KR100414475B1 - 터보기계용로우터및그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 통상적으로 건조 상태에서, 즉 윤활유를 사용하지 않고 동작하는 변위형(displacement type) 진공 펌프 또는 압축기 등의 터보기계에 사용하는 로우터에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 로우터는, 판금 스트립이고 상기 로우터의 상기 로브의 요구되는 형상과 일치하는 외형 만곡을 갖는 쉘 부재를 구비한 로우터 쉘과, 상기 로우터를 상기 회전 샤프트에 결합하는 결합부를 포함한다.

이러한 구성에 의해, 제작공정이 단순 정밀하고, 재료비용이 비교적 저렴하여, 저 생산비용으로 고 생산성 처리가 가능하다.

Description

터보기계용 로우터 및 그 제조방법

본 발명은 통상적으로 건조 상태에서 즉 유로에 윤활유를 사용하지 않고 동작하는 변위형(displacement type) 진공 펌프 또는 압축기 등의 터보기계에 사용하는 로우터에 관한 것이고, 또한 이러한 로우터를 제조하는 방법에 관한 것이다.

변위형 진공 펌프 및 압축기의 터보기계는 각각 인볼루트 또는 사이클로이드 외형의 로브(lobe)를 갖는 한 쌍의 로우터를 포함한다. 상기 로우터들은 각 로우터의 로브가 다른 로우터의 로브와 맞물려 유체를 가압하고 이송하도록 동기하여 회전된다.

종래의 로우터는 일반적으로 일체의 중실 부품(solid part; 속이 꽉찬 부품을 뜻함)으로 만들어졌다. 이러한 중실 로우터는, 예를 들어 로우터와 회전 샤프트를 일체적 유닛으로 주조함으로써, 또는 상기 회전 샤프트 주위의 인서트 캐스팅(insert casting)에 의해, 또는 키(key)를 사용하여 고정되는 구성에 의해 중실 로우터를 회전 샤프트에 기계적으로 고정함으로써 제조된다.

그러나, 이러한 중실 로우터는 무거워서 제조와 조립공정에 있어서의 비효율성 뿐아니라 재료비가 고가화하는 결과를 초래한다. 또한, 이 로우터는 큰 관성 모멘트를 갖기 때문에, 개시 또는 정지 동작시 신속하게 가속 또는 감속될 수 없다. 또한, 회전하는 로우터가 파손되는 경우 케이싱을 손상시킬 가능성이 있으며, 상기 로우터 표면의 불균일에 기인한 동적 균형의 곤란하다는 문제가 있다.

펀칭된 판금의 성층공정을 포함한, 중공 로우터(hollow rotor)를 생산하는 기술이 개발되었으나, 이 접근법은 판금의 접착의 곤란성 때문에 생산성 문제를 발생시키고, 조립비용이 높아지는 경향이 있다. 따라서, 예를 들어 일본국 특허출원 최초공보 H7-151082호에 개시된 바와 같이, 로우터 내부에 중공 부분을 제작함으로써 중공 로우터를 생산하는 방법이 제안되었다.

그러나, 상기 로우터는 달성할 수 있는 벽 두께 감축에 있어 제한을 갖는 주조(casting)에 의해 제조되기 때문에, 상기 종래기술 H7-151082에 개시된 접근법은 중량감소에 있어 제한을 있었다. 상기 접근법은 또한 상기 주조 기술 고유의 한계 때문에 벽 두께의 균일성에 관한 다른 문제를 발생시킨다.

따라서, 터보기계에 사용하기 위한, 효율적이고 저 비용으로 제작될 수 있는, 경량이며 저 관성의 로우터를 제공할 필요와, 이러한 로우터 제작을 위한 새로운 방법이 필요되어 왔다.

본 발명의 목적은 효율적이고 경제적으로 제작될 수 있는 터보기계용 경량 로우터를 제공하는 데 있다. 상기 목적은 회전 샤프트를 갖는 터보기계에 사용하는 로브를 갖는 로우터를 통하여 달성된다. 상기 로우터는 판금 스트립(sheet stripmetal)으로 만들어진 쉘 부재(shell member)를 갖고, 상기 로우터의 로브의 요구되는 형상에 따르는 외형 만곡상태를 갖는 로우터 쉘과, 상기 회전 샤프트에 로우터를 결합하는 결합부를 포함한다.

상기와 같이 구성된 로우터에 따르면, 굽힘공정을 통하여 로우터 쉘을 형성하는 판금 스트립으로부터 로우터를 제작함으로써, 얇은 벽을 갖는 로우터는 감소된 관성 모멘트를 갖는 경량의 로우터를 제공하며, 효율적이고 경제적으로 제작될 수 있으며, 개시공정 또는 종료공정이 신속하게 실행될 수 있다.

도 1은 본 발명의 로우터의 제 1실시예의 부분 파단된 평면도,

도 2는 도 1에 도시된 로우터의 측면도,

도 3은 도 1의 평면 A-A를 통한 로우터의 단면도,

도 4a 내지 도 4e는 로우터 쉘 부재를 구부리는 단계를 도시한 도면,

도 5a 및 도 5b는 로우터 쉘을 개주(restrike)하는 방법 및 장치를 도시한 도면,

도 6은 제 1실시예의 로우터를 사용한 로터리 펌프의 정면 단면도,

도 7은 도 6의 로터리 펌프의 평면 단면도,

도 8a는 본 발명의 제 2실시예의 로우터를 도시한 도면,

도 8b는 보강판을 나타내는 도면,

도 9는 본 발명의 제 3실시예의 부분 파단된 도면,

도 10은 본 발명의 로우터의 제 4실시예의 로우터의 측면도,

도 11은 도 10의 실시예의 단면도,

도 12는 도 10의 로우터를 사용한 로터리 펌프의 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 로우터 2,12 : 로우터 쉘

3,13 : 측판 4,14 : 쉘 부재

5,15 : 이음매 부분 6 : 회전 샤프트

8 : 보강 핀 8a : 보강 판

H : 공기 구멍 T : 로브의 정점

기본적인 로우터의 한 형태는, 쉘 부재 사이에 제조된 이음매 부분이 상기 쉘 부재를 접합하는 것에 의해 형성된 로브의 정점으로부터 오프셋(offset)되어 있는 것이다. 상기 이음매 부분을 로우터의 로브의 정점에서 떨어져 있도록 배치함으로써, 표면 불규칙성에 가장 취약한 제조된 로우터의 상기 이음매는 로우터 케이싱의 내부 표면에 접촉하는 것으로부터 방지되며, 이것에 의해 그 사이의 밀봉효과를 유지하고, 로우터의 고성능을 보장한다.

본 발명의 다른 형태는 핀 또는 판 형태의 보강부재가 회전 샤프트와 로우터 쉘 사이에 배치되는 것이다. 상기 형태의 로우터에 따르면, 상기 보강부재는 상기 회전 샤프트로부터 상기 로우터 쉘의 내부 표면에까지 이르러, 조립된 로우터 쉘에 대해 내부 보강을 제공하도록 작용하며, 이리하여 로우터 동작시 상기 로우터의 비틀림의 가능성을 방지한다. 상기 보강부재는 로우터 쉘을 회전 샤프트에 결합하는 핀 또는 판 또는 적당한 리브 부재(rib member)로서 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 형태는 판금 스트립으로 만들어진 하나 또는 복수의 쉘 부재를 구부려 로우터 로브의 형상에 있어 필요한 소정의 외형으로 형성하는 단계와, 로우터 쉘을 형성하기 위하여 쉘 부재를 접촉시키고 이음매를 만드는 단계와, 결합부를 통하여 상기 로우터 쉘을 회전 샤프트에 부착시키는 단계를 포함하는 경량 로우터를 제작하는 방법이다.

상기 방법은 다수의 쉘 부재를 제작하는 프레스 형성법 등의 단순 형성법의 적용에 의해 저비용으로 효율적으로 로우터의 제작을 가능하게 한다.

다음으로, 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다. 도 1 내지 도 3은 "2-로브형" 로터리 펌프에의 사용에 적합한 본 발명의 제 1실시예의 로우터(1)를 나타낸다. 로우터(1)는, 스테인레스 스틸 스트립 등의 금속 시트 또는 평판을 인볼루트 곡선 또는 사이클로이드 곡선 등의 소정의 로브(L) 외형으로 구부림으로써 만들어지는 로우터 쉘(2)과, 로우터 쉘(2)의 개방 단부를 폐쇄시키는 한 쌍의 측판(3)을 포함한다.

로우터 쉘(2)은, 예를 들어 동일 형상의 2개의 쉘 부재(4)를 서로의 에지를 접촉시키고 용접에 의해 접촉면을 결합하여 단일체로 조립된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이음매 부분(5)은 로우터 샤프트의 축방향으로 연장하고, 로우터(1)의 로브(L)의 정점(T)으로부터 각(θ) 만큼 오프셋되어 있다. 상기 로브의 정점은 로터리 펌프의 케이싱의 내부표면 또는 다른 로우터의 표면에 작은 거리로 근접해 있고, 이것에 의해 상기 펌프의 압축 또는 방출 능력을 결정한다. 표면 불규칙성에 의해 영향받기 쉬운 쉘 부재(4)의 이음매 부분(5)을 로우터(1)의 로브의 정점으로부터 떨어지게 오프셋시킴으로써, 펌프 성능을 높게 유지하도록 견고한 밀봉효과를 유지한다.

본 실시예에 있어서, 로우터 쉘(2)은 2개의 쉘 부재(4)를 결합함으로써 만들어지기 때문에, 큰 평판 또는 시트재료를 수회에 걸쳐 구부리는 작업이 필요치 않고, 따라서 성형공정에서의 효율성과 작업의 정밀도를 높일 수 있다. 각각의 쉘 부재가 로우터의 로브와 대응하도록 형성되기 때문에, 각각의 쉘 부재(4)는 동일 형상과 크기일 수 있고, 따라서 작업공정 또는 재고관리가 단순화된다. 쉘 부재(4)는 "이분편(half-split)" 형상 이외의 임의의 로우터 형상을 가질 수 있다. 그것은 단일판 또는 다중편 형상일 수 있다.

측판(3)은 로우터 쉘(2)의 내부 외형과 매칭시킨 외부 외형을 갖도록 프레스 작업 등의 방법에 의해 만들어지고, 2개의 직선부를 갖는 가느다란 샤프트 구멍(3a)이 제공된다. 회전 샤프트(6)는 샤프트 구멍(3a)으로 삽입되고 용접 등의 접합수단에 의해 상기 직선부를 샤프트의 절단부와 접촉시킴으로써 상기 측판(3)에 견고하게 고정된다. 공기 구멍(H)이 측판(3)상에 형성되어 로우터(1)의 내부 및 외부 공간 사이의 압력차를 방지한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 일련의 보강 핀(8)이 샤프트(6)의 축방향을 따라 소정의 거리를 두고, 회전 샤프트(6)와 로우터 쉘(2) 사이에 제공된다. 보강 핀(8)은 로우터 쉘(2)의 샤프트 축에 대해 직각으로 배치된다. 보강 핀(8)의 일단은 회전 샤프트(6)에 견고하게 부착되고, 타단은 로우터 쉘(2)의 로브(L)의 정점(T)에 이르며 용접 등의 접합수단에 의해 그곳에 부착된다. 보강 핀(8)은 로우터 쉘(2)을보강하기 위하여 로우터 쉘(2)과 회전 샤프트(6)를 연결함으로써, 로우터 쉘(2)의 변형을 방지하여 펌프 성능을 유지하고 수명을 증가시킨다.

다음에, 로우터(1)의 제조방법이 상세히 설명된다. 먼저, 쉘 부재(4)의 굽힘공정이 도 4를 참조하여 설명된다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 소정의 치수를 갖는 직사각형 형상의 블랭크(blank; 9)가 프레스 작업 등의 제조 방법에 의해 마련된다. 상기 블랭크(9)의 일단은 제 1굽힘공정이 가해져 도 4b에 도시된 바와 같은 형상이 만들어지고, 그 후 타단은 도 4c에 도시된 바와 같은 제 2굽힘공정이 가해진다. 상기 단계들에 이어 도 4d에 도시된 바와 같은 쉘 부재(4)의 중간부에 대한 제 3굽힘공정이 뒤따르고, 점진적으로 쉘 부재(4)에 대한 원하는 형상을 제작하기 위하여 도 4e에 도시된 바와 같은 제 4굽힘공정이 뒤따른다.

2개의 쉘 부재(4)는 하나의 부재(4)가 다른것에 180°회전되는 방식으로 서로에 대해 접촉되고, 이음매 부분(5)은 개방 단부를 갖는 로우터 쉘(2)을 제작하기 위하여 아크 용접 등의 수단에 의해 함께 접합된다. 보강 핀(8)을 고정하는 구멍(h)는 이 단계에서 또는 이 단계 이전에 로우터 쉘(2) 상에 제조된다.

다음에, 로우터 쉘(2)은 도 5에 도시된 바와 같은 다이(20)와 펀치(21)를 사용하여 개주공정(restrike operation)을 통하여 개주된다. 다이(20)와 펀치(21)는 도 5a에 도시된 바와 같이 서로에 맞물릴 때 그 사이에 로우터(3)를 수용하도록 로우터 형상의 단면과 공간(R)을 갖는다. 펀치(21)는 말단부 쪽으로 점진적으로 좁아지는 테이퍼와, 로우터 쉘(3)의 단부표면을 가압하는 기부단부의 계단면(step face; 22)을 갖는다.

상기 개주공정에 있어서, 로우터 쉘(2)은 다이(20) 내에 놓여지고 펀치가 로우터 쉘(2) 내부의 상기 다이 속으로 하강된다. 펀치(21)는 그것의 테이퍼의 기능에 의해 로우터 쉘(2) 내로 부드럽게 삽입되고, 로우터 쉘(2)은 다이(20)에 대해 가압된다. 상기 펀치는 계단면(22)이 로우터 쉘(2)의 단부면에 접할 때까지 더욱 삽입된다. 소정의 압력이 상기 원래 형상으로의 복원을 방지하기에 충분히 높게 로우터 쉘(2)에 가해지고, 이리하여 로우터 쉘(2)에 대한 정밀한 가공을 제공한다.

측판(3)은 로우터 쉘(2)의 내부 외형에 대응하는 외부 외형과 샤프트 구멍을 갖도록 프레스 작업 등의 수단에 의해 미리 제작되고, 아크 용접 등의 수단에 의해 미리 제조된 회전 샤프트(6)의 선택된 위치에 부착된다. 다음에, 조립된 회전 샤프트(6)는 로우터 쉘(2)의 내부에 배치되어 상기 측판(3)이 로우터 쉘(2)의 개방 단부에 적절하게 끼워 맞추어진다. 로우터 쉘(2)과 측판(3)의 접촉영역은 레이저 용접 등의 수단에 의해 함께 접합된다.

그 후, 보강 핀(8)은 로우터 쉘(2) 상의 구멍(h)를 통하여 삽입되어 보강 핀(8)이 일단은 회전 샤프트(6)에 도달하고, 예를 들어 나사 결합(threading)에 의해 상기 샤프트(6)에 부착된다. 보강 핀(8)의 타단은 아크 용접 등의 접합수단에 의해 로우터 쉘(2)에 부착되어 로우터 쉘(2)을 로우터 샤프트(6)에 연결한다. 상기 공정은 다른 보강 핀(8)에 대해서도 동일하게 행해지고, 그 후 용접된 표면이 마무리된다.

도 6 및 도 7은 상술된 로우터(1)를 사용한 로터리 펌프(23)의 1실시예를 나타낸다. 로터리 펌프(23)는 기어 맞물림(25)을 통하여 동기회전하는 2개의 평행 샤프트(6)를 포함하고, 각각의 샤프트(6)는 서로에 대해 소정 각도의 위상차를 갖고 그것에 부착되는 로우터 쉘(2)을 구비한다.

상술된 로터리 펌프는 중공부(7)를 갖는 로우터(1)를 구비하여 종래의 로우터에 비해 더욱 가벼운 중량과 감소된 관성모멘트를 갖게하고, 이것은 로우터를 회전시키는 전동기 등의 구동수단이 더욱 적은 용량일 수 있다는 것과, 동작시에 신속한 개시 또는 정지가 가능하다는 것을 의미한다. 상기 측판(3) 상에 제공된 공기 구멍(H)이 로우터(1)의 내부 및 외부 공간 사이의 압력차를 상쇄하기 때문에, 로우터(1)는 펌프 동작 중 변형에 대한 어떠한 문제도 겪지 않는다.

도 8은 보강 판(8a)이 도 1의 실시예의 보강 핀(8)을 대신하여 배치된, 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 상기 보강 판은 로우터 쉘(2)의 내부 외형, 즉 측판(3)과 동일한 외형을 갖도록 형상화되고, 2개의 부분으로 분할된다. 보강 판은 샤프트(6) 상에 형성된 원주방향의 홈(26)에 끼워 맞춰짐으로써 회전 샤프트(6)에 부착된다. 보강 판(8a)은 또한 압력차를 방지하는 공기 구멍(H)을 갖는다. 안정한 구성을 위하여 레이저 용접 등의 접합수단에 의해 보강 판(8a)을 서로에 대해 또는 로우터 쉘(4)에 대해 고정시키는 것이 바람직하다.

도 9는 대형 로우터를 제작하기에 적합한 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 대용량 펌프에의 사용을 위한 대형 로우터(1)를 종래의 주조 방법에 의해 제작하는 경우, 낮은 제작효율을 야기하는 대형 주형(mold)을 제공하는 것이 필요하다. 본 실시예에 있어서, 로우터 쉘(2)은 도 4 및 도 5를 참조하여 상술된 공정에 의해 미리 단위 모듈로 조립되고, 긴 로우터 쉘(2)은 축방향의 복수의 쉘 단위(도시된실시예의 2조각)을 접합함으로써 제작된다.

본 방법에 있어서, 용접에 의해 로우터(1)를 접합하는 것이 바람직하지만, 결합부에서의 밀봉효과가 보장되는 한 필수적인 것은 아니다. 여러 가지 길이를 갖는 수개의 형태의 로우터 쉘 단위를 제공함으로써, 여러 가지 길이의 로우터(1)가 여러 가지 조합에 의해 제작될 수 있다.

도 10 내지 도 12는 본 발명의 공정에 의해 제조될 수 잇는 소위 "3-로브형" 로우터의 예시를 나타낸다.

로우터(11)는 3개의 로브를 갖는 로우터 쉘(12)과 로우터 쉘(12)의 개방 단부를 폐쇄하는 한 쌍의 측판(13)으로 구성된다. 로우터 쉘(12)은 3개의 쉘 부재(14)에 의해 구성되는데, 이들은 서로에 대해 접촉하고 이음매 부분(15)에서 함께 접합되어 3개의 로브(L)를 갖는 일체의 로우터 쉘(12)을 형성한다.

상기 제 1실시에에 유사하게, 로우터 쉘(12)의 이음매 부분(15)은 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 정점(T)로부터 각(θ) 만큼 오프셋되며, 로우터 쉘(12)은 회전 샤프트(6)를 통하여 측판(13)에 하나의 단위로서 부착되어, 로우터 쉘(12)과 회전 샤프트(6) 사이에 중공의 내부공간(17)을 제공한다.

본 실시예의 로우터(11)가 3개의 로브(L)를 갖기 때문에, 각각의 로브(L)는 회전 샤프트(6)로부터 3면의 대칭(three-fold symmetry)상태에 있는 정점(T)까지 연장된 보강 핀(8)에 의해 내부적으로 보강된다.

로우터 쉘(2)을 형성하기 위하여 굽힘공정을 통하여 판금재료로부터 로우터(11)를 제작함으로써, 얇은 벽을 갖는 로우터가 감소된 관성 모멘트의 경량로우터를 제공하기 위하여 효율적이고 경제적으로 제작될 수 있어, 개시 공정 또는 종료 공정이 신속하게 실행될 수 있도록 하는 것이 명확히 상술되어 있다.

본 발명에 따르면, 제작공정이 단순 정밀하고 재료비용이 비교적 저렴하여, 생산비가 낮아지고 생산성이 높아지는 효과를 가져온다.

로우터 쉘(2)과 측판(3)은 상업적으로 이용가능한 판금재료로 만들어지기 때문에 재료비용이 저렴하다. 또한, 생산공정이 굽힘공정 및 용접공정으로 구성되기 때문에, 제조비용이 또한 저렴하다.

이러한 기계적 생산 공정은 고정밀도의 제품을 제공할 수 있기 때문에, 이렇게 만들어진 로우터(1)는 높은 압축률을 갖는 고성능 로터리 펌프를 생산할 수 있다.

Claims (13)

1. 회전 샤프트를 갖는 터보기계에의 사용을 위한 로브를 구비한 로우터에 있어서,

   판금 스트립이고, 상기 로우터의 상기 로브의 요구되는 형상과 일치하는 외형 만곡을 갖는 쉘 부재를 갖는 로우터 쉘과;

   상기 로우터를 상기 회전 샤프트에 결합하는 결합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로우터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 로우터 쉘은 복수의 상기 쉘 부재를 가지며, 상기 각각의 쉘 부재는 상기 로우터 쉘의 외주방향으로 분할된 형상(circumferentially split shape)를 갖는 것을 특징으로 하는 로우터.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 결합부는 상기 로우터 쉘의 개방 단부를 덮는 측판을 포함하는 것을 특징으로 하는 로우터.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 측판은 공기 구멍을 갖는 것을 특징으로 하는 로우터.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 쉘 부재의 단부면을 봉합하는 하나 이상의 이음매 부분을 더욱 포함하고, 상기 이음매 부분은 상기 로우터의 상기 로브의 정점으로부터 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는 로우터.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 로우터 쉘의 내부에 배치되어, 상기 로우터 쉘을 보강하는 보강 부재를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 로우터.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 보강부재는 상기 로우터 쉘과 상기 회전 샤프트를 연결하는 핀인 것을 특징으로 하는 로우터.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 보강부재는 상기 로우터 쉘의 내부 외형에 일치하는 외부 외형을 갖는 판인 것을 특징으로 하는 로우터.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 복수의 로우터 쉘은 축방향으로 결합되는 것을 특징으로 하는 로우터.
10. 회전 샤프트를 갖는 터보기계에의 사용을 위한 로브를 구비한 로우터에 있어서,

    상기 로우터는,

    판금 스트립이고, 상기 로우터의 상기 로브의 요구되는 형상과 일치하는 외형 만곡을 갖는 쉘 부재를 갖는 로우터 쉘과;

    상기 로우터 쉘의 개방 단부를 덮는 측판을 포함하는 것을 특징으로 하는 로우터.
11. 판금 스트립으로 만들어진 하나 또는 복수의 쉘 부재를 로우터 로브의 형상의 필요한 외형과 일치하도록 굽히는 단계와;

    로우터 쉘을 형성하기 위하여 상기 쉘 부재의 단부면을 접촉시키고 이음매를 만드는 단계와;

    결합부를 통하여 상기 로우터 쉘을 회전 샤프트에 부착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로우터 제작방법.
12. 제 11항에 있어서,

    다이 내에서 상기 로우터 쉘을 가압함으로써 상기 로우터 쉘을 개주하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 로우터 제작방법.
13. 회전 샤프트에 부착된 로브를 갖는 로우터를 포함하는 로터리 펌프에 있어서,

    상기 로우터는,

    판금 스트립이고, 상기 로우터의 상기 로브의 요구되는 형상과 일치하는 외형 만곡을 갖는 쉘 부재를 갖는 로우터 쉘과;

    상기 로우터를 상기 회전 샤프트에 결합하는 결합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 펌프.

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