KR200316249Y1 - 터보 기계 - Google Patents

Abstract

본 고안은 고속으로 회전하는 터보기계(터보 압축기, 터보 블로워)의 발열부 냉각구조에 관한 것으로서, 구동축과, 상기 구동축에 게재된 회전자와, 제1 방열핀이 장착된 고정자로 구성된 구동부와; 케이싱과, 상기 구동부를 지지하기 위한 구동부 지지대와, 베어링과, 제2 방열핀이 설치된 베어링 하우징으로 구성된 지지부와; 상기 구동축에 연결된 임펠러들과, 상기 임펠러의 전면 흡입 측으로 공기를 순환시키는 공기순환통로들과, 상기 임펠러의 후면 외주면에 설치된 디퓨저들과, 상기 디퓨저들과 연통된 슈라우드들과 볼루트 케이싱들 및 상기 임펠러 후면에 설치된 시일면들로 구성된 압축부; 및 상기 케이싱의 외면에 설치된 것으로서, 공기를 흡입하여 상기 구동부를 직접 냉각하기 위한 공기 흡입구 및 상기 시일면들과 상기 지지부 사이에 설치된 열차단 틈새들로 구성된 냉각부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보기계를 특징으로 한다.

Description

터보 기계{Turbo machine}

본 고안은 고속으로 회전하는 터보 압축기(Turbo compressor) 및 터보 블로워(Turbo blower)와 같은 터보기계에 관한 것으로서, 특히 터보기계의 발열부 냉각구조에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 모터의 고정자(Stator)에 냉각핀을 설치하고 흡입되는 공기가 이를 직접 냉각한 후 상기 모터의 회전자와 일체로 된 구동축 양단에 장착된 임펠러에 흡입되도록 터보 기계를 구성하는 것에 관한 것이다.

일반적으로 효율이 높고 경박 단소한 것이 특징인 터보 압축기나 터보 블로워 등의 터보기계는 정속 회전하는 모터에 증속기어를 이용하여 고속회전을 구현하는 방식이었으나 최근 고속 베어링과 고속 인버터(Invertor)기술 등의 발전으로 직접 모터를 고속 회전시키는 기술의 상업화가 가능해지고 있다.

일반적인 터보기계는 도 1에 도시된 바와 같이, 회전자(rotor; 112)와 베어링(Bearing; 126a, 126b, 127)과 일체를 이루는 축(Shaft; 111)의 일측에 임펠러(Impeller; 131)가 설치되어 있으며, 상기 축에 연결된 회전자의 회전에 의해 회전력을 얻는 상기 임펠러가 고속(보통 수만 RPM 이상)으로 회전하며 그 원심력에 의해 디퓨저(Diffuser; 132)를 통과하여 압축되어진 가스(Gas)를 볼루트 케이싱(Volute Casing; 134)에 모아 외부로 토출하게 된다.

상기 축(111), 회전자(112), 베어링(126a, 126b, 127) 및 임펠러(131)는 케이싱(Casing; 121)에 고정되어 있는 베어링 하우징(Bearing Housing; 124)에 의해 지지되며 궤도를 이탈하지 않고 회전하게 된다.

그러나 모터의 용량(Power)은 회전수와 토오크(Torque)의 곱이며 모터의 크기는 토오크에 비례하므로 결국 고속 모터는 동일한 용량의 일반 정속 모터에 비해 그 크기가 매우 작아 모터 방열 면적이 부족하게 되며, 따라서 모터에서 발생되는 열을 냉각하는 것이 중요한 문제가 된다.

또한 종래의 일반적인 터보기계의 경우 임펠러(131)가 공기를 흡입하여 압축, 토출하게 되면 상기 임펠러(131)의 일단에서는 상대적으로 저압이 형성되기 때문에, 상기 임펠러(131)의 흡입 측 방향으로 추력이 발생되어 이로 인한 축방향의 힘을 받게 된다.

전술한 바와 같이, 임펠러(131)의 회전에 의해 발생된 추력은 축(111) 및 베어링(126a, 126b, 127)의 신뢰성을 저하시키는 원인이 되며, 진동 및 소음의 원인이 되어 효율저하의 원인이 된다.

전술한 바와 같은 문제점 가운데, 모터의 방열을 통한 효율저하를 해결하기 위하여 종래에는 도 1과 같이 고정자(113)의 외주 면에 케이싱(121)을 설치하고, 상기 케이싱(121)에 모터 방열 핀(Fin; 123)을 설치하고, 팬(Fan; 142)을 이용한 강제대류에 의하여 냉각을 하거나, 도 2와 같이 케이싱(121)과 고정자(113) 외주 면 사이에 쿨링 자켓(Cooling Jacket; 150)을 설치하여 물을 순환시켜 냉각을 하는 방법이 시도된 바 있다.

그러나 도 1에 도시된 냉각구조는 간단하기는 하나 열이 발생하는 모터의 고정자(113)와 회전자(112), 코일(Coil; 114), 베어링부(126a, 126b, 127)를 직접 냉각하는 것이 아니라, 발생되는 모든 열은 오직 케이싱(121)에 설치된 핀(123)을 통해서만 냉각하게 되므로 충분한 냉각이 어렵다.

또한 도 2에 도시된 냉각구조는 수냉식이므로 냉각에는 효과적이나 냉각수를 순환시켜야 하는 관계로 물 순환 장치가 부가적으로 필요하게 되는 불편함과, 물 순환을 위한 별도의 동력원이 필요하게 되어 운전비용 상승이라는 불리함이 따른다.

또한 종래의 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 일반적인 터보 기계에서는 임펠러(131)의 추력에 의한 진동 및 소음의 저감이나 방지를 위하여 축의 양측에 힘을 분산시키거나 힘의 평형을 이루기 위한 별도의 노력을 기울이지 못한 것이 사실이며 설사 양측에 임펠러를 설치하여 사용하는 경우라 하더라도 다단 압축을 위한 경우로서, 작용되는 압력이 서로 다르게 되어 발생하는 축방향의 추력을 서로 상쇄시키는 것은 불가능하였고 이로 인한 진동 및 소음의 문제점은 존재해 왔다.

본 고안은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 케이싱을 이중 구조로 하여 각 발열부인 고정자 및 베어링을 흡입되는 공기로 직접 냉각하는 효율적이며 편리한 냉각구조를 제공함은 물론, 구동축의 양측에 압축부를 형성하여 동시에 임펠러를 동일한 용량으로 구동시켜 진동 및 소음의 저감을 통한 효율 증진과 이를 통한 신뢰성 향상을 목적으로 한다.

도 1은 종래의 일반적인 터보 기계 냉각구조의 제1 실시예를 나타내는 도면이며,

도 2는 종래의 일반적인 터보 기계 냉각구조의 제2 실시예를 나타내는 도면이며,

도 3은 본 고안에 의한 터보 기계 냉각구조를 제1 실시예를 나타내는 도면이며.

도 4는 본 고안에 의한 터보 기계 냉각구조의 제2 실시예를 나타내는 도면이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

11: 구동축 12: 회전자

13: 고정자 14: 제1 방열핀

21: 케이싱 22: 구동부 지지대

24a, 24b: 베어링 하우징 25: 제2 방열핀

26a, 26b: 레이디얼 배어링 27: 스러스트 베어링

31a, 31b: 임펠러 32a, 32b: 디퓨져

33a, 33b: 슈라우드 34a, 34b: 볼루트 케이싱

35a, 35b: 시일면 36a, 36b: 공기 순환통로

41: 공기 흡입구 60a, 60b: 열차단 틈새

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안에 의한 터보 기계는 구동축(11)과, 상기 구동축에 게재된 회전자(12)와, 제1 방열핀(14)이 장착된 고정자(13)로 구성된 구동부와; 케이싱(21)과, 상기 구동부를 지지하기 위한 구동부 지지대(22)와, 베어링(26a, 26b, 27)과, 제2 방열핀(25)이 설치된 베어링 하우징(24a, 24b)으로 구성된 지지부와; 상기 구동축에 연결된 임펠러(31a, 31b)와, 상기 임펠러의 전면 흡입 측으로 공기를 순환시키는 공기순환통로(36a, 36b)와, 상기 임펠러의 후면 외주면에 설치된 디퓨저(32a, 32b)와, 상기 디퓨저와 연통된 슈라우드(33a, 33b)와 볼루트 케이싱(34a, 34b) 및 상기 임펠러 후면에 설치된 시일면(35a, 35b)으로 구성된 압축부; 및 상기 케이싱(21)의 외면에 설치된 것으로서, 공기를 흡입하여 상기 구동부를 직접 냉각하기 위한 공기 흡입구(41) 및 상기 시일면(35a, 35b)과 상기 지지부 사이에 설치된 열차단 틈새(60a, 60b)로 구성된 냉각부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 고안의 바람직한 실시를 위하여, 상기 구동부 지지대와 상기 제1 방열핀은 일체형 또는 분리형으로 형성할 수 있다.

또한 본 고안의 더욱 바람직스러운 실시를 위하여, 상기 구동부 지지대는 상기 베어링 하우징에 고정된 것을 특징으로 한다.

이하 본 고안에 의한 터보기계의 구성 및 동작에 관하여 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하고자 한다.

도 3은 본 고안에 의한 터보기계의 제1 실시예를 나타내기 위한 도면으로서,구동부 지지대(22)에 일체형으로 형성된 제1 방열핀(14)을 개시하고 있으며, 도 4는 본 고안에 의한 터보기계의 제2 실시예를 나타내기 위한 도면으로서, 구동부 지지대(22)와 분리될 수 있게 형성된 제1 방열핀(14)을 개시하고 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 고안에 의한 터보기계는 구동부/지지부와 압축부가 각각 별개의 구성으로 되어 이들이 열차단 틈새(60a, 60b)에 의해 결합되는 전체 구성을 나타내고 있다.

이 때 상기 구동부는 구동축(11)과 회전자(12) 및 고정자(13)로 구성된 모터로 구성되며, 이들의 지지 및 보호를 위하여 지지부가 형성되어 있다.

상기 지지부의 한 요소인 외부를 둘러싸는 케이싱(21)의 일측에 공기가 흡입될 수 있도록 공기 흡입구(41)를 설치하고 그 타측에는 상기 흡입된 공기가 내부를 냉각하고 난 후 공기순환통로(36a, 36b)를 통해 배출되도록 한다.

상기 터보기계 내부의 고정자(13) 외주면과 베어링 하우징(24a, 24b)의 외주면에는 열교환을 용이하게 하기 위해 제1 방열핀(14) 및 제2 방열핀(25)을 각각 설치함으로써, 상기 흡입구를 통해 흡입되는 공기가 상기 두개의 방열핀(14, 25)과 상기 고정자(13)의 코일을 직접 냉각하게 된다.

또한 상기 임펠러들(31a, 31b), 디퓨저들(32a, 32b), 슈라우드들(33a, 33b) 및 볼루트 케이싱들(34a, 34b)로 구성된 압축부는 상기 구동축의 양측단에 각각 대칭으로 형성되어, 상기 공기순환통로들(36a, 36b)을 통해 배출되는 공기를 흡입하여 일정 압력만큼 상승 또는 압축시킨 다음 이를 토출하게 된다.

이 때 상기 터보기계가 동작되는 과정을 살펴보면, 상기 구동부의회전자(12) 및 고정자(13)의 유도 전류에 의해 발생된 동력이 구동축(11)을 통해 상기 임펠러들(31a, 31b)로 전달되면서, 임펠러들이 회전하게 되고 이로인해 흡입된 공기는 임펠러 내부에서 정압이 상승하며 동시에 원심력을 가지고 디퓨져들(32a, 32b)을 통과하면서 상기 원심력에 의해 운동에너지가 압력수두의 상승으로 이어지고 압축된 고온고압의 공기는 볼루트 케이싱들(34a, 34b)에서 모아져 토출되는 것이다.

따라서, 본 고안에 의한 터보기계는 상기 구동축의 양단에 임펠러를 대칭되게 배치하여 동시에 동일한 방향으로 상기 구동축을 회전시켜 동일한 압력으로 상승된 공기를 토출시킴으로서, 발생되는 추력이 동일 직선상에서 서로 반대방향으로 작용되게 하여 이들 힘을 서로 상쇄시킴으로써, 진동 및 소음이 저감되어 효율이 상승되며, 신뢰성 향상에도 기여하게 된다.

또한 상기 압축되어 토출되는 고온고압의 공기로 인해 고온이 되는 상기 압축부의 열이 상기 시일면들(35a, 35b)과 상기 지지부 사이에 설치된 열차단 틈새들(60a, 60b)로 인해 차단됨으로써, 베어링 하우징(24a, 24b)을 통해 케이싱(21) 내부로 열이 전달되는 것을 방지하게 된다.

전술한 실시 예들은 본 고안의 바람직한 실시 예를 설명한 것에 불과하고, 본 고안의 적용 범위는 이와 같은 것에 한정되는 것이 아니며 동일 사상의 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

이상에서 전술한 바와 같이 본 고안은, 간단한 공냉식 냉각방식이면서도 충분한 냉각이 이루어지며 특히 베어링도 직접 냉각에 의해 낮은 온도를 유지할 수 있어 특히 가스 베어링을 적용하는 고속 터보기계의 신뢰성 향상에 효과가 있으며, 기계적인 마찰손실과 열손실을 최소화 할 수 있는 구성을 이루게 됨으로써, 효율 향상을 이룰 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 구동축과, 상기 구동축에 게재된 회전자와, 제1 방열핀이 장착된 고정자로 구성된 구동부와;

   케이싱과, 상기 구동부를 지지하기 위한 구동부 지지대와, 베어링과, 제2 방열핀이 설치된 베어링 하우징으로 구성된 지지부와;

   상기 구동축의 양측에 대칭으로 연결된 임펠러들과, 상기 임펠러들의 전면 흡입 측으로 공기를 순환시키는 공기순환통로들과, 상기 임펠러들의 후면 외주면에 설치된 디퓨저들과, 상기 디퓨저들과 연통된 슈라우드들과, 볼루트 케이싱들 및 상기 임펠러 후면에 설치된 시일면들로 구성된 압축부; 및

   상기 케이싱의 외면에 설치된 것으로서, 공기를 흡입하여 상기 구동부를 직접 냉각하기 위한 공기 흡입구 및 상기 시일면들과 상기 지지부 사이에 설치된 열차단 틈새들로 구성된 냉각부;를

   포함하는 것을 특징으로 하는 터보 기계.
2. 제 1항에 있어서, 상기 구동부 지지대와 상기 제1 방열핀은 일체형으로 형성된 것을 특징으로 하는 터보 기계.
3. 제 1항에 있어서, 상기 구동부 지지대와 상기 제1 방열핀은 분리형으로 형성된 것을 특징으로 하는 터보 기계.