KR20060060438A

KR20060060438A - 축추력 제어부재가 설치된 원심형 터보기계

Info

Publication number: KR20060060438A
Application number: KR1020040099505A
Authority: KR
Inventors: 최창호; 김진한
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2006-06-05
Also published as: KR100616153B1

Abstract

개시된 원심형 터보기계는, 볼류트 케이싱과; 볼류트 케이싱과 베어링에 의하여 결합된 회전축과; 회전축의 일측단부에 결합하여 회전에 의한 원심력으로 유체를 흡입하는 임펠러; 및 유체의 진행방향 상 임펠러의 후방에 위치되도록 볼류트 케이싱에 결합되며, 임펠러에 의한 유체의 회전을 방해하는 축추력 제어부재;를 포함한다. 이와 같은 구성의 원심형 터보기계는 제작 및 설치가 용이하고 경제적인 축추력 제어부재에 의하여 유체의 정압차를 줄여 베어링 등의 파손 원인이 되는 축추력을 제거할 수 있어 안정적으로 원심형 터보기계를 운행할 수 있는 효과를 제공한다.

임펠러, 축추력

Description

축추력 제어부재가 설치된 원심형 터보기계{Centrifugal turbo machineries installed factor for axial thrust control}

도 1은 종래의 원심형 터보기계를 나타낸 단면도,

도 2는 도 1의 임펠러 회전에 의하여 임펠러 후방에서 발생한 유체의 회전 각속도비 분포를 나타낸 도면,

도 3은 도 1의 임펠러 회전에 의하여 임펠러 후방에서 발생한 유체의 정압 분포를 나타낸 도면,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심형 터보기계를 나타낸 단면도,

도 5는 도 4의 축추력 제어부재를 나타낸 사시도,

도 6은 도 4의 임펠러 회전에 의하여 임펠러 후방에서 발생한 유체의 회전 각속도비 분포를 나타낸 도면,

도 7은 도 4의 임펠러 회전에 의하여 임펠러 후방에서 발생한 유체의 정압 분포를 나타낸 도면,

도 8은 도 도 1 및 도 4의 임펠러 후방의 벽압력 분포를 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

30... 원심형 터보기계 31... 회전축

32... 임펠러 33... 볼류트 케이싱

34... 씰 35... 베어링

36... 틈 40... 축추력 제어부재

41... 리브

본 발명은 원심형 터보기계에 관한 것으로서, 특히 원심 펌프나 압축기의 임펠러 앞뒤의 정압차에 의하여 발생하는 축추력을 적절히 제어하기 위한 원심형 터보기계에 관한 것이다.

일반적으로 원심형 터보기계는 회전차의 회전에 의한 반작용에 의하여 유체에 운동에너지(동압)를 부가하고 이를 압력에너지(정압)로 변환시키는 기계를 말한다. 이러한 원심형 터보기계로는 원심 펌프, 원심 압축기 등을 예로 들 수 있다.

유체에 부여된 운동에너지를 압력에너지로 변환시키는데 사용되는 원심형 터보기계로서 종래에는 도 1에 도시된 바와 같은 구조가 일반적으로 채용되었다.

도면을 참조하면, 상기 원심형 터보기계(10)는 회전축(11)과, 임펠러(impeller;12)와, 볼류트 케이싱(volute casing;13)및 씰(seal;14a,14b)을 포함한다.

상기 회전축(11)은 베어링(bearing;15)에 의하여 볼류트 케이싱(13)에 회전 가능하게 설치된다.

상기 임펠러(12)는 상기 회전축(11)에 결합되며, 이 임펠러(12)의 회전에 의 하여 발생하는 원심력을 이용하여 유체를 흡입한다.

상기 볼류트 케이싱(13)은 임펠러(12)에 의하여 흡입된 유체가 유입되는 곳으로, 흡입된 유체의 동압이 정압으로 바뀌는 곳이다. 즉, 흡입된 유체의 운동에너지가 압력에너지로 바뀐다.

상기 씰(14a,14b)은 유체의 유출을 방지하여 원심형 터보기계(10)의 효율을 높이기 위한 것으로, 임펠러(12)의 전면과 후면에 각각 설치된다.

이와 같은 구조의 원심형 터보기계(10)의 작동원리를 설명하면 다음과 같다.

볼류트 케이싱(13) 내로 유체를 흡입하기 위하여 임펠러(12)를 밀폐된 볼류트 케이싱(13) 내에서 회전시킨다. 그러면, 상기 임펠러(12)에는 원심력이 발생하고, 이 원심력을 이용하여 유체를 흡입한다. 이렇게 흡입된 유체는 볼류트 케이싱(13) 내로 보내지고, 이 볼류트 케이싱(13) 내에서 유체의 동압이 정압으로 바뀌게 되어 압력에너지를 얻게 된다.

그런데, 임펠러(12)에 의하여 흡입된 유체 중 일부는 볼류트 케이싱(13)으로 유입되지 못하고 임펠러(12) 전면과 후면에 있는 씰(14a,14b)의 틈(16)을 통해 흐르는데, 이 임펠러(12)의 전면과 후면의 씰(14a,14b)의 틈(16)을 통해 흐르는 유체는 상호 압력이 달라 축추력이 작용하게 된다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이 임펠러(12)의 전면과 후면의 모양, 임펠러(12)의 전면과 이에 인접한 볼류트 케이싱(13) 벽면 사이의 공간 및 임펠러(12) 후면과 이에 인접한 볼류트 케이싱(13) 벽면 사이에 형성되는 공간의 면적이 상이하기 때문에 형성되는 압력이 다르고, 또한 각 씰 (14a, 14b)의 출구에서 압력이 다르므로 임펠러(12) 후방에서 전방으로 축추력 이 발생하는 것이다.

이에 대하여, 임펠러(12) 후방의 씰(14b)의 틈(16)을 통해 흐르는 유체의 각속도비 분포를 나타낸 도 2를 참조하면, 씰(14b)을 통과하기 전에 유체의 각속도는 대략 0.6~0.8의 값을 가진다. 그런데, 이 씰(14b)을 통과한 유체는 대략 0.8이상의 대체로 큰 각속도 값을 가지게 된다.

따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 반경방향으로 그 정압 분포도 차이가 나게 되는데, 즉 씰(14b)을 통과하기 전에 대략 220000Pa의 정압이 씰(14b)을 통과하면서 차츰 줄어드는 것을 볼 수 있다. 이 씰(14b)을 통과한 유체의 정압 분포도 씰(14b) 아래쪽으로 갈수록 작아지나 전체적으로 그 정압이 일정치 않기 때문에 축추력을 제거하지는 못하게 된다. 이 축추력이 작용하게 되면 회전축(11)과 결합된 베어링(15)에 전달되는데, 베어링(15)에 전달되는 축추력의 크기가 클수록 베어링(15)에 가해지는 압력이 세져 베어링(15)의 파손을 야기시키게 된다.

상기 축추력에 의한 베어링(15)의 파손은 원심형 터보기계(10)의 안정적인 운행에 지장을 주게 된다. 따라서, 원심형 터보기계(10)의 안정적인 운행을 위하여는 이 축추력을 저감시켜야 하는데, 이 축추력을 저감시키기 위해서는 임펠러(12) 전면과 후면에 작용하는 정압의 차를 줄여야 한다.

이러한 임펠러(12) 전면과 후면에 작용하는 정압차를 줄이기 위하여 종래에는 임펠러(12) 전후에 설치되는 씰(14a,14b)의 반경을 변경하여 임펠러(12)와 볼류트 케이싱(13) 사이의 공간에 변화를 주었다. 즉, 일반적으로 축추력이 큰 임펠러(12) 후면의 씰(14b) 반경을 크게 하여 임펠러(12) 후면에서 발생하던 축추력의 크 기를 작게 낮추는 방법이 사용되어 왔다.

그러나, 이러한 씰 반경 크기의 변경에 의한 축추력 저감은 그 제작에 많은 시간과 비용이 들어 비경제적인 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 경제적으로 축추력을 제어할 수 있는 개선된 원심형 터보기계를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원심형 터보기계는, 볼류트 케이싱과; 상기 볼류트 케이싱과 베어링에 의하여 결합된 회전축과; 상기 회전축의 일측단부에 결합하여 회전에 의한 원심력으로 유체를 흡입하는 임펠러; 및 유체의 진행방향 상 상기 임펠러의 후방에 위치되도록 상기 볼류트 케이싱에 결합되며, 상기 임펠러에 의한 유체의 회전을 방해하는 축추력 제어부재;를 포함한다.

여기서, 상기 축추력 제어부재는 환상의 판형부재로 유체의 흐름에 대향하는 일측면에 복수의 리브가 돌출된 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심형 터보기계를 나타낸 단면도이다.

도면을 참조하면, 상기 원심형 터보기계(30)는 볼류트 케이싱(33)과, 회전축(31)과, 임펠러(32)와, 씰(34a,34b) 및 축추력 제어부재(40)를 구비한다.

상기 회전축(31)은 볼류트 케이싱(33)과 베어링(35)에 의하여 회전 가능하게 결합한다.

상기 임펠러(32)는 유체 유입구 측의 회전축(31) 일측단부에 결합하며, 회전축(31)에 의하여 고속 회전한다. 이 임펠러(32)가 회전을 하게 되면 원심력이 발생하는데, 이 원심력을 이용하여 유체 유입구로부터 볼류트 케이싱(33) 내로 유체를 흡입한다.

상기 볼류트 케이싱(33)은 임펠러(32)의 회전에 의하여 흡입된 유체가 유입되는 곳으로, 이 볼류트 케이싱(33) 내에서 유체가 보유한 동압이 정압으로 변환된다.

상기 씰(33a,33b)은 유체의 유출을 방지하여 원심형 터보기계(30)의 효율을 높이기 위한 것으로 유체 유입구 측의 임펠러(32)의 전면과 그 반대편인 임펠러(32) 후면에 각각 설치된다.

상기 축추력 제어부재(40)는 도 5와 같이 환상의 판형부재로서 중앙에 회전축 삽입홀(42)이 형성되며, 임펠러 전후방의 정압차를 줄여 축추력을 제거하기 위한 것이다. 그리고, 이 축추력 제어부재(40)의 일측면에는, 즉 유체의 흐름에 대향하는 일측면에는 복수의 리브(rib;41)가 돌출 형성되는데, 이는 후술할 유체의 회전 각속도를 줄이기 위한 것이다. 이 축추력 제어부재(40)는 유체의 진행방향 상 임펠러(32) 후방의 볼류트 케이싱(33)에 결합된다.

이와 같은 구성의 원심형 터보기계(30)의 작동에 대하여 설명하면 다음과 같다.

임펠러(32)를 밀폐된 볼류트 케이싱(33) 내에서 회전시키면, 상기 임펠러(32)는 원심력을 발생시키고, 이 원심력에 의하여 유체가 흡입된다. 이렇게 흡입된 유체는 볼류트 케이싱(33) 내로 보내지고, 이 볼류트 케이싱(33) 내에서 유체의 동압이 정압으로 바뀌게 되어 압력에너지를 얻을 수 있다.

그런데, 임펠러(32)에 의하여 흡입된 유체 중 일부는 볼류트 케이싱(33)으로 유입되지 못하고 임펠러(32) 전면과 후면에 있는 씰(34a,34b)의 틈(36)을 통해 흐르는데, 이 임펠러(32)의 전면과 후면의 씰(34a,34b)의 틈(36)을 통해 흐르는 유체는 상호 압력이 달라진다. 왜냐하면, 도 4에 도시된 바와 같이 임펠러(32)의 전면과 후면의 모양이 달라 그 면적이 다르고, 또한 임펠러(32)의 전면과 이에 인접한 볼류트 케이싱(33) 벽면 사이의 공간 및 임펠러(32) 후면과 이에 인접한 볼류트 케이싱(33) 벽면 사이에 형성되는 공간 면적이 달라 유체의 분포압력에 차이가 생기기 때문이다. 이때, 압력은 일반적으로 임펠러(32) 후방이 전방보다 커지게 된다. 이는 임펠러(32) 후방에서 유체의 회전 각속도가 크기 때문이다. 이 압력 차이는 축추력을 발생시키는데, 이 축추력은 회전축을 지지하는 베어링(35)에 전달되어 베어링(35)의 파손의 원인이 된다.

따라서, 본 발명에서는 이 축추력 발생을 미리 제거하기 위하여 임펠러(32) 후방의 볼류트 케이싱(33)에 축추력 제어부재(40)를 설치하는데, 이 축추력 제어부재(40)는 임펠러(32) 후면의 씰(34b)을 통과한 유체의 회전을 방해하여 회전 각속도를 줄인다. 즉, 축추력 제어부재(40)의 일면에 돌출된 복수의 리브(41)가 유체의 회전을 방해하여 유체의 각속도를 줄이게 되는 것이다. 그러면, 이 임펠러(32) 후 방에서의 유체의 정압은 씰(34b)을 통과하면서 급격히 줄어 임펠러(32) 전방의 정압과 거의 평행하게 되어 축추력이 제거된다.

이를 좀 더 상세히 설명하기 위하여 도 6 내지 도 8을 참고한다.

먼저, 도 6에 도시된 바와 같이 임펠러(32) 후방의 유체는 입구측에서 대략 0.6 이상의 각속도 값을 가지나 씰(34b)을 통과하면서 대략 0.2 이하의 값으로 급격히 하강한다. 따라서, 도 7에 도시된 바와 같이 이 유체의 정압은 씰(34b) 통과 전 대략 230000Pa 이상의 값에서 씰(34b) 통과 후 전체적으로 대략 50000Pa 이하의 값으로 급격히 하강하게 된다. 따라서, 임펠러(32) 전후방에서 발생할 수 있는 정압차를 줄여 축추력 발생을 제거하게 되는 것이다.

상기 임펠러(32) 후방에서 축추력 제어부재의 존재여부에 따라 정압의 하강 비율을 보인 것이 도 8에 도시되어 있다. 이 도 8에서 라디우스(radius) 0.050은 임펠러(32) 후방의 씰(34b)을 통해 유체가 통과하는 틈(36)의 반경을 나타낸 것이다. 이 틈(36)을 통과하면서 유체의 정압은 감소하게 되는데, 축추력 제어부재(40)가 없는 경우 완만하게 곡선을 그리며 감소하는데 반하여, 축추력 제어부재(40)가 있는 경우 틈을 통과하면서 급격한 정압의 감소가 발생한다.

이와 같은 구성의 원심형 터보기계에 의하면 임펠러 전후방의 정압차를 제거하여 축추력 발생을 억제하게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 원심형 터보기계에 의하면, 제작 및 설치가 용이하고 경제적인 축추력 제어부재에 의하여 유체의 정압차를 줄여 베어링 등의 파 손 원인이 되는 축추력을 제거할 수 있어 안정적으로 원심형 터보기계를 운행할 수 있는 효과를 제공한다.

본 발명은 상기에 설명되고 도면에 예시된 것에 의해 한정되는 것은 아니며 다음에 기재되는 청구의 범위 내에서 더 많은 변형 및 변용예가 가능한 것임은 물론이다.

Claims

볼류트 케이싱과;

상기 볼류트 케이싱과 베어링에 의하여 결합된 회전축과;

상기 회전축의 일측단부에 결합하여 회전에 의한 원심력으로 유체를 흡입하는 임펠러; 및

유체의 진행방향 상 상기 임펠러의 후방에 위치되도록 상기 볼류트 케이싱에 결합되며, 상기 임펠러에 의한 유체의 회전을 방해하는 축추력 제어부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심형 터보기계.
제1항에 있어서,

상기 축추력 제어부재는 환상의 판형부재로 유체의 흐름에 대향하는 일측면에 복수의 리브가 돌출된 것을 특징으로 하는 원심형 터보기계.