KR101883480B1

KR101883480B1 - 원심 압축기

Info

Publication number: KR101883480B1
Application number: KR1020130140890A
Authority: KR
Inventors: 신봉근; 이승훈
Original assignee: 한화파워시스템 주식회사
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2018-07-31
Also published as: KR20150057482A

Abstract

본 발명은 원심 압축기를 개시한다. 본 발명은, 임펠러와 상기 임펠러가 회전 가능하도록 설치되는 백 플레이트와, 상기 백 플레이트 상에 설치되는 디퓨져 베인을 구비하는 디퓨져 및 상기 임펠러와 상기 디퓨져를 내부에 배치되도록 설치되는 케이스를 포함하고, 상기 임펠러의 회전중심은 상기 백플레이트의 중심으로부터 편심되도록 상기 임펠러가 상기 백플레이트에 설치된다.

Description

원심 압축기 {Centrifugal compressor}

본 발명은 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 원심 압축기에 관한 것이다.

원심 압축기는 임펠러의 회전에 따라서 기체 상태의 유체를 원심 가속하여 압축하는 장치로서 산업 전반에 걸쳐서 널리 사용되는 장치이다.

도 1은 원심 압축기의 개략적인 단면도로, 도 1을 참조하면 원심 압축기(1)는 임펠러(10), 디퓨져(20) 및 케이스(30)를 구비한다.

임펠러(10)는 케이스(30) 내부에 회전 가능하게 배치되며, 회전하면서 케이스(30)로 유입되는 유체를 원심 가속하여 디퓨져(20)로 이송시킨다.

케이스(30)는 임펠러(10)를 수용하는 내부 공간을 구비하며, 쉬라우드(31)및 스크롤(32)을 구비한다.

쉬라우드(31)에는 유체의 유입부(33)가 형성되며, 임펠러(10)의 포일의 형상에 대응되도록 곡면의 형상으로 이루어진다.

백 플레이트(22)는 쉬라우드(31)와 함께 디퓨져 베인(21)을 사이에 두도록 배치되며, 백 플레이트(22)의 중공부(23)에 임펠러(10)을 회전할 수 있도록 설치한다. 임펠러(10)의 회전축(11)은 기어 박스(미도시)와 결합하여 동력을 전달 받는다. 백 플레이트(22)에는 임펠러(10)에 의해 원심 가속된 유체의 유속을 감소시켜 유체의 운동 에너지를 정압 에너지로 전환시키는 복수의 디퓨져 베인(21)이 배치된다.

디퓨져(20)는 백 플레이트(back plate, 22)와, 백 플레이트(22) 상에 형성되는 복수의 디퓨져 베인(21)을 구비한다.

디퓨져 베인(21)은 백 플레이트(back plate, 22)와 일체로 형성되거나 용접에 의해서 백 플레이트(back plate, 22) 상에 고정 결합된다. 디퓨져 베인(21)은 임펠러(10)의 둘레를 따라서 등간격으로 이격되게 배치되어 임펠러(10)에 의해 원심 가속된 유체의 유속을 감소시키면서 유체의 압력을 증가시킨다.

스크롤(32)은 쉬라우드(31)의 외측 둘레를 따라 형성되며, 디퓨져(20)를 통해 빠져나온 유체를 유출부(34)를 통과하여 유출시킨다. 디퓨져(20)의 를 통해 나온 유체는 스크롤(32)에서 운동 에너지를 압력 에너지로 변환하는 과정을 끝낸다.

상기와 같이 일반적인 원심 압축기는 한국공개특허 제1999-00056325호(발명의 명칭 : 원심 압축기)에 구체적으로 개시되어 있다

한국공개특허공보 제1999-00056325호

본 발명의 실시예들은 유체의 속도 차이에 의한 박리현상과 유동손실을 줄여서 원심압축기의 효율을 증대하고, 스크롤의 크기를 줄여서 효율적인 배치공간을 확보할 수 있는 원심 압축기를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면은, 임펠러와 상기 임펠러가 회전 가능하도록 설치되는 백 플레이트와, 상기 백 플레이트 상에 설치되는 디퓨져 베인을 구비하는 디퓨져 및 상기 임펠러와 상기 디퓨져를 내부에 배치되도록 설치되는 케이스를 포함하고, 상기 임펠러의 회전중심은 상기 백 플레이트의 중심으로부터 편심되도록 상기 임펠러가 상기 백 플레이트에 설치되는, 원심 압축기를 제공한다.

또한, 상기 케이스는, 상기 임펠러와 상기 디퓨져 베인의 상측을 덮도록 배치되는 쉬라우드 및 상기 디퓨져 베인을 통과하는 유체를 모아서 출구부로 배출하는 스크롤을 포함할 수 있다.

또한, 상기 임펠러의 회전중심은 상기 백 플레이트 중심으로부터 상기 유출부 쪽으로 편심되도록 설치될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 임펠러의 회전 중심을 백 플레이트의 중심으로부터 편심되게 설치하여，유체의 유동손실 및 유체의 속도차이에 의한 박리현상을 줄여서 원심 압축기의 효율을 증대할 수 있다. 또한 스크롤의 크기를 줄일 수 있어 압축기의 효율적인 배치공간을 확보할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.　

도 1은 종래의 원심 압축기의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 다른 원심압축기의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 취한 단면도 이다.
도 4는 도 2의 Ⅵ-Ⅵ선을 따라 취한 단면도이다.

본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기(1000)를 보여주는 단면도이다.

도 2를 참고하면, 원심 압축기(1000)는 임펠러(100), 디퓨져(200) 및 케이스(300)를 포함할 수 있다. 케이스(300)는 쉬라우드(310)와 스크롤(320)을 구비할 수 있다.

임펠러(100)는 케이스(300)의 내부에 회전 가능하게 배치되며, 케이스(300)로 유입되는 유체를 원심 가속하여 디퓨져 베인(210)으로 이송시킨다.

임펠러(100)의 구성은 일반적인 원심 압축기에서 사용 되는 주지/ 관용의 임펠러(100) 기술이 사용될 수 있으므로, 그 상세한 구조 및 배치에 대한 설명은 여기서 생략한다.

디퓨져(200)는 유체가 이동하는 통로역할을 하는 디퓨져 베인(210)과 디퓨져 베인(210)이 설치되는 백 플레이트(Back Plate, 220)로 구비 될 수 있다.

디퓨져 베인(210)은 임펠러(100)에서 유입되는 유량 및 속력에 따라 복수개로 구비될 수 있다. 디퓨져 베인(210)은 백 플레이트(220)와 쉬라우드(310) 사이에 배치되고, 임펠러(100)의 외주면을 따라 배치된다. 디퓨져 베인(210)은 디퓨져(200)에서 유출되는 유체가 설정 압력을 형성하기 위해서 일정 각도를 형성할 수 있다.

또한, 디퓨져 베인(210)은 디퓨져(200)로부터 유출되는 유체의 압력을 변경하기 위해서, 디퓨져 베인(210)이 백 플레이트(220)와 결합하는 위치 또는 각도를 변경할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 디퓨져 베인(210)이 백 플레이트(220)에서 고정되어 결합되는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.

백 플레이트(220)는 원형의 플레이트 형상을 지닐 수 있다. 또한 백 플레이트(220)의 형상은 이에 한정되지 아니하며, 타원형의 플레이트로 형성될 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 백 플레이트(220)가 원형의 플레이트 형상으로 형성되는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.

백 플레이트(220)의 어느 일면에는 디퓨져 베인(210)이 설치될 수 있다. 백 플레이트(220)의 어느 일면에 설치된 디퓨져 베인(210)사이로 압축된 유체가 통과하는 유로가 형성될 수 있다.

디퓨져 베인(210)은 백 플레이트(220)와 일체로 형성되어 제작될 수 있다. 또한, 백 플레이트(220)와 디퓨져 베인(210)이 각각 제작된 후, 결합하여 디퓨져(200)를 형성할 수 있다. 이때, 백 플레이트(220)와 디퓨져 베인(210)은 용접 또는 열박음 공정을 통해서 디퓨져(200)를 형성할 수 있다.

백 플레이트(220)는 중공부(230)가 형성 될 수 있다. 상세하게 백 플레이트(220)에 중공부(230)가 형성되어 임펠러(100)가 삽입하여 결합할 수 있다. 임펠러(100)와 백 플레이트(220)는 베어링(120)과 같이 회전할 수 있는 부재와 결합할 수 있다. 임펠러(100)의 회전축(110)이 회전 할 수 있어서 유체에 임펠러(100)의 회전 운동에너지를 전달 할 수 있다.

백 플레이트(220) 상에 형성된 중공부(230)는 편심되어 형성될 수 있다. 중공부(230) 중심의 위치는 원형의 백 플레이트(220) 중심의 위치와 다르게 형성될 수 있다. 즉, 중공부(230) 중심(B)과 백 플레이트(220) 중심(A) 사이의 거리(d)가 형성될 수 있다.(도 4참조) 또한, 중공부(230)의 중심은 스크롤(320)의 유출부(340)를 쪽으로 배치될 수 있다.(도 4참조)

케이스(300)는 임펠러(100)를 수용하는 내부 공간을 구비하며, 쉬라우드(310) 및 스크롤(320)을 구비한다.

쉬라우드(310)는 디퓨져 베인(210)의 상부에 배치되며, 임펠러(100)를 포함하도록 형성된다. 쉬라우드(310)는 임펠러(100)의 블레이드(130)에 대응되는 형상, 즉 곡면의 형상으로 이루어 진다.

쉬라우드(310)는 유체가 원심 압축기(1000) 내부로 유입되는 유입부(330)를 형성한다. 또한 쉬라우드(310)는 디퓨져 베인(210) 사이의 공간으로 유체가 통과할 수 있는 유로를 형성한다.

스크롤(320)은 쉬라우드(310)와 백 플레이트(220)의 외측 둘레를 따라서 형성되며, 디퓨져 베인(210)을 통과한 유체는 유출부(340)에서 외부로 유출된다.(도 4참조)

도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 취한 단면도 이다. 도 4는 도 2의 Ⅵ-Ⅵ선을 따라 취한 단면도이다.

도 3과 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기(1000)의 작동원리 및 백 플레이트(220)의 중심으로부터 편심되어 배치된 임펠러(100)에 의한 효과는 아래와 같이 설명 할 수 있다.

쉬라우드(310)의 유입부(330)를 통해서 유체가 유입되면, 상기 유체는 임펠러(100)의 블레이드(130)를 통과한다. 임펠러(100)의 회전에 의해 회전 운동 에너지가 상기 유체에 전달되고, 유체는 임펠러(100)에 의해 가속되어 유속이 증가된다.

상기 유체가 임펠러(100)의 블레이드(130)를 통과한 후, 디퓨져 베인(210)에 의해 형성된 유로를 통과한다. 이때 디퓨져(200)는 임펠러(100)에 의해 원심 가속된 상기 유체의 유속을 감소시켜 유체의 운동 에너지를 정압 에너지로 전환시킨다.

상기 유체가 디퓨져(200)를 통과한 후, 상기 유체는 스크롤(320)의 내부에 합류하여 스크롤(320)의 유출부(340)를 통해서 외부로 토출된다.

도 1 및 도 3과 같이, 백 플레이트(22)의 중심과 임펠러(10)의 회전중심이 일치하는 경우에는, 임펠러(10)의 블레이드(12)를 통과하는 유체의 속력 및 유량이 동일하다. 또한, 임펠러(10)의 블레이드(12)에서 스크롤(32)까지의 거리가 일정하므로, 스크롤(32)으로 합류하는 유체의 속력, 유량 및 압력이 동일하다.

또한 유체가 디퓨져(20)를 통과하여 스크롤(32)로 합류하므로, 유체가 스크롤(32)의 유출부(34)로 갈수록 유량은 점진적으로 증가한다. 따라서 스크롤(32)의 내경은 유출부(34)로 갈수록 증가한다.

유체는 디퓨져 베인(21)을 통과한 후 스크롤(32)에 유입될 때, 디퓨져 베인(21)을 통과한 후 스크롤(32)로 유입되는 유체는 디퓨져 베인(21)의 마찰로 인해 속도 및 압력이 변화한다. 디퓨져 베인(21)을 통과한 후 스크롤(32)로 유입되는 유체의 속도차이에 의해서, 디퓨져 베인(21)을 통과한 후 스크롤(32)로 유입되는 유체의 확산차이 및 박리현상이 발생한다. 디퓨져 베인(21)을 통과한 후 스크롤(32)로 유입되는 유체의 확산차이 및 유체의 박리현상이 발생하면 유체는 에너지를 잃으므로 손실이 발생한다.

스크롤(32)의 내부를 통과하는 유체는 스크롤(32)의 마찰로 인하여 속도와 압력이 변화한다. 스크롤(32)의 내부를 통과하는 유체의 속도차이에 의해서, 스크롤(32)의 내부를 통과하는 유체의 확산차이 및 박리현상이 발생한다. 스크롤(32)의 내부를 통과하는 유체의 확산차이 및 유체의 박리현상이 발생하면 유체는 에너지를 잃으므로 손실이 발생한다.

상세하게 종래의 원심 압축기(1)과 본 발명의 원심 압축기(1000)을 비교하여 원심 압축기(1, 1000)를 통과하는 유체의 속도차에 의한 원심 압축기(1, 1000)를 통과하는 유체의 박리현상 발생을 설명할 수 있다. S1, S2, S3 및 S4는 각 지점에서의 스크롤(32, 320)의 단면의 중심을 의미한다

도 3의 S1 지점과 S2 지점에서의 유체의 속도와 압력을 검토하면, S1 지점과 S2 지점은 임펠러(10)의 회전중심으로부터 동일한 거리에 위치하므로, 임펠러(10)에서 스크롤(32)로 유입되는 유체의 속력과 압력은 동일하다. S1 지점에서의 유체는 스크롤(32)을 지나감에 따라 마찰에 의해서 속력 감소가 발생한다. 따라서, 디퓨져(20)에서 S2 지점으로 유입되는 유체의 속도는, S1 지점에서 S2 지점으로 유입되는 유체의 속도보다 크다. 이와 같이 S2 지점으로 유입되는 유체들은 속도의 차이가 있으므로, S2 지점에서의 유체는 박리현상이 발생하게 되고, S2 지점에서의 유체의 박리현상에 의해서 유량 손실이 발생한다.

도 4와 같이 백 플레이트의 중심(A)와 임펠러(100)의 중심(B)이 일치하지 않는 경우에는, 임펠러(100)의 블레이드(130)를 통과하여 디퓨져(200)로 유입되는 유체의 속력은 동일하다. 다만, S3 지점과 S4 지점은 임펠러(100)의 블레이드(130)에서 스크롤(320)까지의 거리가 같지 않으므로, 쉬라우드(310)로 합류하는 유체의 속력은 스크롤(320)에 유체가 합류되는 위치에 따라 상이하다.

상세하게, 임펠러(100)의 블레이드(130) 끝단에서 스크롤(320)까지 거리가 짧은 S3 지점과 임펠러(100)의 블레이드(130) 끝단에서 스크롤(320)까지 거리가 긴 S4 지점을 비교하면 다음과 같다. 디퓨져(200)에서 S3 지점으로 유입되는 유체는 디퓨져 베인(210)을 통과한 후에 스크롤(320)에 유입되는 거리가 짧으므로, 디퓨져(200)에서 S3 지점으로 유입되는 유체는 속력 감소가 작게 일어난다. 반면에 디퓨져(200)에서 S4 지점으로 유입되는 유체는 디퓨져 베인(210)을 통과한 후에 스크롤(320)에 유입되는 거리가 S3 지점보다 상대적으로 길므로, 디퓨져(200)에서 S4 지점으로 유입되는 유체의 속력감소는 크게 일어난다. 따라서 디퓨져(200)에서 S3 지점으로 유입되는 유체의 속도는, 디퓨져(200)에서 S4 지점으로 유입되는 유체의 속도보다 크다.

디퓨져(200)에서 S3 지점으로 유입되는 유체가 스크롤(320)을 따라 S4 지점으로 통과하면, S3 지점에서 S4 지점으로 유입되는 유체는 스크롤(320)의 마찰에 의하여 속도 감소가 발생한다. 디퓨져(200)에서 S4 지점으로 유입되는 유체의 속력은, S3 지점에서 S4 지점으로 유입되는 유체의 속력과 동일하게 형성될 수 있다. 이러한 경우 S4 지점에서의 유체들은 속도가 일정하므로 유동박리 현상이 발생하지 않는다.

백 플레이트(220)의 중공부(230)가 스크롤(320)의 유출부(340)를 향하여 배치되는 경우에는, 스크롤(320) 내부를 가장 오랫동안 통과하는 유체(이하 제 1유체)가 가장 높은 압력과 속도를 가지고 스크롤(320)에 유입된다. 제1 유체는 스크롤(320)을 통과하면서 점차적으로 압력 강하와 속도 강하가 일어난다. 디퓨져(200)에서 스크롤(320)의 다른 영역으로 유입되는 유체(이하 제 2유체)는 제1 유체보다 속도가 작다. 제1 유체가 스크롤(320)을 통과 하면서 속도 강하가 발생하여 제2 유체의 속도와 같아질수 있다. 이러한 경우 스크롤을 통과하는 유체의 유동박리가 발생하지 않아 유동손실을 줄일수 있다. 또한 스크롤(320)의 크기를 종래의 원심 압축기(1)의 스크롤(32)보다 줄일 수 있으며, 스크롤(320) 내부를 통과하는 유체의 유동손실과 압력손실을 최소화 할 수 있다.

임펠러(100)의 회전중심이 백 플레이트(220)의 중심으로부터 편심되도록 임펠러(100)가 백 플레이트(220)에 설치되면, 상기와 같은 원리로 스크롤(320) 각 지점에서 유체의 속력을 일정하게 형성하여 유체의 속도차이에 의한 유동박리 현상이 발생하지 않아 유량손실을 줄일 수 있다.

또한, 스크롤(320)의 단면적을 통과하는 유체의 양을 고려하여 스크롤(320)의 크기를 정하여 압축기의 크기를 컴팩트하게 정할 수 있다. 즉, 불필요한 스크롤(320)의 부피를 없애서 스크롤(320)의 크기를 줄일 수 있으므로, 스크롤(320)의 크기를 종래의 원심 압축기(1)의 스크롤(32)보다 줄일 수 있어 원심 압축기(1000) 크기를 줄일 수 있다.

고압의 유체를 획득하기 위해서 압축기를 다단으로 배치할 수 있다. 원심 압축기(1000)를 다단으로 배치하는 경우에는 원심 압축기(1000)의 크기를 줄여서 원심 압축기(1000)의 효율적인 설치공간을 확보할 수 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

1000: 원심 압축기
100: 임펠러
200: 디퓨져
210: 디퓨져 베인
220: 백 플레이트
230: 중공부
300: 케이스
310: 쉬라우드
320: 스크롤
330: 유입부
340: 유출부

Claims

블레이드를 구비한 임펠러;
상기 임펠러가 회전 가능하도록 설치되는 백 플레이트와, 상기 백 플레이트 상에 상기 임펠러의 둘레를 따라 설치되는 복수개의 디퓨져 베인들을 구비하는 디퓨져; 및
상기 임펠러와 상기 디퓨져를 내부에 배치되도록 설치되는 케이스;를 포함하고,
상기 케이스는, 상기 디퓨져 베인을 통과하는 유체를 모아서 출구부로 배출하는 스크롤을 포함하고,
상기 임펠러의 회전중심은 상기 백플레이트의 중심으로부터 편심되도록 상기 임펠러가 상기 백플레이트에 설치되며,
상기 스크롤과 상기 백플레이트의 경계선으로부터 상기 임펠러의 블레이드까지의 거리는, 상기 백플레이트의 둘레를 따라 일정하지 않으며,
상기 임펠러로부터 나온 유체가 상기 각 디퓨져 베인의 사이를 통과할 때의 속력이 동일하도록 상기 각 디퓨져 베인의 각도를 결정하고 상기 결정된 각도에 따라 상기 각 디퓨져 베인이 설치되는 원심 압축기.
[청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]

제1항에 있어서
상기 케이스는,
상기 임펠러와 상기 디퓨져 베인의 상측을 덮도록 배치되는 쉬라우드를 포함하는 원심 압축기.
[청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]

제1항에 있어서,
상기 임펠러의 회전중심은 상기 백플레이트 중심으로부터 상기 출구부쪽으로 편심되도록 설치되는 원심 압축기.