KR100304564B1 - 터보압축기의레이디얼베어링구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보 압축기의 레이디얼 베어링 구조에 관한 것으로, 본 발명은 구동모터의 회전자가 중앙부에 일체되고 제1,제2 임펠러가 양단부에 일체되어 회전하는 중공체로 된 회전축의 내부에 양단이 밀폐용기에 고정된 고정축이 일정 간극을 두고 삽입되며, 상기 회전자의 양쪽 외곽에서 회전축의 내주면과 함께 레이디얼 방향에 대한 가스베어링면을 이루도록 고정축의 외주면 양측에 직경이 확대된 베어링부가 각각 형성되되, 상기 베어링부는 회전자의 축방향 중심을 기준으로 하여 회전축의 일단까지 길이의 2/5를 초과하는 위치에 형성되도록 구성함으로써, 상기 회전축의 고속회전시 그 회전축이 고정축에 부딪히는 것을 방지하여 안정적으로 회전할 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

터보 압축기의 레이디얼 베어링 구조{RADIAL BEARING STRUCTURE FOR TURBO COMPRESSOR}

본 발명은 터보 압축기의 레이디얼 베어링에 관한 것으로, 특히 회전축과 고정축이 부딪히지 않도록 하는 터보 압축기의 레이디얼 베어링 구조에 관한 것이다.

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 이루어진다.

이러한, 압축기는 동력발생부와 압축기구부의 배치형태에 따라 밀폐형 또는 분리형으로 구분되는데, 그 중에서 동력발생부 및 압축기구부가 하나의 밀폐용기내에 함께 설치되는 밀폐형 압축기는 기체를 압축하는 구조에 따라 다시 회전식, 왕복동식, 리니어 그리고 스크롤 압축기 등으로 구분된다.

이 중에서 최근 소개되고 있는 터보 압축기는 모터의 구동력으로 임펠러를 회전시키고, 그 임펠러의 회전시 발생되는 원심력을 이용하여 기체를 흡입,압축시키는 것으로, 도 1은 종래 터보 압축기의 일례를 보인 종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 종래의 2단 터보 압축기는, 원심력에 의해 냉매가스를 압축시키는 제1,제2 임펠러(20,30)가 회전가능하게 각각 내장되는 제1,제2 압축실(11,12)이 밀폐용기(10)의 양측에 각각 형성되고, 그 밀폐용기(10)의 중앙에는 냉동사이클장치의 증발기(미도시)와 연통되는 흡입구(13a)를 갖는 모터실(13)이형성되는 반면 상기 제2 압축실(12)에는 냉동사이클장치의 응축기(미도시)와 연통되는 토출구(14)가 형성되며, 상기 모터실(13)의 일측, 즉 흡입구(13a)의 맞은편에는 그 모터실(13)과 제1 압축실(11)의 입구측을 연통시켜 모터실(13)을 냉각시키면서 통과한 냉매가스를 제1 압축실(11)로 유도하기 위한 제1 냉매유동관(80)이 설치되고, 상기 제1 압축실(11)의 출구측에는 그 제1 압축실(11)과 제2 압축실(12)의 입구측을 연통시켜 제1 압축실(11)에서 1단 압축된 냉매가스를 2단 압축시키는 제2 압축실(12)로 유도하기 위한 제2 냉매유동관(90)이 설치되며, 상기 모터실(13)의 내부에는 구동력을 발생시키기 위한 구동모터(50)가 장착되고, 그 구동모터(50)의 회전자(51)에는 양단에 상기 제1,제2 임펠러(20,30)가 각각 고정 결합되어 각 임펠러(20,30)를 회전시키는 회전축(41)이 일체로 결합되며, 그 회전축(41)의 내부에는 양단이 밀폐용기(10)에 고정되어 상기 회전축(41)과의 간극으로 유입되는 냉매가스에 의해 그 회전축(41)의 반경방향 하중을 지지하기 위한 고정축(42)이 일정 간극을 둔 채로 삽입되고, 상기 회전축(41)의 일측, 정확하게는 제2 압축실(12)쪽에 그 회전축(41)의 축방향 하중을 지지하기 위한 스러스트 베어링(70)이 장착되어 구성되어 있다.

상기 회전축(41)은 중공형으로 형성되어 그 양단에 제1,제2 임펠러(20,30)가 일체로 압입되고, 그 중간부에는 전술한 바와 같이 구동모터(50)의 회전자(51)가 일체로 성형되거나 또는 열박음 등으로 압입되며, 그 구동모터(50)의 회전자(51)와 상기 제2 임펠러(30)의 사이에는 스러스트 베어링(70)이 장착되어 있다.

상기 고정축(42)은 봉형으로 형성되어 회전축(41)의 내부에 소정 간극을 두고 삽입되어 그 간극으로 유입되는 냉매가스에 의해 가스베어링의 역할을 하면서 회전축(41)의 반경방향 하중을 지지하는 것으로, 그 양단이 제1,제2 임펠러(20,30)를 회전가능하게 관통하여 밀폐용기(10)의 제1,제2 압축실(11,12)에 구비된 별도의 고정부재(15)에 의해 고정되어 있다.

여기서, 상기 회전축(41)의 내주면과 고정축(42)의 외주면이 형성하는 베어링면의 면적을 최소로 하기 위해 고정축(42)의 양측에 직경이 확대되는 베어링부(42a)가 단차지게 각각 형성되는데, 그 베어링부(42a)의 최대간극은 각각 5μm정도이고, 최소간극은 2μm정도를 유지하게 되는데, 이러한 간극을 갖도록 하기 위하여는 각 베어링부의 동심도를 1μm 범위내에서 가공하여야 한다.

한편, 상기 스러스트 베어링(70)은 회전축(41)에 일정 간격를 두고 압입되는 내,외측지지판(71,72)과, 그 내,외측지지판(71,72)의 사이에 양면이 각각 소정 간극을 두고 개재되어 밀폐용기(10)의 모터실(13)에 장착되는 고정판(73)으로 이루어진다.

상기와 같이 구성된 종래 터보 압축기는 다음과 같이 동작된다.

상기 구동모터(50)에 전원이 인가되면, 그 구동모터(50)가 작동함과 아울러 그 구동모터(50)의 구동력이 회전축(41)으로 전달되어 회전축(41)을 회전시키게 되고, 상기 회전축(41)의 회전에 의해 제1,제2 임펠러(20,30)가 회전을 하면서 냉매가스를 순차적으로 흡입 토출하여 1단,2단으로 압축을 하게 되는 것이다.

여기서, 상기 흡입구(13a)를 통해 모터실(13)로 유입된 저온저압의 냉매가스는 구동모터(50)에서 발생되는 열을 냉각시키면서 완전가스 상태로 증발되어 제1 냉매유동관(80)으로 유입되고, 그 제1 냉매유동관(80)으로 유입된 냉매가스는 제1임펠러(20)로 흡입되어 제1 디퓨져(11b) 및 제1 볼류트(11c)로 토출되면서 원심력에 의해 1단 압축되며, 그 1단 압축된 냉매가스는 다시 제2 냉매유동관(90)을 거쳐 제2 임펠러(30)로 흡입되고, 그 제2 임펠러(30)에서 제2 디퓨져(12b) 및 제2 볼류트(12c)로 토출되면서 2단 압축되어 토출구(14)를 통해 냉동사이클장치의 응축기(미도시)로 토출되는 것이다.

이때, 상기 흡입구(13a)를 통해 모터실(13)로 유입된 냉매가스는 모터실(13)을 순환하는 과정에서 일부가 회전축(41)과 고정축(42) 사이의 간극으로 스며들게 되고, 이 냉매가스는 회전축(41)의 내주면과 고정축(42)의 베어링부(42a)의 외주면 사이로 유입되어 회전축(41)과 고정축(42)이 일정 간극을 유지하도록 함으로써, 상기 회전축(41)의 고속회전시 그 내주면이 고정축(42)의 외주면에 부딪히지 않도록 회전축(41)의 반경방향 하중을 양쪽에서 지지하게 된다.

또한, 상기 제1,제2 임펠러(20,30)에서 각각의 디퓨져(11b,12b) 및 볼류트(11c,12c)로 토출되는 압축가스의 일부도 각 임펠러(20,30)의 배면쪽 결합틈새를 통해 회전축(41)과 고정축(42) 사이의 간극으로 스며들어 전술한 가스베어링의 역할을 하게 된다.

한편, 상기 제1 압축실(11)과 제2 압축실(12)의 사이에는 일정한 압력차가 발생되어 회전축(41)을 제2 임펠러(30)쪽에서 제1 임펠러(20)쪽으로 밀어내게 되나, 이는 상기 내,외측지지판(71,72)과 고정판(73)의 사이로 유입되는 냉매가스가 축방향 지지용 가스베어링의 역할을 하게 되어, 상기 회전축(41)이 안정적으로 고속회전을 할 수 있게 된다.

그러나, 상기와 같은 종래 터보 압축기에 있어서는, 중앙에 구동모터(50)의 회전자(51)가 일체되고 양단에 제1,제2 임펠러(20,30)가 일체되며 그 제2 임펠러(30)와 회전자(51)의 사이에 스러스트 베어링(70)의 내,외측지지판(71,72)이 일체된 회전축(41)의 내부에 복수개의 베어링부(42a)가 단차지게 형성된 고정축(42)이 소정 간극을 두고 삽입되어 그 간극으로 유입되는 냉매가스에 의해 회전축(41)의 반경방향 하중을 지지하는 레이디얼 베어링의 역할을 하도록 하고 있으나, 상기 회전축(41)의 고속회전시에는 구동모터(50)의 회전자(51) 및 각 임펠러(20,30) 그리고 스러스트 베어링의 내,외측지지판(71,72)이 가지는 자중에 의해 서로 다른 원심력이 동시에 발생하게 되고, 그 서로 다른 원심력에 의해 회전축(41)이 위치에 따라 서로 다른 반경방향으로의 변형량을 갖게 되므로, 상기 베어링부(42a)의 위치가 적절하지 못할 경우에는 회전축(41)과 고정축(42)이 부딪히게 되어 압축기의 안정성 및 신뢰성을 저하시키게 되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 터보 압축기의 레이디얼 베어링이 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 상기 회전축의 고속회전시 그 회전축이 고정축에 부딪히지 않으면서 안정적으로 회전할 수 있도록 베어링부를 적절한 위치에 형성한 터보 압축기의 레이디얼 베어링 구조를 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 종래 터보 압축기의 일례를 보인 종단면도.

도 2는 본 발명 터보 압축기의 레이디얼 베어링에 대한 그 설치위치를 설명하기 위해 요부를 보인 종단면도.

도 3은 본 발명 터보 압축기의 회전축에 대한 반경방향 변형량을 보인 그래프.

도 4a 및 도 4b는 본 발명 터보 압축기에서 레이디얼 베어링의 각 설치위치에 대한 회전축의 변형상태를 보인 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

20,30 ; 제1,제2 임펠러 41 : 회전축

42 : 고정축 42a : 베어링부

51 : 회전자 51a : 마그네트

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 구동모터의 회전자가 중앙부에 일체되고 제1,제2 임펠러가 양단부에 일체되어 회전하는 중공체로 된 회전축의 내부에양단이 밀폐용기에 고정된 고정축이 일정 간극을 두고 삽입되며, 상기 회전자의 양쪽 외곽에서 회전축의 내주면과 함께 레이디얼 방향에 대한 가스베어링면을 이루도록 고정축의 외주면 양측에 직경이 확대된 베어링부가 각각 형성되는 터보 압축기의 레이디얼 베어링 구조에 있어서,

상기 베어링부는 회전자의 축방향 중심을 기준으로 하여 회전축의 일단까지 길이의 2/5를 초과하는 위치에 형성하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기의 레이디얼 베어링 구조가 제공된다.

이하, 본 발명에 의한 터보 압축기의 레이디얼 베어링 구조를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명 터보 압축기의 레이디얼 베어링에 대한 그 설치위치를 설명하기 위해 요부를 보인 종단면도이고, 도 3은 본 발명 터보 압축기의 회전축에 대한 반경방향 변형량을 보인 그래프이며, 도 4a 및 도 4b는 본 발명 터보 압축기에서 레이디얼 베어링의 각 설치위치에 대한 회전축의 변형상태를 보인 개략도이다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 터보 압축기는, 냉매가스를 압축시키는 제1,제2 임펠러(20,30)가 회전가능하게 장착되는 제1,제2 압축실(11,12)이 양측에 각각 형성되고 중앙에 흡입구(13a)를 갖는 모터실(13)이 형성되며 상기 제2 압축실(12)에는 토출구(14)가 형성되어 이루어지는 밀폐용기(10)와, 상기 모터실(13)과 제1 압축실(11)의 입구측을 연통시켜 모터실(13)을 냉각시키면서 통과한 냉매가스를 제1 압축실(11)로 유도하는 제1 냉매유동관(80)과, 상기 제1 압축실(11)의 출구측과 제2 압축실(12)의 입구측을 연통시켜 제1 압축실(11)에서 1단압축된 냉매가스를 2단 압축시키기 위하여 제2 압축실(12)로 유도하는 제2 냉매유동관(90)과, 상기 모터실(13)의 내부에 장착되어 구동력을 발생시키는 구동모터(50)와, 그 구동모터(50)의 회전자(51)와 일체로 결합되어 회전함과 아울러 양단에는 상기 제1,제2 임펠러(20,30)가 각각 고정 결합되어 각 임펠러(20,30)를 회전시키는 회전축(41)과, 그 회전축(41)의 내부에 일정 간극을 두고 삽입됨과 아울러 양단이 고정되어 상기 회전축(41)과의 간극으로 유입되는 냉매가스에 의해 그 회전축(41)을 반경방향으로 지지하는 고정축(42)과, 상기 회전축(41)의 축방향 하중을 지지하기 위한 스러스트 베어링(70)을 포함하여 구성된다.

상기 회전축(41)은 중공형으로 형성되어 그 양단에 제1,제2 임펠러(20,30)가 일체로 압입되고, 그 중간부에는 전술한 바와 같이 구동모터(50)의 회전자(51)가 일체로 성형되거나 또는 열박음 등으로 압입되며, 그 구동모터(50)의 회전자(51)와 상기 제2 임펠러(30)의 사이에는 스러스트 베어링(70)의 내,외측지지판(71,72)이 장착된다.

상기 고정축(42)은 봉형으로 형성되어 회전축(41)의 내부에 소정 간극을 두고 삽입되어 그 간극으로 유입되는 냉매가스에 의해 가스베어링의 역할을 하면서 회전축(41)의 반경방향 하중을 지지하는 것으로, 그 양단이 제1,제2 임펠러(20,30)를 회전가능하게 관통하여 밀폐용기(10)의 제1,제2 압축실(11,12)에 구비된 별도의 고정부재(15)에 의해 고정된다.

여기서, 상기 회전축(41)의 내주면과 고정축(42)의 외주면이 형성하는 베어링면의 면적을 최소로 하기 위해 고정축(42)의 양측, 즉 구동모터(50)의 회전자(51)의 양쪽 외곽에 직경이 확대된 베어링부(142a)가 단차지게 각각 형성된다.

상기와 같은 본 발명에 의한 레이디얼 베어링이 구비된 터보 압축기의 일반적인 동작은 종래와 동일하다.

상기 구동모터(50)에 전원이 인가되면, 그 구동모터(50)가 작동함과 아울러 그 구동모터(50)의 구동력이 회전축(41)으로 전달되어 회전축(41)을 회전시키게 되고, 상기 회전축(41)의 회전에 의해 제1,제2 임펠러(20,30)가 회전을 하면서 냉매가스를 순차적으로 흡입 토출하여 1단,2단으로 압축을 하게 되는 것이다.

이때, 상기 흡입구(13a)를 통해 모터실(13)로 유입된 냉매가스의 일부 및 각 압축실로 유입된 냉매가스의 일부가 회전축(41)과 고정축(42) 사이의 간극으로 스며들게 되고, 이 간극으로 스며든 냉매가스는 회전축(41)의 내주면과 고정축(42)의 베어링부(42a)의 외주면 사이로 유입되어 회전축(41)과 고정축(42)이 일정 간극을 유지하도록 하여, 상기 회전축(41)의 고속회전시 그 내주면이 고정축(42)의 외주면에 부딪히지 않게 된다.

여기서, 상기 베어링부(42a)는 회전축이 각 부위에 따라 서로 다른 변형량을 갖는 점을 고려하여 적절한 위치에 형성되어져야 회전축(41)과 고정축(42)이 부딪히는 것을 방지할 수 있다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 회전축(41)에는 제1,제2 임펠러(20,30) 및 구동모터(50)의 회전자(51) 그리고 스러스트 베어링(미도시)의 내,외측지지판(미도시)이 일체로 결합되나, 그 중에서 회전자(51)에 압입되어 있는 마그네트(51a)로 인해 상기 회전자(51)가 가장 큰 원심력을 발생시키게 되어 회전축(41)을 변형시키게 되는 반면 각 임펠러(20,30)나 내,외측지지판(미도시)은 회전축(41)의 변형에 크게 작용하지는 않게 되므로, 상기 베어링부(42a)는 회전자(51)의 양측 외곽, 정확하게는 회전자(51)의 축방향 중심을 기준으로 하여 회전축(41)의 일단까지 길이(L1)의 2/5를 초과하는 길이(L2)에 형성되는 것이 바람직하다.

이를 보다 상세히 살펴보기 위하여 도 3이 제시되는데, 이는 스러스트 베어링의 내,외측지지판을 고려하지 않고 회전축의 좌우측이 대칭이라는 가정을 토대로 한 그래프이다.

이에 도시된 바와 같이, 회전축(41)의 길이를 40mm로 하고 분당회전수(rpm)를 47000으로 하여 회전시키게 되면, 그 회전축(41)의 중심에서 마그네트(51a)가 개재된 회전자(51)까지는 회전축(41)의 반경방향 변형량이 크게 증가하여 거의 8.00E-03에 다다르게 되나, 그 이후로는 급격하게 감소하여 약 15 ~ 17mm 사이에서 통상 가스베어링이 갖춰야 하는 동심도의 범위인 1.00E-03에 진입하게 되고, 이후 약 20mm 지점에서 상기 회전축(41)의 반경방향 변형량이 최소가 되었다가 그 후로는 거의 변화가 없이 미세하게 증가하게 됨을 알 수 있다.

이때, 상기 베어링부(42a)가 0 ~ 15mm 이내에 형성되면 도 4a에 도시된 바와 같이, 회전축(41)과 베어링부(42a)와의 간극이 지나치게 크게 되어 가스베어링의 역할을 하지 못하게 되면서 회전축(41)의 양단이 처져 고정축(42)과 부딪히게 되는 반면, 상기 베어링부(42a)가 약 20mm 지점을 훨씬 지나 거의 고정축(42) 양단부에 형성되면 도 4b에 도시된 바와 같이, 회전축(41)의 중앙부가 처지면서 고정축(42)과 부딪히게 된다.

따라서, 상기 베어링부(42a)는 회전자(51)의 축방향 중심을 기준으로 하여 양쪽으로 약 20mm 정도되는 지점에 형성되는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 터보 압축기의 레이디얼 베어링 구조는, 구동모터의 회전자가 중앙부에 일체되고 제1,제2 임펠러가 양단부에 일체되어 회전하는 회전축의 내부에 양단이 고정된 고정축이 일정 간극을 두고 삽입되며, 상기 회전자의 양쪽 외곽에서 회전축의 내주면과 가스베어링면을 이루도록 고정축의 양측에 직경이 확대된 베어링부가 각각 형성되되, 상기 베어링부는 회전자의 축방향 중심을 기준으로 하여 회전축의 일단까지 길이의 2/5를 초과하는 위치에 형성됨으로써, 상기 회전축의 고속회전시 그 회전축이 고정축에 부딪히는 것을 방지하여 안정적으로 회전할 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 구동모터의 회전자가 중앙부에 일체되고 제1,제2 임펠러가 양단부에 일체되어 회전하는 중공체로 된 회전축의 내부에 양단이 밀폐용기에 고정된 고정축이 일정 간극을 두고 삽입되며, 상기 회전자의 양쪽 외곽에서 회전축의 내주면과 함께 레이디얼 방향에 대한 가스베어링면을 이루도록 고정축의 외주면 양측에 직경이 확대된 베어링부가 각각 형성되는 터보 압축기의 레이디얼 베어링 구조에 있어서,

   상기 베어링부는 회전자의 축방향 중심을 기준으로 하여 회전축의 일단까지 길이의 2/5를 초과하는 위치에 형성하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기의 레이디얼 베어링 구조.