KR20040098787A - Micro Turbo Compressor - Google Patents

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KR20040098787A
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박기철
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주식회사 뉴로스
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    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D29/26Rotors specially for elastic fluids
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Abstract

PURPOSE: A micro turbo compressor is provided to supply pure compressed air, which does not contain oil while the micro turbo compressor is being moved. CONSTITUTION: A micro turbo compressor includes a front compression section(21), a rear compression section(22), and a power source. An axial flow compressor having a variable-type fixing wing is installed at the front compression section(21) and a centrifugal compressor is installed at the rear compression section(22) in order to vary a direction of air flowing into the rear compression section. The axial flow compressor having the variable-type fixing is installed at the front compression section(21) and a mixed flow compressor is installed at the rear compression section(22) in order to vary the direction of air flowing into the rear compression section.

Description

소형 터보압축기{Micro Turbo Compressor}Mini Turbo Compressor

공기압축기는 각종 산업현장에서 여러 가지 목적으로 사용되는 고압(약3-10 bar의 상대압)의 공기를 공급하기 위한 장치이다. 현재 주로 사용되고 있는 공기 압축기에는 왕복동식/스크롤식/스크류식 및 원심압축기를 사용한 터보식이 주로 사용되고 있다. 도 4에서 볼 수 있듯이 여러가지의 압축기 중 왕복동식 및 스크롤식은 10마력 미만의 작은 용량에 주로 사용되고 종래 스크류식은 300 마력이하의 중소형 압축기에 주로 사용된다. 원심압축기를 사용한 터보식은 500마력이상의 대형압축기에 주로 사용되는데 이는 원심압축기의 설계특성상 저용량을 구현하기 위해서는 매우 높은 회전수를 필요로 하며 여타 방식의 압축기에 비하여 용량 대 크기가 작아, 작은 공기용량의 압축기에서는 크기가 너무 작아지는 문제로 인하여 높은 효율을 내기 어렵다.Air compressor is a device for supplying air of high pressure (relative pressure of about 3-10 bar) used for various purposes in various industrial sites. Currently, air compressors mainly used are reciprocating / scrolling / screw type and turbo type using centrifugal compressors. As can be seen in Figure 4 of the various compressors reciprocating and scroll type is mainly used for small capacity of less than 10 horsepower and conventional screw type is mainly used for small and medium compressors of less than 300 horsepower. The turbo type centrifugal compressor is mainly used for large compressors of 500 hp or more, which requires very high rotational speed to realize low capacity due to the design characteristics of the centrifugal compressor, and has a small capacity compared to other compressors. In compressors, it is difficult to achieve high efficiency due to the problem of too small size.

압축공기를 필요로하는 곳은 병원에서 일반공장에 이르기까지 매우 다양하며 우리 주변의 모든 곳에서 압축공기가 사용된다고 할 수 있는데, 현재 많이 사용되고 있는 스크류압축기 등의 경우에는 작동영역이 좁고, 그 구조상 공기와 오일이 함께 섞인 상태에서 압축이 되게 되는데, 이렇게 섞인 오일을 완전히 제거하기가 매우 까다롭다는 단점이 있다. 따라서 일부 오일의 유입을 허용하고 있으며 완전하게 오일을 제거하는 경우에는 가격이 30-50%이상 높아지게 된다. 반면 터보식의 경우 넓은 작동영역을 얻을수 있으므로, 필요한 압축공기 소요량에 따라 적절하게 유량을 조절하여 소요동력을 절약할 수 있는 장점이 있으며, 높은 효율과 우수한 내구성/정비성을 가지는 등의 장점이 있다. 그러나 터보식의 경우에도, 스크류식에 비하여 오일문제가 덜 심각하다고는 하나, 오일을 완벽하게 제거하기 위해서는 매우 정교한 밀봉기술이 필요한 만큼 제작비용이 상승되게 된다. 터보식의 경우, 유량대비 크기 및 효율 등을 감안할 때 500 마력 이상의 고용량 압축기의 경우에는 매우 큰 장점을 가지고 있다고 할 수 있으나, 300마력 이하의 저용량에서는 터보식 압축기에 사용되는 원심압축기의 크기가 작아져 효율이 떨어지고 높은 회전수를 요구하게 되므로 설계 및 제작이 어려워지기 때문에 스크류식에 비하여 높은 효율 및경쟁력을 기대하기 어렵다. 그러나 최근 환경 문제가 대두되고 압축기의 소형 경량화 및 오일 및 수분이 전혀 없는 깨끗한 압축공기에 대한 요구가 증가함에 따라 스크류식 압축기를 대체할 수 있는 소형 터보압축기의 개발에 많은 노력을 기울이고 있는 실정이다.The place that needs compressed air varies widely from hospital to general factory, and it can be said that compressed air is used in all around us. In the case of the screw compressor, which is widely used, the operating area is narrow, and its structure Compressed air and oil are mixed together, the disadvantage is that it is very difficult to remove the mixed oil completely. Therefore, some oils are allowed to flow in, and if the oil is completely removed, the price will be more than 30-50%. On the other hand, in the case of the turbo type, a wide operating area can be obtained, and thus, there is an advantage of saving power by appropriately adjusting the flow rate according to the required compressed air demand, and having the advantages of high efficiency and excellent durability / maintenance. . However, even in the turbo type, the oil problem is less serious than the screw type, but the manufacturing cost increases as a very sophisticated sealing technique is required to completely remove the oil. In the case of the turbo type, the large-capacity compressor of 500 hp or more has great advantages in consideration of the flow rate and efficiency, but the centrifugal compressor used for the turbo compressor is small at the low capacity of 300 hp or less. It is difficult to expect high efficiency and competitiveness compared to the screw type because it becomes difficult to design and manufacture because the efficiency is lowered and high rotational speed is required. However, due to the recent environmental problems and increasing demand for compact and lightweight compressors and clean compressed air free of oil and moisture, many efforts have been made to develop compact turbo compressors that can replace screw compressors.

기존의 소형 2단 터보압축기에서 주로 사용되고 있는 방법은 도5에 나타낸 바와 같이 두 단의 원심압축기(51,53)를 증속기어(54) 및 일반모터(55)를 이용하여 고속으로 회전시켜 사용하고 각 단의 사이에는 수냉식 중간냉각기(52)를 설치하게 된다. 이 중간 냉각기(52)의 역할은 크게 두 가지 인데 하나는 중간 냉각기(52) 후방에 연결되는 압축기(53)에 유입되는 공기의 온도를 낮춤으로써 동일한 압축비에 대하여 공기압축에 소요되는 일을 절감시키는 효과가 있고 두 번째는 압축기(53)의 비속도를 적정한 수준으로 유지시킴으로써 높은 효율의 압축기(53) 설계가 가능하도록 하는데 있다. 표 1에 일본의 IHI 사에서 개발한 170마력(축손실 포함)급 2단 터보압축기에 대하여 중간 냉각기(52)를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우에 대하여 같은 유량의 압축공기를 공급하기 위하여 필요한 공기역학적 동력(Aerodynamic Power)을 계산 비교하였는데, 이를 보면 중간 냉각기(52)를 사용하지 않는 경우 소요동력이 26.8% 증가하고 있는 것을 알 수 있다.The method mainly used in the existing small two-stage turbo compressor is to use a two-stage centrifugal compressor (51, 53) by rotating the high speed gear 54 and the general motor (55) as shown in FIG. The water-cooled intermediate cooler 52 is installed between the stages. There are two main roles of the intermediate cooler 52. One is to reduce the work of air compression for the same compression ratio by lowering the temperature of the air flowing into the compressor 53 connected to the rear of the intermediate cooler 52. The second effect is to maintain the specific speed of the compressor 53 at an appropriate level so that the compressor 53 can be designed with high efficiency. Table 1 shows the air required to supply compressed air at the same flow rate for the case of the intermediate cooler 52 with and without the 170 hp (including shaft loss) grade two-stage turbo compressor developed by IHI of Japan. Comparing the aerodynamic power (Aerodynamic Power), it can be seen that the required power is increased by 26.8% without using the intermediate cooler (52).

반면에 중간냉각기(52)를 사용함으로 인하여 발생되는 여러 문제점들도 있는데, 먼저 중간냉각기(52)는 그 후방단 압축기(53)에 유입되는 공기의 밀도를 증가시키고 이로 인해 압축기(51,53) 설계시 작은 유로면적을 요구하게 된다. 이는 후방단 압축기(53) 임펠러 블레이드의 출구 높이에 대한 끝간격의 비를 크게하여 압축기 효율을 떨어뜨리게 되므로 본 발명에서 제안하는 바와 같이 소형 압축기를 필요로 하는 300마력 이하의 터보 압축기 설계에 걸림돌이 된다. 또한 중간냉각기(52)의 경우 압축기(51,53)에 비하여 크기가 매우 크며 별도의 냉각수 공급라인이 설치되어야 하므로 터보압축기를 이동하여 설치하기 어려운 단점이 있으며, 압축 공기가 중간 냉각기(52)를 지나는 동안 응축하여 발생한 수분이 후방 압축단(53)에 유입되어 압축기(53)성능을 저하시키고 임펠러 재질의 마모 및 중간냉각기 내부에서의 물때(Water Scale) 형성으로 인한 주기적 정비가 필요하는 등의문제를 유발하기도 한다. 그 외 중간 냉각기(52)에서 발생하는 응축수를 처리하기 위한 별도의 장치(56)가 필요하며 냉각수공급을 위한 냉각탑 및 냉각펌프등 추가적인 여러 보기류가 필요해 시스템 구성이 복잡해 지고 제작 및 운용비용이 증가하는 단점이 있다.On the other hand, there are several problems caused by using the intermediate cooler 52. First, the intermediate cooler 52 increases the density of the air flowing into the rear stage compressor 53, which causes the compressors 51 and 53 to increase. The design requires a small flow area. This reduces the efficiency of the compressor by increasing the ratio of the end interval to the exit height of the impeller blades of the rear stage compressor 53. Therefore, as the present invention suggests, a turbo compressor design of 300 hp or less requiring a compact compressor is an obstacle. do. In addition, in the case of the intermediate cooler 52, the size of the intermediate cooler 52 is very large compared to the compressors 51 and 53, and a separate cooling water supply line has to be installed, which makes it difficult to move the turbo compressor and installs the intermediate cooler 52. Water generated by condensation during the inflow into the rear compression stage 53 degrades the performance of the compressor 53 and requires periodic maintenance due to wear of impeller material and formation of water scale inside the intermediate cooler. It may cause. In addition, a separate device 56 for treating condensate generated in the intermediate cooler 52 is required, and additional accessories such as a cooling tower and a cooling pump for supplying the cooling water are required to complicate the system configuration and increase manufacturing and operating costs. There is a disadvantage.

중간 냉각기(52)를 사용하지 않으면서도 기존의 터보압축기와 동일한 효율을 얻기 위해서는 실제동력을 소모하며 공기를 압축하는 원심압축기(51,53)의 효율이 매우 좋아야 한다. 그러나 대부분의 원심압축기는 유사한 비속도에서 최대 효율을 가지게 되므로 같은 원심형의 압축기를 다단으로 사용하면서 중간 냉각을 하지 않는 경우 후방 단으로 갈 수록 원심압축기의 비속도는 낮아지고 이에 따라 최대 효율 역시 낮아지게 되어 결국 더 많은 동력을 소모하게 된다.In order to achieve the same efficiency as the conventional turbocompressor without using the intermediate cooler 52, the efficiency of the centrifugal compressors 51 and 53 that compresses air and consumes actual power should be very good. However, since most centrifugal compressors have maximum efficiency at similar specific speeds, if the same centrifugal compressors are used in multiple stages and do not have intermediate cooling, the specific speed of the centrifugal compressors decreases toward the rear stage and thus the maximum efficiency is low. And eventually consume more power.

본원 발명은 종래의 압축기로는 구현하기 어려운 이동이 가능하면서 오일이 섞이지 않은 순수한 압축공기를 공급할 수 있는 이동식 소형 고효율 터보압축기를 구성함을 첫번째 기술적 과제로 한다. 이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 도2 또는 도3에서와 같이 전방 압축단(21,31)에 높은 비속도(약200에서 400정도)를 필요로 하는 축류형 압축기(18)를 사용하고 후방 압축단(22,32)에는 그 보다 낮은 비속도(약60에서 100정도)에서 최대 효율을 가지는 원심형 압축기(19)를 사용한 터보압축기를 고안하였다.The present invention has a first technical problem to configure a portable small high-efficiency turbocompressor capable of supplying pure compressed air that is not mixed with oil while being difficult to implement with a conventional compressor. In order to solve this problem, the present invention uses an axial compressor 18 that requires a high specific speed (about 200 to 400) in the front compression stages 21 and 31 as shown in FIG. In (22, 32), a turbocompressor using a centrifugal compressor 19 having a maximum efficiency at a lower specific speed (about 60 to 100) is designed.

이 경우 전방단 축류압축기(18)를 높은 비속도에서 운용하기 위하여 회전수를 증가시켜야 하므로 중간냉각기(52)를 사용하지 않고서도 후방단 원심압축기(19)의 비속도를 최대 효율을 얻을 수 있는 영역까지 증가 시킬 수 있는 장점이 있다.In this case, since the number of rotations must be increased in order to operate the front end axial compressor 18 at a high specific speed, it is possible to obtain the maximum efficiency of the specific speed of the rear end centrifugal compressor 19 without using the intermediate cooler 52. There is an advantage to increase the area.

그러나 전방단(21,31)과 후방단(22,32) 모두 동일한 원심형 압축기를 사용한 기존 터보압축기에서는 중간냉각기(52)를 사용하지 않고 후방단(22,32)의 비속도를 증가 시키기 위하여 회전수를 증가시키는 경우 전방단(21,31)의 비속도가 너무 커지므로 전방단(21,31)의 효율이 감소하는 문제가 발생하게 된다.However, in the existing turbocompressor using the same centrifugal compressor in both the front ends 21 and 31 and the rear ends 22 and 32 in order to increase the specific speed of the rear ends 22 and 32 without using the intermediate cooler 52. When the rotation speed is increased, the specific speed of the front ends 21 and 31 becomes too large, which causes a problem that the efficiency of the front ends 21 and 31 decreases.

참고로 비속도는 압축기의 형상을 기술하기 위한 가장 좋은 방법으로 다음의 식 1에 의하여 정의되는 무차원 수이다.For reference, the specific speed is the best way to describe the shape of the compressor and is a dimensionless number defined by Equation 1 below.

도6에서 볼 수 있듯이 일반적으로 원심압축기의 경우 비속도 60-100 사이에서, 사류형압축기(도10참조)의 경우는 비속도 100-200 사이에서, 축류압축기의 경우는 비속도 200-400 사이에서 가장 높은 효율을 가진다. 도 7에 비속도에 따른 압축기 형상의 변화를 나타내었는데 비속도가 커질 수록 압축기 형상이 원심형에서 축류형으로 바뀌는 것을 알수 있다. 참고로 도7에서는 비속도 계산시 유량의 단위를 GPM(Gallon Per Minute)를 사용한 USA 단위를 사용하였으므로 도6에서의 비속도에 51.65를 곱한 값이 도7에서의 비속도 값으로 나타내어진다.As can be seen in Fig. 6, in general, the centrifugal compressor has a specific speed of 60-100, a quadrifugal compressor (see Fig. 10) has a specific speed of 100-200, and an axial compressor has a specific speed of 200-400. Has the highest efficiency at. 7 shows a change in the shape of the compressor according to the specific speed. As the specific speed increases, the shape of the compressor changes from the centrifugal type to the axial flow type. For reference, in FIG. 7, the unit of the flow rate was used as the unit of the flow rate in the United States using GPM (Gallon Per Minute), so the value of the specific velocity multiplied by 51.65 in FIG. 6 is represented by the specific velocity value in FIG. 7.

표 2에 본 발명에서 제안하고 있는 방식의 터보압축기의 성능을 계산하여 기존에 판매되고 있는 일본IHI사의 170마력급 터보압축기와 비교하여 나타내었다.Table 2 calculates the performance of the turbocompressor of the method proposed by the present invention and compares it with a 170 hp turbocompressor sold in Japan.

표 2에서 볼 수 있는 터보압축기의 성능을 얻기 위해서는 전방 축류압축기(18) 및 후방 원심압축기(19)의 단당 압축비와 효율을 크게 해야 하는 어려움이 있다. 현재 일반적인 축류 압축기의 단당 압축비는 1.2-1.4, 효율은 88% 정도 이며, 원심압축기의 경우에는 단당 압축비 2-5, 효율 70-80% 정도 이다.일반적으로 많이 사용되는 터보 압축기의 경우 요구되는 압축비가 절대압으로 8-9 bar부근이므로 전방 압축단(21,31)의 압축비가 2 정도가 되어야하며 효율은 86%이상이어야 한다. 만약 전방압축단의 압축비가 이 보다 낮은 경우에는 후방 압축단(22,32)의 압축비가 너무 커지므로 후방단의 효율이 낮아지게 되어 전체 시스템의 효율이 저하된다. 따라서 전방 압축단(21,31)에 일반적인 축류 압축기를 사용하면 2단을 사용해야 하며 축류 압축기의 성능 특성상 원심압축기에 비하여 작동영역이 넓지 못한 단점이 있다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 단당 압축비가 2:1 이상으로 높으면서도 고효율을 유지하고 성능 특성이 원심압축기와 유사한 초음속축류 압축기(도9 참조)를 설계하여 전방압축단(21,31)에 적용 하였다. 또한 후방 압축단(22,32)의 경우, 9bar의 절대 압력을 가지는 공기를 공급하는 터보압축기를 설계한다고 하면, 대략 5 정도의 압축비를 가지면 되며 이 때 가능한 단열효율은 80% 부근으로 볼 수 있다. 중간냉각기를 사용하는 경우 후방단 압축기에 유입되는 공기의 밀도가 높아져 압축기 설계시 작은 유로 면적을 요구하게 되고, 이에 따라 압축기 임펠러 블레이드 출구 높이에 대한 끝간격의 비가 커지게 되어 효율이 저하되므로 일반적 효율에 못미치게 된다. 반면 본 발명에서 제안하는 터보압축기의 경우에는 중간 냉각기를 사용하지 않으므로 유입공기의 밀도를 작게하고 이는 설계시 유로면적을 크게 할수 있어보다 높은 효율의 후방단 압축기 설계가 가능해 질 수 있다.In order to obtain the performance of the turbo compressor shown in Table 2, there is a difficulty in increasing the compression ratio and efficiency per unit of the front axial compressor 18 and the rear centrifugal compressor 19. Currently, the compression ratio per unit of general axial compressors is 1.2-1.4, the efficiency is about 88%, and in the case of centrifugal compressors, the compression ratio is 2-5 and efficiency is 70-80%. Since the absolute pressure is around 8-9 bar, the compression ratio of the front compression stage (21, 31) should be about 2 and the efficiency should be more than 86%. If the compression ratio of the front compression stage is lower than this, the compression ratio of the rear compression stages 22 and 32 becomes too large, so that the efficiency of the rear stage is lowered and the efficiency of the entire system is lowered. Therefore, when a general axial compressor is used for the front compression stages 21 and 31, two stages should be used, and there is a disadvantage in that the operating area is not wider than the centrifugal compressor due to the performance characteristics of the axial compressor. In the present invention, in order to solve this problem, the supersonic axial compressor (see FIG. 9) having a high compression ratio per unit ratio of 2: 1 or more and high performance and similar in performance to that of a centrifugal compressor is designed in the front compression stages 21 and 31. Applied. In addition, in the case of the rear compression stages 22 and 32, a turbo compressor that supplies air having an absolute pressure of 9 bar may have a compression ratio of about 5, and the possible adiabatic efficiency is about 80%. . In the case of using an intermediate cooler, the density of air flowing into the rear compressor is increased, which requires a small flow path area in the design of the compressor. As a result, the ratio of the end spacing to the height of the exit of the compressor impeller blade increases, resulting in lower efficiency. Falls short of On the other hand, in the case of the turbocompressor proposed in the present invention, since the intermediate cooler is not used, the density of the inlet air is reduced, and the flow path area can be increased in the design, thereby enabling the design of the rear stage compressor with higher efficiency.

기존 터보 압축기의 경우 각 단에 사용되는 원심압축기의 단당 압축비가 2-3 부근인데 이는 단당 압축비가 높아질수록 효율이 감소하는 이유도 있으나 가장 큰 문제는 작동영역이 좁아지는 것이라고 할 수 있다. 터보압축기의 경우, 압축공기의 소요량이 적은 경우, 소요동력 절감을 위해서 최대 공급유량의 30% 이상을 감소시킨 상태에서 운용 가능해야 하는데 단당 압축비가 커질수록 이 영역이 감소하기 때문이다. 본 발명에서 제안하는 바와 같이 후방 압축단(22,32)에 단당 압축비 5 부근의 원심압축기를 본원의 후방압축기로 사용하는 경우 얻을 수 있는 작동영역은 15-20% 정도이다. 기존 터보압축기의 후방압축단의 경우 작동영역을 증가시키기 위한 방법으로는 원심압축기(19)에 사용되는 디퓨져(16)의 설치각을 가변형(도12참조)으로 하는 것 뿐이나, 본 발명에서 제안하는 터보압축기 구성의 경우에는 도11에 보인 것과 같이 항공기용 동력장치로 사용되는 엔진의 압축기에서 사용되는 장치를 사용하여 전방 축류압축기(18) 고정익(13)의 설치각을 가변함으로써 추가적인 작동영역의 증가가 가능하다. 이처럼 후방단 원심압축기(19)에 유입되는 공기의 유입각을 바꿀 수 있는 방법은 기존의 원심형 압축기만을 사용한 터보압축기로는 불가능하고 본 발명에서와 같이 축류/원심 압축기 혼합형인 경우에만 가능하다.In the case of the conventional turbo compressor, the compression ratio per unit of the centrifugal compressors used in each stage is around 2-3, which is why the efficiency decreases as the compression ratio increases, but the biggest problem is that the operating area becomes narrower. In the case of a turbo compressor, when the required amount of compressed air is small, it should be possible to operate with a reduction of 30% or more of the maximum supply flow rate in order to reduce power consumption, because this area decreases as the compression ratio per unit increases. As proposed in the present invention, when the centrifugal compressor having a compression ratio of about 5 per stage in the rear compression stages 22 and 32 is used as the rear compressor of the present application, the operating area that can be obtained is about 15-20%. In the case of the rear compression stage of the conventional turbo compressor, the method for increasing the operating area is to change the installation angle of the diffuser 16 used in the centrifugal compressor 19 to a variable type (see FIG. 12), but it is proposed in the present invention. In the case of the turbocompressor configuration, as shown in FIG. 11, the installation angle of the fixed blade 13 of the front axial compressor 18 is varied by using the apparatus used in the compressor of the engine used as the power unit for the aircraft. An increase is possible. As such, the method of changing the inflow angle of the air flowing into the rear stage centrifugal compressor 19 is not possible with a conventional turbocompressor using only a centrifugal compressor, and is possible only when the axial / centrifugal compressor is mixed as in the present invention.

또한 전방단에서 고속회전하는 축류압축기를 도입함에 따라 같은 압축공기 용량 대비 압축기 회전체의 크기를 작게하여 공기부양식 베어링을 도입함으로써 무급유시스템을 구현함을 두번째 기술적 과제로 한다.In addition, by introducing an axial compressor that rotates at a high speed in the front end, the second technical problem is to implement an oilless system by introducing an air-floating bearing by reducing the size of the compressor rotating body to the same compressed air capacity.

본 발명에서 제안한 바와 같이 중간 냉각기(52)를 사용하지 않는 경우, 터보압축기 최종 출구에서의 공기 온도가 매우 높아지게 되므로 이를 일반적 터보 압축기 설계 기준인 입구온도 +15℃ 의 온도로 낮추기 위해 95%이상의 높은 온도효율을 가지는 후방 냉각기(24,35)를 설치함을 세번째 기술적 과제로 한다.When the intermediate cooler 52 is not used as proposed in the present invention, since the air temperature at the final outlet of the turbo compressor is very high, it is higher than 95% in order to lower it to a temperature of inlet temperature + 15 ° C. which is a general turbo compressor design standard. The third technical problem is to install rear coolers 24 and 35 having temperature efficiency.

본 발명에서 제안하는 압축기를 구동하기 위해서는 70,000 RPM 이상의 매우 높은 회전수를 가지는 모터 또는 증속기어를 필요로 한다 따라서 직접 70,000 RPM이상의 회전수를 가지는 고속모터를 구현하거나 3,600 RPM 또는 7,200 RPM의 일반전동 모터의 회전수를 70,000 RPM 이상으로 증속시키는 증속기어박스를 구현함을네번째 기술적 과제로 한다.In order to operate the compressor proposed in the present invention, a motor or an increase gear having a very high rotation speed of 70,000 RPM or more is required. Therefore, a high-speed motor having a rotation speed of 70,000 RPM or more can be directly implemented or a general electric motor of 3,600 RPM or 7,200 RPM. The fourth technical task is to implement a speed increase gearbox that increases the rotational speed of the motor to 70,000 RPM or more.

도1은 본 발명에 따른 터보압축기의 일반적 구성도를 나타낸다.1 shows a general configuration of a turbocompressor according to the present invention.

* 도1의 부호에 대한 설명* Explanation of the sign of FIG.

11 : 전방단에 들어오는 공기유량을 조절하기 위한 Inlet Guide Vane11: Inlet Guide Vane for controlling the air flow entering the front end

12 : 전방 압축단인 축류압축기의 회전익12: rotor blade of axial compressor as forward compression stage

13 : 전방 압축단인 축류압축기의 고정익13: fixed wing of axial compressor as forward compression stage

14 : 전방단과 후방단을 연결하는 유로14: flow path connecting the front and rear ends

15 : 후방 압축단인 원심압축기의 회전익인 임펠러15: Impeller which is a rotor blade of centrifugal compressor which is a rear compression stage

16 : 후방 압축단인 원심압축기의 고정익인 디퓨져16: Diffuser fixed wing of centrifugal compressor that is a rear compression stage

17 : 압축공기를 모아서 공급하기 위한 스크롤(Scroll)17: Scroll to collect and supply compressed air

18 : 회전익과 고정익으로 이루어진 전방 축류압축단18: forward axial compression stage consisting of a rotor blade and a fixed blade

19 : 임펠러와 디퓨져로 이루어진 후방 원심압축단19: rear centrifugal compression stage consisting of impeller and diffuser

도2는 본 발명에 따른 터보압축기를 고속모터를 사용하여 구동하는 방법을 나타낸다.2 shows a method of driving a turbocompressor using a high speed motor according to the present invention.

* 도2의 부호에 대한 설명* Explanation of the sign of FIG.

21 : 전방 압축단21: forward compression stage

22 : 후방 압축단22: rear compression stage

23 : 회전수 70,000 RPM 이상의 고속전동모터23: High speed electric motor with more than 70,000 RPM

24 : 후방 공기냉각기 (After Cooler)24: After Cooler

25 : 수분제거기25: moisture remover

도3은 본 발명에 따른 터보압축기를 증속기어 및 일반모터를 사용하여 구동하는 방법을 나타낸다.3 shows a method of driving a turbocompressor using a speed increase gear and a general motor according to the present invention.

* 도3의 부호에 대한 설명* Explanation of the sign of FIG.

31 : 전방압축단31: Forward compression end

32 : 후방압축단32: rear compression end

33 : 최종 회전수 70,000 RPM 이상의 증속기어33: Gearbox with a final speed of 70,000 RPM or more

34 : 회전수 3,600 RPM 또는 7,200 RPM 의 일반전동모터34: General electric motor with 3,600 RPM or 7,200 RPM

35 : 후방 공기냉각기 (After Cooler)35: After Cooler

36 : 수분제거기36: moisture remover

도4는 압축공기 용량 및 압축비에 따라 사용이 적절한 압축기 종류를 나타낸다.4 shows the type of compressor suitable for use depending on the compressed air capacity and compression ratio.

도5는 기존 원심압축기의 일반적 구성도를 나타낸다.5 shows a general configuration of a conventional centrifugal compressor.

* 도5의 부호에 대한 설명* Explanation of the sign of FIG.

51 : 전방 압축단인 원심압축기51: centrifugal compressor as the front compression stage

52 : 수냉식 중간냉각기52: water-cooled intermediate cooler

53 : 후방 압축단인 원심압축기53: centrifugal compressor as a rear compression stage

54 : 증속기어54: Gearbox

55 : 일반전동모터55: general electric motor

56 : 응축수 처리 장치56: condensate treatment unit

57 : 후방 공기냉각기57: rear air cooler

58 : 수분제거기58: moisture remover

도6은 비속도에 따른 압축기의 종류 및 가능한 최대효율을 나타낸다.6 shows the type and maximum possible efficiency of the compressor according to specific speed.

도7은 비속도에 따른 압축기의 일반적 형상을 나타낸다.7 shows the general shape of a compressor according to specific speed.

도8은 공기베어링의 일반적 형태를 나타낸다.8 shows a general form of an air bearing.

도9는 본 발명에 사용된 초음속 축류압축기의 형상을 나타낸다.Fig. 9 shows the shape of the supersonic axial compressor used in the present invention.

도10은 일반적 사류형 압축기(Mixed flow compressor)의 형상을 나타낸다.Fig. 10 shows the shape of a general mixed flow compressor.

도11은 항공기용 엔진의 축류 압축기에서 일반적으로 사용되는 고정익 가변장치를 나타낸다.Figure 11 shows a fixed wing variable system commonly used in axial compressors of aircraft engines.

도12은 가변형 디퓨져를 사용한 원심압축기의 형상을 나타낸다.12 shows the shape of a centrifugal compressor using a variable diffuser.

본 발명은 단당 압축비가 2 부근이면서 높은 단열효율을 가질 수 있는 1단 축류압축기(18)로 구성된 전방 압축단(21,31)과 전체 요구 압축비에서 전방 압축단(21,31)의 압축비를 제외한 나머지 필요한 압축비를 제공하기 위한 원심압축기(19)로 구성된 후방 압축단(22,32)및 이들을 한축으로 연결하여 구동시키는 고속전동모터(23) 또는 증속기어(33)와 일반전동모터(34)로 구성되어 있다. 전방 압축단(21,31)과 후방 압축단(22,32) 사이는 간단한 덕트(14)로 연결되어 기존 터보압축기의 복잡한 유로에서 발생하는 압력손실을 최소화 하였다. 본 발명에서 제시된 터보압축기는 중간 냉각기(52)가 존재하지 않는 구성을 가지므로 후방 원심단(19)의 비속도를 최적(약60에서 100정도)으로 유지하여 높은 효율을 가지도록 하기 위하여 전방 축류단은(18) 매우 높은 최적 비속도(약200에서 400정도)를 가지는 특징이 있다. 이를 위해서는 분당 회전수가 3,600 RPM 또는 7,200 RPM 인 일반 전동모터(34) 및 그 회전수를 70,000 RPM 이상으로 증가시킬수 있는 증속기어(33), 또는 분당 70,000 RPM이상의 회전수를 유지할 수 있는고속전동모터(23)를 사용하여 압축기가 구동되어야 한다. 참고로 일본의 IHI사에서 개발한 100-150마력의 터보 압축기인 Tx-mini 시리즈의 경우 7,200 RPM의 모터의 회전수를 증속기어를 사용 109,000 RPM으로 증속시켜 압축기를 구동하고 있다. 후방 압축단(19)에서 최종적으로 방출되는 압축공기는 공냉식 또는 수냉식의 별도의 후방냉각기(24,35)를 사용하여 냉각 후 사용되어진다. 본 장치의 운용시 필요한 공기유량이 적은 경우에는 전방 압축단(18) 입구의 Inlet Guide Vane(11), 전방 압축단(18)의 고정익(13) 및 후방 압축단(19)의 디퓨저(16)설치각을 조절하여 공기유입량을 감소시키으로 소요 동력을 절감할 수 있다.The present invention excludes the compression ratio of the front compression stage (21, 31) from the front compression stage (21, 31) consisting of a single stage axial compressor (18), which has a compression ratio per stage of about 2 and can have high adiabatic efficiency. Rear compression stages 22 and 32 composed of centrifugal compressors 19 for providing the remaining necessary compression ratios, and high speed electric motors 23 or geared gears 33 and general electric motors 34 which are driven by connecting them in one axis. Consists of. Between the front compression stage (21, 31) and the rear compression stage (22, 32) is connected by a simple duct 14 to minimize the pressure loss generated in the complex flow path of the conventional turbocompressor. Since the turbo compressor proposed in the present invention has a configuration in which the intermediate cooler 52 does not exist, the front axial flow in order to maintain the specific velocity of the rear centrifugal stage 19 at an optimum (about 60 to 100 degrees) to have high efficiency. Stage 18 is characterized by a very high optimum specific speed (about 200 to 400). To this end, a general electric motor 34 having a rotational speed of 3,600 RPM or 7,200 RPM and a speed increase gear 33 capable of increasing its rotation speed to 70,000 RPM or more, or a high speed electric motor capable of maintaining rotational speed of 70,000 RPM or more per minute ( 23) the compressor must be driven. For reference, the Tx-mini series, a 100-150 horsepower turbo compressor developed by IHI of Japan, drives the compressor by increasing the speed of a 7,200 RPM motor to 109,000 RPM using a gearbox. The compressed air finally discharged from the rear compression stage 19 is used after cooling by using separate rear coolers 24 and 35 of air cooling or water cooling. When the air flow required for the operation of the device is small, the inlet guide vane 11 at the inlet of the front compression stage 18, the fixed blade 13 of the front compression stage 18 and the diffuser 16 of the rear compression stage 19 By adjusting the installation angle, the air inflow can be reduced to reduce power consumption.

축류형 압축기는 원심형에 비하여 높은 효율을 얻을 수 있으므로, 본 발명에서 제시하는 바와 같이 축류형 압축기(18)와 원심형 압축기(19)를 혼합하여 사용하는 경우, 종래의 터보압축기와 같이 전방단(51)과 후방단(53) 모두를 원심으로 하는 경우에 비하여 높은 전체효율을 얻을 수 있고, 임펠러 후방에서의 누설유동에 의한 손실증가등의 문제가 없다는 장점이 있다. 또한, 축류형 압축기는 최적 비속도가 높기 때문에 원심형에 비하여 높은 회전수를 요구하며 이에 따라 중간냉각기(52)가 없어도 원심압축기(19)로 구성된 후방 압축단(22,32)의 최적 비속도를 유지할 수 있다. 최근에는 기술의 발달로 고속 회전체에 대한 설계 위험도가 크게 낮아지고 오히려 높은 회전수로 인하여 동일한 압축공기 유량에 대하여 크기 및 무게를 줄일 수 있는 장점이 있다.Since the axial compressor can obtain a higher efficiency than the centrifugal compressor, when the axial compressor 18 and the centrifugal compressor 19 are mixed and used as shown in the present invention, the front end of the axial compressor is the same as a conventional turbo compressor. Compared to the case where both the 51 and the rear end 53 are centrifuged, a high overall efficiency can be obtained and there is no problem of an increase in loss due to leakage flow in the rear of the impeller. In addition, the axial compressor requires a higher rotational speed than the centrifugal type because the optimum specific velocity is high, and thus the optimum specific velocity of the rear compression stages 22 and 32 constituted by the centrifugal compressor 19 without the intermediate cooler 52 is required. Can be maintained. Recently, due to the development of technology, the design risk for the high-speed rotating body is greatly lowered, and the size and weight of the same compressed air flow rate can be reduced due to the high rotational speed.

이와 같은 높은 회전수는 크기 및 무게가 줄어든 회전체의 설계를 가능하게 하므로 유사한 용량의 기존 터보압축기에서는 사용이 불가능했던 공기부양 베어링이 사용 가능할 수 있고 이 경우 무급유식 터보 압축기의 설계가 가능하다. 또한 중간냉각기를 사용하지 않으므로 후방단에 공급되는 공기의 밀도가 낮아지고 동일한 유량에 대하여 압축기 유로면적을 크게 설계할 수 있어 보다 높은 효율의 후방단 압축기 설계가 가능해 진다.Such high speeds allow the design of rotors of reduced size and weight, so that air-floating bearings, which were not available in conventional turbocompressors of similar capacity, can be used, in which case the design of oil-free turbo compressors is possible. In addition, since the intermediate cooler is not used, the density of the air supplied to the rear end is lowered, and the compressor flow path area can be largely designed for the same flow rate, thereby enabling a higher efficiency rear stage compressor design.

본 발명에서 제시하는 바와 같이 축류/원심 혼합형을 사용하는 경우 축류압축단 전방의 Inlet Guide Vane(11) 과 축류압축단의 고정익(13)의 설치각을 함께 가변하여 사용함으로써 운용 영역을 최대화 시킬 수 있다. 또한 2단 터보 압축기의 전방단에 원심압축기를 사용하는 경우 전방의 Inlet Guide Vane과 전방 압축단의 고정익인 디퓨져 설치각을 함께 가변하기는 매우 어려우나 축류인 경우에는 이를 손쉽게 구현할 수 있으며 이 경우 기존 압축기 보다 10%이상의 추가 작동영역 확보가 가능하다.In the case of using the axial / centrifugal mixing type as proposed in the present invention, the operating area of the inlet guide vane 11 in front of the axial compression stage and the fixed blade 13 of the axial compression stage can be used together to maximize the operating area. have. In addition, when the centrifugal compressor is used at the front stage of the two-stage turbo compressor, it is very difficult to vary the installation angle of the inlet guide vane and the fixed wing of the front compression stage together, but in the case of axial flow, this can be easily implemented. More than 10% additional operating area is available.

본 발명은 고압의 압축공기를 공급하기 위한 기계장치인 왕복식, 스크류식, 로타리식, 스크롤식, 터보식 압축기 중 터보방식을 사용한 압축기 분야에서 효과적으로 널리 응용될 수 있으며 상기 실시 예로 한정하지 않고 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변형예가 실시 될 수 있음을 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명확하다.The present invention can be effectively widely applied in the field of the compressor using the turbo method of the reciprocating, screw, rotary, scroll, turbo compressor that is a mechanical device for supplying high-pressure compressed air and is not limited to the above embodiments It will be apparent to those skilled in the art that various modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention.

Claims (4)

전방압축단, 후방압축단 및 동력원을 포함하는 터보압축기에 있어서,In a turbocompressor comprising a front compression stage, a rear compression stage and a power source, 전방압축단에는 최적 비속도가 200 내지 400 정도로서 고정익이 가변익 형태를 갖는 축류압축기를 설치하고, 후방압축단에는 최적비속도가 60 내지 100 정도인 원심압축기를 설치함으로써, 상기 후방압축단에 유입되는 공기의 유입각을 가변시킬 수 있도록 함을 특징으로 하는 터보압축기.An axial compressor having an optimum specific speed of about 200 to 400 and a fixed wing having a variable blade shape is installed at the front compression stage, and a centrifugal compressor having an optimum specific speed of about 60 to 100 is installed at the rear compression stage, thereby entering the rear compression stage. Turbo compressor characterized in that to change the inlet angle of the air. 전방압축단, 후방압축단 및 동력원을 포함하는 터보압축기에 있어서,In a turbocompressor comprising a front compression stage, a rear compression stage and a power source, 전방압축단에는 최적 비속도가 200 내지 400 정도로서 고정익이 가변익 형태를 갖는 축류압축기를 설치하고, 후방압축단에는 최적 비속도가 100 내지 200 정도인 사류압축기를 설치함으로써, 상기 후방압축단에 유입되는 공기의 유입각을 가변시킬 수 있도록 함을 특징으로 하는 터보압축기.An axial compressor having an optimum specific speed of about 200 to 400 and a fixed wing having a variable blade shape is installed at the front compression stage, and a vortex compressor having an optimal specific speed of about 100 to 200 is installed at the rear compression stage, thereby entering the rear compression stage. Turbo compressor characterized in that to change the inlet angle of the air. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 전방압축단의 고정익과 후방압축단의 디퓨져 설치각을 함께 변화시켜 전체압축기의 작동영역을 증가시키는 것을 특징으로 하는 터보압축기Turbo compressor characterized by increasing the operating area of the entire compressor by changing the fixed blades of the front compression stage and the diffuser installation angle of the rear compression stage together 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 전방압축단의 고정익과 후방압축단의 디퓨져 설치각을 함께 변화시켜 전체압축기의 작동영역을 증가시키는 것을 특징으로 하는 터보압축기Turbo compressor characterized by increasing the operating area of the entire compressor by changing the fixed blades of the front compression stage and the diffuser installation angle of the rear compression stage together
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KR20140039598A (en) * 2012-09-24 2014-04-02 삼성테크윈 주식회사 A compressing system
CN114207286A (en) * 2019-08-07 2022-03-18 开利公司 Axial and downstream compressor assembly

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