KR102323685B1 - 원심 압축단과 양변위 압축단의 조합을 갖는 일체형 기어 압축기 - Google Patents

원심 압축단과 양변위 압축단의 조합을 갖는 일체형 기어 압축기 Download PDF

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토드 스티븐 애버트 기브스
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아틀라스 콥코 콤텍트, 엘엘씨
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Abstract

구동 유닛에 의해 구동되도록 구성된 기어 시스템, 및 상기 기어 시스템에 결합된 복수의 압축단을 포함하는 압축기로서, 상기 복수의 압축단은 적어도 하나의 원심 압축단 및 적어도 하나의 양변위 압축단을 포함하는, 상기 압축기가 제공된다. 또한 관련 방법이 더 제공된다.

Description

원심 압축단과 양변위 압축단의 조합을 갖는 일체형 기어 압축기
본 출원은 2016년 4월 11일자로 출원된 발명의 명칭이 "Integrally Geared Compressor Having a Combination of Centrifugal and Positive Displacement Compression Stages"인 미국 가출원 제62/321,016호의 우선권 및 그 이익을 주장한다.
기술 분야
이하에서는 일체형 기어 압축기(integrally geared compressor)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원심 압축기 단과 양변위(positive displacement) 압축기 단을 갖는 일체형 기어 압축기에 관한 것이다.
다양한 유형의 압축기가 존재하며, 각 압축기는 동작 조건 하에서 장단점을 갖는다. 예를 들어, 원심 압축기는 높은 체적의 냉 가스를 효율적이고 신뢰성 있게 관리하는 반면, 양변위 압축기는 높은 압력비 및 작은 체적의 가스를 관리하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 액화 천연 가스(LNG) 시스템이 개발됨에 따라 주 구동기에 가스를 공급하기 위해 더 높은 압력이 필요하다. 시스템의 공급 측은 극저온 및 저압이지만, 송출 측은 비 극저온, 더 높은 고압비 및 작은 체적이다.
따라서, 원심 압축기와 양변위 압축기의 조합을 이용하는 일체식 기어 압축기에 대한 필요성이 존재한다.
제1 양태는 일반적으로 원심 압축기 단과 양변위 압축기 단을 갖는 일체형 기어 압축기에 관한 것이다.
제2 양태는, 일반적으로 구동 유닛에 의해 구동되도록 구성된 기어 시스템, 및 상기 기어 시스템에 결합된 복수의 압축단을 포함하는 압축기로서, 상기 복수의 압축단은 적어도 하나의 원심 압축단과 적어도 하나의 양변위 압축단을 포함하는, 상기 압축기에 관한 것이다.
제3 양태는 일반적으로, 하우징을 갖는 일체형 기어 압축기로서, 구동 유닛에 결합된 구동 샤프트를 포함하는 구동 기어, 상기 구동 기어의 제1 측에서 상기 구동 기어와 맞물리고 제1 피니언 샤프트를 구비하는 제1 피니언, 상기 구동 기어의 제2 측에서 상기 구동 기어와 맞물리고 제2 피니언 샤프트를 구비하는 제2 피니언, 상기 제1 피니언과 상기 제2 피니언과는 다른 평면에서 상기 구동 기어와 맞물리고 제3 피니언 샤프트를 구비하는 제3 피니언, 양변위 압축단으로서, (i) 상기 제1 피니언 샤프트 또는 (ii) 상기 구동 샤프트에 결합된 상기 양변위 압축단, 및 제2 피니언 샤프트에 결합된 원심 압축단을 포함하는, 상기 일체형 기어 압축기에 관한 것이다.
제4 양태는 일반적으로 일체형 기어 압축기의 하우징 내에 적어도 하나의 원심 압축단과 적어도 하나의 양변위 압축단을 결합시키는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
구성 및 동작의 전술한 및 다른 특징은 첨부 도면과 관련하여 취해진 이하의 상세한 설명으로부터 보다 용이하게 이해되고 완전히 파악될 수 있을 것이다.
이하의 도면을 참조하여 실시예들 중 일부가 상세히 설명될 것이며, 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 부재를 나타낸다:
도 1은 압축기의 제1 실시예의 개략 평면도;
도 2는 양변위 압축단 및 복수의 원심 압축단을 구비하는 도 1에 도시된 압축기의 일 실시예를 도시하는 도면;
도 3은 도 2에 도시된 압축기의 부분 절결도;
도 4는 도 3의 부분 절결도의 상세도;
도 5는 도 2에 도시된 압축기의 단면의 평면도;
도 6은 도 2에 도시된 압축기의 단면의 측면도;
도 7은 도 2에 도시된 압축기의 대안적인 실시예의 부분 절결도의 상세도;
도 8은 도 7에 도시된 압축기의 대안적인 실시예의 단면의 평면도;
도 9는 도 7에 도시된 압축기의 대안적인 실시예의 단면의 측면도;
도 10은 압축기의 제2 실시예의 개략 측면도;
도 11은 양변위 압축단 및 복수의 원심 압축단을 구비하는 도 10에 도시된 압축기의 일 실시예를 도시하는 도면;
도 12는 도 11에 도시된 압축기의 부분 절결도;
도 13은 도 12의 부분 절결도의 상세도;
도 14는 도 10에 도시된 압축기의 단면의 평면도;
도 15는 도 10에 도시된 압축기의 단면의 측면도;
도 16은 압축기의 제3 실시예의 개략 측면도; 및
도 17은 간접 장착 양변위 압축단을 갖는 압축기의 일 실시예를 도시하는 도면; 및
도 18은 도 17에 도시된 압축기의 일 실시예의 평면도.
본 장치 및 방법의 이하 개시된 실시예에 대한 상세한 설명은 도면을 참조하여 예시적으로 및 제한 없이 본 명세서에 제시된다. 비록 특정 실시예가 도시되고 상세히 기술되었지만, 첨부된 청구 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 본 발명의 범위는 구성 부품의 수, 재료, 형상, 상대적 배열 등으로 결코 제한되는 것이 아니라, 본 발명의 실시예로서 단순히 개시된 것일 뿐이다.
상세한 설명의 서문으로서, 본 명세서 및 첨부된 청구 범위에서 사용된 바와 같이 단수 형태의 요소 및 "상기" 요소는, 문맥이 명확히 달리 지시하지 않는 한, 복수의 요소를 포함하는 것임을 주목해야 한다.
도면을 참조하면, 도 1은 압축기(100)의 실시예를 도시한다. 압축기(100)의 실시예는 일체형 기어 압축기일 수 있다. 압축기(100)는 LNG 동력 선박을 위한 LNG 응용, 가스 압축 응용에서 에너지 회수 및 가스 프로세스 제어와 같은 다양한 가스 압축 응용에 사용될 수 있다. 압축기(100)의 실시예는 하나 이상의 원심 압축기 단과, 회전식 스크류 단과 같은 하나 이상의 양변위 압축기 단의 조합을 포함할 수 있다. 이 통합된 압축기 단은 단일 기어 박스(5) 내에 배열될 수 있다. 시스템 요구 조건은 압축기(100)의 구성 및/또는 다수의 압축단을 결정할 수 있다. 예를 들어, 압축기(100)의 실시예는 다단 압축기일 수 있으며, 여기서 시스템 요구 사항은 다수의 구획 또는 유형의 양변위 압축과 함께 다수의 원심 압축단을 규정할 수 있다.
나아가, 압축기(100)는 기어 시스템(1)을 포함할 수 있다. 기어 시스템(1)의 실시예는 단일 기어 박스(5) 내에 통합되거나 배열될 수 있다. 기어 박스(5)는 압축기(100)의 기어 시스템(1)의 부품들을 수용, 수납, 지지, 격납하는 등을 수행하는 기어박스 또는 하우징일 수 있다. 압축기(100)의 기어 시스템(1)의 실시예는 구동 샤프트(10), 구동 기어(15), 제1 피니언 샤프트(20), 제1 피니언 기어(25), 제2 피니언 샤프트(30), 제2 피니언 기어(35), 제3 피니언 샤프트(40) 및 제3 피니언 기어(45)를 포함할 수 있다.
압축기(100)의 기어 시스템(1)의 실시예는 구동 샤프트(10) 및 구동 기어(15)를 포함할 수 있다. 구동 기어(15)는 구동 샤프트(10)에 동작 가능하게 장착될 수 있다. 예를 들어, 구동 기어(15)는 구동 샤프트(10)에 체결될 수 있고, 구동 샤프트(10)의 회전은 구동 기어(15)의 회전으로 변환된다. 다른 실시예에서, 구동 기어(15)는 구동 샤프트(10)와 구조적으로 일체형일 수 있다. 구동 샤프트(10)는 구동 기어(15)의 전방 면으로부터 구동 기어(15)의 중심축을 따라 돌출될 수 있고, 또한 구동 기어(15)의 후방 면으로부터 구동 기어(15)의 중심축을 따라 돌출될 수 있다. 구동 기어(15)의 실시예는 구동 기어(15)의 외부 원주 표면을 따라 톱니(teeth)를 포함할 수 있다. 구동 기어(15)의 기어 톱니는 다양한 간격, 두께, 피치, 크기 등을 가질 수 있다. 유사하게, 구동 기어(15)의 크기는 기어 시스템(1)의 상이한 원하는 속도, 비율, 토크 전달 등을 달성하도록 변할 수 있다. 구동 기어(15)의 실시예는 기어 박스(5)에 배치될 수 있다.
나아가, 구동 샤프트(10)의 실시예는 구동 유닛(2) 또는 구동 소스에 의해 구동될 수 있다. 구동 유닛(2) 또는 구동 소스는 증기 터빈, 전기 모터, 및 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 알려진 다른 방법과 같은 다양한 방법에 의해 토크를 구동, 회전 또는 다른 방식으로 구동 샤프트(10)에 전달할 수 있다. 구동 샤프트(10)가 구동 유닛(2)에 의해 작용될 때 구동 기어(15)는 제1 피니언 기어(25), 제2 피니언 기어(35) 및 제3 피니언 기어(45)와 같은 복수의 피니언과 맞물리거나 또는 다른 방식으로 기계적으로 맞물린다. 따라서, 구동 유닛(2)에 의해 회전되는 구동 기어(15)와 구동 샤프트(10)의 회전에 따라 복수의 피니언 기어(25, 35, 45)가 회전된다.
제1 피니언(20)의 실시예는 구동 기어(15)와 함께 기어 박스 내에 배치되거나 다른 방식으로 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 피니언(20)은 구동 기어(15)와 동일한 수평 평면 또는 축을 따라 구동 기어(15) 측에 배치될 수 있다. 제1 피니언 기어(25)는 제1 피니언 샤프트(20)에 동작 가능하게 장착될 수 있다. 예를 들어, 제1 피니언 기어(25)는 제1 피니언 샤프트(20)에 체결될 수 있으며, 제1 피니언 기어(25)의 회전은 제1 피니언 샤프트(20)의 회전으로 변환된다. 다른 실시예에서, 제1 피니언 기어(25)는 제1 피니언 샤프트(20)와 구조적으로 일체형일 수 있다. 제1 피니언 샤프트(20)는 제1 피니언 기어(25)의 중심 축을 따라 상기 제1 피니언 기어(25)의 전방 면으로부터 돌출될 수 있고, 또한 제1 피니언 기어(25)의 후방 면으로부터 돌출될 수 있다. 제1 피니언 기어(25)의 실시예는 제1 피니언 기어(25)의 외부 원주 표면을 따라 톱니를 포함할 수 있다. 제1 피니언 기어(25)의 기어 톱니는 다양한 간격, 두께, 피치, 크기 등을 가질 수 있다. 유사하게, 제1 피니언 기어(25)의 크기는 기어 시스템(1)의 상이한 원하는 속도, 비율, 토크 전달 등을 달성하도록 변할 수 있다.
나아가, 압축기 단(70)은 제1 피니언 샤프트(20)의 각 단부에 동작 가능하게 연결될 수 있다. 압축기 단(70)의 실시예는 원심 압축기일 수 있다. 일부 실시예에서, 원심 압축기는 제1 피니언 샤프트(20)의 각 단부에 직접 또는 다른 방식으로 장착될 수 있다. 예를 들어 원심 압축기의 임펠러는 제1 피니언 샤프트(20)의 제1 단부(21)에 직접 장착될 수 있고, 가스는 압축기(100)에 의해 압축되도록 유입된다. 예시적인 실시예에서, 제1 피니언 샤프트(20)의 제1 단부(21)에 배치된 원심 압축기는 제1 압축단일 수 있다. 마찬가지로, 원심 압축기의 임펠러는 제1 피니언 샤프트(20)의 제2 단부(22)에 직접 장착되거나 다른 방식으로 배치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제1 피니언 샤프트(20)의 제2 단부(22)에 배치된 원심 압축기는 제2 압축단일 수 있다. 그러나, 추가적인 실시예에서, 제1 피니언 샤프트(20)의 제1 단부(21) 및 제2 단부(22)에 배치된 압축단(70)들은 제1 압축단의 2개의 구획을 포함할 수 있다.
제1 피니언 샤프트(20)의 단부(21, 22)들에 배치된 압축단(70)들은 파이프 또는 도관을 통해 연통될 수 있다. 예를 들어, 가스는 제1 피니언 샤프트(20)의 제1 단부(21)에 배치된 압축단(70)으로부터 배출 파이프로부터 제1 피니언 샤프트(20)의 제2 단부(22)에 배치된 압축기 단(70)과 관련된 흡입 파이프로 배출될 수 있다. 인터쿨러(intercooler)와 같은 열 교환기는 이 기술 분야에 알려진 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 바와 같이 배출 파이프와 흡입 파이프 사이에 배치될 수 있다.
도 1을 계속 참조하면, 제2 피니언 기어(35)의 실시예는 구동 기어(15)와 함께 하우징 내에 배치되거나 다른 방식으로 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 피니언 기어(35)는 구동 기어(15)와 동일한 수평 평면 또는 축을 따라 구동 기어(15) 측에 배치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제2 피니언 기어(35)는 제1 피니언 기어(25)와 반대쪽 측에 위치될 수 있다. 제2 피니언 기어(35)는 제2 피니언 샤프트(30)에 동작 가능하게 장착될 수 있다. 예를 들어, 제2 피니언 기어(35)는 제2 피니언 샤프트(30)에 체결될 수 있고, 제2 피니언 기어(35)의 회전은 제2 피니언 샤프트(30)의 회전으로 변환된다. 다른 실시예에서, 제2 피니언 기어(35)는 제2 피니언 샤프트(30)와 구조적으로 일체형일 수 있다. 제2 피니언 샤프트(30)는 제2 피니언 기어(35)의 전방 면으로부터 제2 피니언 기어(35)의 중심 축을 따라 돌출될 수 있고, 또한 제2 피니언 기어(35)의 후방 면으로부터 제2 피니언 기어(35)의 중심축을 따라 돌출될 수 있다. 제2 피니언 기어(35)의 실시예는 제2 피니언 기어(35)의 외부 원주 표면을 따라 톱니를 포함할 수 있다. 제2 피니언 기어(35)의 기어 톱니는 다양한 간격, 두께, 피치, 크기 등을 가질 수 있다. 유사하게, 제2 피니언 기어(35)의 크기는 기어 시스템(1)의 상이한 원하는 속도, 비율, 토크 전달 등을 달성하도록 변할 수 있다.
나아가, 압축기 단(70)은 제2 피니언 샤프트(30)의 각 단부에 동작 가능하게 연결될 수 있다. 압축기 단(70)의 실시예는 원심 압축기일 수 있다. 일부 실시예에서, 원심 압축기는 제2 피니언 샤프트(30)의 각 단부에 직접 또는 다른 방식으로 장착될 수 있다. 예를 들어, 원심 압축기의 임펠러는 제2 피니언 샤프트(30)의 제1 단부(31)에 직접 장착될 수 있으며, 가스는 압축기(100)에 의해 압축되기 위해 앞선 압축단으로부터 유입된다. 예시적인 실시예에서, 제2 피니언 샤프트(30)의 제1 단부(31)에 배치된 원심 압축기는 제3 압축단일 수 있다. 마찬가지로, 원심 압축기의 임펠러는 제2 피니언 샤프트(30)의 제2 단부(32)에 직접 장착되거나 다른 방식으로 배치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제2 피니언 샤프트(30)의 제2 단부(32)에 배치된 원심 압축기는 제4 압축단일 수 있다.
제2 피니언 샤프트(30)의 단부(31, 32)에 배치된 압축단(70)은 파이프 또는 도관을 통해 연통될 수 있다. 예를 들어, 가스는 제1 피니언 샤프트(20)의 제2 단부(22)에 배치된 압축단(70)으로부터 배출 파이프로부터 제2 피니언 샤프트(30)의 제1 단부(31)에 배치된 압축기 단(70)과 관련된 흡입 파이프로 배출될 수 있다. 인터쿨러와 같은 열 교환기는 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 알려진 바와 같이 배출 파이프와 흡입 파이프 사이에 배치될 수 있다.
나아가, 제3 피니언 기어(45)의 실시예는 구동 기어(15)와 함께 하우징 내에 배치되거나 다른 방식으로 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 피니언 기어(45)는 제1 및 제2 피니언 기어(25, 35)와는 다른 수평 평면 또는 축을 따라 배치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제3 피니언 기어(45)는 제1 및 제2 피니언 기어(25, 35)의 위 또는 아래에 위치될 수 있다. 제3 피니언 기어(45)는 제3 피니언 샤프트(40)에 동작 가능하게 장착될 수 있다. 예를 들어, 제3 피니언 기어(45)는 제3 피니언 샤프트(40)에 체결될 수 있으며, 제3 피니언 기어(45)의 회전은 제3 피니언 샤프트(40)의 회전으로 변환된다. 다른 실시예에서, 제3 피니언 기어(45)는 제3 피니언 샤프트(40)와 구조적으로 일체형일 수 있다. 제3 피니언 샤프트(40)는 제3 피니언 기어(45)의 전방 면으로부터 제3 피니언 기어(45)의 중심축을 따라 돌출될 수 있고, 또한 제3 피니언 기어(45)의 후방 면으로부터 돌출될 수 있다. 제3 피니언 기어(45)의 실시예는 제3 피니언 기어(45)의 외부 원주 표면을 따라 톱니를 포함할 수 있다. 제3 피니언 기어(45)의 기어 톱니는 다양한 간격, 두께, 피치, 크기 등을 가질 수 있다. 유사하게, 제3 피니언 기어(45)의 크기는 기어 시스템(1)의 상이한 원하는 속도, 비율, 토크 전달 등을 달성하도록 변할 수 있다.
나아가, 압축기 단(70)은 제3 피니언 샤프트(40)의 각 단부에 동작 가능하게 연결될 수 있다. 압축기 단(70)의 실시예는 원심 압축기일 수 있다. 일부 실시예에서, 원심 압축기는 제3 피니언 샤프트(40)의 각 단부에 직접 또는 다른 방식으로 장착될 수 있다. 예를 들어, 원심 압축기의 임펠러는 제3 피니언 샤프트(40)의 제1 단부(41)에 직접 장착될 수 있으며, 가스는 압축기(100)에 의해 압축되기 위해 앞선 압축단으로부터 유입된다. 예시적인 실시예에서, 제3 피니언 샤프트(40)의 제1 단부(41)에 배치된 원심 압축기는 제5 압축단일 수 있다. 마찬가지로, 원심 압축기의 임펠러는 제3 피니언 샤프트(40)의 제2 단부(42)에 직접 장착되거나 다른 방식으로 배치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제3 피니언 샤프트(40)의 제2 단부(42)에 배치된 원심 압축기는 제6 압축단일 수 있다. 제3 피니언 샤프트(40)의 단부(41, 42)들에 배치된 압축단(70)들은 파이프 또는 도관을 통해 연통될 수 있다. 예를 들어, 가스는 제2 피니언 샤프트(30)의 제2 단부(32)에 배치된 압축단(70)으로부터 배출 파이프로부터 제3 피니언 샤프트(40)의 제1 단부(41)에 배치된 압축기 단(70)과 관련된 흡입 파이프로 배출될 수 있다. 인터쿨러와 같은 열 교환기는 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 알려진 바와 같이 배출 파이프와 흡입 파이프 사이에 배치될 수 있다. 최종 압축기 단(70)에 의해 배출된 압축 가스는 적절하게 송출될 수 있다.
전술한 압축단들은 순차적으로 설명되었지만, 각 압축단은 압축기(100)의 기어 시스템(1)의 임의의 피니언 단부에 배치될 수 있다. 압축기(100)의 실시예는 6개 미만의 압축단 또는 6개를 초과하는 압축단을 포함할 수 있고, 3개 미만 또는 3개를 초과하는 피니언 및 피니언 샤프트를 포함할 수 있다. 이러한 변형은 시스템 요구 사항에 따라 다를 수 있다.
나아가, 피니언 샤프트의 단부에 배치된 압축단(70) 각각은 모두 원심 압축단인 것은 아닐 수도 있다. 압축기(100)의 실시예는 원심 압축단인 하나 이상의 압축단(70)을 포함할 수 있는 반면, 하나 이상의 압축단(70)은 양변위 압축단일 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 양변위 압축단이 원심 압축단이 사용되지 않는 압축단(70)으로서 이용될 수 있다. 다시 말해, 하나 이상의 원심 압축단은 양변위 압축단으로 대체될 수 있다. 양변위 압축단의 예시적인 실시예는 회전식 스크류 압축단이다. 회전식 스크류 압축단은 피니언 샤프트(20, 30, 40)들 중 하나의 피니언 샤프트의 일 단부에 직접 장착될 수 있는 회전식 스크류 모듈로서 구현될 수 있다. 회전식 스크류 모듈의 실시예는 속도 조절을 허용하는 제2 기어 세트를 구비할 수 있는 하나 이상의 회전식 스크류 단일 수 있다. 대안적인 실시예에서, 회전식 스크류 모듈은 결합 또는 다른 중개 방법을 사용하여 부착될 수 있다.
도 2는 양변위 압축단(80) 및 복수의 원심 압축단(90)을 구비하는 도 1에 도시된 압축기(100)의 일 실시예를 도시한다. 도 3 내지 도 6은 양변위 압축단(80)을 제3 피니언(40)의 제2 단부(42)에 부착하거나 다른 방식으로 결합시키는 (예를 들어 직접 결합시키는) 한편, 원심 압축단(90)의 임펠러를 제3 피니언(40)의 제1 단부(41)에 부착한 것을 도시한다. 양변위 압축단(80)은 하나 이상의 스크류(82), 연결 방법(81) 및 스크류 기어링(83)(예를 들어, 속도 조절을 허용하는 보조 기어 세트)을 포함할 수 있다. 도 7 내지 도 9는 연결 방법(81a)을 포함하는 압축기(100)의 대안적인 실시예를 도시한다.
도 5 및 도 8에 도시된 바와 같이, 구동 기어(15)가 구동 유닛(2)에 의해 회전되면, 제3 피니언 기어(45)가 회전되고, 이에 따라 제3 피니언 샤프트(40)를 회전시켜, 원심 압축단(90)의 임펠러 및 양변위 압축단(80)의 압축 스크류(82)를 동시에 작동시킨다(예를 들어, 회전시킨다). 예시적인 실시예에서, 양변위 압축단(80)은 제5 또는 제6 압축단이다. 양변위 압축단(80)은 또한 앞선 압축단일 수도 있고, 또는 앞선 압축단 및 나중 압축단에 위치될 수도 있다.
압축기(100)의 실시예는 다수의 상이한 응용 및 다양한 조건 하에서 사용될 수 있다. 대표적인 응용 분야로는 LNG 처리 및 관리 및 LNG 동력 선박을 포함한다. LNG 응용의 경우, 압축기(100)의 공급 측(예를 들어, 유입 가스 또는 공급 가스가 초기에 압축기(100)로 유입되는 측)은 전형적으로 극저온 및 저압이다. 반대로, 가스가 추가로 압축됨에 따라, 가스는 고압, 보다 작은 체적 및 비 극저온이 된다. 따라서, 압축기(100)의 실시예는 압축 프로세스의 시작 부근에서 원심 압축단으로 표현되는 압축단(70)을 포함할 수 있는 반면, 압축단(70)은 압축기(100)의 송출 측 부근에서 양변위 압축단으로 표현될 수 있다. 그러나 압축기(100)의 압축단(70)은 원심 압축단과 양변위 단의 임의의 조합일 수 있다는 것이 주목된다.
이제 도 10을 참조하면, 압축기(200)의 일 실시예가 도시된다. 압축기(200)의 실시예는 압축기(100)와 동일하거나 실질적으로 동일하거나 유사하거나 실질적으로 유사한 구조 및 기능을 공유할 수 있다. 예를 들어, 압축기(200)의 실시예는 제1 피니언, 제2 피니언 기어(235), 및 제3 피니언 기어(245)와 같은 복수의 피니언을 포함하는 기어 시스템(201), 제1 피니언 샤프트(도시되지 않음), 제2 피니언 샤프트(230) 및 제3 피니언 샤프트(240)와 같은 복수의 피니언 샤프트, 구동 기어(215) 및 구동 샤프트(210)를 포함할 수 있다. 또한 압축기(200)의 실시예는 기어 시스템(201)에 동작 가능하게 부착된 복수의 압축단(270)을 포함할 수 있으며, 기어 시스템(201)은 단일 기어 박스 내에 배열될 수 있다. 그러나, 압축기(200)의 실시예는 구동 유닛(202)이 동작 가능하게 부착된 단부의 반대쪽 구동 샤프트(210)의 단부에 부착된 양변위 압축단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 회전식 스크류 모듈은 구동 샤프트(210)에 직접 장착될 수 있거나 또는 결합 또는 다른 중개 방법을 사용하여 부착될 수 있다. 나머지 압축단(270)은 원심 압축단일 수 있다. 추가적인 실시예에서, 양변위 압축단은 추가적인 위치들에서 압축기(200)의 기어 시스템(201)에 동작 가능하게 부착될 수 있으며, 나머지 압축단(270)이 모두 원심 압축단인 것은 아니다.
도 11은 양변위 압축단(280) 및 복수의 원심 압축단(290)을 구비하는 도 10에 도시된 압축기(200)의 일 실시예를 도시한다. 도 12 내지 도 15는 구동 샤프트(210)에 부착되거나 다른 방식으로 결합된 (예를 들어, 직접 결합된) 양변위 압축단(280)을 도시한다. 양변위 압축단(280)은 하나 이상의 스크류(282), 연결 방법(281) 및 스크류 기어링(283)(예를 들어, 속도 조절을 허용하는 보조 기어 세트)을 포함할 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 구동 기어(215)가 구동 유닛에 의해 회전되면 구동 샤프트(210)가 회전되어, 이에 따라 양변위 압축단(280)의 압축 스크류(282) 및 원심 압축단(290)의 임펠러를 동시에 작동(회전)시킨다. 예시적인 실시예에서, 양변위 압축단(280)은 제5 또는 제6 압축단일 수 있다. 양변위 압축단(280)은 또한 앞선 압축단일 수도 있고, 또는 앞선 압축단 및 나중 압축단에 위치될 수도 있다.
도면을 계속 참조하면, 도 16은 압축기(300)의 일 실시예를 도시한다. 압축기(300)의 실시예는 압축기(100, 200)와 동일하거나 실질적으로 동일하거나 유사하거나 실질적으로 유사한 구조 및 기능을 공유할 수 있다. 예를 들어, 압축기(300)의 실시예는 제1 피니언, 제2 피니언 기어(335) 및 제3 피니언 기어(345)와 같은 복수의 피니언, 제1 피니언 샤프트 및 제2 피니언 샤프트(330)와 같은 복수의 피니언 샤프트, 구동 기어(315) 및 구동 샤프트(310)를 포함하는 기어 시스템(301)을 포함할 수 있다. 나아가, 압축기(300)의 실시예는 기어 시스템(301)에 동작 가능하게 부착된 복수의 압축단(370)을 포함할 수 있으며, 기어 시스템(301)은 단일 하우징 또는 기어 박스 내에 배열될 수 있다. 그러나, 압축기(300)의 실시예는 구동 샤프트(310)에 동작 가능하게 연결된 추가적인 구동 기어를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 압축기의 실시예는 제1 보조 기어(316) 및 제2 보조 기어(317)를 포함할 수 있다.
제1 보조 기어(316)는 구동 샤프트(310) 상에 배치될 수 있고, 제4 피니언 샤프트(350)에 동작 가능하게 부착된 제4 피니언(355)과 맞물리거나 다른 방식으로 맞물릴 수 있다. 일부 실시예에서, 제4 피니언 기어(355)는 구동 기어(315)와는 다른 수평 평면 또는 축을 따라 배치될 수 있다. 예를 들어, 제4 피니언 기어(355)는 구동 기어(315)로부터 구동 유닛(302) 쪽 방향으로 떨어져 배치될 수 있다. 제4 피니언 기어(355)는 제4 피니언 샤프트(350)에 동작 가능하게 장착될 수 있다. 예를 들어, 제4 피니언 기어(355)는 제4 피니언 샤프트(350)에 체결될 수 있고, 제4 피니언 기어(355)의 회전은 제4 피니언 샤프트(350)의 회전으로 변환된다. 다른 실시예에서, 제4 피니언 기어(355)는 제4 피니언 샤프트(350)와 구조적으로 일체형일 수 있다. 제4 피니언 샤프트(350)는 제4 피니언(355)의 전방 면으로부터 제4 피니언 기어(355)의 중심 축을 따라 돌출될 수 있다. 제4 피니언 기어(345)의 실시예는 제4 피니언 기어(355)의 외부 원주 표면을 따라 톱니를 포함할 수 있다. 제4 피니언 기어(355)의 기어 톱니는 다양한 간격, 두께, 피치, 크기 등을 가질 수 있다. 유사하게, 제4 피니언 기어(355)의 크기는 기어 시스템(301)의 상이한 원하는 속도, 비율, 토크 전달 등을 달성하도록 변할 수 있다.
나아가, 압축기 단(370)은 제4 피니언 샤프트(350)의 단부(351)에 동작 가능하게 연결될 수 있다. 압축기 단(370)의 실시예는 양변위 압축기 단일 수 있다. 일부 실시예에서, 양변위 압축기는 제4 피니언 샤프트(350)의 단부(351)에 직접 또는 다른 방식으로 장착될 수 있다.
제2 보조 기어(317)는 구동기 샤프트(310) 상에 배치될 수 있고, 제5 피니언 샤프트(360)에 동작 가능하게 부착된 제5 피니언 기어(365)와 맞물리거나 다른 방식으로 맞물릴 수 있다. 일부 실시예에서, 제5 피니언 기어(365)는 구동 기어(315)와는 다른 수평 평면 또는 축을 따라 배치될 수 있다. 예를 들어, 제5 피니언 기어(365)는 구동 유닛(302)과는 반대쪽 방향으로 구동 기어(315)로부터 떨어져 배치될 수 있다. 제5 피니언 기어(365)는 제5 피니언 샤프트(360)에 동작 가능하게 장착될 수 있다. 예를 들어, 제5 피니언 기어(365)는 제5 피니언 샤프트(360)에 체결될 수 있으며, 제5 피니언 기어(365)의 회전은 제5 피니언 샤프트(360)의 회전으로 변환된다. 다른 실시예에서, 제5 피니언 기어(365)는 제5 피니언 샤프트(360)와 구조적으로 일체형일 수 있다. 제5 피니언 샤프트(360)는 제5 피니언 기어(365)의 면으로부터 제5 피니언 기어(365)의 중심축을 따라 돌출될 수 있다. 제5 피니언 기어(365)의 실시예는 제5 피니언 기어(365)의 외부 원주 표면을 따라 톱니를 포함할 수 있다. 제5 피니언 기어(365)의 기어 톱니는 다양한 간격, 두께, 피치, 크기 등을 가질 수 있다. 유사하게, 제5 피니언 기어(365)의 크기는 기어 시스템(301)의 상이한 원하는 속도, 비율, 토크 전달 등을 달성하도록 변할 수 있다.
나아가, 압축기 단(370)은 제5 피니언 샤프트(360)의 단부(361)에 동작 가능하게 연결될 수 있다. 압축기 단(370)의 실시예는 양변위 압축기 단일 수 있다. 일부 실시예에서, 양변위 압축기는 제5 피니언 샤프트(360)의 단부(361)에 직접 또는 다른 방식으로 장착될 수 있다.
일부 실시예에서, 압축기(300)는 또한 구동 유닛(302)이 부착된 단부의 반대쪽 구동 샤프트(310)의 단부에 동작 가능하게 부착된 양변위 압축단을 포함할 수 있다. 따라서, 압축기(300)의 실시예는 다른 압축단(370)에서 하나 이상의 원심 압축단과 조합하여 사용되는 적어도 3개의 양변위 압축단을 포함할 수 있다. 추가적인 실시예에서, 양변위 압축단은 추가적인 위치들에서 압축기(300)의 기어 시스템(301)에 동작 가능하게 부착될 수 있고, 나머지 압축단(370)이 모두 원심 압축단인 것은 아니다.
도 17 내지 도 18은 간접 장착 양변위 압축단(80, 280)을 구비하는 압축기(100, 200, 300)의 일 실시예를 도시한다. 양변위 압축기(80, 280)의 실시예는 스크류 기어링(83, 283)에 추가하여 피니언 기어링(85)을 통해 기어 시스템(101, 201, 301)에 장착될 수 있다.
도 1 내지 도 18을 참조하면, 원심 압축단과 양변위 압축단의 조합을 이용하는 방법은, 구동 유닛(2, 202, 302)에 의해 구동되도록 구성된 기어 시스템(1, 201, 301), 및 이 기어 시스템(1, 201, 301)에 결합된 복수의 압축단(70, 270, 370)을 포함하는 압축기(100, 200, 300)로서, 상기 복수의 압축단(70, 270, 370)은 적어도 하나의 원심 압축단 및 적어도 하나의 양변위 압축단을 포함하는, 상기 압축기(100, 200, 300)를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 전술한 특정 실시예와 관련하여 기술되었지만, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 많은 대안, 수정 및 변형이 자명하다는 것이 명백하다. 따라서, 전술한 본 발명의 바람직한 실시예는 본 발명을 제한하는 것이 아니라 예시적인 것이다. 다음의 청구 범위에 의해 한정된 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수 있을 것이다. 본 청구 범위는 본 발명의 범위를 제공하며, 본 발명의 범위는 본 명세서에 제공된 특정 예로 한정되어서는 안 된다.

Claims (20)

  1. 압축기로서,
    구동 유닛에 의해 구동되도록 구성된 기어 시스템; 및
    상기 기어 시스템에 결합된 복수의 압축단을 포함하되;
    상기 복수의 압축단 중 제1 압축단으로부터 배출된 가스는 제2 압축단으로 향하고,
    상기 복수의 압축단은 피니언 샤프트의 제1 단부에 부착된 적어도 하나의 원심 압축단과, 양변위 압축단의 속도 조절을 허용하는 상기 기어 시스템과 분리된 스크류 기어링과 함께 상기 피니언 샤프트의 제2 단부에 부착된 적어도 하나의 상기 양변위 압축단을 포함하는, 압축기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기어 시스템은 단일 기어 박스 내에 배열되는, 압축기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압축기는 일체형 기어 압축기인, 압축기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기어 시스템은 복수의 피니언 샤프트, 상기 복수의 피니언 샤프트에 동작 가능하게 연결된 복수의 피니언 기어, 구동 기어 및 구동 샤프트를 포함하는, 압축기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 원심 압축단은 임펠러를 포함하는, 압축기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 양변위 압축단은 회전식 스크류 압축기를 포함하는, 압축기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 양변위 압축단은 직접 장착되는, 압축기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 양변위 압축단은 간접적으로 장착되는, 압축기.
  9. 기어 박스를 구비하는 일체형 기어 압축기로서,
    구동 유닛에 결합된 구동 샤프트를 포함하는 구동 기어;
    상기 구동 기어의 제1 측에서 상기 구동 기어와 맞물리고 제1 피니언 샤프트를 구비하는 제1 피니언 기어;
    상기 구동 기어의 제2 측에서 상기 구동 기어와 맞물리고 제2 피니언 샤프트를 구비하는 제2 피니언 기어;
    상기 제1 피니언 기어 및 상기 제2 피니언 기어와는 다른 평면에서 상기 구동 기어와 맞물리고 제3 피니언 샤프트를 구비하는 제3 피니언 기어;
    (i) 상기 제1 피니언 샤프트 또는 (ii) 상기 구동 샤프트에 결합된 양변위 압축단; 및
    상기 제2 피니언 샤프트에 결합된 원심 압축단을 포함하고,
    상기 양변위 압축단은 상기 양변위 압축단의 속도 조절을 허용하는 상기 구동 기어와 분리된 스크류 기어링을 포함하는, 일체형 기어 압축기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 양변위 압축단은 적어도 하나의 스크류를 포함하는, 일체형 기어 압축기.
  11. 제9항에 있어서, 상기 양변위 압축단은 상기 일체형 기어 압축기의 제3 압축단 후에 있는, 일체형 기어 압축기.
  12. 제9항에 있어서, 상기 양변위 압축단은 상기 일체형 기어 압축기의 제4 압축단 전에 있는, 일체형 기어 압축기.
  13. 제9항에 있어서, 상기 구동 샤프트 상에 배치된 제1 보조 기어를 더 포함하되, 상기 제1 보조 기어는 제4 피니언 샤프트에 동작 가능하게 부착되는 제4 피니언 기어와 맞물리는, 일체형 기어 압축기.
  14. 제9항에 있어서, 상기 구동 샤프트 상에 배치된 제2 보조 기어를 더 포함하되, 상기 제2 보조 기어는 제5 피니언 샤프트에 동작 가능하게 부착되는 제5 피니언 기어와 맞물리는, 일체형 기어 압축기.
  15. 제9항에 있어서, 상기 양변위 압축단은 직접 장착되는, 일체형 기어 압축기.
  16. 제9항에 있어서, 상기 양변위 압축단은 간접 장착되는, 일체형 기어 압축기.
  17. 방법으로서,
    일체형 기어 압축기 내에서 적어도 하나의 원심 압축단과 적어도 하나의 양변위 압축단을 결합시키는 단계를 포함하고,
    상기 일체형 기어 압축기는 구동 유닛에 의해 구동되도록 구성된 기어 시스템을 갖고,
    적어도 하나의 상기 원심 압축단은 피니언 샤프트의 제1 단부에 부착되고, 적어도 하나의 상기 양변위 압축단은 적어도 하나의 상기 양변위 압축단의 속도 조절을 허용하는 상기 기어 시스템과 분리된 스크류 기어링과 함께 상기 피니언 샤프트의 제2 단부에 부착되고,
    적어도 하나의 상기 원심 압축단으로부터 배출된 가스는 적어도 하나의 상기 양변위 압축단으로 향하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 일체형 기어 압축기는, 구동 유닛에 결합된 구동 샤프트를 구비하는 구동 기어, 상기 구동 기어의 제1 측에서 상기 구동 기어와 맞물리고 제1 피니언 샤프트를 구비하는 제1 피니언 기어, 상기 구동 기어의 제2 측에서 상기 구동 기어와 맞물리고 제2 피니언 샤프트를 구비하는 제2 피니언 기어, 및 상기 제1 피니언 및 상기 제2 피니언과는 다른 평면에서 상기 구동 기어와 맞물리고 제3 피니언 샤프트를 구비하는 제3 피니언 기어를 포함하는, 방법.
  19. 삭제
  20. 삭제
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