KR100444408B1 - 고온용 미케니컬 페이스 씰 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자로냉각재 펌프, 발전기의 터빈등과 같은 펌프 축(pump shaft)의 밀봉에 관한 것으로 고온에서 밀봉을 효과적으로 할 수 있는 미케니컬 페이스 씰에 관한 것이다.

본 발명에서의 미케니컬 페이스 씰은 크게 로터(rotor)와 스테이터(stator)로 나뉘는데 로터와 스테이터는 씰 링(seal ring)과 씰 링내에 페이스 링(face ring)을 열박음 조립하는 방식으로 구성되며 단부가 축방향으로 돌출된 스테이터측 씰 링(22)은 그 내면이 열박음시 페이스링(21)과 소정의 각도로 접하는 테이퍼 컷(Taper cut)(22a)을 형성하고, 씰링으로 부터 페이스 링에 전달되는 힘을 감소시켜 밀봉면의 변형량을 감소시키기 위한 이너 컷(Inner cut)(22b)을 형성한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 미케니컬 페이스 씰 구조는 고온에서 페이스 링과 씰 링이 선접촉하지 않고 면접촉하여 페이스 링에 접촉력이 고르게 분포되며 페이스 링의 밀봉면이 우수한 편평도를 유지할 수 있어 고온에서 밀봉을 효과적으로 수행할 수 있는 것이다.

Description

고온용 미케니컬 페이스 씰 구조{Mechanical Face Seal structure for High Temperature}

본 발명은 원자로 냉각재 펌프, 발전기의 터빈등과 같은 펌프 축(pump shaft)의 밀봉을 위한 미케니컬 페이스 씰에 관한 것으로 특히, 열박음 후에도 접촉력이 고르게 분포하게 하여 고온 고압에서 밀봉을 효과적으로 할 수 있는 미케니컬 페이스 씰에 관한 것이다.

미케니컬 페이스 씰은 회전자(rotor)와 고정자(stator)의 페이스 링이 면접촉하여 생기는 유막에 의하여 밀봉역할을 수행한다.

미케니컬 페이스 씰(Mechanical face seal)은 회전축의 유체의 누설방지에 절대적으로 필요한 장치이며 씰 페이스(Seal face)의 윤활은 자체적으로 형성되는 유체막(1∼3㎛)에 의해 이루어진다.

미케니컬 페이스 씰의 장점으로는 (1) 눈에 보이는 정도의 누설이 방지되고, (2) 샤프트의 마모가 없으며, (3) 모든 마모현상은 밀봉면에서만 발생하며, (4) 유체의 압력에 의해 마모되는 부분만큼 자동으로 보상이 이루어져 밀봉이 지속되는 점이다.

이러한 미케니컬 씰의 구성은 (1) 로터(Rotor), (2) 스테이터(Stator) (3) 스프링(또는 벨로우즈) (4) 오링(O-ring) (5) 스프링 홀더(Spring holder) (6) 하우징(Housing)등으로 구성된다.

밀봉면(Seal face)은 가동 중에 자연적인 유체막의 형성이 불가능한 경우에는 인위적인 유체의 막을 형성시켜 주어야 하고, 밀봉면에 의한 누설량은 밀봉면의 재질, 유체의 점도, 비중, 압력차, 축의 크기, 회전속도 등에 따라 달라지나 통상 밀봉면의 편평도가 3Band(0.9μm)이하를 유지하면 시각적인 누설은 방지된다.

또, 고정자, 회전자의 페이스 링 사이에 형성되는 유체의 윤활막을 유지하기 위하여는 밀봉면 주변의 온도를 유체의 기포발생 온도 이하로 유지시켜는 것이 바람직하며 밀봉면에서의 발열량은 씰 페이스(Seal face) 접촉과 압력에 비례하며 발열량은 페이스링과 유체로 전도된다. 밀봉의 실패는 씰 페이스의 유막이 제대로 형성되지 않을 때 발생한다.

미케니컬 페이스 씰의 설계수명은 밀봉면의 마모에 의하여 결정되며 온도, 압력의 한계 내에서 미케니컬 씰의 설계 수명을 충족시켜야 한다.

이와 같이 미케니컬 페이스 씰 구조를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 1에서 인용부호 10는 펌프 축이고, 20는 고정자인 스테이터측 하우징으로 축이 스테이터의 하우징(20)속에서 회전하게 된다.

도1에 도시한 바와 같이 인용부호 11, 21은 로터측과 스테이터 측 페이스 링(Face Ring)이고, 12, 22는 씰 링(Seal Ring)이다. 페이스 링(22)들은 내마모성을 지녀야 하므로 텅스텐 카바이드(TC)나 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 세라믹으로 되어 있다.

이러한 세라믹은 가격이 고가이며 가공성이 좋지 않다. 그렇기 때문에 로터와 스테이터 모두 페이스 링을 씰링에 열박음하여 사용한다. 열박음이란 고온으로 가열하여 열에 의한 열팽창으로 인한 조립방법으로 삽입이 잘 되도록 충분히 가열하여야 한다.

씰 링(Seal Ring)의 재질은 대개 스테인레스 스틸(Stainless Steel)을 사용한다. 이러한 미케니컬 페이스 씰이 밀봉역할을 제대로 수행하기 위해서는 페이스 링 밀봉면의 편평도가 수마이크로미터 이내로 유지되어야 한다. 로터와 스테이터의 페이스 링과 씰 링은 열팽창계수가 서로 다르며 고온의 환경에서도 열박음이 풀리지 않도록 되어있다. 그리고 미케니컬 페이스 씰은 다양한 온도, 압력조건에서 사용되고 이에 따라 밀봉면에 변형이 생기기 때문에 주어진 온도, 압력조건에서 미케니컬 페이스 씰이 정상적으로 작동하도록 밀봉면의 편평도가 일정수준 이내로 유지되어야 한다.

일반적으로 페이스 링의 밀봉면은 씰 링과의 결합전에 래핑가공을 한다. 그것은 결합한 후 보다 가공성이 좋고 효율적이기 때문이다. 그러나 열박음 후 페이스 링은 변형하여 편평도가 나빠진다. 그러므로 주기적으로 꺼내서 래핑가공을 유지 보수가 필요하며 마모량이 일정량 이상되면 교체하여야 한다.

종래의 미케니컬 페이스 씰의 설계에서는 이러한 요구조건을 만족시키기 위하여 미합중국 특허 제3,765,689호(1973. 10. 16)도 2a의 22와 같이 페이스 링의 도심에 맞추어 언더 컷을 두었으나 열박음시 도 2b의 ⓐ지점에서 선접촉하게 되어 응력집중이 발생된다.

따라서, ⓐ부분에서 항복강도 이상의 큰 응력이 생기며 페이스 링 밀봉면의 거동에 영향을 미치게 된다. 그리고 도 2b 에서와 같이 래핑가공후에도 고온의 상태가 되면 페이스 링 밀봉면의 편평도가 커지게 된다. 또한, 도 2c는 미합중국 특허 4,261,581호에서 또 다른 미케니컬 페이스 씰 구조를 제시하고 있는데 여기에서는 페이스 링의 아래부분에 생기는 마찰력의 영향을 없애기 위하여 인용부호 t와 같이 간극을 두었다.

이 간극(t)은 고온의 환경에서는 문제가 없으나 도 2b에 도시된 바와 같이 작용하는 압력이 커지면 오히려 간극(t)으로 인해 도 2b와 같이 편평도가 커지게 된다. 그렇기 때문에 기존의 설계에서는 압력에 취약한 문제가 발생하게 되는 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 미케니컬 페이스 씰 구조를 대체하고 취약점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 통상의 미케니컬 페이스 씰 구조에 있어 편평도를 향상시키고 페이스 링 아래부분에 생기는 마찰력을 감소시키며 다양한 온도 압력조건 특히 고온에서 우수한 편평도를 유지하며 씰 링과 페이스 링에 접촉력이 고르게 분포되도록 테이퍼 컷(Taper cut)과 이너 컷(Inner cut)을 둔 미케니컬 페이스 씰 구조를 제공하는데 있다.

본 발명에서의 미케니컬 페이스 씰은 크게 로터(rotor)와 스테이터(stator)로 나뉘는데 로터와 스테이터는 반경방향으로 열박음하는 씰 링과 씰 링내에 페이스 링을 열박음 조립하는 방식으로 구성되며 단부가 축방향으로 돌출된 스테이터측 씰 링(22)은 그 내면이 열박음시 페이스 링(21)과 소정의 각도로 접하는 테이퍼 컷(Taper cut)(22a)을 형성하고, 씰 링으로 부터 페이스 링에 전달되는 힘을 감소시켜 밀봉면의 변형량을 감소시키기 위한 이너 컷(Inner cut)(22b)을 형성한 것을 특징으로 한다.

상기한 테이퍼 컷은 씰 링이 페이스 링의 표면에 밀착되어져 회전하는 동안 고온환경이 되면 씰 링이 열변형되면서 그 테이퍼 컷의 경사면이 페이스 링의 표면과 나란하게 일치되어 면접촉에 따른 편평도를 유지할 수 있게 된다.

그리고 이너컷은 씰 링으로 부터 페이스 링에 전달되는 힘을 감소시켜 열변형이 감소되도록 형성하였다.

도 1은 일반적인 펌프와 같은 장치에서 미케니컬 페이스 씰을 도시한 요부 단면도,

도 2a내지 도 2c는 종래의 미케니컬 페이스 씰의 열팽창에 의한 변형예를 보여주는 요부 단면도,

도 3a내지 도 3c는 본 발명에 따른 미케니컬 페이스 씰의 실시예를 도시한 요부 단면도,

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10:로터 축 20:스테이터측 하우징

11:로터쪽 페이스 링 21:스테이터쪽 페이스 링

12:로터측 씰 링 22:스테이터측 씰 링

22a:테이퍼 컷 22b:이너 컷

이하, 본 발명에 따른 미케니컬 페이스 씰 구조를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 페이스 링을 예시하는 단면도로서, 상기한 바와 같이 조립된 페이스 링(21)과 스테이터쪽 씰 링(22)는 각각 열박음으로 조립되어진다. 그리고 페이스 링(11,21)에 의해 생기는 밀봉면의 평활도는 전술한 바와 같은 표면의 편평도의 범위내로 설계되어진다.

특히 본 발명에서는 스테이터쪽의 씰 링(22)이 열박음될 때 스테이터쪽의 씰 링에서 페이스 링과 맞닿는 부분에서 그 표면이 소정의 기울기를 갖는데 이것이 테이퍼 컷(22a)부분이다.

로터의 축이 회전하면 상기한 밀봉면에서 유막을 형성하게 되고 열에 의해 페이스 링(21)과 씰 링(22)이 열팽창되게 된다. 따라서, 씰 링(22)과 페이스 링(21)은 열팽창에 의해 변형이 일어나게 되게 되지만 열팽창계수의 차이와 형상의 차이에 의해 도 3b에 도시된 바와 같이 열변형되어 질 수 있다.

결국, 열변형에 의한 밀봉면의 면접촉이 선접촉이 되어져 응력이 한곳에 집중되게 되는 것임으로 이를 방지하기 위해 테이퍼 컷은 고온에서 씰링이 열변형 변형되었을 때 페이스 링의 어느 한 곳에 응력이 집중되는 것을 막아 고르게 분포되도록 하는 작용을 하게 된다.

테이퍼 컷의 기울기는 고온에서 열변형에 의한 밀봉면의 변형량을 고려하여 설계된 것으로, 고온에서는 열변형에 의해 페이스 링에 작용하는 응력이 작고 그 분포가 고르게 된다.

그러나 압력이 크게 작용하는 상태에서는 씰 링은 그 두께가 두꺼워야 편평도를 유지하는데 유익하게 작용하지만 고온에서는 씰링에서 페이스링에 전달시키는 힘이 커지게 되는데 이것을 감소시키기 위하여 이너 컷(22b)을 형성하게 된 것이다. 페이스 링의 두께를 인용부호 H, 높이를 인용부호 L이라하고(도3a) 이너컷의 위치는 인용부호 d, 깊이는 인용부호 w이다(도3c). 이너 컷의 위치(d)는 0.1H∼0.9H이며 이너 컷의 깊이(w)는 0.1L∼0.9L로 한다.

이 이너컷은 씰링이 페이스링에 전달되는 힘을 감소시켜 고온에 따른 열변형을 감소시키는 작용을 하게 되어 고온하에서 밀봉면의 편평도를 유지하게 되는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 미케니컬 페이스 씰 구조는 고온하에서 페이스 링과 씰 링이 선접촉하지 않고 면접촉하여 페이스 링에 접촉력이 고르게 분포되며 페이스링의 밀봉면이 우수한 편평도를 유지할 수 있어 고온에서도 밀봉을 효과적으로 수행할 수 있는 것이다.

Claims (3)

1. 씰 링(22)과 씰 링(22)내에 열박음되는 페이스링(21)이 구비되고;

   상기 페이스 링(21)과 접하는 스테이터측 씰 링(22)의 내면에 열박음시 상기 페이스 링(21)과 소정의 각도로 접하는 테이퍼 컷(22a)이 형성되고;

   상기 스테이터측 씰링(22)내에 고온 고압에서 씰 링이 페이스 링에 전달되는 힘을 감소시켜 고온 고압에 따른 열변형을 감소시키는 작용을 하게 되어 고온 고압하에서 밀봉면의 편평도를 유지시키기 위한 이너 컷(22b)이 구비되는데, 페이스 링(21)의 두께와 높이를 인용부호 H와 L로하고, 이너 컷의 위치와 깊이를 인용부호 d와 w라고 할 때, 상기 이너 컷의 위치(d)는 0.1H∼0.9H범위로 하고 이너 컷의 깊이(w)는 0.1L∼0.9L범위로 하는 것을 특징으로 하는 미케니컬 페이스 씰 구조.
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