이드의 각 단부 중 상기 임펠러의 회전축에서 최대로 이격되어 있는 일단부로부터 상기 임펠러의 회전축까지의 거리보다 길도록 형성되어 있는 터보 압축기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 허브의 최대 직경부는, 상기 디퓨져 방향으로 돌출 형성되어 있는 터보 압축기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 허브의 최대 직경부는, 상기 임펠러를 통과하여 상기 디퓨져로 유동하는 유체의 유로를 형성하고 있는 터보 압축기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 임펠러의 최대 직경부의 직경은, 상기 디퓨져의 각 단부 중 상기 임펠러의 회전축에서 최소로 이격되어 있는 일단부로부터 상기 임펠러의 회전축까지의 거리보다 작도록 형성되어 있는 터보 압축기.

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