KR100390489B1 - 터보 압축기의 가스누설 저감구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보 압축기의 가스누설 저감구조에 관한 것으로, 본 발명은 회전모터의 가동자에 결합되는 구동축과,이 구동축에 결합하여 함께 회전하면서냉매가스를 원심 압축시키는 임펠러와, 이 임펠러의 날개 측면에 대응되어냉매가스의 유동을유도하는 슈라우드를 포함한터보 압축기에 있어서, 상기슈라우드의 표면에 임펠러의 회전방향과 반대방향으로 다수 개의 요철부를 형성하여 임펠러의 회전시 그 임펠러와 슈라우드 사이에서 냉매가스의 박리거품(separation bubble)이 발생되면서 상기한 임펠러의 날개 측면을 넘어 다음 날개쪽으로 누설되려는 냉매가스를 차단하도록함으로써, 상기 임펠러의 회전시 발생되는 후류가 상기한 요철부에서 박리거품층을 형성하게 되고, 이 박리거품층이 상기한 공극을 줄여 주게 되므로냉매가스가 임펠러의 날개측단을 넘어 누설되는 것이 현저하게 저감된다.

Description

터보 압축기의 가스누설 저감구조{STRUCTURE FOR REDUCING GAS LEAKAGE OF TURBO COMPRESSOR}

본 발명은 터보 압축기의 가스누설 저감구조에 관한 것으로, 특히 임펠러와 슈라우드 사이로냉매가스가 누설되는 것을 방지하는 터보 압축기의 가스누설 저감구조에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 기계적 에너지를 압축성 유체의 압축에너지로 변환시키는 것으로, 이러한 압축기는 크게 왕복동식 및 스크롤식 및 원심식(통상, 터보식이라고도 함) 그리고 베인식(통상, 회전식이라고도 함)으로 구분된다.

이 중에서 터보 압축기는 와류펌프와 같이 임펠러의 회전력을 이용하여 유체를 축방향으로 흡입하였다가 원심방향으로 토출시키면서 압축하는 것으로 통상 2단 압축식 터보 압축기가 알려져 있다. 이러한 터보 압축기는 건물의 중앙제어식 공기조화기와 같이 주로 대용량 터보 압축기가 사용되고 있었으나, 최근에는 일반 가정용 공기조화기에도 적용 가능한 소형 터보 압축기가 개발되고 있는 실정이다.

상기 터보 압축기는 임펠러(압축실)의 개수에 따라 1단,2단.. 등으로 구분되며, 상기 임펠러의 배열형태에 따라서도 백 투 백(back to back) 타입 또는 페이스 투 페이스 타입으로 구분될 수 있는데, 상기 백 투 백 타입은 임펠러의 배면이 서로 마주보도록 배열되는 것인데 반해 상기 페이스 투 페이스 타입은 임펠러의 흡입단이 서로 마주보도록 배열되는 것이다.

도 1은 종래 페이스 투 페이스 타입의 2단 압축식 소형 터보 압축기를 보인종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 종래의 2단 압축식 소형 터보 압축기는, 소정의 내부체적을 갖는 모터 케이싱(1)과, 그 모터 케이싱(1)의 양측에 복개되는 제1 베어링 플레이트(2A) 및 제2 베어링 플레이트(2B)와, 상기 제1 베어링 플레이트(2A)의 외측면에 장착되는 슈라우드 플레이트(3)와, 그 슈라우드 플레이트(3)의 외측면에 장착되는 제1 디퓨져 케이싱(4A)과, 상기 제2 베어링 플레이트(2B)의 외측면에 장착되는 베어링 커버(5)와, 그 베어링 커버(5)를 수용하여 상기한 제2 베어링 플레이트(2B)의 외주연에 장착되는 볼류트 케이싱(6)과, 그 볼류트 케이싱(6)의 외측면에 장착되는 제2 디퓨져 케이싱(4B)과, 상기 모터 케이싱(1)의 내부에 장착되는 구동모터(M)와, 그 구동모터(M)의 가동자(MR)에 압입되고 양단부가 상기한 제1 베어링 플레이트(2A) 및 제2 베어링 플레이트(2B)를 관통하는 구동축(7)과, 그 구동축(7)의 일단에 고정되고 상기한 슈라우드 플레이트(3)와 제1 디퓨져 케이싱(4A)으로 이루어지는 제1 압축실(Sc1)에 배치되는 제1 임펠러(8A)와, 상기 구동축(7)의 타단에 고정되고 상기한 볼류트 케이싱(6)과 제2 디퓨져 케이싱(4B)으로 이루어지는 제2 압축실(Sc2)에 배치되는 제2 임펠러(8B)와, 상기 제1 베어링 플레이트(2A) 및 제2 베어링 플레이트(2B)에 장착되어 구동축(7)의 반경방향을 지지하는 제1 레이디얼 베어링(9A) 및 제2 레이디얼 베어링(9B)과, 상기 제2 베어링 플레이트(2B)와 베어링 커버(5) 사이에 배치되어 구동축(7)의 축방향을 지지는 스러스트 베어링(10)을 포함하여 구성되어 있다.

상기 모터 케이싱(1)의 일측에는 흡입관(SP)이 연통되고, 상기 제1 베어링 플레이트(2A)에는 모터실(Sm)과 제1 압축실(Sc1)을 연통시키는 다수개의 제1 가스통로(2a)가 방사상 형성되며, 상기 제1 베어링 플레이트(2A)와 슈라우드 플레이트(3)의 사이에는 각각의 제1 가스통로(11)와 제1 압축실을 연통시키는 제1 흡입공간(Ss1)이 형성되고, 상기 제1 베어링 플레이트(2A) 및 모터 케이싱(1) 그리고 제2 베어링 플레이트(2B)에는 제1 압축실(Sc1)과 제2 압축실(Sc2)을 연통시키는 다수개의 제2 가스통로(12)가 방사상으로 형성되며, 상기 베어링 커버(5)와 볼류트 케이싱(6)의 사이에는 각각의 제2 가스통로(12)와 제2 압축실(Sc2)을 연통시키는 제2 흡입공간(Ss2)이 형성되고, 상기 볼류트 케이싱(6)에는 토출관(DP)이 연통되어 있다.

도면중 미설명 부호인 7A는 베어링부재이다.

상기와 같이 구성된 종래의 2단식 소형 터보 압축기는 다음과 같이 동작된다.

즉, 상기 구동모터(M)에 전원이 인가되면, 그 구동모터(M)의 가동자(MR)와 함께 구동축(7)이 레이디얼 베어링(9A,9B) 및 스러스트 베어링(10)에 의해 지지되어 회전을 하게 되고, 이와 함께 상기 구동축(7)의 양단에 고정된 제1 및 제2 임펠러(8A,8B)가 회전을 하게 된다. 이때, 상기 흡입관(SP)을 통해 모터 케이싱(1)으로 흡입되는 냉매가스는 제1 가스통로(11) 및 제1 흡입공간(Ss1)을 통해 제1 압축실(Sc1)로 흡입되어 제1 임펠러(8A)에 의해 1단 압축되고, 그 1단 압축된 가압축가스는 다수개의 제2 가스통로(12) 및 제2 흡입공간(Ss2)을 통해 제2 압축실(Sc2)로 흡입되어 제2 임펠러(8B)에 의해 2단 압축되며, 그 2단 압축된 압축가스는 볼류트케이싱(6)에 의해 모아져 토출관(DP)을 통해 토출되는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 터보 압축기에 있어서는, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 상기 슈라우드 플레이트(3) 및 볼류트 케이싱(6)의 슈라우드면(3a,6a)이 밋밋하게 형성되어 임펠러(8A,8B)의 각 날개(blade)를 하나씩 놓고 볼때 임펠러(8A,8B)의 회전방향에 대한 리딩면은 압축면이 되는 반면 그 팔로잉면은 흡입면이 되고 이로 인해 결국 두 면 사이에 압력차가 발생하게 되므로, 상기 임펠러(8A,8B)의 회전시 그 임펠러(8A,8B)의 날개측단과 슈라유드 사이의 공극을 통해 냉매가스가 날개측단을 넘어 압축면에서 흡입면쪽으로 누설되는 경향이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 터보 압축기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 상기 임펠러의 날개측단과 슈라우드 사이의 공극은 유지하면서도 이 공극으로 냉매가스가 누설되는 것을 저감시킬 수 있는 터보 압축기의 가스누설 저감구조를 제공하려는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 터보 압축기의 일례를 보인 종단면도.

도 2a는 도 1의 "A"부를 보인 종단면도.

도 2b는 도 2a의 "Ｉ-Ｉ"선 단면도.

도 3은 종래 터보 압축기에서 슈라우드면과 임펠러의 날개측단 사이로냉매가스가 누설되는 과정을 보인 종단면도.

도 4는 본 발명 터보 압축기의 일례를 보인 종단면도.

도 5a는 도 4의 "B"부를 보인 종단면도.

도 5b는 도 5a의 "Ⅱ-Ⅱ"선 단면도.

도 6은 본 발명 터보 압축기에서 슈라우드면과 임펠러의 날개측단 사이로냉매가스가 누설되는 과정을 보인 종단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

8B : 임펠러 100 : 볼류트 케이싱

110 : 슈라우드면 111 : 그루브

112 : 그루브 사이의 돌부 112a : 리딩면

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 회전모터의 가동자에 결합되는 구동축과,이 구동축에 결합하여 함께 회전하면서냉매가스를 원심 압축시키는 임펠러와, 이 임펠러의 날개 측면에 대응되어냉매가스의 유동을유도하는 슈라우드를 포함한터보 압축기에 있어서, 상기슈라우드의 표면에 임펠러의 회전방향과 반대방향으로 다수 개의 요철부를 형성하여 임펠러의 회전시 그 임펠러와 슈라우드 사이에서 냉매가스의 박리거품(separation bubble)이 발생되면서 상기한 임펠러의 날개 측면을 넘어 다음 날개쪽으로 누설되려는 냉매가스를 차단하도록 하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기의 가스누설 저감구조가 제공된다.

이하, 본 발명에 의한 터보 압축기의 가스누설 저감구조를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명 터보 압축기의 일례를 보인 종단면도이고, 도 5a는 도 4의 "B"부를 보인 종단면도이며, 도 5b는 도 5a의 "Ⅱ-Ⅱ"선 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 가스누설 저감구조가 구비된 터보 압축기는, 구동축(7)의 양단에 제1 임펠러(도 1에 도시) 및 제2 임펠러(8B)의 흡입단이 서로 마주보도록 장착되는 것으로, 모터 케이싱(1)의 양측에 복개되는 제1 베어링 플레이트(도 1에 도시) 및 제2 베어링 플레이트(2B)의 각 외측면에 슈라우드 플레이트(도 1에 도시) 및 볼류트 케이싱(100)이 장착되고, 그 중 슈라우드 플레이트(도 1에 도시)의 외측면에는 그 슈라우드 플레이트와 함께 제1 압축실(도 1에 도시)을 형성하는 제1 디퓨져 케이싱(도 1에 도시)이 장착되며, 상기 볼류트 케이싱(100)의 외측면에는 그 볼류트 케이싱(100)과 함께 제2 압축실(Sc2)을 형성하는 제2 디퓨져 케이싱(4B)이 장착되고, 상기 제1 압축실 및 제2 압축실(Sc2)에는 상기한 제1 임펠러 및 제2 임펠러(8B)가 각각 삽입되며, 상기 제1 베어링 플레이트 및 제2 베어링 플레이트(2B)에는 제1 레이디얼 베어링(도 1에 도시) 및 제2 레이디얼 베어링(9B)이 장착되고, 상기 제2 베어링 플레이트(2B)의 외측면과 베어링 커버(5) 사이에는 스러스트 베어링(10)이 장착되어 구성된다.

상기 슈라우드 플레이트(도 1에 도시)의 관통구멍 내주면 및 볼류트 케이싱(100)의 관통구멍 내주면은 각각 제1 임펠러의 날개측단 및 제2 임펠러(8B)의날개측단에 대응되어 냉매가스의 흡입을 유도하는 슈라우드면(110)이 형성되는데, 그 각각의 슈라우드면(도 1에 도시,110)에 임펠러(도 1에 도시,8B)의 회전방향과 반대방향으로 요철부를 이루도록 그루브(groove)(미도시,111)가 형성된다.

상기 그루브(미도시,111)는 그 그루브에 대응하는 임펠러(도 1에 도시,8B)의 날개와 동일한 커브(curve)를 갖도록 형성되고, 상기 각 그루브(미도시,111) 사이의 돌부(미도시,112)는 그 리딩면(미도시,112a)이냉매가스의 유동방향으로 경사지게 형성되는 것이 바람직하다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

상기와 같은 본 발명 가스누설 저감구조가 구비된 터보 압축기의 일반적인 동작은 종래와 동일하다.

즉, 상기 구동모터(M)에 전원이 인가되면, 그 구동모터(M)의 가동자(MR)와 함께 구동축(7)이 레이디얼 베어링(도 1에 도시,9B) 및 스러스트 베어링(10)에 의해 지지되어 회전을 하게 되고, 이와 함께 상기 구동축(7)의 양단에 고정된 제1 및 제2 임펠러(8B)가 회전을 하게 되며, 상기 냉매가스는 모터 케이싱(1)을 거쳐 제1 압축실로 흡입되었다가 제1 임펠러에 의해 1단 압축되고, 그 1단 압축된 가압축가스는 다시 제2 압축실(Sc2)로 흡입되어 제2 임펠러(8B)에 의해 2단 압축되면서 토출된다.

이때, 상기 임펠러(8B)의 회전시 발생되는 후류가 슈라우드면(미도시,110)에 구비된 요철부(그루브)(미도시,111)에 의해 박리거품(separation bubble)을 발생시키게 되는데, 이 박리거품은 통상 임펠러의 회전운동에 대하여는 방해하지 않으면서 임펠러(도 1에 도시,8B)와 슈라우드면(미도시,110) 사이의 공극은 좁혀주는 역할을 하게 되어 상기 임펠러(도 1에 도시,8B)의 날개측단을 넘어 각 날개의 압축면에서 흡입면으로 누설되려는 냉매가스를 가로막게 되므로 그 누설량이 현저하게 감소된다.또, 요철부(111)의 형성방향을 임펠러(8B)와 반대방향으로 형성함에 따라냉매가스의 이동방향과 이에 반하는 요철부(111)의 충돌각도가 더욱 날카로워져 박리거품을 효과적으로 발생시킬 수 있다.또, 임펠러(111)의 회전방향으로 요철부의 돌기(112)에 경사지게 리딩면(112a)을 형성함에 따라 임펠러(8B)의 회전시 유체저항을 최소화할 수 있다.

본 발명에 의한 터보 압축기의 가스누설 저감구조는, 회전모터의 가동자에 결합되는 구동축에냉매가스를 원심 압축시키는 임펠러가 장착되고, 그 임펠러의 날개측단에 대응되어 유체유동을 유도하는 슈라우드가 구비되되, 상기 슈라우드의 표면에 임펠러의 회전방향과 반대방향으로 요철부를 형성함으로써, 상기 임펠러의 회전시 발생되는 후류가 상기한 요철부에서 박리거품층을 형성하게 되고, 이 박리거품층이 상기한 공극을 줄여 주게 되므로냉매가스가 임펠러의 날개측단을 넘어 누설되는 것이 현저하게 저감된다.

Claims (3)

1. 회전모터의 가동자에 결합되는 구동축과,이 구동축에 결합하여 함께 회전하면서냉매가스를 원심 압축시키는 임펠러와, 이 임펠러의 날개 측면에 대응되어냉매가스의 유동을유도하는 슈라우드를 포함한터보 압축기에 있어서,

   상기슈라우드의 표면에 임펠러의 회전방향과 반대방향으로 다수 개의 요철부를 형성하여 임펠러의 회전시 그 임펠러와 슈라우드 사이에서 냉매가스의 박리거품(separation bubble)이 발생되면서 상기한 임펠러의 날개 측면을 넘어 다음 날개쪽으로 누설되려는 냉매가스를 차단하도록 하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기의 가스누설 저감구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 요철부는 그 요철부에 대응하는 임펠러의 날개와 동일한 커브(curve)를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기의 가스누설 저감구조
3. 제2항에 있어서, 상기 요철부의 돌부는 임펠러의 회전시 그 후류에 대한 리딩면이냉매가스의 유동방향으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기의 가스누설 저감구조.