KR101850783B1 - 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치 - Google Patents

공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치 Download PDF

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Abstract

공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치에 관한 것으로,
임펠러 쪽으로 흡입되는 외부 공기를 가이드하는 믹싱덕트; 믹싱덕트의 외부 둘레에 설치되고, 임펠러의 팁 부위로 외부 공기를 흡인하는 2차 흡인 유로를 형성하는 제2덕트; 제2덕트의 외부 둘레에 설치되고, 2차 흡인 유로에 고속 기체를 분사하는 1차 분사구멍을 형성하는 제1덕트;를 포함하는 기술구성을 통하여,
흡입유로 벽면의 저운동량 유동을 활성화시켜 공기압축기의 압축효율을 향상시키고, 공기압축기의 운전 안정성을 확보하고, 서지 여유를 개선할 수 있게 되는 것이다.

Description

공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치 { TIP INJECTION DEVICE FOR THE IMPROVEMENT OF PERFORMANCE AND OPERATION STABILITY OF AIR-COMPRESSOR }
본 발명은 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치에 관한 것으로, 더 자세하게는 공기압축기의 흡입 유로에 반경 방향으로 분사구멍을 마련하고 이 분사구멍으로 고압의 기체를 분사하여 흡입유로의 벽면 부근에서 발생하는 저운동량 유동을 활성화시켜 압축효율을 증가시키고, 넓은 범위의 회전속도에 대해서도 운전 안정성으로 확보할 수 있도록 하는 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치에 관한 것이다.
특허문헌 1에는 모터로 임펠러를 구동시켜 공기를 압축하는 원심형 공기압축기가 개시되어 있다.
일반적으로 공기압축기는 그 형태가 축류식이든 원심식이든 관계없이 대기의 공기를 흡입하여 임펠러(Impeller) 운동으로 기체를 압축하는 장치이다.
이러한 공기압축기는 최근 들어 운전 효율의 관점으로부터 대용량의 추세로 발전하고 있어, 임펠러의 고속회전에 수반하여 발생하는 압축기 운전의 안정성(Stability) 문제와 서지 여유(Surge margin) 문제는 필연적으로 해결되어야 한다.
도 1은 공기압축기의 임펠러 공기 유입부위의 개략도이다.
공기압축기로 유입되는 유동은 도 1에 도시한 바와 같이 유로 벽면부근에서 발생하는 경계층 유동의 영향으로 저운동량(low-momentum flow)의 유동이 압축기 임펠러로 유입된다.
이러한 저속 유동에서 발생하는 기체의 점성효과로 인하여 압축효율이 저하될 뿐 아니라 벽면에서 떨어진 위치에서 발생하는 유속과 벽면 부분의 유속차로 인하여 강한 와류 유동이 임펠러 끝단(tip) 부분을 통과하게 되어 임펠러의 진동을 발생시키고, 경우에 따라서는 공기압축기 운전의 안정성에 심각한 문제를 초래하게 된다.
도 2는 임펠러 팁 부근에 대한 공기 분사 개념도이다.
도 2에 도시한 바와 같이 임폘러(100) 전방 부근에 반경 방향으로 다수의 1차 분사구멍(101)을 마련하고 각 1차 분사구멍(101)으로 고속의 기체를 분사하면 벽면 부근에서 발생하는 저속 유동을 활성화시킬 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2016-0032441호(2016년 03월 24일 공개)
그러나 도 2와 같이 1차 분사구멍(101)을 통해 분사되는 고속의 기체가 임펠러(100)의 팁 부근에 직접 작용하는 직접 분사 방식은 종래 몇몇 연구자들을 통해 제안되었던 것으로, 임펠러(100)의 회전속도에 따라 분사량을 조절하는 것이 어렵고, 또한 각 1차 분사구멍(101)을 통해 분사하여야 하는 유량이 많아 효율 개선 효과와 분사에 필요한 에너지를 동시에 검토하여 도입여부를 검토하여야 한다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적이 흡입유로에 반경 방향으로 다수의 분사구멍을 마련하여 고압의 기체를 분사함으로써 흡입유로의 벽면 부근에서 발생하는 저운동량 유동을 활성화시켜 압축효율을 향상시키고 운전 안정성을 확보할 수 있도록 하는 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치를 제공하는 데에 있는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치는 임펠러 쪽으로 흡입되는 외부 공기를 가이드하는 믹싱덕트; 믹싱덕트의 외부 둘레에 설치되고, 임펠러의 팁 부위로 외부 공기를 흡인하는 2차 흡인 유로를 형성하는 제2덕트; 제2덕트의 외부 둘레에 설치되고, 2차 흡인 유로에 고속 기체를 분사하는 1차 분사구멍을 형성하는 제1덕트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치는 2차 흡인 유로와 1차 분사구멍이 반경 방향으로 다수개가 방사상으로 마련되고, 각 1차 분사구멍이 그 하부의 2차 흡인 유로와 1:1로 대응되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치는 2차 흡인 유로의 하벽을 구성하는 믹싱덕트가 전후방향으로 이동 가능하게 설치되어 믹싱덕트의 후단에 형성되는 분사노즐의 크기가 가감 제어되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치는 믹싱덕트의 외주에 다수의 흡인 가이드가 방사상으로 마련되어 믹싱덕트의 외주면과 제2덕트의 내주면 사이에 방사상으로 다수의 2차 흡인 유로가 마련되고, 제2덕트의 외주에 다수의 분사 가이드가 방사상으로 마련되어 제2덕트의 외주면과 제1덕트의 내주면 사이에 방사상으로 다수의 1차 분사구멍이 마련된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치는 2차 흡인 유로가 후단부로 갈수록 상하높이가 낮아지면서 좌우폭이 넓어지는 형태인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치는 1차 분사구멍의 선단 부분이 원형 단면 형태이고, 1차 분사구멍의 후단에 마련되는 이젝터 노즐이 장방형 단면 형태인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치는 1차 분사구멍이 원통 주입부, 제1확장부와 제2확장부가 순차적으로 마련된 형태이고, 제1확장부와 제2확장부가 상하높이가 점차 낮아지면서 좌우폭이 점차 커지는 형태인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치에 의하면, 1차 분사구멍을 통해 고속의 기체를 분사시켜 이젝터 효과의 작용을 발생시킴으로써, 임펠러 팁 영역으로 많은 양의 2차 유동을 흡인할 수 있게 되므로 흡입유로의 벽면 부근에서 발생하는 저운동량 유동을 활성화시켜 압축효율을 향상시킬 수 있게 됨은 물론 공기압축기의 성능을 개선할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치에 의하면, 2차 흡인 유로의 분사량을 조절하는 능동제어를 통해 다양한 운전속도에 대하여 운전 안정성을 확보할 수 있게 되고, 서지 여유를 크게 개선할 수 있게 된다.
도 1은 공기압축기의 임펠러 공기 유입부위의 개략도,
도 2는 임펠러 팁 영역에 대한 공기 분사 개념도,
도 3은 임펠러 팁 영역에 이젝터 효과를 이용하여 공기를 분사하는 이젝터 공기 분사의 개념도,
도 4는 본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치의 임폘러 팁 지역에 대한 이젝터 분사 개념도,
도 5는 본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치의 일부 절제 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치의 요부 분해 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치의 1차 분사구멍의 단면도 및 평면도,
도 8은 본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치의 요부 사시도,
도 9는 본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치의 서지 여유 그래프.
이하 본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.
도 3은 임펠러 팁 지역에 이젝터 효과를 이용하여 공기를 분사하는 이젝터 공기 분사의 개념도이다.
본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치는 이젝터 효과를 이용한 공기 분사 방식을 사용한다.
도 3과 같이 반경 방향으로 마련한 다수의 1차 분사구멍(101)의 하부에 환형의 2차 유동의 2차 흡인 유로(102)를 마련하게 되면, 도 2의 종래의 직접 분사 방식에 비하여 상대적으로 적은 분사유량으로도 2차 유동을 흡인할 수 있게 되고, 많은 유량을 분사할 수 있게 된다.
더욱이 2차 흡인 유로의 하벽을 상류와 하류로 이동할 수 있도록 하여 분사량을 공기압축기의 임펠러 회전속도에 맞추어 조절할 수 있도록 하면 공기압축기의 운전효율을 대폭적으로 향상시킬 수 있고, 공기압축기 운전의 서지여유를 개선할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치의 임폘러 팁 지역에 대한 이젝터 분사 개념도이다.
도 4와 같이 믹싱덕트(110)의 외부 둘레에 2차 흡인 유로(112)가 마련되고, 2차 흡인 유로(102)에 1차 분사구멍(101)이 연결된 구조에서 1차 분사구멍(101)으로부터 2차 흡인 유로(102)에 고속의 기체가 분사되면 2차 흡인 유로(102)에 2차 환형 유동(annula flow)이 발생하게 되고, 이 2차 흡인 유동은 임펠러(100)의 팁 영역으로 흡인된다.
이때 2차 흡인 유로(102)의 하벽을 구성하는 믹싱덕트(110)를 도 4와 같이 전후방향으로 이동시키면 믹싱덕트(110)의 후단에 마련되는 분사노즐(103)의 크기를 증가/감소할 수 있게 되어 임펠러 팁 부위로 분사되는 2차 흡인 유동량을 제어할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치의 일부 절제 사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치의 요부 분해 사시도이고, 도 7은 본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치의 1차 분사구멍의 단면도 및 평면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치의 요부 사시도이다.
본 발명의 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치는 믹싱덕트(110), 제2덕트(120), 제1덕트(130)를 포함한다.
믹싱덕트(110)는 임펠러(100)로 공기를 유도하기 위한 것으로, 임펠러(100)의 전방에 전후방향으로 이동 가능하게 설치된다.
믹싱덕트(110)의 외주에는 다수의 흡인 가이드(111)가 방사상으로 마련된다.
제2덕트(120)는 2차 유동을 흡인하는 2차 흡인 유로(102)를 형성할 수 있도록 하는 것으로, 믹싱덕트(110)의 외부 둘레에 설치된다.
제2덕트(120)는 후단 직경이 선단 직경보다 작은 테이퍼관 형태이다.
믹싱덕트(110)의 외주면과 제2덕트(120)의 내주면 사이에는 방사상으로 다수의 2차 흡인 유로(102)가 마련된다.
믹싱덕트(110)의 후단과 제2덕트(120)의 2차 흡인 유로(102)의 후단 사이에는 2차 흡인 유동이 분사되는 분사노즐(103)이 마련된다.
2차 흡인 유로(102)는 후단부로 갈수록 상하높이가 낮아지면서 좌우폭이 넓어지는 형태를 가진다.
제2덕트(120)의 외주에는 다수의 분사 가이드(121)가 방사상으로 마련된다.
제1덕트(130)는 고속의 공기를 분사하는 1차 분사구멍(101)을 형성할 수 있도록 하는 것으로, 제2덕트(120)의 외부 둘레에 설치된다.
제1덕트(130)는 후단 직경이 선단 직경보다 작은 테이퍼관 형태이다.
제2덕트(120)의 외주면과 제1덕트(130)의 내주면 사이에는 방사상으로 다수의 1차 분사구멍(101)이 마련된다.
1차 분사구멍(101)의 개수는 2차 흡인 유로(102)의 개수와 동일하고, 1차 분사구멍(101)과 2차 흡인 유로(102)는 1:1로 대응된다.
즉, 각 1차 분사구멍(101)은 그에 대응되는 2차 흡인 유로(102)에 고속의 기체를 분사한다.
1차 분사구멍(101)은 주입부분이 원형 단면 형태이고, 제2확장부(133)의 후단에 마련되는 이젝터 노즐(104)이 장방형 단면 형태이다.
1차 분사구멍(101)은 원통 주입부(131), 제1확장부(132)와 제2확장부(133)가 순차적으로 마련된 형태를 가지며, 제1확장부(132)와 제2확장부(133)는 상하높이가 점차 낮아지면서 좌우폭이 점차 커지는 형태를 가진다.
제2확장부(133)의 후단에 마련되어 고속의 기체를 분사하는 이젝터 노즐(104)는 상하높이가 최소이고, 좌우폭이 최대인 장방형의 단면 형태를 가진다.
본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치에 있어서 제1덕트(130)와 제2덕트(120) 사이에 반경 방향으로 마련된 다수의 1차 분사구멍(101)을 통해 고속의 기체가 2차 흡인 유로(102)로 분사되면 2차 흡인 유로(102)의 공기가 이젝터 효과를 통해 임펠러(100)의 팁 영역으로 흡인되며, 이때 2차 흡인 유로(102)를 통해 흡인되는 공기량은 1차 분사구멍(101)의 분사량보다 많게 된다.
또한, 본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치에 있어서 2차 흡인 유로(102)의 하벽을 구성하는 믹싱덕트(110)를 전후방향으로 이동시키게 되면 믹싱덕트(110)의 후단에 마련되는 분사노즐(103)의 크기를 가감하여 2차 흡인 공기의 분사량을 제어할 수 있게 된다.
상기 2차 흡인 유로(102)는 후단부로 갈수록 상하높이가 낮아지면서 좌우폭이 넓어지는 형태를 가지는 2차 흡인 유로(102)와 1차 분사구멍(101)의 주입부분이 원형 단면 형태이고, 제2확장부(133)의 후단에 마련되는 이젝터 노즐(104)이 장방형 단면 형태가 1:1로 대응되는 형태를 갖는다.
이와 같이 2차 흡인 유로(102)와 1차 분사구멍(101)의 형상이 후단부로 갈수록 상하높이가 낮아지면서 좌우폭이 넓어지는 형태를 가지기 때문에 임펠러(100)로 흡인되는 공기가 믹싱덕트(110)의 내측 끝단에서 원형덕트 전둘레에 걸쳐 넓게 퍼지면서 임펠러 팁 영역으로 공급될 수 있게 된다.
도 9는 본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치의 서지 여유 그래프이다.
본 발명에 따른 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치는 임펠러의 팁 지역에 이젝터 효과를 통한 2차 흡인 공기를 분사함으로써 흡입유로의 벽면에서 발생하는 저운동량 유동을 활성화시킴으로써 압축효율을 개선할 수 있게 되고, 넓은 회전속도에 대해서도 운전의 안정성을 확보할 수 있게 된다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
100 : 임펠러
101 : 1차 분사구멍
102 : 2차 흡인 유로
103 : 분사노즐
104 : 이젝터노즐
110 : 믹싱덕트
120 : 제2덕트
130 : 제1덕트

Claims (7)

  1. 임펠러(200) 쪽으로 흡입되는 외부 공기를 가이드하는 믹싱덕트(110);
    믹싱덕트(110)의 외부 둘레에 설치되고, 임펠러(200)의 팁 부위로 외부 공기를 흡인하는 2차 흡인 유로(102)를 형성하는 제2덕트(120);
    제2덕트(120)의 외부 둘레에 설치되고, 2차 흡인 유로(102)에 고속 기체를 분사하는 1차 분사구멍(101)을 형성하는 제1덕트(130);를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치.
  2. 제1항에 있어서,
    2차 흡인 유로(102)와 1차 분사구멍(101)은 반경 방향으로 다수개가 방사상으로 마련되고, 각 1차 분사구멍(101)은 그 하부의 2차 흡인 유로(102)와 1:1로 대응되는 것을 특징으로 하는 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    2차 흡인 유로(102)의 하벽을 구성하는 믹싱덕트(110)가 전후방향으로 이동 가능하게 설치되어 믹싱덕트(110)의 후단에 형성되는 분사노즐(103)의 크기가 가감 제어되는 것을 특징으로 하는 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    믹싱덕트(110)의 외주에 다수의 흡인 가이드(111)가 방사상으로 마련되어 믹싱덕트(110)의 외주면과 제2덕트(120)의 내주면 사이에 방사상으로 다수의 2차 흡인 유로(102)가 마련되고,
    제2덕트(120)의 외주에 다수의 분사 가이드(121)가 방사상으로 마련되어 제2덕트(120)의 외주면과 제1덕트(130)의 내주면 사이에 방사상으로 다수의 1차 분사구멍(101)이 마련된 것을 특징으로 하는 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치.
  5. 제4항에 있어서,
    2차 흡인 유로(102)는 후단부로 갈수록 상하높이가 낮아지면서 좌우폭이 넓어지는 형태인 것을 특징으로 하는 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치.
  6. 제4항에 있어서,
    1차 분사구멍(101)은 선단 부분이 원형 단면 형태이고, 후단에 마련되는 이젝터 노즐(104)이 장방형 단면 형태인 것을 특징으로 하는 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치.
  7. 제6항에 있어서,
    1차 분사구멍(101)은 원통 주입부(131), 제1확장부(132)와 제2확장부(133)가 순차적으로 마련된 형태이고,
    제1확장부(132)와 제2확장부(133)는 상하높이가 점차 낮아지면서 좌우폭이 점차 커지는 형태인 것을 특징으로 하는 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치.
KR1020170054141A 2017-04-27 2017-04-27 공기압축기의 성능향상과 운전 안정성 개선을 위한 팁 분사장치 KR101850783B1 (ko)

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