KR20020074016A

KR20020074016A - Turbo compressor having variable diffuser vane

Info

Publication number: KR20020074016A
Application number: KR1020010014101A
Authority: KR
Inventors: 염기웅
Original assignee: 삼성테크윈 주식회사
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2002-09-28

Abstract

PURPOSE: A turbo compressor having variable diffuser vane is provided to obtain a high compression efficiency by forming an optimum incidence angle by varying the front end of the vane in accordance with the flow amount of gas. CONSTITUTION: A turbo compressor comprises an impeller having a plurality of blades arranged in a circumferential direction; a diffuser extended from the impeller to the gas discharge direction; a plurality of vanes(300) arranged in a circumferential direction of the diffuser, and which have variable leading edges rotatable centering from a rotating shaft; a leading edge driving unit(400) for rotating the variable leading edge at a preset angle in response to the input of the leading edge driving signal; a flow rate sensor unit(500) for sensing the flow amount of gas being introduced into the diffuser, and outputting a signal in accordance with the result of sensing; and a control unit(600) for outputting the preset leading edge driving signal in accordance with the signal output from the flow rate sensor unit.

Description

Turbo compressor with variable diffuser vane {TURBO COMPRESSOR HAVING VARIABLE DIFFUSER VANE}

본 발명은 터보 압축기에 관한 것으로서, 특히 원심형 임펠러에 의해 작동 가스가 압축되는 터보 압축기에 관한 것이다.The present invention relates to a turbocompressor, and more particularly to a turbocompressor in which the working gas is compressed by a centrifugal impeller.

도 1은 종래 기술의 실시예에 따른 터보 압축기의 임펠러와 디퓨져를 나타낸 정면도로서, 디퓨져에 베인이 설치된 형태이다.1 is a front view illustrating an impeller and a diffuser of a turbo compressor according to an embodiment of the prior art, in which vanes are installed in a diffuser.

통상적으로, 터보 압축기는 일반 산업 현장에서부터 항공기의 엔진 부문에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 공기를 포함한 여러 종류의 가스를 압축하기 위해 사용되는 중요한 요소 기계이다. 상기 터보 압축기는 구동축(driving shaft, 120)에 결합된 임펠러(impeller, 100)와, 상기 임펠러(100)의 외주에 형성된 디퓨져(diffuser, 200)를 포함하여 구성한다.Typically, turbocompressors are critical component machines used to compress various types of gases, including air, in a variety of industries, from general industrial sites to the engine sector of aircraft. The turbo compressor includes an impeller 100 coupled to a driving shaft 120 and a diffuser 200 formed on an outer circumference of the impeller 100.

상기 디퓨져(200)는 임펠러(100)의 회전에 의해 증가된 가스의 운동 에너지(kinetic energy)를 정압(static pressure)으로 변환시키는 요소로서, 베인(vane, 210)이 있는 형태와 베인이 없는 형태로 나뉘어진다. 상기 베인(210)은 가스의 유동을 가이드하기 위해 디퓨져(200)의 일측면에 형성한 다수개의 부재로서, 각 베인(210)은 임펠러(100)의 중심 방향과 소정 각도를 이루도록 설치되며, 각각 에어포일(airfoil) 형상을 가진다.The diffuser 200 is a component that converts the kinetic energy of the gas increased by the rotation of the impeller 100 into static pressure, and has vanes 210 and vanes. Divided into The vane 210 is a plurality of members formed on one side of the diffuser 200 to guide the flow of gas, each vane 210 is installed to form a predetermined angle with the central direction of the impeller 100, respectively It has an airfoil shape.

한편, 베인이 있는 디퓨져를 구비한 터보 압축기는 베인이 없는 디퓨져를 구비한 터보 압축기에 비해, 비교적 짧은 거리에서 효과적으로 속도 에너지를 압력에너지로 변환시켜 주므로 압축비 및 압축 효율면에서 우수하다.On the other hand, a turbo compressor having a vane diffuser is superior in terms of compression ratio and compression efficiency since it effectively converts velocity energy into pressure energy at a relatively short distance, compared to a turbo compressor having a vane diffuser.

그러나, 이러한 베인이 있는 디퓨져를 사용하는 터보 압축기는 베인이 없는 터보 압축기에 비해 운영 영역이 상대적으로 좁다. 왜냐하면, 저유량에서는 베인(210)의 리딩 에지(212)와 임펠러(100)에서 유출되는 가스 사이에 형성되는 입사각(incidence angle)이 커져, 상기 베인(210)의 리딩 에지(212) 부분에서 실속 현상(stall) 혹은 박리 현상(seperation)이 발생하기 때문이다. 높은 압축 효율뿐만 아니라 넓은 운영 영역에서 안정적으로 작동할 수 있는 능력은 터보 압축기의 성능 및 신뢰성에 있어 가장 중요한 요건 중의 하나이다.However, turbocompressors using such vane diffusers have a relatively narrow operating area compared to vaneless turbocompressors. Because, at low flow rate, an incidence angle formed between the leading edge 212 of the vane 210 and the gas flowing out of the impeller 100 increases, causing stall at the leading edge 212 of the vane 210. This is because a phenomenon or peeling occurs. The high compression efficiency as well as the ability to operate reliably over a wide operating area is one of the most important requirements for the performance and reliability of turbocompressors.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 높은 압축 효율성과 넓은 운영 영역을 가진 가변 디퓨져 베인을 구비한 터보 압축기를 제공하는데 있다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a turbo compressor having a variable diffuser vane having a high compression efficiency and a wide operating area.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 터보 압축기에 있어서, 원주 방향으로 형성된 다수개의 블레이드를 가진 임펠러와; 상기 임펠러로부터의 가스 출구 방향으로 연장 형성된 디퓨져와; 상기 디퓨져의 원주 방향에 형성되며, 회전축을 중심으로 회전 가능한 가변 리딩에지를 가진 다수개의 베인과; 리딩에지 구동신호의 입력에 응답하여 미리 설정된 각도만큼 상기 가변 리딩에지를 회전시키는 리딩에지 구동부와; 상기 디퓨져로 유입되는 가스의 유량을 감지하여 유량 감지 신호를 출력하는 유량 감지부와; 상기 유량 감지부에서 출력된 유량 감지 신호에 따라 미리 설정된 리딩에지 구동신호를 출력하는 제어부를 포함함을 특징으로 하는 가변 디퓨져 베인을 구비한 터보 압축기를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a turbo compressor comprising: an impeller having a plurality of blades formed in a circumferential direction; A diffuser extending in a gas outlet direction from the impeller; A plurality of vanes formed in a circumferential direction of the diffuser and having a variable leading edge rotatable about a rotation axis; A leading edge driver for rotating the variable leading edge by a predetermined angle in response to an input of a leading edge drive signal; A flow rate sensing unit which senses the flow rate of the gas flowing into the diffuser and outputs a flow rate detection signal; It provides a turbo compressor having a variable diffuser vane characterized in that it comprises a control unit for outputting a predetermined leading edge drive signal according to the flow rate detection signal output from the flow rate detection unit.

도 1은 종래 기술의 실시예에 따른 터보 압축기의 임펠러와 디퓨져를 나타낸 정면도,1 is a front view showing an impeller and a diffuser of a turbo compressor according to an embodiment of the prior art,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터보 압축기의 임펠러와 디퓨져를 나타낸 정면도,2 is a front view showing an impeller and a diffuser of a turbo compressor according to a preferred embodiment of the present invention;

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가변 디퓨져 베인을 나타낸 구성도.Figure 3 is a block diagram showing a variable diffuser vane according to a preferred embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100 : 임펠러 200 : 디퓨져100 impeller 200 diffuser

300 : 베인 330 : 가변 리딩에지300: vane 330: variable leading edge

400 : 리딩에지 구동부 500 : 유량 감지부400: leading edge drive unit 500: flow rate detection unit

600 : 제어부600: control unit

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that detailed descriptions of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터보 압축기의 임펠러와 디퓨져를 나타낸 정면도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가변 디퓨져 베인을 나타낸 구성도이다.2 is a front view showing an impeller and a diffuser of a turbo compressor according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 3 is a block diagram showing a variable diffuser vane according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가변 디퓨져 베인을 구비한 터보 압축기는 임펠러(100), 디퓨져(200), 베인(300), 리딩에지 구동부(400), 유량 감지부(500) 및 제어부(600)를 포함한다.As shown in FIGS. 2 and 3, a turbo compressor having a variable diffuser vane according to an exemplary embodiment of the present invention includes an impeller 100, a diffuser 200, a vane 300, a leading edge driver 400, and a flow rate. The detector 500 and the controller 600 are included.

상기 임펠러(100)는 원주상에 등간격으로 배열된 다수개의 블레이드(110)를 가진 원판이다. 상기 임펠러(100)는 구동축(120)을 중심으로 회전하며, 상기 블레이드(110)는 디퓨져(200) 방향으로 가스를 유출시킨다.The impeller 100 is a disc having a plurality of blades 110 arranged at equal intervals on the circumference. The impeller 100 rotates around the drive shaft 120, and the blade 110 flows gas toward the diffuser 200.

상기 디퓨져(200)는 임펠러(100)로부터의 가스 출구 방향으로 연장 형성되며, 상기 임펠러(100)의 지지 하우징(support housing) 역할을 한다.The diffuser 200 extends in a gas outlet direction from the impeller 100 and serves as a support housing of the impeller 100.

상기 베인(300)은 디퓨져(200)의 일측면에서 원주 방향으로 다수개가 형성되며, 각각 회전축(320)을 중심으로 회전 가능한 가변 리딩에지(330)를 가진다. 상기 베인(300)은 베인 바디(310)와, 상기 베인 바디(310)의 전단에 분리 설치된 가변 리딩에지(330)로 구성된다. 상기 베인 바디(310) 및 가변 리딩에지(330)는 각각 압축면(pressure side, 312, 332)과 흡입면(suction side, 314, 334)을 가진다. 상기 가변 리딩에지(330)는 임펠러(100)로부터 유출되는 가스의 유량에 따라 각도가 조절된다. 예를 들어, 저유량인 경우에는 상기 가변 리딩에지(330)가 하향 회전되어 입사각을 줄인다. 상기 입사각이 줄어듦에 따라 가변 리딩에지(330) 부분에서 실속 현상이 발생하지 않게 되고, 그에 따라 저유량시의 운전 영역이 넓어진다. 또한, 상기 베인 바디(310)와 가변 리딩에지(330) 사이의 간격은 최소화함으로써 압축면과 흡입면상에 불연속적인 부분이 발생하지 않도록 한다.The vanes 300 are formed in circumferential direction on one side of the diffuser 200, and each of the vanes 300 has a variable leading edge 330 rotatable about the rotation axis 320. The vane 300 includes a vane body 310 and a variable leading edge 330 separately installed at a front end of the vane body 310. The vane body 310 and the variable leading edge 330 each have a pressure side 312 and 332 and a suction side 314 and 334. The variable leading edge 330 is angled according to the flow rate of the gas flowing out from the impeller 100. For example, in the case of low flow rate, the variable leading edge 330 is rotated downward to reduce the incident angle. As the incident angle decreases, stall phenomenon does not occur in the variable leading edge 330 portion, and thus the operating area at low flow rate is widened. In addition, the gap between the vane body 310 and the variable leading edge 330 is minimized so that discontinuous portions do not occur on the compression surface and the suction surface.

상기 리딩에지 구동부(400)는 리딩에지 구동신호의 입력에 응답하여 미리 설정된 각도만큼 상기 가변 리딩에지(330)를 회전시킨다. 상기 리딩에지 구동부(400)는 리딩에지 업 신호의 입력에 응답하여 상기 가변 리딩에지(330)를 상향 회전시키고, 리딩에지 다운 신호의 입력에 응답하여 상기 가변 리딩에지(330)를 하향 회전시킨다.The leading edge driver 400 rotates the variable leading edge 330 by a predetermined angle in response to the input of the leading edge driving signal. The leading edge driver 400 rotates the variable leading edge 330 upward in response to the input of the leading edge up signal and rotates the variable leading edge 330 downward in response to the input of the leading edge down signal.

상기 유량 감지부(500)는 디퓨져(200)로 유입되는 가스의 유량을 감지하여 유량 감지 신호를 출력한다. 상기 유량 감지부(500)는 질량 유량 센서(mass flow sensor), 초음파 유량 센서(ultrasonic flow sensor) 등 유량 계측 센서로 구성한다. 상기 유량 감지부(500)는 임펠러(100)의 블레이드(110)로부터 유출되어 상기 디퓨져(200)로 유입되는 가스의 유량을 정확히 검출할 수 있도록 터보 압축기의 내부 적소에 설치한다.The flow rate detection unit 500 detects the flow rate of the gas flowing into the diffuser 200 and outputs a flow rate detection signal. The flow rate detection unit 500 includes a mass flow sensor such as a mass flow sensor and an ultrasonic flow sensor. The flow rate detection unit 500 is installed in an internal location of the turbo compressor so that the flow rate of the gas flowing out of the blade 110 of the impeller 100 and introduced into the diffuser 200 can be accurately detected.

상기 제어부(600)는 유량 감지부(500)에서 출력된 유량 감지 신호에 따라 미리 설정된 리딩에지 구동신호를 출력한다. 즉, 상기 제어부(600)는 입력된 유량 감지 신호로부터 가스 유량이 미리 설정된 기준 유량값보다 높은 경우에는 리딩에지 업 신호를 출력하고, 상기 가스 유량이 미리 설정된 기준 유량값보다 낮은 경우에는 리딩에지 다운 신호를 출력한다. 상기 기준 유량값 및 가스 유량에 따른 리딩에지 각도 변화량은 메모리상의 룩업(look-up) 테이블에 저장된다.The controller 600 outputs a leading edge drive signal preset according to the flow rate detection signal output from the flow rate sensor 500. That is, the controller 600 outputs a leading edge up signal when the gas flow rate is higher than the preset reference flow rate value from the input flow rate detection signal, and when the gas flow rate is lower than the preset reference flow rate value, the leading edge down signal. Output the signal. The amount of change of leading edge angle according to the reference flow rate and the gas flow rate is stored in a look-up table on the memory.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 가변 디퓨져 베인을 구비한 터보 압축기는 가스 유량에 따라 베인의 선단부를 가변시켜 최적의 입사각을 형성함으로써 높은 압축 효율성을 얻을 수 있으며, 넓은 운전 영역에 걸쳐 안정된 압축 특성을 가지는 효과가 있다.As described above, the turbo compressor having the variable diffuser vane according to the embodiment of the present invention can obtain a high compression efficiency by varying the tip of the vane according to the gas flow rate to form an optimum angle of incidence, It has the effect of having compression characteristics.

Claims

In a turbo compressor,

An impeller having a plurality of blades formed in a circumferential direction;

A diffuser extending in a gas outlet direction from the impeller;

A plurality of vanes formed in a circumferential direction of the diffuser and having a variable leading edge rotatable about a rotation axis;

A leading edge driver for rotating the variable leading edge by a predetermined angle in response to an input of a leading edge drive signal;

A flow rate sensing unit which senses the flow rate of the gas flowing into the diffuser and outputs a flow rate detection signal;

And a control unit for outputting a predetermined leading edge drive signal according to the flow rate detection signal output from the flow rate detection unit.

The method of claim 1,

The controller outputs a leading edge up signal when the gas flow rate is higher than the preset reference flow value from the input flow rate detection signal, and outputs a leading edge down signal when the gas flow rate is lower than the preset reference flow rate value. A turbocompressor with variable diffuser vanes.

The method of claim 1,

The vane is a turbo compressor having a variable diffuser vane, characterized in that the airfoil shape.