KR20150032292A

KR20150032292A - 원심 압축기 임펠러 냉각

Info

Publication number: KR20150032292A
Application number: KR20157000806A
Authority: KR
Inventors: 마누엘레 비기; 마씨모 카마티; 브하스카라 코사마나; 라예쉬 마뷰리; 마씨밀리안 보르게티; 라예쉬 마미디
Original assignee: 누보 피그노네 에스알엘
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2015-03-25
Also published as: EP2861870A2; MX2014015415A; RU2620620C2; RU2014149666A; AU2013279411A1; JP2015520327A; ITFI20120124A1; WO2013189943A2; CA2876435A1; BR112014030773A2; WO2013189943A3; CN104520592A; EP2861870B1; CN104520592B; US9829008B2; JP6263172B2; US20150240833A1

Abstract

케이싱(41); 케이싱 내에서 회전하도록, 지지되고 허브(23), 슈라우드(25) 및 임펠러 아이(31)가 마련되는 적어도 하나의 임펠러(21); 상기 임펠러 아이의 구역에서 임펠러를 실링하기 위한 임펠러 아이 실링 장치(39)를 포함하는 원심 압축기가 개시된다. 원심 압축기는 임펠러 아이 실링 장치에 배열되고 임펠러 아이 주위로 냉각 매체를 이송하도록 구성된 적어도 하나의 냉각 매체 포트(53)를 더 포함한다.

Description

원심 압축기 임펠러 냉각{CENTRIFUGAL COMPRESSOR IMPELLER COOLING}

본 개시는 터보기계류 분야, 구체적으로는 원심 압축기 분야에 관한 것이다.

원심 압축기는 여러 산업 분야에서 널리 사용되며, 상이한 속성의 작동 매체를 처리하는 데 사용되고, 어플리케이션 분야에 따라 원심 압축기의 하나 이상의 단을 통해 높은 가스압이 달성될 수 있다. 고압은 작동 매체의 온도 증가를 수반하며, 이는 압축기의 유효 수명에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

몇몇 어플리케이션 분야에서는, 압축기 임펠러에서 650 내지 700 ℃ 이상의 범위의 온도가 달성될 수 있다. 임펠러의 크리프 수명은 중요하며, 이는 작동 매체의 고온에 의해 불리한 영향을 받을 수 있다.

슈라우드형 임펠러의 제조에 현재 사용되는 단조 또는 분말 야금 재료 중 그 어느 것도 60,000 시간의 크리프 수명 요건을 충족하지 않는다. Inconel 738과 같은 니켈계 초합금은 크리프 수명 요건을 충족하지만 Inconel 임펠러의 제조성과 수리 용이성은 부족하다.

앞서 언급한 온도 범위, 사용되는 재료 및 크리프 수명 요건은 단지 한가지 가능한 어플리케이션을 예시하는 것이며, 본 개시의 어플리케이션의 범위를 제한하는 것으로 이해해서는 안 된다. 본 명세서에 개시되는 냉각 기술은, 예컨대 보다 낮은 온도 범위의 경우에, 특히 덜 활용되고 보다 통상적인 상이한 재료가 사용되는 경우에 유리하게 사용될 수 있다.

종래 기술의 슈라우드형 임펠러를 사용하는 다단 원심 압축기가 도 1에 예시되어 있다. 원심 압축기(100)는 케이싱(102)을 포함하며, 이 케이싱 내에서 로터 샤프트(104)가 지지된다. 원심 압축기(100)는 압축기 유입부(106), 압축기 유출부(108) 및 임펠러(110A 내지 110G)를 각각 포함하는 복수 개의 압축기 단을 포함한다. 임펠러는 직렬로 배열된다. 작동 매체의 압력은 압축기 유입부(106)로부터 압축기 유출부(108)까지 단계적으로 증가된다. 작동 매체는 거의 축방향으로 각각의 임펠러에 진입하고, 각각의 디퓨저(112)를 통해 반경방향으로 다음 임펠러로 이송된다. 작동 매체의 온도는 하나의 단에서 다른 단으로 갈수록 증가하며, 압축기의 마지막 단에서 매우 높아질 수 있다.

본 명세서에 개시된 보호대상의 몇몇 실시예에 따르면, 원심 압축기 조립체가 제공되는데, 이 원심 압축기 조립체는 슈라우드형 임펠러, 즉 허브와 슈라우드를 지닌 임펠러를 포함하고, 임펠러 아이(impeller eye)에서 이 임펠러 영역으로부터 열을 제거하기 위해 냉각 매체가 이송된다. 임펠러 아이는, 임펠러의 크리프 수명과 관련이 있는 한, 임펠러의 매우 중요한 구역이다.

임펠러 아이 구역에 이송되는 냉각 매체는 국부적으로 열을 제거하고 임펠러 아이 및 주변 영역의 온도를 임계값 아래로 유지하며, 이에 따라 크리프 수명을 증가시킨다.

본 명세서에 개시되는 보호대상의 몇몇 실시예에 따르면, 원심 압축기 조립체가 제공되며, 이 원심 압축기 조립체는 케이싱과, 케이싱 내에서 회전하도록 지지되는 하나 이상의 임펠러를 포함하며, 각각의 임펠러는 허브, 슈라우드 및 임펠러 아이를 포함한다. 각각의 임펠러의 임펠러 아이에는 임펠러 아이 실링 장치가 마련된다. 적어도 하나의 냉각 매체 포트가 실링 장치에 결합되고 임펠러 아이 주위로 냉각 매체를 이송하도록 구성된다. 냉각 매체는 임펠러 아이로부터 열을 제거하고, 임펠러의 크리프 수명을 향상시킨다.

바람직한 실시예에서, 복수 개의 냉각 매체 포트는 임펠러 아이 주위에 배열된다. 몇몇 실시예에서, 냉각 매체 포트는 임펠러의 회전축 주위에 균일하게 분포된다.

임펠러 아이의 향상된 냉각은 임펠러 아이의 외면에서부터 임펠러 아이의 내면으로 연장되는 복수 개의 구멍을 마련하는 것에 의해 달성된다. 이에 따라, 냉각 매체의 적어도 일부가 구멍에 진입하고 슈라우드의 내부 부분으로 이송된다. 각각의 구멍의 유출 단부, 즉 슈라우드의 내면 상에 있는 구멍은 대응하는 임펠러 선단 에지 근처에 배치될 수 있다. 이 위치에 유출공을 배치하는 것에 의해, 매우 효율적인 블레이드 선단 에지의 냉각을 얻을 수 있다.

하나 이상의 압축기 단에 마련된 냉각 매체 포트 또는 포트들로 냉각 매체를 이송하기 위해 냉각 매체 소스가 마련될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 압축기를 통과하여 흐르는 동일한 작동 매체는 하나 이상의 압축기 임펠러를 위한 냉각 매체로서 사용될 수 있다. 냉각 매체 흐름의 일부는 주 흐름으로부터 추출되고, 냉각되며 및/또는 요구되는 압력으로 팽창된 후, 하나 이상의 냉각 매체 포트를 통해 임펠러 아이로 이송된다. 이에 따라, 냉각 매체를 요구되는 압력으로 하기 위해 어떠한 별개의 펌핑 수단도 요구되지 않을 것이다. 더욱이, 냉각 매체는 압축기를 통과하여 흐르는 동일한 작동 매체이기 때문에, 작동 매체 흐름의 조성이 냉각 매체의 존재에 의해 변하지 않을 것이다.

주 흐름으로부터 작동 매체 흐름의 일부를 추출하여 압축기로 복귀시키는 분기 경로를 따라 열교환기와 스로틀링 밸브가 배치될 수 있다. 스로틀링 밸브 대신에 팽창기와 같은 상이한 감압 장치가 사용될 수 있다.

압축기는 1개보다 많은 압축기 단을 포함할 수 있으며, 각각의 압축기 단에 임펠러가 마련된다. 몇몇 임펠러는 슈라우드형일 수 있는데, 즉 몇몇 임펠러에는 슈라우드와 임펠러 아이가 마련될 수 있다. 하나 이상의 상기 슈라우드형 임펠러는 전술한 바와 같은 냉각 장치, 즉 냉각 매체를 임펠러 아이 실링 장치의 영역으로 이송하는 적어도 하나의 냉각 매체와 조합될 수 있다. 통상 다단 압축기에서, 작동 매체의 온도는 단지 마지막 압축기 단(들)에서만 임계적일 수 있다. 따라서, 바람직한 실시예에서는 임펠러 아이를 위한 냉각 장치가 적어도 마지막 압축기 단에 마련된다.

몇몇 실시예에서는, 임펠러 허브를 냉각시키기 위해 예비 냉각 장치가 마련된다. 몇몇 실시에서, 임펠러 허브 냉각 장치는 임펠러 아이 냉각 장치와 조합된다. 다른 실시예에서, 단지 임펠러 허브 냉각 장치가 마련된다. 마지막에 언급한 경우, 임펠러는 개방형 임펠러일 수도 있는데, 즉 슈라우드가 마련되지 않을 수도 있다.

다른 양태에 따르면, 본 명세서에 개시된 보호대상은 또한 케이싱과, 이 케이싱 내에 회전 가능하게 배열되는 적어도 하나의 슈라우드형 임펠러를 포함하는 원심 압축기의 작동 방법에 관한 것이며, 상기 원심 압축기의 작동 방법은 임펠러의 임펠러 아이 구역으로부터 열을 제거하기 위해 임펠러 아이 주위의 간극에 냉각매체를 주입하는 것을 제공한다.

일실시예에 따르면, 상기 임펠러를 통해 작동 매체를 처리하는 것; 냉각 매체를 상기 임펠러 아이 주위의 간극으로 주입하고 상기 냉각 매체를 상기 간극에서 순환시켜 임펠러 아이를 냉각하는 것을 포함하는 원심 압축기의 작동 방법이 제공된다.

간극은 임펠러 아이와 임펠러 아이 실링 장치 사이에 형성될 수 있다.

몇몇 실시예에 따르면, 상기 원심 압축기의 작동 방법은 원심 압축기에 의해 처리된 작동 매체의 일부를 사용하는 것에 의해 임펠러 아이를 냉각하는 단계를 포함한다. 예컨대, 충분한 양의 작동 매체가 압축된 작동 매체의 주 흐름으로부터 추출되어 원심 압축기 케이싱 내부의 냉각 대상 영역으로 이송될 수 있다. 작동 매체는 압축기 케이싱에 재유입되기 전에 요구되는 압력 및 온도로 냉각되고 팽창될 수 있다. 총 작동 매체 흐름의, 예컨대 0.5 내지 5 %, 바람직하게는 1.0 내지 2.5 % 비율이 냉각을 위해 추출될 수 있다.

개선된 실시예에 따르면, 원심 압축기의 작동 방법은 적어도 부분적으로 임펠러 내부에서 슈라우드와 허브 사이로 냉각 매체를 주입 또는 이송하는 단계를 더 포함한다. 이러한 목적으로, 몇몇 실시예에 따르면 원심 압축기의 작동 방법은 임펠러 아이의 외면으로부터 임펠러 아이의 내면으로 연장되는 적어도 하나의 구멍을 마련하는 단계 및 구멍을 통해 냉각 매체의 적어도 일부를 주입하는 것을 포함한다.

다른 양태에 따르면, 본 개시는 또한 임펠러 아이의 냉각과 함께 또는 이것과 독립적으로 임펠러 허브를 냉각하는 방법에 관한 것이다.

추가의 양태에 따르면, 본 명세서에 개시된 보호대상은, 임펠러 허브 및 임펠러 아이를 형성하는 임펠러 슈라우드를 포함하는 원심 압축기용 임펠러에 관한 것이다. 임펠러 아이는 반경방향 외면과 반경방향 내면을 포함한다. 반경방향 외면과 반경방향 내면 사이에서 연장되는 적어도 하나의 구멍이 마련되며, 이 구멍은 상기 임펠러 아이를 통해 슈라우드형 임펠러의 내부로 냉각 매체 흐름을 이송하도록 구성된다.

또 다른 양태에 따르면, 본 개시는 원심 압축기에 관한 것으로, 이 원심 압축기는 압축기 케이싱; 상기 케이싱 내에서 회전하도록 지지되고, 복수 개의 임펠러 블레이드가 마련되는 전방벽과 주로 반경방향으로 연장되는 후방벽을 지닌 허브를 포함하는 적어도 하나의 임펠러; 임펠러의 후방벽과 압축기 케이싱 사이의 공간; 및 상기 공간 내에서 냉각 매체를 이송하도록 구성되고 배열되는 적어도 하나의 냉각 매체 포트를 포함하고, 상기 공간은 압축기 임펠러의 유출부에서 압축기 디퓨저와 유체 연통되고; 압축기 케이싱과 임펠러 후방벽 사이의 공간에서 이송되는 냉각 매체는 상기 디퓨저로 흐른다. 바람직한 실시예에서, 냉각 매체는 실링 장치와 임펠러에 의해 회전하는 축방향 회전 구성요소, 예컨대 임펠러가 비틀림 가능하게 맞물리는 샤프트 또는 임펠러의 후방측에 배치되는 밸런스 드럼 사이에 형성되는 간극 내에서 이송된다. 이송 매체의 압력과 실링 장치는, 냉각 매체가 실링 장치와 축방향 회전 구성요소에 의해 형성되는 간극으로부터 부분적으로 임펠러의 후방벽과 압축기 케이싱 사이의 공간에서 그리고 부분적으로 반대 방향으로 압축기 케이싱의 후방을 향해 흐르도록 되어 있을 수 있다.

전술한 구성은 원심 압축기의 작동 방법을 수행하는 데 사용될 수 있으며, 냉각 매체는 실링 장치와 축방향 회전 구성요소, 예컨대 임펠러 샤프트나 밸런스 드럼 사이의 간극에서 이송되며, 냉각 매체 흐름은 부분적으로는 임펠러의 후방에 있는 공간에서 그리고 이 공간에서부터 디퓨져로 이송되고, 부분적으로는 실링 장치의 반대측에서 원심 압축기의 배면측을 향해 이송된다. 이 경우에는 또한, 냉각 매체가 원심 압축기에 의해 처리된 작동 매체의 일부 또는 부분일 수 있으며, 이 작동 매체의 일부 또는 부분은 필요하다면 임펠러의 후방측에서 실링 장치로 이송되기 전에 적절히 냉각되고 부분적으로 팽창된다. 몇몇 실시예에서는, 주 작동 매체 흐름의 대략 1.5 내지 2.5 %가 임펠러의 후방측을 냉각시킬 목적으로 전환될 수 있다.

피쳐(feature)와 실시예가 아래에 개시되며, 본 설명의 필수적인 부분을 형성하는 첨부된 청구범위에 더욱 기술된다. 상기 간략한 설명은, 후속하는 상세한 설명을 보다 잘 이해할 수 있도록 그리고 해당 기술에 대한 본 발명의 기여를 보다 잘 인식할 수 있도록 본 발명의 다양한 실시예의 피쳐를 설명한다. 이후에 설명되고 첨부된 청구범위에 기술될 본 발명의 다른 피쳐도 있음은 물론이다. 이러한 점에서, 본 발명의 다수의 실시예를 상세히 설명하기에 앞서, 본 발명의 다양한 실시예는 그 어플리케이션에 있어서 아래의 설명에 기술되거나 첨면에 예시된 구성요소의 구성의 상세 또는 배열로 제한되지 않는다는 점을 이해해야 한다. 본 발명에 의하면 다른 실시예가 가능하고 본 발명은 다양한 방식으로 실시되고 실행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 채용되는 구문 및 용어는 설명을 위한 것이며 제한하는 것으로 고려되어서는 안 된다.

이와 같이, 당업자라면 본 개시가 기초로 하는 개념이 본 발명의 다양한 목적을 달성하기 위한 다른 구조, 방법 및/또는 시스템을 설계하기 위한 근간으로서 용이하게 활용될 수 있다는 점을 인지할 것이다. 따라서, 청구범위는 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 한, 그러한 등가의 구성을 포함하는 것으로 고려되어야 한다는 점이 중요하다.

본 발명의 개시된 실시예와 본 발명의 다수의 수반되는 장점에 관한 보다 완벽한 이해는 첨부도면과 함께 고려할 때, 아래의 상세한 설명을 참고하는 것에 의해 상기 실시예와 장점이 더 잘 이해되는 것처럼, 용이하게 보다 이루어질 것이다.
도 1은 종래 기술의 다단 원심 압축기의 수직면을 따른 종방향 단면도이고,
도 2는 여기에 개시되는 보호대상의 제1 실시예에서의 냉각 시스템을 지닌 압축기를 개략적으로 예시한 도면이며,
도 3은 상이한 실시예에 개략도이고,
도 4는 임펠러 아이 냉각 시스템이 허브 냉각 시스템과 조합된 압축기 단의 종단면도이며,
도 5는 원심 압축기를 위한 슈라우드형 임펠러의 사시도이고,
도 6 및 도 7은 본 개시의 보호대상에 관한 개선된 실시예에서의 슈라우드형 임펠러의 일부의 부분 사시도이다.

예시적인 실시예에 관한 아래의 상세한 설명은 첨부도면을 참고로 한다. 상이한 도면에 있는 동일한 도면부호는 동일하거나 유사한 요소를 식별한다. 추가로, 도면은 반드시 축척에 맞게 도시되지는 않는다. 또한, 아래의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 규정된다.

본 명세서 전반에 걸쳐 "일실시예"나 "실시예"나 "몇몇 실시예"라는 언급은, 실시예와 연계되어 설명되는 특정 피쳐, 구조 또는 특징이 개시된 보호대상에 관한 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 이에 따라, 본 명세서 전반에 있어서 다양한 부위에서의 "일실시예에서"나 "실시예에서"나 "몇몇 실시예에서"라는 구문의 존재가 반드시 동일한 실시예(들)를 일컫는 것은 아니다. 더욱이, 특정 피쳐, 구조 또는 특징은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.

도 2는 본 개시에 따른 압축기 조립체를 개략적으로 예시한다. 도 2의 개략도에서, 전체적으로 도면부호 1로 나타내는 원심 압축기가 개략적으로 제시되어 있다. 원심 압축기(1)는 하나 이상의 압축기 단을 포함할 수 있으며, 각 단은 도 1에 예시한 압축기(100)와 유사하게 하나의 임펠러를 포함한다. 작동 매체, 예컨대 공기 또는 임의의 다른 가스상 매체가 압축기 유입부(3)에서 압축기(1)에 진입하고 압축기 유출부(5)에서 압축기(1)를 빠져나간다. 도 2에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 압축기 유출부(5)를 통해 흐르는 작동 매체의 일부가 추출되어 도관(7)을 따라 열교환기(9)를 통과하도록 전환되며, 열교환기에서 전환된 압축 작동 매체 부분이 냉각된다. 열교환기(9)는, 예컨대 가스/공기 또는 가스/물 열교환기일 수 있다. 그 후, 냉각된 작동 매체는 감압 부재, 예컨대 스로틀링 밸브(11)를 통해 흘러 도관(13)을 통해 다시 하나 이상의 압축기 단으로 유입될 수 있다. 다른 실시예에서, 감압 부재는 팽창기일 수 있다.

스로틀링 밸브(11)를 통해 흐르는 작동 매체의 압력은 보다 높은 압력 P1에서 보다 낮은 압력 P2로 감소된다. 스로틀링 밸브(11)를 통한 압력 강하는 압축기 유출부에서의 유체의 압력과, 냉각된 작동 매체가 압축기에 재주입되는 지점에서의 유체의 압력에 좌우된다. 도시하지 않은 다른 실시예에서, 작동 매체는 작동 매체 경로를 따른 상이한 부위에서, 예컨대 중간 압축기 단의 유출부에서 주 흐름으로부터 전환될 수 있다.

몇몇 가능한 어플리케이션에서, 작동 매체는 공기이며, 압축기 유출부(5)에서의 공기의 온도는 대략 650 ℃일 수 있는 반면, 열교환기(9)의 유출부에서의 작동 매체의 온도는 대략 450 ℃일 수 있다. 이들 값은 단지 예로서 주어진 것이며, 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 추가의 온도 감소는 작동 매체가 스로틀링 밸브(11)를 통해 흐를 때 달성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 충분한 냉각은 단지 스로틀링에 의해서만 또는 단지 열교환에 의해서만 달성될 수 있다.

압축기 조립체의 수정된 실시예가 도 3에 도시되어 있다. 동일한 도면부호는 도 2에 있는 것과 동일하거나 등가인 부품을 나타낸다. 본 실시예에서, 냉각 매체는 압축기 유출부에서 전환되는 작동 매체의 일부에 의해 제공되는 아니라, 도시하지 않은 별개의 소스로부터 이송된다. 압축 디바이스(14)는 냉각 매체가 주입되는 압축기의 작동 압력에 따라 작동 매체를 요구되는 압력으로 펌핑하기 위해 제공될 수 있다.

도 2의 실시예는, 냉각 목적을 위한 작동 매체의 일부의 추출이 압축기의 전체 효율을 감소시키기는 하지만 별개의 펌핑 장치를 요구하지 않기 때문에 바람직하다.

도 2 및 도 3에 도시한 개략적인 구성은 단지 예일뿐이며, 예컨대 냉각 매체 소스가 관련되기만 하면 또는 유체의 냉각 및/또는 유체의 팽창이 관련되기만 하면 상이한 구성도 마련될 수 있다는 점을 이해해야만 한다.

특히 도 4 내지 도 7을 참고하면, 도관(13)을 통해 흘러 압축기에 주입되는 냉각 매체는 아래에서 개시되는 바와 같이 압축기(1)에 있는 하나 이상의 임펠러의 몇몇 영역을 냉각하는 데 사용된다. 예시적인 실시예에 관한 아래의 설명에서는, 도 2에 따른 구현예, 즉 작동 매체의 일부가 주 흐름으로부터 전환되어 적절한 온도 및 압력으로 압축기로 재유입되는 것에 의해 냉각 매체로서 사용되는 구현예를 참고로 할 것이다. 그러나, 앞서 언급한 바와 같이, 냉각 매체는 외부 소스에 의해 공급될 수도 있다.

도 4 내지 도 7을 참고하면, 다단 원심 압축기의 마지막 압축기 단을 참고로 하겠다. 마지막 압축기 단의 임펠러와 연계하여 설명되는 동일한 피쳐들은 다단 압축기의 다른 단에도 또한 마련될 수 있다는 점을 이해해야만 한다. 다단 압축기에 관하여 여기에 개시되는 피쳐들은 필요하다면 단일단 압축기에서도 또한 구현될 수 있다는 점을 더 이해해야만 한다.

도 4에는, 압축기(1)의 일부가 압축기 로터의 축 A-A를 포함하는 평면을 따른 수직 단면으로 도시되어 있다. 마지막 압축기 단은 회전 샤프트(22)에 의해 지지되는 임펠러(21)를 포함한다. 임펠러는 도 5에서 분리되어 도시되어 있다. 여기에 개시된 실시예에서, 임펠러(21)는 임펠러 허브(23)와 임펠러 슈라우드(25)를 포함한다. 임펠러 허브(23)와 슈라우드(25) 사이에서 블레이드(27)가 반경방향으로 연장되어 그 사이에 임펠러 베인(29)을 형성한다. 임펠러 슈라우드(25)는 임펠러 유입부(33) 주위에서 연장되는 임펠러 아이(31)를 포함한다.

임펠러 아이(31)에는 외부 환형 치형부(35)가 마련되어, 압축기 케이싱(41)에 장착되는 임펠러 아이 실링 장치(29)의 실링 립(37)과 협동할 수 있다. 임펠러 아이 실링 장치(39)는 임펠러(21)를 포함하는 압축기 단과 상류 압축기 단(도시하지 않음) 사이의 실링을 제공한다.

임펠러(21)에 의해 처리되는 작동 매체는 케이싱(41)에 형성된 디퓨져(43)에서 베인(29)으로부터 반경방향으로 방출되고, 압축기 유입부(5)와 유체 연통되는 볼루트(45; volute)에 진입한다.

밸런스 드럼(47)이 허브(23) 뒤, 즉 임펠러 아이(31) 반대측에 있는 임펠러(21) 측에 배치된다. 밸런스 드럼(47)은, 임펠러(21)가 압축기의 후방부에 대하여 수용되는 공간을 시일하는 실링 장치(49)와 함께 작용한다. 도 4의 개략도에는, 다른 실링 장치(51)가 회전 샤프트(22)와 함께 작용하는 것도 또한 도시되어 있다.

몇몇 실시예에서, 하나 이상의 냉각 포트(53)가 임펠러 아이(31) 주위에 배열된다. 냉각 매체 포트(53)는 도관(13)과 유체 연통되며, 주 압축기 유출부(5)로부터 추출되는 적절히 냉각된 작동 매체의 일부를 임펠러 아이(31)를 냉각하기 위해 압축기 케이싱 내에 재유입시킨다. 몇몇 실시예에서, 복수 개의 냉각 매체 포트(23)는 임펠러 아이 실링 장치(39)의 환형 전개부 주위에 균일하게 배열되는 것이 바람직하다. 예컨대, 2개 내지 20개의 포트(53)가 마련될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 8개 내지 15개, 바람직하게는 10개 내지 14개의 냉각 매체 포트(53)가 마련될 수 있다. 냉각 매체 포트(53)를 통해, 압축기를 빠져나가는 총 유출 작동 매체 흐름의, 예컨대 대략 2 %의 퍼센티지가 압축기 케이싱에 재유입될 수 있다.

각각의 냉각 매체 포트(53)를 통해 흐르는 냉각 매체는 임펠러 아이 실링 장치(39)의 실링 립(37)과 임펠러 아이(31) 사이의 간극에 진입한다. 냉각 매체 포트(53)를 통해 이송되는 냉각 매체는, 해당 압축기 단의 유입 압력보다 높은 압력을 갖는다. 예컨대, 입펠러 유입부에서의 작동 매체 압력이 대략 55 바아이면, 냉각 매체는 냉각 매체 포트(53)를 통해 대략 60 바아로 이송될 수 있다. 그 결과, 냉각 매체는 실링 립(37)과 임펠러 아이(31) 사이의 간극을 빠져나가도록 압박될 것이다. 냉각 매체의 일부는 화살표 fA를 따라 간극을 빠져나갈 것이고, 냉각 매체 흐름의 나머지 부분은 화살표 fB를 따라 간극을 빠져나갈 것이다. 압축기를 통해 흐르는 총 작동 매체의, 예컨대 대략 1.2 내지 1.3 %인 냉각 매체의 제1 부분은 화살표 fA를 따라 빠져나가 상류 압축기 단에 진입하고, 나머지 부분은 압축기 케이싱(41)과 임펠러 슈라우드(25) 사이의 간극(57)을 따라 임펠러(21)에 있는 슈라우드(25)의 외면을 따라 흘러, 최종적으로 디퓨져(43)에 진입할 것이다.

냉각 매체 흐름은 임펠러 아이(31)의 외면을 냉각한다. 특히 높은 기계적 응력을 받는 임펠러 아이 구역의 온도가 이에 따라 감소되고, 이에 의해 임펠러의 크리프 수명이 향상될 것이다.

여기에 개시된 보호대상의 다른 개선에 따르면, 임펠러 아이(31)에는 복수 개의 구멍(61)이 마련된다. 바람직한 실시예에서는 각각의 블레이드(27)마다 적어도 하나의 구멍이 마련된다. 상기한 하나의 구멍의 명확한 예시가 도 6 및 도 7에 제공된다. 이들 도면은 임펠러(21)의 일부의 단면도를 보여준다. 이들 도면에는, 임펠러 아이(31), 허브(23) 및 슈라우드(25)와 블레이드(27)들 중 하나의 일부가 도시되어 있다. 각각의 구멍(61)은 임펠러 아이(31)의 외면 상에 있는 유입부로부터 임펠러 아이(31)의 내면 상에 있는 유출구로 연장된다. 몇몇 실시예에서는 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 구멍(61)이 상응하는 블레이드(27)의 선단 에지(27A)의 대략 전방에서 임펠러 아이(61)의 내면 상에서 개구된다.

이러한 구성에 있어서, 냉각 매체 포트(53)를 통해 이송되는 냉각 매체의 적어도 일부가 구멍(61)에 진입한다. 각각의 구멍(61)은 냉각 매체 흐름을 생성하고, 이 냉각 매체 흐름은 각각의 블레이드(27)의 양측부를 따라 흐른다. 냉각 매체 흐름은 블레이드 선단 에지와 블레이드(27)가 임펠러 아이(31)에 연결되는 영역으로부터 열을 제거한다. 이 영역은 높은 열응력 및 기계적 응력을 받는다. 이 영역으로부터 열을 제거함으로써 온도가 감소되고 크리프가 완화되며, 이에 따라 임펠러의 크리프 수명이 더욱 증가된다.

몇몇 실시예에서, 과열 및 크리프 문제의 추가의 감소는 허브(23) 영역에도 또한 냉각 매체 흐름을 공급하는 것에 의해 달성될 수 있다. 이것은 도 4에 개략적으로 도시되어 있다. 하나 이상의 예비 포트(71)가 마련될 수 있으며, 이 예비 포트는 도관(13)을 실링 장치(49)에 연결한다. 압축기 유출부(5)로부터 추출되어 열교환기(9)에서 냉각되고 스로틀링 밸브(11)에서 팽창된 작동 매체의 일부는 포트(71)를 통해 실링 장치(49)와 밸런스 드럼(47) 사이의 간극으로 흘러들어간다. 이러한 냉각 매체 흐름은 실링 장치(49)와 밸런스 드럼(47) 사이의 간극을 빠져나가고, 상기 흐름의 적어도 일부는 화살표 fC를 따라 압축기 케이싱(41)의 고정부와 임펠러(21)의 후방벽 사이의 공간에 진입한다. 냉각 매체 흐름의 이 부분은 최종적으로 디퓨져(67)에 진입할 것이다. 몇몇 실시예에서, 실링 구성(49)과 밸런스 드럼(47) 사이의 간극에서 이송되는 냉각 매체는 전체 압축기 유출 흐름의 대략 2.0 내지 2.2 %일 수 있고, 이 냉각 매체 흐름의 대략 1/3은 임펠러(23) 뒤에 있는 공간에 진입하여, 최종적으로 디퓨저(57)에 도달할 것이며, 나머지 부분은 실링 장치(49)와 대향측의 밸런스 드럼(47) 사이의 간극을 빠져나갈 것이다.

여기에서 설명된 보호대상의 개시된 실시예는 도면에 도시되어 있고 다수의 예시적인 실시예와 연계하여 구체적으로 그리고 상세하게 충분히 설명하였지만, 여기에서 기술하는 신규한 교시, 원리 및 개념과 첨부된 청구범위에 기술된 보호대상의 장점로부터 실질적으로 벗어나는 일 없이 다수의 수정, 변형 및 생략이 가능하다는 점이 당업자에게 명백할 것이다.

이에 따라, 개시된 혁신의 적절한 범위는 그러한 모든 수정, 변형 및 생략을 포함하도록 첨부된 청구범위의 가장 넓은 해석에 의해서만 결정되어야만 한다. 또한, 임의의 프로세스 또는 방법 단계들의 순서 또는 차례는 변형예에 따라 변경될 수도 있고, 차례가 조정될 수도 있다.

Claims

원심 압축기로서,
케이싱;
상기 케이싱 내에서 회전하도록 지지되고, 허브, 슈라우드 및 임펠러 아이를 포함하는 적어도 하나의 임펠러;
상기 임펠러 아이의 구역에서 임펠러를 실링하기 위한 임펠러 아이 실링 장치; 및
상기 임펠러 아이 실링 장치에 배치되고, 상기 임펠러 아이 주위로 냉각 매체를 이송하도록 배열되는 적어도 하나의 냉각 매체 포트
를 포함하는 원심 압축기.
제1항에 있어서, 상기 임펠러 아이에는, 임펠러 아이의 외면으로부터 임펠러 아이의 내면으로 연장되는 복수 개의 구멍이 마련되는 것인 원심 압축기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 허브와 슈라우드 사이에 마련되는, 복수 개의 블레이드 각각을 위한 적어도 하나의 구멍을 포함하는 원심 압축기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 냉각 매체 포트는 원심 압축기의 이송관과 유체 연통되고, 상기 이송관을 통해 작동 매체의 주 스트림이 흐르게 되며, 상기 이송관에서 작동 매체의 일부가 주 스트림으로부터 추출되어 적어도 하나의 냉각 매체 포트를 향해 전환되는 것인 원심 압축기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 매체의 일부를 냉각 매체 포트로 이송되기 전에 냉각하는 열교환기를 포함하는 원심 압축기.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 매체의 일부를 냉각 매체 포트로 이송하기 전에, 상기 작동 매체의 일부의 압력을 감소시키기 위한 감압 장치를 포함하는 원심 압축기.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 순차적으로 배열되는 복수 개의 압축기 단을 포함하고, 상기 압축기 단 각각은 각각의 임펠러를 포함하며, 상기 임펠러들 중 적어도 하나는 임펠러 아이 실링 장치 및 적어도 하나의 냉각 매체 포트와 조합되는 것인 원심 압축기.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 임펠러의 허브 뒤로 예비 냉각 매체를 이송하도록 배열되는 적어도 하나의 예비 냉각 매체 포트를 포함하는 원심 압축기.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 임펠러와 밸런스 드럼을 지지하는 회전 샤프트를 포함하고, 상기 밸런스 드럼은 밸런스 드럼 실링 장치와 함께 작동하며, 상기 적어도 하나의 예비 냉각 매체 포트는 밸런스 드럼과 밸런스 드럼 실링 장치 사이로 예비 냉각 매체를 이송하도록 배열되는 것인 원심 압축기.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 예비 냉각 매체 포트는 원심 압축기의 이송관과 유체 연통되며, 상기 이송관을 통해 작동 매체의 주 스트림이 흐르게 되고, 상기 이송관에서 작동 매체의 일부가 주 스트림으로부터 추출되고 적어도 하나의 예비 냉각 매체 포트를 향해 전환되는 것인 원심 압축기.
케이싱과, 케이싱 내에 회전 가능하게 배열되고 임펠러 허브, 임펠러 슈라우드 및 임펠러 아이를 포함하는 적어도 하나의 임펠러를 포함하는 원심 압축기의 작동 방법으로서,
상기 임펠러를 통해 작동 매체를 처리하는 단계; 및
임펠러 아이로부터 열을 제거하기 위해, 작동 매체를 상기 임펠러 아이 주위의 간극으로 주입하여 상기 간극에서 냉각 매체를 순환시키는 단계;
를 포함하는 원심 압축기의 작동 방법.
제11항에 있어서, 상기 간극은 임펠러 아이와 임펠러 아이 실링 장치 사이에 형성되는 것인 원심 압축기의 작동 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 냉각 매체는 작동 매체의 일부인 것인 원심 압축기의 작동 방법.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 작동 매체의 일부를 냉각 매체로서 추출하는 단계; 및
상기 냉각 매체를 간극에 주입하는 단계
를 포함하는 원심 압축기의 작동 방법.
제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 매체의 일부가 간극에 주입되기 전에 작동 매체의 일부로부터 열을 제거하는 단계를 포함하는 원심 압축기의 작동 방법.
제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 매체의 일부가 간극에 주입되기 전에 작동 매체의 일부의 압력을 감소시키는 단계를 포함하는 원심 압축기의 작동 방법.
제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 임펠러 아이를 냉각하기 위해, 상기 작동 매체의 체적의 대략 0.5 내지 약 4 %의 퍼센티지, 바람직하게는 1 내지 2 %의 퍼센티지가 추출되는 것인 원심 압축기의 작동 방법.
제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 매체를 임펠러 슈라우드와 임펠러 허브 사이로 적어도 부분적으로 이송하는 단계를 포함하는 원심 압축기의 작동 방법.
제11항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 임펠러 아이의 외면으로부터 임펠러 아이의 내면으로 연장되는 적어도 하나의 구멍을 마련하는 단계; 및
상기 냉각 매체의 적어도 일부를 적어도 하나의 구멍을 통해 임펠러 아이의 내면을 향해 이송하는 단계
를 포함하는 원심 압축기의 작동 방법.
제11항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임펠러 허브 뒤로 냉각 매체를 이송하는 것에 의해 임펠러 허브를 냉각하는 단계를 더 포함하는 원심 압축기의 작동 방법.
제11항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 작동 매체의 일부를 냉각 매체로서 추출하는 단계;
상기 임펠러 슈라우드를 냉각하기 위해 임펠러 아이 주위의 간극에 상기 작동 매체의 일부의 제1 부분을 주입하는 단계; 및
상기 임펠러 허브를 냉각하기 위해 임펠러 허브 뒤로 상기 작동 매체의 일부의 제2 부분을 주입하는 단계
를 포함하는 원심 압축기의 작동 방법.
제11항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임펠러 허브를 냉각하기 위해 상기 작동 매체의 체적의 0.5 내지 5 %의 퍼센티지, 바람직하게는 1 내지 2 %의 퍼센티지가 추출되는 것인 원심 압축기의 작동 방법.
임펠러 아이를 형성하는 임펠러 슈라우드와 임펠러 허브를 포함하는 원심 압축기용 임펠러로서,
상기 임펠러 아이는 반경방향 외면과 반경방향 내면을 갖고, 상기 반경방향 외면으로부터 반경방향 내면으로 연장되고, 상기 임펠러 아이를 통해 냉각 매체를 이송하도록 구성되는 적어도 하나의 구멍이 마련되는 것인 원심 압축기용 임펠러.
제23항에 있어서, 상기 임펠러 아이는 복수 개의 상기 구멍을 포함하는 것인 원심 압축기용 임펠러.
제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 임펠러 아이는 임펠러 슈라우드와 임펠러 허브 사이에 배열되는, 복수 개의 블레이드 각각을 위한 적어도 하나의 구멍을 포함하는 것인 원심 압축기용 임펠러.
제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 구멍은 실질적으로 각각의 블레이드의 선단 에지 전방에 배치되는 상기 반경방향 내면 상의 유출공을 갖는 것인 원심 압축기용 임펠러.
원심 압축기로서,
압축기 케이싱;
상기 케이싱 내에서 회전하도록 지지되고, 복수 개의 임펠러 블레이드가 마련되는 전방벽과 주로 반경방향으로 연장되는 후방벽을 지닌 허브를 포함하는 적어도 하나의 임펠러;
임펠러의 후방벽과 압축기 케이싱 사이의 공간; 및
상기 공간 내에서 냉각 매체를 이송하도록 구성되고 배열되는 적어도 하나의 냉각 매체 포트
를 포함하고, 상기 공간은 압축기 임펠러의 유출부에서 압축기 디퓨저와 유체 연통되고, 압축기 케이싱과 임펠러의 후방벽 사이의 공간에서 이송되는 냉각 매체는 상기 디퓨져로 흐르는 것인 원심 압축기.
제27항에 있어서, 상기 냉각 매체 포트는 실링 장치와, 임펠러와 함께 회전하는 축방향 회전 구성요소 사이에 형성되는 간극에서 냉각 매체를 이송시키도록 배열되고, 상기 냉각 매체의 압력과 실링 장치는, 냉각 매체가 실링 장치와 축방향 외전 구성요소에 의해 형성되는 간극으로부터 부분적으로는 임펠러 후방벽과 압축기 케이싱 사이의 공간으로 그리고 부분적으로는 반대 방향으로 압축기 케이싱의 후방을 향해 흐르도록 되어 있는 것인 원심 압축기.
제27항 또는 제28항에 있어서, 상기 축방향 회전 구성요소는 임펠러의 후방측에 배치되는 밸런스 드럼인 것인 원심 압축기.