KR102598988B1 - 압축기 - Google Patents

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KR102598988B1 KR1020190028721A KR20190028721A KR102598988B1 KR 102598988 B1 KR102598988 B1 KR 102598988B1 KR 1020190028721 A KR1020190028721 A KR 1020190028721A KR 20190028721 A KR20190028721 A KR 20190028721A KR 102598988 B1 KR102598988 B1 KR 102598988B1
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김영대
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한화파워시스템 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 압축기는 회전에 의하여 유체를 가압하는 임펠러, 상기 임펠러에 결합되고, 모터 하우징의 내부에 구비되어 회전 동력을 상기 임펠러로 전달하는 로터, 상기 임펠러와 상기 로터의 사이에 구비되어 상기 임펠러에 의해 가압된 유체가 상기 모터 하우징의 내부로 유입되는 것을 제한하는 래비린스 씰을 포함하되, 상기 래비린스 씰의 일면에는 적어도 하나의 홈이 형성되고, 상기 유체 중 일부는 상기 홈의 형상에 따라 이동되어 상기 모터 하우징 내부로 유입될 수 있다.

Description

압축기{Compressor}
본 발명은 압축기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 임펠러와 모터의 입구에 구비된 래비린스 씰(labyrinth seal)의 일면에 형성된 홈을 통하여 냉각된 유체가 모터로 유입되도록 하는 압축기에 관한 것이다.
유체 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.
모터는 고정자와 회전자를 포함할 수 있다. 고정자에 대하여 회전자가 회전하면서 열이 발생될 수 있다. 고정자와 회전자 간의 열을 제거하기 위하여 모터는 별도의 냉각 수단을 구비하여야 하고, 이로 인하여 전체적인 압축기의 크기 및 중량이 증가할 수 있다.
따라서, 별도의 냉각 수단을 구비하지 않고도 고정자와 회전자 간의 열을 제거하는 발명의 등장이 요구된다.
한국 공개특허공보 10-2014-0055141호 (2014.05.09)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 임펠러와 모터의 입구에 구비된 래비린스 씰(labyrinth seal)의 홈을 통하여 냉각된 유체가 모터로 유입되도록 하는 압축기를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 압축기는 회전에 의하여 유체를 가압하는 임펠러, 상기 임펠러에 결합되고, 모터 하우징의 내부에 구비되어 회전 동력을 상기 임펠러로 전달하는 로터, 상기 임펠러와 상기 로터의 사이에 구비되어 상기 임펠러에 의해 가압된 유체가 상기 모터 하우징의 내부로 유입되는 것을 제한하는 래비린스 씰을 포함하되, 상기 래비린스 씰의 일면에는 적어도 하나의 홈이 형성되고, 상기 유체 중 일부는 상기 홈의 형상에 따라 이동되어 상기 모터 하우징 내부로 유입될 수 있다.
또한, 상기 로터의 일단에는 베어링 디스크가 구비되고, 상기 래비린스 씰은 상기 임펠러 및 상기 베어링 디스크의 사이에 구비될 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나의 홈은 상기 래비린스 씰의 외측면에서 내측면 방향으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나의 홈의 크기는 상기 외측면에서 상기 내측면으로 갈수록 크게 형성될 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나의 홈은 상기 임펠러 회전 방향에 따라 곡률로 형성될 수 있다.
또한, 상기 래비린스 씰의 내측면에는 상기 로터 방향으로 도출 형성되는 유체가이드부를 더 형성될 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 데이터 처리 장치 및 방법에 따르면 임펠러와 모터의 입구에 구비된 래비린스 씰(labyrinth seal)의 홈을 통하여 유체를 냉각하고 이어서 래비린스 씰에 구비된 유체가이드부에 의하여 팽창된 유체가 모터로 유입되도록 함으로써 별도의 냉각 수단을 구비하지 않고도 모터 내부의 열을 효율적으로 제거하는 장점을 제공한다.
래비린스 씰의 유체가이드부에 의하여 팽창된 유체가 모터로 유입되도록 함으로써 모터 내부의 열을 효율적으로 제거하는 장점을 제공한다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압축기의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압축기의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 래비린스 씰의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 래비린스 씰의 단면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 래비린스 씰의 일면에 형성된 홈을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 압축기의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 래비린스 씰과 차폐 링의 사이에 슬릿이 형성된 것을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 유체가 모터 하우징의 내부로 유입되는 것을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 유체가 슬릿을 통과하는 것을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압축기의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압축기의 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압축기(10)는 모터 하우징(100), 로터(200), 베어링 디스크(300), 차폐 링(400), 지지 디스크(500), 임펠러(700) 및 나선 케이스(800)를 포함하여 구성된다.
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. 또한, 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)의 관통홀(H)에 배치되어 임펠러(700)측에서 발생된 가압 유체가 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 유체가 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 가압된 유체가 모터 하우징(100)으로 유입되는 것이 제한될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 래비린스 씰(600)의 일면에는 적어도 하나의 홈(610)이 형성될 수 있으며 임펠러에 의해 가압된 유체 중 일부는 홈의 형상에 따라 이동되고, 모터 하우징(100)의 내부로 유입되어 모터 하우징(100) 내부로 이동될 수 있다. 이때, 내부로 유입되는 유체는 홈의 형상에 의하여 냉각될 수 있으므로, 모터 하우징(100)의 내부로 유입되어 모터 하우징(100)의 내부의 냉각에 이용될 수 있다.
임펠러(700)는 회전에 의하여 유체를 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.
나선 케이스(800)는 유체의 이동 경로를 제공하는 역할을 수행한다. 나선 케이스(800)는 유체 유입구(810), 유체 배출구(820) 및 유체 이송관(830)을 포함할 수 있다. 유체 유입구(810)는 유체의 유입 경로를 제공하고, 유체 배출구(820)는 유체의 배출 경로를 제공할 수 있다.
유체 유입구(810)를 통하여 유입된 유체는 임펠러(700)에 의하여 가압될 수 있다. 가압된 유체는 유체 이송관(830)을 통하여 이송되고, 유체 배출구(820)를 통하여 배출될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 래비린스 씰의 사시도이고, 도 4 및 도 5은 본 발명의 실시예에 따른 래비린스 씰의 일면에 형성된 홈을 나타낸 도면이고, 도 6는 본 발명의 실시예에 따른 래비린스 씰의 단면도이다.
래비린스 씰(600)은 원반의 형태를 갖고 차폐 링(400)과 조합하여 유체의 이동을 제한할 수 있다. 또한, 래비린스 씰(600)은 결합 로드(210) 및 차폐 링(400)의 관통을 위한 관통홀(H)을 구비할 수 있다.
래비린스 씰(600)은 지지 디스크(500)의 일면에 부착될 수 있다. 로터(200)는 래비린스 씰(600)을 경유하여 지지 디스크(500)에 지지될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 래비린스 씰(600)의 일면에는 전술한 바와 같이 적어도 하나의 홈(610)이 형성될 수 있으며, 이 홈(610)은 래비린스 씰(600)의 외측면에서 내측면 방향으로 형성될 수 있다. 이에 따라 유체는 홈(610)의 형상에 따라 외측면에서 내측면 방향으로 이동될 수 있다. 여기서 내측면은 관통홀(H)을 형성하는 면을 말한다.
또한, 홈(610)의 크기는 외측면에서 내측면으로 갈수록 크게 형성될 수 있다. 이에 따라 유체가 이동되는 홈(610)의 면적이 증가됨에 따라 유체는 팽창될 수 있으므로 유체의 온도가 저감될 수 있고, 온도가 점감된 유체는 모터 하우징(100) 내부로 유입됨에 따라 모터 내부의 열을 효율적으로 제거할 수 있다.
한편, 적어도 하나의 홈(610)의 형상은 임펠러(700)의 회전 방향과 대응되게 회전되는 형상으로 형성되도록 곡률로 형성될 수 있다. 따라서, 래비린스 씰(600)의 일면에 형성된 홈(610)은 임펠러(700)의 회전 방향에 따라 곡률을 가지도록 형성되되, 면적은 외측면에서 내측면으로 갈수록 커질 수 있다. 결국, 래비린스 씰(600)의 적어도 하나의 홈(610)의 형상에 따라 내측면 방향으로 이동되는 유체는 임펠러(700)의 고속 회전력으로 인해 홈(610)에서 잘 팽창될 수 있으므로 유체의 온도는 효율적으로 저감될 수 있다.
즉, 고온의 유체는 홈(610)의 좁은 면적에서 넓은 면적 방향으로 이동되면서 면적 비 변화와 임펠러의 회전력으로 발생되는 흐름에 의해 냉각될 수 있다.
한편, 래비린스 씰(600)은 래비린스 씰(600)의 내측면에서 돌출 형성되어 유체를 가이드하는 유체가이드부(620)를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 임펠러(700)에서 발생된 유체 중 일정량은 래비린스 씰(600)의 유체가이드부(620)과 차폐 링(400)의 사이를 통하여 모터 하우징(100)의 내부로 유입될 수 있다.
구체적으로, 유체가이드부(620)은 관통홀(H)의 중심으로 갈수록 두께가 감소할 수 있다. 관통홀(H)의 가장자리를 형성하는 유체가이드부(620)의 말단은 그 두께가 상대적으로 작도록 임펠러(700)를 향하는 유체가이드부의 제1면과 모터 하우징(100)을 향하는 제2면이 경사지도록 형성될 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 임펠러(700)를 향하는 유체가이드부(620)의 제1면이 평면이고, 모터 하우징(100)을 향하는 제2면이 경상면으로 형성될 수 있으며 이외에도 다양하게 형성될 수 있다.
이에 따라, 임펠러(700)에 의하여 가압된 유체는 적어도 하나의 홈(610)의 형상에 따라 이동 후, 유체가이드부(620)의 제1면에서 제2면으로 이동할 수 있다.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 압축기의 단면도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 래비린스 씰과 차폐 링의 사이에 슬릿이 형성된 것을 나타낸 도면이며, 도 9은 본 발명의 실시예에 따른 유체가 모터 하우징의 내부로 유입되는 것을 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 유체가 슬릿을 통과하는 것을 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 로터(200)는 모터 하우징(100)의 내부에 수용되고, 고정자(900)의 자력 변화에 의하여 회전할 수 있다.
로터(200)의 내부에는 영구 자석(230)이 구비될 수 있다. 고정자(900)가 변화하는 자력을 형성함에 따라 로터(200)가 회전할 수 있게 된다. 임펠러(700)는 로터(200)와 함께 회전하여 유체를 가압할 수 있다.
유체 유입구(810)를 통하여 유입된 유체는 임펠러(700)의 회전력에 의하여 가압되고, 가압된 유체는 유체 이송관(830)을 따라 이동하다가 유체 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 8을 참조하면, 래비린스 씰(600)과 차폐 링(400)은 링형 슬릿(SL)을 형성할 수 있다.
슬릿(SL)의 폭은 래비린스 씰(600)의 말단과 차폐 링(400)의 표면간의 거리로서, 그 크기는 상대적으로 작을 수 있다.
임펠러(700)에 의하여 가압된 유체의 일부는 슬릿(SL)을 통하여 모터 하우징(100)의 내부로 유입될 수 있다. 슬릿(SL)의 폭이 작기 때문에 가압 유체의 대부분은 유체 배출구(820)를 통하여 배출되지만 일부 가압 유체가 모터 하우징(100)의 내부로 유입될 수 있는 것이다.
도 9은 임펠러(700)에 의하여 가압된 유체 중 일부가 모터 하우징(100)의 내부로 유입되는 것을 도시하고 있다. 전술한 바와 같이 모터 하우징(100)의 내부로 유입된 유체는 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 유체는 베어링 디스크(300)를 통하여 모터 하우징(100)의 내부로 유입될 수 있다. 이 때, 유체에 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 유체에 노출되는 면적이 증가함에 따라 유체가 팽창되어 냉각될 수 있고, 이로 인하여 베어링 디스크(300)을 효율적으로 냉각시킬 수 있다.
도 10을 참조하면, 임펠러(700)에 의하여 가압된 유체 중 일부는 슬릿(SL)을 통과할 수 있다.
전술한 바와 같이, 슬릿(SL)의 크기는 상대적으로 작을 수 있다. 또한, 임펠러(700)에서 발생된 유체는 가압된 것으로서 상대적으로 높은 압력을 가질 수 있다. 이에, 유체는 슬릿(SL)을 통과한 후 래비린스 씰(600)과 베어링 디스크(300)의 사이에 형성된 공간(SP)에서 팽창됨에 따라 냉각될 수 있다.
따라서, 본 발명에 의해 가압된 유체는 홈의 형상과 임펠러의 회전력에 의하여 팽창되어 제1 차적으로 냉각되고, 슬릿(SL)을 통과한 후 래비린스 씰(600)과 베어링 디스크(300)의 사이에 형성된 공간에서 팽창됨에 따라 2차적으로 냉각될 수 있다. 이에, 고온의 유체의 온도가 저감된 상태로 모터 하우징(100)의 내부로 유입될 수 있으므로 효율적으로 모터 하우징(100) 내부를 냉각시킬 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 압축기는 래비린스 씰(600)의 일면에 형성된 적어도 하나의 홈(610)과 유로가이드부(620) 중 적어도 어느 하나를 통하여 임펠러(700)에 의하여 가압된 고온의 유체를 냉각시킬 수 있으므로 본 발명은 별도의 장치 없이도 유체를 효율적으로 냉각시키는 냉각 구조를 형성할 수 있다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 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.
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
610: 홈 620: 유체가이드부
700: 임펠러 800: 나선 케이스
810: 유체 유입구 820: 유체 배출구
830: 유체 이송관

Claims (6)

  1. 회전에 의하여 유체를 가압하는 임펠러;
    상기 임펠러에 결합되고, 모터 하우징의 내부에 구비되어 회전 동력을 상기 임펠러로 전달하는 로터;
    상기 임펠러와 상기 로터의 사이에 구비되어 상기 임펠러에 의해 가압된 유체가 상기 모터 하우징의 내부로 유입되는 것을 제한하는 래비린스 씰을 포함하되,
    상기 래비린스 씰의 일면에는 적어도 하나의 홈이 형성되고,
    상기 유체 중 일부는 상기 홈의 형상에 따라 이동되어 상기 모터 하우징 내부로 유입되며,
    상기 적어도 하나의 홈은 상기 래비린스 씰의 외측면에서 내측면 방향으로 형성되는 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로터의 일단에는 베어링 디스크가 구비되고, 상기 래비린스 씰은 상기 임펠러 및 상기 베어링 디스크의 사이에 구비되는 압축기.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 홈의 크기는 상기 외측면에서 상기 내측면으로 갈수록 크게 형성되는 압축기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 홈은 상기 임펠러 회전 방향에 따라 곡률로 형성되는 압축기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 래비린스 씰의 내측면에는 상기 로터 방향으로 도출 형성되는 유체가이드부를 더 형성되는 압축기.
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