KR960002023B1 - 높은 효율 및 넓은 작동 범위를 갖는 원심 압축기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

높은 효율 및 넓은 작동 범위를 갖는 원심 압축기

제1도는 가변 입구 안내 베인 형상을 갖는 일정 속도 원심 압축기와 본 발명에 의한 고정식 디퓨저 형상을 갖는 원심 압축기를 비교하여 그 성능 맵(map)을 도시한 그래프.

제2도는 본 발명을 이용한 원심 압축기의 축방향 부분 단면도.

제3도는 원심 압축기의 디퓨저 부분 및 임펠러 부분의 반경 방향 단면도.

제4도 및 제5도는 절대 유동 출구각(α2)에 대한 백스위프(backsweep) 효과를 도시하는 본 발명에 의한 임펠러의 반경 방향 단면도.

제6도 및 제7도는 출구에서의 임펠러 블레이드의 높이(b₂)에 대한 임펠러 백스위프 효과를 도시하는 블레이드의 축방향 단면도.

제8도 및 제9도는 디퓨저 선단 에지에서의 박리가 발생되지 않고서 다양한 유속을 수용할 수 있는 본 발명에 의한 압축기의 적응성(flexibility)을 도시하는 반경 방향 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 관형 디퓨저 12 : 임펠러

13 : 볼류트 14 : 흡입 하우징

16 : 블레이드 링 조립체 17 : 입구 안내 베인

18 : 쉬라우드 19 : 구동축

23 : 공동 27 : 블레이드

31 : 채널

본 발명은 압축기 장치에 관한 것으로, 특히 전 작동 범위에 걸쳐 상대적으로 높은 효율로 원심 압축기 내의 유체를 압축하기 위한 장치에 관한 것이다.

원심 압축기에서는, 임펠러를 떠나는 가스의 운동 에너지를 위치 에너지 또는 정압(static pressure)으로 변환시키는 것이 바람직하다. 이는 고정식 또는 조절식 디퓨저에 의해서 통상 달성된다. 고정식 디퓨저는 베인리스(vaneless) 형태이거나 또는 고정 베인 형태이다. 조절식 디퓨저는 베인형 또는 베인리스형이고, 본 출원인에게 양도된 미합중국 특허 제4,219,305호에 개시된 트로틀 링 또는 본 출원인에게 양도된 미합중국 특허 제4,527,949호에 개시된 가동 벽 형태를 취하거나, 또는 본 출원인에게 양도된 미합중국 특허 제4,378,194호에 개시된 회전식 베인을 포함한다. 이러한 여러 형태의 각 디퓨저는 특정 작동 상태에서 그 사용에 유리하거나 불리할 수 있는 독특한 작동 특성을 갖는다.

공조 시스템에 사용되는 원심 냉각기는 통상 전 부하와 (예컨대, 10% 용량인)부분 부하 상태 사이에서 연속적으로 작동하게 된다. 이러한 10%유동 상태에서 공조 시스템은 압축기로부터(예컨대, 전 부하 압력비의 50 내지 80%인)상대적으로 높은 압력비를 여전히 필요로 한다. 이러한 필요성은 원심 압축기의 안정 작동 범위 능력에 과도한 수요을 부과하게 된다. 따라서, 임펠러의 실속(stall)에 의해 일어나는 압축기의 서어저(surge)를 초기에 방지하기 위해서 원심 압축기는 대개(예를 들어 입구 안내 베인인)가변 입구 형상 장치를 구비한다. 회전식 입구 안내 베인은 부분 부하 상태에서 임펠러로의 유동 입사각을 감소시킬 수 있으며, 이로써 아주 작은 용량으로도 안정적인 압축기 작동을 가능하게 한다.

특정 임펠러 및 그 입구 설계에 의해 일어날 수 있는 불안정성 이외에도 디퓨저는 부분 부하 상태 하에서 불안정하게 될 수 도 있다. 모든 형태의 디퓨저 중에서 베인리스 디퓨저는 전체적인 압축기 서어지를 발생시키지 않으면서 유동각의 넓은 변화를 수행할 수 있기 때문에 통상 최대한으로 넓은 작동 범위를 제공한다. 전술한 바와 같은 가변 형상이 베인리스 디퓨저에 추가되면 더욱 양호한 안정성을 얻을 수 있지만, 이것은 시스템을 복잡하게 하며 제조 비용을 상승시킨다.

디퓨저 내에서의 적당한 압력 회복으로 인해서, 베인리스 디퓨저는 아주 낮은 효율 수준으로 보다 넓은 작동 범위를 갖는다. 한편, 베인형 디퓨저는 높은 효율을 갖지만 아주 좁은 안정 작동 범위를 갖는다. 이러한 안정 작동 범위를 증가시키기 위해서, 설계시 고려된 상태 외에서 작동할 때 서어지를 방지하여 넓은 작동 범위에 걸쳐 상대적으로 높은 효율을 얻도록 몇 가지 형태의 가변 디퓨저 형상인 베인형 디퓨저에 추가 될 수도 있다. 그러나, 이러한 구조도 상대적으로 값이 비싸게 된다.

예외적으로 높은 효율 수준을 갖는 것으로 알려진 고정식 디퓨저의 형태로는 고정 베인식 또는 채널식 디퓨저가 있는데, 이는 미합중국 특허 제4,368,005호에 개시된 베인 아일랜드(vane island) 또는 웨지식 디퓨저 형태를 취하거나, 미합중국 특허 제3,333,762호에 개시된 소위 관형 디퓨저(pipe diffuser) 설계 형태를 취한다. 관형 디퓨저의 설계되는 높은 압축비의 가스 터빈 압축기에서 일어나는 음속 유동 상태 하에서 효율을 개선시키기 위해서 개발되었다. 전술한 바와 같이, 다른 베인형 디퓨저 압축기와 마찬가지로 높은 효율을 얻을 수 있지만, 상기 압축기는 이에 기인한 좁은 안정 작동 범위를 가지며, 이는 가스 터빈 압축기와는 무관하지만 원심 냉각기에 대해서는 전술한 바와 같이 중요하게 된다.

미합중국 특허 제4,302,150호에 개시된 관형 디퓨저는 높은 효율을 얻기 위해서 임펠러 외주연과 디퓨저의 입구 사이에 소위 베인리스 디퓨저 공간을 도입함으로써 관련되는 좁은 작동 범위가 확장되게 사용되었다. 그러나, 이러한 설계에 의해 안정 작동 범위가 증가되는 것은 최소한이며 (예를 들어 입구 안내 베인이 없는) 전 부하 작동 상태에서만 일어난다. 또한, 베인리스 디퓨저 공간이 크면 부분 부하 상태에서의 압축기 양정 성능이 감소된다. 더욱이, 상대적으로 큰 베인리스 공간을 도입함으로써 최대 효율이 서어지 지점, 즉 압축기의 안전 작동을 허용할 수 없는 상태로 근접 이동하게 된다.

전술한 바와 같은 디퓨저의 설계시 고려 사항 외에도, 효율 및 작동 범위를 최적화하기 위해 임펠러 설계 특징들이 선택된다. 임펠러 블레이드 출구각(β2)이 (접선 방향으로부터 측정되었을 때) 45도에 접근하면 임펠러 효율이 최대가 되는 것으로 알고 있으나, 원심 압축기의 작동 범위는 임펠러 블레이드 출구각(β2)이 감소함에 따라 어느 정도는 증가하게 된다는 것을 알고 있다. 임펠러 입구의 상대 속도와 임펠러 출구의 상대 속도 사이의 소정 비율에 대해서는 임펠러 블레이드 출구각(β2)을 감소시키면[예컨대, 백스위프(backsweep)를 증가시키면]상기 임펠러를 떠나는 절대 유동 출구각(α2)이 감소하게 된다. 그러나 출구각(α2)이 너무 감소하면 임펠러 외주연 근처의 반경 방향 압력 구배가 유동 박리(flow separation)를 일으키며, 이로써 작동 범위가 좁아지게 된다. 따라서, 냉각기용 원심 임펠러의 사용 시에 임펠러의 절대 유동 출구각(α2)은 20 내지 40도 사이에서 통상 선택된다. 또한, 임펠러의 유동 출구각(α2)을 20도 미만으로 감소시키면 본질적으로 유동 박리를 수반하여 작동 범위가 좁아진다는 것이 알려져 있다. 따라서, 이러한 유동 출구각을 갖는 임펠러의 사용이 기피되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 개선된 원심 압축 방법 및 그 장치를 마련하는 것이다.

상기 목적은 청구 범위의 전제부에 의한 장치로 청구 범위를 특징부에 의해 달성된다.

간략하게는, 본 발명의 한 관점에 의하면, 고정 베인식 또는 채널식 디퓨저는 채널들 사이의 "웨지 각도"를 최대로 하기 위해서 상대적으로 적은 수의 채널을 구비한다. 이와 관련되는 임펠러는 그 유동 출구각이 상대적으로 작게 되도록 설계된다. 상대적으로 큰 웨지 각도와 상대적으로 작은 유동 출구각을 조합함으로써 유동 박리 및 작동 범위의 감소를 수반하지 않으면서도 상대적으로 큰 입사각을 허용할 수 있다.

본 발명의 다른 관점에 의하면, 상기 디퓨저는 임펠러의 외주연에 거의 접하여 연장하는 중심선을 갖는 일련의 원추형 채널을 포함한다. 상기 채널 구조 자체는 효율을 증가키기고, 임펠러에 대한 채널들의 접선 방향 정렬은 시스템의 효율 특성을 향상시킨다.

본 발명의 또 다른 관점에 의하면, 상기 임펠러는 그 절대 유동 출구각(α2)이 20도 미만으로 유지되도록 설계한다. 이는 백스위프된(backswept) 베인을 사용함으로써 달성된다. 디퓨저의 인접 채널들 사이의 해당 웨지 각도를 약 15도 이상으로 유지함으로써 달리 발생할 수 도 있는 유동 박리가 방지된다. 이러한 방법으로, 높은 효율 및 넓은 안정 작동 범위를 얻을 수 있다.

본 발명의 또 다른 관점에 의하면, 임펠러의 외주연과 웨지의 선단 에지에 의해 형성된 선단 에지원(edge circle) 사이의 베인리스 공간은 상기 베인리스 공간 내에서의 유동 박리 가능성을 감소시키기 위해 반경 방향 깊이로 제한된다. 특히, 반경 방향 치수는 상기 채널의 목부(throat) 직경을 초과하지 않도록 제한된다.

이후 설명될 도면에 상술한 양호한 실시예가 도시되어 있으나, 본 발명의 요지 및 범위 내에서 상기 실시예에 대한 다양한 변경 및 대체 구성이 가능한다.

제1도에는 본 발명의 고정식 디퓨저 형상과 다양한 입구 안내 베인 위치를 갖는 원심 분위기의 다양한 형상을 비교하여 도시한 다수의 성능 맵 곡선이 도시되어 있다. 본 발명의 중요성을 이해하기 위해서는 기존 시스템의 성능 특성을 어느 정도 이해할 필요가 있다.

(에어포일 베인, 단일 두께 베인, 베인 아일랜드 또는 원추형 관을 이용하는 디퓨저와 같은) 베인형 디퓨저를 갖는 원심 압축기는 베인리스 디퓨저를 갖는 압축기보다 높은 효율을 가지므로 보다 더 바람직하지만, 상기 압축기는 좁은 안정 작동 범위를 가지게 되므로 고가의 복잡한 가변 디퓨저 형상의 장치와 설계 외의 상태 하에서 서어지를 방지하는 제어 요소를 필요로 한다. 안정 범위는 아래와 같이 정의된다.

여기에서, 초오크 유량은 (곡선 1로 도시된 바와 같이) 유동이 목부에서 음속에 도달할 때의 최대 유량이며, 서어지 유량은 (곡선 C 또는 D로 도시된 바와같이) 압축기의 최하 안정 작동 상태를 나타내는 최소 또는 서어지 유량이다.

베인리스 디퓨저를 가지며 (예컨대, 2.5 : 1 내지 5 : 1)중간 압력비를 갖도록 양호하게 설계된 원심 압축기는 30%의 안정 작동 범위를 가지며, 반면에 베인형 디퓨저를 가지며 상기와 유사한 압축비를 갖는 원심 압축기는 기껏해야 20%의 안정 작동 범위로 제한된다.

원심 압축기를 사용함에 있어서는 많은 경우에 부분 부하 특성을 필요로 하며, 여기에서 수두 또는 압력비는 유속보다 빠르지 않게 하강한다. 예를 들어, 제1도에서 곡선(A)은 수냉식 냉각기의 전형적인 부하선(load line)을 나타낸다. 실제로는, 전형적인 부하선(A)으로부터의 변화가 통상적인 것이 아니기 때문에 수냉식 냉각기에는 휠씬 양호한 부분 부하 수두 성능이 요구된다. 예를 들어, 제1도의 곡선(B)은 가변 용량과 일정 온도 양정 작동 상태 하에서의 수냉식 냉각기의 전형적인 부하선이다.

가변 입구 형상과 부분 부하 제어 장치만 갖는 베인형 디퓨저 원심 압축기는 설계 외의 상태 하에서는 소정의 수두를 제공할 수 없다. 전 부하에서의 작동 범위의 제한은 부분 부하 상태 하에서의 작동 범위 제한을 또한 발생시킨다. 이러한 결과는 제1도의 선(C)에 도시된 것과 같은 압축기 성능 맵 상의 가파른 서어지선을 초래한다.

대조적으로, 본 발명에 의해 구성된 원심 압축기의 성능 맵이 제1도의 곡선(D)으로 도시되어 있다. (예컨대, 85%에 근접하는) 높은 효율 이외에도 (예컨대, 35%에 근접하는) 매우 넓은 안정 작동 범위를 갖는 것을 알 수 있다. (예컨대, 일정 온도 양정 수냉식 냉각기 작동에서처럼) 가장 엄격한 부하선 상태 요구를 초과하는 상기 서어지 선은 고정 디퓨저 형상과 하나의 가변 형상 장치, 즉 예컨대, 가변 입구 안내 베인만으로도 얻어진다. 본 발명에 사용되는 원심 압축기의 특정구조를 이하에서 설명한다.

제2도 및 제3도에서, 본 발명에 의한 원심 압축기(10)는, 볼류트(volute, 13) 구조물, 흡입 하우징(14), 블레이드 링 조립체(16), 입구 안내 베인(17) 및 쉬라우드(shroud, 18)를 구비하는 종래의 원심 압축기에 임펠러(12)와 결합된 관형 디퓨저(11)의 특정 형상이 설치되어 이에 포함되는 것으로 도시되어 있다. 임펠러(12)는 노우즈피스(nose piece, 21)와 함께 구동축(19)에 장착되어 있다. 상기 조립체가 고속으로 회전할 때, 냉매는 흡입 하우징(14) 내에 흡입되고 입구 안내 베인(17)을 통해 통로(22) 안으로 흡입되며, 여기에서 상기 냉매 임펠러(12)에 의해 압축된다. 이어서, 상기 냉매는 운동 에너지를 압력 에너지로 변화시키는 디퓨저(11)를 통과하게 된다. 또한, 확산된 냉매는 볼류트(13)의 공동(23) 안을 통과하여, (도시되지 않은) 냉각기에 이르게 된다.

제3도에는 허브(24), 반경 방향으로 연장되는 일체 연결형 디스크(26) 및 다수의 블레이드(27)를 포함하는 임펠러(12) 휘일이 상세하게 도시되어 있다. 블레이드(27)는 이하에서 상세하게 설명되는 바와 같이 본 발명의 한 관점에 따른 독특한 특징인 소위 백스위프된 형상으로 배열된다.

관형 디퓨저(11)는 제2도에서 그 설치 위치가 도시되어 있고, 제3도에는 임펠러(12)와 결합한 것이 도시되어 있다. 이것은 다수의 볼트(28)에 의해 반경 방향 외측부 근처에서 볼류트(13) 구조물에 고정된 단일환형 캐스팅을 포함한다. 외주연 방향으로 이격되고 통상 반경 방향으로 연장되는 다수의 테이퍼진 채널(31)은 디퓨저(11) 내에 형성되며, 상기 채널의 중심선(32)은 임펠러(12)의 외주연과 일치하는 접선원(tangency circle)인 공통원(30)에 접한다.

접선원의 바로 외측에 위치한 제2의 원은 제3도에 도시되어 있으며 선단 에지원(33)으로 불린다. 상기 정의에 의하면, 선단 에지원은 채널(31)들 사이에 있는 웨지형 아일랜드(34)의 각각의 선단 에지를 통과한다. 임펠러(12)의 외주연과 선단 에지원(33) 사이의 반경 방향 공간은 시스템의 작동 범위를 확장하기 위해 반경 방향 깊이가 본 발명에 따라 제한되는 베인리스/반 베인리스(vaneless/semi-vaneless) 공간(25)이다. 즉 본 출원인은 베인리스 공간(25)에서의 유동 박리를 저장하기 위해서는 상기 반경 방향의 치수(즉, 깊이)가 테이퍼진 채널(31)의 목부 직경보다 작아야 한다는 것을 알게 되었다. 간단하게 표현하게 위해서 이후 "베인리스 공간"으로 언급되는 상기 베인리스/반 베인리스 공간(25)은 본 발명의 양수인에게 양도되고 본 명세서에서 참고 자료로 사용된 1990년 10월 30일자로 출원된 미합중국 특허 출원 제604,619호에 보다 상세하게 개시되어 있다.

제3도에 도시된 바와 같이, 각각의 테이퍼진 채널(31)은 중심선 또는 중심축(32)과 모두 중심이 일치하는 3개의 연속 연결된 부분(35,36,37)을 갖는다. 전술한 "목부"를 포함하는 제1부분은 원통형이고(즉, 일정 직경을 갖고), 그 돌출부(projection)가 그 측면의 어느 한 외주연 상에서 유사한 부분들의 돌출부와 교차하도록 각이 형성되어 있다. 제2부분(36)은 중심축(32)에 대해 일정 각도로 외측으로 경사진 벽(38)을 구비한 약간 벌어진 축방향 형상을 갖는다. 적절하게는, 상기 각도는 2도이다. 제3부분(37)은 4도 정도의 각도로 경사진 벽(39)을 구비한 다소 더 벌어진 축방향 형상을 갖는다. 채널(31)의 외측 단부들 쪽으로 단면적이 증가되는 이러한 형상은 디퓨저(11) 안으로 발생되는 확산 정도를 나타내며, 이는 다음 식에 의해 정량화된다.

여기서, 채널 출구에서의 단면적은 제3도의 위치(A)에서 축에 수직한 단면적이 된다.

테이퍼진 채널(31)들이 형성됨으로써 그 사이에 테이퍼진 부분 또는 웨지(34)가 형성됨을 제3도로부터 알 수 있을 것이다. 디퓨저 안에 형서된 채널(31)이 많을수록, 웨지(34)의 각도(γ)는 작아짐을 알 수 있을 것이다. 제3도에 도시된 특정 디퓨저(11)는 그 안에 16개의 테이퍼진 채널을 형성하고 있으며, 따라서 각도(γ)는 22.5도가 된다. 이러한 상대적으로 큰 웨지 각도는 임펠러 유동 출구각(β2)의 변화로 인해 달리 발생할 수도 있는 박리를 방지할 수 있다. 임펠러 설계 및 성능에 대한 후술하는 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 상대적인 접선 유동을 제공하는 것이 바람직하다. 즉, 이는 유동을 변화에 따라 유동각(β2)의 변화를 감소시킬 수 있다. 일반적으로, 입사각의 변화를 수용하도록 상대적으로 큰 웨지 각도(γ)를 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 테이퍼진 채널(31)의 수는 상기 임펠러로부터의 유동 체적을 수용하도록 충분히 많아야만 한다. 따라서, 본 출원인은 본 발명에서 바람직한 15도 만큼의 작은 웨지 각도(γ)를 갖는(즉, 24개의 테이퍼진 채널을 갖는) 관형 디퓨저에 의해 넓은 작동 범위에 걸쳐 놓은 효율 성능을 가질 수 있도록 결정하였다. 임펠러 설계 및 특징을 설명한 후에 선단 에지의 박리(leading edge separation)에 대하여 설명한다.

제4도 및 제5도에는 상이한 각도의 백스위프를 갖는 임펠러(42,43)가 도시되어 있다. 임펠러(42)는 60도의 백스위프를 갖는[즉, 30도의 임펠러 블레이드 출구각(β2)를 갖는]블레이드(44)들을 구비하고 있으며, 임펠러(43)는 30도의 백스위프를 갖는[즉, 60도의 임펠러 블레이드 출구각(β2)을 갖는] 블레이드(46)들을 구비하고 있다. 임펠러를 떠나는 유속의 절대 접선 성분(V2θ)은 다음 식으로부터 얻을 수 있다.

V2θ=W2θ+U2

이때, W2θ는 상대 속도의 접선 성분이고 U2는 임펠러 선단 속도이다.

백스위프 갖는 임펠러에 있어서, 상대 속도의 접선 성분(W2θ)의 방향은 선단 속도 방향과 반대이다. 이러한 임펠러에 있어서, V2θ는 U2보다 작게 되고, 보다 큰 임펠러 백스위프 각도에 의해 더욱 감소된다. 그러나, 임펠러 선단 속도(U2)가 임펠러 출구에서의 전체 상대 속도(W2)보다 여러 배 크므로, 임펠러 백스위프에 의한 V2θ의 상대 변화는 임펠러 백스위프에 의해 발생되는 반경 방향 속도(V2R)의 상대 변화보다 작다. 증가된 백스위프는 반경 방향 속도(V2R)의 절대치를 접선 속도(V2θ)의 절대치보다 큰 범위로 감소시킬 수 있기 때문에, 일정 쉬라운드 유동 표면 확산화 함께 증가된 임펠러 블레이드 출구각 백스위프의 다른 효과는 임펠러를 떠나는 유동각(α2)의 절대치를 감소시키는 것이다. 따라서, 제4도에 도시된 바와 같이 백스위프가 60도인 경우에는 임펠러 절대 유동 출구각(α2)은 12도이고, 제5도에 도시된 바와 같이 백스위프가 30도인 경우에는 임펠러 절대 유동 출구각(α2)은 20도임을 알 수 있을 것이다.

통상, 임펠러 외주연에서의 반경 방향의 압력 구배가 유동 박리를 일으키기 때문에, 제4도에 도시된 임펠러(42)나 제5도에 도시된 임펠러(43)는 넓은 작동 범위를 필요로 하는 작동에 적합하지 않게 된다. 그러나, 본 발명에 의한 관형 디퓨저를 사용할 때는, 이러한 낮은 절대 유동 출구각(α2)이 가능할 뿐만 아니라 본 출원인이 설명한 바와 같이 상대적으로 넓은 작동 범위에 걸쳐 높은 효율을 얻을 수 있다.

제4도 및 제5도의 임펠러를 비교하면 임펠러 백스위프의 증가는 제4도 및 제5도에 도시된 바와 같이 유동 면적에 수직한 출구의 블레이드간 수직 거리(n2)를 감소시킨다. 즉, 부수적으로 감소된 블레이드간 수직 거리(n2)를 갖는 제4도의 큰 백스위프 임펠러는 제5도의 낮은 백스위프 임펠러와 관련된 제7도에 도시된 바와 같이 임펠러 출구 블레이드 높이(b₂')보다 큰 임펠러 출구 블레이드 높이(b₂)를 필요로 한다. W2를 임펠러 출구의 상대 속도라 하고 W1을 임펠러 입구 쉬라우드의 상대 속도라 할 때, 상대 속도비(W2/W1)를 유지하기를 원한다면, 임펠러 백스위프 각도 증가는 임펠러 선단 블레이드 높이(b₂)를 증가시키게 된다. 이러한 상대적으로 폭이 넓은 선단 임펠러는 저유동 상태에서 안정성을 제공하며, 그 이유는 저유동 상태에서 보다 작은 각도 변화를 나타내는 보다 작은 절대 임펠러 유동 출구각(α2)를 초래하기 때문이다 결론적으로, 입사각 효과는 적어지고 안정성을 향상시킬 수 있다.

요약하면, 본 발명의 디퓨저 및 임펠러 구조에는 본 발명의 높은 효율 및 넓은 작동 범위 특성에 기여하는 3가지 특징이 구비된다. 첫째, 테이퍼진 채널(31)의 수는 그 사이의 웨지형 아일랜드(34)가 선단부에서의 유동 박리 발생을 최소화할 수 있는 상대적으로 큰 웨지 각도(γ)를 갖도록 제한된다. 둘째, 임펠러(31)의 외주연(30)과 선단 에지원(33) 사이의 베인리스 공간(25)은 유동 불안정이 발생하지 않도록 그 반경 방향의 깊이가 제한된다. 이와 관련하여, 견고한 웨지(34)와 작은 베인리스 공간(25)을 조합함으로써 유동 박리를 일으키는 반경 방향의 구배를 발생시키기 보다는 유동 방향과 평행한 구배로써 베인리스 공간 내부에 압력장을 발생시킨다. 마지막으로, 높은 백스위프를 갖는 임펠러, 즉 폭이 넓은 선단 임펠러, 폭이 매우 좁은 배출 유동각, 및 상대적으로 작은 절대각 변화를 갖는 임펠러를 사용함으로써, 유속의 변화에 대한 하류구성 요소(즉, 디퓨저)의 민감도를 감소시키고, 이에 따라 압축기의 안정 작동 범위를 증가시킨다. 이러한 결과가 제8도 및 제9도에 도시된다.

제8도 및 제9도에 있어서, 관형 디퓨저(11)와 임펠러(12)는 제3도의 것과 동일하며, 즉 임펠러의 백스위프가 60도이고, 베인리스 공간의 반경 방향 깊이가 테이퍼진 채널 목부의 직경보다 작고, 웨지 각도는 22.5이다. 유량이 전 부하 설계시의 유량치일 때, 상기 유동 방향으로의 절대 유동 출구각(α2)은 디퓨저(11)의 테이퍼진 각 채널(31)의 중심선에 평행한다. 이는 제8도에서 화살표로 도시되어 있다. 2개의 중간화살표는 냉매가 그 압력측 및 흡입측 상의 웨지(34)와 맞물릴 때에 냉매 유동 방향을 나타낸다는 것을 알수 있다. 따라서, 상기 설명으로부터 웨지(34)의 선단부에서 유동 박리가 일어나지 않음을 알 수 있다. 절대 유동 출구각(α2)은 이러한 수준에서는 12도이다.

제9도에 의하면, 유량은 절대 유동 출구각(α2)이 2도로 감소되도록 사실상 감소된다. 이때, 유동 방향을 흡입 측에 평행하며, 물론 유동 박리도 일어나지 않을 것이다. 2개의 중간 화살표는 그 흡입측(48) 상의 웨지(34)와 맞물릴 때의 유동 방향을 나타낸다. 또한, 상기 각도는 웨지(34)의 선단부에서 유동 박리를 발생시키지 않음을 알 수 있을 것이다.

Claims (11)

1. 입구 안내 베인과 임펠러 및 디퓨저를 구비하고, 작동 유동 상태의 거의 전 범위에 걸쳐 작동되도록 구성된 형태의 원심 압축기에 있어서, 상기 디퓨저는 상기 임펠러의 외주연에 인접하게 그 둘레에 배치된 다수의 고정 웨지형 채널을 포함하고, 상기 각 채널은 상기 임펠러 외주연에 접선 방향으로 배치되면서 인접한 채널들의 종방향 중심선들과 적어도 15도의 각도를 형성하는 종방향 중심선을 구비하고, 상기 임펠러는 유체가 20도 이하의 유동 출구각으로 그 선단부로부터 배출되도록 백스위프 상태로 배치된 다수의 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
2. 제1항에 있어서, 상기 디퓨저는 그 내주연에 그 웨지형 채널 내의 최소 직경보다 작은 반경 방향의 깊이를 갖는 베인리스 공간을 구비한 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
3. 제1항에 있어서, 상기 각 채널은 2개의 연속적으로 연결된 부분들을 포함하며, 이들 중의 제1부분은 일정 각도로 각진 벌어지는 벽들을 구비하고, 제2부분은 제2의 큰 각도로 각진 벌어지는 벽들을 구비하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1부분의 벽 사이의 각도는 4도이고, 상기 제2부분의 벽 사이의 각도는 8도인 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
5. 제1항에 있어서, 상기 채널의 횡단면이 원형인 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
6. 제5항에 있어서, 상기 채널의 종방향 단면이 절두 원추형인 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
7. 직렬 유동 조합체 내에 가변 형상의 입구, 임펠러 및 고정 형상의 디퓨저를 구비한 형태의 원심 압축기에 있어서, 상기 임펠러는 통상 접선 방향으로 유체를 배출시키기 위해 외주연 방향으로 이격되고 20도미만의 유동 출구각으로 상기 유체의 운동력을 가하도록 배치된 다수의 블레이드를 구비하고, 상기 디퓨저 구조체는 그 안에 형성된 외주연 방향으로 이격된 다수의 채널을 구비하고, 상기 채널은 임펠러의 외주연을 통해 접선 방향으로 연장하는 중심선들을 구비하고, 상기 채널의 수는 인접한 채널들의 중심선 사이의 각도가 15도 이상으로 제한되도록 구성되는, 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
8. 제7항에 있어서, 상기 디퓨저 구조체는 외주연 방향으로 이격된 채널 내의 최소 직경보다 작은 반경 방향 깊이를 베인리스 공간을 그 내주연에 구비한 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
9. 제7항에 있어서, 상기 채널들의 횡단면이 원형인 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
10. 제7항에 있어서, 상기 채널들의 종단면이 원추형인 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
11. 제7항에 있어서, 상기 임펠러 블레이드는 백스위프되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.