KR20210041484A - 다단식 원심 압축기들에서의 서지 방지를 위한 방법들 및 메커니즘들 - Google Patents

다단식 원심 압축기들에서의 서지 방지를 위한 방법들 및 메커니즘들 Download PDF

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Abstract

터보머신은, 케이싱의 종축을 따라 배출구 단부에 대향하는 주입구 단부를 갖는 케이싱; 케이싱 내에 제공되고, 주입구 단부에서 배출구 단부로 연장되는 샤프트 어셈블리; 샤프트 어셈블리로부터 반경 방향 외측으로 연장되는 복수의 회전 임펠러; 및 하류 임펠러의 디퓨저 채널로부터 인접한 상류 임펠러의 복귀 채널로 유체의 역류를 허용하기 위해 2개의 인접한 임펠러들 사이에 정의되는 연통 채널을 포함한다.

Description

다단식 원심 압축기들에서의 서지 방지를 위한 방법들 및 메커니즘들{METHODS AND MECHANISMS FOR SURGE AVOIDANCE IN MULTI-STAGE CENTRIFUGAL COMPRESSORS}
관련 출원들에 대한 교차 참조
본 출원은 2019년 10월 7일자에 출원되었으며 그 전체가 본원에 참고로 통합된 미국 가출원 제62/911,697호의 우선권을 주장한다.
본 개시는 일반적으로 터보머신들 및 기타 메커니즘들에 관한 것으로, 특히 다단식(multi-stage) 원심 압축기들에서의 서지(surge)를 방지하기 위한 메커니즘들에 관한 것이다.
원심류(centrifugal flow) 압축기들, 축류(axial flow) 압축기들 및 터빈들과 같은 터보머신은 다양한 산업들에서 활용될 수 있다. 특히, 원심류 압축기들 및 터빈들은 발전소들, 제트 엔진 응용 분야, 오일 및 가스 공정 산업들, 가스 터빈들 및 차량 응용 분야에서 널리 사용된다. 원심류 압축기들 및 터빈들은 정유 산업에서 사용되는 공기 분리 플랜트들 및 고온 가스 팽창기(expander)들과 같은 대규모 산업 응용 분야에서도 또한 일반적으로 사용된다. 원심 압축기들은 정유소 및 화학 공장들과 같은 대규모 산업 응용 분야에서 더 많이 사용된다.
도 1을 참조하면, 다단식 원심류 터보머신(10)이 종래의 설계에 따라 도시되어 있다. 일부 응용 분야에서는, 단일 단(stage)이 활용될 수 있다. 다른 응용 분야에서는, 다수의 단들이 활용될 수 있다. 이러한 터보머신(10)은 일반적으로 한 쌍의 베어링들(40)에 의해 하우징(30) 내에 지지되는 샤프트(20)를 포함한다. 도 1에 나타낸 터보머신(10)은 작동 유체의 압력을 서서히 증가시키기 위한 복수의 단들을 포함한다. 각각의 단은 터보머신(10)의 종축을 따라 연속적으로 배열되고, 모든 단들은 동일한 원리로 동작하는 유사한 구성요소들을 가질 수도 있고 가지지 않을 수도 있다.
계속해서 도 1을 참조하면, 임펠러(50)는 원주 방향으로 배열되고 임펠러 허브(70)에 부착된 복수의 회전 블레이드들(60)을 포함하며, 이는 차례로 샤프트(20)에 부착된다. 블레이드들(60)은 선택적으로 커버(65)에 부착될 수 있다. 복수의 임펠러들(50)은 샤프트(20)의 축방향 길이를 따라 다단으로 이격될 수 있다. 회전 블레이드들(60)은 임펠러 허브(70)에 고정 결합되어, 회전 블레이드들(60)은, 임펠러 허브(70)와 함께, 샤프트(20)의 회전에 따라 회전한다. 회전 블레이드들(60)은 고정 튜브형 케이싱(stationary tubular casing)에 부착된 복수의 고정 베인(vane)들 또는 스테이터(stator)들(80)의 하류에서 회전한다. 가스 혼합물과 같은 작동 유체는 샤프트(20)의 반경 방향으로 터보머신(10)에 들어가고 나간다. 회전 블레이드들(60)은 유체에 전달되는 기계적 동력을 이용하여 스테이터들(80)에 대해 회전된다. 원심 압축기에서, 임펠러(50) 내의 회전 블레이드(60) 사이의 단면적은 주입구 단부로부터 배출 단부로 감소하여, 작동 유체는 임펠러(50)를 통과함에 따라 압축된다.
도 2를 참조하면, 가스 혼합물과 같은 작동 유체는 터보머신(10)의 주입구 단부(90)로부터 배출구 단부(100)로 이동한다. 주입구 단부(90)에 제공된 일련의 스테이터들(80)은 작동 유체를 터보머신(10)의 일련의 회전 블레이드들(60)로 보낸다. 스테이터들(80)은 작동 유체를 회전 블레이드들(60)로 보내기 위해 케이싱 내에서 연장된다. 스테이터들(80)은 케이싱의 주위의 개별 스트럿(strut)들 사이에 일반적으로 동일한 간격을 두고 원주 방향으로 이격된다. 디퓨저(diffuser)(110)가 회전 블레이드들(60)의 배출구에 제공되어, 과도한 운동 에너지를 회전 블레이드들(60)에서 나오는 유체 유동(flow)으로부터 압력 상승으로 변환시킨다. 디퓨저(110)는 선택적으로 케이싱 내에서 연장되는 복수의 디퓨저 블레이드들(120)을 갖는다. 디퓨저 블레이드들(120)은 원주 방향으로 이격되어 있으며, 일반적으로 디퓨저 케이싱의 둘레 주위에 개별 디퓨저 블레이드들(120) 사이에 동일한 간격을 두고 있다. 다단식 터보머신(10)에서, 작동 유체를 다음 연속 단의 회전 블레이드들(60)로 보내기 위해 유체 압축 단의 배출구 단부(100)에 복수의 복귀 채널(return channel) 베인들(125)이 제공된다. 이러한 실시예에서, 복귀 채널 베인들(125)은 터보머신(10)의 제 1 단에서부터 스테이터들(80)의 기능을 제공한다. 다단식 터보머신에서의 마지막 임펠러는 일반적으로 디퓨저만 가지고 있으며, 디퓨저 블레이드들(120)과 함께 또는 없이 제공될 수 있다. 마지막 디퓨저는 작동 유체의 유동을 배출 파이프에 연결하기 위한 출구 플랜지를 갖는 배출 케이싱(볼류트(volute))으로 보낸다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 단일단식(single-stage) 실시예에서, 터보머신(10)은 주입구 단부(90)에 스테이터들(80) 및 배출구 단부(100)에 디퓨저(110)를 포함한다.
원심 압축기의 성능은 일반적으로 서지(surge) 및 스톨(stall) 영역들에 의해 경계지어지는 원심 압축기의 헤드 대 유동 맵(flow map)에 의해 정의된다. 이 맵은 정상 상태 및 과도 시스템 시나리오들 양방 모두에 대한 압축기의 동작 범위를 평가하는 데 중요하다. 구체적으로, 대응 속도 라인들을 갖는 원심 압축기 성능 맵(헤드 또는 압력 비율 대 유량)은 압축기의 동작 범위에 두 가지 제한이 있음을 나타낸다.
서지로 알려진, 전체적인(global) 공기 역학적 유동 불안정성은 저유량 (또는 고압비) 동작에 대한 한계를 설정하는 한편, 최대 허용 가능 유동 또는 초크(choke) 또는 "스톤월(stonewall)"의 조건은 높은 유동 한계를 설정한다. 맵 상에서의 서지 라인의 정확한 위치는 동작 조건에 따라 달라질 수 있으며, 그 결과, 일반적인 서지 마진은 이론적 서지 라인에 대해 명시된 유량보다 10% 내지 15% 더 높게 설정된다. 서지 마진은 일반적으로 다음과 같이 정의된다: SM(%) = ((QA-QB)/QA) x 100. QA 는 동작점에서의 실제 체적 유량이고 QB 는 압축기의 동일한 속도 라인에 대한 서지 라인에서의 유량이다. 대부분의 원심 압축기 제조업체들은 정상적인 동작 동안에 적어도 15%의 서지 마진을 갖도록 머신을 설계하고 재순환(recycle) 밸브 제어 라인을 약 10%의 서지 마진으로 설정한다. 즉, 서지 마진이 10% 아래로 떨어지면, 압축기가 10% 초과의 서지 마진 라인에서 계속 동작하도록 리사이클 밸브가 개방된다.
그러므로, 모든 압축기에는 동작 맵에 서지 한계를 가지며, 여기서 기계적 동력 입력이 시스템의 유압 저항을 극복하기에 충분하지 않아서, 압축기에서 고장 및 주기적 유동 반전을 초래한다. 서지는 압축기가 배출 압력 상승부(헤드)에 대해 기존 흡입을 견딜 수 있는 최소 유량 바로 아래에서 일어난다. 서지가 일어나면, 유동 반전은 배출 압력을 감소시키거나 흡입 압력을 증가시켜, 압력 상승이 다시 서지 지점에 도달할 때까지 순방향 유동이 재개되는 것을 허용한다. 이 서지 사이클은 공정 또는 압축기 조건들에서 일부 변경들이 발생할 때까지 저주파수로 계속된다. 서지 유동 반전 주기의 빈도와 크기는 머신의 설계 및 동작 조건에 달려있지만, 대부분의 경우 밀봉부 및 베어링들, 그리고 때로는 머신의 샤프트와 임펠러들에 손상을 야기하기에 충분하다. 서지는 압축기의 유동에 있어서의 전체적인 불안정성으로 압축기를 통해 완전한 고장 및 유동 반전을 초래한다.
원심 압축기 서지 제어를 위한 현재 최신 기술은 전체적인 재순환 밸브를 활용하여 원심 압축기의 배출 측으로부터 흡입 측으로 유동을 되돌려 압축기를 통한 유동을 증가시켜 서지 영역으로 들어가는 것을 방지하는 것이다. 이것은 일반적으로 모든 단들이 항상 서지에서 유지되어야 한다고 보수적으로 가정하는 압축기 서지 제어 라인을 정의함으로써 처리된다. 구체적으로, 유량 복귀 라인은 압축기의 임펠러 단 하나만 서지 상태에 있거나 모두 서지 상태인지 여부에 관계없이 압축기의 개별 단계와 달리 모든 단계를 통해 추가 유동을 제공합니다. 이것은, 압축기가 에너지를 소비하여 작업했던 유체가 단순히 재작업을 위해 압축기의 흡입부로 복귀되므로, 재순환 동작을 매우 비효율적으로 만든다. 다수의 단들을 갖는 압축기들에서는, 각 단에서 추가된 에너지가 시스템 수준 (또는 전체적인) 재순환 동안에 손실되므로 에너지 손실량이 불균형적으로 크다.
원심 압축기 서지 제어의 현재 기술에 대한 전술한 문제점들을 고려하여, 서지의 직전에 있을 수 있는 단들에만 영향을 미치기 위해 보다 제어된 유동 재순환을 제공하는 원심 압축기들에 대한 메커니즘 또는 배열이 현재 당업계에 필요하다.
본 개시의 특정 예에 따르면, 터보머신이 제공된다. 터보머신은, 케이싱으로서, 케이싱의 종축을 따라 배출구 단부에 대향하는 주입구 단부를 갖는 케이싱; 케이싱 내에 제공되고, 주입구 단부에서 배출구 단부로 연장되는 샤프트 어셈블리; 상기 샤프트 어셈블리로부터 반경 방향 외측으로 연장되는 복수의 회전 임펠러; 및 하류 임펠러의 디퓨저 채널로부터 인접한 상류 임펠러의 복귀 채널로 유체의 역류를 허용하기 위해 2개의 인접한 임펠러들 사이에 정의되는 연통 채널을 포함한다.
연통 채널은 인접한 2개의 임펠러들 사이의 케이싱에 정의될 수 있다.
일 예에 따르면, 2개의 인접한 임펠러들은 그 사이에 위치결정되는 추가 임펠러 없이 샤프트 어셈블리 상에서 서로에 대해 바로 옆에 위치결정된다.
연통 채널은 인접한 2개의 임펠러들 사이의 케이싱에 정의되는 보어홀(borehole)일 수 있다.
터보머신은 단일단식 또는 다단식 원심 압축기일 수 있다.
일 예에 따르면, 제어 밸브가, 연통 채널을 통해 지향되는 유체의 체적을 제어하기 위해 연통 채널 내에 위치결정된다. 제어 밸브는 체크 밸브일 수 있다. 제어 밸브는 유체가 2개의 인접한 임펠러들 사이에서 하류로 흐르는 것을 방지하면서, 유체가 상류로 흐르는 것을 허용하도록 구성될 수 있다. 제어 밸브는 유체로 기결정된 압력이 달성된 후에만 2개의 인접한 임펠러들 사이에서 유체가 상류로 흐르는 것을 허용하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 다른 특정 예에 따르면, 터보머신이 제공된다. 터보머신은, 케이싱으로서, 케이싱의 종축을 따라 배출구 단부에 대향하는 주입구 단부를 갖는 케이싱; 케이싱 내에 제공되고, 주입구 단부에서 배출구 단부로 연장되는 샤프트 어셈블리; 샤프트 어셈블리로부터 반경 방향 외측으로 연장되는 복수의 회전 임펠러; 하류 임펠러의 디퓨저 채널로부터 인접한 상류 임펠러의 복귀 채널로 유체의 역류를 허용하기 위해 2개의 인접한 임펠러들 사이에 정의되는 연통 채널; 및 2개의 인접한 임펠러들 사이의 샤프트 어셈블리 상에 회전 가능하게 배치되는 디스크 부재를 포함한다.
일 예에 따르면, 디스크 부재는 적어도 하나의 개구를 정의하되, 적어도 하나의 개구가 연통 채널과 일직선에 있는 제 1 위치와 적어도 하나의 개구가 연통 채널로부터 떨어져 회전되는 제 2 위치 사이에서 회전되도록 구성된다.
일 예에 따르면, 상기 터보머신은 디스크 부재를 회전시키도록 구성되는 제어 메커니즘을 더 포함한다.
상기 연통 채널은 상기 인접한 2개의 임펠러들 사이의 상기 케이싱에 정의될 수 있다.
일 예에 따르면, 2개의 인접한 임펠러들은 그 사이에 배치되는 추가 임펠러 없이 샤프트 어셈블리 상에서 서로에 대해 바로 옆에 위치결정된다.
연통 채널은 인접한 2개의 임펠러들 사이의 케이싱에 정의되는 보어홀일 수 있다.
일 예에 따르면, 터보머신은 다단식 원심 압축기이다.
디스크 부재는 원주 방향으로 이격된 복수의 개구들을 정의할 수 있다.
본 개시의 다른 특정 예에 따르면, 터보머신에서의 서지를 감소시키는 방법이 제공된다. 이 방법은, 터보머신의 주입구를 통해 유체를 지향시키는 단계; 터보머신의 적어도 하나의 단을 통해 유체를 지향시키는 단계; 2개의 인접한 임펠러들 사이의 터보머신에 정의되는 연통 채널을 통해 하류 임펠러로부터 인접한 상류 임펠러로 유체의 일부를 상류로 재순환시키는 단계; 및 재순환된 유체를 터보머신에서의 하류로 지향시키는 단계를 포함한다.
제어 밸브는 연통 채널 내에 배치될 수 있다.
디스크 부재는, 연통 채널을 통한 유체의 유동을 제어하기 위해 인접한 임펠러들 사이에 제공될 수 있다.
추가로 바람직하고 비제한적인 실시예들 또는 양태들은 이제 다음의 번호가 매겨진 항목(clause)들에서 설명될 것이다.
항목 1: 케이싱으로서, 케이싱의 종축을 따라 배출구 단부에 대향하는 주입구 단부를 갖는, 상기 케이싱; 케이싱 내에 제공되고, 주입구 단부에서 배출구 단부로 연장되는 샤프트 어셈블리; 샤프트 어셈블리로부터 반경 방향 외측으로 연장되는 복수의 회전 임펠러; 및 하류 임펠러의 디퓨저 채널로부터 인접한 상류 임펠러의 복귀 채널로 유체의 역류를 허용하기 위해 2개의 인접한 임펠러들 사이에 정의되는 연통 채널을 포함하는, 터보머신.
항목 2: 항목 1 에 있어서, 연통 채널은 2개의 인접한 임펠러들 사이의 케이싱에 정의되는, 터보머신.
항목 3: 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 2개의 인접한 임펠러들은 그들 사이에 배치되는 추가 임펠러 없이 샤프트 어셈블리 상에서 서로에 대해 바로 옆에 위치결정되는, 터보머신.
항목 4: 항목 1 내지 항목 3 중 어느 한 항목에 있어서, 연통 채널은 2개의 인접한 임펠러들 사이의 케이싱에 정의되는 보어홀인, 터보머신.
항목 5: 항목 1 내지 항목 4 중 어느 한 항목에 있어서, 터보머신은 단일단식 또는 다단식 원심 압축기인, 터보머신.
항목 6: 항목 1 내지 항목 5 중 어느 한 항목에 있어서, 연통 채널을 통해 지향되는 유체의 체적을 제어하기 위해 제어 밸브가 연통 채널 내에 배치되는, 터보머신.
항목 7: 항목 6에 있어서, 제어 밸브는 체크 밸브인, 터보머신.
항목 8: 항목 6 또는 항목 7에 있어서, 제어 밸브는 유체가 2개의 인접한 임펠러들 사이에서 하류로 흐르는 것을 방지하면서, 유체가 상류로 흐르는 것을 허용하도록 구성되는, 터보머신.
항목 9: 항목 6 내지 항목 8 중 어느 한 항목에 있어서, 제어 밸브는 유체로 기 결정된 압력이 달성된 후에만 2개의 인접한 임펠러들 사이에서 유체가 상류로 흐르는 것을 허용하도록 구성되는, 터보머신.
항목 10: 케이싱으로서, 케이싱의 종축을 따라 배출구 단부에 대향하는 주입구 단부를 갖는, 상기 케이싱; 케이싱 내에 제공되고, 주입구 단부에서 배출구 단부로 연장되는 샤프트 어셈블리; 샤프트 어셈블리로부터 반경 방향 외측으로 연장되는 복수의 회전 임펠러; 하류 임펠러의 디퓨저 채널로부터 인접한 상류 임펠러의 복귀 채널로 유체의 역류를 허용하기 위해 2개의 인접한 임펠러들 사이에 정의되는 연통 채널; 및 2개의 인접한 임펠러들 사이의 샤프트 어셈블리 상에 회전 가능하게 배치되는 디스크 부재를 포함하는, 터보머신.
항목 11: 항목 10에 있어서, 디스크 부재는 적어도 하나의 개구를 정의하되, 적어도 하나의 개구가 연통 채널과 일직선에 있는 제 1 위치와 적어도 하나의 개구가 연통 채널로부터 떨어져 회전되는 제 2 위치 사이에서 회전되도록 구성되는, 터보머신.
항목 12: 항목 10 또는 항목 11에 있어서, 디스크 부재를 회전시키도록 구성되는 제어 메커니즘을 더 포함하는, 터보머신.
항목 13: 항목 10 내지 항목 12 중 어느 한 항목에 있어서, 연통 채널은 2개의 인접한 임펠러들 사이의 케이싱에 정의되는, 터보머신.
항목 14: 항목 10 내지 항목 13 중 어느 한 항목에 있어서, 2개의 인접한 임펠러들은 그들 사이에 배치되는 추가 임펠러 없이 샤프트 어셈블리 상에서 서로에 대해 바로 옆에 위치결정되는, 터보머신.
항목 15: 항목 10 내지 항목 14 중 어느 한 항목에 있어서, 연통 채널은 2개의 인접한 임펠러들 사이의 케이싱에 정의되는 보어홀인, 터보머신.
항목 16: 항목 10 내지 항목 15 중 어느 한 항목에 있어서, 터보머신은 다단식 원심 압축기인, 터보머신.
항목 17: 항목 10 내지 항목 16 중 어느 한 항목에 있어서, 디스크 부재는 원주 방향으로 이격된 복수의 개구들을 정의하는, 터보머신.
항목 18: 터보머신의 주입구를 통해 유체를 지향시키는 단계; 터보머신의 적어도 하나의 단을 통해 유체를 지향시키는 단계; 2개의 인접한 임펠러들 사이의 터보머신에 정의되는 연통 채널을 통해 하류 임펠러로부터 인접한 상류 임펠러로 유체의 일부를 상류로 재순환시키는 단계; 및 재순환된 유체를 터보머신에서의 하류로 지향시키는 단계를 포함하는, 터보머신에서의 서지를 감소시키는 방법.
항목 19: 항목 18에 있어서, 제어 밸브가 연통 채널 내에 배치되는, 터보머신에서의 서지를 감소시키는 방법.
항목 20: 항목 18 또는 항목 19에 있어서, 연통 채널을 통한 유체의 유동을 제어하기 위해 인접한 임펠러들 사이에 디스크 부재가 제공되는, 터보머신에서의 서지를 감소시키는 방법.
항목 21: 항목 1 내지 항목 17 중 어느 한 항목에 따른 터보머신을 제공하는 단계, 터보머신의 주입구를 통해 유체를 지향시키는 단계; 터보머신의 적어도 하나의 단을 통해 유체를 지향시키는 단계; 2개의 인접한 임펠러들 사이의 터보머신에 정의되는 연통 채널을 통해 하류 임펠러로부터 인접한 상류 임펠러로 유체의 일부를 상류로 재순환시키는 단계; 및 재순환된 유체를 터보머신에서의 하류로 지향시키는 단계를 포함하는, 터보머신에서의 서지를 감소시키는 방법.
항목 22: 항목 21에 있어서, 제어 밸브가 연통 채널 내에 배치되는, 터보머신에서의 서지를 감소시키는 방법.
항목 23: 항목 21 또는 항목 22에 있어서, 연통 채널을 통한 유체의 유동을 제어하기 위해 인접한 임펠러들 사이에 디스크 부재가 제공되는, 터보머신에서의 서지를 감소시키는 방법.
항목 24: 항목 1 내지 항목 9 중 어느 한 항목에 있어서, 2개의 인접한 임펠러들 사이의 샤프트 조립체 상에 회전 가능하게 배치되는 디스크 부재를 더 포함하는, 터보머신.
항목 25: 항목 24에 있어서, 디스크 부재는 적어도 하나의 개구를 정의하되, 적어도 하나의 개구가 연통 채널과 일직선에 있는 제 1 위치와 적어도 하나의 개구가 연통 채널로부터 떨어져 회전되는 제 2 위치 사이에서 회전되도록 구성되는, 터보머신.
항목 26: 항목 24 또는 항목 25에 있어서, 디스크 부재를 회전시키도록 구성되는 제어 메커니즘을 더 포함하는, 터보머신.
항목 27: 항목 24 내지 항목 26 중 어느 한 항목에 있어서, 연통 채널은 2개의 인접한 임펠러들 사이의 케이싱에 정의되는, 터보머신.
항목 28: 항목 24 내지 항목 27 중 어느 한 항목에 있어서, 2개의 인접한 임펠러들은 그들 사이에 배치되는 추가 임펠러 없이 샤프트 어셈블리 상에서 서로에 대해 바로 옆에 위치결정되는, 터보머신.
항목 29: 항목 24 내지 항목 28 중 어느 한 항목에 있어서, 연통 채널은 2개의 인접한 임펠러들 사이의 케이싱에 정의되는 보어홀인, 터보머신.
항목 30: 항목 24 내지 항목 29 중 어느 한 항목에 있어서, 터보머신은 다단식 원심 압축기인, 터보머신.
항목 31: 항목 24 내지 항목 30 중 어느 한 항목에 있어서, 디스크 부재는 원주 방향으로 이격된 복수의 개구들을 정의하는, 터보머신.
항목 32: 항목 10 내지 항목 17 중 어느 한 항목에 있어서, 연통 채널을 통해 지향되는 유체의 체적을 제어하기 위해 연통 채널 내에 배치되는 제어 밸브를 더 포함하는, 터보머신.
항목 33: 항목 32에 있어서, 제어 밸브는 체크 밸브인, 터보머신.
항목 34: 항목 32 또는 항목 33에 있어서, 제어 밸브는 유체가 2개의 인접한 임펠러들 사이에서 하류로 흐르는 것을 방지하면서, 유체가 상류로 흐르는 것을 허용하도록 구성되는, 터보머신.
항목 35: 항목 32 내지 항목 34 중 어느 한 항목에 있어서, 제어 밸브는 유체로 기 결정된 압력이 달성된 후에만 2개의 인접한 임펠러들 사이에서 유체가 상류로 흐르는 것을 허용하도록 구성되는, 터보머신.
본 발명의 이들 및 기타 특징들 및 특성들은, 구조체들의 관련 요소들의 동작 방법 및 기능들 그리고 부품들 및 제조 경제성의 조합은 다음의 설명을 고려하고 첨부된 도면들을 참조하면 더욱 명백해질 것이며, 첨부된 도면들 모두는 본 명세서의 일부를 형성하되, 동일한 참조 번호들은 다양한 도면들에서 대응 부품들을 나타낸다. 하지만, 도면들은 예시 및 설명의 목적만을 위한 것이고 본 발명의 제한들의 정의로서 의도되지 않는다는 것이 명백히 이해되는 것이다. 명세서 및 청구범위에 사용된 바와 같이, "하나", "하나의" 및 "그"의 단수 형태들은 문맥이 달리 명확하게 지시하지 않는 한 복수 지시 대상을 포함한다.
도 1은 종래 기술의 예에 따른 다단식 원심류 터보머신의 부분 절개형 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 터보머신의 일 단의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 개시의 일 예에 따른 터보머신의 단면도이다.
도 4는 본 개시의 다른 예에 따른 터보머신의 일부의 단면도이다.
도 5는 도 4의 터보머신의 다른 단면도이다.
도 6은 도 4의 터보머신의 단면 사시도이다.
도 7은 도 4의 터보머신의 다른 단면 사시도이다.
도 8은 본 개시의 다른 예에 따른 도 4의 터보머신의 단면 사시도이다.
이하의 설명을 위해, 용어 "단부", "상부", "하부", "우측", "좌측", "수직", "수평", "최상부", “최하부", “횡방향”, "종방향” 및 그 파생어는 도면들에서 배향된 바와 같은 본 발명과 관련될 것이다. 하지만, 본 발명은, 달리 명시적으로 명시된 경우를 제외하고는, 다양한 대안적 변형예들 및 단계 순서들을 가정할 수 있음은 이해되어야 한다. 첨부된 도면들에 예시되고 이하의 명세서에 설명된 특정 장치들 및 공정들은 단순히 본 발명의 예시적인 실시예들 또는 양태들이라는 것도 또한 이해되어야 한다. 따라서, 본원에 개시된 실시예들 또는 양태들과 관련된 특정 치수들 및 기타 물리적 특성들은 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.
도 3을 참조하면, 도 1 및 도 2에 나타낸 터보머신과 같은 다단식 원심 압축기(200)가 예시된다. 압축기(200)는 일반적으로 한 쌍의 베어링들에 의해 케이싱(204) 내에 지지되는 샤프트(202)를 포함할 수 있다. 압축기(200)는 압축기(200)를 통해 작동 유체의 유체 압력을 서서히 증가시키기 위해 복수의 단들을 포함할 수 있다. 각각의 단은 압축기(200)의 종축을 따라 연속적으로 배열되고, 모든 단들은 동일한 원리로 동작하는 유사한 구성요소들을 가질 수도 있고 갖지 않을 수도 있다.
계속해서 도 3을 참조하면, 압축기(200)의 각 단은 임펠러(205)를 포함할 수 있으며, 이 임펠러(205)는, 원주 방향으로 배열되고 임펠러(205)에 부착된 복수의 회전 블레이드들(60)을 포함할 수 있으며 차례로 샤프트(202)에 부착된다. 복수의 임펠러들(205)은 샤프트(202)의 축방향 길이를 따라 다수의 단들로 이격될 수 있다. 회전 블레이드들은, 임펠러(205)에 고정 결합되어, 임펠러(205)와 함께 샤프트(202)의 회전에 따라 회전한다. 가스 혼합물과 같은 작동 유체는 일반적으로 샤프트(202)의 반경 방향으로 압축기(200)에 들어가고 나간다. 블레이드들의 회전은 유체에 에너지를 공급한다. 원심 압축기에서, 임펠러(205) 내의 회전 블레이드(60) 사이의 단면적은 주입구 단부로부터 배출 단부로 감소하여, 작동 유체는 임펠러(205)를 가로질러 통과함에 따라 압축된다.
가스 혼합물과 같은 작동 유체는 압축기(200)의 주입구 단부(흡입 단부)(206)로부터 배출구 단부(배출 단부)(208)로 이동한다. 디퓨저 채널(212)은 회전 블레이드들에서 나오는 유체 유동을 균질화하기 위해 임펠러(205)의 회전 블레이드들의 배출구에 제공된다. 디퓨저 채널(212)은 선택적으로 케이싱(204) 내에서 연장되는 복수의 디퓨저 베인들을 갖는다. 다단식 압축기(200)에서, 작동 유체를 다음 연이은 단의 회전 블레이드들로 보내기 위해 유체 압축 단의 배출구 단부에 복수의 복귀 채널(214)이 제공된다. 다단식 터보머신에서의 마지막 임펠러는 일반적으로 디퓨저 채널(212)만 가지고 있으며, 디퓨저 베인들과 함께 또는 없이 제공될 수 있다. 마지막 디퓨저 채널(212)은 작동 유체의 유동을, 배출 파이프에 연결하기 위한 출구 플랜지를 갖는 배출 케이싱(일반적으로 볼류트(volute))으로 지향시킨다.
계속해서 도 3을 참조하면, 작동 유체의 내부 재순환은 하류 임펠러(205)의 디퓨저 채널(212)과 상류 임펠러(205)의 복귀 채널(214) 사이에 연결부들 또는 연통 채널들(216)을 설정함으로써 수행된다. 특정 예에서, 연통 채널(216)은 주어진 단의 디퓨저 채널(212)과 상류 복귀 채널(214) 사이에 압축기(200)에서 원주 방향으로 동일하게 이격된 다수의 위치에서 설정된다. 일 예에서, 연통 채널(216)은 2개의 인접한 임펠러들(205) 사이에 배치되는 추가 임펠러가 없도록 2개의 바로 인접한 임펠러들(205) 사이에 설정된다. 작동 유체의 일부는 주어진 단의 디퓨저 채널(212)로부터 연통 채널(216)을 통해 상류 복귀 채널(214)로 다시 내부적으로 재순환된다. 본 개시의 일 예에서, 연통 채널(216)은 압축기(200)의 서지를 감소시키기 위해 작동 유체가 통과하는 것을 허용하는 압축기(200)의 케이싱(204)에 정의된 애퍼처 또는 보어홀일 수 있다.
재순환된 유체는 복귀 채널(214)의 하류에 있는 임펠러(205)에 들어가고, 따라서 유동을 통해 임펠러를 증가시키고 임펠러 동작 조건들을 서지 현상으로부터 멀리 이동시킨다. 다른 예에서, 연통 채널(216)은 압축기(200)의 케이싱(204)에 정의된 애퍼처 내에 하우징된 제어 밸브(218)를 포함한다. 제어 밸브(218)는 체크 밸브 또는 이를 통한 작동 유체의 유동을 제어하도록 구성되는 임의의 다른 밸브일 수 있다. 일 예에서, 체크 밸브(218)는 작업 유동이 디퓨저 채널(212)로부터 상류 복귀 채널(214)로 이동하는 것만 허용할 수 있지만 상류 복귀 채널(214)로부터 하류 디퓨저 채널(212)로 이동하는 것을 허용하지 않을 수 있다. 제어 밸브(218)는 작동 유체가 기 결정된 압력에 도달한 후에 작동 유체가 통과하도록 허용할 수 있다. 단일 연통 채널(216)만이 도 3에 나타나 있지만, 복수의 연통 채널(216)이 디퓨저 채널(212)과 복귀 채널(214) 사이의 동일한 지점에 대해 서로 원주 방향으로 이격된 동일하거나 유사한 위치에 제공될 수 있음은 이해되는 것이다. 일 예에서, 동일한 지점에 있는 복수의 연통 채널들(216)의 각각은 서로 원주 방향으로 동일하게 이격된다. 복수의 연통 채널들은 하류 디퓨저 채널(212)로부터 상류 복귀 채널(214)로의 유동의 일반적으로 균일한 분포를 생성한다. 체크 밸브들은 능동적 피드백 또는 전기적, 자기적, 기계적, 공압적 또는 유압 메커니즘들을 활용하는 수동적 피드백 메커니즘을 사용하여 동작될 수 있다.
계속해서 도 3을 참조하면, 본 개시의 다른 예에서, 압축기(200)는 압축기(200)에서의 전체적인 재순환을 위한 배열(215)뿐만 아니라 전술한 단계별 재순환을 포함할 수 있다. 배열(215)은 압축기(200)의 서지를 감소시키는 것을 추가로 보조하기 위해 배출구 단부(208)를 빠져 나가는 작동 유체를 압축기(200)의 주입구 단부(206)로 지향시키는 복귀 채널(217)을 포함할 수 있다. 전체적인 재순환 배열(215)은 압축기(200)를 서지로부터 멀리 떨어진 동작 조건들을 향해 이동시키기 위해 압축기 배출구 단부(208)로부터 주입구 단부(206)를 통한 유동으로 (일반적으로 압력 경계를 가로질러) 추가 유동의 계량된 양을 전달한다. 상기 유체는 제 1 단으로 전달되고 어느 단계가 서지 상태인지에 관계없이 전체 압축기 유로를 이동하기 때문에 전체적(global)이라고 지칭된다.
작동 유체의 내부 단계적 재순환은 훨씬 더 제어된 유동 재순환을 제공하여 서지 직전에 있을 수 있는 압축기(200)의 이러한 단들에만 영향을 미친다. 이러한 배열에 필요한 작동 유체 유동의 양은 매우 보수적으로 적게 잡은(conservative) 전체적인 재순환 배열들보다 훨씬 적다. 게다가, 작동 유체 유동은 압축기 케이싱(204)을 떠나지 않으므로 압력 경계를 가로지르지 않는다. 전체적인 재순환 배열들과 비교하여, 현재 개시된 내부 단계적 재순환 배열은 응용 분야 및 특정 제어 설계에 따라 더 적은 압력 손실을 갖는다.
도 4를 참조하면, 본 개시의 다른 예가 도시되고 설명된다. 이 예에서, 연통 채널(216)에 제어 밸브(218)를 제공하는 대신, 연통 채널(216)과 교차하는 슬롯형 디스크 부재(220)가 케이싱(204) 내에 제공된다. 디스크 부재(220)는 디스크 부재(220)가 샤프트(202)를 중심으로 회전될 수 있도록 압축기(200)의 케이싱(204)을 통해 종방향으로 연장되는 샤프트(202) 상에 회전식으로 유지될 수 있다. 일 예에서, 디스크 부재(220)는 압축기(200)의 2개의 인접한 단들에 제공된 다이어프램(diaphragm)들(221) 사이에 유지될 수 있다. 디스크 부재(220)의 작동은 압축기(200)의 사용자에 의해 동작되는 제어 메커니즘(222)을 사용하여 달성될 수 있다. 제어 메커니즘(222)은 압축기(200)의 기 결정된 조건들 또는 압축기(200)의 동작 동안에 기 결정된 시간 간격에 기초하여 디스크 부재(220)를 작동시키기 위한 미리 프로그래밍된 명령들을 포함하는 것도 또한 고려된다. 일 예에 따르면, 제어 메커니즘(222)은 압축기 케이싱(204)의 외부에 배치된 유압, 공압, 전기, 자기 또는 기계식 액추에이터일 수 있다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 슬롯형 디스크(220)는 그를 통해 연장되는 복수의 원주 방향으로 이격된 개구(opening)들(224)을 정의할 수 있다. 일 예에서, 개구들(224)은 형상이 원형이지만, 개구들(224)은 또한 사각형, 삼각형, 타원형 및 임의의 다른 적합한 형상을 포함하는 다른 형상도 역시 가질 수 있다는 것도 또한 고려된다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 본 개시의 다른 예에서, 개구들(224)은 일반적으로 형상이 직사각형이다. 재순환 공정의 동작 동안, 슬롯형 디스크(220)의 개구들(224)은 압축기(200)의 케이싱(204)에 정의된 각각의 연통 채널(216)과 정렬되도록 구성된다. 디스크 부재(220)는 디스크 부재(220)의 개구들(224)을 통해 연통 채널(216)을 통한 유체 연통을 설정하고 방지하기 위해 접선 방향으로 회전될 수 있다. 디스크 부재(220)의 회전 동안, 연통 채널(216)과 개구들(224)의 정렬이 변경되어, 다양한 체적의 작동 유체 유동이 통과하는 것을 허용한다.
디스크 부재(220)의 일 위치에서, 연통 채널(216)은 디스크 부재(220)에 의해 완전히 차단되고, 이에 의해 압축기(200)의 2개의 단들 사이에서 작동 유체 유동의 완전한 정지를 제공한다. 디스크 부재(220)와 압축기(200)의 케이싱(204) 사이에 적합한 밀봉 배열이 제공되어, 의도하지 않은 누출을 방지한다. 이 위치에서, 디스크 부재(220)의 개구들(224)은 각각의 연통 채널(216)과 정렬되지 않는다. 디스크 부재(220)의 다른 위치에서, 디스크 부재(220)의 적어도 하나의 개구(224)가 연통 채널(216)과 정렬되고, 이에 의해 연통 채널(216)을 통한 작동 유체 유동이 압축기(200)의 하류 단으로부터 압축기(200)에서의 서지를 방지하기 위해 압축기(200)의 인접한 상류 단으로 지향된다. 디스크 부재(220)의 이러한 사용은 압축기(200)의 하류 단으로부터 압축기(200)의 상류 단으로 지향되는 작동 유체의 체적을 제어하기 위해 단 복귀 유동 제어 밸브들을 활용하는 개선된 단-대-단(stage-to-stage) 서지 제어 배열을 제공한다. 디스크 부재(220)는 압축기(200)의 인접한 단들 사이의 다이어프램(221)에 하우징될 수 있어서, 압축기(200)는 대응하는 수의 디스크 부재들(220) 및 다이어프램들(221)을 포함할 것이다. 예를 들어, 5단 압축기는 4개의 회전 가능형 디스크 부재들(220)을 포함할 것이다. 디스크 부재(220)에 정의된 개구들(224)의 수는 대응 단에서 압축기(200)의 케이싱(204)에 정의된 연통 채널들(216)의 수에 대응하는 것도 또한 고려된다. 디스크 부재(220)를 사용함으로써, 단일 이동 구성요소 및 압축기 케이싱(204)의 외부로의 하나의 관통부만이 재순환 공정에 요구하다. 이러한 현재의 단-대-단 재순환 배열은 압축기(200)에 대해 더 넓은 동작 범위 및 압축기(200) 내의 변화하는 동작 조건에 대한 더 빠른 응답을 제공한다.
본 개시의 다른 예에서, 압축기(200)에서의 서지를 방지하기 위해 압축기(200) 내의 작동 유체를 재순환하는 방법이 또한 제공된다. 이 방법을 사용하여, 작동 유체는 압축기(200)의 배출구 또는 배출 단부(208)로부터 압축기(200)의 주입구 단부(206)로 항상 다시 돌아가는 대신에 인접한 임펠러 단들 사이에서 재순환된다(도 3 참조). 일 예에서, 작동 유체는 압축기(200)의 주입구 단부(206) 내로 지향될 수 있다. 그런 다음, 작동 유체는 압축기(200)의 적어도 2개의 단을 통해 지향된다. 작동 유체의 적어도 일부는 2개의 인접한 임펠러들(205) 사이의 압축기(200)에 정의된 연결 또는 연통 채널(216)을 통해 하류 임펠러(205)로부터 상류 임펠러(205)로 재순환된다. 그런 다음, 재순환된 작동 유체는 다시 하류 임펠러(205)를 향해 하류로 지향될 수 있다.
본 발명은, 달리 명시적으로 명시된 경우를 제외하고는, 다양한 대안적 변형예들 및 단계 순서들을 가정할 수 있음은 이해되어야 한다. 첨부된 도면들에 예시되고 명세서에 설명된 특정 장치들 및 공정들은 단순히 본 발명의 예시적인 실시예들 또는 양태들이라는 것도 또한 이해되어야 한다. 본 발명은 현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예들 또는 양태들로 간주되는 것에 기초하여 예시의 목적으로 상세하게 설명되었지만, 그러한 세부 사항은 오로지 그 목적을 위한 것이며 본 발명은 개시된 실시예들 또는 양태들에 제한되지 않지만, 반대로, 그 요지 및 범위 내에 있는 수정예들 및 등가 배열들을 포함하도록 의도되는 것이라는 점은 이해되는 것이다. 예를 들어, 본 발명은 가능한 한, 임의의 실시예 또는 양태의 하나 이상의 특징이 임의의 다른 실시예 또는 양태의 하나 이상의 특징과 결합될 수 있음을 고려한다는 것은 이해되는 것이다.

Claims (20)

  1. 케이싱의 종축을 따라 배출구 단부에 대향하는 주입구 단부를 갖는 케이싱;
    상기 케이싱 내에 제공되고, 상기 주입구 단부로부터 상기 배출구 단부로 연장되는 샤프트 어셈블리;
    상기 샤프트 어셈블리로부터 반경 방향 외측으로 연장되는 복수의 회전 임펠러들; 및
    하류 임펠러의 디퓨저 채널로부터 인접한 상류 임펠러의 복귀 채널로 유체의 역류를 허용하기 위해 2개의 인접한 임펠러들 사이에 정의되는 연통 채널을 포함하는, 터보머신.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연통 채널은 상기 2개의 인접한 임펠러들 사이의 상기 케이싱에 정의되는, 터보머신.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 2개의 인접한 임펠러들은 그들 사이에 배치되는 추가 임펠러 없이 상기 샤프트 어셈블리 상에서 서로에 대해 바로 옆에 위치결정되는, 터보머신.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연통 채널은 상기 2개의 인접한 임펠러들 사이의 상기 케이싱에 정의되는 보어홀인, 터보머신.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 터보머신은 단일단식(single-stage) 또는 다단식(multi-stage) 원심 압축기인, 터보머신.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연통 채널로 지향되는 유체의 체적을 제어하기 위해 제어 밸브가 상기 연통 채널 내에 배치되는, 터보머신.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어 밸브는 체크 밸브인, 터보머신.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어 밸브는 상기 유체가 상기 2개의 인접한 임펠러들 사이에서 하류로 흐르는 것을 방지하면서, 상기 유체가 상류로 흐르는 것을 허용하도록 구성되는, 터보머신.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어 밸브는, 상기 유체에 기 결정된 압력이 달성된 후에만 상기 2개의 인접한 임펠러들 사이에서 상기 유체가 상류로 흐르는 것을 허용하도록 구성되는, 터보머신.
  10. 케이싱의 종축을 따라 배출구 단부에 대향하는 주입구 단부를 갖는 케이싱;
    상기 케이싱 내에 제공되고, 상기 주입구 단부로부터 상기 배출구 단부로 연장되는 샤프트 어셈블리;
    상기 샤프트 어셈블리로부터 반경 방향 외측으로 연장되는 복수의 회전 임펠러들;
    하류 임펠러의 디퓨저 채널로부터 인접한 상류 임펠러의 복귀 채널로 유체의 역류를 허용하기 위해 2개의 인접한 임펠러들 사이에 정의되는 연통 채널; 및
    상기 2개의 인접한 임펠러들 사이의 상기 샤프트 어셈블리 상에 회전 가능하게 배치되는 디스크 부재를 포함하는, 터보머신.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 디스크 부재는 적어도 하나의 개구를 정의하되, 상기 적어도 하나의 개구가 상기 연통 채널과 일직선에 있는 제 1 위치와 상기 적어도 하나의 개구가 상기 연통 채널로부터 떨어져 회전되는 제 2 위치 사이에서 회전되도록 구성되는, 터보머신.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 디스크 부재를 회전시키도록 구성되는 제어 메커니즘을 더 포함하는, 터보머신.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 연통 채널은 상기 2개의 인접한 임펠러들 사이의 상기 케이싱에 정의되는, 터보머신.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 2개의 인접한 임펠러들은 그들 사이에 배치되는 추가 임펠러 없이 상기 샤프트 어셈블리 상에서 서로에 대해 바로 옆에 위치결정되는, 터보머신.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 연통 채널은 상기 2개의 인접한 임펠러들 사이의 상기 케이싱에 정의되는 보어홀(borehole)인, 터보머신.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 터보머신은 다단식 원심 압축기인, 터보머신.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 디스크 부재는 원주 방향으로 이격된 복수의 개구들을 정의하는, 터보머신.
  18. 터보머신에서의 서지를 감소시키는 방법으로서,
    상기 터보머신의 주입구를 통해 유체를 지향시키는 단계;
    상기 터보머신의 적어도 하나의 단을 통해 상기 유체를 지향시키는 단계;
    2개의 인접한 임펠러들 사이의 상기 터보머신에 정의되는 연통 채널을 통해 하류 임펠러로부터 인접한 상류 임펠러로 상기 유체의 일부를 상류로 재순환시키는 단계; 및
    상기 재순환된 유체를 상기 터보머신에서의 하류로 지향시키는 것을 포함하는, 터보머신에서의 서지를 감소시키는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    제어 밸브가 상기 연통 채널 내에 배치되는, 터보머신에서의 서지를 감소시키는 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 연통 채널을 통해 유체의 유동을 제어하기 위해 상기 인접한 임펠러들 사이에 디스크 부재가 제공되는, 터보머신에서의 서지를 감소시키는 방법.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4116588A1 (en) * 2021-07-06 2023-01-11 Sulzer Management AG Multistage centrifugal pump with a recirculation path
CN115030889A (zh) * 2022-06-30 2022-09-09 势加透博（北京）科技有限公司 空压机
CN115111151A (zh) * 2022-06-30 2022-09-27 势加透博（北京）科技有限公司 空压机及其控制方法

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1796053A (en) * 1928-08-03 1931-03-10 Gen Electric Means for preventing pulsations in centrifugal compressors
US2276965A (en) * 1939-02-11 1942-03-17 Aero Engines Ltd Compressor
US2520697A (en) 1943-10-11 1950-08-29 Vickers Electrical Co Ltd Internal-combustion turbine plant
US4203701A (en) 1978-08-22 1980-05-20 Simmonds Precision Products, Inc. Surge control for centrifugal compressors
US4230437A (en) 1979-06-15 1980-10-28 Phillips Petroleum Company Compressor surge control system
US4493608A (en) 1982-12-27 1985-01-15 General Electric Company Surge control in compressor
US4618310A (en) 1984-06-07 1986-10-21 Exxon Research & Engineering Co. Method of multi-stage compressor surge control
US4807150A (en) 1986-10-02 1989-02-21 Phillips Petroleum Company Constraint control for a compressor system
JP2637144B2 (ja) 1988-03-08 1997-08-06 株式会社日立製作所 遠心圧縮機のサージング防止方法及び同装置
US4971516A (en) 1988-05-04 1990-11-20 Exxon Research & Engineering Company Surge control in compressors
US4930978A (en) 1988-07-01 1990-06-05 Household Manufacturing, Inc. Compressor stage with multiple vented inducer shroud
JPH0254400U (ko) 1988-10-12 1990-04-19
CA2149576A1 (en) * 1994-05-19 1995-11-20 Hideomi Harada Surge detection device and turbomachinery therewith
US5599161A (en) 1995-11-03 1997-02-04 Compressor Controls Corporation Method and apparatus for antisurge control of multistage compressors with sidestreams
US7069733B2 (en) 2003-07-30 2006-07-04 Air Products And Chemicals, Inc. Utilization of bogdown of single-shaft gas turbines to minimize relief flows in baseload LNG plants
US7736126B2 (en) 2006-11-16 2010-06-15 Honeywell International Inc. Wide flow compressor with diffuser bypass
US8272832B2 (en) * 2008-04-17 2012-09-25 Honeywell International Inc. Centrifugal compressor with surge control, and associated method
US8176725B2 (en) 2009-09-09 2012-05-15 United Technologies Corporation Reversed-flow core for a turbofan with a fan drive gear system
US9074606B1 (en) 2012-03-02 2015-07-07 Rmoore Controls L.L.C. Compressor surge control
FR2989434B1 (fr) 2012-04-11 2015-12-18 Thermodyn Diaphragme avec controle passif de debit pour etage de compression
ITFI20130063A1 (it) 2013-03-26 2014-09-27 Nuovo Pignone Srl "methods and systems for antisurge control of turbo compressors with side stream"
US9382911B2 (en) * 2013-11-14 2016-07-05 Danfoss A/S Two-stage centrifugal compressor with extended range and capacity control features
JP6133801B2 (ja) * 2014-02-05 2017-05-24 三菱重工業株式会社 ダイアフラム、および遠心回転機械
CN105351240B (zh) * 2015-12-14 2017-06-16 中国北方发动机研究所(天津) 一种宽流量范围喘振控制的涡轮增压器压气机
WO2017135949A1 (en) * 2016-02-04 2017-08-10 Danfoss A/S Active surge control in centrifugal compressors using microjet injection
RU2016112469A (ru) * 2016-04-01 2017-10-04 Фишер-Роузмаунт Системз, Инк. Способы и устройство для обнаружения и предотвращения помпажа компрессора
CN206419276U (zh) * 2017-01-10 2017-08-18 麦克维尔空调制冷(苏州)有限公司 离心式制冷压缩机的排气口防喘振结构
CN207093429U (zh) * 2017-07-07 2018-03-13 浙江理工大学 一种预防离心通风机喘振的装置

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US11255338B2 (en) 2022-02-22

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