KR101372320B1

KR101372320B1 - 터보기계

Info

Publication number: KR101372320B1
Application number: KR1020120116488A
Authority: KR
Inventors: 이헌석
Original assignee: 한국터보기계(주)
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2014-03-13

Abstract

본 발명은 터보기계에 관한 것으로, 구체적으로 터보압축기, 터보블로워, 터보 팬과 같은 터보기계를 구동하는 모터의 냉각 구조에 관한 것이다. 본 발명의 일 예에 따른 터보기계는 회전자와 고정자를 가지는 구동부; 상기 회전자에 연동되어 회전하는 임펠러를 가지는 압축부; 상기 구동부로 유입되며 상기 구동부의 내부를 지나 외부로 유출되는 구동부 냉각유체를 상기 압축부로 안내하는 가이드배관; 및 상기 가이드배관의 일 측에 구비되며, 설정된 외부유체가 상기 가이드배관의 내부로 유입될 수 있도록 상기 가이드배관에 연통되도록 구비되는 외부유체 유입배관;을 포함한다.

Description

터보기계{TURBO MACHINARY}

본 발명은 터보기계에 관한 것으로, 구체적으로 터보압축기, 터보블로워, 터보 팬과 같은 터보기계를 구동하는 모터의 냉각과 관련된 터보기계의 구조에 관한 것이다.

본 발명이 적용되는 터보기계는 주로 터보 압축기(Turbo compressor), 터보 브로워 (Turbo blower), 터보 팬(Turbo fan) 등과 같이 고속 터보기계이나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

종래 터보기계는 정속 회전 하는 모터에 증속기어를 이용하여 고속회전을 구현하는 방식이었으나, 최근 베어링과 인버터(Invertor)기술 등의 발전으로 직접 모터에 연결하여(직결식) 고속 회전시키는 기술이 적용되고 있다.

도 1은 종래 터보기계의 일 예를 개략적으로 보인 도면이다.

도 1을 참조하면, 터보기계는 별개의 구성으로 구비되는 구동부, 지지부와 압축부가 조립되어 형성된다.

발열은 대부분 구동부에서 발생되므로, 구동부에서 발생된 열이 압축부로 전도되는 것을 방지하기 위해, 조립 시에 압축부와 구동부 사이에 틈새(260a,260b)가 형성된다.

구동부는 구동축(211)과 회전자(212) 및 고정자(213)로 구성된 모터로 구성되며, 그 외부를 둘러싸는 케이싱(221)을 포함하는 지지부에 의해 지지된다.

케이싱(221)은 일측에 공기가 흡입될 수 있도록 일측에 공기 흡입구(241)가 형성되며, 타측에는 흡입된 공기가 내부를 냉각하고 난 공기가 배출되는 공기 배출구가 형성된다.

공기 배출구를 통해 배출되는 공기는 공기순환통로(236a,236b)를 경유하여 압축부로 공급된다.

또한, 케이싱(221)으로 흡입된 공기에 의한 구동부의 냉각 효율을 향상시키기 위해, 고정자(213) 외주면과 베어링 하우징(224a,224b)의 외주면에는 방열핀(214,225a,225b)이 구비된다.

방열핀(214,225a,225b)을 대신하여 냉각수를 순환시켜 방열하는 쿨링 자켓(Cooling Jacket)을 케이싱에 설치하거나, 냉각용 팬을 구비되는 예도 찾아볼 수 있다.

압축부는 임펠러(231a,231b), 디퓨저(232a,232b), 슈라우드(233a,233b) 및 볼루트 케이싱(234a,234b)으로 구성된다.

압축부는 도 1과 같이 구동부의 양측에 대칭으로 구성될 수도 있고, 압축부가 구동부의 한쪽에만 위치될 수도 있다.

압축부는 공기순환통로(236a,236b)로 배출되는 공기를 흡입하여 일정 압력만큼 상승시킨 다음 이를 토출하게 된다.

구체적으로 터보기계의 동작과정을 살펴보면, 구동부에서 발생된 동력이 구동축(211)을 통해 임펠러(231a,231b)로 전달되어 임펠러(231a,231b)가 회전되며, 임펠러(231a,231b) 내부로 공기가 흡입되게 된다.

흡입된 공기는 임펠러(231a,231b) 내부에서 정압이 상승되며, 디퓨져(232a,232b)을 통과하면서 원심력에 의해 운동에너지가 압력수두의 상승으로 이어진다. 그 결과로 고온고압의 공기가 볼루트 케이싱(234a,234b)에 모아져 토출된다.

그러나, 이상에서 설명한 종래 터보기계에 의하는 경우 다음과 같은 문제점이 있었다.

먼저, 압축부로 흡입되는 공기가 구동부를 냉각하는 과정에서 가열된 공기로만 구성되므로 압축부의 압출효율이 저하되는 문제가 있었다.

압축부의 압축효율 향상을 위해, 열교환기를 이용하여 구동부를 냉각하면서 가열된 공기를 냉각시킨 후 압축부에 공급하는 방법이 개시되었으나, 이는 제작비용을 증가시키는 문제가 있었다.

본 발명은 압축부로 흡입되는 공기의 온도을 낮추어 압축부의 압축효율을 향상시킨 터보기계의 제공을 일 목적으로 한다.

또한 본 발명은 구동부의 회전속도에 따라 구동부의 냉각을 위해 구동부에 공급되는 공기의 최적 유량이 제어되는 터보기계의 제공을 일 목적으로 한다.

또한 본 발명은 구동부의 냉각 효율의 향상을 위해 냉각을 위해 구동부에 공급된 공기의 최적 냉각유로가 형성된 터보기계의 제공을 일 목적으로 한다.

본 발명의 일 예에 따른 터보기계는, 회전자와 고정자를 가지는 구동부; 상기 회전자에 연동되어 회전하는 임펠러를 가지는 압축부; 상기 구동부로 유입되며 상기 구동부의 내부를 지나 외부로 유출되는 구동부 냉각유체를 상기 압축부로 안내하는 가이드배관; 및 상기 가이드배관의 일 측에 구비되며, 설정된 외부유체가 상기 가이드배관의 내부로 유입될 수 있도록 상기 가이드배관에 연통되도록 구비되는 외부유체 유입배관;을 포함한다.

여기서, 상기 외부유체 유입배관은, 일단이 상기 가이드배관의 내부와 연통되며, 타단은 대기 중에 노출되도록 구비되는 것이 바람직하다.

또한 상기 외부유체 유입배관은, 일단이 상기 가이드배관의 내부와 연동되며, 타단은 상기 설정된 외부유체가 저장된 외부유체 저장부에 연통되도록 구비되는 것이 바람직하다.

또한 상기 외부유체 유입배관은, 상기 설정된 외부유체의 유입 유량을 조절하는 밸브부재를 더 가지는 것이 바람직하다.

또한 상기 밸브부재는 상기 구동부의 회전속도에 연동되어 동작이 제어되도록 구비되는 것이 바람직하다.

또한 상기 임펠러는 유입구와 토출구를 가지는 임펠러 하우징에 수용되며, 상기 외부유체 유입배관은 상기 유입구에 연통되는 것이 바람직하다.

또한 상기 구동부는, 상기 회전자 및 고정자를 지지하는 구동부 케이싱을 더 포함하며, 상기 구동부 케이싱은 외부와 연통되는 냉각유체 유입공 및 상기 가이드배관에 연통되는 냉각유체 유출공을 가지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고정자는 고정자 철심부 및 상기 고정자 철심부에 코일이 감겨져 구비되는 고정자 권선부를 가지며, 상기 냉각유체 유입공은 상기 고정자 권선부를 향하도록 구비되고, 상기 고정자 철심부는 상기 냉각유체 유출공으로부터 상기 회전자를 향하는 방향으로 관통되어 형성되는 복수 개의 통공을 가지며, 상기 회전자와 상기 고정자 사이에는 상기 고정자 권선부를 경유한 상기 구동부 냉각유체가 지날 수 있도록 간극이 형성되는 것이 바람직하다.

또한 상기 구동부 냉각유체는 상기 냉각유체 유입공을 통해 유입되고 상기 고정자 권선부를 경유하여 상기 고정자와 상기 회전자 사이의 간극을 통과한 후 상기 복수 개의 통공을 통해 상기 냉각유체 유출공으로 배출되면서 상기 구동부를 냉각하는 것이 바람직하다.

또한 상기 가이드배관에는 상기 구동부를 냉각시킨 후 배출된 상기 구동부 냉각유체를 냉각하기 위한 열교환부가 더 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 예에 따른 터보기계에 의하면, 구동부를 냉각시킨 공기와 함께 외부공기를 압축부로 흡입되는 공기로 사용함으로써, 압축부로 흡입되는 공기의 온도가 낮아져 구동부의 압축 효율이 향상되는 이점을 가진다.

또한 본 발명의 일 예에 따른 터보기계에 의하면, 압축부로 흡입되는 외부공기의 유량을 제어함으로써 구동부의 냉각을 위해 구동부로 흡입되어야 하는 공기의 최적 유량을 제어할 수 있는 이점을 가진다.

또한 본 발명의 일 예에 따른 터보기계에 의하면, 구동부의 냉각을 위해 구동부로 흡입되는 공기가 구동부 내부에 형성된 유로를 지나면서 구동부 내부를 냉각하므로 구동부의 냉각 효율이 향상되는 이점을 가진다.

도 1은 종래 터보기계의 일 예를 개략적으로 보인 도면,
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 터보기계의 구성을 개략적으로 보인 도면,
도 3은 도 2에서 구동부와 압축부의 구성을 개략적으로 보인 도면,
도 4는 도 2의 다른 예를 보인 도면 및
도 5는 본 발명의 일 예에 따른 터보기계에 있어서 구동부의 냉각구조의 일 예를 보인 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 터보기계의 실시예에 대하여 자세히 설명한다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 일 예에 따른 터보기계의 구성을 도식적으로 보인 도면, 도 3은 도 2에서 구동부와 압축부의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 예에 따른 터보기계(100)는, 구동부(110), 압축부(130), 가이드배관(150), 외부유체 유입배관(170)을 포함한다.

구동부(110)는 회전자(113) 및 고정자(115)를 가지는 모터(111) 및 모터(111)의 외연을 둘러싸는 구동부 케이싱(117)을 포함한다.

모터(111)는 PM(Permanent magnetic) 모터로 구비되는 것이 바람직하나, 본 예에 따른 터보기계에 그 외의 다른 형식의 모터가 적용될 수 있음은 물론이다.

구동부 케이싱(117)은, 회전자(113) 및 고정자(115)를 지지하며, 구동부(110)의 내부로 구동부(110)를 냉각하는 구동부 냉각유체가 유입되고 유출될 수 있는 구조를 가지도록 구비되는 것이 바람직하다.

구체적으로, 구동부 케이싱(117)은 구동부 냉각유체의 유입 및 유출을 위해 구동부 케이싱(117)의 일측과 타측에는 각각 냉각유체 유입공(117a) 및 냉각유체 유출공(117b)이 형성되는 것이 바람직하다.

압축부(130)는 회전자(113)에 축결합되어 회전자(113)와 함께 회전하는 임펠러(131)를 포함한다.

임펠러(131)는 작동유체가 축 방향으로 유입되어 반경방향으로 배출되는 구조를 가지는 것으로 구비된다.

이를 위해, 임펠러(131)는 축 방향으로 개구된 유입구(133a)와 반경방향으로 배출되는 작동유체를 안내하는 배출구(133b)를 가지는 임펠러 하우징(133)에 수용되도록 구비되는 것이 바람직하다.

한편, 가이드배관(150)은 구동부 케이싱(117)의 냉각유체 유출공(117b)과 압축부(130)의 유입구(133a)를 연통시키도록 구비된다.

구동부 케이싱(117)으로부터 배출된 구동부 냉각유체는 가이드배관(150)을 통해 압축부(130)로 공급되게 된다.

그러나, 구동부 케이싱(117)으로부터 배출된 구동부 냉각유체는 구동부(110)의 열로 인해 온도가 상승된 상태이므로 이것이 모두 압축부(130)의 내부로 유입되는 경우 압축부(130)의 압축효율이 낮아지는 원인이 된다.

이를 방지하기 위해, 압축부(130)의 내부로 유입된 구동부 냉각유체에 비해 상대적으로 온도가 낮은 외부유체가 유입될 수 있도록 가이드배관(150)에 연통되는 외부유체 유입배관(170)이 구비된다.

구체적으로, 구동부(110)의 회전에 의해 압축부(130)의 임펠러(131)가 회전되면, 압축부(130)에 형성된 유입구(133a)의 압력이 낮아진다. 따라서 구동부(110)의 유입구(133a)와 구동부 케이싱(117)의 냉각유체 유입공(117a) 사이의 압력구배가 형성되며, 이로 인해 구동부(110)의 내부로 구동부 냉각유체가 유입되고 냉각을 마친 구동부 냉각유체는 가이드배관(150)을 통해 압축부(130)의 내부로 유입된다.

이와 함께, 구동부(110)의 회전에 의해 압축부(130)의 임펠러(131)가 회전되면, 압축부(130)에 형성된 유입구(133a)의 압력이 낮아지므로, 외부유체 유입배관(170)을 따라 압축부(130)의 유입구(133a)로 외부유체가 유입될 수 있게 된다.

외부유체 유입배관(170)을 따라 압축부(130)의 유입구(133a)로 유입되는 외부유체는 압축부(130)의 유입구(133a)로 유입되는 구동부 냉각유체에 비해 상대적으로 온도가 낮으므로 압축부(130)에 의한 압축효율이 향상될 수 있게 된다.

여기서, 외부유체 유입배관(170)은 관의 형태로 구비되는 것이 일반적이나, 가이드배관(150)에 외부유체가 유입될 수 있도록 형성된 구멍의 형태로 형성되는 것이 배제되는 것은 아니다.

한편, 외부유체는 공기(Air) 또는 특정한 가스로 구비될 수 있으며, 외부유체는 구동부 냉각유체와 동일한 유체로 구비되는 것이 바람직하다.

외부유체가 공기인 경우 외부유체 유입배관(170)은 일단이 가이드배관(150)의 내부와 연통되며, 타단은 대기 중에 노출되도록 구비되는 것이 바람직하다.

이와 달리, 외부유체가 특정한 가스인 경우 외부유체 유입배관(170)은 일단이 가이드배관(150)의 내부와 연동되며, 타단은 특정의 외부유체가 저장된 외부유체 저장부에 연통되도록 구비되는 것이 바람직하다. 이 경우 외부유체 저장부는 구동부 케이싱(117)의 냉각유체 유입공(117a)과 연통되도록 구비되는 것이 바람직하다.

한편, 본 예에 따른 터보기계(100)는 구동부(110)를 냉각시킨 후 배출된 구동부 냉각유체를 냉각하기 위한 열교환부(190)가 가이드배관(150)에 더 구비되는 것이 바람직하다.

본 예에 따라 구비되는 열교환부(190)를 통과하는 구동부 냉각유체의 유량은 종래의 것에 비해 작으므로 작은 크기로 구비될 수 있는 이점을 가지게 된다.

다음으로, 도 4는 도 2의 다른 예를 보인 도면이다.

본 예에 있어서, 대부분의 구성은 앞서 설명한 예와 대동소이하며, 외부유체 유입배관(170)에 추가의 구성이 있는 점에 차이가 있다. 따라서 외부유체 유입배관(170)에 구비되는 추가의 구성 외에 다른 구성에 대한 설명은 앞서 설명한 것으로 갈음하기로 한다.

도 4를 참조하면, 본 예에 따른 터보기계(100)에 있어서, 외부유체 유입배관(170)은 외부유체의 유입 유량을 조절하는 밸브부재(180)를 더 가진다.

밸브부재(180)는 외부유체 유입배관(170)을 통한 외부유체의 유입량을 제어하기 위함이다.

구체적으로, 밸브부재(180)의 개방정도가 커질수록 외부유체의 유입량이 커지며, 그 반대의 경우 외부유체의 유입량은 작아지게 된다.

결과적으로 외부유체의 유입량이 작은 경우 가이드배관(150)을 통해 유입되는 구동부 냉각유체의 유입량이 커지므로, 냉각유체 유입공(117a)으로 유입되는 구동부 냉각유체가 많아지고 구동부(110)의 냉각이 활발해지게 된다. 이는 구동부(110)의 회전속도가 큰 경우에 채용될 수 있다.

그 반대로 구동부(110)의 회전속도가 작은 경우 밸브부재(180)의 개방정도를 크게 함으로써 외부유체의 유입량을 키워 압출효율을 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 밸브부재(180)는 구동부(110)의 회전속도에 연동되어 그 개방정도가 제어되도록 구비되는 것이 바람직하다.

이와 달리, 밸브부재(180)는 압축부(130)의 출구에서 요구되는 압력, 즉 압축부(130)의 부하에 연동되어 그 개방정도가 제어되도록 구비되는 것도 바람직하다.

다음으로, 도 5는 본 발명의 일 예에 따른 터보기계에 있어서 구동부의 냉각구조의 일 예를 보인 도면이다.

본 예에 따른 터보기계(100)에 있어서, 대부분의 구성은 앞서 설명한 예들 중 어느 하나의 예에 따른 구성이 선택되어 적용될 수 있으나, 구동부(110)의 내부 구조에서 앞선 예들과 차이가 있다. 따라서 구동부(110)의 내부 구조 외에 다른 구성에 대한 설명은 앞서 설명한 예들의 것으로 갈음하기로 한다.

도 5를 참조하면, 본 예에 따른 터보기계(100)에 있어서, 고정자(115)는 고정자 철심부(115b)와 고정자 권선부(115a)를 가지며, 고정자 철심부(115b)는 냉각유체 유출공(117b)으로부터 회전자(113)를 향하는 방향으로 관통되어 형성되는 복수 개의 통공(115h)을 가진다. 또한 회전자(113)와 고정자(115) 사이에는 고정자 권선부(115a)를 경유한 구동부 냉각유체가 지날 수 있도록 간극(119)이 형성된다.

고정자 권선부(115a)는 코일이 감겨져 형성되는 부분을 의미하며, 코일은 고정자 철심부(115b)의 일 측에 감겨진다.

본 예에서 고정자(115)는 길이 방향으로 내부가 빈 원통형으로 구비되며, 고정자 권선부(115a)는 고정자(115)의 상단 및 하단에 각각 구비된다. 그리고 회전자(113)는 원통형 기둥으로 구비되며 고정자(115)의 내부에 위치된다.

복수 개의 통공(115h)은 고정자(115)의 외면에서 회전자(113)를 향하는 방향으로 관통 형성된다.

한편 본 예에 있어서, 냉각유체 유입공(117a)은 고정자 권선부(115a)에 대응되는 위치에 구비되는 것이 바람직하며, 냉각유체 유출공(117b)은 복수 개의 통공(115h)에 대응되는 위치에 구비되는 것이 바람직하다.

이에 의해, 냉각유체 유입공(117a)을 통해 유입되는 구동부 냉각유체는 고정자 권선부(115a)를 지나면서 냉각시키고, 구동부(110)와 회전자(113) 사이에 형성된 간극(119)을 통과하면서 고정자 철심부(115b) 및 회전자(113)를 냉각시킨 후 복수 개의 통공(115h)을 통과하면서 고정자 철심부(115b)를 한번 더 냉각시키는 경로를 거친 후 냉각유체 유출공(117b)을 통해 구동부(110) 밖으로 배출되게 된다.

Claims

회전자와 고정자를 가지는 구동부;
상기 회전자에 연동되어 회전하는 임펠러를 가지는 압축부;
상기 구동부로 유입되며 상기 구동부의 내부를 지나 외부로 유출되는 구동부 냉각유체를 상기 압축부로 안내하는 가이드배관; 및
상기 가이드배관의 일 측에 구비되며, 설정된 외부유체가 상기 가이드배관의 내부로 유입될 수 있도록 상기 가이드배관에 연통되도록 구비되는 외부유체 유입배관;을 포함하며,
상기 임펠러는 유입구와 토출구를 가지는 임펠러 하우징에 수용되고,
상기 외부유체 유입배관은 상기 유입구에 연통되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
청구항 1에 있어서,
상기 외부유체 유입배관은, 일단이 상기 가이드배관의 내부와 연통되며, 타단은 대기 중에 노출되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
청구항 1에 있어서,
상기 외부유체 유입배관은, 일단이 상기 가이드배관의 내부와 연동되며, 타단은 상기 설정된 외부유체가 저장된 외부유체 저장부에 연통되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
청구항 1에 있어서,
상기 외부유체 유입배관은, 상기 설정된 외부유체의 유입 유량을 조절하는 밸브부재를 더 가지는 것을 특징으로 하는 터보기계.
청구항 4에 있어서,
상기 밸브부재는 상기 구동부의 회전속도에 연동되어 동작이 제어되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 구동부는, 상기 회전자 및 고정자를 지지하는 구동부 케이싱을 더 포함하며,
상기 구동부 케이싱은 외부와 연통되는 냉각유체 유입공 및 상기 가이드배관에 연통되는 냉각유체 유출공을 가지는 것을 특징으로 하는 터보기계.
청구항 7에 있어서,
상기 고정자는 고정자 철심부 및 상기 고정자 철심부에 코일이 감겨져 구비되는 고정자 권선부를 가지며,
상기 냉각유체 유입공은 상기 고정자 권선부를 향하도록 구비되고,
상기 고정자 철심부는 상기 냉각유체 유출공으로부터 상기 회전자를 향하는 방향으로 관통되어 형성되는 복수 개의 통공을 가지며,
상기 회전자와 상기 고정자 사이에는 상기 고정자 권선부를 경유한 상기 구동부 냉각유체가 지날 수 있도록 간극이 형성되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
청구항 8에 있어서,
상기 구동부 냉각유체는 상기 냉각유체 유입공을 통해 유입되고 상기 고정자 권선부를 경유하여 상기 고정자와 상기 회전자 사이의 간극을 통과한 후 상기 복수 개의 통공을 통해 상기 냉각유체 유출공으로 배출되면서 상기 구동부를 냉각하는 것을 특징으로 하는 터보기계.
청구항 1에 있어서,
상기 가이드배관에는 상기 구동부를 냉각시킨 후 배출된 상기 구동부 냉각유체를 냉각하기 위한 열교환부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 터보기계.