KR100611319B1 - 터보 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보 압축기의 샤프트와 실의 간극 제거에 관한 것으로, 샤프트와 인접하는 래버린스 실의 이 끝단을 저 경도 재질로 코팅하는 것을 특징으로 한다. 저 경도 재질로 코팅된 상기 래버린스 실의 이 끝단은 처음 조립 시에 상기 샤프트 또는 임펠러와 접촉되도록 하여 모터의 회전 시 샤프트에 의해 코팅면이 마모되게 함으로써 간극을 통한 압력 누설을 방지하여 압축기의 효율을 향상시킨다.

터보 압축기, 간극 제거, 저 경도 코팅

Description

터보 압축기{TURBO COMPRESSOR}

도 1a는 종래 터보 압축기의 샤프트와 래버린스 실을 나타낸 개략도.

도 1b는 종래 터보 압축기의 임펠러와 슈라우드를 나타낸 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 터보 압축기를 나타낸 종단면도.

도 3은 본 발명에 따른 터보 압축기의 임펠러와 슈라우드를 나타낸 개략도.

도 4는 본 발명에 따른 터보 압축기의 샤프트와 래버린스 실을 나타낸 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 밀폐용기 11: 모터

12 : 샤프트 20 : 제1압축실

23 : 1단 임펠러 24 : 날개차

25 : 인듀서 26 : 디퓨져

27 : 슈라우드 27a : 슈라우드 코팅면

30 : 제2압축실 40 : 래버린스 실

41 : 래버린스 실의 이 41a : 실 코팅면

본 발명은 터보 압축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 샤프트와 실(seal) 간의 간극을 최소화하여 압력의 누설을 방지하는 터보 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 날개차나 로터의 회전운동 또는 피스톤의 왕복운동으로 공기나 냉매가스 등의 기체를 압축하는 것으로, 기체를 압축시키는 구조에 따라 회전식, 왕복동식, 리니어식, 스크롤식, 터보식의 압축기로 구분된다. 이 중에서 터보 압축기는 원심 날개차를 고속으로 회전시켜 그 속을 통과하는 공기 또는 가스를 압축하는 기계로서 원심압축기라고도 하며, 토출압력을 크게 할 경우에는 날개를 여러 단 겹쳐서 사용한다.

종래의 터보 압축기는 그 외관을 형성하고 제1압축실과 제2압축실이 양측에 각각 형성되어 있는 밀폐용기와, 상기 밀폐용기의 내측 중앙부에 장착되는 모터와, 상기 모터에 결합되어 회전하는 샤프트와, 상기 샤프트의 단부에 결합되어 각각 제1압축실과 제2압축실에서 회전하며 흡입되는 냉매를 압축하기 위한 1단, 2단 임펠러를 포함한다. 제1압축실과 제2압축실은 서로 대칭되게 설치되어 있으므로 편의상 이 중 하나의 압축실과 관련하여 설명한다.

압축실과 모터가 장착되는 모터실 사이에는 압축실로부터 토출되는 냉매가스 가 모터실로 누설되는 것을 방지하기 위한 래버린스 실이 설치된다. 도 1a는 샤프트(1)와 이에 인접하여 설치되어 있는 래버린스 실(2)을 개략적으로 나타내었다.

한편 도 1b에 도시된 바와 같이, 임펠러(3)에는 냉매를 축 방향으로 흡입하여 반경 방향으로 배출할 수 있도록 다수 개의 날개차(4)가 소구경측에서 대구경측으로 형성되어 있다. 상기 소구경측에는 냉매의 흡입을 유도하는 인듀서(5)가 일체로 형성되어 있고, 상기 임펠러(3)로부터 배출되는 냉매의 속도에너지를 압력에너지로 바꾸어주기 위한 디퓨져(6)가 임펠러의 대구경측에 인접되도록 형성되어 있다. 한편, 상기 임펠러의 바깥쪽에는 그 외부를 감싸는 슈라우드(7)가 설치되어 있다.

이러한 종래의 터보 압축기에 전원이 인가되면, 모터에 의해 샤프트와 샤프트의 단부에 결합되어 있는 압축실 내의 임펠러(3)가 고속으로 회전하면서 인듀서(5) 측에서 냉매을 흡입하여 디퓨져(6)를 거쳐 냉매를 배출하며 원심력에 의해 냉매를 압축시킨다.

그러나 위와 같은 종래의 터보 압축기에서 압축기 내부 중앙에 위치하는 모터실의 압력은 냉매의 압축이 이루어지는 양측 압축실의 압력보다 상대적으로 낮으므로 압축실에서 토출되는 압축가스의 일부가 임펠러(3)의 배면쪽을 통해 누설되려고 한다. 이 때 모터실과 압축실의 사이에는 냉매의 유동을 방해하는 래버린스 실(2)이 설치되어 있어서 냉매 누설을 어느 정도 방지할 수 있으나, 래버린스 실(2)과 샤프트(1) 사이의 간극은 여전히 존재하므로 역시 냉매 누설로 인해 압축기 효율이 저하되는 문제점이 있다.

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위의 경우에 있어서 부품의 공차를 보다 정밀하게 하여 래버린스 실(2)과 샤프트(1)의 간극을 줄일 수도 있으나, 샤프트(1)가 과도한 하중이나 부하에 의해 진동하는 경우에는 기계적으로 큰 위험을 초래할 수 있으므로 위와 같은 문제점에 대해 근본적인 대책이 되지 못한다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 샤프트와 래버린스 실 사이의 간극을 최소화하여 이와 같은 간극으로 인한 냉매의 압력 누설을 방지함으로써 압축기의 효율이 향상된 터보 압축기를 제공하는데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 터보 압축기는 제1압축실과 제2압축실이 양측에 각각 형성되어 있는 밀폐용기와, 상기 밀폐용기의 내측 중앙부에 장착되는 모터와, 상기 모터에 결합되어 회전하는 샤프트와, 상기 제1압축실과 제2압축실에서 냉매를 압축하기 위해 상기 샤프트의 단부에 각각 결합되는 임펠러와, 상기 각 압축실에서 압축된 고압의 압축가스가 상기 임펠러의 배면쪽의 모터실로 누설되는 것을 방지하는 래버린스 실을 포함하는 터보 압축기에 있어서, 상기 래버린스 실의 이 끝단에는 상기 샤프트보다 경도가 낮은 재질로 형성되어 상기 샤프트의 회전 시에 상기 샤프트에 의해 마모되는 코팅면이 구비되는 것을 특징으로 한다.

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이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 터보 압축기를 나타낸 종단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 터보 압축기의 임펠러와 슈라우드를 나타낸 개략도이며, 도 4는 본 발명에 따른 터보 압축기의 샤프트와 래버린스 실을 나타낸 개략도이다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 터보 압축기는 그 전체 적인 외관을 형성하면서, 1단 흡입관(21) 및 1단 배출관(22)과 연통되는 제1압축실(20), 2단 흡입관(31) 및 2단 배출관(32)과 연통되는 제2압축실(30)이 형성되어 있는 밀폐용기(10)를 구비한다. 상기 밀폐용기(10)의 내측 중앙부에는 냉매의 압축을 위한 회전력을 발생시키는 모터(11)가 장착되어 있으며, 상기 모터(11)에 결합되어 회전하는 샤프트(12)의 양단에는 제1압축실(20)과 제2압축실(30)에서 회전하며 흡입되는 냉매가스를 2단으로 압축하기 위한 1단 임펠러(23)와 2단 임펠러(33)가 각각 결합되어 있다. 제1압축실(20)과 제2압축실(30)은 서로 대칭되게 설치되어 있으므로 편의상 이 중 제1압축실(20)과 관련하여 설명한다.

상기 1단 임펠러(23)에는 냉매를 축 방향으로 흡입하여 반경 방향으로 배출할 수 있도록 다수 개의 날개차(24)가 소구경측에서 대구경측으로 형성되어 있다. 상기 소구경측에는 냉매의 흡입을 유도하는 인듀서(25)가 일체로 형성되어 있고, 상기 임펠러(23)로부터 배출되는 냉매의 속도에너지를 압력에너지로 바꾸어주기 위한 디퓨져(26)가 임펠러의 대구경측에 인접되도록 형성되어 있다. 한편, 상기 임펠러(23)의 바깥쪽에는 그 외부를 감싸는 슈라우드(27)가 설치되어 있다.

도 3a와 도3b는 각각 본 발명에 따른 터보 압축기의 처음 조립 시와 운전 시의 임펠러와 슈라우드를 나타낸 것이다. 도 3a에 도시된 바와 같이 슈라우드(27)의 처음 조립 시에 임펠러(23)와 슈라우드(27)의 표면은 서로 접촉되어 있고 상기 슈라우드(27) 표면에는 임펠러의 날개차(24)보다 경도가 낮은 재질로 이루어진 슈라우드 코팅면(27a)이 형성되어 있다. 따라서 도 3b에 도시된 바와 같이 터보 압축기의 운전이 시작되면 모터(11)에 의해 임펠러(23)가 회전하면서 슈라우드 코팅면 (27a)을 마모시켜 임펠러(23)와 슈라우드(27) 간의 간극(28)을 형성한다.

한편, 압축실(20)과 모터가 장착되는 모터실(11a) 사이에는 압축실로부터 토출되는 냉매가스가 모터실로 누설되는 것을 방지하기 위한 래버린스 실(40)이 설치된다. 래버린스 실(40)이 샤프트(12)와 인접하는 말단에는 냉매의 전후 유동을 방해하여 냉매의 누설을 막을 수 있도록 이(41)가 형성되어 있다.

도 4a와 도 4b는 각각 본 발명에 따른 터보 압축기의 처음 조립 시와 운전 시의 샤프트와 래버린스 실을 나타낸 것이다. 도 4a에 도시된 바와 같이 래버린스 실의 이(41) 끝단에는 샤프트(12)보다 경도가 낮은 재질로 이루어진 실 코팅면(41a)이 형성되어 있다. 래버린스 실(40)의 처음 조립 시에 샤프트(12)와 실 코팅면(41a)은 서로 접촉되어 있다. 따라서 도 4b에 도시된 바와 같이 터보 압축기의 운전이 시작되면 모터(11)에 의해 샤프트(12)가 회전하면서 실 코팅면(41a)을 마모시켜 샤프트(12)와 래버린스 실(40) 사이의 간극(42)을 형성한다.

다음은 위와 같은 구성의 본 발명에 따른 터보 압축기의 동작을 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한다.

터보 압축기에 전원이 인가되면, 모터(11)에 자기력이 발생하여 모터에 구속되어 있는 샤프트(12)가 회전하게 된다. 이에 따라 샤프트(12) 양단에 결합되어 있는 1단 임펠러(23)와 2단 임펠러(33)가 회전하면서, 1단 흡입관(21)을 통해 냉매가 유입되어 1단 임펠러(23)에 의해 압축되고 1단 배출관(22)을 통해 토출된다. 토출된 냉매는 다시 2단 흡입관(31)을 통해 2단 임펠러(33)로 유입되어 2차로 압축되며 최종적으로 2단 배출관(32)을 통해 토출된다.

이 때 모터실(11a)의 압력은 냉매의 압축이 이루어지는 압축실(20)의 압력보다 상대적으로 낮으므로 압축실에서 토출되는 압축가스의 일부가 임펠러(23)의 배면쪽을 통해 누설되려고 한다.

그러나 본 발명에 따른 터보 압축기의 처음 조립 시에 래버린스 실의 이(41) 말단은 저 경도 재질로 코팅되어 샤프트(12)에 접촉되어 있고, 샤프트의 회전 시 상대적으로 경도가 높은 샤프트(12)가 실 코팅면(41a)을 절삭하여 마모시킴으로써 샤프트(12)와 래버린스 실(40) 사이의 간극을 샤프트가 회전하기 위해 필요한 최소한의 간극으로 조절할 수 있다.

또한, 임펠러(23)의 출구 쪽에 위치하는 디퓨져(26)의 압력은 입구 쪽의 인듀서(25) 부근의 압력보다 높기 때문에 냉매가스는 슈라우드(27)의 표면을 따라 인듀서(25)쪽으로 역류하려고 하는데, 마찬가지로 저 경도 재질로 코팅되어 임펠러(23)에 접촉되어 있는 슈라우드(27) 표면이 회전 시 임펠러의 날개차(24)에 의해 마모되게 함으로써 임펠러(23)와 슈라우드(27)사이의 간극을 임펠러 날개차(24)가 회전하기 위한 최소한의 간극으로 조절할 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 터보 압축기 내부의 실과 샤프트 사이의 간극을 최소화함으로써 냉매가스의 역류 및 압력누설을 방지하여 터보 압축기의 효율을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 샤프트, 실과 관련하여 기계부품의 정밀한 설계 및 공차 관리가 필요 없게 됨으로써, 생산비를 절감하고 제품 생산성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 제1압축실과 제2압축실이 양측에 각각 형성되어 있는 밀폐용기와, 상기 밀폐용기의 내측 중앙부에 장착되는 모터와, 상기 모터에 결합되어 회전하는 샤프트와, 상기 제1압축실과 제2압축실에서 냉매를 압축하기 위해 상기 샤프트의 단부에 각각 결합되는 임펠러와, 상기 각 압축실에서 압축된 고압의 압축가스가 상기 임펠러의 배면쪽의 모터실로 누설되는 것을 방지하는 래버린스 실을 포함하는 터보 압축기에 있어서, 상기 래버린스 실의 이 끝단에는 상기 샤프트보다 경도가 낮은 재질로 형성되어 상기 샤프트의 회전 시에 상기 샤프트에 의해 마모되는 코팅면이 구비되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
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