KR101279567B1

KR101279567B1 - 회전 기계

Info

Publication number: KR101279567B1
Application number: KR1020110017982A
Authority: KR
Inventors: 황인권
Original assignee: 삼성테크윈 주식회사
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2013-06-28
Also published as: KR20120098193A

Abstract

본 발명에서는 회전 기계가 개시된다. 상기 회전 기계는 회전축과, 회전축 상에 고정되고, 다수의 블레이드를 포함하는 임펠러와, 블레이드와 유격을 사이에 두고 마주하게 배치된 쉬라우드와, 유격에 배치되고 플라스틱 소재로 형성된 래버린스 실 부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 가스의 역류를 차단하는 래버린스 실 부에 최적의 갭을 형성함으로써, 가스 역류를 효과적으로 차단하면서도 임펠러와 이웃한 부품들 간의 기계적인 마찰 마모에 따른 내구력 저하를 방지할 수 있는 회전 기계가 제공된다.

Description

회전 기계{Rotary machine}

본 발명은 회전 기계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전부를 가지는 압축기, 펌프 등에 적용되는 회전 기계에 관한 것이다.

유체 등을 압축하는 압축기 또는 펌프와 같은 유체기계에는 내부에 회전하는 회전자로서 임펠러를 가지고 있다. 임펠러의 회전 에너지를 유체에 전달시켜 유체의 압력을 상승시키도록 구성될 수 있다. 이를 위해 임펠러에는 유체의 이동을 돕고 에너지를 유체에 전달하는 다수 개의 블레이드가 배치되어 있다.

한편, 임펠러의 외부에는 쉬라우드가 배치되는데, 쉬라우드는 블레이드와 함께 유체의 이동통로를 형성한다. 적정의 회전구동수단에 의해, 회전축과 함께 임펠러를 회전시킴으로써 가스의 유입구로부터 가스를 흡입하고 임펠러의 회전 에너지를 유체에 전달하여 가스를 압축시키게 되며, 압축된 가스는 유출구를 통하여 외부로 토출된다.

이때, 가스의 유출구로부터 토출된 고압의 가스는 가스압력 차이에 의해 재차 가스의 유입구 측으로 복귀할 수 있는데, 이 경우, 가스의 순환경로로 형성됨으로써 가스 토출량이 감소하게 되고, 기계의 구동효율이 감소하는 문제가 있다.

본 발명의 목적은, 가스의 역류를 차단하는 래버린스 실 부에 최적의 갭을 형성함으로써, 가스 역류를 효과적으로 차단하면서도 임펠러와 이웃한 부품들 간의 기계적인 마찰 마모에 따른 내구력 저하를 방지할 수 있는 회전 기계를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적 및 그 밖의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 회전 기계는,

회전축;

상기 회전축 상에 고정되고, 다수의 블레이드를 포함하는 임펠러;

상기 블레이드와 유격을 사이에 두고 마주하게 배치된 쉬라우드; 및

상기 유격에 배치되고 플라스틱 소재로 형성된 래버린스 실 부;를 포함한다.

예를 들어, 상기 래버린스 실 부는 쉬라우드의 블레이드와 마주하는 면을 따라 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 래버린스 실 부는 쉬라우드로부터 블레이드를 향해 돌출 형성된 다수의 돌기들을 포함할 수 있다.

이때, 상기 돌기들은 상기 블레이드의 외주연과 평행하게 연장되는 쉬라우드의 곡면을 따라 다수로 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 돌기들은 삼각 톱니 형상으로 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 돌기들은 가스 유입구로부터 가스 유출구 방향으로 기울어진 편향된 삼각 톱니 형상으로 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 각 돌기는 상기 쉬라우드로부터 연장되고 서로 다른 경사를 갖는 제1, 제2 사면이 맞닿아 형성하는 일 정점을 꼭지점으로 하는 삼각형상으로 형성될 수 있다.

이때, 상기 제1 사면은 블레이드의 외주연에 수직한 법선과 제1 각도를 이루고, 상기 제2 사면은 상기 제1 사면과 제2 각도를 이룰 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 각도는 15도이고, 상기 제2 각도는 30도로 설정될 수 있다.

예를 들어, 상기 돌기 중 적어도 하나의 첨단부분에는 블레이드와의 마찰에 의한 마모 부분이 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 돌기 중 적어도 하나의 첨단부분은 블레이드 상에 기대어져 눕혀져 있을 수 있다.

예를 들어, 상기 돌기 중 적어도 하나의 첨단부분은 블레이드와 이격되어 있을 수 있다.

예를 들어, 상기 래버린스 실 부는 엔지니어링 플라스틱 소재로 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 블레이드와 쉬라우드 간의 유격은 블레이드 길이의 10%로 설정될 수 있다.

예를 들어, 상기 래버린스 실 부와 블레이드 사이에는 0.4mm 이하의 갭이 형성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 가스의 역류를 차단하는 래버린스 실 부를 형성하고, 특히, 상기 래버린스 실 부를 엔지니어링 플라스틱 계열의 소재로 형성함으로써 회전 기계의 누적 회전수에 따라 래버린스 실 부에 최적의 갭이 형성되도록 한다. 이에, 래버린스 실 부에 과대한 갭이 형성됨으로써 가스 역류를 허용하고 이에 따라 회전 기계의 구동효율이 저하되고, 가스의 토출량이 감소하는 문제를 해소할 수 있다. 또한, 래버린스 실 부에 과소한 갭이 형성됨으로써 회전축의 편심에 따라 회전 기계의 작동이 불가능하거나 또는 임펠러와 이웃한 부품 간의 마찰 마모 등에 의한 제품의 내구력 저하를 막을 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 회전 기계의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 회전 기계의 단면도이다.
도 3은 도 1의 회전 기계가 적용된 원심 압축기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 주요부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 5는 래버린스 실 부를 형성하는 돌기의 형상을 예시한 도면이다.
도 6은 가동 초기 래버린스 실 부의 형상을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 7은 정상 상태에서 래버린스 실 부의 형상을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 회전 기계의 형상을 보여주는 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기계를 도시한 사시도이다. 도 2는 도 1의 단면도이다.

도시된 회전 기계(100)는 임펠러(110)와 쉬라우드(120)를 포함한다. 상기 임펠러(110)는, 회전축 공(110a)을 둘러싸는 대략 원통 형상으로 연장되는 내부 코어(111)와, 상기 내부 코어(111)의 외측에 형성되고, 회전축 방향을 따라 방사상으로 외경이 증가하는 허브 디스크(112)와, 상기 허브 디스크(112)의 면 상에서 소정의 간격을 두고 다수로 형성된 복수의 블레이드(113)를 포함한다.

예를 들어, 내부 코어(111)에는 회전축이 끼워 삽입되기 위한 회전축 공(111a)이 형성될 수 있으며, 상기 내부 코어(111)는 회전축을 둘러싸는 대략 원통 형상으로 연장 형성될 수 있다.

상기 허브 디스크(112)는 내부 코어(111)의 외곽에 위치되며, 회전축 방향을 따라 방사상으로 외경이 증가하도록 형성될 수 있다. 허브 디스크(112)의 표면은 경사진 곡면을 이루도록 형성되어 있고, 유체 통로의 바닥면을 형성하여 유체 유동을 부드럽게 할 뿐만 아니라, 유체로의 에너지 전달을 최대로 할 수 있도록 설계되어 있다.

상기 블레이드(113)는 허브 디스크(112) 상에 형성되어 있는데, 유체의 이동을 가이드하는 기능을 수행하면서, 임펠러(110)의 운동 에너지를 유체에 전달하는 기능을 수행한다. 상기 블레이드(113)는 소정의 간격을 두고 다수로 마련될 수 있으며, 허브 디스크(112) 상에서 대략 방사상 형태로 배열될 수 있다. 도 2에서 볼 수 있듯이, 상기 블레이드(113)의 회전에 의해 유입구(100a)로부터 유입된 유체가 원심력에 따라 압축되고 유출구(100b)를 통하여 외부로 배출된다.

상기 쉬라우드(120)는 유체의 유입구를 형성하도록 상단부가 개방되고, 개방된 상단부로부터 하방으로 가면서 다수의 블레이드(113)의 외주연을 따라 방사상으로 확장되도록 형성될 수 있다. 상기 쉬라우드(120)는 유체 통로의 천정면을 형성하며, 허브 디스크(112) 및 블레이드(113)와 함께 유체의 이동 통로를 형성한다.

상기 쉬라우드(120)와 블레이드(113) 사이에는 래버린스 실(labyrinth seal, 125) 부가 형성된다. 상기 래버린스 실 부(125)는 유출부(100b)를 통하여 토출된 고압의 가스가 유입구(100a) 측으로 다시 되돌아오는 것을 방지하는 기능을 한다.

예를 들어, 상기 래버린스 실 부(125)는 블레이드(113)와 마주하는 쉬라우드(120)의 내주연으로부터 블레이드(113)를 향하여 돌출된 환상의 돌기들로 형성될 수 있으며, 상기 환상의 돌기들은 쉬라우드(120)와 블레이드(113) 간의 유격(P)에 형성되고, 이 유격(P)은 블레이드 길이(L)의 대략 10% 정도로 형성될 수 있다. 여기서, 블레이드의 길이(L)란, 회전축 방향(회전 중심 C)을 따르는 블레이드(113)의 길이를 의미할 수 있으며, 블레이드(113) 상의 유입구(100a) 위치와 유출구(100b) 위치 간의 직선상의 거리를 의미할 수 있다.

도 3에는 도 1에 도시된 회전 기계가 적용된 원심 압축기가 도시되어 있다. 도 4는 도 3의 주요 부분을 확대하여 도시한 도면이다. 도 3에는 도 1의 회전 기계가 적용된 일 예시적인 분야로서 원심 압축기가 도시되어 있다. 다만, 상기 회전 기계의 적용분야는 예시된 바에 의해 한정되지 않는다. 즉, 본 발명의 회전 기계는 회전 운동에 의해 유체의 압력과 속도를 변화시킬 수 있는 장치이면 충분하며, 예를 들어, 본 발명에 따른 회전 기계는 펌프, 송풍기 등에 적용될 수 있는 포괄적인 개념이다.

도면을 참조하면, 상기 원심 압축기는 회전축(회전 중심 C)과 회전축의 일단부에 일체적으로 형성된 임펠러(110)를 포함한다. 상기 회전축의 길이 방향을 따라 일정한 개소, 예를 들어, 적어도 하나 이상 다수의 개소에는 저널 베어링(journal bearing, 151)이 형성되어 회전축의 휨 변형을 방지할 수 있으며, 필요에 따라 회전축의 적어도 일 개소에는 트러스트 베어링(thrust bearing,152)이 형성되어 축 방향으로의 움직임을 제한할 수 있다.

상기 임펠러(110)의 주위로는 압축기의 케이싱(140)이 형성될 수 있으며, 상기 케이싱(140)에 대해 쉬라우드(120)가 고정적으로 장착될 수 있다. 회전자로서의 임펠러(110)와 고정자로서의 쉬라우드(120)가 소정 유격을 사이에 두고 전방에서 후방으로 확장되는 곡선 형태를 따라 연장될 수 있으며, 쉬라우드(120)와 임펠러(110), 보다 구체적으로 블레이드(113) 사이에는 가스의 유입구(100a) 측과 가스의 유출구(100b) 측 간의 유체적 연결을 차단하기 위한 래버린스 실 부(125)가 형성될 수 있다.

도시하지 않은 회전구동수단에 의해, 회전축(회전 중심 C)과 함께 임펠러(110)를 회전시킴으로써 가스의 유입구(100a) 측으로부터 가스를 흡입하고 임펠러(110)의 회전 에너지를 유체에 전달하여 가스를 압축시키게 되며, 압축된 가스는 유출구(100b)를 통하여 외부로 토출된다.

상기 쉬라우드(120)와 블레이드(113) 사이에는 래버린스 실(labyrinth seal, 125) 부가 형성된다. 상기 래버린스 실 부(125)는 유출부(100b)를 통하여 토출된 고압의 가스가 유입구(100a) 측으로 다시 되돌아오는 것을 방지하는 기능을 한다(가스역류 R 차단, 도 4 참조). 즉, 유출부(100b)를 통하여 토출된 고압의 가스가 상대적으로 저압의 유입구(100a) 측으로 압력차에 의해 되돌아오게 됨으로써 가스의 순환경로가 형성되는 것을 제한하는 기능을 한다. 이렇게 순환되는 가스의 경로는 압축 가스의 토출량을 저하시키고, 예를 들어, 압축기의 성능을 저하시키게 된다. 상기 래버린스 실 부(125)는 가스 누수에 따라 유출구(100b) 측으로부터 유입구(100a) 측으로 되돌아오는 가스의 복귀를 차단하고, 회전 기계의 구동 효율을 높이기 위해 도입된다.

예를 들어, 상기 래버린스 실 부(125)는 블레이드(113)와 마주하는 쉬라우드(120)의 내주연으로부터 블레이드(113)를 향하여 돌출된 환상의 돌기들로 형성될 수 있으며, 상기 환상의 돌기들은 쉬라우드(120)와 블레이드(113) 간의 유격(P, 도 2 참조)에 형성되고, 이 유격(P)은 대략 블레이드 길이(L)의 대략 10% 정도로 형성될 수 있다.

도 5에는 래버린스 실 부(125)를 형성하는 돌기 형상이 예시되어 있다. 도면을 참조하면, 상기 래버린스 실 부(125)를 형성하는 각 돌기들은, 예를 들어, 삼각 톱니 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 돌기는 쉬라우드(120) 내면으로부터 돌출되고, 서로 다른 경사각을 갖는 제1, 제2 사면(S1,S2)이 서로 맞닿아 형성하는 뾰족한 정점을 일 꼭지점으로 갖는 삼각 형상으로 형성될 수 있다.

회전 기계(100)의 가동 초기, 래버린스 실 부(125)를 형성하는 돌기는 쉬라우드(120)로부터 돌출되어 블레이드(113)의 외주연 위에 미끄럼 접촉될 수 있다. 여기서, 미끄럼 접촉이란, 고정 장착된 쉬라우드(120)로부터 돌출된 돌기들이 블레이드(113)와 접촉된 상태에서, 회전축과 일체적으로 회전되는 블레이드(113)는 돌기 상의 첨단부분 위를 미끄러지며 회전한다는 것을 의미한다. 이때, 래버린스 실 부(125)를 형성하는 돌기의 첨단부분은 블레이드(113)의 상대 회전에 따라 마찰 마모를 경험하게 되고, 마찰 마모에 따라 블레이드(113)와의 관계에서 최적화된 갭을 형성하게 된다. 즉, 회전 기계(100)의 가동 초기에는 돌기의 첨단부분이 블레이드(113)의 강제 회전에 따라 마모되면서, 블레이드(113)와의 기계적인 간섭을 피할 수 있으면서도 가스의 누수를 방지할 수 있는 최적화된 갭을 자연스럽게 형성하게 된다는 것이다.

도 6은 래버린스 실 부(125)를 형성하는 돌기의 초기상태를 보여주는 도면이다. 도 7은 래버린스 실 부(125)를 형성하는 돌기의 가동 후 정상상태를 보여주는 도면이다.

도 6을 참조하면, 래버린스 실 부(125)를 형성하는 돌기의 첨단부분(125P)은 블레이드(113)와 밀접한 위치까지 돌출되어 가스의 누수를 저지하게 된다. 가동 초기(예를 들어, 회전 기계 100 장착 초기)에는 래버린스 실 부(125)를 형성하는 돌기의 첨단부분(125P)이 블레이드(113)와 맞닿도록 형성되며, 가공 공차를 고려하여 돌기의 첨단부분(125P)은 블레이드(113) 상에 기대어진 눕혀진 상태로 조립된다. 이 상태에서, 회전축과 함께 블레이드(113)가 회전되면, 고정 장착된 돌기의 첨단부분(125P)이 회전되는 블레이드(113)와의 기계적 마찰에 따라 첨단부분(125P)이 집중적으로 마모된다.

돌기의 첨단부분(125P)이 블레이드(113) 상에 밀착된 가동 초기에는, 블레이드(113)의 회전에 따라 첨단부분(125P)이 상대적으로 많은 양의 마찰 마모를 보이지만, 블레이드(113)의 누적 회전수가 증가하면서, 점차 첨단부분(125P)과 블레이드(113) 간의 기계적인 마찰이 감소하며 마모의 양이 줄어들게 되며, 정상 상태에서는 돌기의 첨단부분(125P)이 거의 일정한 형상을 유지하며, 자연적인 수준의 미량의 마모를 보이게 된다. 예를 들어, 래버린스 실 부(125)를 형성하는 돌기의 첨단부분(125P)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 정상 상태에서 블레이드(113)와 미소의 갭(g)을 사이에 두고 거의 접촉된 상태를 유지하게 되는데, 여기서, 거의 접촉된 상태란 돌기의 첨단부분(125P)이 블레이드(113)와 100% 접촉한 상태거나, 또는 돌기의 첨단부분(125P)이 블레이드(113) 상에 가압 밀착된 상태를 의미하는 것이 아니고, 미소의 갭(g)을 사이에 두고 돌기의 첨단부분(125P)과 블레이드(113)가 물리적으로 이격되어 있지만, 반드시 이러한 미소의 갭(g)이 다수의 돌기들에 대해 공통적으로 유지되어야 하거나 또는 모든 돌기들에서 일정한 수준으로 유지되어야 하는 것은 아니다.

예를 들어, 돌기의 첨단부분(125P)과 블레이드(113) 간의 미소의 갭(g)은 블레이드(113)의 회전에 따른 마찰 등의 기계적인 간섭을 피할 수 있으면서도, 가스의 누수를 효과적으로 저지할 수 있기에 충분히 작은 틈새로 형성될 수 있다.

한편, 상기 래버린스 실 부(125)를 형성하는 돌기들은 블레이드(113)와의 기계적인 마찰에 따라 자신은 마모되면서 상대편인 블레이드(113)에는 손상을 주지 않는 소재로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 래버린스 실 부(125)를 형성하는 돌기는 플라스틱 소재로 형성될 수 있으며, 엔지니어링 플라스틱(engineering plastic) 소재로서, 예를 들어, 열 가소성 소재로 형성될 수 있다. 이러한 소재의 선택으로, 래버린스 실 부(125)를 형성하는 돌기에만 기계적인 마모가 집중되도록 함으로써 래버린스 실 부(125)가 최적의 갭(g)을 형성하게 하는 한편으로, 블레이드(113)에서는 기계적인 마모가 최소화되도록 한다.

본 발명의 일 실시형태에서는 회전 기계(100)의 작동에 수반되는 마찰 마모에 따라 래버린스 실 부(125)에 최적화된 미소의 갭(g)을 자연스럽게 형성한다. 즉, 래버린스 실 부(125)를 형성하는 돌기를 엔지니어링 플라스틱(engineering plastic) 소재로 형성함으로써 마찰 마모에 따라 미세한 갭(g)이 형성되도록 한다. 또한, 래버린스 실 부(125)를 엔지니어링 플라스틱 소재로 형성함으로써 금속소재로 형성되는 블레이드(113)와의 접촉시에도 부품의 손상이나 동력 계통에 무리를 주지 않고 기계적인 안정성을 유지할 수 있도록 한다. 또한, 래버린스 실 부(125)의 소재로서 엔지니어링 플라스틱을 도입함으로써 260도 이상의 고온 환경에서도 열적인 부식이나 손상을 동반하지 않는 내열 특성을 갖출 수 있다. 또한, 비금속 플라스틱 계열의 래버린스 실 부(125)를 도입함으로써 부식 문제를 원천적으로 해소할 수 있다.

예를 들어, 상기 래버린스 실 부(125)를 형성하는 엔지니어링 플라스틱 소재는, 금속 소재의 대체용으로 개발된 고분자 플라스틱 소재를 의미할 수 있으며, 보다 구체적으로, PEEK 또는 PAI 등이 예시될 수 있다. 이러한 엔지니어링 플라스틱 소재는, 금속 소재에 상응하는 기계적 강도를 가질 수 있다.

상기 래버린스 실 부(125)는 회전축과 함께 일체적으로 회전하는 블레이드(113)와, 블레이드(113)의 외주를 따라 유격(P, 도 2)을 사이에 두고 고정적으로 장착되는 쉬라우드(120) 사이에 형성될 수 있으며, 상기 래버린스 실 부(125)는 진동 충격 등에 따라 밀접한 위치에 배치된 블레이드(113)와 기계적인 충돌을 일으킬 수 있다. 이때, 플라스틱 소재의 래버린스 실 부(125)는 탄성 변형되며 상대편에 대한 충격을 흡수함으로써 부품 손상을 최소화할 수 있으며, 외부 충격이 제거되면 탄성 복원력에 따라 원래의 형상으로 회복될 수 있다.

예를 들어, 래버린스 실 부(125)의 갭(g)은 블레이드(113)와의 기계적인 마찰이나 간섭을 피할 수 있으면서도 가스의 누수를 차단하기에 충분히 작은 대략 0.4mm~0.5mm 정도로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 0.4mm 이하의 크기로 형성될 수 있다.

예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 회전 기계(100)의 조립시, 케이싱(140)에 대해 쉬라우드(120)를 고정적으로 장착한 다음, 블레이드(113)를 포함하는 임펠러(110)를 조립하게 되는데, 쉬라우드(120)와 블레이드(113) 간의 유격(P)은 회전축(회전 중심 C)의 편심, 자중에 따른 회전축의 휨 변형 등에 의해 균일하게 유지되지 않고, 어느 정도의 편차를 가질 수 있다. 만일 가공 오차를 고려하지 않고 래버린스 실 부(125)의 갭을 설계했다면, 회전축의 회전 구동이 불가능하게 될 수 있다. 반대로, 가공 오차를 고려하여 래버린스 실 부(125)의 갭을 상대적으로 넓게 설계했다면, 회전축의 회전 구동은 가능하지만 넓은 갭을 통한 가스의 누수에 의해 구동 효율이 떨어질 수 있다.

마찰 마모에 따라 갭을 형성하지 않고, 예를 들어, 래버린스 실 부(125)를 형성하는 돌기를 내마모성이 강한 금속소재, 예를 들어, 주철(cast iron)이나 스테인레스(SUS)로 형성하면서, 래버린스 실 부(125)에 일정한 갭(g)을 인위적으로 형성한다면, 필연적으로 가공 오차를 고려해야 하기 때문에, 미세한 갭(g)을 형성하는 것이 용이하지 않다. 이 경우, 래버린스 실 부(125)의 갭(g)이 과대하게 형성됨으로써 가스 누수를 효과적으로 막을 수 없고, 결과적으로 압축 가스가 재차 가스 유입구(100a)로 복귀됨으로써 가스의 순환에 따라 압축 가스의 토출량이 감소하고 회전 기계의 구동 효율이 떨어지게 된다. 예를 들어, 블레이드(113)와 쉬라우드(120) 간의 공차를 블레이드(113) 길이(L, 도 2 참조)의 대략 2~3% 정도로 설정하면, 블레이드(113)를 포함하는 임펠러(110)의 크기에 따라 대략 0.5mm~3mm 정도의 갭(g)이 존재하게 되는데, 이러한 크기의 갭(g)은 과대한 것으로, 가스의 누수를 막기에 충분히 작지 않으며, 이에 따라 구동 효율이 떨어지게 된다.

예를 들어, 회전축의 일단부에 형성된 임펠러(110)의 자중에 따라 회전축의 휨 변형이 유발될 수 있으며 이에 따라 회전 중심이 다소 편심될 수 있으나, 회전축의 누적된 회전 수에 따른 자연스러운 마찰 마모에 의해 형성된 래버린스 실 부(125)의 갭(g) 크기는 실질적인 회전 중심에 적합하게 형성될 수 있으며, 이에 따라 대체로 균일한 크기의 최적화된 갭(g)을 형성할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서는 래버린스 실 부(125)의 갭(g)을 회전수의 누적에 따른 마찰 마모에 따라 최적화된 크기로 자연스럽게 형성함으로써 회전 기계(100)의 장착 후, 회전축의 휨 변형이나 회전 중심의 편심 등을 고려하기 위한 별도의 갭 조정 작업을 생략할 수 있다.

도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시형태에서 적용될 수 있는 래버린스 실 부(125)의 설계에 대해 설명하면 이하와 같다. 즉, 상기 래버린스 실 부(125)는 블레이드(113)와 마주하는 쉬라우드(120)의 내주연을 따라 형성된 다수의 돌기들을 포함한다. 예를 들어, 상기 돌기들은 회전축의 회전 방향을 따라 환상으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 돌기들은 도면에 도시된 바와 같이, 삼각형 단면구조를 갖고, 회전축의 회전방향을 따라 환상으로 형성된 회전체 형태를 취할 수 있다. 상기 쉬라우드(120)는, 가스의 유입구(100a) 측으로부터 유출구(110b) 측으로 가면서 점차 직경이 확장되는데, 상기 돌기들은 상기 쉬라우드(120)의 내주연을 따라 점차 확장되는 직경을 갖는 회전체 형상으로 형성될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

래버린스 실 부(120)를 형성하는 돌기들은 삼각 톱니 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 돌기들은 쉬라우드(120)의 내주연과 블레이드(113)의 외주연 사이에서 연속적으로 이어지는 삼각 패턴으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 래버린스 실 부(125)를 형성하는 돌기들은, 쉬라우드(120)의 내주연과 블레이드(113)의 외주연 상에 형성된 꼭지점들 사이를 서로 다른 제1, 제2 사면(S1,S2)으로 연속적으로 연결하여 형성된 패턴으로 형성될 수 있다.

상기 각 돌기는 서로 다른 경사각으로 연장되는 제1, 제2 사면(S1,S2)이 서로 맞닿아 형성하는 뾰족한 정점을 일 꼭지점으로 하는 삼각형 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 사면(S1)은 블레이드(113)의 외주연에 대해 수직한 법선을 기준으로 대략 15도의 경사각(θ1)을 가질 수 있으며, 상기 제2 사면(S2)은 제1 사면(S1)에 대해 대략 30도의 경사각(θ2)을 갖도록 형성될 수 있다. 환언하면, 상기 제1, 제2 사면(S1,S2)은 블레이드(113)의 외주연에 대해 수직한 법선으로부터 각각 대략 15도의 경사각(θ1)과 45도의 경사각(θ3)을 가질 수 있다.

각 돌기는 쉬라우드(120)의 내주연으로부터 블레이드(113)의 외주연을 향하여 돌출되는 삼각형 형상으로 형성되되, 블레이드(113)의 유입구(110a) 측으로부터 유출구(110b) 측으로 편향된 삼각형 형상으로 형성될 수 있다.

이렇게 일 방향으로 편향된 삼각형 돌기는 블레이드(113)의 유출구(110b) 측으로 토출된 고압의 가스가 재차 유입구(110a) 측으로 회귀하는 것을 막기 위한 목적에 기여할 수 있다. 즉, 일단 토출된 고압의 가스가 역류하는 것을 방지할 수 있도록 역류 방향과 반대되는 방향으로 편향된 삼각형 돌기를 이용하여 래버린스 실 부(125)를 형성하고, 가스의 역류를 효과적으로 차단한다.

도면에 도시된 실시형태에서, 래버린스 실 부(125)를 형성하는 돌기의 첨단부분(125P)은 블레이드와 맞닿는 뾰족한 꼭지점을 형성하는 것으로 도시되어 있지만, 도 6 및 도 7을 참조하여 설명된 바와 같이, 상기 돌기의 첨단부분(125P)은 가동 초기(회전 기계의 장착 초기)에는 블레이드(113)의 외주연 상에 기대어진 눕혀진 상태로 형성될 수 있으며, 블레이드(113)의 회전 수가 누적되며 마찰 마모에 따라 돌기의 첨단부분(125P)이 기계적으로 갈리면서 마모되고, 이에 따라 돌기의 첨단부분(125P)이 점차 도 7에 도시된 바와 같이 블레이드(113)와 거의 맞닿는 뾰족한 꼭지점을 갖는 형태로 변형될 수 있다.

예를 들어, 래버린스 실 부(125)를 형성하는 돌기들이 삼각 톱니 형태로 형성될 경우, 도 5에 도시된 바는, 쉬라우드(120)와 블레이드(113)의 외주연 사이에서 서로 다른 경사각으로 연장되는 제1, 제2 사면(S1,S2)에 대한 설계 기준을 제공할 수 있으며, 돌기의 첨단부분(125P)은 보다 연장된 형태로 형성됨으로써, 블레이드(113) 상에 기대어지고 눕혀지게 형성될 수 있다. 이렇게 블레이드(113)의 표면상에 눕혀진 상태로 회전하는 블레이드(113) 상에서 기계적으로 갈리면서 마모된 돌기들은 블레이드(113)와의 사이에 최적화된 갭(g)을 형성하게 된다. 이렇게 최적화된 갭(g)을 확보함으로써 래버린스 실 부(125)를 형성하는 돌기와 블레이드(113) 간의 기계적인 간섭을 피하면서도 래버린스 실 부(125)가 경계하는 가스의 유입구(100a) 측과 유출구(100b) 측 간의 유체적 연통을 차단하여 가스의 순환에 따른 회전 기계의 효율 감소를 막을 수 있다.

한편, 상기 쉬라우드(120)는 금속 소재로 형성될 수 있으며, 금속 소재의 쉬라우드(120)와 비금속 소재, 예를 들어, 엔지니어링 플라스틱 소재의 블레이드(113)는 이종소재 간 사출성형으로 함께 형성될 수 있다.

도 8에는 본 발명의 다른 실시형태에 관한 회전 기계의 단면 구조가 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 가스의 유입구(100a)로부터 유출구(100b) 측으로 가면서 반경 방향으로 확장되는 블레이드(113)의 외주연과, 소정의 유격(P)을 사이에 두고 상기 블레이드(113)와 마주하게 배치되는 쉬라우드(220)의 내주연 사이에는 래버린스 실 부(225)가 형성된다. 상기 래버린스 실 부(225)는 유입구(100a) 측과 유출구(100b) 측 간의 유체적인 연통을 차단하고, 특히, 일단 유출구(100b)를 통하여 토출된 고압의 가스가 재차 유입구(100a) 측으로 회귀하는 것을 차단함으로써 가스 토출량의 감소를 막고, 회전 기계의 구동 효율이 감소하는 것을 방지하는 기능을 한다.

상기 래버린스 실 부(225)는 쉬라우드(220)의 내주연으로부터 블레이드(113)의 외주연을 향하여 돌출 형성된 다수의 돌기들로 형성될 수 있으며, 쉬라우드(220)의 내주연을 따르는 부드러운 곡면을 따라 대략 삼각 톱니 패턴으로 형성된 다수의 돌기들을 포함할 수 있다. 상기 래버린스 실 부(225)는 엔지니어링 플라스틱 계열로 형성될 수 있으며, 금속 소재와 상응하는 구조적인 강성을 갖고, 고온환경에서의 내열성을 가지며, 어느 정도의 탄성 완충 특성으로 진동 충격 등에 따라 블레이드(113)와 충돌시에도 블레이드(113)에 대한 충격을 완화시킬 수 있고 탄성적으로 변형되며 충격을 흡수할 수 있다.

상기 래버린스 실 부(225)는 가동 초기(예를 들어, 회전 기계의 장착 초기)에는 블레이드(113)의 외주연에 기대어진 형태로 블레이드(113) 상에 접촉되어 있다가, 블레이드(113)의 누적 회전수가 증가함에 따라 점차 레버린스 실 부(225)의 첨단부분이 마모되며 블레이드(113)와의 최적의 갭을 형성하게 된다. 이때, 최적의 갭이란, 블레이드(113)와의 기계적인 마찰을 회피하면서도 가스의 유입구(100a) 측과 유출구(100b) 측 간의 가스 역류를 차단하기에 충분한 작은 갭을 의미한다.

도 8에 도시된 실시형태에서는, 상기 래버린스 실 부(225)와 쉬라우드(220)의 일부가 일체로 형성된다. 즉, 래버린스 실 부(225)와 쉬라우드(220)의 일부는 동일 소재로 형성되며, 구조적인 손상을 초래하지 않고는 서로에 대해 분할되지 않도록 하나의 몸체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 래버린스 실 부(225)와 쉬라우드(220)의 일부는 엔지니어링 플라스틱으로 형성될 수 있다.

쉬라우드(220)가 제1 소재로 형성된 제1 부분(221)과, 제2 소재로 형성된 제2 부분(222)을 포함한다고 할 때, 상기 제1 소재는 금속 소재일 수 있으며, 상기 제2 소재는 래버린스 실 부와 같은 엔지니어링 플라스틱 계열을 의미할 수 있다. 이때, 상기 제1 부분은 래버린스 실 부(225)와 이형소재로 형성되고, 상기 제2 부분은 래버린스 실 부(225)와 동종소재로 일체화될 수 있다.

예를 들어, 상기 쉬라우드(220)는 금속 소재의 제1 부분(221)과, 엔지니어링 플라스틱 소재의 제2 부분(222)을 하나의 공정으로 형성하는 이른바, 이종 소재 간 사출성형으로 형성될 수 있다. 이때, 쉬라우드의 제2 부분(222)과 함께, 래버린스 실 부(225)도 동시에 성형될 수 있다.

다만, 본 발명은 도 8에 도시된 바에 한정되지 않으며, 예를 들어, 상기 쉬라우드(220)와 래버린스 실 부(225)의 전부가 비금속 계열, 즉, 엔지니어링 플라스틱 소재로 형성될 수도 있다.

본 명세서에서는 회전자로서의 블레이드(113)와 고정자로서의 쉬라우드(120,220)를 포함하는 개방형 구조(open type)를 예로 들어 설명하였다. 그러나 본 발명의 원리는 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 회전자로서의 블레이드(113) 상에 결합되어 함께 회전하는 쉬라우드(120,220)를 갖춘 닫힌 구조(closed type)에 대해서도 동일 유사하게 적용될 수 있다. 이 경우, 가스의 순환을 막기 위한 래버린스 실 부(125,225)는 쉬라우드(120,220)와 케이싱(140, 도 4 참조) 사이에 형성될 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

100: 회전 기계 100a: 유체의 유입구
100b: 유체의 유출구 110: 임펠러
111: 내부 코어 112: 허브 디스크
113: 블레이드 120,220: 쉬라우드
125,225: 래버린스 실 부 140: 압축기의 케이싱
151,152: 베어링 221: 쉬라우드의 제1 부분
222: 쉬라우드의 제2 부분 125P: 래버린스 실 부의 첨단부분
P: 쉬라우드와 블레이드 간의 유격
L: 블레이드의 길이
C: 회전축의 회전 중심
R: 가스의 역류
S1,S2: 래버린스 실 부의 돌기를 형성하는 제1, 제2 사면
θ1,θ2,θ3: 제1, 제2 사면이 이루는 제1 내지 제3 경사각
g: 래버린스 실 부의 갭

Claims

회전축;
상기 회전축에 고정되어 상기 회전축과 함께 회전하며, 다수의 블레이드를 포함하는 임펠러;
상기 임펠러의 회전에 대하여 상대적으로 고정되도록 설치되며, 상기 블레이드와 유격을 두고 설치되는 쉬라우드; 및
상기 쉬라우드의 부분 중 상기 블레이드와 마주보는 부분에 형성되고, 플라스틱 소재로 형성된 래버린스 실 부;를 포함하며,
상기 래버린스 실 부는, 상기 블레이드를 향해 돌출 형성된 다수의 돌기들을 포함하는 회전 기계.
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청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서,
상기 돌기들은 상기 블레이드의 외주연과 평행하게 연장되는 쉬라우드의 곡면을 따라 다수로 형성되는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
제1항에 있어서,
상기 돌기들은 삼각 톱니 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 회전 기계.
제1항에 있어서,
상기 돌기들은 가스 유입구로부터 가스 유출구 방향으로 기울어진 편향된 삼각 톱니 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 회전 기계.
청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서,
상기 각 돌기는 상기 쉬라우드로부터 연장되고 서로 다른 경사를 갖는 제1, 제2 사면이 맞닿아 형성하는 일 정점을 꼭지점으로 하는 삼각형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 회전 기계.
청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제7항에 있어서,
상기 제1 사면은 상기 블레이드의 외주연에 수직한 법선과 제1 각도를 이루고,
상기 제2 사면은 상기 제1 사면과 제2 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제8항에 있어서,
상기 제1 각도는 15도이고, 상기 제2 각도는 30도인 것을 특징으로 하는 회전 기계.
제1항에 있어서,
상기 돌기 중 적어도 하나의 첨단부분에는 상기 블레이드와의 마찰에 의한 마모 부분이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서,
상기 돌기 중 적어도 하나의 첨단부분은 상기 블레이드 상에 기대어져 눕혀져 있는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서,
상기 돌기 중 적어도 하나의 첨단부분은 상기 블레이드와 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서,
상기 래버린스 실 부는 엔지니어링 플라스틱 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 회전 기계.
청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서,
상기 블레이드와 상기 쉬라우드 간의 유격은 상기 블레이드 길이의 10%로 설정되는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서,
상기 래버린스 실 부와 상기 블레이드 사이에는 0.4mm 이하의 갭이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 기계.