KR20160097048A - 원심 압축기 - Google Patents

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KR20160097048A
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김승민
조수웅
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한화테크윈 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 관한 원심 압축기는, 회전 운동으로 유체에 원심력을 부여하는 임펠러와, 임펠러를 회전 가능하도록 지지하는 스크롤과, 임펠러와 소정 간격 이격되도록 배치되어 스크롤과 결합되는 쉬라우드와, 스크롤과 쉬라우드의 사이에 형성되는 내부공간의 스크롤 측에 설치되어, 유체의 유동을 가이드하는 적어도 하나의 디퓨져 베인을 지지하는 디퓨저 플레이트와, 제1 두께를 갖도록 형성되어 스크롤과 쉬라우드의 결합면에 설치되는 제1 중간부재와, 제2 두께를 갖도록 형성되어 스크롤과 디퓨저 플레이트의 결합면에 배치되는 제2 중간부재를 포함한다.

Description

원심 압축기{Centrifugal compressor}
본 발명의 실시예들은 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원심 압축기에 관한 것이다.
원심 압축기는 회전 운동을 하는 임펠러를 이용하여 유체에 원심력을 부여함으로써, 유체가 압축되도록 하는 장치이다.
원심 압축기는 일반적으로 구동력을 생산하는 구동부와, 구동부와 연결되는 기어 유닛과, 기어 유닛이 내부에 설치되는 기어박스와, 기어박스에 삽입되어 기어유닛과 연결되는 회전축와, 회전축에 연결되어 회전하는 임펠러와, 임펠러를 지지하는 스크롤과, 스크롤과 결합하여 유체가 유동하는 내부 공간을 형성하는 쉬라우드를 포함할 수 있다.
임펠러와 쉬라우드 사이에 형성되는 간극은 원심 압축기의 효율에 큰 영향을 미치는 요인으로, 필요 이상의 큰 간극을 갖도록 임펠러와 쉬라우드가 배치될 경우에는 유체의 압축 효율을 저하시킬 수 있으며, 반대로 필요보다 임펠러와 쉬라우드가 가깝게 배치될 경우에는 상호간의 마찰으로 인한 진동이 발생할 수 있으며, 더 나아가 부품이 파손되는 큰 위험을 초래할 수도 있다.
한편, 공개특허공보 2006-0084060호에서는 임펠러와 인접하는 쉬라우드의 표면을 저경도 재질로 코팅하는 압축기 기술이 개시되어 있다.
한국 공개 특허 제2006-0084060호. (2006.7.21. 공개)
본 발명의 실시예들은 임펠러와 쉬라우드 사이의 간극을 조절할 수 있는 원심 압축기를 제공하는 것을 주된 과제로 한다.
본 발명의 일 실시예에 관한 원심 압축기는, 회전 운동으로 유체에 원심력을 부여하는 임펠러와, 임펠러를 회전 가능하도록 지지하는 스크롤과, 임펠러와 소정 간격 이격되도록 배치되어 스크롤과 결합되는 쉬라우드와, 스크롤과 쉬라우드의 사이에 형성되는 내부공간의 스크롤 측에 설치되어, 유체의 유동을 가이드하는 적어도 하나의 디퓨져 베인을 지지하는 디퓨저 플레이트와, 제1 두께를 갖도록 형성되어 스크롤과 쉬라우드의 결합면에 설치되는 제1 중간부재와, 제2 두께를 갖도록 형성되어 스크롤과 디퓨저 플레이트의 결합면에 배치되는 제2 중간부재를 포함한다.
여기서, 제1 두께 및 제2 두께는 가변적이며, 제1 두께 및 제2 두께를 조절함에 따라 임펠러와 쉬라우드 사이의 간격이 가변적인 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 제1 두께와 제2 두께는 실질적으로 대응하는 두께를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
전술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 관한 원심 압축기에 의하면, 임펠러와 쉬라우드 사이의 간극을 조절함으로써 원심 압축기의 효율 및 성능을 향상시키는 동시에 진동 및 파손의 위험을 줄일 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 원심 압축기를 개략적으로 나타낸 일부 단면도이다.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 개략적으로 나타낸 일부 단면도이다.
도 3은 도 1의 B 부분을 확대하여 개략적으로 나타낸 일부 단면도이다.
도 4는 도 1의 C 부분을 확대하여 개략적으로 나타낸 일부 단면도이다.
도 5는 도 1의 원심 압축기의 조립 과정 중 일부를 개략적으로 나타내는 일부 단면도이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 원심 압축기의 개략적인 일부 단면도이고, 도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 나타낸 개략적인 일부 단면도이며, 도 3은 도 1의 B 부분을 확대하여 나타낸 개략적인 일부 단면도이고, 도 4는 도 1의 C 부분을 확대하여 나타낸 개략적인 일부 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 원심 압축기(100)는 임펠러(110)와, 스크롤(120)과, 쉬라우드(130)와, 디퓨져 플레이트(140)와, 제1 중간부재(150) 및 제2 중간부재(160)를 구비한다.
임펠러(110)는 원심 압축기(100)의 내부 공간에 제1 회전중심축(C1)을 중심으로 고속으로 회전 가능하도록 설치된다. 즉, 임펠러(110)는 제1 회전중심축(C1)을 따라 설치되는 회전축(110a)을 중심으로 회전 운동하여 원심 압축기(100)의 유입로(105)를 따라 흐르는 유체에 원심력을 부여할 수 있다. 이때, 임펠러(110)의 회전축(110a)은 후술할 스크롤(120)에 메카니컬 씰(미도시) 등에 의해 결합됨으로써, 스크롤(120)에 대해 회전 가능하면서도 그 결합부분으로 유체가 새지 않도록 할 수 있다.
또한, 임펠러(110)는 회전축(110a)을 중심으로 방사상으로 형성되는 복수개의 블레이드(111)를 구비할 수 있다. 이러한 블레이드(111)들은 임펠러(110)의 회전에 따라 함께 회전하며, 이를 통해 유입로(105)를 따라 유입되는 유체를 방사상으로 강제 이동시킬 수 있다.
스크롤(120)은 임펠러(110)를 회전 가능하도록 지지하며, 내부에 임펠러(110)에 의해 증가된 유동 속도를 갖는 유체가 임펠러(110)의 회전 방향을 따라 유동할 수 있도록 형성되는 볼류트(121)를 구비한다. 여기서, 볼류트(121)는 스파이럴(spiral) 형태의 빈 공간으로써, 원주방향을 따라 변화하는 넓이의 단면을 가지며, 볼류트(121) 단면의 넓이가 변화함에 따라서 볼류트(121)의 폭도 함께 변화하게 된다.
더 상세히 설명하면, 볼류트(121)의 내부에서 유동하는 유체는 일반적으로 점차적으로 넓어지는 단면을 통과함에 따라 동압(dynamic pressure)이 정압(static pressure)로 변화하는 과정을 거친다. 이러한 과정을 거치면서, 원심 압축기(100)의 압력 상승 효과가 증대되며, 이렇게 유동하는 유체가 모여 송출관(미도시) 쪽으로 인도되어 원심 압축기(100) 외부로 배출될 수 있다.
쉬라우드(130)는 임펠러(110)와 소정 간격 이격되도록 배치되어 스크롤(120)과 결합할 수 있다. 전술한 스크롤(120)과 쉬라우드(130)는 상호 결합되어, 임펠러(110) 및 후술할 디퓨져 플레이트(140)를 수용할 수 있는 공간을 형성한다. 여기서, 스크롤(120)과 쉬라우드(130)는 서로 볼트(B)와 같은 체결 수단에 의해서 상호 결합될 수 있다.
디퓨져 플레이트(140)는 스크롤(120)과 쉬라우드(130) 사이에 형성되는 전달유로(P)에서 스크롤(120) 측에 설치될 수 있으며, 임펠러(110)에서 배출되는 유체를 볼류트(121) 측으로 가이드하는 기능을 수행하는 복수개의 디퓨저 베인(141)을 구비할 수 있다.
복수개의 디퓨저 베인(141)은 임펠러(110)를 중심으로 그 둘레를 따라 원주를 그리도록 설치되며, 임펠러(110)로부터 멀어지는 방향으로 연장되도록 형성된다. 상세히, 디퓨저 베인(141)은 에어포일(airfoil) 형상의 단면을 가지나 이에 한정되지 않으며, 웨지(wedge) 형태와 같은 다른 형상의 단면으로 형성될 수도 있다. 이러한 디퓨저 베인(141)들은 가변 디퓨저 베인으로써, 제2 회전중심축(C2)을 중심으로 소정의 각도로 회동 가능하도록 설치될 수 있다.
한편, 디퓨저 플레이트(140)와 복수개의 디퓨저 베인(141)은 일체로 형성된 형태가 될 수 있으며, 또한 디퓨저 플레이트(140)에 디퓨저 베인(141)이 부착된 형태가 될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 중간부재(150)는 제1 두께(TA)를 갖도록 형성되어, 스크롤(120)과 쉬라우드(130)의 결합면에 설치될 수 있다. 이러한 제1 중간부재(150)의 존재로 인해, 쉬라우드(130)는 제1 중간부재(150)가 설치되지 않았을 경우보다 임펠러(110)로부터 더 멀어진 위치에서 스크롤(120)과 결합하게 된다. 이는, 제1 중간부재(150)의 제1 두께(TA)를 조절함으로써 임펠러(110)와 쉬라우드(130)의 사이의 간극(DI, DO)(도 4 참조)를 조절할 수 있음을 의미한다. 이러한 구성과 그 효과에 대해서는 더 상세하게 후술하기로 한다.
도 3을 참조하면, 제2 중간부재(160)는 제2 두께(TB)를 갖도록 형성되어, 스크롤(120)과 디퓨저 플레이트(140)의 결합면에 설치될 수 있다. 상세히, 제2 중간부재(160)는 스크롤(120)의 내측면에 함몰되도록 형성되는 안착면(120a)에 설치될 수 있다. 안착면(120a)은 소정의 깊이를 갖도록 형성될 수 있으며, 이러한 안착면(120a)에는 제2 중간부재(160)와 디퓨저 플레이트(140)가 쉬라우드(130)를 향하는 방향으로 차례대로 설치될 수 있다.
이때, 제2 중간부재(160)의 제2 두께(TB)와, 제2 중간부재(160) 상에 설치되는 디퓨저 플레이트(140)의 두께를 합한 두께는 안착면(120a)의 깊이에 대응되도록 결정된다. 그리고, 쉬라우드(130)와 디퓨저 플레이트(140) 사이에 형성되는 전달유로(P)에는 디퓨저 베인(141)이 설치될 수 있다.
이러한 제1 중간부재(150)와 제2 중간부재(160)는 스크롤(120)과 쉬라우드(130)의 결합면 및 스크롤(120)과 디퓨저 플레이트(140)의 사이에 설치되는 일체형의 링(Ring)형으로 제작될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 제1 중간부재(150)와 제2 중간부재(160)는 링 형상으로 제작되어 복수 개로 분할되어 원심 압축기(100)에 설치될 수도 있다. 예를 들어, 제1 중간부재(150)와 제2 중간부재(160)는 반호 형상인 두 개의 부재로 제작될 수 있으며, 그러한 반호 형상의 부재가 또 다시 각각 두 개로 나뉘어 총 네 개의 부재로 구성될 수도 있다.
전술한 제1 두께(TA) 및 제2 두께(TB)는 가변적이며, 제1 두께(TA) 및 제2 두께(TB)를 조절함에 따라 임펠러(110)와 쉬라우드(130) 사이의 간격이 가변적인 것을 특징으로 할 수 있다. 다음으로, 도 4를 참조하여 제1 중간부재(150)의 제1 두께(TA) 및 제2 중간부재(160)의 제2 두께(TB)와, 임펠러(110)와 쉬라우드(130)의 사이의 간극(DI, DO) 사이의 관계에 대해 설명하기로 한다.
설명의 편의를 위해, 임펠러(110)와 쉬라우드(130)의 사이에 형성되는 간극 중 유입로(105)와 인접하는 곳의 간극을 유입 간극(DI)이라고 정의하고, 전달유로(P)와 인접하는 곳의 간극을 유출 간극(DO)라고 정의하기로 한다.
일반적으로, 임펠러(110)와 쉬라우드(130)의 사이에 형성되는 간극인 유입 간극(DI) 및 유출 간극(DO)은 원심 압축기(100)의 성능에 큰 영향을 미치는 설계 조건으로, 유입 간극(DI) 및 유출 간극(DO)이 지나치게 크게 형성되는 경우에는 원심 압축기(100)의 효율이 반감될 수 있다.
한편, 유입 간극(DI)과 유출 간극(DO)이 작게 형성되는 경우에는 원심 압축기(100)의 작동 시 임펠러(110)와 쉬라우드(130)의 마찰이 발생할 수 있으며, 이로 인해 원심 압축기(100)의 진동이 크게 증가할 수 있다. 이러한 원심 압축기(100)의 진동으로 인해, 원심 압축기(100)가 비상 정지되거나 더 심한 경우에는 원심 압축기(100) 내부가 파손될 수도 있다.
따라서, 이러한 위험 요인들을 회피하여 최적의 유입 간극(DI)과 유출 간극(DO)을 갖도록 임펠러(110)와 쉬라우드(130)를 결합할 필요성이 있으나, 일반적인 경우 유입 간극(DI) 및 유출 간극(DO)은 1mm 이하의 매우 작은 값을 가지므로, 제작 공차, 조립 공차 및 각 부품의 변형, 운용 상의 조건 변경 등의 요인들에 의해 임펠러(110)와 쉬라우드(130) 사이의 간극의 정확한 값을 조립 전에 예측하는데 한계가 있어왔다.
전술한 문제점들을 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 원심 압축기(100)는 제1 중간부재(150)와 제2 중간부재(160)를 각각 스크롤(120)과 쉬라우드(130)의 결합면과 스크롤(120)과 디퓨저 플레이트(140) 사이에 설치하여 임펠러(110)와 쉬라우드(130) 사이의 간극을 조정하는 것을 특징으로 한다.
다음으로 도 5를 참조하여, 제1 중간부재(150)와 제2 중간부재(160)의 두께를 결정하기 위한 원심 압축기(100)의 조립 공정에 대해 설명하기로 한다.
도 5는 도 1의 원심 압축기의 조립 과정 중 일부를 개략적으로 나타내는 일부 단면도이다.
도 5는 임펠러(110)와 인접하는 쉬라우드(130)의 내측면 중 전달유로(P) 측의 일부 내측면에 소정의 두께를 갖는 마모부(AB)가 부착된 모습을 나타낸다. 마모부(AB)는 유입 간극(DI) 또는 유출 간극(DO) 마모부(AB)는 유출 간극(DO)보다 두껍게 형성되는 것이 바람직하며, 원심 압축기(100)를 수차례 시험 구동함에 따라 구동 중의 유출 간극(DO)에 해당하는 두께를 제외한 나머지 부분이 마모될 수 있다.
마모부(AB)의 재료로는 흑연이 사용될 수 있으나, 본 발명의 실시예는 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 마모부(AB)는 원심 압축기(100)의 내부와 같이 고온 고압의 환경에서도 물성이 변하지 않는 우수한 내열성을 지닌 재료나, 원심 압축기(100) 내부에서 유체와 함께 유동하면서도 원심 압축기(100)의 효율을 저하시키지 않는 재료라면 그 어떠한 재료로도 구성이 가능하다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 마모부(AB)의 부착 위치는 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 마모부(AB)는 쉬라우드(130)의 내측면 중 유입로(105)(도 1 참조)에 인접하는 일부 내측면에 소정에 두께를 갖도록 부착될 수 있으며, 또한 쉬라우드(130)의 내측면 중 임펠러(110)와 소정의 간극으로 마주보도록 배치되는 내측면의 그 어떠한 위치에도 부착될 수 있음은 물론이다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 마모부(AB)가 쉬라우드(130)의 내측면 중 전달유로(P) 측의 일부 내측면에 부착된 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
전술한 바와 같이, 유출 간극(DO)은 제1 중간부재(150)의 제1 두께(TA)에 따라 변경될 수 있다. 따라서, 원심 압축기(100)의 각 구성요소들을 조립할 때, 다양한 제1 두께(TA)를 갖는 제1 중간부재(150)를 스크롤(120)과 쉬라우드(130)의 결합면에 설치하여, 시험적으로 원심 압축기(100)를 구동한 이후 쉬라우드(130) 상에 잔류하는 마모부(AB)의 두께를 측정함으로써 유출 간극(DO)의 최소값을 측정할 수 있다.
따라서, 다양한 제1 두께(TA)를 갖는 여러 개의 제1 중간부재(150)를 스크롤(120)과 쉬라우드(130)의 결합면에 설치함으로써, 원심 압축기(100)의 효율을 저감시키거나 임펠러(110)와 쉬라우드(130)의 충돌로 인한 부품의 파손 등의 위험을 회피할 수 있도록, 최적의 유출 간극(DO)을 유지하며 임펠러(110)를 구동할 수 있는 원심 압축기(100)를 조립할 수 있다.
한편, 제2 중간부재(160)는 스크롤(120)과 디퓨저 플레이트(140) 사이에 설치되어, 제1 중간부재(150)로 인해 쉬라우드(130)와 디퓨저 베인(141) 사이에 형성될 수 있는 빈 공간의 너비에 실질적으로 대응하는 제2 두께(TB)를 갖도록 형성될 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 디퓨저 베인(141)은 전달유로(P) 상에서 추가적인 간극을 발생시키지 않고 쉬라우드(130) 및 디퓨저 플레이트(140)와 안정적으로 결합할 수 있다.
전술한 실시예들에 대한 구성 및 효과에 대한 설명은 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 원심 압축기 130: 쉬라우드
105: 유입로 140: 디퓨저 플레이트
110: 임펠러 141: 디퓨저 베인
110a: 회전축 150: 제1 중간부재
111: 블레이드 160: 제2 중간부재
120: 스크롤 DI: 유입 간극
120a: 안착면 DO: 유출 간극

Claims (3)

  1. 회전 운동으로 유체에 원심력을 부여하는 임펠러;
    상기 임펠러를 회전 가능하도록 지지하는 스크롤;
    상기 임펠러와 소정 간격 이격되도록 배치되어 상기 스크롤과 결합되는 쉬라우드;
    상기 스크롤과 상기 쉬라우드의 사이에 형성되는 내부공간의 상기 스크롤 측에 설치되어, 상기 유체의 유동을 가이드하는 적어도 하나의 디퓨져 베인을 지지하는 디퓨저 플레이트;
    제1 두께를 갖도록 형성되어 상기 스크롤과 상기 쉬라우드의 결합면에 설치되는 제1 중간부재; 및
    제2 두께를 갖도록 형성되어 상기 스크롤과 상기 디퓨저 플레이트의 결합면에 배치되는 제2 중간부재;를 포함하는, 압축기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 두께 및 상기 제2 두께는 가변적이며, 상기 제1 두께 및 상기 제2 두께를 조절함에 따라 상기 임펠러와 상기 쉬라우드 사이의 간격이 가변적인 것을 특징으로 하는, 압축기.
  3. 상기 제1 두께와 상기 제2 두께는 실질적으로 대응하는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 압축기.
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