KR101195543B1 - 터보 머신 및 로터-샤프트 실링 수단 - Google Patents

터보 머신 및 로터-샤프트 실링 수단 Download PDF

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Abstract

컴프레서 하우징(2)에 배치되는 컴프레서 휠(3); 터빈 하우징에 배치되는 터빈 휠(4); 및 베어링 케이스(5) 안에서 가이드 되고 한편에 상기 컴프레서 휠(3)이 고정되고 다른 한편에 상기 터빈 휠이 고정되는 로터 샤프트(6), 상기 베어링 케이스(5)의 터빈 측 일단부(7)와 로터 샤프트(6) 사이에 배치되는 로터 샤프트 실링 수단(8)을 포함하는 터보 머신(1), 특히 배기가스 터보 차져.

Description

터보 머신 및 로터-샤프트 실링 수단{TURBOMACHINE AND ROTOR-SHAFT SEAL}
도 1은 본 발명에 의한 터보차져 형태의 터보머신의 종 단면도;
도 2는 본 발명의 로터-샤프트 실링 수단의 구조를 설명하기 위한 도1의 X 부분의 확대도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
1: 터보머신/터보차져(Turbomachine/turbocharger)
2: 후벽(Rear wall)
3: 컴프레서 휠(Compressor wheel)
4: 터빈 휠(Turbine wheel)
5: 베어링 케이스(Bearing casing)
6: 로터 샤프트(Rotor shaft)
7: 일단부(End portion)
8: 로터 샤프트 실링 수단(Rotor-shaft sealing means)
9: 작은 직경을 갖는 제1 로터-샤프트부(First rotor-shaft portion with small diameter)
10: 큰 직경을 갖는 제2 로터-샤프트부(Second rotor-shaft portion with larger diameter)
11: 카운터 링(Counter ring)
12: 고정부(Fixing section)
13: 환형 고리(Collar)
14: 슬라이드 링(Slide ring)
15: 노우즈(Nose)
16: 메인 바디(Main body)
17: 어댑터 플레이트(Adapter plate)
18: 흑연 링(Graphite ring)
19: 주름관, 특히 금속 격판 주름관/편향수단(Bellows, particularly metal diaphragm bellows/biasing means)
20: 나사 슬리브(Screw-in sleeve)
21-23: 탄성 부재(Resilient members)
24, 25: 용접 립(Welding lip)
26: 열 보호부(Heat shield)
27: 외측 나사산(External thread)
28: 연결부(Connecting section)
29: 환형 바디(Annular body)
30: 수용 챔버(Cavity)
31: 트랜지션 영역(Transition region)
본 발명은 터보 머신(turbomachine)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 청구항1의 전제부에 따른 배기 가스 터보차져(turbocharger)에 관한 것이다.
이러한 터보차져 형태의 터보 머신은 US 2004/0120835 A1에 개시되어 있다.
US 4,453,722는 주름관(bellows)에 의해 실 플레이트(seal plate)에 대하여 가압되는 탄소 실(carbon seal)을 개시하고 있다. 주름관이 잘못된 경우 그 편향(bias)을 유지하기 위한 피스톤 링으로 구성되는 백업 실(back-up seal)이 추가적으로 제공된다.
DE 100 28 161 C2 및 DE 102 97 203 T5에는 터보차져 형태의 또 다른 터보 머신이 공개되어 있다.
로터 샤프트와 베어링 케이스 사이의 터빈 측에서 볼 수 있는 실링은 래버린스 실(labyrinth seal)에 의해 이루어질 수 있다.
따라서, 터빈 휠 방향 및 베어링 케이스 방향 모두에서 누수가 발생할 수 있다.
종래 기술과 비교하여, 본 발명의 목적은 액압 또는 공압 차이 같은 매체에 의한 작용을 받는 챔버의 더 우수한 실링이 가능한, 청구항 1에 언급된 유형의 터보 머신을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1의 특징들에 의해 달성된다.
즉, 본 발명은 바람직하게는 가스 윤활 슬라이드 링 실 형태로 형성되는 터빈 측에 구비되는 로터 샤프트 실링 시스템을 포함하는 예컨대 차량을 위한 터보 머신, 특히 배기 가스 터보 차져 형태의 터보 머신에 관한 것이다. 상기 로터-샤프트 실링 시스템은, 압력 차를 받는 매체(액체 및/또는 기체)에 의한 작용을 받는 챔버와 회전하는 샤프트 사이의 실링을 가능하게 한다. 상기 회전하는 샤프트는 터보 차져의 경우 로터 샤프트이며, 하우징 벽을 통해 가이드 된다. 본 발명의 터보 머신 또는 본 발명의 로터-샤프트 실링 시스템은 고온(900℃까지) 및 초고속(300, 000 rpm 까지) 및 500 m/s까지의 외주 속도에 적합하다.
또한, 회전하는 카운터 링(외형을 갖는)은 로터 샤프트에 고정되며, 예를 들면, 가열 삽입(shrinking), 나사 결합, 압입 등에 의해 고정될 수 있다. 또한, 바람직하게는 금속 격판 주름관의 형태의 탄성 수단이 구비된 정지한 슬라이드 링은, 하우징 내의 나사 슬리브를 통해 나사 결합된다. 터보 차져가 작동하는 동안, 상기 카운터 링은 슬라이드 링과 함께 동적인 실링을 나타내며, 흑연 링과 금속 격판 주 름관은 정적인 실링을 형성한다.
금속 격판 주름관은 탄성 접촉을 형성하는 편향 수단을 나타낸다. 바람직하게는, 주름관의 각각의 탄성 요소를 서로 용접할 수 있으며, 용접을 위하여 어댑터 플레이트 및 나사 슬리브에 제공되는 용접 립에 용접할 수 있다. 따라서, 바람직하게는 모든 실링 수단의 상기 부재를 카트리지로 미리 조립할 수 있다. 상기 카트리지를 설치하는 동안, 금속 격판 주름관에서는 편향이 관찰되며, 이에 따라 축방향 유극 및 슬라이딩 면에서 발생 가능한 마모가 최소화된다. 상기 터보 차져가 멈춤 상태에 있는 동안에는, 상기 카운터 링 및 슬라이드 링이 상기 로터 샤프트와 베어링 케이스 사이에서 정적인 실링을 형성한다. 터보 차져가 작동하는 동안에는, 슬라이드 링과의 접촉면에서 터보차져의 축방향 외형으로 인해 카운터 링의 회전이 압력을 증가시키며, 축방향으로 작은 틈을 형성한다.
이러한 작동 중, 이는 기계적 마찰 손실을 발생시키지 않으면서 무접촉 가스 윤활되는 동적 슬라이드 링 실(dynamic slide ring seal)을 형성한다. 카운터 링의 외형은 터빈 휠로부터 베어링 케이스 내부로의 누수(유)를 유지할 수 있도록 선택된다.
종속항들은 본 발명의 바람직한 개량 형태들을 언급한다.
청구항 10은 독립적으로 거래 가능한 부재로서의 본 발명의 로터-샤프트 실링 수단을 한정한다.
청구항 11은 로터-샤프트 실링 수단을 갖는 터보 머신을 조립하는 방법을 한정한 것으로, 이 방법은:
- 베어링 케이스에 흑연 링을 삽입하는 단계;
- 카운터 링을 설치 축에 설치하고 상기 베어링 케이스에 삽입하는 단계;
- 슬라이드 링 및 탄성 수단이 구비된 카트리지를 도구를 이용하여 나사 슬리브 내에 제공된 구멍에 맞물리게 하여 상기 베어링 케이스에 결합하고 상기 흑연 링을 가압하는 단계;
- 상기 로터 샤프트에 열 보호부를 배치하는 단계; 및
- 상기 로터 샤프트를 베어링 케이스에 삽입하고 설치 축을 이용하여 카운터 링을 로터 샤프트에 가압하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 더 상세한 사항, 장점들 및 특징들은 첨부된 도면을 참조한 아래의 실시예를 통하여 더 명확해질 것이다.
도 1은 본 실시예에서는 배기 가스 터보차져로 형성된, 본 발명에 의한 터보머신(1)을 도시하고 있다.
이 배기 가스 터보차져는, 본 발명에 의한 로터-샤프트 실링 수단(8)의 이하의 세부 사항들 외에도, 기본적인 구성요소들을 당연히 모두 포함한다. 그러나 기본적인 구성요소들 중 일부는 본 발명을 설명하는데 필요하지 않기 때문에 단순화를 위하여 도 1에는 도시하지 않았다.
도 1은 컴프레서 하우징(미도시)의 후벽(2)과 상기 컴프레서 하우징에 배치되는 컴프레서 휠(3)을 도시하고 있다.
또한, 터빈 하우징(미도시)에 배치되는 터빈 휠(4, 로터)을 도시하고 있다.
컴프레서 휠(3)과 터빈 휠(4)은 도 1에 자세히 도시된 바와 같이 로터 샤프트(6)의 양쪽 끝에 각각 결합된다.
상기 로터 샤프트(6)는 베어링 케이스(5) 내부의 적당한 베어링 배열을 통해 가이드 된다.
상기 베어링 케이스(5)는 터빈 휠(4) 근처에 위치하며 열 보호부(26, heat shield)에 의해 과도한 가열로부터 보호되는 터빈 측 일단부(7)를 포함한다.
상기 터빈 측 일단부(7)는 도 1에 X로 표시되는 로터-샤프트 실링 수단(8)을 수용하기 위한 수용 챔버(30)를 포함하는데, 이에 대해서는 확대 도시된 도 2를 참조하여 후에 더 상세하게 설명한다.
상기 로터-샤프트 실링 수단(8)은 정적인 실링 배열 및 동적인 실링 배열을 포함하는 가스-윤활 슬라이드-링 실링 수단(gas-lubricated slide-ring sealing means)으로 구성된다.
이를 더 자세히 설명하면, 고정부(12)를 포함하는 카운터 링(11, counter ring)이 구비되며, 상기 고정부(12)는 제1 로터-샤프트 영역(9)에 고정(가열 삽입(shrunk), 나사 결합, 압입)될 수 있다.
또한, 상기 카운터 링(11)은 환형 고리(13)를 포함한다. 이 환형 고리(13)는 고정부(12)에 수직으로 위치하는 것이 바람직하며, 축방향으로 제1 로터 샤프트 영역(9)보다 큰 직경을 갖는 제2 로터 샤프트 영역(10)으로 이어지는 로터 샤프트(9)의 트랜지션 영역(31)에 부분적으로 접한다.
상기 로터-샤프트 실링 수단(8)은 슬라이드 링(14)을 더 포함하며, 상기 슬 라이드 링(14)은 바람직하게는 도시된 금속 격판 주름관(19) 형태의 편향 수단(biasing means)과 베어링 케이스(5) 또는 상기 베어링 케이스(5)의 일단부(7)에서 외측 나사산(27)이 형성된 나사 슬리브(20)를 통해 나사 결합된다.
도시된 바와 같이, 상기 슬라이드 링(14)은 메인 바디(16, main body)와, 상기 메인바디로부터 바깥쪽으로 방사상으로 연장된 노우즈(15, nose)를 포함한다. 이러한 배치는 상기 카운터 링(11)의 환형 고리(13)를 향하고 도 2에 도시된 바와 같은 설치 상태에서 상기 환형 고리에 접촉하는 접촉면을 제공한다.
또한, 도 2에는 나사 슬리브(20)의 나사 결합 상태에서 케이스(5) 내에 결합되는 흑연 링(18)이 도시되어 있다.
상기 슬라이드 링(14)에 견고하게 연결된 어댑터 플레이트(17)는, 상기 슬라이드 링(14)과, 나사 슬리브(20) 및 금속 격판 주름관(19)으로 구성되는 배열의 사이에 배치된다.
반대편 단부에서, 상기 어댑터 플레이트(17)는 탄성 배열의 탄성 부재(23)가 용접되는 용접 립(24, welding lip)을 포함하며, 여기서 상기 탄성 배열은 금속 격판 주름관(19)의 탄성 부재들(21,22,23)로 구성된다.
상기 탄성 부재(21)는 나사 슬리브(20)의 용접 립(25)에 용접된다.
전술한 바와 같이, 함께 용접된 주름관(19)의 각각의 탄성 부재들(21 내지 23), 어댑터 플레이트(17), 나사 슬리브(20) 및 슬라이드 링(14)은 예비 결합 카트리지(pre-mountable cartridge)를 구성한다. 이 카트리지가 설치되 될 때 금속 격판 주름관(19)에 의해 슬라이드 링(14)이 편향되며, 이로 인해 슬라이드 표면의 축 방향 유극 및 발생 가능한 마모를 최소화할 수 있다. 마지막으로, 도 2와 같이, 상기 어댑터 플레이트(17)는, 로터 샤프트(6)의 로터 샤프트 영역(10) 주변에 배치되며 상기 용접 립(24) 및 연결부(28)를 가진 방사상 외부 방향 단부에 구비되는 환형 바디(29)를 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 연결부(28)는 슬라이드 링(14)의 노우즈(15) 및 메인 바디(16) 양쪽에 접하며, 이에 반해 상기 환형 바디(29)는 상기 슬라이드 링(14)의 메인 바디(16)에 접한다. 전술한 부재들의 배치에 관한 더 상세한 사항은 도 2를 참조할 것이다.
상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 터보 머신, 특히 배기 가스 터보 차져는 액압 또는 공압 차이와 같은 매체에 의한 작용을 받는 챔버의 더 우수한 실링을 달성할 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 터보 머신(1)으로서,
    - 컴프레서 하우징에 배치되는 컴프레서 휠(3);
    - 터빈 하우징에 배치되는 터빈 휠(4);
    - 베어링 케이스(5) 안에서 가이드 되며, 한편에 상기 컴프레서 휠(3)이 고정되고 다른 한편에 상기 터빈 휠이 고정되는 로터 샤프트(6);
    - 상기 베어링 케이스(5)의 터빈 측 일단부(7)와 로터 샤프트(6) 사이에 배치되는 로터-샤프트 실링 수단(8)으로서, 상기 로터 샤프트에 고정되는 카운터 링(11)을 포함하고, 상기 카운터 링(11)은 상기 로터 샤프트의 직경이 작은 영역(9)에 고정되는 고정부(12)와 상기 고정부에 수직으로 위치하면서 고정부와 일체로 형성된 환형 고리(13)를 포함하며, 상기 환형 고리는 축방향으로 상기 로터 샤프트의 직경이 작은 영역보다 큰 직경을 갖는 영역(10)으로 이어지는 트랜지션 영역(31)에 부분적으로 접하는, 로터-샤프트 실링 수단(8); 및
    - 격판 주름관(19)을 구비하는 편향 수단으로서, 상기 격판 주름관은 한쪽 단부에서 나사 슬리브(20)의 본체에 용접되고, 상기 격판 주름관의 반대쪽 단부는 어댑터 플레이트(17)의 환형 바디에 용접되고, 슬라이드 링(14)의 슬라이드 표면의 마모 및 축방향 유극을 최소화시키기 위해 상기 어댑터 플레이트(17)는 슬라이드 링이 편향되도록 슬라이드 링(14)과 접촉되고, 상기 슬라이드 링(14)은 어댑터 플레이트의 연결부(28)에 연결되고, 상기 슬라이드 링(14)은 베어링 케이스(5) 내에 개재되는 편향 수단과 나사 슬리브(20)에 의해 고정되는, 편향 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로터-샤프트 실링 수단(8)은 가스-윤활되는 슬라이드-링 실링 수단(slide-ring sealing means)인 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 슬라이드-링 실링 수단은 정적인 실링 배열과 동적인 실링 배열을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 동적인 실링 배열은 슬라이드 링(14)과 상기 로터 샤프트(6)에 고정된 카운터 링(11)을 통해 동적인 실링 작용을 형성하는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 격판 주름관은 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 격판 주름관(19), 상기 나사 슬리브(20) 및 어댑터 플레이트(17)는 예비 결합 카트리지(pre-mounted catridge)로 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 격판 주름관(19)은 탄성 부재(21 내지 23)들을 포함하며, 상기 탄성 부재(21 내지 23)들은 서로 용접되고, 상기 카트리지를 형성하기 위해 어댑터 플레이트(17)와 나사 슬리브(20)의 각각의 용접 립(24,25)에 용접되는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  8. 제1항에 있어서,
    베어링 케이스(5)에 삽입되며, 나사 슬리브(20)에 의해 조여지는 흑연 링(18)을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 터빈 측 일단부(7)와 상기 터빈 휠(4) 사이에 열 보호부(26)가 배치되는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  10. 컴프레서 하우징에 배치되는 컴프레서 휠(3)과 터빈 하우징에 배치되는 터빈 휠(4)을 포함하는 터보 머신(1)의 로터 샤프트(6)와, 베어링 케이스(5)의 터빈 측 일단부(7) 사이의 로터-샤프트 실링 수단(8)으로서,
    - 상기 로터 샤프트(6)에 고정되는 카운터 링(11)으로서, 상기 카운터 링(11)은 상기 로터 샤프트의 직경이 작은 영역(9)에 고정되는 고정부(12)와 상기 고정부에 수직으로 위치하면서 고정부와 일체로 형성된 환형 고리(13)를 포함하며, 상기 환형 고리는 축방향으로 상기 로터 샤프트의 직경이 작은 영역보다 큰 직경을 갖는 영역(10)으로 이어지는 트랜지션 영역(31)에 부분적으로 접하는, 카운터 링(11); 및
    - 격판 주름관(19)을 구비하는 편향 수단으로서, 상기 격판 주름관은 한쪽 단부에서 나사 슬리브(20)의 본체에 용접되고, 상기 격판 주름관의 반대쪽 단부는 어댑터 플레이트(17)의 환형 바디에 용접되고, 슬라이드 링(14)의 슬라이드 표면의 마모 및 축방향 유극을 최소화시키기 위해 상기 어댑터 플레이트(17)는 어댑터 플레이트(17)와 카운터 링(11) 사이에 있는 슬라이드 링(14)이 편향되도록 슬라이드 링(14)과 접촉되고, 상기 슬라이드 링(14)은 어댑터 플레이트의 연결부(28)에 연결되고, 상기 슬라이드 링(14)은 베어링 케이스(5) 내에 개재되는 편향 수단과 나사 슬리브(20)에 의해 고정되는, 편향 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 로터-샤프트 실링 수단.
  11. 삭제
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