KR100659414B1

KR100659414B1 - 자동조심 브러시 시일을 포함하는 회전 기계

Info

Publication number: KR100659414B1
Application number: KR1020017012402A
Authority: KR
Inventors: 레루즈코조지어니스트; 우드만시도날드어니스트; 딩크오스만사임; 턴퀴스트노만아놀드; 올페크리스토퍼에드워드
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2006-12-18
Also published as: EP1169585B1; WO2001055625A1; DE60018396T2; DE60018396D1; KR20010112379A; JP2003521649A; EP1169585A1

Abstract

자동조심 브러시 시일은 정지 요소내에 회전 가능한 요소를 중심으로 형성된 환형의 홈내에 배치되며, 정지 요소 및 회전 가능한 요소는 공통의 축선을 갖는다. 브러시 시일은 돌출하여 회전 가능한 요소와 밀봉 결합하는 다수의 강모를 구비한다. 브러시 시일은 홈내에, 고정 요소의 축선에 대한 회전 요소의 회전 축선의 편향에 관계없이, 브러시 시일이 회전 요소와 동심을 유지하도록 홈내에서 자유로이 부동하는 반경방향 편위운동을 가능하게 하는 반경방향 간극을 갖는다. 다른 형태에 있어서, 브러시 시일은 강모의 선단이 회전 가능한 요소에 대해 밀봉 가능하게 하는 반경방향 운동하도록 세그먼트를 편향시키는 나선형 코일 스프링을 갖는 다수의 아치형 세그먼트를 포함한다. 또 다른 실시예에 있어서, 판 스프링은 강모가 회전 가능한 요소와 결합을 유지하도록 각각의 세그먼트를 편향시킨다. 또 하나의 실시예에 있어서, 실 세그먼트는 세그먼트의 대향하는 측면상의 고압 및 저압 영역을 밀봉하는 O-링 실로 반경방향으로 압력이 균등화된다.

Description

자동조심 브러시 시일을 포함하는 회전 기계{SELF-CENTERING BRUSH SEAL}

본 발명은 증기 및 가스 터빈과 같은 회전 기계용 브러시 시일(brush seal)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전 요소와 정지 요소 사이의 밀봉을 위한 자동조심(自動調心, self-centering) 브러시 시일에 관한 것이다.

발전 및 기계적 구동 분야에 사용되는 증기 및 가스 터빈과 같은 회전 기계는 일반적으로 다수의 터빈 단으로 구성되는 대형 기계이다. 터빈에 있어서, 터빈 단을 통해 유동하는 고온의 고압 유체는 일련의 정지 요소 및 회전 요소를 관통해야 하고 누설을 제어하기 위해 정지 요소 및 회전 요소 사이에 실(seal)이 사용된다. 실은 또한 고온의 가스 통로에서보다 터빈의 다른 영역, 즉 회전 축과 정지 요소간의 단부 패킹에 사용된다. 터빈 효율은 누설을 방지하는 실의 능력에 직접적으로 좌우된다.

다양한 유형의 실이, 터보 기계류(turbomachinery) 뿐만 아니라, 다른 기계류내의 회전 요소 및 정지 요소 사이에 사용되었다. 그러한 실에는 래비린스형(labyrinth-type) 실, 브러시 시일, 및 조합 래비린스/브러시 시일이 포함되었다. 브러시 시일은 다른 유형의 실과 비교할 때 많은 장점과 이점을 갖는다. 브러시 시일은 통상 정지 요소내에, 예컨대 회전 요소를 중심으로 한 일정한 반경방향 위치내에 부착된다. 그러한 고정된 브러시 시일이 항상 동심을 유지하는 시스템에 대해 매우 만족스러운 밀봉을 제공하지만, 고정된 브러시 시일은 터빈의 열 과도(thermal transient) 및 안정상태 작동 상황 도중 회전 요소 및 정지 요소간의 큰 상대적 편심(off-axis) 운동을 수용하지 않는다. 즉, 브러시 시일은 축을 중심으로 한 하우징에 대한 축의 매우 작은 반경방향 편위운동(excursion)만을 수용한다. 분석에 의해 정밀하게 일시적 운동을 예상하는 것을 매우 어려운 작업이다. 정지 요소와 고정 요소간의 상대적 운동의 측정은 비용이 들고 시간이 소요될 수 있다. 회전 요소 및 정지 요소의 중심선이 조립 또는 작동시 동심이 아닌 경우, 실은 자체로서는 회전 요소를 중심으로 한 동심을 유지할 수 없다. 부적절하게 위치한 고정된 브러시 시일의 결과는 중대할 수 있다. 예를 들면, 축과 브러시 시일 지지판이 마찰할 수 있고 마찰시 발생된 열로 인해 로터 진동이 있을 수 있다. 일반적으로, 브러시 시일의 성능이 저하한다. 마찰의 가능성을 감소시키기 위해 브러시 시일 펜스 높이, 즉 회전 축과 지지판의 에지 사이의 반경방향 거리가 증가될 수 있지만, 이는 실의 가압 능력을 감소시킨다.

발명의 요약

본 발명에 따르면, 회전 요소의 반경방향 편위운동시 브러시 시일이 회전 요소의 축선과 동심을 유지할 수 있게 하는 자동조심(自動調心, self-centering) 브러시 시일이 제공된다. 본 브러시 시일은 다수의 상이한 형태로 제공될 수 있다. 그 기본적인 형태에 있어서, 브러시 시일은 환형의 지지판을 포함할 수 있으며 브러시 시일 강모(bristle)는 회전 요소와 결합하도록 지지판으로부터 반경방향으로 연장되거나 또는 회전 방향으로 경사지게 된다. 브러시 시일은 정지 요소내의 홈내에 배치되고 홈은 홈의 기부와 브러시 시일의 반경방향 최외측 부분 사이에 반경방향의 간극을 제공한다. 브러시 시일상의 반경방향 구속을 제거함으로써, 실은 반경방향으로 "부동(float)" 할 수 있고 비대칭적인 강모의 큰 변형 없이 회전 축의 반경방향 편위운동을 추종할 수 있다. 이러한 방식으로, 실은 회전 요소의 회전 축선과 동심을 유지할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 자동조심 브러시 시일은 분할된 형태로 제공된다. 즉, 브러시 시일의 강모용의 지지판 또는 상류 및 하류 지지판을 포함할 수 있는 다수의 아치형 세그먼트가 짧은 세그먼트, 예컨대 60°또는 90°로 연장되고 회전 요소를 중심으로 한 실질적으로 폐쇄된 환형 링을 함께 구성하는 세그먼트로 제공된다. 이에 의해 형성된 세그먼트와 환형 링은 정지 요소내의 홈내에 요구되는 반경방향 간극으로, 이 뿐만 아니라 브러시 시일 강모의 회전 요소와의 결합을 유지하기 위해 세그먼트를 반경방향 내측으로 편향시키는 스프링과 함께 배치된다. 바람직한 형태의 스프링은 세그먼트의 외주를 중심으로 최대 360°로 연장되는 가터 스프링(garter spring)이 될 수 있다. 변형예로서, 반경방향 내측의 편향은 다수의 판 스프링(leaf spring)으로 제공될 수 있으며 각각의 세그먼트에 대하여 하나의 판 스프링이 반경방향 홈의 기부와 세그먼트의 외측 표면 사이에 유지된다. 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 조합된 가터/O-링 실이 정지 요소의 홈내의 제 2 홈내에 배치되도록 제공될 수 있다.

가터 스프링과 O-링 실을 조합함으로써, 압력이 균등화된 분할된 브러시 시일이 제공될 수 있다. 본 실시예는 저압의 유체를 O-링 실의 하류의 홈내로 흐르게 함으로써 브러시 시일의 내경 및 외경상의 압력을 균등화한다. 모든 실시예에서의 스프링에 의해 제공된 편향은 스프링의 강성이 강모 팩의 강성에 비해 작도록 되어 야 함을 알 수 있을 것이다. 스프링은 실 세그먼트를 축과 접촉하게 유지할 뿐만 아니라 회전 요소 및 정지 요소 사이의 상대적 편심 운동시 실이 설계된 펜스 높이를 유지하게 한다.

본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 축선을 중심으로 회전 가능한 요소와, 축선을 중심으로 회전하지 않게 고정되고 회전 가능한 요소를 향해 개방된 원주방향으로 연장되는 홈을 갖는 고정 요소와, 홈내에 배치되며 다수의 강모와 강모용 지지부를 구비하는 브러시 시일을 포함하는 회전 기계가 제공되며, 강모는 지지부에 고정되고 지지부로부터 지지부를 지나 돌출하여 회전 가능한 요소와 밀봉 결합하며, 브러시 시일과 홈은 이들 사이에, 고정 요소의 축선에 상대적인 회전 가능한 요소의 회전 축선의 편향에 관계없이, 브러시 시일이 회전 가능한 요소와 실질적인 동심과 밀봉 결합을 유지하기 위해 반경방향 운동 가능하게 하는 간극을 갖는다.

따라서, 터보 기계류에서의 회전 요소 및 정지 요소 사이의 밀봉을 위한 신규하고 개량된 자동조심 브러시 시일 조립체를 제공하는 것이 본 발명의 주된 목적이다.

도 1은 본 발명에 따른 회전 요소 및 정지 요소 사이의 자동조심 브러시 시일을 도시하는 부분 단면도,

도 2는 다른 실시예를 도시하는 도 1과 유사한 도면,

도 3은 도 2의 3-3선을 따라 취한 부분 단면도,

도 4는 본 발명의 제 3 실시예 에서의 브러시 시일 세그먼트를 도시하는 도 1과 유사한 도면,

도 5는 도 4의 실시예의 브러시 시일 세그먼트와 세그먼트를 편향시키는 판 스프링을 도시하며 회전 요소 및 정지 요소를 통한 부분 단면도,

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하는 도 1과 유사한 도면,

도 7은 브러시 시일의 지지판과 결합하는 축방향 핀을 도시하는 도 1과 유사한 도면,

도 8은 지지판의 플랜지내의 반경방향 핀을 도시하는 도 4와 유사한 도면.

도면, 특히 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 회전 요소 및 정지 요소 사이의 자동조심 브러시 시일이 도시되어 있다. 특히, 브러시 시일(10)은 회전 요소, 예컨대, 축(12)과 정지 요소, 예컨대, 축(12)을 둘러싸는 하우징(14) 사이에 배치되며, 축(12)의 회전 축선은 참조부호(A)로 지시되어 있다. 하우징(14)을 관통하는 개구는 원형이며 축선(A)과 공통의 축선상에 위치함을 알 수 있을 것이다.

브러시 시일(10)은 복수의 강모(16)를 구비하며, 이 강모(16)는 대체로 반경방향으로 연장될 수 있지만, 바람직하게는 예컨대 도 3 및 도 5의 실시예에 도시된 바와 같이, 반경방향으로부터 축(12)의 회전 방향으로 각도 어긋나게 위치될 수 있다. 강모는 각각 한 쌍의 판(18, 20)사이에 협착되거나 또는 배치된다. 판(18, 20)뿐만 아니라, 강모(16)가 회전 축(12)을 중심으로 완전한 360°의 환대를 형성한다. 강모(16)는, 큰 직경의 와이어가 고압의 환경에서 사용될지라도, 일반적으로 0.002 내지 0.006인치의 직경으로 인발된 합금 금속 와이어로 형성된다. 그러나, 예컨대, 인코넬 X750(Inconel X750) 또는 헤인즈-25(Haynes-25)로 형성된 금속 강모가 바람직할지라도, 강모는 폴리머 또는 세라믹 재료로 형성될 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 도 1을 다시 참조하면, 지지판(20)이 고압측으로부터의 부하하에서의 강모(16)의 휨(deflection)을 방지함을 알 수 있을 것이며, 도면에서 밀봉 누설의 방향은 화살표(B)로 지시되어 있고 좌측에서 우측으로 되어 있다. 따라서, 강모(16)의 말단 단부는 하류의 환형 지지판(20)의 내경 에지를 지나 돌출하여 회전 요소, 즉 회전 축(12)의 표면과 결합하고 밀봉을 형성한다. 강모(16)는, 예컨대 브러시 시일의 반경방향의 최외측 직경을 따라서 용접 비드(22)를 제공함으로써, 판(18, 20) 사이에 용접되는 것이 바람직하다. 강모는 지지판(20)의 반경방향 내측 단부로부터 반경방향에서의 회전 요소의 최대 휨과 상응하는 반경방향 거리(h)만큼 돌출한다. 따라서, 거리(h)는 최대 휨에 상응하는 최소값이 되어야 하고 특정한 기계 및 실 위치에 대한 그 축선(A)에 대한 회전 요소의 예상되는 상대적 반경방향 휨 또는 편향에 따른다. 따라서, 거리(h)는 지지판(20)에 대한 최소 펜스 높이가 되고 그 내경 에지는 축까지 거리(h)를 초과해야 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 브러시 시일(10)은 정지 요소(14)의 내측 표면을 통해 형성된 홈(24)내에 배치된다. 홈(24)의 기부(26)는 브러시 시일의 외경을 초과하는 직경을 가져 브러시 시일과 홈의 기부 사이에 반경방향 간극을 형성한다. 이러한 형태의 결과로서, 브러시 시일의 반경방향 운동에 대한 모든 구속이 제거되어 브러실(10)이 홈(24)내에서 "부동(浮動)" 됨을 알 수 있을 것이다. 따라서, 브러시 시일(10)은, 열 과도 및 안정상태 작동 상황 도중 축선(A)의 반경방향 편위운동에 관계없이, 회전 요소(12)의 회전 축선(A)과 동심을 유지하게 된다. 즉, 축(12)의 실제의 회전은 그 설계된 회전 축선으로부터 반경방향으로 편향될 수 있으며, 이 경우에 브러시 시일(10)은 홈(24)내에서의 반경방향 운동에 의해 축(12)의 축선(A)과 자동정렬(self-align)되거나 또는 자동조심(self-center)된다. 따라서, 브러시 시일과 축의 축선은, 조립 또는 작동시 축(12)의 축선의 반경방향 편위운동에 관계없이, 공통의 축선을 갖는다.

동일 부분에 대하여 접미어 "a"를 붙여 동일한 참조부호가 부여된, 도 2 및 도 3을 참조하면, 브러시 시일(10a)은 다수의 아치형 세그먼트, 예컨대 세그먼트(30)의 형태로 제공된다. 세그먼트(30)는 임의의 수의 세그먼트, 예컨대, 4 내지 8 또는 10개의 세그먼트로 구성될 수 있으며, 아치형의 길이에 있어서 서로 동일한 것이 바람직하다. 세그먼트(30)는 또한 반경방향으로 연장되는 단부면 또는, 도시된 바와 같이, 기울어진 강모와 동일한 방향으로 축선(A)의 반경으로부터 기울어진 단부면을 가질 수도 있다. 단부면 사이에 적절한 간격을 위치시킴으로써, 세그먼트(30)가 서로에 대하여 독립적으로 반경방향 내측 및 외측으로 이동할 수 있음을 알 수 있을 것이다.

세그먼트의 강모의 말단 단부가 회전 축(12a)의 표면과 일정한 밀봉 접촉을 유지하기 위해, 세그먼트는 반경방향 내측 방향으로 편향된다. 반경방향 내측 편향을 제공하기 위해, 원주방향으로 연장되는 가터 스프링(32)이 브러시 시일(10a)의 외경에 대해 제공된다. 가터 스프링(32)은 세그먼트를 반경방향 내측으로 편위시키며 강모 팩 두께에 비해 낮은 편향력을 가져 로터(12a)의 반경방향 편위운동시 브러시 시일 세그먼트를 반경방향 외측으로 이동시킨다. 분할된 브러시 시일(10a)은 정지 요소(14a)의 홈(24a)내에서 자유로이 부동하고 있다.

이전의 실시예와 동일한 부분에 대하여 접미어 "b"를 붙여 동일한 참조부호가 부여된 도 4 및 도 5를 참조하면, 이전의 실시예의 세그먼트와 유사한 브러시 시일 세그먼트(30b)가 도시되어 있다. 그러나, 이러한 형태에서는, 반경방향 내측의 편향은 판 스프링(32')에 의해 각각의 세그먼트에 제공된다. 판 스프링은 홈(24b)의 기부(26b) 사이에서 작용하며, 추가적인 판 스프링이 제공될 수 있을 지라도, 각각의 세그먼트(30b)에 대하여 하나의 판 스프링(32')이 제공되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 판 스프링(32')의 일 단부는 조립이 편리하도록 스프링을 세그먼트에 고정시키는 브러시 시일의 외경내의 슬롯내로 안으로 구부러져 있으나, 반대쪽 단부는 자유로이 유지될 수 있다. 따라서, 각각의 세그먼트(30b)는 다른 세그먼트의 내측 편위과는 독립적으로 반경방향 내측으로 편향된다. 이러한 방식으로, 강모(16b)의 말단 단부가, 그 설계된 축선(A)의 축의 반경방향 편위운동에 관계없이, 축(12b)의 외측 표면과 밀봉 접촉을 유지한다.

도 6을 참조하면, 고압의 응용예에서 사용되는 본 발명의 일 실시예가 도시되어 있다. 가터 스프링은 O-링 실과 조합되며 브러시 시일의 내경 및 외경상의 압력을 균등화하기 위해 브러시 시일의 대향하는 측면상에 고압 및 저압 영역을 제공하는 홈내에서 밀봉된다. 홈(24c)은 실의 고압측 또는 상류측상에 더브테일(dovetail)(40)을 구비할 뿐만 아니라 조합된 가터 스프링/O-링 시일을 수용하도록 반경방향 외측으로 형성된 홈(42)을 더 구비한다. 홈(42)과 브러시 시일 세그먼트와 특히 강모는 공통의 직경방향 평면내에 놓인다. 조합된 가터 스프링/O-링 실(44)은 홈(42)내에서 밀봉되고 한 쌍의 챔버(46, 48)를 규정하는 홈(42)의 대향하는 측면 사이에서 밀봉된다. 판(18c)과 정지 후크(50) 사이의 간격으로 인해 고압의 유체가 챔버(46)내로 흐를 수 있고 이에 의해 브러시 시일의 상류측상의 내경(I.D)과 외경(O.D) 사이의 압력을 균등화하게 된다. 통로(45)는 브러시 시일의 하류측상의 저압 영역과 실의 하류측상의 홈(24c)의 챔버(48) 사이에서 연통한다.

이러한 구성의 결과로서, 상류의 판(18c)의 직경에 대해 인가된 고압이 홈(42)내의, 즉 지지판(18c)의 외경상의 챔버(46)내의 고압에 의해 균등화된다. 하류의 판(20c)의 내경과 외경에 대해 인가된 저압이 또한 서로 균등화된다. 따라서, 도 2의 실시예에서와 마찬가지로 정미 반경방향 내측 편위(net radial inward bias)가 가터 스프링에 의해서만 세그먼트에 인가된다.

도 1에 도시된 완전한 360°의 브러시 시일 또는 도 2 내지 도 6에 도시된 분할된 브러시 시일을 포함하는 본 발명의 모든 실시예에 있어서, 브러시 시일에는 회전방지(anti-rotation) 형상이 제공된다. 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이, 반경방향으로 연장되는 슬롯(70)은 브러시 시일용 지지판 중의 하나의 축방향 면을 따라서 형성된다. 축방향으로 연장되는 핀(72)은 정지 요소로부터 반경방향 슬롯(70)내로 돌출하여, 브러시 시일의 원주방향의 운동을 방지하나 실이 회전 요소의 편위운동을 추종할 수 있도록 반경방향 운동을 가능하게 한다. 360°실에 있어서는, 단지 하나의 핀이 필요한 반면, 분할된 실에 있어서는, 세그먼트당 하나의 핀이 필요하다.

도 8은 또 하나의 회전방지 형상을 도시한다. 본 실시예에 있어서, 반경방향으로 개방된 슬롯(74)은 브러시 시일의 지지판 중의 하나의 플랜지(76)내에 형성된다. 정지 요소에 부착된 반경방향으로 연장되는 핀(78)은 슬롯(74)내로 연장되어, 정지 요소에 대한 브러시의 원주방향의 운동을 방지하나, 브러시 시일 세그먼트의 반경방향 운동은 가능하게 한다. 따라서, 회전방지 형상의 양 형태에 있어서, 핀은 정지부(stop)를 형성하여, 정지 요소에 대한 브러시 시일의 실질적인 원주방향의 운동을 방지한다.

본 발명이 현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예로 고려되는 것과 관련하여 기술되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위에 정신과 범위내에 포함되는 다양한 변형과 동등한 설비를 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다.

Claims

회전 기계에 있어서,

축선을 중심으로 회전 가능한 요소와, 상기 축선을 중심으로 회전하지 않게 고정되며 상기 회전 가능한 요소를 향해 개방된 원주방향으로 연장되는 홈을 갖는 고정 요소와,

상기 홈내에 배치되고, 다수의 강모와 상기 강모에 대한 지지부를 구비하는 브러시 시일로서, 상기 강모는 상기 지지부에 고정되어 있고 상기 지지부로부터 상기 지지부를 지나 돌출하여 상기 회전 가능한 요소와 밀봉 결합하는, 상기 브러시 시일을 포함하며,

상기 브러시 시일과 상기 홈은, 이들 사이에 반경방향의 간극을 갖고, 상기 고정 요소의 축선에 대한 상기 회전 가능한 요소의 회전 축선의 편향에 관계없이, 상기 회전 가능한 요소와의 실질적인 동심과 밀봉 결합을 유지하도록 상기 브러시 시일을 반경방향 운동을 가능하게 하며,

상기 회전 가능한 요소가 상기 고정 요소의 반경방향 내측에 놓이고, 상기 브러시 시일이 상기 홈내에 부분적으로 배치된 다수의 아치형이고 원주방향으로 연장되는 세그먼트와 상기 세그먼트에 의해 지지되는 상기 강모가 상기 회전 가능한 요소와 접촉을 유지하기 위해 각각의 세그먼트를 반경방향 내측 방향으로 운동하도록 편향시키는 스프링을 구비하며, 상기 브러시 시일이 상기 브러시 시일의 각각의 상류측 및 하류측상의 고압 및 저압 영역 사이에서 밀봉을 형성하고, 상기 브러시 시일과 상기 홈 사이의 실이 상기 홈을 2개의 챔버로 분할하며, 상기 정지 요소내의 통로가 상기 브러시 시일의 내경 및 외경을 따라서 압력을 균등화하기 위해 상기 하류측으로부터 상기 챔버 중의 하나로 저압의 유체를 연통시키도록 상기 브러시 시일의 하류의 저압측과 연통하는

회전 기계.
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제 1 항에 있어서,

상기 스프링이 상기 세그먼트를 반경방향 내측으로 편향시키기 위해 상기 홈내에서 각각의 세그먼트와 접촉하게 연장되는 원주방향으로 연장되는 나선형 코일 스프링을 구비하는

회전 기계.
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제 1 항에 있어서,

상기 고정 요소에 의해 지지되고 상기 브러시 시일과 결합하는 회전방지 정지부를 구비하여, 상기 브러시 시일의 반경방향 운동을 가능하게 하지만, 상기 브러시 시일의 원주방향의 운동을 방지하는

회전 기계.