KR20150071356A - 터보 압축기용 임펠러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보 압축기용 임펠러에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 터보 압축기용 임펠러는 터보 압축기용 임펠러에 있어서, 중앙에 길이방향으로 구동축이 삽입되는 축삽입공이 형성되고, 외주면의 반경이 일단부에서 타단부로 진행할수록 점진적으로 증가하여 양단부에 소경부와 대경부가 형성된 허브; 및, 허브의 소경부측에 흡입단이 형성되고 대경부측에 토출단이 형성되어 상기 허브의 외주면에 등간격으로 배치되는 복수의 나선형 블레이드;를 포함하며, 상기 나선형 블레이드의 토출단은 대경부의 반경보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

터보 압축기용 임펠러 {IMPELLER FOR TURBO COMPRESSOR}

본 발명은 터보 압축기용 임펠러에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 블레이드의 흡입 및 압축효율을 향상시켜 마력과 토크를 증대시킬 수 있는 터보 압축기용 임펠러에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 날개차나 로터의 회전운동 또는 피스톤의 왕복운동으로 공기나 냉매가스등의 기체를 압축하는 기계로서, 블레이드나 로터 및 피스톤을 구동시키기 위한 동력발생부 및 상기 동력발생부에서 전달된 구동력에 의해 기체를 흡입하여 압축하는 압축기구부로 이루어진다.

이러한, 압축기는 동력발생부와 압축기구부의 배치형태에 따라 밀폐형 또는 분리형으로 구분되는데, 그 중에서 동력발생부 및 압축기구부가 하나의 밀폐용기내에 함께 설치되는 밀폐형 압축기는 기체를 압축하는 구조에 따라 다시 회전식, 왕복동식, 리니어 그리고 스크롤 압축기 등으로 구분된다.

이 중에서 최근 소개되고 있는 터보 압축기는 모터의 구동력으로 임펠러를 회전시키고, 상기 임펠러의 회전시 발생되는 원심력을 이용하여 기체를 흡입,압축시키는 것으로, 도 1은 종래 터보 압축기의 일례를 보인 종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 종래의 2단 압축식 터보 압축기는, 통상 어큐뮬레이터(1)와 연통되는 제1압축실(11) 및 통상 응축기(미도시)와 연통되는 제2압축실(12)이 터보 압축기(10)의 양측에 각각 형성되어 있고, 상기 터보 압축기(10)의 내측 중앙에는 비엘디씨 모터(Brushless DC MOTOR)(20)가 장착되는 모터실(13)이 형성되어 있으며, 상기 제1,제2압축실(11,12) 및 모터실(13)은 제1,제2가스유로(14,15)에 의해 서로 연통되어 있고, 상기 모터(20)에 결합되어 회전하는 구동축(30)의 양단은 각각 제1,제2압축실(11,12)에 삽입되고 그 단부에는 각각 제1,제2압축실(11,12)에서 회전하면서 흡입되는 기체를 2단으로 압축하기 위한 제1,제2임펠러(40,50)가 결합되어 구성되어 있다.

또한, 상기 구동축(30)의 양측, 즉 모터(20)의 양측에는 상기 구동축(30)의 반경방향을 지지하기 위한 레이디얼 베어링(60)이 각각 결합되어 있고, 상기 레이디얼 베어링(60)의 외곽측에는 구동축(30)의 축방향을 지지하기 위한 스러스트 베어링(70)이 모터실(13)의 내주벽에 각각 결합되어 있다.

여기서, 상기 각 임펠러(40,50)는 기체의 흡입형태에 따라 구동축(30)을 중심으로 역원뿔의 형태로 결합될 수도 있을 뿐만 아니라, 그 반대로 원뿔의 형태로 결합될 수도 있으나, 상기의 두 가지 형태 모두 각 임펠러(40,50)가 대칭되게 결합되는 것은 동일하다.

이러한 각 임펠러(40,50)는 도 2에 도시된 바와 같이, 소구경측에서 대구경측으로 기체를 흡입하여 토출시키는 다수개의 블레이드(41,51)가 등간격으로 뒤틀려 각각 돌출 형성되어 있고, 상기 소구경측에는 기체의 흡입을 유도하는 제1,제2인듀서(42,52)가 각각 일체로 형성되어 있다.

또한, 상기 각 압축실(11,12)은 각 임펠러(40,50)로부터 토출되는 기체의 운동에너지를 압력에너지로 변환시키기 위하여 단면적이 점진적으로 넓어지는 제1,제2디퓨져(11a,12a) 및 제1,제2볼류트(11b,12b)가 각 임펠러(40,50)의 대구경측에 인접되도록 연이어 형성되어 있고, 상기 각 임펠러(40,50)의 바깥쪽에는 통상적인 제1,제2슈라우드(11c,12c)가 각각 설치되어 이루어져 있다.

도면 중 미설명 부호 10a는 토출구, 13a 및 13b는 냉매유통공이다.

상기와 같이 구성된 종래의 2단 압축식 터보압축기는 다음과 같이 동작된다.

즉, 인가된 전원에 의해 모터(20)에 유도자기가 발생되면, 유도자기에 의해 구동축(30)이 고속으로 회전을 개시함과 아울러 상기 구동축(30)의 양단에 고정된 제1,제2임펠러(40,50)가 회전을 하게 되고, 각 임펠러(40,50)의 회전에 의해 기체가 순차적으로 각 압축실(11,12)로 흡입되었다가 각 임펠러(40,50)의 원심력에 의해 스크류형태로 뿌려져 각 디퓨져(11a,12a)를 거쳐 각 볼류트(11b,12b)로 유입되는데, 이때 제1디퓨져(11a) 및 제1볼류트(11b)를 거치면서 가압축되었다가 제2디퓨져(12a) 및 제2볼류트(12b)로 유입되는 과정에서 기체는 압력수두의 상승으로 완전 압축되어 토출구(10a)를 통해 응축기(미도시)로 토출되는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래의 터보 압축기에 있어서는, 기체가 인듀서(42,52)쪽에서 흡입되어 디퓨져(11a,12a)로 압축 토출되는 것으로, 이는 인듀서(42,52)쪽의 압력이 디퓨져(11a,12a)쪽의 압력에 비해 상대적으로 저압이 되고, 각 블레이드(41,51)와 슈라우드(11c,12c)의 사이에는 일정한 공차가 유지되므로, 이 공차를 통해 기체가 고압부인 디퓨져(11a,12a)쪽에서 저압부인 인듀서(42,52)쪽으로 역류하게 되는 압축기체의 간극누설이 발생되어 압축기 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 블레이드의 흡입 및 압축효율을 향상시켜 마력과 토크를 증대시킬 수 있는 터보 압축기용 임펠러를 제공함에 있다.

또한, 블레이드의 토출단 중 슈라우드측의 모서리가 대경부측 모서리보다 지름방향으로 연장되도록 함으로써, 슈라우드와 블레이드 사이의 공간을 통해 기체가 흡입측으로 역류하는 것을 방지할 수 있는 터보 압축기용 임펠러를 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 터보 압축기용 임펠러에 있어서, 중앙에 길이방향으로 구동축이 삽입되는 축삽입공이 형성되고, 외주면의 반경이 일단부에서 타단부로 진행할수록 점진적으로 증가하여 양단부에 소경부와 대경부가 형성된 허브; 및, 허브의 소경부측에 흡입단이 형성되고 대경부측에 토출단이 형성되어 상기 허브의 외주면에 등간격으로 배치되는 복수의 나선형 블레이드;를 포함하며, 상기 나선형 블레이드의 토출단은 대경부의 반경보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기용 임펠러에 의해 달성된다.

여기서, 상기 블레이드의 토출단은 일단부가 대경부의 외주면에 연결되는 제1모서리와, 상기 제1모서리보다 큰 반경으로 연장되어 제1모서리로부터 슈라우드를 향해 연장되는 제2모서리를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 블레이드의 제2모서리는 슈라우드를 향해 돌출되어, 흡입단과 슈라우드의 간격보다 토출단과 슈라우드의 간격이 좁게 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 블레이드의 흡입 및 압축효율을 향상시켜 마력과 토크를 증대시킬 수 있는 터보 압축기용 임펠러가 제공된다.

또한, 블레이드의 토출단 중 슈라우드측의 모서리가 대경부측 모서리보다 지름방향으로 연장되도록 함으로써, 슈라우드와 블레이드 사이의 공간을 통해 기체가 흡입측으로 역류하는 것을 방지할 수 있는 터보 압축기용 임펠러가 제공된다.

도 1은 종래 터보 압축기의 종단면도,
도 2는 종래 터보 압축기용 임펠러의 사용상태를 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명 터보 압축기용 임펠러의 사용상태를 나타내는 단면도,
도 4는 본 발명 터보 압축기용 임펠러의 정면도,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 터보 압축기용 임펠러의 사용상태를 나타내는 단면도,
도 6은 종래의 임펠러와 본 발명의 터보 압축기용 임펠러를 비교한 단면도,
도 7은 본 발명의 터보 압축기용 임펠러를 종래의 임펠러와 교체하는 과정을 나타내는 도면이고,
도 8은 종래의 임펠러와 본 발명의 터보 압축기용 임펠러의 성능을 비교한 그래프이다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 터보 압축기용 임펠러(100)에 대하여 상세하게 설명한다.

첨부도면 중 도 3은 본 발명 터보 압축기용 임펠러(100)의 사용상태를 나타내는 단면도이고, 도 4는 본 발명 터보 압축기용 임펠러(100)의 정면도이다.

상기 도면에서 도시하는 바와 같이, 본 발명 터보 압축기용 임펠러(100)는 터보 압축기(10)의 내부 양측의 압축실에 각각 배치되어 구동축(30)에 결합된 상태에서 모터의 구동에 의해 구동축(30)과 함께 회전한다. 이러한 배치구조 및 동작원리는 종래의 터보 압축기와 동일하게 이루어지므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

본 발명 터보 압축기용 임펠러(100)는 허브(110)와, 허브(110)의 외주면(114)에 형성되는 복수의 나선형 블레이드(120)로 구성된다.

상기 허브(110)는 중앙에 길이방향으로 구동축이 삽입되는 축삽입공(111)이 형성되고, 외주면(114)의 반경이 일단부에서 타단부로 진행할수록 점진적으로 증가하여 양단부에 소경부(112)와 대경부(113)가 형성된다.

상기 블레이드(120)는 나선형으로 이루어져 상기 허브(110)의 외주면(114)에 등간격으로 복수 배치되는 것으로, 허브(110)의 소경부(112)측에 흡입단(121)이 형성되고 대경부(113)측에 토출단(122)이 형성된다. 특히, 상기 블레이드(120)의 대경부(113)측 토출단(122)의 반경은 허브(110)의 대경부(113) 반경보다 크게 형성되어, 임펠러(100)를 소경부(112)측에서 바라보았을 때 허브(110)의 대경부(113)보다 블레이드(120)의 토출단(122)이 외측으로 돌출된 형태를 갖는다.

또한, 상기 블레이드(120)의 대경부(113)측 토출단(122)은 일단부가 대경부(113)의 외주면에 연결되는 제1모서리(122a)와, 제1모서리(122a)로부터 슈라우드(11c)를 향해 연장되는 제2모서리(122b)로 구성된다. 여기서, 상기 제2모서리(122b)는 제1모서리(122a)보다 큰 반경으로 연장되면서 제1모서리(122a)와 제2모서리(122b)를 서로 연결하는 부분이 경사를 이루어 대략 직각 삼각형 모양으로 형성된다. 한편, 상기 경사면의 각도는 회전중심축과 대략 30도 정도의 사이각을 이루도록 형성되는 것이 바람직하다.

지금부터는 상술한 터보 압축기용 임펠러(100)의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 터보 압축기용 임펠러(100)는 터보 압축기의 압축실에 각각 배치되고, 허브(110)의 중앙을 관통하는 축삽입공(111)이 구동축에 결합된 상태에서, 모터의 구동에 의해 구동축과 함께 회전하게 된다.

이때, 임펠러(100) 전방의 가스유로를 채우고 있는 기체는 허브(110)의 외주면(114)에 형성된 블레이드(120)에 의해 흡입되어 볼류트 측으로 토출되며, 이러한 과정에서 기체가 압축되는데, 블레이드(120)의 대경부(113)측 단부, 즉 토출단(122)의 반경이 허브(110)의 대경부(113) 반경보다 크게 형성되어 있으므로 원심력이 증가하여 블레이드(120)의 압축효율이 증가하게 된다.

또한, 상기 블레이드(120)와 슈라우드(11c) 사이의 공간(A)은 블레이드(120)의 흡입단(121) 측과 토출단(122) 측이 비교적 동일하게 유지되는데, 종래기술에서 언급한 것처럼 임펠러(100)가 회전하는 상태에서는 블레이드(120)의 흡입단(121)측 압력이 토출단(122) 측 압력보다 상대적으로 낮게 유지되므로 블레이드(120)와 슈라우드(11c) 사이의 공간(A)을 통해 토출측 기체가 흡입측으로 역류할 수 있으나, 본 실시예의 구성에 따르면, 디퓨져와 토출단(122) 사이의 유로상에서 슈라우드(11c)측 토출압력(P1)이 대경부(113)측 토출압력(P2)보다 상대적으로 높게 형성되므로, 블레이드(120)와 슈라우드(11c) 사이의 공간(A)을 통해 압축기체가 흡입측으로 역류하는 것이 방지된다.

다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 터보 압축기용 임펠러(100)에 대하여 설명한다.

첨부도면 중, 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 터보 압축기용 임펠러(100)의 사용상태를 나타내는 단면도이다.

본 발명의 제2실시예에 따른 터보 압축기용 임펠러(100)는 상기 블레이드(120)의 대경부(113)측 외측단 모서리가 슈라우드(11c)를 향해 돌출되어 소경부(112)측 블레이드(120)보다 슈라우드(11c)에 인접 배치되는 점에서 제1실시예와 구성의 차이를 갖는다.

이러한 본 발명의 제2실시예에 따른 터보 압축기용 임펠러(100)에 따르면, 블레이드(120)의 토출단(122) 제2모서리(122b)가 슈라우드(11c)를 향해 추가로 연장되면서, 블레이드(120)와 슈라우드(11c) 사이의 공간(A) 중, 토출측의 간격(T2)이 흡입측의 간격(T1)보다 상대적으로 좁게 형성되므로 흡입측과 토출측의 압력차이에 의해 블레이드(120)와 슈라우드(11c) 사이의 공간(A)을 통해 기체가 역류하는 것이 효과적으로 방지된다.

한편, 본 발명의 터보 압축기용 임펠러(100)는, 도 6에 도시된 바와 같이 종래의 임펠러(100)와 블레이드(120)의 외경을 동일하게 유지하되, 허브(110)의 체적을 줄이고, 블레이드(120)의 구동축방향 길이를 연장하여 블레이드(120)의 면적을 늘림으로써, 종래의 임펠러(100)에 비해 상대적으로 가벼우면서도 향상된 마력과 토크를 제공할 수 있다. 즉, 허브(110)와 블레이드(120)의 길이를 연장하여 마력과 토크를 증진시키는 한편, 허브(110)의 대경부(113)와 소경부(112)를 연결하는 외주면(114)의 곡률을 축소하여 허브(110)의 중량을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 터보 압축기용 임펠러(100)는 종래의 임펠러(100)와 허브(110)의 대경부(113) 직경과 허브(110)의 구동축 방향 길이, 그리고 구동축 삽입공의 내경이 동일하게 이루어지므로 종래 임펠러(100)와 호환이 가능하도록 구성된다.

따라서, 도 7의 (a)와 같이, 터보 압축기(10)에서 종래의 임펠러(30,40)를 제거하고, 도 7의 (b)와 같이 본 발명의 임펠러(100)를 구동축(30)에 결합한 다음 체결너트(N)를 구동축(30)의 단부에 고정하면, 도 8에 도시된 바와 같이 임펠러(100)의 교체만으로 터보 압축기의 마력과 토크가 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

100:임펠러, 110:허브, 111:축삽입공,
112:소경부, 113:대경부, 114:허브 외주면,
120:블레이드, 121:흡입단, 122:토출단,
122a:제1모서리, 122b:제2모서리

Claims (3)

1. 터보 압축기용 임펠러에 있어서,
   중앙에 길이방향으로 구동축이 삽입되는 축삽입공이 형성되고, 외주면의 반경이 일단부에서 타단부로 진행할수록 점진적으로 증가하여 양단부에 소경부와 대경부가 형성된 허브; 및,
   허브의 소경부측에 흡입단이 형성되고 대경부측에 토출단이 형성되어 상기 허브의 외주면에 등간격으로 배치되는 복수의 나선형 블레이드;를 포함하며,
   상기 나선형 블레이드의 토출단은 대경부의 반경보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기용 임펠러.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 블레이드의 토출단은 일단부가 대경부의 외주면에 연결되는 제1모서리와, 상기 제1모서리보다 큰 반경으로 연장되어 제1모서리로부터 슈라우드를 향해 연장되는 제2모서리를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기용 임펠러.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 블레이드의 제2모서리는 슈라우드를 향해 돌출되어, 흡입단과 슈라우드의 간격보다 토출단과 슈라우드의 간격이 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기용 임펠러.

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