압신기
본 발명은 압신기에 관한 것으로, 압신기에 포일 베어링(Foil bearing)을 적용하여, 포일 베어링 및 백투백(Back-to-back) 압축기/익스팬더를 한축으로 연결하는 압신기에 관한 것이다. 일반적인 압신기('컴팬더'라고도 함)의 경우는 공정 조건, 즉 입/출구 온도, 압력 및 유량에 따라 그 압축기 및 익스팬더 단수 등을 포함한 코어부 형상 및 시스템 레이아웃이 결정되게 된다. 상기 코어부 레이아웃은 크게 2가지로 구분할 수 있다. 먼저, 압축기와 익스팬더는 한 축으로 연결하여 고속으로 회전시키는 직접 구동((Direct-Drive) 방식의 레이아웃이 있다. 또한, 압축기와 익스팬더를 직접 연결하는 하는 대신 중앙 기어(Bull Gear)와 종속 기어 (Pinion Gear)를 연결하여, 서로 다른 회전 속도를 회전하게 하는 기어 구동 방식의 레이아웃이 있다. 상기 직접 구동 방식과 기어 구동 방식 중 직접 구동 방식의 경우, 익스팬더에서 발생하는 에너지와 압축기에 소비되는 에너지의 상관 관계에 따라 축 중앙에 고속 모터(High speed Motor)나 고속 발전기를 구비하고, 축을 정상적으로 회전하기 위해서는 축을 고정부 (Casing등)에서 부상시켜야 함에 따라 베어링을 이용하게 된다. 이러한 직접 구동 방식에 적용되는 베어링 종류로는 오일 베어링, 마그네틱 베어링 및 포일 베어링 등이 있다. 특히, 직접 구동 방식에서, 액화시스템 및 분리시스템에 적용되는 익스팬더 경우 대부분 오일 베어링이나 마그네틱 베어링을 적용하고 있다. 만약, 상기 액화시스템 및 분리 시스템에 적용되는 익스팬더에 포일 베어링을 적용하게 되면, 기존 코어 및 시스템 레이아웃으로는 포일 베어링이 감당할 수 있는 하중(무게 및 파워)을 초과하여, 포일 베어링의 적용은 용이하지 않은 문제가 있다. 상기의 이유 때문에 포일 베어링 보다는 오일 베어링 및 마그네틱 베어링을 사용하지만, 오일 베어링 및 마그네틱 베어링의 적용은 하기의 제한 사항이 있다. 예를 들어, 오일 베어링 및 마그네틱 베어링 적용시에는 코어부 및 부대 설비 사이즈의 증가에 문제가 발생될 수 있다. 구체적으로, 오일 베어링 및 마그네틱 베어링의 정상 작동을 위한 공급시스템, 제어시스템 및 쿨링/히팅 시스템 등이 추가로 필요하게 되고, 이로 인해 코어부보다 부대 설비 사이즈가 증가하게 되는 문제점이 있다. 또한, 오일 베어링이나 마그네틱 베어링에서 견딜수 있는 팁 속도 제한에 의한 회전수가 제한되어 고헤드 시스템 적용시에는 임펠러 및 익스팬더 휠 크기가 제한되어 코어 사이즈가 증가할 수밖에 없다. 또한, 오일 베어링 및 마그네틱 베어링 적용에 따라 탈 설계 운용되는 문제점이 발생될 수 있다. 구체적으로 오일 베어링 및 마그네틱 베어링 적용시 축 직경 제한은 물론 베어링 팁 속도 및 제작 한계 크기 등의 제한으로 인하여 크리티컬 스피드(Critical Speed)등의 문제로 운영 가능한 회전수가 제한될 수밖에 없는 것이다. 상술하였듯이, 포일 베어링을 적용 시에는 적용 가능 하중에 제한이 발생할 수밖에 없다. 즉, 포일 베어링의 경우는 무게 및 쓰러스트(Thrus) 베어링이 견딜수 있는 축하중의 한계가 있어 파워 제한이 발생하고, 이에 따라 100kW이상의 파워가 적용되는 냉각 및 분리 공정에 사용하는데 한계가 발생할 수밖에 없다. 또한, 포일 베어링을 적용하기 위해서는 고속 회전이 필수인데, 이를 위해 로터 축의 동특성 안정성 확보가 필요할 수밖에 없다. 그러나, 로터 축의 축 동특성 (Bending mode) 안정성 확보를 위해서는 로터 길이가 확보되어야 함에 따라 고 헤드(압축비/팽창비)의 경우에는 포일 베어링의 적용이 불가능한 문제점이 있다. 띠라서, 포일 베어링 및 백투백(back-to-back) 압축기/익스팬더를 한축으로 연결하여 동특성 안정화를 구현할 수 있으며, 컴팩트한 사이즈도 구현할 수 있는 압신기의 필요성이 요구되고 있다. 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 직접 구동 방식의 익스팬더를 액화시스템 및 분리시스템에 적용하는 경우에도 에어 포일 베어링을 적용하여, 코어부 및 부대 설비 사이즈를 컴팩트하게 할 수 있으며, 동특성 안정화를 구현할 수 있는 압신기를 제공하고자 한다. 또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 에어 포일 베어링의 가스 공급용 가스와 냉각을 위한 쿨링 가스를 통합하여 공력 손실을 최소화할 수 있는 압신기를 제공하고자 한다. 본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 압신기는, 회전 가능하게 구비되는 샤프트; 상기 샤프트의 동축에 위치되며, 상기 샤프트의 일단에 장착되는 압축기; 상기 샤프트의 동축에 위치되며, 상기 샤프트의 타단으로 백투백으로 장착되는 익스팬더; 및 상기 샤프트의 회전을 지지하는 에어 포일 베어링을 포함할 수 있다. 상기 에어 포일 베어링은, 상기 샤프트의 외주면에 위치되어 상기 샤프트를 축방향으로 지지하는 포일 쓰러스트 베어링; 및 상기 샤프트를 반경 방향으로 지지하는 저널 포일 베어링을 포함할 수 있다. 상기 포일 쓰러스트 베어링의 단부는 상기 저널 포일 베어링의 단부와 서로 연결될 수 있다. 상기 샤프트의 일단은 상기 압축기의 연결을 위한 테이퍼 영역을 구비하고, 상기 샤프트의 타 일단은 상기 익스팬더와 연결을 위해 소정 위치에서 단차져 반경이 상기 익스팬더에 대응되게 구비될 수 있다. 상기 샤프트의 단차진 영역에는 상기 압축기의 임펠러와, 상기 익스팬더의 휠 사이의 압력 차이에 의한 가스 누설을 최소화하기 위해 상기 샤프트의 원주 방향을 따라 배치되는 씰(seal)을 더 포함할 수 있다. 상기 씰의 외주연에는 밀착을 위한 가압돌기부가 구비될 수 있다. 기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 압신기는 적어도 하나가 백투백 구조를 가지는 압축기와 익스팬더를 샤프트에 동축으로 연결함은 물론 이에 따른 에어 포일 베어링을 샤프트의 외주연에 축방향 및 수직한 방향으로 연결하여 샤프트의 길이를 최소화할 수 있어, 압축기와 익스팬더의 구동 시 동특성 안정화를 구현할 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 압신기는, 동특성 안정화를 통해 압축기와 익스팬더의 회전수 증가를 구현할 수 있고, 이는 상기 압축기와 상기 익스팬더의 공력부 사이즈를 최소화할 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 압신기는, 상기 에어 포일 베어링의 작동을 위한 가스 공급용 가스와 상기 에어 포일 베어링의 냉각을 위한 쿨링 가스를 통합하여 이차 유로내 유량 및 이로 인한 공력 손실을 최소화할 수 있다. 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압신기의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압신기에서, 샤프트의 단부에 실장되는 백투백 형상의 압축기 또는 익스팬더를 나타내는 도면이다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다. 그리고, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 또한 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 압신기를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대하여 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압신기(100)의 개략적인 단면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압신기(100)에서, 샤프트(110)의 단부에 실장되는 백투백 형상의 압축기(120) 또는 익스팬더(130)를 나타내는 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압신기(100)는 샤프트(110), 압축기(120), 익스팬더(130), 에어 포일 베어링(140) 및 씰(150)을 포함할 수 있다. 상기 샤프트(110)는 후술하는 압축기(120)와 익스팬더(130) 사이에 구비되어, 회전 가능하게 구비될 수 있다. 후술하나, 상기 압축기(120)와 상기 익스팬더(130)는 상기 샤프트(110)와 동축을 가지도록 상기 샤프트(110)의 일단과 타일단에 각각 실장될 수 있다. 상술하였듯이, 상기 샤프트(110)의 일단에는 상기 압축기(120)가 실장될 수 있고, 상기 샤프트(110)의 타일단에는 상기 익스팬더(130)가 실장될 수 있는데, 이들은 동축으로 연결될 수 있다. 이에, 상기 샤프트(110)는 상기 샤프트의 몸체(111)를 중심으로 샤프트(110)의 일단은 상기 압축기(120)의 연결을 위한 테이퍼진 테이퍼 영역(112)을 구비할 수 있다. 또한, 상기 샤프트(110)의 타 일단은 상기 익스팬더(130)와 연결을 위해 소정 위치에서 단차쳐 반경이 작아지는 단차 영역(113)을 구비할 수 있다. 상술하였듯이, 상기 압축기(120)는 상기 샤프트(110)와 동축을 가지며, 상기 샤프트(110)의 일단에 장착될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 압축기(120)는 백투백 구조를 가질 수 있다. 상기 익스팬더(130)는 상기 샤프트(110)와 동축을 가지며, 상기 샤프트(110)의 타일단에 장착될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 익스팬더(130)는 백투백 구조를 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 압축기(120)와 상기 익스팬더(130) 중 적어도 하나가 백투백 구조를 가지도록 구비될 수 있다. 예를 들어 상기 압축기(120)와 상기 익스팬더(130) 중 상기 압축기(120) 또는 상기 익스팬더(130) 중 하나만 백투백 구조를 가지거나, 이와달리 상기 압축기(120)와 상기 익스팬더(130) 모두 백투백 구조를 가질 수 있다. 상기 에어 포일 베어링(140)은 상기 샤프트(110)의 회전을 지지하도록 구비될 수 있다. 상기 에어 포일 베어링(140)은 포일 쓰러스트 베어링(141)과 포일 저널 베어링(142)을 포함할 수 있다. 상기 포일 쓰러스트 베어링(141)은 상기 샤프트(110)의 외주면에 위치되어 상기 샤프트(110)를 축방향으로 지지하도록 구비될 수 있다. 상기 포일 저널 베어링(142)은 상기 샤프트(110)를 반경 방향으로 지지하도록 상기 샤프트(110)의 축 방향의 수직방향으로 구비될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 포일 쓰러스트 베어링(141)의 단부는 상기 포일 저널 베어링(142)의 단부와 서로 접촉되어 연결되도록 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 포일 쓰러스트 베어링(141)과 상기 포일 저널 베어링(142)은 마치 'ㄱ'자 형상 또는 'ㄴ'자의 단면을 가지도록 구비될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 에어 포일 베어링(140)이 상기 샤프트(110)의 외주연으로 축방향 및 축의 수직한 방향으로 실장되는 것을 예를 들어 설명하나, 에어 포일 베어링(140)에 한정되는 것은 아니며, 가스 베어링으로 대체할 수 있을 것이다. 상기 씰(150)(seal)은 상기 압축기(120)의 임펠러와, 상기 익스팬더(130)의 휠 사이의 압력 차이에 의한 가스 누설을 최소화하기 위해 상기 샤프트(110)의 원주 방향을 따라 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 씰(150)은 상기 익스팬더(130) 측으로 단차진 단차 영역(113)에 배치되는 것을 예를 들어 설명할 수 있다. 상기 씰(150)의 내주면은 상기 샤프트(110)의 단차 영역(113)의 외주면에 밀착될 수 있다. 또한, 상기 씰(150)의 외주연을 따라 밀착을 위해 가압돌기부(151)가 요 형상으로 돌출될 수 있다. 또한, 도시되진 않았으나, 상기 압축기(120) 임펠러 및 익스팬더(130) 휠을 연결하기 위한 유로부가 구성될 수 있다. 또한, 상기 에어 포일 베어링(140)의 구동을 위한 가스와, 상기 에어 포일 베어링(140)의 냉각을 위한 쿨링 가스를 통합하여 운용하도록 구비될 수 있다. 상기 에어 포일 베어링(140)의 작동을 위한 가스 공급용 가스와 상기 에어 포일 베어링(140)의 냉각을 위한 쿨링 가스를 통합하여 이차 유로내 유량 및 이로 인한 공력 손실을 최소화할 수 있다. 상기의 압신기(100)의 구조를 통해 샤프트(110)의 길이를 최소화할 수 있어, 압축기(120)와 익스팬더(130)의 구동 시 동특성 안정화를 구현할 수 있게 된다. 또한, 동특성 안정화를 통해 압축기(120)와 익스팬더(130)의 회전수 증가를 구현할 수 있고, 이는 상기 압축기(120)와 상기 익스팬더(130)의 공력부 사이즈를 최소화할 수 있게 된다. 이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 100: 압신기
110: 샤프트
111: 샤프트의 몸체
112: 테이퍼 영역
113: 단차 영역
120: 압축기
130: 익스팬더
140: 에어 포일 베어링
141: 포일 쓰러스트 베어링
142: 포일 저널 베어링
150: 씰
151: 가압돌기부 본 발명은 압신기에 관한 것으로, 회전 가능하게 구비되는 샤프트, 샤프트의 동축에 위치되며, 샤프트의 일단에 장착되는 압축기, 샤프트의 동축에 위치되며, 샤프트의 타단으로 백투백으로 장착되는 익스팬더 및 샤프트의 회전을 지지하는 에어 포일 베어링을 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 압신기는, 실시예에 따라 다양하게 구현될 수 있다. 회전 가능하게 구비되는 샤프트;상기 샤프트의 동축에 위치되며, 상기 샤프트의 일단에 장착되는 압축기;상기 샤프트의 동축에 위치되며, 상기 샤프트의 타단으로 백투백으로 장착되는 익스팬더; 및 상기 샤프트의 회전을 지지하는 에어 포일 베어링을 포함하는, 압신기. 제1 항에 있어서, 상기 에어 포일 베어링은,상기 샤프트의 외주면에 위치되어 상기 샤프트를 축방향으로 지지하는 포일 쓰러스트 베어링; 및상기 샤프트를 반경 방향으로 지지하는 포일 저널 베어링을 포함하는, 압신기. 제2 항에 있어서, 상기 포일 쓰러스트 베어링의 단부는 상기 포일 저널 베어링의 단부와 서로 연결되는, 압신기. 제3 항에 있어서, 상기 샤프트의 일단은 상기 압축기의 연결을 위한 테이퍼 영역을 구비하고, 상기 샤프트의 타 일단은 상기 익스팬더와 연결을 위해 소정 위치에서 단차져 반경이 상기 익스팬더에 대응되게 구비되는,압신기. 제4 항에 있어서, 상기 샤프트의 단차진 영역에는 상기 압축기의 임펠러와, 상기 익스팬더의 휠 사이의 압력 차이에 의한 가스 누설을 최소화하기 위해 상기 샤프트의 원주 방향을 따라 배치되는 씰(seal)을 더 포함하는, 압신기. 제5 항에 있어서, 상기 씰의 외주연에는 밀착을 위한 가압돌기부가 구비되는,압신기.