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KR101407757B1 - 회전축과 고정 쉘 사이의 누설 감소용 축 시일 - Google Patents

회전축과 고정 쉘 사이의 누설 감소용 축 시일 Download PDF

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KR101407757B1
KR101407757B1 KR1020070080635A KR20070080635A KR101407757B1 KR 101407757 B1 KR101407757 B1 KR 101407757B1 KR 1020070080635 A KR1020070080635 A KR 1020070080635A KR 20070080635 A KR20070080635 A KR 20070080635A KR 101407757 B1 KR101407757 B1 KR 101407757B1
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

축 시일(10)은 회전축(12)과 고정 쉘(15) 사이의 누설을 감소시키는 역할을 한다. 축 시일은 각각 기저부 및 선단부를 갖는 다수의 순응형 플레이트 부재(16)를 포함한다. 순응형 플레이트 부재는 대면 관계로 그 기저부에서 고정 쉘에 고정된다. 순응형 플레이트 부재의 선단부는 고정 쉘과 회전축 사이의 밀봉 링을 형성한다. 축방향 유동 저항 부재(17)는 상기 순응형 플레이트 부재 내에 배치되고, 순응형 플레이트 부재 사이에서 축방향 누설 유동에 대한 장벽으로서 작용한다.

Description

회전축과 고정 쉘 사이의 누설 감소용 축 시일{COMPLIANT PLATE SEALS FOR TURBOMACHINERY}
본 발명은 회전 부품과 고정 부품 사이의 밀봉 구조체에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 래버린스 밀봉부의 특징을 추가로 사용하는 순응형 플레이트 시일 장치(compliant plate seal arrangement)에 관한 것이다.
로터(예를 들어, 회전축)와 스테이터(예를 들어, 고정 쉘 또는 케이싱) 사이의 동적 밀봉은 터보 기계류에 있어 중요한 관심사이다. 밀봉에 대한 여러 방법들이 과거에 제시되어 왔다. 특히, 가요성 부재를 기초로 한 밀봉은 리프 시일(leaf seal), 브러시 시일, 핑거 시일, 심 시일(shim seal) 등으로 기술되는 시일을 포함하여 사용되어 왔다.
브러시 시일은 엇갈린 배열로 인해 누설 방지에 효율적인 대체로 원통형의 조밀하게 밀착된 강모로 이루어진다. 강모는 정상 상태 작동 동안 조밀한 유극을 유지하는 반면, 로터 왕복 운동의 경우에 경로를 벗어나 이동하는 것이 허용되는 낮은 방사상 강성을 갖는다. 그러나 브러시 시일은 상기 시일에 걸쳐 소정의 압력 차이에 한해서 효율적이다. 강모의 대체로 원통형인 기하형상으로 인해, 브러시 시일은 축방향으로 낮은 강성을 갖는 경향이 있으며, 이러한 강성은 작동 가능한 최대 압력차를 대체로 1000psi 미만으로 한정한다.
이러한 문제를 극복하기 위해, 높은 축방향 강성을 구비하여 큰 압력 차이를 다룰 수 있는 능력을 갖는 플레이트형 기하형상을 포함하는 리프 시일이 제시되어 왔다(전형적인 종래의 리프 시일이 도 1의 좌측에 도시됨). 그러나 리프 시일 형상으로 인해 축방향 누설이 문제로 되었다. 즉, 만약 리프부가 로터에 근접하여 조밀 배열되면, 시일이 만곡됨으로 인해 리프부 기저부에 간극이 발생할 것이며, 이러한 간극은 잠재적으로 누설을 유발하고, 이어서 시일의 효용성을 상쇄시키게 된다.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 축 시일은 회전축과 고정 쉘 사이의 누설을 감소시킨다. 축 시일은 대면 관계로 고정 쉘에 부착되는 복수의 순응형 플레이트 부재를 포함하며, 상기 순응형 플레이트 부재는 고정 쉘과 회전축 사이에서 밀봉 링을 형성한다. 순응형 플레이트 부재 각각은 내부에 적어도 하나의 슬롯을 포함한다. 또한, 축 시일은, 고정 쉘에 부착되고 순응형 플레이트 부재의 적어도 하나의 슬롯 내로 반경방향으로 연장하는 적어도 하나의 고정 링을 포함한다.
본 발명의 또 다른 전형적인 실시예에서, 축 시일은 각각이 기저부 및 선단부를 갖는 복수의 순응형 플레이트 부재를 포함하며, 상기 순응형 플레이트 부재는 대면 관계로 그들의 기저부에서 고정 쉘에 고정된다. 순응형 플레이트 부재의 선단부는 회전축을 중심으로 원주방향으로 배열된다. 축방향 유동 저항 부재는 순응형 플레이트 부재 내부에 배치되고, 상기 순응형 플레이트 부재 사이의 축방향 누설 유동에 대한 장벽으로서 작용한다.
본 발명의 또 다른 전형적인 실시예에서, 축 시일은 대면 관계로 스테이터에 부착되는 복수의 순응형 플레이트 부재를 포함하며, 상기 순응형 플레이트 부재는 로터와 스테이터 사이에서 밀봉 링을 형성한다. 순응형 플레이트 부재 각각은 내부에 다양한 길이의 복수의 슬롯을 포함한다. 대응하는 복수의 고정 링이 스테이터에 부착되고, 각각 순응형 플레이트 부재 내의 복수의 슬롯으로 반경방향으로 연장한다. 복수의 고정 링은 다양한 길이의 슬롯에 대응하여 다양한 반경방향 길이를 가지며, 순응형 플레이트 부재 사이에서 축방향 누설 유동에 대한 장벽으로서 작용한다.
본원에 개시된 개선된 순응형 플레이트 시일(compliant plate seal)은 래버린스 시일의 특징을 포함하는 기하형상을 적용함으로써, 종래의 리프 시일(leaf seal)에서 볼 수 있던 전술된 축방향 누설을 저감한 구조체를 얻게 된다. 전술한 바와 같이, 리프 시일에 있어서, 종래의 리프부는 그 선단부에서 조밀하게, 그 기저부에서 느슨하게 배치되기 때문에, 리프부 다발로 진입하는 축방향 누설은 반경방향 외측 및 이에 따라 축방향으로 유동/확장하며, 상기 누설이 리프부 다발을 벗어남에 따라 결국에는 수렴하는 경향을 보인다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 축 시일(10)은 터빈 고정 쉘과 같은 스테이터(15)에 부착되는 하우징(14)과, 회전축과 같은 로터(12) 사이에서의 축방향 누설을 줄이는 역할을 한다. 축 시일(10)은 대면 관계(즉, 면 대 면)로 그 기저부에서 하우징(14)에 고정되는 복수의 순응형 플레이트 부재(16)가 제공된다. 순응형 플레이트 부재(16)는 하우징(14)과 로터(12) 사이에 밀봉 링을 형성한다.
축방향 유동 저항 부재(17)는 순응형 플레이트 부재(16) 내에 배치되어, 상기 순응형 플레이트 부재(16) 사이에서 축방향 누설 유동에 대한 장벽으로서의 역할을 한다. 바람직한 배열체에서, 축방향 유동 저항 부재(17)는, 하우징(14)에 부착되고 순응형 플레이트 부재(16) 내의 대응하는 적어도 하나의 원주방향 슬롯(20) 내로 반경방향으로 연장하는 적어도 하나의 링(18)을 포함한다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 순응형 플레이트 부재(16) 각각은 바람직하게는 다양한 반경방향 길이일 수 있는 복수의 슬롯(20)을 포함하고, 축방향 유동 저항 부재(17)는 이에 각각 대응하는 반경방향 길이의 대응 복수의 링(18)을 포함한다. 비록, 도 1에 3개의 링과 슬롯이 도시되어 있지만, 이러한 도시는 예시적인 것이며, 본 발명은 여기게 한정되는 것은 아니다. 보다 넓은 관점에서, 일부 적용분야에 있어서, 상기 원주방향 슬롯(20) 중 인접하는 슬롯들은 상이한 반경방향 길이를 포함하고, 이때 고정 링(18)은 상기 원주방향 슬롯(20) 내로 반경방향으로 연장한다.
비록, 예시된 슬롯(20)이 직사각형으로 도시되어 있지만, 당업자는 다른 형상의 슬롯이 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 슬롯(20)은 상이한 폭 및 다양한 길이로 형성될 수도 있다. 또한, 도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이 T-형상, 사다리꼴 형상 등과 같은 다른 순응형 플레이트 형상이 적합할 수도 있다.
링(18)에 의해 누설 유동은 보다 꾸불꾸불한 경로를 따르게 되어 상기 누설 유동에 대한 저항이 증가된다. 따라서, 이러한 구성은 순응형 플레이트 시일 내에서 래버린스 시일을 모방한다. 리프부는 밀봉 기능에 있어 중요한 굽힘 가요성(bending flexibility) 및 축방향 강성(axial stiffness)을 유지한다.
순응형 플레이트가 (스테이터에 근접한) 기저부보다 (로터에 근접한) 선단부에서 조밀하게 배치되기 때문에, 링(18)은 플레이트 기저부로부터 플레이트 선단부 전역에 걸쳐 반경방향으로 연장할 필요는 없다. 오히려, 링(18)은 도시된 바와 같이 순응형 플레이트(16)의 일부로만 연장될 필요가 있다.
순응형 플레이트 시일의 주요한 이점은 로터 회전시에 발생되는 압력 축적(pressure build-up) 효과이다. 이러한 효과로 인해 순응형 플레이트(16)는 로터 회전 동안 상승하게 된다. 이러한 상승, 소정의 다른 압력 및 순응형 플레이트 재료의 탄성에 대응하여, 플레이트 선단부와 로터(12) 사이에 매우 작은 유극을 둔 각각의 순응형 플레이트에 대해 평행 상태가 얻어진다. 플레이트 선단부와 로터 사이의 이러한 작은 유극은 물리적 접촉을 최소화하거나 제거함으로써 마찰 열 발생을 줄인다.
비록, 하우징(14)이 도면에 도시되고 전술되었지만, 순응형 플레이트(16) 및 링(18)은 적용예에 따라서는 스테이터(15)와 직접 일체형으로 이루어질 수도 있다. 중간에 개재되는 하우징은 조립 및 제조와 같은 실용적인 목적을 위해서만 요구되며, 기능적인 목적을 위해서는 요구되지 않을 수도 있다. 또한, 비록 전방 및 후방 링(22, 24)이 도면에 도시되어 있지만, 순응형 플레이트 내에 배치된 링을 갖는 상기 제안된 구성은 전방 및 후방 링에 대한 필요 없이 요구되는 목적을 달성해야 한다. 설명된 특징에 추가하여, 전방 및 후방 링이 시일에 추가될 수 있다. 통상적으로, 전방 및 후방 링(22, 24)은 도 1에 도시된 바와 같이 하우징의 일부일 수도 있다.
도면은 로터 외부에 있는 스테이터를 도시한다. 또 다른 배열체에서, 로터가 스테이터 외측에 있을 수 있다.
순응형 플레이트는 상대적인 미끄럼 운동의 경우에 있어서의 마찰, 마모 및 발열의 최소화, 확산 장벽으로서의 작용 및 고온 작동의 허용과 같은 목적(이에 한정되는 것은 아님) 중 하나 이상을 달성하기 위해 특정 물질로 도포될 수도 있다. 순응형 플레이트 선단부에 근접하여 있는 로터의 표면은 전술한 또는 그 밖의 다른 원인으로 인해 도포될 수도 있다. 통상의 코팅 방법은 몇 개만 예로 들자면, 물리 증기 증착법, 용사(thermal spray) 및 갈바니 증착법(galvanic deposition)을 포함한다. 코팅 재료는 이에 한정되는 것은 아니지만, 질화티타늄(titanium nitride)과, 질화지르코늄(zirconium nitride)과, 고형 윤활제 및 니켈 등을 포함한 니켈크롬-크롬카바이드를 포함한다.
본원에 개시된 축 시일은 회전 구성요소와 고정 구성요소 사이의 고압 동적 시일을 제공한다. 상기 시일은 로터 왕복 운동시에 순응하지만 압력 강하 방향을 따라 매우 강성을 띠는 복수의 순응형 플레이트를 포함한다. 축방향 유동 저항 부재의 조합은 축방향 유동이 시일 기저부에서 꾸불꾸불한 경로를 따르도록 한다. 조밀 배치된 시일 선단부와 시일 기저부에서의 유동 차단 형상부의 결합으로 인해 축방향의 누설은 현저하게 감소된다.
본 발명이 가장 실용적이고 바람직한 실시예로서 간주되는 것에 대해 설명되고 있지만, 본 발명이 개시된 실시예에 한정되지 않고, 첨부된 특허청구범위의 취지 및 범위에 포함되는 다양한 변형예 및 개조예를 포함한다는 것이 이해되어야 한다.
도 1은 본원에 개시된 순응형 플레이트 시일(우측)과 종래의 리프 시일(좌측)를 나란히 비교하는 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 순응형 플레이트 시일의 사시도,
도 3 및 도 4는 순응형 플레이트 부재에 대한 대안적 형상을 도시한 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10: 축 시일 12: 로터 또는 회전축
14: 하우징 15: 스테이터 또는 고정 쉘
16: 순응형 플레이트 부재 18: 고정 링
20: 슬롯 22: 전방 링
24: 후방 링

Claims (10)

  1. 회전축과 고정 쉘 사이의 누설을 감소시키기 위한 축 시일에 있어서,
    상기 고정 쉘(15)에 대해 대면 관계로 부착되고, 상기 고정 쉘과 상기 회전축(12) 사이에 밀봉 링을 형성하며, 각각이 내부에 적어도 하나의 슬롯(20)을 포함하는 복수의 순응형 플레이트 부재(16)와,
    상기 고정 쉘에 부착되고 상기 순응형 플레이트 부재(16)의 적어도 하나의 슬롯(20) 내로 반경방향으로 연장하는 적어도 하나의 고정 링(18)을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 고정 링 각각은, 복수의 순응형 플레이트 부재의 상호간을 관통하여 원주방향으로 연장되어, 상기 순응형 플레이트 부재 사이의 축방향 누설 유동 중 적어도 일부에 대한 장벽으로서 작용하며,
    상기 순응형 플레이트 부재(16)의 각각은 내부에 복수의 슬롯(20)을 포함하고, 상기 축 시일은, 각각 상기 고정 쉘(15)에 부착되고 각각의 상기 슬롯 내로 반경방향으로 연장하는 대응하는 복수의 고정 링(18)을 더 포함하고,
    상기 복수의 슬롯(20)의 반경방향 길이 및 축방향 폭 중 적어도 하나는 변경되며,
    상기 복수의 고정 링(18)의 반경방향 길이 및 축방향 폭 중 적어도 하나는 각각 상기 슬롯의 반경방향 길이 및 축방향 폭에 대응하여 변경되는
    회전축과 고정 쉘 사이의 누설 감소용 축 시일.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 순응형 플레이트 부재(16)는 하우징(14)을 통해 상기 고정 쉘(15)에 부착되는
    회전축과 고정 쉘 사이의 누설 감소용 축 시일.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 고정 링(18)은 상기 하우징(14)과 일체로 되어 있는
    회전축과 고정 쉘 사이의 누설 감소용 축 시일.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 순응형 플레이트 부재(16)는 직사각형인
    회전축과 고정 쉘 사이의 누설 감소용 축 시일.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 순응형 플레이트 부재(16)는 T자 형상인
    회전축과 고정 쉘 사이의 누설 감소용 축 시일.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 순응형 플레이트 부재(16)는 사다리꼴 형상인
    회전축과 고정 쉘 사이의 누설 감소용 축 시일.
  9. 회전축과 고정 쉘 사이의 누설을 감소시키기 위한 축 시일에 있어서,
    각각 기저부 및 선단부를 구비하고, 상기 기저부에서 상기 고정 쉘(15)에 대해 대면 관계로 고정되며, 상기 선단부가 상기 회전축(12) 주위에 원주방향으로 배열되는 복수의 순응형 플레이트 부재(16)와,
    상기 순응형 플레이트 부재 내에 배치되는 축방향 유동 저항 부재(17)를 포함하며,
    상기 축방향 유동 저항 부재의 적어도 일부는 복수의 순응형 플레이트 부재의 상호간 내에 원주방향으로 배치되어, 상기 축방향 유동 저항 부재가 상기 순응형 플레이트 부재 사이에서 축방향 누설 유동 중 적어도 일부에 대한 장벽으로서 작용하고,
    상기 순응형 플레이트 부재(16)는 상기 순응형 플레이트 부재의 기저부가 상기 순응형 플레이트 부재의 선단부보다 느슨하게 배치되도록 형상화되며,
    상기 축방향 유동 저항 부재(17)는 상기 순응형 플레이트 부재의 기저부 근처에서 래버린스 시일과 유사한 구조를 갖고, 상기 순응형 플레이트 부재(16)의 각각은, 밀봉 링의 대응하는 복수의 원주방향 슬롯(20)을 형성하는 순응형 플레이트 부재의 기저부에 인접하여, 내부에 복수의 원주방향 슬롯(20)을 포함하고,
    상기 축방향 유동 저항 부재(17)는 상기 원주방향 슬롯 내에 배치되는 복수의 고정 링(18)을 포함하고, 인접하는 상기 원주방향 슬롯은 상이한 반경방향 길이를 포함하고,
    상기 고정 링(18)은 상기 원주방향 슬롯(20) 내로 반경방향으로 연장되는
    회전축과 고정 쉘 사이의 누설 감소용 축 시일.
  10. 삭제
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