KR20000059506A - 터보 압축기의 디퓨져구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보 압축기의 디퓨져구조에 관한 것으로, 종래에는 베인이 없는 베인리스 디퓨져 형태나 또는 베인이 있는 베인 디퓨져 형태로 이루어지게 되어 베인 디퓨져의 경우 압축비와 압축 효율이 높은 장점이 있는 반면, 상대적으로 운전 영역이 좁은 단점을 가지게 되고, 베인리스 디퓨져는 넓은 운전 영역을 갖게 되는 반면 상대적으로 압축비와 압축효율이 낮은 단점이 있었는 바, 본 발명은 운전 조건에 따라 베인의 높이를 조절 가능하도록 한 준 베인 디퓨져(Semi-Vaned Diffuser) 형태로 구성함으로써 높은 압축비 및 효율을 유지할 뿐만 아니라 넓은 운전 영역에서 안정적으로 운전이 가능하도록 하여 압축기의 성능을 높일 수 있도록 한 것이다.

Description

터보 압축기의 디퓨져구조{DIFFUSER OF TURBO COMPRESSOR}

본 발명은 터보 압축기의 디퓨져구조에 관한 것으로, 특히 높은 압축비를 유지하면서 넓은 운전 영역에서 안정적으로 운전될 수 있도록 한 터보 압축기의 디퓨져구조에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 공기나 냉매 가스 등의 기체를 압축하는 기계이다. 상기 압축기는 동력을 발생시키는 동력발생부와 그 동력발생부에서 전달된 구동력에 의해 기체를 흡입하여 압축하는 압축기구부로 구성되며, 상기 압축기의 일예로 터보 압축기는 동력발생부에 의해 발생되는 운동에너지를 정압으로 변환시키면서 가스를 고압 상태로 토출시키게 된다.

도 1은 상기 터보 압축기의 일예를 도시한 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 터보 압축기는 흡입구(1)를 갖는 제1 압축실(10)과 토출구(21)를 갖는 제2 압축실(20)이 양측에 각각 형성되고 중앙에 모터실(30)이 형성되며 상기 제1 압축실(10)과 제2 압축실(20)을 연통시킴과 더불어 상기 모터실(30)과 연통되도록 형성된 가스유로(40)를 구비하여 이루어진 밀폐용기(100)의 모터실(30)에 구동력을 발생시키는 구동 모터(110)가 장착되어 있다.

그리고 소정의 길이로 형성된 구동축(120)이 상기 구동 모터(110)에 결합됨과 아울러 일측 단부가 상기 제1 압축실(10)에 삽입되고 타측 단부가 상기 제2 압축실(20)에 삽입되어 있다. 상기 구동축(120)의 일측 단부에 흡입구(1)로 가스를 유입시켜 그 유입된 가스를 1단 압축하여 가스유로(40)를 통해 제2 압축실(20)로 유동시키는 제1 임펠러(200)가 상기 제1 압축실(10)에서 회전가능하도록 결합되며, 또한 상기 구동축(120)의 타측 단부에 1단 압축되어 제2 압축실(20)로 유입된 가스를 2단 압축하여 토출구(21)로 토출시키는 제2 임펠러(210)가 상기 제2 압축실(20)에서 회전가능하도록 결합되어 있다.

상기 구동축(120)에는 구동축(120)을 축방향으로 지지하는 스러스트 베어링(130)과 구동축(120)을 반경방향으로 지지하는 레이디얼 베어링(140)이 상기 구동 모터(110)의 양측에 위치하도록 각각 결합되어 있다.

미설명 부호 150은 어큐뮬레이터를 도시한 것이다.

상기 터보 압축기의 작동을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 구동 모터(110)에 전류가 인가되면 구동 모터(110)가 작동함과 더불어 구동 모터(110)의 구동력이 구동축(120)에 전달되어 구동축(120)이 회전하게 된다. 상기 구동축(120)의 회전에 의해 구동축(120)의 양단부에 결합된 제1 임펠러(200)와 제2 임펠러(210)가 제1,2 압축실(10)(20)에서 각각 회전하게 된다. 상기 제1 임펠러(200)와 제2 임펠러(210)의 회전력에 의해 어큐뮬레이터(150)를 통과한 냉매 가스가 흡입구(1)를 통해 제1 압축실(10)로 유입되어 1단 압축되고, 이 1단 압축된 냉매 가스는 가스유로(40)를 통해 제2 압축실(20)로 유입되며, 그 제2 압축실(20)로 유입된 1단 압축된 냉매 가스는 제2 압축실(20)에서 2단 압축되어 토출구(21)를 통해 토출된다.

상기 구조에서 냉매 가스가 압축되는 제1,2 압축실(10)(20) 및 그 압축실에서 회전하는 임펠러는 도 2a, 2b에 도시한 바와 같다. 상기 압축실(10)은 원뿔 형상 유사하게 형성된 것으로, 일측에 흡입구(1)와 연통되어 흡입 가스를 유도하는 인듀서부(2)와, 상기 인듀서부(2)와 연통되며 상기 임펠러(200)가 삽입되어 흡입되는 가스의 운동에너지를 증가시켜주는 임펠러실(3)과, 상기 임펠러실(3)에 이어 임펠러실(3)과 가스유로(40)를 연통시킴과 더불어 증가된 가스의 운동에너지를 정압으로 변환시켜 가스유로(40)로 유도하는 디퓨져부(4) 및 볼류트부(5)로 형성되어 이루어지며, 상기 임펠러실(3)에 원뿔 형상 유사하게 형성된 임펠러(200)가 삽입되어 있다.

상기 압축실(10)에서 냉매 가스가 압축되는 과정은, 도 3에 도시한 바와 같이, 먼저, 임펠러(200)의 회전에 의해 흡입구(1)로 유입된 냉매 가스가 인듀서부(2)를 통해 임펠러실(3)로 유입되며, 그 임펠러실(3)로 유입된 냉매 가스는 임펠러(200)의 회전력에 의해 운동에너지가 상승될 뿐만 아니라 정압도 상승하게 되고, 그 상태의 냉매 가스가 디퓨져부(4)와 볼류트부(5)를 지나면서 냉매 가스의 운동에너지가 정압으로 변환되면서 압력이 상승하여 토출된다.

한편, 상기 디퓨져부는 보통 두 가지의 형태를 갖게 되는데 그 한가지 형태는, 도 2a, 2b에 도시한 바와 같이, 베인이 없는 베인리스 디퓨져(Vaneless Diffuser) 형태이고, 그 다른 형태는, 도 4a, 4b에 도시한 바와 같이, 복수개의 베인이 형성된 베인 디퓨져(Vane Diffuser) 형태이다.

상기 베인 디퓨져는 일측면에 소정의 길이, 높이 그리고 두께를 갖도록 형성된 베인(6)이 유체의 흐름을 안내하도록 일정 간격을 두고 복수개 형성되며, 각 베인은 임펠러(200)의 중심방향과 경사지도록 형성되어 있다.

상기 베인 디퓨져는 압축비와 압축 효율이 높은 장점이 있는 반면, 상대적으로 운전 영역이 좁은 단점을 가지고 있다. 그리고 상기 베인리스 디퓨져는 압축비와 압축효율이 상대적으로 낮은 단점이 있는 반면 상대적으로 넓은 운전 영역을 갖게 되는 장점이 있다. 상기 운전 영역은 일명 서지(Surge) 영역 이전에서 이루어져야 하며 상기 서지 현상은 시스템의 고유진동수와 임펠러를 통한 유체가 디퓨져부(4)와 볼류트부(5)를 지나면서 발생되는 가진원에 의한 간섭에 의해 유동이 흔들리는 비정상적인 유동 현상을 가리킨다.

따라서 본 발명의 목적은 넓은 운전 영역에서 안정적으로 운전될 수 있도록 한 터보 압축기의 디퓨져구조를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 터보 압축기의 일예를 도시한 단면도,

도 2a는 상기 터보 압축기의 압축실 및 임펠러를 중심으로 도시한 반단면도,

도 2b는 상기 터보 압축기의 압축실 및 임펠러를 중심으로 도시한 평면도,

도 3은 상기 터보 압축기의 압축실에서 가스가 압축되는 과정을 도시한 순서도,

도 4a,4b는 상기 터보 압축기의 디퓨져에서 베인이 있는 상태를 나타낸

에서 임펠러의 회전력에 따른 디퓨져부의 베인 선단부에서 유체의 유동상태를 도시한 측면도,

도 4a는 본 발명의 터보 압축기 디퓨져구조가 구비된 압축실과 임펠러의 반단면도,

도 4b는 본 발명의 터보 압축기 디퓨져구조가 구비된 압축실 과 임펠러의 평면도,

도 5는 본 발명의 터보 압축기 디퓨져구조에서 유체의 유동상태를 도시한 정면도,

도 6는 본 발명의 터보 압축기 디퓨져구조에서 소음 발생 상태를 도시한 정면도,

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

4 ; 디퓨져부 4a ; 와류발생홈

6 ; 베인 6a ; 베인 선단부

200 ; 임펠러 K ; 와류발생수단

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 동력발생부에서 발생된 회전력을 전달받아 유체를 유동시키는 임펠러와, 상기 임펠러에서 유출된 유체가 통과하면서 유체의 운동에너지를 압력에너지로 변환시키는 디퓨져부를 구비하여 이루어진 터보 압축기에 있어서, 상기 디퓨져부의 일면에 복수개 형성된 베인 삽입구멍과, 상기 베인 삽입구멍에 슬라이딩 가능하도록 삽입되는 베인과, 상기 베인과 연결되어 운전 조건에 따라 베인의 높이를 조절하는 베인구동수단을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 터보 압축기의 디퓨져구조가 제공된다.

이하, 본 발명의 터보 압축기 디퓨져구조를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 터보 압축기 디퓨져구조는, 도 5a, 5b에 도시한 바와 같이, 먼저 동력발생부를 구성하는 구동 모터(110)의 구동력을 전달받아 회전하는 임펠러(200)가 소정의 형상으로 형성된 압축실(10)내에 회전 가능하도록 삽입된다.

상기 압축실(10)이 형성되는 몸체부(100a)의 일측에는 구동 모터(110)의 구동력을 전달하는 구동축(120)이 삽입되는 축삽입구멍(100b)이 형성되며 그 축삽입구멍(100b)에 구동축(120)이 삽입되고 그 구동축(120)의 단부에 임펠러(200)가 결합된다.

상기 압축실(10)은 일측에 흡입구(1)와 연통되어 흡입 가스를 유도하는 인듀서부(2)와, 상기 인듀서부(2)와 연통됨과 아울러 임펠러(200)가 삽입되어 회전하는 임펠러실(3)과, 상기 임펠러실(3)에 이어 임펠러(200)에 의해 고속 고압 상태로 가속된 가스의 운동에너지를 정압으로 변환시키는 디퓨져부(4) 및 볼류트부(5)로 형성된다.

그리고 상기 디퓨져부(4)를 이루는 일측면에 복수개의 베인 삽입구멍(100c)이 형성되며, 상기 베인 삽입구멍(100c)은 일정 길이를 갖는 유선 형태로 형성됨이 바람직하다. 상기 베인 삽입구멍(100c)은 임펠러(200)와 동심원상에 방사상으로 형성됨과 아울러 일정 간격을 두도록 경사지게 형성된다.

그리고 상기 각 베인 삽입구멍(100c)에 일정 높이를 가지며 그 단면이 베인 삽입구멍(100c)과 상응하도록 형성된 베인(7)이 각각 삽입된다. 상기 각 베인 삽입구멍(100c)에 삽입된 각 베인(7)은 연결부재(8)에 의해 연결되며 상기 연결부재(8)는 베인구동수단(9)과 연결된다. 상기 베인(7)을 움직이도록 하는 베인구동수단(9)은 그 형태가 다양하게 이루어질 수 있으며, 그 일예로서 모터로 구성할 수 있다.

이하, 본 발명의 터보 압축기 디퓨져구조의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 6에 도시한 바와 같이, 구동 모터(110)의 구동력이 구동축(120)을 통해 임펠러(200)에 전달되어 임펠러(200)가 회전하게 되면 그 임펠러(200)의 회전력에 의해 흡입구(1)로 유입된 냉매 가스가 인듀서부(2)를 통해 임펠러실(3)로 유입되면서 임펠러(200)를 통해 디퓨져부(4)로 유동하게 된다. 이때 유체는 임펠러(200)에 의해 운동에너지를 얻은 상태로 디퓨져부(4) 및 볼류트부(5)로 빠져나가게 되며 그 유체는 디퓨져부(4) 및 볼류트부(5)를 통과하면서 운동에너지가 압력에너지로 변환된다.

그리고 볼류트부(5)를 통해 토출되는 유체의 압력 또는 질량유량 등의 변화량을 측정하여 그 측정된 값이 설정된 값의 이상이 되면 베인구동수단(9)을 가동시켜 베인(7)을, 도 7a에 도시한 바와 같이, 아래로 내림으로써 베인(7)이 없는 상태인 베인리스 디퓨져가 되게 하여 시스템을 안정화시키고, 또한 볼류트부(5)를 통해 토출되는 유체의 압력 또는 질량유량 등의 변화량이 설정된 값의 이하가 되면 베인구동수단(9)을 가동시켜, 도 7b에 도시한 바와 같이, 베인(7)을 올림으로써 베인 디퓨져가 되도록 하여 압축비를 높이게 된다. 상기 베인구동수단(9)의 구동에 의해 베인(7)이 올라가고 내려오도록 조절함은 피드백 장치에 의해 이루어지게 된다.

본 발명은 서지 영역에서 베인(7)의 높이 조절에 의해 운전 영역을 넓히게 되어 서지로 인한 불안정성을 최대한 줄이는 동시에 높은 압축비 및 효율을 유지하면서 넓은 범위에서 안정적인 운전을 할 수 있게 된다. 즉 베인(7)의 높이를 조절함에 의해 베인 디퓨져 및 베인리스 디퓨져를 모두 구현할 수 있게 되어 압축비 및 압축효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 넓은 운전 영역을 갖게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 터보 압축기 디퓨져구조는 운전 조건에 따라 베인의 높이를 조절 가능하게 되는 준 베인 디퓨져(Semi-Vaned Diffuser) 형태를 이루게 됨으로써 높은 압축비 및 효율을 유지하게 될 뿐만 아니라 넓은 운전 영역에서 안정적으로 작동하게 되어 압축기의 성능 및 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 동력발생부에서 발생된 회전력을 전달받아 유체를 유동시키는 임펠러와, 상기 임펠러에서 유출된 유체가 통과하면서 유체의 운동에너지를 압력에너지로 변환시키는 디퓨져부를 구비하여 이루어진 터보 압축기에 있어서; 상기 디퓨져부의 일면에 복수개 형성된 베인 삽입구멍과, 상기 베인 삽입구멍에 슬라이딩 가능하도록 삽입되는 베인과, 상기 베인과 연결되어 운전 조건에 따라 베인의 높이를 조절하는 베인구동수단을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 터보 압축기의 디퓨져구조.