KR101770738B1 - 분리된 캐비티를 구비한 원심압축기 및 이의 제조방법 - Google Patents

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인하대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 분리된 캐비티를 구비한 원심압축기에 관한 것으로, 상세하게는 중앙이 비어있는 입구 덕트(inlet duct); 상기 입구 덕트 외주부에 서로 이격되게 배치되고, 상기 입구덕트의 외주부 및 캐비티의 측벽부 사이에 공간부를 갖는 복수 개의 캐비티; 및 상기 입구 덕트의 하단부에 위치하며, 상기 입구 덕트를 축으로 회전하는 임펠러(impeller);를 포함하는 분리된 캐비티(discrete cavities)를 구비한 원심압축기에 관한 것이다.

Description

분리된 캐비티를 구비한 원심압축기 및 이의 제조방법{(Centrifugal compressor comprising discrete cavities and the manufacturing method thereof}
본 발명은 분리된 캐비티를 구비한 원심압축기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 압축기는 원심 압축기(Centrifugal flow compressor)와 축류 압축기(Axial flow compressor)로 분류될 수 있으며 그 중 원심압축기는 단당 높은 압력비와 소형 경량화가 가능하다는 이점으로 인해 미사일 발사체 엔진과 내연기관 내 터보차져(Turbocharger) 등 군용 및 산업용으로 널리 사용되고 있다.
원심압축기는 원심력을 이용해 공기를 압축시키는데, 종래의 원심 압축기를 개략적으로 살펴보면, 도 1에 나타낸 것과 같이, 공기가 유입되는 입구덕트(inlet duct)(10), 상기 유입된 공기를 고속으로 회전시키는 임펠러(20), 상기 임펠러(20)로부터 공기의 운동에너지를 압력에너지로 변환시키는 디퓨저 및 상기 디퓨저로부터 나오는 유동을 모아주는 볼루트(volute)(30)를 포함하여 구성되어 있다. 상기 임펠러(20)가 고속으로 회전하면서 임펠러의 중심(hub) 근처의 입구덕트(inlet duct)(10)로부터 공기를 흡입해 회전에 의해 원심력이 발생해 흡입된 공기를 바깥으로 밀어내면서 속도를 증가시켜 디퓨저 부분으로 이동시킨다. 디퓨저는 공기의 속도에 의한 운동에너지가 압력에너지로 변화시키며, 압축된 공기는 매니폴드를 거쳐 연소실로 보내진다.
한편, 서지(Surge)나 스톨(Stall)에 의해 제한되는 원심 압축기의 운전 작동범위는 원심압축기의 매우 중요한 성능지표 중의 하나이다. 특히 선박용 터보차져와 같이 작동영역에 따른 시리즈 디자인이 중요한 경우, 원심압축기의 작동범위를 넓혀준다면 영역별 구성하는 모델 수를 줄임으로써 제작비용 절감과 운전 안정성 또한 개선되어 제품 경쟁력을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
하지만, 원심 압축기는 특정 유량에 도달하면 갑자기 스톨(stall) 및 서지(surge) 현상이 발생해 압력비가 급격하게 떨어지고 효율이 낮아지며 날개에 심한 진동 현상을 발생시키고 이에 따라, 원심압축기의 작동 범위가 이러한 서지(Surge)나 스톨(Stall)에 의해 제한되게 된다.
이에 따라, 원심 압축기 사용시 발생 되는 이러한 현상을 제어하기 위한 연구가 실험적, 수치적으로 활발히 이루어지고 있다.
이를 위해 종래의 경우, 임펠러의 끝 틈새(tip clearance)나 입구부형상 등을 조절하거나 링 캐비티(Ring cavity)를 사용하는 방법으로 원심압축기의 효율을 개선하고 작동범위를 향상시키는 방법이 개시된 바 있다.
이와 관련된 종래의 기술로, Korea Society for Fluid Machinery, Vol. 14,(2), pp.11-16에서는 링 형태의 캐비티를 구비하여 스톨 마진(stall margin)을 개선하여 작동범위를 향상시킨 원심압축기를 개시한 바 있으며, 대한민국 공개특허 제10-2013-0045449호에서는 에어유입구측에 에어재순환부의 재순환출입구를 개폐시키도록 하는 출입구개폐부를 마련하여 필요에 따라 선택적으로 출입구개폐부를 개폐시켜 유동의 흐름을 조절할 수 있도록 함으로써, 압축기 성능 향상을 도모한 원심압축기를 개시한 바 있다.
도 2는 입구덕트(10) 외주면에 링 캐비티를 구비한 원심압축기를 나타낸 예시적인 도면으로, 상기와 같이 링 캐비티를 구비한 원심 압축기는 제작이 용이하면서 운전 작동 범위를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
하지만, 이 경우, 재순환 유동으로 인해 공력손실이 발생하여 원심압축기의 효율이 감소되는 단점이 있다.
이에, 본 발명자들은 원심압축기에 대해 연구하던 중, 원심압축기의 작동 범위를 증가시키면서 공력손실을 최소화할 수 있는 분리된 캐비티(Discrete cavities)를 구비한 원심 압축기를 개발하고 본 발명을 완성하였다.
대한민국 공개특허 제10-2013-0045449호
Korea Society for Fluid Machinery, Vol.14, (2), pp.11-16
본 발명의 목적은
분리된 캐비티를 구비한 원심압축기 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은
중앙이 비어있는 입구 덕트(inlet duct);
상기 입구 덕트 외주부에 서로 이격되게 배치되고, 상기 입구덕트의 외주부및 캐비티의 측벽부 사이에 공간부를 갖는 복수 개의 캐비티; 및
상기 입구 덕트의 하단부에 위치하며, 상기 입구 덕트를 축으로 회전하는 임펠러(impeller);를 포함하는 분리된 캐비티(discrete cavities)를 구비한 원심압축기를 제공한다.
또한, 본 발명은
중앙이 비어있는 입구 덕트(inlet duct)의 외주부 및 캐비티의 측벽부 사이에 공간부를 갖는 복수 개의 캐비티를 서로 이격되게 배치하는 단계(단계 1); 및
상기 입구 덕트의 하단부에 상기 입구 덕트를 축으로 회전하는 임펠러(impeller)를 배치하는 단계(단계 2);를 포함하는 분리된 캐비티(discrete cavities)를 구비한 원심압축기의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 분리된 캐비티를 구비한 원심압축기는 분리된 캐비티에 의해 입구 덕트에서 재순환(recirculation) 유동을 가능하게 하고, 상기 재순환된 공기의 유입이 주유동의 공기 흐름을 활성화 시킴으로써 공력손실을 최소화하는 동시에 작동범위를 증가시켜, 공력 성능이 현저히 향상된 장점이 있다.
도 1 및 2는 종래의 원심압축기를 나타낸 모식도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리된 캐비티를 구비한 원심 압축기를 나타낸 모식도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기의 단면을 나타낸 모식도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 높이가 서로 다른 캐비티를 구비한 원심압축기를 나타낸 모식도이고,
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 원심 압축기의 단열 효율을 측정한 결과 그래프이고,
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 원심 압축기의 스톨 마진(stall margin)을 측정한 결과 그래프이고,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 원심 압축기의 압력차 및 속도 벡터를 나타낸 그림으로, 복수 개의 캐비티의 축 방향 위치차의 유무에 따른 압력차 및 속도 벡터를 나타낸 그림이다.
본 발명은
중앙이 비어있는 입구 덕트(inlet duct);
상기 입구 덕트 외주부에 서로 이격되게 배치되고, 상기 입구덕트의 외주부및 캐비티의 측벽부 사이에 공간부를 갖는 복수 개의 캐비티; 및
상기 입구 덕트의 하단부에 위치하며, 상기 입구 덕트를 축으로 회전하는 임펠러(impeller);를 포함하는 분리된 캐비티(discrete cavities)를 구비한 원심압축기를 제공한다.
이하, 본 발명의 분리된 캐비티를 구비한 원심압축기를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분리된 캐비티를 구비한 원심압축기는 도 3에서와 같이 캐비티 1(51), 캐비티 2(52) 및 캐비티 3(53)의 3개의 분리된 캐비티(50)를 구비할 수 있으나, 상기 캐비티의 갯수가 이에 제한된 것은 아니다.
일 실시예에 따른 원심압축기는 중앙이 비어있는 입구 덕트(inlet duct)(10)를 포함한다. 상기 입구 덕트(10)는 회전하는 임펠러(20)의 축 방향으로 외부의 공기를 흡입하기 위한 것이다.
또한, 일 실시예에 따른 원심압축기는 서로 이격된 복수 개의 캐비티(50)를 포함한다.
이는, 원심압축기에 발생되는 스톨(stall) 및 서지(surge) 현상으로부터 압축기를 보호하여 작동 안정성을 높이기 위한 것이며, 또한, 입구덕트(10)에서 재순환 유동을 가능하게 하고, 상기 재순환된 공기의 유입이 주유동의 공기 흐름을 활성화 시키도록 하기 위한 것이다.
즉, 원심압축기는 상기 입구덕트(10)로부터 흡입된 유체를 원주방향으로 토출하여 압축 및 펌핑하는 장치로, 종래의 경우, 저유량 영역에서 스톨(stall) 및 서지(surge) 현상에 의해 장치의 심한 진동이 발생되고 임펠러(20) 및 입구덕트(20) 내에 큰 응력이 발생되어, 압축기의 작동범위 및 성능이 제한된다. 이에, 본 발명에서는 원심압축기의 작동범위 및 성능을 개선하기 위한 방법으로 압축기의 입구덕트(10) 외주면에 서로 이격된 복수 개의 캐비티(50)를 배치하였으며, 이를 통해 원심압축기에 발생되는 스톨 및 서지 현상을 감소시켜 작동안정성을 높일 수 있다.
또한, 도 3에서와 같이, 복수 개의 캐비티(50)를 서로 이격되게 배치함으로써, 재순환 공기의 유입이 주유동의 공기 흐름을 활성화시키도록 할 수 있다.
상기 캐비티(50)는 도 4에 나타낸 바와 같이, 공기가 유입되는 방향에서 상기 입구덕트 외주부에 접하는 제1접합부(54); 임펠러 방향에서 상기 입구덕트 외주부에 접하는 제2접합부(55); 상기 제1접합부 및 제2접합부 사이에 위치한 측벽부(57); 및 상기 입구덕트 외주부, 제1접합부(54), 제2접합부(55) 및 측벽부(57)에 의해 정의되는 공간부(56);를 포함한다.
또한, 상기 캐비티(50)는 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 캐비티의 측벽부(57) 및 제2접합부(55)가 이루는 각도(θ), 상기 임펠러(20)의 지름(D) 대비 상기 캐비티(50)의 축 방향 위치 차(P)의 비(P/D) 및 상기 임펠러(20)의 지름(D) 대비 입구덕트(10)의 외주부에 접하는 제2 접합부(55)의 폭(W)의 비(W/D)를 가진다.
이때, 상기 축 방향 위치 차(P)는 복수 개의 캐비티의 축 방향 위치 중 가장 높은 위치에서 가장 낮은 위치를 뺀 값을 말하며, 예를 들어, 도 5의 경우 캐비티 3(53) 및 캐비티 1(51)의 위치 차를 말한다.
본 발명의 분리된 캐비티를 구비한 원심압축기는 상기 측벽부(57) 및 제2접합부(55)가 이루는 각도(θ)가 작을수록 스톨 마진(stall margin) 및 단열 효율이 증가해 원심압축기의 성능이 향상될 수 있으며, 특히, 상기 캐비티(50)의 측벽부(57) 및 제2접합부(55)가 이루는 각도(θ)는 90 °내지 130 °인 것이 더욱 바람직하다.
이는 공력 성능을 보다 향상시키기 위한 것으로, 만약, 상기 캐비티의 상기 측벽부(57) 및 제2접합부(55)가 이루는 각도(θ)가 90 °미만인 경우, 재순환 유동이 주유동으로 유입되지 않는 문제가 발생될 수 있고, 상기 캐비티의 상기 측벽부(57) 및 제2접합부(55)가 이루는 각도(θ)가 130 °를 초과하는 경우, 스톨 마진(stall margin)이 감소하는 문제가 발생될 수 있다.
한편, 본 명세서상에서 '스톨 마진(stall margin)'은 설계 질량 유량부터 원심압축기의 운전이 가능한 최소한의 질량 유량까지의 운전 범위를 나타낼 수 있는 지표를 의미하며, '단열 효율'은 설계 질량 유량에서의 단열 효율(adiabatic efficiency)을 의미한다.
이에 따라, 상기 단열 효율 및 스톨 마진을 통해 원심압축기의 성능을 평가될 수 있다. 즉, 상기 스톨 마진이 클수록 또한 단열효율이 클수록 원심압축기의 성능이 우수한 것으로 볼 수 있다.
또한, 본 발명의 분리된 캐비티를 구비한 원심압축기는 상기 입구덕트(10)의 외주부에 접하는 제2접합부(55)의 폭(W)이 클수록 상기 원심 압축기의 작업 안정성이 향상될 수 있으며, 특히 상기 임펠러(20)의 지름(diameter, D) 대비 입구덕트(10)의 외주부에 접하는 제2 접합부(55)의 폭의 비(W/D)가 0.015 내지 0.020인 것이 바람직하다.
이는 원심압축기의 성능을 보다 향상시키기 위한 것으로, 만약, 상기 비(W/D)의 값이 0.015 미만인 경우, 스톨 마진(stall margin)이 감소하고, 제작이 용이하지 않는 문제가 발생될 수 있고, 또한, 상기 비(W/D)의 값이 0.020을 초과하는 경우, 단열 효율이 저하되는 문제가 발생될 수 있다.
나아가, 본 발명의 분리된 캐비티를 구비한 원심압축기는 상기 복수 개의 캐비티(50)의 축 방향 위치 즉, 제2접합부가 상기 입구 덕트 외주부에 접한 임펠러의 회전 축 방향으로의 위치가 같거나 다를 수 있으며, 이때, 상기 축 방향 위치 차가 클수록 스톨 마진 및 단열 효율이 증가해 원심압축기의 성능이 향상될 수 있다.
이때, 상기 임펠러(20)의 지름(diameter, D) 대비 상기 캐비티(50)의 축 방향 위치 차(P)의 비(P/D)는 0 내지 0.1인 것이 바람직하다.
만약, 상기 비(P/D)의 값이 0.1을 초과하는 경우, 스톨 마진(stall margin)이 감소하는 문제가 발생될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 원심압축기는 상기 입구 덕트(10)의 하단부에 위치하며, 상기 입구 덕트를 축으로 회전하는 임펠러(impeller)(20)를 포함한다.
이때, 상기 임펠러(20)는 개방형 임펠러(un-shrouded impeller)일 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니다.
또한, 상기 임펠러는 보다 긴 블레이드인 메인 블레이드(main blade)(21) 사이에 보다 짧은 스플리터 블레이드(splitter blade)(22)를 포함하는 것이 바람직하다. 이는 고 압력비 및 고효율이 요구되는 원심압축기에 적합하도록 하기 위한 것으로, 상기 임펠러의 회전을 거쳐 유체에 운동 에너지를 주는 동시에, 직경방향 외측에 유체를 토출함으로써 원심력에 의한 압력 상승을 보다 잘 유도하기 위한 것이다.
한편, 상기 원심압축기는 상기 임펠러(20) 하단부에 디퓨저(diffuser)(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 상기 디퓨저는 베인 없는 디퓨져(vanless diffuser)일 수 있으나 이에 제한된 것은 아니다.
또한, 본 발명은
중앙이 비어있는 입구 덕트(inlet duct)의 외주부 및 캐비티의 측벽부 사이에 공간부를 갖는 복수 개의 캐비티(cavity)를 서로 이격되게 배치하는 단계(단계 1); 및
상기 입구 덕트(inlet duct)의 하단부에 상기 입구 덕트를 축으로 회전하는 임펠러(impeller)를 배치하는 단계(단계 2);를 포함하는 분리된 캐비티(discrete cavities)를 구비한 원심압축기의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제조방법으로 제조된 원심압축기는 입구 덕트 위주부에 복수 개의 캐비티를 서로 이격되게 배치함으로써, 입구 덕트에서 재순환(recirculation) 유동을 가능하게 하고, 상기 재순환된 공기의 유입이 주유동의 공기 흐름을 활성화 시킴으로써 공력손실을 최소화하는 동시에 작동범위를 증가시켜, 공력 성능이 현저히 향상된 장점이 있다.
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
다음과 같은 단계를 통해 분리된 캐비티(discrete cavities)를 구비한 원심압축기를 설계하였다.
단계 1: 중앙이 비어있는 입구 덕트(inlet duct)의 외주부에 캐비티(cavity) 3개를 서로 이격 되게, 그리고 축 방향 위치가 동일하도록 즉, 축 방향 위치차가 0 mm가 되도록 설계하였다.
이때, 상기 캐비티의 측벽부 및 제2접합부가 이루는 각도(θ)가 약 127 °가 되도록 하고, 상기 입구덕트(inlet duct)의 외주부에 접하는 제2접합부(55)의 폭(W)이 약1.5 mm가 되도록 하였으며, 캐비티 전체의 축 방향 길이(L)가 약 55.5 mm가 되도록 하였다.
단계 2: 상기 입구 덕트의 하단부에 하기 표 1과 같은 사양을 가지는 임펠러(impeller)를 설계하여 분리된 캐비티를 구비한 원심압축기를 설계하여, 상기 캐비티의 측벽부(57) 및 제2접합부(55)가 이루는 각도(θ), 상기 임펠러(20)의 지름(D) 대비 상기 캐비티(50)의 축 방향 위치 차(P)의 비(P/D) 및 상기 임펠러(20)의 지름(D) 대비 입구덕트(10)의 외주부에 접하는 제2 접합부(55)의 폭(W)의 비(W/D)가 표 2에 나타낸 바와 같이 각각 127, 0.015, 0이 되도록 하였다.
질량 유량(kg/s) 0.45
회전 속도(RPM) 65,500
전 압력비 1.96
임펠러 외경(D) 102.332
임펠러의 메인 (스플리터) 블레이드 수 6(6)
블레이드 입구각(허브, 팁)(°) 54, 63
블레이드 출구각(허브, 팁)(°) 29, 32
θ W/D P/D
127 0.015 0
<실시예 2>
상기 실시예 1에서, 단계 1의 3개의 캐비티를 폭(W)은 보다 넓게, 각도(θ)는 보다 좁게하고, 축 방향 위치 차(P)는 보다 크게 하여 상기 캐비티의 측벽부(57) 및 제2접합부(55)가 이루는 각도(θ), 상기 임펠러(20)의 지름(D) 대비 상기 캐비티(50)의 축 방향 위치 차(P)의 비(P/D) 및 상기 임펠러(20)의 지름(D) 대비 입구덕트(10)의 외주부에 접하는 제2 접합부(55)의 폭(W)의 비(W/D)가 표 3과 같이 되도록 달리 설계하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 분리된 캐비티를 구비한 원심압축기를 설계하였다.
θ W/D P/D
102 0.019 0.091
<비교예 1> 캐비티를 구비하지 않은 원심압축기
상기 실시예 1의 단계 1에서 캐비티를 형성하는 과정이 없는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 캐비티를 구비하지 않은 원심압축기를 설계하였다.
<비교예 2> 링 형태의 캐비티(ring-type cavity)
상기 실시예 1의 단계 1에서 서로 이격된 복수 개의 캐비티를 링 형태의 하나의 캐비티로 달리 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 링 형태의 캐비티를 구비한 원심압축기를 설계하였다.
<실험예 1> 공력 성능(aerodynamic performance) 비교(1)
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 분리된 캐비티를 구비한 원심압축기의 공력 성능을 확인하기 위해, 이하와 같은 해석을 수행하였다.
실시예 1, 비교예 1 및 2에 의해 따라 설계된 원심압축기의 공력 성능 분석 을 위해 상용코드인 ANSYS CFX-15.0 소프트웨어를 사용하였고, 난류 모델로는 Shear Stress Transport(SST) 난류 모델을 사용하여 3차원 레이놀즈 평균 내비어 스톡크(Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS) 해석을 수행하였다. 이때, 원심압축기의 단열 효율 및 스톨 마진(Stall margin)을 성능함수로 선정하여 공력성능을 분석하였으며, 그 결과를 도 6 및 7에 나타내었다.
한편, 상기 단열 효율 및 스톨 마진(Stall margin)은 하기의 식 1에 의해 정의될 수 있다.
<식 1>
Figure 112016055847268-pat00001
Figure 112016055847268-pat00002
PR: 전압력비
TR: 전온도비
r: 비열비
mDP: 설계점의 질량유량
mstall: 스톨점의 질량유량
PRDP: 설계점의 전압력비
PRstall: 스톨점의 전압력비
도 6에 나타난 바와 같이, 단열 효율의 경우, 캐비티를 구비하지 않은 비교예 1에 의해 설계된 원심압축기와 비교했을 때, 비교예 2에 의해 설계된 경우 약 2.10 % 단열 효율이 감소된 반면, 실시예 1에 의해 제조된 경우 0.71 %로 상대적으로 감소량이 작은 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 7에 나타난 바와 같이, 스톨 마진의 경우, 캐비티를 구비하지 않은 비교예 1에 의해 설계 및 제조된 원심압축기와 비교했을 때, 비교예 2 및 실시예 1에 의해 제조된 경우 각각 5.69 % 및 4.42 % 증가한 것을 알 수 있다.
이를 통해, 비교예 1에 의해 설계된 경우, 단열효율이 가장 좋은 반면, 스톨마진이 가장 낮고, 비교예 2에 의해 설계된 경우, 스톨마진이 가장 좋은 반면, 단열효율이 가장 낮은 반면, 실시예 1의 경우, 비교적 높은 단열효율 및 스톨 마진을 나타내는 것을 알 수 있다.
<실험예 2> 공력 성능(aerodynamic performance) 비교(2)
캐비티 형상에 따른 본 발명의 분리된 캐비티를 구비한 원심압축기의 공력 성능을 확인하기 위해, 이하와 같은 해석을 수행하였다.
실시예 1 및 2, 비교예 2에 의해 설계된 원심압축기에 대한 공력 성능분석을 상기 실험예 1에서와 같은 방법으로 해석을 수행하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
스톨 마진
실시예 1 대비 실시예 2의 경우 5.12 % 증가
비교예 2 대비 실시예 2의 경우 3.85 % 증가
상기 표 4에 나타난 바와 같이, 실시예 2에 의해 설계된 경우, 스톨 마진이 실시예 1의 경우 대비 5.12 % 증가하고, 비교예 2의 경우 대비 3.85 % 증가하여 궁극적으로 링 캐비티를 구비한 원심압축기보다 더욱 우수한 스톨 마진을 나타내었다.
이를 통해, 본 발명의 분리된 캐비티를 구비한 원심압축기는 종래의 링 형태의 캐비티를 구비한 원심압축기보다 우수한 단열 효과를 나타내며, 상기 캐비티의 형상을 조절함으로써, 보다 우수한 스톨 마진을 가질 수 있음을 알 수 있다, 즉, 원심압축기의 공력 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
<실험예 3> 캐비티 형태에 따른 압력장 및 속도 벡터 비교
캐비티 형상에 따른 본 발명의 분리된 캐비티를 구비한 원심압축기의 압력장 및 속도 벡터를 비교하기 위해, 이하와 같은 해석을 수행하였다.
실시예 1 및 2에 의해 설계된 원심압축기의 캐비티 3개에 대한 내부 유동장 해석을 ANSYS CFX-15.0을 사용하고, 난류 모델로는 Shear Stress Transport(SST) 난류모델을 사용하여 3차원 레이놀즈 평균 내비어 스톡크(Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS) 해석을 수행하여 압력장 및 속도 벡터를 도 8에 나타내었다.
도 8에 나타난 바와 같이, 축 방향 위치가 서로 다른 3개의 캐비티가 배치되로록 설계된 실시예 2의 경우, 실시예 1에 의해 설계된 경우 보다 흡입된 공기의 축 속도가 증가됨을 알 수 있다. 상기와 같이 증가된 축 속도는 원주 속도를 증가시킴으로써, 원심압축기의 작동 안정성을 증가시킬 수 있으며, 또한, 재순환된 공기가 원심아축기의 주유동과 혼합되므로, 공력손실을 감소시킬 수 있다.
10: 입구덕트(inlet duct)
20: 임펠러(impeller)
21: 메인 블레이드(main blade)
22: 스플리터 블레이드(splitter blade)
30: 볼루트(volute)
40: 링 캐비티(ring cavity)
50: 분리된 캐비티
51: 캐비티 1
52: 캐비티 2
53: 캐비티 3
54: 캐비티의 제1접합부
55: 캐비티의 제2접합부
56: 캐비티의 공간부
57: 캐비티의 측벽부

Claims (10)

  1. 중앙이 비어있는 입구 덕트(inlet duct);
    상기 입구 덕트 외주부에 서로 이격되게 배치되고, 상기 입구덕트의 외주부및 캐비티의 측벽부 사이에 공간부를 갖는 복수 개의 캐비티; 및
    상기 입구 덕트의 하단부에 위치하며, 상기 입구 덕트를 축으로 회전하는 임펠러(impeller);를 포함하는 분리된 캐비티(discrete cavities)를 구비한 원심압축기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 캐비티는
    공기가 유입되는 방향에서 상기 입구덕트 외주부에 접하는 제1접합부;
    임펠러 방향에서 상기 입구덕트 외주부에 접하는 제2접합부;
    상기 제1접합부 및 제2접합부 사이에 위치한 측벽부; 및
    상기 입구덕트 외주부, 제1접합부, 제2접합부 및 측벽부에 의해 정의되는 공간부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분리된 캐비티(discrete cavities)를 구비한 원심압축기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 캐비티는 상기 측벽부 및 제2접합부가 이루는 각도가 90 내지 130°인 것을 특징으로 하는 분리된 캐비티(discrete cavities)를 구비한 원심압축기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 캐비티는 상기 임펠러의 지름 대비 상기 입구덕트(inlet duct)와 접하는 제2접합부(55)의 폭의 비가 0.015 내지 0.020인 것을 특징으로 하는 분리된 캐비티(discrete cavities)를 구비한 원심압축기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수 개의 캐비티는 임펠러의 지름에 대한 축 방향 위치 차의 비가 0 내지 0.1인 것을 특징으로 하는 분리된 캐비티(discrete cavities)를 구비한 원심압축기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 임펠러는 개방형 임펠러(un-shrouded impeller)인 것을 특징으로 하는 분리된 캐비티(discrete cavities)를 구비한 원심압축기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 임펠러는 메인 블레이드(main blade) 및 스플리터 블레이드(splitter blade)를 포함하는 분리된 캐비티(discrete cavities)를 구비한 원심압축기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 원심압축기는 상기 임펠러 하단부에 디퓨저(diffuser)를 더 포함하는 분리된 캐비티(discrete cavities)를 구비한 원심압축기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 디퓨저는 베인 없는 디퓨져(vanless diffuser)인 것을 특징으로 하는 분리된 캐비티(discrete cavities)를 구비한 원심압축기.
  10. 중앙이 비어있는 입구 덕트(inlet duct)의 외주부 및 캐비티의 측벽부 사이에 공간부를 갖는 복수 개의 캐비티를 서로 이격되게 배치하는 단계(단계 1); 및
    상기 입구 덕트의 하단부에 상기 입구 덕트를 축으로 회전하는 임펠러(impeller)를 배치하는 단계(단계 2);를 포함하는 분리된 캐비티(discrete cavities)를 구비한 원심압축기의 제조방법.
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