KR101801204B1 - 터보블로어 - Google Patents

Abstract

임펠러 측으로 작용하는 축방향 하중의 감소 구조를 갖는 터보블로어(100)가 소개된다. 그 터보블로어(100)는 축하중 감소를 위한 제1 및 제2 팬(40,50)을 구비하며, 회전축(20) 회전 시, 제2 팬(50)의 디스크(51) 전면과 후면에 작용하는 압력의 합이 후방으로 최대한 크게 작용하도록 구성된다.

Description

터보블로어{TURBO BLOWER}

본 발명은 터보블로어, 특히 축방향 하중 감소 구조를 갖는 터보블로어에 관한 것이다.

터보블로어는 일종의 송풍기로서 분체 이송이나 폐수처리 등 고압의 공기를 필요로 하는 산업 현장에서 널리 사용된다.

이러한 터보블로어는 회전축에 조립된 임펠러를 고속으로 회전시켜 고압 공기를 생성하는데, 장치의 특성상 회전축에 조립된 부품들의 축방향 전면 측과 후면 측 간에 압력 차이가 발생하며 그 차이는 축 방향 어느 한쪽으로의 하중을 야기한다.

통상 터보블로어의 축 방향 하중은, 축방향을 기준으로 공기가 유입되는 임펠러 입구 측을 전방 그 반대 측을 후방으로 정의했을 때, 회전축을 후방으로부터 전방으로 미는 방향으로 작용한다. 특히 임펠러의 전방과 후방의 압력 차이는 이러한 축 하중의 주요한 원인이 된다.

위와 같은 축방향 하중으로 인하여 터보블로어에는 축 하중을 지지하기 위한 스러스트 베어링이 필수적으로 설치된다. 이 베어링은 임펠러 바로 후방에 설치되는데 발생하는 축방향 하중이 베어링의 지지능력 이상이 되는 경우 베어링이 손상될 수 있다.

베어링 손상은 터보블로어의 운전정지를 의미하는 것으로, 베어링의 손상이나 교체로 인한 작업 능률의 저하나 고객 불만을 방지하기 위해서는, 베어링에 무리를 줄 수 있는 축방향 하중을 저감하기 위한 방안이 요구된다.

한편 본 발명의 발명자가 이전에 출원하여 등록 받은 한국등록특허 제0870887호에는 터보블로어 내부로 냉각공기를 공급하여 회전축을 포함하는 고속모터나, 베어링 부위를 효과적으로 냉각시키기 위한 터보블로어 냉각 구조가 소개되어 있다. 이 특허는 본 발명 기술의 이해를 위해 참고될 수 있다.

한국등록특허 제0675821호 한국등록특허 제0870887호

본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점에 대한 인식에 기초한 것으로, 전방으로 작용하는 축 하중을 저감할 수 있는 터보블로어를 제공함을 목적으로 한다.

위 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 터보블로어는 내부 부품의 냉각을 위한 제1 팬과 축하중 저감을 위한 제2 팬을 구비한다. 이들 팬 및 팬들이 배치된 공간은, 회전축 회전 시, 회전축을 후방으로 미는 힘이 최대한 크게 발생하도록 설계된다.

본 발명의 실시예에 따른 터보블로어는 중공의 케이싱 내에 설치된 회전축의 전단부에는 임펠러가 조립되고 후단부에는 제1 및 제2 팬이 조립된 구성을 갖는다. 각 팬은 회전축에 대해 수직한 방향으로 연장되는 디스크와 디스크 상에 형성된 블레이드를 구비한다. 제1 팬은 터보블로어 냉각용 팬이다.

본 발명의 실시예에 따른 터보블로어는, 축하중 저감을 위한 제2 팬의 디스크 전면과 후면에 작용하는 압력의 합이 후방으로 최대한 크게 작용하도록 구성된다. 이는 축방향 전방으로 작용하는 축하중을 상쇄하고 베어링을 보호한다. 이를 위해 제2 팬 주변의 공간구조가 최적화된다.

본 발명의 실시예에 따르면 제2 팬의 블레이드는 디스크의 후면에 마련되며, 제2 팬으로부터의 공기 토출유로는 제1 팬으로부터의 공기 토출유로보다 적어도 어느 한 지점에서 좁게 설정된다.
본 발명의 실시예에 따르면 제2 팬의 디스크 후방에 제2 팬용 공기유입구가 마련되며, 제1 팬과 제2 팬의 사이 영역에는 제1 팬의 디스크 후방으로 공기를 유입시키기 위한 제1 팬용 공기유입로가 제2 팬용 공기유입구와는 별도로 마련된다.

제2 팬의 공기 토출유로를 작게 함으로써, 이 유로를 흐르는 공기 유량이 적어져 제2 팬으로 인한 회전축 동력의 소모는 최소화하면서도 제2 팬이 놓인 공간에서의 압력, 특히 제2 팬의 디스크 전면에 작용하는 압력은 효과적으로 증가시킬 수 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 팬의 블레이드는 디스크의 후면에 마련되며 디스크의 방사상 외측 테두리와 마주하는 부재, 예로서 후방 베어링 하우징에는 디스크와의 갭 또는 클리어런스를 조절 또는 좁히기 위한 대응부가 마련된다.

제1 팬의 디스크 전방 공간에는 어느 정도의 밀폐를 위한 씰이 사용될 수 있다. 이 씰은 디스크와 부재, 예로서 후방 베어링 하우징 간의 클리어런스를 통해 디스크 후방으로부터 전방공간으로 유입된 압력 공기의 누출을 막아, 제1 팬의 디스크 전방공간에서의 압력 증가가 가능하게 한다.

본 발명의 실시예에 따르면 제2 팬의 블레이드는 제1 팬의 블레이드보다 높이가 낮다. 이와 함께 또는 별도로 제2 팬의 블레이드는 제1 팬의 블레이드보다 길게 형성된다. 이렇게 함에 의해 제2 팬에 의한 회전축 동력의 소모는 최소하면서 축하중을 효과적으로 저감할 수 있다.

한편 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 팬은 디스크 전면에 마련된 블레이드를 더 포함할 수 있다. 디스크의 전면 블레이드는 후면 블레이드보다 높이가 낮고, 또는/및 디스크의 전면 블레이드는 후면 블레이드보다 길이가 더 길 수 있다. 회전축에 부하를 적게 주면서도 축하중을 효과적으로 저감할 수 있다.

한편 본 발명에 따르면 회전축; 회전축 전단에 결합된 임펠러; 회전축의 후단부에 결합되며, 터보블로어에 조립되어 운전 시 전방으로 냉각공기를 공급하기 위한 제1 팬; 및 제1 팬의 후방에서 회전축에 결합된 제2 팬;을 포함하는 터보블로어용 회전축 어셈블리가 제공된다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 회전축 어셈블리 및 터보블로어에 의하면, 전방으로 작용하는 축 하중을 저감할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 종래 터보블로어의 구조변경이나 동력 손실을 최소화 하면서도 축하중을 효과적으로 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 터보블로어의 일례를 개략적으로 보인 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 회전축 어셈블리를 별도로 분리하여 나타낸 도면,
도 3은 도 1에서 Ⅲ으로 표시된 부위의 확대도,
도 4는 도 3에 도시된 제2 팬의 디스크 전방과 후방에서의 압력 분포를 보인 도면,
도 5는 도 3에서 Ⅴ로 표시된 부위의 확대도,
도 6은 본 발명에 따른 제1 팬의 다른 예를 보인 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 팬의 블레이드의 예를 보인 도면이다.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 도면들에서 동일한 구성요소 또는 부품들은 설명의 편의를 위해 가능한 한 동일한 참조부호로 표시된다.

도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 터보블로어의 전반적인 구성을 살펴본다.

도 1에서 보듯이, 실시예에 따른 터보블로어(100)는 중공의 케이싱(10) 중앙에 전후방향으로 길게 회전축(20)이 배치되고, 회전축(20)의 전단부에는 임펠러(30)가 그리고 후단부에는 제1 및 제2 팬(40,50)이 각각 조립된 구조를 갖는다.

도 1에서 축방향을 기준으로 임펠러(30) 측이 전방으로 그 반대편의 팬들(40,50)이 배치된 측이 후방으로 정의된다. 터보블로어(100)의 전단에는 임펠러(30)용 공기유입구(S1), 그리고 후단에는 제2 팬(50)용 공기유입구(S2)가 각각 마련된다.

임펠러(30)가 배치된 케이싱(10) 부위에는 둘레를 따라 송풍유로(120)가 마련된다. 회전축(20) 회전 시 임펠러(30)가 회전하게 되며, 공기유입구(S1)으로부터 유입된 공기는 임펠러(30)에 의해 압축된 후 송풍유로(120)를 거쳐 토출된다.

회전축(20)의 회전은 회전축(20) 둘레를 따라 이격된 상태로 케이싱(10)에 고정된 스테이터(stator: 110)와의 상호작용에 의한다. 회전축(20)은 로터로서 스테이터(110)와 함께 고속 모터를 이룬다. 전력이 공급되어 회전축(20)이 회전하면, 전단의 임펠러(30)와 후단부의 팬들(40,50)이 함께 회전한다.

일례로서 스테이터(110)는 대략의 중공 원통 모양을 갖도록 형성되어 케이싱(10)의 내경부에 삽입되는 형태로 끼워 고정되며 스테이터(110)의 내경부에는 코일이 감겨진다. 그리고, 회전축(20)에는 미도시된 영구자석이 마련되어 스테이터(110)와의 사이에 형성되는 자력에 의해 회전된다.

회전축(20) 회전 시, 축 길이방향과 축에 수직한 방향으로 각각 축하중이 작용한다. 축 방향으로의 하중은 스러스트 베어링(미도시)에 의해 지지되며, 축에 수직한 방향으로의 하중은 저널 베어링(미도시)에 의해 지지된다.

스러스트 베어링은 임펠러(30) 후방에 설치된 런너 디스크(131)의 전면과 후면에 각각 설치되며, 저널 베어링은 전후방 베어링 하우징(130,140) 각각에 회전축(20)과의 사이에 설치된다. 특별한 언급이 없는 한, 본 발명에서 축하중은 전방으로 작용하는 축방향 하중을 지칭한다.

도 2에는 회전축(20)에 임펠러(30)와 팬들(40,50)이 조립된 회전축 어셈블리(200)가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 제1 및 제2 팬(40,50)은 회전축(20)의 후단에 조립되며, 회전축(20)에 대해 수직한 방향으로 연장되는 디스크(41,51)의 후면에 각각 블레이드(42,52)가 형성된다. 디스크(41,51) 전면의 방사방향 내측에는 씰(43,53)이 마련된다.

실시예에 따르면 위와 같은 회전축 어셈블리(200)가 적용된 터보블로어는, 회전축(20) 회전 시, 팬들(40,50), 특히 제2 팬(50)의 디스크(51) 전면과 후면에 작용하는 압력의 합이 후방으로 작용하도록 구성된다.

도 1과 함께 도 3을 참조하면, 제1 팬(40)은 냉각팬으로서 회전축(20) 후단부에 조립된다. 제1 팬(40) 회전 시, 공기 유입로(101)를 통해 공기가 유입되며 이후 베어링 등 부품의 냉각을 위해 제1 토출유로(102)를 통해 전방으로 공급된다. 제1 토출유로(102)는 냉각공기 공급 유로이다.

제1 팬(40)은 후방 베어링 하우징(140)과 제1 커버(11)의 사이에 배치된다. 제1 팬(40)의 디스크(41) 전면과 후방 베어링 하우징(140) 사이는 부품들로 둘러싸인 공간(S3)을 이룬다.

제1 팬(40)을 위한 공기 유입로(101)는 제1 커버(11)와 그 후방의 격벽(13) 사이에 형성된다. 공기 유입로(101), 도 3에서 보기에, 제1 커버(11)와 격벽(13)을 따라 수직하게 연장되어, 회전축(20) 부근에서 약간의 개방된 공간을 형성한 다음, 블레이드(42) 영역을 거쳐 제1 토출유로(102)와 연결된다.

제2 팬(50)은 제1 팬(40)의 후방에서 격벽(13)과 제2 커버(12)의 사이에 배치된다. 제2 팬(50) 회전 시, 후방의 공기유입구(S2)로부터 유입된 공기는 격벽(13)과 제2 커버(12) 사이 공간(S4)에서 압력 상승하여 제2 토출유로(103)를 통해 외부로 배출된다.

실시예에 따르면 제2 팬(50)으로부터의 공기 토출유로(103)는 제1 팬(40)으로부터의 공기 토출유로(102)보다 적어도 어느 한 지점에서 좁게 설정된다. 제2 토출유로(103)로부터 유출되는 공기의 유량을 적게 하여 공간(S4) 내의 압력 증가가 가능하게 하고 아울러 제2 팬(50)에서의 동력 소모를 최소화하기 위함이다.

제2 토출유로(103)를 어느 정도 좁게 할 것인지의 문제는 터보블로어의 용량이나 축하중 정도 등을 고려하여 적정하게 설계될 필요가 있다.

도 3을 참조하자면, 제2 토출유로(103)는 제2 커버(12)에 형성되며 공간(S4)로부터 일정한 직경으로 수직한 방향으로 연장된다. 그 직경은, 적어도, 제1 토출유로(102)보다 작게 형성되며, 바람직하게는, 공간(S4) 내의 압력을 증가시킴과 아울러 제2 팬(50)에서의 동력 소모는 최소화될 수 있도록 설계된다.

한편 제2 팬(50)의 블레이드(52)는 제1 팬(40)의 블레이드(42)보다 높이는 낮고 길이는 더 길게 형성된다. 이는 제2 팬(50)으로 인한 유량 증가를 제한하여 회전축(20)의 동력 소모는 최소화 하면서도, 디스크(51)에 후방으로 작용하는 힘은 증가시키기 위함이다.

제2 팬(50) 블레이드(52)의 높이를 낮게 한 것은 블레이드(52)로 인해 발생하는 유량을 적게 하기 위함이고, 길이를 길게 한 것은 블레이드(52)에 의한 압력 증가를 크게 하기 위함이다. 참고로 회전하는 블레이드에 의해 발생 또는 증가하는 압력은 블레이드의 선속도에 비례한다.

제2 팬(50) 블레이드(52)를 제1 팬(40) 블레이드(42)보다 높이만 낮게 하거나 길이만 길게 할 수도 있을 것이나, 도 3에 도시된 실시예에서와 같이 높이는 낮게 하고 길이는 더 길게 하는 것이 효과적이다.

도 4에는 제2 팬(50)의 디스크(51) 전방과 후방에서의 압력 분포가 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 공기유입구(S2)로부터 유입된 공기는 블레이드(52)에 의해 방사상 내측에서 외측 방향으로 진행하면서 점차 압력 상승하여 디스크(51) 가장자리 부근에서 대략 최대가 되기 때문에, 후면에서의 압력은 방사상 외측으로 갈수록 증가한다.

이에 대해 제2 팬(50)의 디스크(51)의 전면에서의 압력은 씰(53) 부위를 제외하면 거의 동일하다. 디스크(51) 후방에서 증가한 압력은 클리어런스(d)를 통해 디스크(51) 전방공간(S3)으로 유입되서 씰(53)에 의해 어느 정도 유지되기 때문이다.

디스크(51) 전면에 작용하는 압력은 비교적 일정함에 비해, 디스크(52) 후면에 작용하는 압력은 공기유입구(S2) 등으로 인해 방사상 내측과 외측 간의 차이가 크다. 따라서 디스크(51)에 작용하는 압력의 합은 후방으로 작용하며, 이 힘은 축방향 하중을 완충한다

한편 도 3을 참조하면, 축하중 저감용 제 2팬(50)의 디스크(51) 전면, 구체적으로는 방사상 내측에는, 씰(53)이 마련되며, 이에 대응하여 격벽(13)에도 씰 구조가 마련된다. 씰(53)과 좁은 공기 토출유로(103)는 공간(S4), 특히 디스크(51) 전방에서 압력이 축적되고 또 유지될 수 있도록 한다.

도 3 및 도 5를 참조하여 제1 팬(40)과 이 팬(40)이 놓인 공간(S3)의 구조에 대해 설명한다.

도 3 및 도 5에서 보듯이, 디스크(41)의 방사상 외측 테두리와 마주하는 부재, 여기서는 후방 베어링 하우징(140) 부위에는 디스크(41)와의 클리어런스(d)를 조절 또는 좁히기 위한 대응부(141)가 마련된다.

구체적으로 제1 팬(40)이 마주하는 후방 베어링 하우징(140)의 후단 부위에는, 압력의 축적이 가능한 공간(S3)의 제공을 위해 원형으로 홈이 가공되어 있다. 그리고 디스크(41)의 방사상 외측 테두리와 마주하는 부위에는 단턱 형태의 대응부(141)가 마련된다

제1 팬(40) 회전 시, 디스크(41) 전면, 후방 베어링 하우징(140) 및 씰(43)에 의해 규정되는 공간(S3)의 압력은 상승한다. 대응부(141)는 클리어런스(d)를 조절하기 위한 것으로, 제1 팬(40)에 의해 제1 토출유로(102)로 불어나가는 공기 흐름에 저항으로 작용하지 않도록 형성될 필요가 있으며, 단턱, 돌부 등 다양한 형태를 가질 수 있다.

도 3에서 보듯이, 공간(S3)의 밀폐성을 보강하기 위하여 디스크(41) 전면의 방사방향 내측에는 씰(44)이 마련되며, 이에 대응하는 후방 베어링 하우징(140) 부위에도 씰 구조가 마련된다.

이상 설명된 실시예에 따르면, 팬들(40,50)에 의한 회전축(20)의 동력 상실, 혹은 부하를 최소화 할 수 있으며, 또 효과적으로 축방향 하중을 저감할 수 있다.

도 6에는 다른 실시예에 따른 냉각공기 송풍용 제1 팬(60)이 도시되어 있다.

앞서 설명된 제1 팬(40)에는 디스크(41)의 후면에만 블레이드(42)가 형성되었다. 그러나, 도 6에서 보듯이, 제1 팬(60)은 전면 블레이드(63)을 추가적으로 가질 수 있다. 후면 블레이드(62)는 냉각공기 송풍용이며, 전면 블레이드(63)는 축하중 저감용이다.

이 실시예에 따르면 디스크(61) 전면에 블레이드가 추가되므로 디스크(61) 전면 측 공간에서의 압력 상승에 도움이 될 수 있다. 디스크(61)와 후방 베어링 하우징(140) 간의 클리어런스는, 공간(S3)에서의 압력 증가를 위해, 전면 블레이드(63)에 의해 생성된 압력이 이를 통해 유출되지 않도록 최적화 된다.

한편 제 1팬(60)의 디스크(61)의 전면 블레이드(63)는 후면 블레이드(62)보다 높이가 낮다. 택일적으로 또는 동시에, 전면 블레이드(63)는 후면 블레이드(62)보다 길게 형성된다.

전면 블레이드(63)의 높이를 낮게 한 것은 블레이드(63)로 인해 발생하는 유량을 적게 하기 위함이고, 길이를 길게 한 것은 블레이드(63)에 의한 압력 증가를 크게 하기 위함이다.

도 6에서 보듯이 제1 팬(60)의 방사상 내측부에는 씰 구조가 마련되지는 않는다. 제1 팬(60) 회전 시 전면 블레이드(63) 측 공간(S3)으로 유입되는 공기량이 적기 때문에, 이 공간(S3)에서의 압력 증가를 위해서 회전축(20)과 후방 베어링(140) 사이의 틈새로부터 공기가 유입될 수 있도록 하여도 무방하다.

본 실시예의 경우에, 제1 팬(60)의 디스크(61)에 작용하는 압력 분포를 살펴보면, 디스크(61)의 전면과 후면에 작용하는 압력은 각각 방사상 외측으로 갈수록 증가한다. 디스크(61)의 방사상 내측, 즉 회전축(20) 부근의 틈새를 통해 유입된 공기가 블레이드들(62,63)에 의해 방사상 외측으로 진행하면서 압력 증가하기 때문이다.

디스크(61)의 전면과 후면에 작용하는 압력을 비교하면, 블레이드의 높이가 높고 개방된 공간구조를 갖는 디스크(61) 후면 측이 전면 측보다 압력이 낮다. 전면 블레이드(63)의 길이가 후면 블레이드(62)보다 길고 또 좁은 클리어런스(d)로 인해, 디스크(61) 전방공간(S3)에서의 압력이 더 크게 나타난다.

전면 블레이드(63)의 높이를 후면 블레이드(62)보다 낮게 한 것은 유량 발생을 적게 하여 회전축(20)의 동력 소모를 적게 하기 위함이다. 전면 블레이드(63)의 높이를 낮게 하면서도 길이는 길게 하게 되면, 회전축(20) 동력의 소모는 크게 하지 않으면서도, 전면 블레이드(63) 측 공간(S3)에서의 압력은 효과적으로 증가시킬 수 있다.

도 7에는 냉각용 제1 팬(40)의 디스크(41)에 형성된 블레이드(42)의 예가 도시되어 있다. 도 7에 도시된 것과 같이 블레이드(42)는 디스크(41)의 후면 둘레를 따라 나선형으로 형성된 돌기일 수 있다.

이상 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다양하게 수정 또는 변형될 수 있고 또 이것이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다는 것이 이해될 필요가 있다.

Claims (10)

1. 중공의 케이싱;
   상기 케이싱에 내장되며, 전단에 임펠러가 결합된 회전축;
   상기 회전축의 후단부에 결합되어 회전축 회전 시 전방으로 냉각공기를 공급하기 위한 제1 팬; 및
   상기 제1 팬의 후방에서 회전축에 결합된 제2 팬;을 포함하며,
   상기 제1 및 제2 팬은, 각각, 회전축에 대해 수직한 방향으로 연장되는 디스크와 디스크의 후면에 마련된 블레이드를 구비하며,
   상기 회전축 회전 시, 적어도 제2 팬의 디스크 전면과 후면에 작용하는 압력의 합이 후방으로 작용할 수 있도록 구성되며,
   상기 제2 팬의 디스크 후방에 제2 팬용 공기유입구가 마련되며, 제1 팬과 제2 팬의 사이 영역에는 제1 팬의 디스크 후방으로 공기를 유입시키기 위한 제1 팬용 공기유입로가 제2 팬용 공기유입구와는 별도로 마련되고,
   상기 제2 팬으로부터의 공기 토출유로는, 제1 팬으로부터의 공기 토출유로와 별도로 마련되며, 공기 유량의 저감을 위해 제1 팬으로부터의 공기 토출유로보다 적어도 어느 한 지점에서 좁게 설정된 것을 특징으로 하는 터보블로어.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 팬의 블레이드는 제1 팬의 블레이드보다 높이가 낮은 것을 특징으로 하는 터보블로어.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 팬의 블레이드는 제1 팬의 블레이드보다 길이가 긴 것을 특징으로 하는 터보블로어.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 팬의 블레이드는 제1 팬의 블레이드보다 높이가 낮고 길이는 긴 것을 특징으로 하는 터보블로어.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 팬의 디스크의 방사상 외측 테두리와 마주하는 부재에는 디스크와의 클리어런스를 조절하기 위한 대응부가 마련된 것을 특징으로 하는 터보블로어.
7. 청구항 1, 청구항 3 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 팬은 디스크의 전면에 마련된 블레이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터보블로어.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 제1 팬의 전면 블레이드는 후면 블레이드보다 높이는 낮고 길이는 긴 것을 특징으로 하는 터보블로어.
9. 삭제
10. 삭제

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