KR20170077395A - 익단 누설 유동 감소용 임펠러 및 이를 구비한 원심압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 임펠러의 블레이트 팁부에 익단 누설 감소 구조를 적용하여 블레이드의 압력면과 흡입면에 형성되는 압력 차에 의해 블레이드 팁부와 케이싱 사이로 흐르는 익단 누설 유동을 최소화함으로써, 임펠러는 물론 디퓨저의 성능과 효율을 향상시킬 수 있도록 한 것으로, 임펠러의 블레이트 팁부에 익단 누설 감소용 구조를 적용하여 블레이드의 압력면과 흡입면에 형성되는 압력 차로 인해 블레이드 팁부와 케이싱 사이의 간극으로 흐르는 익단 누설 유동을 최소화함으로써, 임펠러는 물론 디퓨저의 성능과 효율을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

익단 누설 유동 감소용 임펠러 및 이를 구비한 원심압축기{Impeller for Tip Leakage Flow Structure and Centrifugal Compressor Having the Same}

본 발명은 익단 누설 유동 감소용 임펠러 및 이를 구비한 원심압축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 임펠러의 블레이트 팁부에 익단 누설 감소 구조를 적용하여 블레이드의 압력면과 흡입면에 형성되는 압력 차에 의해 블레이드 팁부와 케이싱 사이로 흐르는 익단 누설 유동을 최소화함으로써, 임펠러는 물론 디퓨저의 성능과 효율을 모두 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 선박이나 해상 구조물에는 대량의 유체를 높은 효율로 압축하는 압축기가 설치되어 있으며, 이러한 압축기 중 원심압축기(Centrifugal Compressor)는 통상 회전축에 결합 되는 임펠러(Impeller)와 디퓨저(Diffuser)등을 포함하여 구성된다.

구체적으로, 상기 원심압축기라 함은 고속 회전하는 로터 또는 임펠러의 회전축 방향으로 유체를 흡입하고, 임펠러의 중심부에서 반경 방향으로 흐르는 동안 유체에 원심력을 가하여 유체를 압축시키는 장치이다. 이러한 상기 원심압축기는 선박이나 해상 구조물에 탑재되는 냉동 공조설비 또는 가스 터빈 시스템에 적용됨은 물론, 다양한 산업분야에서도 폭 넓게 사용되고 있다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 앞서 언급한 원심압축기의 구성 요소 중 임펠러(10)의 구성을 간략히 살펴보면, 우선 상기 임펠러(10)에 회전력을 전달하는 회전축과 결합 되는 로터리 휠(12)과, 상기 로터리 휠(12)의 외측 선단에서 로터리 휠(12)의 중심을 향해 방사형으로 배치되는 복수의 블레이드(14)를 구비하고 있다.

또한, 상기 원심압축기에는 압축하고자 하는 유체가 임펠러(10)로 유입되는 유입구와 압축된 유체가 배출되는 배출구를 포함하고 있으며, 아울러 상기 임펠러(10)를 수용하는 구조로 결합 되는 케이싱(16)이 포함되어 있다.

그런데, 상기 임펠러(10)의 회전시 블레이드 팁부(18)가 케이싱(16)의 내면에 부딪힘 없이 원활하게 회전할 수 있도록 하기 위하여 블레이드 팁부(18)와 케이싱(16) 사이에 간극(20)을 주게 되는데, 이때 상기 블레이드(14)의 압력면(22)과 흡입면(24)에 형성되는 압력 차이로 인하여 블레이드 팁부(18)와 케이싱(16) 사이의 간극(20)으로 익단 누설 유동(26)이 흐르는 문제가 있다.

위와 같이 상기 블레이드 팁부(18)와 케이싱(16) 사이의 간극(20)으로 익단 누설 유동(26)이 흐르게 되면, 상기 익단 누설 유동(26)은 흡입면(24)에서 익단 누설 와류(28)의 크기와 세기가 매우 강하게 형성되어 압력 손실이 크게 발생하게 됨으로써, 압축기의 효율은 물론, 디퓨저의 효율이 모두 저하되는 원인이 되고 있다.

참고로, 위와 같은 문제를 다소 해소하기 위하여 상기 블레이드 팁부(18)와 케이싱(16) 사이의 간극(20)을 더욱 최소화할 경우, 익단 누설 유동(26)의 흐름은 줄일 수는 있으나 회전과 진동에 따른 임펠러(10)의 흔들림으로 인하여 자칫 블레이드 팁부(18)가 케이싱(16)의 내면에 부딪히는 충돌 또는 마찰이 발생하게 되는 러빙(rubbing)이 이루어지게 됨으로써, 상기 임펠러(10)는 물론, 케이싱(16)이 파손될 수 있기 때문에 블레이드 팁부(18)와 케이싱(16) 간에 간극(20)을 더 좁히는데 한계가 있었다.

대한민국공개특허공보 10-2012-0014376

본 발명은 배경기술에서 설명된 문제점을 해결하기 위한 것으로, 임펠러의 블레이트 팁부에 익단 누설 감소 구조를 적용하여 블레이드의 압력면과 흡입면에 형성되는 압력 차에 의해 블레이드 팁부와 케이싱 사이로 흐르는 익단 누설 유동을 최소화함으로써, 임펠러는 물론 디퓨저의 성능과 효율을 향상시킬 수 있도록 한 익단 누설 유동 감소용 임펠러 및 이를 구비한 원심압축기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에서는 로터리 휠과, 상기 로터리 휠의 외측 선단에서 로터리 휠의 중심을 향해 방사형으로 배치되는 복수의 블레이드를 구비하고 있는 임펠러로서, 상기 블레이드의 압력면과 흡입면 사이의 블레이드 팁부에 익단누설을 감소하는 익단누설감소수단이 형성되어 있는 익단 누설 유동 감소용 임펠러가 제공된다.

또한, 상기 익단누설감소수단은 블레이드의 압력면과 흡입면 사이의 블레이드 팁부에 깊이와 길이를 가지고 파진 공동홈으로 이루어지는 익단 누설 유동 감소용 임펠러가 제공된다.

또한, 상기 익단누설감소수단은 블레이드의 팁부에 블레이드의 압력면에서 흡입면을 향해 하향 경사진 통공으로 이루어지는 익단 누설 유동 감소용 임펠러가 제공된다.

또한, 상기 익단 누설 유동 감소용 임펠러를 포함하여 구성되는 원심압축기가 제공된다.

이와 같이 본 발명에 따른 익단 누설 유동 감소용 임펠러 및 이를 구비한 원심압축기를 사용하게 되면, 블레이드의 압력면과 흡입면에 형성되는 압력 차로 인하여 블레이드 팁부와 케이싱 사이의 간극으로 흐르는 익단 누설 유동을 최소화함으로써, 상기 흡입면에서 형성되는 익단 누설 와류의 세기와 크기를 작게 형성하고, 그에 따라 압력 손실이 감소하게 되어 임펠러는 물론, 디퓨저의 성능과 효율을 모두 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 일반적인 원심압축기의 요부 구성을 보여주는 것으로,도 1a는 임펠러를 보여주는 사시도이고, 도 1b는 케이싱에 임펠러의 블레이드가 결합 배치되는 요부를 나타낸 개략인 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 실시예 1로서, 도 2a는 임펠러를 보여주는 사시도이고, 도 2b는 도 1b의 대응하는 본 발명을 나타낸 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 실시예 2로서, 도 3a는 임펠러를 보여주는 사시도이고, 도 3b는 도 1b의 대응하는 본 발명을 나타낸 단면도이다.

이하. 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 예시도면에 의거 상세하게 설명한다.

[실시예 1]

도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 익단 누설 유동 감소용 임펠러(30)는 원심압축기의 회전축에 결합 되는 로터리 휠(12)과, 상기 로터리 휠(12)의 외측 선단에서 로터리 휠(12)의 중심을 향해 방사형으로 배치되는 복수의 블레이드(32)를 포함하고 있다.

또한, 배경기술에서 설명한 바와 같이 상기 임펠러(30)의 블레이드 팁부(18)가 케이싱(16)의 내면에 부딪힘 없이 원활하게 회전할 수 있도록 블레이드 팁부(18)와 케이싱(16) 내면 간에 간극(20)이 형성되며, 아울러 상기 블레이드(32)의 압력면(22)과 흡입면(24)에 형성되는 압력 차이로 인해 블레이드 팁부(18)와 케이싱(16) 사이의 간극(20)으로는 익단 누설 유동(26)이 흐르게 된다.

여기서, 본 발명은 상기 블레이드(32)의 압력면(22)과 흡입면(24) 사이의 블레이드 팁부(18)에 블레이드(32)를 따라 익단누설감소수단(34)이 형성된다.

구체적으로, 상기 익단누설감소수단(34)은 깊이(H)와 길이(L)를 가지고 파진 구조를 취하는 공동홈(36)으로 이루어진다. 이때, 상기 공동홈(36)의 깊이(H)는 로터리 휠(12)과 블레이드(32)가 서로 접하는 뿌리부로부터 블레이드의 팁부(18)까지를 총 높이의 1/4 이상 깊이로 형성되는 것이 좋으며, 상기 공동홈(36)의 길이(L)는 블레이드(32)의 길이 방향 일단에서 타단까지 총 길이의 1/2 이상 블레이드 팁부(18)를 따라 형성되는 것이 좋다.

예컨대, 상기 공동홈(36)의 깊이(H)가 1/4 미만으로 형성되는 경우, 익단 누설 유동(26)을 공동홈(36) 내에 갇아 두기 미흡하여 익단 누설 유동(26)에 대한 감소 기능과 효과를 크게 발휘하기가 어렵고, 상기 공동홈(36)의 길이(L)가 1/2 미만으로 형성되는 경우도 익단 누설 유동(26)에 대한 감소 기능과 효과를 크게 발휘하기가 어렵다.

위와 같이 상기 블레이드(32)의 압력면(22)과 흡입면(24) 사이의 블레이드 팁부(18)에 상기 공동홈(36)이 형성되게 되면, 상기 블레이드 팁부(18)와 케이싱(16) 사이의 간극(20)으로 익단 누설 유동(26)이 흐르게 될 때, 상기 익단 누설 유동(26)의 일부가 공동홈(36)으로 유입되게 되고, 이와 같이 유입되는 익단 누설 유동(26)은 공동홈(36) 내에 갇히게 되는 상태가 된다.

그로 인해 상기 블레이드(32)의 압력면(22)에서 블레이트(32)의 흡입면(24)으로 흐르는 익단 누설 유동(26) 양이 현저히 감소하게 된다. 이와 같이 익단 누설 유동(26)이 현저하게 감소 되면, 상기 흡입면(24)에서 형성되는 익단 누설 와류(28)의 세기와 크기가 작아지게 되어 압력 손실이 감소하게 되고, 그에 따라 임펠러(30)는 물론, 디퓨저의 성능과 효율이 상승하게 된다.

[실시예 2]

앞서 설명된 실시예 1에서는 익단 누설 유동(26)을 갇아 두기 위하여 블레이트 팁부(18)에 길이와 깊이를 가지는 공동홈(36)이 형성되는 구조로 설명하였으나, 실시예 2에서는 블레이드 팁부(18)에 통공(44)이 형성되는 구조가 제시된다.

구체적으로, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 블레이드(42)의 블레이드 팁부(18)에는 블레이드(42)의 압력면(22)에서 흡입면(24)을 향해 미세하지만 적어도 하나 이상의 통공(44)이 각도를 가지고 하향 경사진 구조로 형성되어 있다.

따라서, 실시예 1과 같이 블레이드 팁부(18)와 케이싱(16) 사이의 간극(20)으로 익단 누설 유동(26)이 흐르게 될 때, 상기 블레이드 팁부(18)에 형성되어 있는 통공(44)으로 인하여 상기 간극(20)으로 흐르는 익단 누설 유동(26)의 일부가 블레이드(42)의 압력면(22)에서 흡입면(24)으로 흐르게 된다.

위와 같이 상기 통공(44)을 통하여 익단 누설 유동(26)의 일부가 블레이드(42)의 압력면(22)에서 흡입면(24)으로 흐르게 되면, 우선 상기 블레이드(42)의 압력면(22)과 흡입면(24)의 압력 차이가 다소 작아지게 되면서 상기 블레이드 팁부(18)와 케이싱(16) 사이의 간극(20)으로 흐르는 익단 누설 유동(26)도 다소 감소하게 된다. 그로 인해 상기 흡입면(24)에서 형성되는 익단 누설 와류(28)의 세기와 크기도 작아지게 된다.

따라서, 익단 누설 유동 감소에 따른 작용은 앞서 설명된 실시예 1 보다는 낮지만 압력 손실이 감소하게 되고, 그에 따라 임펠러는 물론, 디퓨저의 성능 및 효율에 대한 상승을 기대할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실기 예와 도면에 의해 설명되었으나 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않는다. 다시 말해, 앞서 설명에서는 익단누설유동에 대한 감소를 위하여 익단누설감소수단이 공동홈 또는 통공이 형성되는 것으로 설명하였지만, 이에 한정되지 않고 다양한 구조로 응용될 수 있다.

나아가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 구성 및 변형 가능함은 물론이다.

10, 30, 40 : 임펠러 12 : 로터리 휠
14, 32, 42 : 블레이드 16 : 케이싱
18 ; 블레이드 팁부 20 : 간극
22 : 압력면 24 : 흡입면
26 : 익단 누설 유동 28 : 익단 누설 와류
34 : 익단누설감소수단 36 : 공동홈
44 : 통공

Claims (4)

1. 로터리 휠과, 상기 로터리 휠의 외측 선단에서 로터리 휠의 중심을 향해 방사형으로 배치되는 복수의 블레이드를 구비하고 있는 임펠러로서,
   상기 블레이드의 압력면과 흡입면 사이의 블레이드 팁부에 익단누설을 감소하는 익단누설감소수단이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 익단 누설 유동 감소용 임펠러.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 익단누설감소수단은 블레이드의 압력면과 흡입면 사이의 블레이드 팁부에 깊이와 길이를 가지고 파진 구조를 취하는 공동홈으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 익단 누설 유동 감소용 임펠러.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 익단누설감소수단은 블레이드의 팁부에 블레이드의 압력면에서 흡입면을 향해 하향 경사진 통공으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 익단 누설 유동 감소용 임펠러.
   
4. 제 2항 또는 제 3항에 따른 임펠러를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심압축기.

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