KR20070095749A - 개선된 팁 간극 원심 압축기 임펠러 - Google Patents

Abstract

본 발명의 임펠러는 서로 고정된 제1 및 제2 임펠러 부분을 포함한다. 제1 부분과 제2 부분 사이에는 내부 공동이 형성된다. 제1 임펠러 부분은 복수의 블레이드를 지지한다. 제1 및 제2 임펠러 부분은 임펠러의 팁 근처에서 서로 고정되는 제1 표면과 제2 표면을 각각 포함한다. 흡입 구멍 및 배출 구멍이 임펠러에 제공되며, 내부 공동과 연통하여 그것을 통한 냉각 유동을 제공한다. 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분 사이에는 팁에 대향하여 원주방향 갭이 형성되어, 임펠러의 원심 하중 동안 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분 사이의 상대적인 축방향 이동을 허용한다.

원심 압축기, 임펠러, 회전 기계, 내부 공동, 원주방향 갭

Description

개선된 팁 간극 원심 압축기 임펠러 {IMPROVED TIP CLEARANCE CENTRIFUGAL COMPRESSOR IMPELLER}

도1은 압축기의 일부의 단면도이다.

도2는 도1에 도시된 임펠러의 부분 단면 사시도이다.

도3은 도1에 도시된 임펠러의 확대 단면도이다.

도4는 도3의 선 4-4를 따라 취한 임펠러의 확대 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 압축기

12 : 하우징

18 : 임펠러

24 : 구조 하우징

34 : 내부 공동

48 : 원주방향 갭

본 발명은 멀티-피스 중공 임펠러와, 그 제조 및 사용 방법에 관한 것이다. 임펠러는 예를 들어 반경방향 유동 원심 압축기 또는 다른 회전 기계에 사용하기에 적합하다.

소형 가스 터빈 압축기는 종종 공기압을 상승시키기 위해 최종 스테이지로서 반경방향 압축기 임펠러를 사용한다. 반경방향 압축기 임펠러는 임펠러의 내경부 근처의 흡입구로부터 임펠러의 외경부 근처의 배출구까지 공기의 유동을 가속하는 만곡된 블레이드를 구비한 금속 휠을 포함한다. 임펠러는 원심 하중을 임펠러에 전달하는 단일 보어 또는 지지 구조체를 포함한다. 단일 반경방향 임펠러 스테이지는 몇 개의 축방향 압축기 스테이지가 제공할 수 있는 압력비와 동등한 압력 상승을 그보다 적은 부품을 이용하여 제공한다. 단일 스테이지 임펠러는 또한 동등한 압력 상승에서 축방향 압축기 스테이지에 비해 압축기 축방향 길이를 단축하는 역할을 한다.

현행의 임펠러는 통상적으로 높은 원심 하중 하에 있을 때 롤링 및 축방향 편향의 경향이 있는 비대칭의 일체식 레이더 접시형 보어를 구비한다. 특히, 종래의 임펠러는 임펠러 팁이 임펠러 흡입구 내로의 공기 유동과 대체로 반대 방향으로 축방향 편향한다. 이 편향은 비대칭 임펠러 상의 원심 관성 하중에 의해, 그리고 임펠러에 있어서의 온도 구배에 의해 야기된다. 그 결과, 압축기는 그 작동 범위 전체를 통해 임펠러 팁의 편향을 수용할 간극을 갖도록 설계되어야 한다. 압축기는 원하는 간극이 압축기의 특정 작동 조건에서 달성되도록 설계되며, 이는 설계 포인트를 벗어난 작동 동안에는 원하는 성능보다 낮은 결과를 낳음으로써 압축기의 전체적인 효율을 감소시킨다.

압축기의 작동 범위 전체에 걸쳐 개선된 축방향 팁 간극을 제공하는 임펠러가 필요하다.

본 발명은 예를 들어 압축기에 사용되는 임펠러를 제공한다. 임펠러는 슈라우드를 포함하는 하우징 내에 배치된다. 임펠러는 축을 중심으로 회전 가능하고, 서로 고정되는 제1 및 제2 임펠러 부분을 포함한다. 제1 임펠러 부분은 슈라우드에 인접하여 배치된 복수의 블레이드를 지지한다. 블레이드에 의해 임펠러 배출구 및 흡입구가 제공되며, 임펠러 흡입구는 임펠러 배출구로부터 반경방향 내측에 배치된다. 제1 부분과 제2 부분 사이에는 내부 공동이 형성된다. 제1 및 제2 임펠러 부분은 예를 들어 접착 재료를 이용하여 임펠러의 팁 근처에서 서로 고정되는 제1 표면과 제2 표면을 각각 포함한다.

예시적인 실시예에 있어서, 임펠러에는 흡입 구멍과 배출 구멍이 제공되며, 그들을 통한 냉각 유동을 제공하도록 내부 공동과 연통하여 배치된다. 예시적인 실시예에 있어서는, 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분 사이에 원주방향 갭이 제공되어 임펠러의 원심 하중 부가 동안 그들 사이의 상대적인 축방향 이동을 허용한다.

일례에 있어서, 임펠러는 제1 및 제2 임펠러 부분을 단조가공함으로써 제조된다. 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분은 예를 들어 과도 액상 공정에 의해 임펠러의 팁 부근에 배치되는 접착 재료를 사용하여 서로 고정된다. 내부 공동은 제1 및 제2 임펠러 부분의 원하는 냉각 및 하중 부가를 위한 형상을 갖는다.

본 발명의 임펠러는 임펠러의 개선된 치수 안정성을 제공하여 압축기의 작동 범위 전체에 걸쳐 임펠러와 하우징 사이에 필요한 운전중 간극을 감소시킨다.

본 발명의 임펠러는 압축기의 작동 범위 전체에 걸쳐 임펠러 배출구와 확산기 흡입구 사이에 개선된 팁 정렬을 제공한다.

이상의 특징 및 본 발명의 다른 특징은 이하의 상세한 설명 및 도면으로부터 가장 잘 이해될 수 있다.

도1에는 하우징(12)을 제공하는 압축기(10)가 도시되어 있다. 임펠러(18)가 하우징(12) 내에 배치되며, 축(A)을 중심으로 회전한다. 임펠러(18)는 임펠러(18)의 내경 근처의 흡입구(14)와 임펠러(18)의 외경 근처의 배출구(16)를 포함한다. 임펠러(18)의 일측에는 임펠러(18) 상에 지지된 블레이드(20) 근처에 슈라우드(22)가 배치된다. 임펠러(18)의 대향측 또는 배면측에는 구조 하우징(24)이 배치된다. 도시된 실시예에 있어서, 구조 하우징(24)은 압축으로부터의 고온 누출 가스 및 온도 구배를 발생시키는 인접한 버너(도시되지 않음)로부터의 고온에 노출된다.

임펠러(18)는 임펠러(18)를 회전 지지하는 지지 표면(26)을 포함한다. 도시된 예에 있어서, 지지 표면(26)들 사이에는 원통형 표면(27)이 배치된다. 원통형 표면(27)으로부터 외부로 보어(28)가 연장된다. 보어(28)는 임펠러(18)의 치수 안정성을 그 작동 범위 전체에 걸쳐 유지하도록 원심 하중 및 온도 구배를 견뎌야 하는 임펠러(18)의 구조부이다. 종래 기술에서, 보어는 비대칭 레이더 접시형 임펠러가 제공되는 방식으로 임펠러 블레이드를 지지하는 일체식 구조체이다.

본 발명의 임펠러(18)는 복수의 피스를 사용하여 제공된다. 도시된 예에 있어서, 제1 및 제2 임펠러 부분(30, 32)은 내부 공동(34)을 제공하도록 서로 고정된다. 도2에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 임펠러 부분(30, 32)은 보다 대칭적인 형상의 임펠러를 제공하도록 배치되는 한편, 제1 임펠러 부분(30)과 제2 임펠러 부분(32) 사이의 내부 공동(34)은 보다 대칭적인 임펠러와 관련된 중량 불이익을 방지한다.

제1 및 제2 임펠러 부분(30, 32)은 임펠러(18)의 팁(33) 근처에서 서로 고정되는 제1 표면과 제2 표면(40, 42)(도3)을 각각 포함한다. 일례에 있어서, 제1 임펠러 부분(30)과 제2 임펠러 부분(32)을 서로 고정하는데는 접착 재료(43)가 사용된다. 예를 들어, 당분야에 공지된 과도 액상 접착 공정 및 적절히 선택된 재료가 사용될 수 있다. 과도 액상 접착은 접근이 불가능하여 제거하지 못하는, 내부 공동(34) 안으로 연장되는 플래시(flash)를 발생시키지 않기 때문에 바람직하다.

내부 공동(34)은 임펠러에 있어서의 온도 구배로 인한 임펠러(18)의 뒤틀림을 피하기 위해 임펠러(18)를 냉각하는데도 사용될 수 있다. 일례에 있어서는, 도3에 도시된 바와 같이 복수의 배출 구멍(36)이 원통형 표면(27)에 제공된다. 제2 임펠러 부분(32) 상에는, 임펠러(18)의 고온측인 구조 하우징(24)의 근처에 복수의 흡입 구멍(38)이 제공된다. 흡입 구멍(38) 및 배출 구멍(36)은 내부 공동(34)과 유체 연통하여 도3에 화살표로 나타낸 바와 같이 내부 공동(34)을 통한 냉각 유동을 허용한다. 흡입 구멍(38) 및 배출 구멍(36)은 특정 임펠러 응용예에 대해 원하는 냉각을 달성하도록 배치되고 크기가 결정된다.

제1 및 제2 임펠러 부분(30, 32)은 내부 공동(34)을 규정하는 제1 윤곽 표면과 제2 윤곽 표면(44, 46)을 각각 포함한다. 도시된 예에 있어서, 제1 윤곽 표면(44)과 제2 윤곽 표면(46)은 원심 하중으로 인한 임펠러(18)의 뒤틀림을 최소화하기 위해 축방향 면을 중심으로 서로에 대해 대체로 면대칭이다. 제1 윤곽 표면과 제2 윤곽 표면(44, 46)은 또한 임펠러(18)의 원하는 냉각 및 하중 분포를 달성하도록 선택될 수 있다.

제1 임펠러 부분(30)과 제2 임펠러 부분(32)은 원심 하중 하에서 서로를 향해 축방향으로 이동하는 경향이 있다. 도4에 도시된 바와 같이, 제1 임펠러 부분(30)과 제2 임펠러(32) 부분 사이에는 원통형 표면(27)의 영역에 원주방향 갭(48)이 제공된다. 도시된 예에 있어서, 제1 표면과 제2 표면(40, 42)과 원주방향 갭(48)은 대체로 서로 정렬된다. 원심 하중이 증가함에 따라 원주방향 갭(48)이 폐쇄되어 제1 에지(50)와 제2 에지(52)를 서로를 향해 이동시킨다. 제1 표면(40)과 제2 표면(42) 사이의 접착 계면 상의 응력은 일부 임펠러 응용예에서 원주방향 갭(48)의 존재로 완화된다. 원주방향 갭(48) 근처의 압축 응력은 원주방향 갭(48)의 존재로 완화된다. 배출 구멍(36)는 도4에 도시된 실시예에서 원주방향 갭(48)의 영역에 제공된다.

본 발명의 몇몇 바람직한 실시예가 개시되어 있지만, 당업자는 본 발명의 범위 내에는 임의의 변형이 있다는 것을 알 것이다. 그러한 이유에서, 본 발명의 진정한 범위 및 내용을 판단하기 위해서는 이하의 청구항이 고찰되어야 한다.

본 발명에 따르면 압축기의 작동 범위 전체에 걸쳐 개선된 축방향 팁 간극을 제공하는 임펠러가 제공된다.

Claims (20)

1. 회전 기계용 임펠러이며,

   서로 고정되어 그들 사이에 내부 공동을 형성하는 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분을 포함하고, 제1 임펠러 부분이 복수의 블레이드를 지지하는 임펠러.
2. 제1항에 있어서, 임펠러는 회전축을 포함하고, 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분은 축으로부터 이격된 팁을 포함하고, 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분은 팁 근처에서 서로 고정되는 제1 표면과 제2 표면을 각각 포함하는 임펠러.
3. 제2항에 있어서, 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분은 내부 공동을 규정하는 제1 윤곽 표면과 제2 윤곽 표면을 각각 포함하고, 제1 윤곽 표면과 제2 윤곽 표면은 대체로 서로 면대칭인 임펠러.
4. 제2항에 있어서, 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분은 축과 동축인 대체로 원통형의 표면을 제공하고, 원통형 표면은 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분을 축방향으로 분리하는 원주방향 갭을 포함하는 임펠러.
5. 제4항에 있어서, 원주방향 갭과 제1 표면과 제2 표면은 대체로 서로 정렬되는 임펠러.
6. 제4항에 있어서, 원통형 표면은 배출 구멍을 포함하고, 제2 임펠러 부분은 흡입 구멍을 포함하며, 흡입 구멍과 배출 구멍은 내부 공동과 연통하는 임펠러.
7. 제1항에 있어서, 임펠러는 배출 구멍을 포함하고, 제2 임펠러 부분은 흡입 구멍을 포함하며, 흡입 구멍과 배출 구멍은 내부 공동과 연통하는 임펠러.
8. 제1항에 있어서, 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분은 접착 재료에 의해 서로 고정되는 제1 표면과 제2 표면을 각각 포함하는 임펠러.
9. 제1항에 있어서, 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분은 내부 공동과 연통하는 갭에 의해 분리되며, 갭은 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분 각각의 제1 에지와 제2 에지에 의해 제공되며, 제1 에지와 제2 에지는 서로에 대해 축방향으로 상대 이동 가능한 임펠러.
10. 제1항에 있어서, 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분은 접착 재료에 의해 서로 고정되는 임펠러.
11. 제1항에 있어서, 임펠러를 적어도 부분적으로 둘러싸는 고정 하우징을 포함하고, 하우징은 블레이드에 인접한 슈라우드를 구비하고 슈라우드와 제1 임펠러 부 분 사이에 임펠러 흡입구 및 배출구를 제공하고, 임펠러 배출구는 임펠러 흡입구로부터 반경방향 외측에 위치하는 임펠러.
12. 슈라우드를 포함하는 고정 하우징과,

    하우징 내에 배치되고, 축을 중심으로 회전 가능한 임펠러를 포함하고,

    임펠러는 서로 고정되어 그들 사이에 내부 공동을 형성하는 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분을 구비하고, 제1 임펠러 부분은 임펠러 흡입구와 임펠러 배출구를 제공하는 슈라우드에 인접한 복수의 블레이드를 지지하며, 임펠러 흡입구는 임펠러 배출구로부터 반경방향 내측에 위치된 압축기.
13. 제12항에 있어서, 임펠러는 배출 구멍을 포함하고, 제2 임펠러 부분은 흡입 구멍을 포함하고, 흡입 구멍과 배출 구멍은 내부 공동과 연통하는 압축기.
14. 제13항에 있어서, 하우징은 제2 임펠러 부분 근처에 구조 하우징을 포함하고, 흡입 구멍은 구조 하우징 근처의 제2 임펠러 부분에 배치되는 압축기.
15. 제12항에 있어서, 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분은 축으로부터 이격된 팁의 근처에서 서로 고정되는 제1 표면과 제2 표면을 각각 포함하고, 팁과 대향하는 원주방향 갭은 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분 사이의 상대적인 축방향 이동을 허용하기 위해 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분을 분리하는 압축기.
16. a) 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분을 제공하는 단계와,

    b) 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분을 서로 고정하여 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분 사이에 내부 공동을 형성하는 단계를 포함하는 임펠러 제조 방법.
17. 제16항에 있어서, 단계 a)는 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분을 단조가공하는 단계를 포함하는 임펠러 제조 방법.
18. 제16항에 있어서, 단계 b)는 회전축으로부터 이격된 임펠러의 팁 근처에서 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분을 서로 접착하는 단계를 포함하는 임펠러 제조 방법.
19. 제16항에 있어서, 단계 c)는 제1 임펠러 부분과 제2 임펠러 부분 사이에서 반경방향 최내측에 위치된 원주방향 갭을 제공하는 단계를 포함하고, 원주방향 갭은 내부 공동과 연결되는 임펠러 제조 방법.
20. 제19항에 있어서, 원주방향 갭의 폭을 줄이기 위해 제1 및 제2 임펠러의 편향에 기인하는 축방향 압축을 감소시키는 단계를 포함하는 임펠러 제조 방법.

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