KR20240002788A - Turbomachinery Having A Longer Lifespan - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 터보기기, 특히 에어베어링의 마모나 피로(fatigue) 저감이 가능한 장수명 터보기기에 관한 것이다.The present invention relates to turbo machines, especially long-life turbo machines capable of reducing wear and fatigue of air bearings.
터보블로어, 터보압축기 등 로터와 유체 사이에서 에너지를 전달하는 터보기기가 알려져 있다. 터보블로어는 로터에 커플링된 임펠러의 회전력을 이용하여 공기를 고속으로 송풍한다. 터보블로어는 하수나 폐수처리장의 폭기설비, 분체 이송 등 압력 공기의 송풍이 필요한 산업 현장에서 널리 사용된다. 터보압축기는 고압의 압축공기를 생성한다.Turbo devices that transfer energy between the rotor and fluid, such as turbo blowers and turbo compressors, are known. A turbo blower blows air at high speed using the rotational force of an impeller coupled to a rotor. Turbo blowers are widely used in industrial sites that require blowing pressurized air, such as aeration facilities in sewage or wastewater treatment plants and powder transport. Turbo compressors produce high-pressure compressed air.
터보기기의 로터는 볼 베어링에 의해 접촉 지지되거나, 또는 에어베어링이나 마그네틱 베어링에 의해 비접촉 지지된다. 비접촉식 베어링은 윤활유가 필요없고 마찰 및 소음이 적어 고속 터보기기의 로터 지지에 적합하다. 에어베어링은 회전하는 로터와의 사이에 빌드 업된 공기 필름에 의해 로터를 부상시킨다. 에어베어링은 탄성의 범프포일과 범프포일을 덮은 탑포일을 갖는다.The rotor of a turbo machine is supported in contact with ball bearings, or non-contactly supported with air bearings or magnetic bearings. Non-contact bearings do not require lubricant and have low friction and noise, making them suitable for supporting the rotor of high-speed turbo machines. Air bearings levitate the rotor by an air film built up between the rotating rotor. The air bearing has an elastic bump foil and a top foil covering the bump foil.
에어베어링은 정상상태에서 고속 회전하는 동안 로터와 비접촉한다. 하지만 정지 상태에서 로터가 부양되기까지의 과정(기동 과정), 그리고 로터 부양 상태에서 정지하기까지의 과정(제동 과정)에서 문제가 발생한다. 예로서 기동 및 제동 중, 로터는 로터의 부양을 위한 임계 회전 속도 이하에서 회전하며, 이에 따라 에어베어링이 로터와 접촉하며 마모되어, 그 수명이 단축된다. 또한 운전 정지 상태에서, 에어베어링은 로터의 하중을 받아 눌려 있게 된다. 이와 같은 로터와의 접촉은 에어베어링의 마모, 피로(fatigue)를 야기하고, 결국 에어베어링을 변형 및 손상시킨다.Air bearings do not contact the rotor during high-speed rotation under normal conditions. However, problems arise in the process from a standstill to the rotor being lifted (starting process), and in the process from the rotor being lifted to a stop (braking process). For example, during starting and braking, the rotor rotates below the critical rotational speed for lifting the rotor, which causes the air bearings to contact the rotor and wear out, shortening its lifespan. Also, when the operation is stopped, the air bearing is pressed down under the load of the rotor. Such contact with the rotor causes wear and fatigue of the air bearing, and eventually deforms and damages the air bearing.
큰 변형이나 손상을 입은 에어베어링은 로터를 정상적으로 지지할 수 없다. 예로서 로터 양단의 저널 베어링들 중 어느 하나가 심하게 변형되거나 손상을 입은 경우, 로터는 이상 거동을 하고 진동을 일으키게 된다. 심한 경우 임펠러가 임펠러 하우징에 부딪혀 손상을 입을 수 있다. 에어베어링의 손상이 크거나, 또는 반복적인 기동 시도로 인해 손상이 커진 경우, 더 이상 사용하지 못할 정도로 임펠러가 크게 손상될 수 있다.Air bearings that are significantly deformed or damaged cannot support the rotor normally. For example, if one of the journal bearings on both ends of the rotor is severely deformed or damaged, the rotor will behave abnormally and cause vibration. In severe cases, the impeller may hit the impeller housing and be damaged. If the damage to the air bearing is severe, or if the damage increases due to repeated maneuvering attempts, the impeller may be damaged to the point where it can no longer be used.
임펠러나 로터의 손상을 방지하기 위해, 로터가 이상 거동을 보이는 경우 터보기기는 바로 제동 모드로 제어된다. 에어베어링은 모터의 정지없이 지속 운전될 경우 이론적으로는 반 영구적인 수명을 보유하지만, 잦은 빈도로 운전 정지가 필요한 공정에 적용될 경우 위에 언급된 마모 및 피로에 의한 수명 감소를 피할 수 없다. 윤활 및 내마모 코팅 적용 등 에어베어링의 내구성 향상 기술들이 적용되기도 하지만 한계가 있다. 고중량 로터의 경우 그 중량에 비례하여 에어베어링과의 기계적인 마찰이 더욱 크게 발생하게 되므로, 에어베어링의 수명 감소가 더욱 문제된다. 정지 및 기동이 잦은 공정에 적용되는 에어베어링은 터보기기의 수리 대상 항목들 중 높은 순위에 놓이며, 상대적으로 교체 주기도 짧다. 교체를 위해서는 공정에 적용 중인 터보기기의 정지가 필요하므로 해당 운전조건을 가진 산업현장에서는 에어베어링의 수명 연장에 대한 요구가 높다.To prevent damage to the impeller or rotor, if the rotor exhibits abnormal behavior, the turbo machine is immediately controlled to braking mode. Air bearings theoretically have a semi-permanent lifespan when operated continuously without stopping the motor, but when applied to processes that require frequent operation stops, the lifespan reduction due to wear and fatigue mentioned above cannot be avoided. Technologies to improve the durability of air bearings, such as applying lubrication and anti-wear coatings, are sometimes applied, but they have limitations. In the case of a heavy rotor, mechanical friction with the air bearing is greater in proportion to its weight, so a decrease in the lifespan of the air bearing becomes a further problem. Air bearings, which are applied to processes with frequent stops and starts, are ranked high among turbo equipment repair items and have a relatively short replacement cycle. Since replacement requires stopping the turbo equipment in the process, there is a high demand for extending the life of air bearings in industrial sites with applicable operating conditions.
수명 한계가 있는 에어베어링의 대안으로 마그네틱 베어링이 고려될 수 있다. 마그네틱 베어링은 전자기력에 의해 로터를 부양시키므로, 기동 및 제동 과정에서도 로터와의 접촉 및 마찰로 인한 손상 염려가 없다. 하지만 분당 수만회의 회전을 하는 고속 로터의 복잡하고 다이나믹한 거동을 따라 로터의 원주 방향 및 축방향 위치를 초고속으로 계측하고, 그 거동을 제어하기 위해서는 고비용의 전기, 전자, 제어 기술이 집약된 복잡한 시스템이 요구된다. 기계적이고 심플한 구조의 에어베어링에 비해, 마그네틱 베어링은 수십배의 고비용이 요구되는 방식이기 때문에 산업적인 적용 범위가 한정적이라는 단점이 있다.Magnetic bearings can be considered as an alternative to air bearings, which have limited service life. Magnetic bearings levitate the rotor by electromagnetic force, so there is no risk of damage due to contact or friction with the rotor during starting and braking. However, in order to measure the circumferential and axial positions of the rotor at ultra-high speed and control its behavior following the complex and dynamic behavior of a high-speed rotor that rotates tens of thousands of times per minute, a complex system that integrates expensive electric, electronic, and control technologies is required. This is required. Compared to air bearings, which have a mechanical and simple structure, magnetic bearings have the disadvantage of having a limited scope of industrial application because they require tens of times higher costs.
이상 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 설명된 사항들이 반드시 이 기술분야에서 이미 공공연히 알려져 있다거나 일반적인 지식에 해당한다고 인정하는 것으로 받아들여져서는 안될 것이다.The matters described above are only intended to enhance understanding of the background of the present invention, and should not necessarily be taken as an acknowledgment that the matters described are already publicly known or constitute general knowledge in this technical field.
본 발명은 위와 같은 종래기술에 대한 인식에 기초한 것으로, 에어베어링의 마모, 피로 또는 변형을 저감하거나 또는 지연할 수 있는 장수명 터보기기를 제공하고자 한다.The present invention is based on the recognition of the above prior art, and seeks to provide a long-life turbo machine that can reduce or delay wear, fatigue, or deformation of air bearings.
본 발명은 에어베어링의 교체 주기 및 수명 연장이 가능한 장수명 터보기기를 제공하고자 한다.The present invention seeks to provide a long-life turbo machine that can extend the replacement cycle and life of air bearings.
본 발명은 에어베어링의 마모나 손상 등의 저감을 통해 운전 중 안정성 및 신뢰성이 높은 장수명 터보기기를 제공하고자 한다.The present invention seeks to provide a long-life turbo machine with high stability and reliability during operation by reducing wear and damage of air bearings.
본 발명은 피로 누적 등으로 인한 에어베어링의 급작스러운 손상 발생, 이로인한 임펠러를 비롯한 로터 파트들의 손상 등을 저감할 수 있는 장수명 터보기기를 제공하고자 한다.The present invention seeks to provide a long-life turbo machine that can reduce sudden damage to air bearings due to fatigue accumulation, etc., and damage to rotor parts, including the impeller, resulting from this.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 반드시 위에 언급된 사항에 국한되지 않으며, 미처 언급되지 않은 또 다른 과제들은 이하 기재되는 사항에 의해서도 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not necessarily limited to the matters mentioned above, and other problems not yet mentioned may also be understood by the matters described below.
위 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 장수명 터보기기는 케이싱 내 설치된 로터와 스테이터, 그리고 로터의 전단에 연결된 임펠러를 구비한다.A long-life turbo machine according to the present invention to achieve the above object includes a rotor and a stator installed in a casing, and an impeller connected to the front end of the rotor.
특징적으로 본 발명에 따른 장수명 터보기기는 로터를 방사방향 지지하기 위한 전방 및 후방 베어링 하우징, 이들 베어링 하우징과 로터 사이에 에어포일 저널 베어링이 개재됨; 전방 베어링 하우징과 축방향 마주하게 배치되며, 로터로부터 방사방향 연장된 강자성의 스러스트 런너, 이 스러스트 런너와 전방 베어링 하우징 사이에 스러스트 베어링이 개재됨; 및 스러스트 런너를 위에서 잡아당겨 로터 전단부에 부양력을 제공할 수 있도록 마련된 전방 전자석을 포함한다. 전방 전자석을 이용하여 특히 중량물인 임펠러로 인해 로터 전단에서 가해지는 하중으로 인한 전방의 에어포일 저널 베어링의 마모 및 손상을 방지 또는 저감시킬 수 있다.Characteristically, the long-life turbo machine according to the present invention includes front and rear bearing housings for radially supporting the rotor, and an airfoil journal bearing is interposed between these bearing housings and the rotor; a ferromagnetic thrust runner disposed axially opposite the front bearing housing and extending radially from the rotor, with a thrust bearing interposed between the thrust runner and the front bearing housing; and a front electromagnet provided to pull the thrust runner from above and provide a lifting force to the front end of the rotor. Using a front electromagnet, it is possible to prevent or reduce wear and damage to the front airfoil journal bearing due to the load applied at the front end of the rotor, especially due to the heavy impeller.
본 발명의 실시예에 의하면, 터보기기는 상기 로터의 후단부에 마련되며, 로터 둘레를 감싸는 강자성 링; 및 강자성 링을 위에서 잡아당겨 로터 후단부에 부양력을 제공할 수 있도록 마련된 후방 전자석을 더 포함한다. 전방 전자석과 후방 전자석의 작동 제어를 통해 로터와 접촉하는 전방 및 후방의 에어포일 저널 베어링의 마모 및 손상이 방지된다.According to an embodiment of the present invention, the turbo device includes a ferromagnetic ring provided at the rear end of the rotor and surrounding the rotor; And it further includes a rear electromagnet provided to provide a lifting force to the rear end of the rotor by pulling the ferromagnetic ring from above. Control of the operation of the front and rear electromagnets prevents wear and damage to the front and rear airfoil journal bearings in contact with the rotor.
본 발명의 실시예에 의하면, 터보기기는 상기 로터의 구동을 위한 인버터 및 인버터의 제어를 위한 제어기를 포함한다. 제어기는 로터가 정지 상태일 때, 기동할 때 및 제동할 때 중 적어도 어느 하나의 경우에 전방 전자석 또는 전후방 전자석 모두를 작동시켜 로터를 부양하도록 구성된다.According to an embodiment of the present invention, a turbo machine includes an inverter for driving the rotor and a controller for controlling the inverter. The controller is configured to lift the rotor by operating the front electromagnet or both the front and rear electromagnets when the rotor is at rest, when starting, and when braking.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 전방 및 후방 전자석은 원호형의 요크; 요크 내주면으로부터 로터를 향해 연장된 레그; 및 레그에 감긴 코일을 구비한다. 요크는 케이싱에 고정되며, 전자석은 2개 이상의 파트로 구성될 수 있다. 이 전자석은 터보기기 하우징 내 좁은 공간에서 설치가 가능하다.According to an embodiment of the present invention, the front and rear electromagnets include an arc-shaped yoke; Legs extending from the inner peripheral surface of the yoke toward the rotor; and a coil wound around the leg. The yoke is fixed to the casing, and the electromagnet may be composed of two or more parts. This electromagnet can be installed in a narrow space within the turbo equipment housing.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 케이싱은 전단에 마련되며 그 전방에 임펠러 하우징을 결합하기 위한 외측 플랜지; 및 외측 플랜지 후방에 이격 배치된 내측 플랜지를 구비한다. 외측 플랜지와 내측 플랜지 사이에서 전방 전자석과 스러스트 런너가 방사방향 마주하게 배치되며, 전방 전자석의 요크가 외측 플랜지로부터 내측 플랜지 측으로 삽입된 체결부재에 의해 케이싱에 고정된다. 이에 의하면 터보기기 조립과정에 전방 전자석을 케이싱에 고정하기 편리하며, 공간 활용도가 높다.According to an embodiment of the present invention, the casing is provided at the front end and includes an outer flange for coupling the impeller housing to the front thereof; and an inner flange spaced apart from the rear of the outer flange. The front electromagnet and the thrust runner are arranged to face each other in the radial direction between the outer flange and the inner flange, and the yoke of the front electromagnet is fixed to the casing by a fastening member inserted from the outer flange to the inner flange. According to this, it is convenient to fix the front electromagnet to the casing during the turbo equipment assembly process, and space utilization is high.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 전방 베어링 하우징은 로터와 마주하는 슬리브; 및 슬리브로부터 방사방향 바깥쪽으로 연장된 라이저를 구비한다. 전방 베어링 하우징의 라이저는 스러스트 런너와 내측 플랜지 사이에 개재되며, 내측 플랜지와 라이저를 관통하여 전방 전자석을 향해 연장된 연통홀을 구비한다. 이 연통홀을 통해 냉각공기가 전방 전자석으로 유입된다.According to an embodiment of the present invention, the front bearing housing includes a sleeve facing the rotor; and a riser extending radially outward from the sleeve. The riser of the front bearing housing is interposed between the thrust runner and the inner flange, and has a communication hole extending through the inner flange and the riser toward the front electromagnet. Cooling air flows into the front electromagnet through this communication hole.
본 발명의 실시예에 의하면, 터보기기는 상기 후방 베어링 하우징의 후방에서 후방 베어링 하우징에 결합된 리어서포트를 더 구비한다. 후방 베어링 하우징은 로터와 마주하는 슬리브; 및 슬리브로부터 방사방향 바깥쪽으로 연장된 라이저를 구비한다. 후방 베어링 하우징과 리어서포트 사이에서 후방 전자석과 강자성 링이 방사방향 마주하게 배치되고, 후방 전자석의 요크가 후방 베어링 하우징의 라이저에 고정된다. 이에 의하면 터보기기 조립과정에 전방 전자석을 케이싱에 고정하기 편리하며, 공간 활용도가 높다.According to an embodiment of the present invention, the turbo machine further includes a rear support coupled to the rear bearing housing at the rear of the rear bearing housing. The rear bearing housing includes a sleeve facing the rotor; and a riser extending radially outward from the sleeve. Between the rear bearing housing and the rear support, the rear electromagnet and the ferromagnetic ring are arranged to face each other in the radial direction, and the yoke of the rear electromagnet is fixed to the riser of the rear bearing housing. According to this, it is convenient to fix the front electromagnet to the casing during the turbo equipment assembly process, and space utilization is high.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 로터 및 임펠러의 하중을 받는 에어베어링, 특히 에어포일 저널 베어링의 마모, 피로 또는 변형이 저감 또는 지연될 수 있다. 로터 정지 상태일 때, 기동할 때 및 제동할 때, 특히 에어베어링의 마모나 변형이 문제된다. 이들 상황에서 전자석을 이용하여 에어베어링의 손상을 방지 또는 저감시킬 수 있다.According to the present invention as described above, wear, fatigue, or deformation of air bearings, especially airfoil journal bearings, that are subject to the load of the rotor and impeller can be reduced or delayed. Wear and deformation of air bearings are especially problematic when the rotor is at rest, when starting, and when braking. In these situations, damage to air bearings can be prevented or reduced by using electromagnets.
본 발명에 의하면, 에어베어링의 교체 주기 및 수명 연장이 가능하다.According to the present invention, it is possible to extend the replacement cycle and lifespan of air bearings.
본 발명에 의하면, 에어베어링의 마모나 손상 등의 저감이 가능하여 터보기기 운전 중 안정성 및 신뢰성이 높다.According to the present invention, it is possible to reduce wear and damage of air bearings, thereby increasing stability and reliability during turbo machine operation.
본 발명에 의하면, 피로 누적 등으로 인한 에어베어링의 급작스러운 손상 발생과 이로인한 임펠러 손상 등을 저감할 수 있다.According to the present invention, sudden damage to air bearings due to fatigue accumulation, etc., and impeller damage resulting from this can be reduced.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보기기의 개략적인 단면을 보여준다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자석을 보여준다.
도 3은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전자석을 보여준다.
도 4는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 터보기기의 개략적인 단면을 보여준다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 터보기기의 구성부들을 보여준다.Figure 1 shows a schematic cross-section of a turbo machine according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows an electromagnet according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows an electromagnet according to another embodiment of the present invention.
Figure 4 shows a schematic cross-section of a turbo device according to another embodiment of the present invention.
Figure 5 shows the components of a turbo machine according to an embodiment of the present invention.
이하 본 발명의 여러 특징적인 측면들을 이해할 수 있도록 실시예들을 들어 보다 구체적으로 살펴본다. 도면들에서 동일 또는 동등한 구성요소들은 동일한 부호로 표시될 수 있고, 도면들은 본 발명의 특징들에 대한 직관적인 이해를 위해 과장되거나 개략적으로 도시될 수 있다.Hereinafter, we will look at examples in more detail so that we can understand various characteristic aspects of the present invention. In the drawings, identical or equivalent components may be indicated by the same symbols, and the drawings may be exaggerated or schematically shown for intuitive understanding of the features of the present invention.
본 문서에서, 별도 한정이 없거나 본질적으로 허용될 수 없는 것이 아닌 한, 두 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 표현들, 예로서 '상', '연결'과 같은 표현들은 두 요소가 서로 직접 접촉하는 것은 물론 제1 및 제2 요소의 요소 사이에 제3의 요소가 개재되는 것을 허용한다. 전후, 좌우 또는 상하 등의 방향 표시는 설명의 편의를 위한 것일 뿐이다.In this document, unless otherwise specified or inherently impermissible, expressions to describe the relationship between two elements, such as 'phase' and 'connection', refer to the two elements being in direct contact with each other. Of course, a third element is allowed to be inserted between the first and second elements. Directional indications such as front and back, left and right, or up and down are only for convenience of explanation.
도 1에 실시예에 따른 터보기기의 예로서 터보블로어의 단면이 개략적으로 도시되어 있다.1 schematically shows a cross section of a turbo blower as an example of a turbo device according to an embodiment.
도 1을 참조하면 터보블로어는 케이싱(10), 케이싱(10)에 내장된 고속 모터(21,22) 및 고속 모터(21,22) 전방의 임펠러(1)를 구비한다. 도 1에서 임펠러(1)를 둘러싼 볼루트 하우징은 생략되어 있다.Referring to FIG. 1, the turbo blower includes a
케이싱(10)은 고속 모터(21,22)를 둘러싸는 통형의 본체와 이 본체 후단에 결합된 리어커버(18)를 구비한다. 본체는 일체로 제작되거나 여러 파트의 조립체일 수 있다. 리어커버(18)에는 고속 모터(21,22)의 냉각을 위해 외부공기가 유입되는 중앙홀이 마련된다. 케이싱(10)의 다른 위치에도 고속 모터(21,22) 냉각용 외부공기의 유입홀이 마련될 수 있다.The
고속 모터(21,22)는 전후방향으로 설치된 로터(21)와 케이싱(10)에 고정된 스테이터(22)를 포함한다. 로터(21)와 스테이터(22) 사이에는 로터(21)의 회전을 허용하기 위한 갭이 마련된다. 로터(21)는 마그넷을 구비하며, 스테이터(22)는 로터(21)를 회전시키기 위한 코일(22a)을 구비한다. 스테이터(22)의 외주면에는 로터(21)의 길이방향으로 냉각유로(23)가 연장된다.The high-
로터(21)의 전단, 구체적으로는 타이볼트(27)의 전단에 임펠러(1)가 결합된다. 임펠러(1)의 회전력에 의해 외부로부터 흡입된 공기는 볼루트 하우징의 유로를 따라 흐르면서 가압되어, 외부로 고속 송풍된다. 볼루트 하우징의 중앙 전방에는 흡입되는 공기를 임펠러(1) 측으로 유도하기 위한 흡입덕트가 마련될 수 있다.The
로터(21)의 후단, 구체적으로는 로터(21) 후단의 타이볼트(27)에 냉각팬(5)이 장착된다. 냉각팬(5)은 로터(21)와 함께 회전하며, 외부공기를 케이싱(10) 내부로 유입시켜 구동 중 발생하는 고속 모터(21,22)의 열을 냉각시킨다. 냉각팬(5) 회전 시, 외부공기는 유입유로(16)를 통해 케이싱(10) 내로 유입되어 스테이터(22) 외주면의 냉각유로(23), 그리고 로터(21)와 스테이터(22) 사이의 갭으로 공급된다.The cooling
터보블로어의 에어베어링은 에어포일 저널베어링(3,4)과 스러스트 베어링(2)을 구비한다.The air bearing of the turbo blower includes airfoil journal bearings (3, 4) and thrust bearings (2).
에어포일 저널베어링(3,4)은 로터(21)의 양단부를 방사방향으로 지지한다. 스테이터(22)의 전방과 후방에는 에어포일 저널베어링(3,4)의 설치를 위한 전방 및 후방 베어링 하우징(11,13)이 마련된다. 이들 베어링 하우징(11,13)은 케이싱(10)에 고정되며, 로터(21)의 회전을 허용한다. 베어링 하우징들(11,13)과 로터(21) 사이에 에어포일 저널베어링(3,4)이 개재된다. 에어포일 저널베어링(3,4)에 의해 로터(21)의 양단부가 방사방향, 즉 로터(21)의 회전축에 수직한 방향으로 지지된다.
로터(21)의 전단부에는 로터(21)로부터 방사방향으로 연장된 원반형의 스러스트 런너(24)가 마련된다. 스러스트 런너(24)의 후방에 스러스트 런너(24)와 축방향 마주하게 전방 베어링 하우징(11)이 배치되며, 스러스트 런너(24)의 전방에 베어링 서포트(12)가 배치된다. 베어링 서포트(12)와 스러스트 런너(24) 사이, 그리고 전방 베어링 하우징(11)과 스러스트 런너(24) 사이에 각각 에어포일 스러스트 베어링(2)이 개재된다. 스러스트 베어링(2)에 의해 로터(21)가 축방향 지지된다.A disk-shaped
정상상태에서 원활히 회전하는 동안의 로터(21)는 에어베어링(2,3,4)과의 사이에 빌드업된 공기 필름에 의해 비접촉 지지된다. 하지만 고속 모터(21,22)가 정지 상태일 때, 기동 할 때 및 제동할 때의 경우, 로터(21)와 에어베어링, 특히 저널베어링(3,4) 간의 물리적인 접촉, 때로는 과격한 접촉 또는 충돌이 발생한다. 이러한 물리적 접촉에 의해 에어베어링(3,4)의 마모, 변형 등이 발생하며 그 수명이 짧아지며, 이로 인해 에어베어링(3,4)의 점검, 교체를 위한 터보기기의 점검주기가 짧아진다. 이러한 점검이 간과된 터보기기 주요 부품들의 큰 손상이 야기될 수 있다.While rotating smoothly in a normal state, the
터보블로어의 로터(21) 양단부 측에 전자석(30,40)이 설치된다. 전자석(30,40)은, 모터 정지, 기동 시 및 제동 시, 로터(21)의 하중으로 인한 에어베어링(3,4)의 손상을 방지 내지 저감한다. 전자석(30,40)은 터보블로어가 정상 운전 중인 경우에 작동될 필요가 없기에, 로터(21)의 회전 속도나 양태, 에어베어링(3,4)에 의한 부양력 등을 고려한 복잡한 알고리즘 설계나 절대적인 수치로서의 정밀 센싱 등이 요구되지 않는다.Electromagnets 30 and 40 are installed on both ends of the
위와 같이 상대적으로나 절대적으로 덜 민감하게 그리고 덜 정밀하게 작동되어도 무방하게 전자석(30,40)을 활용하는 방안이 결정되었다면, 전자석(30,40)을 어떻게 보다 비용 경제적이고 공간 효율적인 방식으로 장착할 것인가라는 문제가 남게 된다. 실시예에 따른 구체 방안이 이하 설명된다.If it has been decided to utilize the
도 1을 계속 참조하면, 로터(21)의 전단부에 전방 전자석(30)이 설치되고, 로터(21)의 후단부에 후방 전자석(40)이 설치된다. 이들 전자석(30,40)은 로터(21)를 위에서 잡아당겨(인력) 로터(21)를 부양시킬 수 있도록, 로터(21) 위에서 케이싱(10)에 고정된다.Continuing to refer to FIG. 1, a
케이싱(10)의 전단에는 방사방향 바깥쪽으로 연장되는 외측 플랜지(15) 및 외측 플랜지(15) 후방의 내측 플랜지(17)가 마련된다. 내측 플랜지(17)는 방사방향 안쪽으로 연장되며, 내측 플랜지(17)와 외측 플랜지(15)는 서로 이격되어 그 사이에 갭이 존재한다. 외측 플랜지(15)는 그 전방에 배치된 볼루트 하우징과 볼팅 체결된다.The front end of the
전방 전자석(30)은 외측 플랜지(15)와 내측 플랜지(17) 사이의 갭에 배치된다. 전방 전자석(30)은 스러스트 런너(24)의 방사방향 바깥쪽에서 스러스트 런너(24)와 마주하게 배치되며, 스러스트 런너(24)는 전방 전자석(30)으로부터의 전자기적인 인력에 의해 잡아 당겨질 수 있도록 강자성 소재로 제작된다. 강자성 소재로는 예로서 철(Fe)을 함유하는, 경제적이며 가공성 우수한 재료들 중에서 선택될 수 있다.The
전방 전자석(30)은 외측 플랜지(15)로부터 내측 플랜지(17) 측으로 삽입된 체결부재(b1)에 의해 케이싱(10)에 고정된다. 임펠러(1) 및 로터(21)가 조립되기 전, 전방 및 후방 전자석(30,40)이 케이싱(10)에 조립된다. 터보기기 조립과정에 체결부재(b1)에 의해 전방 전자석(30)이 용이하게 케이싱(10)에 조립될 수 있다.The
전방 베어링 하우징(11)과 베어링 서포트(12) 사이에 강자성 스러스트 런너(24)가 배치된다. 전방 베어링 하우징(11)은 로터(21)를 감싸는 슬리브(11a)와, 슬리브(11a)의 전단에서 슬리브(11a)로부터 방사방향 바깥쪽으로 연장되어 스러스트 런너(24)와 마주하는 라이저(11b)를 구비한다. 슬리브(11a)와 로터(21) 사이에 에어포일 저널베어링(3)이 배치되고, 라이저(11b)와 스러스트 런너(24) 사이에 에어포일 스러스트 베어링(2)이 배치된다.A ferromagnetic thrust runner (24) is disposed between the front bearing housing (11) and the bearing support (12). The
전방 베어링 하우징(11)의 라이저(11b) 상단부는 내측 플랜지(17)에 밀착 결합된다. 내측 플랜지(17)와 라이저(11b)를 관통하여 전방 전자석(30)을 향해 연장된 연통홀(7)이 마련된다. 연통홀(7)을 통해 냉각팬(5) 등을 통해 케이싱(10) 내부로 유입된 냉각공기가 전방 전자석(30)으로 공급된다.The upper end of the riser (11b) of the front bearing housing (11) is tightly coupled to the inner flange (17). A communication hole (7) extending through the inner flange (17) and the riser (11b) toward the front electromagnet (30) is provided. Cooling air flowing into the casing (10) through the communication hole (7) through the cooling fan (5) is supplied to the front electromagnet (30).
후방 베어링 하우징(13)은 로터(21)를 둘러싸는 슬리브(13a), 슬리브(13a)의 후단에서 슬리브(13a)로부터 방사방향 바깥쪽으로 연장된 라이저(13b) 및 라이저(13b)로부터 로터(21) 길이방향(전방)으로 연장된 원통형의 외측벽을 구비한다. 외측벽과 케이싱(10)과의 사이에 유입유로(16)가 마련된다. 로터(21)와 슬리브(13a) 사이에 저널 에어포일 베어링(4)이 개재된다.The
후방 베어링 하우징(13)의 후방에 리어서포트(14)가 배치된다. 후방 베어링 하우징(13)과 리어서포트(14) 사이에 장착공간(S)이 마련되며, 이 장착공간(S)에 후방 전자석(40)이 배치된다. 리어서포트(14)는 체결부재(b3)에 의해 후방 베어링 하우징(13)에 고정된다. 리어서포트(14)와 리어커버(18) 사이에 유입유로(16)가 마련된다.A
후방 전자석(40)은 후방으로부터 후방 베어링 하우징(13) 측으로 삽입된 체결부재(b2)에 의해 후방 베어링 하우징(13)에 고정된다. 후방 베어링(13)은 케이싱(10)에 고정된다. 케이싱(10)에 후방 베어링 하우징(13) 장착 후, 후방 베어링 하우징(13)에 후방 전자석(40)이 장착되며, 후방 베어링 하우징(13)에 리어서포트(14)가 고정된다.The
로터(21)의 후단부에는 로터(21) 둘레를 감싸는 강자성 링(25)이 설치된다. 후방 전자석(40)은 강자성 링(25)을 위에서 잡아당겨 로터(21) 후단부에 부양력을 제공할 수 있도록, 강자성 링(25)의 방사방향 바깥쪽에서 강자성 링(25)과 마주하게 배치된다.A
도 2 및 도 3에 실시예에 따른 전자석(30,40)이 도시되어 있다. 도 2 및 도 3은 전자석(30,40)을 로터(21)의 축방향으로 바라본 뷰이다.2 and 3
도 2 및 도 3을 참조하면, 전자석(30,40)은 원호형의 요크(31,41), 그리고 코일(33,43)이 감긴 레그(32,42)를 구비한다. 레그(32,42)는 요크(31,41)의 방사상 내측에서 로터(21) 측으로 연장(또는 방사상 중심방향, 또는 요크 곡률의 중심 방향으로 연장)된다. 요크(31,41) 상에 레그(32,42)는 복수 개 마련된다. 레그(32,42)의 선단들은 로터(21)의 둘레방향을 따라 배열되며 로터(21)와의 간격이 일정하다. 요크(31,41)는 큰 동심원의 궤적을 따라 연장되며, 레그(32,42)의 선단들은 작은 동심원의 궤적을 따라 배열된다.2 and 3, the
전자석(30,40)은 복수의 파트(도 2)로 구성되거나, 또는 일체로 구성(도 3 참조)된다.The
도 2를 참조하면, 전방 전자석(30)은 원주방향으로 배열된 2개의 전자석 파트(30a,30b)로 구성된다. 전방 전자석(30)의 요크(31)가 외측 플랜지(15)와 내측 플랜지(17) 사이의 갭에 끼워지며, 원주방향으로 배열된 체결부재(b1) 삽입용 체결홀(35)을 갖는다. 체결부재(b1)에 의해 요크(31)가 케이싱(10)에 고정된다. 요크(31)의 방사방향 내측에 레그(32)가 로터(21)의 방사상 중심, 즉 회전축 방향으로 연장된다. 레그(32)의 선단은 강자성의 스러스트 런너(24)와 마주한다. 스러스트 런너(24)는 로터(21)의 둘레를 따라 로터(21) 축에 수직한 방향으로 연장된다. 레그(32)의 선단들과 스러스트 런너(24) 간의 간격이 일정하다. 코일(33)에 전원이 인가되면, 전자기력에 의해 강자성의 스러스트 런너(24)가 전방 전자석(30)으로 이끌린다.Referring to Figure 2, the
도 3을 참조하면, 후방 전자석(40)은 일체로 구성된다. 후방 전자석(40)의 요크(41)는 후방 베어링 하우징(13)에 고정되며, 원주방향으로 배열된 체결부재(b2) 삽입용 체결홀(45)을 갖는다. 요크(41)의 방사방향 내측에 레그(42)가 로터(21)의 회전축 방향으로 연장된다. 레그(42)의 선단은 로터(21)의 둘레를 감싸는 강자성 링(25)과 마주한다. 레그(42)의 선단들과 강자성 링(25) 간의 간격이 일정하다. 코일(43)에 전원이 인가되면, 전자기력에 의해 강자성 링(25)이 후방 전자석(40)으로 이끌린다.Referring to FIG. 3, the
로터(21)의 전단에 중량물인 임펠러(1)가 결합되기에 로터(21) 전단 측의 하중이 로터(21) 후단 측의 하중보다 크다. 이는 후방의 에어포일 저널베어링(4)보다 전방의 에어포일 저널베어링(3)에 보다 큰 하중이 가해지며, 전방의 저널베어링(3)이 후방의 저널베어링(4)보다 수명이 짧을 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 전방의 저널베어링(3)과 후방의 저널베어링(4) 간 비대칭적인 수명 문제의 해소를 위해 전방 전자석(30)이 후방 전자석(40)보다 큰 인력을 제공할 수 있도록 설계된다.Since the
도 4에 또 하나의 실시예에 따른 터보기기가 도시되어 있다. 이 실시예에 따른 터보기기는 터보블로어로서 앞서 설명된 터보블로어와 대부분 동일하게 구성된다. 동일한 구성들에 대한 중복된 설명은 피한다.Figure 4 shows a turbo device according to another embodiment. The turbo device according to this embodiment is a turbo blower and is configured mostly the same as the turbo blower described above. Avoid duplicate descriptions of the same components.
도 4를 참조하면, 이 실시예의 터보블로어에서 전방 전자석(30)이 로터(21)의 전단부 측에 설치되며, 후방 전자석(40)은 설치되지 않는다. 전방 전자석(30)은 외측 플랜지(15)와 내측 플랜지(17) 사이의 갭에 끼워져 체결부재(b1)에 의해 고정된다.Referring to FIG. 4, in the turbo blower of this embodiment, the
앞서 언급되었듯이, 임펠러(1)가 연결된 로터(21)의 전단 측에서 로터(21) 후단 측에서보다 큰 하중이 가해진다. 전방 전자석(30)을 이용하여 로터(21)의 전단 측에서 전방의 에어포일 저널베어링(3)에 가해지는 과한 하중을 경감시킬 수 있고, 이를 통해 전방과 후방의 저널베어링(3,4) 간의 수명 편차가 해소될 수 있다. 전방과 후방의 저널베어링(3,4) 간의 수명 편차는 에어베어링(3,4)의 점검 및 교체 주기를 짧게 하는 요인이다. 터보블로어의 운전 정지 횟수가 많을수록 에어베어링(3,4)의 손상 가능성 및 정도가 커지므로, 위의 수명 편차 해소는 에어베어링(3,4) 및 터보기기의 수명 연장을 돕는다.As previously mentioned, a greater load is applied to the front side of the
한편, 종래에 있어 경량화를 위해 알루미늄으로 제작된 임펠러(1)가 사용되었다. 정상 운전 상태에서 회전하는 로터(21)는 공기 필름에 의해 부양되므로, 정상 운전 상태에서 에어베어링(3,4)의 손상 가능성은 크지 않다. 문제는 정지 시, 기동 시 및 제동 시인데, 이들 경우에 에어베어링(3,4)의 수명이 보장될 수 있다면, 중량이 조금 더 증가하더라도 임펠러(1)가 보다 저비용이며 가공성이 우수한 소재로 제작하는 것이 비용 경제적인 측면에서 유리하다. 종래보다 조금 더 무거운 임펠러(1)가 사용되더라도, 전방 전자석(30)을 이용하여 로터(21) 전단부를 부양시켜 전방의 에어포일 저널베어링(3)에 가해지는 과한 하중을 경감시킬 수 있고, 이를 통해 전방과 후방의 저널베어링(3,4) 간의 수명 편차가 해소될 수 있다.Meanwhile, in the past, an
리어커버(18)에는 로터(21)의 회전을 감지하기 위한 센서(19)가 설치된다. 리어커버(18)의 중앙홀을 통해 후방 타이볼트(27b)의 후단이 노출되며, 센서(19)가 후방 타이볼트(27b)의 회전상태를 측정하여 제어기로 전송한다.A sensor 19 is installed in the
도 5에는 전자석(30,40)의 제어 설명을 위한 터보기기 구성부들이 도시되어 있다. 실시예에 의하면 이 터보기기는 인버터로 구동되는 고속의 영구자석형 동기 모터(Permanent Magnet Synchronous Motor: PMSM)가 채용된 터보블로어이다.Figure 5 shows turbomachinery components for explaining the control of the
도 5를 참조하면, 터보블로어는 고속 모터(21,22)의 구동을 위한 인버터(8), 속도센서(19), 전자석(30,40) 및 이들의 제어를 위한 제어기(9)를 구비한다. 로터(21)의 회전 속도는 인버터(8)의 출력전압을 이용해서 계산될 수는 있다. 복잡한 알고리즘을 이용하는 것보다는 속도센서(19)를 이용하는 것이 간명하다.Referring to Figure 5, the turbo blower is equipped with an inverter 8 for driving high-
터보블로어 기동 신호가 수신되면, 제어기(9)는 인버터(8)를 이용하여 고속 모터(21,22)를 구동한다. 속도센서(19)는 로터(21)의 회전 수를 측정하여 제어기(9)로 전송한다. 제어기(9)는 기동 단계에서 로터(21)의 회전이 정상상태에 이르기까지 전자석(30,40)에 전원을 인가하여 로터(21)를 부양시킨다. 로터(21)의 회전 속도에 따라 부양력이 조절될 수 있다.When the turbo blower start signal is received, the controller 9 uses the inverter 8 to drive the high-
터보블로어 제동 신호가 수신되면, 제어기(9)는 인버터(8)를 이용하여 고속 모터(21,22)를 점차 감속시킨다. 속도센서(19)는 로터(21)의 회전 수를 측정하여 제어기(9)로 전송하며, 제어기(9)는 제동 단계에서 로터(21)의 회전이 정지에 이르기까지 전자석(30,40)에 전원을 인가하여 로터(21)를 부양시킨다. 로터(21)의 회전 속도에 따라 부양력이 조절될 수 있다.When the turbo blower braking signal is received, the controller 9 gradually slows down the high-
로터(21) 정지 상태에서, 에어베어링(3,4)의 변형 방지 또는 저감을 위해 제어기(9)는 전자석(30,40)에 전원 인가 상태를 유지하여 로터(21)가 부양되어 있도록 한다.When the
이상 본 발명의 실시예들이 설명되었고, 이들 실시예는 본 발명의 다양한 측면들과 특징들을 이해하는데 도움이 될 것이다. 이 실시예들에서 소개된 특징들 또는 요소들은 다양한 형태로 조합될 수 있고, 이러한 조합에 의해 본 문서에서는 미처 설명되지 못한 또 다른 실시예가 제시될 수 있다.Embodiments of the present invention have been described above, and these embodiments will be helpful in understanding various aspects and features of the present invention. The features or elements introduced in these embodiments may be combined in various forms, and such combinations may provide another embodiment that has not yet been described in this document.
보호하고자 하는 발명의 범위가 청구항들에 기재된다. 청구항에 기재된 요소는, 발명의 본질 또는 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서, 다양하게 변경 및 수정되고 등가물로 대체될 수 있다. 청구항에 기재된 도면부호들은, 만일 기재되어 있다면, 청구된 발명들이나 그 요소들에 대한 쉽고 그리고 직관적인 이해를 돕기 위한 것일 뿐 청구된 발명들의 권리범위를 한정하지 않는다.The scope of the invention sought to be protected is set forth in the claims. The elements described in the claims may be variously changed, modified, and replaced with equivalents without departing from the essence or scope of the invention. The reference numerals in the claims, if provided, are only intended to facilitate easy and intuitive understanding of the claimed inventions or their elements and do not limit the scope of the claimed inventions.
1: 임펠러
2: 에어포일 스러스트 베어링
3,4: 에어포일 저널 베어링
5: 냉각팬
10: 케이싱
11: 전방 베어링 하우징
12: 베어링 서포트
13: 후방 베어링 하우징
21: 로터
22: 스테이터
24: 스러스트 런너
25: 강자성 링
30,40: 전자석
31,41: 요크
32,42: 레그
33,43: 코일1: Impeller 2: Airfoil thrust bearing
3,4: Airfoil journal bearing 5: Cooling fan
10: Casing 11: Front bearing housing
12: Bearing support 13: Rear bearing housing
21: rotor 22: stator
24: thrust runner 25: ferromagnetic ring
30,40:
32,42:
Claims (7)
상기 로터(21)를 방사방향 지지하기 위한 전방 및 후방 베어링 하우징(11,13), 이들 베어링 하우징(11,13)과 로터(21) 사이에 에어포일 저널 베어링(3,4)이 개재됨;
상기 전방 베어링 하우징(11)과 축방향 마주하게 배치되며, 로터(21)로부터 방사방향 연장된 강자성의 스러스트 런너(24), 이 스러스트 런너(24)와 전방 베어링 하우징(11) 사이에 스러스트 베어링(2)이 개재됨; 및
상기 스러스트 런너(24)를 위에서 잡아당겨 로터(21) 전단부에 부양력을 제공할 수 있도록 마련된 전방 전자석(30)을 포함하는 터보기기.In a turbo machine including a rotor (21) and a stator (22) installed in the casing (10), and an impeller (1) axially connected to the front end of the rotor (21),
Front and rear bearing housings (11, 13) for radially supporting the rotor (21), with airfoil journal bearings (3, 4) interposed between these bearing housings (11, 13) and the rotor (21);
A ferromagnetic thrust runner 24 is disposed axially opposite the front bearing housing 11 and extends radially from the rotor 21, and a thrust bearing (24) is provided between the thrust runner 24 and the front bearing housing 11. 2) is interposed; and
A turbo machine including a front electromagnet (30) provided to pull the thrust runner (24) from above and provide a lifting force to the front end of the rotor (21).
상기 강자성 링(25)을 위에서 잡아당겨 로터(21) 후단부에 부양력을 제공할 수 있도록 마련된 후방 전자석(40)을 더 포함하는 터보기기.The method according to claim 1, comprising: a ferromagnetic ring (25) provided at the rear end of the rotor (21) and surrounding the rotor (21); and
A turbo device further comprising a rear electromagnet (40) provided to provide a lifting force to the rear end of the rotor (21) by pulling the ferromagnetic ring (25) from above.
상기 제어기(9)는 로터(21)가 정지 상태일 때, 기동할 때 및 제동할 때 중 적어도 어느 하나의 경우에 전방 전자석(30) 또는 전후방 전자석(30,40)을 작동시켜 로터(21)를 부양하도록 구성된 터보기기.The method according to claim 1 or 2, further comprising an inverter (8) for driving the rotor (21) and a controller (9) for controlling the inverter (8),
The controller 9 operates the front electromagnet 30 or the front and rear electromagnets 30 and 40 when the rotor 21 is at a standstill, at least when starting, and when braking. A turbo device configured to boost .
원호형의 요크(31);
상기 요크(31) 내주면으로부터 로터(21)를 향해 연장된 레그(32); 및
상기 레그(32)에 감긴 코일(33)을 구비하며, 요크(31)가 케이싱(10)에 고정된 터보기기.The method according to claim 1 or 2, wherein the front and rear electromagnets (30, 40) are,
arc-shaped yoke (31);
A leg 32 extending from the inner peripheral surface of the yoke 31 toward the rotor 21; and
A turbo machine comprising a coil (33) wound around the leg (32) and a yoke (31) fixed to the casing (10).
상기 외측 플랜지(15)와 내측 플랜지(17) 사이에서 전방 전자석(30)과 스러스트 런너(24)가 방사방향 마주하게 배치되며, 전방 전자석(30)의 요크(31)가 외측 플랜지(15)로부터 내측 플랜지(17) 측으로 삽입된 체결부재(b1)에 의해 케이싱(10)에 고정된 터보기기.The method according to claim 4, wherein the casing (10) is provided at the front end and includes an outer flange (15) for coupling the impeller housing to the front thereof; and an inner flange (17) spaced apart from the rear of the outer flange (15).
The front electromagnet 30 and the thrust runner 24 are arranged to face each other in the radial direction between the outer flange 15 and the inner flange 17, and the yoke 31 of the front electromagnet 30 is separated from the outer flange 15. A turbo device fixed to the casing (10) by a fastening member (b1) inserted into the inner flange (17).
상기 전방 베어링 하우징(11)의 라이저(11b)는 스러스트 런너(24)와 내측 플랜지(17) 사이에 개재되며, 내측 플랜지(17)와 라이저(11b)를 관통하여 전방 전자석(30)을 향해 연장된 연통홀(7)을 구비하는 터보기기.The method according to claim 5, wherein the front bearing housing (11) includes a sleeve (11a) facing the rotor (21); and a riser (11b) extending radially outward from the sleeve (11a),
The riser 11b of the front bearing housing 11 is interposed between the thrust runner 24 and the inner flange 17, and extends toward the front electromagnet 30 through the inner flange 17 and the riser 11b. A turbo device having a communication hole (7).
상기 후방 베어링 하우징(13)은 로터(21)와 마주하는 슬리브(13a); 및 슬리브(13a)로부터 방사방향 바깥쪽으로 연장된 라이저(13b)를 구비하며,
상기 후방 베어링 하우징(13)과 리어서포트(14) 사이에서 후방 전자석(40)과 강자성 링(25)이 방사방향 마주하게 배치되고, 후방 전자석(40)의 요크(41)가 후방 베어링 하우징(13)의 라이저(13b)에 고정된 터보기기.The method according to claim 4, further comprising a rear support (14) coupled to the housing (13) at the rear of the rear bearing housing (13),
The rear bearing housing 13 includes a sleeve 13a facing the rotor 21; and a riser (13b) extending radially outward from the sleeve (13a),
A rear electromagnet 40 and a ferromagnetic ring 25 are arranged to face each other in the radial direction between the rear bearing housing 13 and the rear support 14, and the yoke 41 of the rear electromagnet 40 is connected to the rear bearing housing 13. ) Turbo device fixed to the riser (13b).
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JP2001012385A (en) * | 1999-06-23 | 2001-01-16 | Ebara Corp | Fluid machine |
KR20140123944A (en) * | 2011-12-21 | 2014-10-23 | 비너스 시스템즈 리미티드 | Centrifugal refrigerant vapour compressors |
KR20170116417A (en) * | 2016-04-11 | 2017-10-19 | 한온시스템 주식회사 | Air foil bearing |
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