KR102458454B1 - 터보기계 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 터보기계는 회전축, 상기 회전축에 결합되어 유체에 원심력을 제공하는 복수 개의 블레이드를 구비하는 임펠러, 상기 임펠러와 미리 정해진 간극을 형성하면서 하우징에 상대적으로 슬라이드 가능하게 상기 하우징에 결합되는 쉬라우드, 상기 임펠러에서 유출되는 상기 유체를 가이드하고 상기 쉬라우드의 내벽에 접촉하는 디퓨저베인(vane)과, 상기 디퓨저베인이 고정되는 디퓨저플레이트를 구비하는 디퓨저, 상기 디퓨저를 지지하는 디퓨저지지부, 그리고 상기 디퓨저플레이트의 저면에 접촉한 상태로 상기 디퓨저지지부에 삽입되는 열변형부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

터보기계{Turbomachine}

본 발명은 터보기계에 관한 것으로서, 상세하게는 쉬라우드와 로터 사이의 간극을 설계치 범위 내로 일정하게 유지할 수 있는 터보기계에 관한 것이다.

터보기계의 한 종류로서, 원심압축기는 회전 운동을 하는 임펠러를 이용하여 유체를 축방향으로 흡입한 다음, 원심방향으로 토출시키면서 유체를 압축하는 장치이다.

도 6 및 도 7에는 한국공개특허공보 제10-2018-0019416호에 개시된 원심압축기의 한 예가 도시되어 있다. 참고로, 도 6 및 도 7은 상기 한국공개특허공보의 도 2 및 도 3에 각각 대응하는 것으로서, 설명의 편의상 도면부호 등은 수정 없이 그대로 표시하였다. 그리고 후술되는 본 발명의 설명에 사용된 도면부호와 동일한 도면부호를 사용하더라도 동일한 구성요소를 지칭하는 것은 아니다.

이러한 종래의 원심압축기(200)는 원심 압축기(200)는 회전축(210)과, 임펠러(220)와, 케이싱(230)과, 디퓨져 베인(240)을 포함한다. 구체적으로, 회전축(210)은 모터 및 기어박스와 같은 구동부로부터 회전력을 제공받아, 임펠러(220)를 회전시킨다. 회전축(210)은 씰(seal) 등에 의해 백 플레이트(232)에 결합된다. 임펠러(220)는 케이싱(230)의 내부에 배치되고, 회전축(210)을 중심으로 회전 가능하도록 설치되고, 회전축(210)을 중심으로 방사상으로 형성되는 복수 개의 블레이드(221)를 구비한다. 이러한 블레이드(221)들은 임펠러(220)의 회전에 따라 함께 회전하여, 케이싱(230)의 유입구(233)를 따라 유입되는 유체를 방사상으로 강제 이동시킬 수 있다.

그런데 터보기계는 운전 중 주변온도 또는 로터와 모터 등에서 발생하는 열에 의해 케이싱과 회전축에 인장 또는 수축이 발생할 수 있다.

고온, 고압 및 고속 터보기계의 경우 쉬라우드(shroud)와 임펠러(로터) 구체적으로, 임펠러 블레이드가 서로 접촉하게 되면 대형사고로 이어질 수 있기 때문에 쉬라우드와 임펠러의 간극 조절은 매우 중요하다.

이러한 점 때문에 종래의 터보기계는 임펠러가 쉬라우드와 접촉 없이 안정적으로 회전할 수 있도록 임펠러의 열팽창을 고려하여 간극 크기를 설계 크기보다 크게 조립하는 실정이다.

앞서 언급한 바와 같이, 터보기계의 운전 중 열팽창 또는 열수축 발생시 케이싱과 축에 인장 또는 수축이 발생하며, 대부분의 경우 케이싱과 축의 소재가 다르기 때문에 변형량의 차이가 생긴다(케이싱과 축의 소재가 단일 금속으로 구성되지 않고 이종의 소재로 구성). 따라서, 터보기계 운전 중 금속의 열팽창/수축 크기 차이로 쉬라우드와 임펠러 사이의 간극 크기가 최초 조립 조건과 달라지며, 이때 간극이 0에 근접하게 되면 마찰로 인한 손상이 발생될 수 있으며, 반대로 간극이 설계 간극보다 커질 경우 간극에서의 누설 손실이 발생하는 문제점이 있었다.

한국공개특허공보 제10-2018-0019416호(2018.02.26.)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 쉬라우드와 임펠러(로터) 사이의 간극을 설계 크기로 유지할 수 있는 터보기계를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 터보기계는 회전축, 상기 회전축에 결합되어 유체에 원심력을 제공하는 복수 개의 블레이드를 구비하는 임펠러, 상기 임펠러와 미리 정해진 간극을 형성하면서 하우징에 상대적으로 슬라이드 가능하게 상기 하우징에 결합되는 쉬라우드, 상기 임펠러에서 유출되는 상기 유체를 가이드하고 상기 쉬라우드의 내벽에 접촉하는 디퓨저베인(vane)과, 상기 디퓨저베인이 고정되는 디퓨저플레이트를 구비하는 디퓨저, 상기 디퓨저를 지지하는 디퓨저지지부, 그리고 상기 디퓨저플레이트의 저면에 접촉한 상태로 상기 디퓨저지지부에 삽입되는 열변형부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 열변형부재는 상기 회전축과 동일한 열팽창 및 열수축 양을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 열변형부재에는 열선이 연결되고, 상기 열선을 통해 상기 열변형부재의 온도를 조절하는 온도제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 디퓨저플레이트의 측면 및 저면과, 상기 디퓨저지지부 사이에는 노즐흔들림방지부가 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 열변형부재는 이종 소재로 이루어진 2종 이상의 열변형부재가 상호 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 쉬라우드에는 탄성부재가 장착되고, 상기 탄성부재는 상기 쉬라우드를 상기 하우징 쪽으로 이동시키는 복원력을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하우징과 상기 쉬라우드는 체결수단으로 체결되고, 상기 쉬라우드 내에는 상기 탄성부재가 압축된 상태로 장착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 쉬라우드에는 상기 탄성부재를 수용하는 홈이 구비될 수 있고, 상기 홈은 상기 탄성부재의 일단을 지지하는 걸림턱을 구비하며, 상기 탄성부재의 타단은 상기 체결수단에 지지되는 것을 특징으로 한다.

상술한 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 터보기계는 다음과 같은 효과를 가진다.

열에 의하여 회전축의 길이 변화가 발생하여도, 회전축과 쉬라우드 사이의 간극을 설계치수로 일정하게 유지시킬 수 있다.

또한, 열변형부재의 선정에 따라 열변형 전에는 조립에 수월하도록 간극을 크게 하고 열변형 조건(운전 조건)에서는 간극을 설계 간극으로 상대적으로 작게 유지할 수 있다.

또한, 터보기계 조립 중 간극을 임의로 조정하지 않아도 되고, 열 변형량을 고려하여 열변형부재가 선정되었기 때문에 회전축의 변형과 동시에 자동으로 간극의 크기가 설계치대로 유지될 수 있다.

또한, 쉬라우드와 임펠러 사이의 간극 조정을 위한 추가적인 부가 장치가 필요 없기 때문에 구조가 간단하다.

또한, 열변형부재를 규격화하여 작동 조건에서의 온도별 변형량을 시리즈화 하여 상품화 가능하다.

한편, 본 발명은 명시적으로 기재되지는 않았지만 상술한 구성으로부터 기대할 수 있는 다른 효과도 물론 포함한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 터보기계의 주요 구성의 단면도이다.
도 2는 도 1의 터보기계에서, 회전축의 열팽창에 따라 쉬라우드와 임펠러 블레이드 사이의 간극이 설계치보다 작게 된 상태를 나타낸다.
도 3은 도 2의 터보기계에서, 열변형부재의 열팽창에 따라 쉬라우드와 임펠러 블레이드 사이의 간극의 설계치 내로 유지되는 상태를 나타낸다.
도 4는 도 3의 터보기계에서, 회전축의 열수축으로 인해 쉬라우드와 임펠러 블레이드 사이의 간극이 설계치보다 크게 된 상태를 나타낸다.
도 5는 도 1의 터보기계의 열변형부재의 주변온도 대비 변형량을 예시적으로 나타내는 테이블이다.
도 6은 종래의 원심 압축기의 개략적인 단면도이다.
도 7은 도 6의 원심 압축기에서 회전축과 임펠러의 결합 관계를 나타낸다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1에는 본 발명의 한 실시예에 따른 터보기계의 주요 구성을 나타내고, 도 2는 도 1의 터보기계에서, 회전축의 열팽창에 따라 쉬라우드와 임펠러 블레이드 사이의 간극이 설계치보다 작게 된 상태를 나타내고, 도 3은 도 2의 터보기계에서, 열변형부재의 열팽창에 따라 쉬라우드와 임펠러 블레이드 사이의 간극의 설계치 내로 유지되는 상태를 나타내며, 도 4는 도 3의 터보기계에서, 회전축의 열수축으로 인해 쉬라우드와 임펠러 블레이드 사이의 간극이 설계치보다 크게 된 상태를 나타낸다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 터보기계는, 회전축(1), 임펠러(impeller)(2), 쉬라우드(shroud)(5), 디퓨저(diffuser)(3), 디퓨저지지부(4), 그리고 열변형부재(6)를 포함한다.

임펠러(2)는 회전축(1)에 결합되어 유체에 원심력을 제공하는 복수 개의 블레이드(21)를 구비한다.

쉬라우드(5)는 임펠러(2)와 미리 정해진 간극(Gd)을 형성하면서 하우징(6)에 상대적으로 슬라이드 가능하게 하우징(6)에 결합된다.

쉬라우드(5)의 하우징(9)에 대한 상대적 슬라이드 운동을 가능하게 하기 위하여, 쉬라우드(5)에는 탄성부재(7) 예컨대, 코일스프링이 장착된다. 탄성부재(7)는 쉬라우드(5)를 하우징(9) 쪽으로 이동시키는 복원력을 구비할 수 있다. 구체적으로, 하우징(9)과 쉬라우드(5)는 체결수단, 예를 들면 볼트/너트 결합으로 체결되고, 쉬라우드(5) 내에는 탄성부재(7)가 압축된 상태로 장착될 수 있다. 탄성부재(7)가 장착되기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이, 쉬라우드(5)에는 탄성부재(7)를 수용하는 홈(예컨대, 원형홈)(71)이 구비될 수 있고, 이 홈(71)은 탄성부재(7)의 일단을 지지하는 걸림턱을 구비하며, 탄성부재(7)의 타단은 볼트 헤드부(워셔부)(72)에 지지될 수 있다.

디퓨져(3)는 임펠러(2)에서 유출되는 유체를 가이드하고 쉬라우드(5)의 내벽에 접촉하는 디퓨저베인(vane)(31)과, 디퓨저베인(31)이 고정되는 디퓨저플레이트(32)를 구비한다.

디퓨저지지부(4)가 디퓨저플레이트(32)의 하단에 접촉하여 디퓨저(3)를 지지한다.

그리고 디퓨저플레이트(32)의 측면(321) 및 저면(322)과, 디퓨저지지부(4) 사이에는 노즐흔들림방지부(8), 예를 들면, 오링이 구비되어 디퓨저(3)의 흔들림을 방지하면서 안정적으로 지지되도록 할 수 있다.

열변형부재(6)는 디퓨저플레이트(32)의 저면에 접촉한 상태로 디퓨저지지부(4)에 삽입된다. 여기서, 열변형부재(6)는 회전축(1)과 동일한 열팽창 및 열수축 양을 가지는 것이 바람직하다.

열변형부재(6)는 단일의 소재로 구성될 수도 있으나, 이종 소재로 이루어진 2종 이상의 열변형부재가 상호 연결하여 구성할 수도 있다. 도 5에는 단일 또는 이종 소재로 이루어진 열변형부재(6)의 주변온도 대비 변형량의 예시를 나타낸다. 이와 같이, 적절한 소재를 선정하여, 단일 또는 이종 소재로 열변형부재(6)를 제작함으로써, 터보기계의 여러 작동 온도 조건에 원활하게 대응할 수 있다. 또한, 열변형부재(6)를 규격화하여 여러 작동 조건에서의 온도별 변형량을 시리즈화 하여 상품화하는 것도 가능하다.

한편, 본 실시예는 온도제어부(미도시)를 더 포함하며, 온도제어부는 열변형부재(6)에 연결된 열선을 구비하고, 열선을 통해 열변형부재(6)의 온도를 조절할 수 있다. 이를 통하여, 온도제어부는 열변형부재(6)의 열팽창 및 열수축 양을 제어할 수 있다.

이하에서는 상술한 바와 같은 구성을 가진 본 발명의 한 실시예에 따른 터보기계의 작용에 대하여 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 터보기계 운전 중, 회전축(1)의 열팽창이 발생할 경우, 쉬라우드(5)와 임펠러 블레이드(21) 사이의 간극(G)이 설계치(Gd)보다 작게 된다.

이때, 회전축(1)과 동일한 열팽창 양을 가진 소재로 이루어진 열변형부재(6)가 열팽창하면서 디퓨저플레이트(32)를 우측(도 3 기준 우측)으로 밀어주게 되고, 디퓨저베인(32)과 접촉하고 있는 쉬라우드(5)도 우측으로 이동하게 된다. 이때, 쉬라우드(5) 내에 장착된 탄성부재, 예를 들면 스프링(7)은 압축된 상태가 된다.

한편, 설명의 편의상 회전축(1)이 열팽창 하면서 임펠러(임펠러 블레이드)가 이동하고, 그 다음 열변형부재(6)의 열팽창으로 간극이 설계치대로 맞추어지는 과정을 구분하여 설명하였으나, 실제로는 이 두 과정은 동시에 이루어지는 것임을 인지하여야 할 것이다.

만일, 도 3의 상태에서, 회전축(1)의 열수축이 발생할 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 쉬라우드(5)와 임펠러 블레이드(21) 사이의 간극(G)은 설계치(Gd)보다 크게 된다. 이 경우, 유체의 누설이 발생하여 터보기계의 효율에 나쁜 영향을 주게 된다.

이때, 회전축(1)과 동일한 열수축 양을 가진 소재로 이루어진 열변형부재(6)가 열수축하면서 디퓨저플레이트(32)를 좌측(도 4 기준 좌측)으로 이동하게 된다(도 1 참조). 이때, 쉬라우드(5) 내에 장착된 탄성부재(7)가 압축상태에서 원상태로 복원력을 행사하면서 쉬라우드(5)를 좌측으로 밀어주게 된다.

마찬가지로, 설명의 편의상 회전축(1)이 열수축 하면서 임펠러(임펠러 블레이드)가 좌측으로 이동하고, 그 다음 열변형부재(6)의 열수축으로 간극이 설계치대로 맞추어지는 과정을 설명하였으나, 이 두 과정은 실질적으로 동시에 이루어지면서, 쉬라우드(5)와 임펠러(2) 사이의 간극(G)은 설계치(Gd)대로 적절하게 유지될 수 있다.

한편, 열변형부재(6)가 열팽창, 열수축하는 동안 디퓨저플레이트(32)가 좌우(도 1 기준 좌우 방향)로 이동하는 과정에서 유체의 누설 및 디퓨저플레이트(32)의 유격이 생길 수 있는데, 디퓨저플레이트(32)의 측면(321) 및 저면(322)과, 디퓨저지지부(4) 사이에 노즐흔들림방지부, 예컨대 오링(8)을 배치하여 이를 방지할 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 터보기계는 온도제어부(미도시)를 더 구비할 수 있다. 온도제어부는 열변형부재(6)에 연결된 열선을 통하여 열변형부재(6)의 온도를 제어할 수 있으며, 이를 통하여 열변형부재(6)의 열팽창, 열수축 양을 더욱 정밀하게 조절할 수 있다.

가령, 회전축(1)의 열팽창으로 인해 쉬라우드와 임펠러 블레이드 사이의 간극이 설계치보다 작아질 경우, 이에 대응하여 열변형부재(6)가 필요한 치수만큼 열팽창할 수 있도록 열변형부재(6)에 열을 가하여 열변형부재(6)를 열팽창 시킬 수 있고, 이 상태에서 회전축(1)의 열수축으로 인해 쉬라우드와 임펠러 블레이드 사이의 간극이 설계치보다 크질 경우, 이에 대응하여 열변형부재(6)가 필요한 치수만큼 열수축할 수 있도록 열변형부재(6)의 온도를 떨어뜨려 열변형부재(6)를 열수축 시킬 수 있을 것이다.

한편, 본 실시예에서는 터보기계 중 압축기를 예로 들어 기술하였으나, 압축기뿐만 아니라 터빈, 블로워 등 다양한 터보기계에도 적용될 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

1...회전축
2...임펠러
21...임펠러 블레이드
3...디퓨저
31...디퓨저베인, 32...디퓨저플레이트
4...디퓨저지지부
5...쉬라우드
6...열변형부재
7...탄성부재
71...홈 72...볼트 헤드부
8...노즐흔들림방지부(오링)
9...하우징

Claims (8)

1. 회전축,
   상기 회전축에 결합되어 유체에 원심력을 제공하는 복수 개의 블레이드를 구비하는 임펠러,
   상기 임펠러와 미리 정해진 간극을 형성하면서 하우징에 상대적으로 슬라이드 가능하게 상기 하우징에 결합되는 쉬라우드,
   상기 임펠러에서 유출되는 상기 유체를 가이드하고 상기 쉬라우드의 내벽에 접촉하는 디퓨저베인(vane)과, 상기 디퓨저베인이 고정되는 디퓨저플레이트를 구비하는 디퓨저,
   상기 디퓨저를 지지하는 디퓨저지지부, 그리고
   상기 디퓨저플레이트의 저면에 접촉한 상태로 상기 디퓨저지지부에 삽입되는 열변형부재
   를 포함하며,
   상기 열변형부재에는 열선이 연결되고, 상기 열선을 통해 상기 열변형부재의 온도를 조절하는 온도제어부를 포함하는
   터보기계.
2. 제1항에서,
   상기 열변형부재는 상기 회전축과 동일한 열팽창 및 열수축 양을 가지는 터보기계.
3. 삭제
4. 제1항에서,
   상기 디퓨저플레이트의 측면 및 저면과, 상기 디퓨저지지부 사이에는 노즐흔들림방지부가 구비되는 터보기계.
5. 제1항에서,
   상기 열변형부재는 이종 소재로 이루어진 2종 이상의 열변형부재가 상호 연결된 터보기계.
6. 회전축,
   상기 회전축에 결합되어 유체에 원심력을 제공하는 복수 개의 블레이드를 구비하는 임펠러,
   상기 임펠러와 미리 정해진 간극을 형성하면서 하우징에 상대적으로 슬라이드 가능하게 상기 하우징에 결합되는 쉬라우드,
   상기 임펠러에서 유출되는 상기 유체를 가이드하고 상기 쉬라우드의 내벽에 접촉하는 디퓨저베인(vane)과, 상기 디퓨저베인이 고정되는 디퓨저플레이트를 구비하는 디퓨저,
   상기 디퓨저를 지지하는 디퓨저지지부, 그리고
   상기 디퓨저플레이트의 저면에 접촉한 상태로 상기 디퓨저지지부에 삽입되는 열변형부재
   를 포함하며,
   상기 쉬라우드에는 탄성부재가 장착되고, 상기 탄성부재는 상기 쉬라우드를 상기 하우징 쪽으로 이동시키는 복원력을 행사할 수 있는
   터보기계.
7. 제6항에서,
   상기 하우징과 상기 쉬라우드는 체결수단으로 체결되고, 상기 쉬라우드 내에는 상기 탄성부재가 압축된 상태로 장착되는 터보기계.
8. 제7항에서,
   상기 쉬라우드에는 상기 탄성부재를 수용하는 홈이 구비될 수 있고, 상기 홈은 상기 탄성부재의 일단을 지지하는 걸림턱을 구비하며, 상기 탄성부재의 타단은 상기 체결수단에 지지되는 터보기계.

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