KR20190050077A

KR20190050077A - 작동 유체를 재순환시키는 컴프레서 하우징

Info

Publication number: KR20190050077A
Application number: KR1020170145229A
Authority: KR
Inventors: 노진현
Original assignee: 한화파워시스템 주식회사
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2019-05-10
Also published as: KR102440673B1

Abstract

본 발명은 컴프레서의 운전 영역을 확보하면서 컴프레서의 효율에 영향을 미치지 않도록 작동 유체를 재순환시키는 컴프레서 하우징에 관한 발명이다. 본 발명에서는 재순환 배관을 따라 작동 유체가 재순환하며, 체크밸브에 의해 작동 유체가 항상 재순환되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면 컴프레서에 인입되는 작동 유체의 유량이 감소하더라도 재순환하는 작동 유체에 의해 유량이 보충되어, 인입각을 유지할 수 있고 컴프레서의 운전 영역을 확보할 수 있다. 또한 재순환 배관에 체크밸브를 장착하므로 작동 유체가 항상 재순환 되는 것을 방지할 수 있고, 그에 따라 재순환하는 작동 유체에 의해 컴프레서의 최고 효율이 변하는 것을 방지할 수 있다.

Description

작동 유체를 재순환시키는 컴프레서 하우징{COMPRESSOR HOUSING FOR RECIRCULATING PROCESS GAS}

본 발명은 컴프레서 하우징에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 컴프레서의 운전 영역을 확보하기 위해 작동 유체를 재순환시키는 컴프레서 하우징의 구조에 관한 것이다.

컴프레서의 운전 영역은 임펠러의 회전수와 작동 유체의 유량에 따라 정해지지만, 특정 회전수 조건에 대해 운용할 수 있는 유량에는 상한과 하한의 범위가 존재한다. 유량의 상한은 초크(choke) 현상을 방지하기 위해 허용되는 작동 유체의 최대 유량에 따른 제한이다. 유량의 하한은 서지(surge) 현상에 의해 기계를 안전하게 운전할 수 없게 되는 것을 방지하기 위해 허용되는 작동 유체의 최소 유량에 따른 제한이다.

도 1은 컴프레서의 운전 영역을 나타낸 그래프이다. 운전 영역(1)은 서지 현상이 일어날 수 있는 영역과 초크 현상이 일어날 수 있는 영역의 사이 영역에 해당한다. 서지 라인(2, surge line)은 임펠러의 회전 속도에 따라 서지 현상이 발생하기 시작하는 지점들을 연결한 선이고, 초크 라인(3, choke line)은 임펠러의 회전 속도에 따라 초크 현상이 발생하기 시작하는 지점들을 연결한 선이다. 운전 영역(1)은 서지 라인(2)과 초크 라인(3)의 사이 영역에 해당한다. 최대 효율 라인(4)은 운전 영역 내에서 임펠러의 회전 속도에 따라 최대 효율을 얻을 수 있는 운용조건을 나타낸다.

그런데 도 1과 같은 운전 영역을 갖도록 설계된 컴프레서에서, 실제 운전 영역은 임펠러에 유입되는 작동 유체의 인입각에 의해 설계된 운전 영역과 달라질 수 있다. 작동 유체의 인입각을 설명하기 위해 도 2를 참조한다.

도 2는 컴프레서에 구비되는 임펠러의 측면도이다. 임펠러(10)의 고속 회전력에 의해 임펠러의 중심부로 작동 유체(13a)가 인입된다. 그런데 임펠러(10)는 회전하기 때문에 상대속도에 의해 임펠러의 블레이드(12)에는 작동 유체(13b)가 기울어진 방향으로 인입된다. 상대속도에 따라 인입되는 작동 유체(13b)와 임펠러의 회전축(11)이 이루는 각도를 인입각(14)이라 정의한다.

도 3은 인입각에 따라 임펠러의 블레이드에 흐르는 작동 유체를 나타낸다. 블레이드(12)에 적정 인입각(16)을 갖도록 작동 유체(15a)가 인입되면, 작동 유체(15b)는 블레이드(12)의 표면을 따라 흐르게 된다. 이 경우, 블레이드(12)와 작동 유체(15b)간에 박리가 일어나지 않으므로 컴프레서는 설계된 운전 영역에서 운용 가능하다.

반면, 블레이드(12)에 적정 인입각(16)보다 큰 인입각(18)으로 작동 유체(17a)가 인입되는 경우, 작동 유체(17b)가 블레이드(12)와 박리되는 현상이 일어날 수 있다. 블레이드(12)의 표면과 작동 유체(17b)가 박리되면 운전 영역의 하한보다 많은 유량의 작동 유체가 인입되더라도 서지가 발생할 수 있으며, 그에 따라 운전 영역의 하한이 상승하여, 컴프레서의 실제 운전 영역이 설계된 운전 영역보다 좁아질 수 있다.

작동 유체의 인입각이 증가하는 것은 임펠러로 인입되는 작동 유체의 유량이 줄어드는 경우 발생할 수 있다. 이에 본 발명에서는 컴프레서의 운전 영역을 확보할 수 있도록 작동 유체를 재순환시키는 컴프레서 하우징을 제안하고자 한다. 나아가 본 발명에서는 컴프레서의 효율에 영향을 미치지 않도록 작동 유체를 재순환시키는 컴프레서 하우징을 제안하고자 한다.

한국특허등록 제10-1236884호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 컴프레서의 운전 영역을 확보할 수 있도록 작동 유체를 재순환시키는 컴프레서 하우징을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 컴프레서의 효율에 영향을 미치지 않도록 작동 유체를 재순환시키는 컴프레서 하우징을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 컴프레서 하우징은, 임펠러에 의해 작동 유체를 인입하는 인입부; 상기 임펠러에 의해 압축된 작동 유체를 유출하는 스크롤; 및 상기 스크롤의 일측에 형성된 홀과 상기 인입부의 일측에 등간격으로 형성된 복수의 홀을 연결하고, 상기 스크롤에서 유출하는 상기 작동 유체의 일부를 상기 인입부로 재순환시키는 재순환 배관을 포함하되, 상기 재순환 배관은 상기 인입부를 이격되어 둘러싸는 원형부, 상기 스크롤의 일측에 형성된 홀과 상기 원형부를 연결하는 제1 연결부, 및 상기 인입부의 일측에 형성된 상기 복수의 홀과 상기 원형부를 연결하는 제2 연결부를 포함한다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명에 따르면 컴프레서에 인입되는 작동 유체의 유량이 감소하더라도 재순환하는 작동 유체에 의해 부족한 유량이 보충되므로, 블레이드에 인입되는 작동 유체의 인입각을 유지할 수 있고, 컴프레서의 운전 영역의 하한을 유지할 수 있으며, 컴프레서를 설계된 운전 영역에서 운용할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 인입부에 등간격으로 형성된 홀을 통해 재순환하는 작동 유체가 인입부로 균등하게 인입될 수 있다. 따라서 재순환 배관을 통해 인입부로 인입되는 작동 유체에 의해 기존에 인입부에 흐르는 작동 유체의 흐름이 불균일해지는 것을 방지할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 재순환 배관에 체크밸브를 장착하므로 스크롤에서 인입부로 작동 유체가 항상 재순환 되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 인입부에 인입되는 작동 유체의 유량이 감소하여, 스크롤을 지나는 작동 유체의 압력과 인입부를 지나는 작동 유체의 압력의 차이가 기준치를 초과하는 경우에만 작동 유체가 재순환한다. 따라서 컴프레서가 최대 효율로 운용되고 있는 경우 등에는 작동 유체가 재순환하지 않으며, 재순환하는 작동 유체에 의해 컴프레서의 최고 효율이 변하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 컴프레서의 운전 영역을 나타낸 그래프이다.
도 2는 컴프레서에 구비되는 임펠러의 측면도이다.
도 3은 인입각에 따라 임펠러의 블레이드에 흐르는 작동 유체를 나타낸다.
도 4는 컴프레서의 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 컴프레서 하우징의 사시도이다.
도 6은 체크밸브의 작동 원리를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 컴프레서 하우징을 나타낸다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

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 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 컴프레서의 분해사시도이다. 컴프레서는 일반적으로 구동력을 생산하는 구동부(미도시)와, 구동부와 연결되는 기어 유닛(미도시)과, 기어 유닛이 내부에 설치되는 기어박스(미도시)와, 기어박스에 삽입되어 기어 유닛과 연결되는 구동축(미도시)과, 구동축에 연결되어 회전하는 임펠러(21)와, 임펠러(21)를 지지하는 스크롤(23)과, 임펠러(21)로부터 토출된 작동 유체를 스크롤(23)로 안내하도록 임펠러(21)를 둘러싸며 형성된 복수의 베인을 구비한 디퓨저(22)를 포함할 수 있다. 또한 스크롤(23)과 결합하여 유체가 유동하는 내부 공간을 형성하는 쉬라우드(24)를 더 포함할 수 있다. 도 4를 참조하면, 임펠러(21), 디퓨저(22), 및 스크롤(23)이 조립된 컴프레서의 모습을 확인할 수 있다.

이 중 임펠러(21)는 회전 운동에너지를 작동 유체에 전달해 작동 유체의 속력을 상승시키는 기능을 한다. 임펠러(21)는 작동 유체의 이동을 돕고 작동 유체에 에너지를 전달하는 다수 개의 블레이드(2101)를 구비한다. 임펠러(21)는 블레이드(2101)를 회전시켜 흡입된 작동 유체에 운동 에너지를 전달하고 외부로 토출시킬 수 있다.

임펠러의 블레이드에 작동 유체가 적정 인입각으로 인입되는 경우, 컴프레서의 설계된 운전 영역이 실제 운전 영역으로 확보될 수 있다. 임펠러에 인입되는 작동 유체의 유량이 줄어드는 경우, 임펠러의 블레이드에 작동 유체가 적정 인입각보다 더 큰 인입각으로 인입될 수 있고, 이는 운전 영역의 하한을 증가시켜 실제 운전 영역이 설계된 운전 영역보다 좁아질 수 있다. 이하에서는 설계된 운전 영역을 실제 운전 영역으로 확보하기 위한 컴프레서 하우징의 구조를 살펴본다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 컴프레서 하우징의 사시도이다. 일 실시예에 따른 컴프레서 하우징은 인입부(25), 쉬라우드(24), 스크롤(23), 재순환 배관(26, 27, 28), 및 체크밸브(29)를 포함한다.

인입부(25)는 임펠러의 회전력에 의해 작동 유체를 인입하는 구성요소이다. 인입부(25)는 쉬라우드(24)와 일체로 구성되거나 또는 분리되어 구성될 수 있다.

인입부(25)의 일측에는 복수의 홀(31)이 형성될 수 있다. 도 5에는 인입부의 일측에 8개의 홀(31)이 형성되어 있다. 복수의 홀(31)은 8개보다 더 적게 또는 더 많은 개수로 형성될 수 있다. 또한 복수의 홀(31)은 등간격을 이루도록 형성될 수 있다.

스크롤(23)은 임펠러와 디퓨져에 의해 압축된 작동 유체를 유출하는 구성요소이다. 고속으로 회전하는 임펠러에 의해 임펠러의 중심부로 흡입된 작동 유체는 디퓨저에 의해 속도가 서서히 감소하며 고압을 갖게 된다. 고압의 작동 유체는 스크롤(23)을 거쳐 냉각기에서 냉각된 뒤 후단 인입부를 통해 후단 임펠러로 인입될 수 있다.

스크롤(23)의 일측에는 홀(32)이 형성될 수 있다. 압축된 작동 유체가 모여서 토출되는 스크롤(23)의 영역에 홀(32)이 형성될 수 있다.

재순환 배관(26, 27, 28)은 작동 유체가 재순환 되도록 스크롤에 형성된 홀(32)과 인입부에 형성된 복수의 홀(31)을 연결하는 배관이다. 재순환 배관(26, 27, 28)은 제1 연결부(26), 원형부(27), 및 제2 연결부(28)로 구분될 수 있다.

제1 연결부(26)는 스크롤에 형성된 홀(32)을 통해 작동 유체가 유입되는 배관이다. 스크롤(23)을 지나는 작동 유체는 인입부(25)를 지나는 작동 유체보다 압력이 높기 때문에, 스크롤(23)을 지나는 작동 유체는 제1 연결부(26)로 자연스럽게 유입될 수 있다.

원형부(27)는 제1 연결부(26)와 연결되며, 인입부(25)를 이격되어 둘러싸도록 형성되는 배관이다. 제2 연결부(28)는 원형부(27)와 인입부에 형성된 복수의 홀(31)을 연결하며, 방사형으로 형성된 배관이다.

제1 연결부(26)를 지난 작동 유체는 원형부(27)와 제2 연결부(28)를 지나 인입부의 측면에 형성된 복수의 홀(31)을 통해 인입부(25)로 유출될 수 있다. 유출된 작동 유체는 임펠러에 의해 인입부(25)로 인입되는 기존의 작동 유체에 합류하여 임펠러의 중심부로 흡입될 수 있다.

재순환 배관(26, 27, 28)을 지난 작동 유체가 인입부(25)로 인입되는 기존의 작동 유체에 합류할 수 있기 때문에, 인입부(25)로 인입되는 기존의 작동 유체의 유량이 감소하는 경우, 부족한 유량이 재순환 배관(26, 27, 28)을 지나 재순환하는 작동 유체에 의해 보충될 수 있다. 따라서 작동 유체의 유량 감소로 인해 블레이드에 인입하는 작동 유체의 인입각이 증가하는 것을 방지할 수 있고, 운전 영역의 하한이 증가하는 것을 방지할 수 있으며, 설계된 운전 영역을 실제 운전 영역으로 확보할 수 있다.

또한 인입부에 등간격으로 형성된 홀(31)을 통해 재순환하는 작동 유체가 인입부(25)로 균등하게 인입될 수 있다. 따라서 재순환 배관(26, 27, 28)을 통해 인입부(25)로 인입하는 작동 유체에 의해 기존의 작동 유체의 흐름이 불균일해지는 것을 방지할 수 있다.

그런데 스크롤(23)을 지나는 작동 유체의 압력은 인입부(25)를 지나는 작동 유체의 압력보다 높기 때문에, 작동 유체는 모든 운전 영역에서 재순환하게 된다. 즉, 최고 효율점에서 컴프레서가 운용되고 있는 경우에도 작동 유체가 재순환할 수 있으며, 이는 컴프레서의 효율을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다.

체크밸브(29)는 재순환하는 작동 유체에 의해 컴프레서의 효율이 저하되는 것을 방지하기 위한 구성요소이다. 체크밸브(29)는 제1 연결부(26)에 장착될 수 있다. 체크밸브(29)가 작동 유체의 흐름을 제어하는 방법을 도 6을 통해 살펴본다.

도 6은 체크밸브의 작동 원리를 나타낸다. 체크밸브는 힌지축(2901), 제1 연결부(26)의 내측면과 대응되는 형상으로 형성된 제1 판넬(2902) 및 제2 판넬(2903)을 포함한다. 제1 판넬(2902)과 제2 판넬(2903)에 의해 제1 연결부(26)는 제1 영역(2601)과 제2 영역(2602)으로 구분될 수 있다.

제1 판넬(2902)과 제2 판넬(2903)은 한쪽 방향으로만 회전할 수 있도록 힌지축(2901)에 장착될 수 있다. 즉, 제1 판넬(2902)과 제2 판넬(2903)은 제1 영역(2601)으로는 회전할 수 없고, 제2 영역(2602)으로만 회전 가능하도록 힌지축(2901)에 장착될 수 있다.

또한 제1 판넬(2902)과 제2 판넬(2903)은 초기 위치로 복귀할 수 있는 탄성력을 갖도록 힌지축(2901)에 장착될 수 있다. 제1 판넬(2902)과 제2 판넬(2903)이 초기 위치로 복귀하려는 힘에 의해 제1 영역(2601)의 압력이 제2 영역(2602)의 압력보다 기준치 이상 큰 경우에만 제1 영역(2601)에서 제2 영역(2602)으로 작동 유체가 흐를 수 있다.

이러한 체크밸브의 작동 원리에 의해 스크롤을 지나는 작동 유체의 압력과 인입부를 지나는 작동 유체의 압력이 일정 크기 이상 차이가 나는 경우에만 작동 유체가 재순환 할 수 있다. 즉, 체크밸브에 의해 인입부를 지나는 작동 유체의 유량이 감소하는 경우, 다시 말해 작동 유체가 하한에 가까운 유량으로 인입되는 경우에만 작동 유체가 재순환 할 수 있다. 따라서 체크밸브에 의해 작동 유체가 항상 재순환하는 것이 방지되므로, 최고 효율점에서 컴프레서가 운용되는 경우 재순환하는 작동 유체에 의해 컴프레서의 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 컴프레서 하우징을 나타낸다. 도 5에도시된 일 실시예에 따른 컴프레서 하우징과 비교하였을 때, 다른 실시예에 따른 컴프레서 하우징은 원형부(27)와 후단 인입부(42)를 연결하는 제3 연결부(41)를 포함하는 점에서 차이가 있다.

스크롤(23)에서 토출된 작동 유체는 냉각기를 지나 후단 컴프레서(40)로 인입될 수 있다. 후단 컴프레서(40)의 후단 인입부(42)로 인입되는 작동 유체는 인입부(25)에 인입되는 작동 유체보다 압력이 높기 때문에, 인입부(25)와 후단 인입부(42)를 연결할 경우, 후단 인입부(42)를 지나는 작동 유체가 인입부(25)로 유입될 수 있다.

후단 인입부(42)에서 인입부(25)로 작동 유체를 재순환시키기 위해, 후단 인입부의 일측에는 홀(43)이 형성될 수 있고, 제3 연결부(41)는 후단 인입부의 일측에 형성된 홀(44)과 원형부(27)를 연결하도록 구비될 수 있다. 또한 제3 연결부(41)에는 항상 작동 유체가 재순환하는 것을 방지하기 위해 체크밸브(43)가 장착될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 후단 인입부(42)로부터 작동 유체를 재순환시키는 구성을 포함하나, 그 외에도 냉각기로부터 작동 유체를 재순환시키는 구성 등을 포함할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 운전 영역 2: 서지 라인
3: 초크 라인 4: 최대 효율 라인
10, 21: 임펠러 11: 임펠러의 회전축
12, 2101: 블레이드
13a, 13b, 15a, 15b, 17a, 17b: 작동 유체
14, 16, 18: 인입각 22: 디퓨져
23: 스크롤 24: 쉬라우드
25: 인입부 26: 제1 연결부
2601: 제1 영역 2602: 제2 영역
27: 원형부 28: 제2 연결부
29, 43: 체크밸브 2901: 힌지축
2902: 제1 판넬 2903: 제2 판넬
31: 인입부의 일측에 형성된 홀 32: 스크롤의 일측에 형성된 홀
40: 후단 컴프레서 41: 제3 연결부
42: 후단 인입부 44: 후단 인입부의 일측에 형성된 홀

Claims

임펠러에 의해 작동 유체를 인입하는 인입부;
상기 임펠러에 의해 압축된 작동 유체를 유출하는 스크롤; 및
상기 스크롤의 일측에 형성된 홀과 상기 인입부의 일측에 등간격으로 형성된 복수의 홀을 연결하고, 상기 스크롤에서 유출하는 상기 작동 유체의 일부를 상기 인입부로 재순환시키는 재순환 배관을 포함하되,
상기 재순환 배관은 상기 인입부를 이격되어 둘러싸는 원형부, 상기 스크롤의 일측에 형성된 홀과 상기 원형부를 연결하는 제1 연결부, 및 상기 인입부의 일측에 형성된 상기 복수의 홀과 상기 원형부를 연결하는 제2 연결부를 포함하는 컴프레서 하우징.
제1항에 있어서,
상기 제1 연결부에는 상기 인입부로 인입되는 작동 유체의 유량에 따라 개폐되는 체크밸브가 구비되는 컴프레서 하우징.
제1항에 있어서,
상기 스크롤은 상기 스크롤에서 유출된 작동 유체가 후단 임펠러로 인입되도록 후단 인입부와 연결되고,
상기 재순환 배관은 상기 후단 인입부의 일측에 형성된 홀과 상기 원형부를 연결하는 제3 연결부를 포함하는 컴프레서 하우징.