KR20140050564A - 유체를 압축하기 위한 터보 기계 - Google Patents

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Abstract

압축기로 사용하기 위한 터보 기계는, 축에 중심을 둔 튜브형 하우징, 하우징 내에서 적어도 대략 축에 중심을 둔 로터, 및 축에 대한 회전을 위해 하우징 내에서 로터를 지지하는 베어링들을 구비한다. 로터는, 적어도 하나의 장착 칼라를 갖도록 형성되고 상기 베어링들에 의해 지탱되며 축을 따라 연장되고 축에 중심을 둔 작은 직경의 샤프트, 및 축방향으로 함께 조립되고 방사방향 외측으로 연장되는 베인들을 갖도록 형성되는 다수의 환형 디스크로 형성된다. 디스크들 중 적어도 하나는 장착 칼라에 조립되고 고정된다.

Description

유체를 압축하기 위한 터보 기계{TURBOMACHINE FOR COMPRESSING A FLUID}
본 발명은 터보 기계에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 유체를 압축하기 위해 사용되는 그러한 기계에 관한 것이다.
통상적인 터보 기계는, 축을 따라 연장되는 챔버를 형성하는 통로를 가지며 그리고 축에 대한 회전을 위해 베어링들에 의해 지지되는 몸체를 구비하는 로터를 유지하는, 고정 하우징을 구비한다. 축 방향으로 연장되는 베인들(vanes) 또는 블레이드들이 또한 로터 몸체의 외측 표면으로부터 방사방향 외측으로 돌출하며, 움직이는 동안에 하우징을 통해 축방향으로 유체를 압축한다.
산업적 적용들에서, 예를 들어 화학적 또는 석유화학적 플랜트들에서, 사용되는 터보 기계들은 종종 사전 정의된 처리량 및 회전 속도 범위 이내의 정밀하게 제어가능한 조건들 하에서 작동한다. 로터들은 이러한 작동 점에 대해 최적화되고, 로터 블레이드들이 부착되는 고체 샤프트에 의해 형성된다. 이러한 유형의 로터 장치를 생산하고 균형잡게 하는 것은 비싸다. 이를 위해, 예를 들어 오일 윤활 시스템과 같은, 유체 윤활 베어링 시스템이 제공되며, 그로 인해 윤활제가 터보 기계를 통해 흐르는 유체를 오염시키는 것을 방지하기 위한 효과적인 밀봉 시스템을 필요로 한다.
블리스크(blisk)로 알려진, 터보 기계 블레이드들을 갖도록 형성되는 디스크들이 항공기 제작 산업에 잘 알려져 있다. 디스크 내부에 일체화된 터보 기계 블레이드들은 상당한 양의 재료를 절약할 수 있도록 하며, 이때 개별적인 블레이드들을 조립하고 조절할 필요가 없다. 특히, 디스크 중심에 공동들(void)을 형성할 수 있다. 그러나, 이에 대한 결과는, 복수의 블리스크를 포개는 것이 개별적인 제조 및 조립 허용오차가 점증한다는 것을 의미하며, 그로 인해 더욱 튼튼한 베어링 장치를 요구하고 결과적으로 최대 허용가능 회전 속도면에서 제한을 초래한다는 것이다.
따라서 본 발명의 목적은 유체를 압축하기 위한 개선된 터보 기계를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 특히 작은 베어링 장치를 사용하여 적절하게 기능할 수 있고 고속으로 작동될 수 있는, 이상에 주어진 단점들을 극복하는 유체를 압축하기 위한 개선된 터보 기계를 제공하는 것이다.
압축기로 사용하기 위한 터보 기계는, 축에 중심을 둔 튜브형 하우징, 하우징 내의 축에 적어도 대략 중심을 둔 로터, 축에 대한 회전을 위해 하우징 내에서 로터를 지지하는 베어링들을 구비한다. 로터는, 축에 중심을 두고 축을 따라 연장되고 적어도 하나의 장착 칼라(mounting collar)를 갖도록 형성되며 베어링들에 의해 지탱되는 작은 직경의 샤프트로 형성되며, 그리고 방사방향 외측으로 연장되는 베인들을 갖도록 형성되고 축방향으로 함께 조립되는 다수의 환형 디스크들로 형성된다. 적어도 하나의 디스크는 장착 칼라에 조립되고 고정된다.
실제로, 2개의 상기와 같은 칼라가 존재하며 단지 마지막 디스크들이 칼라들을 맞물게 된다. 중간의 디스크들은 로터의 샤프트와 방사방향 접촉을 갖지 않는다. 샤프트의 선택된 직경은, 로터의 전체 질량을 줄이기 위해 가능한 한 작다. 그러나, 동시에 직경은 신뢰할 수 있는 힘의 전달 및 모든 예상되는 작동 상태 하에서의 로터의 치수적 정확성을 보장하도록 치수가 결정된다.
장착 칼라는 샤프트와 일체형으로 형성되며 샤프트로부터 방사방향으로 돌출한다. 로터 디스크들로 구성되는 패키지가 칼라에 의해 샤프트에 부착된다. 이러한 유형의 일체화된 로터 블레이드들을 갖는 디스크들은 또한 블레이드 일체형 디스크(bladed integrated disk: 이하, 블리스크)로 알려져 있고, 일반적으로 기계적 가공에 의해 단일 부품으로 제조된다. 디스크들은 환형이며 외측 둘레 표면과 동심의 중심 구멍을 구비하고, 설치될 때 얇은 샤프트의 하나의 단면(section)이 중심에서 공간을 갖는 구멍을 통해 지나간다. 틈새가 샤프트와 블리스크의 내주면 사이에 제공된다.
본 발명에 따르면, 로터는 하우징 내에 베어링들에 의해 지지된다. 얇은 중심 샤프트, 로터의 가벼운 구조 설계, 정밀하게 균형잡힌 블리스크 및 저마찰 베어링들의 사용의 상호작용은, 로터를 위한 대단히 부드러운 운동 특성들을 제공하며, 터보 기계가 산업적 적용들에서 매우 고속으로 작동되는 것을 허용한다.
바람직하게, 베어링 장치의 적어도 일부분이 자기 베어링들의 형태로 제공된다. 자기 베어링 장치가, 블리스크들의 사용이 로터의 질량을 감소시키는 것을 허용한다는 사실 때문에, 자기 베어링의 사용이 경제적으로 실현 가능하다는 점에서 가능하다. 단지 자기 베어링들을 사용하는 설계는 윤활제에 대한 필요성을 완전히 제거하는 부가적인 장점을 구비한다.
다른 바람직한 실시예에서, 적어도 일부의 베어링들이, 롤러 접촉 베어링들, 유체 동역학적 플레인 베어링들(plain bearing), 또는 유체 정역학적 플레인 베어링들의 형태로 실시된다.
바람직하게, 2개의 칼라가, 이들의 사이에 좁은 영역이 배치되도록, 샤프트 상으로 일체형으로 성형된다. 패키지의 각 끝단측 디스크는 2개의 칼라 중 하나와 접촉하며, 및/또는 2개의 칼라 중 하나에 부착된다. 여기서 2개의 끝단측 디스크는 2개의 칼라에 부착될 수 있으며, 디스크들의 패키지는 2개의 칼라 사이에 고정될 수 있다.
2개의 칼라를 포함하는 하나의 배열 형태에서, 바람직하게 로터는 축방향으로 및 방사방향으로, 칼라들을 갖는 돌출부들 외측에 배치되는, 베어링들 위에서 지지된다. 여기서 베어링들은 분리된 베어링들 또는 조합된 스러스트/방사방향 베어링들 형태로 제공될 수 있다.
바람직하게, 터보 기계는 적어도 부분적으로 축방향 설계로서 실시된다. 이 경우에 가스형 또는 증기형 유체가 적어도 부분적으로 로터의 회전축에 평행한 방향으로 흐른다. 부가적으로 방사방향으로 작동하는 터보 기계들의 요소들이 또한 제공될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 로터의 디스크들은 방사방향으로 단차를 갖는 쇼울더부(shoulder)들을 형성하는 장착 플랜지들을 포함한다. 인접한 디스크들의 단차를 갖는 쇼울더부들은 서로 상호보완적으로 맞물린다. 포개진 디스크들은, 이러한 부착에 의해, 측면방향으로 (방사방향으로) 미끄러지는 것이 효과적으로 배제된다. 이는, 심지어 단지 끝단측 디스크들만 서로에 대항하도록 고정되는 패키지에서도, 신뢰할 수 있는 단단함을 생성한다. 부가적으로, 개별적인 바로 연속되는 디스크들은 또한, 예를 들어 볼트들에 의해, 서로 쌍으로 부착될 수 있다.
유익하게, 로터의 디스크들은 중심에 다른 직경들의 터보 기계 블레이드들이 없는 영역들을 포함한다.
로터의 디스크의 터보 기계 블레이드들이 없는 영역은 방사방향으로, 회전 중심에 대해 회전 대칭이고 좁아지는, 공통의 둘러싸는 영역(common circumferential area)의 한계를 정한다. 단면에서의 균일한 좁아짐은, 터보 기계 내에서의 불연속적인 직경 변화에서 원하지 않는 난류가 발생하지 않는 다는 것을 의미한다.
이상의 및 다른 목적들, 특징들 및 장점들이, 첨부되는 도면을 참조하는 뒤따르는 설명으로부터, 더욱 쉽게 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 터보 기계를 관통하는 길이방향 단면도이다.
도 2는 본 발명의 베어링 영역의 확대 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 가스 또는 증기를 압축하기 위한 본 발명에 따른 터보 기계는, 1점 쇄선으로 개략적으로 도시되는 하우징(1) 및, 하우징(1) 내에서 축(10)에 대한 호전을 위해 베어링들(3, 4) 상에 회전적으로 지지되는 로터(2)를 구비한다. 본 발명에 따르면, 로터(2)는, 개략적으로 도시되는 일체화된 로터 블레이드(14)를 갖는 한 세트의 디스크(6a 내지 6e) 뿐만 아니라, 작은 직경의 샤프트(5)를 구비한다. 2개의 방사방향으로 돌출하는 칼라(7a, 7b)는 샤프트(5)에 일체형으로 형성되고, 로터(2)가 샤프트(5)에 부착되는 위치들이다. 단지 2개의 끝단측 디스크(6a, 6e)는 개별적인 칼라(7a, 7b)에 고정된다. 샤프트(5)는 하우징(1) 내에서 축방향 자기 베어링들(3) 및 방사방향 자기 베어링들(4)에 의해 지지된다.
로터(2)의 디스크들(6a 내지 6e)은, 이러한 디스크들(6a 내지 6e)이 완벽하게 동축상에 있는 것을 보장하도록, 서로 상호보완적으로 조립되는 방사방향으로 향하는 환형 표면들 및 축방향으로 향하는 환형 표면들을 형성하는, 단차를 갖는 쇼울더부(8)를 갖도록 형성된다. 개략적으로 지시되는 체결부재들(13)이 디스크들(6a 내지 6e)을 방사방향으로 함께 고정한다. 이러한 로터(2)의 디스크들(6a 내지 6e)은 다른 직경들이며, 축(10)에 중심을 두고 축방향으로 좁아지는 절단된 원뿔형 외측 표면(9)을 형성하도록 합병되는 절단된 원뿔형 외측 표면들을 구비한다. 도식적으로 예시되는 블레이드들/베인들(14)은 각 디스크(6a 내지 6e)에서 이 표면(9)으로부터 방사방향으로 돌출한다.
도 2는 샤프트(5)의 자기 베어링 배열 형태의 가능한 실시예를 도시한다. 자기 베어링 배열 형태는 샤프트(5)에 직접적으로 작용하는 방사방향 자기 베어링을 포함한다. 축방향 자기 베어링(3)은 샤프트(5)에 고정되는 베어링 디스크(11)와 상호작용한다. 부가적으로, 백업 베어링(12)이, 자기 베어링들(3, 4)이 기능을 상실할 경우에, 제공된다.

Claims (12)

  1. 압축기로 사용하기 위한 터보 기계로서:
    축에 중심을 둔 튜브형 하우징;
    상기 하우징 내에서 상기 축에 적어도 대략 중심을 둔 로터; 및
    상기 축에 대한 회전을 위해 상기 하우징 내에서 상기 로터를 지지하는 베어링들을 구비하며,
    상기 로터는:
    적어도 하나의 장착 칼라를 갖도록 형성되고, 상기 베어링에 의해 지탱되며, 상기 축을 따라 연장되고 상기 축에 중심을 둔 작은 직경의 샤프트; 및
    방사방향 외측으로 연장되는 베인들을 갖도록 형성되고, 축방향으로 함께 조립되는 다수의 디스크로서, 상기 디스크들 중 하나가 상기 장착 칼라에 조립되고 고정되는, 상기 다수의 디스크로 형성되는 것인 터보 기계.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 샤프트는, 축방향으로 서로로부터 떨어져 있으며 각각 상기 디스크들 중 개별적인 하나와 조립되는, 2개의 상기 장착 칼라를 갖도록 형성되는 것인 터보 기계.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 장착 칼라들에 조립되는 상기 디스크들 사이의 상기 디스크들은 상기 샤프트와 맞물리지 않는 것인 터보 기계.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 장착 칼라들은 축방향으로 상기 베어링들 사이에 있는 것인 터보 기계.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 베어링들은 2개의 자기 축방향 스러스트 베어링 및 2개의 자기 방사방향 베어링을 포함하는 것인 터보 기계.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 베인들은 상기 로터의 회전시 상기 하우징을 통해 축방향으로 유체를 전진시키도록 구성되는 것인 터보 기계.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 디스크들은, 인접한 디스크들 사이에서 상호보완적으로 함께 조립되는, 축방향으로 향하는 환형 표면들 및 방사방향으로 향하는 환형 표면들을 형성하는 단부 플랜지들을 구비하는 것인 터보 기계.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 디스크들은, 상기 개별적인 베인들 사이에, 상기 축에 중심을 두고 디스크별로 다른 직경을 갖는, 외측 표면들을 구비하는 것인 터보 기계.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 외측 표면들은 서로 합병되어 상기 축에 중심을 둔 절단된 원뿔을 형성하는 것인 터보 기계.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 베어링들 중 적어도 하나는 자기 베어링인 터보 기계.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 베어링들 중 적어도 하나는 유체 동역학적 베어링인 터보 기계.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 베어링들 중 적어도 하나는 롤러 베어링인 터보 기계.
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