KR101066968B1 - 기체 압축기 및 기체 압축기의 유량 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실속(stall)과 서지(surge)를 억제할 수 있는 가변 디퓨저 시스템을 구비한 기체 압축기에 관한 것이다. 기체 압축기는, ⅰ) 회전축에 고정되며, 날개면과 에지면을 포함하는 복수의 블레이드를 외주면에 구비하는 임펠러와, ⅱ) 날개면을 둘러싸는 쉬라우드와, ⅲ) 임펠러의 출구와 연결된 디퓨저 통로에 설치되며, 회전축과 나란한 방향을 따라 이동하여 디퓨저 통로를 개폐시키는 링 밸브와, ⅳ) 디퓨저 통로 중 링 밸브의 외측에서 디퓨저 통로의 원주 방향을 따라 설치되는 복수의 베인과, ⅴ) 링 밸브 및 복수의 베인과 기구적으로 결합되어 링 밸브의 이동과 복수의 베인의 회전각을 순차적으로 제어하는 액츄에이터를 포함한다.

가변디퓨저, 디퓨저통로, 임펠러, 회전축, 블레이드, 링밸브, 베인

Description

기체 압축기 및 기체 압축기의 유량 제어 방법 {GAS COMPRESSOR AND METHOD FOR CONTROLLING FLOW RATE THEREOF}

본 발명은 기체 압축기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 임펠러 출구와 연결된 디퓨저 통로에 설치되어 실속(stall)과 서지(surge)를 방지하는 가변 디퓨저 시스템 및 이를 이용한 기체 압축기의 유량 제어 방법에 관한 것이다.

통상의 기체 압축기는 회전하는 임펠러에 기체를 통과시켜 임펠러의 원심 압축력으로 기체를 가속 및 압축시킨다. 디퓨저 통로는 임펠러 출구와 연결되어 소음을 줄이고 송풍 효율을 높이면서 임펠러에서 토출된 고속 고압의 기체를 감속시켜 기체의 운동 에너지를 압력 에너지로 변환시키는 기능을 한다.

임펠러를 통과하는 기체의 유량이 감소하거나 임펠러 입구와 출구의 압력 차이가 작아지면 기류가 불안정해진다. 따라서 디퓨저 통로에서 역류가 발생하고, 이로 인해 실속과 서지 현상이 나타난다. 더욱이 기체의 유량이 더 감소하거나 임펠러 입구와 출구의 압력이 같아지면, 디퓨저 통로에서 주기적으로 완전한 역류가 발생하는 서지 상태에 돌입하여 압축기 효율이 크게 저하된다.

따라서 실속과 서지를 최소함과 동시에 유량을 조절할 수 있도록 디퓨저 통 로의 면적을 변화시키는 가변 디퓨저가 제안되었다. 통상의 가변 디퓨저는 디퓨저 통로의 원주 방향을 따라 배치되는 복수의 베인으로 이루어진다. 가변 디퓨저는 유량이 감소하거나, 임펠러 입구와 출구의 압력 차이가 작아질수록 디퓨저 통로의 면적을 축소시키고, 그 반대의 경우에는 디퓨저 통로의 면적을 확대시켜 기류를 안정화한다.

그런데 종래의 가변 디퓨저로는 임펠러 출구를 완전히 밀폐시킬 수 없으며, 임펠러와 가변 디퓨저 사이의 공간을 통해 기체의 역류를 허용하게 되므로 실속과 서지 예방에 한계가 있다. 또한, 종래의 가변 디퓨저는 유량 제어 범위가 제한적인데, 종래의 가변 디퓨저로 제어 가능한 최대 유량 범위는 정격 유량의 대략 45% 정도이다.

본 발명은 가변 디퓨저 시스템을 개선하여 기체의 역류를 차단함으로써 실속과 서지를 효과적으로 예방할 수 있는 기체 압축기 및 기체 압축기의 유량 제어 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 가변 디퓨저 시스템을 개선하여 제어 가능한 최대 유량 범위를 확대시킬 수 있는 기체 압축기 및 기체 압축기의 유량 제어 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기체 압축기는, ⅰ) 회전축에 고정되며, 날개면과 에지면을 포함하는 복수의 블레이드를 외주면에 구비하는 임펠러와, ⅱ) 날개면을 둘러싸며 에지면과 평행한 외벽을 구비하는 쉬라우드와, ⅲ) 임펠러의 출구와 연결된 디퓨저 통로에 설치되어 디퓨저 통로를 개폐시키며, 임펠러의 방사 방향을 따라 임펠러의 단부와 간격을 유지하는 링 밸브를 포함한다. 링 밸브는 쉬라우드의 외벽과 접촉하면서 쉬라우드의 외벽을 따라 슬라이드 이동한다.

링 밸브는 임펠러의 방사 방향을 따라 임펠러의 단부와 하기 조건의 간격(G)을 유지할 수 있다.

여기서, D는 임펠러의 출구측 직경(mm)을 나타낸다.

기체 압축기는 디퓨저 통로 중 링 밸브의 외측에서 디퓨저 통로의 원주 방향을 따라 설치되는 복수의 베인을 더욱 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 기체 압축기는, ⅰ) 회전축에 고정되며, 날개면과 에지면을 포함하는 복수의 블레이드를 외주면에 구비하는 임펠러와, ⅱ) 날개면을 둘러싸는 쉬라우드와, ⅲ) 임펠러의 출구와 연결된 디퓨저 통로에 설치되며, 회전축과 나란한 방향을 따라 이동하여 디퓨저 통로를 개폐시키는 링 밸브와, ⅳ) 디퓨저 통로 중 링 밸브의 외측에서 디퓨저 통로의 원주 방향을 따라 설치되는 복수의 베인과, ⅴ) 링 밸브 및 복수의 베인과 기구적으로 결합되어 링 밸브의 이동과 복수의 베인의 회전각을 순차적으로 제어하는 액츄에이터를 포함한다.

링 밸브는 임펠러의 방사 방향을 따라 임펠러의 단부와 하기 조건의 간격(G)을 유지할 수 있다.

여기서, D는 임펠러의 출구측 직경(mm)을 나타낸다.

쉬라우드의 외벽은 에지면과 평행하고, 링 밸브는 쉬라우드의 외벽과 접촉하면서 쉬라우드의 외벽을 따라 슬라이드 이동할 수 있다.

임펠러는 블레이드의 사이 공간들이 쉬라우드의 내측에서 날개면을 넘어 서로 연통하도록 구성될 수 있다. 다른 한편으로, 임펠러는 블레이드의 사이 공간들이 날개면측에서 덮개판에 의해 서로 분리되도록 구성될 수 있다.

복수의 베인 각각에는 베인 축이 고정될 수 있다. 액츄에이터는, ⅰ) 베인 축을 둘러싸는 내측 가이드 링과, ⅱ) 임펠러의 방사 방향을 따라 내측 가이드 링과 베인 축을 관통하여 내측 가이드 링과 베인 축을 결합시키는 복수의 볼 레버와, ⅲ) 내측 가이드 링을 둘러싸며, 연결부에 의해 링 밸브와 일체로 연결되고, 경사 슬라이딩 홀을 구비하는 외측 가이드 링과, ⅳ) 경사 슬라이딩 홀을 관통하여 내측 가이드 링에 고정되는 고정 핀을 포함할 수 있다. 기체 압축기는 베인 축, 내측 가이드 링 및 링 밸브를 지지하는 디퓨저 프레임을 더욱 포함할 수 있다.

베인 축은 임펠러의 방사 방향을 따라 베인 축을 관통하는 공동을 형성할 수 있으며, 내측 가이드 링은 임펠러의 방사 방향을 따라 공동과 마주하는 복수의 개구부를 형성할 수 있다. 복수의 볼 레버 각각은, ⅰ) 내측 가이드 링의 개구부 측벽에 밀착되는 볼 부재와, ⅱ) 공동에 끼워져 베인 축에 고정되는 지지 부재를 포함할 수 있다.

액츄에이터는, ⅰ) 내측 가이드 링의 회전량을 제한하는 스토퍼와, ⅱ) 외측 가이드 링에 고정되는 제어 핸들과, ⅲ) 디퓨저 프레임과 고정 핀 사이에 설치되는 탄성 부재를 더욱 포함할 수 있다.

스토퍼는, ⅰ) 내측 가이드 링의 일면에서 원주 방향을 따라 거리를 두고 위치하는 한 쌍의 제1 막대와, ⅱ) 디퓨저 프레임에 고정되며 그 일부가 한 쌍의 제1 막대 사이에 위치하도록 돌출되는 제2 막대를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기체 압축기의 유량 제어 방법은, ⅰ) 가동시 링 밸브를 닫아 디퓨저 통로를 밀폐시키고, 복수의 베인을 닫아 링 밸브의 외측에서 디퓨저 통로의 면적을 축소시키는 제1 단계와, ⅱ) 정격 가동을 위해 링 밸브를 열어 디퓨저 통로를 개방시키는 제2 단계와, ⅲ) 복수의 베인을 열어 링 밸브의 외측에서 디퓨저 통로의 면적을 확대시키는 제3 단계를 포함한다.

기체 압축기의 유량 제어 방법은, 제3 단계 이후 작동 정지를 위해, ⅳ) 복수의 베인을 닫아 링 밸브의 외측에서 디퓨저 통로의 면적을 축소시키는 제4 단계와, ⅴ) 링 밸브를 닫아 디퓨저 통로를 밀폐시키는 제5 단계를 더욱 포함할 수 있다.

본 발명에 의한 기체 압축기는 압축 기체가 임펠러를 벗어나지 못하도록 하거나 사용처의 압축 기체가 임펠러로 역류하지 못하도록 임펠러의 출구 전체를 폐쇄하는 링 밸브를 구비한다. 따라서 초기 가동시 무부하 운전이 가능하며, 기동 및 정지시 기체 역류에 의한 실속과 서지 발생을 효과적으로 차단할 수 있다. 그리고 링 밸브와 복수의 베인을 연동시켜 구동함으로써 제어 가능한 최대 유량 범위를 확대시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 기체 압축기는 단일 액츄에이터를 이용하여 링 밸브의 이동과 베인의 회전각을 순차적으로 제어함에 따라, 링 밸브와 베인의 회전각 제어를 위한 가변 디퓨저 시스템의 기구적 구성을 단순화할 수 있다. 따라서 부품 제작과 조립을 용이하게 하여 제조 비용을 낮출 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 기체 압축기에서는 링 밸브 작동시 소음이 거의 발생하지 않으므로 소음기를 장착해야 할 필요가 없고, 압축 기체를 대기와 연통시켜 압축 기체의 흐름을 제어하는 구성이 아니므로 배관 설치를 생략할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 압축기(100)의 부분 단면도이다.

도 1을 참고하면, 본 실시예의 기체 압축기(100)는 회전축(12), 임펠러(14), 쉬라우드(16), 링 밸브(18), 복수의 베인(20)(도 1에서는 하나의 베인을 도시) 및 액츄에이터(22)를 포함한다. 도 1에 도시한 기체 압축기(100)는 회전축(12)의 중심선(A-A선)을 기준으로 좌우 대칭을 이룬다.

임펠러(14)는 회전축(12)에 고정되며, 회전축(12)은 도시하지 않은 모터의 회전축에 결합된다. 임펠러(14)의 외주면에는 굽은 방사 형태로 이루어진 복수의 블레이드(24)가 형성된다. 블레이드(24)는 소정의 곡률로 형성되는 날개면(241)과, 날개면(241)에 연결되며 회전축(12)과 평행을 이루는 에지면(242)을 포함한다. 쉬라우드(16)는 블레이드(24)의 날개면(241)과 일정한 간격을 두고 임펠러(14)를 둘러싸도록 설치된다.

모터의 작동으로 임펠러(14)가 회전하면, 외부 기체가 회전하는 임펠러(14)로 유입되고, 블레이드(24)의 사이 공간을 통과하면서 가속 및 압축된 후 블레이드(24)의 에지면(242) 외측으로 배출된다. 도 1에서 기체의 유입 방향과 배출 방향을 화살표로 도시하였다. 본 실시예에서 '임펠러 출구'는 압축된 기체가 배출되는 임펠러(14)의 단부 주위를 의미한다.

임펠러(14) 출구의 외측으로 디퓨저 통로(26)가 위치한다. 디퓨저 통로(26)는 배출 스크롤(28)과 디퓨저 프레임(30) 사이에 형성되는 공간으로서, 소정의 높이와 폭을 가지는 고리 모양으로 제공된다. 디퓨저 통로(26)는 배출 스크롤(28)의 내부 통로와 연결되며, 임펠러(14)에서 배출된 고속 고압의 기체를 확산 및 감속시켜 기체의 운동 에너지를 압력 에너지로 변환시키는 기능을 한다.

본 실시예에서 링 밸브(18), 복수의 베인(20) 및 액츄에이터(22)가 가변 디퓨저 시스템을 구성한다. 링 밸브(18)는 디퓨저 통로(26)를 열고 닫도록 작동하며, 초기 가동시 디퓨저 통로(26)를 밀폐시켜 실속과 서지를 방지한다. 복수의 베인(20)은 회전각이 변하도록 작동하며, 링 밸브(18)의 외측에서 디퓨저 통로(26)의 면적을 변화시켜 기류를 안정화시킨다. 액츄에이터(22)는 링 밸브(18) 및 복수의 베인(20)과 기구적으로 결합되어 링 밸브(18)의 이동과 베인(20)의 회전각을 순차적으로 제어한다.

도 2는 도 1에 도시한 기체 압축기(100)의 부분 확대도로서, 링 밸브(18)가 배출 스크롤(28)을 향해 하강하여 디퓨저 통로(26)를 밀폐시킨 상태를 도시하였다. 도 3은 도 1에 도시한 기체 압축기(100) 중 임펠러(14)와 링 밸브(18)를 개략적으로 나타낸 평면도이다.

도 2와 도 3을 참고하면, 쉬라우드(16)의 외벽(161)은 블레이드(24)의 에지면(242)과 평행하고, 임펠러(14)의 방사 방향을 따라 에지면(242) 및 임펠러(14)의 단부와 소정의 간격을 유지한다. 여기서, '방사 방향'은 임펠러(14)의 중심으로부 터 회전축(12)과 직교하는 방향을 따라 사방으로 뻗어 나가는 방향으로 정의한다.

링 밸브(18)의 내면은 쉬라우드(16)의 외벽(161)과 접촉하며, 링 밸브(18)는 쉬라우드(18)의 외벽을 따라 슬라이드 이동하여 디퓨저 통로(26)를 개폐시킨다. 따라서 링 밸브(18)는 배출 스크롤(28)을 향해 하강하여 디퓨저 통로(26)를 밀폐시킬 때, 에지면(242) 및 임펠러(14)의 단부와 소정의 간격을 유지한다.

본 실시예에서 임펠러(14)의 방사 방향을 따라 측정되는 링 밸브(18)와 임펠러(14) 단부의 간격(G)(도 2의 확대원 및 도 3 참조)은 임펠러(14)의 출구측 직경(D; mm)(도 3 참조)에 따라 하기 조건을 만족하도록 설정된다.

--- (1)

간격(G)의 최소값은 임펠러(14)와 링 밸브(18)의 열팽창 및 회전축(12)의 반경 방향 유격 등의 제한 사항을 고려한 것이다. 즉, 간격(G)이 0.002D 미만이면, 임펠러(14)와 링 밸브(18)의 열팽창에 의해 임펠러(14)와 링 밸브(18)가 접촉할 수 있고, 설치 과정에서 회전축(12)과 임펠러(14)의 유격을 정밀하게 조정하는데 어려움이 생긴다. 또한, 조립 정밀도가 낮은 경우, 기체 압축기 작동시 임펠러(14)가 링 밸브(18)에 부딪힐 우려가 있다.

간격(G)의 최대값은 실속과 서지를 예방하는 링 밸브(18)의 기능성을 고려한 것이다. 즉, 간격이 0.008D를 초과하면, 임펠러(14)와 링 밸브(18) 사이의 공간을 통해 기체의 역류를 허용하여 실속과 서지가 발생하고, 그 결과 기체 압축기의 안정성과 효율을 크게 저하시킨다. 본 실시예의 기체 압축기(100)는 링 밸브(18)와 임펠러(14) 단부의 간격(G)을 조건 (1)의 범위 중 최소값에 근접하게 설정할수록 높은 효율을 구현할 수 있다.

임펠러(14)의 출구측 직경(D)은 10mm 내지 800mm일 수 있으며, 이 경우 링 밸브(18)와 임펠러(14) 단부의 간격(G)은 조건 (1)에 따라 0.02mm 내지 6.4mm로 설정된다. 기체 압축기(100)가 7000rpm 이상의 고속 기체 압축기인 경우, 정격 풍량과 압력에 따라 차이는 있지만, 임펠러(14)의 출구측 직경(D)이 50mm일 때 간격(G)은 0.2mm일 수 있고, 임펠러(14)의 출구측 직경(D)이 500mm일 때 간격(G)은 2mm일 수 있다.

도 4는 링 밸브와 임펠러 단부의 간격(G)이 0.008D를 초과하는 비교예의 기체 압축기 중 임펠러와 링 밸브를 개략적으로 나타낸 평면도이다. 도 3과 도 4를 참고하여 조건 (1)을 만족하는 실시예의 기체 압축기와, 조건 (1)을 만족하지 않는 비교예의 기체 압축기에서 안정성 및 효율 차이가 발생하는 이유에 대해 설명한다.

먼저 도 3을 참고하면, 본 실시예의 기체 압축기(100)에서 링 밸브(18)는 임펠러(14)의 둘레를 따라 임펠러(14)의 단부와 조건 (1)을 만족하는 간격(G)을 유지한다. 예를 들어, 임펠러(14)의 출구측 직경(D)이 200mm일 때, 간격(G)은 0.4mm 내지 1.6mm 범위로 설정된다.

실시예의 기체 압축기(100)에서 링 밸브(18)를 하강시켜 디퓨저 통로(26)를 밀폐시키면, 임펠러(14)는 외부 기체가 유입되는 입구를 제외하고 쉬라우드(16)와 링 밸브(18)에 의해 완전히 둘러싸인다. 이 상태에서 초기 가동을 시작하면, 블레이드(24)의 사이 공간(32)에서 압축된 기체는 임펠러(14)의 외측으로 토출되지 못 하고, 원심력 때문에 임펠러(14)를 거슬러 역류하지도 못한 채 같은 공간에서 그대로 회전을 계속하게 된다.

도 3에서 압축 기체의 회전 방향을 화살표로 도시하였다. 따라서 블레이드(24)의 사이 공간(32) 전체가 압축된 기체로 가득 채워지며, 임펠러(14) 입구에서는 더 이상의 외부 기체가 흡입되지 못한다.

그 결과, 초기 가동시 최소량의 기체 흡입 이외에 추가적으로 기체가 흡입되지 못한 상태에서 정격 회전수까지 상승하므로 무부하 운전이 가능해지고, 기체 역류로 인한 실속과 서지를 예방할 수 있다. 또한, 배출 스크롤(28)과 연결된 사용처 등의 문제로 인해 기체가 임펠러(14)로 역류하는 경우에 있어서도 링 밸브(18)로 디퓨저 통로를 밀폐시키면 기체 역류를 차단할 수 있으므로, 실속과 서지를 효과적으로 억제할 수 있다.

도 4를 참고하면, 비교예의 기체 압축기에서 링 밸브(18')는 임펠러(14)의 둘레를 따라 임펠러(14)의 단부와 조건 (1)을 만족하지 않는 간격(G2)을 유지한다. 예를 들어, 임펠러(14)의 출구측 직경(D)이 200mm일 때, 간격(G2)은 1.6mm를 초과한다.

비교예의 경우, 임펠러(14)와 링 밸브(18') 사이의 공간을 통해 기체의 역류를 허용한다. 즉, 임펠러(14) 회전시 블레이드(24)의 사이 공간(32)에서 압축된 기체는 임펠러(14)와 링 밸브(18') 사이의 공간을 통해 임펠러(14)의 회전 방향과 반대 방향을 따라 다른 블레이드(24)의 사이 공간(32)으로 역류하여 임펠러(14) 입구를 향하게 된다. 도 4에서 압축 기체의 이동 방향을 화살표로 도시하였다. 따라서 비교예의 기체 압축기에서는 무부하 운전이 불가능하며, 기체 역류로 인한 실속과 서지를 허용하게 된다.

도 5는 링 밸브와 임펠러 단부의 간격(G) 변화에 따른 진동 상태를 측정하여 나타낸 그래프이다. 실험에 사용된 기체 압축기에서 임펠러의 출구측 직경(D)은 200mm이고, 블레이드의 높이는 18mm이며, 상온 및 대기압 조건에서 실험하였다. 링 밸브와 임펠러 단부의 간격(G)은 조건 (1)에 따라 0.4mm 이상이고, 0.2mm씩 간격을 확대시키면서 임펠러의 진동 수치를 측정하였다.

도 5를 참고하면, 링 밸브와 임펠러 단부의 간격(G)이 커질수록 진동 수치는 점차 높아지지만 간격(G)이 1.6mm 이하인 영역은 정상 동작 범위에 속한다. 반면, 간격(G)이 1.6mm를 초과하면서 진동 수치가 급격하게 상승하여 초기 실속 및 서지 영역으로 돌입하는 것을 확인할 수 있다. 도 5의 결과로부터 조건 (1)을 만족하지 않는 비교예의 기체 압축기에서 안정성과 효율이 크게 저하됨을 알 수 있다.

본 실시예의 기체 압축기(100)에서 링 밸브(18)는 기본적으로 유량 제어 기능을 가질 뿐만 아니라 압축 기체가 임펠러(14)를 벗어날 수 없도록 임펠러(14) 출구 전체를 폐쇄하는 밸브로 보다 주요하게 기능한다. 따라서 링 밸브(18)를 이용하여 기체 역류를 차단함으로써 실속과 서지를 효과적으로 예방할 수 있다. 액츄에이터(22)는 링 밸브(18) 및 복수의 베인(20)과 기구적으로 결합되며, 링 밸브(18)의 이동과 베인(20)의 회전각을 순차적으로 제어한다.

다음으로, 링 밸브(18)와 복수의 베인(20) 및 액츄에이터(22)의 결합 구조에 대해 설명한다.

도 6과 도 7은 도 1에 도시한 가변 디퓨저 시스템의 분해 사시도이다.

도 6과 도 7을 참고하면, 복수의 베인(20)은 디퓨저 프레임(30)의 일측에서 디퓨저 통로(26)의 원주 방향을 따라 등간격으로 배치된다. 각각의 베인(20)에는 베인 축(34)이 고정되며, 베인 축(34)에는 방사 방향을 따라 베인 축(34)을 관통하는 공동(341)이 형성된다.

디퓨저 프레임(30)은 서로 이격 배치되는 제1 플랜지(36) 및 제2 플랜지(38)와, 제1 플랜지(36)의 내측 단부와 제2 플랜지(38)의 내측 단부를 연결하는 연결 플랜지(40)로 구성된다. 제1, 2 플랜지(36, 38)에는 베인 축(34) 장착을 위한 복수의 제1 개구부(301)가 원주 방향을 따라 등간격으로 배치된다.

액츄에이터(22)는 복수의 베인 축(34)을 둘러싸는 내측 가이드 링(42)과, 베인 축(34)과 내측 가이드 링(42)을 결합시키는 복수의 볼 레버(44)와, 내측 가이드 링(42)을 둘러싸며 링 밸브(18)와 일체로 연결되는 외측 가이드 링(46)과, 내측 가이드 링(42)과 외측 가이드 링(46)을 결합시키는 복수의 고정 핀(48)을 포함한다.

내측 가이드 링(42)에는 임펠러(14)의 방사 방향을 따라 내측 가이드 링(42)을 관통하는 복수의 제2 개구부(421)가 원주 방향을 따라 등간격으로 배치된다. 베인 축(34)이 디퓨저 프레임(30)의 제1 개구부(301)를 관통하여 디퓨저 프레임(30)에 결합되면, 내측 가이드 링(42)이 연결 플랜지(40)와 제2 플랜지(38)의 외측에 배치되어 복수의 베인 축(34)을 둘러싼다. 이때, 베인 축(34)의 공동(341)과 내측 가이드 링(42)의 제2 개구부(421)는 방사 방향을 따라 서로 마주하도록 배치된다.

볼 레버(44)는 내측 가이드 링(42)의 제2 개구부(421) 및 베인 축(34)의 공 동(341)을 관통하여 베인 축(34)에 고정된다. 볼 레버(44)는 내측 가이드 링(42)의 제2 개구부(421) 측벽에 밀착되는 볼 부재(50)와, 공동(341)에 끼워져 베인 축(34)에 고정되는 지지 부재(52)를 포함한다. 따라서 내측 가이드 링(42)이 회전하면 볼 레버(44)를 통해 베인 축(34)이 내측 가이드 링(42)과 연동하여 같이 회전한다.

디퓨저 프레임(30)과 내측 가이드 링(42)에는 내측 가이드 링(42)의 회전량을 제한하는 스토퍼(54)가 설치된다. 스토퍼(54)는 내측 가이드 링(42)의 일면에서 원주 방향을 따라 거리를 두고 위치하는 한 쌍의 제1 막대(56)와, 디퓨저 프레임(30)에 고정되며 그 일부가 한 쌍의 제1 막대(56) 사이에 위치하도록 돌출되는 제2 막대(58)를 포함한다. 한 쌍의 제1 막대(56)는 내측 가이드 링(42)의 최대 회전 거리만큼 떨어져 위치하며, 내측 가이드 링(42)은 한 쌍의 제1 막대(56) 중 어느 하나의 제1 막대(56)가 제2 막대(58)에 걸리면서 회전이 제한된다.

한편, 베인 축(34)에는 고정 나사(60)가 끼워지는 내부 공간이 형성되어 고정 나사(60)로 볼 레버(44)를 단단하게 조일 수 있다. 또한, 연결 플랜지(40)에는 임펠러(14)의 방사 방향을 따라 연결 플랜지(40)를 관통하는 복수의 제3 개구부(302)가 형성된다. 가변 디퓨저 시스템 분해시 연결 플랜지(40)의 내측에서 제3 개구부(302)로 공구를 밀어 넣어 볼 레버(44)를 밀어냄으로써 베인 축(34)으로부터 볼 레버(44)를 분리시킬 수 있다.

외측 가이드 링(46)은 링 밸브(18)와 나란하게 위치하며, 연결부(62)에 의해 링 밸브(18)와 일체로 형성된다. 도 8은 도 7에 도시한 외측 가이드 링(46)과 링 밸브(18) 및 연결부(62)의 단면도이다. 도 8을 참고하면, 외측 가이드 링(46)은 링 밸브(18)보다 작은 높이로 형성되고, 연결부(62)가 링 밸브(18)의 단부와 외측 가이드 링(46)의 단부를 일체로 연결한다.

다시 도 6과 도 7을 참고하면, 외측 가이드 링(46)에는 적어도 하나의 경사 슬라이딩 홀(461)이 형성된다. 일례로 4개의 경사 슬라이딩 홀(461)이 외측 가이드 링(46)의 원주 방향을 따라 배치될 수 있다. 고정 핀(48)은 경사 슬라이딩 홀(461)과 같은 개수로 구비되고, 각각의 고정 핀(48)은 경사 슬라이딩 홀(461)을 관통하여 내부 가이드 링(42)에 고정된다.

도 9는 도 1에 도시한 기체 압축기(100) 중 가변 디퓨저 시스템의 결합 상태 사시도이다.

도 9를 참고하면, 디퓨저 프레임(30)과 고정 핀(48) 사이에 탄성 부재(64)가 설치된다. 탄성 부재(64)의 일단은 디퓨저 프레임(30)에 고정되고, 탄성 부재(64)의 반대편 일단은 고정 핀(48)에 고정된다. 탄성 부재(64)는 복원력을 이용하여 고정 핀(48)을 시계 방향(도면 기준)으로 끌어당기는 힘을 발휘한다.

그리고 외측 가이드 링(46)에는 제어 핸들(66)이 부착되어 제어 핸들(66)의 작동으로 외측 가이드 링(46)의 회전을 제어한다. 제어 핸들(66)은 임펠러(14)를 통과하는 기체의 유량, 임펠러(14) 입구와 출구의 압력 차이, 사용처 등의 문제로 발생하는 기체의 역류 등 기체 압축기(100)의 동작 조건을 감지하는 제어부(68)와 연결되며, 제어부(68)의 명령에 의해 작동한다.

도 9 내지 도 13을 참고하여 가변 디퓨저 시스템을 이용한 기체 압축기의 유량 제어 방법에 대해 설명한다. 아래에서 언급하는 '시계 방향'과 '반시계 방향'은 도면을 기준으로 한다.

도 10과 도 11은 초기 가동을 위한 링 밸브(18)와 베인(20)의 상태를 나타내고 있다. 도 10과 도 11을 참고하면, 초기 가동시 외측 가이드 링(46)과 링 밸브(18)는 하강하여 링 밸브(18)가 디퓨저 통로(26)를 밀폐시킨다. 그리고 복수의 베인(20)은 닫힌 상태를 유지하여 링 밸브(18)의 외측에서 디퓨저 통로(26)의 면적을 최소화한다(제1 단계).

이때, 고정 핀(48)은 경사 슬라이딩 홀(461)의 상단부에 위치한다. 그리고 탄성 부재(64)가 복원력으로 고정 핀(48)을 시계 방향으로 끌어당기고 있으나, 내측 가이드 링(42)은 스토퍼(54)에 의해 더 이상 시계 방향으로 움직일 수 없다. 따라서 베인(20)의 각도가 지정된 최저 유량 위치에서 제한된다.

이와 같이 링 밸브(18)로 디퓨저 통로(26)를 밀폐시킨 상태에서 가동을 시작하면, 도 3을 참고로 설명한 바와 같이 무부하 운전을 할 수 있다. 또한, 압축 기체의 역류를 방지하여 실속과 서지를 억제할 수 있다.

이후 정격 가동을 위해 제어 핸들(66)과 외측 가이드 링(46)을 반시계 방향으로 회전시킨다. 그러면 도 9에 도시한 바와 같이, 고정 핀(48)이 경사 가이드로 작용하여 외측 가이드 링(46)이 디퓨저 프레임(30)으로부터 상승한다. 따라서 링 밸브(18)가 상승하여 디퓨저 통로(26)를 개방시킨다(제2 단계).

이때, 탄성 부재(64)가 고정 핀(48)을 시계 방향으로 끌어당기고 있으므로, 내측 가이드 링(42)과 그에 연동되는 베인(20)은 움직이지 않고 최저 유량 위치를 유지한다. 제2 단계에서 고정 핀(48)은 경사 슬라이딩 홀(461)의 하단부에 위치한 다.

이어서 제어 핸들(66)과 외측 가이드 링(46)을 반시계 방향으로 더 회전시킨다. 그러면 도 12와 도 13에 도시한 바와 같이, 외측 가이드 링(46)은 높이 변화 없이 고정 핀(48)에 가해진 탄성 부재(64)의 복원력을 이기고 반시계 방향으로 고정 핀(48)을 끌고 회전한다. 따라서 고정 핀(48)과 내측 가이드 링(42) 및 베인 축(34)이 움직이면서 베인(20)이 개방되어 디퓨저 통로(26)의 면적을 확대시킨다(제3 단계). 이 과정에서 고정 핀(48)은 스토퍼(54)에 의해 내측 가이드 링(42)의 회전이 멈출때까지 이동한다.

다음으로, 정지를 위한 작동 순서는 전술한 과정과 반대로 이루어진다.

즉, 도 12에서 제어 핸들(66)을 시계 방향으로 회전시키면, 탄성 부재(64)가 고정 핀(48)을 시계 방향으로 끌어당기고 있으므로 고정 핀(48)이 외부 가이드 링(46)에 대해 경사 가이드로 기능하지 못한다. 따라서 외부 가이드 링(46)은 높이 변화 없이 시계 방향으로 회전만 하게 되고, 탄성 부재(64)의 복원력에 이끌린 고정 핀(48)이 시계 방향으로 이동하여 베인(20)을 닫는다(제4 단계, 도 9 참조). 이 과정에서 고정 핀(48)은 스토퍼(54)에 의해 내측 가이드 링(42)의 회전이 멈출때까지 이동한다.

그리고 도 9에서 제어 핸들(66)을 시계 방향으로 더 회전시키면, 고정 핀(48)이 경사 가이드로 작용하므로 도 11에 도시한 바와 같이 외부 가이드 링(46)과 링 밸브(18)가 하강하여 디퓨저 통로(26)를 밀폐시킨다(제5 단계). 따라서 정격 가동으로부터 임펠러(14) 정지에 이르는 시기에서도 서지 발생을 효과적으로 억제 할 수 있다.

이와 같이 본 실시예의 기체 압축기(100)는 단일 액츄에이터(22)를 이용하여 링 밸브(18)와 복수의 베인(20)을 함께 제어하므로, 제어를 위한 기구적 구성을 단순화할 수 있다. 또한, 본 실시예의 기체 압축기(100)는 링 밸브(18)와 베인(20)을 순차적으로 구동시키므로, 가변 디퓨저 시스템으로 제어할 수 있는 유량 범위를 최대 100%까지 확대시킬 수 있다. 본 실시예에서 링 밸브(18)의 유량 제어 범위는 대략 0~45%이고, 베인(20)의 유량 제어 범위는 대략 45~100%이다.

한편, 도 1 내지 도 3에서는 쉬라우드(16)의 내측에서 블레이드(24)의 사이 공간들(32)이 날개면(241)을 넘어 서로 연통할 수 있는 구조를 도시하였으나, 날개면(241)에 덮개판(도시하지 않음)이 고정되어 날개면(241) 측에서 블레이드(24)의 사이 공간들이 서로 분리되는 구조도 적용 가능하다.

즉, 후자의 경우 임펠러(14)에서 기체가 유입되는 입구와 압축된 기체가 배출되는 출구(에지면측)를 제외하고 블레이드(24)의 사이 공간들은 덮개판으로 분리된다. 덮개판은 임펠러(14)와 함께 회전하고, 쉬라우드(16)의 내측에서 쉬라우드(16)와 거리를 유지한다. 후자의 경우, 덮개판을 제외한 기체 압축기의 형상은 전술한 실시예의 구조와 모두 동일하며, 링 밸브(18)와 임펠러(14) 단부의 간격(G) 또한 전술한 조건 (1)을 만족한다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범 위에 속하는 것은 당연하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 압축기의 부분 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시한 기체 압축기의 부분 확대도로서, 링 밸브가 배출 스크롤을 향해 하강하여 디퓨저 통로를 밀폐시킨 상태를 도시하였다.

도 3은 도 1에 도시한 기체 압축기 중 임펠러와 링 밸브를 개략적으로 나타낸 평면도이다.

도 4는 비교예의 기체 압축기 중 임펠러와 링 밸브를 개략적으로 나타낸 평면도이다.

도 5는 링 밸브와 임펠러 단부의 간격 변화에 따른 진동 수치를 측정하여 나타낸 그래프이다.

도 6과 도 7은 도 1에 도시한 가변 디퓨저 시스템의 분해 사시도이다.

도 8은 도 7에 도시한 외측 가이드 링과 링 밸브 및 연결부의 단면도이다.

도 9는 도 1에 도시한 기체 압축기 중 가변 디퓨저 시스템의 결합 상태 사시도이다.

도 10 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 압축기에서 유량 제어 방법을 설명하기 위해 도시한 가변 디퓨저 시스템의 개략도이다.

Claims (15)

1. 회전축에 고정되며, 날개면과 에지면을 포함하는 복수의 블레이드를 외주면에 구비하는 임펠러;

   상기 날개면을 둘러싸며 상기 에지면과 평행한 외벽을 구비하는 쉬라우드;

   상기 임펠러의 출구와 연결된 디퓨저 통로에 설치되어 상기 디퓨저 통로를 개폐시키며, 상기 임펠러의 방사 방향을 따라 상기 임펠러의 단부와 간격을 유지하는 링 밸브

   를 포함하며,

   상기 링 밸브는 상기 쉬라우드의 외벽과 접촉하면서 상기 쉬라우드의 외벽을 따라 슬라이드 이동하고, 상기 임펠러의 방사 방향을 따라 상기 임펠러의 단부와 하기 조건의 간격(G)을 유지하는 기체 압축기.

   

   여기서, D는 상기 임펠러의 출구측 직경(mm)을 나타낸다.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 디퓨저 통로 중 상기 링 밸브의 외측에서 상기 디퓨저 통로의 원주 방향을 따라 설치되는 복수의 베인을 더욱 포함하는 기체 압축기.
4. 회전축에 고정되며, 날개면과 에지면을 포함하는 복수의 블레이드를 외주면에 구비하는 임펠러;

   상기 날개면을 둘러싸도록 설치되고, 상기 회전축 및 상기 에지면과 평행한 외벽을 구비하는 쉬라우드;

   상기 임펠러의 출구와 연결된 디퓨저 통로에 설치되며, 상기 쉬라우드의 외벽과 접촉하면서 상기 쉬라우드의 외벽을 따라 슬라이드 이동하여 상기 디퓨저 통로를 개폐시키는 링 밸브;

   상기 디퓨저 통로 중 상기 링 밸브의 외측에서 상기 디퓨저 통로의 원주 방향을 따라 설치되는 복수의 베인; 및

   상기 링 밸브 및 상기 복수의 베인과 기구적으로 결합되어 상기 링 밸브의 이동과 상기 복수의 베인의 회전각을 순차적으로 제어하는 액츄에이터

   를 포함하는 기체 압축기.
5. 제4항에 있어서,

   상기 링 밸브는 상기 임펠러의 방사 방향을 따라 상기 임펠러의 단부와 하기 조건의 간격(G)을 유지하는 기체 압축기.

   

   여기서, D는 상기 임펠러의 출구측 직경(mm)을 나타낸다.
6. 삭제
7. 제5항에 있어서,

   상기 임펠러는 상기 블레이드의 사이 공간들이 상기 쉬라우드의 내측에서 상기 날개면을 넘어 서로 연통하도록 구성되는 기체 압축기.
8. 제5항에 있어서,

   상기 임펠러는 상기 블레이드의 사이 공간들이 상기 날개면측에서 덮개판에 의해 서로 분리되도록 구성되는 기체 압축기.
9. 제4항, 제5항, 제7항, 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 복수의 베인 각각에는 베인 축이 고정되고,

   상기 액츄에이터는,

   상기 베인 축을 둘러싸는 내측 가이드 링;

   상기 임펠러의 방사 방향을 따라 상기 내측 가이드 링과 상기 베인 축을 관통하여 상기 내측 가이드 링과 상기 베인 축을 결합시키는 복수의 볼 레버;

   상기 내측 가이드 링을 둘러싸며, 연결부에 의해 상기 링 밸브와 일체로 연결되고, 경사 슬라이딩 홀을 구비하는 외측 가이드 링; 및

   상기 경사 슬라이딩 홀을 관통하여 상기 내측 가이드 링에 고정되는 고정 핀

   을 포함하며,

   상기 기체 압축기는 상기 베인 축, 상기 내측 가이드 링 및 상기 링 밸브를 지지하는 디퓨저 프레임을 더욱 포함하는 기체 압축기.
10. 제9항에 있어서,

    상기 베인 축은 상기 임펠러의 방사 방향을 따라 상기 베인 축을 관통하는 공동을 형성하고, 상기 내측 가이드 링은 상기 임펠러의 방사 방향을 따라 상기 공동과 마주하는 복수의 개구부를 형성하는 기체 압축기.
11. 제10항에 있어서,

    상기 복수의 볼 레버 각각은 상기 내측 가이드 링의 개구부 측벽에 밀착되는 볼 부재와, 상기 공동에 끼워져 상기 베인 축에 고정되는 지지 부재를 포함하는 기체 압축기.
12. 제9항에 있어서,

    상기 액츄에이터는,

    상기 내측 가이드 링의 회전량을 제한하는 스토퍼;

    상기 외측 가이드 링에 고정되는 제어 핸들; 및

    상기 디퓨저 프레임과 상기 고정 핀 사이에 설치되는 탄성 부재

    를 더욱 포함하는 기체 압축기.
13. 제12항에 있어서,

    상기 스토퍼는,

    상기 내측 가이드 링의 일면에서 원주 방향을 따라 거리를 두고 위치하는 한 쌍의 제1 막대; 및

    상기 디퓨저 프레임에 고정되며 그 일부가 상기 한 쌍의 제1 막대 사이에 위치하도록 돌출되는 제2 막대

    를 포함하는 기체 압축기.
14. 임펠러 출구와 연결된 디퓨저 통로에 설치되는 링 밸브와, 상기 링 밸브의 외측에서 상기 디퓨저 통로의 원주 방향을 따라 설치되는 복수의 베인과, 상기 복수의 베인 각각에 고정되는 베인 축과, 상기 링 밸브 및 상기 베인 축과 결합하는 액츄에이터를 포함하는 기체 압축기의 유량 제어 방법에 있어서,

    초기 가동시 상기 링 밸브를 닫아 상기 디퓨저 통로를 밀폐시키고, 상기 복수의 베인을 닫아 상기 링 밸브의 외측에서 상기 디퓨저 통로의 면적을 축소시키는 제1 단계;

    정격 가동을 위해 상기 링 밸브를 열어 상기 디퓨저 통로를 개방시키는 제2 단계; 및

    상기 복수의 베인을 열어 상기 링 밸브의 외측에서 상기 디퓨저 통로의 면적을 확대시키는 제3 단계

    를 포함하는 기체 압축기의 유량 제어 방법.
15. 제14항에 있어서,

    상기 제3 단계 이후 작동 정지를 위해,

    상기 복수의 베인을 닫아 상기 링 밸브의 외측에서 상기 디퓨저 통로의 면적을 축소시키는 제4 단계; 및

    상기 링 밸브를 닫아 상기 디퓨저 통로를 밀폐시키는 제5 단계

    를 더욱 포함하는 기체 압축기의 유량 제어 방법.

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