KR20150096785A - 다단 압축기 및 다단 압축기의 작동 방법 - Google Patents

Abstract

복수 개의 축방향으로 적층된 임펠러(12; 12B, 12)를 로터(11)와, 상기 적층된 임펠러를 통해 연장되고 상기 임펠러들을 함께 유지하는 타이 로드(14)를 포함하는 다단 압축기(10)가 설명된다. 가스 압축 경로(P)는 압축기 입구로부터 압축기 출구로 그리고 임펠러를 통해 연장된다. 타이 로드(14)와 상기 적층된 임펠러(12, 12A, 12B) 사이에 유동 채널(17)이 마련된다. 유동 채널은 타이 로드의 적어도 일부를 따라 형성된다. 고온 가스가 압축 경로(P)로부터 전환되어 유동 채널을 통해 유동함으로써 압축기의 시동 중에 타이 로드를 가열시킨다.

Description

다단 압축기 및 다단 압축기의 작동 방법{MULTISTAGE COMPRESSOR AND METHOD FOR OPERATING A MULTISTAGE COMPRESSOR}

본 명세서에 개시된 주제의 실시예는 전반적으로 다단 압축기 및 다단 압축기의 작동 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 적층형 로터 구성을 갖는 다단 압축기에 관한 것이다.

다단 압축기는 산업용 냉장, 석유 및 가스 처리에 그리고 저온 프로세스 및 기타 용도에 널리 사용되고 있다.

공지된 타입의 많은 다단 압축기 중에서, 타이 로드(tie rod)에 의해 함께 유지되는 적층형 임펠러를 포함하는 다단 압축기가 널리 공지되어 있다. 적층형 로터를 포함하는 다단 압축기는 예컨대 미국 공개 제2011/0262284호에 개시되어 있다.

도 1은 종래 기술의 다단 압축기의 축방향 단면도를 도시하고, 도 2는 도 1의 상세 확대도를 도시한다. 상기 다단 압축기는 참조 번호 100으로 지시되고, 입구(110A), 출구(110B), 복수 개의 적층형 임펠러(112)로 구성되는 로터(111), 및 로터(111)를 수용하는 고정식 하우징(113)을 포함한다. 고정식 하우징은 격막(113A)을 포함하고, 격막에서 각 임펠러가 가스 유동을 방출하여 다음 임펠러로 가스 유동을 복귀시키기 전에 가스 유동의 운동 에너지를 압력 회복으로 전환시킨다. 각 임펠러/격막의 조합은 일반적으로 "단(stage)"으로서 지칭된다. 격막(113A)과 로터(111)는 케이싱(113B) 내에 수용된다. 압축기에서, 압축기 입구(110A)로부터 상기 복수 개의 임펠러(112) 및 격막(113A)을 통해 압축기 출구(110B)로 연장되는 가스 압축 경로(P; 점선으로 지시됨)가 규정된다. 가스 압축 경로(P)는 적절한 시일, 예컨대 건식 가스 시일(S)을 이용하여 케이싱, 격막 및 로터에 대해 밀봉된다.

임펠러(112)는 임펠러(112)를 통해 축방향으로 연장되는 타이 로드(114)에 의해 함께 유지된다. 제1 압축기 단은 제1 임펠러(112A)를 포함하고, 마지막 압축기 단은 마지막 임펠러(112B)를 포함한다. 로터(111)는 또한 복수 개의 임펠러(112)의 2개의 대향 단부에 마련되는 2개의 말단 요소(115A, 115B)를 포함한다. 타이 로드(114)의 2개의 단부는 말단 요소(115A-115B)에 대해 속박된다.

보다 구체적으로, 임펠러(112)의 허브는 타이 로드(114)가 내부에서 통과하는 관통 홀(116)을 갖는다. 홀(116)은 타이 로드(114)와 임펠러(112) 사이에 간극을 남겨 두도록 치수가 정해진다.

특히 도 2를 참조하면, 각 임펠러(112)는 각각의 2개의 인접한 임펠러(112)의 각각의 치형 플랜지와 맞물리거나, 임펠러가 임펠러 스택에서 제1 또는 마지막 임펠러인 경우에, 인접한 임펠러(112)의 치형 플랜지 및 말단 요소(115A, 115B) 중 하나의 치형 플랜지(119)와 각각 맞물리는 2개의 대향하는 치형 플랜지(118)를 포함한다.

압축 경로(P)로부터 간극(117)으로의 가스 누출을 피하기 위해, 치형부의 맞물림 영역(121) 상에 시일(120)이 마련된다.

가스 압축기는 로터 베어링 상에 임펠러의 축방향 스러스트를 밸런싱하기 위한 밸런싱 라인(122; 일점쇄선으로 지시됨)을 포함한다. 보다 구체적으로, 압축기는 말단 요소(115B) 상에 형성된 밸런싱 드럼(123)을 포함한다. 밸런싱 드럼(123)은 밸런싱 구역(124)을 마지막 압축기 단의 출구와 유체 연통하는 구역으로부터 분리시킨다. 밸런싱 구역(124)은 제1 임펠러(112A)의 입구와 유체 연통식으로 연결됨으로써, 밸런싱 구역(124) 내의 압력은 제1 임펠러(112A)의 입구에서의 압력과 실질적으로 동일하다. 밸런싱 드럼(123)은 압축기 케이싱 내에 형성된 원통형 하우징 내에 배치된다. 하우징과 드럼 사이에 래비린드 시일(123A)이 마련됨으로써, 마지막 단으로부터 밸런싱 구역(124)을 향하는 보정 가스 유동 누출(F)이 허용된다. 상기 밸런싱 구역(124)과, 마지막 단 임펠러(112B)와 대면하는 밸런싱 드럼의 대향면 간의 압력차는 밸런싱 드럼에 대해 축방향 스러스트를 발생시킨다. 밸런싱 드럼(123) 상의 축방향 스러스트는 압축기를 통해 유동하는 처리 유체에 의해 임펠러 상에 발생되는 축방향 스러스트를 상쇄시킨다. 밸런싱 라인(122)은 일반적으로 압축기의 케이싱 외측에 있는 파이프라인에 의해 형성된다.

압축 프로세스는 압축기를 통해 유동하는 처리 가스의 온도 증가를 유발한다. 시동 중에, 기계 구성요소들은 일반적으로 대기 온도에 있고 정상 온도 상태에 도달될 때까지 처리 가스에 의해 가열된다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 바와 같은 적층형 로터를 갖는 압축기에서, 임펠러는 타이 로드보다 빨리 가열된다. 이로 인해, 시동 천이 페이스 중에 타이 로드(114)와 임펠러(112) 간에 높은 온도 구배가 유발된다. 이 높은 온도 구배 때문에, 높은 열 응력이 발생되고, 이는 압축기의 수명을 단축시키거나 오기능을 유발할 수 있다.

종래 기술의 문제들 중 하나 이상을 적어도 부분적으로 완화시키기 위해, 압축기에 의해 처리된 유체를 압축시킴으로써 생성되는 열이, 압축기 로터의 적층형 임펠러를 유지하는 타이 로드를 가열시키는 데에 사용되는 다단 압축기가 제공된다. 다단 압축기는 복귀 유동 경로를 포함하고, 압축된 처리 가스의 일부가 이 복귀 유동 경로를 따라 가스 압축 경로의 하류측 지점으로부터 상류측 지점으로 환류한다. 복귀 유동 경로는 타이 로드를 따라 유동함으로써, 압축된 또는 부분적으로 압축된 처리 가스에서 압축에 의해 발생된 열은 강제 대류에 의해 타이 로드로 전달된다. 따라서, 타이 로드는 종래 기술의 압축기보다 빨리 가열된다.

몇몇 실시예에 따르면, 복수 개의 축방향으로 적층된 임펠러, 적층된 임펠러를 통해 연장되고 상기 임펠러들을 함께 유지하는 타이 로드, 압축기 입구로부터 압축기 출구로 그리고 상기 복수 개의 임펠러를 통해 연장되는 가스 압축 경로를 포함하는 다단 압축기가 제공된다. 압축기는 타이 로드와 적층된 임펠러 사이의 유동 채널을 더 포함한다. 유동 채널은 타이 로드의 적어도 일부를 따라 연장된다. 유동 채널은 가스 압축 경로를 따른 제1 지점 및 제2 지점과 유체 연통한다. 정상 작동 상태 동안에, 상기 제1 지점에서 압축기에 의해 처리된 가스의 압력은 제2 지점에서 가스의 압력과 상이하다. 압축 경로에서 제1 지점과 제2 지점 사이의 가스 압력차는 유동 채널을 따라 가스 유동을 발생시킨다.

압축기 시동시에, 제1 지점으로부터 제2 지점으로 유동하는 가스의 온도는 압축에 유발되는 가스의 온도 증가로 인해 타이 로드의 온도보다 대체로 높다. 유동 채널을 따라 유동하는 가스는 타이 로드를 가열시키므로, 임펠러와 타이 로드 간의 온도 구배를 감소시킨다.

몇몇 실시예에 따르면, 유동 채널은 아래에서 더 설명되는 바와 같이 베어링 상의 임펠러의 스러스트를 밸런싱하기 위한 "밸런싱 라인"으로서 사용될 수 있다.

몇몇 예시적인 실시예에서, 제1 지점은 제1 압축기 단에 마련되고, 제2 지점은 마지막 압축기 단에 마련된다. 이 방식에서, 타이 로드 상의 열 이득이 최대화되는데, 그 이유는 고온 가스 유동이 그 거의 전부의 축방향 연장부를 따라 타이 로드와 접촉하기 때문이다. 더욱이, 타이 로드와 접촉하는 압축 가스는 마지막 단, 즉 가스 온도가 가장 높은 곳에서 취한다.

예시적인 실시예에 따르면, 각 임펠러는 2개의 다른 인접한 임펠러의 표면과, 또는 인접한 임펠러의 표면 및 복수 개의 적층된 임펠러의 일단부에 있는 말단 요소의 표면과 접촉하는 2개의 대향하는 접촉면을 포함한다. 가스 압축기가 제1 통로와 제2 통로를 포함한다면, 상기 통로 중 적어도 하나는 2개의 인접한 임펠러들의 접촉면들 사이에 또는 상기 말단 요소 및 인접한 임펠러 중 하나의 접촉면들 사이에 형성된다. 이 형태는 압축기의 구성을 간소화시킨다. 몇몇의 예시적인 실시예에서, 제1 통로는 제1 임펠러의 허브의 상호 접촉하고 맞물리는 표면과 제1 말단 요소의 대응하는 맞물림 표면 사이에 형성될 수 있다. 제2 통로는 마지막 임펠러의 허브의 상호 접촉하고 맞물리는 표면과 제2 말단 요소의 대응하는 맞물리는 표면 사이에 형성될 수 있다.

상호 적층된 임펠러들과 제1 및 제2 말단 요소 간에 비틀림 속박을 제공하기 위하여, 비틀림 속박 부재가 제공될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 접촉면에는 각각의 맞물림 표면을 형성하는 전방 치형 플랜지가 제공된다. 서로 상호 작용하는 플랜지들의 치형부는 허스 커플링(Hirth coupling)을 형성한다. 대신에, 커빅 연결부(corvic connections), 볼트 또는 다른 공지된 메카니즘 등의 다른 연결 부재가 사용될 수 있다.

가스 유동이 요구되지 않는 맞물림 표면을 가로질러, 예컨대 인접한 임펠러들 간에 중간 접촉 및 맞물림 표면에서 가스가 유동하는 것을 방지하기 위하여, 맞물림 영역 둘레에 밀봉 부재가 제공될 수 있다. 예컨대, 밀봉 부재는 임펠러 허브 상의 관통 홀의 내표면에 배치되는 환형 시일일 수 있고, 타이 로드는 맞물림 영역에만 배치된다.

다른 실시예에 따르면, 2개의 통로 중 적어도 하나는 덕트일 수 있고, 예컨대 말단 요소의 임펠러의 허브를 통해 제공될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 가스 압축기는 로터 베어링 상에 축방향 스러스트를 밸런싱하기 위한 밸런싱 라인을 포함한다. 보다 구체적으로, 압축기는 임펠러에 축방향으로 속박되고 임펠러의 축방향 스러스트와 대비되는 밸런스 드럼을 포함한다. 밸런스 드럼은 마지막 압축기 단과 대면하는 제1 면 및 제1 압축기 단의 입구와 유체 연통식으로 연결되는 밸런싱 구역과 대면하는 제2 대향 면을 가짐으로써, 밸런싱 구역의 압력은 제1 압축기 단의 입구에서의 압력과 실질적으로 동일하다. 밸런싱 드럼의 2개의 면 상의 압력차는 압축기를 통해 처리된 가스에 의해 임펠러에 발생된 압축기 스러스트에 대향하는 축방향 스러스트를 발생시킨다. 압축기는 마지막 단의 출구를 밸런스 드럼에 결합된 밸런싱 구역과 유체 연통식으로 연결하는 통로를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 유동 채널과 밸런싱 구역을 유체 연통식으로 연결하는 통로가 제공된다. 이 구성에서, 임펠러와 타이 로드 사이에 형성되는 유동 채널이 "밸런싱 라인"으로서 기능할 수 있다. 따라서, 외부 밸런싱 라인이 요구되지 않는다.

몇몇 실시예에 따르면, 유동 채널과 밸런싱 구역을 유체 연통식으로 연결하는 통로가 밸런싱 드럼 전체에 걸쳐 제공된다.

다른 양태에 따르면, 본 개시는 타이 로드에 의해 함께 유지되는 복수 개의 축방향으로 적층된 임펠러를 갖는 압축기 로터와, 타이 로드의 적어도 일부를 따라 연장되는 유동 채널을 포함하는 다단 압축기를 작동시키는 방법에 관한 것이다. 방법은 임펠러를 통해 유동 채널을 따라 그리고 상기 타이 로드를 따라, 예컨대 가스 압축 경로로부터 흡인된 압축 고온 가스를 유동시킴으로써 타이 로드를 가열시키는 단계를 포함한다. 압축 고온 가스는 압축기의 하류측 단으로부터 상류측 단으로 유동한다.

몇몇 예시적인 실시예에서, 방법은 마지막 임펠러의 출구로부터 제1 임펠러의 입구로 유동하는 압축 가스의 유동에 의해 타이 로드를 가열시키는 것을 제공한다.

특징 및 실시예가 아래에 개시되고 본 설명의 일체부를 형성하는 첨부된 청구범위에 또한 기술되어 있다. 상기 간략한 설명은 아래의 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있도록 그리고 당업계에 대한 본 발명의 기여가 더 잘 인지될 수 있도록 본 발명의 다양한 실시예의 특징을 기술하고 있다. 물론, 이후에 설명되고 첨부된 청구범위에 기술되는 본 발명의 다른 특징이 존재한다. 이와 관련하여, 본 발명의 여러 실시예를 상세하게 설명하기 전에, 본 발명의 여러 실시예는 그 용례가 아래의 설명에 기술된 또는 도면에 도시된 구성의 상세 및 구성요소들의 배열에 제한되지 않는다는 점을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예가 가능하고 다양한 방식으로 실시 및 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 채용된 어법 및 용어는 설명을 위한 것이고 제한으로서 간주되어서는 안된다.

따라서, 당업자라면 본 개시가 기초로 하는 개념이 본 발명의 여러 목적을 수행하기 위한 다른 구조, 방법, 및/또는 시스템을 설계하기 위한 기초로서 쉽게 이용될 수 있다는 것을 알 것이다. 따라서, 청구범위는 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 한 그러한 균등 구성을 포함하는 것으로서 간주된다는 것이 중요하다.

본 발명의 개시된 실시예 및 그 동반된 많은 이점의 보다 완벽한 인지는 첨부 도면과 함께 고려될 때에 이하의 상세한 설명을 참조하여 더 양호하게 이해됨에 따라 쉽게 얻어질 것이다. 도면에서:
도 1은 종래 기술의 다단 압축기의 메인 부품의 축방향 단면도를 도시하고;
도 2는 도 1의 확대된 부분을 도시하며;
도 3은 본 개시의 일 실시에에 따른 다단 압축기의 메인 부품의 축방향 단면도를 도시하고;
도 4는 도 3의 확대된 부분을 도시하며;
도 5는 도 3에 도시된 실시예의 제1 변형예의 일부를 도시하고;
도 6은 도 3에 도시된 실시예의 제2 변형예의 일부를 도시하며;
도 7은 도 3에 도시된 실시예의 제3 변형예의 일부를 도시하고;
도 8은 도 3에 도시된 실시예의 제4 변형예의 일부를 도시한다.

예시적인 실시예의 아래의 상세한 설명은 첨부 도면을 참조한다. 여러 도면에서 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 요소를 가리킨다. 게다가, 도면은 반드시 실척으로 도시되지 않는다. 또한, 아래의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 한정된다.

"일 실시예" 또는 "실시예" 또는 "몇몇 실시예"에 대한 명세서 전반의 참조는 실시예와 관련하여 설명되는 특별한 특징, 구조 또는 특성이 개시된 주제의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 명세서의 다양한 장소에서 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서" 또는 "몇몇 실시예에서"라는 문구의 출현은 반드시 동일한 실시예(들)를 가리키지 않는다. 또한, 특별한 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.

도 3 내지 도 8을 참조하면, 참조 번호 10은 전체적으로 다단 압축기를 지시한다. 다단 압축기는 입구(10A), 출구(10B), 복수 개의 적층형 임펠러(12)를 갖는 로터(11), 및 로터(11)를 수용하는 고정식 하우징(13)을 포함한다.

고정식 하우징은 복수 개의 격막(113A)을 포함하고, 격막에서 각 임펠러(12)가 가스 유동을 방출하여 다음 임펠러로 가스 유동을 복귀시키기 전에 가스 유동의 운동 에너지를 압력 회복으로 전환시킨다. 각 임펠러/격막의 조합은 "단(stage)"으로서 지칭된다. 압축기의 제1 단은 제1 임펠러(12A)를 포함하고, 압축기의 마지막 단은 마지막 임펠러(12B)를 포함한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "제1" 및 "마지막"이라는 용어는 압축기에 의해 처리되는 가스의 유동 방향을 참조한다. 따라서, 제1 단과 제1 임펠러는 압축기 입구에 가장 가까운 것, 즉 최상류측의 것이고, 마지막 단과 마지막 임펠러는 압축기 출구에 가장 가까운 것, 즉 최하류측의 것이다. 격막(13A)과 로터(11)는 케이싱(113B) 내에 수용된다. 상류측과 하류측이라는 용어는 압축기를 통해 처리되는 가스의 유동 방향을 참조한다.

압축기(10)에서, 압축기 입구(10A)로부터 상기 복수 개의 임펠러(12) 및 격막(13A)을 통해 압축기 출구(10B)로 가스 압축 경로(P; 점선으로 지시됨)가 연장된다. 가스 압축 경로(P)는 적절한 시일, 예컨대 건식 가스 시일(S)을 이용하여 케이싱, 격막 및 로터에 대해 밀봉된다.

임펠러(112)는 적층되고 타이 로드(114)에 의해 함께 유지된다. 타이 로드(14)는 임펠러를 통해 축방향으로 연장된다. 로터(11)는 또한 2개의 말단 요소, 즉 제1 임펠러(12A)에 가까운, 복수 개의 임펠러의 단부에 제공되는 최상류측의 제1 말단 요소(15A)와, 마지막 임펠러(12B)에 가까운, 복수 개의 임펠러의 대향 단부에 제공되는 최하류측의 제2 말단 요소(15B)를 포함한다. 타이 로드(14)의 2개의 단부는 말단 요소(15A-15B)에 대해 속박된다.

임펠러(12)의 허브는 타이 로드가 내부에서 통과하는 관통 홀(16)을 갖는다. 관통 홀(16)은 타이 로드(114)와 홀(16)의 내표면 사이에 내부 공간 또는 간극(17)을 남겨 두도록 치수가 정해진다.

각 임펠러(12)는 2개의 다른 인접한 임펠러(12)의 표면들 각각과, 또는 인접한 임펠러의 표면 및 복수 개의 적층형 임펠러의 일단부에 있는 말단 요소(15A 또는 15B)의 표면과 각각 상호 작용하는 2개의 대향하는 접촉면을 포함한다. 접촉은 임펠러가 서로에 대해 비틀림 방식으로 속박되고 토크가 임플러들 간에 전달되도록 되어 있다. 몇몇 실시예에서, 각 임펠러(12)는 2개의 다른 인접한 임펠러(12)의 각각의 치형 플랜지와 맞물리거나, 임펠러가 임펠러 스택에서 제1 임펠러(12A) 또는 마지막 임펠러(12B)인 경우에, 인접한 임펠러(12)의 치형 플랜지(18) 및 말단 요소(15A, 15B)의 치형 플랜지(19A 또는 19B)와 각각 맞물리는 2개의 대향하는 치형 플랜지(18)를 포함한다. 치형 플랜지는 허스 커플링(Hirth coupling) 또는 연결부를 형성한다. 당업자에게 공지된 다른 종류의 연결부가 허스 타입 커플링 대신에 사용될 수 있다.

압축 경로(P)로부터 내부 공간 또는 간극(117)으로의 가스 누출을 피하기 위해, 각각의 인접한 중간 임펠러(12)의 치형부가 상호 작용하는 곳에서 맞물림 영역(21) 상에 시일(20)이 마련된다.

압축기는 로터 베어링 상에 임펠러의 축방향 스러스트를 밸런싱하기 위한 밸런싱 라인(122; 일점쇄선으로 지시됨)을 포함한다. 보다 구체적으로, 압축기는 마지막 임펠러(12B)의 출구와 유체 연통하는 구역으로부터 밸런싱 구역(24)을 한정하는 밸런싱 드럼(23; 말단 요소(15B) 상에 형성됨)을 포함한다. 밸런싱 구역(24)은 제1 임펠러(12A)의 입구와 유체 연통식으로 연결됨으로써, 밸런싱 구역(24) 내의 압력은 제1 임펠러(12A)의 입구의 압력과 실질적으로 동일하다.

밸런싱 드럼(23)은 케이싱(13B) 내의 원통형 하우징 내에 배치된다. 하우징과 밸런싱 드럼(23) 사이에 래비린드 시일(23A)이 마련됨으로써, 마지막 임펠러(12B)의 출구로부터 밸런싱 구역(24)을 향하는 보정 가스 유동 누출이 허용된다. 마지막 임펠러와 대면하는 밸런싱 드럼(23)의 제1 면(23')과, 밸런싱 구역(24)과 대면하는 제2 대향 면(23") 간의 압력차는 밸런싱 드럼(23) 상에 축방향 스러스트를 발생시킨다. 밸런싱 드럼(23) 상의 축방향 스러스트는 임펠러에 의해 가해지는 축방향 스러스트를 상쇄시킨다. 이 실시예에서, 밸런싱 라인(22)은 압축기 케이싱 외측에 있는 파이프라인에 의해 형성된다.

내부 공간 또는 간극(17)은 타이 로드(14)와 적층형 임펠러(12) 사이에 유동 채널을 형성한다. 유동 채널(참조 번호 17로 지시됨)은 가스 압축 경로(P)를 다라 제1 지점(PA) 및 제2 지점(PB)과 유체 연통한다. 제1 지점(PA)은 제2 지점(PB)보다 낮은 압력으로 있다. 제1 지점(PA)과 제2 지점(PB) 간의 압력차는 아래에서 더 설명되는 바와 같이 유동 채널(17)을 따라 가스 유동을 발생시킨다.

몇몇 실시예에 따르면, 제1 지점(PA)은 제1 임펠러(12A)가 배치되는 제1 압축기 단의 입구에 제공되고, 제2 지점(PB)은 마지막 임펠러(12B)가 배치되는 마지막 압축기 단의 출구에 제공된다. 이는 제1 지점(PA)과 제2 지점(PB) 간에 최대 압력차를 제공한다.

제1 지점(PA)과 유동 채널(17) 간의 유체 연결 뿐만 아니라 유동 채널(17)과 제2 지점(PB) 간의 유체 연결은 각각의 통로들에 의해 성립된다.

도 3 및 도 4의 실시예에서, 제1 임펠러(12A)의 치형 플랜지(18A)가 제1 말단 요소(15A)의 치형 플랜지(19A)와 맞물리는 맞물림 영역(21A)에는, 적어도 제1 가스 통로(25)가 치형 플랜지(18A, 19A)의 상호 작용하는 치형부를 통해 제1 지점(PA)과 유동 채널(17) 사이에 형성되도록 시일(20)이 적어도 부분적으로 없다.

도 5는 변형예를 도시한다. 동일한 참조 번호는 동일한 또는 대응하는 구성요소 또는 요소를 가리키고, 다시 상세하게 설명되지 않는다. 압축 경로(P)의 제1 지점(PA)과 유체 연통식으로 연결되는, 참조 번호 25로 지시되는 제1 통로가 제1 임펠러(12A)의 본체 또는 허브를 통해 제공된다. 맞물림 영역(21A)을 밀봉하는 시일(20A)이 제공된다.

도 6에서, 다른 변형예는 제1 말단 요소(15A)의 본체를 통해 배치되는 제1 통로(25)를 제공한다. 맞물림 영역(21A)을 밀봉하는 시일(20A)이 제공된다. 다른 실시예에서, 제1 통로는 다른 위치에 그리고 로터의 다른 본체 또는 구성요소를 통해 제공될 수 있다.

도 3 및 도 4의 실시예에서, 마지막 임펠러(12B)의 치형 플랜지(18B)가 제2 말단 요소(15B)의 치형 플랜지(19B)와 맞물리는 맞물림 영역(21B)에는, 적어도 제2 가스 통로(26)가 치형 플랜지(18B, 19B)의 치형부를 통해 제2 지점(PB)과 유동 채널(17) 사이에 형성되도록 시일(20)이 적어도 부분적으로 없다.

도 7에서, 변형예는 마지막 임펠러(12B)의 본체 또는 허브를 통해 배치되는 제2 통로(26)를 제공한다. 맞물림 영역(21B)을 밀봉하는 시일(20B)이 제공된다.

도시되지 않은 다른 실시예에서, 제2 통로(26)는 도 6의 제1 통로(25)의 경우와 유사하게 제2 말단 요소(15B)의 본체를 통해 제공될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 제2 통로(26)는 다른 위치에 그리고 로터의 다른 본체 또는 구성요소를 통해 제공될 수 있다.

압축기의 시동시에, 타이 로드(14) 및 임펠러(12)와 함께 로터(11)가 회전을 시작한다. 가스는 압축기 입구(10A)를 통해 진입하고 순차적으로 배치된 임펠러(12A, 12, 12...12B)를 통해 압축 경로(P)를 따라 유동하며 최종적으로 압축기 출구(10B)에서 빠져나간다. 마지막 임펠러(12B)의 출구에서, 즉 제2 지점(PB)에서, 가스는 최대 압력값 및 온도값에 도달하고, 제1 임펠러(12A)의 입구에서, 즉 제1 지점(PA)에서, 가스는 최저 온도값 및 압력값을 갖는다. 제1 단과 마지막 단 사이의 압력차는 제2 지점(PB)으로부터 유동 채널(17) 내의 제2 통로(26)를 통해, 그리고 유동 채널(17)로부터 제1 통로(25)를 통해 제1 지점(PA)으로 고온 가스 유동(F; 일점 쇄선으로 지시됨)을 발생시킨다.

유동 채널(17)을 따라 유동하는 고온 가스는 타이 로드(14)를 가열시킨다(시동 전에, 타이 로드는 일반적으로 실온으로 있다). 따라서, 이 천이 페이스에서, 타이 로드(14)와 임펠러(12A, 12, 12...12B) 간의 온도 구배가 감소된다.

가열 효과를 최대화하기 위하여, 전술한 바와 같이, 고온 가스는 마지막 단으로부터 인입되고 제1 단에서 가스 압축 경로 내에 재도입된다. 다른 실시예에서, 지점(PA, PB)은 압축 경로를 따라 상이한 위치에 배치될 수 있다.

도 8에, 다른 실시예가 도시되어 있다. 이 경우에, 임펠러의 축방향 스러스트를 밸런싱하도록 사용되는 밸런싱 라인은 유리하게는 유동 채널(17)에 의해 제공되고, 외부 덕트가 제거된다. 통로(26')는 밸런싱 드럼(23)의 밸런싱 구역(24)을 마지막 임펠러(12B)의 출구에 배치되는 압축 경로의 제2 지점(PB)에 유체 연통식으로 연결시킨다. 통로(26')는 예컨대 래비린드 시일(23A)에 의해 형성됨으로써, 마지막 임펠러(12B)의 출구로부터 밸런싱 구역(24)을 향해 보정 가스 유동 누출이 발생된다.

제2 말단 요소(15B)에 마련되는 제2 통로(26")를 통해, 밸런싱 구역(24)이 유동 채널(17)과 유체 연통식으로 연결된다. 따라서, 가스 유동(F)이 제2 지점(PB)으로부터 밸런싱 구역(24)으로 압력 강하에 의해 유동하고, 밸런싱 구역(24)으로부터 제2 통로(26")를 통해 유동 채널(17)로 유동한다. 사실상, 제2 지점(PB)과 유동 채널(17) 사이의 유체 연통로가 통로(26'), 밸런싱 구역(24) 및 제2 통로(26")에 의해 형성된다. 유동 채널(17)로부터, 가스는 예컨대 임펠러(12A)의 플랜지(18A)의 치형부와 제1 말단 요소(15A)의 플랜지(19A)의 치형부 사이에서 맞물림 영역(21A)에 형성되는 제1 통로(25)를 통해 제1 압축기 단에서의 제1 지점(PA)을 향해 유동한다[맞물림 영역(21A)에 시일에 마련되지 않는다].

타이 로드(14)를 따른 가스 유동은 타이 로드(14)를 가열시켜, 시동 중에 임펠러와 타이 로드 간의 열 구배를 감소시킨다. 동시에, 가스 유동은 밸런싱 유동으로서 작용하여, 로터 베어링 상에 임펠러의 스러스트를 밸런싱한다. 이 결과는 압축기의 제1 단과 마지막 단을 연결하는 유동 채널로서 임펠러(12A, 12, 12,...12B)와 타이 로드(14) 사이의 내부 공간 또는 간극(17)을 이용하여 달성된다.

본 개시는 또한 타이 로드(14)에 의해 함께 유지되는 복수 개의 축방향으로 적층된 임펠러(12)를 갖는 압축기 로터(11)와, 타이 로드(14)를 따라 연장되는 유동 채널(17)을 포함하는 다단 압축기를 작동시키는 방법에 관한 것이다. 방법은 임펠러(12)를 통해 유동 채널(17)을 따라 그리고 적어도 2개의 상이한 단을 가로질러 상기 타이 로드(14)를 따라 고온 가스(F)를 유동시킴으로써 타이 로드(14)를 가열시키는 단계를 포함한다. 보다 구체적으로, 몇몇 실시예에서, 방법은 가스 압축 경로의 고압 지점으로부터 압축기에 의해 처리된 적어도 부분적으로 압축된 가스의 일부를 유동 채널(17)을 통해 압축 경로의 저압 지점으로 전환시키는 단계를 포함한다.

몇몇 실시예에서, 타이 로드(14)를 가열하는 데에 사용되는 압축 가스는 마지막 임펠러(12B)의 출구로부터 제1 임펠러(12A)의 입구로 유동한다.

마지막 단으로부터, 가열 가스는 유동 채널(17) 내에서 유동하여 마지막 임펠러(12B)와 제2 말단 요소(15B) 사이를 통과하거나(도 3 및 도 4), 또는 마지막 임펠러(12B) 또는 제2 말단 요소(15B)의 허브 또는 본체를 통과한다(도 7 또는 도 8).

유동 채널(17)로부터, 가열 가스는 제1 단에서 유동하여 제1 임펠러(12A)와 제1 말단 요소(15A) 사이를 통과하거나(도 3 및 도 4), 또는 제1 임펠러(12A) 또는 제1 말단 요소(15A)의 허브 또는 본체를 통과한다(도 5 또는 도 6).

유동 채널과 유체 연통하는 단이 제1 단 및 마지막 단이 아닌 경우에, 가열 가스는 2개의 인접한 임펠러(12)를 통과하여 또는 임펠러의 허브/본체를 통과하여 유동할 수 있다.

방법은 또한 로터의 베어링에 대한 임펠러의 스러스트의 밸런스를 제공한다. 가스는 마지막 임펠러(12B)의 출구로부터 드럼(23)에 관하여 상기 마지막 단 임펠러에 대향하는 위치에서 밸런싱 드럼 상에 형성되는 밸런싱 구역(24)으로 통과하게 되고, 그리고 상기 밸런싱 구역(24)으로부터 제1 임펠러(12A)의 입구를 향해 타이 로드(14) 상에서 및 타이로드를 따라 상기 임펠러들을 통과하게 됨으로써, 상기 입구에서의 압력은 밸런싱 드럼의 상기 밸런싱 구역의 압력과 실질적으로 동일하다.

본 명세서에 설명된 주제의 개시된 실시예를 도면에 도시하고 여러 가지의 예시적인 실시예와 관련하여 꼼꼼하고 상세하게 위에서 충분히 설명하였지만, 본 명세서에 기재된 신규한 교시, 원리 및 개념과, 첨부된 청구범위에 기재된 주제의 이점으로부터 물리적으로 벗어남이 없이 많은 변경, 변화 및 생략이 가능하다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 개시된 혁신의 적절한 범위는 그러한 모든 변경, 변화 및 생략을 포괄하도록 첨부된 청구범위의 가장 넓은 해석에 의해서만 결정되어야 한다. 또한, 임의의 프로세스 또는 방법 단계들의 순서 또는 절차는 변형예에 따라 변경되거나 재배열될 수 있다.

Claims (16)

1. 다단 압축기로서,
   복수 개의 축방향으로 적층된 임펠러,
   상기 적층된 임펠러를 통해 연장되고 상기 임펠러들을 함께 유지하는 타이 로드,
   압축기 입구로부터 압축기 출구로 그리고 상기 복수 개의 임펠러를 통해 연장되는 가스 압축 경로,
   상기 타이 로드와 상기 적층된 임펠러 사이의 유동 채널
   을 포함하고, 상기 유동 채널은 상기 타이 로드의 적어도 일부를 따라 형성되며, 상기 유동 채널은 상기 가스 압축 경로를 따른 제1 지점 및 상기 가스 압축 경로를 따른 제2 지점과 유체 연통하고, 상기 압축 경로에서 상기 제1 지점과 제2 지점 사이의 압력차는 상기 유동 채널을 따라 가스 유동을 발생시키는 것인 다단 압축기.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 지점은 제1 압축기 단의 입구에 마련되고, 상기 제2 지점은 마지막 압축기 단의 출구에 마련되는 것인 다단 압축기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 지점을 상기 유동 채널과 유체 연통식으로 연결하는 적어도 제1 통로와, 상기 제2 지점을 상기 유동 채널과 유체 연통식으로 연결하는 적어도 제2 통로를 포함하는 것인 다단 압축기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 각 임펠러는 2개의 인접한 임펠러의 각각의 표면과, 또는 인접한 임펠러의 표면 및 복수 개의 적층된 임펠러의 일단부에 있는 말단 요소의 표면과 상호 작용하는 2개의 대향하는 접촉면을 포함하는 것인 다단 압축기.
5. 제3항 및 제4항에 있어서, 상기 통로 중 적어도 하나는 2개의 인접한 임펠러들의 접촉면들 사이에, 또는 상기 말단 요소의 접촉면과 인접한 임펠러의 접촉면 사이에 형성되는 것인 다단 압축기.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 인접한 임펠러들, 또는 임펠러와 말단 요소는 함께 맞물리는 각각의 치형 플랜지에 의해 서로 접촉되고, 맞물리는 치형 플랜지들의 적어도 일부 사이에서 가스 누출을 감소 또는 방지하도록 밀봉 부재가 배치되고 구성되는 것인 다단 압축기.
7. 제3항 및 제6항에 있어서, 상기 2개의 통로 중 적어도 하나가 함께 맞물리는 2개의 치형 플랜지들 사이에 마련되는 것인 다단 압축기.
8. 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2개의 통로 중 적어도 하나는 임펠러의 허브를 통해, 또는 복수 개의 적층된 임펠러의 일단부에 있는 말단 요소를 통해 마련되는 덕트인 것인 다단 압축기.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 최상류측 임펠러와 대면하는 제1 면과, 최상류측 압축기 단과 유체 연통식으로 연결되는 밸런싱 구역과 대면하는 제2 대향 면을 갖는 밸런싱 드럼을 포함하는 것인 다단 압축기.
10. 제9항에 있어서, 최상류측 임펠러를 밸런싱 드럼의 상기 밸런싱 구역과 유체 연통식으로 연결하는 통로를 포함하고, 상기 통로는 최하류측 임펠러의 상기 출구와 상기 밸런싱 구역 간에 압력 강하를 유발하는 것인 다단 압축기.
11. 제10항에 있어서, 상기 유동 채널과 상기 밸런싱 구역을 유체 연통식으로 연결하는 적어도 하나의 통로가 상기 밸런싱 드럼을 통해 마련되는 것인 다단 압축기.
12. 다단 압축기로서,
    복수 개의 적층형 임펠러;
    상기 적층형 임펠러를 함게 유지하는 타이 로드;
    다단 압축기의 흡입측으로부터 운반측으로 그리고 상기 적층형 임펠러를 통해 연장되는 가스 압축 경로; 및
    복귀 유동로
    를 포함하고, 상기 가스 압축 경로를 따라 유동하는 압축된 처리 가스의 일부가 상기 복귀 유동로를 따라 가스 압축 경로의 하류측 지점으로부터 상류측 지점으로 환류되며, 상기 복귀 유동로는 타이 로드를 따라 연장됨으로써, 압축된 처리 가스에서 압축에 의해 발생된 열이 강제 대류에 의해 타이 로드로 전달되는 것인 다단 압축기.
13. 타이 로드에 의해 함께 유지되는 복수 개의 축방향으로 적층된 임펠러를 갖는 압축기 로터와, 상기 타이 로드의 적어도 일부를 따라 연장되는 유동 채널을 포함하는 다단 압축기를 작동시키는 방법으로서, 상기 방법은 상기 유동 채널을 따라 그리고 상기 타이 로드를 따라 고온 가스를 유동시킴으로써 상기 타이 로드를 가열시키는 단계를 포함하는 다단 압축기의 작동 방법.
14. 제13항에 있어서, 압축기에 의해 처리된 가스 유동의 일부를 고압 지점으로부터 상기 압축기를 가로질러 연장되는 압축 경로를 따라 전환시키는 단계와, 상기 가스 유동의 일부를 상기 유동 채널을 따라, 그리고 상기 압축 경로를 따라 저압 지점을 향해 유동시키는 단계를 더 포함하는 다단 압축기의 작동 방법.
15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 고온 가스는 최하류측 압축기 단으로부터 최상류측 압축기 단으로 유동하는 것인 다단 압축기의 작동 방법.
16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 가스를 최하류측 압축기 단으로부터 상기 최하류측 압축기 단과 대향하는 위치에서 밸런싱 드럼 상에 형성되는 밸런싱 구역으로 유동시키고, 또한 상기 밸런싱 구역으로부터 최상류측 압축기 단의 입구로 유동시키며, 상기 타이 로드 상에서 그리고 타이 로드를 따라, 상기 임펠러를 통과시키는 단계를 더 포함하는 것인 다단 압축기의 작동 방법.

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