KR20010011629A - 터보 압축기의 디퓨져 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보 압축기의 디퓨져 구조에 관한 것으로, 본 발명은 동력발생수단에서 발생되는 동력을 전달받아 회전하는 임펠러가 회전 가능하도록 위치하는 압축실의 임펠러공간에 연통되도록 두 개의 평면이 소정의 간격을 두고 위치함에 의해 형성되는 평면형 유로와 상기 평면형 유로에 이어 가압된 가스가 유동하는 볼류트부로 연통되는 경계면의 단면 폭이 평면형 유로의 단면 폭보다 작도록 상기 평면형 유로를 이루는 두 개의 평면에 각각 연장되는 두 개의 연장면에 의해 형성되는 곡면형 유로로 구성되도록 하여 상기 임펠러의 회전력에 의해 가스가 가압되면서 디퓨져부를 구성하는 평면형 유로와 곡면형 유로를 통해 볼류트부로 유동하는 가압된 가스가 디퓨져부로 역류하는 것을 최소화함으로써 가스 유동을 안정화할 뿐만 아니라 서지 현상이 발생되는 것을 억제하여 압축 효율을 높임과 아울러 터보 압축기의 작동 영역을 넓힐 수 있도록 한 것이다.

Description

터보 압축기의 디퓨져 구조{DIFFUSER FOR TURBO COMPRESSOR}

본 발명은 터보 압축기의 디퓨져 구조에 관한 것으로, 특히 임펠러의 회전력에 의해 가스가 가압되면서 디퓨져부를 통해 볼류트부로 유동하는 가압된 가스가 디퓨져부로 역류하는 것을 방지할 수 있도록 한 터보 압축기의 디퓨져 구조에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 공기나 냉매 가스 등의 기체를 압축하는 기계이다. 상기 압축기는 동력을 발생시키는 동력발생수단과 그 동력발생수단에서 전달된 구동력에 의해 기체를 흡입하여 압축하는 압축기구부로 구성되며, 상기 압축기의 일예로 터보 압축기는 동력발생수단에 의해 발생되는 운동에너지를 정압으로 변환시키면서 가스를 고압 상태로 토출시키게 된다. 상기 터보 압축기는 동력발생수단에서 발생되는 구동력이 임펠러에 전달되어 임펠러가 회전하면서 가스를 압축하게 되며, 그 형태는 다양하다.

도 1은 상기 터보 압축기의 일예를 도시한 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 터보 압축기는 소정 형상을 갖는 케이스(10)에 동력을 발생시키는 동력발생실(M)이 형성되고 상기 동력발생실(M)의 양측에 제1,2 압축실(P1)(P2)이 형성되어 있다. 그리고 상기 동력발생실(M)에 회전력을 발생시키는 동력발생수단(20)이 장착되며, 상기 제1,2 압축실(P1)(P2)에 동력발생수단(20)과 연결된 구동축(30)의 양단에 각각 결합되어 회전하면서 가스를 흡입하여 압축하는 제1,2 임펠러(31)(32)가 각각 장착되어 있다.

그리고 상기 제1 압축실(P1)의 일측에 가스가 제1 압축실(P1)로 유입되도록 안내하는 가스유입유로(F1)가 형성되고 상기 제1 압축실(P1)과 제2 압축실(P2)사이에 제1 압축실(P1)에서 1단 압축된 가스를 제2 압축실(P2)로 유입되도록 안내하는 연통유로(F2)가 형성되며 상기 제2 압축실(P2)에서 2단 압축된 가스가 외부로 토출되는 가스토출유로(미도시)가 형성되어 있다.

그리고 상기 구동축(30)의 양측에 구동축(30)을 반경방향으로 지지하는 반경방향 지지수단(Journal bearing)(J)이 각각 설치됨과 아울러 구동축(30)을 축방향으로 지지하는 축방향 지지수단(Thrust bearing)(T)이 구동축(30)을 지지하도록 결합되어 있다.

상기한 바와 같은 터보 압축기의 작동은 먼저 동력발생수단(20)에서 동력이 발생되어 구동축(30)을 고속 회전시키게 되면 그 구동축(30)의 양단에 결합된 제1,2 임펠러(31)(32)가 제1,2 압축실(P1)(P2)내에서 각각 회전하면서 흡입력을 발생시키게 되고 그 임펠러(31)(32)의 흡입력에 의해 가스가 가스유입유로(F1)를 통해 제1 압축실(P1)로 흡입되어 1단 압축되고 그 1단 압축된 가스는 연통유로(F2)를 통해 제2 압축실(P2)로 유입되어 제2 압축실(P2)에서 2단 압축되면서 가스토출유로를 통해 토출된다.

상기 구조에서 냉매 가스가 압축되는 제1,2 압축실(P1)(P2) 및 그 제1,2 압축실(P1)(P2)에서 회전하는 제1,2 임펠러(31)(32) 중 그 하나인 제1 압축실(P1)과 그 제1 압축실(P1)(이하 압축실이라고 한다)에 삽입되는 제1 임펠러(31)(이하 임펠러라고 한다)의 종래 구조는 도 2에 도시한 바와 같다.

도 2에 도시한 바와 같이, 상기 압축실(P1)은 원뿔 형상으로 그 외주면이 곡면 형상을 이루도록 형성된 임펠러공간(40)의 일측에 가스가 흡입되는 흡입구(41)가 형성되고 상기 임펠러공간(40)의 장경측에 연통되어 일정 폭과 길이를 갖는 디퓨져부(42)가 형성되며 상기 디퓨져부(42)에 연통되어 내경이 점증하는 환형의 볼류트부(43)가 형성되고 그 볼류트부(43)의 일측에 토출구(미도시)가 형성된다. 상기 임펠러공간(40)과 볼류트부(43)를 연통시키는 디퓨져부(42)를 이루는 상하면(42a)(42b)은 단면이 직선을 이루는 평면으로 각각 형성되어 있다.

상기 임펠러(31)는 원뿔 형상으로 그 외주면이 곡면을 이루도록 형성되어 상기 임펠러공간(40)과 상응하도록 형성된 허브(31a)의 외주면에 다수개의 날개부(31b)가 형성된다. 상기 임펠러(31)는 상기 압축실의 임펠러공간(40)에 회전 가능하도록 위치함과 아울러 구동축(30)에 결합된다.

이와 같은 구조는 동력발생수단(20)에서 발생되는 구동력이 구동축(30)을 통해 임펠러(31)에 전달되어 임펠러(31)가 회전하게 되면 그 임펠러(31)의 회전력에 의해 가스가 흡입구(41)를 통해 임펠러공간(40)으로 흡입되면서 운동에너지가 증가되며 그 임펠러공간(40)으로 흡입된 가스는 디퓨져부(42)를 통하면서 그 증가된 운동에너지가 정압으로 변환되면서 볼류트부(43)를 통해 토출구로 토출된다.

그러나 상기한 바와 같은 종래 압축실(P1) 및 임펠러(31) 구조에서 임펠러(31)가 회전하는 임펠러공간(40)에서 증가된 운동에너지가 정압으로 변환되는 디퓨져부(42)가 두 개의 평면이 소정의 간격을 두고 위치함에 의해 형성되고 그 디퓨져부(42)에 이어 확개되는 볼류트부(43)가 연통되도록 형성됨으로써 디퓨져부(42)를 통해 볼류트부(43)로 유출된 가스압이 디퓨져부(42)로 역류하여 가스유동이 불안정하게 될 뿐만 아니라 특히 유동 유량이 작을 경우 서지(Surge) 현상이 쉽게 발생되어 터보 압축기의 작동 영역이 줄어들고 압축 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

상기한 바와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 임펠러의 회전력에 의해 가스가 가압되면서 디퓨져부를 통해 볼류트부로 유동하는 가압된 가스가 디퓨져부로 역류하는 것을 방지할 수 있도록 한 터보 압축기의 디퓨져 구조를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 터보 압축기의 일예를 도시한 단면도,

도 2는 상기 터보 압축기의 압축실 및 임펠러를 중심으로 도시한 단면도,

도 3은 본 발명의 터보 압축기 디퓨져 구조가 구비된 터보 압축기의 압축실 및 임펠러를 중심으로 도시한 단면도,

도 4,5는 본 발명의 터보 압축기 디퓨져 구조의 다른 실시예를 각각 도시한 부분 단면도.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

20 ; 동력발생수단 31 ; 임펠러

40 ; 임펠러공간 43 ; 볼류트부

50 ; 디퓨져부 51 ; 평면형 유로

51a,51b ; 평면형 유로의 평면 52 ; 곡면형 유로

52a,52b ; 곡면형 유로의 연장면

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 동력발생수단에서 발생되는 동력을 전달받아 회전하는 임펠러와 상기 임펠러가 위치하는 임펠러공간과 상기 임펠러의 회전력에 의해 임펠러공간을 통과한 유체의 운동에너지가 압력에너지로 변환되는 디퓨져부 및 볼류트부를 구비한 터보 압축기에 있어서, 상기 디퓨져부는 상기 임펠러공간에 연통되도록 두 개의 평면이 소정의 간격을 두고 위치함에 의해 형성되는 평면형 유로와 상기 평면형 유로에 이어 상기 볼류트부로 연통되는 경계면의 단면 폭이 평면형 유로의 단면 폭보다 작도록 상기 평면형 유로를 이루는 두 개의 평면에 각각 연장되는 두 개의 연장면에 의해 형성되는 곡면형 유로로 이루어짐을 특징으로 하는 터보 압축기의 디퓨져 구조가 제공된다.

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

도 3은 본 발명의 터보 압축기 디퓨져 구조의 일실시예가 구비된 터보 압축기의 압축실 및 임펠러를 도시한 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 먼저 상기 임펠러(31)가 회전 가능하도록 삽입되는 압축실(P1)의 임펠러공간(40)은 원뿔 형상으로 그 외주면이 곡면 형상을 이루도록 형성되며 그 임펠러공간(40)의 일측에 가스가 흡입되는 흡입구(41)가 형성된다.

그리고 본 발명의 디퓨져는 상기 임펠러공간(40)에 연통되도록 임펠러공간(40)을 이루는 면과 연장된 두 개의 평면(51a)(51b)이 소정의 간격을 두고 위치함에 의해 형성되는 평면형 유로(51)와 상기 평면형 유로(51)에 이어 상기 볼류트부(43)로 연통되는 경계면의 단면 폭(h)이 평면형 유로(51)의 단면 폭(H)보다 작도록 상기 평면형 유로(51)를 이루는 두 개의 평면에 각각 연장되는 두 개의 연장면(52a)(52b)에 의해 형성되는 곡면형 유로(52)로 이루어진다. 부연 설명하면, 상기 볼류트부(43)와 곡면형 유로(52)의 경계면, 즉 곡면형 유로(52) 단부의 단면 폭(h)이 상기 평면형 유로(51)의 단면 폭(H)보다 작게 형성된다. 상기 곡면형 유로(52)와 볼류트부(43)의 경계면이 평면형 유로(51)의 단면 폭(h)보다 작게 형성되기 위하여 평면형 유로(51)를 형성하는 두 개의 평면(51a)(51b)에 연장 형성되어 곡면형 유로(52)를 형성하는 두 개의 연장면(52a)(52b)이 모두 곡면을 이루도록 형성된다. 또한, 도 4, 5에 도시한 바와 같이, 상기 두 개의 연장면(52a)(52b) 중 하나의 연장면은 평면으로 형성되고 다른 연장면은 곡면으로 형성될 수 있다.

상기 볼류트부(43)는 상기 디퓨져의 곡면형 유로(52)에 연통되도록 곡면형 유로(52)에 이어 내경이 점증하는 환형 형상으로 형성된다. 즉, 상기 곡면형 유로(52)의 단부에 이어 확개되는 공간을 갖도록 볼류트부(43)가 형성된다. 그리고 상기 볼류트부(43)의 일측에 토출구(미도시)가 형성된다.

상기 임펠러(31)는 원뿔 형상으로 그 외주면이 곡면을 이루도록 형성되어 상기 임펠러공간(40)과 상응하도록 형성된 허브(31a)의 외주면에 다수개의 날개부(31b)가 형성되어 이루어진다. 상기 임펠러(31)는 상기 압축실(P1)의 임펠러공간(40)에 회전 가능하도록 위치함과 아울러 동력발생수단(20)에서 발생되는 구동력을 전달하는 구동축(30)에 결합된다.

이하, 본 발명의 터보 압축기 디퓨져 구조의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 터보 압축기 디퓨져 구조는 먼저 동력발생수단에서 발생되는 구동력이 구동축(30)을 통해 임펠러(31)에 전달되어 임펠러(31)가 회전하게 되면 그 임펠러(31)의 회전력에 의해 가스가 흡입구(41)를 통해 임펠러공간(40)으로 흡입되며 그 임펠러공간(40)으로 흡입된 가스는 디퓨져부(50)인 평면형 유로(51)와 곡면형 유로(52)를 통해 유동하면서 볼류트부(43)를 거쳐 토출구로 토출된다. 이와 같은 과정에서 가스가 상기 임펠러공간(40)을 통하면서 임펠러(31)의 회전력에 의해 운동에너지가 증가되며 이어 디퓨져부(50)인 평면형 유로(51)와 곡면형 유로(52)를 통하면서 증가된 가스의 운동에너지가 압력에너지로 변환되면서 압력이 증가된 상태로 볼류트부(43)를 거쳐 토출구로 토출된다. 이때, 디퓨져(50)를 형성하는 곡면형 유로(52)와 볼류트부(43)의 경계면인 곡면형 유로(52) 단부 단면 폭(h)이 평면형 유로(51)의 단면 폭(H)보다 작게 형성되므로 그 곡면형 유로(52)의 단부가 저항체로 작용하여 볼류트부(43)로 유동된 가스가 디퓨져(50)로 역류되는 것이 최소화된다. 즉, 가스가 임펠러공간(40)에서 디퓨져(50)를 거쳐 볼류트부(43)로 유동하는 것은 원활하게 이루어지지만 역으로 볼류트부(43)로 유동된 가스가 디퓨져(50)로 역류하는 것이 억제되어 서지 현상이 발생되는 것을 방지하게 된다.

또한, 디퓨져(50)의 단면 폭 비는 디퓨져부를 형성하는 상하면의 경사각에 의해 이루어지게 되는데 본 발명은 그 단부에 곡면을 두게 되므로 단면 폭 비의 조절이 수월하게 될 뿐만 아니라 그 가공이 간단하게 된다.

일반적으로 디퓨져는 보통 두 가지의 형태를 갖게 되는데 그 한가지 형태로 복수개의 베인이 형성된 베인 디퓨져(Vane Diffuser)와 베인이 없는 베인리스 디퓨져(Vaneless Diffuser) 형태이다. 본 발명의 디퓨져는 두 가지 경우에 모두 적용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 터보 압축기 디퓨져 구조는 임펠러의 회전력에 의해 가스가 가압되면서 디퓨져부를 통해 볼류트부로 유동하는 가압된 가스가 디퓨져부로 역류하는 것을 최소화하게 됨으로써 가스의 유동이 안정화될 뿐만 아니라 서지 현상이 발생되는 것을 억제하게 되어 서지로 인한 불안정성을 최소화함과 동시에 넓은 운전 영역에서 안정적으로 터보 압축기를 작동시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 동력발생수단에서 발생되는 동력을 전달받아 회전하는 임펠러와 상기 임펠러가 위치하는 임펠러공간과 상기 임펠러의 회전력에 의해 임펠러공간을 통과한 유체의 운동에너지가 압력에너지로 변환되는 디퓨져부 및 볼류트부를 구비한 터보 압축기에 있어서, 상기 디퓨져부는 상기 임펠러공간에 연통되도록 두 개의 평면이 소정의 간격을 두고 위치함에 의해 형성되는 평면형 유로와 상기 평면형 유로에 이어 상기 볼류트부로 연통되는 경계면의 단면 폭이 평면형 유로의 단면 폭보다 작도록 상기 평면형 유로를 이루는 두 개의 평면에 각각 연장되는 두 개의 연장면에 의해 형성되는 곡면형 유로로 이루어짐을 특징으로 하는 터보 압축기의 디퓨져 구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 곡면형 유로를 형성하는 두 개의 연장면은 모두 곡면으로 형성됨을 특징으로 하는 터보 압축기의 디퓨져 구조.
3. 제1항에 있어서, 상기 곡면형 유로를 형성하는 두 개의 연장면 중 하나의 연장면은 평면으로 형성되고 그 다른 연장면은 곡면으로 형성됨을 특징으로 하는 터보 압축기의 디퓨져 구조.