KR20190130935A - 회전축과의 결합력을 향상한 터보 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전자를 포함하는 회전축; 상기 회전축의 일측에 결합되는 제1 임펠러; 상기 제1 임펠러와 상기 회전축의 사이에 결합되는 스러스트 베어링 러너; 상기 제1 임펠러와 상기 스러스트 베어링 러너 사이에 압착되어 결합되는 임펠러 슬리브; 상기 회전축의 타측에 결합되는 제2 임펠러; 및 상기 제1 임펠러와 상기 스러스트 베어링을 관통하여 상기 회전축에 체결되는 타이 로드;를 포함하는 터보 압축기를 제공한다.

Description

회전축과의 결합력을 향상한 터보 압축기{TURBO COMPRESSOR WITH IMPROVES FIXING FORCE WITH ROTATING SHAFT}

본 발명은 회전축의 강성을 향상시키고, 회전축과 임펠러 사이의 결합력을 향상시킨 터보 압축기에 관한 것이다.

압축기는 왕복동식, 스크류식, 터보식으로 크게 분류된다.

왕복동식 압축기는 실린더 내 피스톤의 왕복 운동으로 가스를 압축하는 압축기이고, 스크류식 압축기는 암수 한 쌍의 비틀림 나사산을 가진 두 축의 스크루 로터의 회전에 의해 가스를 압축하는 압축기이다.

터보 압축기는 원심 압축기의 일종으로, 케이싱 내에 후곡 날개의 날개 바퀴를 회전해서 그 원심력으로 기체의 압축을 실행하는 것이다. 터보 압축기는 왕복동식, 스크류식 보다 대용량, 저소음, 낮은 유지 보수 등의 장점을 가진다. 뿐만 아니라 오일이 함유되지 않은 깨끗한 압축기체를 생산할 수 있다.

원심형 터보 압축기에서 기체를 압축하는 구성요소로는 기체를 가속시키는 임펠러(Impeller)와 가속된 기체흐름을 감속시켜 압력으로 전환시키는 디퓨져(Diffuser)로 구성되어 있다.

모터가 임펠러를 고속 회전시키면 외부 기체가 임펠러의 축방향을 따라 흡입되고 흡입된 기체는 임펠러의 원심방향으로 토출된다.

터보 압축기의 설계에 있어서 가장 중요한 인자는 회전축의 1차 벤딩 모드이다. 보다 자세하게는 회전축이 1차 벤딩 모드에 도달하는 위험 속도를 피하기 위해서는 회전축의 강성을 확보할 수 있는 설계가 중요하다.

도 1은 종래의 터보 압축기의 단면의 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 종래의 터보 압축기의 회전축의 구조를 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 터보 압축기는 케이싱(10)과, 케이싱(10)의 내부에 구비되는 고정자(12)와, 상기 고정자의 내부에서 회전하는 회전자(22)를 포함하는 회전축(20)을 포함한다. 상기 회전축의 양단에 임펠러(미도시)가 체결된다.

회전축(20)에는 축방향의 하중을 지탱하기 위한 스러스트 베어링 러너(thrust bearing runner)(25)가 구비된다.

회전축(20)의 외경은 스러스트 베어링의 한계수를 고려하여 일정 수준 이하가 되도록 설계 되어야 하며, 운전시에 겪게되는 고온 환경에서 운전을 하기 위해서는 모든 부품이 견고하고 큰 힘으로 체결되어야 한다.

고온 환경 하에서 회전축이 열에 의하여 팽창하게 되는데, 이러한 팽창으로 인하여 임펠러와 회전축 사이의 결합이 느슨해질 경우, 임펠러가 회전축과 함께 회전하지 못하며 슬립이 발생할 수 있고, 이러한 문제는 터보 압축기의 내구성과 신뢰성을 크게 저하시키게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 US 공개특허 2004-0005228호 (공개일자 2004년 1월 8일)는 타이 볼트를 이용하여 결합력을 확보하는 구조를 제시하였다.

도 3은 선행특허의 터보 압축기 구조를 나타낸 단면도이다.

도시한 바와 같이, 선행특허의 터보 압축기는 타이 로드(48)가 회전축의 축 중심을 관통하며, 회전축의 부품들을 체결하는 구조를 가지고 있었다.

회전자의 영구자석(52)은 양단이 엔드 캡(56,58)에 가압되며, 영구자석(54)의 외주면은 가압 슬리브(54)에 끼워지고, 엔드 캡(56,58)의 측에 제1저널베어링 샤프트(40)과 제2저널베어링 샤프트(44)가 배치되고, 그 양측에 임펠러(20)와 스러스트 디스크(46)가 배치되며, 타이 로드가 이들을 관통하며 체결되는 구조를 가지고 있었다.

이러한 구조는 타이 로드(48)에 인장력이 걸리도록 체결하면 축 방향 결합 부품들의 결합력을 강화할 수 있는 장점을 가지나, 너무 많은 수의 부품으로 분할되어 있고, 이들이 그 중앙을 관통하는 타이 로드(48)에 의해서 체결되고 있어서, 회전축의 중심에 대하여 각 부품이 편심을 가지는 상태로 결합될 우려가 있다.

타이 로드(48)가 각 부품을 관통하여 결합되는 구조는 각 부품에 타이 로드(48)의 관통을 위한 관통공이 구비하고, 관통공에 타이 로드(48)가 조립되어야 한다. 타이 로드(48) 의 조립을 위해서는 타이 로드(48)의 외경과 관통공의 내경 사이에 유격이 존재해야 하는데, 이러한 유격으로 인하여 타이 로드(48)로 결합되는 부품들이 회전축의 중심에 정확하게 정렬되지 못하고 편심된 상태로 결합될 수 있다.

편심이 발생할 경우 회전 관성모멘트가 증가하여 압축기의 효율이 감소하게 되는 문제점을 가지고 있었다.

US 공개특허 2004-0005228호 (공개일자 2004년 1월 8일)

본 발명의 목적은, 터보 압축기의 회전축의 강성을 확보하여 고속 회전시에도 회전축의 1차 벤딩 모드를 회피할 수 있는 구조를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 회전축에 결합되는 부품들이 회전축의 축 중심에 보다 정확하게 정렬될 수 있는 터보 압축기 구조를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 터보 압축기가 고속 운전시 발생하는 고온 환경에서도 임펠러 등의 구성요소가 견고하게 고정된 상태를 유지할 수 있는 터보 압축기 구조를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 소형화에 적합한 터보 압축기의 구조를 제공함에 있다.

본 발명은 2개의 임펠러가 배면을 마주하는 백 투 백 타입의 2 단 터보 압축기에 있어서, 2개의 임펠러가 예하중이 인가된 상태로 체결될 수 있는 구조를 제공한다.

본 발명에 따른 터보 압축기는 상대적으로 큰 직경을 가지는 제1 임펠러의 배면에 스러스트 베어링 러너를 배치하되, 상기 제1 임펠러와 스러스트 베어링 러너를 타이 로드를 통하여 회전축에 체결하되, 상기 타이 로드에 예하중을 부여함으로써 체결력을 확보할 수 있는 구조를 제공한다.

그리고, 본 발명에 따른 터보 압축기는 제1 임펠러와 스러스트 베어링 러너 사이에 배치되는 임펠러 슬리브에, 제1 임펠러와 스러스트 베어링 러너의 결합축이 삽입되는 구조를 제공함으로써, 임펠러 슬리브와 결합축의 억지 끼움에 의하여 제1 임펠러와 스러스트 베어링 러너의 결합력을 부여하는 효과를 가져온다.

또한, 본 발명에 따른 터보 압축기는 제2 임펠러가 체결되는 회전축의 단부의 직경이 다단으로 축소되는 구조를 제공함으로써, 제 2 임펠러와 회전축 사이에 체결력이 작용하는 접촉 면적을 확대할 수 있는 구조를 제공한다.

본 발명은 터보 압축기의 크기를 축소하며 고속 회전이 가능한 구조를 제공하기 위하여, 제1 임펠러와 스러스트 베어링 러너는 타이 로드를 이용하여 예하중을 부여하여 체결되도록 하고, 제 2임펠러는 다단의 회전축 형상을 통하여 회전축의 소경부에 예하중을 인가하여 체결되도록 함으로써, 고속 회전의 터보 압축기의 회전 부품들 사이에 요구되는 결합력을 확보할 수 있는 효과를 가져온다.

본 발명에 따른 터보 압축기는 회전축의 강성 확보가 용이하여 상대적으로 더 높은 운전 주파수를 확보할 수 있는 효과를 가져온다.

본 발명에 따른 터보 압축기는 타이 볼트를 적용하여 임펠러의 체결력을 부족 문제를 해소할 수 있는 효과를 가져온다.

도 1은 종래의 터보 압축기의 단면의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 터보 압축기의 회전축의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 타이 볼트를 이용한 회전축의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터보 압축기의 회전축의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 터보 압축기의 회전축과 스러스트 베어링 러너의 결합부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 터보 압축기의 회전축과 제2 임펠러의 결합부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 7은 도 2의 회전축을 이용한 20만 rpm 회전시의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 도 4의 회전축을 이용한 20만 rpm 회전시의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 SUS 304 재질의 변형량에 따른 응력을 나타낸 그래프이다.
도 10은 타이 볼트의 변형량과 결합력의 관계를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명에 대해, 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

일반적으로 터보 압축기는 원심 압축기의 일종으로, 케이싱 내에 임펠러를 회전해서 그 원심력으로 유체를 압축하는 것이다.

터보 압축기는 임펠러의 회전력을 이용하여 기체를 축방향으로 흡입하였다가 원심방향으로 토출시키면서 압축하는 것으로 통상 2단 압축식 터보 압축기가 상용화 되었다.

터보 압축기는 임펠러의 개수에 따라 단수가 구분되며, 임펠러의 배열형태에 따라서 백 투 백 타입 또는 페이스 투 페이스 타입으로 구분될 수 있다.

백 두 백(back to back) 타입은 임펠러의 배면이 서로 마주보도록 배열되는 것이고, 페이스 투 페이스(face to face) 타입은 임펠러의 흡입단이 서로 마주보도록 배열되는 것이다.

이하에서 살펴보는 본 발명의 실시예에 따른 터보 압축기는 두 개의 임펠러를 구비하고 임펠러의 배면이 서로 마주보도록 배열된 2단 백 두 백 타입 터보 압축기이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터보 압축기의 회전축의 구조를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 터보 압축기의 회전축과 스러스트 베어링 러너의 결합부분을 확대하여 나타낸 도면이다.

터보 압축기를 소형화하기 위하여 가장 중요한 인자는 회전축의 1차 벤딩 모드이다. 왜냐하면 회전축은 고속으로 회전하며 고압의 조건에서 운전되기 때문에 운전속도 범위 내에서 회전축이 1차 벤딩 모드에 도달하게 되면 운전의 신뢰성을 확보할 수 없기 때문이다.

회전축이 고속 운전에 적합하기 위해서는 축의 강성이 확보될 수 있도록 회전축의 길이는 짧고 직경은 커지는 것이 바람직하다. 그런데, 축의 직경에 있어서는 또한 베어링의 설계 한계 DN number를 고려해야 하므로, 축의 직경을 크게 하는 것에도 한계가 있다.

본 발명은 터보 압축기의 구조에 있어서, 회전축을 중심으로 한 두 개의 임펠러와 스러스트 베어링 러너의 체결력을 확보할 수 있는 구조를 제공하기 위한 것이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 터보 압축기는 회전자(105)를 포함하는 회전축(100)과, 상기 회전축(100)의 일측에 배치되는 스러스트 베어링 러너(120)와, 상기 스러스트 베어링 러너(120)의 외측에 배치되는 제1 임펠러(140)와, 상기 제1 임펠러(140)와 상기 스러스트 베어링 러너(120)를 상기 회전축에 예하중을 인가하여 체결하는 타이 로드(tie rod)(160)와, 상기 회전축(100)의 타측에 체결되는 제2 임펠러(180)를 포함한다.

상기 제2 임펠러(180)는 상기 제1 임펠러(140)에 비하여 상대적으로 작은 외경을 가지는 것이 바람직하다. 다시말해 상대적으로 큰 직경을 가지는 임펠러에 근접하여 스러스트 베어링 러너(120)를 배치하는 것이 바람직하다. 임펠러의 직경이 커질수록 임펠러의 배면에 인가되는 축 방향 하중이 커지므로, 상대적으로 큰 직경을 가지는 임펠러의 배면에 스러스트 베어링 러너(120)를 배치하여, 임펠러의 회전에 의하여 발생하는 효과적으로 지지할 수 있도록 하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 터보 압축기는 회전자(105)가 회전축(110)의 다른 부분보다 돌출되는 형태로 구성되는 것이 바람직하다. 회전자(105)는 영구자석을 포함하는데, 영구자석의 크기를 크게 할수록 고속 회전을 구현하기 용이하다. 따라서 회전자(105) 부분의 외경을 크게 하면 구동모터의 회전력을 확보할 수 있다. 앞서 살펴본 바와 같이 회전축의 직경이 커지게 되면, 회전축을 지지하는 저널 베어링의 한계 DN number 의 측면에서는 불리하다. 한계 DN number 는 회전축의 직경과 회전수의 곱으로 산출되는 것으로, 회전축의 직경이 커질수록 DN number 가 커지게 된다.

본 발명은 회전축(100)의 회전자(105) 양측의 구간을 회전자(105)의 직경보다 작게 형성함으로써, 보다 고속 회전에서의 안정성을 향상시키는 효과를 가져온다.

본 발명에 따른 터보 압축기는 스러스트 베어링 러너(120)와 제1 임펠러(140)를 하나의 타이 로드(160)를 이용하여 예하중(pre load)을 인가한 상태로 체결함으로써, 스러스트 베어링 러너(120)와 제1 임펠러(140)의 체결력을 확보할 수 있는 구조를 제공한다. 터보 압축기가 회전하게 되면 제1 임펠러(140)는 회전에 의하여 발생하는 압력차에 의하여 도면에서 좌측 방향으로 하중을 인가 받게 된다. 이를 상쇄하기 위하여 타이 로드(160)에 예하중을 인가하여 제1 임펠러(140)와 스러스트 베어링 러너(120)를 회전축에 체결하는 것이다.

타이 로드(160)를 이용하여 예하중을 인가하기 위해서는 타이 로드(160)가 체결되는 회전축(100)에는 타이 로드(160)의 외경보다 큰 내경을 가지는 중공홈(102)이 구비되어야 한다.

타이 로드(160)의 일측 단부는 중공홈(102)에 체결되고, 타측에는 체결 너트(162)가 체결된다. 다시말해, 회전축의 좌측 단부와 체결 너트(162)의 사이에 스러스트 베어링 러너(120)와 임펠러(140)가 끼워진 상태에서 체결 너트(162)를 조이면, 타이 로드(160)는 인장되고 임펠러(140)와 스러스트 베어링 러너(120)는 압축되며 체결된다. 따라서, 체결 너트(162)의 체결 정도를 조절하면 타이 로드(160)에 인가되는 예하중의 크기를 설정할 수 있다.

상기 중공홈(102)은 타이 로드(160)가 체결될 때 타이 로드(160)가 인장된 상태가 될 수 있도록 하기 위한 것으로, 상기 중공홈(102)의 내경은 상기 타이 로드(160)의 외경보다 크게 설정되는 것이 바람직하다. 타이 로드(160)와 중공홈(102) 사이에 마찰력이 발생하게 되면 타이 로드(160)에 인가되는 예하중의 일부가 타이 로드(160)와 중공홈(102)의 내벽 사이에 마찰력으로 상쇄되므로 타이 로드(160)를 이용하여 부여하고 싶은 만큼의 예하중이 체결력으로 작용되지 못할 수 있다.

제1 임펠러(140)와 스러스트 베어링 러너(120)의 사이에는 제1 임펠러(140)의 씰링 성능을 확보하기 위한 임펠러 슬리브(150)가 구비될 수 있다. 임펠러 슬리브(150)는 제1 임펠러(140)와 임펠러 하우징(미도시) 사이에서 발생하는 유체의 누설을 방지하기 위하여 요철 형상을 구비할 수 있다. 예를 들면 라비린스(Labrith seal)로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 임펠러 슬리브(150)는 제1 임펠러(140)와 스러스트 베어링 러너(120)의 사이에 배치되어, 제1 임펠러(140)와 스러스트 베어링 러너(120)를 결속시키는 결합력을 부여할 수 있다.

도시한 바와 같이 임펠러 슬리브(150)와 제1 임펠러(140)의 단부가 임펠러 슬리브(150)의 내경에 끼워지도록 함으로써, 임펠러 슬리브(150)가 제1 임펠러(140)와 스러스트 베어링 러너(120)의 연결부의 외주를 감싸며 이들을 결합시키도록 할 수 있다.

이를 위하여 제1 임펠러(140)의 내측과, 스러스트 베어링 러너(120)의 외측에는 임펠러 슬리브(150)의 내부로 삽입되는 결합축부(142,124)를 구비하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 결합축부(142,124)의 외경은 임펠러 슬리브(150)의 내경보다 크게 설정하여, 결합축부(142,124)가 임펠러 슬리브(150)에 억지 끼움으로 결합되도록 하면 임펠러 슬리브(150)에 의하여 제1 임펠러(140)와 스러스트 베어링 러너(120) 사이에 결합력을 부여할 수 있다.

이 때, 상기 결합축부(142,124)의 길이의 합은 임펠러 슬리브(150)의 길이 보다 작게 설정되는 것이 바람직하다. 이는 타이 로드(160)와 체결 볼트(162)에 의하여 부여되는 타이 로드(160)의 예하중에 의하여 임펠러 슬리브(150)가 제1 임펠러(140)와 스러스트 베어링 러너(120)의 사이에서 압축되며 결합될 수 있도록 하기 위한 것이다.

결합축부(142,124)의 길이의 합이 임펠러 슬리브(150)의 길이와 같거나 그보다 길게 설정되면, 결합축부(142,124)가 서로 맞닿게 되므로 임펠러 슬리브(150)가 제1 임펠러(140)와 스러스트 베어링 러너(120)에 의하여 압축되지 못하기 때문이다.

또한, 제1 임펠러(140)와 회전축(100)의 사이에 체결되는 스러스트 베어링 러너(120)는 회전축(100)과도 억지끼움으로 결합될 수 있다.

도시한 바와 같이, 회전축(100)의 중공홈(102)의 단부에 중공홈(102)의 내경보다 크게 설정된 결합홈(104)을 구비하고, 스러스트 베어링 러너(120)의 내측에 결합축(122)을 구비하여, 상기 결합축(122)이 결합홈(104)에 억지끼움으로 결합되도록 할 수 있다. 결합축(122)의 외경을 결합홈(104)의 내경에 비하여 크게 설정하여, 스러스트 베어링 러너(120)의 결합축(122)이 결합홈(104)에 억지끼움 되도록 하는 것이다.

이는 스러스트 제1 임펠러(140)와 회전축(100)의 사이에 끼워지는 스러스트 베어링 러너(120)와 회전축(100)의 접촉 면적을 확대함으로써, 스러스트 베어링 러너(120)와 회전축 사이의 결합력을 확보할 수 있도록 하기 위한 것이다.

한편. 결함홈(104)에 끼워지는 스러스트 베어링 러너(120)의 길이는 결합홈(104)의 깊이 보다 짧게 설정되는 것이 바람직하다. 이는 타이 로드(160)에 인가되는 예하중에 의하여 스러스트 베어링 러너(120)와 회전축(100)의 좌측 단부 사이에 압축력이 인가될 수 있도록 하기 위한 것이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 터보 압축기의 회전축과 제2 임펠러의 결합부분을 확대하여 나타낸 도면이다.

제2 임펠러(180)는 제1 임펠러(140)에 비하여 상대적으로 작은 직경을 가지는 것으로, 회전축(100)과의 결합력을 확보하기 위하여 다단으로 회전축과 결합되도록 하는 것이 바람직하다.

제2 임펠러(180) 회전축에 직접 체결 볼트(164)를 이용하여 체결될 수 있다.

제2 임펠러(180)가 체결되는 회전축의 단부는 2단으로 직경이 축소되는 다단의 구조를 가지는 것이 바람직하다. 이하에서, 회전축의 직경이 가장 큰 부분을 대경부(100-1), 회전축의 직경이 가장 작은 부분을 소경부(100-3), 그 사이에서 소경부(100-3)와 대경부(100-1) 사이의 직경을 가지는 부분을 중경부(1002)로 칭한다.

제2 임펠러(180)는 중경부(100-2)와 소경부(100-3)에 결합된다. 제2 임펠러(180)는 베이스 플레이트(182)와, 베이스 플레이트(182)에 배치된 임펠러 블레이드(184)를 포함한다.

제2 임펠러(180)의 회전축 체결공은 베이스 플레이트(182)에는 중경부(100-2)에 대응하는 내경을 가지며, 임펠러 블레이드(184)측에는 소경부(100-3)에 대응하는 내경을 가진다. 이러한 구조는 임펠러 블레이드(184) 측의 내경을 작게 함으로써, 임펠러 블레이드(184)의 유효 면적을 확대할 수 있는 효과를 가진다.

또한, 회전축(100)과 제2 임펠러(180)의 체결력을 보다 강하게 설정할 수 있다. 제2 임펠러(180)와 회전축(100)이 다단으로 결합되면, 회전축의 반지름 방향면이 제2 임펠러와 접촉하게 되므로, 접촉 면적이 확대된다. 따라서 제2 임펠러(180)와 회전축(100)의 체결력을 향상시킬 수 있는 것이다.

제2 임펠러(180)의 내측면은 회전축(100)의 대경부(100-1)와 중경부(100-2) 사이의 제1단차면(103)에 지지되고, 제2 임펠러(180)의 베이스 플레이트(182)의 내부에 형성되는 단차면은 회전축(100)의 중경부(100-2)와 소경부(100-3) 사이의 제2단차면에(105)에 지지된다. 이러한 구조는 제2 임펠러(180)를 회전축(100)에 억지끼움 또는 열박음으로 결합시켰을 때 마찰력이 작용하는 결합면적이 확대되도록 하는 효과를 가져온다.

또한, 체결너트(164)를 체결하게 되면, 체결볼트(164)에 의하여 제2임펠러(180)는 회전축의 제1단차면(103)과 체결너트(164)의 사이에 압축되며, 회전축(100)의 중경부(100-2)와 소경부(100-3)는 인장된다. 따라서 체결 너트(164)의 체결력을 조절하여 회전축(100)의 중경부(100-2)와 소경부(100-3)에 예하중을 인가할 수 있다.

이러한 구조는 가장 큰 힘을 받는 제1 임펠러(140)와 제2 임펠러(180)가 전 후방으로 대칭이 되도록 함으로써, 전 후방 변형이 동일하게 이루어지도록 하는 효과를 가져온다.

변형이 일측으로 편중될 경우, 고속 운전시의 변형에 의하여 터보 압축기의 신뢰성이 저하될 수 있다.

타이 로드(160)를 이용하여 체결하면, 체결 너트(162)의 조임력을 이용하여 타이 로드(160)에 인장하중이 걸린 상태로 체결이 가능하다. 다시말해, 타이 로드(160)에 프리 텐션을 부여하여 체결할 수 있게 되므로, 열팽창 등에 의하여 변형이 발생하더라도 프리 텐션이 인가되어 있으므로 열팽창에 의한 변형으로 발생하는 인장력의 저하를 타이 로드(160)에 인가된 예하중이 흡수할 수 있도록 함으로써 견고한 체결이 가능하도록 하는 것이다.

본 발명은 터보 압축기의 크기를 축소하며 고속 회전이 가능한 구조를 제공하기 위하여, 제1 임펠러와 스러스트 베어링 러너는 타이 로드를 이용하여 예하중을 부여하여 체결되도록 하고, 제 2임펠러는 다단의 회전축 형상을 통하여 회전축의 소경부에 예하중을 인가하여 체결되도록 함으로써, 고속 회전의 터보 압축기의 회전 부품들 사이에 요구되는 결합력을 확보할 수 있는 효과를 가져온다.

도 7은 도 2의 회전축을 이용한 20만 rpm 회전시의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.

도 2의 회전축의 길이는 177mm, 회전축의 외경은 125mm 로 실험하였다.

결과를 살펴보면, 1차 벤딩 주파수가 2,250.5 Hz, DN Number 가 2,500,000 mm-rpm 으로, 1차 벤딩 주파수가 운전속도 범위 내에 있어서 고속 운전에 부적합한 것으로 나타났다.

도 8는 도 4의 회전축을 이용한 20만 rpm 회전시의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.

도 4의 회전축의 길이는 135.5mm, 회전축의 외경은 14.5mm 로 실험하였다.

결과를 살펴보면, 1차 벤딩 주파수가 5,1362.2 Hz, DN Number 가 2,900,000 mm-rpm 으로, 1차 벤딩 주파수가 운전속도 범위 밖에 있어서 고속 운전에 적합한 것으로 나타났다.

도 9는 SUS 304 재질의 변형량에 따른 응력을 나타낸 그래프이고, 도 10은 타이 로드의 변형량과 결합력의 관계를 나타낸 그래프이다.

타이 로드의 재질로 SUS 304 재질을 적용하는 경우를 예로 들면, 도 7의 그래프와 같이, SUS 304 재질의 변형량과 응력 관계의 그래프에서, 안전계수를 3으로 적용할 경우 변형량을 25um 이내로 적용할 수 있음을 알 수 있다.

이를 다시 도 10의 하중에 따른 변형량의 그래프를 통해서 역산하여, 타이 로드의 변형량을 7~25um 범위로 설정하면, 회전축의 예하중이 500~1800N 으로 설정할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명을 실시하기 위한 실시예들에 불과한 것으로서, 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.

100 : 회전축
100-1 : 대경부
100-2 : 중경부
100-3 : 소경부
102 : 중공홈
104 : 결합홈
120 : 스러스트 베어링 러너
122, 124 : 결합축
140 : 제1 임펠러
142 : 결합축
150 : 임펠러 슬리브
160 : 타이 로드
180 : 제2 임펠러
182 : 베이스 플레이트
184 : 임펠러 블레이드

Claims (10)

1. 회전자를 포함하며 일측에 중공홈을 구비하는 회전축;
   상기 회전축의 중공홈이 배치된 측에 배치되며 배면이 내측을 향하도록 배치되는 제1 임펠러;
   상기 제1 임펠러와 상기 회전축의 사이에 배치되는 스러스트 베어링 러너;
   상기 제1 임펠러보다 상대적으로 작은 직경을 가지며, 상기 회전축의 타측에 배면이 내측을 향하도록 배치되는 제2 임펠러; 및
   상기 중공홈의 내경보다 작은 외경을 가지며, 상기 제1 임펠러와 상기 스러스트 베어링 러너를 관통하여 상기 종공홈에 예하중이 인가된 상태로 체결되는 타이 로드;를 포함하는 터보 압축기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 임펠러와, 상기 스러스트 베어링 러너 사이에 끼워지는 임펠러 슬리브를 더 포함하는 터보 압축기.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1 임펠러와 상기 스러스트 베어링 러너는 상기 임펠러 슬리브에 삽입되는 결합축을 구비하는 구비하는 터보 압축기.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 결합축은 상기 임펠러 슬리브에 억지 끼움으로 결합되는 터보 압축기.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 임펠러 슬리브에 삽입되는 결합축의 길이의 합은 상기 임펠러 슬리브의 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전축은 상기 제2 임펠러와 결합되는 단부의 직경이 2단으로 감소되는 중경부와 소경부를 구비하고,
   상기 제2 임펠러의 베이스 플레이트의 내부에 중경부와 소경부의 단차면이 배치되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제2 임펠러의 소경부에 체결너트를 체결하여, 상기 중경부와 상기 소경부에 예하중이 인가되도록 한 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전축의 중심에 구비되는 회전자는 상기 회전축에서 돌출된 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 타이 로드는 SUS 304 재질을 이용하여, 변형량이 7~25um 범위가 되도록 체결된 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
   
10. 회전자를 포함하는 회전축;
    상기 회전축의 양측에 결합되는 배면이 서로 마주하도록 결합되는 제1 임펠러와, 상기 제2 임펠러;
    상대적으로 큰 직경을 가지는 상기 제1 임펠러의 배면에 결합되는 스러스트 베어링 러너; 및
    상기 제1 임펠러와 상기 스러스트 베어링 러너을 관통하여 상기 회전축에 예하중이 인가된 상태로 체결되는 타이 로드;를 포함하는 터보 압축기.

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