KR20140079194A - 유체 회전 기계의 임펠러 조립체 - Google Patents

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Abstract

유체 회전 기계의 임펠러 조립체는 회전축과, 회전축의 외측에 결합되는 베이스부와, 회전축으로부터 외측을 향해 방사 방향으로 연장하며 회전축을 중심으로 원주 방향을 따라 이격되며 베이스부의 반대측을 향하는 단부에 폭이 좁아지는 단차부를 구비하는 복수 개의 블레이드와, 인접하는 블레이드의 사이에 배치되며 인접하는 블레이드의 단차부에 가장자리가 안착되어 단차부와 가장자리가 용접에 의해 결합되는 복수 개의 슈라우드 판을 구비한다.

Description

유체 회전 기계의 임펠러 조립체{Impeller assembly of fluid rotary machine}
실시예들은 유체 회전 기계의 임펠러 조립체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 임펠러와 슈라우드가 일체형으로 형성됨으로써 효율이 향상된 임펠러 조립체에 관한 것이다.
유체를 압축하는 압축기 또는 펌프는 회전부를 구비하는 회전 기계의 구조를 가지고 있다.
일반적으로 이와 같은 회전 기계는 회전부로서 임펠러(impeller)를 가지고 있는데, 임펠러는 회전 운동에너지를 유체에 전달시켜 유체의 압력을 상승시키는 기능을 한다. 임펠러는 유체의 이동을 돕고 에너지를 유체에 전달하는 다수 개의 블레이드(blade)를 구비한다.
한편, 임펠러의 외부에는 슈라우드(shroud)가 배치되는데, 슈라우드는 블레이드와 함께 유체의 이동 통로를 이루는 기능을 수행한다.
통상적으로 블레이드와 슈라우드 사이의 간격이 좁을수록 압축기의 효율이 상승하는 특성을 가지고 있으므로, 최근에는 임펠러에 슈라우드를 결합하여 제조함으로써, 압축기의 효율을 극대화하는 기술이 제안되고 있다.
임펠러에 슈라우드를 결합하여 제조하는 기술의 경우에는, 임펠러의 블레이드와 슈라우드를 상호 고정하는 과정이 요구되는데, 이를 위해, 주조 공정, 브레이징 공정, 전자 빔 용접 등의 공정 등이 사용되고 있는 실정이다.
일본 공개특허공보 제2004-353608호에는 임펠러에 슈라우드를 용접하여 보강하는 기술이 개시되는데, 임펠러와 슈라우드를 서로 접촉하여 단순히 용접하는 방법을 이용함으로써 임펠러와 슈라우드가 서로 고정된다. 그러나 이러한 방법에 의하면 임펠러와 슈라우드를 용접하는 공정을 실행하는 중에 용접 입열량의 과도로 인해 임펠러와 슈라우드의 형상이 심하게 변형될 수 있다.
일본 공개특허공보 제2004-353608호 (2004.12.16)
실시예들의 목적은 임펠러와 슈라우드가 일체형으로 형성됨으로써 효율이 향상된 유체 회전 기계의 임펠러 조립체를 제공하는 데 있다.
실시예들의 다른 목적은 슈라우드와 임펠러의 블레이드의 용접 강도를 향상시킴으로써 안정된 구조를 갖는 유체 회전 기계의 임펠러 조립체를 제공하는 데 있다.
일 실시예에 관한 유체 회전 기계의 임펠러 조립체는, 회전축과, 회전축의 외측에 결합되어 원주 방향으로 연장하는 베이스부와, 회전축으로부터 외측을 향해 방사 방향으로 연장하며 회전축을 중심으로 원주 방향을 따라 이격되며 베이스부에 배치되고 베이스부의 반대측을 향하는 단부에 폭이 좁아지는 단차부를 구비하는 복수 개의 블레이드와, 인접하는 블레이드의 사이에 배치되며 인접하는 블레이드의 단차부에 가장자리가 안착되어 단차부와 가장자리가 용접에 의해 결합되는 복수 개의 슈라우드 판을 구비한다.
슈라우드 판의 베이스부를 향하는 면에서 블레이드와 슈라우드 판이 접하는 부분에 브레이징 필러가 도포되어 블레이드와 슈라우드 판이 접하는 부분이 브레이징 공정에 의해 연결될 수 있다.
블레이드의 단차부는 회전축으로부터 외측을 향하는 방사 방향에서 블레이드를 따라 적어도 일부 구간에서 연장하며 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은 실시예들에 관한 유체 회전 기계의 임펠러 조립체는, 블레이드와 슈라우드 판이 정밀한 공차 수준을 만족하도록 용접에 의해 서로 고정되므로, 블레이드와 슈라우드 판의 사이의 간극을 회전 기계에서 요구하는 설계 수준에 맞추어 정밀하게 확보할 수 있어서 유체 회전 기계의 효율이 향상된다.
또한 블레이드의 단차부와 슈라우드 판의 가장자리가 안정적으로 안착된 상태에서 용접 공정이 적용되므로, 넓은 면적의 용접 면적 부위를 확보할 수 있다. 따라서 용접 공정 중에 슈라우드 판과 블레이드의 사이의 결합 면에서 크랙 등의 현상이 발생하는 것을 최소화할 수 있다.
또한 용접 공정에 의해 슈라우드 판과 블레이드가 서로 고정된 상태에서, 베이스부를 향하는 슈라우드 판과 블레이드의 접촉면에 브레이징 공정을 적용함으로써 슈라우드 판과 블레이드의 내측 부가 더욱 안정적으로 서로 접합될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 관한 유체 회전 기계의 임펠러 조립체의 조립 과정을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 임펠러 조립체의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 1의 임펠러 조립체에서 III-III 선을 따라 취한 단면도이다.
도 4는 도 1의 임펠러 조립체에 용접 공정을 적용한 상태를 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부 도면의 실시예들을 통하여, 실시예들에 관한 유체 회전 기계의 임펠러 조립체의 구성과 작용을 상세히 설명한다. 설명 중에 사용되는 '및/또는'의 표현은 관련 요소들의 하나 또는 요소들의 조합을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 관한 유체 회전 기계의 임펠러 조립체의 조립 과정을 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 임펠러 조립체의 개략적인 단면도이다.
도 1 및 도 2에 나타난 실시예에 관한 유체 회전 기계의 임펠러 조립체(100)는, 임펠러(110)와 슈라우드(120)를 포함한다.
도시된 일 실시예에서 회전 기계는 압축기로 구현되었지만, 실시예는 이에 한정되지 않는다. 즉, 실시예에 관한 회전 기계는 임펠러 조립체의 회전 운동에 의해 유체의 압력과 속도를 변화시킬 수 있는 장치이면 충분하다. 예를 들어, 실시예에 관한 회전 기계는 펌프, 송풍기 등도 포함하는 포괄적인 개념이다.
임펠러(110)는 회전축(111)과, 회전축(111)의 외측에 형성되고 상하방향을 따라 방사상으로 외경이 증가하는 베이스부(112)와, 베이스부(112)의 면 상에서 원주 방향을 따라 소정의 간격을 두고 배치되는 복수 개의 블레이드(113)를 포함한다.
베이스부(112)는 회전축(111)의 외측에 결합하며, 상하방향을 따라 방사상으로 외경이 증가하도록 형성될 수 있다. 베이스부(112)의 표면은 경사진 곡면을 이루도록 형성되어 있고, 유체 통로의 바닥면을 형성하여 유체 유동을 부드럽게 할 뿐만 아니라, 유체로의 에너지 전달을 최대로 할 수 있도록 설계되어 있다.
블레이드(113)는 베이스부(112)의 위에 배치되는데, 유체의 이동을 안내하는 기능을 수행하면서, 임펠러(110)의 운동 에너지를 유체에 전달하는 기능을 수행한다. 블레이드(113)는 회전축(111)을 중심으로 소정의 간격을 두고 서로 이격되며 복수 개가 배치될 수 있며, 베이스부(112) 상에서 대략 방사상 형태로 배열될 수 있다. 블레이드(113)의 회전에 의해 유입구(100a)로부터 유입된 유체가 원심력에 따라 압축되고 유출구(100b)를 통하여 외부로 배출된다.
한편, 슈라우드(120)는 유체의 유입구(100a)를 형성하도록 상단부가 개방되고, 개방된 상단부로부터 하방으로 가면서 다수의 블레이드(113)의 외주연을 따라 방사상으로 확장되는 대략 중공 실린더 형상으로 형성될 수 있다. 슈라우드(120)는 유체 통로의 천장 면을 형성하며, 베이스부(112) 및 블레이드(113)와 함께 유체의 이동 통로를 형성한다.
슈라우드(120)는 복수 개의 슈라우드 판(120a)을 구비한다. 슈라우드 판(120a)은 인접한 블레이드(113)의 사이에 배치된다. 도 1에 도시된 것과 같이 슈라우드 판(120a)이 블레이드(113)에 배치된 이후에 슈라우드 판(120a)과 블레이드(113)가 용접에 의해 서로 결합될 수 있다.
도 2를 참조하여 임펠러 조립체의 회전 운동에 의하여 유체가 압축되는 과정을 살펴보면, 이하와 같다. 회전축(111a)이 회전하면, 예를 들어, 임펠러(110) 및 슈라우드(120)도 회전축(111a)과 함께 회전한다.
임펠러 조립체(100)의 유입구(100a)를 통하여 유입된 유체는 임펠러 조립체(100)의 회전 운동 에너지에 따른 원심력의 작용으로 고압의 상태로 압축되며 유출구(100b)를 통해 빠져나간다. 유출구(100b)를 통하여 임펠러 조립체(100)를 빠져나온 유체는, 예를 들어, 미도시된 디퓨저(diffuser)를 통과하면서 속도가 줄어들고, 동시에 요구되는 수준으로 압력이 상승한다.
도 3은 도 1의 임펠러 조립체에서 III-III 선을 따라 취한 단면도이고, 도 4는 도 1의 임펠러 조립체에 용접 공정을 적용한 상태를 나타낸 단면도이다.
이하에서는 도 3 및 도 4를 참조하여, 일 실시예에 관한 임펠러 조립체의 제조방법을 설명한다.
회전 기계를 구성할 부품으로서, 복수 개의 블레이드(113)와, 복수 개의 슈라우드 판(120a)을 준비한다. 도 1에 도시된 것과 같이 블레이드(113)는 회전축(111) 및 베이스부(112)와 함께 임펠러(110)를 구성하며, 베이스부(112)의 표면에 장착된 상태로 슈라우드 판(120a)과의 결합을 대기하고 있으나, 실시예는 이에 한정되지 않는다. 즉, 다른 실시형태로서, 블레이드(113)가 우선 슈라우드 판(120a)과 결합을 이룬 이후에 비로소 베이스부(112) 상에 장착될 수도 있다.
블레이드(113)와 슈라우드 판(120a)의 소재로는 경량의 탄소강이 사용될 수도 있고, 알루미늄과 같은 비철금속이 사용될 수도 있다. 실시예에 관한 블레이드(113)와 슈라우드 판(120a)의 소재는 금속이면 충분하고, 그 외에 특별한 제한은 없다.
블레이드(113)는 베이스부(112)에 대해 반대측을 향하는 단부에 폭이 좁아지는 단차부(113a)를 구비한다. 단차부(113a)는 회전축(111a)으로부터 외측을 향하는 방사 방향으로 블레이드(113)를 따라 연장하며 형성된다(도 1 참조).
슈라우드 판(120a)의 가장자리(120b)가 블레이드(113)의 단차부(113a)에 안착된다. 따라서 슈라우드 판(120a)이 인접한 블레이드(113)의 사이에 안정적으로 배치될 수 있다.
도 1에서 볼 수 있듯이, 복수 개의 슈라우드 판(120a)들로부터 전체 슈라우드(120)의 형상이 조립될 수 있도록, 슈라우드 판(120a)들의 두께와 블레이드(113)의 단차부(113a)의 높이가 서로 맞물리는 상보적인 형상을 가질 수 있다. 슈라우드 판(120a)의 개수에 관하여, 예를 들어, 각 블레이드(113)를 경계로 하여 슈라우드 판(120a)들이 용접된다고 할 때, 전체 블레이드(113) 개수만큼의 슈라우드 판(120a)들이 준비될 수 있다.
슈라우드 판(120a)이 블레이드(113)의 사이에 배치된 이후에는, 슈라우드 판(120a)의 가장자리(120b)와 블레이드(113)의 단차부(113a)가 용접됨으로써 슈라우드 판(120a)이 블레이드(113)가 서로 견고히 고정될 수 있다.
슈라우드 판(120a)과 블레이드(113)가 서로 용접으로 고정되었을 때의 용접 강도는 모재의 강도와 용접이 되는 부분의 면적에 비례한다. 상술한 구성의 임펠러 조립체(100)에서는 블레이드(113)의 단차부(113a)와 슈라우드 판(120a)의 가장자리(120b)가 안착된 상태에서 용접 공정이 적용되므로, 용접이 되는 부분의 면적이 증가하여 용접 강도도 향상된다.
용접 공정에는 고밀도의 에너지를 이용한 용접을 적용할 수 있으며, 예를 들어 레이저나 전자빔을 이용한 용접을 이용할 수 있다. 알루미늄과 같은 금속의 소재를 사용하여 슈라우드 판과 블레이드를 맞댄 상태로 용접을 실시할 때에, 레이저나 전자빔을 이용한다면 필렛을 형성하기 위해 가해지는 높은 에너지에 의해 슈라우드 판과 블레이드가 녹아 요구 공차를 벗어남으로써 최초 설계한 임펠러 조립체의 외관 형상을 얻을 수가 없다. 반면, 낮은 에너지를 이용하여 용접을 하는 경우에는 용융이 불충분해짐으로써 불완전 용융 결함이 발생한다.
상술한 구성의 임펠러 조립체(100)에서는 블레이드(113)의 단차부(113a)와 슈라우드 판(120a)의 가장자리(120b)가 안정적으로 안착된 상태에서 용접 공정이 적용되므로, 넓은 면적의 용접 면적 부위를 확보할 수 있다. 따라서 용접 공정 중에 슈라우드 판(120a)과 블레이드(113)의 사이의 결합 면에서 크랙(crack)이 발생하는 현상을 최소화할 수 있다.
도 4를 참조하면, 슈라우드 판(120a)의 베이스부(112)를 향하는 면에서 블레이드(113)와 슈라우드 판(120a)이 접하는 부분에 브레이징 필러(141)가 도포되어, 블레이드(113)와 슈라우드 판(120a)의 접하는 부분이 브레이징 공정에 의해 연결될 수 있다.
브레이징 공정은 슈라우드 판(120a)과 블레이드(113)의 용접 공정을 마무리하여, 슈라우드 판(120a)과 블레이드(113)가 서로 고정된 이후에 적용될 수 있다. 브레이징(brazing) 공정은 낮은 융점을 갖는 용가재를 녹여서 모재를 상하지 않게 하며 모재를 접합하는 방법이다.
상술한 바와 같은 용접 공정에 의해 슈라우드 판(120a)과 블레이드(113)는 서로 용접으로 고정된 상태가 되므로, 베이스부(112)를 향하는 슈라우드 판(120a)과 블레이드(113)의 접촉면에 브레이징 필러(141)를 도포한 이후에 브레이징 필러(141)가 녹을 수 있는 정도의 열을 가하면 브레이징 필러(141)가 녹아 슈라우드 판(120a)과 블레이드(113)의 내측 부가 더욱 안정적으로 서로 접합될 수 있다.
상술한 구성의 임펠러 조립체(100)에서는 블레이드(113)와 슈라우드 판(120a)이 정밀한 공차 수준을 만족하도록 용접에 의해 서로 고정되므로, 블레이드(113)와 슈라우드 판(120a)의 사이의 간극을 회전 기계에서 요구하는 설계 수준에 맞추어 정밀하게 확보할 수 있어서 유체 회전 기계의 효율이 향상될 수 있다.
상술한 실시예들에 대한 구성과 효과에 대한 설명은 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100a: 유입구 113a: 단차부
100b: 유출구 113: 블레이드
100: 임펠러 조립체 120b: 가장자리
110: 임펠러 120a: 슈라우드 판
111: 회전축 120: 슈라우드
111a: 회전축 141: 브레이징 필러
112: 베이스부

Claims (3)

  1. 회전축;
    상기 회전축의 외측에 결합되어 원주 방향으로 연장하는 베이스부;
    상기 회전축으로부터 외측을 향해 방사 방향으로 연장하며, 상기 회전축을 중심으로 원주 방향을 따라 이격되며 상기 베이스부에 배치되고, 상기 베이스부의 반대측을 향하는 단부에 폭이 좁아지는 단차부를 구비하는 복수 개의 블레이드; 및
    인접하는 상기 블레이드의 사이에 배치되며, 인접하는 상기 블레이드의 상기 단차부에 가장자리가 안착되어 상기 단차부와 상기 가장자리가 용접에 의해 결합되는 복수 개의 슈라우드 판;을 구비하는, 유체 회전 기계의 임펠러 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슈라우드 판의 상기 베이스부를 향하는 면에서 상기 블레이드와 상기 슈라우드 판이 접하는 부분에 브레이징 필러가 도포되어 상기 블레이드와 상기 슈라우드 판이 접하는 부분이 브레이징 공정에 의해 연결되는, 유체 회전 기계의 임펠러 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드의 상기 단차부는 상기 회전축으로부터 외측을 향하는 방사 방향에서 상기 블레이드를 따라 적어도 일부 구간에서 연장하며 형성되는, 유체 회전 기계의 임펠러 조립체.
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