KR102603024B1 - 터보기계의 쉬라우드와 임펠러 사이의 간극 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쉬라우드와 로터 사이의 간극을 설계치 범위 내로 일정하게 유지할 수 있는 터보기계에 관한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 터보기계는 회전축, 상기 회전축에 결합하여 유체에 원심력을 제공하는 복수 개의 블레이드를 구비하는 임펠러, 상기 임펠러와 간극을 형성하면서 케이싱 내에 위치하는 쉬라우드, 그리고 상기 임펠러에서 유출되는 상기 유체를 가이드 하는 디퓨저베인을 구비하는 디퓨저를 포함하며, 상기 쉬라우드는 상기 케이싱 내에서 상기 케이싱에 대하여 상대적으로 이동 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

터보기계의 쉬라우드와 임펠러 사이의 간극 제어 방법{Method for controlling the clearance between shroud and impeller of 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 4 및 도 5에는 한국공개특허공보 제10-2018-0019416호에 개시된 원심압축기의 한 예가 도시되어 있다. 참고로, 도 4 및 도 5는 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 회전축(210)과, 임펠러(220)와, 케이싱(230)과, 디퓨져 베인(240)을 포함한다. 구체적으로, 회전축(210)은 모터 및 기어박스와 같은 구동부로부터 회전력을 받아, 임펠러(220)를 회전시킨다. 회전축(210)은 씰(seal) 등에 의해 백 플레이트(232)에 결합한다. 임펠러(220)는 케이싱(230)의 내부에 배치되고, 회전축(210)을 중심으로 회전 가능하며, 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 임펠러(로터), 구체적으로 임펠러 블레이드와 쉬라우드(shroud)가 서로 접촉하게 되면 대형사고로 이어질 수 있기 때문에 쉬라우드와 임펠러의 간극 조절은 매우 중요하다.

따라서, 종래의 터보기계는 임펠러가 쉬라우드와 접촉 없이 안정적으로 회전할 수 있도록 임펠러의 열팽창을 고려하여 간극 크기를 설계 크기보다 크게 조립하는 실정이었다.

앞서 언급한 바와 같이, 터보기계의 운전 중 열팽창 또는 열수축 발생시 케이싱과 축에 인장 또는 수축이 발생하며, 대부분은 케이싱과 축의 소재가 다르기 때문에 변형량의 차이가 생긴다(케이싱과 축의 소재가 단일 금속으로 구성되지 않고 이종 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 발생할 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 설계치로 유지할 수 있는 터보기계를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 터보기계는 회전축, 상기 회전축에 결합하여 유체에 원심력을 제공하는 복수 개의 블레이드를 구비하는 임펠러, 상기 임펠러와 간극을 형성하면서 케이싱 내에 위치하는 쉬라우드, 그리고 상기 임펠러에서 유출되는 상기 유체를 가이드 하는 디퓨저베인을 구비하는 디퓨저를 포함하며, 상기 쉬라우드는 상기 케이싱 내에서 상기 케이싱에 대하여 상대적으로 이동 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 쉬라우드의 위치를 센싱하는 쉬라우드위치제어센서, 상기 임펠러의 위치를 센싱하는 임펠러위치제어센서, 상기 쉬라우드와 상기 케이싱 사이에 형성된 에어포켓부, 상기 케이싱의 측벽을 통하여 상기 에어포켓부로 공기를 공급하는 공기공급포트와, 상기 에어포켓부로부터 공기를 토출하는 공기토출포트, 그리고 상기 쉬라우드와 상기 케이싱에 지지가 되어, 상기 쉬라우드를 상기 임펠러로부터 멀어지는 방향으로 항시 밀어주는 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄성부재는 판스프링인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공기공급포트를 통하여 공급되는 공기는, 상기 케이싱의 볼류트로부터 토출되는 공기이거나, 외부공기공급수단에 의해 공급되는 공기인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 에어포켓부의 압력을 제어하는 자동밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 판스프링은 상기 쉬라우드의 플랜지의 바닥면에 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 쉬라우드의 외벽과 상기 케이싱의 내벽 사이에는 오링이 설치된 것을 특징으로 한다.

상술한 터보기계에서 상기 쉬라우드와 상기 임펠러 사이의 간극을 제어하는 방법은 상기 쉬라우드와 상기 임펠러 사이의 초기 간극은 미리 정해진 설계 간극보다 크게 되도록 상기 쉬라우드와 상기 임펠러를 결합하는 단계, 상기 케이싱의 볼류트로부터 토출되는 공기 또는 상기 외부공기공급수단에 의해 상기 에어포켓부로 공기를 공급하는 단계, 상기 쉬라우드위치제어센서와 상기 임펠러위치제어센서에 의해 각각 센싱된 상기 쉬라우드의 위치와 상기 임펠러의 위치의 간극이 상기 미리 정해진 설계 간극에 해당할 경우, 상기 에어포켓부의 압력을 일정하게 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 간극이 상기 미리 정해진 설계 간극보다 작을 경우, 상기 에어포켓부의 압력을 낮추어 주고, 상기 간극이 상기 미리 정해진 설계 간극보다 클 경우, 상기 에어포켓부의 압력을 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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

먼저, 열에 의하여 축의 길이 변화가 발생하여도, 임펠러(로터)와 쉬라우드 사이의 간극을 설계치수로 일정하게 유지할 수 있다.

또한, 쉬라우드의 위치를 제어할 수 있기 때문에 로터의 위치만 확실하게 감시할 수 있다면, 설계 간극 이외의 조건에서도 시험이 가능하다.

또한, 터보기계 조립 중 간극을 임의 조정하지 않아도 되며, 로터의 위치를 감시하기 때문에 열변형량을 고려하지 않고 임펠러와 쉬라우드를 조립할 수 있다.

또한, 운전 중 혹은 운전 시작 전부터 설계 간극으로 일정하게 유지할 수 있기 때문에 열팽창에 의한 쉬라우드와 로터 사이의 접촉사고를 방지할 수 있다.

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 초기 조립 상태의 단면도이다.
도 2는 도 1의 터보기계에서, 쉬라우드와 임펠러(로터) 사이의 간극이 설계치로 유지된 상태의 단면도이다.
도 3은 도 1의 터보기계에서, 쉬라우드와 임펠러(로터) 사이의 간극이 설계치보다 작은 상태의 단면도이다.
도 4는 종래의 원심 압축기의 개략적인 단면도이다.
도 5는 도 4의 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.

참고로, 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 터보기계의 주요 구성의 초기 조립 상태의 단면도이고, 도 2는 도 1의 터보기계에서, 쉬라우드와 임펠러(로터) 사이의 간극(G)이 설계치(GD)로 유지된 상태의 단면도이며, 도 3은 도 1의 터보기계에서, 쉬라우드와 임펠러(로터) 사이의 간극(G)이 설계치(GD)보다 작은 상태의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 터보기계(이하, '본 터보기계'로 지칭한다)는, 회전축(3)과, 회전축(3)에 결합하여 유체에 원심력을 제공하는 복수 개의 블레이드(51)를 구비하는 임펠러(impeller)(5)와, 임펠러(로터)(5)와 간극(G)을 형성하면서 케이싱(casing)(1) 내에 위치하는 쉬라우드(shroud)(4)와, 임펠러(5)에서 유출되는 유체를 가이드 하는 디퓨저베인(vane)(61)을 구비하는 디퓨저(diffuser)(6)를 포함한다. 참고로, 도면부호 2는 벨마우스(bellmouth)를 가리킨다.

특히, 본 터보기계에서, 쉬라우드(4)는 케이싱(1) 내에서 케이싱(1)에 대하여 터보기계의 길이방향(도 1 기준 좌우 방향)으로 상대적으로 이동(슬라이딩) 가능한 것이 특징이다.

이를 위하여, 본 터보기계는 쉬라우드위치제어센서(71), 임펠러위치제어센서(72), 에어포켓부(8), 공기공급포트(11) 및 공기토출포트(12), 그리고 탄성부재(10)를 포함한다.

쉬라우드위치제어센서(71)는 쉬라우드(4)의 위치를 센싱하고, 임펠러위치제어센서(72)는 임펠러(5)의 위치를 센싱한다. 이들 위치제어센서(71,72)는 예시적으로, 물체가 접근해 왔을 때의 위치를 검출하는 근접센서(proximity sensor)일 수 있다.

에어포켓부(8)는 쉬라우드(4)와 케이싱(1) 사이에 형성된다. 에어포켓부(8)는 예컨대, 쉬라우드(4)의 외측에 환형 공간으로 형성될 수 있으며, 이를 위하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 쉬라우드(4)가 케이싱(1) 내에 장착될 때, 케이싱(1)의 내벽과 쉬라우드(4)의 외벽 사이에 환형 공간이 형성된다.

공기공급포트(11)는 케이싱(1)의 측벽을 관통하여 에어포켓부(8)로 공기를 공급하고, 공기토출포트(12)는 마찬가지로 케이싱(1)의 측벽을 관통하여 에어포켓부(8)로부터 공기를 토출한다.

공기공급포트(11)를 통하여 공급되는 공기는, 케이싱(1)의 볼류트(volute)(13)로부터 토출되는 공기이거나, 외부공기공급수단(미도시)에 의해 공급되는 공기일 수 있다.

에어포켓부(8)의 압력을 제어하는 자동밸브(20)가 더 포함된다. 자동밸브(20)를 통하여, 공급 및 토출 되는 공기의 양을 조절해줌으로써, 에어포켓부(8)의 압력을 제어할 수 있다.

제어부(미도시)가 구비되며, 제어부는 쉬라우드위치제어센서(71)에 의해 제공된 쉬라우드의 위치값과, 임펠러위치제어센서(72)에 의해 제공된 임펠러의 위치값에 근거하여 쉬라우드(4)와 임펠러(5) 사이의 간극(G)을 계산하고, 자동밸브(20)를 통하여 에어포켓부(8)의 압력을 제어하여 쉬라우드(4)와 임펠러(5) 사이의 간극을 설계치(GD) 내로 제어하는 기능을 수행할 수 있다.

탄성부재(10)는 쉬라우드(4)와 케이싱(1)에 지지가 되어, 쉬라우드(4)를 에어포켓부(8) 쪽으로 밀어주는 방향 즉, 쉬라우드(4)를 임펠러(5)로부터 멀어지는 방향으로 항시 힘을 가하는 복원력을 가진다. 여기서, 예시적으로, 탄성부재(10)는 판스프링(leaf spring)일 수 있다. 구체적으로, 판스프링(10)은 쉬라우드(4)의 플랜지(41)의 바닥면에 위치하고, 일측은 쉬라우드 플랜지(41) 바닥면에 지지가 되고, 타측은 케이싱(1) 내벽에 지지된다.

쉬라우드(4)의 외벽과 케이싱(1)의 내벽 사이에는 공기누설방지수단, 예컨대 오링(30)이 설치되어, 에어포켓부(8)로 유입된 공기의 누설이 방지될 수 있다.

이하에서는 상술한 구성을 가진 터보기계에서 쉬라우드(4)와 임펠러(5) 사이의 간극(G)을 제어하는 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 쉬라우드(4)와 임펠러(블레이드(51))(5) 사이의 초기 간극(GI)은 미리 정해진 설계 간극(GD)보다 크게 되도록(G=GI>GD) 쉬라우드(4)와 임펠러(5)를 결합(조립)한다.

다음, 터보기계가 가동되면, 즉 압축기 및 터빈이 운전을 시작하게 되면, e도 2에 도시된 바와 같이, 케이싱(1)의 볼류트(13)로부터 토출되는 공기(A)가 에어포켓부(8)로 공급된다. 이때, 에어포켓부(8)의 공기의 압력에 의해 쉬라우드(4)는 판스프링(10)의 복원력을 극복하면서, 임펠러(5) 쪽으로(도 2 기준 우측) 이동한다. 예시적으로, 쉬라우드(4)의 슬라이딩 이동 거리는 약 0.5~1mm로 설정할 수 있다.

만일, 터보기계 가동 후 볼류트(13)로부터 토출되는 공기(A)를 이용하는 것이 아니라, 외부공기공급수단(미도시)에 의해 공급되는 압축공기를 이용하는 경우, 터보기계의 운전 시작 전부터 임펠러(5)와 쉬라우드(4)의 간극(G)을 설계치(GD)로 유지할 수 있을 것이다. 여기서, 설계치(GD)는 소정의 범위로 설정될 수 있다.

터보기계가 운전을 시작하면, 임펠러(5)가 열팽창을 하게 되는데, 쉬라우드위치제어센서(71)와 임펠러위치제어센서(72)에 의해 센싱된 쉬라우드(4)의 위치와 임펠러(5)의 위치의 간극(G)이 미리 정해진 설계 간극(GD)에 해당할 경우(G=GD), 자동밸브(20)를 통하여 에어포켓부(8)의 압력을 일정하게 유지한다.

만일, 도 3에 도시된 바와 같이, 쉬라우드(4)의 위치와 임펠러(5)의 위치의 간극(G)이 미리 정해진 설계 간극(GD)보다 작을 경우(G<GD), 에어포켓부(8)의 압력을 낮추어 준다. 또한, 쉬라우드(4)의 위치와 임펠러(5)의 위치의 간극(G)이 미리 정해진 설계 간극(GD)보다 클 경우(G>GD), 자동밸브(20)를 통하여 에어포켓부(8)의 압력을 증가시킬 수 있다.

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...케이싱
11...공기공급포트, 12...공기토출포트
13...볼류트
3...회전축
4...쉬라우드
41...쉬라우드 플랜지
5...임펠러
51...블레이드
6...디퓨저
61...디퓨저베인
71...쉬라우드위치제어센서, 72...임펠러위치제어센서
8...에어포켓부
10...탄성부재
20...자동밸브

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 회전축, 상기 회전축에 결합하여 유체에 원심력을 제공하는 복수 개의 블레이드를 구비하는 임펠러, 상기 임펠러와 간극을 형성하면서 케이싱 내에 위치하는 쉬라우드, 그리고 상기 임펠러에서 유출되는 상기 유체를 가이드 하는 디퓨저베인을 구비하는 디퓨저를 포함하고, 상기 쉬라우드는 상기 케이싱 내에서 상기 케이싱에 대하여 상대적으로 이동 가능하고,
   상기 쉬라우드의 위치를 센싱하는 쉬라우드위치제어센서, 상기 임펠러의 위치를 센싱하는 임펠러위치제어센서, 상기 쉬라우드와 상기 케이싱 사이에 형성된 에어포켓부, 상기 케이싱의 측벽을 통하여 상기 에어포켓부로 공기를 공급하는 공기공급포트와, 상기 에어포켓부로부터 공기를 토출하는 공기토출포트, 그리고 상기 쉬라우드와 상기 케이싱에 지지가 되어, 상기 쉬라우드를 상기 임펠러로부터 멀어지는 방향으로 항시 밀어주는 탄성부재를 포함하며,
   상기 공기공급포트를 통하여 공급되는 공기는, 상기 케이싱의 볼류트로부터 토출되는 공기이거나, 외부공기공급수단에 의해 공급되는 공기인
   터보기계에서 상기 쉬라우드와 상기 임펠러 사이의 간극을 제어하는 방법으로서,
   상기 쉬라우드와 상기 임펠러 사이의 초기 간극은 미리 정해진 설계 간극보다 크게 되도록 상기 쉬라우드와 상기 임펠러를 결합하는 단계,
   상기 케이싱의 볼류트로부터 토출되는 공기 또는 상기 외부공기공급수단에 의해 상기 에어포켓부로 공기를 공급하는 단계,
   상기 쉬라우드위치제어센서와 상기 임펠러위치제어센서에 의해 각각 센싱된 상기 쉬라우드의 위치와 상기 임펠러의 위치의 간극이 상기 미리 정해진 설계 간극에 해당할 경우, 상기 에어포켓부의 압력을 일정하게 유지하는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는
   터보기계의 쉬라우드와 임펠러 사이의 간극 제어 방법.
9. 제8항에서,
   상기 간극이 상기 미리 정해진 설계 간극보다 작을 경우, 상기 에어포켓부의 압력을 낮추어 주고, 상기 간극이 상기 미리 정해진 설계 간극보다 클 경우, 상기 에어포켓부의 압력을 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
   터보기계의 쉬라우드와 임펠러 사이의 간극 제어 방법.

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