KR20160021229A - 원심력 회전자 - Google Patents

Abstract

이 원심력 회전자(2)는, - 길이방향 축(8)을 갖는 허브(10), - 유체 유입구(20), - 상류 플랜지(12)라고 지칭되는 그리고 허브(10) 주위에 개구부(22)를 갖는 제1 플랜지 및 - 블레이드(16)에 의해 제1 플랜지로부터 분리됨으로써 제1 플랜지(12)에 의해 각각 획정된 덕트를 형성하는 하류 플랜지(14)라고 지칭되는 제2 플랜지를 포함하되, 제2 플랜지(14)와 2개의 블레이드(16)는 유체 유입구(20)로부터 주변 유출구(26)까지 뻗어 있고, 주변 유출구(26) 가까이에서 제1 플랜지(12)는 덕트를 향하여 대향하는 오목 구역(32)을 갖는 반면 제2 플랜지(14) 자체는 덕트를 향하여 대향하는 볼록 구역(34)을 갖는다.

Description

원심력 회전자{CENTRIFUGAL ROTOR}

본 발명은 원심력 회전자에 관한 것이다.

본 발명의 기술분야는 유체, 액체 또는 기체 압축 분야이다. 그래서 본 발명은, 주어진 압력으로부터 더 높은 압력까지, 액체 또는 기체의 공급을 각각 가능하게 하는 압축기에도 그뿐만 아니라 펌프에도 관한 것이다.

유체의 압력을 증가시키는 기술이 많이 있다. 공통적 기술은 응력이 가해지는 유체에 원심력을 이용하여 순차로 그 압력의 증가를 야기하는데 있다. 이러한 기술의 구현을 위하여, 관련된 유체, 환경(사이즈 등) 및 소망의 성능(압축 레이트 등)을 포함하는 여러 파라미터에 의존하여 여러 다른 구조의 펌프 및 압축기가 있다. 이어서, 우리는 축류 디퓨저(axial diffuser)와 연관된 적어도 하나의 원심력 회전자를 포함하는 압축기 및 펌프에 초점을 맞출 것이다.

원심력 회전자는 회전축을 갖는 회전자이다. 그것은 그 회전축에 평행한 방향으로 흐르는 유체를 압축하여, 압축된 유체가 방사상 방향으로 바깥쪽으로 회전자를 떠나가도록 설계된다. 압축된 유체가 축방향으로 흘러야 할 때, 하나의 해법은 회전자를 빠져나가는 유체가 흐름 방향을 변경하도록 그것을 안내하는 것이다. 이러한 목적으로 사용되는 부재는 소위 축류 디퓨저라는 고정식 부품이고 그것은 압축된 유체를 안내하도록 적어도 하나의 덕트를 갖는다. 덕트의 하류 단부, 즉 원심력 회전자로부터 먼쪽에 있는 단부는 압축된 유체를 안내하기를 소망하는 방향에 따라 축방향으로 배향된다. 축류 디퓨저의 목적은 원심력 회전자로부터 나가는 유체에 대해 약 90°로 돌려 그것을 축방향으로 유도하도록 하는 것이다.

문서 FR-2874241은 방사상 디퓨저와 절두형 블레이드를 사용하는 고효율 원심력 회전자를 개시하고 있다. 블레이드의 후류는 디퓨저에서 다시 닫히고 다른 인접하는 블레이드의 후류와 작용함으로써 디퓨저 내에서 점진적으로 팽창하는 층상 흐름을 생성한다. 따라서, 본 발명자들은 이 문서에서 디퓨저를 편입하고 있는 회전자를 알게 된다. 회전자의 하위 부분에는 매우 두꺼운 블레이드가 위치하고 있다.

US-1,447,916은 디퓨저를 편입하고 있는 회전자의 다른 일 실시예를 예시하고 있다. 후자는 블레이드를 포함하는 회전자 부분을 갖는 단일 피스일 수 있거나 또는 그것은 블레이드를 포함하는 회전자 부분에 고정된 별개 피스일 수 있다. 그렇더라도 베인을 예시하고 있는 모든 도면에서 그것들은 (원심력 회전자에 대응하는) 디바이스의 일 부분 위로 뻗어있을 뿐이고 디바이스의 주변 출력으로는 아님과, 원심력 회전자에 대응하는 부분은 디퓨저로부터 상류로 완벽히 방사상 유출구를 가짐을 주목해야 한다.

그러한 구조와 맞닥뜨리는 하나의 기술적 문제는 그것이 압축된 유체에서의 압력 손실의 원천이라는 것이다. 실로, 유체가 흐를 때 그것은, 거쳐가는 방향에서의 어떠한 변경이라도 포함하는, 그것이 보이는 도관에 의존하는 압력 손실을 겪는다고 알려져 있다.

유체 자체의 본성(특히 그 점성)과 특히 관련되어 있는 압력 강하를 소거하는 것은 가능하지 않지만 본 발명은 이들 손실을 가능한 많이 최소화하는 수단을 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은, 주어진 압축 스테이지에 대해, 원심력 회전자 및 축류 디퓨저를 포함하여, 이러한 스테이지의 성능을 증가시키는 것, 즉, 예를 들어, 주어진 동력에 대해 또는 주어진 압축에 대해 더 높은 압축비를 획득하여 회전자에 그것이 돌게 하도록 가해질 필요가 있는 기계적 동력을 감축하는 것이다.

이러한 목적으로, 본 발명은 원심력 회전자로서,

- 길이방향 축을 갖는 허브,

- 유체 유입구,

- 상류에 있는 그리고 허브 주위에 개구부를 갖는 제1 플랜지, 및

- 베인에 의해 상기 제1 플랜지로부터 하류에 분리됨으로써 제1 플랜지에 의해 각각 획정된 채널을 형성하는 제2 플랜지를 포함하되, 제2 플랜지와 2개의 베인은 유체 유입구로부터 주변 유출구까지 뻗어 있는 원심력 회전자를 제안한다.

본 발명에 의하면, 주변 유출구의 근처에서, 제1 플랜지는 채널을 향하여 배향된 오목 영역을 갖는 한편 제2 플랜지는 채널을 향하여 배향된 볼록 영역을 갖는다.

유출구 채널에 그렇게 주어진 형태에 기인하여, 회전자의 상류에서 디퓨저에서의 축방향 흐름으로 원심력 회전자 내에서의 방사상 흐름의 넘어감은 덜 왈딱 수행되어 유체가 방향을 변경할 때 압력에서의 손실을 제한하는 것을 가능하게 한다.

생산하기가 단순한 회전자를 갖기 위해, 제1 플랜지 및 제2 플랜지는 길이방향 축 주위에 원형 형상을 갖는 것이 유익하다.

예를 들어, 채널을 빠져나가는 제1 플랜지의 오목 영역에 접선인 표면은, 길이방향 축에 수직인 방사상 평면과, 1° 내지 45°, 바람직하게는 10° 내지 30°의 각도를 형성하는 것이 예상된다. 마찬가지로, 채널을 빠져나가는 제2 플랜지의 볼록 영역에 접선인 표면은, 길이방향 축에 수직인 방사상 평면과, 1° 내지 45°, 바람직하게는 10° 내지 30°의 각도를 형성하는 것이 예상된다.

본 발명에 따라 원심력 회전자에서 유체를 더 양호하게 유도하기 위해, 유익하게는 베인은 제1 플랜지의 그리고/또는 제2 플랜지의 외측 주변 외측 에지까지 뻗어 있는 것이 제공된다.

원심력 회전자를 빠져나가는 유체의 가속을 용이하게 생성하기 위해, 제1 플랜지는 제2 플랜지의 채널에 인접하는 외측 주변 에지보다 더 큰 직경을 갖는 채널에 인접하는 외측 주변 에지를 갖는 것이 유익하다. 원심력 회전자의 유출구에 주어진 곡선형 형상의 바깥쪽에 대응하는, 더 큰 직경을 갖는 에지에서, 속력은 그래서 더 높다. 이것은 턴의 바깥쪽을 따라 주행될 경로가 턴의 안쪽의 그것보다 더 크기 때문에 바람직하다. 이러한 방식으로, 유체가 그 후 실질적으로 길이 방향으로 이동할 때 속도의 더 균일한 분포가 촉진된다.

본 발명은 더욱 위에서 설명된 바와 같은 원심력 회전자를 포함하는 원심력 압축기 및/또는 원심력 펌프에 관한 것이다.

본 발명의 상세 및 이점은 수반 도면을 참조하여 이하의 설명으로부터 더 명백하게 될 것이다:
도 1은 압축기에 장착된 하프 회전자의 단면도로 종래 기술의 원심력 회전자의 예시도;
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 원심력 회전자에 대해 도 1의 것과 유사한 도면;
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따라 선행하는 도면과 유사한 도면; 및
도 4는 도 2의 절단선(IV-IV)을 따른 관점에서의 단면도.

당업자는 하우징(4), 예를 들어 압축기 하우징 안쪽에 장착된 도 1의 원심력 회전자(2), 및 길이방향 축(8)을 갖는 샤프트(6)를 인식할 것이다. 이하의 설명은 작동 공기 압축기(또는 더 일반적으로는 기체 유체 압축기)를 참조하여 이루어질 것이지만, 본 발명은 액체용 펌프에도 적용될 수 있다.

원심력 회전자(2)가 샤프트(6)에 의해 회전될 때, 공기(또는 다른 기체 유체)는 길이방향 축(8)에 상대적으로 길이 방향으로 원심력 회전자(2) 내로 빨아들여지고 회전 동안 원심력 회전자(2)에서 혼합된 흐름 운동으로 몰아지고 길이방향 축(8)에 대해 방사상으로 나타난다.

원심력 회전자(2)는 원피스로 구축되고 허브(10), 제1 플랜지 또는 상류 플랜지(12), 제2 플랜지 또는 하류 플랜지(14) 및 베인(16)을 포함한다.

허브(10)는 샤프트(6)와 원심력 회전자(2) 간 연결을 가능하게 한다. 그것은 전반적 원형, 원통형, 관상 형상을 갖고 그것을 샤프트(6)에 고정하는 수단을 구비하고 있다. 예를 들어, 길이방향 그루브는 전형적으로는 길이방향 스플라인 또는 그루브도, 또는 어느 다른 유형의 연결부라도 수용하도록 샤프트(6) 및 허브(10)에 제공된다.

하류 플랜지(14)는 허브(10)에 직접 연결되고 길이방향 축(8)에 상대적으로 방사상으로 뻗어 있다. 상류/하류 방향은 원심력 회전자(2)에서 공기 흐름의 방향에 상대적으로 정의된다. 실로, 도 1에서 (뿐만 아니라 다른 도면에서도) 공기는 회전자의 우측으로 빨아들여지고 그 후 방사상 방향으로 몰아지기 전에 길이방향으로 좌측으로 이동하고, 후에 길이 방향으로 다시 도면의 좌측으로 향하여 원심력 회전자(2)를 떠나간다. 따라서, 상류 부재는 도면에서 하류 부재의 우측에 배열되어 있다.

상류 플랜지(12)는 하류 플랜지(14)와 대향하고 베인(16)에 의해 거기에 연결되고 그에 의해 2개의 플랜지 사이에 공기를 위한 채널을 획정한다. 따라서, 공기는 원심력 방사상 방식으로 베인과 플랜지의 내측 표면 사이에 도입된다.

상류 플랜지(12)는 허브(10)까지 뻗어 있지 않고 그로부터 소정 거리에 그대로 있다. 밀봉 베어링(18) 전방에서 허브(10)와 대향한다. 원심력 회전자(2)의 안쪽으로 향하여, 허브(10)와 전방 밀봉 베어링(18)은 유입구 챔버(20)의 상류에서 환상 개구부(22)를 갖는 유입구 챔버(20)를 획정한다. 외측으로 향하여, 전방 밀봉 베어링(18)은 그것이 하우징(4) 내에서 회전하는 원심력 회전자(2)의 밀봉을 생성 가능하게 하도록 머신잉된다. 예를 들어, 원심력 회전자(2)와 하우징(4) 간 계면으로서, 예를 들어 래비린스 링(24)과 같은 밀봉이 사용될 수 있다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 원심력 회전자(2)는 또한 하류측에 추가적 밀봉 베어링(18), 또는 후방 밀봉 베어링을 포함하는데, 그것은 하류 플랜지(14)로부터 뻗어 있고 다른 래비린스 링(24)을 수용한다.

상류 플랜지(12)와 하류 플랜지(14) 사이에서 공기를 몰아가는 채널은 각각 플랜지의 가장 큰 직경에서 방사상으로 배향된 유출구(26)(도 1)를 갖는다. 그 후 공기는 공기 흐름이 방사상보다 더 길이방향이도록 그것이 유도되는 디퓨저(28)에 들어간다. 디퓨저(28)에서의 채널(30)은 또한 공기 흐름의 나선형 이동을 실질적으로 일직선 이동으로 변환하는 것을 가능하게 한다.

도 2 및 도 4는 본 발명에 따른 원심력 회전자의 제1 실시예를 예시하고 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 전반적 구조는 도 1에서 그리고 도 2 내지 도 4에서 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 1에서의 참조 번호는 도 2 내지 도 4에서 유사한 부재를 지정하도록 사용된다. 따라서, 원심력 회전자(2)는 길이방향 축(8)을 갖는 샤프트(6) 주위에 하우징(4)에서 회전가능하게 장착되어 있음을 알게 된다. 원심력 회전자(2)는 하우징(4)에 상대적으로 떨어져 밀봉되며 래비린스 링(24)(또는 다른 유형의 밀봉)과 함께 작동하는 밀봉 베어링(18)을 통해 특히 그렇게 보장된다. 허브(10)는, 예를 들어 도시되지 않은 스플라인에 의해, 회전자와 샤프트(6) 간 연결을 가능하게 한다. 원심력 회전자(2)는 베인(16)에 의해 상호연결된 상류 플랜지(12)와 하류 플랜지(14)를 더 포함한다. 상류 플랜지(12)는 허브(10)와 환상 개구부(22)의 유입구 챔버(20)를 획정하는 밀봉 베어링(18)을 갖는다. 재차, 원심력 회전자(2)가 길이방향 축(8) 주위로 회전할 때, 공기(또는 다른 유체)는 개구부(22)를 통해 빨아들여져(길이방향 흡입) 나선-원심력 운동으로 압축되고 그 후 다시 선택사항으로서 채널을 구비하는 디퓨저(28) 내에서 길이방향으로 배향되게 된다.

종래 기술의 회전자와 본 발명에 따른 원심력 회전자(2) 간 차이는 본질적으로는 출력(26)에, 즉, 베인(16) 및 하류 플랜지(14)의, 상류 플랜지(12)의 가장 큰 직경을 갖는 영역에 위치한다.

종래 기술에서 알려져 있는 압축기(또는 펌프)의 원심력 회전자에 비해, 본 발명은 길이방향 디퓨저 내로 들어가도록 개선된 속도 벡터를 갖는 원심력 회전자에서의 공기 흐름(또는 다른 유체)을 위한 유출구를 제공하는 것을 제안한다. 이러한 목적으로, 공기 채널은 유출구(26)에 가까운 원심력 회전자(2)에서 약간 구부러질 것(플랜지와 베인에 의해 획정됨)이라고 예상된다. 따라서, 만곡부의 바깥쪽으로 향하여 공기의 속력을 증가시키는 것을 가능하게 하는 만곡부가 원심력 회전자의 출력에서 산출된다.

도 1의 실시예에서는 상류 플랜지(12)의 내측면과 하류 플랜지(14)의 표면이 실질적으로 평면(및 약간 수렴)인 한편, 상류 플랜지(12)의 내측 표면은, 출력(26) 가까이에서, 오목 영역(32)을 갖고 하류 플랜지(14)의 내측 표면은, 유출구(26) 가까이에서, 오목 영역(32)과 반대로, 볼록 영역(34)을 가짐을 주목한다.

그때 우리가 유출구(26)에서 하류 플랜지(14)의 내측 표면에 접선인 표면(36)을 생각하면, 이 표면은 실질적으로 원뿔형(길이방향 축(8)의 원뿔 축)이고, 점선에 의해 예시된 방사상 평면과는 각도(α)를 형성한다. 도 2의 실시예에 있어서, 이러한 각도는 약 15°이고 도 3의 실시예에서 그것은 약 30°이다. 바람직하게는, 이러한 각도는 10° 내지 45°로 이루어질 것이다. 도 1에 의해 예시된 바와 같은 종래 기술의 원심력 회전자에 있어서, 이러한 각도는 실질적으로 영이다.

도면 과적을 회피하기 위해, 상류 플랜지(12)의 내측 표면에 접선인 표면은 예시되어 있지 않다. 또한, 여기에서는 예시된 방사상 평면과는, 바람직하게는 45°미만, 예를 들어 10° 내지 45°의 각도를 형성하는 실질적으로 원뿔형 표면이, 길이방향 축(8) 주위에, 있음을 알게 된다.

도 4는 베인(16)이 하류 플랜지(14)의 볼록 영역(34) 내로 뻗어 있는 것을 예시하고 있다. 물론, 그것들은 유사한 방식으로 상류 플랜지(12)의 오목 구역(32) 내로 뻗어 있다. 바람직하게는, 이러한 도 4에 예시된 바와 같이, 베인(16)은 상류 플랜지(12) 및 하류 플랜지(14)의 주변 에지까지, 즉, 회전자의 출력(26)까지 뻗어 있다.

도 3에 있어서, H는 하류 플랜지(14)의 내측 표면의 가장 큰 직경을 갖는 선에 의해 참조되고 상류 플랜지(12)의 내측 표면의 가장 큰 직경을 갖는 선에 대해서는 S에 의한다. S 및 H는, 각각 R_S 및 R_H 반경으로, 중심이 길이방향 축(8) 상에 놓여 있는 원이다. 도 3으로부터 명백한 바와 같이(이것은 도 2에서도 보이지만 눈에 약간 덜 띈다), R_S > R_H이다. 따라서, 원심력 회전자(2) 바깥쪽 공기 유출구 표면 위로의 동일한 평균 속력에 대해, 포인트(S)의 부근에서 공기의 주변 속력은 포인트(H) 가까이서 공기의 그것보다 더 크다. 이것은 절대 접선 속도에도 적용된다. 공기는 (회전자의 빠져나가는 "턴" 외측) 상류측으로부터 가속되고, 이에 따라서 디퓨저의 실질적으로 길이방향 단면의 입력에서 더 균일한 속력을 갖는 것을 가능하게 한다. 그래서, 압력에서의 손실은, 디퓨저 내라면, 감축되고 그래서 디바이스의 수율을 증가시키는 것을 가능하게 한다.

따라서, 본 발명에 따른 원심력 회전자의 형상은 방사상 공기 흐름으로부터 길이방향 흐름으로 더 점진적인 이행을 가능하게 한다. 디퓨저의 통로 단면을 통한 유체 속도의 분포는 더 균일하고 규칙적이다. 압력 강하는 그리하여 제한되고 수율 관점에서의 이득은 유체가 그것이 축류 디퓨저 내로 흐름에 따라 본질적으로 방사상 흐름으로부터 축방향 흐름으로 넘어갈 때에 획득된다.

원심력 회전자(2)에서의 채널은 흐름이 실질적으로 방사상인 통로를 가짐을 주목한다. 상류 플랜지 및 하류 플랜지의 내측 표면은 각각 만곡부의 역을 갖는다. 그리고 상류 플랜지(12)의 내측 표면은 유입구 챔버(20) 가까이에서 볼록 영역을 갖고 그 후 그것은 곡선형 영역 후에 허브(10)로부터 뻗어 있고, 상기 내측 표면은 위에서 설명된 바와 같이 오목 영역을 갖는다. 그리고 상류 플랜지(14)의 내측 표면은 유입구 챔버(20) 가까이에서 볼록 영역을 갖고 그 후 그것은 곡선형 영역 후에 허브(10)로부터 뻗어 있고, 상기 내측 표면은 위에서 설명된 바와 같이 오목 영역을 갖는다. 채널에서 유체의 궤적은 원심력 회전자(2)에서 베인과 플랜지에 의해 획정되고 따라서 곡선형을 갖는다.

곡선형 회전자에서 유체를 더 양호하게 유도하기 위해, 베인(16)은 곡선형 영역 내로(즉, 상류 플랜지의 내측 표면의 오목 영역까지 그리고 하류 플랜지의 내측 표면의 볼록 영역까지) 뻗어 있고 바람직하게는 유출구(26)까지 유체를 유도한다. 블레이드(16)는 그리하여 또한 곡선형이다. 그것들은 바람직하게는 유입구 챔버(20)로부터 선(H) 및 선(S)까지, 또는 예를 들어 이들 선의 부근까지(이들 선에서 최소 10mm까지) 뻗어 있다.

물론, 본 발명은 비-한정적 예로서 위에서 설명된 바람직한 실시예로 한정되지는 않고, 그것은 또한 당업자의 도달 범위 내 변형과 관련된다.

그것은 또한 이하의 청구범위의 틀 내에서 현장 전문가 범위 내에 있음을 알게 될 실시예 상의 변형에 관한 것이다.

Claims (10)

1. 원심력 회전자(2)로서,
   - 길이방향 축(8)을 갖는 허브(10),
   - 유체 유입구(20),
   - 상류에 있는 그리고 상기 허브(10) 주위에 개구부(22)를 갖는 제1 플랜지(12), 및
   - 베인(16)에 의해 상기 제1 플랜지로부터 하류에 분리됨으로써 상기 제1 플랜지(12)에 의해 각각 획정된 채널을 형성하는 제2 플랜지(14)를 포함하되,
   상기 제2 플랜지(14)와 2개의 베인(16)은 상기 유체 유입구(20)로부터 주변 유출구(26)까지 뻗어 있고,
   상기 주변 유출구(26)의 근처에서 상기 제1 플랜지(12)는 상기 채널을 향하여 배향된 오목 영역(32)을 갖는 한편 상기 제2 플랜지(14)는 상기 채널을 향하여 배향된 볼록 영역(34)을 갖는 것을 특징으로 하는 원심력 회전자.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 플랜지(12) 및 상기 제2 플랜지(14)는 상기 길이방향 축 주위에 원형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 원심력 회전자.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 채널을 빠져나가는 상기 제1 플랜지(12)의 상기 오목 영역에 대한 접선 표면은, 상기 길이방향 축(8)에 수직인 방사상 평면과, 1°내지 45°의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 원심력 회전자.
4. 제3항에 있어서, 상기 채널을 빠져나가는 상기 제1 플랜지의 상기 오목 영역에 대한 상기 접선 표면(36)은, 상기 길이방향 축에 수직인 방사상 평면과, 10° 내지 30°의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 원심력 회전자.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 채널을 빠져나가는 상기 제2 플랜지(14)의 상기 볼록 영역(34)에 대한 접선 표면(36)은, 상기 길이방향 축(8)에 수직인 방사상 평면과, 1° 내지 45°의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 원심력 회전자.
6. 제5항에 있어서, 상기 채널을 빠져나가는 상기 제2 플랜지(14)의 상기 볼록 영역(34)에 대한 상기 접선 표면(36)은, 상기 길이방향 축(8)에 수직인 방사상 평면과, 10° 내지 30°의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 원심력 회전자.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 베인(16)은 상기 제1 플랜지(12) 및/또는 상기 제2 플랜지(14) 외측 주변 에지(H, S)까지 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 원심력 회전자.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 플랜지(12)는 상기 제2 플랜지(14)의 상기 채널에 인접하는 외측 주변 에지(H)의 직경(R_H)보다 더 큰 직경(R_S)을 갖는 상기 채널에 인접하는 외측 주변 에지(S)를 갖는 것을 특징으로 하는 원심력 회전자.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 원심력 회전자(2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심력 압축기.
10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 원심력 회전자(2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심력 펌프.

Images