KR19990007201A

KR19990007201A - 안정화된 자유 로터를 갖는 압축기 설비

Info

Publication number: KR19990007201A
Application number: KR1019980023410A
Authority: KR
Inventors: 제이언트 에스. 사브니스; 다니엘 엘. 지슬링
Original assignee: 윌리엄 더블유. 하벨트; 캐리어 코포레이션
Priority date: 1997-06-23
Filing date: 1998-06-22
Publication date: 1999-01-25
Also published as: US6012897A; JPH1162894A; CN1203320A; AU7306098A; EP0887557A1; JP2975008B2

Abstract

입구 안내 베인 등의 와류 유도 구조물을 갖는 원심 압축기 등의 터보 압축기에서, 하나 이상의 자유 로터가 와류 유도 구조물과 압축기 입구 중간에 위치된다. 자유 로터는 유동에 의해 구동되고, 자유 로터에 저장된 운동 에너지는 압축기의 입구에서 인식되는 유동에서의 과도적 변화를 완화시키는 역할을 하여 보다 안정한 작동이 되도록 한다.

Description

안정화된 자유 로터를 갖는 압축기 설비

압축 부하가 넓은 범위에 걸쳐 변화하는 적용 분야에 대하여 원심 가스 압축기를 사용하는 데 있어서 발생하는 주요 문제점들 중 하나는 압축기를 통한 유동 안정화(flow stabilization)이다. 압축기 입구, 임펠러 및 디퓨저(diffuser) 통로는 요구되는 최대 체적 유량을 제공하는 크기로 되어야 한다. 원심 냉매 압축기들에서, 부하는 통상적으로 넓은 범위에 걸쳐 변화하며, 원심 냉매 압축기들은 적은 유량에서 작동될 수 있어, 이들의 입구 및 디퓨저가 효율적인 작동에 대해서는 너무 크게 되도록 한다. 이러한 압축기를 통한 체적 유량이 낮을 때, 유동은 불안정하게 된다. 체적 유량이 안정한 범위로부터 감소됨에 따라, 약간 불안정한 유동 범위로 들어간다. 이러한 범위에서, 임펠러 및 디퓨저 모두에서의 유동은 유동 통로의 전체 길이를 따라 벽으로부터 분리되며, 디퓨저 통로에서 부분적인 유동의 반전으로 나타나 소음을 발생시키고 압축기 효율을 저하시킨다. 질량 유동이 더욱 감소된 때, 압축기는 유용한 일을 수행하는 기계의 능력을 파괴하는 압축기에서의 주기적인 완전한 유동 반전이 있는 서지(surge)로서 공지된 것에 직면한다.

압축기의 서지 한계 및 초크(choke) 한계 사이의 범위를 증가시키기 위하여 여러 기술이 사용되어 왔다.

임펠러에 의해 수행된 일은 임펠러 출구 및 임펠러 입구에서의 가스 속도의 제곱의 차이에 비례하므로, 진입하는 가스의 유동 방향 및 양을 변화시키기 위하여 압축기의 입구에 위치된 안내 베인이 채용되었다. 입구 안내 베인은 임펠러 입구에서의 가스에 회전 방향으로 와류(swirl)를 부여하여 속도차를 감소시키기 때문에 효율을 향상시킨다. 또한, 압축기의 리프트 능력은 감소되지만, 통상의 공기 조화 적용에 대해서는 부하가 감소됨에 따라 요구되는 리프트도 하강하므로 문제가 되지 않는다. 때때로, 입구 유동이 감소됨에 따라 디퓨저 통로를 교축시키기 위하여 이동 가능 디퓨저 구조물이 이러한 안내 베인에 기계적으로 연결된다.

미국 특허 제5,437,529호에 의해 명백한 바와 같이, 자유 로터(자유롭게 회전하는 로터)는 압축기 등의 터보 기계에서의 회전 실속(stall) 및 서지의 동적 제어를 위해 사용된 장치의 일부분으로서 사용될 수 있다. 상기 특허의 장치는 장치의 유효도가 자유롭게 회전하는 로터의 회전 속도에 좌우되고, 이어서 체적 유량에 비례한다는 제한을 갖는다. 따라서, 압축기가 압축기 맵의 저유동 영역(유동이 설계 유동보다 적은 영역)에서 작동할 때, 자유 로터는 속도가 느려지고, 그 유효도는 감소된다. 불행하게도, 저유동 영역에서 소정량의 유효도를 성취하는 것은 압축기가 설계 조건에서 작동할 때 자유 로터 속도가 높아지게 한다. 높은 자유 로터 속도는 제조 비용을 증가시키고 자유 로터에 걸쳐 압력 손실을 증가시킴으로써 실제적인 실행을 감소시킨다.

미국 특허 제5,437,529호에 설명된 자유 로터의 유효도는 φ(tan γ)²으로서 표현되는데, 여기서 φ는 유동 계수(임펠러 팁 속도에 대한 압축기 입구에서의 가스 축방향 속도 성분의 비율로서 정의됨)이고, γ는 자유 로터 블레이드에 대한 엇갈림 각도(stagger angle)이다. 압축기 질량 유동이 감소됨에 따라, φ는 감소하여서 자유 로터의 유효도도 감소한다.

본 발명은 변화하는 부하를 수용하도록 압축 시스템으로의 입구에서의 와류가 가변되는 압축 시스템에서의 서지의 억제를 지향한다. 상기 시스템은 가스의 방향 전환을 제공하지 않으며 유동 내에서 자유롭게 회전하도록 장착된 로터를 포함한다. 로터는 입구 안내 베인 등의 가변 와류 장치의 하류 및 압축기 입구의 상류에 위치된다. 회전 실속(stall)의 억제는 추가의 피드백을 요구하지 않는 어떠한 시스템에서 부가적인 이득이다.

몇몇 압축기는 압축기 질량 유동을 감소시키기 위하여 가변 입구 와류를 이용한다. 가변 입구 와류는 예컨대 엇갈림 각도를 변경하도록 회전될 수 있는 입구 안내 베인에 의해 발생될 수 있다. 자유 로터가 이러한 입구 안내 베인과 압축기 입구 사이에 장착되면, 자유 로터의 작동 특성은 상당히 변경된다. 자유 로터 엇갈림 각도 및 압축기 질량 유동에 더하여, 자유 로터의 유효도는 입구 유동 와류 각도의 함수가 된다. 본 명세서에서 설명되어 전개된 자유 로터의 유효도는 φ(tan γ - tan α)²으로 나타날 수 있는데, 여기서 α는 입구 와류 각도(압축기 회전 방향을 따라 양의 방향으로 측정됨)이다. 따라서, γ가 음이 되도록(즉, 블레이드가 압축기 회전 방향에 대향하여 엇갈림) 자유 로터가 설계된다면, 자유 로터 유효도는 입구 와류(즉, α)가 증가함에 따라 증가될 수 있다.

본 발명의 목적은 압축 시스템에서 서지를 억제하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 입구 와류가 증가함에 따라 유효도가 증가하는 서지 억제 장치를 제공하는 것이다. 이들 목적과, 이하에서 명백하게 되는 다른 목적들은 본 발명에 의해 성취된다.

도1은 입구 유동 와류가 압축기 질량 유동에 따라 선형적으로 변화하는 여러 최대 입구 와류 각도에 대한, 자유 로터 유효도 대 상대 압축기 질량 유동의 그래프.

도2는 입구 와류가 질량 유동에 따라 선형적으로 변화하지 않는 통상의 원심 냉각 시스템에 대한, 자유 로터 유효도 및 입구 안내 베인 각도(임펠러 축에 대해 직각으로 측정됨) 대 상대 압축기 설계 질량 유동의 그래프.

도3은 본 발명의 제1 실시예를 채용하는 원심 압축기 시스템의 단면도.

도4는 본 발명의 제2 실시예를 채용하는 원심 압축기 시스템의 단면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 터보 압축기

20 : 임펠러

22 : 입구 안내 베인

31, 32, 131, 132 : 자유 로터

33, 34 : 베어링

기본적으로는, 압축 시스템의 가변 와류 장치와 압축기 입구 사이에 적어도 하나의 자유 로터가 위치된다.

냉각기에서의 원심 압축기처럼, 통상의 적용에 있어서, 압축기 질량 유동이 설계 질량 유동의 10%인 때, 입구 와류 각도는 80° 이상으로 클 수 있다. 이러한 질량 유동 범위는 통상적으로 0.6(설계 유동) 내지 0.06(설계 유동의 10%) 사이의 유동 계수 값으로 나타날 수 있다. 질량 유동에 따른 입구 와류 각도의 변화가 선형적이라고 가정되면(즉, 예컨대 입구 안내 베인 엇갈림 각도가 압축기 질량 유동의 선형 함수로서 계획되었다면), 상이한 최대 와류 각도에 대한 질량 유동에 따른 자유 로터 유효도의 변화(즉, 최대 질량 유도에서의 와류 각도)가 도1에 도시되어 있다. 또한, 도1은 예비 와류가 없는 상태에서의 자유 로터에 대한 유효도 변화를 도시한다. 도1로부터 알 수 있는 바와 같이, 예비 와류는 자유 로터 유효도를 상당히 향상시킬 수 있다. 원심 냉각기에서처럼 통상의 적용에 있어서, 질량 유동에 따른 입구 와류 각도 변화는 선형적이지 않다. 이는 자유 로터 유효도에 영향을 미칠 수 있다. 도2는 이러한 것을 통상의 원심 냉각기 적용에 대하여 도시하는데, 여기서 질량 유동에 따른 입구 와류의 변화와 결과적인 자유 로터 유효도 변화가 도시되어 있다. 압축기 질량 유동에 따른 입구 와류의 변화는 통상적으로 상당히 비선형적이며, 입구 와류 각도는 85° 등으로 상당히 클 수 있다. 또한, 자유 로터 유효도는 도1 및 도2의 횡좌표를 비교함으로써 알 수 있듯이 훨씬 크다. 90°가 입구 안내 베인의 폐쇄 위치를 나타낼 때, 80° 내지 85°로의 진행은 유동 면적의 공칭 반감(nominal halving)을 나타내고 tan α의 값은 약 5로부터 약 11로 진행한다. 낮은 질량 유동 조건(가장 필요한 경우)에서의 자유 로터 유효도의 상당한 증가는 설계자가 로터를 공칭 설계 조건에서 저속으로 회전시키도록 설계할 수 있게 함으로써, 압력 손실을 감소시키고 제조 비용을 절감시킨다. 자유 로터는 압축기 축의 연장부 상에 장착될 수 있어, 자유 로터 베어링 속도가 낮아지게 함으로써 베어링 손실을 감소시킨다.

입구 안내 베인과 압축기 입구 사이에 자유 로터를 포함시키는 것은 허브 대 팁의 직경비가 낮은 압축기에 대해 부가적인 이득을 갖는다. 입구 안내 베인은 와류 각도가 모든 반경방향 위치에서 고정되도록 와류를 부가하므로, 이는 강체(solid body) 회전이 아니다. 따라서, 압축기에서 입사각 불일치가 있게 된다. 자유 로터에 대한 블레이드의 기하학적 형상은 이러한 효과를 완화시키도록 설계될 수 있다.

도3에서, 도면 부호 10은 원심 냉각기의 터보 압축기를 나타낸다. 구체적으로는, 터보 압축기(10)는 통상적인 것처럼, 입구 안내 베인(22)이 상류측에 위치된 임펠러(20)를 구비하는 원심 압축기를 포함한다. 본 발명은 원심 압축기 임펠러(20)로의 입구와 입구 안내 베인(22) 사이에 하나 이상의 자유 로터(31, 32)를 부가한다. 자유 로터(31, 32)는 임펠러 구동축(20-1)의 돌출부에서 자유롭게 회전 가능하게 지지된다. 도시된 바와 같이, 자유 로터(31, 32)는 적당한 베어링(33, 34)을 통해 축(20-1) 상에 위치된다. 복수개의 자유 로터가 채용되는 경우에, 하나의 자유 로터는 다른 하나의 자유 로터에 대해 역회전하는 것일 수 있다.

자유 로터(31, 32)가 없는 경우, 압축기 임펠러(20)로의 유동은 유동에 대해 회전(spin)을 부여하면서 유동 제어시 밸브로서 작용하는 입구 안내 베인(22)에 의해 제어된다. 유동에 부여된 회전은 감소된 유동에 대응하는 입구 안내 베인 각도의 증가에 따라 증가한다. 안내 베인(22)이 유동과 정렬되는 0°에 있다고 가정하면, 안내 베인은 밸브 작용을 제공하지 못하며 유동에 회전을 부여하지 못한다. 자유 로터(31, 32)는 미국 특허 제5,437,539호의 장치의 경우에서처럼, 압축기 임펠러(20)의 입구로 통과하는 유동에 대해 방향 전환을 제공하지 못하게 하는 속도로 될 것이다. 그러나, 본 발명에서, 입구 안내 베인(22)이 폐쇄를 향해 이동함에 따라, 유동에 부여된 결과적인 와류는 유동이 자유 로터(31, 32)에 충격을 가하도록 하여 자유 로터들이 새로운 유동 방향을 수용하도록 속도가 증가되게 한다. 자유 로터의 속도가 새로운 평형 속도로 조절된 후에, 자유 로터는 자유 로터를 가로지른 환상 평균의 시간 평균 유동 각도에 영향을 미치지 않는다. 그러나, 서지와 관련된 것과 같은 불안정한 진동에 대하여, 자유 로터는 미국 특허 제5,437,539호에 설명된 것과 유사하게, 진동을 감쇠시키는 작용을 한다.

도4의 실시예는 자유 로터(131, 132)의 지지에 있어서 도3의 실시예와 상이하다. 도3의 실시예에서처럼 돌출 축 상에 지지되기보다는, 축(120-1)은 자유 로터(131, 132)와 상호 작용하지 않는다. 구체적으로는, 도3의 실시예에서처럼 베어링 구조물에 의해 내부적으로 지지되기보다는, 자유 로터(131, 132)는 적당한 베어링(133, 134)에 의해 외측 원주에서 자유롭게 회전 가능하게 지지된다. 자유 로터(131, 132)의 지지와 관련된 차이점 외에는, 터보 압축기(110)의 작동은 터보 압축기(10)의 작동과 유사하다.

본 발명은 입구 안내 베인을 갖는 원심 압축기에 의하여 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 입구 유동에 대해 와류를 부여하는 터보 압축기에 대체로 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범주는 첨부된 특허청구범위의 범주에 의해서만 제한된다.

압축 시스템의 가변 와류 장치와 압축기 입구 사이에 적어도 하나의 자유 로터가 위치되고 낮은 질량 유동 조건에서 자유 로터 유효도가 상당히 증가되어, 로터를 공칭 설계 조건에서 저속으로 회전시키도록 설계할 수 있음으로써 압력 손실이 감소되고 제조 비용도 절감된다. 자유 로터는 압축기 축의 연장부 상에 장착될 수 있어 자유 로터 베어링 속도가 낮아지게 함으로써 베어링 손실을 감소시킨다. 또한, 본 발명에 따르면, 변화하는 부하를 수용하도록 압축 시스템으로의 입구에서의 와류가 가변되는 압축 시스템에서 서지를 억제할 수 있다.

Claims

입구를 갖는 터보 압축기(10)와,

상기 입구에 대해 유동을 제공하는 수단과,

상기 입구로의 유동에 대해 와류를 선택적으로 제공하는 수단(22)과,

상기 유동에서의 변화를 감쇠시키는 수단(31; 32; 131; 132)

을 포함하며,

상기 감쇠 수단은 보다 안정된 유동이 상기 입구로 공급되도록, 와류를 선택적으로 제공하는 상기 수단과 상기 입구 중간에 위치되는 것을 특징으로 하는 압축기 설비.
제1항에 있어서, 상기 감쇠 수단은 자유 로터를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기 설비.
제1항에 있어서, 상기 감쇠 수단은 대향한 회전 방향들을 갖는 적어도 2개의 자유 로터를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기 설비.
제1항에 있어서, 상기 터보 압축기는 원심 압축기이고, 와류를 선택적으로 제공하는 상기 수단은 입구 안내 베인을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기 설비.
제4항에 있어서, 상기 감쇠 수단은 자유 로터를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기 설비.
제5항에 있어서, 상기 자유 로터는 베어링(33; 34; 133; 134)에 의해 회전 가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는 압축기 설비.
제6항에 있어서, 상기 베어링은 상기 자유 로터의 내부에 위치되는 것을 특징으로 하는 압축기 설비.
제6항에 있어서, 상기 베어링은 상기 자유 로터의 외부에 위치되는 것을 특징으로 하는 압축기 설비.
제4항에 있어서, 상기 감쇠 수단은 대향한 회전 방향들을 갖는 적어도 2개의 자유 로터를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기 설비.
제9항에 있어서, 상기 베어링은 상기 자유 로터의 내부에 위치되는 것을 특징으로 하는 압축기 설비.
제9항에 있어서, 상기 베어링은 상기 자유 로터의 외부에 위치되는 것을 특징으로 하는 압축기 설비.