KR100878460B1

KR100878460B1 - 래비린스 시일

Info

Publication number: KR100878460B1
Application number: KR1020070067915A
Authority: KR
Inventors: 이용복; 김창호; 김경욱
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2007-07-06
Filing date: 2007-07-06
Publication date: 2009-01-13
Also published as: US20090008881A1; KR20090004032A

Abstract

본 발명은 압축기, 터빈 등에서 터보장치의 회전축을 통한 작동유체의 축방향 누설량을 제어하는데 사용되는 래비린스 시일(labyrinth seal)에 관한 것으로서, 래비린스 시일과 회전축 간의 간격을 액츄에이터를 이용하여 능동제어함으로써 작동유체의 축방향 누설을 목표 누설량과 회전축의 회전 상태에 따라 효율적으로 제어할 수 있는 능동제어가 가능한 가변간극 래비린스 시일을 제공한다.

본 발명에 따른 래비린스 시일은 회전축의 반경 방향으로 연장되어 상기 회전축에 형성되는 밀봉디스크와, 상기 밀봉디스크에 대향하며 상기 밀봉디스크로부터 간극을 두고 배치되는 시일링과, 시일링의 위치를 이동시켜 상기 밀봉디스크와 시일링 사이의 간극을 조절하는 액츄에이터와, 그리고 상기 액츄에이터의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다.

래비린스 시일, 터보장치, 시일링, 밀봉디스크, 밀봉스트립, 작동유체, 누설량, 능동제어, 피드백제어

Description

래비린스 시일{LABYRINTH SEAL}

본 발명은 압축기, 터빈 등에서 터보장치의 회전축을 통한 작동유체의 축방향 누설량을 제어하는데 사용되는 래비린스 시일(labyrinth seal)에 관한 것으로서, 특히 능동제어를 통해 누설량을 제어할 수 있는 가변간극 래비린스 시일에 관한 것이다.

일반적으로 터보장치의 회전축에는 축의 반경 방향 간극을 조절하여 누설을 방지하는 래비린스 시일이 구비된다. 통상적으로 회전축과 래비린스 시일 사이의 간극을 조절하여 축방향의 작동유체의 누설이 제어된다.

도 1은 압축기 및 스팀터빈 등에 사용되는 종래 기술에 따른 가변 간극 래비린스 시일을 도시한 정면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 종래기술에 따른 가변간극 래비린스 시일은 회전축(10)과 하우징(40) 사이에 구비되어 회전축(10) 둘레를 감싸며, 복수개의 세그먼트(20)로 구별된다. 각 래비린스 시일 세그먼트(20) 사이에는 탄성부재(30)가 구비된다. 회전축(10) 외주면에는 다수개의 제1 밀봉스트립(11)이 구비되며, 래비린스 시일 세그먼트(20) 하단에는 다수개의 제2 밀봉스트립(21)이 구비된다. 제1 및 제2 밀봉스트립(11, 21)은 서로 접촉하지는 않지만, 회전축(10)과 래비린스 시일 세그먼트(20) 사이의 간극 사이에 다수개가 구비되어 누설되는 작동유체를 감압하여 회전축 방향의 작동유체의 누설량을 줄일 수 있다.

도 2는 도 1의 A-A' 방향의 단면도로서, 회전축과 래비린스 시일의 간극이 최대로 유지된 상태를 나타낸 단면도이며, 도 3은 도 1의 A-A' 방향의 단면도로서, 회전축과 래비린스 시일의 간극이 최소로 유지된 상태를 나타낸 단면도이다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 탄성부재(30)에 의해 세그먼트(20)들 사이가 벌어지거나, 좁아져서 회전축(10)과의 간극이 조절될 수 있다. 회전축(10)이 구동하기 전에는 탄성부재(30)의 탄성력에 의해 래비린스 시일 세그먼트(20)들 간의 거리가 최대로 유지된다. 따라서, 도 2와 같이, 회전축(10)과 래비린스 시일 간의 간격이 최대로 유지된다. 회전축(10)이 회전하기 시작하면 회전축(10)을 따라 작동유체의 흐름이 발생하며, 이러한 작동유체의 동압에 의해 래비린스 시일 세그먼트(20)들 사이의 간격이 줄어들며, 정상상태로 회전하면 작동유체의 압력에 의해 간격이 최소가 되어 회전축(10)과 래비린스 시일 세그먼트(20) 사이의 제1 및 제2 밀봉스트립(11, 21) 간의 간극이 최소상태가 된다. 따라서, 래비린스 시일 세그먼트(20)의 전후방의 압력차에 의한 힘이 탄성부재(30)의 탄성력과 하우징(40)과 래비린스 시일 세그먼트(20)의 접촉부(21)에서의 마찰력의 합보다 큰 경우 작동유체의 누설을 효과적으로 방지할 수 있다. 그러나 각각의 세그먼트에 작용하는 힘의 크기가 다르기 때문에 최소간극을 유지하는 정상상태의 회전에서 각각의 세그먼트들이 정확한 원형을 형성하기 힘들고, 이 경우 회전축(10)과 세그먼트(20) 간의 원주방향 간극이 일정하지 않기 때문에 작동유체의 누설 성능을 설계한 대로 유지하기 어려운 문제점이 있다.

또한, 종래기술에 따른 회전축이 회전을 시작해서 정상상태에 도달하기 전까지의 과도상태인 경우, 회전축이 공진주파수 영역에서 회전하는 경우, 또는 회전축의 회전중에 외력이 인가되어 진동하거나 굽힘현상이 발생하는 경우 제1 및 제2 밀봉스트립(11, 21)이 서로 부딪혀 파손되거나 마모될 수 있고, 밀봉스트립들의 파손에 따라 작동유체의 누설방지 기능이 저하될 수 있는 문제점이 있다.

또한, 종래기술에 따른 래비린스 시일은 여러 개의 세그먼트를 조립하여야 하기 때문에 구조가 복잡하고 정밀한 가공이 요구되어 제조가 어려운 문제점이 있다.

상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 래비린스 시일과 회전축 간의 간격을 액츄에이터를 이용하여 능동제어함으로써 작동유체의 축방향 누설을 목표 누설량과 회전축의 회전 상태에 따라 효율적으로 제어할 수 있는 능동제어가 가능한 가변간극 래비린스 시일을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 래비린스 시일은 회전축의 반경 방향으로 연장되어 상기 회전축에 형성되는 밀봉디스크와, 상기 밀봉디스크에 대향하며 상기 밀봉디스크로부터 간극을 두고 배치되는 시일링과, 시일링의 위치를 이동시켜 상기 밀봉디스크와 시일링 사이의 간극을 조절하는 액츄에이터와, 그리고 상기 액츄에이터의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다. 상기 밀봉디스크의 일면 또는 양면에 복수의 제1 밀봉스트립이 형성되고, 상기 시일링에는 상기 복수의 제1 밀봉스트립과 대향하는 복수의 제2 밀봉스트립이 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 래비린스 시일은 상기 회전축상으로 누설되는 작동유체의 유량을 측정하는 유량계와, 밀봉디스크와 시일링의 간극을 측정하는 간극센서와, 밀봉디스크 및 회전축의 변위를 측정하는 변위센서를 구비하는 센서부를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 센서부에서 측정된 값들에 기초하여 상기 작동유체의 누설량이 목표 누설량에 도달하도록 상기 액츄에이터를 피드백 제어하는 것이 바람직하다.

상기 회전축의 회전 초기에는 상기 밀봉디스크와 시일링의 간극이 최대가 되게 하고, 회전 초기 이후 상기 간극을 점진적으로 줄이며, 회전축의 회전이 정상상태인 경우 작동유체의 누설량이 목표 누설량과 동일해지면 일정한 간극을 유지하도록 상기 제어부가 상기 액츄에이터를 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 회전축의 회전 중에 가속 또는 감속에 의해 또는 외부의 충격에 의해 진동이나 변위가 발생하는 경우 상기 밀봉디스크와 시일링의 간극을 상기 진동의 크기 또는 변위만큼 넓히도록 상기 제어부가 상기 액츄에이터를 제어하는 것이 바람직하다.

상기 시일링은 상기 밀봉디스크의 양면 모두에 대향하여 한 쌍이 배치될 수 있으며, 상기 액츄에이터는 압전액츄에이터이거나, 상기 액츄에이터는 솔레노이드액츄에이터일 수 있다.

본 발명에 따르면, 래비린스 시일의 시일링과 밀봉디스크의 간극을 능동제어할 수 있기 때문에, 작동유체의 누설량을 목표 누설량으로 정밀하게 제어할 수 있는 효과가 있다.

또한, 밀봉디스크에 의해 작동유체의 유동하여 감압되는 거리가 늘어나고 밀봉스트립의 수도 증가하며 유로가 절곡되어 작동유체를 효율적으로 감압할 수 있으므로 작동유체의 누설을 현저히 줄일 수 있고, 시스템의 동작이 안정될 수 있는 다른 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 작동유체의 목표 누설량과 회전축의 회전 상태에 따라 시일링과 밀봉디스크의 간극이 조절되기 때문에 마찰에 의한 파손이나 마모를 줄일 수 있어서, 래비린스 시일의 성능이 향상되고, 수명이 증가하는 또 다른 효과가 있다.

이하, 도 4 내지 도 9를 참조하여 본 발명에 따른 래비린스 시일의 여러 가지 실시예를 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 능동제어가 가능한 가변간극 래비린스 시일의 제1 실시예를 도시한 개략도이고, 도 5는 도 4의 래비린스 시일을 도시한 정면도이며, 도 6은 도 4의 래비린스 시일의 제어 시스템을 도시한 블록도이다. 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 래비린스 시일(100)은 회전축(110)의 원주 방향으로 연장되어 회전축에 형성된 밀봉디스크(111)를 구비한다. 환형의 시일링(120)이 밀봉디스크(111)에 대향하도록 배치된다. 시일링(120)은 압전액츄에이터(130)에 의해 이동하여 밀봉디스크(111)와의 간극이 좁아지거나 넓어질 수 있다. 밀봉디스크(111)에는 제1 밀봉스트립(112)이 형성되고, 시일링(120)에는 제2 밀봉스트립(121)이 형성된다. 하우징(140)에는 밀봉디스크(111) 및 시일링(120)이 수용될 수 있도록 래비린스 시일 수용부(141)가 형성된다. 액츄에이터(130)는 제어부(150)에 의해 능동제어되어 시일링(120)의 위치를 이동시킨다. 제어부(150)는 센서부(160)의 계측결과에 따라 액츄에이터를 제어한다. 본 실시예에서 센서부(160)는 압전액츄에이터(130)에 부착된 시일링(120)과 회전축(110)에서 반경 방향으로 연장된 밀봉디스크(111) 사이의 간극을 측정하는 간극센서(161)와 작동유체의 누설량을 측정하는 유량계(162) 및 회전축(110) 및 밀봉디스크(111)의 진동, 변형 및 이동을 측정하는 변위센서(163)로 이루어진다. 시일링(120)을 이동시키는 압전액츄에이터(130)는 시일링(120) 상에 3개가 구비된다.

이하, 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 래비린스 시일의 제1 실시예의 동작 및 본 발명의 작용효과를 설명한다.

도 7은 본 발명에 따른 능동제어가 가능한 가변 간극 래비린스 시일을 이용한 경우의 시간별 누설량 및 압전액츄에이터의 변위량을 도시한 그래프이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 누설량의 목표치는 약 12slm(standard liter per minute)이다. 터보장치의 초기 구동시 회전축(110)은 진동하며, 정상상태로 회전하게 되면, 회전축(110)의 진동이 줄어든다. 따라서, 제1 및 제2 밀봉스트립(112, 121)과 밀봉디스크(111)의 파손을 방지하기 위하여, 회전축(110)의 회전 초기에는 밀봉디스크(111)와 시일링(120) 간의 간극이 최대가 되도록 제어부(150)가 압전액츄에이 터(130)를 제어한다. 회전축(110)이 회전하기 시작하면, 동압에 의해 작동유체가 하우징(140)의 래비린스 시일수용부를 통해 흐르며, 유량계(162)에서 작동유체의 축방향 누설량이 체크된다. 작동유체의 누설량이 목표 누설량이 될 때까지 시일링(120)을 밀봉디스크(111) 측으로 이동하도록 제어부(150)가 압전액츄에이터(130)를 제어한다. 시일링(120)과 밀봉디스크(111)의 간극이 줄어들면, 밀봉스트립들(112, 121)의 간극도 줄어들어 작동유체의 축방향 누설량이 감소한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 회전시작 후 약 4초 경과 후 작동유체의 누설량이 목표 누설량에 다다른다. 유량계의 값을 고려하여 압전액츄에이터(130)의 변위가 조절되는 과도응답 상태를 거쳐 약 6초 이후에는 회전축의 회전과 작동유체의 유체가 정상상태로 유지되고, 압전액츄에이터의 변위도 유지된다. 과도응답 상태에서는 밀봉디스크(111)와 시일링(120)의 간극이 너무 좁기 때문에 시스템의 안정성이 매우 낮은 상태이다. 이러한 간극은 센서부(160)에서 계측한 간극과 변위를 기초로 하여 제어부(150)에 의해 피드백으로 제어된다.

센서부(160)의 변위센서(163)는 회전하는 회전축(110)의 가속이나 감속 또는 공진주파수 영역의 진동 또는 외력에 의한 충격이나 진동 등에 의한 회전축(110) 및 밀봉디스크(111)의 변위를 감지한다. 변위센서(163)에서 변위가 소정크기 이상으로 측정되면, 제1 및 제2 밀봉스트립(112, 121)이 접촉하여 파손되거나 마모될 수 있으므로, 시일링(120)과 밀봉디스크(111)의 간극이 커지도록 제어부(150)가 압전액츄에이터(130)를 제어한다.

이러한 래비린스 시일(100)의 능동제어는 축 회전시 발생하는 진동으로 인한 시스템의 결함 및 래비린스 시일과 회전축 간에 발생하는 러빙(rubbing)현상을 방지할 수 있어서, 시스템의 수명, 안정성 및 누설량을 향상시킬 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 능동제어가 가능한 가변간극 래비린스 시일의 제2 실시예를 도시한 개략도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 래비린스 시일(200)은 회전축(210)에서 연장된 밀봉디스크(211)의 양면에 제1 밀봉스트립(212)이 형성되고, 제2 밀봉스트립(221)이 구비된 시일링(220)과 시일링(220)의 위치를 조절하는 압전액츄에이터(230)가 밀봉디스크(211)의 양면에 배치된다. 하우징(240)은 제1 실시예와 유사하게 전술한 장치들이 수용되는 래비린스 시일수용부(241)를 구비한다. 도시하지는 않았지만, 유량을 측정하는 유량계는 밀봉디스크(211) 후면에 대응하는 시일링(220)의 하류에 구비될 수 있고, 변위센서 및 간극센서는 밀봉디스크(211) 상부 또는 하부의 하우징에 구비될 수 있다.

본 실시예의 래비린스 시일(200)의 작동 및 작용효과는 제1 실시예의 래비린스 시일(100)과 유사하지만, 밀봉스트립들이 더 많이 구비되기 때문에 누설량을 더욱 줄일 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 능동제어가 가능한 가변간극 래비린스 시일의 제3 실시예를 도시한 개략도이다. 본 실시예는 제1 실시예와 유사하므로, 동일한 구성요소의 설명은 생략한다. 본 실시예에 따른 래비린스 시일(300)의 시일링(320)은 솔레노이드액츄에이터(330)에 의해 위치가 조절된다. 솔레노이드액츄에이터(330)는 시일링(320)이 결합하며 강자성체로 이루어진 작동판(331)과, 하우징(340)에 고정되는 전자석코어(332)와, 상기 작동판(331)을 밀봉디스크(311) 측으로 밀어내는 탄 성스프링(333)을 포함한다. 즉, 전자석코어(332)의 자력의 세기를 조절하여 작동판(331)의 위치를 제어하는 방식이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

도 1은 압축기 및 스팀터빈 등에 사용되는 종래 기술에 따른 가변간극 래비린스 시일을 도시한 정면도,

도 2는 도 1의 A-A' 방향의 단면도로서, 회전축과 래비린스 시일의 간극이 최대로 유지된 상태를 나타낸 단면도,

도 3은 도 1의 A-A' 방향의 단면도로서, 회전축과 래비린스 시일의 간극이 최소로 유지된 상태를 나타낸 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 능동제어가 가능한 가변간극 래비린스 시일의 제1 실시예를 도시한 개략도,

도 5는 도 4의 래비린스 시일을 도시한 정면도,

도 6은 도 4의 래비린스 시일의 제어 시스템을 도시한 블록도,

도 7은 본 발명에 따른 능동제어가 가능한 가변간극 래비린스 시일의 시간별 누설량 및 압전액츄에이터의 변위량을 도시한 그래프,

도 8은 본 발명에 따른 능동제어가 가능한 가변간극 래비린스 시일의 제2 실시예를 도시한 개략도, 그리고

도 9는 본 발명에 따른 능동제어가 가능한 가변간극 래비린스 시일의 제3 실시예를 도시한 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

110: 회전축 111: 밀봉디스크

112: 제1 밀봉스트립 120: 시일링(seal ring)

121: 제2 밀봉스트립 130: 압전액츄에이터

140: 하우징 141: 래비린스 시일수용부

150: 제어부 160: 센서부

161: 간극센서 162: 유량계

163: 변위센서

Claims

회전축의 반경 방향으로 연장되어 상기 회전축에 형성되는 밀봉디스크와,

상기 밀봉디스크에 대향하며 상기 밀봉디스크로부터 간극을 두고 배치되는 시일링과,

시일링의 위치를 이동시켜 상기 밀봉디스크와 시일링 사이의 간극을 조절하는 액츄에이터와,

상기 액츄에이터의 작동을 제어하는 제어부와, 그리고

상기 회전축상으로 누설되는 작동유체의 유량을 측정하는 유량계와, 밀봉디스크와 시일링의 간극을 측정하는 간극센서와, 밀봉디스크 및 회전축의 변위를 측정하는 변위센서를 구비하는 센서부를 포함하며,

상기 제어부는 상기 센서부에서 측정된 값들에 기초하여 상기 작동유체의 누설량이 목표 누설량에 도달하도록 상기 액츄에이터를 피드백 제어하는

능동제어가 가능한 가변간극 래비린스 시일.
제1항에 있어서,

상기 밀봉디스크의 일면 또는 양면에 복수의 제1 밀봉스트립이 형성되고,

상기 시일링에는 상기 복수의 제1 밀봉스트립과 대향하는 복수의 제2 밀봉스트립이 형성되는

능동제어가 가능한 가변간극 래비린스 시일.
삭제
제1항에 있어서,

상기 회전축의 회전 초기에는 상기 밀봉디스크와 시일링의 간극이 최대가 되게 하고, 회전 초기 이후 상기 간극을 점진적으로 줄이며, 회전축의 회전이 정상상태인 경우 작동유체의 누설량이 목표 누설량과 동일해지면 일정한 간극을 유지하도록 상기 제어부가 상기 액츄에이터를 제어하는

능동제어가 가능한 가변간극 래비린스 시일.
제4항에 있어서,

상기 회전축의 회전 중에 가속 또는 감속에 의해 또는 외부의 충격에 의해 진동이나 변위가 발생하는 경우 상기 밀봉디스크와 시일링의 간극을 상기 진동의 크기 또는 변위만큼 넓히도록 상기 제어부가 상기 액츄에이터를 제어하는

능동제어가 가능한 가변간극 래비린스 시일.
제1항에 있어서,

상기 시일링은 상기 밀봉디스크의 양면 모두에 대향하여 한 쌍이 배치되는

능동제어가 가능한 가변간극 래비린스 시일.
제1항, 제2항, 제4항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 액츄에이터는 압전액츄에이터인

능동제어가 가능한 가변간극 래비린스 시일.
제1항, 제2항, 제4항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 액츄에이터는 솔레노이드액츄에이터인

능동제어가 가능한 가변간극 래비린스 시일.