KR20110101982A - 쉬라우드 스플리터를 장착한 임펠러를 구비한 터보 압축기 - Google Patents

쉬라우드 스플리터를 장착한 임펠러를 구비한 터보 압축기 Download PDF

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삼성테크윈 주식회사
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Abstract

쉬라우드 스플리터를 장착한 임펠러를 구비한 터보 압축기를 개시한다. 본 발명은 회전축에 회전가능하게 설치되며, 복수의 블레이드가 반경 방향으로 연장 형성된 허브;와, 복수의 블레이드의 상부에 접합되어서, 유체 통로를 형성하는 임펠러 커버;를 포함하되, 유체 통로에는 복수의 쉬라우드 스플리터가 설치된 것으로서, 제 2 차 유동이 감소되어 압축기의 효율이 증가하게 되고, 동일한 요구 압력비에 대하여 임펠러의 크기를 감소시킬 수 있으므로, 코어의 크기를 감소시킴으로써, 제조 원가를 절감할 수 있다.

Description

쉬라우드 스플리터를 장착한 임펠러를 구비한 터보 압축기{Turbo compressor comprising impeller with shroud splitter}
본 발명은 터보 압축기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저압 및 저속의 제 2 차 유동을 감소시키는 쉬라우드 스플리터를 장착한 임펠러를 구비한 터보 압축기에 관한 것이다.
통상적으로, 외부 공기를 압축시키기 위해서는 피스톤식의 압축기, 로터식 압축기, 터보 압축기 등이 있다. 터보 압축기의 경우, 고속으로 회전하는 회전축을 중심으로 형성된 임펠러에 의하여 외부 공기가 압축된다. 터보 압축기에서는 임펠러에 의하여 압축된 공기가 디퓨저를 통하여 스크롤 하우징으로 유입된다. 임펠러는 하우징내의 한정된 공간에서 회전가능하다.
터보 압축기의 효율은 소모 동력에 직접적인 영향을 미치는데, 효율에 영향을 미치는 인자중 임펠러 블레이드 팁 클리어런스(Impeller blade tip cleareance, 이하, 클리어런스)는 주요한 인자로 작용한다. 통상적으로, 클리어런스가 증가할수록 터보 압축기의 효율은 감소하게 된다.
특히, 동일한 클리어런스의 경우일지라도, 터보 압축기의 크기가 작아질수록 블레이드 높이에 대한 클리어런스 영역이 상대적으로 증가하므로, 소형 터보 압축기의 경우에는 클리어런스의 증가에 의한 효율 감소가 크게 발생한다.
클리어런스에 의하여 효율이 감소하는 주된 이유는 임펠러 블레이드의 압력면(Pressure surface, PS)의 고압의 유동이 상대적으로 저압의 흡입면(Suction surface, SS)으로 흐름이 발생되어서, 제 2 차 유동(Secondary flow)의 영역을 증가시키기 때문이다.
제 2 차 유동은 제 1 차 유동(Primary flow)에 비하여 저압 및 저속의 저운동량의 흐름을 일컫는다. 클리어런스를 최소화시키기 위하여, 임펠러 블레이드와, 스크롤 쉬라우드 사이의 조립 간극은 임펠러 변형량을 고려하여 최소값을 사용하게 되지만, 조립 오차와 축 하중의 영향으로 한계를 가지며, 또한, 임펠러 블레이드와 스크롤 쉬라우드의 러빙(Rubbing) 발생의 위험이 있다. 일반적으로, 제 2 차 유동은 임펠러의 내부 유체 통로를 따라 블레이드 팁으로 향할수록 발달되며, 특히, 쉬라우드 부근의 흡입면에서 강하게 형성된다.
저압 및 저속의 제 2 차 유동을 감소시키는 방법은 제 2 차 유동이 발달하는 영역을 고압 및 고속의 유동, 즉, 제 1 차 유동으로 전환시키는 것이다. 이를 위하여, 임펠러 블레이드 수를 증가시켜서 임펠러 내부 유로를 감소시키는 것에 의하여 상대적으로 고속 및 고압의 유동으로 발달시켜서 제 2 차 유동을 감소시킬 수 있게 된다.
그러나, 상기한 구조를 제조하는데에는 한계가 있으며, 가공 비용도 증가하게 되어서, 제조 원가 상승의 원인이 된다. 또한, 전면의 블레이드의 두께에 의한 유량 감소 등을 보상하기 위하여 블레이드 높이를 증가시켜야 하며, 이에 따라, 유입구 마하수(Mach no.) 증가에 따른 효율 저하의 우려가 있다.
이를 보완하기 위하여, 종래에는 메인 블레이드 사이에 길이가 상대적으로 짧은 스플리터(splitter)를 이용하여서, 전면에서의 블레이드의 두께에 의한 유량 감소를 방지하게 된다. 통상적으로, 스플리터는 메인 블레이드의 중앙 영역에 위치하며, 메인 블레이드와 동일한 높이를 갖는다. 메인 블레이드에 비하여 제 2 차 유동의 영역은 다소 감소되지만, 스플리터의 흡입면에 의하여 새로운 제 2 차 유동 영역이 발달하게 된다. 스플리터에 의하여 발생되는 제 2 차 유동을 감소시키기 위하여 스플리터와 메인 블레이드 사이에 제 2 차 스플리터를 장착될 수 있지만 이는 널리 사용되고 있지 않다.
또한, 종래에는 허브의 표면에 발생하는 경계층의 국부 집중을 방지하기 위하여 압축기의 효율을 증가시키기 위한 연구가 수행되었다. 임펠러 출구쪽의 허브면에 블레이드 혹은 홈을 구현하여 경계층의 확대를 방지하기 위하여 압축기의 고효율을 도모하였는데, 메인 블레이드 사이에서 구현되는 블레이드와 홈의 수와 형상을 확정하기 위하여 시험 결과에 의존하여야 하며, 흡입된 유체의 밀도, 점성 등이 바뀔 때, 동일한 성능을 유지하기 어렵다.
본 발명은 임펠러 내부의 유체 통로에서 발달되는 제 2 차 유동을 감소시키는 쉬라우드 스플리터를 장착한 임펠러를 구비한 터보 압축기를 제공하는 것을 주된 과제로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 쉬라우드 스플리터를 장착한 임펠러를 구비한 터보 압축기는,
회전축에 회전가능하게 설치되며, 복수의 블레이드가 반경 방향으로 연장 형성된 허브;와,
상기 복수의 블레이드의 상부에 접합되어서, 유체 통로를 형성하는 임펠러 커버;를 포함하되,
상기 유체 통로에는 복수의 쉬라우드 스플리터가 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유체 통로는 허브, 블레이드, 및 임펠러 커버의 결합으로 형성된 임펠러의 공간이고,
상기 쉬라우드 스플리터는 상기 블레이드의 선단부로부터 블레이드의 길이 방향을 따라 이웃하게 배치된 바아 형상이다.
더욱이, 상기 쉬라우드 스플리터의 길이는 허브의 반경 방향으로 연장된 상기 블레이드의 전체 길이의 50 내지 70% 이다.
아울러, 상기 쉬라우드 스플리터의 높이는 상기 블레이드의 높이보다 낮게 형성된다.
나아가, 상기 쉬라우드 스플리터는 상기 허브의 바닥면과 대향되는 임펠러 커버의 내면으로부터 상기 유체 통로로 돌출된다.
또한, 상기 쉬라우드 스플리터는 상기 블레이드의 길이 방향을 따라 불연속적으로 배치된 돌기부이다.
또한, 상기 쉬라우드 스플리터는 상기 블레이드의 길이 방향을 따라 배치된 에어 포일이다.
상기한 바와 같이 본 발명의 쉬라우드 스플리터를 장착한 임펠러를 구비한 터보 압축기는 제 2 차 유동이 감소되어 압축기의 효율이 증가하게 된다.
또한, 동일한 요구 압력비에 대하여 임펠러의 크기를 감소시킬 수 있으므로, 코어의 크기를 감소시킴으로써, 제조 원가를 절감할 수 있다.
게다가, 추가적인 제조 및 조립 변경없이 임펠러 커버에 쉬라우드 스플리터을 장착하여서 단순한 형상을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러를 도시한 사시도,
도 2는 도 1의 단면도,
도 3은 도 1의 A 부분을 확대 도시한 단면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 임펠러를 도시한 사시도,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 임펠러를 도시한 사시도,
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 압축기에 이용되는 임펠러(100)를 도시한 것이며, 도 2는 도 1를 절개 도시한 것이고, 도 3은 도 1의 A 부분을 확대 도시한 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 임펠러(100)는 내부 코어(110)와, 허브(120)와, 복수의 블레이드(130)를 포함한다.
상기 내부 코어(110)의 중심에는 회전축공(111)이 형성되어 있으며, 상기 회전축공(111)에는 조립 과정시 회전축(미도시)이 장착되므로, 상기 내부 코어(110)는 회전축의 동력을 임펠러(100)로 전달하는 기능을 수행하게 된다.
상기 허브(120)는 상기 내부 코어(110)의 외주면을 따라 위치하게 되는데, 상기 허브(120)의 표면(121)은 경사진 곡면을 이루도록 형성되어 있다. 이에 따라, 상기 허브(120)는 유체 통로(150)의 바닥면을 형성하여서 유체의 유동을 부드럽게 할 뿐만 아니라, 유체 통로(150)의 에너지 전달을 최대한 할 수 있도록 설계되어 있다.
상기 블레이드(130)들은 상기 허브(120)의 표면(121)에 형성되어 있는데, 유체의 이동을 가이드하는 기능을 수행하면서, 임펠러(100)의 운동 에너지를 유체에 전달하는 기능을 수행한다.
상기 블레이드(130)들은 상기 내부 코어(110)를 중심으로 하여 반경 방향으로 연장되어 있으며, 상기 허브(120)의 둘레를 따라 소정 간격 이격되게 배치되어 있다. 상기 블레이드(130)는 파상형의 형상을 가지고 있다.
상기 블레이드(130)에는 임펠러 커버(140)가 결합되어 있다. 상기 임펠러 커버(140)는 상기 복수의 블레이드(130)의 상부에 접합되어서, 복수의 블레이드(130)를 전체적으로 커버한다. 상기 임펠러 커버(140)는 중앙부가 개구된 우산 형상을 가지며, 상기 임펠러 커버(140)의 외형은 허브(120)의 외형과 대응되는 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 이처럼, 상기 임펠러 커버(140)는 유체 통로(150)의 천정면을 형성하며, 상기 허브(120) 및 복수의 블레이드(130)와 결합되어서 유체 통로(150)를 형성한다.
여기서, 상기 유체 통로(150)에는 이 공간에서 발달되는 제 2 차 유동을 감소시키기 위하여 복수의 쉬라우드 스플리터(160)가 형성되어 있다.
즉, 상기 허브(120)의 바닥면과 대향되는 임펠러 커버(140)의 내면에는 쉬라우드 스플리터(160)가 형성되어 있다. 상기 쉬라우드 스플리터(160)는 상기 블레이드(130)의 선단부(131)에 대하여 인접한 부분으로부터 상기 허브(120)의 반경 방향으로 연장된 상기 블레이드(130)의 길이 방향으로 상기 임펠러 커버(150)의 내면에 형성되어 있다.
상기 쉬라우드 스플리터(160)는 상기 임펠러 커버(150)의 내면으로부터 유체 통로(150)를 향하여 돌출된 바아(bar) 형상으로서, 상기 블레이드(130)의 형상과 대응되는 형상으로 제조되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 쉬라우드 스플리터(160)의 길이(L2)는 상기 허브(120)의 반경 방향으로 연장된 상기 블레이드(130)의 전체 길이(L1)에 대하여 50 내지 70%이다. 상기 쉬라우드 스플리터(160)의 길이(L2)는 상기 블레이드(130)의 선단부(131)로부터 상기 블레이드(130)의 길이 방향을 따라서 발달되는 제 2 차 유동 영역을 커버하는 길이이다.
더욱이, 상기 쉬라우드 스플리터(160)의 높이(H2)는 상기 블레이드(130)의 높이(H1)보다 낮게 형성되어 있다. 상기 쉬라우드 스플리터(160)의 높이(H2)가 블레이드(130)의 높이(H1)보다 낮게 형성되는 것은 유체 통로(150)을 따라 유동하는 제 1 차 유동에 큰 영향을 미치지 않기 위해서이다.
한편, 상기 쉬라우드 스플리터(160)는 임펠러 커버(140)의 둘레를 따라 소정 간격 이격되게 배열되어 있다. 즉, 상기 유체 통로(150)는 허브(120)와 임펠러 커버(140) 사이에 설치된 복수의 블레이드(130)에 의하여 복수의 공간(S)으로 구획되어 있다. 본 실시예에서는 상기 쉬라우드 스플리터(160)는 이웃하는 블레이드(130) 사이의 구획된 공간(S)마다 각각 1개씩 이격되게 배열되어 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
게다가, 상기 쉬라우드 스플리터(160)는 상기 블레이드(130)의 측벽(132)에 대하여 인접하게 형성되어 있다. 이것은 상기 허브(120), 복수의 블레이드(130), 및 임펠러 커버(140)가 결합되는 부분에서의 상기 블레이드(130)의 선단부(131)로 갈수록 제 2 차 유동이 특히 발달하기 때문이다. 이처럼, 상기 쉬라우드 스플리터(160)는 상기 블레이드(130)의 일 측벽(132)을 따라서 상기 블레이드(130)의 길이 방향을 따라 상기 임펠러 커버(140)의 내면으로부터 일체로 연장되며, 블레이드(130)와 대응되는 형상의 돌기부이다.
본 실시예에서는 상기 쉬라우드 스플리터(160)는 하나의 블레이드(130)의 일 측벽(132)과 인접한 부분의 유체 통로(150)의 공간(S)마다 상기 임펠러 커버(140)의 내면에 각각 형성되어 있지만, 제 2 유동이 발달된 부분이라면 상기 유체 통로(150) 공간의 다른 부분에도 임의적으로 설계가능하다고 할 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 임펠러(400)를 도시한 것이다.
이하, 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조 번호는 동일한 기능을 하는 동일한 부재를 가리킨다.
도면을 참조하면, 허브(120)의 표면(121)에는 내부 코어(100)를 중심으로 하여 반경 방향으로 블레이드(130)가 연장되어 있으며, 상기 블레이드(130)는 허브(120)의 둘레를 따라 소정 간격 이격되게 배치된 파상형의 형상이다.
상기 블레이드(130)의 상부에는 임펠러 커버(140)가 접합되어서, 유체 통로(150)의 천정면을 형성하며, 상기 허브(120) 및 복수의 블레이드(130)와 결합되어서 유체 통로(150)를 형성한다.
이때, 상기 유체 통로(150)에 형성되는 쉬라우드 스플리터(460)는 상기 허브(120)와 대향되는 임펠러 커버(140)의 내면에 형성되어 있다. 도 3의 쉬라우드 스플리터(160)는 상기 블레이드(130)의 길이 방향을 따라 일체로 연장된 돌기부 형상이지만, 본 실시예에서는 상기 쉬라우드 스플리터(460)는 상기 블레이드(130)의 선단부(131)부터 상기 허브(120)의 반경 방향으로 연장된 블레이드(130)의 길이 방향으로 불연속적으로 배치된 복수의 돌기부이다.
단속적인 돌기부 형상을 가지는 상기 쉬라우드 스플리터(460)의 길이는 상기 허브(120)의 반경 방향으로 연장된 블레이드(130)의 전체 길이의 50 내지 70%이고, 상기 쉬라우드 스플리터(460)의 높이는 상기 블레이드(130)의 높이보다 낮으며, 상기 쉬라우드 스플리터(460)의 형상은 단속적이지만, 상기 블레이드(130)와 대응되는 곡율을 가지고 있다.
대안으로는, 도 5에 도시된 바와 같이, 임펠러(500)에 구비된 쉬라우드 스플리터(560)는 블레이드(130)의 길이 방향을 따라 상기 임펠러 커버(140)의 내면에 형성된 에어 포일(air foil)일 수 있을 것이다. 에어 포일 형상인 쉬라우드 스플리터(560)는 도 3 및 도 4의 실시예와 동일하게 상기 허브(120)의 반경 방향으로 연장된 블레이드(130)의 전체 길이에 대하여 50 내지 70%이다.
이상과 같이, 본 발명의 터보 압축기에 적용되는 임펠러(100)의 작용을 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
회전축이 회전하게 되면, 이의 회전력으로 인하여 임펠러(100)가 회전하게 된다. 상기 임펠러(100)의 회전에 의하여 유입구(112)로 유입된 유체, 이를테면, 공기는 임펠러(100)의 회전 운동 에너지를 전달받아 압축되어서 배출구(113)를 통하여 배출하게 된다. 이후, 유체는 디퓨져(diffuser)를 통과하여 속도를 줄이면서 소망하는 정도까지 압력을 상승시키게 된다.
이때, 상기 허브(120), 블레이드(130), 및 임펠러 커버(140)가 결합되는 것에 의하여 상기 임펠러(100)에는 유체 통로(150)가 형성되는데, 상기 유체 통로(150)에는 상기 허브(120), 복수의 블레이드(130), 및 임펠러 커버(140)가 결합되는 부분에서의 블레이드(130)의 선단부(131)로부터 상기 블레이드(130)의 길이 방향을 따라서 제 2 유동이 발달하는 영역이 존재한다.
본 실시예에서는 저압, 저속의 제 2 유동을 감소시키기 위하여, 상기 임펠러 커버(140)의 내면에는 상기 블레이드(130)가 배치된 길이 방향을 따라서 쉬라우드 스플리터(160)가 형성되어 있다. 이처럼, 상기 쉬라우드 스플리터(160)가 임펠러 커버(140)의 내측으로 제 2 차 유동이 강하게 발달되는 영역을 따라서 설치되므로, 저속의 유동을 고속으로 가속시키는게 가능하다.
또한, 고속의 가속된 유동은 전 압력의 상승을 유도하며, 이에 따라 동일한 임펠러의 크기에 대하여 압력비가 높아지게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100...임펠러 110...내부 코어
120...허브 130...블레이드
131...선단부 132...측벽
140...임펠러 커버 150...유체 통로
160...쉬라우드 스플리터

Claims (11)

  1. 회전축에 회전가능하게 설치되며, 복수의 블레이드가 반경 방향으로 연장 형성된 허브;와,
    상기 복수의 블레이드의 상부에 접합되어서, 유체 통로를 형성하는 임펠러 커버;를 포함하되,
    상기 유체 통로에는 복수의 쉬라우드 스플리터가 설치된 것을 특징으로 하는 쉬라우드 스플리터를 장착한 임펠러를 구비한 터보 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 통로는 허브, 블레이드, 및 임펠러 커버의 결합으로 형성된 임펠러의 공간이고,
    상기 쉬라우드 스플리터는 상기 블레이드의 선단부로부터 블레이드의 길이 방향을 따라 이웃하게 배치된 바아 형상인 것을 특징으로 하는 쉬라우드 스플리터를 장착한 임펠러를 구비한 터보 압축기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 쉬라우드 스플리터의 길이는 허브의 반경 방향으로 연장된 상기 블레이드의 전체 길이의 50 내지 70% 인 것을 특징으로 하는 쉬라우드 스플리터를 장착한 임펠러를 구비한 터보 압축기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 쉬라우드 스플리터의 높이는 상기 블레이드의 높이보다 낮게 형성된 것을 특징으로 하는 쉬라우드 스플리터를 장착한 임펠러를 구비한 터보 압축기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 쉬라우드 스플리터는 상기 허브의 바닥면과 대향되는 임펠러 커버의 내면으로부터 상기 유체 통로로 돌출된 것을 특징으로 하는 쉬라우드 스플리터를 장착한 임펠러를 구비한 터보 압축기.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 쉬라우드 스플리터는 상기 블레이드의 길이 방향을 따라 상기 블레이드와 대응되는 형상을 가지는 돌기부인 것을 특징으로 하는 쉬라우드 스플리터를 장착한 임펠러를 구비한 터보 압축기.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 쉬라우드 스플리터는 상기 블레이드의 길이 방향을 따라 불연속적으로 배치된 돌기부인 것을 특징으로 하는 쉬라우드 스플리터를 장착한 임펠러를 구비한 터보 압축기.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 쉬라우드 스플리터는 상기 블레이드의 길이 방향을 따라 배치된 에어 포일인 것을 특징으로 하는 쉬라우드 스플리터를 장착한 임펠러를 구비한 터보 압축기.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 유체 통로는 복수의 블레이드에 의하여 허브와 임펠러 커버 사이에서 복수의 공간으로 구획되고,
    상기 쉬라우드 스플리터는 구획된 유체 통로의 공간에 형성된 것을 특징으로 하는 쉬라우드 스플리터를 장착한 임펠러를 구비한 터보 압축기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 쉬라우드 스플리터는 상기 임펠러 커버의 둘레를 따라 이격되게 배열된 것을 특징으로 하는 쉬라우드 스플리터를 장착한 임펠러를 구비한 터보 압축기.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 쉬라우드 스플리터는 상기 유체 통로의 구획된 공간에서 상기 블레이드의 측벽을 따라서 적어도 1열 이상 배열된 것을 특징으로 하는 쉬라우드 스플리터를 장착한 임펠러를 구비한 터보 압축기.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU184162U1 (ru) * 2018-03-27 2018-10-17 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "АДЕС" Рабочее колесо центробежного компрессора
US11242770B2 (en) 2020-04-02 2022-02-08 General Electric Company Turbine center frame and method

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