KR20010081645A - 터보 압축기의 가스누설 저감구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보 압축기의 가스누설 저감구조에 관한 것으로, 본 발명은 레이디얼 베어링과 스러스트 베어링으로 지지되는 구동축이 구동모터의 회전자에 결합되고, 그 구동축의 양단에는 슈라우드에 수용되는 임펠러가 장착되되, 상기 레이디얼 베어링을 스러스트 베어링에 비해 변위가 작은 베어링을 사용하여 임펠러와 슈라우드 사이의 흡입측 공극을 토출측 공극보다 좁게 형성함으로써, 각 임펠러의 흡입단으로 흡입되는 냉매가스가 그 임펠러의 흡입단 공극을 통해 누설되는 양을 최소한으로 줄일 수 있고, 이를 통해 임펠러의 성능을 현저하게 향상시킬 수 있다.

Description

터보 압축기의 가스누설 저감구조{STRUCTURE FOR REDUCING GAS REAKAGE OF TURBO COMPRESSOR}

본 발명은 터보 압축기의 가스누설 저감구조에 관한 것으로, 특히 페이스 투 페이스(face to face) 타입의 소형 터보 압축기에서 슈라우드의 흡입단 공극과 토출단 공극을 서로 다르게 한 터보 압축기의 가스누설 저감구조에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 기계적 에너지를 압축성 유체의 압축에너지로 변환시키는 것으로, 이러한 압축기는 크게 왕복동식 및 스크롤식 및 원심식(통상, 터보식이라고도 함) 그리고 베인식(통상, 회전식이라고도 함)으로 구분된다.

이 중에서 터보 압축기는 와류펌프와 같이 임펠러의 회전력을 이용하여 유체를 축방향으로 흡입하였다가 원심방향으로 토출시키면서 압축하는 것으로 통상 2단 압축식 터보 압축기가 알려져 있다. 이러한 터보 압축기는 건물의 중앙제어식 공기조화기와 같이 주로 대용량 터보 압축기가 사용되고 있었으나, 최근에는 일반 가정용 공기조화기에도 적용 가능한 소형 터보 압축기가 개발되고 있는 실정이다.

상기 터보 압축기는 임펠러(압축실)의 개수에 따라 1단,2단.. 등으로 구분되며, 상기 임펠러의 배열형태에 따라서도 백 투 백(back to back) 타입 또는 페이스 투 페이스 타입으로 구분될 수 있는데, 상기 백 투 백 타입은 임펠러의 배면이 서로 마주보도록 배열되는 것인데 반해 상기 페이스 투 페이스 타입은 임펠러의 흡입단이 서로 마주보도록 배열되는 것이다.

도 1은 종래 페이스 투 페이스 타입의 2단 압축식 소형 터보 압축기를 보인종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 종래의 2단 압축식 소형 터보 압축기는, 소정의 내부체적을 갖는 모터 케이싱(1)과, 그 모터 케이싱(1)의 양측에 복개되는 제1 베어링 플레이트(2A) 및 제2 베어링 플레이트(2B)와, 상기 제1 베어링 플레이트(2A)의 외측면에 장착되는 슈라우드 플레이트(3)와, 그 슈라우드 플레이트(3)의 외측면에 장착되는 제1 디퓨져 케이싱(4A)과, 상기 제2 베어링 플레이트(2B)의 외측면에 장착되는 베어링 커버(5)와, 그 베어링 커버(5)를 수용하여 상기한 제2 베어링 플레이트(2B)의 외주연에 장착되는 볼류트 케이싱(6)과, 그 볼류트 케이싱(6)의 외측면에 장착되는 제2 디퓨져 케이싱(4B)과, 상기 모터 케이싱(1)의 내부에 장착되는 구동모터(M)와, 그 구동모터(M)의 가동자(MR)에 압입되고 양단부가 상기한 제1 베어링 플레이트(2A) 및 제2 베어링 플레이트(2B)를 관통하는 구동축(7)과, 그 구동축(7)의 일단에 고정되고 상기한 슈라우드 플레이트(3)와 제1 디퓨져 케이싱(4A)으로 이루어지는 제1 압축실(Sc1)에 배치되는 제1 임펠러(8A)와, 상기 구동축(7)의 타단에 고정되고 상기한 볼류트 케이싱(6)과 제2 디퓨져 케이싱(4B)으로 이루어지는 제2 압축실(Sc2)에 배치되는 제2 임펠러(8B)와, 상기 제1 베어링 플레이트(2A) 및 제2 베어링 플레이트(2B)에 장착되어 구동축(7)의 반경방향을 지지하도록 가스베어링으로 된 제1 레이디얼 베어링(9A) 및 제2 레이디얼 베어링(9B)과, 상기 제2 베어링 플레이트(2B)와 베어링 커버(5) 사이에 배치되어 구동축(7)의 축방향을 지지하도록 포일베어링으로 된 스러스트 베어링(10)을 포함하여 구성되어 있다.

상기 모터 케이싱(1)의 일측에는 흡입관(SP)이 연통되고, 상기 제1 베어링 플레이트(2A)에는 모터실(Sm)과 제1 압축실(Sc1)을 연통시키는 다수개의 제1 가스통로(2a)가 방사상 형성되며, 상기 제1 베어링 플레이트(2A)와 슈라우드 플레이트(3)의 사이에는 각각의 제1 가스통로(11)와 제1 압축실을 연통시키는 제1 흡입공간(Ss1)이 형성되고, 상기 제1 베어링 플레이트(2A) 및 모터 케이싱(1) 그리고 제2 베어링 플레이트(2B)에는 제1 압축실(Sc1)과 제2 압축실(Sc2)을 연통시키는 다수개의 제2 가스통로(12)가 방사상으로 형성되며, 상기 베어링 커버(5)와 볼류트 케이싱(6)의 사이에는 각각의 제2 가스통로(12)와 제2 압축실(Sc2)을 연통시키는 제2 흡입공간(Ss2)이 형성되고, 상기 볼류트 케이싱(6)에는 토출관(DP)이 연통되어 있다.

도면중 미설명 부호인 7A는 베어링부재이다.

상기와 같이 구성된 종래의 2단식 소형 터보 압축기는 다음과 같이 동작된다.

즉, 상기 구동모터(M)에 전원이 인가되면, 그 구동모터(M)의 가동자(MR)와 함께 구동축(7)이 레이디얼 베어링(9A,9B) 및 스러스트 베어링(10)에 의해 지지되어 회전을 하게 되고, 이와 함께 상기 구동축(7)의 양단에 고정된 제1 및 제2 임펠러(8A,8B)가 회전을 하게 된다. 이때, 상기 흡입관(SP)을 통해 모터 케이싱(1)으로 흡입되는 냉매가스는 제1 가스통로(11) 및 제1 흡입공간(Ss1)을 통해 제1 압축실(Sc1)로 흡입되어 제1 임펠러(8A)에 의해 1단 압축되고, 그 1단 압축된 가압축가스는 다수개의 제2 가스통로(12) 및 제2 흡입공간(Ss2)을 통해 제2 압축실(Sc2)로 흡입되어 제2 임펠러(8B)에 의해 2단 압축되며, 그 2단 압축된 압축가스는 볼류트케이싱(6)에 의해 모아져 토출관(DP)을 통해 토출된다.

여기서, 상기 슈라우드 플레이트(3) 및 볼류트 케이싱(6)의 압축실(Sc1,Sc2)측에는 각각의 임펠러(8A,8B)와 대향되는 부위에 슈라우드면(이하, 제2 압축실을 대표예로 설명함)(6a)이 형성되는데, 이 슈라우드면(6a)과 임펠러(8B) 사이에 형성되는 공극(tip clearance)은 통상 흡입단 공극(c1)과 토출단 공극(c2)이 동일한 치수로 이루어진다. 특히, 상기 레이디얼 베어링(9B)과 스러스트 베어링(10)을 서로 다른 베어링으로 구성하는 경우에는 베어링의 변위가 큰 쪽을 기준으로 하여 흡입단 공극(c1)과 토출단 공극(c2)을 동일 치수로 형성하고 있다.

그러나, 상기와 같이 레이디얼 베어링(9B)을 변위가 작은 가스베어링으로 구성하는 반면 스러스트 베어링을 변위가 큰 포일베어링으로 구성하는 경우, 상기 레이디얼 베어링(9b)과 스러스트 베어링(10)의 변위를 고려하지 않고 베어링의 변위가 큰 스러스트 베어링(10)을 기준으로 흡입단 공극(c1)과 토출단 공극(c2)을 동일 치수로 형성하게 되면, 상대적으로 변위가 적은 베어링인 레이디얼 베어링(9B)에 의해 규정되는 흡입단 공극(c1)에도 불필요한 여유공간이 발생하게 되고 이 공극(c1)으로 인해 누설되는 가스의 양이 증가하게 되어 결국 임펠러의 성능효율이 현저하게 저하되는 문제점이 있었다

본 발명은 상기와 같은 종래 터보 압축기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 임펠러와 슈라우드면 사이로 누설되는 가스의 양을 감소시켜 임펠러의 성능효율을 향상시킬 수 있는 터보 압축기의 가스누설 저감구조를 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 종래 터보 압축기의 일례를 보인 종단면도.

도 2a는 종래 터보 압축기에서 제2 압축실측을 보인 반단면도.

도 2b는 도 2a의 "A"부를 보인 상세도.

도 3a는 본 발명 터보 압축기에서 제2 압축실측을 보인 반단면도.

도 3b는 도 3a의 "B"부를 보인 상세도.

도 4는 본 발명 가스누설 저감구조가 구비된 터보 압축기에서 냉매가스의 흡입과정을 보인 개략도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

6 : 볼류트 케이싱 6a : 슈라우드면

7 : 구동축 8B : 임펠러

9B : 레이디얼 베어링(가스베어링) 10 : 스러스트 베어링(포일베어링)

c1,c1' : 흡입단 공극 c2,c2' : 토출단 공극

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 레이디얼 베어링과 스러스트 베어링으로 지지되는 구동축이 구동모터의 회전자에 결합되고, 그 구동축의 양단에는 슈라우드에 수용되는 임펠러가 장착되되,

상기 임펠러와 슈라우드 사이의 흡입측 공극이 토출측 공극보다 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기의 가스누설 저감구조가 제공된다.

이하, 본 발명에 의한 터보 압축기의 가스누설 저감구조를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 3a는 본 발명 터보 압축기에서 제2 압축실측을 보인 반단면도이고, 도 3b는 도 3a의 "B"부를 보인 상세도이며, 도 4는 본 발명 가스누설 저감구조가 구비된 터보 압축기에서 냉매가스의 흡입과정을 보인 개략도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 가스누설 저감구조가 구비된 터보 압축기는, 구동축(7)의 양단에 제1 임펠러(도 1에 도시) 및 제2 임펠러(8B)의 흡입단이 서로 마주보도록 장착되는 것으로, 모터 케이싱(도 1에 도시)의 양측에 복개되는 제1 베어링 플레이트(도 1에 도시) 및 제2 베어링 플레이트(2B)의 각 외측면에 슈라우드 플레이트(도 1에 도시) 및 볼류트 케이싱(6)이 장착되고, 그 중 슈라우드 플레이트(도 1에 도시)의 외측면에는 그 슈라우드 플레이트와 함께 제1 압축실(도 1에 도시)을 형성하는 제1 디퓨져 케이싱(도 1에 도시)이 장착되며, 상기 볼류트 케이싱(6)의 외측면에는 그 볼류트 케이싱(6)과 함께 제2 압축실(Sc2)을 형성하는제2 디퓨져 케이싱(4B)이 장착되고, 상기 제1 압축실 및 제2 압축실(Sc2)에는 상기한 제1 임펠러 및 제2 임펠러(8B)가 각각 삽입되며, 상기 제1 베어링 플레이트 및 제2 베어링 플레이트(2B)에는 제1 레이디얼 베어링(도 1에 도시) 및 제2 레이디얼 베어링(9B)이 장착되고, 상기 제2 베어링 플레이트(2B)의 외측면과 베어링 커버(5) 사이에는 스러스트 베어링(10)이 장착되어 구성된다.

상기 슈라우드 플레이트와 이에 대향되는 제1 임펠러의 날개단 사이 또는 볼류트 케이싱(6)과 이에 대향되는 제2 임펠러(8B)의 날개단 사이에는 각각 공극이 형성되는데, 상기 각 공극의 흡입단 공극(c1')이 토출단 공극(c2')에 비해 상대적으로 작게 형성된다.

이를 위해, 상기 레이디얼 베어링(9B)이 스러스트 베어링(10)에 비해 상대적으로 그 변위가 작도록 상기한 레이디얼 베어링(9B)은 공극이 작은 가스베어링으로 이루어지는 반면 스러스트 베어링(10)은 구동축을 안정적으로 지지할 수 있는 포일베어링으로 이루어진다.

여기서, 상기 레이디얼 베어링(9B)은 가스베어링만이 아니라 임펠러(구동축을 포함한)(8B)의 반경방향 변위를 최소화할 수 있는 베어링이면 적절하고,상기 스러스트 베어링(10)은 포일베어링만이 아니라 임펠러(구동축을 포함한)의 축방향을 안정적으로 지지할 수 있는 베어링이면 적절하다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

상기와 같은 본 발명의 가스누설 저감구조가 구비된 터보 압축기의 일반적인 동작은 종래와 동일하다.

즉, 상기 구동모터(도 1에 도시)에 전원이 인가되면, 그 구동모터의 가동자(도 1에 도시)와 함께 구동축(7)이 레이디얼 베어링(9A,9B) 및 스러스트 베어링(10)에 의해 지지되어 회전을 하게 되고, 이와 함께 상기 구동축(7)의 양단에 고정된 제1 및 제2 임펠러(8B)가 회전을 하게 된다.

이때, 상기 냉매가스는 모터 케이싱을 거쳐 제1 압축실로 흡입되었다가 제1 임펠러에 의해 1단 압축되고, 그 1단 압축된 가압축가스는 다시 제2 압축실(Sc2)로 흡입되어 제2 임펠러(8B)에 의해 2단 압축되면서 토출된다.

여기서, 상기 레이디얼 베어링(9B)은 변위가 작은 가스베어링으로 이루어져 임펠러(구동축을 포함한)(8B)의 반경방향 변위가 작아지게 됨에 따라 상기한 임펠러(8B)와 각 슈라우드면(6a) 사이의 흡입단 공극(c1')을 최소한으로 줄일 수 있고, 이로 인해 상기 각 임펠러(도 1에 도시,8B)로 흡입되는 냉매가스가 상기한 공극을 통해 누설되는 양을 최소로 감소시킬 수 있다.

한편, 상기 스러스트 베어링(10)은 그 변위는 크지만 임펠러(8B)의 축방향 요동을 안정적으로 지지할 수 있는 포일베어링으로 이루어져 상기한 임펠러(구동축을 포함한)(8B)의 축방향 변위가 커지게 되나, 상기 각 임펠러(8B)의 흡입단 직경이 각 슈라우드면(6a)의 직경보다 작게 형성되므로 상기한 스러스트 베어링(10)의 변위가 크든 작든 임펠러(8B)의 흡입단 공극(c1')과는 무관하게 된다.

본 발명에 의한 터보 압축기의 가스누설 저감구조는, 레이디얼 베어링과 스러스트 베어링으로 지지되는 구동축이 구동모터의 회전자에 결합되고, 그 구동축의 양단에는 슈라우드에 수용되는 임펠러가 장착되되, 상기 레이디얼 베어링을 스러스트 베어링에 비해 변위가 작은 베어링을 사용하여 임펠러와 슈라우드 사이의 흡입측 공극을 토출측 공극보다 좁게 형성함으로써, 각 임펠러의 흡입단으로 흡입되는 냉매가스가 그 임펠러의 흡입단 공극을 통해 누설되는 양을 최소한으로 줄일 수 있고, 이를 통해 임펠러의 성능을 현저하게 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 레이디얼 베어링과 스러스트 베어링으로 지지되는 구동축이 구동모터의 회전자에 결합되고, 그 구동축의 양단에는 슈라우드에 수용되는 임펠러가 장착되되,

   상기 임펠러와 슈라우드 사이의 흡입측 공극이 토출측 공극보다 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기의 가스누설 저감구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 레이디얼 베어링의 변위가 스러스트 베어링의 변위 보다 상대적으로 작은 것을 특징으로 하는 터보 압축기의 가스누설 저감구조.
3. 제2항에 있어서, 상기 레이디얼 베어링은 가스베어링인 반면 스러스트 베어링은 포일베어링 인 것을 특징으로 하는 터보 압축기의 가스누설 저감구조.