KR0179009B1 - 회전하는 샤프트에 대한 시일 장치 - Google Patents

회전하는 샤프트에 대한 시일 장치 Download PDF

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브롬 운트 보스 아게
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Abstract

본 발명은 회전하는 샤프트, 특히 샤프트 부쉬(2)가 회전가능하게 취부된 스크류 샤프트에 대한 시일 장치에 관한 것으로서, 환상 챔버(13i, 13m, 13a)중 적어도 1개의 내부에 환상의 관형상을 가지는 팽창체(14i, 14m, 14a)가 배치되고, 상기 팽창체(14i, 14m, 14a)에는 열원에 의해서 가열된 유동가능한 전열매체 및 동시에 가압매체로서 기능하는 매체, 바람직하기로는 압축 공기를 상기 팽창체(14i, 14m, 14a)내에 주입하기 위한 환상 도관(16i, 16m, 16a)에 접속되어 있고, 상기 샤프트가 극도로 저온의 액체상 매체중, 바람직하기로는 얼음이 있는 해수중에 정지하고 있는 경우, 상기 팽창체(14i, 14m, 14a)가 상기 전열 및 가압매체의 주입에 의해서 상기 환상챔버(13i, 13m, 13a)의 주요한 영역을 점유하도록 팽창되어 상기 윤활제 공급구를 폐쇄함과 아울러, 상기 환상 챔버(13i, 13m 13a)의 상기 팽창체(14i, 14m, 14a)에 의해서 점유되지 않은 나머지 영역에 있는 상기 윤활제를 그 점성이 상기 샤프트(1)의 회전중의 점성과 실질상 같게 되도록 가열하며, 상기 샤프트(1)가 회전하는 경우 상기 팽창체(14i, 14m, 14a)가 상기 전열 및 가압 매체의 주입을 차단시켜 수축시키고, 상기 환상 챔버(13i, 13m, 13a)의 내부 공간을 개방하고, 또한 상기 윤활제의 공급구의 폐쇄를 해제하는 것을 특징으로 한다.

Description

회전하는 샤프트에 대한 시일 장치
제1도는 본 발명에 의한 선박의 스크류 샤프트에 대한 시일 장치를 샤프트 축방향을 따라 취한 종단면도로서, 팽창체가 수축한 상태를 보여주는 도면.
제2도는 제1도의 팽창체가 팽창한 상태를 보여주는 종단면도.
제3도는 제2도에 도시한 시일 장치의 관계통(管系統) 및 이에 접속된 작동 수단을 개략적으로 보여주는 도면.
제4도는 압축 공기가 도입되는 중간의 환상 챔버를 구비한 본 발명의 시일 장치의 다른 실시예를 보여주는 종단면도.
제5도는 제4도에 도시한 시일 장치의 관계통 및 이에 접속된 작동 수단을 개략적으로 보여주는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 스크류 샤프트 15i, 15m, 15a : 환상 윤활제 공급관
2 : 샤프트 부쉬 16i, 16m, 16a : 환상 도관
3, 4, 5, 6 : 환상 하우징 12a, 12b, 12c, 12d : 립 패킹
13i, 13m, 13a : 환상 챔버 14i, 14m, 14a : 팽창체
[발명의 목적]
본 발명은 회전하는 샤프트에 대한 시일 장치, 특히 선박의 스크류 샤프트에 대한 시일 장치에 관한 것이다.
종래의 이러한 종류의 시일 장치(DE-OS 3122406 참조)는, 샤프트가 비교적 장시간 정지하여 있은 후에 재기동되는 경우, 시일에 적합한 액체상 매체가 극도로 저온으로 되어 있지 않으면 샤프트는 만족스럽게 작동한다. 그 이유는, 액체상 매체가 극도로 저온으로 되어 있지 않으면, 샤프트가 정지되어 있는 사이에 윤활유의 점성은 그다지 크게 되는 일이 없으며, 그 결과, 샤프트의 재기동시에 통상 탄성 고무 재료로 되어 있는 환상 패킹이 손상되는 일이 없으며, 그 시일 효과가 저하되는 일도 없기 때문이다. 이는 윤활유로서 물이 사용되는 경우에도 적합하다.
그러나, 액체상 매체가 빙점 이하까지 냉각되는 경우, 이는, 예를 들면, 얼음이 있는 해양의 경우에 적합하지만, 이러한 경우 종래의 시일 장치는 이미 만족스럽게 작동하지 않는다. 왜냐하면, 윤활유가 사용되는 경우에는, 윤활유는 상대적으로 적은 용적의 환상 챔버내에서 높은 점성을 가지도록 되어 있고, 또한, 물이 사용되는 경우에는, 물은 환상 챔버내에서 빙결하여 버리기 때문이다. 이들 경우에는, 환상 패킹이 그 패킹 단부의 연부에서 손상됨으로써, 그 시일 기능이 저하되거나 또는 완전히 파손되어 버릴 염려가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 종래의 시일 장치의 결점을 해소하고, 상대적으로 저렴한 비용으로, 샤프트가 극도로 저온의 액체상 매체중에서 장시간 정시 상태에 있은 후에 재구동될 때, 환상 패킹이 손상될 염려가 없도록 개량된 시일 장치를 제공하는 것이다.
[발명의 구성 및 효과]
상기의 목적을 해결하기 위하여, 본 발명은 회전하는 샤프트, 특히 선박의 스크류 샤프트에 대한 시일 장치에 있어서, 상기 스크류 샤프트에는 샤프트 부쉬가 이것과 함께 회전 가능하게 취부되고, 상기 샤프트 부쉬는 일방이 외부의 액체상 매체, 바람직하게는 해수에 인접하고, 타방이 액체상의 윤활제, 바람직하게는, 윤활유에 인접하도록 배치되며, 상기 샤프트 부쉬에는 이것을 포위하도록 환상 하우징이 배치되며, 적어도 2개의 환상 패킹, 바람직하게는, 립 패킹이 인접한 상기 환상 하우징들의 사이마다 배치되고, 상기 환상 패킹의 사이마다 환상 챔버가 형성되며, 상기 환상 챔버에는 그 내부에 미리 설정되는 압력을 가지는 윤활제, 바람직하게는 윤활유 또는 물을 주입하기 위한 환상의 윤활제 공급관이 접속되어 있는 것으로, 상기 환상 챔버중 적어도 1개의 내부에 환상의 관형상을 가지는 팽창체가 배치되고, 상기 팽창체에는 열원에 의해서 가열된 유동가능한 전열매체() 및 동시에 가압매체로서 기능하는 매체, 바람직하게는, 압축 공기를 상기 팽창체내에 주입하기 위한 환상 도관이 접속되어 있으며, 상기 샤프트가 극도로 저온의 액체상 매체중, 바람직하게는 얼음이 있는 해수중에 정지하고 있는 경우, 상기 팽창체가 상기 전열 및 가압매체에 의해서 상기 환상 챔버의 주요한 영역을 점유하도록 팽창되어, 상기 윤활제의 공급구를 폐쇄함과 동시에, 상기 환상 챔버의 상기 팽창체에 의해 점유되어 있지 않는 나머지의 영역에 있는 상기 윤활제를 그 점성이 상기 샤프트의 회전중에 있어서의 점성과 실질적으로 같게 되도록 가열하며, 상기 샤프트가 회전하는 경우, 상기 팽창체가, 상기 전열 및 가압 매체의 유입을 차단하여 수축되어, 상기 환상 챔버의 내부 공간을 개방하고, 또한 상기 윤활제 공급구의 폐쇄를 해제하는 것을 특징으로하는 시일 장치를 구성한 것이다.
이러한 구성에 있어서, 환상의 관형상을 가지는 팽창체, 그것과 함께 환상 패킹의 직접 접촉 영역에 있는 열교환면이 상술한 바와같이 기능하고, 윤활제의 유동이 외부에서 구동되는 펌프장치에 의해서가 아니라 오히려 샤프트와 협동하는 환상링의 수력학적인 펌프작용에 의해서 야기되며, 그 결과 샤프트가 정지 상태로 있는 경우, 윤활제의 유동이 정지하며, 그럼에도 불구하고, 환상 패킹의 영역에서 윤활제가 가열된다. 내부에 압축 매체가 주입된 환상의 관형상을 가지는 팽창체는, 예를 들면, DE-OS 2301532 및 DE-OS 3143866 NI에 개시되어 있는 바와같이 종래의 시일 장치에서 이미 사용되고 있다. 그러나, 이러한 시일 장치에 있어서, 팽창체는 윤활제로의 열의 전달 수단으로서 기능하는 것은 아니며, 오히려 압력 변동에 대한 감쇠수단으로서 또는 샤프트와 함께 기능하는 링에 대한 가압수단으로서 기능하는 것이다.
특허청구의 범위 제2항에 기재된 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 팽창체는 환상 챔버의 측부에 형성된 환상 홈내에서, 수축 상태의 경우에는 환상 홈 안으로 후퇴하고, 팽창 상태의 경우에는 환상 챔버내로 돌출하도록 배치되어 있다. 이렇게함으로써, 가열 상태에서 열교환 면을 바람직한 위치에 배치할 수 있는 한편, 가열하지 않은 상태에서 환상 챔버의 내부 공간을 완전히 개방하는 것이 가능하다.
특허청구의 범위 제3항-제7항에는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예가 기재되어 있다. 특허청구의 범위 제3항 및 제4항에 기재된 실시예에서는, 샤프트의 정지상태에서 과냉에 의한 패킹의 손상에 대한 안전성을 보증하고, 또한, 환상 챔버로부터 상호 인접한 환상 챔버내로의 매체의 유출을 방지하며, 그 결과, 선박에서 외부 해수중으로 윤활제의 유출에 의한 환경 오염을 방지함으로써, 샤프트의 통상의 운전 상태에서 운전 안전성을 더 개선할 수 있다.
특허청구의 범위 제5항-제7항에는 환경 오염을 방지하기에 바람직한 다른 실시예를 기재하고 있다. 이 실시예에서는, 외부의 해수중으로의 윤활제의 유출이 전혀 발생하지 않으며, 더욱이 패킹 기능이 저하되지 않음으로써 유출이 생긴 경우에는 환경오염을 발생시키지 않는 매체, 즉 물만이 외부 해수중으로 유출할 수 있다.
특허청구의 범위 제8항에 기재된 실시예에서는, 필요한 경우에 샤프트의 베어링에 공급되는 윤활제가 가열되어, 얼음을 가지는 해수중에서 극한 상황에 있는 경우에도 샤프트의 베어링의 윤활을 보증하는 것이 가능해진다.
이하, 도면을 참고로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 제1도 및 제2도에 도시한 바와같이 스크류 사프트(1)에 샤프트 부쉬(2)가 배치되고, 샤프트 부쉬(2)는 그 플랜지(2a)를 통하여(도시되지 않은) 프로펠라에 결합되어 있으며, 스크류 샤프트(1)와 함께 회전가능하게 되어 있다. 또한, 샤프트 부쉬(2)는, 그 일단을 외부 해수(W)중으로, 타단을(도시되지 않은) 샤프트 베어링용의 윤활유를 수용하는 공간(S)으로 각각 돌출시키도록 배치된다. 또한, 샤프트 부쉬(2)를 포위하도록, 4개의 립 패킹(12a, 12b, 12c, 12d)이, 그중의 2개의 립 패킹(12c, 12d)은 외부 해수에 대한 시일을 위해서, 다른 2개의 립 패킹(12a, 12b)은 윤활유를 수용하는 공간에 대한 시일을 위해서 상호 간격을 두고 배치된다.
립 패킹은 스크류 샤프트(1)를 포위하도록, 또한 샤프트의 축방향으로 상호 인접하게 배치된 4개의 환상 하우징(3, 4, 5, 6)에 의해서 지지된다. 그리고, 윤활유 수용 공간(S)에 인접한 환상 하우징(3)이 샤프트 너트(N)에 결합함으로써 시일 장치의 전체가 지지된다. 립 패킹(12a, 12b, 12c, 12d)은 환상 하우징(3, 4, 5, 6) 및 대응하는 삽입 지지부(10, 9, 8, 7)의 사이에 삽입 지지된다.
인접한 2개의 환상 하우징의 사이, 즉 환상 하우징(3 및 4, 4 및 5, 5 및 6)의 사이에는 환상 챔버(13i, 13m, 13a)가 형성되어 있고, 이들 환상 챔버(13i, 13m, 13a)에는 각각 액체상의 윤활유를 환상 챔버내에 공급하기 위한 환상의 윤활제 공급관(15i, 15m, 15a)이 접속된다.
제1도 및 제2도에는 이들 윤활제 공급관(15i, 15m, 15a)중 하나만을 도시하고 있다. 도시하지 않은 윤활제 공급관은, 바람직하게는 도시한 윤활제 공급관에 근접하여 배치된다. 각각의 환상 챔버(13i, 13m, 13a)의 측부에는 환상 홈이 형성되어 있고, 각각의 환상 홈내에는 팽창체(14i, 14m, 14a)가 배치된다. 각각의 팽창체(14i, 14m, 14a)에는 각각 독립한 환상 도관(16i, 16m, 16a)이 접속되어 있다. 그리고 환상 도관(16i, 16m, 16a)의 내부에는 가열된 압축공기가 흐르고, 또한, 각각의 환상 도관(16i, 16m, 16a)에는 이하에서 제3도를 참조하여 상세히 설명하는 여러 가지 작동 수단이 접속된다.
제1도에서, 팽창체(14i, 14m, 14a)는 수축상태에 있고, 이 경우, 팽창체(14i, 14m, 14a)는 환상 챔버(13i, 13m, 13a)의 측부 환상 홈내로 후퇴하여 있으며, 가열된 압축 공기의 팽창체 내부로의 유입이 차단되어 있다. 제2도에 있어서, 팽창체(14i, 14m, 14a)는 팽창상태에 있고, 이 경우, 가열된 압축 공기의 팽창체(14i, 14m, 14a) 내부로의 유입이 해제되며, 팽창체는 환상 챔버(13i, 13m, 13a)의 내부 공간의 주요부를 점유하고, 그와 동시에 윤활유의 공급구를 폐쇄한다. 이 작동상태는 스크류 샤프트가 얼음이 있는 해수중에 정지하고 있는 상태에 대응한다. 이러한 팽창 상태에서, 팽창체(14i, 14m, 14a)는 그 표면을 확장시킴으로써, 그것에 대응하여 감소한 윤활유에 대한 열교환기로서 작용함과 동시에, 윤활유를 가열하고, 스크류 샤프트의 재구동시의 립 패킹의 손상을 방지하는 작용을 한다.
제3도에서는 환상 도관, 특히 팽창체(14i)에 대한 환상 도관(16i)을 그 주요 작동 수단과 함께 보여주고 있다. 이들 작동수단은, 상호 직렬 접속된 통상의 표시수단(17), 도시되지 않은 제어수단을 구비한 압력축적수단(18), 밸브수단(19), 펌프수단(20) 및 열교환수단(21)으로 이루어져 있다. 열교환수단(21)은 이 실시예에서는(도시되지 않은) 전열 매체를 주입시키고 있다.
제4도에 도시한 다른 실시예에서는, 양측의 2개의 환상 챔버(13i', 13a')만이 팽창체(14i', 14a')를 구비하고 있고, 중간에 위치하는 환상 챔버(13m')는 팽창체를 구비하고 있지 않다. 이 경우, 외부 해수측에 위치하는 환상 챔버(13a')내부에는 물이 주입되고, 샤프트 베어링측에 위치하는 환상 챔버(13i')내에는 윤활유가 주입된다. 중간에 위치하는 환상 챔버(13m')에는 다른 2개의 환상 챔버(13i', 13a')내에 주입된 매체의 압력과 거의 같은 압력을 가지는 압축공기가 주입되어 있다. 이 환상 챔버(13m')에 접속된 환상 도관(15m')에는 또한 리크(leak) 관(15m)이 접속되어 있다. 이 경우, 리크 관(15m)은 선박의 내부로 도입되어 있다. 이 실시예는, 환경 오염의 방지 및 선박의 운전에 대하여 특히 바람직한 것이다. 왜냐하면, 중간에 위치하는 환상 챔버(13m')의 압축 공기가 다른 환상 챔버(13i', 13a')내로의 물 또는 윤활유의 주입과 협동함으로써, 문제를 발생시킬 수 있는 외부 해수중으로의 매체의 누설을 야기시키지 않기 때문이다. 만일, 중간의 환상 챔버(13m')의 압력의 파탄(破綻)이 발생한 경우에는 리크관(15m)에 의해서 리크가 행해진다.
제5도에서는 제4도에 도시한 실시예에서 중간에 위치하는 환상 챔버(13m')의 환상 도관(15m')을, 이것에 접속된 제어수단(18'), 압축수단(20'), 전자 밸브(19') 및 리크관(15m) 등의 주요한 작동 수단과 함께 보여주고 있다. 제5도에서는 또한 환상 챔버(13i', 13a')에 대한 환상 도관(15a', 15i') 및 이에 속하는 높은 위치(高所)의 탱크를 보여주고 있다.
전술한 모든 도면에서, 가장 내측의 립 패킹(12a, 12a')의 앞에 위치하는 가장 내측의 환상 하우징(3, 3')에는 또 다른 환상 챔버(13s, 13s')가 형성되고, 이 환상 챔버(13s, 13s')내에는 팽창체(14s, 14s')가 배치되어 있다. 또한, 환상 챔버(13s, 13s')에는 환상 도관(16s, 16s')이 접속되어 있다. 이들 팽창체(14s, 14s')는 다른 팽창체와 마찬가지로, 스크류 샤프트가 얼음이 있는 해수중에 정지하고 있는 경우의 열전달 수단으로서, 특히 샤프트 베어링에 대한 윤활유에 대한 열전달 수단으로서 작용한다.

Claims (8)

  1. 회전하는 샤프트, 특히 선박의 스크류 샤프트(1)에 대한 시일 장치로서, 상기 스크류 샤프트(1)에는 샤프트 부쉬(2)가 이것과 함께 회전 가능하게 취부되고, 상기 샤프트 부쉬(2)는 일방이 외부의 액체상 매체, 바람직하게는 해수(W)에 인접하고, 타방이 액체상의 윤활제, 바람직하게는 윤활유(S)에 인접하도록 배치되며, 상기 샤프트 부쉬(2)에는 이것을 포위하도록 환상 하우징(3, 4, 5, 6)이 배치되며, 적어도 2개의 환상 패킹, 바람직하게는 립 패킹(12a-12d)이 인접한 상기 환상 하우징들의 사이마다 배치되고, 상기 환상 패킹의 사이마다 환상 챔버(13i, 13m, 13a)가 형성되며, 상기 환상 챔버(13i, 13m, 13a)에는 그 내부에 미리 설정되는 압력을 가지는 윤활제, 바람직하게는 윤활유 또는 물을 주입하기 위한 환상의 윤활제 공급관(15i, 15m, 15a)이 접속되어 있는 회전하는 샤프트에 대한 시일장치에 있어서, 상기 환상 챔버(13i, 13m, 13a)중 적어도 1개의 내부에 환상의 관형상을 가지는 팽창체(14i, 14m, 14a)가 배치되고, 상기 팽창체(14i, 14m, 14a)에는 열원에 의해서 가열된 유동가능한 전열매체 및 동시에 가압매체로서 기능하는 매체, 바람직하게는 압축 공기를 상기 팽창체(14i, 14m, 14a)내에 주입하기 위한 환상 도관(16i, 16m, 16a)에 접속되어 있으며, 상기 샤프트가 극도로 저온의 액체상 매체중, 바람직하게는 얼음이 있는 해수중에 정지하고 있는 경우, 상기 팽창체(14i, 14m, 14a)가 상기 전열 및 가압매체의 주입에 의해서 상기 환상 챔버(13i, 13m, 13a)의 주요한 영역을 점유하도록 팽창되어, 상기 윤활제 공급구를 폐쇄함과 아울러, 상기 환상 챔버(13i, 13m, 13a)의 상기 팽창체(14i, 14m, 14a)에 의해서 점유되지 않은 나머지 영역에 있는 상기 윤활제를 그 점성이 상기 샤프트(1)의 회전중에 있어서의 점성과 실질적으로 같게 되도록 가열하며, 상기 샤프트(1)가 회전하는 경우 상기 팽창체(14i, 14m, 14a)가 상기 전열 및 가압매체의 주입을 차단하여 수축되어, 상기 환상 챔버(13i, 13m, 13a)의 내부 공간을 개방하고, 또한 상기 윤활제 공급구의 폐쇄를 해제하는 것을 특징으로 하는 회전하는 샤프트에 대한 시일 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 팽창체(14i, 14m, 14a)가, 상기 환상 챔버(13i, 13m, 13a)의 측부에 형성된 환상 홈내에서 그것이 수축 상태에 있는 경우에는 상기 환상홈내로 후퇴하고, 팽창 상태에 있는 경우에는 상기 환상 챔버(13i, 13m, 13a)내로 돌출하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 회전하는 샤프트에 대한 시일 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전열 및 가압매체를 위한 상기 환상 도관(16i, 16m, 16a)중에, 표시수단(17), 제어 장치를 구비한 압력축적수단(18), 밸브수단(19) 및 펌프수단(20)과 개방 및 폐쇄가능한 열교환수단(21)이 각각 직렬로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 회전하는 샤프트에 대한 시일 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 열교환수단(21)이 폐쇄되는 경우, 상기 전열 및 가압매체의 압력이, 상기 압력축적수단(18)의 제어 장치에 의해서 상기 환상 챔버(13i, 13m, 13a)내의 상기 팽창체(14i, 14m, 14a)가 상기 팽창위치와 상기 수축위치의 중간 위치에 있도록 변화시킴으로써, 상기 환상 챔버(13i, 13m, 13a)내의 윤활제의 압력이 상기 각각 인접하는 환상 챔버내의 각각의 압력과 실질적으로 같게 되도록 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 회전하는 샤프트에 대한 시일 장치.
  5. 제4항에 있어서, 3개의 상기 환상 챔버(13i', 13m', 13a')가 배치되고, 양측에 위치하는 상기 환상 챔버(13i', 13a')가 상기 팽창체(14i', 14a')를 구비하고 있으며, 한편, 중간에 위치하는 상기 환상 챔버(13m')에는 그 내부에 압축 가스, 바람직하게는 압축 공기를 주입하기 위한 환상 도관(15m')이 접속되어 있으며, 상기 환상 도관(15m')은 선박내로 도입되는 리크관(15m)에 단속가능하게 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 회전하는 샤프트에 대한 시일 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 환상 챔버(13m')에는 인접한 상기 환상 챔버(13i', 13a')내의 매체의 압력과 거의 같은 압력을 가지는 상기 압축 가스가 주입되어 있는 것을 특징으로 하는 회전하는 샤프트에 대한 시일 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 외측 매체측의 환상 챔버(13a')에는 상기 윤활제로서 물이 주입되어 있고, 상기 샤프트 베어링측의 환상 챔버(13i')에는 상기 윤활제로서 윤활유가 주입되어 있는 것을 특징으로 하는 회전하는 샤프트에 대한 시일 장치.
  8. 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 샤프트 베어링측의 환상 패킹(12a, 12a')의 전방에 또 다른 환상 챔버(13s, 13s')가 형성되어 있고, 상기 또 다른 환상 챔버(13s, 13s')내에는 다른 전열 및 가압매체가 주입될 수 있는 팽창체(14s, 14s')가 배치되어 있는 것을 특징으로 회전하는 샤프트에 대한 시일 장치.
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