KR101588357B1 - 로터 어셈블리 - Google Patents

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KR101588357B1
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데이빗 마이클 존스
리처드 이아인 막릿지
제프리 마이클 벌링톤
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다이슨 테크놀러지 리미티드
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Abstract

로터 어셈블리(1)는 임펠러(3)와 베어링 카트리지(4)가 장착되는 축(2)을 포함하며, 베어링 카트리지(4)는 부분적으로 임펠러(3)의 프로파일 내에 위치된다.

Description

로터 어셈블리{ROTOR ASSEMBLY}
본 발명은 압축기용 로터 어셈블리에 관한 것이다.
압축기의 로터 어셈블리는 일반적으로 모터로 구동되는 축에 장착되는 임펠러를 포함한다. 로터 어셈블리에 불균형이 생기면, 압축기 내에 로터 어셈블리를 장착하는데 사용되는 베어링에 대한 하중이 커지게 되는데, 그래서 그 베어링의 수명이 감소된다. 그러므로 로터 어셈블리는 압축기 내에 장착되기 전에 이상적으로 균형이 잡히게 된다. 그러나, 압축기 내에 장착되기 전에 로터 어셈블리를 완전한 개체로서 조립하는 것이 항상 가능한 것은 아니다. 대신에, 로터 어셈블리의 다양한 구성품들을 압축기 내에 조립하는 것이 종종 필요하다. 따라서, 개별 구성품들은 균형이 잡힐 수 있지만, 완성된 로터 어셈블리는 그렇지 않을 수 있다. 더욱이, 로터 어셈블리를 동적으로 균형잡는 것이 가능하다고 밝혀져 있더라도, 나중에 구성품의 마모와 열적 변형으로 인해 불균형이 종종 일어난다.
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본 발명은 임펠러와 베어링 어셈블리가 장착되는 축을 포함하는 압축기용 로터 어셈블리로서, 상기 임펠러는 다수의 블레이드를 지지하는 허브 및 이 허브의 정상부에 형성된 홈을 포함하며, 상기 베어링 어셈블리는 상기 홈 내에 위치되는 제 1 부분과 이 홈의 외부에 위치되는 제 2 부분을 포함한다.
베어링 어셈블리를 상기 임펠러의 정상부에 있는 홈 내에 적어도 부분적으로 위치시킴으로써, 베어링 어셈블리는 임펠러의 질량 중심에 더 가깝게 위치된다. 따라서, 임펠러 불균형으로 인한 베어링 어셈블리의 하중이 감소되고 또한 그 베어링 어셈블리의 수명이 증가된다. 추가로, 로터 어셈블리의 캔틸레러 길이가 감소되어 로터 어셈블리의 강성이 증대되고, 그래서 로터 어셈블리는 더 높은 아임계 속도에서 작동할 수 있다.
베어링 어셈블리는 전체가 임펠러의 프로파일 내에 위치되는 베어링을 포함한다. 그렇게 되면, 베어링은 임펠러의 질량 중심에 더 가깝게 위치될 수 있다.
바람직하게는, 허브는 반경방향으로 베어링 어셈블리로부터 이격되어 있는데, 즉 허브와 베어링 어셈블리 사이에 틈새가 존재한다. 따라서, 임펠러는 베어링 어셈블리의 외측 표면에 대해 자유롭게 회전할 수 있다.
베어링 어셈블리는 하나 이상의 베어링을 포함할 수 있다. 유리하게는, 베어링 어셈블리는 공통 슬리브로 둘러싸이는 한쌍의 서로 이격된 베어링을 포함하는 베어링 카트리지의 형태로 될 수 있다. 이미 언급한 바와 같이, 이렇게 되면, 베어링 어셈블리의 제 1 부분이 임펠러 프로파일 내에 위치되고 제 2 부분은 임펠러 프로파일 외부에 위치될 수 있는 이점이 얻어진다. 그래서, 임펠러의 외부에 위치되는 부분은 프레임이나 하우징 등에 고정될 수 있다. 추가적으로, 한쌍의 서로 이격된 베어링을 가짐으로써, 베어링 어셈블리는 로터 어셈블리에 대한 양호하고 안정된 지지를 제공한다.
임펠러는 반개방형 또는 폐쇄형 임펠러일 수 있다. 특히, 임펠러는 쉬라우드를 포함할 수 있으며, 그러면 다수의 블레이드가 허브와 쉬라우드 사이에 형성된다. 상기 임펠러는 또한 원심 임펠러일 수 있다.
본 발명을 더 쉽게 이해하기 위해, 본 발명의 실시 형태를 첨부 도면을 참조하여 예시적으로 설명할 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 로터 어셈블리의 단면도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 대안적인 로터 어셈블리의 단면도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 다른 로터 어셈블리의 단면도이다.
로터 어셈블리(1)는 축(2)을 포함하며, 이 축에는 임펠러(3)와 베어링 카트리지(4)가 장착된다.
임펠러(3)는 허브(5)를 포함하며, 이 허브 주위에는 다수의 블레이드(6)가 지지되어 있다. 허브(5)는 정상부(7)에서 바닥부(8)까지 축방향으로 연장되어 있다. 중심 보어(9)가 허브(5)를 관통해 형성되어 있으며, 이 중심 보어 안에는 축(2)이 수용된다. 허브(5)는 오목한 내측 표면(11)을 갖는 돔형 벽(10)을 포함하며, 상기 내측 표면은 허브(5)의 바닥부(8)에서 중심 홈(12)을 형성한다. 이 중심 홈(12)의 직경은 중심 보어(9) 보다 커서, 허브(5)의 바닥부(8)는 반경방향으로 축(2)으로부터 이격된다.
베어링 카트리지(4)는 한쌍의 서로 이격된 베어링(13, 14)을 포함하며, 이 베어링은 스프링(15)의 예압을 받으며 또한 슬리브(16)에 의해 둘러싸여 있다. 베어링 카트리지(4)는 허브(5)의 바닥부(8)에 형성되어 있는 중심 홈(12) 안으로 진입해 있도록 축(2)에 장착된다. 따라서, 베어링 카트리지(4)는 임펠러(3)의 프로파일내부, 허브(5)의 정상부(7)와 바닥부(8) 사이에 한정된 영역 내에 부분적으로 위치된다.
상기 베어링 카트리지(4)는 로터 어셈블리(1)가 프레임, 하우징 등에 장착될 수 있게 해주는 수단을 제공한다. 허브(5)에 형성된 중심 홈(12)은 비교적 크기 때문에, 베어링 카트리지(4)가 그의 전체 길이를 따라 고정되도록 프레임이 중심 홈(12) 안으로 진입해 있을 수 있다. 그러나, 베어링 카트리지(4)가 그의 전체 길이를 따라 고정되는 것이 필수적인 것은 아니고, 베어링 카트리지(4)는 일 부분에서만, 예컨대 베어링 카트리지(4)에 있어서 임펠러 프로파일 안에 위치되지 않는 부분에 걸쳐서만 동등하게 고정될 수 있다. 베어링 카트리지(4)의 제공으로, 베어링 카트리지(4)가 프레임에 고정될 수 있는 비교적 큰 표면 영역, 즉 슬리브(16)가 나타난다. 따라서, 로터 어셈블리(1)와 프레임 사이에 양호한 고정이 형성될 수 있다. 더욱이, 한쌍의 서로 이격된 베어링(13, 14)이 있음으로써, 베어링 카트리지(4)는 로터 어셈블리(1)에 대한 양호하고 안정된 지지를 제공한다.
비교적 큰 직경 때문에, 로터 어셈블리(1)가 속도에서 회전할 때 임펠러(3)에 어떠한 불균형이라도 생기면 비교적 큰 모멘트 힘이 축(2)에 작용하게 된다. 그래서, 베어링 카트리지(4)와 특히 임펠러(3) 근처에 있는 베어링(13)은 축(2)의 위치를 유지하기 위해 이 모멘트 힘에 대항해야 한다.
베어링 카트리지(4)를 적어도 부분적으로 임펠러(3)의 프로파일 내에 위치시키면, 베어링(13)과 임펠러(3)의 질량 중심 사이의 거리가 감소된다. 결과적으로, 임펠러(3)의 질량 중심을 회전 축선으로부터 벗어나게 하는 불균형이 임펠러(3)에서 발생되면, 모멘트 힘은 훨씬 더 작게 되고 따라서 베어링(13)의 반경방향 하중이 상당히 감소된다.
추가로, 베어링 카트리지(4)를 임펠러(3)의 프로파일 내에 위치시키면, 로터 어셈블리(1)의 캔틸레버 길이가 감소된다. 이렇게 되면, 로터 어셈블리(1)의 강성이 증가되고 그 결과 더 높은 제 1 굽힘 고유 진동수가 얻어지게 된다. 그러므로 로터 어셈블리(1)는 훨씬 더 높은 속도에서도 아임계적으로(즉, 제 1 고유 진동수 아래에서) 작동할 수 있다. 아임계 속도에서 작동함으로써, 천이 작동 조건 동안 (예컨대, 로터 어셈블리(1)의 가속 및 감속 동안), 로터 어셈블리(1)의 관리 처럼 로터 어셈블리(1)의 균형이 훨씬 더 단순하게 된다.
도 1 에 도시된 실시 형태에서, 임펠러(3)의 질량 중심은 허브(5)의 바닥부(8)에 있는 중심 홈(12) 안에 위치한다. 베어링 카트리지(4)는 베어링(13)이 임펠러(3)의 질량 중심 위에 있도록 중심 홈(12) 안으로 진입해 있다. 따라서, 다음의 임펠러 불균형으로 인한 반경방향 하중은 최소로 유지된다. 도 1 에 도시된 임펠러(3)의 특별한 설계에 있어서, 임펠러(3)의 질량 중심은 허브(5)의 바닥부(8)에 근접해 있다. 이런 이유로, 베어링(13)은 임펠러 프로파일 내에 부분적으로만 위치하게 된다. 임펠러(3)의 질량 중심이 더 허브(5)의 내측에 위치하면, 베어링 카트리지(4)는 임펠러(3) 안으로 더 진입할 수 있다. 사실, 베어링 카트리지(4)는 베어링(13)이 완전히 임펠러 프로파일 내에 위치하도록 허브(15)의 중심 홈(12) 안으로 진입할 수 있다.
도 2 는 축(2)을 포함하는 대안적인 로터 어셈블리(20)를 도시하며, 이 축에는 임펠러(21)와 베어링 카트리지(4)가 장착된다. 축(2)과 베어링 카트리지(4)는 전술한 도 1 에 도시된 실시 형태와 비교하여 변동이 없다.
임펠러(21)는 허브(22)를 포함하며, 이 허브 주위에는 다수의 블레이드(23)가 지지되어 있다. 허브(22)는 정상부(24)에서 바닥부(25)까지 축방향으로 연장되어 있다. 중심 보어(26)가 허브(5)를 관통해 형성되어 있으며, 이 중심 보어 안에는 축(2)이 수용된다. 허브(22)의 정상부(24)에는 중심 환상 홈(27)이 형성되어 있다. 이 중심 환상 홈(27)의 직경은 중심 보어(26) 보다 커서, 허브(22)의 정상부(24)는 반경방향으로 축(2)으로부터 이격되어 있다.
베어링 카트리지(4)는 허브(22)의 정상부(24)에 있는 중심 환상 홈(27) 안으로 진입해 있다. 따라서, 베어링 카트리지(4)는 임펠러(21)의 프로파일 내에, 즉 허브(22)의 정상부(24)와 바닥부(25) 로 한정된 영역 안에 부분적으로 위치된다. 베어링 카트리지(4)와 허브(22) 사이에 틈새가 존재하여, 임펠러(3)가 베어링 카트리지(4)의 슬리브(16)에 대해 자유롭게 회전할 수 있다.
베어링 카트리지(4)에 있어서 허브(22)의 중심 환상 홈(27) 안으로 진입해 있지 않는 부분은 프레임, 하우징 등을 고정하는데 이용될 수 있다. 슬리브(14)가 프레임의 연장부로서 작용하기 때문에 베어링 카트리지(4)의 전체 길이를 따라 프레임을 고정시킬 필요는 없다. 그럼에도, 프레임을 베어링 카트리지(4)의 전체 길이를 따라 고정시키고 싶다면, 프레임이 또한 중심 환상 홈(27) 안으로 진입해 있을 수 있도록 허브(22)의 정상부(24)에 있는 중심 환상 홈(27)의 크기를 증가시킬 수 있다.
여기서도, 베어링 카트리지(4)가 임펠러(21)의 프로파일 내에 적어도 부분적으로 위치하기 때문에, 로터 어셈블리(20)의 캔틸레버 길이가 짧아지고, 그 결과 더 높은 임계 속도에서도 로터 어셈블리(20)의 강성이 더 커지게 되고 또한 임펠러 불균형으로 인한 베어링(13)의 반경방향 하중이 감소된다. 도 2 에 도시된 실시 형태에서, 임펠러(21)의 질량 중심은 여기서도 허브(22)의 바닥부(25)의 근처에 위치된다. 그러나, 설계 요건 때문에, 베어링 카트리지(4)는 허브(22)의 바닥부(25)가 아닌 정상부(24) 안으로 진입해 있다. 따라서, 베어링(13)이 임펠러(21)의 질량 중심 근처에 있도록, 베어링 카트리지(4)는 도 1 에 도시된 실시 형태 보다 임펠러(21) 안으로 더 진입해 있다. 사실, 베어링 카트리지(4)의 베어링(13)은 전체가 임펠러 프로파일 내에 위치된다.
도 3 은 축(2)을 포함하는 다른 로터 어셈블리(30)를 도시하며, 이 축에는 임펠러(31)와 베어링 카트리지(4)가 장착된다. 여기서도, 축(2)과 베어링 카트리지(4)는 전술한 도 1 에 도시된 실시 형태와 비교하여 변동이 없다.
임펠러(31)는 제 1 부분(35)과 제 2 부분(36)으로 된 허브(32), 다수의 블레이드(33) 및 쉬라우드(34)를 포함한다. 블레이드(33)는 허브(32)의 제 1 부분(35)과 쉬라우드(34) 사이에서 이들에 부착되어 있다. 허브(32)의 제 1 및 제 2 부분(35, 36)은 축(2)이 수용되는 중심 보어(37, 38)를 포함한다. 허브(32)의 제 1 및 제 2 부분(35, 36)은, 허브(32)가 정상부(39)에서 바닥부(40)까지 축방향으로 연장되어 있도록 축(2)에 장착되며, 블레이드(33)는 허브(32)의 정상부(39)와 바닥부(40) 사이에서 연장되어 있다.
중심 환상 홈(41)이 허브(32)의 정상부(39), 즉 허브(32)의 제 1 부분(35)의 정상부(39)에 형성되어 있다. 이 중심 환상 홈(41)의 직경은 허브(32)의 정상부(39)가 축(2)으로부터 반경방향으로 이격되도록 중심 보어(37, 38)의 직경 보다 크게 되어 있다.
도 2 를 참조한 전술한 실시 형태에서 처럼, 베어링 카트리지(4)는 임펠러(31)의 프로파일 내에, 즉 허브(32)의 정상부(39)와 바닥부(40) 사이에 한정된 영역에 위치하도록 허브(32)의 정상부(39)에 있는 중심 환상 홈(41) 안에 진입해 있다. 베어링 카트리지(4)와 허브(32) 사이에 틈새가 존재하여, 임펠러(31)가 베어링 카트리지(4)의 슬리브(16)에 대해 자유롭게 회전할 수 있다.
전술한 각각의 실시 형태에서, 임펠러의 프로파일은 허브의 정상부와 바닥부에 의해 축방향으로 한정된다. 그러나, 임펠러의 프로파일은 쉬라우드 및/또는 임펠러의 블레이드에 의해 동등하게 한정될 수 있다. 예컨대, 도 3 에 도시된 실시 형태의 허브(32) 하부의 제 2 부분(36)이 생략되거나 임펠러(31)의 나머지에 대해 정지되어 있으면, 임펠러(31)의 프로파일은 축방향으로 정상부(37)에서 허브(32)에 의해 한정되고 바닥부에서는 블레이드(33)에 의해 한정된다. 따라서, 임펠러의 프로파일은 임펠러에 있어서 축방향으로 가장 멀리 있는 단부들 또는 지점에 의해 축방향으로 한정된다.
전술한 각각의 실시 형태의 로터 어셈블리는 공통 슬리브(16)로 둘러싸이는 한쌍의 서로 이격된 베어링(13, 14)을 갖는 베어링 카트리지(4)를 포함한다. 그러나, 로터 어셈블리는 동등하게도 다른 종류의 베어링 어셈블리도 포함할 수 있다. 예컨대, 로터 어셈블리는 복렬 베어링, 니들 베어링 또는 단열 볼 베어링을 포함할 수 있다. 필요하다면, 임펠러에 있는 홈의 크기는 베어링 어셈블리가 프레임이나 하우징에 고정될 수 있도록 그 프레임이나 하우징도 홈 안으로 진입하도록 되어 있을 수 있다.
전술한 실시 형태에 따르면, 베어링 어셈블리는 반개방형(도 1, 2) 또는 폐쇄형(도 3) 임펠러 내부에 부분적으로 위치될 수 있다. 더욱이, 로터 어셈블리가 임펠러의 위 또는 아래 지점에서 프레임 또는 하우징에 고정될 수 있도록 베어링 어셈블리는 임펠러의 정상부(도 2, 3) 또는 바닥부(도 1) 안으로 진입해 있을 수 있다.
본 발명의 로터 어셈블리의 경우, 베어링 어셈블리는 적어도 부분적으로 임펠러의 프로파일 내에 위치된다. 따라서, 임펠러에 불균형이 생기면, 훨씬 더 작은 모멘트 힘이 축에 가해지게 된다. 따라서, 임펠러의 불균형으로 인한 베어링 어셈블리의 반경방향 하중이 감소되어 베어링 어셈블리의 수명이 연장된다. 또한, 로터 어셈블리의 캔틸레버 길이가 짧아지고 그래서 더 높은 임계 속도를 갖는 더 큰 강성의 로터 어셈블리가 실현된다.

Claims (12)

  1. 임펠러와 베어링 어셈블리가 장착되는 축을 포함하는 압축기용 로터 어셈블리로서, 상기 임펠러는 다수의 블레이드를 지지하는 허브 및 이 허브의 정상부에 형성된 홈을 포함하며, 상기 베어링 어셈블리는 상기 홈 내에 위치되는 제 1 부분 및 그 홈의 외부에 위치되는 제 2 부분을 포함하는 로터 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 허브는 축이 수용되는 보어를 포함하며, 상기 홈의 직경은 상기 보어의 직경 보다 큰 로터 어셈블리.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 허브는 반경방향으로 상기 베어링 어셈블리로부터 이격되어 있는 로터 어셈블리.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 베어링 어셈블리는 전체가 상기 홈 내에 위치되는 베어링을 포함하는 로터 어셈블리.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 베어링 어셈블리는 슬리브로 둘러싸이는 한 쌍의 서로 이격된 베어링을 포함하는 로터 어셈블리.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 임펠러는 원심 임펠러인 로터 어셈블리.
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  10. 삭제
  11. 삭제
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