KR100541592B1 - 실 구조물과 이 실 구조물을 포함한 회전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실 구조물과 실 구조물을 포함한 증기 터빈과 같은 회전 장치를 제공한다. 케이싱은 회전자를 원주상으로 둘러싸고 있고, 회전자측으로 개방된 원주형의 채널을 포함한다. 실 세그먼트는 채널 내에 원주상으로 배열되고, 방사상으로 내부 위치와 외부 위치 사이에서 이동 가능하다. 원주상에 인접한 실 세그먼트들은 원주상에 대향하는 표면 홈을 갖는다. 탄성 무공성 부재는 원주상에 인접한 실 세그먼트의 홈에 맞물려 있으며, 이 탄성 무공성 부재는 상기 세그먼트들을 원주상으로 힘을 가하여 세그먼트들 사이에 실링을 제공한다.

Description

실 구조물과 이 실 구조물을 포함한 회전 장치 {SEAL ASSEMBLY AND ROTARY MACHINE CONTAINING SUCH SEAL ASSEMBLY}
도 1은 실 세그먼트가 방사상으로 외부 위치에 있는 회전자 및 부재의 단면과 함께 실 세그먼트와 케이싱 세그먼트의 원주상의 단부를 도시한 본 발명의 바람직한 실시예의 개략적 축 길이 방향 단면도.
도 2는 실 세그먼트가 방사상으로 외부 위치에 있는 실 구조물의 다른 실 세그먼트들(도 1에는 도시되지 않음)이 원주에 배열된 도 1의 선 2-2를 따라 절취한 도 1의 실 세그먼트의 단면도.
도 3은 도 1에서 방사상으로 내부 위치에서 도시된 실 세그먼트의 도면.
도 4는 도 2에서 방사상으로 내부 위치에서 도시된 실 세그먼트의 도면.
도 5는 도 1 및 도 3에 도시된 부재의 사시도.
도 6은 도 5의 부재의 단부도.
도 7은 도 5의 부재의 다른 실시예의 사시도.
도 8은 도 7의 부재의 단부도.
도 9는 도 1에서 부재가 홈으로부터 제거된 경우 2개의 추가 홈을 갖는 다른 실 세그먼트의 원주 단부를 도시한 도면.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10: 실 구조물
12: 회전 장치
14: 회전자
16: 케이싱
18: 축
20: 채널
22, 24, 26, 28, 30, 32: 실 세그먼트
40: 탄성 무공성 부재
44: 래버린스 실 돌기
46: 브러시 실 강모
본 발명은 회전 장치에 관한 것으로, 특히 회전 장치용 실 구조물과 이 실 구조물을 포함하는 회전 장치에 관한 것이다.
회전 장치는 증기 터빈용 터빈과 가스 터빈용 압축기 및 터빈을 제한 없이 포함한다. 증기 터빈은 연속적 흐름 관계에서, 증기 유입구, 터빈 및 증기 배출구를 통상적으로 포함하는 증기 경로를 갖는다. 가스 터빈은 연속적 흐름 관계에서, 공기 통풍구(또는 유입구), 압축기, 연소기, 터빈 및 가스 배출구(또는 배기 노즐)를 통상적으로 포함하는 가스 경로를 갖는다. 고압 영역에서 저압 영역으로, 가스 나 증기 경로로부터 또는 가스나 증기 경로로의 가스 또는 증기 누설은 일반적으로 바람직하지 않다. 예를 들면, 터빈이나 압축기의 회전자와 터빈의 원주상으로 둘러싸인 것이나 압축기 케이싱 사이에서, 가스 터빈의 터빈이나 압축기 영역에서 가스 경로 누설은 가스 터빈의 효율을 저하시켜 연료 비용의 증가를 초래한다. 또한, 터빈의 회전자와 원주상으로 둘러싸인 케이싱 사이에서, 증기 터빈의 터빈 영역에서의 증기 경로 누설은 증기 터빈의 효율을 저하시켜 연료 비용의 증가를 초래한다.
증기 경로 누설을 최소화하기 위해 터빈의 회전자와 원주상에 둘러싸인 케이싱 사이의 원주형 배열 내에 가변 유극 래버린스 실 세그먼트를 배치하는 것은 공지되어 있다. 코일 스프링의 단부는 원주상에 인접한 실 세그먼트 내에서 원주에 대향하고 일치하는 구멍에 맞물린다. 코일 스프링은 원주상에 인접한 실 세그먼트들을 원주상에서 분리시킨다. 이와 같이 원주상에서 분리시키는 것은 실 세그먼트를 케이싱의 채널 내에서 방사상으로 외부로 이동하게 한다. 이는 터빈 시동시 회전자의 일시적인 방사 이동에 의해 래버린스 실 돌기가 손상되는 것을 방지한다. 회전자가 안정된 상태 동작 조건에 도달할 때, 터빈 내에서 증기압이 상승하며 가압된 액체는 채널에 삽입되어 래버린스 실 돌기가 더욱 충분한 봉인을 위해 회전자에 근접하도록 내부로 방사상으로 실 세그먼트를 민다. 래버린스 실 세그먼트에 브러시 실 강모를 추가하는 설계가 제안되었다.
바람직한 제1 실시예에서, 본 발명의 실 구조물은 회전 장치용이다. 회전 장치는 회전자와 케이싱을 포함한다. 회전자는 일반적으로 길이 방향의 긴 축을 갖는다. 케이싱은 원주상으로 축과 동축으로 배열되고, 회전자로부터 방사상으로 떨어져서 위치하고, 회전자측으로 개방되며 일반적으로 동축으로 정렬된 원주형 내부 채널을 포함한다. 실 구조물은 실 세그먼트와 탄성 무공성(imperforate) 부재를 포함한다. 실 세그먼트는 채널 내에 원주형 배열로 배치될 수 있고, 그와 같이 배치되면 실 세그먼트는 회전자에 근접한 방사상 내부 위치와 방사상 외부 위치 사이에서 이동 가능하다. 원주상에 인접한 실 세그먼트는 원주에 대향하고 일반적으로 표면 홈과 일치한다. 탄성 무공성 부재는 원주상에 인접한 실 세그먼트의 홈 내에 배치될 수 있고, 그와 같이 배치될 때 상기 부재는 원주상에 인접한 실 세그먼트들을 분리시킨다.
바람직한 제2 실시예에서, 본 발명의 회전 장치는 회전자, 케이싱, 실 세그먼트 및 탄성 무공성 부재를 포함한다. 회전자는 일반적으로 길이 방향의 긴 축을 포함한다. 케이싱은 원주상 주변에 축과 동축으로 배열되고, 회전자로부터 방사상으로 떨어져서 위치하고 회전자측으로 개방되어 동축으로 배열된 원주형 내부 채널을 포함한다. 실 구조물은 실 세그먼트와 탄성 무공성 부재를 포함한다. 실 세그먼트는 채널 내에 원주 배열로 배치될 수 있고, 그와 같이 배치되면, 실 세그먼트는 회전자에 근접한 방사상 내부 위치와 방사상 외부 위치 사이에서 이동 가능하다. 원주상에 인접한 실 세그먼트는 원주에 대향하고 일반적으로 표면 홈과 일치한다. 탄성 무공성 부재는 원주상에 인접한 실 세그먼트의 홈에 배치될 수 있고, 그와 같이 배치될 때 이 부재는 원주상에 인접한 실 세그먼트들을 분리시킨다.
본 발명으로부터 몇가지 이점 및 장점이 도출된다. 탄성 무공성 부재는 누설을 최소화하도록 원주상에 인접한 실 세그먼트 사이에 실을 제공한다. 또한, 탄성 무공성 부재에는 원주상에 인접한 실 세그먼트들을 분리시키도록 스프링이 제공된다.
도면을 참조하면, 도 1 내지 도 8은 본 발명의 실 구조물(10)과 회전 장치(12)의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한다. 도면상에 일부만 도시된 회전 장치(12)는 회전자(14), 케이싱(16) 및 실 구조물(10)을 포함한다. "회전자"라는 용어는 샤프트, 디스크, 휠 등을 포함한다. 회전자(14)는 하나의 단일체 회전자이거나 두개 이상의 길이 방향으로 부착된 회전자 세그먼트로 제한 없이 구성될 수 있다. 이와 마찬가지로, 케이싱(16)은 하나의 단일체 케이싱이거나 함께 부착된 원주 케이싱 세그먼트 및/또는 함께 부착된 원주 케이싱 세그먼트일 것이다. 바람직하게는, 회전자(14)는 증기 터빈 회전자이고, 케이싱(16)은 증기 터빈 케이싱이다. 회전자(14)는 일반적으로 길이 방향으로 연장된 축(18)을 갖는다. 케이싱(16)은 축(18)과 동축으로 배열되고, 회전자(14)로부터 방사상으로 떨어져서 위치하며, 회전자(14)측으로 개방되어 동축으로 배열된 원주형 내부 채널(20)을 포함한다.
실 구조물(10)은 채널(20) 내에 원주형 배열로 배치될 수 있는 복수개의 실 세그먼트(22, 24, 26, 28, 30, 32)를 포함하고, 그와 같이 배치될 때(즉, 회전 장치(12)에 삽입될 때), 복수개의 실 세그먼트(22, 24, 26, 28, 30, 32)는 회전자(14)에 근접한 방사상 내부 위치(도 3에 도시됨)와 방사상 외부 위치(도 1에 도시됨) 사이에서 이동 가능하다. 회전 장치(12)에 삽입될 때, 복수개의 실 세그먼트(22, 24, 26, 28, 30, 32)는 채널(20)에 원주상에 배열된다. 원주상에 인접한 실 세그먼트[실 세그먼트(22, 24)와 같은]는 원주에 대향하고, 일반적으로 표면 홈[실 세그먼트(22)의 홈(34)과 같은]과 일치한다. 바람직한 표면 홈은 표면의 깊이보다 더 큰 표면을 지나 직선 길이를 갖는 홈이다. 바람직하게는, 홈[실 세그먼트(22)의 홈(34)과 같은 홈]은 일반적으로 방사상으로 배열된다(도 1 및 도 3에 도시됨). 회전 장치(12)에 삽입될 때, 실 세그먼트(22, 24, 26, 28, 30, 32)는 방사상 범위를 갖고, 원주에 인접한 실 세그먼트[실 세그먼트(22, 24)와 같은]의 홈[실 세그먼트(22)의 홈(34)과 같은]은 실 세그먼트(22, 24, 26, 28, 30, 32)의 방사상 범위의 최소 3/4과 같은 방사 거리로 연장된다.
제1 대체 구성에 있어서, 원주상에 인접한 실 세그먼트[도 9에서 실 세그먼트(26)의 홈(36)과 같은]의 홈은 일반적으로 길이 방향으로 정렬된다. 제2 대체 구성에 있어서, 원주상에 인접한 실 세그먼트의 홈[도 9에서 실 세그먼트(26)내의 홈(38)과 같은]은 축(18)에 대해 일반적으로 경사져서 배열된다. 실 세그먼트는 하나 이상의 홈을 가질 수 있다[도 1 및 도 3에서 실 세그먼트(22)의 단일 홈(34)이거나 또는 도 9에서 실 세그먼트(26)의 3개의 홈(34, 36, 38)과 같은 홈].
실 구조물(10)은 원주상에 인접한 실 세그먼트의 홈 내에 맞물릴 수 있는 탄성 무공성 부재(40)[도 1 내지 도 3에 도시된 실 세그먼트(22)의 홈(34)에 맞물린 부재(40)와 같은]를 포함한다. 부재가 맞물릴 때(즉, 회전 장치(12)에 삽입될 때), 부재(40)는 원주상에 인접한 실 세그먼트[도 2의 세그먼트(22, 24)와 같은]들을 분리시킨다. 회전 장치(12)에 삽입될 때, 부재(40)는 원주상에 인접한 실 세그먼트의 홈에 맞물리게 된다. 탄성 무공성 부재(40)는 스프링의 특징(원주상에 인접한 실 세그먼트들을 분리시키는 특징)인 탄성과, 실을 형성하는 무공성(원주상에 인접한 실 세그먼트를 지나는 길이 방향의 누설을 최소화하는 특징)을 갖는다. 비방사상 배열의 홈에서, 무공성 부재는 원주상에 인접한 홈을 포함하는 평면과 수직인 방향을 따라 누설을 최소화하는 실을 형성한다. 바람직하게는, 부재(40)는 스프링 연강으로 제조된다. 이 부재(40)가 도 4에 도시된다. 바람직한 실시예에서, 부재(40)는 일반적으로 "C"자 형상이다(도 6에 도시됨). 부재(42)의 또 다른 바람직한 실시예는 도 7에 도시되고, 이 부재(42)는 일반적으로 "W"자 형상을 갖는다(도 8에 도시됨).
실 세그먼트[도 1 및 도 3에 도시된 실 세그먼트(22)와 도 9에 도시된 실 세그먼트(26)와 같은 실 세그먼트]는 복수개의 열의 래버린스 실 돌기(44)를 갖는다. 바람직한 구조에서, 이러한 실 세그먼트는 복수의 브러시 실 강모(46)를 갖는다. 강모(46)는 1차 실링의 일부를 제공하고, 래버린스 실 돌기(44)는 1차 실링의 나머지를 제공하며, 강모(46)는 모든 1차 실링을 제공하고, 래버린스 실 돌기(44)는 강모의 파손시 대용 실링을 제공하거나, 강모(46)는 래버린스 실 돌기 대용 실링없이 모든 1차 실링을 제공할 수 있다.
동작시에, 회전 장치(12)의 시동 중에 각 부재(40)는 원주상에 인접한 실 세그먼트[실 세그먼트(22, 24)와 같은]를 분리시키도록 민다. 관련 기술 분야의 당업자에게 공지된 바와 같이, 분리시키도록 미는 것은 실 세그먼트를 방사상으로 외부로 이동하게 한다. 래버린스 실 돌기(44)와 회전자(14) 사이의 방사상 거리와 브러시 실 강모(46)와 회전자(14) 사이의 방사상 거리를 크게 하는 것은 시동시 돌기(44)와 강모(46)가 진동하는 회전자(14)와 접촉하여 손상되지 않도록 보호한다. 이러한 일시적인 회전자 진동이 안정 상태 동작 조건동안 안정될 때, 회전 장치(12)는 실 세그먼트(22, 24, 26, 28, 30, 32)를 지나 길이 방향으로 별도로 가스압 또는 증기압을 설정한다. 도 3을 참조하여, 실 세그먼트(22)의 고압측(48)으로부터의 액체는 도관(52)(점선으로 도시됨)을 통해 지나가거나 실 세그먼트(22)와 케이싱(16) 사이의 틈을 통해 지나감으로써 채널(20)의 빈 영역(50)에 도달한다. 이러한 고압 액체는 부재(40)의 대향 동작을 견디는 채널(20) 내의 선반(54)에 대해 내부로 방사상으로 실 세그먼트(22)를 민다. 안정 상태 동작 조건시, 래버린스 실 돌기(44)와 강모(46)는 회전자(14)에 근접하여 봉인된다. 부재(40)는 실 구조물(10)의 고압측(48)과 저압측(56) 사이의 원주상에 인접한 실링 세그먼트[실 세그먼트(22, 24)와 같은] 사이에 실링을 제공한다. 이러한 상호 실 세그먼트 실링은 통상적으로 사용하는 회사 제품의 증기 터빈에서 일반적으로 50%[본 발명의 부재(40)가 없는 동일한 증기 터빈과 비교하여]까지 누설을 감소시킬 것이다.
본 발명의 일부 바람직한 실시예의 전술한 설명은 예시를 목적으로 제공된 것이다. 이는 본 발명을 배타적으로 특정 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 전술한 기술의 범위 내에서 다양한 변형과 수정이 가능한 것으로 이해해야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해 규정된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 탄성 무공성 부재는 누설을 최소화하기 위해 원주상에 인접한 실 세그먼트 사이에 실을 제공한다. 또한, 탄성 무공성 부재는 원주상에 인접한 실 세그먼트들을 스프링에 의해 분리시킨다.

Claims (20)

  1. 길이 방향으로 연장된 축을 갖는 회전자와, 상기 축과 동축으로 배열되고 상기 회전자를 원주상으로 둘러싸며 회전자로부터 방사상으로 이격되어 위치하고 상기 회전자와 동축으로 배열되며 회전자측으로 개방된 원주형 내부 채널을 포함하는 케이싱을 구비한 회전 장치용 실 구조물에 있어서,
    a) 상기 채널 내에 원주형 배열로서 배치 가능하고, 그와 같이 배치될 때 상기 회전자에 인접한 방사상 내부 위치와 방사상 외부 위치 사이에서 이동 가능하며, 원주상에 인접한 각각의 실 세그먼트가 원주상으로 대향해서 결합하는 표면 홈을 갖는 복수개의 실 세그먼트와;
    b) 상기 원주상에 인접한 실 세그먼트의 홈에 맞물릴 수 있으며, 그와 같이 맞물릴 때 상기 원주상에 인접한 실 세그먼트들을 원주상으로 힘을 가하는 탄성 무공성 부재
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 실 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 원주상에 인접한 실 세그먼트의 홈은 방사상으로 배열되는 것인 실 구조물.
  3. 제2항에 있어서, 상기와 같이 배열될 때, 상기 실 세그먼트는 방사상 범위를 가지며, 상기 원주상에 인접한 실 세그먼트의 홈은 상기 실 세그먼트의 상기 방사상 범위의 최소 3/4과 동일한 방사상 거리만큼 연장되는 것인 실 구조물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 원주상에 인접한 실 세그먼트의 홈은 길이 방향으로 배열되는 것인 실 구조물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 원주상에 인접한 실 세그먼트의 홈은 상기 축에 대하여 경사지게 배열되는 것인 실 구조물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 탄성 무공성 부재는 단부상에서 보았을 때 "W"자 형상을 갖는 것인 실 구조물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 탄성 무공성 부재는 단부상에서 보았을 때 "C"자 형상을 갖는 것인 실 구조물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 회전자는 증기 터빈 회전자이고, 상기 케이싱은 증기 터빈 케이싱이며, 상기 탄성 무공성 부재는 복수의 브러시 실 강모를 포함하는 실 구조물.
  9. 제8항에 있어서, 상기 탄성 무공성 부재는 복수개의 열의 래버린스 실 돌기를 포함하는 실 구조물.
  10. 제1항에 있어서, 상기 회전자는 증기 터빈 회전자이고, 상기 케이싱은 증기 터빈 케이싱이며, 상기 탄성 무공성 부재는 복수개의 열의 래버린스 실 돌기를 포함하는 실 구조물.
  11. 회전 장치에 있어서,
    a) 길이 방향으로 연장된 축을 가진 회전자와;
    b) 상기 축과 동축으로 배열되고, 상기 회전자를 원주상으로 둘러싸며 상기 회전자로부터 방사상으로 이격되어 위치하고, 상기 회전자와 동축으로 배열되며 회전자측으로 개방된 원주형 내부 채널을 포함하는 케이싱과;
    c) 상기 채널 내에 원주형 배열로서 배치 가능하고, 상기 회전자에 인접한 방사상 내부 위치와 외부 위치 사이에서 이동 가능하며, 원주상에 인접한 각각의 실 세그먼트가 원주상으로 대향해서 결합하는 표면 홈을 갖는 복수개의 실 세그먼트와;
    d) 상기 원주상에 인접한 실 세그먼트의 홈에 맞물리고, 상기 원주상에 인접한 실 세그먼트들을 원주상으로 힘을 가하는 탄성 무공성 부재
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 원주상에 인접한 실 세그먼트의 홈은 방사상으로 배열되는 것인 회전 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 실 세그먼트는 방사상 범위를 가지며, 상기 원주상에 인접한 실 세그먼트의 홈은 상기 실 세그먼트의 상기 방사상 범위의 최소 3/4과 동일한 방사 거리만큼 연장된 것인 회전 장치.
  14. 제11항에 있어서, 상기 원주상에 인접한 실 세그먼트의 홈은 길이 방향으로 배열되는 것인 회전 장치.
  15. 제11항에 있어서, 상기 원주상에 인접한 실 세그먼트의 홈은 상기 축에 대하여 경사지게 배열되는 것인 회전 장치.
  16. 제11항에 있어서, 상기 탄성 무공성 부재는 "W"자 형상을 갖는 것인 회전 장치.
  17. 제11항에 있어서, 상기 탄성 무공성 부재는 단부상에서 보았을 때 "C"자 형상을 갖는 것인 회전 장치.
  18. 제11항에 있어서, 상기 회전자는 증기 터빈 회전자이고, 상기 케이싱은 증기 터빈 케이싱이며, 상기 탄성 무공성 부재는 복수의 브러시 실 강모를 포함하는 회전 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 탄성 무공성 부재는 복수개의 열의 래버린스 실 돌기를 포함하는 회전 장치.
  20. 제11항에 있어서, 상기 회전자는 증기 터빈 회전자이고, 상기 케이싱은 증기 터빈 케이싱이며, 상기 탄성 무공성 부재는 복수개의 열의 래버린스 실 돌기를 포함하는 회전 장치.
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