KR102556732B1 - 원심형 압축기 임펠러 및 상기 임펠러를 포함하는 압축기 - Google Patents

Abstract

원심형 압축기 임펠러(4)가, 허브(7)로부터 연장되는 복수의 블레이드(6)를 포함하고, 각 블레이드는, 블레이드의 압력 측면을 한정하는 제1 벽(6A) 및 블레이드의 흡입 측면을 한정하는 제2 벽(6B), 그리고 블레이드의 끝단(6C)을 한정하는 자유단을 구비하며, 끝단(6C)은, 제1 벽(6A)에 대해 정렬되는 융기된 테두리(8)를 구비하고, 블레이드의 제2 벽(6B)은, 상기 융기된 테두리(8)를 갖지 않는 끝단(6C)의 표면(6D)과 적어도 부분적으로 정렬된다.

Description

원심형 압축기 임펠러 및 상기 임펠러를 포함하는 압축기

본 명세서에 개시되는 대상의 실시예들은, 원심형 압축기 임펠러에, 그리고 상기 임펠러를 포함하는 원심형 압축기에 관한 것이다.

터보 기계류, 특히 원심형 압축기는, 로터가 그 내부에 회전 가능하게 지지되는, 케이스를 포함할 수 있을 것이다. 로터는, 베어링들에 의해 지지되는 로터 샤프트를 포함할 수 있으며, 그리고 로터 샤프트 상에 작용하는 밀봉체들이, 압축기의 내부공간을 외부환경으로부터 격리하기 위해 제공될 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 임펠러가, 샤프트 상에 장착될 수 있을 것이다. 케이스는, 임펠러들이 그 내부에 배치되며 그리고 회전할 수 있는, 스테이터 베인들을 한정한다. 케이스(또는 스테이터)는 추가로, 각 임펠러를 떠나는 유체를 수집하도록 그리고 (제공되는 경우) 다음 압축기 스테이지로 상기 유체를 공급하도록 구성되는, 스테이터 도관들을 한정한다. 복수의 임펠러를 포함하는 원심형 압축기들은, 일반적으로 다단 원심형 압축기로 지칭된다. 따라서, 각 임펠러는, 압축 스테이지에 일(work)을 제공한다.

임펠러가, 허브로부터 연장되는 복수의 성형 블레이드를 포함할 수 있을 것이다. 허브 및 2개의 인접한 블레이드는, 성형 임펠러 베인을 형성한다.

일부 실시예에서, 임펠러는, 개방 지향되며(말하자면, 둘러싸이지 않으며), 그리고 각 블레이드는, 블레이드의 끝단을 한정하는, 자유단을 구비한다. 그러한 원심형 압축기 임펠러들에서, 블레이드들의 끝단들은, 일반적으로 평면형이다. 임펠러가 압축기에 장착될 때, 블레이드들의 끝단들은 스테이터들을 지향하며, 그리고 스테이터와 끝단 사이에, 간극이 형성된다. 압축된 유체가, 압축기 내에서 재순환을 생성하도록, 간극 내에서 유동할 수 있음에 따라, 간극은, 양호한 스테이지 성능을 달성하기 위해, 가능한 한 작아야만 한다.

간극 내에서의 이러한 2차적 유동은 일반적으로, 끝단 누설 유동으로 지칭된다. 끝단 누설 유동을 감소시키기 위해, U-자형 단면을 구비하는, 만입된 블레이드 끝단 설계들이, 전체 작동 범위에 걸쳐 총-대-총 압력비 및 효율을 개선하기 위해 사용되었다. 결과적으로, 전체 스테이지 손실이, 감소된 끝단 누설 유동의 긍정적 효과로 인해, 만입된 블레이드 끝단 설계와 더불어 감소되었다.

그러나, 만입 캐비티(recess cavity)는, 캐비티 내에서의 와류의 생성으로 인한, 그에 따라 부가적인 손실들을 생성하는, 스테이지 효율에 관한 부정적 영향을 갖는다.

더불어, 2-3mm 정도의 폭을 구비할 수 있는, 끝단의 상부 상에 U-자형 만입부를 형성하는데, 많은 비용이 든다.

일본 공개특허공보 소55-066602호(1980년 5월 20일 공개)

더 양호한 스테이지 압축 성능을 제공할 수 있는 원심형 압축기 임펠러에 대한 일반적인 필요성이 존재한다.

중요한 개념이, 블레이드의 압력 측면에 정렬되는 테두리[스퀼러 끝단(squealer tip)으로도 또한 지칭됨]를 갖도록 제공되는 가운데, 블레이드의 흡입 측면에 대응하는 끝단 표면 에지는 거의 완전히 상기 테두리를 갖지 않는 것인, 끝단 표면을 갖는 블레이드들을 구비하는, 원심형 압축기 임펠러를 제공하는 것이다.

본 명세서에 개시되는 대상의 제1 실시예는, 원심형 압축기 임펠러에 대응한다.

본 명세서에 개시되는 대상의 제2 실시예는, 상기 임펠러를 포함하는 원심형 압축기에 대응한다.

여기에 통합되며 그리고 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면들은, 본 개시의 대표적인 실시예들을 예시하며 그리고, 상세한 설명과 함께, 이러한 실시예들을 설명한다. 도면들에서:
도 1은, 본 개시에 따른 원심형 압축기의 개략적 부분적 단면도를 도시한다.
도 2는, 도 1의 II-II 절단선 및 도 3의 II-II 절단선을 따라 취한 개략적 단면도를 도시한다.
도 3은, 도 2에 도시된 블레이드의 끝단 표면의 평면도를 도시한다.
도 4 및 도 5는, 본 개시에 따른 블레이드 끝단 표면의 대안적 설계들을 도시한다.
도 6, 도 7 및 도 8은, 개별적으로, 도 4의 VI-VI 절단선, 도 5의 VII-VII 절단선 및 도 4의 VIII-VIII 절단선을 따라 취한 단면도들을 도시한다.

대표적인 실시예들에 대한 뒤따르는 설명은, 첨부 도면들을 참조한다.

뒤따르는 설명은, 본 발명을 제한하지 않는다.

대신에, 본 발명의 범위는 첨부 특허청구범위에 의해 한정된다.

"일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 명세서 전체에 걸친 참조는, 실시예와 연관되어 설명되는 특정 특징, 구조, 또는 특성이, 개시된 대상의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 명세서 전체에 걸친 여러 개소들에서의 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"와 같은 문구들의 출현은, 반드시 동일한 실시예를 참조하는 것은 아니다. 나아가, 특정 특정적 구성들, 구조들 또는 특성들이, 하나 이상의 실시예에서 임의의 적당한 방식으로 조합될 수 있을 것이다.

도 1은, 적어도 개방 임펠러(4)가 그 내부에서 샤프트(20) 상에 장착되는, 적어도 스테이터 베인(3)을 한정하는 스테이터(2)를 포함하는 원심형 압축기(1)를 도시한다. 도면에, 단지 하나의 임펠러가 도시되지만, 원심형 압축기는, 각각 압축기 스테이지를 한정하는, 샤프트(20) 상에 장착되는 복수의 임펠러를 포함할 수 있을 것이다. 모든 임펠러 또는 임펠러들 중의 일부가, 본 설명에 설명되는 바와 같이 구성될 수 있을 것이다.

스테이터(2)는, 케이스(미도시) 내에 장착되는 상이한 부품들(다이어프램들)로 또는 단일 부품으로 구현될 수 있을 것이다. 스테이터는, 임펠러를 수용하는 베인(3)을 한정할 뿐만 아니라, 임펠러(4)를 떠나는 유체를 수집하기 위해 제공되는 하나 이상의 도관(5)을 또한 한정한다.

원심형 압축기 임펠러(4)는, 허브(7)로부터 연장되는 복수의 블레이드(6)를 포함한다. 각 블레이드(6)는, (임펠러가 작동 중일 때) 블레이드의 압력 측면을 한정하는 제1 벽(6A), 및 블레이드(6)의 흡입 측면을 한정하는 제2 벽(6B)을 구비한다. 각 블레이드는 추가로, 블레이드의 끝단(6C)을 한정하는 자유단을 제공한다. 임펠러가 원심형 압축기 상에 장착될 때, 블레이드의 끝단(6C)은, 스테이터(2)를 지향한다. 간극(G)이, 스테이터와 끝단 사이에 존재한다.

더불어, 각 블레이드(6)는, 임펠러의 유입구에 제공되는 리딩 에지(leading edge: LE) 및 임펠러의 배출구에 제공되는 트레일링 에지(trailing edge: TE)를 구비한다.

본 개시의 일 양태에 따르면, 끝단(6C)은, 제1 벽(6A)에 정렬되는 (도 2 참조) 융기된 테두리(8)를 구비한다. 블레이드의 제2 벽(6B)의 자유 에지가, 대신에, 융기된 테두리(8)를 갖지 않는 끝단(6C)의 표면(6D)과, 적어도 부분적으로 정렬된다.

제2 벽이 상기 테두리를 갖지 않는 곳에서 취해진 동일한 단면도인, 도 2로부터 분명해질 수 것으로서, 제1 벽의 높이(H1)는, 제2 벽의 높이(H1)보다 더 높다. 임의의 단면(도 2)에서의 블레이드 끝단 폭(SB)과 테두리 폭(SR) 사이의 비율(SB/SR)은, 블레이드 끝단 두께에 의존하여, 2 보다 클 수 있을 것이다. 블레이드(6)의 제2 벽(6B)은, 상기 융기된 테두리(8)를 갖지 않는 끝단의 표면(6D)과 (전체 블레이드 길이(L)에 대해) 완전히 정렬될 수 있을 것이다.

도 3은, 융기된 테두리(8)가 제1 벽의 전체 길이(L)에 대해 연장되는 것을 보여준다.

블레이드 끝단의 다른 구성이, 예를 들어, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제공될 수 있을 것이다.

본 실시예의 설명에서, 앞서 설명된 부분들과 기능적으로 유사한 부분들은, 동일한 참조 부호들로 지시될 것이며, 그리고 그들에 대한 설명은 생략될 것이다.

도 4는, 이상에 설명된 것과 매우 유사한 형태의 융기된 테두리(8)를 구비하는, 블레이드 끝단을 도시한다. 융기된 테두리(8)는 또한, 제2 벽(6B)의 방향으로 융기된 테두리로부터 연장되는 하나 이상의 부분(8A)을 갖도록 제공된다. 상기 부분들(8A)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 벽(6B)까지 연장되거나, 또는 벽(6B)(Fig, 8)으로부터 이격될 수 있을 것이다.

부분들(8A)은, 도 4와 같은 평면도에서 볼 때, 제1 벽(6A)에 수직인 방향으로 연장될 수 있을 것이다.

또한, 도 5에서, 융기된 테두리는 도 3의 것과 유사하지만, 제1 벽(6A)에 대해 경사진 방향으로 테두리로부터 연장되는 부분들(8B)을 갖도록 제공된다. 경사는, 부분들(8B) 모두에 대해 동일하거나, 각각의 부분 또는 부분들 중의 일부가 제1 벽(6A)에 대한 상이한 경사를 구비할 수 있을 것이다. 부분들(8B)은, 제2 벽(6B)까지 연장되거나, 또는 (비록 이러한 해법이 도면들에 나타나지 않지만) 제2 벽으로부터 이격될 수 있을 것이다. 도 5의 평면도에서, 제1 벽(6A)에 대한 부분들(8B)의 축의 경사(α)가 인지될 수 있으며, 경사(α)는, -45° 내지 +45° 사이에 포함될 수 있을 것이다.

테두리(8)의, 그리고 존재하는 경우, 테두리로부터 연장되는 부분들(8A 또는 8B)의 존재는, 소산적인 와류의 발달로 인한 누출 유동을 감소시킬 수 있으며, 이는 스테이지 효율을 증가시킬 수 있을 것이다.

더불어, (좌측 한계를 향한) 가장 높은 압력비의 메인 유동과 끝단 누설 유동의 상호 작용의 감소로 인해, 작동 범위 확장이 달성될 수 있을 것이다.

여기에서 설명되는 대상의 개시된 실시예들이 도면에 도시되며 그리고 여러 예시적인 실시예들에 관해 구체적으로 그리고 상세하게 이상에서 완전히 설명되었지만, 많은 수정, 변경 및 생략이, 여기에 기술되는 신규의 교시, 원리 및 개념, 그리고 첨부 청구항들에 인용되는 대상의 이점들로부터 벗어남 없이, 가능하다는 것이, 당업자에게 명백하게 될 것이다. 따라서, 개시된 혁신의 적절한 범위는, 모든 그러한 수정, 변경 및 생략을 포괄하도록, 첨부 청구항들의 가장 넓은 해석에 의해서만 결정되어야 한다. 부가적으로, 임의의 프로세스 또는 방법 단계들의 순서 또는 순차는, 대안적인 실시예들에 따라 변화되거나 또는 순서 재설정될 수 있을 것이다.

Claims (9)

1. 원심형 압축기 임펠러(4)로서,
   허브(7)로부터 연장되는 복수의 블레이드(6)를 포함하고,
   각 블레이드는, 블레이드의 압력 측면을 한정하는 제1 벽(6A), 블레이드의 흡입 측면을 한정하는 제2 벽(6B), 및 블레이드의 끝단(6C)을 한정하는 자유단을 구비하며,
   상기 끝단(6C)은, 상기 제2 벽(6B)의 자유 에지에 대해 적어도 부분적으로 정렬되고 상기 제2 벽(6B)으로부터 상기 제1 벽(6A)을 향하여 연장되는 표면(6D)과, 상기 제1 벽(6A)의 자유 에지에 대해 정렬되고 상기 표면(6D)으로부터 융기된 테두리(8)를 구비하고,
   상기 융기된 테두리(8)는 상기 블레이드의 리딩 에지(LE)로부터 트레일링 에지(TE)를 향하는 방향으로 상기 블레이드를 따라 연장되는 제1 부분과, 상기 제1 부분으로부터 상기 제2 벽(6B)을 향하여 연장되는 하나 이상의 제2 부분을 포함하는 것인, 원심형 압축기 임펠러.
2. 제 1항에 있어서,
   융기된 테두리(8)의 제1 부분은, 제1 벽(6A)의 전체 길이(L)에 대해 연장되는 것인, 원심형 압축기 임펠러.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   블레이드의 제2 벽(6B)은, 상기 끝단(6C)의 표면(6D)과 완전히 정렬되는 것인, 원심형 압축기 임펠러.
4. 삭제
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 제2 부분은, 제1 벽(6A)에 대해 수직인 방향으로 상기 제1 부분으로부터 연장되는 부분(8A)을 포함하는 것인, 원심형 압축기 임펠러.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 제2 부분은, 제1 벽(6A)에 대해 경사진 방향으로 상기 제1 부분으로부터 연장되는 부분(8B)을 포함하는 것인, 원심형 압축기 임펠러.
7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 제2 부분은, 제2 벽(6B)까지 연장되는 것인, 원심형 압축기 임펠러.
8. 원심형 압축기(1)로서,
   적어도 스테이터 베인(3)을 한정하는 스테이터(2)를 포함하고, 적어도 제 1항 또는 제 2항에 따른 원심형 압축기 임펠러(4)가 상기 원심형 압축기(1) 내에 배치되며, 적어도 스테이터 도관(5)이 임펠러(4)를 떠나는 유체를 수집하기 위해 구비되고, 블레이드의 끝단(6C)은 스테이터(2)를 지향하는 것인, 원심형 압축기.
9. 제 8항에 있어서,
   압축기는, 복수의 원심형 압축기 임펠러 및, 임펠러 떠나는 유체를 수집하기 위한 그리고 다음 임펠러로 유체를 공급하기 위한, 복수의 스테이터 도관(5)을 포함하는 것인, 원심형 압축기.
   

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