KR950009062B1 - 파이프 디퓨저 및 콜렉터를 갖는 원심 압축기 - Google Patents

파이프 디퓨저 및 콜렉터를 갖는 원심 압축기

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Abstract

내용 없음.

Description

파이프 디퓨저 및 콜렉터를 갖는 원심 압축기
제1도는 본 발명을 이용한 원심 압축기의 부분 단면도.
제2도는 본 발명의 임펠러 부분의 부분 단면도.
제3도는 제2도의 선 3-3을 따라 취한 단면도.
제4도는 본 발명의 디퓨저 부분의 축방향 단면도.
제5도는 제4도의 선 5-5를따라 취한 단면도.
제6도는 제5도의 부분 확대도.
제7도는 본 발명의 콜렉터 부분의 단면도.
제8도는 제7도의 선 8-8을 따라 취한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
12 : 임펠러 13 : 디퓨저
14 : 콜렉터 16 : 저속 축
17 : 구동 기어 19 : 고속 축
21, 22 : 베어링 25 : 통로
26 : 래비린드 시일 31 : 흡입 하우징
32 : 링 조립체 38 : 모터 하우징
47 : 허브 52, 53 : 키이홈
59, 61 : 환형 플랜지 62 : 림
66 : 채널 79 : 공극부
본 발명은 냉매 압축기에 관한 것으로, 특히 높은 효율의 성능을 얻기 위해 독특한 디퓨저(diffuser)와 콜렉터와 조합체를 갖춘 원심 압축기에 관한 것이다.
수냉각식 급냉기를 사용하는 대용량 공기 조절 시스템에서는 대개 원심 압축기가 사용된다. 대체로 이러한 압축기에서는 열역학적 사이클 효율이 비교적 높은 CFC-11을 냉매로 선택한다.
상기의 통상적인 냉매를 사용하고 특정의 설비에서 요구되는 시스템 용량(즉, 수두비 또는 압력비와 유동요구량)이 정해지면 여러 부품들의 크기를 결정할 수 있다. 대부분의 경우에서 처럼 속도가 고정되는 것으로 가정하면 임펠러의 직경 및 폭을 특정의 요구되는 용량에 맞도록 선택한다. 물론, 임펠러는 냉매를 고속으로 가속시킨 후에 운동 에너지를 압력 에너지로 변환시키면서 냉매를 저속으로 감속시킬 필요가 있다. 이는 대개 디퓨저에서, 그리고 어느 정도까지는 디퓨저가 냉매를 배출하는 챔버에서 수행된다.
냉매로써 CFC-11을 사용하면, (운동 에너지의 거의 전부가 압력 에너지로 변환되는) 완전 확산은 이용 가능한 디퓨저 공간의 정구 제한치 내에서는 얻을 수 없는 것으로 알려져 있다. 즉, 이러한 디퓨저는 구동모터 및 기어 시스템에 비해 과도하게 커지게 되며 이러한 시스템을 실제로 적용하면 성능을 현저하게 떨어뜨리게 된다. 통상의 해결책은 소위 볼류트(volute)라고 불리는 나선형 케이싱 안에서 확산 공정을 완료시키는 것이다. 따라서, 볼류트는 확산 공정을 완료시키고 응축기로의 연속 유동을 위해 배출 증기를 수집하는 두가지의 작용을 한다. 단면적이 점차 증가하는 볼류트로 가용 공간의 사용을 위한 최적 설계를 마련할 수 있지만, 볼류트에서 약간의 확산 효율이 손실된다는 것을 알게 되었다.
전형적인 원심 압축기는 임펠러 직경의 약 2배인 외경을 갖는 볼류트를 갖는다. 따라서, 이러한 기하학적 형상하에서는 압축기의 확산량이 제한된다. 더 많은 확산을 얻기 위해서는, 볼류트의 직경이 더 커지도록 디퓨저의 외경이 커야 할 뿐 아니라 저속에서 주어진 체적의 유량이 통과할 수 있도록 볼류트의 단면적이 더커야 한다. 이러한 제한 조건들 때문에, 종래의 크기가 제한된 디퓨저/볼류트 조합체를 갖는 원심 압축기는 볼류트가 비대해지고 원주방향 디퓨저로서 작동하기 시작할 때 부분 부하 상태하에서 원주 방향 유동 외곡이 증가하게 된다. 이렇게 하여 생성된 원주 방향 압력과 이에 대응하는 유동 불균일성은 디퓨저의 상류에서 나타나며 심지어는 임펠러의 입구에서도 나타난다. 전체 압축기의 성능에 대한 이러한 불균일성의 영향으로 효율이 손실되며 부분 부하 상태하에서 안정된 작동 영역이 감소된다.
따라서, 본 발명의 목적은 개선된 원심 압축기 장치 및 그 제조방법을 마련하는 것이다.
상기 목적은 청구범위의 전체부에 따른 장치로서 그 특징부에 기재된 특징을 갖는 장치에 의해 얻을 수 있다.
요약해서, 본 발명의 일면에 따르면, 전형적인 축척 법칙을 사용할 때, 공기 역학적 부품들의 선형 크기는 모터 및 구동 장치가 공기 역학적 구조보다는 크기 결정 요소로 되는 범위까지 감소되며, 이렇게 감소된 선형 크기는 높은 효율을 제공하기 위하여 디퓨저 내의 운동 에너지를 압력 에너지로 완전히 변화시키는 설비를 가능하게 하도록 원심 압축기에는 비교적 높은 밀도의 냉매 가스(예를들어, HCFC-22)를 사용한다. 이 방법에서, 확산 공정의 효율은 기하학적 형상을 제한내에 유지하면서 최적 상태로 된다.
본 발명의 또다른 일면에 따르면, 디퓨저는 5 : 1의 면적비를 제공하여 냉매 가스를 거의 완전하게 확산시킬 수 있도록 선택된 전체 길이를 갖는 주연 방향으로 이격되고 대체로 반경 방향으로 연장되는 복수개의 사다리꼴 채널을 갖는 파이프 디퓨저를 포함한다.
본 발명의 또다른 일면에 따르면, 원심 압축기의 종래의 볼류트를 디퓨저로부터의 저속 가스를 수용하기 위한 주연 방향으로 대칭인 콜렉터로 대체한다. 디퓨저에서 일어나는 거의 완전한 확산으로 인해서, 불균일한 속도에 기인하여 콜렉터에서 일어나는 주연 방향 압력 외곡은 최소로 된다. 또한, 콜렉터의 단면적이 볼류트의 단면적에 비해서 비교적 크기 때문에 냉매 가스의 더욱 완전한 확산에 기인한 비교적 큰 유량이 제한받지 않고 수용될 수 있다. 이 방법에서, 거의 완전한 확산이 일어나는 채널 디퓨저 및 균일한 주연 주면을 갖는 비교적 큰 콜렉터가 조합체로서 효과적으로 사용되어 큰 안정된 작동 영역에 걸쳐 그리고 주어진 모든 기하학적 형상의 제한내에서 최적 효율을 얻을 수 있다.
첨부 도면에는 본 발명의 양호한 실시예를 도시하였으며, 본 발명의 기술 사상 및 영역을 벗어남이 없이 이들을 다양하게 변경 및 수정할 수도 있다.
제1도에는 냉매 증기를 고속으로 가속시키는 임펠러(12)와, 운동 에너지를 압력 에너지로 변환시키면서 냉매를 저속으로 감속시키는 디퓨저(13)과, 응측기로의 연속 유동을 위해 배출 증기를 수집하는 콜렉터(14)의 형태인 배출 공극부(plenum)를 갖는 원심 압축기(11)에 설치된 본 발명의 장치가 10으로 도시되어 있다. 임펠러(12)로의 동력은 (도시되지 않음) 전기 모터에 의해 제공되며, 상기 전기 모터는 압축기의 다른쪽 단부에 용접식으로 밀폐되고 구동 기어(17)과 피동 기어(18) 및 고속 축(19)에 차례로 구동식으로 연결되는 저속 축(16)을 회전시키도록 작동한다.
고속 축(19)는 그 양 단부 상에 있는 베어링(21, 22)에 의해 지지되며, 상기 베어링(22)은 축(19)의 반경방향 위치를 유지하는 저어널 베어링으로서 그리고 축방향 위치를 유지하는 트러스트 베어링으로서 작용한다.
임펠러(12)에 의해 발생한 공기 역학적 추력에 대한 반작용을 제공하기 위해서 임펠러 휠(12) 뒤쪽에 있는 저압 공동(20)에 의해 균형 피스톤이 마련된다. 공동 또는 균형 피스톤(20)의 압력을 도면 부호 23으로 도시된 압축기 흡입 영역의 압력과 동일한 낮은 압력 상태로 유지하기 위해서 임펠리(12)에 복수개의 통로(25)가 마련된다. 공동(24)의 압력이 특히 부분 부하 작동 상태에서 공동(20)의 압력 보다 높기 때문에 전동 장치로부터 균형 피스톤(20)으로의 오일 및 가스의 유동에 대해 베어링(22)와 임펠러(12) 사이의 영역을 밀봉하도록 래비린드 시일(26)이 마련된다. 이러한 개념은 래비린드 시일상에 고압을 작용시킴으로써 이를 가압하는 개념으로 공지되어 있는 것이다. 래비린드 시일을 가압하기 위한 고압 증기는 라인(27) 및 이에 합체된 통로(28)을 거쳐 도입된다.
압축기(11)에서 냉매의 유동이 일어나는 상기의 방법에서, 냉매는 흡입 하우징(31)의 입구(29)에 유입되어 블레이드 링 조립체(32) 및 안내 날개(33)을 통과한 후에, 임펠러(12)에 의해 내측에 그리고 시라우드(34)에 의해 외측에 형성된 압축영역으로 통하는 압축 흡입 영역(23)에 유입된다. 압축 후에, 냉매는 디퓨저(13), 콜렉터(14) 및 (도시되지 않은) 배출 라인으로 유동한다.
내부 부분으로서 콜렉터(14)를 갖는 압축기 기부(36)은 (도시되지 않은) 볼트 또는 이와 유사한 적합한 체결구에 의해 전동 장치 케이스(37) 및 모터 하우징(38)에 부착된다. 또한, 흡입 하우징(31)은 복수개의 볼트(39)에 의해 압축기 기부(36)에 부착된다. 그 다음에, 블레이드 링 조립체(32)는 볼트(45)에 의해 흡입 하우징(31)의 내측 단부(41)에 고정된다.
흡입 하우징(31)이 압축기 기부(36)에 설치되기 전에 디퓨저(13)이 도시된 것과 같이 복수개의 볼트(43)에 의해 압축기 기부(36)의 환형 면(42)에 부착된다. 그 다음에 시라우드(34)가 복수개의 볼트(44)에 의해 디퓨저 구조체에 고정된다. 그러면, 시라우드(35)의 흡입 단부(47)과 블레이드 링 조립체(32)의 하류측 사이에 작은 갭(46)이 남아있게 된다.
제2도 및 제3도에는 허브(47)과, 일체식으로 연결되어 반경 방향으로 연장되는 디스크(48) 및 복수개의 블레이드(49)를 포함하는 임펠러 휠(12)가 더욱 상세하게 도시되어 있다. 허브(47)에는 고속 축(19) 상에 임펠러 휠(12)를 구동식으로 설치하기 위한 허브 구멍(51) 및 키이홈(52, 53)이 형성되어 있다. 또한, 허브(47)에는 상술한 것처럼 균형 피스톤(20)에 적정 압력을 생성하기 위한 복수개의 통로(25)와, 제1도에 도시된 것처럼 노우즈 콘(56, nose cone)을 임펠러 휠에 고정시키기 위한 복수개의 테이퍼 구멍(54)가 형성되어 있다.
임펠러 허브(47)의 후면에는 상술한 균형 피스톤으로서 작용하도록 통로(25)에 의해 저압 영역과 연통하는 얕은 원통형 공동(20)이 있다. 또한, 키이홈(52)의 응력 해제를 위해서 그리고 임펠러(12)의 축방향 위치를 고정시키는 쐐기를 삽입하기 위해서 보어(51) 가까이에는 환형 공동(57)이 형성된다.
디퓨저(13)은 제4도 내지 제6도에 상세하게 도시되어 있다. 디퓨저는 단일 환형 주물로 형성되며, 본체 또는 링 부분(58)과 내측 환형 플랜지(59) 및 외측 환형 플랜지(61)을 포함한다. 내측 환형 플랜지(59)는 상술한 것처런 복수개의 볼트(44)에 의해 상기 플랜지에 부착되는 시라우드 구조체(34)를 지지하는 작용을 한다. 외측 환형 플랜지(61)은 제1도에 도시한 것처럼 콜렉터(14)의 내측 표면과 맞물리는 반경 방향 연장림(62)를 갖는다. 림(62)와 콜렉터(14)의 모서리 사이에서의 냉매의 누설을 방지하기 위한(도시되지 않은) 환형 시일을 포함하도록 림(62)의 단부에는 홈(63)이 형성된다.
디퓨저(13)의 링 부분(58)에는 제1도에 도시한 것처럼 디퓨저(13)을 콜렉터 구조체(14)에 고정시키는 볼트(43)을 수용하기 위한 복수개의 구멍(64)가 형성된다. 또한, 링 부분(58)에는 그 중심선(67)이 대개 접원으로 불리는 공통원(68)에 접하는 주연 방향으로 이격되고 반경 방향으로 연장되는 복수개의 테이퍼진 채널(66)이 기계 가공 등에 의해 형성된다.
제6도에 도시된 것처럼, 각각의 테이퍼 채널(66)은 69, 71 및 72에 도시된 것 처럼 축(67)에 대해 모두 동심인 3개의 연속적으로 연결된 섹션을 갖는다. 제1섹션(69)는 (일정한 직경을 갖는) 원통형이며, 양쪽 주연 측면상의 유사한 섹션들을 교차하는 방식으로 각을 이룬다. 제2섹션(71)은 축(67)과 일정한 각으로 외향으로 각을 이루는 벽(73)을 갖는 약간 확개된 축방향 프로필을 갖는다. 상기 각으로는 2도가 적합하다는 것을 알게 되었다. 제3섹션(72)는 중심선(67)과 각(α)로 각을 이루는 벽(74)를 갖는 약간 더 확개된 축방향 프로필을 갖는다. 상기 각으로는 4도가 적합하다는 것을 알게 되었다. 채널(66)의 외측 단부쪽으로 증가하는 영역을 갖는 상기의 프로필은 디퓨저(13)에서 일어나는 확산 각도를 나타내며 하기의 방정식으로 정의된다.
면적비=채널 출구의 면적/채널 입구의 면적
여기에서, 면적은 제6도의 A로 도시한 위치에서 축에 대해 수직으로 취한 것이다.
상술한 것처럼, 냉매 가스가 콜렉터 구조체(14) 안에 유입될 때 더 이상 팽창되지 않도록 디퓨저(13)에서 반드시 완전한 확산이 일어나는 것이 바람직하다. 이러한 완전 확산을 일으키기 위해서는 면적비가 5 : 1 또는 그 이상으로되는 것이 바람직하다. 디퓨저에 형성된 이러한 면적비에서 디퓨저를 빠져나가는 냉매 가스는 완전하게 팽창되어 하류로 또 분산되는 것에 대하여 수집해야 하는 실질적으로 큰 배출 면적을 필요로 하게 된다. 따라서 이를 위해서 비교적 큰 콜렉터 장치(14)를 마련한다.
제7도 및 제8도에서는 일체식으로 형성된 콜렉터 구조체(14)를 갖는 압축기 기부(36)이 도시되어 있다. 도시된 것처럼, 개구(77)을 갖춘 반경 방향 연장 벽(76)은 임펠러 휠(12)와 이의 구동축(19) 및 베어링(22)를 위한 지지 구조체를 마련한다. 벽(76)이 반경 방향 외향으로 연장됨으로써 이의 표면(42)는 이에 고정된 디퓨저(13)을 지지하는데 사용되며, 벽이 반경 방향 외향으로 더 연장됨으로써 환상 콜렉터(14)가 비교적 크고 균일한 형상의 주연 방향 단면을 갖고 형성된다. 이 구조체는 상술한 것처럼 디퓨저(13)의 림(62)의 홈(63)과 면하도록 구성된 반경 방향 내향 단부(78)에서 종결된다.
콜렉터 구조체(14)내에 형성된 공극부(79)가 비교적 크기 때문에 디퓨저(13)으로부터 통과하는 완전히 확산된 또는 팽창된 냉매 가스는 응축기로의 배출 개구(81)을 따라 통과하기 이전에 어떠한 심각한 제한도 받지않고 공극부(79)에 수집될 수 있다.

Claims (8)

  1. 냉매 가스를 고속으로 가속시키는 임펠러(12)와, 상기 가스의 운동에너지의 일부를 압력 에너지로 변환시키는 디퓨저(13)과, 응축기에 또 이송하기 위하여 디퓨저로부터 감속된 가스를 받아들이는 배출 챔버를 갖는 형태의 원심 압축기에 있어서, 상기 디퓨저가 압축된 냉매 가스의 완전한 확산을 제공하는 면적비를 갖고 주연 방향으로 이격되고 반경 방향 연장되는 복수개의 확개된 채널(66)을 포함하며, 상기 배출 챔버가 디퓨저(13) 내의 냉매 유동을 제한하지 않으면서 디퓨저로부터의 확산된 냉매를 수집하는 것을 허용하기에 충분히 큰 체적을 갖는 주연 방향으로 대칭형인 콜렉터(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
  2. 제1항에 있어서, 냉매가 비교적 높은 밀도를 갖는 냉매인 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
  3. 제2항에 있어서, 냉매가 HCFC-22인 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
  4. 제1항에 있어서, 면적비가 적어도 5 : 1인 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
  5. 제1항에 있어서, 채널(66)이, 2개의 직렬 연결된 섹션 즉, 제1각(β)로 각을 이룬 확개된 벽을 갖는 제2섹션(71)과 좀 더 큰 제2각(α)로 각을 이룬 확개된 벽을 갖는 제3섹션(72)를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
  6. 제5항에 있어서, 제2섹션(71)의 벽들 사이의 각이 4도이고 제3섹션(72)의 벽들 사이의 각이 8도인 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
  7. 제1항에 있어서, 채널(66)이 횡단면이 둥근 형상인 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
  8. 제7항에 있어서, 채널(66)의 종방향 단면이 사다리꼴인 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
KR1019910019054A 1990-10-30 1991-10-29 파이프 디퓨저 및 콜렉터를 갖는 원심 압축기 KR950009062B1 (ko)

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