KR20220094998A - 원심 압축기 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 회전샤프트와, 회전샤프트가 회전가능하게 결합되는 케이싱부 및 회전샤프트에 결합되며, 유체에 원심력을 제공하는 복수 개의 블레이드를 포함하는 임펠러부를 포함하고, 케이싱부에는, 유입구와 배출구가 구비되며 임펠러부의 외측 단부 측으로의 유체의 유동 경로를 제공하는 가이드유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 장치를 제공한다.

Description

원심 압축기 장치{Centrifugal compressor apparatus}

본 발명의 실시예들은 원심 압축기 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유동 박리 현상을 저감시켜 압축 성능을 향상시킬 수 있는 원심 압축기 장치에 관한 것이다.

일반적으로 유체를 압축하는 기기인 압축기는 그 압축 방식에 따라 회전식 압축기(rotary compressor), 왕복동식 압축기(reciprocating compressor), 스크롤 압축기(scroll compressor), 터보 압축기(turbo compressor) 등 여러 종류가 있다.

이와 같은 압축기는 소정의 내부 공간은 갖는 밀폐 용기와 밀폐 용기 내에 장착되어 구동력을 발생시키는 전동 기구부와, 전동기구부의 구동력을 받아 가스를 압축하는 압축 기구부로 구성된다.

특히, 터보 압축기는 전동 기구부의 구동력을 전달받아 회전하는 임펠러가 압축실내에 위치하여 임펠러의 회전에 의해 가스를 흡입하고 압축하게 된다. 통상적인 터보 압축기의 압축 기구부는 소정 형상을 갖는 케이싱의 내부에 흡입 유로와 연통되는 압축실이 구비되고 그 압축실에 임펠러가 회전 가능하게 삽입되며 임펠러는 회전축에 의해 케이싱의 내부에 구비되는 전동 기구부와 연결된다.

압축실에는, 유입되는 가스를 회전시킬 수 있는 임펠러와 상기 임펠러를 통과한 가스의 운동에너지를 정압으로 변환시키는 디퓨져 및 볼류트가 배치된다.

종래 임펠러의 토출부와 볼류트의 입구부 사이인 디퓨져 영역에서 케이싱의 내면과 임펠러의 외측 단부면의 유동 에너지 차이로 케이싱의 내면에서 유동 박리가 일어나 균일하지 않은 유동 분포를 초래하고, 압축기의 성능을 저하시키는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-0339570호(2002.05.23. 등록, 발명의 명칭: 베인 디퓨져 구조)에는 원심 압축기가 개시되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위해 안출된 것으로 케이싱부에 형성되는 가이드유로로 인하여 유체의 2차 유로가 형성되며, 케이싱부의 내면에서의 유동 박리 현상을 저감시켜 압축 성능을 향상시킬 수 있는 원심 압축기 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예는 회전샤프트; 상기 회전샤프트가 회전가능하게 결합되는 케이싱부; 및 상기 회전샤프트에 결합되며, 유체에 원심력을 제공하는 복수 개의 블레이드를 포함하는 임펠러부;를 포함하고, 상기 케이싱부에는, 유입구와 배출구가 구비되며 상기 임펠러부의 외측 단부 측으로 유체의 유동 경로를 제공하는 가이드유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 장치를 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 케이싱부는, 상기 회전샤프트가 관통되며 상기 회전샤프트의 회전을 지지하는 백플레이트부; 및 상기 백플레이트부와 결합되며, 상기 임펠러부의 외측에 배치되며 상기 임펠러부를 수용하는 쉬라우드부;를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 가이드유로는 복수 개가 구비될 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 케이싱부에 가이드유로가 형성됨으로 인하여 케이싱부의 내면에서 발생되는 유동 박리 현상을 완화시키거나 지연시켜 디퓨저 손실을 줄여 압축 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 원심 압축기 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 원심 압축기 장치의 내부에서 유체를 해석한 그래프이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 A부분에서 유동 박리가 일어나는 상태를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기 장치의 개략적인 단면도이다.
도 5는 도 4의 B부분을 확대한 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.

이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기 장치에 대하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기 장치의 개략적인 단면도이다. 도 5는 도 4의 B부분을 확대한 도면이다.

도 4, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기 장치(1)는 회전샤프트(10), 케이싱부(20), 임펠러부(30)를 포함할 수 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전샤프트(10)는 길이 방향 중심축을 회전 중심축으로 하여 회전이 가능한 것으로, 모터 및 기어박스와 같은 구동부(도면 미도시)로부터 회전력을 제공받아 뒤에 설명할 임펠러부(30)를 회전시킬 수 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전샤프트(10)는 뒤에 설명할 케이싱부(20)와 결합되며, 구체적으로 백플레이트부(21)에 회전가능하게 설치될 수 있다.

도면에 도시하지는 않았지만, 회전샤프트(10)는 실링부재(도면 미도시) 등에 의해 백플레이트부(21)에 결합될 수 있으며, 이로 인하여 회전샤프트(10)는 백플레이트부(21)에 대하여 상대 회전이 가능하면서도 결합 부분을 통해 유체(L)가 외부로 유출되는 것을 차단할 수 있는 효과가 있다.

도 4, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 케이싱부(20)는 회전샤프트(10)가 회전가능하게 결합되는 것으로, 백플레이트부(21), 쉬라우드부(25)를 포함할 수 있다.

도 4, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 백플레이트부(21)는 회전샤프트(10)가 관통 결합되는 것으로, 회전샤프트(10)의 회전을 지지할 수 있다.

백플레이트부(21)와 회전샤프트(10) 사이에는 실링부재가 배치될 수 있으며, 이로 인하여 회전샤프트(10)가 회전하는 과정에서 백플레이트부(21)와 회전샤프트(10) 사이로 유체(L)가 외부로 유출되는 것을 차단할 수 있는 효과가 있다.

도 4, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 백플레이트부(21)가 회전샤프트(10)의 회전을 안정적으로 지지함으로 인하여, 회전샤프트(10)에 결합되며 회전샤프트(10)와 함께 회전되는 임펠러부(30)의 회전을 지지할 수 있다.

도 4를 참조하면, 유입 영역(27)을 통해 유입되는 유체(L)는 임펠러부(30)의 고속 회전에 의해 원심 가속되며, 임펠러부(30)의 외측 단부에 위치하는 디퓨저 영역(28)을 거쳐 뒤에 설명할 쉬라우드부(25)로 유동될 수 있다.

도 4, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 쉬라우드부(25)는 백플레이트부(21)와 결합되는 것으로, 임펠러부(30)의 외측에 배치되며 임펠러부(30)를 수용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 백플레이트부(21)와 쉬라우드부(25)의 결합으로 형성되는 내부 공간에는 임펠러부(30)가 회전가능하게 설치되고, 임펠러부(30), 구체적으로 블레이드(31)의 외측 단부와 연결되는 디퓨저 영역(28)이 형성될 수 있다.

도 4를 참조하면, 디퓨저 영역(28)을 통과하면 볼류트(29)가 형성될 수 있고, 유입 영역(27)에서 유입되는 유체(L)는 임펠러부(30)가 회전됨에 따라 블레이드(31)를 따라 유동되고, 블레이드(31)의 외측 단부, 디퓨저 영역(28)을 통과하여 볼류트(29)로 유동될 수 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 볼류트(29)는 스파이럴(spiral) 형태의 빈 공간으로서, 회전샤프트(10)를 기준으로 원주 방향을 따라 점차적으로 넓어지는 단면을 가질 수 있다.

이로 인하여 볼류트(29)의 내부에서 유동하는 유체(L)는 원주 방향으로 갈수록 점차 넓어지는 단면을 통과함에 따라 유체(L)의 동압(dynamic pressure)이 정압(static pressure)으로 변화하는 과정을 거치게 된다.

이러한 과정을 거치면서 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기 장치(1)의 압력 상승 효과가 증대되며, 이렇게 유동하는 유체(L)가 모여 원심 압축기 장치(1)의 외부로 배출될 수 있는 효과가 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 백플레이트부(21)는 쉬라우드부(25)와 함께 디퓨저 영역(28)을 사이에 두도록 배치되며, 임펠러부(30)와 결합되는 회전샤프트(10)를 강제 구동시키는 구동부(도면 미도시)에 결합될 수 있다.

도 4를 참조하면, 백플레이트부(21)와 쉬라우드부(25) 사이에 형성되는 디퓨저 영역(28)을 통해, 임펠러부(30)에 의해 원심 가속된 유체(L)의 유속을 감속시켜 유체(L)의 운동에너지를 정압에너지로 전환시킬 수 있는 효과가 있다.

도 4, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 백플레이트부(21)에는 유입구(23)와 배출구(24)가 구비되고, 임펠러부(30)의 외측 단부 측으로의 유체(L)의 유동 경로를 제공하는 가이드유로(22)가 형성될수 있다.

도 4, 도 5를 참조하면, 유입구(23)와 배출구(24)는 백플레이트부(21)의 동일 평면 상에 형성될 수 있고, 회전샤프트(10)를 기준으로 유입구(23)는 배출구(24)보다 상대적으로 외측에 배치될 수 있다.

도 4, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 케이싱부(20)의 유입 영역(27)을 통해 유입되는 유체(L)는 회전샤프트(10) 및 회전샤프트(10)에 결합되는 임펠러부(30), 구체적으로 블레이드(31)가 회전됨에 따라 임펠러부(30)의 외측 단부 및 디퓨저 영역(28)을 통과하고, 백플레이트부(21) 상에서 볼류트(29)의 입구 측에 형성되는 유입구(23)를 통해 유입될 수 있다.

도 4를 참조하면, 볼류트(29)의 입구 측의 압력은 임펠러부(30)의 외측 단부의 압력보다 상대적으로 크게 형성됨으로 인하여 볼류트(29)의 입구 측에서 유체(L)가 백플레이트부(21)에 형성되는 유입구(23)를 통해 유입될 수 있다.

이에 더하여 가이드유로(22)를 통해 유체(L)가 회전샤프트(10) 측을 향해 유동될 수 있고, 백플레이트부(21) 상에서 볼류트(29)의 입구 측보다 상대적으로 낮은 압력을 가지는 임펠러부(30)의 외측 단부 측에 형성되는 배출구(24)를 통해 유체(L)가 배출될 수 있다.

도 4, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가이드유로(22)는 복수 개가 구비될 수 있고, 회전샤프트(10)를 중심으로 방사형으로 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 백플레이트부(21)에 가이드유로(22)가 형성됨으로 인하여, 볼류트(29)의 입구 측에서 임펠러부(30), 구체적으로 블레이드(31)의 외측 단부를 향하는 2차 유로를 형성할 수 있다.

이에 더하여 디퓨저 영역(28)에서 유체(L)의 유동 에너지 차이로 인하여 백플레이트부(21)의 내면을 따라 유동 박리가 일어나는 것을 완화시키거나 지연시킬 수 있는 효과가 있다.

백플레이트부(21)의 내면을 따라 일어나는 유동 박리를 저감시킴으로써 디퓨저 기능의 손실을 줄일 수 있고 원심 압축기 장치(1)의 압축 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러부(30)는 회전샤프트(10)에 결합되는 것으로, 유체(L)에 원심력을 제공하는 복수 개의 블레이드(31)를 포함할 수 있다.

임펠러부(30)는 케이싱부(20)의 내부에 배치되는 것으로, 회전샤프트(10)를 회전 중심축으로 하여 회전가능하도록 회전샤프트(10)에 결합될 수 있다. 임펠러부(30)는 회전샤프트(10)를 중심으로 방사상으로 형성되는 복수 개의 블레이드(31)를 포함할 수 있다.

도 4를 참조하면, 복수 개의 블레이드(31)는 임펠러부(30)가 회전됨에 따라 함께 회전되며, 케이싱부(20)의 유입 영역(27)을 따라 유입되는 유체(L)를 방사상으로 강제 이동시킬 수 있는 효과가 있다.

상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기 장치(1)의 작동원리 및 효과에 관하여 설명한다.

도 4, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기 장치(1)는 회전샤프트(10), 케이싱부(20), 임펠러부(30)를 포함할 수 있다.

한편, 도 1은 종래의 원심 압축기 장치(100)에 관한 것으로, 회전샤프트(110), 케이싱부(120), 임펠러부(130)를 포함할 수 있다.

케이싱부(120)가 회전샤프트(110)의 회전을 지지하고, 회전샤프트(110)에 설치되는 임펠러부(130), 구체적으로 블레이드(131)의 회전을 통해 유입 영역(127)을 통해 유입되는 유체가 블레이드(131)의 외측 단부, 디퓨저 영역(128)을 통과하여 볼류트(129)로 유동된다.

도 2는 도 1에서 원심 압축기 장치(100)의 내부에서 유동되는 유체(L)를 해석한 그래프에 관한 도면으로, 디퓨저 영역(128)에서 백플레이트부(121)의 일면과, 이와 마주보는 쉬라우드부(125)의 일면 사이의 유동 에너지 차이가 발생함을 알 수 있다.

도 3을 참조하면, 도 1, 도 2의 A부분, 특히 백플레이트부(121)의 일면에서 유동 박리 현상이 일어나는 것을 알 수 있으며, 디퓨저 영역(128)에서의 이러한 유동 박리 현상은 원심 압축기 장치(100)의 압력비 및 효율을 저하시키며, 유동의 불안정성을 증가시키는 문제점이 있다.

도 4, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 케이싱부(20)에는 유입구(23)와 배출구(24)가 구비되며 임펠러부(30)의 외측 단부 측으로의 유체(L)의 유동 경로를 제공하는 가이드유로(22)가 형성될 수 있다.

구체적으로 케이싱부(20)는 백플레이트부(21), 쉬라우드부(25)를 포함하고, 가이드유로(22)는 유동 박리 현상이 일어나는 백플레이트부(21) 상에 형성될 수 있다.

도 4, 도 5를 참조하면, 유입구(23)는 회전샤프트(10)를 기준으로 배출구(24)보다 외측(도 4 기준 상측)에 형성되고, 유입구(23)가 형성되는 볼류트(29)의 입구 측이 임펠러부(30)의 출구 측보다 압력이 상대적으로 크게 형성됨으로 인하여 유입구(23)를 통해 유체(L)가 유입될 수 있다.

즉, 구동부(도면 미도시)로부터 회전 동력을 전달받은 회전샤프트(10) 및 회전샤프트(10)에 결합되는 임펠러부(30), 구체적으로 블레이드(31)가 회전됨에 따라 유입 영역(27)을 통해 유입되는 유체(L)가 블레이드(31)의 출구를 통해 디퓨저 영역(28)을 통과하여 볼류트(29)로 유동될 수 있다.

도 5를 참조하면, 백플레이트부(21) 상에서 볼류트(29) 측에 형성되는 유입구(23)로 유입되는 유체(L)는 가이드유로(22)를 통해 임펠러부(30)의 출구 측에 위치하는 배출구(24)를 통해 다시 배출될 수 있다.

가이드유로(22)를 통해 임펠러부(30)의 출구 측으로 다시 돌아온 유체(L)의 유동으로 인하여 백플레이트부(21)에서의 유동 박리를 저감, 완화시키거나 지연시킬 수 있다.

이에 더하여 디퓨저 영역(28)에서의 디퓨저 기능의 손실을 줄일 수 있고 원심 압축기 장치(1)의 압축 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

1: 원심 압축기 장치 L: 유체
10: 회전샤프트 20: 케이싱부
21: 백플레이트부 22: 가이드유로
23: 유입구 24: 배출구
25: 쉬라우드부 27: 유입 영역
28: 디퓨저 영역 29: 볼류트
30: 임펠러부 31: 블레이드

Claims (3)

1. 회전샤프트;
   상기 회전샤프트가 회전가능하게 결합되는 케이싱부; 및
   상기 회전샤프트에 결합되며, 유체에 원심력을 제공하는 복수 개의 블레이드를 포함하는 임펠러부;를 포함하고,
   상기 케이싱부에는, 유입구와 배출구가 구비되며 상기 임펠러부의 외측 단부 측으로 유체의 유동 경로를 제공하는 가이드유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 케이싱부는,
   상기 회전샤프트가 관통되며 상기 회전샤프트의 회전을 지지하는 백플레이트부; 및
   상기 백플레이트부와 결합되며, 상기 임펠러부의 외측에 배치되며 상기 임펠러부를 수용하는 쉬라우드부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 가이드유로는 복수 개가 구비되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기 장치.

Images