KR101817184B1 - 터보 압축기 - Google Patents

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박기훈
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Abstract

본 발명은 임펠러와, 상기 임펠러의 둘레를 따라 배치되는 적어도 하나의 디퓨져 베인과, 상기 디퓨져 베인을 사이에 두고 상호 결합되며 상기 디퓨져 베인을 양측에서 가압하는 제1 및 제2케이스를 구비하는 크러싱 조립형 터보 압축기에 관련된 것으로서, 상기 디퓨져 베인은, 상기 임펠러로부터 가까이 위치한 근단부와, 상기 임펠러로부터 멀리 위치한 원단부와, 상기 근단부와 상기 원단부 사이에 위치하는 중앙부를 구비하며, 상기 디퓨져 베인의 근단부 또는 원단부 중 적어도 하나는, 상기 중앙부에 비해서 작은 폭을 가지며, 상기 제1 및 제2케이스 중 적어도 하나로부터 이격되게 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

터보 압축기{Turbo-compressor}
본 발명은 터보 압축기에 관련된 것으로, 더욱 구체적으로는 크러싱 조립형 터보 압축기에 관련된 것이다.
유체를 압축기 위한 터보 압축기가 각종의 산업 분야에서 사용되고 있다. 이러한 터보 압축기 중에는 조립시에 강제적으로 밀착시키는 크러싱 조립형 터보 압축기가 있다.
도 1은 크러싱 조립형 터보 압축기의 일부분을 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 2는 도 1의 크러싱 조립형 터보 압축기를 분리한 것을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면 크러싱 조립형 터보 압축기(1)는 임펠러(10), 디퓨져 베인(20), 제1 및 제2케이스(30,40)를 구비한다.
임펠러(10)는 회전축(12)에 고정되어 회전축(12)과 함께 회전하며 유입구(11)로 들어오는 유체를 원심 방향으로 가속시키는 역할을 한다.
디퓨져 베인(20)은 임펠러(10)를 둘레에 배치되며, 원심 방향으로 가속된 유체의 속도를 감소시키면서 유체의 압력을 증가시키는 역할을 한다. 도 3은 디퓨져 베인(20)이 디퓨져 플레이트(22) 상에 배치된 것을 개략적으로 도시한 것으로, 도 3에서와 같이 복수의 디퓨져 베인(20)은 디퓨져 플레이트(22)에 일체로 고정된 형태로 제작될 수 있다.
제1 및 제2케이스(30,40)는 상호 결합되어, 임펠러(10) 및 디퓨져 베인(20)을 수용하기 위한 공간을 형성한다. 제1 및 제2케이스(30,40)는 볼트(35)와 같은 체결 수단에 의해서 상호 결합되며, 그 사이에 디퓨져 베인(20)이 배치된다.
크러싱 조립형 터보 압축기(1)의 경우, 디퓨져 베인(20)의 높이가 제1케이스(30)와 제2케이스(40) 사이의 공간에 비해서 미세하게 높게 형성된다. 따라서 제1 및 제2케이스(30,40)가 상호 결합 시에, 디퓨져 베인(20)은 제1케이스(30) 및 제2케이스(40)에 의해서 강제적으로 가압된 상태를 유지하게 된다.
이와 같이 크러싱 조립형 터보 압축기(1)는 디퓨져 베인(20)이 제1케이스(30) 및 제2케이스(40)에 의해서 압축된 상태를 유지하므로, 디퓨져 베인(20)과 케이스(30,40)와의 밀착성이 매우 우수하다.
이처럼 크러싱 조립형 터보 압축기(1)는 디퓨져 베인(20)과 제1 및 제2케이스(30,40)의 밀착성이 우수하게 유지될 수 있으므로, 디퓨져 베인(20)이 안정적으로 위치 고정될 수 있음은 물론, 디퓨져 베인(20)과 케이스(30,40) 사이로 유체가 누설되는 것이 효과적으로 방지될 수 있다. 따라서 디퓨져 베인(20)과 케이스의 결합면 사이로의 유체의 누설로 인한 유체 압력의 감소가 효과적으로 방지될 수 있다.
한편, 본 발명자는 크러싱 조립형 터보 압축기(1)의 상기와 같은 장점을 가지는 반면, 디퓨져 베인(20)의 내구성이 취약할 수 있다는 것을 발견하였다.
도 4A 및 도 4B는 크러싱 조립형 터보 압축기(1)의 디퓨져 베인(20)을 촬영한 것으로, 도 4A 및 도 4B를 참조하면 디퓨져 베인(20)의 단부에서 손상이 일어났음을 알 수 있다. 이처럼, 디퓨져 베인(20)에서 파손이 일어날 경우, 파손된 파편이 다른 장치로 유입되어 추가적인 고장 또는 파손을 일으키는 등의 심각한 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 크러싱 조립형 터보 압축기의 장점을 그대로 가지면서도, 내구성 측면에서도 매우 우수한 크러싱 조립형 터보 압축기가 제공될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 크러싱 조립형 터보 압축기는, 임펠러와, 상기 임펠러의 둘레를 따라 배치되는 적어도 하나의 디퓨져 베인과, 상기 디퓨져 베인을 사이에 두고 상호 결합되며 상기 디퓨져 베인을 양측에서 가압하는 제1 및 제2케이스를 구비하며, 상기 디퓨져 베인은, 상기 임펠러로부터 가까이 위치한 근단부와, 상기 임펠러로부터 멀리 위치한 원단부와, 상기 근단부와 상기 원단부 사이에 위치하는 중앙부를 구비하며, 상기 디퓨져 베인의 근단부 또는 원단부 중 적어도 하나는, 상기 중앙부에 비해서 작은 폭을 가지며, 상기 제1 및 제2케이스 중 적어도 하나로부터 이격되게 형성된다.
또한, 상기 크러싱 조립형 터보 압축기는, 일면에 상기 디퓨져 베인이 고정되는 디퓨져 플레이트를 더 구비하며, 상기 제1케이스는, 상기 디퓨져 플레이트가 끼워지는 수용홈을 구비할 수 있다.
또한, 상기 디퓨져 베인의 근단부 및 원단부는, 상기 중앙부에 비해서 작은 폭을 가지며, 상기 디퓨져 베인의 원단부는 상기 제2케이스로부터 이격되게 형성될 수 있다.
또한, 상기 디퓨져 베인의 원단부는, 상기 제2케이스로부터 이격되도록 상기 중앙부로부터 단차지게 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1케이스 및 상기 제2케이스는 구상 흑연 주철 또는 스테인리스 강 소재로 이루어지며, 상기 디퓨져 베인은 스테인리스 강 또는 알루미늄 소재로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 다른 크러싱 조립형 터보 압축기에 따르면, 디퓨져 베인을 안정적으로 위치 고정할 수 있고, 디퓨져 베인과 케이스 간의 밀착성이 우수한 크러싱 조립형 터보 압축기의 장점을 그대로 가지면서도, 우수한 내구성을 확보할 수 있다.
도 1은 기존의 크러싱 조립형 터보 압축기의 일부분을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 크러싱 조립형 터보 압축기를 분리한 것을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 크러싱 조립형 터보 압축기의 디퓨져 베인 및 디퓨져 플레이트를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4A 및 도 4B는 크러싱 조립형 터보 압축기의 디퓨져 베인이 손상된 상태를 촬영한 사진이다.
도 5A 및 도 5B는 크러싱 조립형 터보 압축기의 디퓨져 베인에 대한 구조해석 결과를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 크러싱 조립형 터보 압축기의 일부분을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 도 6의 크러싱 조립형 터보 압축기의 디퓨져 베인 및 디퓨져 플레이트를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8A 및 도 8B는 도 1의 크러싱 조립형 터보 압축기의 디퓨져 베인에 대한 구조해석 결과를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9A 내지 도 9D는 도 1의 크러싱 조립형 터보 압축기의 디퓨져 베인 및 디퓨져 플레이트의 변형례를 도시한 도면이다.
본 발명자는 기존의 크러싱 조립형 터보 압축기의 디퓨져 베인에서 손상이 발생하는 원인을 분석하기 위하여 수치해석을 수행하였다.
도 5A 및 도 5B는 기존의 크러싱 조립형 터보 압축기의 디퓨져 베인에 대한 구조해석의 결과로서, 디퓨져 베인에 발생하는 응력을 도시한 것이다. 도 5A 및 도 5B에서 각 부분에 작용하는 응력의 크기를 색깔로 표현되어 있으며, 붉은 색에 가까운 색일수록 큰 응력이 작용하고 있음을 의미한다.
도 5A 및 도 5B를 참조하면, 임펠러(10)로부터 연장되게 형성된 디퓨져 베인(20)에서, 임펠러(10)에 근접한 근단부(20A)에 작용하는 응력에 비해서 임펠러(10)의 반대편에 위치한 원단부(20C), 특히, 원단부(20C)의 상측(20C-1) 및 하측 단부(20C-2)에 작용하는 응력이 월등히 큼을 알 수 있다. 또한, 디퓨져 베인(20)의 원단부(20C)에서 발생하는 응력은 디퓨져 베인(20)의 근단부(20A)와 원단부(20C) 사이에 위치한 중앙부(20B)에 비해서도 월등히 큼을 알 수 있다. 또한, 압축기는 유체 자체의 온도 또는 유체의 압축에 따른 열에 의하여 열 팽창될 수 있으므로, 디퓨져 베인(20)에 작용하는 응력은 압축기의 온도가 증가함에 따라서 더욱 커질 수 있다.
실제로 크러싱 조립형 터보 압축기(1)에 있어서 디퓨져 베인(20)의 파손이 발생하는 부분도 원단부(20C)로서, 해석 결과 응력이 가장 크게 발생하는 부분과 일치함을 알 수 있다. 따라서 크러싱 조립형 터보 압축기(1)에 있어서, 디퓨져 베인(20)의 원단부(20C)에서의 파손은 제1 및 제2케이스(30,40)의 가압력에 의한 과도한 응력에 때문이라고 할 수 있다.
따라서, 크러싱 조립형 터보 압축기(1)에 있어서 디퓨져 베인(20)의 파손을 방지하기 위해서는, 디퓨져 베인(20)의 원단부에서 발생하는 응력을 저감시킬 수 있는 방안이 요구된다.
이하에서는 도면을 참조하여, 디퓨져 베인의 원단부에서 발생하는 응력을 효과적으로 저감시킬 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 크러싱 조립형 터보 압축기에 대해서 설명한다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 크러싱 조립형 터보 압축기의 일부분을 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 7은 도 6의 크러싱 조립형 터보 압축기의 디퓨져 베인 및 디퓨져 플레이트를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 크러싱 조립형 터보 압축기(2)는 임펠러(10), 디퓨져 베인(21), 제1 및 제2케이스(30,40)를 구비한다.
임펠러(10)는 회전축(12)에 고정되어 회전축(12)과 함께 회전하며 유입구(11)로 들어오는 유체를 원심방향으로 가속시키는 역할을 한다.
디퓨져 베인(21)은 임펠러(10)를 둘레에 배치되며, 원심 방향으로 가속된 유체의 속도를 감소시키면서 유체의 압력을 증가시키는 역할을 한다. 도 7에 도시된 바와 같이 복수의 디퓨져 베인(21)은 디퓨져 플레이트(22)에 고정되게 제작될 수 있다. 디퓨져 플레이트(22)는 디퓨져 베인(21)이 형성된 면의 반대면이 제1케이스(30)를 향하도록 배치된다. 이때, 제1케이스(30)에는 디퓨져 플레이트(22)가 임펠러(10)의 회전축(12)에 수직한 방향으로 이동되지 않도록, 디퓨져 플레이트(22)가 끼워지는 수용홈(31)을 구비할 수 있다.
디퓨져 베인(21) 각각은 임펠러(10)로부터 가까이 위치한 근단부(21A), 임펠러(10)로부터 멀리 위치한 원단부(21C), 근단부(21A)와 원단부(21C) 사이에 위치하는 중앙부(21B)를 구비하며, 근단부(21A) 및 원단부(21C)의 폭이 중앙부(21B)에 비해서 얇다. 또한, 디퓨져 베인(21)의 원단부(21C)가 근단부(21A)에 비해서 폭이 더 좁게 형성된다.
도 7을 참조하면, 디퓨져 베인(21)의 원단부(21C)의 상측 단부에는 단차가 형성된다. 따라서 디퓨져 베인(21)의 원단부(21C)의 상측은 디퓨져 베인(21)의 근단부(21A) 및 중앙부(21B)에 비해서 높이가 낮게 형성된다. 도 7에서는 설명 상의 편의를 위하여 디퓨져 베인(21)의 원단부(21C)와 중앙부(21B) 사이의 높이의 차를 과장하여 도시하였으나, 디퓨져 베인(21)의 원단부(21C)와 중앙부(21B) 사이의 높이 차는 수 밀리미터 이하로 매우 작게 형성될 수 있다.
제1 및 제2케이스(30,40)는 디퓨져 베인(21)을 수용하기 위한 공간을 형성하며, 볼트 등의 체결 수단에 의해서 상호 결합된다. 제1 및 제2케이스(30,40)가 결합시에 제1케이스(30)는 디퓨져 플레이트(22)에 밀착되고, 제2케이스(40)는 디퓨져 플레이트(22) 상에 배치된 디퓨져 베인(21)에 밀착된다.
디퓨져 베인(21)의 원단부(21C) 및 중앙부(21B)의 높이는 제1케이스(30)와 제2케이스(40) 사이의 간격에 비해서 미세하게 높게 형성되므로, 제1 및 제2케이스(30,40)가 상호 결합 시에, 디퓨져 베인(21)의 근단부(21A) 및 중앙부(21B)는 제1 및 제2케이스(30,40)에 의해서 피압된다. 이와 같이 제1 및 제2케이스(30,40)가 결합되면 디퓨져 베인(21)의 근단부(21A) 및 중앙부(21B)는 제1 및 제2케이스(30,40)에 의해서 피압된 상태를 유지하게 되므로, 디퓨져 베인(21)과 케이스(30,40)와의 밀착성이 매우 우수하다. 또한, 진동이나 유체의 압력에도 불구하고 디퓨져 베인(21)이 안정적으로 위치 고정이 될 수 있다. 따라서, 디퓨져 베인(21)과 케이스(30,40) 사이로 유체가 누설되어 압력이 감소되는 것이 효과적으로 억제될 수 있다.
한편, 디퓨져 베인(21)의 원단부(21C)는 원단부(21C) 및 중앙부(21B)에 비해서 높이가 낮게 형성되므로 제2케이스(40)로부터 이격될 수 있다.
도 8A 및 도 8B는 본 실시예의 디퓨져 베인(21)에 대한 해석 결과로서, 도 8A 및 도 8B을 참조하면 본 실시예의 디퓨져 베인(21)의 원단부(21C)에서의 응력은 도 5A 및 도 5B의 경우보다 현저하게 감소 되었음을 확인할 수 있다. 이와 같이 본 실시예의 디퓨져 베인(21)의 원단부(21C)는 제2케이스(40)로부터 이격됨으로써 제2케이스(40)의 가압력에 의한 응력을 적게 받게 되므로, 파손될 가능성이 현저히 낮다.
한편, 일반적으로 크러싱 조립형 터보 압축기의 제1케이스(30) 및 제2케이스(40)는 구상 흑연 주철, 예컨대 KS 규격의 GCD 400 소재로 제조되고, 디퓨져 베인(21)은 알루미늄 합금으로 제작되는데, 알루미늄 합금의 열 팽창률이 GCD 400에 비해서 2배 이상으로 크다. 따라서 크러싱 조립형 터보 압축기의 온도의 상승에 따라서 디퓨져 베인(21)의 원단부(21C)에 작용하는 응력이 더욱 커져, 디퓨져 베인(21)의 파손의 위험성은 더욱 커진다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방편으로서 열팽창 계수가 낮은 스테인리스 강, 예컨대 SUS304 또는 SUS630를 사용하는 방법을 생각해볼 수도 있겠으나, 이러한 소재는 가격이 높다는 문제가 있다. 이에 반해 본 실시예의 디퓨져 베인(21)은 소재의 변경을 반드시 수반하지 않고도 효과적으로 파손이 방지될 수 있으므로, 디퓨져 베인(21)의 소재의 변경에 따른 비용 상승의 문제를 해결할 수도 있다. 물론, 본 실시예의 디퓨져 베인(21)을 스테인리스 강의 소재로 제작하는 경우에는, 제작 비용이 상승할 수는 있겠으나 열 팽창에 의한 응력의 증가는 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 형태로 구체화될 수 있다.
예컨대 도 9A에 도시된 바와 같이, 디퓨져 베인(211)의 원단부의 형상은 직선적으로 경사지게 형성될 수도 있다. 또한 도 9B에 도시된 바와 같이, 디퓨져 베인(212)은 원단부 및 근단부 모두가 중앙부보다 낮게 형성되어 케이스와 이격될 수도 있다. 또한, 디퓨져 베인의 형상에 따라서, 원단부가 아니라 근단부가 케이스와 이격되도록 중앙부보다 낮은 높이로 형성될 수도 있다.
또한, 도 9C에 도시된 바와 같이, 디퓨져 베인(213)은 디퓨져 플레이트(22)의 홈(222)에 끼워지는 것일 수도 있다. 이 경우에 디퓨져 베인(213)은 디퓨져 플레이트(22)의 반대편에 단차가 형성되어 크러싱 조립시에 케이스와 이격될 수 있다.
또한, 도 9D에 도시된 바와 같이 디퓨져 베인(214)의 중앙부에는 돌기(215)가 형성되고, 디퓨져 플레이트(22)에는 디퓨져 베인(214)의 돌기(215)가 끼워지는 홈(222)이 형성될 수도 있다. 이때, 디퓨져 베인(214)의 돌기(215)의 양측의 돌출량(d1,d3)은 디퓨져 플레이트(22)의 홈(222)의 깊이(d2)보다 더 클 수 있다. 이와 같이, 디퓨져 베인(214)의 돌기(215)의 돌출량(d1,d2)이 디퓨져 플레이트(22)의 홈(222)의 깊이보다 클 경우, 디퓨져 베인(214)의 원단부 및 근단부는 디퓨져 플레이트(22)와 밀착되지 않으므로 압축력을 받지 않게 된다. 따라서 이 경우에도 디퓨져 베인(214)의 원단부 및 근단부는 파손될 가능성이 감소된다. 도 9D에서는 디퓨져 베인(214)의 근단부 및 원단부가 디퓨져 플레이트(22)와 이격되는 것으로 설명하였으나, 디퓨져 베인의 근단부 또는 원단부 중 어느 하나가 디퓨져 플레이트(22)부터 이격되는 것일 수도 있다.
또한, 상술한 실시예에서 디퓨져 플레이트(22)는 제1케이스(30)에 밀착되고 디퓨져 베인(21)이 제2케이스(40)에 밀착되는 것으로 설명하였으나, 디퓨져 플레이트(22)는 제2케이스(40)에 밀착되고 디퓨져 베인(21)이 제1케이스(30)에 밀착되는 것이라도 무방하다.
이외에도 본 발명은 다양한 형태로 구체화될 수 있음은 물론이다.
1, 2 ... 크러싱 조립형 터보 압축기
10 ... 임펠러
20 ... 디퓨져 베인
30 ... 제1케이스
40 ... 제2케이스

Claims (5)

  1. 임펠러와,
    상기 임펠러의 둘레를 따라 배치되는 적어도 하나의 디퓨져 베인과,
    상기 디퓨져 베인을 사이에 두고 상호 결합되며, 상기 디퓨져 베인을 양측에서 가압하는 제1 및 제2케이스와,
    일면에 상기 디퓨져 베인이 고정되며, 타면은 상기 제1 및 제2케이스 중 어느 하나에 밀착되어 배치되는 디퓨져 플레이트를 포함하고,
    상기 디퓨져 베인은,
    상기 임펠러로부터 가까이 위치한 근단부와,
    상기 임펠러로부터 멀리 위치한 원단부와,
    상기 근단부와 상기 원단부 사이에 위치하며 돌기가 형성된 중앙부를 구비하며,
    상기 디퓨져 플레이트에는 상기 돌기가 끼워지는 홈이 형성되며, 상기 돌기의 돌출량은 상기 홈의 깊이보다 더 크도록 형성되어, 상기 근단부와 상기 원단부중 적어도 어느 하나가 상기 디퓨져 플레이트로부터 이격되도록 배치되며,
    상기 원단부는, 상기 제1케이스 및 상기 제2케이스 중 적어도 하나로부터 이격되도록 배치되는 크러싱 조립형 터보 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1케이스는,
    상기 디퓨져 플레이트가 끼워지는 수용홈을 구비하는 크러싱 조립형 터보 압축기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 디퓨져 베인의 근단부 및 원단부는,
    상기 중앙부에 비해서 작은 폭을 가지는 크러싱 조립형 터보 압축기.
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