KR100744588B1 - 브러시 시일 및 이 브러시 시일을 내장한 회전 장치 - Google Patents

Abstract

브러시 시일(brush seal)은 세장형 강모 홀더에 부착된, 손으로 굴곡될 수 있고 플라스틱을 포함하는 브러시 시일용 강모(bristles)를 포함한다. 회전 장치는 회전자와 고정자 케이싱 세그먼트를 구비하며, 브러시 시일 세그먼트는 대응하는 고정자 케이싱 세그먼트의 표면 홈 내에 각각 배치된다. 일례로, 강모 홀더는 손으로 굴곡될 수 있고, 강모와 강모 홀더는 일체형 유닛을 형성하며, 브러시 시일은 스풀(spool)상에 코일 형태로 감길 수 있고, 또 그 스풀에서 소정의 길이로 절단될 수 있어, 특정 고정자 케이싱 세그먼트에 맞는 특정 반경 및 특정 원주 방향 길이의 브러시 시일 세그먼트를 제조해야할 필요성을 방지할 수 있다.

Description

브러시 시일 및 이 브러시 시일을 내장한 회전 장치{BRUSH SEAL AND ROTARY MACHINE INCLUDING SUCH BRUSH SEAL}

도 1은 본 발명의 회전 장치와 브러시 시일을, 회전 장치의 회전자의 종방향 축에 직각을 이루는 단면에서 취한 횡단면도.

도 2는 도 1의 선 2-2를 따라 취한 도 1의 회전 장치 및 브러시 시일의 횡단면도.

도 3은 강모 홀더 및 이에 일체형 유닛으로서 부착된 강모를 도시하는 도 1의 브러시 시일의 일부분의 제1 구성의 개략적인 사시도.

도 4는 상기 강모와 별개 유닛으로서의 강모 홀더를 도시하는 도 1의 브러시 시일의 일부분의 제2 구성의 개략적인 사시도.

도 5는 제1 형태로 굴곡된 도 1의 브러시 시일 세그먼트 중 하나의 정면도.

도 6은 제2 형태로 굴곡된 도 5의 브러시 시일 세그먼트의 정면도.

도 7은 브러시 시일 세그먼트가 스풀로부터 절단되기 전에 스풀에 감겨져 있는 도 1의 브러시 시일의 개략적인 사시도.

도 8은 고정자 케이싱 세그먼트의 표면 홈에 막 삽입되고 있는 도 6의 브러시 시일 세그먼트와 함께 도 1의 회전 장치의 일부분을 나타내는 개략적인 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 브러시 시일

12 : 회전 장치

14, 16 : 브러시 시일 세그먼트

18 : 브러시 시일용 강모

20 : 강모 홀더

22 : 고정단

24 : 자유단

본 발명은 시일(seal)에 관한 것으로, 특히 회전 장치용 브러시 시일(brush seal)에 관한 것이다.

회전 장치는 증기 터빈용 터빈과 가스 터빈용 압축기 및 터빈을 포함하는 데, 이에 국한된 것은 아니다. 증기 터빈은 통상 직렬 흐름(serial-flow) 관계로 증기 흡입구, 터빈 및 증기 배출구를 구비하는 증기 경로를 갖는다. 가스 터빈은 통상 직렬 흐름 관계로 공기 주입구(또는 흡입구), 압축기, 연소실, 터빈 및 가스 배출구(또는 배기 노즐)를 구비하는 가스 경로를 갖는다. 고압 영역으로부터 저압 영역에 이르는 가스 또는 증기 경로 밖으로 또는 그 가스 또는 증기 경로 안으로의 가스 또는 증기 누출은 일반적으로 바람직하지 않다. 예를 들어, 가스 터빈의 터빈 또는 압축기 영역에 있어서, 터빈 또는 압축기의 회전자와 이를 원주 방향으로 둘러싸는 터빈 또는 압축기 케이싱 사이에서의 가스 경로 누설은 가스 터빈의 효율을 떨어뜨려서 연료 비용을 증가시킬 것이다. 또한, 증기 터빈의 터빈 영역에 있어서, 터빈의 회전자와 이를 원주 방향으로 둘러싸는 케이싱 사이에서의 증기 경로 누설도 증기 터빈의 효율을 떨어뜨려서 연료 비용을 증가시킬 것이다.

가스 터빈 및 증기 터빈에서의 회전자와 그 둘레의 케이싱(즉, 고정자 케이싱) 사이에는 환형의 브러시 시일을 사용하여 왔거나 사용하도록 제안되어 왔다. 가스 터빈 또는 증기 터빈의 브러시 시일은 원주 방향으로 배열된 브러시 시일의 세그먼트(segment)로 구성된다. 각 브러시 시일 세그먼트는 원형 링의 환형 세그먼트 모양을 갖는 금속 강모 홀더에 (예를 들면 용접 등에 의해) 부착된 복수 개의 가요성 금속 와이어 강모를 구비한다. 강모 홀더는 고정된 반경을 가지며, 또 이 반경에 대응하면서 강모가 부착된 상태로 강모 홀더가 삽입될 환형 케이싱 세그먼트의 표면 홈의 원주 방향 길이에 대응하는 고정된 원주 방향 길이를 갖는다. 강모 홀더는 시일의 저압측과 강모 사이에 위치한 지지판을 구비하여, 강모의 자유단이 지지판의 반경 방향 내측 단부를 지나 반경 방향 내측으로 연장하게 된다.

제1 실시예에 있어서, 본 발명의 브러시 시일은, 손으로 굴곡될 수 있고 플라스틱을 함유하는 브러시 시일용 강모 및 세장형 강모 홀더를 포함한다. 각 강모는 고정단과 자유단을 갖는다. 강모의 고정단은 강모 홀더에 고정적으로 부착된다. 하나의 구성에 있어서, 강모 홀더는 손으로 굴곡될 수 있고 수공구(hand tool)로 절단할 수 있으며, 강모 홀더와 강모는 함께 일체형 유닛을 형성하고, 강모가 고정적으로 부착된 강모 홀더는 복수 회 감긴 코일 형태로 손으로 굴곡될 수 있다.

제2 실시예에 있어서, 본 발명의 회전 장치는, 회전자, 고정자 케이싱 세그먼트 및 브러시 시일 세그먼트를 구비한다. 회전자는 종방향 축을 갖는다. 고정자 케이싱 세그먼트들은 원주 방향으로 함께 정렬되어 고정자 케이싱을 생성하는 데, 이 고정자 케이싱은 대체로 종방향 축과 동축으로 정렬되어, 회전자로부터 반경 방향으로 간격을 두고 그 회전자를 원주 방향으로 둘러싸게 된다. 각각의 고정자 케이싱 세그먼트는 표면 홈을 구비하며, 이들 표면 홈은 대체로 상기 종방향 축과 동축으로 정렬되어 회전자를 향해 개방되는 원주 방향 채널을 함께 형성한다. 각각의 브러시 시일 세그먼트는 손으로 굴곡될 수 있고 플라스틱을 함유하는 브러시 시일용 강모와, 세장형 강모 홀더를 구비한다. 각 강모는 고정단 및 자유단을 갖는다. 강모의 고정단은 강모 홀더에 고정적으로 부착된다. 강모 홀더는 대응하는 고정자 케이싱 세그먼트의 표면 홈 내에 배치된다. 하나의 구성에 있어서, 강모 홀더는 배치된 강모 홀더가 굴곡된 상태로 되게 손으로 굴곡될 수 있는 동시에, 배치된 강모 홀더가 수공구로 절단된 원주 방향 단부를 갖도록 소정 원주 방향 길이로 수공구에 의해 절단될 수 있다.

본 발명을 통해 여러 가지 이득 및 장점이 얻어진다. 대부분의 플라스틱은 전기적으로 비전도성이고, 이러한 플라스틱으로 된 강모는 종래의 브러시 시일의 경우에는 적합하지 않았던 발전기 용례에 사용될 수 있다. 종래 기술의 브러시 시일 세그먼트가 특정 반경 및 원주 방향 길이로 공장에서 개별적으로 제조되어 왔던 반면에, 굴곡될 수 있고 수공구로 절단할 수 있는 강모 홀더는 브러시 시일을 스풀상에 복수회 감을 수 있도록 되어 있어, 기존의 회전 장치에서의 시일 교환을 필요로 하는 위치로 가져가 필요한 원주 방향 길이로 절단하고, 이어서 임의의 반경의 표면 홈 안으로 굴곡시켜 삽입할 수 있게 해준다. 실제로, 일체형 플라스틱 브러시 시일은 큰 강모 홀더로부터 강모가 생성될 수 있으며, 또 개개의 강모의 고정단을 강모 홀더에 부착하였던 종래 기술의 문제점을 피할 수 있다.

도면을 참조하면, 도 1 및 도 2는 본 발명의 브러시 시일(10)의 실시예와 본 발명의 회전 장치(12)의 실시예를 개략적으로 도시한다. 브러시 시일(10)은 회전 장치의 부품으로서 설치될 때에 통상 복수 개의 브러시 시일 세그먼트(14, 16)를 포함한다. 도 1에서는 2개의 브러시 시일 세그먼트(14, 16)를 구비한 브러시 시일이 도시되어 있지만, 보통은 더 많은 브러시 시일 세그먼트가 사용된다는 것을 이해할 것이다. 회전 장치는 발전기이거나, 증기 터빈의 고압, 중압 또는 저압 터빈이거나, 혹은 가스 터빈의 압축기 또는 터빈부일 수 있으며 이들에 국한된 것은 아니다.

본 발명의 브러시 시일(10)은 정지 상태의 2개의 표면들 사이, 적어도 1개는 진동을 겪고 있는 2개의 표면들 사이, 적어도 1개는 회전 중인 2개의 표면들 사이, 그리고 적어도 1개는 선형으로 진동 중인 2개의 표면들 사이의 틈새를 밀봉(sealing)하는 등과 같은 많은 용례를 가지며, 이에 국한된 것은 아니다. 이 틈새는 환형, 직사각형, 또는 임의의 형상일 수 있다. 브러시 시일(10)은 일반적으로 고압 영역과 저압 영역 간의 유체 누설에 대해 틈새를 밀봉하는 데, 그러한 유체로는 공기, 연소 가스, 증기, 그리고 수소와 오일 미스트(oil mist)의 혼합물이 있으며, 이에 국한된 것은 아니다.

브러시 시일(10)은 손으로 굴곡될 수 있는 복수 개의 브러시 시일용 강모(18)와 세장형 강모 홀더(20)를 구비한다. 각 강모(18)는 플라스틱을 포함하며, 고정단(22) 및 자유단(24)을 갖는다. 강모(18)의 고정단(22)은 강모 홀더(20)에 고정되게 부착된다. 용어 "플라스틱"은 매그로우-힐(McGraw-Hill)사의 과학 및 기술 용어 사전의 제4판(1989)에서 확인할 수 있는, "유동에 의해 성형될 수 있는 큰 분자량의 폴리머 물질(보통 유기 물질); (수지, 균질의 폴리머 시작 물질에 대하여) 충전재, 가소제, 안료 및 안정제가 포함된 최종 생산물을 통상 지칭함; 예로서는 폴리비닐 클로라이드, 폴리에틸렌 및 요소-포름 알데히드"로서 정의할 수 있다. 하나의 예로서, 각 강모(18)는 적어도 50 중량% 플라스틱을 함유하며, 다른 예에서는, 강모(18)는 본질적으로 플라스틱으로 구성된다. 본 발명을 설명하기 위해, 전문 용어 "플라스틱"은 플라스틱의 혼합물을 포함한다.

도 3에 도시한 바와 같은 본 발명의 브러시 시일(110)의 제1 구성에 있어서, 강모 홀더(120)와 강모(118)는 함께 일체형 유닛을 형성한다. 도 3에서는 강모(118) 중 1개가 굴곡된 상태로 도시되어 있다. 일체형 유닛의 강모 부분은 유아용의 플라스틱제 일체형 헤어 브러시의 강모를 생산하는 데에 사용되는 바와 같은 당업자에게 공지된 종래의 기법에 의해 제조된다. 도 4에 도시한 바와 같은 본 발명의 브러시 시일(210)의 제2 구성에 있어서, 강모 홀더(220)가 강모(218)와는 별개인 유닛이다. 도시하지 않은 일례에서, 강모 홀더는 금속(이 금속이라는 용어에는 합금도 포함됨)이고, 다른 예에서, 강모 홀더(220)는 플라스틱을 포함하거나 본질적으로 플라스틱으로 구성된다. 하나의 조립 형태에 있어서, 강모(218)의 고정단(222)은 강모 홀더(220)에 접착제로 접합된다.

제1 구성에 있어서, 도 5에 도시한 바와 같이 브러시 시일 세그먼트(14) 즉, 브러시 시일(10)의 강모 홀더(20)는 도 1에 도시한 바와 같이 브러시 시일(10)의 브러시 시일 세그먼트(14, 16)의 강모 홀더에 의해 형성된 링과 같은 대체로 제1 원형 링의 제1 환형 세그먼트를 이루는 제1 형태로 손으로 굴곡될 수 있다. 제1 환형 세그먼트는 제1 원주 방향 길이(26), 종방향 축(28) 및 제1 반경(30)을 갖는다. 강모(18)는 강모 홀더(20)가 제1 형태로 굴곡될 때에 도 2에 도시한 바와 같이 전체적으로 제1 환형 세그먼트 내에서 대체로 종방향 및 반경 방향으로 배치된다. 통상, 도 1 및 도 5에 도시한 바와 같이, 각 강모(18)는 제1 종방향 축(28)에서부터 각 강모(18)의 고정단(22)까지 연장되는 반경선으로부터 보통 45°각도로 기울어진다.

추가로, 그러한 구성에 있어서는 브러시 시일 세그먼트(14) 즉, 브러시 시일(10)의 강모 홀더(20)가 도 6에 도시한 바와 같이 대체로 제2 원형 링의 제2 환형 세그먼트를 이루는 제2 형태로도 손으로 굴곡될 수 있다. 제2 환형 세그먼트는 제1 환형 세그먼트와 동일한 제1 원주 방향 길이(26)를 가지며, 제1 반경(30)과는 상이한 제2 반경(32)을 갖는다. 강모(18)는 강모 홀더(20)가 제2 형태로 굴곡될 때에 전체적으로 제2 환형 세그먼트 내에서 대체로 종방향 및 반경 방향으로 배치된다.

게다가, 그러한 구성에 있어서는 강모 홀더(20)는 복수회 감긴 코일 형태로 손으로 굴곡될 수 있다. 일반적으로, 도 7에 도시한 바와 같이, 고정적으로 부착된 강모(18)가 있는 강모 홀더(20)는 스풀(34)에 권취되어 있다. 여기에서, 고정적으로 부착된 강모(18)가 있는 강모 홀더(20)는 제1 원주 방향 길이(26)보다 짧은 원주 방향 길이로 수공구에 의해 절단될 수 있다. 다른 별도의 구성에 있어서는, 강모 홀더(도시하지 않음)는 손으로 취급하기에는 강성을 가지며 특정 형태로 제조된다.

회전 장치(12)는 회전자(36), 복수 개의 고정자 케이싱 세그먼트(38, 40) 및 복수 개의 브러시 시일 세그먼트(14, 16)를 구비한다. 회전자(36)는 종방향 축(42)을 갖는다. 도 1에 도시한 바와 같이 고정자 케이싱 세그먼트(38, 40)는 원주 방향으로 함께 배열되어 고정자 케이싱(44)을 형성하게 되는 데, 이 고정자 케이싱(44)는 대체로 종방향 축(42)과 동축으로 정렬되어, 회전자(36)로부터 반경 방향으로 간격을 두고 그 회전자(36)를 원주 방향으로 둘러싸도록 배치된다. 고정자 케이싱 세그먼트(38, 40)는 각각 대체로 종방향 축(42)과 동축으로 정렬되어 회전자(36)를 향해 개방된 원주 방향 채널을 함께 형성하게 되는 표면 홈(46)을 갖고 있다. 고정자 케이싱은 2개보다 많은 고정자 케이싱 세그먼트를 구비할 수 있다는 점을 유념해야 한다.

일반적으로, 브러시 시일 세그먼트(14 또는 16)는 대응하는 고정자 케이싱 세그먼트(38 또는 40)에 설치하기 위한 길이로 절단된 전술한 브러시 시일(10)의 일부분이다. 브러시 시일 세그먼트(38, 40)는 각각 복수 개의 가요성 브러시 시일용 강모(18)와 세장형 강모 홀더(20)를 구비한다. 강모(18)는 각각 플라스틱을 포함하며 고정단(22) 및 자유단(24)을 갖고 있다. 강모(18)의 고정단(22)은 강모 홀더(20)에 고정적으로 부착되고, 강모 홀더(20)는 대응하는 고정자 케이싱 세그먼트(38 또는 40)의 표면 홈(46) 내에 배치된다. 강모 홀더(20)는 손으로 굴곡될 수 있고, 굴곡된 상태로 표면 홈(46) 내에 배치된다. 고정적으로 부착된 강모(18)가 있는 강모 홀더(20)는 수공구를 이용하여 소정 원주 방향 길이로 절단할 수 있으며, 배치된 강모 홀더(20)는 수공구로 절단된 원주 방향 단부(48)를 갖는다. 하나의 예에서는 강모 홀더(20)는 고정자 케이싱 세그먼트(38 또는 40)의 표면 홈(46)과 직접 맞물릴 수 있는 도 3의 강모 홀더(120)와 같은 반경 방향으로 두꺼운 강모 홀더이며, 다른 예에서는 강모 홀더는 고정자 케이싱 세그먼트(38 또는 40)의 표면 홈(46)에 직접 맞물리게 되는 하우징(도시 생략)에 고정되는 도 4의 강모 홀더(220)와 같은 반경 방향으로 얇은 (테이프 형상의) 강모 홀더이라는 점을 유념해야 한다. 하우징(도시 생략)의 표면 또는 고정자 케이싱 세그먼트(38)의 표면(50)은 필요한 경우에 브러시 시일 지지판 역할을 한다. 도 2의 도면에서, 스페이서(52)가 강모 홀더(20)를 고정자 케이싱 세그먼트(38, 40)의 표면 홈(46) 내에 고정시키는 것을 보조한다.

본 발명은 종래의 브러시 시일 및 종래의 회전 장치에 비해 여러 가지 이점을 갖는다. 플라스틱 브러시 시일은 금속 브러시 시일보다 저렴하다. 플라스틱 강모는 또한 금속 강모에 비해 강성이 낮고 연마성이 낮은 한편, 내부식성이 좋을 뿐만 아니라, 통상 플라스틱으로 제조된 강모에 대하여 150℃ 이하의 저온 또는 중온 범위의 환경 등에서 우수하게 기능을 수행한다. 대부분의 플라스틱이 전기적으로 비전도성이고, 이러한 플라스틱 강모는 종래의 브러시 시일의 경우에는 부적합하였던 발전기 용례에 사용될 수 있고, 또한 이러한 플라스틱 브러시 시일은 밀봉된 부재들 간에 전기적 분리(절연)를 제공한다. 이러한 용도의 일례로는 수소 냉각식 발전기의 수소 및 오일 미스트(oil mist)의 환경에서 사용하는 것이 있고, 이 경우 오일 미스트는 "심지(wicking)" 작용을 하여, 특히 낮은 압력 강하 시에 밀봉 효과를 개선하며, 대부분의 플라스틱은 금속으로 제조된 강모와 같이 수소 중에서의 취화(embrittlement) 문제를 갖지 않는다. 플라스틱 강모용 재료의 선택은 당업자의 몫이고 온도 등의 동작 환경의 필요 조건에 달려있다. 종래의 브러시 시일 세그먼트는 특정 고정자 케이싱 세그먼트에 맞도록 특정 반경 및 원주 방향 길이로 공장에서 개별적으로 제조되는 반면에, 굴곡될 수 있고 수공구로 절단 가능한 강모 홀더는 브러시 시일을 스풀상에 복수회 감을 수 있게 해주는 동시에, 기존의 회전 장치에서의 시일 교환을 필요로 하는 위치로 가져가 필요한 원주 방향 길이로 절단하고, 이어서 도 8에 도시한 바와 같이 임의의 반경의 표면 홈 안으로 굴곡시켜 삽입할 수 있게 해준다. 실제로, 일체형 플라스틱 브러시 시일은 큰 강모 홀더로부터 강모가 생성될 수 있게 하며, 또 개개의 강모의 고정단을 강모 홀더에 부착하였던 종래 기술의 문제점을 피할 수 있다. 또한, 떨어진 플라스틱 강모는 회전 장치에서 떨어진 금속 강모가 유발시키는 것에 비해 하류측 손상을 덜 유발시킬 것이다.

본 발명의 여러 실시예의 전술한 설명은 예시를 목적으로 제시하였다. 본 발명을 철저히 규명하거나 공개된 정밀한 형식에 제한시킬 의도는 없으며, 상기 설명의 견지에서 많은 변형 및 변화가 분명히 가능하다. 본 발명의 범위를 이하에 첨부된 청구항으로 한정하고자 한다.

Claims (18)

1. 삭제
2. 각각 플라스틱을 포함하고 고정단 및 자유단을 갖는 복수 개의 강모와;

   제1 원형 링의 제1 환형 세그먼트(annular segment)를 이루는 제1 형태로 손으로 굴곡될 수 있는 세장형 강모 홀더

   를 포함하고, 상기 강모의 고정단은 상기 강모 홀더에 고정적으로 부착되며,상기 강모 홀더의 제1 환형 세그먼트는 제1 원주 방향 길이, 제1 종방향 축 및 제1 반경을 가지며, 상기 강모는 상기 강모 홀더가 상기 제1 형태로 굴곡될 때에 전체적으로 상기 제1 환형 세그먼트 내에서 종방향 및 반경 방향으로 배치되는 것인 브러시 시일.
3. 제2항에 있어서, 상기 강모 홀더는 제2 원형 링의 제2 환형 세그먼트를 이루는 제2 형태로 손으로 굴곡될 수 있고, 상기 제2 환형 세그먼트는 상기 제1 반경과 상이한 제2 반경을 가지며, 상기 강모는 상기 강모 홀더가 제2 형태로 굴곡될 때에 전체적으로 상기 제2 환형 세그먼트 내에서 종방향 및 반경 방향으로 배치되는 것인 브러시 시일.
4. 제3항에 있어서, 상기 고정적으로 부착된 강모를 갖는 강모 홀더는 제1 원주 방향 길이보다 짧은 원주 방향 길이로 수공구(hand tool)로 절단 가능한 것인 브러시 시일.
5. 제4항에 있어서, 상기 강모 홀더와 상기 강모는 함께 일체형 유닛을 형성하는 것인 브러시 시일.
6. 제4항에 있어서, 상기 강모 홀더는 상기 강모와 별개의 유닛인 것인 브러시 시일.
7. 제6항에 있어서, 상기 강모의 고정단은 상기 강모 홀더에 접착제로 접합된 것인 브러시 시일.
8. 제4항에 있어서, 각각의 강모는 제1 종방향 축으로부터 각 강모의 고정단까지 연장되는 반경선으로부터 45°각도로 경사진 것인 브러시 시일.
9. 제4항에 있어서, 각각의 강모는 플라스틱으로 이루어지는 것인 브러시 시일.
10. 제4항에 있어서, 상기 고정적으로 부착된 강모를 갖는 강모 홀더는 복수 회 감긴 코일 형태로 손으로 굴곡될 수 있는 것인 브러시 시일.
11. 청구항 2에 따른 하나 이상의 브러시 시일을 포함하는 복수 개의 브러시 시일 세그먼트와;

    종방향 축을 갖는 회전자와;

    상기 종방향 축과 동축으로 정렬되어 상기 회전자로부터 반경 방향으로 간격을 두고 그 회전자를 원주 방향으로 둘러싸도록 배치되는 고정자 케이싱을 형성하도록 원주 방향으로 함께 배열되는 한편, 상기 종방향 축과 동축으로 정렬되어 상기 회전자를 향해 개방된 원주 방향 채널을 함께 형성하는 표면 홈을 각각 구비하는 복수 개의 고정자 케이싱 세그먼트

    를 포함하며, 상기 브러시 시일 세그먼트는 상기 원주 방향 채널 내에 유지되는 것인 회전 장치.
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제

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