KR100661702B1 - Turbo compressor - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래의 일반적인 터보기계의 구성을 나타내는 도면이며,1 is a view showing the configuration of a conventional general turbomachine,
도 2는 본 발명에 의한 터보압축기의 전체구성을 나타내는 도면이며,2 is a view showing the overall configuration of a turbocompressor according to the present invention,
도 3은 본 발명에 의한 터보압축기 기계부의 제1 실시예를 나타내는 단면도이며,3 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a turbocompressor mechanical part according to the present invention;
도 4는 본 발명에 의한 터보압축기 기계부의 제2 실시예를 나타내는 단면도이며,4 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the turbocompressor mechanical unit according to the present invention;
도 5는 본 발명에 의한 터보압축기 기계부의 제3 실시예를 나타내는 구성 개념도이며,5 is a configuration conceptual view showing a third embodiment of the turbocompressor mechanical unit according to the present invention;
도 6은 본 발명에 의한 터보압축기 기계부의 제4 실시예를 나타내는 구성 개념도이며,6 is a configuration conceptual view showing a fourth embodiment of the turbocompressor mechanical unit according to the present invention;
도 7은 본 발명에 의한 터보압축기 제어부의 특성을 나타내는 도면이며,7 is a view showing the characteristics of the turbo compressor control unit according to the present invention,
도 8은 본 발명에 의한 터보압축기 제어부의 디스플레이 화면 및 조작수단을 나타내고 있다.8 shows a display screen and operation means of the turbo compressor control unit according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the code | symbol about the principal part of drawing>
1: 기계부 2: 제어부1: mechanical part 2: control unit
3: 외장부 11: 구동축3: exterior part 11: drive shaft
12: 회전자 13: 고정자12: rotor 13: stator
14: 방열핀 15, 65: 인터쿨러14: heat sink fins 15, 65: intercooler
21, 71: 케이싱 24, 74, 75: 베어링 하우징21, 71:
26: 레이디얼베어링 27: 스러스트베어링26: radial bearing 27: thrust bearing
31, 81: 제1 임펠러 32, 82: 제1 디퓨저31, 81:
33, 83: 제1 슈라우드 34, 84: 제1 볼루트케이싱33, 83:
35, 85: 제1 공기순환통로 36, 86: 제2 임펠러35, 85: first
37, 87: 제2 디퓨저 38, 88: 제2 슈라우드37, 87:
39, 89: 제2 볼루트케이싱 40, 90: 제2 공기순환통로39, 89:
41: 공기 흡입구 51: 전원공급수단41: air inlet 51: power supply means
52: 디스플레이 화면 53: 조절수단52: display screen 53: control means
54: 조작수단 55: 인버터54: operating means 55: inverter
56: 감지수단 61: 제1 축56: sensing means 61: first axis
62: 제1 회전자 63: 제1 고정자62: first rotor 63: first stator
64: 제1 방열핀 91: 제2 축64: first heat sink fin 91: second axis
92: 제2 회전자 93: 제2 고정자92: second rotor 93: second stator
94: 제2 방열핀94: second heat sink fin
본 발명은 고속으로 회전하는 터보압축기(Turbo Compressor)에 관한 것으로서, 특히 터보압축기의 전체 구성에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 제품을 이루는 터보압축기의 각 요소 중 기계부 압축부분의 특징에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
유체기계는 크게 용적형 기계과 터보기계로 나눌 수 있다.Fluid machines can be largely divided into volume machines and turbo machines.
용적형 기계는 왕복동형이나 회전형과 같이 피스톤이나 베인을 이용하여, 냉매를 흡입하여 압축한 후 토출하는 방식으로써, 유체가 밀폐된 공간에 흡입되는데, 그 밀폐된 공간은 주기적으로 정해진 시간동안 유체의 흡입부나 토출부와 분리되고, 그 동안에 일이 수행된다. 반면, 터보기계는 회전요소에 의해 유체를 흡입, 압축한 후 토출하는 방식이다. 즉 연속적으로 흐르는 유체에 압력을 증가시키는 데 유체가 기본적으로 축방향으로 흐르는 경우에는 축류기계, 반경방향으로 흐르는 경우에는 원심형 기계로 분류된다.A volumetric machine uses a piston or vane, such as a reciprocating type or a rotating type, by sucking and compressing a refrigerant and then discharging the refrigerant, where the fluid is sucked into a confined space. Is separated from the suction portion or the discharge portion, and during this time work is performed. On the other hand, the turbo machine is a method of sucking, compressing and discharging the fluid by the rotating element. That is, to increase the pressure in the continuously flowing fluid, it is classified into an axial flow machine when the fluid flows in the axial direction basically, and a centrifugal machine when the fluid flows in the radial direction.
따라서 일반적으로 용적형 기계의 경우, 원하는 토출압력을 얻기 위하여 흡입체적과 토출체적의 비율을 적절히 조절함으로써 압축비를 결정하게 되는데, 이때 구성을 위하여 전체 크기가 일정한 범위이내에서 제한을 받게 된다. 이를테면, 원하는 압력과 유량을 얻기 위해서는 흡입실 행정체적의 크기와 토출 시 조건 등이 사용상의 제약으로 작용되며, 그 크기를 줄이는 데 어려움이 따르기 때문에 소형화가 어렵다.Therefore, in general, in the case of a volumetric machine, the compression ratio is determined by appropriately adjusting the ratio of the suction volume and the discharge volume in order to obtain a desired discharge pressure, in which the overall size is limited within a certain range for the configuration. For example, in order to obtain a desired pressure and flow rate, the size of the suction chamber administration volume and the conditions at the time of discharge act as restrictions on use, and it is difficult to miniaturize because it is difficult to reduce the size.
터보기계는 압력과 유량에 따라 터보블로워(Turbo Blower)와 터보 압축기(Turbo Compressor)로 나누어진다. 상대적으로 토출압력이 낮고 유량이 큰 것을 터보블로워라 하며, 상대적으로 토출압력이 높고 유량이 작은 것을 터보압축기라 한 다.Turbomachinery is divided into turbo blower and turbo compressor according to pressure and flow rate. A relatively low discharge pressure and a large flow rate are called turbo blowers, and a relatively high discharge pressure and a low flow rate are called turbo compressors.
종래의 일반적인 왕복동식 압축기나 회전식 압축기와 같은 용적형 압축기는 원하는 토출압력을 얻기 위하여, 흡입체적과 토출체적의 비율을 적절히 조절함으로써 압력비를 얻게 되지만, 터보압축기와 같은 터보기계는 회전 임펠러의 날개 형상을 최적으로 설계한다 하더라도, 가공성과 양산성 및 내구성 등 여러가지 요인으로 인하여, 한번의 압축만으로 원하는 높은 압력비를 얻는 것은 어렵다.Conventional volumetric compressors, such as reciprocating compressors and rotary compressors, obtain a pressure ratio by appropriately adjusting the ratio of the suction volume and the discharge volume in order to obtain a desired discharge pressure. However, turbomachines such as turbocompressors have a blade shape of a rotary impeller. Even if it is designed optimally, due to various factors such as workability, mass production, and durability, it is difficult to obtain a desired high pressure ratio with only one compression.
따라서, 이러한 문제점을 해결하고자 하여 나온 것이 다단 압축을 수행하는 터보압축기이다.Therefore, it is the turbocompressor that performs the multi-stage compression to solve this problem.
그러나 이러한 다단 압축은 다른 유체를 사용하는 경우와 달리, 공기를 냉매로 사용할 경우, 공기 자체의 온도가 매우 높게 상승하기 때문에 이를 냉각하여 주기 위한 별도의 방법이 반드시 필요하게 된다.However, this multi-stage compression is different from the case of using other fluids, when using the air as a refrigerant, since the temperature of the air itself rises very high, a separate method for cooling it is necessary.
또한 별도의 냉각을 위한 재킷(Jacket)이나 인터쿨러(Intercooler)를 사용하게 될 경우 설치 공간의 확보로 인해 전체 크기가 증가하게 된다.In addition, if a jacket or intercooler for cooling is used, the overall size increases due to the installation space.
따라서 효율적 냉각이 가능한 소형 다단 압축 방식의 터보압축기 구성에 대한 연구가 필요하게 되었다.Therefore, it is necessary to study the configuration of the turbo compressor of the compact multi-stage compression method capable of efficient cooling.
이미 알려진 바와 같이, 종래의 터보기계는 대용량을 구현하기 위하여 토오크가 큰 모터를 사용하거나, 또는 회전수를 높이기 위해 정속 회전하는 모터에 증속 기어를 이용하는 방식을 채택하기도 하였다. 도 1은 이러한 증속 기어식 터보기계를 나타내는 도면으로서 종래 기술에 의한 터보기계를 나타낸다.As is already known, conventional turbomachines have adopted a method using a large torque motor to realize a large capacity, or using a speed increase gear to a motor that rotates at a constant speed to increase the rotation speed. 1 is a view showing such a speed gear type turbomachine, and shows a turbomachine according to the prior art.
종래의 일반적인 터보기계는 임펠러(105)가 연결된 축(102)을 증속기어(103, 104)에 의해 구동축(101)과 연결시키는 것으로, 상기 구동축(101)에 연결된 회전자(미도시)의 회전에 의해 회전력을 얻게 되면, 상기 회전수는 상기 증속기어의 치차율 만큼 증속되는 것이다.The conventional general turbo machine is to connect the
따라서 상기 구동축이 고속(보통 수만 RPM 이상)으로 회전하지 않더라도 상기 임펠러(105)는 고속(보통 수만 RPM 이상)으로 회전하게 되며, 그로부터 발생된 원심력에 의해 디퓨저(106)를 통과하여 상기 임펠러에 의해 압축된 가스(Gas)를 모아 외부로 토출하게 된다.Therefore, even if the drive shaft does not rotate at high speed (usually tens of thousands of RPM or more), the
이 때 나타나는 특징들을 보면, 베어링은 일반 슬리브베어링(107)으로써 여기에는 윤활유를 반드시 사용하여야만 하기 때문에 오일펌프(108)등이 필요하며, 이로인해 폐 윤활유 등이 발생되고. 기계적 손실로 인한 동력손실이 발생하여 기계손실이 소요동력의 약 10% 정도에까지 이르는 효율저하를 감수하여야 한다.In this case, the bearing is a general sleeve bearing 107, and since an oil pump 108 is required because lubricant must be used here, waste lubricant is generated. Power loss due to mechanical loss occurs, so the efficiency of mechanical loss reaches about 10% of the required power.
또한 초기부하의 6 ~ 10배 정도로 고부하 기동을 해야 하고, 소음도 심한 것이 특징이다. 유지보수 측면에서도 정기적으로 분해 후 정비하는 오버올(overhaul) 비용이 많이 들어간다는 것이 문제점이 된다.In addition, it is necessary to start the high load about 6 to 10 times of the initial load, and the noise is severe. In terms of maintenance, the problem is that the overhaul of regular disassembly and maintenance is expensive.
비록 증속기어식 터보기계가 모터의 토오크와 모터자체의 회전수를 증가시키기 않고도, 임펠러를 고속 회전시킬 수 있다는 장점이 있기는 하나 결국 전체 시스템의 크기를 획기적으로 줄이지는 못하였으며, 자체적으로 갖는 상기 열거한 문제점들로 인해 산업현장에서 사용되기에는 문제점이 있었다.Although the gearbox turbomachinery has the advantage of being able to rotate the impeller at high speed without increasing the torque of the motor and the motor itself, it does not significantly reduce the size of the overall system. Due to the problems listed, there was a problem in the industrial field.
다시말해 모터의 토오크를 증대시키기 위해 모터의 직경을 증가시킴으로써, 전체 크기가 증가하게 되거나, 고속회전을 구현하기 위하여 증속기어를 설치한다하 더라도, 증속기어 구성으로 인한 공간상의 필요성에 의해 결국 터보기계의 전체 크기가 증가하게 되었다.In other words, by increasing the diameter of the motor to increase the torque of the motor, the overall size is increased, or even if a gearbox is installed to achieve high speed rotation, the turbomachinery needs to be spaced up due to the configuration of the gearbox. Has increased the overall size of.
전술한 바와 같이 터보기계 소형화는, 특히 높은 압력을 얻기 위해 다단 압축을 위한 구성 및 별도의 냉각시설 등을 갖추어야 하는 터보압축기에 있어서 반드시 해결해야 할 과제로 남게 되었다.As described above, the miniaturization of turbomachinery remains a problem that must be solved in the turbocompressor, which must be equipped with a configuration for multi-stage compression and a separate cooling facility in order to obtain high pressure.
이렇듯 절실한 터보기계 소형화를 위하여, 최근 고속회전에 적합한 공기 베어링(Air Bearing)과 인버터(Invertor)를 채용한 소형 터보기계의 상업화에 관심이 집중되고 있다.In order to miniaturize such an urgent turbomachinery, attention has recently been focused on commercialization of a small turbomachinery employing an air bearing and an inverter suitable for high speed rotation.
베어링은 반경방향의 하중을 지지하기 위한 저널 베어링과 축방향의 추력을 지지하기 위한 스러스트 베어링으로 이루어지는데, 본 발명에서는 기존의 볼 베어링, 마그네틱 베어링, 틸팅패드 베어링에 비하여 많은 장점을 가지고 있는 공기 베어링을 적용한다.The bearing consists of a journal bearing for supporting radial loads and a thrust bearing for supporting axial thrust, and in the present invention, air bearings have many advantages over conventional ball bearings, magnetic bearings and tilting pad bearings. Apply.
공기베어링은 우선 내구성 측면에서 기존의 볼 베어링에 비하여 반영구적인 특징을 가지고 있으며, 유지보수나 교체의 필요성이 타 베어링과는 달리 거의 없으며, 정전 등 갑작스런 경우에도 사고 발생이 없어, 기존의 마그네틱 베어링이나 틸팅패드 베어링에 비하여 우수하다.First of all, air bearings have semi-permanent characteristics compared to conventional ball bearings in terms of durability, and there is little need for maintenance or replacement unlike other bearings, and there are no accidents in case of sudden power failure. Better than tilting pad bearings.
또한 구성 및 형상이 단순하여 오일 시스템이 복잡한 볼 베어링이나 틸팅패드 베어링에 비하여 많은 장점이 있다.In addition, the simple configuration and shape has many advantages over ball bearings or tilting pad bearings, which have a complex oil system.
또한 소형화를 위해 고속회전이 필수적인 터보기계에는 공기베어링이 가장 적합한데, 이는 다음과 같은 이유들 때문이다.In addition, air bearings are most suitable for turbomachines where high speed rotation is necessary for miniaturization, for the following reasons.
압축기나 터어빈과 같은 기계에서 고속일수록 공기역학적 효율이 높으며, 공기 베어링의 한 형태인 포일베어링은 속도 한계가 없이 속도 증가가 가능하며, 속도가 증가할수록 하중지지 용량이 커지기 때문이다.In machines such as compressors and turbines, the higher the speed, the higher the aerodynamic efficiency. Foil bearings, a form of air bearing, can increase in speed without a speed limit, and as the speed increases, the load bearing capacity increases.
또한 아주 높은 온도에서는 일반적으로 윤활제가 눌어붙어 사용이 불가능하게 되고, 아주 낮은 온도에서는 윤활제의 점성이 증가하여 마찰손실이 크게 증가하여 일반적인 베어링은 온도영역의 제한을 받게 되는 반면, 공기베어링은 온도영역의 제한을 받지 않는다는 것이 큰 장점이 된다.In addition, at very high temperatures, it is generally impossible to use the lubricant as it is pressed. At very low temperatures, the viscosity of the lubricant increases, which leads to a significant increase in frictional losses. It is a great advantage to not be limited by.
가장 결정적인 이유는 고속회전의 경우(예를 들면 36000RPM으로 구동되는 직경 2인치 축의 경우) 대략 0.0005인치 이하의 클리어런스를 유지해야 하는데, 일반적인 볼 베어링의 경우 온도상승과 원심력 자체만으로도, 0.002인치 차이가 날 수 있어서, 구조적으로 포일 베어링만이 고속 회전에 적합하다는 결론을 얻을 수 있다.The most decisive reason is to maintain a clearance of approximately 0.0005 inches or less for high speed rotations (for example, 2 inch diameter shafts driven at 36000 RPM). For a typical ball bearing, the temperature rise and centrifugal force alone will cause a difference of 0.002 inches. It can be concluded that structurally only foil bearings are suitable for high speed rotation.
다음은 포일공기베어링의 장점을 나타내는 것이다.The following shows the advantages of foil air bearings.
타 베어링 시스템에 비해, 회전체를 지지하는 데 필요한 부품수가 적고, 오일 공급시스템이 필요치 않아 신뢰성이 우수하다. 운전 중에 베어링과 축 사이에 발생하는 공기막이 포일의 마모를 방지한다. 베어링 표면은 시작과 정지 시에만 접촉하며, 이 때 포일면의 코팅으로 마모를 억제한다.Compared with other bearing systems, the number of parts required to support the rotating body is small and the oil supply system is not required, so the reliability is excellent. An air film between the bearing and the shaft during operation prevents the wear of the foil. The bearing surface is in contact only at start and stop, at which time the coating on the foil surface suppresses wear.
윤활제를 점검하거나, 교체할 필요가 적어 유지보수 비용이 절감된다.Maintenance costs are reduced because there is less need to check or replace the lubricant.
헬륨(He), 제논(xenon), 냉매, 액체산소, 액체질소 등과 같은 공기 이외의 작동유체에서도 운전가능하다.It can be operated in working fluids other than air such as helium (He), xenon, refrigerant, liquid oxygen, liquid nitrogen, and the like.
그러나 이러한 공기 베어링의 장점에도 불구하고 안정된 동작을 위해서는 회전수가 일정 RPM 이상 되어야 하는데, 이를 위해 본 발명에서는 인버터를 사용함으로써, 초기에 회전수를 급격히 증가시켜 공기베어링이 안정적으로 작동할 수 있게 해주는 것이다.However, despite the advantages of these air bearings for stable operation, the number of revolutions should be more than a certain RPM, in order to achieve the present invention by using an inverter, by increasing the number of revolutions early in the air bearing to be able to operate stably. .
그러나 이러한 경우, 터보기계의 구동부와 이를 제어하기 위한 제어부 사이의 매칭에 어려움이 따르게 된다. 예를들면, 모터의 회전수를 조절하여 유량/압력을 조절해주는 역할을 수행하는 인버터(Inverter)는 안정성과 신뢰성이 중요하며, 상기 인버터와 모터의 매칭을 위하여 시이퀀스 회로를 구성함으로써, 모터 및 인버터의 효율을 극대화 시켜야 하는데, 이렇지 못할 경우 손실의 결과로서 열과 소음이 발생되기도 한다.However, in this case, there is a difficulty in matching between the drive unit of the turbomachine and the control unit for controlling the same. For example, the inverter (Inverter) that controls the flow rate / pressure by adjusting the rotational speed of the motor is important for stability and reliability, by configuring a sequence circuit for matching the inverter and the motor, the motor and The efficiency of the inverter must be maximized. Otherwise, heat and noise can be generated as a result of losses.
이를 해결하기 위하여 리액터를 사용하기도 하나 추가 비용의 상승이라는 문제점이 발생하기도 한다.In order to solve this problem, a reactor may be used, but an additional cost may be raised.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하고자, 고속으로 회전하는 고속모터와 공기 베어링을 적용한 터보압축기에서 회전수 조절 및 유량 조절을 위한 인버터를 상기 모터와 매칭시킴으로써, 모터 및 인버터의 효율을 극대화시켜, 고효율, 친환경, 경박 단소형의 다단 압축 방식의 소형 터보 압축기를 공급하는 것을 본 발명이 이루고자 하는 목적으로 한다.The present invention to solve the problems described above, by matching the inverter with the motor for the rotation speed control and the flow rate control in the turbo compressor applying a high speed motor and air bearing rotating at high speed, to maximize the efficiency of the motor and inverter It is an object of the present invention to provide a small turbo compressor of a multi-stage compression method of high efficiency, eco-friendliness, light weight and small size.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 터보 기계는 구동축과, 상기 구동축에 일체로 압입된 회전자와, 상기 회전자 외주면과 일정한 간격을 두고 있는 내주면을 구비한 고정자로 구성된 구동부분과; 상기 구동부분을 지지하기 위한 것으로써, 내부에서 공기 순환이 가능한 케이싱과, 공기베어링 및 베어링 하우징으로 구성된 지지부분과; 상기 구동축에 연결된 제1 임펠러와, 상기 제1 임펠러의 전면 흡입 측으로 공기를 순환시키는 제1 공기순환통로와, 상기 제1 임펠러의 후면 외주면에 설치된 제1 디퓨저와, 상기 제1 디퓨저와 연통된 제1 슈라우드와, 제1 볼루트 케이싱으로 구성된 제1 압축부분과; 상기 제1 압축부분에서 압축된 공기를 상기 제1 임펠러와 동일한 구동축에 연결된 제2 임펠러의 전면 흡입 측으로 순환시키는 제2 공기순환통로와, 상기 제2 임펠러의 후면 외주면에 설치된 제2 디퓨저와, 상기 제2 디퓨저와 연통된 제2 슈라우드와, 제2 볼루트 케이싱으로 구성된 제2 압축부분과; 상기 케이싱의 일측에 형성된 공기 흡입구와, 상기 케이싱 내의 공기순환 공간과, 상기 고정자의 외측에 형성된 방열핀으로 구성된 냉각부분; 을 포함하는 기계부 및 상기 기계부 구동부분에 충분한 기동전류를 공급하기 위한 인버터와, 디스플레이 화면과, 압력 및 온도를 감지하는 감지수단과, 버튼을 구비한 조작수단과, 상기 구동부분의 구동축 회전수를 제어하기 위하여 상기 감지수단을 통하여 상기 기계부의 압력 및 온도 등의 운동상태를 감지하고, 상기 조작수단에 의한 입력신호를 인지하여 이를 논리적으로 연산한 후 상기 인버터 및 디스플레이 회면으로 출력신호를 송출하는 조절수단 및 전원공급수단을 포함하는 제어부로 구성된 것을 특징으로 하는 터보압축기이다.In order to achieve the above object, a turbo machine according to the present invention includes a drive part including a drive shaft, a stator having a rotor integrally pressed into the drive shaft, and an inner circumferential surface at regular intervals from the outer circumferential surface of the rotor; A support part configured to support the driving part, the casing capable of circulating air therein, an air bearing and a bearing housing; A first impeller connected to the drive shaft, a first air circulation passage through which air is circulated to the front suction side of the first impeller, a first diffuser installed on an outer circumferential surface of the rear side of the first impeller, and a first communicated with the first diffuser A first compression portion consisting of one shroud and a first volute casing; A second air circulation passage for circulating the air compressed in the first compression portion to the front suction side of the second impeller connected to the same drive shaft as the first impeller, a second diffuser installed on the rear outer circumferential surface of the second impeller; A second compression portion composed of a second shroud communicating with the second diffuser and a second volute casing; A cooling part including an air inlet formed at one side of the casing, an air circulation space in the casing, and a heat radiation fin formed at an outer side of the stator; An inverter for supplying a sufficient starting current to the mechanical part and the mechanical drive part, a display screen, sensing means for sensing pressure and temperature, operating means having a button, and a drive shaft rotation of the driving part. In order to control the number, the sensing means detects the movement state such as the pressure and temperature of the mechanical part, recognizes the input signal by the operation means, calculates it logically, and sends the output signal to the inverter and the display panel. Turbo compressor characterized in that composed of a control unit including an adjusting means and a power supply means.
본 발명의 바람직한 실시를 위하여 상기 터보압축기는 기계부 및 제어부 외 에 이들을 내부에 포함하는 외장부를 구성요소로 하는 터보압축기를 특징으로 한다.The turbocompressor for a preferred embodiment of the present invention is characterized by a turbocompressor having a mechanical part and a control part as an exterior part including the inside thereof.
또한, 본 발명의 더욱 바람직한 실시를 위하여 상기 터보압축기의 외장부는 흡입되는 공기의 소음을 차단하기 위하여 설치되는 수단인 소음차단판을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the outer portion of the turbocompressor for the further preferred embodiment of the present invention is characterized in that it comprises a noise blocking plate which is installed to block the noise of the air sucked.
이하 본 발명에 의한 터보압축기의 구성 및 동작에 관하여 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the configuration and operation of the turbocompressor according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 의한 다단 압축 방식의 터보압축기의 일 실시예를 나타내는 도면이다.2 is a view showing an embodiment of a turbo compressor of the multistage compression method according to the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 터보압축기는 기계부(1), 제어부(2) 및 외장부(3)로 구성되는데, 상기 기계부(1)는 구동부분, 지지부분, 압축부분 및 냉각부분으로 이루어지며, 상기 제어부(2)는 상기 기계부 구동부분의 구동축 회전수를 제어하기 위하여 설치된 인버터, 조절수단 및 기타부속회로로 구성된다. 또한 상기 외장부(3)는 상기 기계부(1) 및 제어부(2)를 내부에 포함하는데, 상기 외장부의 내부 일측에는 상기 기계부의 공기 흡입구(41)로 흡입되는 공기의 소음을 차단하기 위한 수단으로 소음차단판(301)이 설치되어 있다.As shown in FIG. 2, the turbocompressor according to the present invention is composed of a
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의한 터보압축기의 기계부 단면도로서, 구동부분/지지부분과 압축부분이 각각 별개의 구성으로 결합되는 전체 구성을 나타내고 있으며, 상기 구동부분은 구동축(11)과 회전자(12) 및 고정자(13)로 구성된 모터로 구성되며, 이들의 지지 및 보호를 위하여 지지부분이 형성되어 있다.3 is a cross-sectional view of the mechanical part of the turbocompressor according to the first embodiment of the present invention, which shows an overall configuration in which the drive part / support part and the compression part are respectively combined in separate configurations, and the drive part is the
상기 지지부분은 베어링(26, 27)과 베어링 하우징(24)으로 구성되는데, 이 때 베어링은 다엽 포일 공기베어링으로서, 저널베어링(26) 및 스러스트베어링(27)으로 구성된다.The support part consists of
또한 베어링 하우징(24)은 상기 베어링의 수용을 위하여 케이싱(21)에 고정되어 설치된다.In addition, the bearing
상기 지지부분의 한 요소인 외부를 둘러싸는 상기 케이싱(21)의 일측에 공기가 흡입될 수 있도록 공기 흡입구(41)를 설치하고 그 타측에는 상기 흡입된 공기가 내부를 냉각하고 난 후 제1 공기순환통로(35)를 통해 배출되도록 한다.An
상기 터보기계 내부의 고정자(13) 외주면에는 열교환을 용이하게 하기 위해 방열핀(14)을 설치함으로써, 상기 공기흡입구(41)를 통해 흡입되는 공기가 상기 방열핀(14)과 상기 고정자(13)의 코일을 직접 냉각하게 된다.By installing a
또한 상기 제1 임펠러(31), 제1 디퓨저(32), 제1 슈라우드(33) 및 제1 볼루트 케이싱(34)으로 구성된 제1 압축부분은 상기 제1 공기순환통로(35)를 통해 배출되는 공기를 흡입하여 일정 압력만큼 상승 또는 압축시킨 다음 이를 다시 제2 공기순환통로(40)을 통하여 상기 제2 압축실로 토출하는 1단 압축과정을 수행하게 된다.In addition, the first compression portion composed of the
상기 제2 공기순환통로(40)을 통하여 토출되는 공기는 상기 제1 임펠러(31)와 동일한 구동축(11)에 연결된 상기 제2 임펠러(36), 제2 디퓨저(37), 제2 슈라우드(38) 및 제2 볼루트 케이싱(39)으로 구성된 제2 압축부분에서 원하는 최종 압력 및 유량의 상태로 토출된다.The air discharged through the second
즉, 상기 구동부분의 회전자(12) 및 고정자(13)의 유도 전류에 의해 발생된 동력이 상기 구동축(11)을 통해 상기 제1 임펠러(31)로 전달되면서, 임펠러가 회전하게 되고 이로 인해 흡입된 공기는 임펠러 내부에서 정압이 상승하며 동시에 원심력을 가지고 제1 디퓨져(32)를 통과하면서 상기 원심력에 의해 운동에너지가 압력수두의 상승으로 이어지고 압축된 고온고압의 공기는 제1 볼루트 케이싱들(34)에서 모아져 토출되며 이는 다시 제2 임펠러(36)로 전달되면서, 상기 제2 임펠러(36) 내부에서 정압이 상승하며 동시에 원심력을 가지고 제2 디퓨져(37)를 통과하면서 상기 원심력에 의해 운동에너지가 압력수두의 상승으로 이어지고 원하는 압력까지 압축된 고온고압의 공기는 제2 볼루트 케이싱들(39)에서 모아져 다단 압축을 끝내게 된다.That is, while the power generated by the induced current of the
또한 상기 압축되어 토출되는 고온고압의 공기로 인해 고온이 되는 상기 압축부분의 열이 시일면에 인해 차단됨으로써, 베어링 하우징(24)을 통해 케이싱(21) 내부로 열이 전달되는 것을 방지하게 된다.In addition, the heat of the compressed portion, which becomes high temperature due to the compressed and discharged high-temperature air, is blocked by the seal surface, thereby preventing heat from being transferred into the
또한 상기 제2 공기 순환통로(40) 상에는 1단 압축된 공기의 온도를 낮추어 주기 위한 열교환기로써, 인터쿨러(15)를 설치한다.In addition, an
도 7은 본 발명에 의한 터보압축기의 제어부의 시이퀀스 구성도를 나타내는 도면으로서 전력공급수단(51), 디스플레이화면(52), 조절수단(53), 조작수단(54), 인버터(55) 및 감지수단(56) 등으로 구성된다.7 is a view showing a sequence configuration diagram of the control unit of the turbocompressor according to the present invention, the power supply means 51, the
상기 인버터(55)는 다음과 같은 이유로 사용하게 된다. 가변용량과 전력비 절감을 위해서는 속도가변이 필요하며, 가변속도를 위하여 모터 공급전원의 주파수 를 변화시켜주는 수단이다.The
공기 베어링을 적용하는 터보기계의 경우, 모터의 회전자(12)가 상기 공기 베어링(26)에 의해 부양될 수 있는 임계 회전수에 도달하는 시간이 짧을수록 좋기 때문에, 일반적으로 수초 이내의 짧은 시간에 상기 회전자(12)를 부양시킬 수 있는 한계 회전수에 도달할 수 있도록 기동특성과 같은 전기적, 기계적 특성을 고려하여 모터를 설계하게 되는데, 상기 모터의 초기 기동 시 충분한 기동전류를 모터에 공급하는 역할을 인버터(55)가 하기 때문에, 상기 인버터는 기계부를 제어하는 시스템의 중요수단이 된다.In the case of turbomachines employing air bearings, the shorter time is usually within a few seconds, since the shorter the time for the
따라서, 상기 인버터는 전기적, 기계적인 문제가 없어야 하며, 상기 제어를 위하여 각종 제어부품들과 함께 그 기능을 원활히 수행할 수 있어야 한다.Therefore, the inverter should be free from electrical and mechanical problems, and should be able to perform its function smoothly with various control components for the control.
또한 제어부는 기계부의 동작되는 압력 및 온도를 감지하는 센서인 감지수단(56)을 통하여 감지된 입력신호와, 버튼을 구비한 조작수단(54)에 의해 입력된 상태를 인지하여 이를 논리적으로 연산한 후 상기 인버터(55) 및 디스플레이 화면(52)으로 출력신호를 송출하는 조절수단(53)을 포함한다.In addition, the control unit recognizes the input signal detected through the sensing means 56, which is a sensor for detecting the operating pressure and temperature of the mechanical part, and the state input by the operation means 54 having a button and logically calculates the input signal. And an adjusting means 53 for transmitting an output signal to the
도 8은 본 발명에 의한 터보기계 제어부의 하나인 디스플레이 화면과 조작 수단을 하나의 실시예로 나타내는 것으로서, 상기 디스플레이 화면을 통하여 실시간으로 기계부의 구동부분의 모터 및 회전자(12)와 고정자(13)의 상태를 알기 쉽게 보여줌으로써, 커서버튼을 이용하여 화면을 전환할 수 있게 하여 제어를 원활하게 수행토록 할 수 있다.8 shows a display screen and an operation means, which is one of the turbomachine control units according to the present invention, in one embodiment, wherein the motor and the
이는 초기화면과 각각의 토출 압력, 토출 공기온도, 흡입 공기온도를 표시하 며, 필요시 필터(302) 교환압력을 표시하는데, 필터 교환압력에 이르면 버져(Buzzer)가 울리고 시스템이 정지되도록 한다. 또한 차압, 모터전류, 전원전압을 표시하며, 예약시간, 총 운전시간, 현재 운전시간, 총 운전횟수를 표시하기도 한다.It displays the initial screen and the respective discharge pressure, discharge air temperature, intake air temperature, and if necessary, displays the filter 302 exchange pressure. When the filter exchange pressure is reached, a buzzer sounds and the system stops. In addition, it displays differential pressure, motor current, power supply voltage, and also displays reservation time, total operation time, current operation time, and total operation frequency.
또한 상기 디스플레이 화면을 통하여 에러(Error) 발생시 메시지 표시를 하게 되는데, 각각의 에러는 인버터 에러, 모터에러, 조절수단인 콘트롤러 에러, 전력공급수단인 파워 서플라이(Power supply) 에러가 있다.In addition, a message is displayed when an error occurs through the display screen. Each error includes an inverter error, a motor error, a controller error as a control means, and a power supply error as a power supply means.
상기 조작수단의 조작은 각종 버튼으로 하게 된다. 예를 들면 본 발명의 경우에는 하나의 실시예로써, 이동 입력버튼(54-1), 온/오프 조작키(54-1: Run button), 정지버튼(54-5: Stop button), 리셋버튼(54-6: Reset button)으로 하게 되는데, 각각의 특징은 다음과 같다.The operation of the operation means is performed by various buttons. For example, in the case of the present invention, as an embodiment, the movement input button 54-1, the on / off operation key 54-1 (Run button), the stop button 54-5 (Stop button), the reset button (54-6: Reset button), each feature is as follows.
이동입력버튼(54-1)의 이동은 좌우 커서버튼을 이용하여 각 모드로 이동하고 상하커서버튼을 사용하여 값을 변화시킬 수 있다. 엔터(Enter) 버튼을 길게 눌러 운전동작 값을 변화시키게 되는데, 이때 선택되어진 운전동작 모드는 점멸하게 된다.The movement of the movement input button 54-1 may be moved to each mode by using the left and right cursor buttons and the value may be changed by using the up and down cursor buttons. Press and hold the Enter button to change the operation mode. At this time, the selected operation mode will blink.
온/오프키(54-2)를 통해 온 오프를 하게 되고, 에러 발생시 부저(Buzzer) 또는 경광등이 작동되면, 리셋/부저 정지 버튼을 한번 길게 눌러 부저나 경광등이 동작을 멈추고 정상 모드로 전환시키게 된다.If the buzzer or beacon is activated when an error occurs, press and hold the reset / buzzer stop button once to stop the buzzer or the beacon and return to the normal mode. do.
또한 긴급 상황 발생시 비상정지 버튼(54-3)이 정지버튼(54-5)과 같이 동작하게 할 수도 있다.In addition, when an emergency occurs, the emergency stop button 54-3 may be operated like the stop button 54-5.
즉 상기 조작수단 상의 모든 전원스위치를 온 시키고, 온/오프 조작키를 온 위치시켜 준 후 동작버튼(54-4)을 눌러 터보기계를 가동시킬 수 있게 되며, 정지버튼(54-5)을 눌러 작동을 멈추게 된다. 긴급 시에는 비상정지버튼(54-3)을 눌러 작동을 정지시키고, 위험요소를 제거한 후 상기 비상정지(54-3)버튼을 시계방향으로 돌려 해제시키고, 리셋버튼(54-6)을 눌러 정상모드로 전환시키게 된다. 장시간 동작을 멈출 시에는 상기 온/오프 조작키를 오프에 위치시키고 전원을 오프 상태로 조정하면 된다.That is, all the power switch on the operation means, the on / off operation key to the on position to press the operation button (54-4) to operate the turbomachine, press the stop button (54-5) It will stop working. In case of emergency, press the emergency stop button (54-3) to stop the operation.After removing the hazard, turn the emergency stop (54-3) clockwise to release it, and press the reset button (54-6) to normal operation. Will switch to the mode. When the operation is stopped for a long time, the on / off operation key may be placed in the off position and the power may be adjusted to the off state.
본 발명에 의한 터보압축기의 제2 실시예는 제1 축 및 제 2축과, 상기 제1 축 및 제2 축에 각각 일체로 압입된 제1 회전자 및 제2 회전자와, 상기 제1 회전자 및 제2 회전자의 외주면과 일정한 간격을 두고 있는 내주면을 구비한 각각의 제1 고정자 및 제2 고정자로 구성된 구동부분과; 상기 구동부분을 지지하기 위한 것으로써, 내부에서 공기 순환이 가능한 케이싱과, 공기베어링 및 베어링 하우징으로 구성된 지지부분과; 상기 제1 축에 연결된 제1 임펠러와, 상기 제1 임펠러의 전면 흡입 측으로 공기를 순환시키는 제1 공기순환통로와, 상기 제1 임펠러의 후면 외주면에 설치된 제1 디퓨저와, 상기 제1 디퓨저와 연통된 제1 슈라우드와, 제1 볼루트 케이싱으로 구성된 제1 압축부분과; 상기 제1 압축부분에서 압축된 공기를 상기 제2 축에 연결된 제2 임펠러의 전면 흡입 측으로 순환시키는 제2 공기순환통로와, 상기 제2 임펠러의 후면 외주면에 설치된 제2 디퓨저와, 상기 제2 디퓨저와 연통된 제2 슈라우드와, 제2 볼루트 케이싱으로 구성된 제2 압축부분과; 상기 케이싱의 일측에 형성된 공기 흡입구와, 상기 케이싱 내의 공기 순환 공간과, 상기 제1 고정자 및 제2 고정자의 외측에 각각 형성된 제1 방열핀 및 제2 방열핀과, 상기 제2 공기순환통로 상에서 압축된 공기와 열교환을 수행하는 열교환기로 구성된 냉각부분;을 포함하는 기계부와, 상기 기계부 구동부분에 충분한 기동전류를 공급하기 위한 인버터와, 디스플레이 회면과, 압력 및 온도를 감지하는 감지수단과, 버튼을 구비한 조작수단과, 상기 구동부분의 구동축 회전수를 제어하기 위하여 상기 감지수단을 통하여 상기 기계부의 압력 및 온도 등의 운전상태를 감지하고, 상기 조작수단에 의한 입력신호를 인지하여 이를 논리적으로 연산한 후 상기 인버터 및 디스플레이 화면으로 출력신호를 송출하는 조절수단 및 전원공급수단을 포함하는 제어부로 구성된 것을 특징으로 한다.A second embodiment of the turbocompressor according to the present invention includes a first rotor and a second shaft, a first rotor and a second rotor integrally press-fitted to the first shaft and the second shaft, respectively, and the first rotation. A driving portion composed of each of the first stator and the second stator having an inner circumferential surface at regular intervals from the outer circumferential surface of the electron and the second rotor; A support part configured to support the driving part, the casing capable of circulating air therein, an air bearing and a bearing housing; A first impeller connected to the first shaft, a first air circulation passage through which air is circulated to the front suction side of the first impeller, a first diffuser provided on a rear outer circumferential surface of the first impeller, and the first diffuser are in communication with each other. A first compression portion composed of a first shroud and a first volute casing; A second air circulation passage for circulating the air compressed by the first compression portion to the front suction side of the second impeller connected to the second shaft, a second diffuser installed on the rear outer circumferential surface of the second impeller, and the second diffuser A second compression portion configured to communicate with the second shroud and a second volute casing; An air inlet formed at one side of the casing, an air circulation space in the casing, first and second heat dissipation fins respectively formed on the outside of the first stator and the second stator, and air compressed on the second air circulation passage And a cooling part comprising a heat exchanger configured to perform heat exchange with the inverter, an inverter for supplying sufficient starting current to the driving part of the mechanical part, a display surface, sensing means for sensing pressure and temperature, and a button. In order to control the driving means and the drive shaft rotational speed of the drive portion, the sensing means for detecting the operating state such as the pressure and temperature of the mechanical portion, and recognizes the input signal by the operation means to logically calculate this And a control unit including a control means and a power supply means for transmitting an output signal to the inverter and the display screen. Characterized in that configured.
도 4는 본 발명에 제2 실시예에 의한 터보압축기의 기계부 단면도로서, 구동부분/지지부분과 압축부분이 각각 별개의 구성으로 결합되는 전체 구성을 나타내고 있으며, 상기 구동부분은 제1 축(61) 및 제2 축(91)과 제1 회전자(62), 제2 회전자(92), 제1 고정자(63) 및 제2 고정자(93)로 구성된 모터로 구성되며, 이들의 지지 및 보호를 위하여 지지부분이 형성되어 있다.4 is a cross-sectional view of the mechanical part of the turbocompressor according to the second embodiment of the present invention, and shows an overall configuration in which the driving part / support part and the compression part are respectively combined in separate configurations, and the driving part is formed on the first shaft ( 61 and a motor composed of a
상기 지지부분은 베어링(26, 27)과 베어링 하우징(74, 75)으로 구성되는데, 이 때 베어링은 다엽 포일 공기베어링으로서, 저널베어링(26) 및 스러스트 베어링(27)으로 구성된다.The support part consists of
또한 베어링 하우징(74, 75)은 상기 베어링의 수용을 위하여 케이싱(71)에 고정되어 설치된다.In addition, the bearing
상기 지지부분의 한 요소인 외부를 둘러싸는 상기 케이싱(71)의 일측에 공기 가 흡입될 수 있도록 공기 흡입구(41)를 설치하고 그 타측에는 상기 흡입된 공기가 내부를 냉각하고 난 후 제1 공기순환통로(85)를 통해 배출되도록 한다.An
상기 터보기계 내부의 제1 고정자(63) 및 제2 고정자(93) 외주면에는 열교환을 용이하게 하기 위해 제1 방열핀(64) 및 제2 방열핀(94)을 설치함으로써, 상기 공기흡입구(41)를 통해 흡입되는 공기가 상기 방열핀들과 상기 고정자들의 코일을 직접 냉각하게 된다.The
또한 상기 제1 임펠러(81), 제1 디퓨저(82), 제1 슈라우드(83) 및 제1 볼루트 케이싱(84)으로 구성된 제1 압축부분은 상기 제1 공기순환통로(85)를 통해 배출되는 공기를 흡입하여 일정 압력만큼 상승 또는 압축시킨 다음 이를 다시 제2 공기순환통로(90)을 통하여 상기 제2 압축실로 토출하는 1단 압축과정을 수행하게 된다.In addition, the first compression portion composed of the
상기 제2 공기순환통로(90)을 통과한 공기는 상기 제2 축(91)에 연결된 상기 제2 임펠러(86), 제2 디퓨저(87), 제2 슈라우드(88) 및 제2 볼루트 케이싱(89)으로 구성된 제2 압축부분에서 원하는 최종 압력 및 유량의 상태로 토출된다.Air passing through the second
즉, 상기 구동부분의 제1 회전자(62), 및 제1 고정자(63)의 유도 전류에 의해 발생된 동력이 상기 제1 축(61)을 통해 상기 제1 임펠러(81)로 전달되면서, 임펠러가 회전하게 되고 이로 인해 흡입된 공기는 임펠러 내부에서 정압이 상승하며 동시에 원심력을 가지고 제1 디퓨져(82)를 통과하면서 상기 원심력에 의해 운동에너지가 압력수두의 상승으로 이어지고 압축된 고온고압의 공기는 제1 볼루트 케이싱들(84)에서 모아져 토출되며 이는 다시 제2 임펠러(86)로 전달되면서, 역시 동일 한 원리로 상기 제2 회전자(92), 및 제2 고정자(93)의 유도 전류에 의해 발생된 동력이 상기 제2 축(91)을 통해 상기 제2 임펠러(86)로 전달되면서, 상기 제2 임펠러(86)가 회전하게 되고 이로 인해 상기 1단 압축되어 흡입된 공기는 제2 임펠러(86) 내부에서 정압이 상승하며 동시에 원심력을 가지고 제2 디퓨져(87)를 통과하면서 상기 원심력에 의해 운동에너지가 압력수두의 상승으로 이어지고 원하는 압력까지 압축된 고온고압의 공기는 제2 볼루트 케이싱들(89)에서 모아져 다단 압축을 끝내게 된다.That is, while the power generated by the
또한 상기 압축되어 토출되는 고온고압의 공기로 인해 고온이 되는 상기 압축부분의 열이 시일면에 인해 차단됨으로써, 베어링 하우징(74, 75)을 통해 케이싱(71) 내부로 열이 전달되는 것을 방지하게 된다.In addition, the heat of the compressed portion, which becomes a high temperature due to the compressed and discharged high-temperature air, is blocked by the seal surface, thereby preventing heat from being transferred into the casing 71 through the bearing
또한 본 발명의 더욱 바람직한 실시를 위하여, 상기 제2 공기 순환통로(90) 상에는 1단 압축된 공기의 온도를 낮추어 주기 위한 열교환기로써, 인터쿨러(65)를 설치한다.In addition, in order to further implement the present invention, an
본 발명의 제2 실시예에 의한 터보압축기의 제어부 및 외장부의 구성, 특징 및 동작원리는 전술한 제1 실시예와 동일하므로 중복되는 설명은 생략하도록 한다.The configuration, features, and operation principle of the control unit and the exterior unit of the turbocompressor according to the second embodiment of the present invention are the same as the first embodiment described above, and thus redundant descriptions thereof will be omitted.
도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시 가능한 예시를 나타내는 개념도로서, 제1 실시예 및 제2 실시예의 응용이라 할 수 있다.5 and 6 are conceptual views showing still another possible example of the present invention, and may be referred to as an application of the first and second embodiments.
따라서 전술한 실시 예들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 적용 범위는 이와 같은 것에 한정되는 것이 아니며 동일 사상의 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.Therefore, the above-described embodiments are merely illustrative of the preferred embodiments of the present invention, and the scope of application of the present invention is not limited thereto, and may be appropriately changed within the scope of the same idea.
이상에서 전술한 바와 같이 본 발명에서는 고속모터와 공기 베어링을 적용한 다단 압축방식의 터보압축기에서 회전수 조절 및 유량조절을 위한 인버터를 상기 모터와 매칭시켜, 모터 및 인버터의 효율을 극대화시킨 고효율, 친환경의 소형터보기계를 공급함으로써 터보압축기의 소형화를 구현하였다.As described above, in the present invention, in the multi-stage compression type turbocompressor to which the high speed motor and the air bearing are applied, the inverter for the rotation speed control and the flow rate control is matched with the motor, thereby maximizing the efficiency of the motor and the inverter. Miniaturization of the turbo compressor was realized by supplying a small turbocharger.
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