KR100999015B1 - 터보 기계 - Google Patents

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아틀라스 코프코 에네르가스 게엠베하
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Abstract

본 발명은 하우징과, 전기 장치와, 하우징 내에 지지되는 로터 샤프트를 포함하고, 전기 장치의 로터가 로터 샤프트에 장착되며, 원심 임펠러가 로터 샤프트의 적어도 일단부 상에 일면 지지되어 설치되는 것인 터보 기계에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 원심 임펠러의 내면 상에 작용하는 자기 하프 베어링이 하우징의 임펠러측 단부벽에 대한 로터 샤프트의 축방향 지지를 위해 로터 샤프트의 단부에 설치된다.
Figure R1020080066438
터보 기계, 로터 샤프트, 전기 장치, 자기 베어링

Description

터보 기계{TURBOMACHINE}
본 발명은 하우징과, 전기 장치, 그리고 하우징 내에 지지되는 로터 샤프트를 포함하고, 전기 장치의 로터가 로터 샤프트에 장착되며, 원심 임펠러가 로터 샤프트의 적어도 일단부 상에 일면 지지되어 설치되는 것인 터보 기계에 관한 것이다.
당업계에는, 로터 샤프트가 축방향으로 자기적으로 지지되는 터보 기계가 공지되어 있으며, 이 터보 기계에서는 축방향 지지를 위해, 자기 하프 베어링(magnetic bearing half)이 로터 샤프트 상으로 수축되는 축방향 베어링 디스크 또는 대향 배치되는 샤프트 견부(肩部)와 결합된다. 또한, 2개의 축방향 자기 하프 베어링이 로터 샤프트 상에 배치되는 회전 멀티디스크 조립체의 양면 상에서 로터 샤프트의 일단부에 설치되고, 멀티디스크 조립체의 측면이 반경 방향 자기 베어링에 의해 에워싸이며, 이와 마찬가지로 로터 샤프트의 타단부도 반경 방향 자기 베어링 상에 지지될 수 있는 자기 베어링 결합 구성이 공지되어 있다.
당업계에는 또한, 전술한 특징을 지니고, 로터 샤프트가 원심 임펠러 전방의 로터의 단부에 설치된 활성 자기 베어링 상에 지지되는 터보 기계가 공지되어 있 다. 활성 자기 베어링은 연속적인 전력 공급과, 전력 공급이 중단된 경우에 활성 자기 베어링을 보호하기 위한 소위 백업 베어링을 필요로 한다. 그러한 백업 베어링은 전형적으로, 휴지 상태에서 또는 자기 베어링이 고장난 경우에 로터 샤프트를 지지하는 비상용 기계식, 반경 방향 및 축방향 볼 베어링이다.
공지의 활성 자기 베어링의 경우, 필요한 자기장이 전자석의 사용에 의해 생성되기 때문에, 자기장과, 이에 따른 활성 지지력은 전자석의 코일에 흐르는 전류를 변화시킴으로써 변경될 수 있다. 따라서, 로터 샤프트가 활성 자기 베어링 상에서 지지되게 하도록, 대응하는 지지력을 제공하기 위한 피드백 제어가 필요하다. 그러한 터보 기계는 로터 샤프트용 자기 베어링을 사용하는 경우에 매우 높은 회전 속도로 작동될 수 있다. 그러나, 높은 작동 속도에서의 로터 샤프트의 굴곡 한계 고유 주파수(bending critical natural frequency)는 터보 기계의 최대 연속 작동 주파수에 근사하거나 이 주파수보다 낮다. 이로 인해 자기 베어링의 안정한 활성 조정이 매우 복잡해지거나 심지어는 불가능해진다.
로터 샤프트의 굴곡 한계 고유 주파수 범위에 있는 주파수가 상승할 수 있는 상태에서의 터보 기계의 작동은 기본적으로 2가지 보호 조치에 의해 방지된다. 첫번째로, 허용 가능한 작동 속도는 이미 터보 기계의 설계시에 감소되었다. 터보 기계에 대한 소정 출력 및 요건에 있어서, 이러한 조치는 최적 회전 속도 미만으로 설계된 압축기 또는 팽창기 단도 최적 설계에 비해 효율성이 감소된 대형 터보 기계의 구성을 초래한다. 두번째로, 추가의 축방향 베어링 디스크를 생략할 수 있다. 이러한 방식으로, 로터 샤프트의 질량을 저감할 수 있는데, 그 이유는 로터 샤프트가 추가의 축방향 베어링 디스크를 위한 샤프트 세그먼트의 길이만큼 단축될 수 있기 때문이며, 이로 인해 로터 샤프트의 굴곡 한계 고유 주파수가 증가한다. 축방향 지지 디스크가 생략되는 경우, 축방향 자기 하프 베어링은 훨씬 작은 샤프트 견부 또는 로터 샤프트 상으로 수축되는 회전 멀티디스크 조립체 상에 맞물리지만, 이것은 바람직하지 않은 축방향 지지력의 감소를 초래한다.
이러한 기술적인 배경의 견지에서, 본 발명의 목적은 전술한 특징을 지니고, 로터의 굴곡 한계 고유 주파수와, 이에 따라 터보 기계의 작동 속도가 증가하게 되도록 로터 샤프트가 짧고 로터의 질량이 작으며, 원심 임펠러의 높은 정기적인 정압 및 동압과 축방향 추력을 흡수하도록 적절한 치수를 지닌 축방향 자기 베어링도 구비하는 터보 기계를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대상과 해결책은 청구항 1에 따른 터보 기계이다. 본 발명에 따른 터보 기계의 기본적인 구성은 하우징과, 전기 장치, 그리고 하우징 내에 지지되는 로터 샤프트를 포함한다. 로터 샤프트 상에 전기 장치의 로터가 설치된다. 원심 임펠러가 로터 샤프트의 적어도 일단부 상에 일면 지지되어 설치된다. 로터 샤프트의 축방향 지지를 위해서, 원심 임펠러의 내면에 작용하는 축방향 자기 하프 베어링이 하우징의 임펠러측 단부벽에서 로터 샤프트의 적어도 일단부 상에 설치된다.
자기 베어링은 오일 윤활 시스템 없이 기능하며, 거의 마모되지 않는 것으로 확인되었다. 자기 베어링은 또한 작동의 원활성의 레벨이 높고 손실이 매우 낮은 최대 회전 속도를 허용하여, 전체적으로 경제적으로 양호하고 기밀하게 시일된 작동을 보장한다. 이러한 이유로, 본 발명에 따른 터보 기계용 로터 샤프트는 바람직하게는 자기 베어링 상에서 반경 방향으로도 지지된다.
본 발명의 바람직한 일구성에서, 원심 임펠러는 로터 샤프트의 양단부 상에 일면 지지되어 설치된다. 추가적으로, 이와 마찬가지로 로터 샤프트의 축방향 지지를 위해 로터 샤프트의 양단부에는 자기 하프 베어링이 장착되는데, 이 자기 하프 베어링은 하우징의 임펠러측 양단부벽 상에 배치된다. 자기 하프 베어링 각각은 이 하프 베어링과 결합되는 원심 임펠러의 환형 내면에 작용한다. 따라서, 원심 임펠러의 내면은 2개의 축방향 자기 하프 베어링 각각을 위한 적절한 크기의 환형 디스크면으로서 채용되며, 축방향 자기 하프 베어링을 위한 베어링 디스크로서 기능한다. 이러한 본 발명의 바람직한 구성에 의해, 높은 정압 및 동압, 그리고 원심 임펠러에 인가되는 축방향 펄스 추력이 충분한 정적 및 동적 축방향 지지력에 의해 상쇄된다.
로터 샤프트를 위한 반경 방향 및 축방향 자기 베어링은 바람직하게는 그때그때 작용하는 각각의 지지력을 변경할 수 있는 제어 시스템을 구비하는 활성 자기 베어링이다. 로터 샤프트의 위치는 무접촉 센서의 사용에 의해 측정될 수 있기 때문에, 터보 기계가 작동하는 동안에 로터 샤프트 베어링을 정밀 제어하는 것이 가능하다. 활성 자기 베어링을 보호하기 위해, 이러한 구성의 터보 기계에서는 반경 방향 자기 베어링을 위한 베어링 저널과 원심 임펠러 사이의 영역에서 로터 샤프트 상에 반경 방향 백업 베어링이 마련된다. 이러한 반경 방향 백업 베어링은 통상 슬라이드 베어링으로서, 또는 바람직하게는 롤러 베어링, 예컨대 볼 베어링으로서 구성된다. 추가적으로, 로터 샤프트의 시일을 위해 샤프트 시일의 회전 구성품이 백업 베어링과 원심 임펠러 사이에 마련된다.
로터 샤프트의 축방향 지지를 위해, 본 발명의 특히 바람직한 일구성에서는 자기 하프 베어링이 백업 베어링과 샤프트 시일의 회전 구성품을 위한 샤프트 삽입부 영역에 마련된다. 이러한 구성의 해결책은 공지의 터보 기계에 비해 축방향 공간 요건을 저감하고, 샤프트 돌출부의 추가의 연장을 방지한다. 본 발명의 이러한 구성에서, 반경 방향 자기 베어링과 원심 임펠러 사이에 매달려 있는 샤프트는 샤프트 시일과 백업 베어링이 로터 샤프트 상에서 로터 샤프트의 축방향으로 충분한 공간을 갖도록 치수가 정해진다.
본 발명의 다른 바람직한 구성에서, 터보 기계는 반경 방향 구성의 2단 압축기를 구비한다. 이러한 구성에서, 전기 장치는 전기 모터이다. 추가적으로, 터보 기계는 또한 구심성 구성의 2단 팽창 터빈으로서 구성되며, 이에 대응하여 전기 모터는 발전기로서 작동한다. 본 발명은 또한 압축단과 팽창단을 갖는 터보 기계를 포함한다. 이러한 구성에서, 전기 장치는 한편으로는 압축단을 위해 필요한 구동 출력이 팽창단에 의해 전달되는 샤프트 출력보다 클 때 전기 모터로서 작동될 수 있다. 다른 한편으로, 전기 장치는 또한 팽창단에 의해 전달되는 샤프트 출력이 압축단을 위해 필요한 구동 출력보다 클 때 발전기로서 작동될 수 있다. 압축단과 팽창단에 대한 특정 작동 조건에 따라, 전기 장치는 전기 모터 또는 발전기로서 작동될 수 있다.
본 발명에 따르면, 로터의 굴곡 한계 고유 주파수와, 이에 따라 터보 기계의 작동 속도가 증가하게 되도록 로터 샤프트가 짧고 로터의 질량이 작으며, 원심 임 펠러의 높은 정기적인 정압 및 동압과 축방향 추력을 흡수하도록 적절한 치수를 지닌 축방향 자기 베어링도 구비하는 터보 기계를 제공하는 것이다.
이하에서는, 단지 하나의 예시적인 실시예를 도시하고 있는 하나의 도면을 참고하여 본 발명을 설명한다. 단일 도면에는 본 발명에 따른 터보 기계의 단면도가 개략적으로 도시되어 있다.
도면에 도시되어 있는 터보 기계(1)의 기본적인 구성은 하우징(2)과, 전기 장치(3)와, 하우징(2) 내에 지지되는 로터 샤프트(4)와, 로터 샤프트(4) 상에 설치되는 전기 장치(3)의 로터, 그리고 로터 샤프트(4)의 적어도 일단부 상에 일면 지지되어 설치되는 원심 임펠러(5)를 포함한다. 추가적으로, 하우징(2)의 임펠러측 단부벽에 대해 로터 샤프트(4)를 축방향으로 지지하기 위해 로터 샤프트(4)의 적어도 일단부에 자기 하프 베어링(6)이 마련된다. 이러한 자기 하프 베어링(6)은 원심 임펠러(5)의 내면(7)에 작용한다.
도면에 도시한 본 발명에 따른 터보 기계(1)의 바람직한 구성은 또한 로터 샤프트(4)의 타단부에 일면 지지되어 설치되는 원심 임펠러(8)를 포함한다. 로터 샤프트(4)의 제2 단부는 또한 자기 하프 베어링(9) 상에서 축방향으로 지지되며, 이 자기 하프 베어링은 이 하프 베어링과 결합된 원심 임펠러(8)의 내면(10)에 작용한다. 추가적으로, 도시한 터보 기계(1)의 로터 샤프트(4)는 이와 유사하게 자기 베어링(11, 12) 상에서 반경 방향으로 지지된다. 터보 기계(1)의 본 실시예에서, 반경 방향 자기 베어링(11, 12)과 축방향 자기 하프 베어링(6, 9)은 활성 자기 베어링이며, 그때그때 자기 베어링 상에 작용하는 지지력을 제어할 수 있는 제어 시스템(도 1에 도시되어 있지 않음)을 구비한다. 센서가 로터 샤프트(4)의 위치를 연속적으로 감지하여, 로터 샤프트 베어링이 정밀 조정되게 하는데, 이 센서도 도시되어 있지 않다. 백업 베어링(13, 14)이 반경 방향 임펠러(5, 8)와 반경 방향 자기 베어링(11, 12) 사이에 마련되어 활성 자기 베어링을 보호한다. 이러한 백업 베어링(13, 14)은 유리하게는 롤러 베어링으로서 구성된다. 롤러 베어링은 금속재 또는 세라믹재로 형성된 볼을 구비하는 볼 베어링으로서 구성될 수 있다. 축방향 자기 하프 베어링(6, 9)은 하우징(2)의 임펠러측 단부벽 상에 설치된다. 백업 베어링(13, 14)을 위한 샤프트 셋백(setback)(15, 16)과 샤프트 시일(17, 18) 영역에서 설치가 이루어진다. 반경 방향 자기 베어링과 반경 방향 임펠러 사이의 샤프트 셋백(15 또는 16)은 각 경우에 샤프트 시일과 백업 베어링이 단지 충분한 공간만을 갖도록 치수가 정해진다.
도시되어 있는 본 발명의 바람직한 실시예에서, 터보 기계(1)는 반경 방향 구성의 2단 압축기일 수 있다. 도시한 구성에서 전기 장치(3)는 전기 모터일 수 있다. 도시한 터보 기계(1)는 또한 구심성 구성의 2단 팽창 터빈으로 구성될 수 있으며, 이에 대응하여 전기 모터(3)는 발전기로서 작동된다.
도시되어 있는 본 발명에 따른 터보 기계(1)의 실시예는 또한 팽창 터빈 단과 압축 터빈 단을 구비할 수 있다. 이러한 구성에서, 전기 장치(3)는 한편으로는 압축단을 위해 필요한 구동 출력이 팽창단에 의해 전달되는 샤프트 출력보다 큰 경우에 전기 모터로서 작동될 수 있다. 다른 한편으로는, 전기 장치(3)는 또한 팽창 단에 의해 전달되는 샤프트 출력이 압축단을 위해 필요한 구동 출력보다 큰 경우에 발전기로서 작동될 수 있다. 단일 도면에 도시한 본 발명의 바람직한 실시예의 경우에는 압축단과 팽창단에 있어서의 특정 작동 조건에 따라, 전기 장치(3)가 전기 모터 또는 발전기로서 작동될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 터보 기계의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 터보 기계
2 : 하우징
3 : 전기 장치
4 : 로터 샤프트
5, 8 : 원심 임펠러
6, 9 : 축방향 자기 하프 베어링
11, 12 : 반경 방향 자기 베어링

Claims (6)

  1. 하우징(2)과, 전기 장치(3)와, 상기 하우징(2)에 지지되는 로터 샤프트(4)와, 상기 로터 샤프트(4)의 단부들에 설치되는 샤프트 시일(17, 18)을 포함하는 터보 기계(1)로서,
    상기 전기 장치(3)의 로터는 로터 샤프트(4) 상에 설치되고, 로터 샤프트(4)의 대향 단부들 상에 일면 지지되도록 원심 임펠러들(5, 8)이 설치되고,
    로터 샤프트(4)의 축방향 지지를 위해서, 관련 원심 임펠러들(5, 8)의 내면(7, 10)에 작용하는 각각의 자기 하프 베어링(magnetic bearing half; 6, 9)이 하우징(2)의 임펠러측 양 단부벽 상에 설치되며,
    상기 로터 샤프트(4)는 자기 베어링(11, 12)에 의해 반경방향으로 지지되고, 상기 축방향 자기 하프 베어링(6, 9) 및 반경방향의 자기 베어링(11, 12)은 활성 자기 베어링이고,
    상기 터보 기계(1)는 반경방향 지지를 위해 마련된 상기 자기 베어링(11, 12)과 축방향 지지를 위해 마련된 상기 자기 하프 베어링에 추가하여, 상기 자기 베어링(11, 12) 및 자기 하프 베어링(6, 9)을 보호하는 백업 베어링(13, 14)을 구비하며, 상기 백업 베어링은 반경방향 자기 베어링(11, 12)과 원심 임펠러(5, 8) 사이의 각각의 샤프트 세그먼트에서 로터 샤프트(4) 상에 설치되는 것을 특징으로 하는 터보 기계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 터보 기계(1)는 2단 압축기와 2단 팽창기 중 어느 하나이며, 상기 전기 장치(3)는 전기 모터와 발전기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 터보 기계.
  3. 제1항에 있어서, 상기 터보 기계(1)는 압축기 단과 팽창기 단을 구비하며, 상기 전기 장치(3)는 압축기 단과 팽창기 단에 대한 작동 조건에 따라 전기 모터 또는 발전기로서 작동 가능한 것을 특징으로 하는 터보 기계.
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