KR101904679B1 - 원심 압축기 및 그것을 구비한 과급기 - Google Patents
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Abstract
임펠러(11)와, 안내통(12)과, 스크롤부(17)와, 안내통(12)을 스크롤부(17)에 장착하는 체결 볼트(14)를 구비하고, 스크롤부(17)에는, 스크롤부(17)에 형성된 와형실(17c)과 안내통(12)의 사이에 체결 볼트(14)의 축부(14b)의 선단(14c)이 체결되는 체결 구멍(17g)이 형성되어 있으며, 체결 볼트(14)는, 머리부(14a)가 안내통(12)의 흡입구(12c)측의 단부(12e)에 장착됨과 함께 축부(14b)의 선단(14c)이 체결 구멍(17g)에 체결되는 원심 압축기(10)를 제공한다.
Description
본 발명은, 원심 압축기 및 그것을 구비한 과급기에 관한 것이다.
종래, 선박 등에 이용되는 내연 기관에 공급하는 공기를 대기압 이상으로 높이는 과급기의 압축기로서, 원심 압축기가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 원심 압축기는, 로터축에 장착되는 임펠러와, 임펠러를 수용하는 안내통과, 안내통으로부터 토출되는 압축 공기가 유입되는 스크롤부를 구비하고 있다. 원심 압축기는, 취입구로부터 축선 방향으로 유입되는 공기를 압축하면서 축선 방향으로부터 경사진 방향으로 안내하여 토출구로부터 압축 공기를 토출한다.
원심 압축기에 있어서는, 고속 회전에 의한 원심력과 압축된 공기의 고온도의 영향에 의하여, 임펠러의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락하는 문제가 발생할 가능성이 있다. 특허문헌 2에는, 임펠러(컴프레서 임펠러)의 전부 또는 일부가 원심력에 의하여 외방으로 비산한 경우여도 비산한 임펠러에 의하여 윤활유가 누출되지 않도록, 윤활유를 수용하는 탱크를 보호하는 충격 흡수 격벽을 마련한 원심 압축기가 개시되어 있다.
특허문헌 2에 개시된 원심 압축기에서는, 고속 회전에 의한 원심력의 영향에 의하여 임펠러의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락하는 문제가 발생하는 경우에, 윤활유를 수용하는 탱크가 보호된다.
그러나, 임펠러의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락하여 안내통에 충돌하는 경우, 그 충격 하중이 크기 때문에 안내통을 장착 위치에 고정하는 볼트가 파단하여, 안내통이 장착 위치로부터 탈락하여, 로터축의 축선을 따라 스크롤부로부터 떨어진 방향으로 비산할 가능성이 있다. 이 경우, 안내통이 비산함으로써 원심 압축기의 일부에 간극(입구 개방)이 발생하여, 그 간극으로부터 파단 혹은 탈락한 임펠러의 전부 또는 일부(이하, 파단 부재라고 함)가 외부로 비산할 가능성이 있다.
본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 임펠러의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락함에 따라 안내통이 비산하는 문제를 억제하는 것이 가능한 원심 압축기 및 그것을 구비한 과급기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 이하의 수단을 채용한다.
본 발명의 일 양태에 관한 원심 압축기는, 로터축에 장착됨과 함께 취입구로부터 유입되는 유체를 압축하여 토출구로부터 토출하는 임펠러와, 상기 임펠러를 수용함과 함께 상기 로터축의 축선 방향으로 뻗는 안내통과, 상기 안내통보다 상기 축선 방향에 직교하는 직경 방향의 외주측에 배치됨과 함께 상기 토출구로부터 토출된 압축 유체가 유입되는 와형실(渦形室)을 형성하는 스크롤부와, 상기 안내통을 상기 스크롤부에 장착함과 함께 머리부와 축부를 갖는 체결 볼트를 구비하고, 상기 스크롤부에는, 상기 스크롤부에 형성된 상기 와형실과 상기 안내통의 사이에, 상기 체결 볼트의 상기 축부의 선단이 체결되는 체결 구멍이 형성되어 있으며, 상기 체결 볼트는, 상기 머리부가 상기 안내통의 상기 유체가 유입되는 흡입구측의 단부(端部)에 장착됨과 함께 상기 축부의 선단이 상기 체결 구멍에 체결된다.
본 발명의 일 양태에 관한 원심 압축기에 의하면, 임펠러의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락하는 경우, 파단 부재가 직경 방향으로 비산하여 안내통에 충돌한다. 파단 부재가 안내통에 충돌함으로써 안내통에 가해지는 충격력은, 직경 방향의 성분과 함께 로터축의 축선 방향의 성분을 갖는다. 충격력의 축선 방향의 성분은, 안내통을 스크롤부로부터 이간시키는 방향으로 작용한다. 안내통을 스크롤부에 장착하는 체결 볼트의 머리부는, 안내통의 흡입구측의 단부에 장착되어 있다. 이로 인하여, 안내통을 스크롤부로부터 이간시키는 방향의 충격력이 안내통의 흡입구측의 단부를 통하여 체결 볼트의 머리부에 전달된다.
체결 볼트의 축부의 선단은, 스크롤부에 형성된 체결 구멍에 체결되어 있다. 체결 볼트의 머리부가 안내통의 흡입구측의 단부에 장착되어 있기 때문에, 체결 볼트의 머리부와 축부의 선단은, 안내통의 흡입구측의 단부로부터 스크롤부에 형성된 체결 구멍까지의 길이분만큼 이간하고 있다. 이로 인하여, 체결 볼트의 머리부에 전달된 충격력은, 머리부로부터 이간된 축부의 선단에 작용한다. 그리고, 체결 볼트의 머리부와 축부의 선단에 작용하는 충격력에 의하여, 체결 볼트의 축부에 축선 방향을 따른 인장 응력이 작용한다.
체결 볼트의 축부는, 안내통의 흡입구측의 단부로부터 스크롤부에 형성된 체결 구멍까지의 길이분의 전체 길이를 갖기 때문에, 안내통으로부터의 충격력에 대하여 축부가 축선 방향으로 충분한 탄성 변형의 연신량을 확보할 수 있다. 이로 인하여, 체결 볼트는, 축부의 연신량의 2승에 비례한 충분한 탄성 에너지에 의하여 안내통의 충격력을 흡수할 수 있다. 또, 체결 볼트는, 안내통의 충격력이 탄성 한계를 초과하는 경우에는, 소성 변형함으로써 안내통의 충격력을 더욱 흡수할 수 있다. 따라서, 안내통으로부터의 충격력에 대하여 체결 볼트가 파단하여 안내통이 장착 위치로부터 탈락하는 것을 억제할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 양태의 원심 압축기에 의하면, 임펠러의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락함에 따라 안내통이 비산하는 문제를 억제할 수 있다.
상기 양태의 원심 압축기에 있어서는, 상기 토출구로부터 토출된 상기 유체를 상기 와형실로 유도함과 함께 상기 스크롤부의 상기 축선 방향의 단부에 장착되는 디퓨저부를 갖고, 상기 체결 구멍이 상기 축선 방향의 단부에 형성되어 있도록 해도 된다.
이와 같이 함으로써, 체결 볼트의 축부를, 디퓨저부가 장착되는 스크롤부의 축선 방향의 단부에 이르기까지의 충분한 길이로 할 수 있다. 이로써, 안내통으로부터의 충격력에 대하여 축부가 축선 방향으로 충분한 연신량을 확보할 수 있다.
상기 양태의 원심 압축기에 있어서는, 상기 스크롤부는, 상기 와형실을 형성하는 부분으로부터 상기 직경 방향의 내주측으로 돌출하는 돌출부를 갖고, 상기 체결 구멍이 상기 돌출부에 형성되어 있어도 된다.
돌출부를 마련함으로써, 안내통으로부터의 충격력에 대하여 축부가 축선 방향으로 충분한 연신량을 확보하면서, 스크롤부의 직경 방향의 내주측을 보강할 수 있다.
상기 양태의 원심 압축기에 있어서는, 복수의 상기 체결 볼트를 구비하고, 상기 체결 구멍은, 상기 스크롤부의 상기 축선 둘레의 복수 개소에 형성되어 있으며, 상기 복수의 체결 볼트의 각각은, 상기 머리부가 상기 안내통의 상기 흡입구측의 단부에 장착됨과 함께 상기 축부의 선단이 상기 복수의 체결 구멍의 각각에 체결되도록 해도 된다.
이와 같이 함으로써, 하류측 통부의 축선 둘레의 복수 개소에 체결 볼트가 배치되고, 복수의 체결 볼트에 의하여 하류측 통부가 둘러싸인 상태가 된다. 이로써, 파단 부재가 하류측 통부에 충돌하여 하류측 통부에 간극이 발생하고, 그 간극으로부터 파단 부재가 직경 방향으로 비산하는 경우이더라도, 파단 부재가 추가로 직경 방향으로 비산하는 것이 억제된다.
상기 중 어느 하나의 원심 압축기에 있어서, 상기 체결 볼트는, 압연 강재에 의하여 형성되어 있어도 된다.
압연 강재는 큰 소성 변형 후에 파괴에 이르는 연성(延性)을 갖기 때문에, 안내통의 충격력이 체결 볼트의 탄성 한계를 초과하는 경우이더라도, 체결 볼트의 축부를 충분히 소성 변형시켜 안내통의 충격력을 흡수할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 관한 과급기는, 상기 중 어느 하나에 기재된 원심 압축기와, 상기 축선 둘레로 회전함과 함께 상기 로터축에 연결되는 터빈을 구비한다.
본 양태에 관한 과급기에 의하면, 임펠러의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락함에 따라 안내통이 비산하는 문제를 억제할 수 있다.
본 발명에 의하면, 임펠러의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락함에 따라 안내통이 비산하는 문제를 억제하는 것이 가능한 원심 압축기 및 그것을 구비한 과급기를 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시형태의 과급기를 나타내는 종단면도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 원심 압축기의 주요부 확대도이다.
도 3은 도 1에 나타내는 안내통 및 체결 볼트의 A-A 화살표선 단면도이다.
도 4는 원심 압축기의 제조 방법의 일 공정을 나타내는 도이다.
도 5는 제2 실시형태의 원심 압축기의 주요부 확대도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 원심 압축기의 주요부 확대도이다.
도 3은 도 1에 나타내는 안내통 및 체결 볼트의 A-A 화살표선 단면도이다.
도 4는 원심 압축기의 제조 방법의 일 공정을 나타내는 도이다.
도 5는 제2 실시형태의 원심 압축기의 주요부 확대도이다.
〔제1 실시형태〕
이하, 본 발명의 제1 실시형태의 과급기에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
본 실시형태의 과급기(100)는, 선박에 이용되는 선박용 디젤 기관(내연 기관)에 공급하는 기체(예를 들면, 공기)를 일정 압력(예를 들면, 대기압) 이상으로 높여, 선박용 디젤 기관의 연소 효율을 높이는 장치이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 과급기(100)는, 원심 압축기(10)와, 터빈(20)과, 사일렌서를 구비하고 있다. 원심 압축기(10)와 터빈(20)은, 각각 로터축(30)에 연결되어 있다.
터빈(20)은, 터빈 하우징(21)과, 터빈 날개(22)와, 터빈 디스크(23)와, 터빈 노즐(24)을 구비하고 있다. 터빈 하우징(21)은, 축선(X) 둘레로 배치되는 중공(中空)의 통 형상 부재이며, 그 내부에 터빈 날개(22)와, 터빈 디스크(23)와, 터빈 노즐(24)을 수용하고 있다. 터빈 하우징(21)에는, 도 1의 우측에 나타내는 화살표를 따라 선박용 디젤 기관으로부터 배출되는 배기 가스가 유입된다.
터빈 하우징(21)에 유도된 배기 가스는, 터빈 노즐(24)을 통과하여, 터빈 날개(22)에 유도된다. 터빈 날개(22)는, 로터축(30)에 고정된 원판 형상의 터빈 디스크(23)의 외주면에 축선 둘레로 일정 간격으로 장착되어 있다. 터빈 디스크(23)에는, 정압 팽창한 배기 가스가 터빈 날개(22)를 통과함으로써 축선(X) 둘레의 회전력이 부여된다. 이 회전력은, 로터축(30)을 회전시키는 동력이 되어, 로터축(30)에 연결된 임펠러(11)를 축선(X) 둘레로 회전시킨다.
원심 압축기(10)는, 과급기(100)의 외부로부터 유입되는 기체를 압축하여, 선박용 디젤 기관을 구성하는 실린더 라이너(도시 생략)의 내부와 연통하는 소기(掃氣) 트렁크(도시 생략)에 압축한 기체(이하, 압축 기체라고 함)를 공급하는 장치이다.
도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 원심 압축기(10)는, 임펠러(11)와, 안내통(12)과, 디퓨저부(13)와, 체결 볼트(14)와, 와셔(15)와, 스크롤부(17)를 구비하고 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 임펠러(11)는, 축선(X)을 따라 뻗는 로터축(30)에 장착되어 있으며, 로터축(30)이 축선(X) 둘레로 회전함에 따라, 축선(X) 둘레로 회전한다. 임펠러(11)는, 축선(X) 둘레로 회전함으로써, 취입구(11a)로부터 유입되는 기체를 압축하여 토출구(11b)로부터 토출한다.
임펠러(11)는, 로터축(30)에 장착되는 허브(11c)와, 허브(11c)의 외주면 상에 장착되는 블레이드(11d)와, 유로(11e)를 구비한다. 임펠러(11)에는, 허브(11c)의 외주면과 안내통(12)의 내주면에 의하여 형성되는 공간이 마련되어 있으며, 이 공간이 복수 매의 블레이드(11d)에 의하여 복수의 공간으로 구획되어 있다. 그리고, 임펠러(11)는, 축선(X) 방향을 따라 취입구(11a)로부터 유입되는 기체에 직경 방향의 원심력을 부여하여 축선(X) 방향에 직교한 방향(임펠러(11)의 직경 방향)으로 토출시켜, 토출구(11b)로 토출된 압축 기체를 디퓨저부(13)에 유입시킨다.
안내통(12)은, 임펠러(11)를 수용함과 함께 로터축(30)의 축선(X) 방향을 따라 뻗는다. 안내통(12)은, 임펠러(11)와 함께, 축선(X)을 따라 취입구(11a)로부터 유입되는 기체를, 축선(X)에 직교하는 직경 방향으로 안내하여 토출구(11b)로 유도하는 유로(11e)를 형성한다.
안내통(12)은, 로터축(30)의 축선(X) 방향의 일단(一端)의 흡입구(12c)로부터 유입되는 기체를 취입구(11a)로 유도하는 흡입 유로(12d)를 형성하는 상류측 통부(12a)와 취입구(11a)로부터 유입되는 기체를 압축하여 토출구(11b)로 유도하는 유로(11e)(압축 유로)를 형성하는 하류측 통부(12b)를 일체로 형성한 부재이다.
디퓨저부(13)는, 토출구(11b)로부터 토출된 압축 기체를 와형실(17c)로 유도하는 부재이다. 디퓨저부(13)는, 디퓨저 날개(13a)와 디퓨저 디스크(13b)를 갖는다.
디퓨저 날개(13a)는, 임펠러(11)의 토출구(11b)의 하류측에 배치되는 날개형의 부재이며, 토출구(11b)로부터 와형실(17c)에 압축 기체를 유도하는 유로를 형성한다.
디퓨저 날개(13a)는, 로터축(30)과 동축에 배치되는 원환 형상의 디퓨저 디스크(13b)의 원주 방향을 따라 복수 개소에 마련되어 있다. 디퓨저 날개(13a)는, 임펠러(11)의 전체 둘레에 마련되는 압축 기체의 토출구(11b)를 둘러싸도록 마련되어 있다. 디퓨저 디스크(13b)는, 체결 볼트(도시 생략)에 의하여 내측 스크롤 케이싱(17a)의 내주측 단부(17e)에 장착되어 있다.
디퓨저부(13)는, 임펠러(11)의 토출구(11b)로부터 토출된 압축 기체의 유속을 감속시킴으로써, 압축 기체에 부여된 운동 에너지(동압)를 압력 에너지(정압)로 변환한다. 디퓨저부(13)를 통과할 때에 유속이 감속된 압축 기체는, 디퓨저부(13)와 연통된 와형실(17c)에 유입된다. 와형실(17c)에 유입된 작동 유체는, 토출 배관(도시 생략)으로 토출된다.
체결 볼트(14)는, 안내통(12)을 스크롤부(17)에 장착하는 체결구이다. 체결 볼트(14)는, 머리부(14a)와 축부(14b)를 갖는다. 축부(14b)의 선단(14c)의 외주면에는, 후술하는 내측 스크롤 케이싱(17a)의 내주측 단부(17e)(단부)에 체결되는 수나사가 형성되어 있다.
와셔(15)는, 안내통(12)의 단부(12e)와 체결 볼트(14)의 머리부(14a)의 사이에 삽입되는 환 형상 부재이다.
체결 볼트(14)에 의한 안내통(12)의 스크롤부(17)에 대한 장착에 대해서는, 추후에 설명한다.
체결 볼트(14)는, 고강도이며 높은 파단 연신을 갖는 금속 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 체결 볼트(14)를 형성하는 금속 재료가 철강 재료인 경우, SS400으로 불리는 일반 구조용 압연 강재(JIS G 3101;ASTM A283)나, SCM435 등의 크로뮴몰리브데넘강이 바람직하다. 철강 재료 이외로는 타이타늄 합금을 이용하는 것이 바람직하다.
사일렌서(16)는, 원심 압축기(10) 내에서 발생하는 소음의 레벨을 저하시키는 장치이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 사일렌서(16)는, 축선(X)에 직교하는 방향으로부터 유입되는 기체를, 안내통(12)의 흡입구(12c)에 유도하는 유로를 형성한다. 이 유로의 주위에는 소음재(16a)가 배치되어 있다. 이 소음재(16a)에 의하여, 원심 압축기(10) 내에서 발생하는 소음의 일부가 흡수되어, 소음의 레벨이 저하된다.
스크롤부(17)는, 토출구(11b)로부터 토출된 압축 기체가 유입됨과 함께, 압축 기체에 부여된 운동 에너지(동압)를 압력 에너지(정압)로 변환하는 장치이다. 스크롤부(17)는, 안내통(12)보다 축선(X) 방향에 직교하는 직경 방향의 외주측에 배치되어 있다.
도 1, 도 2에 나타내는 바와 같이, 스크롤부(17)는, 내측 스크롤 케이싱(17a)과, 외측 스크롤 케이싱(17b)을 구비한다. 내측 스크롤 케이싱(17a)에는, 외주측 단부(17d)(단부)와, 내주측 단부(17e)(단부)와, 이들을 연결하는 연결부(17f)(단부)가 마련되어 있다. 외주측 단부(17d)와 내주측 단부(17e)는, 각각 로터축(30)의 축선(X) 둘레로 뻗는 환 형상의 부재이다.
내주측 단부(17e)에는, 체결 볼트(14)의 선단(14c)이 체결되는 체결 구멍(17g)이 형성되어 있다. 체결 구멍(17g)의 내주면에는 암나사가 형성되어 있으며, 체결 볼트(14)의 선단(14c)에 형성된 수나사와 체결하도록 되어 있다.
스크롤부(17)를 구성하는 각 부는, 금속 부재에 의하여 일체로 형성되어 있다. 내측 스크롤 케이싱(17a)과 외측 스크롤 케이싱(17b)에 의하여 압축 기체가 유입되는 와형실(17c)이 형성된다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 스크롤부(17)는, 체결 볼트에 의하여 사일렌서(16)에 장착되어 있다. 스크롤부(17)는, 체결 볼트(14)를 삽입하는 관통 구멍(17i)이 형성된 단부(17h)를 구비한다.
상기 서술한 안내통(12)과 스크롤부(17)는, 복잡한 형상을 형성하기 위하여 주조에 의하여 제조된 금속 부재로 이루어진다. 이 금속 부재로서, 예를 들면, 철을 주성분으로 하고, 탄소를 2% 이상 함유하는 Fe-C계 합금인 주철이 이용된다. 주철이면 회주철 등 다양한 재료를 이용하는 것이 가능하지만, 기지(基地) 조직 중의 흑연이 구상화(球狀化)되어 있는 덕타일 주철(FCD: Ferrum Casting Ductile)을 이용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 안내통(12)의 스크롤부(17)에 대한 장착에 대하여 설명한다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 안내통(12)의 단부(12e)에는, 축선(X) 방향으로 뻗는 관통 구멍(12f)이 형성되어 있다. 또, 스크롤부(17)의 단부(17h)에는, 축선(X) 방향으로 뻗는 관통 구멍(17i)이 형성되어 있다. 또, 내측 스크롤 케이싱(17a)의 내주측 단부(17e)에는, 축선(X) 방향으로 뻗는 체결 구멍(17g)이 형성되어 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 관통 구멍(12f)과 관통 구멍(17i)과 체결 구멍(17g)은 동축에 배치되어 있다. 체결 볼트(14)는, 관통 구멍(12f) 및 관통 구멍(17i)에 축부(14b)가 삽입되어, 축부(14b)의 선단(14c)이 체결 구멍(17g)에 체결된 상태로 되어 있다. 또, 체결 볼트(14)의 머리부(14a)와 안내통(12)의 단부(12e)는, 와셔(15)를 사이에 끼운 상태로 고정되어 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 안내통(12)의 단부(12e)의 축선(X)을 따른 토출구(11b)측에는, 스크롤부(17)의 단부(17h)가 배치되어 있다. 스크롤부(17)의 단부(17h)는, 안내통(12)이 토출구(11b)측으로 이동하는 것을 규제하고 있다.
한편, 안내통(12)의 단부(12e)의 축선(X)을 따른 사일렌서(16)측에는, 체결 볼트(14)의 머리부(14a)가 배치되어 있다. 체결 볼트(14)의 머리부(14a)는, 안내통(12)이 사일렌서(16)측으로 이동하는 것을 규제하고 있다.
이와 같이, 체결 볼트(14)는, 머리부(14a)가 안내통(12)의 흡입구(12c)측의 단부(12e)에 장착됨과 함께 축부(14b)의 선단(14c)이 스크롤부(17)의 체결 구멍(17g)에 체결된다. 체결 볼트(14)를 스크롤부(17)에 체결함으로써, 안내통(12)의 축선(X) 방향의 위치가 고정된다.
도 3(도 1에 나타내는 안내통(12) 및 체결 볼트(14)의 A-A 화살표선 단면도)에 나타내는 바와 같이, 원심 압축기(10)는, 안내통(12)을 축선(X) 둘레로 둘러싸도록, 축선(X)을 중심으로 한 원주(C) 상에 배치되는 복수의 체결 볼트(14)를 구비한다. 내측 스크롤 케이싱(17a)의 내주측 단부(17e)의 축선(X) 둘레의 복수 개소(체결 볼트(14)에 대응하는 위치)에는, 복수의 체결 구멍(17g)이 형성되어 있다. 복수의 체결 볼트(14)의 각각은, 머리부(14a)가 안내통(12)의 흡입구(12c)측의 단부(12e)에 장착됨과 함께 축부(14b)의 선단(14c)이 복수의 체결 구멍(17g)의 각각에 체결된다.
도 3은, 복수의 체결 볼트(14)를 원주(C) 상의 8개소에 중심각 45°씩 균등하게 배치하는 예이다. 그 밖에도, 원주(C) 상의 12개소에 중심각 30°씩 균등하게 배치해도 된다. 또한, 다른 중심각의 각도로 원주(C) 상에 배치해도 되고, 일부의 체결 볼트를 원주(C)와는 다른 원주 상에 배치해도 된다. 혹은, 복수의 체결 볼트를 원주(C) 상에 균등하지 않은 임의의 간격으로 배치하도록 해도 된다.
다음으로, 본 실시형태의 원심 압축기의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 실시형태의 원심 압축기(10)의 제조 방법은, 이하의 공정에 의하여 원심 압축기(10)를 제조한다.
제1 공정에 있어서, 취입구(11a)로부터 유입되는 공기를 압축하여 토출구(11b)로부터 토출하는 임펠러(11)를 로터축(30)에 장착한다.
제2 공정에 있어서, 토출구(11b)로부터 토출된 압축 공기가 유입되는 와형실(17c)을 형성하는 스크롤부(17)를 장착한다.
제3 공정에 있어서, 임펠러(11)를 수용함과 함께 로터축(30)의 축선(X) 방향으로 뻗도록 안내통(12)을 장착한다. 제3 공정에 의하여, 스크롤부(17)가 안내통(12)보다 로터축(30)의 직경 방향의 외주측에 배치된다.
제4 공정에 있어서, 토출구(11b)로부터 토출된 압축 공기를 와형실(17c)로 유도함과 함께 내측 스크롤 케이싱(17a)에 있어서의 축선(X) 방향의 외주측 단부(17d), 내주측 단부(17e)에 지지되도록 디퓨저부(13)를 내측 스크롤 케이싱(17a)에 장착한다.
이상의 공정에 의하여, 본 실시형태의 원심 압축기(10)가 제조된다.
도 4는, 원심 압축기(10)의 제조 방법의 일 공정인 제3 공정을 나타내는 도이다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 안내통(12)을 장착하는 제3 공정에 있어서는, 안내통(12)의 단부(12e)의 관통 구멍(12f)에 체결 볼트(14)의 축부(14b)를 삽입한 상태로 한다. 그 후에, 축부(14b)의 선단(14c)을 스크롤부(17)의 관통 구멍(17i)에 삽입한다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에서는, 체결 볼트(14)를, 축선(X)을 중심으로 한 원주(C) 상의 복수 개소에 배치하고 있다. 이로 인하여, 복수의 체결 볼트(14)의 선단(14c)을 복수의 관통 구멍(17i)에 삽입함으로써, 안내통(12)의 중심축이 로터축(30)의 축선(X)과 일치한 상태가 유지된다.
안내통(12)에 임펠러(11)가 수용된 상태에서는, 안내통(12)의 내주면과 임펠러(11)가 근접한 상태(예를 들면, 수 mm로 근접한 상태)가 된다. 이로 인하여, 안내통(12)을 축선(X)을 따라 이동시켜 임펠러(11)를 수용하는 위치로 이동시킬 때에는, 안내통(12)의 내주면과 임펠러(11)가 접촉하지 않도록 할 필요가 있다.
본 실시형태에서는, 안내통(12)의 중심축이 로터축(30)의 축선(X)과 일치한 상태를 유지하면서 안내통(12)을 축선(X)을 따라 이동시킬 수 있기 때문에, 안내통(12)의 장착을 용이하게 행할 수 있다.
다음으로, 본 실시형태의 과급기(100)가 나타내는 작용 및 효과에 대하여 설명한다.
본 실시형태의 원심 압축기(10)에 의하면, 임펠러(11)의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락하는 경우, 파단 부재가 축선(X)에 직교하는 직경 방향으로 비산하여 안내통(12)에 충돌한다. 파단 부재가 안내통(12)에 충돌함으로써 안내통(12)에 부여되는 충격력은, 직경 방향의 성분과 함께 로터축(30)의 축선(X) 방향의 성분을 갖는다. 충격력의 축선(X) 방향의 성분은, 안내통(12)을 스크롤부(17)로부터 이간시키는 방향으로 작용한다. 안내통(12)을 스크롤부(17)에 장착하는 체결 볼트(14)의 머리부(14a)는, 안내통(12)의 흡입구(12c)측의 단부(12e)에 장착되어 있다. 이로 인하여, 안내통(12)을 스크롤부(17)로부터 이간시키는 방향의 충격력이 안내통(12)의 흡입구(12c)측의 단부(12e)를 통하여 체결 볼트(14)의 머리부(14a)에 전달된다.
체결 볼트(14)의 축부(14b)의 선단(14c)은, 안내통(12)의 하류측 통부(12b)의 외주측에 위치하는 내측 스크롤 케이싱(17a)에 형성된 체결 구멍(17g)에 체결되어 있다. 체결 볼트(14)의 머리부(14a)가 상류측 통부(12a)의 단부(12e)에 장착되어 있기 때문에, 체결 볼트(14)의 머리부(14a)와 축부(14b)의 선단(14c)은, 적어도 상류측 통부(12a)의 축선(X) 방향의 길이분만큼 이간하고 있다. 이로 인하여, 체결 볼트(14)의 머리부(14a)에 전달된 충격력은, 머리부(14a)로부터 이간된 축부(14b)의 선단(14c)에 작용한다. 그리고, 체결 볼트(14)의 머리부(14a)와 축부(14b)의 선단(14c)에 작용하는 충격력에 의하여, 체결 볼트(14)의 축부(14b)에 축선(X) 방향을 따른 인장 응력이 작용한다.
체결 볼트(14)의 축부(14b)는, 안내통(12)의 축선(X) 방향의 길이분의 전체 길이를 갖기 때문에, 안내통(12)으로부터의 충격력에 대하여 축부(14b)가 축선(X) 방향으로 충분한 탄성 변형의 연신량을 확보할 수 있다. 이로 인하여, 체결 볼트(14)는, 축부(14b)의 연신량의 2승에 비례한 충분한 탄성 에너지에 의하여 안내통(12)의 충격력을 흡수할 수 있다.
여기에서, 체결 볼트의 선단을 스크롤부(17)의 단부(17h)에 체결하도록 한 비교예를 검토한다. 본 실시형태의 체결 볼트(14)의 길이는, 예를 들면, 비교예의 체결 볼트의 길이의 10배 정도가 된다. 이 경우, 동일한 충격력이 가해진 경우, 본 실시형태의 체결 볼트(14)의 연신량은, 비교예의 체결 볼트의 10배 정도가 된다. 이로 인하여, 본 실시형태의 체결 볼트(14)가 흡수 가능한 충격력은, 비교예의 체결 볼트가 흡수 가능한 충격력에 비하여 연신량을 2승한 100배 정도가 된다.
또, 체결 볼트(14)는, 안내통(12)의 충격력이 탄성 한계를 초과하는 경우에는, 소성 변형함으로써 안내통(12)의 충격력을 더욱 흡수할 수 있다. 따라서, 안내통(12)으로부터의 충격력에 대하여 체결 볼트(14)가 파단하여 안내통(12)이 장착 위치로부터 탈락하는 것을 억제할 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태의 원심 압축기(10)에 의하면, 임펠러(11)의 전부 또는 일부가 파단 혹은 탈락함에 따라 안내통(12)이 비산하는 문제를 억제할 수 있다.
본 실시형태의 원심 압축기(10)는, 토출구(11b)로부터 토출된 압축 기체를 와형실(17c)로 유도함과 함께 내측 스크롤 케이싱(17a)의 축선(X) 방향의 내주측 단부(17e)에 장착되는 디퓨저부(13)를 갖고, 체결 구멍(17g)이 내주측 단부(17e)에 형성되어 있다.
이와 같이 함으로써, 체결 볼트(14)의 축부(14b)를, 디퓨저부(13)가 장착되는 내측 스크롤 케이싱(17a)의 축선(X) 방향의 내주측 단부(17e)에 이르기까지의 충분한 길이로 할 수 있다. 이로써, 안내통(12)으로부터의 충격력에 대하여 축부(14b)가 축선(X) 방향으로 충분한 연신량을 확보할 수 있다. 또, 체결 볼트(14)의 축부(14b)의 길이를 길게 하며, 내측 스크롤 케이싱(17a)에 체결 구멍(17g)을 마련한다는 변경점을 제외하고, 원심 압축기(10)의 다른 구성은 종래의 구성으로부터 크게 변경할 필요가 없다.
본 실시형태의 원심 압축기(10)는, 복수의 체결 볼트(14)를 구비하고, 체결 구멍(17g)은, 내측 스크롤 케이싱(17a)의 축선(X) 둘레의 복수 개소에 형성되어 있다. 또, 복수의 체결 볼트(14)의 각각은, 머리부(14a)가 안내통(12)의 흡입구(12c)측의 단부(12e)에 장착됨과 함께 축부(14b)의 선단(14c)이 복수의 체결 구멍(17g)의 각각에 체결되어 있다.
이와 같이 함으로써, 하류측 통부(12b)의 축선(X) 둘레의 복수 개소에 체결 볼트(14)가 배치되고, 복수의 체결 볼트(14)에 의하여 하류측 통부(12b)가 둘러싸인 상태가 된다. 이로써, 파단 부재가 하류측 통부(12b)에 충돌하여 하류측 통부(12b)에 간극이 발생하고, 그 간극으로부터 파단 부재가 직경 방향으로 비산하는 경우이더라도, 파단 부재가 추가로 직경 방향으로 비산하는 것이 억제된다.
본 실시형태의 원심 압축기(10)에 있어서, 체결 볼트(14)는, 고강도이며 높은 파단 연신을 갖는 금속 재료로 형성되는 것이 바람직하다.
철강 재료로 체결 볼트(14)를 형성하는 경우, 일반 구조용 압연 강재를 이용하는 것이 바람직하다. 일반 구조용 압연 강재는 크게 소성 변형한 후에 파괴에 이르는 연성을 갖는다. 이로 인하여, 안내통(12)의 충격력이 체결 볼트(14)의 탄성 한계를 초과하는 경우이더라도, 체결 볼트(14)의 축부(14b)를 충분히 소성 변형시켜 안내통(12)의 충격력을 흡수할 수 있다.
〔제2 실시형태〕
이하, 본 발명의 제2 실시형태의 과급기에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
제2 실시형태는 제1 실시형태의 변형예이며, 이하에서 특별히 설명하는 경우를 제외하고, 제1 실시형태와 동일한 것으로 하여, 설명을 생략한다.
제1 실시형태의 과급기에 있어서, 원심 압축기(10)는, 안내통(12)을 스크롤부(17)에 장착하는 체결 볼트(14)가, 안내통(12)의 축선(X) 방향의 길이분의 전체 길이를 갖는 것이었다. 그것에 비하여 제2 실시형태의 과급기에 있어서, 원심 압축기(10')는, 안내통(12)을 스크롤부(17)에 장착하는 체결 볼트(14')가, 안내통(12)의 축선(X) 방향의 길이보다 짧다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 과급기에 있어서, 원심 압축기(10')의 스크롤부(17)는, 와형실(17c)을 형성하는 부분으로부터 축선(X)에 직교하는 직경 방향의 내주측으로 돌출하는 돌출부(17j)를 갖는다. 돌출부(17j)는, 내측 스크롤 케이싱(17a)의 일부로서 주조에 의하여 일체 성형되어 있다.
돌출부(17j)는, 축선(X) 방향으로 뻗는 체결 구멍(17k)이 형성되어 있다. 체결 구멍(17k)의 내주면에는 암나사가 형성되어 있다.
체결 볼트(14')는, 안내통(12)을 스크롤부(17)에 장착하는 체결구이다. 체결 볼트(14')는, 머리부(14'a)와 축부(14'b)를 갖는다. 축부(14'b)의 선단(14'c)의 외주면에는, 내측 스크롤 케이싱(17a)의 돌출부(17j)에 형성된 체결 구멍(17k)에 체결되는 수나사가 형성되어 있다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 관통 구멍(12f)과 관통 구멍(17i)과 체결 구멍(17k)은 동축에 배치되어 있다. 체결 볼트(14')는, 관통 구멍(12f) 및 관통 구멍(17i)에 축부(14'b)가 삽입되어, 축부(14'b)의 선단(14'c)이 체결 구멍(17k)에 체결된 상태로 되어 있다. 또, 체결 볼트(14')의 머리부(14'a)와 안내통(12)의 단부(12e)는, 와셔(15)를 사이에 끼운 상태로 고정되어 있다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 안내통(12)의 단부(12e)의 축선(X)을 따른 토출구(11b)측에는, 스크롤부(17)의 단부(17h)가 배치되어 있다. 스크롤부(17)의 단부(17h)는, 안내통(12)이 토출구(11b)측으로 이동하는 것을 규제하고 있다.
한편, 안내통(12)의 단부(12e)의 축선(X)을 따른 사일렌서(16)측에는, 체결 볼트(14')의 머리부(14'a)가 배치되어 있다. 체결 볼트(14')의 머리부(14'a)는, 안내통(12)이 사일렌서(16)측으로 이동하는 것을 규제하고 있다.
이와 같이, 체결 볼트(14')는, 머리부(14'a)가 안내통(12)의 흡입구(12c)측의 단부(12e)에 장착됨과 함께 축부(14'b)의 선단(14'c)이 스크롤부(17)의 체결 구멍(17k)에 체결된다. 체결 볼트(14')를 스크롤부(17)에 체결함으로써, 안내통(12)의 축선(X) 방향의 위치가 고정된다.
본 실시형태에 있어서는, 제1 실시형태와 마찬가지로, 원심 압축기(10')가, 안내통(12)을 축선(X) 둘레로 둘러싸도록, 축선(X)을 중심으로 한 원주(C) 상에 배치되는 복수의 체결 볼트(14')를 구비한다.
돌출부(17j)는, 복수의 체결 볼트(14')의 각각이 배치되는 복수 개소에 각각 마련하도록 하면 된다. 또, 축선(X) 둘레로 끊어짐 없이 뻗도록 원환 형상으로 형성해도 된다.
돌출부(17j)의 축선(X) 방향의 위치는, 안내통(12)의 하류측 통부(12b)의 외주측의 임의의 위치로 할 수 있다. 이 임의의 위치는, 임펠러(11)의 축선(X) 방향 길이의 범위로 되고 있다. 하류측 통부(12b)의 외주측에 돌출부(17j)를 배치함으로써, 직경 방향으로 비산하는 파단 부재가 안내통(12)을 파괴하는 경우에, 체결 볼트(14')에 의하여 파단 부재가 추가로 외부로 비산하는 것을 억제할 수 있다.
이상 설명한 본 실시형태의 원심 압축기(10')에 있어서, 내측 스크롤 케이싱(17a)은, 와형실(17c)을 형성하는 부분으로부터 직경 방향의 내주측으로 돌출하는 돌출부(17j)를 갖고, 체결 구멍(17k)이 돌출부(17j)에 형성되어 있다.
돌출부(17j)를 마련함으로써, 안내통(12)으로부터의 충격력에 대하여 축부(14'b)가 축선(X) 방향으로 충분한 연신량을 확보하면서, 내측 스크롤 케이싱(17a)의 직경 방향의 내주측을 보강할 수 있다. 특히, 돌출부(17j)를 축선(X) 둘레로 끊어짐 없이 뻗도록 원환 형상으로 형성하는 경우, 내측 스크롤 케이싱(17a)의 직경 방향의 내주측을 충분히 보강할 수 있다.
10, 10' 원심 압축기
11 임펠러
11a 취입구
11b 토출구
11e 유로(압축 유로)
12 안내통
12a 상류측 통부
12b 하류측 통부
12c 흡입구
12d 흡입 유로
12e 단부
13 디퓨저부
14, 14' 체결 볼트
14a, 14'a 머리부
14b, 14'b 축부
14c, 14'c 선단
15 와셔
17 스크롤부
17a 내측 스크롤 케이싱
17b 외측 스크롤 케이싱
17c 와형실
17d 외주측 단부
17e 내주측 단부
17f 연결부
17g 체결 구멍
17h 단부
17j 돌출부
17k 체결 구멍
30 로터축
100 과급기
X 축선
11 임펠러
11a 취입구
11b 토출구
11e 유로(압축 유로)
12 안내통
12a 상류측 통부
12b 하류측 통부
12c 흡입구
12d 흡입 유로
12e 단부
13 디퓨저부
14, 14' 체결 볼트
14a, 14'a 머리부
14b, 14'b 축부
14c, 14'c 선단
15 와셔
17 스크롤부
17a 내측 스크롤 케이싱
17b 외측 스크롤 케이싱
17c 와형실
17d 외주측 단부
17e 내주측 단부
17f 연결부
17g 체결 구멍
17h 단부
17j 돌출부
17k 체결 구멍
30 로터축
100 과급기
X 축선
Claims (6)
- 로터축에 장착됨과 함께 취입구로부터 유입되는 유체를 압축하여 토출구로부터 토출하는 임펠러와,
상기 임펠러를 수용함과 함께 상기 로터축의 축선 방향으로 뻗음과 함께 상기 유체를 흡입하는 흡입구가 마련된 안내통과,
상기 안내통보다 상기 축선 방향에 직교하는 직경 방향의 외주측에 배치됨과 함께 상기 토출구로부터 토출된 압축 유체가 유입되는 와형실을 형성하는 스크롤부와,
상기 안내통을 상기 스크롤부에 장착함과 함께 머리부와 축부를 구비하는 체결 볼트를 구비하고,
상기 스크롤부는, 상기 토출구측에 마련된 내주측 단부와, 상기 내주측 단부와 상기 축선 방향으로 이간하여, 상기 흡입구측에 마련된 흡입구측 단부를 구비하며,
상기 내주측 단부에는, 상기 체결 볼트의 상기 축부의 선단이 체결되는 체결 구멍이 형성되고
상기 흡입구측 단부에는, 상기 체결 볼트의 상기 축부가 삽입되는 관통 구멍이 형성되어 있으며,
상기 체결 볼트는, 상기 머리부가 상기 안내통의 상기 유체를 흡입하는 흡입구측의 상기 흡입구측 단부에 장착됨과 함께 상기 축부의 선단이 상기 내주측 단부의 상기 체결 구멍에 체결되는 원심 압축기. - 청구항 1에 있어서,
상기 토출구로부터 토출된 상기 유체를 상기 와형실로 유도함과 함께 상기 스크롤부의 상기 내주측 단부에 장착되는 디퓨저부를 구비하는 원심 압축기. - 청구항 1에 있어서,
상기 스크롤부는, 상기 와형실을 형성하는 부분으로부터 상기 직경 방향의 내주측으로 돌출하는 돌출부를 갖고,
상기 체결 구멍이 상기 돌출부에 형성되어 있는 원심 압축기. - 청구항 1에 있어서,
복수의 상기 체결 볼트를 구비하고,
상기 체결 구멍은, 상기 내주측 단부의 상기 축선 둘레의 복수 개소에 형성되어 있으며,
상기 복수의 체결 볼트의 각각은, 상기 머리부가 상기 안내통의 상기 흡입구측 단부에 장착됨과 함께 상기 축부의 선단이 상기 복수의 체결 구멍의 각각에 체결되는 원심 압축기. - 청구항 1 에 있어서,
상기 체결 볼트는, 압연 강재에 의하여 형성되어 있는 원심 압축기. - 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 원심 압축기와,
상기 축선 둘레로 회전함과 함께 상기 로터축에 연결되는 터빈을 구비하는 과급기.
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