KR100273377B1 - Bearing structure for turbo compressor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 임펠러에 의한 원심력을 이용하는 터보압축기에 관한 것으로, 특히 구동축의 반경방향 및 축방향을 동시에 지지하는 터보압축기의 베어링 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a turbocompressor using a centrifugal force by an impeller, and more particularly, to a bearing structure of a turbocompressor which simultaneously supports radial and axial directions of a drive shaft.
일반적으로 압축기는 날개차나 로터의 회전운동 또는 피스톤의 왕복운동으로 공기나 냉매가스등의 기체를 압축하는 기계로서, 날개차나 로터 및 피스톤을 구동시키기 위한 동력발생부 및 그 동력발생부에서 전달된 구동력에 의해 기체를 흡입하여 압축하는 압축기구부로 구성된다.In general, a compressor is a machine that compresses gas such as air or refrigerant gas by a rotary motion of a vane or a rotor or a reciprocating motion of a piston, and is a power generator for driving a vane, a rotor, and a piston, and a driving force transmitted from the power generator. It consists of a compressor mechanism for sucking and compressing gas.
이러한, 압축기는 동력발생부와 압축기구부의 배치형태에 따라 밀폐형 또는 분리형으로 구분되는데, 그 중에서 밀폐형은 소정의 밀폐용기 내에 동력발생부 및 압축기구부가 함께 설치되는 형태이고, 분리형은 밀폐용기의 외부에 동력발생부가 설치되어 그 동력발생부에서 발생되는 구동력이 밀폐용기 내의 압축기구부로 전달되는 형태이다.The compressor is classified into a sealed type or a separate type according to the arrangement of the power generating portion and the compression mechanism portion, wherein the sealed type is a type in which the power generating portion and the compression mechanism portion are installed together in a predetermined sealed container, and the separate type is outside the sealed container. The power generating unit is installed in the driving force generated in the power generating unit is transmitted to the compression mechanism in the sealed container.
상기 밀폐형 압축기는 기체를 압축하는 구조에 따라 회전식, 왕복동식, 리니어 그리고 스크롤 압축기 등이 있는데, 최근 들어서는 모터의 구동력으로 임펠러를 회전시키고, 그 임펠러의 회전시 발생되는 원심력을 이용하여 기체를 흡입,압축시키는 터보압축기(혹은, 원심압축기)가 새롭게 소개되고 있다.The hermetic compressor includes a rotary, reciprocating, linear and scroll compressor according to a structure for compressing gas. In recent years, the impeller is rotated by a driving force of a motor, and the gas is sucked by using a centrifugal force generated when the impeller is rotated. Turbo compressors (or centrifugal compressors) for compression are newly introduced.
제1도는 본 발명자가 특허번호 제97-64567호로 선출원한 바 있는 2단 압축식 터보압축기의 구성을 개략적으로 보인 종단면도로서 이에 도시된 바와 같이, 선출원의 2단 압축식 터보압축기는 통상 어큐뮬레이터(A)와 연통되는 제1압축실(11) 및 통상 응축기(미도시)와 연통되는 제2압축실(12)이 밀폐용기(10)의 양측에 각각 형성되고, 그 밀폐용기(10)의 내측 중앙에는 레이디얼타입의 비엘디시모터(Brushless DC MOTOR)(20)가 장착되는 모터실(13)이 형성되며, 상기 제1, 제2압축실(11,12) 및 모터실(13)은 가스유로(14)에 의해 서로 연통되고, 상기 모터(20)에 결합되어 회전하는 구동축(30)의 양단은 각각 제1, 제2압축실(11,12)에 삽입되어 그 단부에는 각각 제1, 제2압축실(11,12)에서 회전하면서 흡입되는 가스를 2단으로 압축하기 위한 제1, 제2임펠러(40,50)가 결합되어 있다.1 is a longitudinal cross-sectional view schematically showing the configuration of a two-stage compression turbocompressor, which the inventor has filed with a patent application No. 97-64567. As shown therein, the two-stage compression turbocompressor of the prior application is usually an accumulator ( A
또한, 상기 구동축(30)의 양측, 즉 모터(20)의 양측에는 그 구동축(30)의 반경방향을 지지하기 위한 레이디얼 베어링(60)이 결합되어 있고, 그 레이디얼 베어링(60)의 양측 외곽에는 구동축(37)의 축방향을 지지하기 위한 스러스트 베어링(70)이 결합되어 있다.In addition,
상기 제1, 제2압축실(11,12)은 그 각각의 출구측에 제1, 제2임펠러(40,50)에서 각각 가속되는 냉매의 운동에너지를 정압으로 변환시켜주는 제1, 제2디퓨져(11a,12a) 및 제1, 제2볼류트(11b,12b)로 이루어져 있다.The first and
상기 제1, 제2임펠러(40,50)는 제2(a)도 및 제2(b)도에 도시된 바와 같이, 소정의 곡률을 갖는 수개의 날개차(40a,50a)가 일체로 형성되고, 냉매가스가 유입되는 외측 직경이 가스가 압축되어 나가는 내측 직경보다 작게 형성되어 구동축(30)을 기준으로 보면 원뿔형으로 고정되어 있다.The first and
도면중 미설명 부호인 10a는 흡입구, 10b는 토출구, 13a는 유입통공, 13b는 유출통공, 41,51은 날개차이다.In the drawings, reference numeral 10a denotes an inlet port, 10b an outlet port, 13a an inlet hole, 13b an outlet hole, and 41 and 51 are vanes.
상기와 같이 구성된 선출원의 2단 압축식 터보압축기는 다음과 같이 동작된다.The two-stage compression turbocompressor of the prior application configured as described above is operated as follows.
즉, 인가된 전원에 의해 모터(20)에 유도자기가 발생되면, 그 유도자기에 의해 구동축(30)이 고속으로 회전을 개시하게 되어 그 구동축(30)의 양단에 고정된 제1, 제2임펠러(40,50)가 회전을 하게 되고, 그 각 임펠러(40,50)의 회전에 의해 냉매가스가 각 압축실(11,12)로 흡입되었다가 각 임펠러(40,50)의 원심력에 의해 스크류형태로 뿌려져 각 디퓨져(11a,12a)를 거쳐 각 볼류트(11b,12b)로 유입되는데, 이때 각 디퓨져(11a,12a)를 거쳐 각 볼류트(11b,12b)로 유입되는 과정에서 냉매가스는 압력수두의 상승으로 압축가스로 변환되어 토출구(10b)를 통해 응축기(미도시)로 토출되는 것이었다.That is, when the induction magnetism is generated in the
이를 보다 상세히 살펴보면, 상기 제1임펠러(40)의 회전으로 어큐뮬레이터(A)로부터 냉매가스가 제1압축실(11)로 흡입되어 제1임펠러(40)에 의해 가속되고, 그 가속된 냉매가스는 제1디퓨져(11a)를 통해 제1볼류트(11b)로 유입되면서 1단 압축이 이루어지며, 그 1단 압축이 이루어진 가(假)압축가스는 가스유로(14)를 통해 제2압축실(12)로 흡입되고, 그 제2압축실(12)로 흡입되는 가(假)압축가스는 제2임펠러(50)에 의해 다시 가속되며, 그 가속된 가(假)압축가스는 또다시 제2디퓨져(12a)를 통해 제2볼류트(12b)로 유입되면서 2단 압축이 이루어진 후에 토출구(10b)로 토출되는 것이었다.In more detail, the refrigerant gas is sucked from the accumulator A into the
여기서, 상기 구동축(30)은 자유상태로 놓인 상태에서 회전운동을 하게 되므로, 그 구동축(30)의 반경방향은 각 레이디얼 베어링(60)에 의해 지지되는 반면, 상기 구동축(30)의 축방향은 각 스러스트 베어링(70)에 의해 지지되는 것이었다.Here, since the
그러나, 상기와 같은 선출원의 터보압축기에 있어서는, 구동축(30)의 반경방향 및 축방향을 지지하기 위하여 레이디얼 베어링(60) 및 스러스트 베어링(70) 등이 별도의 구조물로 형성되므로, 압축기의 부품수가 많아져 생산비가 증가하게 되는 것은 물론, 각 베어링(60,70)을 위한 별도의 공간이 필요하게 되어 압축기가 비대하게 됨과 아울러 그 만큼 압축기 전체의 무게가 증가하게 되는 문제점이 있었다.However, in the above-described turbo compressor of the prior application, since the radial bearing 60 and the thrust bearing 70 and the like are formed as separate structures to support the radial and axial directions of the
따라서, 본 발명은 상기와 같은 선출원 발명의 압축기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 압축기의 부품수를 줄여 생산비를 절감함은 물론 압축기의 소형화 및 경량화를 달성할 수 있는 터보압축기의 베어링 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made in view of the problems of the above-described prior invention compressor, and reduces the production cost by reducing the number of parts of the compressor, as well as the bearing structure of the turbo compressor can achieve compact and lightweight compressor The purpose is to provide.
제1도는 선출원된의 터보압축기를 개략적으로 보인 종단면도.1 is a longitudinal sectional view schematically showing a turbocharger of a pre- filed.
제2(a)도 및 제2(b)도는 선출원된 터보압축기의 임펠러를 보인 종단면도 및 정면도.2 (a) and 2 (b) are a longitudinal sectional view and a front view showing an impeller of a pre- filed turbocompressor.
제3도는 본 발명에 의한 터보압축기를 개략적으로 보인 종단면도.3 is a longitudinal sectional view schematically showing a turbocompressor according to the present invention.
제4도는 제3도의 ‘A’부를 상세히 보인 종단면도.4 is a longitudinal cross-sectional view showing the detail 'A' of FIG.
제5(a)도 및 제5(b)도는 본 발명 터보압축기의 임펠러를 보인 종단면도 및 정면도.5 (a) and 5 (b) are a longitudinal sectional view and a front view showing the impeller of the turbocompressor of the present invention.
제6도는 본 발명 터보압축기의 베어링을 설명하기 위해 보인 힘의 분포도.6 is a distribution diagram of forces shown to explain the bearing of the turbocompressor of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
11,12 : 제1, 제2압축실 140,150 : 제1, 제2임펠러11,12: 1st, 2nd compression chamber 140,150: 1st, 2nd impeller
140a,150a : 각 임펠러의 날개차 141,151 : 각 임펠러의 쉬라우드140a, 150a: Wing difference of each impeller 141,151: Shroud of each impeller
이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 양측에 제1압축실 및 제2압축실이 서로 연통 형성되는 밀폐용기와, 그 밀폐용기의 고정된 구동모터의 회전자에 결합되어 회전하는 구동축과, 그 구동축의 양단에 결합되어 각 압축실에 삽입되어 회전하면서 서로 다른 압력을 받아 유체를 순차적으로 원심 압축하는 제1임펠러 및 제2임펠러를 포함한 터보압축기에 있어서; 상기 압축실은 측면투영시 입구측에서 출구측으로 갈수록 점차 그 직경이 커지도록 형성되고, 상기 압축실에 삽입되는 임펠러 역시 축면투영시 흡입단에서 토출단으로 갈수록 점차 그 직경이 커지도록 형성되되 그 임펠러의 날개측단에 상기한 압축실의 내주면과 소정간격을 두고 통형의 쉬라우드 부재가 고정되어 그 쉬라우드 부재의 외주면과 이에 대향되는 압축실의 내주면이 구동축의 레이디얼방향과 스러스트방향 진동에 대한 양방향 베어링면을 이루게 되는 것을 특징으로 하는 터보압축기의 베어링 구조가 제공된다.In order to achieve the object of the present invention, the first compression chamber and the second compression chamber is formed in communication with each other on both sides, the drive shaft coupled to the rotor of the fixed drive motor of the sealed container and rotated, A turbocompressor including a first impeller and a second impeller coupled to both ends of the drive shaft and inserted into each compression chamber to rotate and receive centrifugal pressure under different pressure. The compression chamber is formed so that its diameter gradually increases from the inlet side to the outlet side during side projection, and the impeller inserted into the compression chamber is also formed so that its diameter gradually increases from the suction end to the discharge end during the axial projection. The cylindrical shroud member is fixed to the wing side end at a predetermined distance from the inner circumferential surface of the compression chamber, and the outer circumferential surface of the shroud member and the inner circumferential surface of the compression chamber opposite thereto are bidirectional bearings for radial and thrust vibration of the drive shaft. Provided is a bearing structure of a turbocompressor, characterized in that it is made into a surface.
이하, 본 발명에 의한 터보압축기의 베어링 구조를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, the bearing structure of the turbocompressor according to the present invention will be described in detail based on the embodiment shown in the accompanying drawings.
제3도는 본 발명에 의한 터보압축기를 개략적으로 보인 종단면도이고, 제4도는 제3도의 ‘A’부를 상세히 보인 종단면도이며, 제5(a)도 및 제5(b)도는 본 발명 터보압축기의 임펠러를 보인 종단면도 및 정면도이다.3 is a longitudinal cross-sectional view schematically showing a turbo compressor according to the present invention, and FIG. 4 is a longitudinal cross-sectional view showing part 'A' of FIG. 3 in detail. FIGS. 5 (a) and 5 (b) are turbo turbo compressors of the present invention. A longitudinal sectional view and a front view showing the impeller of.
이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 터보압축기는, 밀폐용기(10)의 내부 중앙에 레이디얼타입의 비엘디시모터(20)가 장착되고, 그 밀폐용기(10)의 양측에는 제1, 제2압축실(11,12)이 서로 연통되도록 형성되며, 그 제1, 제2압축실(11,12)에는 상기 모터(20)에 결합되어 회전하는 구동축(30)의 양단이 각각 삽입되고, 그 구동축(30)의 각 단에는 내측 직경이 외측 직경보다 큰 원뿔형의 제1, 제2임펠러(140,150)가 회전가능하게 결합되어 구성된다.As shown therein, the turbocompressor according to the present invention has a
상기 제1, 제2압축실(11,12)은 측면투영시 입구측에서 토출측으로 갈수록 점차 그 직경이 커지도록 만곡지게 형성되고, 그 각 압축실(11,12)의 출구측에는 제1, 제2임펠러(140,150)에서 각각 가속되는 냉매의 운동에너지를 정압으로 변환시켜주는 제1, 제2디퓨져(11a,12a) 및 제1, 제2볼류트(11b,12b)가 구비되어 이루어진다.The first and
상기 제1, 제2임펠러(140,150)는 각 압축실(11,12)에 대응되도록 측면투영시흡입단에서 토출단으로 갈수록 점차 그 직경이 커지도록 만곡지게 형성되고, 그 임펠러 몸체의 외주면에는 회전시 유체를 흡입하여 토출시키도록 다수개의 날개차(140a,150a)가 일정 커브를 갖고 돌출 형성되며, 그 각 임펠러(140,150)의 날개측단에는 상기한 압축실(11,12)의 내주면과 소정간격을 두고 대향되도록 통형의 쉬라우드(141,151)가 일체로 고정되어 이루어진다.The first and
도면중 선출원에서와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.In the drawings, the same reference numerals are given to the same parts as in the previous application.
도면중 미설명 부호인 13은 모터실, 13a의 유입통공, 13b유출통공이다.In the drawings,
상기와 같은 본 발명에 의한 터보압축기의 베어링 구조는 다음과 같이 동작된다.The bearing structure of the turbocompressor according to the present invention as described above is operated as follows.
즉, 인가된 전원에 의해 구동축(30) 및 각 임펠러(140,150)가 회전하게 되면, 그중 제1임펠러(140)에서는 흡입되는 냉매가스를 제1디퓨져(11a) 및 제1볼류트(11b)로 흩뿌리면서 가(假)압축하게 되고, 그 가압축된 냉매가스는 다시 제2임펠러(150)로 흡입되어 제2디퓨져(12a) 및 제2볼류트(12b)에서 2단으로 완전 압축되어 냉동사이클장치(정확하게는, 응축기)로 토출된다.That is, when the
여기서, 상기 제1압축실(11)의 압력이 제2압축실(12)의 압력에 비해 상대적으로 저압이 되면서 임펠러(140,150)를 포함하는 구동축(30)이 제2압축실(12)측에서 제1압축실(11)측으로 축방향 하중을 받게 되는 동시에 상기 구동축(30)의 회전시 발생되는 원심력에 의해 반경방향으로도 하중을 받게 되나, 이러한 구동축(30)의 축방향 하중 및 반경방향 하중은 양측 쉬라우드(141,151)의 외주면과 각 압축실(11,12)의 내주면 사이에서 발생되는 각각의 X분력과 Y분력에 의해 지지된다.Here, while the pressure of the
이를 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다.Looking at this in more detail as follows.
제6도는 두 압축실중에서 제1압축실측의 힘의 평형상태를 대표예로 보인 것으로, 이에 도시된 바와 같이, 상기 제1압축실 상기 밀폐용기(10)의 흡입구(10a)를 통해 제1압축실(11)로 유입되는 냉매가스의 대부분은 제1임펠러(140)의 내부로 흡입되어 제1디퓨져(11a) 및 제1볼류트(11b)로 흩뿌려지는 반면, 나머지 소량의 냉매가스는 회전하는 쉬라우드(141)의 외주면과 제1압축실(11)의 내주면 사이로 흡입되는데, 그 쉬라우드(141) 및 압축실(11)의 내주면 사이로 흡입되는 냉매가스는 수직방향의 분력(Fy) 및 수평방향의 분력(Fx)을 합친 힘(F)을 쉬라우드(141)의 외주면에 전달하게 된다.6 is a representative example of the equilibrium state of the force of the first compression chamber side in the two compression chambers, as shown in the first compression chamber through the suction port (10a) of the
이때, 상기 수직방향의 분력(Fy)은 선출원된 레이디얼 베어링의 역할을 하는 것으로, 모터(20) 및 임펠러(140,150)가 일체된 구동축(30)의 반경방향을 지지하게 되는 반면, 상기 수평방향의 분력(Fx)은 선출원된 스러스트 베어링의 역할을 하는 것으로, 각 압축실(11,12)간의 압력차에 의한 구동축(30)의 축방향 치우침을 지지하게 된다.At this time, the vertical component force (Fy) serves as a radially applied radial bearing, while the
이러한 과정은 제2압축실(12)과 제2임펠러(150)에 일체된 쉬라우드(151) 사이에서도 동일하게 일어나게 되어 결국 구동축(30)은 축방향 및 반경방향에 대해 안정적 구동하게 되는 것이다.This process occurs equally between the
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 터보압축기의 베어링 구조는, 입구측에서 출구측으로 갈수록 점차 직경이 커지는 각 압축실에 역시 흡입단에서 토출단으로 갈수록 점차 직경이 커지는 각 임펠러를 배치시키되 그 각 임펠러의 날개측단에는 상기한 압축실의 내주면과 일정간격을 갖는 쉬라우드를 일체로 고정하여 그 쉬라우드의 외주면과 각 압축실의 내주면 사이로 흡입되는 유체의 힘의 분력으로 구동축의 반경방향 및 축방향을 지지하도록 함으로써, 별도의 레이디얼 베어링 및 스러스트 베어링이 불필요하게 되어 부품수가 감축되고, 이로 인해 생산비용이 절감되는 것은 물론 압축기의 소형화 및 경량화가 가능하게 된다.As described above, in the bearing structure of the turbocompressor according to the present invention, each impeller is disposed in the compression chamber, which gradually increases in diameter from the inlet side to the outlet side. In the wing side end of the compression chamber, the inner peripheral surface of the compression chamber is fixed integrally and the radial force and the axial direction of the drive shaft by the force force of the fluid sucked between the outer peripheral surface of the shroud and the inner peripheral surface of each compression chamber. By supporting it, separate radial bearings and thrust bearings are unnecessary, thereby reducing the number of parts, thereby reducing production costs and miniaturizing and reducing the weight of the compressor.
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