KR100343726B1 - 터보 압축기의 가스누설 저감구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보 압축기의 가스누설 저감구조에 관한 것으로, 본 발명은 구동모터의 가동자에 결합되어 회전하는 구동축의 양단에 냉매가스를 순차적으로 원심 압축하는 복수개의 임펠러가 장착되고, 상기 구동축의 양단에는 그 구동축을 반경방향으로 지지하도록 레이디어 베어링이 장착되며, 상기 구동축의 적어도 어느 일단에는 상기한 구동축을 축방향으로 지지하는 스러스트 베어링이 장착되어 이루어지는 터보 압축기에 있어서, 상기 스러스트 베어링은 원판형상으로 형성하고 그 양측면에 베어링면을 형성하여 구동축의 일단에 결합하는 베어링부재와, 상기 베어링부재에 대향하도록 고정 배치하고 상기한 베어링부재의 양측면에 대향하는 면에 래버린스 실(labyrinth seal)이 각각 형성하여서 된 복수 개의 지지부재로 구성함으로써, 상기 구동축의 축방향 진동시 래버린스 실과 스러스트 베어링면의 공극이 좁아지게 되어 냉매가스의 역류가 저감되고, 상기 구동축의 축길이가 짧아져 위험속도를 낮춤으로써 압축기의 진동/소음은 줄고 안정성은 향상된다.

Description

터보 압축기의 가스누설 저감구조{STRUCTURE FOR REDUCING GAS REAKAGE OF TURBO COMPRESSOR}

본 발명은 터보 압축기의 가스누설 저감구조에 관한 것으로, 특히 포일베어링(foil bearing)과 같이 구동축에 직접 접촉되어 지지하는 베어링의 적용시 터보 압축기의 가스누설 저감구조에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 기계적 에너지를 압축성 유체의 압축에너지로 변환시키는 것으로, 이러한 압축기는 크게 왕복동식 및 스크롤식 및 원심식(통상, 터보식이라고도 함) 그리고 베인식(통상, 회전식이라고도 함)으로 구분된다.

이 중에서 터보 압축기는 와류펌프와 같이 임펠러의 회전력을 이용하여 유체를 축방향으로 흡입하였다가 원심방향으로 토출시키면서 압축하는 것으로 통상 2단 압축식 터보 압축기가 알려져 있다. 이러한 터보 압축기는 건물의 중앙제어식 공기조화기와 같이 주로 대용량 터보 압축기가 사용되고 있었으나, 최근에는 일반 가정용 공기조화기에도 적용 가능한 소형 터보 압축기가 개발되고 있는 실정이다.

상기 터보 압축기는 임펠러(압축실)의 개수에 따라 1단,2단.. 등으로 구분되며, 상기 임펠러의 배열형태에 따라서도 백 투 백(back to back) 타입 또는 페이스 투 페이스 타입으로 구분될 수 있는데, 상기 백 투 백 타입은 임펠러의 배면이 서로 마주보도록 배열되는 것인데 반해 상기 페이스 투 페이스 타입은 임펠러의 흡입단이 서로 마주보도록 배열되는 것이다.

도 1은 종래 페이스 투 페이스 타입의 2단 압축식 소형 터보 압축기를 보인종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 종래의 2단 압축식 소형 터보 압축기는, 소정의 내부체적을 갖는 모터 케이싱(1)과, 그 모터 케이싱(1)의 양측에 복개되는 제1 베어링 플레이트(2A) 및 제2 베어링 플레이트(2B)와, 상기 제1 베어링 플레이트(2A)의 외측면에 장착되는 슈라우드 플레이트(3)와, 그 슈라우드 플레이트(3)의 외측면에 장착되는 제1 디퓨져 케이싱(4A)과, 상기 제2 베어링 플레이트(2B)의 외측면에 장착되는 베어링 커버(5)와, 그 베어링 커버(5)를 수용하여 상기한 제2 베어링 플레이트(2B)의 외주연에 장착되는 볼류트 케이싱(6)과, 그 볼류트 케이싱(6)의 외측면에 장착되는 제2 디퓨져 케이싱(4B)과, 상기 모터 케이싱(1)의 내부에 장착되는 구동모터(M)와, 그 구동모터(M)의 가동자(MR)에 압입되고 양단부가 상기한 제1 베어링 플레이트(2A) 및 제2 베어링 플레이트(2B)를 관통하는 구동축(7)과, 그 구동축(7)의 일단에 고정되고 상기한 슈라우드 플레이트(3)와 제1 디퓨져 케이싱(4A)으로 이루어지는 제1 압축실(Sc1)에 배치되는 제1 임펠러(8A)와, 상기 구동축(7)의 타단에 고정되고 상기한 볼류트 케이싱(6)과 제2 디퓨져 케이싱(4B)으로 이루어지는 제2 압축실(Sc2)에 배치되는 제2 임펠러(8B)와, 상기 제1 베어링 플레이트(2A) 및 제2 베어링 플레이트(2B)에 장착되어 구동축(7)의 반경방향을 지지하도록 포일베어링으로 이루어지는 제1 레이디얼 베어링(9A) 및 제2 레이디얼 베어링(9B)과, 상기 제2 베어링 플레이트(2B)와 베어링 커버(5) 사이에 배치되어 구동축(7)의 축방향을 지지하도록 포일베어링으로 이루어지는 스러스트 베어링(10)을 포함하여 구성되어 있다.

상기 베어링커버(5)는 구동축(7)이 관통하도록 환형으로 형성되는 것으로, 그 내측면은 제2 베어링 플레이트(2B)의 외측면과 함께 구동축(7)에 결합된 베어링부재(7A)의 양측면에 대해 스러스트 베어링면을 이루도록 대향되는 동시에, 그 중앙부는 구동축(7)이 관통되는 관통구멍(미부호)이 형성되되 그 관통구멍의 내주면에는 구동축(7)의 외주면 사이로 냉매가스가 누설되는 것을 방지하도록 래버린스 실(labyrinth seal)(5a)이 형성되어 이루어져 있다.

도면중 미설명 부호인 11은 제1 가스유로, 12는 제2 가스유로, SP는 흡입관, DP는 토출관, Sm은 모터실, MS는 고정자, Ss1은 제1 흡입공간, Ss2는 제2 흡입공간이다.

상기와 같이 구성된 종래의 2단식 소형 터보 압축기는 다음과 같이 동작된다.

즉, 상기 구동모터(M)에 전원이 인가되면, 그 구동모터(M)의 가동자(MR)와 함께 구동축(7)이 레이디얼 베어링(9A,9B) 및 스러스트 베어링(10)에 의해 지지되어 회전을 하게 되고, 이와 함께 상기 구동축(7)의 양단에 고정된 제1 및 제2 임펠러(8A,8B)가 회전을 하게 된다. 이때, 상기 흡입관(SP)을 통해 모터 케이싱(1)으로 흡입되는 냉매가스는 제1 가스통로(11) 및 제1 흡입공간(Ss1)을 통해 제1 압축실(Sc1)로 흡입되어 제1 임펠러(8A)에 의해 1단 압축되고, 그 1단 압축된 가압축가스는 다수개의 제2 가스통로(12) 및 제2 흡입공간(Ss2)을 통해 제2 압축실(Sc2)로 흡입되어 제2 임펠러(8B)에 의해 2단 압축되며, 그 2단 압축된 압축가스는 볼류트 케이싱(6)에 의해 모아져 토출관(DP)을 통해 토출된다.

여기서, 상기 구동축(7)은 회전하면서 반경방향으로 진동이 발생하게 되는 것은 물론 그 양단에 장착된 제1 및 제2 임펠러(8A,8B)가 서로 다른 압력을 받게 되어 축방향으로도 진동이 발생하게 되나, 이 반경방향 진동 및 축방향 진동은 모두 레이디얼 베어링(9A,9B) 및 스러스트 베어링(10)의 포일이 구동축(7)의 외주면 및 베어링부재(7A)의 양측면에 탄력적으로 미끄럼 접촉되어 지지된다.

이때, 상기 제2 흡입공간(Ss2)으로 모아지는 가압축가스의 일부가 모터 케이싱(1)과 제2 압축실(Sc2)의 압력차에 의해 제2 압축실(Sc2)로 흡입되지 않고 베어링커버(5)의 관통구멍(미부호)과 구동축(7)의 외주면 사이를 통해 모터 케이싱의(1) 모터실(Sm)내부로 역류하게 되나, 이 역류하려는 냉매가스는 베어링커버(5)의 관통구멍에 구비된 래버린스 실(5a)에 의해 차단되는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래의 터보 압축기에 있어서는, 상기 래버린스 실(5a)이 구동축(7)의 반경방향에 형성되므로 인해 구동축(7)의 반경방향 진동시 어느 한쪽의 래버린스 실(5a)에 근접되더라도 구동축(7)의 직경과 래버린스 실(5a)의 내경이 불변이므로 그 타측에서는 공극(c1+c1)이 더욱 확대되어 냉매가스의 역류가 증가하게 되는 문제점이 있었다.또, 레이디얼 방향인 베어링 커버(5)의 내주면에 래버린스 실(5a)을 형성함에 따라 그만큼 구동축(7)의 길이가 길어져 구동축(7)의 위험속도를 감안할 때 압축기의 진동/소음은 커지고 안정성은 떨어지는 문제점도 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 터보 압축기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 제2 흡입공간으로 유입되는 냉매가스가 제2 압축실로 흡입되기 전에 구동축의 축방향을 통해 상대적으로 저압부를 이루는 모터케이싱으로 역류하는 것을 방지할 수 있는 터보 압축기의 가스누설 저감구조를 제공하려는데 그 목적이 있다.또, 구동축의 길이를 줄여 위험속도를 낮추고 이를 통해 압축기의 진동/소음은 줄이고 안정성은 높일 수 있는 터보 압축기의 가스누설 저감구조를 제공하려는데도 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 종래 터보 압축기의 일례를 보인 종단면도.

도 2는 도 1의 "A"부를 보인 종단면도.

도 3은 본 발명 가스누설 저감구조가 구비된 터보 압축기의 일례를 보인 종단면도.

도 4는 도 3의 "B"부를 보인 종단면도.

도 5는 도 3의 "B"부에 대한 변형예를 보인 종단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

7 : 구동축 7A : 베어링부재

9A,9B : 레이디얼 베어링 10 : 스러스트 베어링

100 : 제2 베어링 플레이트 200 : 베어링커버

110,210 : 래버린스 실

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 구동모터의 가동자에 결합되어 회전하는 구동축의 양단에 냉매가스를 순차적으로 원심 압축하는 복수개의 임펠러가 장착되고, 상기 구동축의 양단에는 그 구동축을 반경방향으로 지지하도록 레이디어 베어링이 장착되며, 상기 구동축의 적어도 어느 일단에는 상기한 구동축을 축방향으로 지지하는 스러스트 베어링이 장착되어 이루어지는 터보 압축기에 있어서, 상기 스러스트 베어링은 원판형상으로 형성하고 그 양측면에 베어링면을 형성하여 구동축의 일단에 결합하는 베어링부재와, 상기 베어링부재에 대향하도록 고정 배치하고 상기한 베어링부재의 양측면에 대향하는 면에 래버린스 실(labyrinth seal)이 각각 형성하여서 된 복수 개의 지지부재로 구성한 것을 특징으로 하는 터보 압축기의 가스누설 방지구조가 제공된다.

이하, 본 발명에 의한 터보 압축기의 가스누설 방지구조를 첨부도면에 의하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명 가스누설 저감구조가 구비된 터보 압축기의 일례를 보인 종단면도이고, 도 4는 도 3의 "B"부를 보인 종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 가스누설 방지구조가 구비된 터보 압축기는, 모터 케이싱(1)의 내부에 장착된 구동모터(M)의 가동자(MR)에 구동축(7)이 압입되고, 그 구동축(7)의 양단부에는 슈라우드 플레이트(3)와 제1 디퓨져 케이싱(4A)으로 이루어지는 제1 압축실(Sc1) 및 볼류트 케이싱(6)과 제2 디퓨져 케이싱(4B)으로 이루어지는 제2 압축실(Sc2)에 각각 구비된 제1 임펠러(8A) 및 제2 임펠러(8B)의 흡입단이 서로 마주보는 형태로 고정되며, 상기 모터 케이싱(1)의 양측에 고정되는 제1 및 제2 베어링 플레이트(2A,100)의 내주면에는 상기한 구동축(7)을 반경방향으로 지지하도록 포일베어링으로 이루어진 레이디얼 베어링(9A,9B)이 장착되고, 상기 제2 베어링 플레이트(100)의 외측면과 그 외측면 쪽에 고정되는 베어링커버(200)의 대향면에는 상기한 구동축(7)의 베어링부재(7A)를 축방향으로 지지하도록 역시 포일베어링으로 이루어진 스러스트 베어링(10)이 장착되어 이루어진다.상기 제2 베어링 플레이트(100)와 베어링커버(200)는 베어링부재(7A)의 양측에 각각 고정 배치하여 지지부재를 이룬다.

상기 제1 베어링 플레이트(2A) 및 모터 케이싱(1) 그리고 제2 베어링 플레이트(100)에는 제1 압축실(Sc1)과 제2 압축실(Sc2)을 연통시키는 다수개의 제2 가스통로(12)가 방사상으로 형성되고, 상기 베어링커버(200)와 볼류트 케이싱(6)의 사이에는 각각의 제2 가스통로(12)와 제2 압축실(Sc2)을 연통시키는 제2 흡입공간(Ss2)이 형성되며, 상기 제2 흡입공간(Ss2)의 일부를 이루는 베어링커버(200)의 내측면 및 이에 대응되는 제2 베어링 플레이트(100)의 외측면에는 각각 스러스트 베어링(10)이 장착되며, 그 스러스트 베어링(10)에 대향되는 제2 베어링 플레이트(100)의 외측면 및 베어링커버(200)의 내측면에는 래버린스 실(110,210)이 각각 형성된다.

상기 구동축(7)의 제2 압축실측 단부에는 제2 베어링 플레이트(100)의 외측면 및 베어링커버(200)의 내측면과 함께 스러스트 베어링면을 형성하는 베어링부재(7A)가 결합되고, 상기 래버린스 실(110,210)은 제2 베어링 플레이트(100)의 베어링면 및 베어링커버(210)의 베어링면 외곽측에 배치되어 상기한 베어링부재(7A)의 양측면에 서로 대면되도록 형성된다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

도면중 미설명 부호인 MS는 고정자이다.

상기와 같은 본 발명의 베어링 구조가 구비된 터보 압축기의 일반적인 동작은 종래와 동일하다.

즉, 상기 구동모터(M)에 전원이 인가되면, 그 구동모터(M)의 가동자(MR)와 함께 구동축(7)이 레이디얼 베어링(9A,9B) 및 스러스트 베어링(10)에 의해 지지되어 회전을 하게 되고, 이와 함께 상기 구동축(7)의 양단에 고정된 제1 및 제2 임펠러(8A,8B)가 회전을 하게 되며, 상기 냉매가스는 모터 케이싱(1)을 거쳐 제1 압축실(Sc1)로 흡입되었다가 제1 임펠러(8A)에 의해 1단 압축되고, 그 1단 압축된 가압축가스는 다시 제2 압축실(Sc2)로 흡입되어 제2 임펠러(8B)에 의해 2단 압축되면서 토출된다.

이때, 상기 제2 흡입공간(Ss2)으로 모아지는 가압축가스는 대부분 제2 임펠러(8B)에 의해 제2 압축실(Sc2)로 흡입되어 압축 토출되는 반면, 가압축가스의 일부가 모터 케이싱(1)과 제2 압축실(Sc2)의 압력차에 의해 상대적으로 저압부를 이루는 모터 케이싱(1)으로 역류하게 되나, 이 역류하려는 냉매가스는 베어링커버(200)의 관통구멍과 구동축(7)의 외주면 사이의 공극(c2)를 통해 스러스트 베어링면을 통과하다가 그 스러스트 베어링면 사이에 형성되는 래버린스 실(110,210)에 의해 역류가 저지된다.

이때, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 구동축(7)의 양단에 장착된 제1 임펠러(8A) 및 제2 임펠러(8B)가 서로 다른 압력을 받아 구동축(7)이 좌우 어느 방향으로 진동을 하게 되더라도 그 구동축(7)의 베어링부재(7A)의 양측면이 이에 각각 대응되는 제2 베어링 플레이트(100)의 외측면 및 베어링커버(200)의 내측면에 모두 래버린스 실(110,210)이 형성되므로 인해 어느 한쪽의 스러스트 베어면 공극은 항상 좁아지게 되어 냉매가스의 역류가 현저하게 차단된다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 래버린스 실(110,210)이 제2 베어링 플레이트(100)의 외측면 및 베어링커버(200)의 내측면에만 형성되므로, 상기 베어링커버(200)의 관통구멍에 래버린스 실을 형성하는 것 보다 베어링커버의 두께를 얇게 할 수 있어 상기한 구동축의 길이(L')를 종래의 구동축 길이(L)보다 짧게 할 수 있고, 이를 통해 상기 구동축(7)의 위험속도(critical speed)도 낮춰 압축기의 진동/소음은 줄고 안정성은 높일 수 있다.

본 발명에 의한 터보 압축기의 가스누설 저감구조는, 구동모터의 가동자에 결합되어 회전하는 구동축의 양단에 냉매가스를 순차적으로 원심 압축하는 복수개의 임펠러를 장착하고, 상기 구동축의 일단에는 축방향 하중을 지지하도록 스러스트 베어링면을 이루는 베어링부를 구비하며, 그 베어링부와 함께 스러스트 베어링면을 이루는 양쪽 지지부의 내측면에 래버린스 실(labyrinth seal)을 각각 형성함으로써, 상기 구동축의 축방향 진동시 래버린스 실과 스러스트 베어링면의 공극이 좁아지게 되어 냉매가스의 역류가 저감되고, 상기 구동축의 축길이가 짧아져 위험속도를 낮춤으로써 압축기의 안정성이 향상된다.

Claims (2)

1. 구동모터의 가동자에 결합되어 회전하는 구동축의 양단에 냉매가스를 순차적으로 원심 압축하는 복수개의 임펠러가 장착되고, 상기 구동축의 양단에는 그 구동축을 반경방향으로 지지하도록 레이디어 베어링이 장착되며, 상기 구동축의 적어도 어느 일단에는 상기한 구동축을 축방향으로 지지하는 스러스트 베어링이 장착되어 이루어지는 터보 압축기에 있어서,

   상기 스러스트 베어링은 원판형상으로 형성하고 그 양측면에 베어링면을 형성하여 구동축의 일단에 결합하는 베어링부재와, 상기 베어링부재에 대향하도록 고정 배치하고 상기한 베어링부재의 양측면에 대향하는 면에 래버린스 실(labyrinth seal)이 각각 형성하여서 된 복수 개의 지지부재로 구성한 것을 특징으로 하는 터보 압축기의 가스누설 방지구조.
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