KR19990088372A

KR19990088372A - 평형화된추력을갖는스크류압축기

Info

Publication number: KR19990088372A
Application number: KR1019990017927A
Authority: KR
Inventors: 즈홍지안핑
Original assignee: 윌리엄 더블유. 하벨트; 캐리어 코포레이션
Priority date: 1998-05-18
Filing date: 1999-05-18
Publication date: 1999-12-27
Also published as: US6050797A; AU749590B2; JPH11351169A; EP0959250B1; CN1236064A; ES2242368T3; CN1135299C; EP0959250A3; KR100317759B1; JP3086804B2; AU2906199A; EP0959250A2; TW426785B; DE69926176T2; DE69926176D1

Abstract

압축되어 스크류 로터를 배출측으로부터 흡입측을 향해 이동시키려는 유체에 의해 스크류 로터상에 가해지는 힘에 의해, 로터의 축 부분은 스크류 로터의 추력 하중을 상쇄하기 위한 축방향으로 하중이 걸리게 된다. 이는 트러스트 베어링을 제거할 수 있게 한다. 바람직하게는, 동작 중 유체 동력학적인 필름을 형성되기 위해 로터의 로브(lobe)의 배출 단부는 경사지게 된다.

Description

평형화된 추력을 갖는 스크류 압축기{SCREW COMPRESSOR WITH BALANCED THRUST}

트윈 로터 스크류 압축기(the twin rotor screw compressor)에서, 압력 구배는 유체 압력이 흡입구 쪽으로 로터에 힘을 가하도록 작동 중 일방향으로 있게 된다. 로터는 통상 각각의 단부에 위치한 베어링에 장착되어, 반경 방향과 축방향을 제한한다. 배출구 쪽의 로터의 단부 간격은 밀봉 측면에서 아주 중요하고, 유체 압력은 이 간격을 가압 개방시키는 경향이 있다. 또한, 축방향 힘은 로터의 흡입 단부를 케이싱(casing) 쪽으로 구동하고, 이는 로터와 케이싱 사이에 접촉이 발생한다면 로터에 손상을 줄 수 있다. 베어링, 특히 트러스트 베어링에 대한 필요성은 비용을 현저히 증가시키고, 제조/조립을 복잡하게 하고, 유지 보수에 대한 요구조건을 증가시키게 된다.

본 발명은 흡입구 및 배출구 양쪽에서 스크류 로터상의 추력을 평형시키기 위해 반대 방향 힘(counter force)을 발생시키기 위한 추력 지지 시스템(thrust support system)을 제공한다. 추력 지지 시스템은 외부 직경 상에 기계가공된 일단계 또는 다단계의 래비린쓰 밀봉부(labyrinth seal)를 갖는 평형 디스크 (또는 피스톤)를 포함한다. 이 피스톤은 로터 입구 축 단부 상에 장착되어 자기 잠금 너트(self-locking nut)로 고정되어 있다. 압축기 입구 하우징은 일단계 또는 다단계 실린더를 상기 피스톤에 제공하도록 설계 및 가공되어 있다. 이 실린더는 래비린쓰 밀봉부을 통과하는 유체 누설 통로만을 갖는 밀폐 챔버(enclosed chamber)를 형성하기 위하여 0-링 등에 의해 볼트 체결되고 밀봉된 판으로 덮여 있다. 덮개 평판은 나사나 플랜지를 통해 케이싱 배출 측으로 연결된 파이프용 나사 처리된 구멍(tapped hole) 또는 플랜지형 접속부(flange connection)를 갖는다. 상기 구멍은 고압 가스가 피스톤의 고압 측으로 유동하도록 상기 파이프를 로터 배출 영역과 연결시키기 위해 케이싱 배출벽을 관통하게 뚫려있다. 하나 또는 그 이상의 구멍들이 로터 입구 영역과 피스톤 저압 측을 연결시키기 위해 압축기 입구 하우징에 뚫려 있다. 이러한 방법으로, 완전 유동 재순환 경로가 형성되며, 유속(flow rate)은 래비린쓰 밀봉부 누설과 압력 강하를 수용하도록 설계함으로써 제어된다. 선택적으로 이 유동 경로는 누수 방지를 위한 적당한 마개(plug)를 가지고 교차하는 하우징 내의 일련의 내부 드릴 가공된 구멍들(drilling)을 통과하도록 제조된다.

로터의 배출 측상의 추력은 피스톤의 고압 면적의 크기를 정확히 결정함으로써 피스톤 고압 측으로부터의 힘에 의해 평형을 이루어 진다. 로터 입구 측상의 추력은 피스톤의 저압 면적의 크기를 정확히 결정함으로써 피스톤 저압 측으로부터의 힘에 의해 평형이 이루어 진다. 압축기 로터상의 최종 추력은 임의의 입구나 배출 압력 수준에 대해 전체적으로 평형 또는 제어될 수있다.

추력 지지 시스템은 소정량의 힘으로 로터의 추력을 로터 배출면을 향해 역전시키는 데에 사용될 수 있다. 이러한 힘은 로터를 케이싱 배출 단부 벽에 대한 축방향으로 이동시킨다. 오일이 넘쳐 흐르는(oil flooded) 적용예에 있어서, 로터 배출 단부 표면은 각 로터의 단부에 형성된 테이퍼 랜드 형상(taper land geometry)을 제공한다. 이 테이퍼 랜드 추력 면적은 로터 회전시 인접 표면들을 분리시키기 위해 유체 동력학적 오일 필름을 생성한다. 오일이 없는 적용예에 있어서, 연마 가능한 코팅은 2개의 대응하는 표면을 생성하기 위해 로터 배출 단부 표면에 적용된다. 양 경우에 있어서, 기계는 로터 배출 표면과 케이싱 단부 벽 사이에 아주 작은 작동 간격을 가질 것이다. 이러한 조밀한 간격은 누설을 감소시키고 효율을 향상시킬 것이다.

추력 지지 시스템은, 소정의 스크류 압축기에서 수형 로터, 암형 로터 또는 양 쪽 로터 중의 어느 한 경우에 사용될 수 있다.

본 발명의 목적은 스크류 압축기에서의 추력 하중을 평형시키고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 스크류 압축기에서 트러스트 베어링에 대한 필요성을 제거하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 트러스트 베어링 관련한 기계적 손실을 감소시켜 압축기 효율을 증가시키는 것이다.

본발명의 또다른 목적은 보다 소형의 압축기 설계시 제공하는 것이다.

본 발명의 추가 목적은 로터 단부 표면과 케이싱 단부 벽 사이의 작동 간격을 거의 없애기 위해 배출 단부에 대한 로터의 위치 결정을 가능하게 하는 것이다. 이하에 더 명백해지는 상기 목적 및 여타 목적들은, 본 발명에 의해 달성될 것이다.

기본적으로, 압축되어 스크류 로터를 배출측에서 흡입측으로 이동시키려는 유체에 의해 스크류 로터상에 가해지는 힘에 의해, 스크류 로터의 축 부분은 스크류 로터의 추력 하중을 상쇄하기 위해 축방향으로 하중이 걸리게 된다.

도1a 내지 도1f는 싸여지지 않은 스크류 로터를 도시하며, 흡입구 차단시와 배출시 사이의 갇힌 체적(trapped volume)의 이동을 연속적으로 도시한 도면.

도2는 본 발명에서 실시되는 스크류 머신의 부분 단면도.

도3은 도2의 스크류 머신의 일부 흡입 단부의 확대도.

도4는 도2의 스크류 머신의 일부 배출 단부의 확대도.

도5는 도4의 로터의 배출 단부의 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 스크류 머신

13 : 케이싱

14 : 흡입 포트

16 : 배출 포트

20, 21 : 로터

50, 51 : 평형 디스크 또는 피스톤

70, 80 : 챔버

도1a 내지 도1f에서, 도면 부호 20은 스크류 머신(10)의 싸여지지 않은 수형 로터를 나타내고, 도면 부호 21은 스크류 머신(10)의 싸여지지 않은 암형 로터를 나타낸다. 축방향 흡입 포트(14)는 단부 벽(15)에 위치하고 있으며, 축방향 배출 포트(16)와 연통되기 직전의 단부 벽(17)에 위치하고 있다. 도1a 내지 도1f에서 점이 찍혀진 부분은 도1a의 흡입 포트(14)의 차단과 함께 시작해서 도1f의 축방향 배출 포트(16)와 연통되기 직전의 지점으로 진행하는 냉매의 갇힌 체적을 나타낸다. 상기 갇힌 체적이 사실상 흡입 압력인 경우의 도1a를 제외하고는, 갇힌 체적은 단부 벽(17)에만 축방향 하중 또는 추력 하중을 가한다. 갇힌 체적이 도1a의 위치에서 도1f로 진행함에 따라, 갇힌 체적은 단부 벽(17)상의 축방향 하중 또는 추력 하중의 증가에 대응하여 감소하게 된다. 추력 하중은 단부 벽(17)으로부터 로터들(20, 21)을 분리시키려 경향이 있고, 도1a 내지 도1f에서 명백한 바와 같이 이러한 분리에 의해 모든 갇힌 체적과 배출 포트(16) 사이에 누설 통로가 제공될 것이다. 위에서 알 수 있는 바와 같이, 이러한 추력 하중은 보통은 트러스트 베어링에 수용된다. 본 출원인의 미국 특허 5,722,163호는 트러스트 베어링의 이용시 누설 제한과 관련된 몇몇 난점을 개시하고 있다.

도2에서, 그 구조는 도1의 대응되는 구조와 동일하게 표시되어 있다. 그러나, 유체 경로를 하나의 도면에 도시할 수 있도록, 단지 수형 로터(20)만을 도시하고 유체 연결을 완성하기 위해 그 구조의 일부를 왜곡(distort)시킬 필요가 있었다.

도1 내지 도5에서, 도면 부호 10은 스크류 머신, 특히 수형 로터(20)와 암형 로터(21)를 갖는 트윈 로터 스크류 압축기를 통상 가리킨다. 그러나, 본 발명은 2개 이상의 로터를 가지는 스크류 머신에 적용될 수 있다. 로터(20)는 축 부분(20-1), 줄어든 중간 직경 부분(20-4), 및 줄어든 외부 직경 부분(20-6)을 가진다. 제1 견부(shoulder; 20-2)는 축 부분(20-1)과 로터(20) 사이에 형성된다. 제2 견부(20-3)는 축 부분(20-1, 20-4) 사이에 형성되고, 제3 견부(20-5)는 축 부분(20-4, 20-6) 사이에 형성된다. 축 부분(20-4)은 롤러 베어링(34)의 내부 레이스(inner race, 34-1)에 의해 지지된다.

유사하게는, 로터(21)는 축 부분(21-1), 줄어든 중간 직경 부분(21-4) 및 줄어든 외부 직경 부분(21-6)을 가진다. 제1 견부(21-2)는 축 부분(21-1)과 로터(21) 사이에 형성된다. 제2 견부(21-3)는 축 부분들(21-1, 21-4) 사이에 형성되고 제3 견부(21-5)는 축 부분(21-4, 21-6) 사이에 형성된다. 축 부분(21-4)은 롤러 베어링(35)의 내부 레이스(35-1)에 의해 지지된다.

도4에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 로터들(20, 21)과 그 배출측 축 부분들(20-8, 21-8)은 각각 롤러 베어링들(32, 33)로 지지되는 축 부분들(20-8, 21-8)을 갖는 로터 하우징(12) 내에 지지 수납된다. 도3에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 축 부분들(20-1, 21-1)은 입구 케이싱(13) 내에 지지 수납되고, 롤러 베어링(34)에 의해 각각 지지된다. 로터들(20, 21) 중 하나는 구동 로터이며, 모터 등에 연결되어 있다.

동작시, 냉각 압축기로서, 수형 로터를 구동 로터라 가정하면, 로터(20)는 회전하고, 로터(21)와 맞물려서 이를 회전시킨다. 회전하는 로터들(20, 21)의 공동 작용은 냉각 가스를 흡입 포트(14)를 경유하여, 가스의 체적을 가두어 압축하고 고온의 압축 가스를 배출 포트(16)로 보내기 위해 결합된 로터들(20, 21)의 홈으로 흡입한다.

지금까지 설명했던 구조와 동작은 대개 통상적인 것이다. 도2와 도3에 있어서, 입구 케이싱(13)은 각각 롤러 베어링들(34, 35)을 각각 수납하는 제1 보어들(13-1, 13-1a)과, 각각 견부들(13-2, 13-2a)에 의해 제1 보어들(13-1, 13-1a)로부터 각각 분리된 중간 보어들(13-3, 13-3a)과, 견부들(13-4, 13-4a)에 의해 중간 보어(13-3, 13-3a)로부터 각각 분리된 외부 보어들(13-5, 13-5a)을 갖는다. 본 발명은, 축 부분들(20-6, 21-6) 상에 각각 위치하고 축 부분들(20-6, 21-6)의 치 부분들(20-7, 21-7)상에 각각 나사 가공된 잠금 너트들(lock nut; 60, 61)에 의해 견부들(20-5, 21-5)과 밀봉 결합되어 유지되는, 평형 디스크 또는 피스톤(50 및/또는 51)을 추가한다. 평형 디스크 또는 피스톤(50)은 보어(13-3) 내에 수납되는 래비린쓰 밀봉부를 한정하는 제1 직경 부분(50-1)과, 제2 래비린쓰 밀봉부를 한정하는 제2 큰 직경 부분(50-2)을 가지고 있다. 평형 디스크 또는 피스톤(50)은 저압 통로(14-1)를 경유하여 흡입구(14)와 유체 연통되는 환형의 챔버(70)을 한정하기 위해 축 부분(20-4) 및 보어와 공동 작용한다.

유사하게는, 평형 디스크 또는 피스톤(51)은 보어(13-3a) 내에 수납되는 래비린쓰 밀봉부로 한정되는 제1 직경 부분(51-1)과, 보어(13-5a) 내에 수납되는 래비린쓰 밀봉부로 한정되는 제2 큰 직경 부분(51-2)을 가지고 있다. 평형 디스크 또는 피스톤(51)은 저압 통로를 경유하여 직접 또는 (도시되지 않은) 분기 통로를 경유하여, 흡입구(14)와 유체 연통되는, 챔버(70)와 유사하게 환형의 챔버(71)를 한정하기 위해 축 부분(21-4) 및 보어(13-3a)와 공동 작용한다.

덮개 평판(72)은 입구 케이싱(13)과 밀봉 결합되고, 직접 유체와 연통될 수있는 챔버들(80, 81)을 한정하기 위해 균형 디스크 또는 피스톤(50) 및 보어(13-5, 13-5a)와 공동 작용한다. 챔버들(70, 80)은 래비린쓰 밀봉부들(50-1, 50-2)에 의해 유체적으로 분리되어 그 챔버들 사이의 유일한 유체 연통은 래비린쓰 밀봉부들(50-1, 50-2)을 지난 누설에 의한 것이다. 유사하게는, 챔버들(71, 81)은 래비린쓰 밀봉부들(51-1, 51-2)에 의해 유체적으로 분리되어, 그 챔버들 사이의 유일한 연통은 누출이 래비린쓰 밀봉부들(51-1, 51-2)을 지난 누설에 의한 것이다. 고압 통로(16-1)는 배출 포트(16)를 유체 통로에 유체적으로 연결시킨다. 유체 통로(74)는 고압 통로(16-1), 즉 배출 포트(16)를 통상 배출 압력으로 유지되는 챔버(80)와 유체적으로 연결시킨다. 유사하게는, 유체 통로(74)와 분기 통로(74-1)는 고압 통로(16-1), 즉, 배출 포트(16)를 통상 배출 압력으로 유지하는 챔버(81)와 유체적으로 연결시킨다. 선택적으로, 분기 통로(74-1)는 챔버들(80, 81) 사이에 직접 유체 연통이 있으면 제거될 수 있다.

도2와 도4에서 도시된 바와 같이, 배출 압력은 로터들(20, 21)의 우측 단부에 작용하여, 로터들(20, 21)을 좌측으로 이동시켜 이들을 단부 벽(17)으로부터 분리시키고자 한다. 도2와 도3에 도시된 바와 같이, 배출 압력은 로터들(20, 21)의 축에 고정된 평형 디스크 또는 피스톤(50, 51)의 좌측 상에 작용하는 배출 압력은 로터(20, 21)를 각각 우측으로 이동시키고자 한다. 챔버들(80, 81)에 노출되는 평형 디스크 또는 피스톤(50, 51)의 면적의 크기가 적절히 결정된다면, 배출 압력에 의해 발생된 추력은 상쇄되어 그에 따라 트러스트 베어링이 불필요하게 된다. 흡입 압력은 로터(20, 21)의 좌측 단부, 즉 견부들(20-2, 21-2)에 각각 작용하고, 로터들(20, 21)을 우측으로 그리고 단부 벽(15)으로부터 멀어지도록 이동시키고자 한다. 챔버들(70, 71) 내의 흡입 압력은 배출 압력의 누출이 래비린쓰 밀봉부(51-1, 51-2)를 지나 챔버(70)로 유입되고, 래비린쓰 밀봉부(51-1, 51-2)를 지나 챔버(71)로 유입되는 배출 압력의 누설에 의해 증가하는 경향이 있으나, 챔버들(70, 71) 내의 압력은 각각 균형 디스크 또는 피스톤(50)의 우측으로 작용하여, 견부들(20-2, 21-2)에 작용하는 압력에 대항하여 로터들(20, 21)을 좌측으로 이동시키고자 한다.

챔버들(70, 80, 71, 81) 내의 유체 압력이 작용하는 평형 디스크 또는 피스톤(50, 51)의 면적과 로터(20, 21)의 단부의 크기를 적절히 결정함으로써 적어도 트러스트 베어링이 필요없을 정도로 추력은 감소될 수 있다.

상기의 설명으로부터, 유체 압력이 특정 영역에 작용하는 것이 필요하고 유체 압력의 누출이 적절히 제어되지 않으면 문제가 발생한다는 것은 명백하다. 이러한 영역의 하나는 로터들(20, 21)의 배출 단부이다. 도1a 내지 도1f에 있어서, 압축 과정내의 다른 단계에 있는 인접한 갇힌 체적들 사이에 압력 구배가 있다는 것을 명확히 알 수 있다. 로터들(20, 21)의 배출 단부에 배출 유체 압력이 작용하는 것을 돕기 위해서, 로터들(20, 21)의 로브들은 배출 단부에서 경사져야 한다. 특히 도4와 도5에 있어서, 로터들(20, 21)의 로브들은 각(α)로 비스듬하게 경사져야 한다. 단부 벽(17)에 대해 표면들(20-a, 21-a)의 최대 깊이가 로터의 회전 방향에 있도록 표면들(20-a, 21-a)에 배출 유체 압력이 작용하는 것 외에도, 경사진 표면들(20-a, 21-a)은 로터 회전동안 단부 벽(17)의 대향 표면에 대해 표면들(20-a, 21-a)을 분리하여 밀봉하는 경향이 있는 유체 동력학적 필름을 발생시킨다. 각(α)는 1도 미만이고, 바람직하게는 20분 내지 30분 정도이다.

본 발명의 양호한 실시예가 도시되고 설명되었으나 다른 변경들이 당업자에게 일어날 것이다. 예컨대, 본 발명은 3개의 로터 스크류 머신에 적용될 수 있었다. 또한, 추력 평형은 단지 수형 로터(들), 암형 로터(들), 그리고 상기 로터들 모두에 사용될 수 있었다. 따라서, 본 발명은 후속의 청구범위의 범주로만 제한되어야 한다.

본 발명은 스크류 로터에 작용하는 추력과 평형을 이루는 반대 방향의 힘을 발생시키기 위한 추력 지지 시스템을 제공함으로써, 트러스트 베어링을 제거할 수 있음과 동시에 상기 추력으로 인해 발생되는 문제점을 해결할 수 있다.

Claims

로터 하우징과, 상기 로터 하우징 고정된 입구 케이싱(13)과, 제1 및 제2 단부를 가지고 상기 각각의 로터들이 상기 입구 케이싱으로 연장하는 축 부분(20-1, 20-2)을 갖도록 상기 로터 하우징 내에 위치한 한 쌍의 작동 연결된 로터들(20, 21)과, 상기 로터들을 지지하는 베어링 수단(32, 33, 34, 35)과, 배출 압력의 가스를 상기 로터로 공급하는 수단(14)과, 상기 로터로부터 상기 각각의 로터의 제1 단부에 작용하여 제1 방향으로 상기 각각의 로터를 이동시고자 하는 배출 압력의 압축 가스를 전달하는 수단(16)과, 상기 로터들의 적어도 하나에 힘을 제공하여 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 상기 제1 로터를 이동시키기 위한 추력 평형 구조를 포함하는 스크류 머신에 있어서,

상기 추력 평형 구조는,

상기 제1 의 로터의 각각의 축 부분에 위치하고, 제1 표면상에 작용하는 유체 압력이 상기 제1 로터를 상기 제2 방향으로 이동시키도록 제1 밀봉 챔버에 노출된 상기 제1 표면을 갖는 제1 밀봉 챔버(80, 81)의 일부를 형성하는 일체식 유체 압력 응답 수단과,

배출 압력의 가스를 상기 제1 밀봉 챔버에 공급하기 위한 수단(74, 74-1)을 포함하는 것을 특징으로 하는 스크류 머신.
제1항에 있어서,

상기 유체 압력 응답 수단은 상기 제1 표면상에 작용하는 유체 압력이 상기 제2 표면상에 작용하는 유체 압력과 반대가 되도록 상기 제1 표면으로부터 이격되고 제2 밀봉 챔버(70, 71)의 일부를 형성하는 제2 표면과, 흡입 압력의 가스를 상기 제2 밀봉 챔버로 공급하기 위한 수단(14-1)을 구비하는 것을 특징으로 하는 스크류 머신.
제2항에 있어서, 래비린쓰 밀봉 수단(50-1, 50-2; 51-1, 51-2)은 상기 제1 및 제2 밀봉 챔버 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 스크류 머신.
제1항에 있어서, 상기 제1 로터의 제1 단부는 경사진 것을 특징으로 하는 스크류 머신.
제4항에 있어서, 상기 경사진 제1 단부는 1도 미만의 각도로 경사진 것을 특징으로 하는 스크류 머신.
제1항에 있어서,

상기 제2 방향으로 상기 로터들 중의 제2 로터에 힘을 제공하기 위한 추력 평형 구조를 더 포함하고 있으며,

상기 추력 평형 구조는 상기 로터들 중의 제2 로터의 각각의 축 부분상에 위치된 일체식 제2 유체 압력 응답 수단과, 배출 압력의 가스를 상기 제2 밀봉 챔버로 공급하기 위한 수단을 구비하며,

상기 제2 유체 압력 응답 수단은 그 제1 표면 상에 작용하는 유체 압력이 상기 제2 방향으로 상기 제2 로터를 이동시키도록 상기 제2 밀봉 챔버에 노출된 제1 표면을 갖는 제2 밀봉 챔버의 일부를 형성하는

것을 특징으로 하는 스크류 머신.
제6항에 있어서,

상기 제2 유체 압력 수단은 제2 유체 압력 수단의 제1 표면상에 작용하는 유체 압력이 제2 유체 압력 응답 수단의 상기 제2 표면에 작용하는 유체 압력과 반대가 되도록 제2 유체 압력 응답 수단의 제1 표면으로부터 이격되고 제2 밀봉 챔버의 일부를 형성하는 제2 표면과, 흡입 압력의 가스를 상기 제2 밀봉 챔버로 공급하기 위한 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 스크류 머신.
제6항에 있어서, 상기 제2 로터의 상기 제1 단부는 경사진 것을 특징으로 하는 스크류 머신.
제8항에 있어서, 상기 제2 로터의 경사진 상기 제1 단부는 1도 미만의 각으로 경사진 것을 특징으로 하는 스크류 머신.