KR20070020681A - 압축기용 일체형 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조 - Google Patents

압축기용 일체형 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압축기용 일체형 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조에 있어서, 조립비 및 부품비를 절감하며, 분해 및 조립을 편리하게 할 뿐만 아니라, 흡입 공기가 베인에서 임펠러의 인듀스부로 유입되는 과정에서 베인에서 발생한 유체의 모멘텀이 감쇠되는 것을 최소화시키고, 정확한 IGV 베인 콘트롤을 가능하게 하기 위하여, 일체형 베인 콘트롤 링을 구비하며, IGV 어셈블리 케이싱의 일단은 스크롤 케이스와 주조법에 의해 일체로 형성되어 있으며 케이싱의 타단은 흡입부와 클램프 방식으로 결합되어 있는 압축기용 일체형 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조를 제공한다.

Description

압축기용 일체형 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조{Integrated inlet guide vane assembly structure for a compressor}
도 1은 종래의 압축기용 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조를 도시하는 단면도이다.
도 2는 종래의 압축기용 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조에 채용된 종래의 베인 콘트롤 링의 결합 모습을 나타내는 분리사시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압축기용 일체형 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조 및 흡입부와의 결합 모습을 나타내는 분리 사시도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압축기용 일체형 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조 및 흡입부와의 결합 모습을 나타내는 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명 *
1, 11 : 스크롤 케이스 2 : 제1 플랜지 결합부
2a, 2b : 제1 플랜지 체결수단 3 : 제2 플랜지 결합부
3a : 제2 플랜지 체결수단 4, 14 : 흡입 가이드 베인 어셈블리
5, 15 : 흡입 가이드 베인 어셈블리 케이싱
6, 16 : 베인 콘트롤 링 6a : 리이머 볼트
7, 17 : 흡입부
15a : 흡입 가이드 베인 어셈블리 케이싱 전단부
16a : 베인 콘트롤 링 핸들 18 : 클램프 결합부
18a : 클램프 20 : 고무
19 : 액추에이터 21 : 가변 베인
22 : 베인 콘트롤 플레이트 23 : 베인 플레이트용 힌지
24 : 베인 콘트롤 연결부
본 발명은 가스터빈엔진의 터보압축기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전단에 있는 흡입부와 클램프 결합되고, 일체형 베인 콘트롤 링, 및 후단의 스크롤 케이스와 주조법에 의해 일체로 형성되어 있는 케이싱을 구비하는 터보압축기용 일체형 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조에 관한 것이다.
가스터빈 엔진은 기존의 왕복동 엔진보다 가벼우면서도 훨씬 높은 파워를 낼 수 있고 대기 오염 물질의 배출량도 낮으므로 고출력 청정 엔진으로 각광을 받고 있다.
가스터빈엔진은 흡입공기를 압축하는 압축기, 압축기에서 압축된 공기와 연료가 혼합되어 연소가 일어나는 주연소기, 주연소기에서의 폭발로 고온 고압으로 급팽창된 제트가스에 의해 회전력을 얻어 상기 압축기를 구동시키고 배기 가스를 분출시키는 터빈을 구비한다. 압축기에 의해 압축된 공기는 연소실로 보내지고 연 소실에서는 연료가 압축된 공기와 혼합돼 연소된다.
이때 연소된 제트가스의 에너지를 분사추진 에너지의 형태로 이용하는 것은 터보제트 엔진이며, 제트 대신에 이 에너지로 또 하나의 동력터빈을 돌려서 기계적 회전동력으로 사용하는 것이 터보축 엔진이고, 이 두 형태를 합해서 동력터빈으로 프로펠러를 돌리고, 가스의 잔여 에너지를 대기에 팽창시켜 일부 분사에너지를 얻는 것을 터보프롭 엔진이라고 한다.
이러한 가스터빈엔진에 있어서, 압축기의 역할은 제한된 체적의 연소실에서 가열되어 터빈을 통과하면서 팽창하게 될 공기에 최대한의 압력을 주는 것으로, 터빈에서 공급되는 기계적 에너지를 공기의 압력에너지로 전환시켜 공기의 위치에너지를 높이는 것이다. 공기를 압축할 때 최소한의 온도상승으로 최대한의 압축을 얼마나 효율적으로 할 수 있는가 하는 것이 전체 엔진 성능을 결정하는 주요인자가 되기 때문에 압축기는 가스터빈엔진에서 가장 중요한 구성요소 중의 하나이다.
일반적으로 압축기는 그 압축방식에 따라 회전식 압축기(rotary compressor), 왕복동식 압축기(reciprocating compressor), 스크롤 압축기(scroll compressor), 터보 압축기 등 여러 가지 종류가 있다.
그 중 터보 압축기는 회전차의 회전력을 이용하여 유체를 축 방향으로 흡입한 다음, 원심방향으로 토출시키면서 압축하는 장치로서, 상기 회전차 및 압축실의 개수에 따라 1단 내지는 다단식으로 구분된다.
터보 압축기는 공기 필터가 장착된 흡입부, 흡입될 공기의 양을 가변적으로 조절하는 흡입 가이드 베인(Inlet guide vane : 이하 IGV) 어셈블리, 흡입된 공기 를 가속시키는 임펠러, 가속된 공기 흐름을 감속시켜 압력으로 전환시키는 디퓨저, 및 임펠러와 디퓨져를 거쳐 나오는 공기를 모아서 다음 단의 임펠러로 유입되도록 하거나 사용처로 배출되도록 하는 스크롤 케이스를 구비한다.
도 1은 종래의 압축기용 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조를 도시하는 단면도이고, 도 2는 종래의 압축기용 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조에 채용된 종래의 베인 콘트롤 링의 결합 모습을 나타내는 분리사시도이다.
도면을 참조하면, 내부에 임펠러(미도시)와 디퓨저(미도시)를 구비하는 스크롤 케이스(1)는 제1 플랜지 결합부(2)를 통해 IGV 어셈블리 케이싱(5)과 고정되어 있다. IGV 어셈블리 케이싱(5)은 다시 흡입부(7)과 제2 플랜지 결합부(3)를 통해 고정되어 있다.
그런데, 스크롤 케이스(1)와 IGV 어셈블리 케이싱(5)간 제1 플랜지 결합(2) 및 IGV 어셈블리 케이싱(5)과 흡입부(7)간 제2 플랜지 결합(3)을 하기 위하여는 볼트(2a, 2b, 3a)와 같은 체결수단을 사용하여 조립해야 하므로 플랜지 결합부(2, 3)의 가공비 및 조립비가 들어가는 문제점이 있었다.
또한, 제1 플랜지 결합부(2)의 존재로 인해 IGV 어셈블리의 베인으로 부터 임펠러중앙부까지의 거리(d3)가 멀어지므로 베인에서 발생하는 유체의 모멘텀이 임펠러의 인듀스(Induce)부에 닿기 전에 감소되는 문제점이 있었다.
그리고, IGV 어셈블리 케이싱(5)의 중앙부의 지름의 크기(d1)는 양측단의 지름의 크기(d2)보다 작기 때문에, 베인 콘트롤 링(6)을 삽입하기 위해서는 도 2에 도시된 바와 같이, 이등분된 베인 콘트롤 링(6)을 끼워 맞춘 후 리이머 볼트(6a)와 같은 체결수단을 통하여 체결하는 방식을 사용할 수 밖에 없었다. 따라서, 베인 콘트롤 링(6)의 체결부에 대한 가공비 및 조립비의 추가 발생이라는 문제점과 조립시 발생하는 간극으로 인해 정확한 IGV 어셈블리 베인의 콘트롤이 되지 않는 문제점이 있었다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 흡입부와 클램프 결합되고, 일체형 베인 콘트롤 링, 및 후단의 스크롤 케이스와 주조법에 의해 일체로 형성되어 있는 케이싱을 구비하는 터보압축기용 일체형 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조를 제공하는 데 그 목적이 있다.
위와 같은 목적 및 그 밖의 여러 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 공기를 흡입하는 흡입부의 일단과 결합되어 있는 케이싱, 상기 케이싱 내부에 위치하며 흡입 공기를 소정의 각도로 유도하는 베인을 포함하는 흡입 가이드 베인(Inlet guide vane) 어셈블리; 및 상기 흡입부가 위치하는 반대방향으로 상기 흡입 가이드 베인 어셈블리의 케이싱과 일체형으로 만들어진 스크롤 케이스를 구비하는 압축기용 일체형 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조를 제공한다.
여기서, 상기 압축기용 일체형 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조는, 흡입 공기량을 가변적으로 조절하기 위하여 상기 케이싱의 바깥둘레부에 위치하고 상기 베인에 연결되어 상기 베인의 배치각도를 조절하는 베인 콘트롤 링; 및 상기 베인 콘트롤 링의 회전각을 조절하는 베인 콘트롤부를 더 구비하는 것이 바람직하다
그리고, 상기 베인 콘트롤 링은 환형의 형태를 취하며, 절단 부분이 없는 일체형으로 되는 특징이 있고, 상기 흡입부와 결합되는 방향의 상기 흡입 가이드 베인의 케이싱 전단부의 외경은 상기 베인 콘트롤 링의 내경보다 작다는 특징이 있다.
또한, 상기 흡입부와 상기 흡입 가이드 베인의 케이싱의 일단 사이의 결합은 클램프 결합 방식을 사용하는 것이 바람직하다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압축기용 일체형 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조 및 흡입부와의 결합 모습을 나타내는 분리 사시도이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압축기용 일체형 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조 및 흡입부와의 결합 모습을 나타내는 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일체형 IGV 어셈블리 구조는 스크롤 케이스부(11), IGV 어셈블리(14)를 구비하고 있으며, IGV 어셈블리 케이싱의 전단부(15a)는 공기 흡입부(17)와 결합되어 있다.
먼저, 위 구성에 의한 일체형 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조의 전체적인 기능 및 작용을 설명한다.
흡입부(17)는 내부에 설치되어 있는 공기 필터(미도시)에 의하여 흡입 공기를 정화하며 흡입 공기의 통로가 된다. 흡입부(17)는 클램프 방식으로 IGV 어셈블리 케이싱의 전단부(15a)와 연결되어 있으며, IGV 어셈블리 케이싱(15)의 내부에 있는 가변 베인(21)은 제어하고자 하는 엔진 출력을 내도록 하는 입력신호에 의하여 소정의 각도로 흡입 공기의 양과 흐름 방향을 변화시킨다. 이 때, 가변 베인(21)의 각도는 IGV 어셈블리의 콘트롤 링(16)의 회전에 의하여 결정된다. 가변 베인(21)을 통과한 흡입 공기는 스크롤 케이스부(11)내의 압축실(미도시)에 있는 임펠러(미도시)에 의하여 반경 방향으로 가속되어 디퓨저(미도시)로 가고, 디퓨저에 의하여 공기의 큰 운동에너지가 큰 위치에너지로 변환된다. 최소한 1단 이상으로 구성된 압축기를 통과하면서 생성된 저온, 고압의 공기는 연소기(미도시)에서 유입되어 고온, 고압의 공기로 변환된다.
이하에서는, 각 구성요소의 구성과 기능 및 작용에 대하여 설명한다.
스크롤 케이스부(11)는, 압축실(미도시) 내부에 위치하며 전동기구부(미도시)로부터 동력을 전달받아 회전함으로써 흡입된 공기를 반경 방향으로 가속시키는 임펠러와, 가속된 공기 흐름을 감소시켜 압력으로 전환시키는 디퓨저 및 임펠러와 디퓨저를 거쳐 나오는 공기를 모아서 다음 단의 임펠러로 유입되도록 하는 스크롤 케이스(11)를 구비한다.
IGV 어셈블리(14)는 스크롤 케이스부(11)의 전단에 위치하는 부분이며, 스크롤 케이스(11)와 하나의 주물로 만들어져 일체를 이루는 IGV 어셈블리 케이싱(15); IGV 어셈블리 케이싱(15)의 바깥둘레부를 감싸며 설치된 베인 콘트롤 링(16); 베인 콘트롤 링(16)을 회전시키는 베인 콘트롤부; 및 베인 콘트롤 링(16)의 회전에 의하여 배치 각도가 조절됨으로써 흡입 공기량을 가변적으로 조절할 수 있는 가변 베인(21)을 구비한다.
IGV 어셈블리(14)의 위와 같은 구성에 의한 가변 베인(21)의 각도를 조절하는 기능을 간단히 설명하면, 가변베인(21)을 열림량을 증가시키기 위하여는 엑추에이터(19)의 로드가 신장되어 콘트롤 링 핸들(16a)을 반시계방향(A 방향)으로 민다. 그러면, 베인 콘트롤 링(16)이 반시계방향으로 일정 각도 회전하게 되고, 베인 콘트롤 링(16)의 일정 간격마다 돌출된 돌출부에 연결된 베인 콘트롤 연결부(24) 링크 구조에 의하여 베인 콘트롤 플레이트(22)를 베인 플레이트용 힌지(23)를 중심축으로 하여 시계방향으로 회전시킨다. 베인 플레이트용 힌지(23)는 가변 베인(21)과 연결되어 있어서 가변 베인(21)의 각도를 조정하게 되어 열림량이 조절되게 된다.
이와 마찬가지로, 엑추에이터(19)의 로드가 수축되어 콘트롤 링 핸들(16a)을 시계방향(B 방향)으로 잡아당기면, 가변베인(21)은 닫히게 되어 열림량이 감소된다.
IGV 어셈블리 케이싱(15)과 스크롤 케이스(11)는 주조법에 의하여 일체로 만들어져 있다. 따라서, 종래와 같은 플랜지 결합 방식을 사용하지 않음으로써 플랜지 결합에 사용되는 체결수단 및 체결 공정이 불필요하다. 그러므로, 조립비 및 부품비를 절감할 수 있고, 분해 및 조립이 편리해지는 효과가 있다.
또한, 주물로 된 일체형이므로 IGV 어셈블리 베인(21)으로부터 임펠러 중앙부까지의 거리(d13)를 종래의 플랜지 결합 방식에서의 거리(d3)보다 짧게 할 수 있다. 따라서, 흡입 공기가 베인(21)에서 임펠러의 인듀스부로 유입되는 과정에서 베인(21)에서 발생한 유체의 모멘텀이 감쇠되는 것을 최소화 할 수 있는 효과가 있 다.
IGV 어셈블리 케이싱의 전단부(15a)의 지름(d11)은 다른 부분의 지름(d12)에 비하여 작다. 즉, IGV 어셈블리 케이싱(15)의 바깥둘레부에 설치된 베인 콘트롤 링의 내경(d12)에 비하여 IGV 어셈블리 케이싱의 전단부(15a)의 외경(d11)은 더 작다. 따라서, 종래의 기술과는 달리 IGV 어셈블리 케이싱(15)의 바깥둘레부에 베인 콘트롤 링(16)을 바로 끼울 수 있기 때문에, 베인 콘트롤 링(16)은 절단된 부분을 조립하는 방식이 아닌 일체형을 사용할 수 있다. 그러므로, 조립하는데 필요한 체결수단 및 조립 공정이 불필요 하므로써 조립비 및 부품비를 절감할 수 있고, 분해 및 조립이 편리해지는 효과가 있다.
또한, 일체형 콘트롤 링(16)을 사용함에 따라 종래의 방식과는 달리 조립 간극이 발생하지 않으므로 정확한 IGV 베인(21) 콘트롤이 가능하다.
흡입부(17)는 흡입 공기를 정화하기 위한 공기 필터(미도시)를 구비하고 있다. 흡입부(17)와 IGV 어셈블리 케이싱(15)의 전단부는 클램프 방식으로 클램프 결합(18)되어 있다. 클램프 방식으로 결합하기 위하여 동일한 외경을 가진 IGV 어셈블리 케이싱의 전단부(15a)와 흡입부(17)를 서로 맞댄다. 그 위에 고무(20)로 맞댄 부분을 포함하도록 둘러싼다. 둘러싸고 있는 고무(20)의 바깥둘레로 그림 3에 도시된 바와 같은 클램프(18a)를 위치시키고 체결수단(18b)에 의하여 IGV 어셈블리 케이싱의 전단부(15a)와 흡입부(17)의 접촉부분을 클램프(18a)로 압착시키면 된다.
본 발명의 클램프 결합방식에 대한 다른 실시예로서, 흡입부(17)의 내경이 IGV 어셈블리 케이싱 전단부(15a)의 외경과 동일한 경우에 흡입부(17)를 IGV 어셈블리 케이싱 전단부(15a)에 끼워 맞추고 그 위에 클램프(18a)를 위치시키고 체결수단(18b)에 의하여 압착시킬 수도 있다. 이 경우에는 흡입부(17)의 결합부분의 재질은 클램프(18a)에 의하여 변형될 수 있도록 약간의 연성을 가지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 IGV 어셈블리 케이싱(15)과 흡입부(17)의 결합 방식에 대한 또 다른 실시예로서, 흡입부(17)의 외경이 IGV 어셈블리 케이싱 전단부(15a)의 내경과 같거나 미세한 차이만큼 큰 경우에 흡입부(17)를 IGV 어셈블리 케이싱 전단부(15a)의 내부로 압착하여 밀어넣는 압입 방식도 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 압축기용 일체형 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조에 의하면, 일체형 베인 콘트롤 링을 구비하며, IGV 어셈블리 케이싱의 일단은 스크롤 케이스와 주조법에 의해 일체로 형성되어 있으며 케이싱의 타단은 흡입부와 클램프 방식으로 결합되어 있다.
따라서, 첫째 스크롤 케이스와 IGV 어셈블리 케이싱간의 조립비 및 부품비를 절감할 수 있고, 분해 및 조립이 편리해지는 효과가 있다.
둘째, 스크롤 케이스와 IGV 어셈블리는 주물로 된 일체형이므로 IGV 어셈블리 베인으로부터 임펠러 중앙부까지의 거리를 종래의 플랜지 결합 방식보다 짧게 함으로써 흡입 공기가 베인에서 임펠러의 인듀스부로 유입되는 과정에서 베인에서 발생한 유체의 모멘텀이 감쇠되는 것을 최소화시킬 수 있다.
셋째, IGV 콘트롤 링을 조립하는데 필요한 체결수단 및 조립 공정이 불필요 함으로써 조립비 및 부품비를 절감할 수 있고, 분해 및 조립이 편리해지는 효과가 있다.
넷째, 일체형 콘트롤 링을 사용함에 따라 조립 간극이 발생하지 않으므로 정확한 IGV 베인 콘트롤이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 공기를 흡입하는 흡입부의 일단과 결합되어 있는 케이싱, 상기 케이싱 내부에 위치하며 흡입 공기를 소정의 각도로 유도하는 베인을 포함하는 흡입 가이드 베인(Inlet guide vane) 어셈블리; 및
    상기 흡입부가 위치하는 반대방향에 있는 상기 흡입 가이드 베인 어셈블리의 케이싱과 일체형으로 만들어진 스크롤 케이스를 구비하는 압축기용 일체형 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 흡입 가이드 베인 어셈블리는, 흡입 공기량을 가변적으로 조절하기 위하여 상기 케이싱의 바깥둘레부에 위치하고 상기 베인에 연결되며 상기 베인의 배치각도를 조절하는 일체형으로 되어진 베인 콘트롤 링; 및 상기 베인 콘트롤 링의 회전각을 조절하는 베인 콘트롤부를 더 구비하는 압축기용 일체형 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 흡입부와 결합되는 방향의 상기 흡입 가이드 베인의 케이싱 전단부의 외경은 상기 베인 콘트롤 링의 내경보다 작은 압축기용 일체형 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 흡입부와 상기 흡입 가이드 베인의 케이싱의 일단 사이의 결합은 클램프 결합 수단을 사용하는 압축기용 일체형 흡입 가이드 베인 어셈블리 구조.
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