KR100411310B1

KR100411310B1 - 원심 압축기

Info

Publication number: KR100411310B1
Application number: KR10-1999-0034522A
Authority: KR
Inventors: 하세가와가즈미쯔; 호까리다까시; 오자끼신이찌; 마지마간지
Original assignee: 이시가와지마 하리마 쥬우고오교 가부시끼가이샤
Priority date: 1998-08-21
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2003-12-18
Also published as: EP0982502A3; DE69932206D1; US6234749B1; EP0982502B1; EP0982502A2; KR20000017408A; DE69932206T2

Abstract

본 발명의 원심 압축기(1)는 단일 회전축(5), 상기 회전축(5)의 양단에 각각 설치된 전단측과 후단측 임펠러(2, 3) 및 상기 임펠러들을 수용하기 위한 케이싱(4)으로 이루어진다. 공기통로(35)는 전단측 임펠러(2)에서 가압된 공기를 후단측 임펠러(3)로 안내하기 위해 제공된다. 마모층(34)은 케이싱의 내벽(4)에 설치되고 후단측 임펠러(3)에 의해 절삭된다. 상기 마모층(34)은 후단측 임펠러에 인접한 케이싱 내벽에 설치할 때 그 효과가 크기 때문에 고가의 마모층(34)은 후단측 임펠러(3)에 인접한 케이싱 내벽에만 설치한다.

Description

원심 압축기{Centrifugal Compressor}

발명의 분야

본 발명은 원심 압축기에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 압축기 케이싱의 내벽에 위치하고 회전 임펠러에 의해 절삭되는 마모층(abradable layer)을 구비한 원심 압축기에 관한 것이다.

발명의 배경

여러 종류의 원심 압축기들이 당해 기술분야에 공지되어 있다. 그 중 한가지 형태의 원심 압축기는 케이싱, 이 케이싱에 수용된 임펠러 그리고 케이싱의 내벽에 위치하고 케이싱내에서 회전하는 임펠러에 의해 절삭되는 마모층을 포함하고 있다. 압축기가 작동할 때 임펠러가 회전하기 때문에 임펠러와 마모층과의 간극(clearance)은 가급적 최적치로 조절되어 있다. 이러한 형태의 원심 압축기는 작동효율을 향상시킬 수 있다. 그러한 원심 압축기는 예컨대 일본특허 공개번호 제6-257454호(1994년 9월 13일 발행)에 개시되어 있다.

다른 종류의 종래의 원심 압축기가 첨부하는 도6에 도시되어 있는데, 이것은 케이싱(64)과, 공통 회전축(65)의 양쪽에 설치된 2개의 임펠러(62, 63)로 구성된 다단원심 압축기(61)이다. 상기 원심 압축기(61)에 일본특허 공개번호 제6-257454호의 기술을 적용하면, 2개의 마모층(도시안됨)이 양쪽의 임펠러(62, 63)에 인접한 케이싱 내벽(66, 67)에 각각 설치될 수 있다.

그러나 고가인 마모층을 2개의 임펠러(62, 63)에 인접한 케이싱 내벽에 각각 설치하는 것은 압축기(61)의 제조원가를 상승시킨다.

더욱이 상기 일본특허 공개번호 제6-257454호에는 임펠러(62, 63)의 전단부(72)에서 후단부(79)까지의 전체 범위에 마모층이 설치되어 있음을 알 수 있다.

본 발명의 목적은 비용절감과 효율향상을 동시에 달성할 수 있는 다단 원심 압축기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 서지한계의 저유량측으로의 확대와 압축효율의 향상을 동시에 달성할 수 있는 원심 압축기를 제공하는데 있다.

본 발명의 상기의 목적 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 내용을 하기에 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 다단(multi-stage) 원심 압축기의 단면도이다.

도2는 도1에 도시한 압축기의 부분 확대 단면도이다.

도3은 본 발명의 제2실시예에 따른 원심 압축기의 단면도이다.

도4a는 도3에 도시한 압축기의 부분 확대 단면도이다.

도4b는 도4a에 도시한 압축기의 정면 단면도이다.

도5는 압축효율과 서지제한(surge limit)에 대한 마모층의 효과를 알아내기 위하여 실시한 실험결과를 나타내는 그래프이다.

도6은 종래의 다단 원심 압축기의 개략적인 단면도이다.

도7a는 도6에 도시한 압축기의 부분 확대 정면 단면도로서, 특히 1개의 임펠러와 인접하는 케이싱 내벽을 나타낸다.

도7b는 도7a에 대응하는 압축기의 측면 횡단면도이다.

도8은 도6에 도시한 압축기의 부분 확대 단면도로서, 특히 2개의 임펠러와 인접하는 케이싱 내벽을 나타낸다.

* 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 *

1 : 원심 압축기 2 : 전단측 임펠러

3 : 후단측 임펠러 4 : 케이싱

5 : 회전축 6 : 구동모터

7 : 큰 기어 8 : 피니언

20 : 인듀서 블록 34 : 마모층

35 : 공기통로 101 : 임펠러

102 : 전단부 103 : 임펠러 블레이드

104 : 케이싱 내벽 107 : 원심 압축기

109 : 디퓨저 112 : 후단부

113 : 마모층

본 발명의 제1실시예에 따른 원심 압축기는 단일 회전축과, 이 회전축에 부착된 복수개의 임펠러와, 전단측(upstream) 임펠러에 의해 압축된 공기를 후단측(downstream) 임펠러로 유입시키기 위한 공기통로와, 복수개의 임펠러를 수용하는 케이싱으로 이루어지며, 후단측 임펠러와 대향하는 부분에 위치하고 상기 임펠러에 의해 절삭되는 마모층이 상기 케이싱에 설치된 것을 특징으로 한다. 이러한 압축기는 1축 다단 원심 압축기이다. 상기 마모층은 후단측 임펠러에 인접한 케이싱 내벽에 설치할 때는 그 효과가 크지만 전단측 임펠러에 인접한 케이싱 내벽에 설치하면 그 효과가 크지 않기 때문에 마모층은 후단측 임펠러에 인접한 케이싱 내벽에만 설치한다. 모든 임펠러들에 마모층을 설치한 원심 압축기와 비교할 때, 본 발명에 따른 압축기는 거의 동일한 효율을 발휘하면서 제조원가를 절감할 수 있다. 마모층이 고가이기 때문에 전단측 임펠러에 인접한 케이싱 내벽에서 마모층을생략함으로써 원가절감에 기여한다.

본 발명자들은 마모층이 설치된 다단 원심 압축기를 실험한 결과, 후단측 임펠러에 인접한 케이싱 내벽에만 마모층을 설치해도 충분하다는 사실을 밝혀냈다. 즉, 전단측 임펠러에 인접한 케이싱 내벽에는 마모층을 설치할 필요가 없는 것이다.

도6에 개시된 바와 같이, 임펠러(62, 63)가 공통축(65)에 설치되어 있기 때문에 전단측 임펠러(62)의 회전속도와 후단측 임펠러(63)의 회전속도는 동일하다. 따라서 임펠러(63)의 체적유량(volumetric flow rate)은 임펠러(62)의 체적유량보다 작다. 그 결과, 도8에 개시된 바와 같이 후단측 임펠러(63)의 출구폭(W2)이 전단측 임펠러(62)의 출구폭(W1)보다 작게 된다. 임펠러의 출구폭(W)이 작게 되면, 임펠러 케이싱 사이의 간극(δ)은 상대적으로 크게 된다. 따라서 임펠러의 출구폭(W)에서의 간극(δ)에 의한 누설의 영향을 표시하는 비율(δ/W)은 δ₁=δ₂일 경우, 후단측 임펠러(63)가 전단측 임펠러보다 크게 된다.

따라서 본 발명자들은 간극(δ)에 의한 누설의 영향이 후단측 임펠러(63)에서는 비교적 크고 전단측 임펠러(62)에서는 비교적 적기 때문에 후단측 임펠러(63)에 인접한 케이싱 내벽에만 마모층을 설치해도 효율을 향상시키기가 충분하다는 결론에 도달했다. 또한 고가인 2개의 마모층 중에 1개를 생략함으로써 제조원가를 절감할 수 있음은 물론이다.

도6를 참고하면 회전축(65)은 진동을 억제하거나 다른 이유로 축방향으로 다소의 슬라이드를 허용하도록 베어링(69)으로 지지되어 있다. 임펠러(62, 63)를 회전축(65)의 양단에 대향되게 부착하면, 후단측의 임펠러(63)를 통과하는 고속 공기흐름에 의해 임펠러(63)가 케이싱 내벽(67)으로 당겨져서 회전축(65)이 허용범위내에서 도면의 우측으로 이동한다.

이 때문에 전단측 임펠러(62)에 인접하는 케이싱(64)의 내벽(66)에 마모층을 설치하더라도 운전중에 회전축(65)이 우측으로 이동하여 임펠러(62)가 마모층에서 이격되기 때문에 임펠러(62)가 마모층과 접촉하지 않는 상태로 회전한다. 이와 반대로 후단측 임펠러(63)는 작동시 케이싱 내벽(67)을 강제로 누르기 때문에 이러한 마모층은 그 효과가 크게 나타난다.

상술한 바와같이 마모층을 후단측 임펠러(63)에 인접한 케이싱 내벽에만 설치하여도 효율을 향상시키기에 충분하다고 할 수 있다.

상기 압축기는 2개의 임펠러만을 갖고 있으며, 이들 임펠러는 서로 대향으로 공통축에 설치되며, 마모층은 하나의 후단측 임펠러에 인접한 케이싱 내벽에만 설치될 수 있다. 회전축은 케이싱에 대하여 임의의 범위(즉, 0.2 ㎚)내에서 축방향으로 슬라이드 할 수 있도록 설치된다.

피니언은 회전축에 설치되고 큰 기어는 피니언에 맞물려 설치되며, 구동모터는 큰 기어를 작동시키기 위해 설치되어 있다.

압축기 케이싱은 후단측 임펠러에 대하여 흡입공기 통로를 형성하는 인듀서 블록(inducer block)을 포함하고 있으며, 이 인듀서 블록의 선단에 마모층이 설치된다. 이러한 마모층은 테프론(Teflon)에 석영(silica)이나 운모(mica)를 혼합하여 제조될 수 있다.

본 발명의 제2실시예에 따르면, 임펠러를 수용하는 케이싱의 내벽에 임펠러 블레이드에 의해 절삭되는 마모층을 설치한 원심 압축기에 있어서, 임펠러 블레이드의 전단부에서 후단부까지의 길이에 대응하는 케이싱 내벽의 길이를 M으로 하고, 임펠러 블레이드의 전단부에서 임의의 위치까지의 길이에 대응하는 케이싱 내벽의 길이를 m으로 할 때, M-m의 범위에 마모층을 설치하여 M과 m이 0.2m/M0.4를 만족하도록 하는 것을 특징으로 한다.

이와같이 설계함으로써 임펠러 블레이드의 전단부 부근에는 마모층이 설치되지 않는다. 특히 임펠러 블레이드의 길이를 100%라고 할 경우, 임펠러 블레이드의 전단부에서 20∼40% 범위에는 마모층이 없기 때문에 케이싱 내벽과 임펠러 블레이드 사이에 임의의 간극(0.2∼0.4 ㎜)이 형성된다. 한편 임펠러 블레이드의 전단부에서 떨어진 경우에는 마모층이 설치된 케이싱 내벽과 임펠러 블레이드 사이의 간극은 거의 0으로 된다. 이에 따라 간극흐름이 임펠러 블레이드의 전단부 부근에서는 발생하지만 임펠러 블레이드의 후단부에서 임의의 거리가 떨어진 곳에서는 간극흐름이 일어나지 않게 된다. 이러한 구조로 인해 서지한계의 저유량측으로의 확대 및 효율향상이 동시에 달성될 수 있다.

본 발명자들은 상기 구조로 부터 다음과 같은 사실을 밝혀냈다. 도6과 함께 첨부도면 도7a와 도7b를 참조하면, 임펠러 블레이드(73)가 전단부(72)에서 후단부(73)까지 전체범위에 설치된 경우, 케이싱 내벽(66, 67)과 임펠러 블레이드(73)사이로 흘러가는 임펠러 블레이드(73)측의 공기 흐름(75)(이하 "간극흐름"이라 한다)은 블레이드 전단부(72) 부근에서 간섭을 받게 된다. 이 경우 서지한계를 저유량측으로 확대하기 어렵다.

간극흐름(clearance flow)이란 임펠러 블레이드(73)의 압력면(73a)측의 공기의 일부가 화살표(75)로 표시한 것처럼 블레이드(73)와 케이싱 내벽(66, 67)과의 사이에 형성된 간극을 통하여 임펠러 블레이드(73)의 흡입면(73b)측으로 흘러 들어가는 현상을 말한다. 간극흐름(75)에 의해 가상선(76)으로 표시한 것처럼 흡입면(73b)측의 유로가 좁아지기 때문에 주류의 유속이 빨라져서 박리가 억제된다. 따라서 간극흐름에 의해 서지 한계를 저유량측으로 확대할 수 있다.

마모층이 임펠러 블레이드(73)의 전단부(72)에서 후단부(79)까지 전체 범위에 설치된 경우에는, 임펠러(62, 63)의 전단부(72) 부근의 간극이 거의 0으로 되기 때문에 간극흐름이 거의 발생하지 않는다. 이 경우에는 서지한계를 저유량측으로 확대하는 것도 어렵다.

마모층이 없을 경우에는 도7a와 도7b에 개시된 바와 같이 임펠러 블레이드(73)와 케이싱 내벽(66, 67) 사이에 임의의 간극이 형성되므로 화살표(75)로 표시한 간극흐름이 발생하여 서지한계가 낮아진다. 그러나 이러한 간극흐름은 일종의 누설이므로 압축효율의 저하가 불가피하다.

따라서 본 발명에서는 임펠러 블레이드의 전단부 부근에 마모층을 설치하지 않고 후단부에 설치한 것이다.

마모층은 후단부의 케이싱 내벽면에 설치된다. 마모층은 테프론(Teflon)에 석영(quartz)이나 운모(mica)를 혼합하여 제조된다.

디퓨저는 마모층의 후단부에 설치될 수 있다.

본 발명의 실시예를 첨부도면 도1 내지 도5를 참조하여 다음에 상술한다.

제1실시예

본 발명에 따른 제1실시예에 대하여 도1과 도2를 참조하여 설명한다.

도1에 개시된 바와 같이, 2단 원심압축기(1)는 케이싱(4)과, 이 케이싱(4)에 수용된 2개의 임펠러(2, 3)를 포함한다. 케이싱(4)의 내부에는 회전축(5)이 베어링(13)에 의해 지지되어 있다. 회전축(5)은 진동을 억제하는 등의 이유로 축방향으로 약간(약 0.2㎜)의 슬라이딩을 허용하도록 지지된다. 회전축(5)의 중간부에는 피니언(8)이 설치되고 이 피니언(8)은 지름이 큰 기어(7)와 맞물려 있다. 지름이 큰 기어(7)는 모터(6)에 의해 구동된다. 모터(6)의 회전력은 지름이 큰 기어(7)와 피니언(8)을 통해 차례로 전달되어 회전축(5)을 회전시킨다.

회전축(5)의 양쪽에는 제1(또는 전단측) 임펠러(2)와 제2(또는 후단측) 임펠러가 서로 대향으로 부착되어 있다. 각각의 임펠러(2, 3)는 원추형의 로터(9, 10)와, 로터(9, 10)에 방사상으로 부착된 복수개의 블레이드(11, 12)로 되어있다. 블레이드(11, 12)는 도2의 우측에 도시된 바와 같이 풀(full) 블레이드와 하프(half) 블레이드가 서로 교대로 설치될 수 있고, 도2의 좌측에 도시된 바와같이 풀 블레이드 만으로 구성되어도 좋다.

케이싱(4)은 도1에 개시된 바와같이 그 내부에 베어링(13)이 설치된 중앙블록(14)과, 중앙블록(14)의 장착구멍(15)에 좌측에서 끼워 넣는 제1블록(16)과, 중앙블록의 장착구멍(17)에 우측에서 끼워 넣는 제2블록(18)과, 우측블록(18)의 장착구멍(19)에 우측에서 끼워 넣는 인듀서 블록(20)으로 구성된다. 각 블록(16, 18, 20)은 각각 단차부(21, 22, 23)에 의해 위치가 정해진다.

중앙블록(14)과 좌측블록(16)은 전단측 압축기(24)의 인듀서(25), 제1임펠러(2)에 대향하는 케이싱 내벽(26), 디퓨저(27) 및 스크롤실(28)의 경계를 형성한다. 이와 마찬가지로 중앙블록(14), 우측블록(18) 및 인듀서 블록(20)은 후단측 압축기(29)의 제2인듀서(30), 제2임펠러(3)에 대향하는 케이싱 내벽(31), 제2디퓨저(32) 및 스크롤실(33)의 경계를 형성한다.

도2의 좌측에 도시된 바와 같이, 전단측 임펠러(2) (블레이드(11))와 이에 대향하는 케이싱 내벽(26)과의 사이에는 약 0.2㎜ 정도의 간극(δ₁)이 형성되어 있다. 상기 케이싱 내벽(26)에는 마모층이 설치되어 있지 않다. 한편, 도2의 우측에 도시된 바와 같이 우측 임펠러(3) (블레이드(12))와 이에 대향하는 케이싱 내벽(31)과의 사이의 간극(δ₂)은 거의 0으로 설정된다. 이 케이싱 내벽(31)에는 마모층(34)이 설치된다.

마모층(34)은 예컨대 테프론에 석영이나 마이카를 혼합하여 제조된다. 마모층(34)는 블록형태를 이루며, 인듀서 블록(20)의 선단 (도면의 좌측단)에 설치된다. 이러한 마모층(34)은 처음에 우측 임펠러(3)의 블레이드(12)와 가볍게 접촉할 수 있는 형상을 갖는다. 원심 압축기(1)가 작동하면, 임펠러 블레이드(12)의 회전에 의해 마모층(34)이 절삭되어 이 마모층(34)이 임펠러 블레이드(12)에 일치하는형상을 갖게 됨으로써 간극(δ₂)이 거의 0으로 된다.

다음에 원심 압축기(1)의 작용에 대하여 설명한다.

공기는 제1압축기(24)의 인듀서(25)로 흡입되어 임펠러(2)에 의해 가속되고 디퓨저(27)에 의해 압력(가압공기)으로 변환된다. 이러한 가압공기는 스크롤실(28)에 의해 정류된 후에 공기통로(35)를 통해 제2압축기(29)의 인듀서(30)로 유입된다. 제2압축기(29)의 임펠러(3)에 의해 더욱 더 가압된 공기는 제1압축기(24)에서와 동일한 방식으로 디퓨저(32)와 스크롤실(33)을 통해 배출된다.

단일 회전축(5)에 2개의 임펠러(2, 3)가 설치되므로 각 단의 임펠러(2, 3)의 회전수가 동일하게 된다. 따라서 후단측 임펠러(3)의 체적유량이 전단측 임펠러(2)의 체적유량보다 작게되어, 도2에 개시된 바와 같이 후단측 임펠러(3)의 출구폭(W2)이 전단측 임펠러(2)의 출구폭(W1)보다 작게 된다.

임펠러 출구폭(W)이 작게 되면, 임펠러 케이싱 사이의 간극(δ)이 상대적으로 크게 된다. 이로 인해 임펠러 출구폭(W)에서의 간극(δ)으로 인한 누설의 영향을 표시하는 비율(δ/W)이 δ₁=δ₂인 경우 후단측 임펠러가 전단측 임펠러보다 크게 된다.

따라서 본 실시예에서는 간극(δ₁)보다 간극(δ₂)에 의한 누설의 영향이 큰 후단측 압축기(29)에만 마모층(34)을 설치하고, 간극(δ₁)에 의한 누설이 영향은 비교적 작기 때문에 전단측 압축기(24)에는 마모층을 설치하지 않는다.

전술한 바와 같이, 회전축(5)은 진동을 억제하는 등의 이유로 축방향으로 약간(0.2㎜정도) 이동할 수 있도록 설치되어 있다. 따라서 도1과 같이 단일 축(5)의 양단에 2개의 임펠러(2, 3)를 대향되게 설치하면, 후단측 임펠러(3)를 통과하는 고속공기 흐름에 따라 임펠러(3)가 케이싱 내벽측(특히, 마모층(34))으로 끌어당겨져서 회전축(5)이 임의의 범위내에서 도면의 우측으로 이동한다.

따라서 제1임펠러(2)에 대향하는 케이싱 내벽(26)에 마모층을 설치할 지라도 운전중에 축(5)이 우측으로 이동함으로써 임펠러(2)가 마모층에서 이격되기 때문에 임펠러(2)가 회전할 때 마모층에 접촉하거나 마모층을 절삭하지 않게 된다. 이에 반해 제2압축기(29)의 임펠러(3)는 케이싱 내벽(31)을 강제로 누르기 때문에 마모층(34)은 적절히 그 기능을 발휘하게 된다.

이상의 관점에서도 마모층(34)은 제2압축기(29)에만 설치된다.

본 실시예에서는 1축 2단 원심 압축기(1)가 2개의 압축기(24, 29)를 갖고 있으나, 마모층의 설치효과가 압축기(24)보다는 제2임펠러(3)가 훨씬 크므로 마모층(34)은 제2압축기(29)에만 설치한다. 2개의 압축기(24, 29)에 모두 마모층을 설치한 압축기와 비교할 때, 본 발명에 따른 압축기(1)는 거의 효율저하 없이도 제조원가가 절감될 수 있다. 왜냐하면 마모층은 고가이므로 2개의 마모층에서 1개를 생략하는 것은 제조원가 절감에 크게 기여한다.

이상 설명한 바와같이 본 발명에 따른 원심 압축기(1)에 의하여 원가절감 및 효율향상을 동시에 실현할 수 있다.

제2실시예

본 발명에 따른 다른 실시예에 대하여 도3 내지 도5를 참조하여 다음에 설명한다.

우선 도3을 참조하면, 공기를 압축하기 위한 원심 압축기(107)는 모터(도시안됨) 등에 의해 구동되는 임펠러(101), 임펠러(101)를 수용하는 케이싱(104), 케이싱(104)에 공기를 유입하기 위한 흡입관(108), 임펠러(101)에서 배출된 공기를 감속하기 위한 디퓨저(109) 및 디퓨저(109)에서 배출된 공기를 정류하여 후단측으로 흐르게 하는 스크롤실(110)을 포함하고 있다.

임펠러(101)는 원추 형상의 로터(111)와, 이 로터(111)에 방사상으로 설치된 복수개의 블레이드(103)로 되어있다. 케이싱(104)은 소정의 간극(CL1)을 두고 임펠러(101)를 수용할 수 있도록 거의 원추 형상을 이루고 있다. 본 실시예에서는 상기 간극(CL1)을 대략 0.2∼0.4㎜로 설정한다. 디퓨저(109)는 베인(vane)이 부착되거나 베인이 없더라도 좋다.

본 실시예의 주된 특징은 마모층(113)이 임펠러 블레이드(103)에 대응하는 케이싱 내벽(103)에 설치되고, 상기 임펠러 블레이드(103)의 전단부(102)에서 후단부(112)까지의 길이에 대응하는 케이싱 내벽(104)의 길이를 M으로 하고, 임펠러 블레이드(103)의 전단부(102)에서 임의의 위치까지의 길이에 대응하는 케이싱 내벽(104)의 길이를 m으로 할 때, 상기 마모층(113)이M-m의 범위에 설치되어 M과 m이 다음 등식 0.2m/M0.4를 만족하도록 하는 것이다.

즉, 임펠러 전단부(102)측에는 마모층이 설치되지 않는다. 특히 임펠러 전단부(102)에서 후단부(112)까지의 전체범위를 100%라고 하면, 임펠러 전단부(102)에서 20%∼40%의 범위에는 마모층(113)을 설치하지 않는다. 이 범위에서는 케이싱 내벽(104)과 임펠러 블레이드(103)사이에 대략 0.2∼0.4㎜의 간극(CL1)이 형성된다. 마모층(113)은 비교적 후단측의 나머지 범위에만 설치되므로 마모층(113)과 임펠러 블레이드(103)사이의 간극(CL2)은 거의 0으로 된다. 도3에서는 간극(CL2)이 과장된 방법으로 표시되었을 뿐이다.

임펠러의 전단부(102)에 간극(CL1)이 형성된으로써 도4A 및 도4B에 표시된 바와 같이 임펠러 블레이드(103)에 발생한 간극흐름(105)이 m의 범위에서 확보된다. 한편 간극(CL2)은 거의 0으로 되므로 M-m의 범위에서는 간극흐름이 발생하지 않는다.

마모층(113)은 예컨대 테프론에 석영이나 운모를 혼합하여 제조된다. 압축기(107)의 운전시점에서는 제2간극(CL2)을 0으로 설정하지만 운전중에는 마모층(113)이 임펠러(101)의 회전 블레이드(103)에 의해 절삭되므로 임펠러(101)와 일치하는 형상을 이루게 된다. 이에 따라 간극(CL2)은 거의 0으로 유지된다. 마모층(113)의 후단부(114)는 케이싱 내벽면과 공유면을 이루며 박리(separation) 현상을 방지하기 위하여 디퓨저(109)에 원활하게 접속된다. 한편 마모층(113)의 전단부(115)는 케이싱 내벽(104)에서 약간 돌출한다. 본 실시예에서는 마모층(113)의 전단부(115)가 단차상으로 형성되어 있으나 박리를 방지할 수 있는 경사면을 갖는 것이 좋다.

다음에 본 발명에 따른 원심 압축기(107)의 작용을 설명한다.

임펠러(101)의 전단부(102)측에 있어서는 임펠러(101)와 케이싱 내벽사이에 간극(CL1)이 존재하므로 서지한계를 저유량측으로 확대시키는 간극흐름(105)이 간극(CL1)을 통해 발생한다. 한편 임펠러(101)의 다른 범위에 있어서는 임펠러(101)와 마모층(113)사이(마모층이 형성된 케이싱 내벽)에는 거의 간극이 없으므로 압축기(107)의 압축효율(단열효율)을 저해하는 누설흐름(간극흐름)이 간극(CL2)을 통해서는 발생하지 않는다. 이러한 2가지의 현상의 장점을 채택함으로써 본 발명은 서지한계의 저유량측으로의 확대와 효율향상을 동시에 실현할 수 있다.

간극흐름(105)이 발생하면, 도4a와 도4b에서 가상선(106)으로 표시한 것처럼 흡입면(103b)측의 유로(air flow path)가 좁아지기 때문에 임펠러(101)로 향하는 주류의 유속이 높아져서 박리현상이 억제되고 서지한계가 저유량측으로 확대된다.

마모층(113)의 존재로 인해 제2간극(CL2)이 거의 0으로 되기 때문에 임렐러 전단부(102)에서 흘러 블레이드(103)의 압력면(103a)을 따라 진행하면서 가속되는 공기가 블레이드 흡입면(103b)에서 누설되는 것을 방지할 수 있다. 가속 공기의 누설이 방지됨으로써 압축효율(단열효율)의 저하를 회피할 수 있다.

따라서 본 발명에 의해 서지한계의 저유량측으로의 확대와 효율의 향상을 동시에 활성할 수 있다. 본 발명자들은 이러한 사실을 실험을 통해 확인했고 그 실험결과는 도5에 도시한다.

도면에서, ◇는 m/M=1, 즉 마모층이 없는 것을 표시하며; □은 m/M=0, 즉 M의 전체 범위에 마모층(113)이 설치된 것을 표시하며; △은 m/M=0.3, 즉 블레이드(103)의 전단부(102)에서 30% 범위에 마모층(113)이 없는 것으로 표시하며; ○은 m/M=0.5, 즉 임펠러 블레이드(103)의 후단부의 절반에 마모층(113)이 설치된 것을 표시한다.

도5에서 알 수 있듯이, 효율은 임펠러 블레이드의 전체 범위에 마모층(113)이 설치된 경우(m/N=0)가 가장 높고, 마모층이 없는 경우(m/M=1)가 가장 낮다. 그 이유는 효율저하의 원인이 되는 누설흐름이 전자의 경우가 최소이고 후자의 경우가 최대이기 때문이다. 한편, 저유량측으로의 서지한계는 마모층이 없는 경우 (m/M=1)가 최대이고, 임펠러 블레이드(103)의 전체 범위에 마모층(113)이 설치된 경우(m/M=0)가 최소이다. 그 이유는 서지한계를 저유량측으로 확대시킨 간극흐름이 m/M=1일 때 최대이고 m/M=0일 때 최소이기 때문이다. 도5에서 가상선(116)은 서지한계를 표시한 것이다.

m/M=0.3의 곡선과 m/M=0의 곡선을 비교하면, 전자의 효율은 후자와 거의 동일하다. 그러나 m/M=0.3의 곡선은 저유량측으로 넓어진 서지한계를 갖는다. 따라서 △의 곡선을 갖는 구조가 가장 밸런스가 좋다고 할 수 있으므로 m/M=0.3을 중심으로 그 전후 10%인 0.2m/M0.4을 본 발명의 최적 범위로 선택한 것이다.

상기 실험결과는 제1간극(CL1)을 0.2∼0.4㎜로 했을 때의 것이며 이러한 간극도 효율을 저하시키지 않고 서지한계를 저유량측으로 넓히는 요인이다.

마모층은 고가의 부품이므로 m/M=0.2∼0.4㎜의 범위에서 마모층을 사용하는 것이 m/M=0의 구조를 갖는 것에 비하여 원가절감에 기여할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 원심 압축기는 서지한계의 저유량측으로의 확대, 원가절감 및 효율향상을 동시에 달성할 수 있는 발명의 효과를 갖는다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로

본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims

단일 회전축(5);

상기 회전축(5)에 설치된 복수개의 임펠러(2, 3);

전단측 임펠러(2)에 의해 가속된 공기를 후단측 임펠러(3)로 유입시키기 위한 공기통로(35);

복수개의 임펠러(2, 3)를 수용하고 상기 회전축(5)을 회전가능하게 지지하는 케이싱(4); 및

상기 후단측 임펠러(3)를 향하고, 상기 케이싱(4)내에서 회전하는 상기 임펠러(3)에 의해 절삭되고, 상기 케이싱(4)내에 설치되는 마모층(34);

을 포함하고, 상기 복수개의 임펠러는 전단측 임펠러(2)와 후단측 임펠러(3)로 구성되며, 이들 임펠러(2, 3)는 서로 대향으로 상기 축(5)에 설치되고, 상기 마모층(34)은 후단측 임펠러(3)에만 설치되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기(1).
제1항에 있어서, 상기 회전축(5)은 임의의 범위내에서 회전축(5)의 축방향으로 케이싱(4)에 대하여 슬라이드할 수 있도록 케이싱(4)에 지지되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기(1).
제2항에 있어서, 상기 임의의 범위는 길이가 대략 0.2 ㎜인 되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기(1).
제2항에 있어서, 회전축(5)에 설치되는 피니언(8); 상기 피니언에 맞물려 있는 직경이 큰 기어(7); 및 상기 직경이 큰 기어를 구동시키는 구동모터(6)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기(1).
제1항에 있어서, 상기 후단측 임펠러(3)에 대한 흡입공기 통로를 형성하는 인듀서 블록(20)을 더 포함하고, 상기 마모층(34)은 그 인듀서 블록의 선단부에 설치되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기(1).
케이싱 내벽(104)에 의해 적어도 1개의 내부공간을 형성하는 케이싱;

각 내부공간에 회전하도록 수용되고 적어도 1개의 임펠러 블레이드(103)를 갖는 임펠러(101); 및

각각의 케이싱 내벽(104)에 설치되고, 각각의 임펠러 블레이드(103)에 대응하고, M-m의 범위에서 연장되는 마모층(113)(m은 임펠러 블레이드(103)의 전단부(102)에서 마모층(113)의 전단부까지의 길이에 대응하는 케이싱내벽(104)의 길이이고, M은 임펠러 블레이드(103)의 전단부(102)에서 후단부(112)까지의 길이에 대응하는 케이싱 내벽(104)의 길이이고, m과 M이 0.2 ≤ m/M ≤ 0.4를 만족함.);

을 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기(107).
제6항에 있어서, 마모층이 없는 영역에서 상기 케이싱 내벽(104)과 상기 임펠러 블레이드(103) 사이에 하나의 특정한 간극(CL1)이 형성되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기(107).
제7항에 있어서, 상기 특정한 간극(CL1)은 약 0.2 내지 0.4 ㎜인 것을 특징으로 하는 원심 압축기(107).
제7항에 있어서, 상기 마모층(113)과 상기 임펠러 블레이드(103) 사이의 간극(CL2)은 거의 0인 것을 특징으로 하는 원심 압축기(107).
제7항에 있어서, 상기 마모층(113)은 그 전단부(115)가 상기 케이싱 내벽(104)에서 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 원심 압축기(107).
제6항에 있어서, 마모층(113)의 후단측에 설치되고, 마모층(113)과 공유면을 이루는 디퓨저(9)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기(107).
제6항에 있어서, 상기 마모층(113)은 그 전단부(115)가 상기 케이싱 내벽(104)에서 돌출되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기(107).
제11항에 있어서, 상기 마모층(113)은 그 전단부(115)가 상기 케이싱 내벽(104)에서 돌출되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기(107).
제1항, 제5항, 제6항 또는 제13항에 있어서, 상기 마모층(34, 113)은 테프론(Teflon)에 석영(quartz)이나 운모(mica)를 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기(1, 107).