KR102199473B1 - 유체 이송 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유체 이송 장치를 개시한다. 본 발명은, 하우징과, 상기 하우징의 내부에 회전 가능하도록 배치되는 회전축과, 상기 회전축에 설치되는 블레이드를 포함하고, 상기 블레이드의 팁과 대향하는 상기 하우징의 표면에 적어도 하나 이상의 그루브(Groove)가 형성되고, 상기 그루브는 상기 하우징의 길이 방향의 형상이 삼각형이다.

Description

유체 이송 장치{Fluid transfer}
본 발명은 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유체 이송 장치에 관한 것이다.
유체 이송 장치는 블레이드를 회전시켜 유체를 이송시킬 수 있다. 이러한 유체 이송 장치에는 팬 어셈블리, 압축기 등이 포함될 수 있다. 팬 어셈블리는 하우징 내부에 회전 가능하도록 설치되는 회전축과, 회전축에 설치된 블레이드를 포함할 수 있다. 이때, 회전축은 외부의 모터 등과 같은 구동부에 연결될 수 있으며, 구동부의 작동에 따라서 회전축이 회전할 수 있다. 이러한 경우 블레이드가 회전함으로써 유체를 이송시킬 수 있다. 압축기는 하우징 내부에 회전 가능하도록 설치되는 회전축과, 회전축에 설치되는 블레이드를 포함할 수 있으며, 회전축과 연결되는 구동부를 포함할 수 있다. 이때, 구동부는 터빈, 연소기 등을 포함할 수 있다. 이러한 압축기는 구동부가 작동함에 따라서 유체를 압축하여 구동부나 외부의 장치로 유체를 공급할 수 있다.
상기와 같은 유체 이송 장치의 경우 블레이드의 회전 시 블레이드와 하우징 사이의 공간에서는 유체의 유동 손실 및 비정상 유동이 발생할 수 있다. 이러한 유동 손실로 인하여 유체 이송 장치의 성능이 저하될 수 있다. 또한, 비정상 유동으로 인하여 서지마진이 작아질 수 있다.
이러한 유체 이송 장치는 대한민국공개특허 제2012-0013501호(발명의 명칭 : 축류압축기의 케이싱 그루브 최적설계방법, 출원인 : 인하대학교 산학협력단)에 구체적으로 개시되어 있다.
대한민국공개특허 제2012-0013501호
본 발명의 실시예들은 유체 이송 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은, 하우징과, 상기 하우징의 내부에 회전 가능하도록 배치되는 회전축과, 상기 회전축에 설치되는 블레이드를 포함하고, 상기 블레이드의 팁과 대향하는 상기 하우징의 표면에 적어도 하나 이상의 그루브(Groove)가 형성되고, 상기 그루브는 상기 하우징의 길이 방향의 형상이 삼각형인 유체 이송 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 하우징의 가장 내측에 형성된 상기 그루브 지점은 상기 그루브의 장변의 중심으로부터 편심되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 하우징의 가장 내측에 형성된 상기 그루브 지점은 상기 유체의 흐름 방향으로 상기 그루브의 장변의 중심보다 하류측에 배치될 수 있다.
또한, 상기 하우징은 원기둥 형태로 형성되며, 상기 그루브는 클로즈드 루프(closed-loop)를 형성하도록 상기 하우징 내면에 형성될 수 있다.
또한, 상기 그루브는 복수개 구비되며, 상기 복수개의 그루브는 각각 크기가 서로 상이할 수 있다.
또한, 상기 그루브는 복수개 구비되며, 상기 복수개의 그루브 각각의 크기는 유체의 이송 방향에 따라서 순차적으로 증가하거나 감소할 수 있다.
또한, 상기 그루브는 직삼각형 형태일 수 있다.
또한, 상기 하우징에 설치되는 베인부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 서지마진을 증가시키고 블레이드와 하우징 사이의 공간에서 발생하는 유동 손실을 감소시킬 수 있다. 또한 본 발명의 실시예들은 하우징의 강도를 효과적으로 유지하면서 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 이송 장치를 포함하는 산업용 유체 기계장치를 보여주는 개념도이다. 도 2는 도 1에 도시된 유체 이송 장치의 일 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 하우징의 그루브의 제2 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 하우징의 그루브의 제3 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 하우징의 그루브의 제4 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 6은 도 2에 도시된 하우징의 그루브의 제5 실시예를 보여주는 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 이송 장치를 포함하는 산업용 유체 기계장치를 보여주는 개념도이다. 도 2는 도 1에 도시된 유체 이송 장치의 일 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 산업용 유체 기계장치(10)는 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들면, 산언용 유체 기계장치(10)는 엔진, 공조기계 등을 포함할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 산업용 유체 기계장치(10)는 엔진을 포함하는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
산업용 유체 기계장치(10)는 유체 이송 장치(100), 열원(200) 및 구동부(300)를 포함할 수 있다. 이때, 유체 이송 장치(100)는 팬 어셈블리, 압축기 등을 포함할 수 있다. 또한, 열원(200)은 보일러, 연소기 등을 포함할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 유체 이송 장치(100)가 압축기를 포함하는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
유체 이송 장치(100)는 하우징(110), 회전축(120), 블레이드(140) 및 베인부(150)을 포함할 수 있다. 하우징(110)은 내부에 공간이 형성될 수 있으며, 유체가 통과할 수 있다. 이때, 하우징(110)은 원기둥 형태로 형성될 수 있으며, 내부의 공간이 가변하도록 형성될 수 있다.
하우징(110) 내부에는 적어도 한 개 이상의 그루브(Groove)가 형성될 수 있다. 이때, 그루브(130)는 회전하는 블레이드(140)의 팁(141)과 대향하는 하우징(110)의 내부면에 형성될 수 있다.
그루브(130)는 하우징(110)의 내부면으로부터 인입되도록 형성될 수 있으며, 삼각형 형태로 형성될 수 있다. 특히, 그루브(130)는 직삼각형 형태일 수 있다. 다른 실시예로써 그루브(130)는 일반적인 삼각형 형태일 수도 있다.
상기와 같은 그루브(130)는 하우징(110)의 내면으로부터 하우징(110) 내부로 인입되도록 형성될 수 있다. 이때, 하우징(110)의 가장 내측에 형성된 그루브(130)의 지점(I)은 그루브(130)의 장변(S1)의 중심으로부터 편심되도록 형성될 수 있다. 구체적으로 하우징(110)의 가장 내측에 형성된 그루브(130)의 지점(I)은 유체의 흐름 방향(A)으로 그루브(130)의 장변(S1)의 중심(C)보다 하류측에 배치될 수 있다. 이러한 경우 유체가 하우징(110) 내부로 유동하면서 그루브(130)를 따라 이동하다가 하우징(110)의 가장 내측에 형성된 그루브(130)의 지점(I)에 도달하면 유체가 선회한 후 그루브(130)를 빠져나감으로써 블레이드(140)의 팁(141) 부분에서 유동 손실이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 그루브(130)는 블레이드(140)의 팁(141)과 하우징(110) 사이로 유동하는 유체의 일부를 저장하여 속도를 저감시킴으로써 유체의 균일한 흐름을 유도할 수 있다. 예를 들면, 그루브(130)는 유체의 흐름 방향에 대해서 수직하게 측정된 그루브(130)의 폭은 유체 흐름의 상류측에서 하류측으로 갈수록 커질 수 있다.
그루브(130)는 하우징(110)의 내면을 따라 서로 연장되도록 형성될 수 있다. 즉, 그루브(130)는 블레이드(140)가 회전할 때 블레이드(140)의 팁(141)이 형성하는 경로에 대향하는 하우징(110)의 내면에 연장되어 연결될 수 있다. 따라서 그루브(130)는 하우징(110)의 내면에서 클로즈드 루프(Closed-loop) 형태로 하우징(110) 내면에 형성될 수 있다.
베인부(150)는 하우징(110)에 설치될 수 있다. 이때, 베인부(150)는 블레이드(140)와 서로 엇갈리도록 배치될 수 있다. 예를 들면, 베인부(150)는 인접하는 블레이드(140) 사이에 배치될 수 있으며, 블레이드(140)는 인접하는 베인부(150) 사이에 배치될 수 있다. 이때, 블레이드(140)와 베인부(150)는 하우징(110)의 길이 방향으로 서로 이격되도록 배치됨으로써 블레이드(140)의 회전 시 블레이드(140)와 베인부(150)가 서로 간섭되지 않도록 할 수 있다.
한편, 상기와 같은 유체 이송 장치(100)의 작동을 살펴보면, 구동부(300)의 작동에 따라 회전축(120)이 회전할 수 있다. 이때, 구동부(300)는 모터, 엔진, 연소기, 터빈 등을 포함할 수 있다.
회전축(120)이 회전하면 블레이드(140)도 함께 회전할 수 있다. 이때, 블레이드(140)는 하우징(110) 내부에서 회전할 수 있다. 블레이드(140)의 회전에 따라서 유체가 하우징(110) 내부를 이동할 수 있다.
상기와 같은 경우 블레이드(140)의 팁(141) 부분과 하우징(110) 내면 사이에서는 유체가 블레이드(140)의 팁(141) 부분과 충돌하여 불규칙 유동이 발생할 수 있다. 특히 하우징(110) 내면이 별도의 그루브(130) 등이 형성되지 않는 경우 유체의 이동 시 간극 손실이 발생할 수 있다. 이러한 경우 블레이드(140)의 회전에 따라서 압력손실이 발생하거나 서지마진(Surge margine)의 범위가 축소됨으로써 유체 이송 장치(100)가 정상적으로 작동하지 않을 수 있다. 특히 상기와 같은 경우 하우징(110)에서는 진동이 발생할 수 있으며, 유체 이송 장치(100)가 오작동함으로써 유체 이송 장치(100)의 효율이 저하될 수 있다.
그러나 상기와 같이 하우징(110)의 내면에 그루브(130)가 형성되는 경우 그루브(130)가 블레이드(140)의 팁(141)에서 발생하는 불규칙한 유체의 일부의 속도를 저하시키고 일시적으로 저장함으로써 상기와 같은 문제를 해결할 수 있다. 특히 그루브(130)는 유체 이송 장치(100)의 서지마진의 범위를 상기와 같이 그루브(130)가 없는 하우징을 사용하는 경우보다 넓힘으로써 유체 이송 장치(100)의 안정적인 운전을 도와줄 수 있다.
상기와 같은 그루브(130)가 하우징(110)의 내면에 하나만 형성되는 경우 유체의 흐름 방향(A) 대해서 상류측의 하우징(110) 내면에 형성될 수 있다. 특히 하나의 그루브(130)는 블레이드(140)의 리딩에지(142,Leading edge) 부분에 대응되도록 하우징(110) 내부에 형성될 수 있다.
상기와 같이 블레이드(140)가 회전하는 경우 유체는 하우징(110) 내면이 가압하거나 유체의 흐름에 따라서 하우징(110)이 진동할 수 있다. 이러한 경우 그루브(130)의 형태에 따라서 응력이 집중될 수 있다. 구체적으로 그루브(130)의 형태가 사각형인 경우 절곡된 부분에서는 응력이 집중됨으로써 유체의 이동 시 하우징(110)이 파단되거나 손상될 수 있다. 특히 유체의 흐름 방향(A)에서 상류측에 있는 사각형 그루브의 가장 먼저 절곡된 부분에서 응력 집중이 발생할 수 있다. 또한, 그루브(130) 사이의 간격이 좁은 경우 외부 힘에 의해 하우징(110)이 쉽게 파손되거나 손상될 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예들에 따른 그루브(130)를 구비하는 경우 그루브(130)가 유체의 흐름 방향(A)의 하류 측에 절곡된 부분이 존재하여 사각형 그루브보다 응력 집중을 회피할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 그루브(130)는 인접한 그루브(130) 사이의 연결 부분에서 다른 그루브(130)의 가장 깊은 지점까지 순차적으로 하우징(110)의 두께가 작아지게 형성됨으로써 외력에 대한 하우징(110)의 대향력을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기와 같이 블레이드(140)의 회전에 따라 이동하는 유체는 베인부(150)를 지나 하우징(110)을 통과할 수 있다. 이때, 하우징(110) 후단에 배치되는 별도의 유로를 통하여 구동부(300) 또는 외부의 장치로 공급될 수 있다.
따라서 유체 이송 장치(100)는 서지마진의 범위를 증가시키고 블레이드(140)와 하우징(110) 사이의 공간에서 발생하는 유동 손실을 감소키실 수 있다. 또한, 유체 이송 장치(100)는 하우징(110)의 강도를 효과적으로 유지하면서 성능을 향상시킬 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 하우징의 그루브의 제2 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 3을 참고하면, 그루브(130a)는 복수개 구비될 수 있다. 이때, 복수개의 그루브(130a)는 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 특히 복수개의 그루브(130a)는 블레이드(미도시)의 팁(미도시) 부분에 대향하는 하우징(110)의 내면에 형성될 수 있다.
상기와 같은 복수개의 그루브(130a)는 상기에서 설명한 것과 같이 상기 블레이드와 하우징(110) 사이의 간격에서 발생하는 유체의 압력손신을 저감시킬 뿐만 아니라 하우징(110)의 강도를 일정 수준으로 유지하는 것이 가능하다.
도 4는 도 2에 도시된 하우징의 그루브의 제3 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 4를 참고하면, 그루브(130b)는 상기에서 설명한 것과 같이 복수개 구비될 수 있다. 이때, 복수개의 그루브(130b)는 제1 그루브(131b)와 제2 그루브(132b)를 포함할 수 있다.
제1 그루브(131b)와 제2 그루브(132b)는 서로 이격되도록 형성될 수 있으며, 제1 그루브(131b)가 제2 그루브(132b)보다 유체의 흐름 방향을 기준으로 상류측에 배치될 수 있다.
이때, 제1 그루브(131b)와 제2 그루브(132b)의 크기는 서로 상이하게 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 4의 (a)에서와 같이 제1 그루브(131b)가 제2 그루브(132b)보다 크게 형성되거나 도 4의 (b)에서와 같이 제2 그루브(132b)가 제1 그루브(131b)보다 크게 형성될 수 있다. 이러한 경우 하우징(110) 내부를 유동하는 유체가 순차적으로 제1 그루브(131b) 및 제2 그루브(132b)를 통과하면서 균일한 흐름을 갖을 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 하우징의 그루브의 제4 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 5를 참고하면, 그루브(130c)는 복수개 구비될 수 있다. 이때, 복수개의 그루브(130c)는 제1 그루브(131c), 제2 그루브(132c) 및 제3 그루브(133c)를 포함할 수 있다. 상기와 같은 경우 유체의 흐름 방향(A)에 대해서 제1 그루브(131c)가 가장 상류측에 배치될 수 있으며, 제3 그루브(133c)는 가장 하류측에 배치될 수 있다. 또한, 제2 그루브(132c)는 제1 그루브(131c)와 제3 그루브(133c) 사이에 배치될 수 있다.
제1 그루브(131c), 제2 그루브(132c) 및 제3 그루브(133c)는 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 또한, 제1 그루브(131c) 내지 제3 그루브(133c)는 서로 상이한 크기로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 그루브(131c)와 제2 그루브(132c)의 크기가 서로 상이하고, 제2 그루브(132c)와 제3 그루브(133c)의 크기가 서로 상이할 수 있다. 다른 실시예로써 제2 그루브(132c)의 크기는 제1 그루브(131c)의 크기와 상이하고 제1 그루브(131c)와 제3 그루브(133c)의 크기는 서로 동일할 수 있다. 이때, 제1 그루브(131c)와 제3 그루브(133c)는 제2 그루브(132c)를 중심으로 서로 대칭적으로 형성되는 것도 가능하다.
예를 들면, 도 5의 (a)에서와 같이 제2 그루브(132c)가 가장 작은 크기로 형성되며, 제1 그루브(131c)와 제3 그루브(133c)는 제2 그루브(132c)보다 크게 형성될 수 있다. 이때, 제1 그루브(131c)와 제3 그루브(133c)는 서로 동일한 크기로 형성될 수 있으며, 제2 그루브(132c)를 중심으로 대칭되게 하우징(110)에 형성될 수 있다.
도 5의 (b)에서와 같이 제2 그루브(132c)가 가장 큰 크기로 형성되며, 제1 그루브(131c)와 제3 그루브(133c)는 제2 그루브(132c)보다 작게 형성될 수 있다. 이때, 제1 그루브(131c)와 제3 그루브(133c)는 서로 동일한 크기로 형성되어 제2 그루브(132c)를 중심으로 대칭된 위치에 배치될 수 있다.
상기와 같은 경우 유체는 제1 그루브(131c) 내지 제3 그루브(133c)를 통과하면서 순차적으로 속도가 저감되거나 규칙적인 유동으로 변화할 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 하우징의 그루브의 제5 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 6을 참고하면, 그루브(130d)는 복수개 구비될 수 있다. 이때, 복수개의 그루브(130d)는 제1 그루브(131d), 제2 그루브(132d) 및 제3 그루브(133d)를 포함할 수 있다.
제1 그루브(131d) 내지 제3 그루브(133d)는 서로 이격되도록 배치될 수 있으며, 서로 크기가 상이할 수 있다. 예를 들면, 도 6의 (a)에서와 같이 유체의 흐름 방향(A)을 따라 제1 그루브(131d) 내지 제3 그루브(133d)는 크기가 순차적으로 커지도록 형성될 수 있다. 또한, 도 6의 (b)에서와 같이 유체의 흐름 방향(A)을 따라 제1 그루브(131d) 내지 제3 그루브(133d)는 크기가 순차적으로 작아지도록 형성되는 것도 가능하다.
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.
10: 유체 기계장치
100: 유체 이송 장치
110: 하우징
120: 회전축
130,130a,130b,130c,130d: 그루브
140: 블레이드
150: 베인부
200: 열원
300: 구동부

Claims (8)

  1. 하우징;
    상기 하우징의 내부에 회전 가능하도록 배치되는 회전축; 및
    상기 회전축에 설치되는 블레이드;를 포함하고,
    상기 블레이드의 팁과 대향하는 상기 하우징의 표면에 적어도 하나 이상의 그루브(Groove)가 형성되고, 상기 그루브는 상기 하우징의 길이 방향의 형상이 삼각형이며, 유체의 흐름 방향에 대해서 수직하게 측정된 상기 삼각형의 폭은 상류측에서 하류측으로 갈수록 커지는 유체 이송 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징의 가장 내측에 형성된 상기 그루브 지점은 상기 그루브의 장변의 중심으로부터 편심되도록 배치되는 유체 이송 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 하우징의 가장 내측에 형성된 상기 그루브 지점은 상기 유체의 흐름 방향으로 상기 그루브의 장변의 중심보다 하류측에 배치되는 유체 이송 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 원기둥 형태로 형성되며,
    상기 그루브는 클로즈드 루프(closed-loop)를 형성하도록 상기 하우징 내면에 형성되는 유체 이송 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 그루브는 복수개 구비되며,
    상기 복수개의 그루브는 각각 크기가 서로 상이한 유체 이송 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 그루브는 복수개 구비되며,
    상기 복수개의 그루브 각각의 크기는 유체의 이송 방향에 따라서 순차적으로 증가하거나 감소하는 유체 이송 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
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