KR20220087633A - 원심식 터보 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체가 흡입되는 유입구와, 유체가 상기 유입구로부터 유입되어 압축된 후, 토출되는 토출구를 형성한 하우징과, 상기 하우징의 내부 중심에 로터 및 회전축이 배치되고, 상기 로터의 외주에는 스테이터가 이격 구성되며, 상기 스테이터의 전자유도작용에 의해 상기 로터 및 회전축이 회전하는 구동유닛과, 상기 하우징의 내부 중 상기 회전축의 일측단이 돌출된 전방측에 형성된 압축부, 및 상기 하우징의 압축부에 수용되면서 상기 회전축에 결합되어, 상기 회전축의 회전에 의해 회전하여 유입구를 통해 유입된 유체를 압축하는 임펠러를 포함하고, 상기 하우징 유입구를 통해 유입된 유체로, 상기 하우징 내부가 공냉이 이루어지도록 하여, 상기 하우징의 따라 유동하는 냉각수로 수냉이 이루어지면서, 상기 하우징의 후방을 통해 스테이터를 따라 압축부로 유동하는 유체로 공냉이 이루어져, 압축기 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 원심식 터보 압축기를 제공한다.

Description

원심식 터보 압축기{Centrifugal turbo compressor}

본 발명은 원심식 터보 압축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유체를 압축하는 임펠러를 복동식 형태로 구성함에 따라 상기 임펠러를 회전시키는 회전축에 작용하는 축력이 어느 한 방향으로 크게 작용하는 것이 개선되고, 임펠러의 크기를 줄임과 동시에 축방향 하중을 줄여 베어링에 걸리는 하중을 저감시킴으로 해서 압축기에서 발생하는 진동을 저감시킬 수 있으며, 상기 하우징의 후방을 통해 스테이터를 따라 압축부로 유동하는 유체로 공냉이 이루어져, 압축기 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 원심식 터보 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 원심식 터보 압축기(1)란, 임펠러(2)의 회전을 이용하여 외부로부터 유체를 흡입 및 압축한 후, 압축된 공기를 외부로 토출하는 장치로, 스테이터(3) 및 상기 스테이터(3) 내측에서 회전하는 회전축(4)의 회전을 통해 임펠러(2)를 회전시키고, 이를 통해 공기를 흡입, 압축 및 토출하게 된다.

원심식 터보 압축기(1)가 고속으로 구동시에 내부에 스테이터, 로터, 베어링 등 내부 부품은 높은 온도로 발열되어 열변형이 발생되는데 특히 초기 구동시 로터를 지탱하는 베어링과 같은 경우 냉각수단으로 공기 순환 형상을 적용하고자 하는 경우 다소 어려움이 많기에 열변형이 발생되게 된다.

또한, 종래의 편측 단동식 임펠러 구조는 편측 압축에 의한 흡입구 역방향으로 많은 축력이 발생하고 이를 지지하는 베어링의 마모로 인한 내구 저하를 유발시킨다.

종래의 기술로는 등록특허 제10-0853658호(2008.08.18)를 참조할 수 있다.

본 발명은 하우징의 따라 유동하는 냉각수로 수냉이 이루어지면서, 상기 하우징의 후방을 통해 스테이터를 따라 압축부로 유동하는 유체로 공냉이 이루어져, 압축기 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 원심식 터보 압축기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 원심식 터보 압축기는 유체가 흡입되는 유입구와, 유체가 상기 유입구로부터 유입되어 압축된 후, 토출되는 토출구를 형성한 하우징과, 상기 하우징의 내부 중심에 로터 및 회전축이 배치되고, 상기 로터의 외주에는 스테이터가 이격 구성되며, 상기 스테이터의 전자유도작용에 의해 상기 로터 및 회전축이 회전하는 구동유닛과, 상기 하우징의 내부 중 상기 회전축의 일측단이 돌출된 전방측에 형성된 압축부, 및 상기 하우징의 압축부에 수용되면서 상기 회전축에 결합되어, 상기 회전축의 회전에 의해 회전하여 유입구를 통해 유입된 유체를 압축하는 임펠러를 포함하고, 상기 하우징 유입구를 통해 유입된 유체로, 상기 하우징 내부가 공냉이 이루어진다.

이때 본 발명에 따른 상기 임펠러는 상기 회전축과 결합하는 플레이트를 기준으로, 상기 플레이트의 일면에만 날개들을 형성한 단동식 임펠러인 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 상기 유입구는 상기 하우징의 후방측에 제2유입구로 형성하는 것이 바람직하다.

여기서 본 발명에 따른 상기 하우징 후방측의 제2유입구를 통해 유입된 유체는 상기 압축부로 유동하면서, 상기 하우징 내부에 구비된 스테이터를 공냉 시키는 것이 바람직하다.

이때 본 발명에 따른 상기 스테이터에는 상기 제2유입구를 통해 유입된 유체가 유동하는 제1유로를 형성한다.

그리고 본 발명에 따른 상기 하우징에는 수냉이 이루어지도록 냉각수가 유동하는 제2유로를 형성할 수 있다.

더불어 본 발명에 따른 상기 임펠러는 상기 회전축과 결합하는 플레이트를 기준으로, 상기 플레이트의 일면에 형성된 날개들과, 상기 플레이트의 타면에 형성된 날개들과 서로 대칭을 이루도록 형성한 복동식 임펠러로 구성할 수도 있다.

이때 본 발명에 따른 상기 유입구는 한 쌍으로 상기 하우징의 전방측에 제1유입구를 형성하고, 상기 하우징의 후방측에 제2유입구를 형성하는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 상기 하우징 후방측의 제2유입구를 통해 유입된 유체는 상기 압축부로 유동하면서, 상기 하우징 내부에 구비된 스테이터를 공냉 시키는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 상기 스테이터에는 상기 제2유입구를 통해 유입된 유체가 유동하는 제1유로를 형성한다.

본 발명에 따른 원심식 터보 압축기에 의해 나타나는 효과는 다음과 같다.

하우징의 외면을 따라 유동하는 냉각수로 수냉이 이루어지면서, 상기 하우징의 후방을 통해 스테이터를 따라 압축부로 유동하는 유체로 공냉이 이루어져, 압축기 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.

또한, 임펠러의 날개가 플레이트를 기준으로 일면과 대향진 타면에 형성하되, 대칭을 이루도록 복동식 형태로 구성함에 따라 상기 임펠러를 회전시키는 회전축에 작용하는 축력이 어느 한 방향으로 크게 작용하는 것이 개선되는 효과를 가진다.

그리고 상기 임펠러의 압축이 임펠러의 전방과 후방, 두 방향에서 이루어지기 때문에 원하는 성능을 내기 위한 임펠러의 크기를 줄일 수 있어 터보 압축기의 외경 사이즈를 축소 시킬 수 있는 효과를 가진다.

더불어 상기 임펠러의 크기를 줄임과 동시에 축방향 하중을 줄여 베어링에 걸리는 하중을 저감시킴으로 해서 압축기에서 발생하는 진동을 저감시킬 수 있고, 베어링의 내구성이 향상되는 효과를 가진다.

도 1은 종래의 원심식 터보 압축기의 구성을 보인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 원심식 터보 압축기를 보인 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복동식 임펠러를 구비한 원심식 터보 압축기의 구성을 보인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단동식 임펠러를 구비한 원심식 터보 압축기의 구성을 보인 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 임펠러의 날개가 플레이트를 기준으로 일면과 대향진 타면에 형성하되, 대칭을 이루도록 복동식 형태로 구성함에 따라 상기 임펠러를 회전시키는 회전축에 작용하는 축력이 어느 한 방향으로 크게 작용하는 것이 개선되고, 상기 임펠러의 압축이 임펠러의 전방과 후방, 두 방향에서 이루어지기 때문에 원하는 성능을 내기 위한 임펠러의 크기를 줄일 수 있으며, 상기 임펠러의 크기를 줄임과 동시에 축방향 하중을 줄여 베어링에 걸리는 하중을 저감시킴으로 해서 압축기에서 발생하는 진동을 저감시킬 수 있고, 베어링의 내구성이 향상되고, 하우징의 외면을 따라 유동하는 냉각수로 수냉이 이루어지고, 상기 하우징의 후방을 통해 스테이터를 따라 압축부로 유동하는 유체로 공냉이 이루어져, 압축기 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 원심식 터보 압축기에 관한 것으로, 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

도 2 및 도 3을 참조한 본 발명의 일 실시 예에 따른 원심식 터보 압축기(100)는 하우징(110), 구동유닛(200), 임펠러(300)를 포함한다.

상기 하우징(110)은 원통의 형상으로 유체가 흡입되는 유입구(111, 112)와, 유체가 상기 유입구(111, 112)로부터 유입된 유체가 압축된 후에 토출되는 토출구(113)를 형성한다.

이때 상기 유입구(111, 112)는 한 쌍으로 상기 하우징(110)의 전방측에 형성되는 제1유입구(111)와, 상기 하우징(110)의 후방측에 형성되는 제2유입구(112)를 포함하고 상기 유체는 공기를 유입하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 하우징(110)의 내부 중 회전축(211)의 일측단이 돌출된 전방측에 압축부(114)를 형성하는데, 상기 압축부(114)에는 복동식 임펠러(300)를 구비한다.

따라서 상기 압축부(114)는 상기 하우징(110)의 전방측에 형성된 제1유입구(111)와 인접하게 되고, 상기 하우징(110)의 전방측에 형성된 제1유입구(111)와, 상기 하우징(110)의 후방측에 형성된 제2유입구(112)를 통해 유입되는 유체가 압축부(114)로 유동하여, 상기 압축부(114)에 구비된 임펠러(300)의 회전으로 유체의 압축이 이루어져, 상기 하우징(110)의 토출구(113)를 통해 토출된다.

또한, 상기 하우징(110)에는 외부로부터 유입된 냉각수가 유동하는 제2유로(115)를 형성하여, 상기 하우징(110)에 형성된 제2유로(115)를 따라 유동하는 냉각수에 의해 수냉이 이루어지는데, 여기서 상기 제2유로(115)는 상기 하우징(110)의 벽체 내부에 형성되어, 상기 제2유로(115)를 따라 냉각수가 유동하면서, 상기 하우징(110) 내부의 냉각이 이루어지도록 한다.

그리고 상기 하우징(110)은 내부에는 회전력을 발생시키는 구동유닛(200)을 구비하는데, 상기 구동유닛(200)은 상기 하우징(110)의 내부에 설치되며, 유체의 압축을 위한 동력을 발생하기 위해 로터(210)와 스테이터(220)를 구비한다.

이때 상기 로터(210)는 회전축(211)을 포함하며, 상기 로터(210)를 기준으로 외주변에는 스테이터(220)가 구성되며, 상기 스테이터(220)의 전자유도작용에 의해 상기 로터(210) 및 회전축(211)이 회전하게 되고,

상기 회전축(211)의 전방측과 후방측 각각에는 전방베어링(도시하지 않음) 및 후방베어링(도시하지 않음)으로 지지되어, 상기 회전축(211)의 고속 회전에 의하여 발생되는 마찰력을 감소시킨다.

여기서, 상기 각 베어링은 레이디얼 베어링(radial bearing), 스러스트 베어링(thrust bearing), 테이퍼 베어링(taper bearing) 중 어느 하나일 수 있으며, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.

상기 하우징(110)의 내부에 수용되는 상기 로터(210)와 스테이터(220)는 일반적인 전동모터의 구성과 같이 상기 스테이터(220)가 상기 하우징(110)의 내측면을 따라 장착되고, 상기 로터(210)는 상기 스테이터(220)의 내부에 회전 가능하게 이격되어 배치된다.

따라서 상기 회전축(211)은 상기 로터(210)의 내부에 상기 로터(210)와 함께 회전 가능하게 장착되어, 외부에서 공급되는 전원에 의해 상기 스테이터(220)에서 전자기장이 발생하게 되면, 전자유도작용에 의해 상기 스테이터(220)의 내부에 장착된 상기 로터(210) 및 회전축(211)이 회전운동하고, 상기 로터(210)가 회전함에 따라 회전력이 발생한다.

여기서 상기 회전축(211) 중 일측은 상기 하우징(110)의 압축부(114)로 돌출되고, 상기 압축부(114)로 돌출된 회전축(211)의 일측에는 임펠러(300)가 결합된다.

그러므로 상기 로터(210)가 회전함에 따라 발생한 회전력이 상기 회전축(211)을 통해 상기 임펠러(300)로 전달되고, 상기 임펠러(300)는 그 회전력으로 회전하여, 상기 하우징(110)의 전방측에 형성된 제1유입구(111)와, 상기 하우징(110)의 후방측에 형성된 제2유입구(112)를 통해 상기 압축부(114)로 유입되는 유체를 압축하여 상기 토출구(113)로 토출되도록 한다.

이때 상기 임펠러(300)는 상기 회전축(211)과 결합하는 플레이트를 기준으로, 상기 플레이트의 일면에 형성된 날개들과, 상기 플레이트의 타면에 형성된 날개들과 서로 대칭을 이루도록 형성한 복동식 임펠러로 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 하우징(110) 후방측의 제2유입구(112)를 통해 유입된 유체는 상기 압축부(114)로 유동하면서, 상기 하우징(110) 내부에 구비된 스테이터(220)를 공냉 시킨다.

이때 상기 하우징(110) 후방측의 제2유입구(112)를 통해 유입된 유체는 상기 제2유입구(112)를 통해 스테이터(220)를 거쳐 상기 압축부(114)로 이어지는 유로를 따라 유동하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 상기 스테이터(220)에 상기 제2유입구(112)를 통해 유입된 유체가 유동하는 제1유로(221)를 형성하는 것이 바람직하다.

따라서 상기 제1유로(221)는 상기 제2유입구(112)로 유입된 유체가 상기 제2유입구(112)에서 회전축(211)의 후방측을 지지하는 후방베어링으로, 상기 후방베어링에서 스테이터(220)로, 상기 스테이터(220)에서 회전축의 전방측을 지지하는 전방베어링으로, 전방베어링에서 임펠러(300)로 유동하는 경로를 이루어, 상기 제2유입구(112)로 유입된 유체는 상기 하우징의 내부 구성요소를 공냉 시키면서 상기 임펠러(300)가 구비된 압축부(114)로 유동하게 된다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 원심식 터보 압축기는 상기 임펠러(300)를 상기 회전축(211)과 결합하는 플레이트를 기준으로, 상기 플레이트의 일면에만 날개들을 형성한 단동식 임펠러로 구성할 수도 있는데, 상기 단동식 임펠러 역시, 상기 압축부(114)로 돌출된 회전축(211)의 일측에 결합되고, 상기 로터(210)가 회전함에 따라 발생한 회전력이 상기 회전축(211)을 통해 상기 임펠러(300)로 전달되고, 상기 임펠러(300)는 그 회전력으로 회전하여, 상기 하우징(110)의 전방측에 형성된 제1유입구(111)와, 상기 하우징(110)의 후방측에 형성된 제2유입구(112)를 통해 상기 압축부(114)로 유입되는 유체를 압축하여 상기 토출구(113)로 토출되도록 한다.

이때 상기 하우징(110) 후방측의 제2유입구(112)를 통해 유입된 유체는 상기 압축부(114)로 유동하면서, 상기 하우징(110) 내부에 구비된 스테이터(220)를 공냉 시킨다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 원심식 터보 압축기는 상기한 구성으로, 임펠러의 날개가 플레이트를 기준으로 일면과 대향진 타면에 형성하되, 대칭을 이루도록 복동식 형태로 구성함에 따라 상기 임펠러를 회전시키는 회전축에 작용하는 축력이 어느 한 방향으로 크게 작용하는 것이 개선된다.

임펠러의 압축이 임펠러의 전방과 후방, 두 방향에서 이루어지기 때문에 원하는 성능을 내기 위한 임펠러의 크기를 줄일 수 있어 터보 압축기의 외경 사이즈를 축소 시킬 수 있다.

임펠러의 크기를 줄임과 동시에 축방향 하중을 줄여 베어링에 걸리는 하중을 저감시킴으로 해서 압축기에서 발생하는 진동을 저감시킬 수 있고, 베어링의 내구성이 향상된다.

하우징의 외면을 따라 유동하는 냉각수로 수냉이 이루어지고, 상기 하우징의 후방을 통해 스테이터를 따라 압축부로 유동하는 유체로 공냉이 이루어져, 압축기 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.

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

100: 원심식 터보 압축기
110: 하우징
111: 제1유입구
112: 제2유입구
113: 토출구
114: 압축부
115: 제2유로
200: 구동유닛
210: 로터
211: 회전축
220: 스테이터
221: 제1유로
300: 임펠러

Claims (11)

1. 유체가 흡입되는 유입구와, 유체가 상기 유입구로부터 유입되어 압축된 후, 토출되는 토출구를 형성한 하우징;
   상기 하우징의 내부 중심에 로터 및 회전축이 배치되고, 상기 로터의 외주에는 스테이터가 이격 구성되며, 상기 스테이터의 전자유도작용에 의해 상기 로터 및 회전축이 회전하는 구동유닛;
   상기 하우징의 내부 중 상기 회전축의 일측단이 돌출된 전방측에 형성된 압축부; 및
   상기 하우징의 압축부에 수용되면서 상기 회전축에 결합되어, 상기 회전축의 회전에 의해 회전하여 유입구를 통해 유입된 유체를 압축하는 임펠러;를 포함하고,
   상기 하우징 유입구를 통해 유입된 유체로, 상기 하우징 내부가 공냉이 이루어지는 것을 특징으로 하는 원심식 터보 압축기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 임펠러는
   상기 회전축과 결합하는 플레이트를 기준으로, 상기 플레이트의 일면에만 날개들을 형성한 단동식 임펠러인 것을 특징으로 하는 원심식 터보 압축기.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   유체를 유입하는 상기 유입구는
   상기 하우징의 후방측에 제2유입구로 형성한 원심식 터보 압축기.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 하우징 후방측의 제2유입구를 통해 유입된 유체는 상기 압축부로 유동하면서, 상기 하우징 내부를 공냉시키는 것을 특징으로 하는 원심식 터보 압축기.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 스테이터에는
   상기 제2유입구를 통해 유입된 유체가 유동하는 제1유로를 형성한 원심식 터보 압축기.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제1유로는
   상기 제2유입구로 유입된 유체가 상기 제2유입구에서 회전축의 후방측을 지지하는 후방베어링으로, 상기 후방베어링에서 스테이터로, 상기 스테이터에서 회전축의 전방측을 지지하는 전방베어링으로, 전방베어링에서 임펠러로 유동하는 경로를 이루는 원심식 터보 압축기.
   
7. 청구항 2에 있어서,
   상기 하우징에는
   수냉이 이루어지도록 냉각수가 유동하는 제2유로를 형성한 원심식 터보 압축기.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 임펠러는
   상기 회전축과 결합하는 플레이트를 기준으로, 상기 플레이트의 일면에 형성된 날개들과, 상기 플레이트의 타면에 형성된 날개들과 서로 대칭을 이루도록 형성한 복동식 임펠러인 것을 특징으로 하는 원심식 터보 압축기.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   유체를 유입하는 상기 유입구는
   한 쌍으로, 상기 하우징의 전방측에 제1유입구로 형성하고,
   상기 하우징의 후방측에 유체를 유입하는 제2유입구로 형성한 원심식 터보 압축기.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 하우징 후방측의 제2유입구를 통해 유입된 유체는 상기 압축부로 유동하면서, 상기 하우징 내부에 구비된 스테이터를 공냉시키는 것을 특징으로 하는 원심식 터보 압축기.
    
11. 청구항 9에 있어서,
    상기 스테이터에는
    상기 제2유입구를 통해 유입된 유체가 유동하는 제1유로를 형성한 원심식 터보 압축기.

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