KR100537036B1

KR100537036B1 - 원심 압축기

Info

Publication number: KR100537036B1
Application number: KR10-1999-0018502A
Authority: KR
Inventors: 분더발트디르크; 브레머요아힘; 뮐러울프크리스티안; 보티엔미하일로; 그레버위르크
Original assignee: 에이비비 슈바이쯔 아게
Priority date: 1998-05-25
Filing date: 1999-05-21
Publication date: 2005-12-16
Anticipated expiration: 2019-05-21
Also published as: JP2000054997A; CZ291692B6; CN2381815Y; CZ177899A3; KR19990088489A; JP4503726B2; DE59809488D1; CN1102706C; TW562900B; CN1239193A; EP0961034A1; US6238179B1; EP0961034B1

Abstract

본 발명의 목적은 보다 간단하지만 좀더 효과적인 하나의 냉각 기구를 갖춘 원심 압축기를 만드는 것이다.

이 목적은 기체상태의 냉매 (31) 를 위한 분리 갭 (18) 의 주로 방사상으로 연장되는 갭 영역 (20) 의 상류에 위치한 분리 갭으로 열린 공급 장치 (27) 에 의해 성취된다.

Description

원심 압축기 {CENTRIFUGAL COMPRESSOR}

본 발명은 축상에 배치되고 주로 방사상으로 연장하는 후벽을 갖춘 압축기 임펠러와, 상기 압축기 임펠러를 에워싸는 압축기 케이싱과, 원심 압축기의 작동매체를 위해 상기 압축기 임펠러와 상기 압축기 케이싱 사이에 형성되는 유동 덕트와, 상기 압축기 임펠러와 상기 압축기 케이싱 사이에서, 상기 유동 덕트와 연결되는 분리 갭과, 압축기 케이싱에 배치되어 있고 기체 상태의 냉매를 위한 피드 장치와, 이에 상응하는 제거 장치를 포함하고, 상기 피드 장치는 상기 분리 갭으로 열려있고 상기 분리 갭은 압축기 임펠러의 후벽 부분에 주로 방사상으로 연장되는 갭 영역을 가지는 원심 압축기에 관한 것이다.

비접촉식 시일, 특히 라비린스 시일은 터보기계 구조의 회전 시스템을 밀봉하기 위해서 널리 쓰인다. 경계층이 유동 속에 형성되기 때문에, 높은 마찰 손실이 회전부와 정지부 사이의 유체 유동 속의 분리 갭 사이에 나타난다. 이는 분리 갭사이의 유체를 가열하게 되고, 따라서 분리 갭 주위의 요소들 역시 가열된다. 이러한 높은 재질 온도는 상응하는 요소들의 수명을 단축시킨다.

압축기 케이싱과 압축기 임펠러 사이의 분리 갭에 압축기 임펠러의 후벽 위에 하나의 라비린스 시일이 배치되어 있는 하나의 원심 압축기가 EP 0 518 027 B1 호로부터 알려져 있다. 압축기 임펠러의 출구에서의 높은 압력 때문에, 유출 공기가 압축기 케이싱의 회전벽과 정지벽 사이의 고리모양 공간으로 침투될 수 있다. 이 두 가지를 방지하기 위해서, 또한 분리 갭을 둘러싸고 있는 요소의 관련 가열을 방지하기 위해서, 압축기 임펠러 출구의 압력보다 높은 압력의 차가운 가스가 분리 갭사이로 주입된다. 이러한 목적을 위해서, 하나의 추가된 고리모양 공간이 라비린스 시일에 배치되어 있고 하나의 외부 가스 급송장치에 연결되어 있다. 차가운 가스는 압축기 케이싱의 벽을 통해 라비린스 실링속으로 흐르고, 그런 다음 압축기 임펠러 후벽에 부딪혀 후벽을 냉각시킨다. 후벽에 부딪힐 때, 상기 가스는 갈라지고 주로 라비린스 시일의 각각의 밀봉요소를 통해 방사상 안으로 그리고 밖으로 흐른다. 방사상으로 밖을 향한 부분적인 유동은 특히 압축기 임펠러의 출구로부터의 뜨거운 압축 공기가 분리 갭을 통해 흐르는 것을 방지하기 위한 것이다.

원심 압축기를 더 비싸게 하는 특별한 부수적인 요소들에도 불구하고, 이와 같은 해법의 냉각효과는 최적이라고 할 수 없다. 오히려 차가운 가스가 공급되는 동안, 초기에 방사상으로 밖을 향하는 부분 유동과 압축기 임펠러의 후벽에 생기는 경계층 사이에 섞임이 발생하는 것이 사실이다. 게다가, 이 부분 유동은 하나 이상의 비접촉식 밀봉장치에, 냉각효과를 더 나쁘게 할 뿐만 아니라, 후벽에 더 큰 마찰을 일으키고 따라서 더 큰 기계적 손실을 일으키도록 하는 좋지 못한 작용을 한다.

본 발명은 이러한 모든 단점들을 피하고자 하는 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 더 간단하지만 더 효과적인 냉각기구를 갖춘 새로운 원심 압축기를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이 목적은 청구항 1 의 전제부에 설명된 기구가 기체 상태의 매체를 위한 공급장치가 주로 방사상으로 연장되는 분리 갭의 갭 영역의 상류에 있는 분리 갭으로 열려있음으로 해서 성취된다.

이 해결 방법에 있어서, 분리 갭의 주로 방사상으로 연장되는 갭 영역에 여분의 고리모양 공간이나 여분의 공급 공간이 필요없게 된다. 이는 원심 압축기의 구조를 현저하게 간단화한다. 게다가, 마찬가지로 사용된 냉매가 분리 갭의 주로 방사상으로 연장된 갭 영역 속으로 주입되는 뜨거운 유출유동을 대체할 수 있다. 이 때문에, 압축기 임펠러 후벽의 유동에 의해 형성되는 경계층이 처음부터 주로 냉매가 공급됨으로 해서 형성된다. 특히, 따라서 원심 압축기의 이 특별히 위험한 영역의 향상된 냉각효과가 얻어질 수 있다.

피드 장치의 공급 덕트와 분리 갭의 주로 방사상으로 연장된 갭 영역의 입구 영역이 방사상으로 배열되도록 배치되는 것이 특히 유용하다. 이러한 방법으로, 냉매의 주입에서 그리고 소산으로 인한 가열에서 발생하는 압력 손실을 모두 피할 수 있다. 이것은 차례로 향상된 냉각 효과를 가져온다. 게다가, 냉매는 주로 방사상으로 연장되는 분리 갭으로 뜨거운 유출 공기가 주입되는 것을 부분적으로, 혹은 완벽하게 막는다.

또한, 압축기 임펠러의 회전 방향으로 향해있는 냉매를 위한 복수의 피드 덕트는 공급 덕트에 배열되는 것이 유리하다. 이러한 목적을 위해서, 공급 덕트는 리세스에 의해 단속적으로 배치된 복수의 가이드 웨브를 갖고, 리세스는 동시에 냉매를 위한 피드 덕트를 형성한다. 상대적으로 간단한 요소를 사용하지만, 이는 압축기 임펠러의 회전 방향으로 냉매가 주입될 수 있도록 하여, 마찰 손실을 줄이고 따라서 압축기 임펠러 가열을 줄인다.

마지막으로, 주로 방사상으로 연장되는 갭 영역의 입구 영역의 상류에 있는 분리 갭에 밀봉요소가 유리하게 배치될 수 있다. 이것은 압축기 임펠러로부터 도착하는 유출유동의 압력을, 냉매가 압축기 출구에 존재하는 압력보다 낮은 압력에서 공급될 수 있을 정도로 낮추는 것이 가능하다.

분리 갭의 주로 방사상으로 연장된 갭영역의 입구부분의 하류에 있는 비접촉식 시일과 함께 이미 앞서 언급한 조치들의 조합은 특히나 유리하다는 것을 알 수 있다. 이러한 방법으로, 방사상으로 바깥 부분으로부터 도착하는 냉매는 시일의 개별 밀봉요소에 도달하고, 그곳에서 압축기 임펠러의 후벽에 필름 냉각을 일으킨다. 이전의 기술과는 반대로, 냉매는 방사상으로 바깥쪽으로 흐르지 않고 방사상으로 안쪽으로 흐르기 때문에 압축기 임펠러 후벽의 유동에 의해 형성되는 경계층과 섞이지 않고 마찬가지로 후벽의 마찰도 증가하지 않는다. 따라서, 냉각 효율은 증가될 수 있고 압축기 임펠러의 수명도 좀더 길어질 수 있다.

배기 가스 과급기의 원심 압축기를 사용하는 본 발명의 몇 가지 실시예에 대한 이하의 설명과 첨부된 도면을 연계하여 고려하면, 본 발명에 대한 보다 폭넓은 이해가 가능할 것이며, 본 발명의 많은 이점과 그에 수반하는 이점들을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명을 이해하는데 필수적인 요소들만을 도시하였다. 예를 들어 베어링 부분과 배기 가스 과급기의 터빈 끝부분은 도시하지 않았다. 작동매체의 유동의 방향은 화살표로 표시한다.

수개의 도면을 통해 동일하거나 일치하는 부분의 참조 번호가 같은 도면에 있어서, 도 1 에서 일부분만 보여지는 배기 가스 과급기는 원심 압축기 (1) 와 배기 가스 터빈(미도시)으로 구성되고, 이들은 베어링 하우징 (2) 으로 지지되는 축 (3) 으로 서로 연결되어 있다. 원심 압축기는 축 (3) 에 기계 중심선 (4) 이 위치한다. 압축기 임펠러 (6) 가 회전 가능하게 축 (3) 에 연결되어있는 압축기 케이싱 (5) 이 설치되어 있다. 상기 압축기 임펠러 (6) 는 다수의 임펠러 날개 (7) 를 가지고 있는 허브 (hub) (8) 를 갖추고 있다. 유동 덕트 (9) 는 상기 허브 (8) 와 압축기 케이싱 (5) 사이에 형성되어 있다. 상기 임펠러 날개 (7) 의 하류에, 상기 원심 압축기 (1) 의 볼류트 (11) 쪽으로 차례로 열리는 방사상으로 배치된 날개를 가진 디퓨져 (10) 가 상기 유동 덕트 (9) 의 다음에 위치한다. 압축기 케이싱 (5) 은 주로 공기 입구 케이싱 (12), 공기 출구 케이싱 (13), 디퓨져 플레이트 (14), 및 베어링 하우징 (2) 에 연결된 중간벽 (15) 으로 구성된다.

터빈의 끝에, 허브 (8) 는 후벽 (16) 과 축 (3) 을 위한 고착 슬리브 (17) 를 갖는데, 축 (3) 과 상기 고착 슬리브 (17) 는 서로 고정되어 있다. 고착 슬리브 (17) 는 압축기 케이싱 (5) 의 중간벽 (15) 에 수용된다. 또다른 적절한 압축기 임펠러/축 연결도 물론 선택되어질 수 있다. 이와 비슷하게 날개 없는 디퓨져의 적용도 가능하다.

다양한 갭 영역을 포함하는 분리 갭 (18) 은 회전하는 압축기 임펠러 (6) 와 정지된 압축기 케이싱의 중간벽 (15) 사이에 형성된다. 제 1 갭 영역 (19) 은 기계 축 (4) 에 평행하게 연장되고 압축기 임펠러 (6) 의 출구와, 압축기 임펠러 (6) 의 후벽 (16) 부분에 주로 방사상으로 연장되는 제 2 갭 영역 (20) 에 모두 연결되어 있다. 상기 제 2 갭 영역 (20) 은 고착 슬리브 (17) 와 중간벽 (15) 사이에 형성되고 마찬가지로 기계 축 (4) 에 평행하게 연장되는 제 3 갭 영역 (21) 과 합쳐지게 된다. 제 1 갭 영역 (19) 을 뒤따르는 입구 영역 (22) 과, 라비린스 시일 형태의 비접촉식 시일 (23) 그리고 제 3 갭 영역 (21) 에 연결된 중간 공간 (24) 은 주로 방사상으로 연장되는 제 2 갭 영역 (20) 의 구성 요소이다. 중간 공간 (24) 은 차례로 배기 도관 (미도시) 과 연통한다.

피드 장치 (27) 는 공급 덕트 (25) 와 제 2 갭 영역 (20) 상류의 분리 갭 (18) 으로 열린 피드 도관 (26) 을 포함한다. 이러한 목적을 위하여, 디퓨져 플레이트 (14) 의 중심 영역에, 피드 도관 (26) 을 수용하는 구멍 (28) 이 제공되고 그의 방사상 안쪽 끝부분에 공급덕트 (25) 와 같은 형상의 슬롯을 가진다. 공급 덕트 (25) 는 분리 갭 (18) 의 제 2 갭 영역 (20) 의 입구 영역 (22) 과 방사상으로 일렬로 배치된다.

배기 가스 과급기가 작동하고 있을 때, 압축기 임펠러 (6) 는 대기 공기를 작동매체 (29) 로 유도하고 이 대기 공기는 유동 덕트 (9) 와 디퓨져 (10) 를 지나서 볼류트 (11) 에 이르고, 그곳에서 압축되어 마지막으로 상기 배기 가스 과급기에 연결되어있는 내연기관 (미도시) 에 과급하기 위해 사용된다. 공기가 상기 유동 덕트 (9) 에서부터 상기 디퓨져 (10) 까지 이동하는 동안에, 원심 압축기 (1) 에서 가열된 대기 공기 (29) 또한 유출유동 (30) 으로서 제 1 갭 영역 (19) 으로 들어가고 따라서 분리 갭 (18) 으로 들어간다. 반면에, 이와 동시에, 기체상태의 냉매 (31) 는 피드 장치 (27) 를 통해서 분리 갭 (18) 의 제 2 갭 영역 (20) 으로 주입된다. 기체상태의 냉매는, 예를 들어 내연기관의 인터쿨러의 출구 (미도시) 로부터의 공기일 수 있다. 물론, 냉매와 이 냉매용 외부 공급물 모두를 사용할 수 있다.

압축기 임펠러 (6) 후벽 (16) 에 형성되는 경계층이 냉매 (31) 를 공급함으로 해서 처음부터 이미 대부분이 형성되도록 냉매 (31) 가 뜨거운 유출 유동 (30) 을 대체한다. 게다가, 냉매 (31) 는 방사상으로 안쪽으로만 흐르기 때문에, 한편 현저히 향상된 냉각 효과를 얻을 수 있을 뿐 아니라 또한 다른 한편으로는 마찰 손실을 줄일 수 있다. 작동매체 (29) 의 유출유동 (30) 과 함께, 냉매 (31) 는 중간 공간 (24) 을 통과하고, 압축기 케이싱 (5) 의 중간벽 (15) 에 설치된 제거 장치 (32) (더이상 도시되지 않음) 를 통해서 분리 갭의 밖으로 나간다.

실시예 2 에 있어서, 디퓨져 플레이트 (14) 에는 공급 덕트 (25) 영역의 피드 도관 (26) 을 수용하는 중간 고리 (33) 가 제공된다 (도 2). 중간 고리 (33) 는 그의 주변부로 분포되는 복수의 가이드 웨브 (34) 를 갖고, 이들은 피드 덕트 (35) 의 형태로 리세스에 의해 단속적으로 배치된다 (도 3). 따라서 가이드 웨브 (34) 는 피드 덕트 (35) 가 압축기 임펠러 (6) 의 회전방향을 가리키도록 하는 방식으로 형성된다. 이것은 소위 냉매 (31) 의 시계방향 와류 주입을 제공하고, 이는 마찰 손실을 현저하게 줄이고 따라서 압축기 임펠러 (6) 의 가열도 줄어든다. 이 기능은 또한 공급 덕트 (25) (미도시) 영역의 디퓨져 플레이트 (14) 를 적당하게 형상화함으로 해서 성취된다.

실시예 3 에 있어서, 밀봉요소 (36) 가 제 2 갭 영역 (20) 의 입구 영역 (22) 의 상류의 분리 갭 (18) 에 배치되어 있다 (도 4). 이 밀봉요소 (36) 의 도움으로, 주입되는 냉매 (31) 의 압력이 압축기 임펠러 (6) 의 출구에서의 작동 매체 (29) 의 압력보다 유리하게 오히려 낮은 정도까지, 잔류 유출 유동 (30) 의 압력을 낮추는 것이 가능하다. 이러한 방법으로, 압축기 임펠러 (6) 의 효과적인 냉각이 상대적으로 적은 양의 냉매 (31) 를 사용하고서도 얻어질 수 있다.

명백하게, 상기의 교시에 비추어 볼 때 본 발명은 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로 첨부된 청구항들의 관점에서, 본 발명은 본원에서 상세히 설명한 바와 다르게 실시될 수 있음을 이해해야 한다.

본 발명에 따르면, 분리 갭의 주로 방사상으로 연장되는 갭 영역에 여분의 고리모양 공간이나 여분의 공급 공간이 필요 없으므로, 원심 압축기의 구조가 현저하게 간단하게 된다. 게다가, 사용된 냉매가 분리 갭의 주로 방사상으로 연장된 갭 영역 속으로 주입되는 뜨거운 유출유동을 대체할 수 있어서, 압축기 임펠러 후벽의 유동에 형성되는 경계층이 냉매에 의해 처음부터 형성되므로, 원심 압축기의 이 특별히 위험한 영역에서 향상된 냉각효과를 얻을 수 있다.

또한, 피드 장치의 공급 덕트와 분리 갭의 주로 방사상으로 연장된 갭영역의 입구 영역이 방사상으로 배열되어, 냉매의 주입에서 그리고 소산으로 인한 가열에서 발생하는 압력 손실을 모두 피할 수 있고, 향상된 냉각 효과를 가져온다. 게다가, 냉매는 주로 방사상으로 연장되는 분리 갭으로 뜨거운 유출 공기가 주입되는 것을 부분적으로, 혹은 완벽하게 막는다.

또한, 본 발명에서는 냉매가 압축기 임펠러의 회전하는 방향으로 주입될 수 있도록 하여, 마찰 손실을 줄이고 따라서 압축기 임펠러 가열을 줄일 수 있고, 이전의 기술과는 반대로, 냉매는 방사상으로 바깥쪽으로 흐르지 않고 방사상으로 안쪽으로 흐르기 때문에 압축기 임펠러 후벽의 유동으로부터 형성되는 경계층과 섞이지 않아 후벽의 마찰이 증가하지 않으므로, 냉각 효율은 증가될 수 있고 압축기 임펠러의 수명도 좀더 길어질 수 있다.

도 1 은 본 발명에 따르는 공급 장치를 갖춘 원심 압축기의 부분 종단면도.

도 2 는 실시예 2 에 따르는 디퓨져 플레이트 영역에서의 도 1 의 상세도.

도 3 은 피드 장치의 피드 덕트를, 도 2 의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 나타낸 부분 단면도.

도 4 는 실시예 3 에 있어서, 분리 갭의 주로 방사상으로 연장되는 갭 영역의 입구 부분에서의 도 1 의 확대 상세도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1: 원심 압축기 2: 베어링 하우징

3: 축 4: 기계축

5: 압축기 케이싱 6: 압축기 임펠러

7: 임펠러 날개 8: 허브

9: 유동 덕트 10: 디퓨져

11: 볼류트 12: 공기 입구 케이싱

13: 공기 출구 케이싱 14: 디퓨져 플레이트

15: 중간벽 16: 후벽

17: 고착 슬리브 18: 분리 갭

19: 제 1 갭 영역 20: 제 2 갭 영역

21: 제 3 갭 영역 22: 입구 영역

23: 시일, 라비린스 시일 24: 중간 공간

25: 공급 덕트 26: 피드 도관

27: 피드 장치 28: 구멍

29: 작동매체 30: 유출유동

31: 냉매 32: 제거 장치

33: 중간 고리 34: 가이드 웨브

35: 피드 덕트 36: 밀봉요소

Claims

축 (3) 상에 배치되고 주로 방사상으로 연장하는 후벽 (16) 을 갖춘 압축기 임펠러 (6) 와, 상기 압축기 임펠러 (6) 를 에워싸는 압축기 케이싱 (5) 과, 원심 압축기 (1) 의 작동매체 (29) 를 위해 상기 압축기 임펠러 (6) 와 상기 압축기 케이싱 (5) 사이에 형성되는 유동 덕트 (9) 와, 상기 압축기 임펠러 (6) 와 상기 압축기 케이싱 (5) 사이에서, 상기 유동 덕트 (9) 와 연결되는 분리 갭 (18) 과, 압축기 케이싱 (5) 에 배치되어 있고 기체 상태의 냉매 (31) 를 위한 피드 장치 (27) 와, 이에 상응하는 제거 장치 (32) 를 포함하고; 상기 피드 장치 (27) 는 상기 분리 갭 (18) 으로 열려있고 상기 분리 갭 (18) 은 압축기 임펠러 (6) 의 후벽 (16) 부분에 주로 방사상으로 연장되는 갭 영역 (20) 을 가지는 원심 압축기로서, 상기 피드 장치 (27) 가 상기 분리 갭 (18) 의 주로 방사상으로 연장되는 갭 영역 (20) 의 상류에 위치한 분리 갭 (18) 으로 열려있는 원심 압축기.
제 1 항에 있어서, 상기 피드 장치 (27) 가 공급 덕트 (25) 를 갖고, 상기분리 갭 (18) 의 주로 방사상으로 연장되는 갭 영역 (20) 이 입구 영역 (22) 을 가지며, 상기 공급 덕트 (25) 와 상기 입구 영역 (22) 이 방사상으로 일렬로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
제 2 항에 있어서, 상기 공급 덕트 (25) 안에는, 압축기 임펠러 (6) 의 회전 방향을 향하는 복수의 피드 덕트 (35) 가 배치되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
제 3 항에 있어서, 상기 공급 덕트 (25) 안에는 리세스에 의해 단속적으로 배치된 복수의 가이드 웨브 (34) 가 설치되어 있고, 상기 리세스가 상기 피드 덕트 (35) 를 형성하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
제 4 항에 있어서, 상기 주로 방사상으로 연장되는 갭 영역 (20) 의 입구 영역 (22) 의 상류에 위치한 상기 분리 갭 (18) 에 밀봉요소 (36) 가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
제 2 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리 갭 (18) 의 주로 방사상으로 연장되는 갭 영역 (20) 의 입구 영역 (22) 의 하류에 비접촉식 시일 (23) 이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.