KR100263646B1 - 터보기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 베인부재로부터 케이싱으로의 진동 전달을 방지하거나 감소시키는 터보기계를 실현하기 위해, 회전하면서 원심력에 의해 유체를 방사상 외측으로 밀어내는 임펠러와, 상기 임펠러를 수용하고 지지하는 케이싱과, 상기 임펠러에 의해 밀려나온 유체가 상기 케이싱으로부터 배출되는 파이프, 및 상기 파이프의 진동을 흡수되도록 상기 파이프를 둘러싸는 흡진기를 제공한다.

Description

터보기계{TURBO MACHINE}

본 발명은 터보펌프, 터보압축기와 같은 유체이송 또는 압축기계에 관한 것이다.

일본국 화력·원자력발전기술협회에서 1988년 4월에 발간된 "가전협회강좌 1. 펌프"의 24쪽에, 디퓨저베인, 디퓨저측판, 및 복귀류베인은 통형 케이싱타입의 터보펌프의 외측케이싱에 고정되어 있는 얇은 내측케이싱에 용접으로 고정된다.

일본국 특허출원 제 A-60-151530호는, 회전하는 회전자의 각 임펠러스테이지로부터 배출되는 유체압력에 의한 회전자의 밀려나온 힘이 서로 균형을 이루어, 터보기계의 진동을 감소시키고 있다.

펌프는 방음커버로 둘러싸이며, 파이프 또는 커플링커버는 납으로 된 평판으로 둘러싸인다는 것은 잘 알려져 있다.

본 발명의 목적은, 회전하는 임펠러에 의해 밀려나온 유체를 수용하는 디퓨저베인의 선단부에 생성되는 진동이, 공기와 접촉하는 외측케이싱, 및/또는 외측케이싱을 통과하여 파이프 또는 임펠러구동모터에 전달되는 것을 예방 방지하는 터보기계를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 회전하면서 원심력에 의해 유체를 방사상으로 밀어내는 임펠러와; 임펠러로부터 배출되는 유체를 안내하는 베인과; 임펠러와 마주하는 베인의 선단부를 포함하여 임펠러로부터 배출되는 유체가 선단부에 충돌하도록 하며, 공기에는 접촉되지 않도록 한 베인부재; 및 베인부재를 둘러싸고 공기와 접촉하는 케이싱을 갖는 터보기계에서,

베인부재 및 케이싱중의 적어도 하나는, 베인부재와 케이싱 사이에서 강하게 및/또는 실질적으로 일체로 연결되지 않으면서 베인부재 및 케이싱중의 다른 하나와 연결되어 있는 탄성적으로 변형가능한 부분(핀의 압축변형부 및/또는 굽은 변형부, 핀을 수용하는 구멍의 압축변형부, 베인부재와 케이싱 사이에서 원주방향으로 서로 분리되어 있는 연결부의 압축변형부 및/또는 굽은 변형부, 베인부재와 케이싱 사이의 탄성부재의 압축변형부 및/또는 굽은 변형부 및/또는 절단변형부)을 포함하여, 임펠러 축방향, 임펠러 반지름방향, 및 임펠러 원주방향의 적어도 한 방향에서의 베인부재와 케이싱 사이의 연결강도를 감소시킨다. 탄성부재의 종탄성계수 및/또는 횡탄성계수 또는 스프링상수는 베인부재 및 케이싱의 것보다 적은 것이 바람직하다. 연결부는 베인부재 및 케이싱 사이에 스폿용접에 의해 형성된다.

본 발명에서, 임펠러 축방향, 임펠러 반지름방향, 및 임펠러 원주방향중 적어도 한 방향에서 서로 분리되어 있거나 또는 독립되어 있는 베인부재와 케이싱 사이의 연결강도(진동전달기능)는 탄성적으로 변형가능한 부분에 의해 감소되므로, 케이싱의 진동변형정도는 베인부재보다 작게 유지되어, 임펠러로부터 배출되는 유체력에 의한 베인의 선단부를 갖는 베인부재의 진동이 케이싱으로 전달되는 것이 예방 방지된다.

종래기술에서, 베인부재 및 케이싱은 원주상으로 연속되는 용접 또는 스크류에 의한 압착에 의해 서로 일체로 강하게 고정되므로, 탄성적으로 변형가능한 부분이 베인부재와 케이싱 사이에 형성되지 않고, 그 사이의 연결강도도 감소되지 않는데, 즉, 케이싱의 진동변형정도는 베인부재와 실질적으로 동일하며, 베인부재로부터 케이싱으로의 진동전달률은 매우 높다.

베인부재 및 케이싱(또는 아래에 기술되는 케이싱의 내측케이싱) 사이의 진동차단효과를 향상시키기 위해서는, 임펠러 축 또는 반지름방향에서의 베인부재의 변형이 케이싱에 의해 억제되지 않는 것이 바람직한데, 즉, 임펠러 축방향 및/또는 반지름방향으로 베인부재와 케이싱(또는 케이싱의 내측케이싱) 사이에 공간이 형성되어, 베인부재가 임펠러 축방향 및/또는 반지름방향으로 약간 움직일 수 있게 해주고, 그리고/또는 탄성계수 또는 스프링상수가 베인부재 및/또는 케이싱의 탄성계수 또는 스프링상수보다 작은 스프링부재가 그 공간내에 배치되어, 임펠러 축방향 및/또는 반지름방향으로 베인부재에 가해지는 압착력을 방지하거나 감소시켜준다.

실질적으로 탄성적으로 변형가능한 부분만이 임펠러로부터 배출된 유체력으로 인한 베인부재의 방사상 외측으로의 변형 및 원주운동중 적어도 하나를 방지할 수 있어, 베인부재의 진동은 실질적으로 탄성적으로 변형가능한 부분만을 통해 케이싱에 전달된다.

베인부재는 작동중에 터보기계의 적어도 일부의 온도범위 내에서 케이싱에 대해 임펠러 축방향으로 약간 운동가능하며, 그리고/또는 베인부재는 임펠러로부터 배출된 유체력에 의해 임펠러 반지름방향 및 임펠러 원주방향중 적어도 한 방향으로 케이싱에 대해 약간 운동가능하여, 탄성적으로 변형가능한 부분이 베인부재 및 케이싱중 어느 하나로부터 떨어질 때, 탄성적으로 변형가능한 부분은 베인부재 및 케이싱중의 다른 하나에 접근하게 하는 것이 바람직하다.

진동흡수를 촉진하고 배인부재와 케이싱 사이의 부식을 예방하기 위해, 베인부재와 케이싱은 서로 접촉하게 되는 각 표면을 가지고, 이 표면들 사이의 접촉압력은, 유체가 이 표면들 사이에 존재할 수 있는 정도로 제한되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 회전하면서 원심력에 의해 유체를 방사상 외측으로 밀어내는 임펠러와; 임펠러로부터 배출된 유체를 안내하는 베인과; 임펠러와 마주하는 베인의 선단부를 포함하여 임펠러로부터 배출되는 유체가 선단부에 충돌하도록 하며, 공기에는 접촉되지 않도록 한 베인부재; 및 베인부재를 둘러싸고 공기와 접촉하는 케이싱을 구비하는 터보기계에서,

베인부재는 케이싱과 강하게 및/또는 실질적으로 일체연결을 이루지 않고 분리되며, 임펠러 축방향 및 임펠러 반지름방향중의 적어도 한 방향으로의 베인부재의 변형이 케이싱에 의해 억제되는 것이 방지된다.

본 발명에서, 임펠러 축방향 및 임펠러 반지름방향중의 적어도 한 방향에서의 베인부재의 변형이 케이싱에 의해 억제되는 것이 방지되므로, 베인부재의 변형은 케이싱의 변형과 독립적으로 이루어져, 베인부재 및 케이싱 사이의 진동차단이 이루어진다.

회전하면서 원심력에 의해 유체를 방사상 외측으로 밀어내는 임펠러와; 임펠러로부터 배출된 유체를 안내하는 베인과; 임펠러와 마주하는 베인의 선단부를 포함하여 임펠러로부터 배출되는 유체가 선단부에 충돌하도록 하며, 공기에는 접촉되지 않도록 한 베인부재와; 베인부재를 둘러싸고 공기와 접촉하는 케이싱을 구비하는 터보기계에서,

베인부재는 케이싱과 분리되며, 임펠러로부터 배출되는 유체력으로 인한 베인부재의 방사상운동 및 원주상운동중의 적어도 하나는, 실질적으로 베인부재의 축방향의 일 측부를 통하여 케이싱에 의해 방지되는 한편, 베인부재의 축방향의 일 측부와 케이싱 사이에는 실질적으로 일체 및/또는 강한 연결이 이루어지지 않는다 .

본 발명에서, 임펠러로부터 배출된 유체력으로 인한 베인부재의 방사상운동 및 원주상운동중의 적어도 하나는 실질적으로 베인부재의 축방향의 일 측부만을 통하여 케이싱에 의해 방지되므로, 베인부재 및 케이싱의 접촉영역 또는 연결단면이 작게 유지되어, 베인부재에서 케이싱으로 전달되는 진동을 감쇠시키거나 막아준다.

종래기술에서는, 베인부재 및 케이싱이 원주상으로의 연속용접 또는 스크류에 의한 압착에 의해 베인부재의 축방향의 양 측부를 통하여 서로 일체로 강하게 고정되므로, 베인부재 및 케이싱 사이의 접촉영역이 커져서, 베인부재로부터 케이싱으로의 진동전달율이 높다.

임펠러 반지름방향, 임펠러 축방향 및 임펠러 원주방향중의 적어도 한 방향의 베인부재 및/또는 케이싱과 비교하여 보다 부드럽게 변형가능한 탄성부재는 베인부재 및 케이싱 사이에 배치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 회전하면서 원심력에 의해 유체를 방사상 외측으로 밀어내는 임펠러와; 임펠러로부터 배출되는 유체를 안내하는 베인과; 임펠러와 마주하는 베인의 선단부를 포함하여 임펠러로부터 배출되는 유체가 선단부에 충돌하도록 하며, 공기에는 접촉되지 않도록 한 베인부재; 및 베인부재를 둘러싸고 공기와 접촉하는 케이싱을 구비하는 터보기계에서,

베인부재는 케이싱으로부터 분리되고, 케이싱은 공기와 접촉하는 외측케이싱; 및 외측케이싱에 의해 둘러싸이고, 공기와 접촉하지 않으며, 베인부재와 외측케이싱 사이에 배치되어, 베인부재와 접촉하는 내측케이싱을 가지며, 내측케이싱은 외측케이싱과 강하게 및/또는 실질적으로 일체로 연결되지 않고 분리되며, 베인부재는 내측케이싱과 강하게 및/또는 실질적으로 일체로 연결되지 않고 분리된다.

본 발명에서, 베인부재와 접촉하는 내측케이싱은 공기와 접촉하는 외측케이싱과 분리되고, 베인부재는 내측케이싱과 분리되므로, 베인부재 및 공기 사이에서 내측케이싱과 베인부재는 강한 일체연결이 이루어지지 않도록 접촉되어, 내측케이싱은 강한 일체연결이 이루어지지 않는 접촉에 의해 베인부재의 진동으로부터 차단된다.

베인부재의 축방향 및/또는 반지름방향 변형은 내측케이싱에 의한 억제로부터 실질적으로 방지될 수 있다.

실질적으로 일체로 연결된다는 의미는 비 스폿용접연결, 강한 간섭맞춤, 서로에 대한 강력한 프레싱등을 의미하는 것이다.

도 1은 본 발명의 터보기계를 도시한 부분단면도,

도 2는 케이싱 및 베인부재 사이의 분리 및 연결구조를 도시한 단면도,

도 3은 케이싱 및 베인부재 사이의 다른 분리 및 연결구조를 도시한 단면도,

도 4는 파이프상의 흡진기를 도시한 부분단면도,

도 5는 파이프상의 다른 흡진기를 도시한 부분단면도,

도 6 는 파이프상의 다른 흡진기를 도시한 부분횡단면도,

도 7은 도 6 의 흡진기의 종단면도,

도 8은 파이프상의 다른 흡진기를 도시한 부분단면도,

도 9는 케이싱으로부터 임펠러구동기로 전달되는 진동을 방지하는 커플링을 도시한 단면도,

도 10은 도 9의 X부분의 확대단면도,

도 11은 본 발명에 바람직한 임펠러 및 디퓨저베인을 도시한 단면도,

도 12는 임펠러베인 및 디퓨저베인을 반지름방향에서 도시한 단면도이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

1 : 외측케이싱 2 : 복귀류베인 3 : 내측케이싱

4 : 베인부재 4a : 디퓨저베인 4b : 측판

6 : 회전축 7 : 임펠러 8 : 배출노즐

9 : 유입노즐 12 : 배출파이프 13 : 흡입파이프

14 : 흡진기 18 : 링형댐퍼 19 : 입자

21 : 공간 24 : 구동하우징 25 : 구동축

41 : 디퓨저부분 42 : 복귀류부분 45 : 핀

도 1에 도시된 바와 같은 통형(barrel) 케이싱타입의 터빈펌프에서, 청구된(claimed) 케이싱의 일부분으로서 공기와 접촉하는 외측케이싱(1)은 청구된 케이싱의 다른 부분으로서 얇은 판으로 만들어진 내측케이싱(3)을 둘러싸며, 내측케이싱(3)은 공기에는 접촉되지 않도록 한 청구된 베인부재로서 임펠러(7)와 마주하는 선단부를 각각 갖는 디퓨저베인(4a) 및 복귀류베인(2)을 포함하는 베인부재(4)를 둘러싸고 있다. 베인부재(4)를 둘러싸는 내측케이싱(3)은, 청구된 케이싱과 같이, 공기와 직접 접촉할 수도 있다. 임펠러(펌프터빈)(7)는, 베인부재 (4)의 방사상 내측에 배치되어, 구동하우징(24) 및 구동축(25)을 구비한 임펠러구동모터에 의해 회전축(6)을 통하여 회전된다. 얇은 판으로 만들어진 내측케이싱 (3)은 외측케이싱(1)에 대해 축의 방향으로 압착되어 그에 고정된다.

비교적 얇은 두께의 흡입파이프(13)는 유입노즐(9)을 통해 외측케이싱에 연결되며, 이에 의해, 유체가 회전하는 임펠러(7)에 공급되어 방사상 그리고 원주상으로 밀어낸다. 임펠러(7)로부터 배출되는 유체의 운동에너지는, 디퓨저베인(4a) 사이에서 유체의 방사상 외측으로 그리고 원주상으로의 흐름에 따라서 팽창하는 확산공간에 의해 압력포텐셜로 변환되며, 그 후 유체는 복귀류베인(2)에 의해 임펠러 (7)쪽의 방사상 내측방향으로 이송된다. 임펠러(7)로부터 마침내 유출하는 가압된 유체는 청구된 파이프의 다른 부분인 배출노즐(8)을 통해 비교적 두꺼운 두께를 갖는 청구된 파이프의 일 부분과 같은 배출파이프(12)에 공급된다.

서로 마주하고 있는 임펠러(7)의 외측연부 및 디퓨저베인(4)의 내측연부(선단부)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 임펠러(7)의 회전축에 대해 경사지게 될 것이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 서로 마주하고 있는 임펠러베인(7a) 및 디퓨저베인(4)은 서로 교차하도록 형성되어, 디퓨저베인(4)의 선단부에 대한 유체충돌력을 감소시키고, 디퓨저베인(4)의 선단부에 대한 유체충돌력으로 인한 터보기계의 진동을 방지한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 각 베인부재(4)는 디퓨저베인(4a), 복귀류베인 (2), 및 측판(4b)의 통합 또는 일체조합으로 형성되며, 내측케이싱(3)으로부터 별개로 분리되어, 진동전달이 각 베인부재(4)와 내부케이싱(3) 사이의 분리부에서 차단된다. 각 베인부재(4)의 방사상으로의 운동을 방지하기 위한 각 베인부재(4)와 내측케이싱(3) 사이의 접촉 또는 맞춤영역은 각 베인부재(4)의 축방향의 일 측부에만 형성되어, 베인부재(4)로부터 내측케이싱(3)으로의 진동전달이 이루어지는 단면 또는 표면영역이 작게 유지된다. 내측케이싱(3)에 대한 베인부재(4)의 방사상으로의 운동 및 원주상으로의 운동중 적어도 하나는 핀(45)에 의해 방지된다. 베인부재(4)의 방사상운동 및 원주상운동중 적어도 하나는 가능한 작게 유지되는 것이 바람직하다. 각 베인부재(4)의 방사상운동을 예방하기 위한 각 베인부재(4)와 내측케이싱(3) 사이의 접촉영역은 서로 원주상으로 분리되어 있는 복수의 연결부분(43)으로 나뉘어질 것이다. 청구된 부드럽게 변형가능한 탄성부재 및/또는 청구된 탄성적으로 변형가능한 부분과 같은 탄성부재 또는 스프링(44)은 내측케이싱(3)과 각 베인부재(4)의 사이에 배치된다.

도 3에 도시된 바와 같은 베인부재(4)에서, 각 측판(4b)은 디퓨저부분(41) 및 복귀류부분(42)으로 나뉘어져, 각 베인부재(4)가 디퓨저부분(41) 및 디퓨저베인 (4a)(청구된 베인부재와 같은)의 일체조합, 그리고 복귀류부분(42) 및 복귀류베인 (2)의 다른 일체조합으로 나뉘어지므로, 유체력에 의해 직접 진동받는 중량이 작게 유지된다. 복귀류부분(42) 및 복귀류베인(2)의 다른 일체조합은 미청구된 베인부재로서 내측케이싱(3)에 일체로 고정될 수 있다. 디퓨저부분(41) 및 디퓨저베인 (4a)의 일체조합과 내측케이싱(3) 사이의 연결은 도 2와 유사하다.

도 1에 도시된 바와 같이, 흡진기(吸振機)(14)는 배출파이프(12) 및/또는 배출노즐(8)에 배치되어, 외측케이싱(1)에서 배출파이프(12)로 전달되는 진동을 방지해준다.

도 4에 도시된 바와 같은 흡진기(14)는, 공간(21)을 형성하는 본체(14a); 및 이 공간(21)내에 수용되는 마찰부재로서, 예를 들면 서로 이동가능하고 납과 같은 고비중 점탄성물질(viscoelasticity material)로 이루어지는 입자(grain; 19)를 구비한다.

도 5에 도시된 바와 같은 흡진기(14)는 상기 공간(21)내에 수용되는 마찰부재로서, 예를 들면 납과 같은 고비중 점탄성물질로 이루어진 링형상의 매스댐퍼 (mass damper; 18)를 포함하고 있다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 원통형 컨테이너(17)와; 마찰부재로서 예를 들면 서로 이동가능하고 납과 같은 고비중 점탄성물질로 이루어진 개별적인 입자(19')를 각각 포함하고 있는 복수의 흡진기는 배출파이프(12) 및/또는 배출노즐(8)에 배치된다. 원통형 컨테이너(17)는 배출파이프(12) 및/또는 배출노즐(8)에 압착되거나 용접된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 배출파이프(12) 및/또는 배출노즐(8)에 배치된 흡진기(14)는 본체(14a), 공간(21), 마찰부재로서의 입자(19), 및 배출파이프(12) 및/또는 배출노즐(8)의 내측과 공간(21) 사이에 유체전달을 위한 조절구멍 (throttle hole; 20)을 포함한다. 유체압력파는 공간(21)내로 유입되어 입자(19)의 외측표면 및 공간(21)의 내측표면에 의해 반사되어, 이 유체압력파들이 서로 간섭하여 공간(21)에서 흡수된다.

회전축(6)과 임펠러구동축(25)을 연결하는 커플링(30)을 덮는 커플링커버 (15)는 구동하우징(24)에 연결되는 일 단부와 터보기계하우징(23)에 연결되는 타 단부를 가지며, 도 9에 도시된 바와 같이, 구동측커버(15a) 및 터보기계측커버 (15b)를 구비한다. 구동측커버(15a) 및 터보기계측커버(15b)는, 예를 들어 방유 방열 고무로 이루어진 점탄성부재(16)에 의해 서로 연결되며, 링형스프링(26)은, 도 10에 도시된 바와 같이, 구동측커버(15a) 및 터보기계측커버(15b)에 대해 점탄성부재(16)를 압착시킨다. 점탄성부재(16)는 커플링커버(15)의 전체 표면에 부착되어, 흡진기판을 형성할 수도 있다. 커플링커버(15)와 구동하우징(24) 및 터보기계하우징(23)중의 적어도 하나는 점탄성부재(16)를 통하여 서로 연결될 수 있다. 점탄성부재(16)는 커플링커버(15)의 진동을 흡수하여, 터보기계하우징(23)으로부터 점탄성부재(16)를 통해 구동하우징(24)으로 전달되는 진동과, 온도변화로 인한 구동하우징(24) 및 터보기계하우징(23) 사이의 거리변화를 예방한다.

본 발명에서, 임펠러 축방향, 임펠러 반지름방향, 및 임펠러 원주방향중 적어도 한 방향에서 서로 분리되어 있거나 또는 독립되어 있는 베인부재와 케이싱 사이의 연결강도(진동전달기능)는 탄성적으로 변형가능한 부분에 의해 감소되므로, 케이싱의 진동변형정도는 베인부재보다 작게 유지되어, 임펠러로부터 배출되는 유체력에 의한 베인의 선단부를 갖는 베인부재의 진동이 케이싱으로 전달되는 것이 예방·방지된다.

Claims (8)

1. 회전하면서 원심력에 의해 유체를 방사상 외측으로 밀어내는 임펠러와,

   상기 임펠러를 수용하고 지지하는 케이싱과,

   상기 임펠러에 의해 밀려나온 유체가 상기 케이싱으로부터 배출되는 파이프, 및

   상기 파이프의 진동을 흡수되도록 상기 파이프를 둘러싸는 흡진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보기계.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 흡진기는, 상기 파이프에 고정되는 본체와, 상기 본체에 수용되고 상기 본체 상에서 미끄러지는 마찰부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보기계.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 마찰부재는 서로 접촉하고 있는 분리입자들을 갖는 것을 특징으로 하는 터보기계.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 흡진기는 밀폐된 공간을 형성하는 본체와, 상기 파이프로부터 상기 밀폐된 공간 안으로 유체를 도입하는 조절구멍(throttle hole)을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보기계.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 흡진기는 밀폐된 공간을 형성하는 본체와, 상기 밀폐된 공간 안으로 유체를 도입하는 조절구멍, 및 상기 밀폐된 공간 안에서 서로 접촉하고 있는 분리입5자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보기계.
6. 회전하면서 원심력에 의해 유체를 방사상 외측으로 밀어내는 임펠러와,

   상기 임펠러를 수용하고 지지하는 케이싱과,

   출력축을 포함하는 임펠러구동기와,

   상기 임펠러를 상기 출력축에 연결하는 커플링, 및

   상기 케이싱 및 상기 임펠러구동기 사이에 배치되어 상기 커플링을 덮는 커플링커버를 포함하여 이루어지고;

   상기 커플링커버는 점탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보기계.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 커플링커버는 상기 케이싱에 연결되는 제 1부분, 및 상기 임펠러구동기에 연결되는 제 2부재를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2부분들은 점탄성부재를 통해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
8. 제 6항에 있어서,

   커플링커버와, 상기 케이싱 및 상기 임펠러구동기 중의 적어도 하나는 상기 점탄성부재를 통해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 터보기계.