KR100246577B1

KR100246577B1 - Apparatus for cooling air

Info

Publication number: KR100246577B1
Application number: KR1019960032049A
Authority: KR
Inventors: 한착희; 김종선
Original assignee: 유무성; 삼성항공산업주식회사
Priority date: 1996-07-31
Filing date: 1996-07-31
Publication date: 2000-04-01
Also published as: KR980009797A

Abstract

본 발명에 따르면, 공기 유입구 및 유출구가 형성된 터빈 케이징과; 상기 터빈 케이징에 상호 결합되며 공기 유입구 및 유출구가 형성된 콤프레서 케이징과; 상기 터빈 케이징 및 콤프레서 케이징 내에 설치되는 샤프트와; 상기 샤프트의 양 단부에 각각 고정되는 터빈 디스크 및 콤프레서 임펠러와; 상기 샤프트를 회전 가능하게 유지하는 베어링;을 포함하는 공기 냉각 장치에 있어서, 상기 상호 결합된 터빈 케이징과 콤프레서 케이징의 내측에 상기 베어링에 근접하여 냉각 공기가 유동할 수 있는 베어링 냉각 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 공기 냉각 장치가 제공된다. 본 발명에 따른 공기 냉각 장치에서는 베어링의 냉각이 자체적으로 발생되는 냉각 공기에 의해 효과적으로 수행된다.According to the present invention, there is provided a turbine casing including an air inlet and an outlet; A compressor casing coupled to the turbine casing and having air inlets and outlets formed therein; A shaft installed in the turbine casing and the compressor casing; A turbine disk and a compressor impeller fixed to both ends of the shaft; A bearing for holding the shaft rotatably; Air cooling apparatus comprising a bearing cooling passage in which the cooling air flows in close proximity to the bearing inside the mutually coupled turbine and compressor casing is formed An air cooling apparatus is provided. In the air cooling apparatus according to the present invention, the cooling of the bearing is effectively performed by the cooling air generated by itself.

Description

Air cooling system

본 발명은 공기 냉각 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고속 회전하는 샤프트의 베어링에 대한 냉각 작용이 효과적으로 수행될 수 있는 공기 냉각 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an air cooling apparatus, and more particularly, to an air cooling apparatus in which a cooling action on a bearing of a high speed rotating shaft can be effectively performed.

공기 냉각 장치는 고온 고압의 압축 공기에 외력을 가하여 팽창시킬때 공기의 온도가 급속히 강하하는 성질을 이용한 냉각 장치이다. 통상적으로 공기 냉각 장치는 항공기등의 특정 부위를 냉각시키는데 사용되며, 압축 공기를 팽창시켜서 고온의 공기 온도를 강하시키는 터빈의 임펠러(impeller)와 냉각 대상에 공급되었던 공기를 흡입하는 콤프레서의 임펠러가 동일한 회전 샤프트상에 지지된다. 공기 냉각 장치에 구비된 회전 샤프트의 베어링은 자체의 마찰뿐만 아니라 터빈의 내부로 유입되는 고온 고압의 공기로부터 전달되는 열에 기인하여 항상 과도한 열 스트레스를 받게 된다. 따라서 공기 냉각 장치에서는 베어링을 냉각시키는 수단을 필요로 한다.An air cooling device is a cooling device using a property that the temperature of the air drops rapidly when inflated by applying an external force to the high temperature and high pressure compressed air. Typically, an air cooling device is used to cool a specific part of an aircraft, such as an impeller of a turbine that expands compressed air to lower a high temperature of air and a compressor that sucks air that has been supplied to a cooling target. Supported on a rotating shaft. The bearing of the rotary shaft provided in the air cooling device is always subjected to excessive thermal stress due to its friction as well as the heat transferred from the high temperature and high pressure air flowing into the turbine. Therefore, the air cooling apparatus requires a means for cooling the bearings.

도 1은 종래 기술에 따른 베어링 냉각 수단을 구비한 공기 냉각 장치의 일부에 대한 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a portion of an air cooling apparatus with bearing cooling means according to the prior art.

도면을 참조하면, 공기 냉각 장치(10)는 샤프트(11)에 회전 가능하게 고정되며 외주면에 회전 날개(blade,12a)를 가지는 터빈 디스크(12)와, 상기 샤프트(11)를 지지하는 베어링(13)을 가진다. 여기에서, 상기 베어링(13)에서 발생하는 마찰열을 냉각시키기 위한 냉각 수단으로서, 상기 터빈 디스크(12)에는, 그 터빈 디스크(12)를 관통하는 공기 유입관(14)이 형성되며, 공기 냉각 장치 내부에는 공기 유입관(14)과 연통되어 도 1의 화살표 방향을 따라 형성된 공기 유로가 마련된다. (공기 냉각 장치(10)의 샤프트(11)와 동일축선상에 구비되는 압축기는 도 1에서 생략되어 있다.)Referring to the drawings, the air cooling apparatus 10 is rotatably fixed to the shaft 11 and has a turbine disk 12 having a rotating blade 12a on its outer circumferential surface, and a bearing for supporting the shaft 11 ( 13) Here, as cooling means for cooling the frictional heat generated by the bearing 13, the turbine disk 12 is formed with an air inlet pipe 14 penetrating the turbine disk 12, the air cooling device Inwardly, an air flow path communicating with the air inlet pipe 14 and formed along the direction of the arrow of FIG. 1 is provided. (The compressor provided on the same axis as the shaft 11 of the air cooling apparatus 10 is omitted in FIG. 1.)

이와 같은 구조에 있어서 상기 터빈 디스크(12)가 회전함에 따라 그 터빈 디스크(12)의 외주면에 형성된 회전 날개(12a)를 타고 공기가 이동하기 시작한다. 이때, 상기 터빈 디스크(12)의 양단부(12c)에서부터 그 터빈 디스크(12)의 회전 중심부(12b)쪽으로 이동할수록 이동 통로가 확장되므로, 공기 냉각 장치내로 유입되었던 압축 공기가 터빈 디스크(12)를 타고 이동하면서 회전 중심부(12b)로 이동할수록 압력이 감소되면서 급속히 팽창한다.In this structure, as the turbine disk 12 rotates, air starts to move on the rotary vanes 12a formed on the outer circumferential surface of the turbine disk 12. At this time, since the moving passage is extended as it moves from both ends 12c of the turbine disk 12 toward the rotation center 12b of the turbine disk 12, compressed air that has flowed into the air cooling device is transferred to the turbine disk 12. While moving in the rotational center 12b while riding, the pressure decreases rapidly and expands.

터빈 디스크(12)의 일측에 형성된 공기 유입구(16)에서는 최종 출구(15)측의 대기압보다는 상대적으로 높은 압력이 형성되므로, 이 압력차에 의해 공기의 일부가 상기 유입관(14)을 통해 흡입된다. 이와 같이 흡입된 공기는 도 1의 화살표 방향을 따라 진행하면서 베어링(13)에서 발생되는 마찰열을 냉각시키게 되는 것이다. 즉, 공기 유입관(14)을 통하는 공기는 베어링(13)에 근접하여 도달할 수 있으므로 팽창된 저온의 공기로써 냉각을 수행할 수 있는 것이다.In the air inlet 16 formed at one side of the turbine disk 12, since a pressure higher than the atmospheric pressure at the final outlet 15 is formed, a part of the air is sucked through the inlet pipe 14 by this pressure difference. do. The air sucked in this way is to cool the frictional heat generated in the bearing 13 while traveling in the direction of the arrow of FIG. That is, the air through the air inlet pipe 14 can reach close to the bearing 13, so that cooling can be performed with the expanded low-temperature air.

그러나 이와 같은 종래의 냉각 수단을 구비하는 공기 냉각 장치는, 상기의 터빈 디스크(12)가 고속으로 회전함에 따라 그 원심력이 증가하여, 상기 터빈 디스크(12)의 외주면을 타고 양단부(12c)에서부터 회전 중심부(12b)를 향해 빠져나가는 유량은 점점 증가하며, 상기 공기 유입관(12)을 통해 흡입되는 공기 유량은 상대적으로 감소되므로 냉각효율이 저하되는 문제점을 가진다.However, in the conventional air cooling apparatus provided with such cooling means, the centrifugal force increases as the turbine disk 12 rotates at a high speed, and rotates from both ends 12c on the outer circumferential surface of the turbine disk 12. The flow rate exiting toward the central portion 12b is gradually increased, and the air flow rate sucked through the air inlet pipe 12 is relatively reduced, so that cooling efficiency is lowered.

한편, 상기와 같은 유량의 감소분을 보상하기 위해 다수의 공기 유입관을 터빈 디스크에 형성하려는 시도가 있었으나, 이는 터빈 디스크의 강성을 저하시켜 공기 냉각 장치의 신뢰성을 떨어뜨리는 또 다른 문제점을 발생시킨다.On the other hand, there have been attempts to form a plurality of air inlet pipes in the turbine disk to compensate for such a decrease in flow rate, but this causes another problem of lowering the rigidity of the turbine disk and lowering the reliability of the air cooling apparatus.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 향상된 베어링 냉각 수단을 구비한 공기 냉각 장치를 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, it is an object of the present invention to provide an air cooling device having an improved bearing cooling means.

본 발명의 다른 목적은 냉각 대상에 제공되었던 냉각 공기를 베어링 냉각용 유로에 다시 순환시키는 냉각 수단을 구비한 공기 냉각 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an air cooling apparatus having cooling means for circulating the cooling air provided to the cooling target back into the bearing cooling flow path.

도 1은 종래 기술에 따른 공기 냉각 장치의 일부에 대한 단면도.1 is a cross-sectional view of a portion of an air cooling apparatus according to the prior art.

도 2는 본 발명에 따른 공기 냉각 장치에 대한 단면도.2 is a cross-sectional view of an air cooling apparatus according to the present invention.

<도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명><Brief description of the major symbols in the drawings>

21. 터빈 케이징 22. 콤프레서 케이징21. Turbine Casing 22. Compressor Casing

23. 샤프트 24. 터빈 디스크23. Shaft 24. Turbine Disc

25. 콤프레서 임펠러 26. 볼 베어링25. Compressor Impeller 26. Ball Bearing

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 공기 유입구 및 유출구가 형성된 터빈 케이징과; 상기 터빈 케이징에 상호 결합되며 공기 유입구 및 유출구가 형성된 콤프레서 케이징과; 상기 터빈 케이징 및 콤프레서 케이징 내에 설치되는 샤프트와; 상기 샤프트의 양 단부에 각각 고정되는 터빈 디스크 및 콤프레서 임펠러와; 상기 샤프트를 회전 가능하게 유지하는 베어링;을 포함하는 공기 냉각 장치에 있어서, 상기 상호 결합된 터빈 케이징과 콤프레서 케이징의 내측에 상기 베어링에 근접하여 냉각 공기가 유동할 수 있는 베어링 냉각 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 공기 냉각 장치가 제공된다.In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a turbine casing having an air inlet and an outlet; A compressor casing coupled to the turbine casing and having air inlets and outlets formed therein; A shaft installed in the turbine casing and the compressor casing; A turbine disk and a compressor impeller fixed to both ends of the shaft; A bearing for holding the shaft rotatably; Air cooling apparatus comprising a bearing cooling passage in which the cooling air flows in close proximity to the bearing inside the mutually coupled turbine and compressor casing is formed An air cooling apparatus is provided.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 베어링 냉각 유로에 유입되는 냉각 공기는 자체적으로 발생된 냉각 공기를 순환 공급한다.According to another feature of the invention, the cooling air flowing into the bearing cooling passages circulates and supplies the cooling air generated by itself.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 베어링 냉각 유로의 유입구는 상기 터빈 케이징의 공기 유출구와 연통하며, 상기 베어링 냉각 유로의 유출구는 상기 콤프레서 케이징의 공기 유입구와 연통한다.According to another feature of the invention, the inlet of the bearing cooling passage is in communication with the air outlet of the turbine casing, the outlet of the bearing cooling passage is in communication with the air inlet of the compressor casing.

이하 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the embodiments shown in the accompanying drawings.

도 2에는 본 발명에 따른 공기 냉각 장치의 단면도가 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 공기 냉각 장치(20)는 상호 결합된 터빈 케이징(21)과 콤프레서 케이징(22)내에 샤프트(23)가 회전 가능하게 설치된다. 샤프트(23)의 양 단부에는 터빈 디스크(24)와 콤프레서 임펠러(25)가 고정된다. 샤프트(23)가 도시되지 아니한 구동 수단에 의해 회전 구동함으로써 터빈 디스크(24)와 콤프레서 임펠러(25)가 회전할 수 있다. 샤프트(23)는 터빈 케이싱(21)과 콤프레서 케이싱(22)의 일측에 유지된 볼 베어링(26)에 의해 지지된다.2 shows a cross-sectional view of an air cooling apparatus according to the present invention. Referring to the drawings, the air cooling apparatus 20 is rotatably installed in the turbine casing 21 and the compressor casing 22 coupled to each other. The turbine disk 24 and the compressor impeller 25 are fixed to both ends of the shaft 23. The turbine disk 24 and the compressor impeller 25 can be rotated by rotating the shaft 23 by a driving means (not shown). The shaft 23 is supported by a ball bearing 26 held on one side of the turbine casing 21 and the compressor casing 22.

터빈 케이징(21)에는 압축 공기 유입구(27)와 냉각 공기 유출구(29)가 형성된다. 압축 공기 유입구(27)는 도시되지 아니한 외부의 압축 수단을 통해서 고온 고압으로 압축된 공기가 터빈으로 유입되는 통로를 구성하며, 냉각 공기 유출구(29)는 터빈 디스크(24)에 의해서 급속 팽창됨으로써 저온의 상태를 유지하는 공기가 배출되는 통로를 구성한다. 압축 공기 유입구(27)를 통해 유입되는 공기는 노즐(28)을 통해서 터빈 디스크(24)의 설치 공간으로 유입되며, 노즐(28)은 유입 공기를 가속시키는 기능을 가진다. 압축 공기 유입구(27)를 통해 유입되는 공기의 온도는 예를 들면 섭씨 130 도를 유지하며, 터빈 디스크(24)에 의해 팽창됨으로써 냉각된 공기의 온도는 예를 들면 섭씨 30 도를 유지한다.The turbine casing 21 is formed with a compressed air inlet 27 and a cooling air outlet 29. The compressed air inlet 27 constitutes a passage through which air compressed at high temperature and high pressure flows into the turbine through an external compression means (not shown), and the cooling air outlet 29 is rapidly expanded by the turbine disk 24 so that It constitutes a passage through which air is discharged to maintain the state of. Air entering through the compressed air inlet 27 is introduced into the installation space of the turbine disk 24 through the nozzle 28, the nozzle 28 has a function to accelerate the inlet air. The temperature of the air entering through the compressed air inlet 27 is maintained at, for example, 130 degrees Celsius, and the temperature of the cooled air by expansion by the turbine disk 24 is maintained at, for example, 30 degrees Celsius.

냉각 공기 유출구(29)를 통해 배출된 냉각 공기는 배관(31a)을 따라 냉각 대상물(30)로 유동한다. 냉각 대상물(30)을 냉각시킨 공기는 다시 온도가 상승하여 예를 들면 섭씨 약 40 도 내지 50 도로 가열된다.The cooling air discharged through the cooling air outlet 29 flows along the pipe 31a to the cooling object 30. The air which cooled the object to be cooled 30 rises again, and is heated, for example, about 40 degrees Celsius to 50 degrees Celsius.

본 발명의 특징에 따르면, 공기 냉각 장치(20)의 일측에는 베어링 냉각 유로(32)가 형성되고, 냉각 대상물(30)을 냉각시킨 이후에 소정 온도를 유지하는 공기는 상기의 베어링 냉각 유로(32)로 유입된다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 냉각 대상물(30)과 베어링 냉각 유로(32) 사이에는 배관(31b)이 형성되어 있으며, 이를 통해서 저온의 공기가 유입된다. 베어링 냉각 유로(32)는 공기 냉각 장치(20)의 내부에서 샤프트(23)와 베어링(26)에 근접하도록 어떠한 형태로든 설치 가능하다. 베어링 냉각 유로(32)는 베어링(26) 자체 또는 베어링(26)을 설치한 위치에 근접한 곳에 대한 공기 순환이 가능하고 저온 공기의 유입 및 유출이 가능하도록 개방 회로를 구성하여야 한다.According to a feature of the present invention, a bearing cooling passage 32 is formed at one side of the air cooling apparatus 20, and the air that maintains a predetermined temperature after cooling the cooling target object 30 is the above-mentioned bearing cooling passage 32 Flows into). As can be seen in the figure, a pipe 31b is formed between the cooling object 30 and the bearing cooling flow path 32, through which low-temperature air flows. The bearing cooling passage 32 may be installed in any form so as to be close to the shaft 23 and the bearing 26 in the air cooling device 20. The bearing cooling flow path 32 should be configured to open the circuit to allow the air circulation to the bearing 26 itself or the position close to the bearing 26, the inlet and outlet of the low-temperature air.

베어링 냉각 유로(32)를 순환한 이후에 배출되는 공기는 배관(31c)을 따라 콤프레서(22)의 저온 공기 유입구(33)를 향해 유동한다. 콤프레서(22)의 유입구(33)에서는 음압이 형성되므로 배관(31c)을 통해 유동하는 공기는 보다 원활하게 유동할 수 있으며, 이러한 콤프레서(22)의 음압 효과는 전체 공기 유동 회로에 미친다. 즉, 콤프레서(22)는 터빈 케이징(21), 배관(31a), 냉각 대상물(30) 및, 베어링 냉각 유로(32)를 따라서 이루어지는 공기의 유동이 원활하게 이루어지는 기능을 가진다. 콤프레서(22)의 유입구(33)를 통해 유입된 공기는 임펠러(25)에 의해 압축된 이후에 유출구(34)를 통해 외부로 배출된다.The air discharged after circulating the bearing cooling channel 32 flows along the pipe 31c toward the low temperature air inlet 33 of the compressor 22. Since a negative pressure is formed at the inlet 33 of the compressor 22, the air flowing through the pipe 31c can flow more smoothly, and the negative pressure effect of the compressor 22 affects the entire air flow circuit. That is, the compressor 22 has the function which the flow of the air which flows along the turbine casing 21, the piping 31a, the cooling target object 30, and the bearing cooling flow path 32 smoothly. The air introduced through the inlet 33 of the compressor 22 is discharged to the outside through the outlet 34 after being compressed by the impeller 25.

본 발명에 따른 공기 냉각 장치에서는 베어링의 냉각이 자체적으로 발생되는 냉각 공기에 의해 효과적으로 수행되며, 베어링 냉각용 공기가 다량으로 확보될 수 있다는 장점을 가진다. 또한 냉각 기계 자체의 공기를 이용하기 때문에 주위 공기의 온도로부터 영향을 받지 아니한다. 더군다나 종래 기술과는 달리 터빈 디스크 자체에 구멍을 가공할 필요가 없으므로 장치의 강성에 영향을 미치지 아니한다.In the air cooling apparatus according to the present invention, the cooling of the bearing is effectively performed by the cooling air generated by itself, and has the advantage that a large amount of air for cooling the bearing can be secured. It also uses air from the cooling machine itself, so it is not affected by the ambient air temperature. Furthermore, unlike the prior art, there is no need to drill holes in the turbine disc itself, thus not affecting the stiffness of the device.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the accompanying drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent embodiments are possible. will be. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be defined only by the appended claims.

Claims

A turbine casing having an air inlet and an outlet formed therein; A compressor casing coupled to the turbine casing and having air inlets and outlets formed therein; A shaft installed in the turbine casing and the compressor casing; A turbine disk and a compressor impeller fixed to both ends of the shaft; An air cooling apparatus comprising: a bearing for rotatably holding the shaft;

And a bearing cooling passage through which the cooling air flows in close proximity to the bearing inside the turbine casing and the compressor casing.

The air cooling apparatus of claim 1, wherein the cooling air flowing into the bearing cooling passage circulates and supplies cooling air generated by itself.

The air inlet of claim 1 or 2, wherein the inlet of the bearing cooling passage communicates with the air outlet of the turbine casing, and the outlet of the bearing cooling passage communicates with the air inlet of the compressor casing. Cooling system.