KR102495740B1

KR102495740B1 - 임펠러

Info

Publication number: KR102495740B1
Application number: KR1020180029676A
Authority: KR
Inventors: 김영대; 김승민
Original assignee: 한화파워시스템 주식회사
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2023-02-06
Also published as: KR20190108314A

Abstract

본 발명은 압축기에 사용되는 임펠러에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 후면에 형성된 리세스(recess)를 통해 가스(process gas)를 냉각시키는 임펠러에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 임펠러는, 상기 가스가 유입되는 일면에는 복수의 블레이드가 형성되고, 타면에는 상기 유입된 가스의 일부가 유출되는 유로를 형성하는 복수의 리세스(recess)가 형성되고, 상기 복수의 리세스는 상기 타면의 외측 단부로부터 상기 임펠러의 회전축방향으로 방사형으로 형성되고, 상기 외측 단부로부터 상기 회전축 방향으로 갈수록 상기 복수의 리세스의 너비가 넓어진다.

Description

임펠러{Impeller}

본 발명은 압축기에 사용되는 임펠러에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 후면에 형성된 리세스를 통해 가스(process gas)를 냉각시키는 임펠러에 관한 것이다.

가스 터빈 엔진은 연료를 연소시켜 터빈을 회전시킬 수 있다. 연료의 연소는 연소기에 의하여 수행될 수 있는데, 연소가 수행됨에 있어서 많은 양의 공기를 필요로 한다.

연소기에 충분한 공기를 공급하기 위하여 압축기가 이용될 수 있다. 압축기는 대량의 공기를 압축하여 연소기에 공급하고, 연소기는 공급된 공기를 이용하여 연료를 연소시킬 수 있다.

압축기에 사용되는 모터는 고정자와 회전자를 포함할 수 있다. 고정자에 대하여 회전자가 회전하면서 열이 발생할 수 있다. 또한 압축기에 사용되는 로터 및 베어링 등에서도 열이 발생할 수 있다. 압축기는 내부에서 발생하는 열을 제거하기 위하여 별도의 냉각 수단을 구비하여야 한다.

도 1은 별도의 냉각 수단이 구비된 종래의 압축기를 나타낸다. 종래의 압축기는 공급관(1)을 통해 인스트루먼트 에어(instrument air)를 저온으로 공급하여 모터(2), 로터(3), 베어링(4) 등에서 발생하는 열을 냉각하였다.

그런데, 별도의 냉각 수단으로 인하여 전체적인 압축기의 크기 및 중량이 증가할 수 있다. 따라서, 별도의 냉각 수단을 구비하지 않고도 압축기 내부에서 발생하는 열을 제거하는 발명의 등장이 요구된다.

한국 공개특허공보 10-2017-0083261호 (2017.07.18)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 임펠러와 디퓨져 사이로 유출되는 가스를 냉각시킬 수 있는 임펠러의 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 임펠러는, 상기 가스가 유입되는 일면에는 복수의 블레이드가 형성되고, 타면에는 상기 유입된 가스의 일부가 유출되는 유로를 형성하는 복수의 리세스(recess)가 형성되고, 상기 복수의 리세스는 상기 타면의 외측 단부로부터 상기 임펠러의 회전축방향으로 방사형으로 형성되고, 상기 외측 단부로부터 상기 회전축 방향으로 갈수록 상기 복수의 리세스의 너비가 넓어진다.

또한 상기 복수의 리세스는 상기 타면의 중앙 부근에서 서로 연결되고, 상기 유입된 가스의 일부는 상기 외측 단부로부터 상기 회전축 방향으로 유출되어, 상기 중앙 부근에서 합류할 수 있다.

또한 상기 복수의 리세스는 나선형으로 형성될 수 있다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명에 따르면 임펠러의 일면에 형성된 복수의 리세스를 통해 가스가 냉각되어 모터 하우징 내부로 유입됨으로써, 별도의 냉각 수단을 구비하지 않고도 모터 하우징 내부에서 발생하는 열을 제거하는 장점을 제공한다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 별도의 냉각 수단이 구비된 종래의 압축기를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 임펠러가 장착되는 압축기의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 임펠러가 장착되는 압축기의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 임펠러와 디퓨져를 나타낸다
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 임펠러의 정면사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 임펠러의 배면사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 임펠러의 후면을 따라 흐르는 가스를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 임펠러에 형성된 나선형 리세스를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 임펠러가 장착된 압축기의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 임펠러에 의해 냉각된 가스가 모터 하우징 내부로 유입되는 것을 나타낸다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

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 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 임펠러가 장착되는 압축기의 분해 사시도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 임펠러가 장착되는 압축기의 사시도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 임펠러가 장착되는 압축기(10)는 모터 하우징(100), 로터(200), 베어링 디스크(300), 차폐 링(400), 지지 디스크(500), 임펠러(700), 나선 케이스(800), 및 디퓨져(900)를 포함하여 구성될 수 있다.

모터 하우징(100)은 고정자(미도시)와 로터(200)를 수용하여 로터(200)의 회전 공간을 제공할 수 있다. 모터 하우징(100)의 내부에는 고정자가 고정 결합될 수 있다.

로터(200)는 고정자의 자기력 변화에 의하여 회전할 수 있다. 로터(200)는 원 기둥의 형상을 갖고, 내부에는 영구 자석이 구비될 수 있다. 고정자가 변화하는 자기력을 제공함에 따라 로터(200)는 회전할 수 있게 된다.

로터(200)의 말단에는 임펠러(700)와의 결합을 위한 결합 로드(210)가 구비될 수 있다. 로터(200)는 결합 로드(210)를 통하여 임펠러(700)에 결합되고, 모터 하우징(100)의 내부에서 발생된 회전 동력을 임펠러(700)로 전달할 수 있다.

로터(200)의 일단에는 베어링 디스크(300)가 구비될 수 있다. 구체적으로, 베어링 디스크(300)는 임펠러(700)가 결합되는 로터(200)의 일단에서 결합 로드(210)에 결합될 수 있다. 베어링 디스크(300)는 로터(200)와 함께 일체형으로 회전할 수 있다.

베어링 디스크(300)는 로터(200)와 모터 하우징(100)간의 마찰을 완화시키는 역할을 수행한다. 본 발명의 실시예에 따른 압축기(10)는 에어 포일 베어링(air foil bearing)으로 로터(200)와 모터 하우징(100)을 연결할 수 있다. 베어링 디스크(300)는 에어 포일 베어링의 일측일 수 있다. 모터 하우징(100)에는 베어링 디스크(300)를 수용하는 디스크 수용 공간(미도시)이 구비되는데, 베어링 디스크(300)는 디스크 수용 공간에 직접적으로 접촉하지 않고 회전할 수 있다.

차폐 링(400)은 래비린스 씰(600)에 형성된 관통홀에 배치되어 임펠러(700)측에서 발생된 가압 가스가 모터 하우징(100)의 내부로 유입되는 것을 제한하는 역할을 수행한다. 차폐 링(400)은 로터(200)의 일단에 구비될 수 있다. 구체적으로, 차폐 링(400)은 베어링 디스크(300)에 결합되어 베어링 디스크(300)와 함께 회전할 수 있다.

지지 디스크(500)는 모터 하우징(100)에 고정 결합되어 로터(200)의 일단을 지지하는 역할을 수행한다. 로터(200)는 지지 디스크(500)에 지지되어 모터 하우징(100)에 대하여 회전할 수 있다. 지지 디스크(500)는 래비린스 씰(600)을 포함할 수 있다. 래비린스 씰(600)은 임펠러(700)와 로터(200)의 사이에 구비되어 임펠러(700)에 의해 가압된 가스가 모터 하우징(100)의 내부로 유입되는 것을 제한하는 역할을 수행한다.

로터(200)에 결합된 차폐 링(400)은 래비린스 씰(600)의 내측에서 회전할 수 있다. 차폐 링(400)이 래비린스 씰(600)에 근접한 상태로 회전함에 따라 가압 가스가 모터 하우징(100)으로 유입되는 것이 제한될 수 있다.

임펠러(700)는 회전에 의하여 가스를 가압하는 역할을 수행한다. 임펠러(700)는 로터(200)의 회전 동력을 전달받아 회전할 수 있다. 임펠러(700)는 로터(200)의 결합 로드(210)에 결합되어 로터(200)로부터 회전 동력을 전달받을 수 있다. 임펠러(700)는 너트(220)에 의하여 결합 로드(210)에 결합될 수 있다. 이를 위하여 결합 로드(210)에는 너트(220)와의 결합을 위한 나사산이 형성될 수 있다.

디퓨져(900)는 임펠러(700)에 의해 고속으로 회전하는 가스의 속도를 낮추는 역할을 수행한다. 가스는 속도가 낮아짐에 따라 압력이 증가할 수 있다.

도 4를 함께 참조하면, 임펠러(700)는 로터(200)에 의해 회전하는 회전 부재이고, 디퓨져(900)는 회전하지 않는 고정 부재이기 때문에, 임펠러(700)와 디퓨져(900) 사이에는 회전 마찰을 방지하기 위한 간극(D)이 존재하게 된다. 이 간극(D)을 통해 가스의 일부가 유출될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 임펠러(700)는 유출된 일부 가스를 냉각시키는 기능을 포함하므로, 간극을 관통한 가스는 모터 하우징(100)의 내부로 유입되어 모터 하우징(100) 내부의 냉각에 이용될 수 있다. 임펠러(700)의 가스를 냉각시키는 기능에 대해서는 후술한다.

나선 케이스(800)는 가스의 이동 경로를 제공하는 역할을 수행한다. 나선 케이스(800)는 가스 유입구(810), 가스 배출구(820) 및 가스 이송관(830)을 포함할 수 있다. 가스 유입구(810)는 가스의 유입 경로를 제공하고, 가스 배출구(820)는 가스의 배출 경로를 제공할 수 있다.

가스 유입구(810)를 통하여 유입된 가스는 임펠러(700) 및 디퓨져(900)에 의하여 가압될 수 있다. 가압된 가스는 가스 이송관(830)을 통하여 이송되고, 가스 배출구(820)를 통하여 배출될 수 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 임펠러의 사시도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 임펠러의 후면을 따라 흐르는 가스를 나타낸다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 임펠러(700)의 일면에는 복수의 블레이드(710)가 형성될 수 있다. 복수의 블레이드(710)는 회전하는 작동 유체가 복수의 블레이드(710)와 박리되지 않도록 나선형으로 형성될 수 있다. 또한 임펠러(700)의 일면에는 복수의 스프릿터(720, splitter)가 형성될 수 있다. 스프릿터(720)는 가스 분산시켜 임펠러(700)의 압축 효율을 높일 수 있다.

임펠러(700)의 타면에는 복수의 리세스(730)가 방사형으로 형성될 수 있다. 이때, 복수의 리세스(730)는 서로 등간격을 이루도록 형성될 수 있다. 그러나 도 6에 도시된 것과 달리 복수의 리세스(730)는 서로 상이한 간격을 이루도록 형성될 수 있다. 또한 도 6에는 복수의 리세스(730)가 9개 형성되어 있으나, 이와 다른 개수로 형성될 수 있다.

복수의 리세스(730)는 타면의 외측 단부(740)로부터 임펠러의 회전축(Ax)를 향하여 형성될 수 있다. 외측 단부(740)로부터 형성되는 복수의 리세스(730)는 임펠러(700)의 중앙 부근에서 연결될 수 있다.

또한 복수의 리세스(730)는 외측 단부(740)로부터 회전축(Ax)의 방향으로 갈수록 너비가 넓어지도록 형성될 수 있다. 이때, 복수의 리세스(730)는 도 6에 도시된 것처럼 테이퍼 형상으로 형성될 수 있다. 또는 복수의 리세스(730)는 도 8에 도시된 것처럼 나선형으로 형성될 수 있다. 이 경우, 임펠러(700)의 일면에서 바라보았을 때 복수의 블레이드(710)가 휘어진 방향과 임펠러(700)의 후면에서 바라보았을 때 복수의 리세스(730)가 휘어진 방향이 동일하도록, 복수의 리세스(730)는 나선형으로 형성될 수 있다.

또한 복수의 리세스(730)는 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 복수의 리세스(730)는 동일한 너비 및 깊이를 갖도록 형성될 수 있다. 또는 이와 달리 복수의 리세스(730)는 서로 다른 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 복수의 리세스(730)는 서로 다른 너비 및 깊이를 갖도록 형성될 수 있다.

도 7을 참조하면, 임펠러(700)의 타면에 형성된 복수의 리세스(730)로 유입되는 가스를 나타낸다. 임펠러(700)에 의해 압축된 가스의 일부는 외측 단부(740)로부터 회전축(Ax) 방향으로 유출되어 중앙 부근에서 합류할 수 있다. 이때, 복수의 리세스(730)의 면적 변화와 임펠러(700)가 회전하는 회전력에 인해 복수의 리세스(730)를 지나는 가스는 팽창되면서 급속 냉각될 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 임펠러가 장착된 압축기의 단면도이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 임펠러에 의해 냉각된 가스가 모터 하우징 내부로 유입되는 것을 나타낸 도면이다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 로터(200)는 모터 하우징(100)의 내부에 수용되고, 고정자(120)의 자력 변화에 의하여 회전할 수 있다.

로터(200)의 내부에는 영구 자석(230)이 구비될 수 있다. 고정자(120)가 변화하는 자력을 형성함에 따라 로터(200)가 회전할 수 있게 된다. 임펠러(700)는 로터(200)와 함께 회전하여 가스를 가압할 수 있다.

가스 유입구(810)를 통하여 유입된 가스는 임펠러(700)의 회전력에 의하여 가압되고, 가압된 가스는 가스 이송관(830)을 따라 이동하다가 가스 배출구(820)를 통하여 배출될 수 있다.

모터 하우징(100)의 내부 공간에는 에어 포일 베어링(110)이 구비될 수 있다. 로터(200)는 모터 하우징(100)의 내부 표면과 직접적으로 접촉하지 않은 상태에서 회전할 수 있다.

도 10은 임펠러(700)에 형성된 복수의 리세스(730)에 의하여 냉각된 가스가 모터 하우징(100)의 내부로 유입되는 것을 도시하고 있다. 모터 하우징(100)의 내부로 유입된 가스는 고정자(900)와 로터(200)의 냉각에 이용될 수 있다.

로터(200)의 일단에는 베어링 디스크(300)가 구비되고, 래비린스 씰(600)은 임펠러(700) 및 베어링 디스크(300)의 사이에 구비될 수 있다. 이에, 래비린스 씰(600)을 통과한 가스는 베어링 디스크(300)를 통하여 모터 하우징(100)의 내부로 유입될 수 있다. 이 때, 가스에 의하여 베어링 디스크(300)가 냉각될 수 있다.

차폐 링(400)의 직경은 로터(200)의 직경에 비하여 작게 형성될 수 있다. 이에, 베어링 디스크(300)의 전체 면적 중 래비린스 씰(600)을 통과한 가스에 노출되는 면적이 증가하고, 이로 인하여 베어링 디스크(300)의 냉각 효율이 향상될 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 공급관 2: 모터
3: 로터 4: 베어링
10: 압축기 100: 모터 하우징
200: 로터 210: 결합 로드
220: 너트 230: 영구 자석
300: 베어링 디스크 400: 차폐 링
500: 지지 디스크 600: 래비린스 씰
700: 임펠러 710: 블레이드
720: 스프릿터 730: 리세스
740: 임펠러의 외측 단부 800: 나선 케이스
810: 가스 유입구 820: 가스 배출구
830: 가스 이송관 900: 디퓨져

Claims

회전하여 가스를 가압하는 임펠러에 있어서,
상기 가스가 유입되는 일면에는 복수의 블레이드가 형성되고,
타면에는 상기 유입된 가스의 일부가 유출되며 냉각되는 유로를 형성하는 복수의 리세스(recess)가 형성되고,
상기 복수의 리세스는 상기 타면의 외측 단부로부터 상기 임펠러의 회전축방향으로 방사형으로 형성되고, 상기 외측 단부로부터 상기 회전축 방향으로 갈수록 상기 복수의 리세스의 너비가 넓어지도록 형성되어,
상기 유입된 가스의 일부가 상기 외측 단부를 따라 상기 타면으로 유출되며, 상기 유출된 가스는 상기 리세스를 따라 상기 외측 단부로부터 상기 회전축 방향으로 이동하며 냉각되는, 임펠러.
◈청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제1항에 있어서,
상기 복수의 리세스는 상기 타면의 중앙 부근에서 서로 연결되고,
상기 유출된 가스는 상기 리세스를 따라 이동하여 상기 중앙 부근에서 합류하는, 임펠러.
◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제1항에 있어서,
상기 복수의 리세스는 나선형으로 형성되는, 임펠러.