KR101329622B1 - 터빈용 하이브리드 실링장치 - Google Patents

터빈용 하이브리드 실링장치 Download PDF

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KR101329622B1
KR101329622B1 KR1020130047844A KR20130047844A KR101329622B1 KR 101329622 B1 KR101329622 B1 KR 101329622B1 KR 1020130047844 A KR1020130047844 A KR 1020130047844A KR 20130047844 A KR20130047844 A KR 20130047844A KR 101329622 B1 KR101329622 B1 KR 101329622B1
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변삼섭
손재화
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터보파워텍(주)
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Abstract

터빈의 진동을 최소화하여 발전효율 및 로터부의 내구성이 향상되도록, 본 발명은 터빈의 케이싱과 회전하는 로터부 사이로 누출되는 유체의 흐름을 밀봉하는 실링부와, 상기 실링부의 상측부에 돌출되어 구비되되 상기 케이싱 내주의 연결부를 따라 형성된 결합홈에 연결되는 결합부를 포함하되, 상기 실링부는 상기 로터부의 외주면을 감싸도록 구비되어 브리스틀 결합홈이 형성되되, 상기 브리스틀 결합홈의 전후측에 상기 로터부의 외주를 흐르는 상기 유체의 흐름을 차단하도록 돌출된 투스가 구비된 래비린스부; 상기 로터부의 외주면을 감싸도록 상기 브리스틀 결합홈에 삽입 및 고정되어 구비되는 복수개의 브리스틀이 구비된 브러쉬부; 및 상기 실링부의 전방측에 상기 로터부의 외주면을 감싸도록 다단으로 결합되되, 상호 이격되어 돌출된 복수개의 제1날개부가 돌출된 제1안티스월부재와, 상호 이격되어 돌출되되 상기 제1날개부 사이의 공간에 대향 배치되는 복수개의 제2날개부가 돌출된 제2안티스월부재를 포함하는 안티스월부를 포함하며, 상기 제2날개부 및 상기 제1날개부 각각의 배치간격은 상호 동일하고 상기 유체의 흐름과 반대방향의 유도각을 가지도록 형성되되 상호 평행하게 배치되며, 상기 제1날개부의 후방측 단부는 인접한 상기 제2날개부의 전방측 단부와 어긋나게 배치됨을 특징으로 하는 터빈용 하이브리드 실링장치를 제공한다.

Description

터빈용 하이브리드 실링장치{hybrid sealing apparatus for turbine}
본 발명은 터빈용 실링장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 로터부와 케이싱 사이의 공간을 효과적으로 밀봉하되, 터빈의 진동을 최소화하여 발전효율 및 로터부의 내구성이 향상되는 터빈용 하이브리드 실링장치에 관한 것이다.
일반적으로, 터빈(turbine)은 물, 가스 혹은 증기 등의 유체가 가지는 에너지를 유용한 기계적 일로 변환시키는 기계를 말한다. 즉, 회전체의 원주에 여러 개의 깃(blade) 또는 날개를 심고 거기에 증기 또는 가스를 내뿜어 고속회전시키는 터보형의 기계를 터빈이라고 한다. 산업이 발전함에 따라 증기터빈, 가스터빈과 같은 터빈은 점점 대형화, 고온화 및 고압화 되고 있다.
이러한, 터빈은 회전자와 고정자 사이의 밀봉부에서 발생하는 증기의 누설은 터빈의 효율을 저하시켜 연료비용을 증가시키는 주요인이기 때문에 증기 누설을 줄이기 위한 밀봉기술 즉, 실링(Sealing) 장치의 설계기술은 매우 중요하다.
즉, 상기 실링 장치는 가스, 스팀발전 고온 및 고압 터빈에 사용되는 스테인리스 소재의 밀봉장치로서 가스, 스팀 등의 누설을 방지하여 발전기의 에너지 생산의 효율을 최대한 상승시키는 기능과 로터의 진동방지에 중요한 역할을 한다.
도 1은 종래의 래비린스형 실링장치가 터빈에 장착된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 종래의 래비린스형 실링 장치(5)는 케이싱(2)에 장착되어 있는 다이어프램(3)의 외부링과 내부링에 설치되어 있다.
도 2는 종래의 래비린스형 실링장치를 나타낸 단면도이다.
도 2에서 보는 바와 같이, 상기 실링 장치(5)는 터빈의 비접촉식 환상 밀봉장치로 널리 사용되고 있는 날카로운 투스(6)가 구비된 래비린스형(labyrinth-type)으로 이루어지며, 상기 터빈 내에서 흐르는 유체의 교축작용 (Throttling Process)을 이용하여 누설 유량을 감소시키는 것으로, 상기 투스(6)를 고정자에 차례로 배열하여 상기 유체가 교축과 확대를 반복하는 과정에서 발생하는 압력강하 효과로써 상기 유체의 누설 유량을 저감시키게 된다.
그러나, 래비린스형 상기 실링 장치(5)를 이용하여 공간을 밀봉할 경우 상기 로터부(1)와 상기 실링 장치(5)의 간극으로 누설되는 상기 유체로 인하여 발생하는 효율 손실은 전체 터빈 효율 손실의 33%이상을 차지한다.
이는, 상기 실링 장치(5)와 상기 로터부(1) 사이의 간극을 작게 형성하여 증기 누설에 대한 손실을 줄일 수 있으나, 상기 로터부(1)의 진동이나 열적 불균형 변형 등에 의해 간극이 줄어들어 상기 실링 장치(5)와 상기 로터부(1)가 맞닿아 러빙(Rubbing)현상이 일어날 경우 상기 실링 장치(5)의 상기 투스(6)가 마모되어 시간이 지남에 따라 실링 작용이 감퇴하는 문제점이 있었다.
즉, 정상 운전시와 비교하여 기동시에는 비교적 큰 진동이 발생할 수 있으므로 이때는 상기 로터부(1)와 상기 실링 장치(5)의 간극이 일정거리 이상이어야 한다. 그러나, 상기 실링 장치(5)와 상기 로터부(1) 간의 간극이 크게 형성될수록 상기 유체의 누설량이 증가됨으로 실링 효과가 줄어들어 상기 터빈의 효율 손실이 더 많아지는 문제점이 있었다.
한국 공개특허 제10-2000-0016885호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 로터부와 케이싱 사이의 공간을 효과적으로 밀봉하고, 터빈의 진동을 최소화하여 발전효율 및 로터부의 내구성을 향상되는 터빈용 하이브리드 실링장치를 제공하는 것을 해결과제로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 터빈의 케이싱과 회전하는 로터부 사이로 누출되는 유체의 흐름을 밀봉하는 실링부와, 상기 실링부의 상측부에 돌출되어 구비되되 상기 케이싱 내주의 연결부를 따라 형성된 결합홈에 연결되는 결합부를 포함하되, 상기 실링부는 상기 로터부의 외주면을 감싸도록 구비되어 브리스틀 결합홈이 형성되되, 상기 브리스틀 결합홈의 전후측에 상기 로터부의 외주를 흐르는 상기 유체의 흐름을 차단하도록 돌출된 투스가 구비된 래비린스부; 상기 로터부의 외주면을 감싸도록 상기 브리스틀 결합홈에 삽입 및 고정되어 구비되는 복수개의 브리스틀이 구비된 브러쉬부; 및 상기 실링부의 전방측에 상기 로터부의 외주면을 감싸도록 다단으로 결합되되, 상호 이격되어 돌출된 복수개의 제1날개부가 돌출된 제1안티스월부재와, 상호 이격되어 돌출되되 상기 제1날개부 사이의 공간에 대향 배치되는 복수개의 제2날개부가 돌출된 제2안티스월부재를 포함하는 안티스월부를 포함하며, 상기 제2날개부 및 상기 제1날개부 각각의 배치간격은 상호 동일하고 상기 유체의 흐름과 반대방향의 유도각을 가지도록 형성되되 상호 평행하게 배치되며, 상기 제1날개부의 후방측 단부는 인접한 상기 제2날개부의 전방측 단부와 어긋나게 배치됨을 특징으로 하는 터빈용 하이브리드 실링장치를 제공한다.
여기서, 상기 제1안티스월부재와 상기 제2안티스월부재는 상기 래비린스부의 전방측에 형성된 결속홈에 전자빔용접에 의하여 고정되는 결속부가 각각의 하부에 돌출됨이 바람직하다.
그리고, 상기 브러쉬부는 상기 실링부에 설정된 간격으로 구비된 전방 브러쉬부와 후방 브러쉬부를 포함하며, 상기 래비린스부는 상기 전방 브러쉬부의 전방측에 배치된 제1래비린스부와 상기 후방 브러쉬부의 전후측에 배치된 제2래비린스부 및 제3래비린스부를 포함이 바람직하다.
또한, 상기 브리스틀은 단부가 상기 로터부의 외주면에 접하되 상기 유체의 유입방향으로 경사지게 배치됨이 바람직하다.
더욱이, 상기 브러쉬부는 상기 브리스틀의 하부를 고정하는 브리스틀 케이스를 포함하되, 상기 브리스틀 케이스에는 상기 브리스틀을 상기 유체의 유입방향으로 경사지도록 지지하는 브리스틀 지지대가 상기 실링부의 상면으로부터 전방측으로 경사지게 연장되어 형성됨이 바람직하다.
상기의 해결 수단을 통해서, 본 발명의 터빈용 하이브리드 실링장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 상기 로터부의 회전방향을 따라 흐르는 상기 유체가 다단으로 구비된 상기 안티스월부를 통과하여 상기 로터부의 축방향으로 직화되어 공진현상 예방으로 터빈의 기계적 부하가 방지되며, 상기 안티스월부를 형성하는 제1안티스월부재와 제2안티스월부재가 상기 래비린스부의 결속홈에 결합되는 형태이므로 상기 실링부의 마모로 인한 교체시 간단한 공정으로 분리하여 재사용할 수 있어 제품의 경제성이 향상될 수 있다.
둘째, 상기 브러쉬부는 상기 전방 브러쉬부 및 상기 후방 브러쉬부를 포함하여 다단 형성되므로 실링효율 및 상기 로터부의 회전에 대한 지지력이 더욱 개선되며, 상기 안티스월부는 상기 제1날개부 및 상기 제2날개부를 포함하여 다단 형성되므로 각 날개부의 유체 유도가 상호 보완적으로 이루어져 유체 흐름의 직진화가 더욱 안정화될 수 있다.
셋째, 상기 브러쉬부에 고정된 상기 브리스틀은 상기 브리스틀 지지대에 의해 상기 유체의 유입방향으로 경사지도록 지지되므로, 유입방향으로의 저항력이 향상되어 유출방향으로 흐르는 상기 유체의 압력으로 상기 브리스틀이 후방측으로 휘어지는 변형이 방지될 수 있어 상기 브러쉬부의 내구성이 향상될 뿐만 아니라, 상기 브리스틀의 변형에 따른 상기 로터부와의 간극 증가를 방지하여 실링성능이 개선될 수 있다.
넷째, 상기 투스를 따라 상하로 흐르는 상기 유체가 상기 브러쉬부의 경사면과 만나 후방으로 회선되는 와류를 형성하여 상기 브러쉬부를 통과하는 상기 유체 흐름을 상쇄하므로 유체 누설이 감소되어 실량효율이 개선될 뿐만 아니라, 상기 브리스틀이 전방측으로 경사지도록 꺾여 후방측으로 형성되는 탄성복원력으로 회전상태의 상기 로터부 외주를 견고하게 지지할 수 있어 회전에 따른 진동을 방지하므로 소음 및 회전력 소실이 절감될 수 있다.
도 1은 종래의 래비린스형 실링장치가 터빈에 장착된 상태를 나타내는 단면도.
도 2는 종래의 래비린스형 실링장치를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 터빈용 하이브리드 실링장치가 로터부를 감싸도록 장착된 상태를 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 터빈용 하이브리드 실링장치를 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 터빈용 하이브리드 실링장치를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터빈용 하이브리드 실링장치를 나타낸 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터빈용 하이브리드 실링장치를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 터빈용 하이브리드 실링장치가 로터부를 감싸도록 장착된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 터빈용 하이브리드 실링장치(100)는 터빈의 케이싱(20)과 회전하는 로터부(10) 사이로 누출되는 유체의 흐름을 밀봉하는 실링부(140)와, 상기 실링부(140)의 상측부에 돌출되어 구비되되 상기 케이싱(20)의 내주를 따라 형성된 연결부(25)를 따라 형성된 결합홈(21)에 연결되는 결합부(130)가 구비됨이 바람직하다.
여기서, 상기 연결부(25)란 상기 케이싱(20)을 비롯한 다이아프램(28) 등의 상기 케이싱(20)에 장착되거나 결합되고, 일체로 구비되는 모든 구조물을 포함함이 바람직하며, 상기 결합홈(21)은 상기 연결부(25)를 이루는 모든 구조물 내측에 구비됨이 바람직하다.
이때, 상기 실링부(140)의 장착 위치는 한정되는 것이 아니고, 회전하는 상기 로터부(10)와 고정된 상기 케이싱(20) 사이의 실링이 필요한 모든 장소에 장착될 수 있는 것으로 이해함이 바람직하다.
도 3에 도시된 화살표와 같이, 상기 케이싱(20) 내로 유입된 증기 또는 가스등 상기 유체(f)의 대부분은 고정된 다이아프램(28)의 파티션(27)을 통과하면서 상기 로터부(10)의 측부에 연장되어 구비된 회전 날개(27a)를 회전시키고, 다시 상기 파티션(27)에 의해 다음 상기 회전 날개(27a)로 유도되어 회전시키는 방식으로 유동하면서 최종적으로 외부로 배출되게 된다. 이 과정에서 각 상기 회전 날개(27a)가 회전하면 회전 날개(27a)를 포함한 상기 로터부(10)가 회전을 하게 되면서 발전이 이루어지게 된다.
이때, 상기 연결부(25)에는 상기 실링부(140)가 고정 장착 되도록 그의 외주를 따라 상기 결합홈(21)이 형성됨이 바람직하며, 상기 실링부(140)의 외주를 따라 돌출되어 구비된 상기 결합부(130)가 상기 결합홈(21)의 형태와 대응되도록 형성되어 상기 결합홈(21)에 끼움 고정결합된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 터빈용 하이브리드 실링장치를 나타낸 사시도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 터빈용 하이브리드 실링장치를 나타낸 단면도이다.
도 4 내지 도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 터빈용 하이브리드 실링장치(100)는 실링부(140)와 결합부(130)를 포함하며, 상기 실링부(140)는 래비린스부(labyrinth, 150), 브러쉬부(160), 안티스월부(anti-swirl, 170)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 실링부(140)를 이루는 상기 브러쉬부(160), 래비린스부(150) 및 상기 안티스월부(170)는 고열에 대해 안전한 재료, 특히 니켈, 크롬, 코발트 등이 함유된 철 기초 합금 또는 동 기초 합금 등의 재질로 이루어짐이 바람직하다.
이로 인해, 상기 실링부(140)는 상기 로터부(10)의 회전에 의해 상기 로터부(10)와 상기 다이아프램(도 3의 28)사이의 마찰로 발생하는 열에 대한 안정성을 가질 수 있다. 더욱이, 상기 실링부(140)는 연성 재질이기 때문에, 상기 로터부(10)와 마찰이 발생되는 경우에 고가인 상기 로터부(10)를 마모시키지 않고, 교체가능한 상기 실링부(140)의 래비린스부(150)가 마모된다.
이에 따라, 안정적인 구동을 보장되므로 상기 터빈의 내구성이 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 누설되는 유체량이 감소되므로 상기 터빈을 통한 발전효율이 향상될 수 있다.
한편, 상기 래비린스부(150)는 제1래비린스부(151), 제2래비린스부(152), 제3래비린스부(153), 그리고 브리스틀 결합홈(150a,150b)을 포함한다. 그리고, 상기 제1래비린스부(151), 상기 제2래비린스부(152), 그리고 상기 제3래비린스부(153)에는 복수 개의 투스(tooth,154)가 형성된다.
상세히, 상기 브리스틀 결합홈(150a,150b)은 상기 래비린스부(150)의 전방측과 후방측에 형성된다. 그리고, 각각의 브리스틀 결합홈(150a,150b)에는 브러쉬부(160)가 삽입되어 고정된다. 이때, 전방측 브리스틀 결합홈(150a)에는 전방 브러쉬부(161)가, 후방측 브리스틀 결합홈(150b)에는 후방 브러쉬부(162)가 삽입되어 고정됨이 바람직하다.
또한, 상기 전방측 및 상기 후방측 브리스틀 결합홈(150a,150b)은 각각의 내측에 삽입되어 고정된 상기 전방 브러쉬부(161) 및 상기 후방 브러쉬부(162)가 상기 실링부(140)에 기설정된 간격으로 구비되도록 배치된다. 즉, 상기 전방측 및 상기 후방측 브리스틀 결합홈(150a,150b)은 상기 전방 브러쉬부(161) 및 상기 후방 브러쉬부(162)가 배치되는 간격으로 형성됨이 바람직하다.
그리고, 각각의 상기 브리스틀 결합홈(150a,150b)의 전후측에는 상기 로터부(10)의 외주를 흐르는 유체의 흐름을 차단하도록 돌출된 복수개의 투스(154)가 구비됨이 바람직하다.
한편, 상기 제1래비린스부(151)는 상기 전방 브러쉬부(161)의 전방측에 배치되며, 상기 제2래비린스부(152)는 상기 후방 브러쉬부(162)의 전방측에 배치되고, 상기 제3래비린스부(153)는 상기 후방 브러쉬부(162)의 후방측에 배치된다.
이때, 상기 실링부(140)의 전방은 유체가 유입되는 입구를 말하며, 상기 실링부(140)의 후방은 유체가 유출되는 출구를 말한다. 또한, 입구에서 출구로 이어지는 방향은 상기 로터부(10)의 회전 중심이 되는 축방향으로 이해함이 바람직하다.
여기서, 상기 제1래비린스부(151)는 증기 또는 가스 등의 유체가 상기 실링부(140)에 유입되는 고압 영역의 입구부(41)에 형성되고, 상기 제2래비린스부(152)는 상기 유체가 상기 실링부(140)를 통과하는 중압 영역에 형성되며, 상기 제3래비린스부(153)는 상기 유체가 상기 실링부(140)의 외측으로 유출되는 저압 영역의 출구부(42)에 형성된다.
이때, 상기 제1래비린스부(151), 상기 제2래비린스부(152), 그리고 상기 제3래비린스부(153)는 일체로 연장되어 구비될 수 있고, 각각의 제1, 제2 및 제3래비린스부(151, 152, 153)를 제작 후 코킹 등의 결합으로 구비될 수 있다.
또한, 상기 제1, 제2 및 제3래비린스부(151, 152, 153)는 상기 로터부(10)의 외주를 따라 감싸도록 구비되며, 상기 로터부(10)와 일정한 단차를 두고 돌출되도록 형성된 복수 개의 상기 투스(154)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 투스(154)는 상기 제1, 제2 및 제3래비린스부(151, 152, 153)의 내주를 테이퍼함으로써 돌출되게 구비되며, 복수개의 상기 투스(154)가 상기 유체가 지나가는 복수개의 스테이지(156)를 형성한다.
물론, 상기 투스(154)의 대향되는 상기 로터부(10) 역시 돌출부(11)를 가질 수 있고, 상기 투스(154)와 상기 로터부(10)가 이루는 간극(155)이 일정하게 유지되도록 상기 돌출부(11) 형성 높이만큼 상기 투스(154)의 높이도 대응되게 형성됨이 바람직하다.
이때, 상기 투스(154)는 상기 로터부(10)보다 마모가 쉽게 되어 상기 로터부(10)의 손상을 방지하기 위하여 상기 실링부(140) 재질과 일치하거나 상기 로터부(10)의 재질보다 낮은 경도 특성값을 가지는 재질로 제작됨이 바람직하다.
그리고, 상기 투스(154)는 상기 유체의 유입측에 대향되는 제1면(158)과 상기 제1면의 반대측인 제2면(159)으로 구비되되, 상기 제1면(158)은 상기 유체의 유입측 방향과 수직으로 형성되며, 상기 제2면(159)은 경사지게 형성됨이 바람직하다.
상기 로터부(10)의 회전동력이 되는 증기 등의 유체가 빠른 속도로 상기 투스(154)와 상기 로터부(10) 사이의 간극을 통과하면, 전방의 가속과 후방의 감속현상으로 인해 스테이지(156)를 따라 흐르는 유체의 단면에서 수축이 발생된다. 이때, 상기 간극(155)을 통과한 후 단면이 가장 좁은 지점을 수축단면이라고 하며, 상기 수축단면을 상기 유체가 통과되는 실제 간극으로 간주하게 된다.
여기서, 상기 제1면(158)과 상기 제2면(159)의 형상으로 인해, 상기 간극(155)을 통과하는 유체의 상측, 즉 상기 제2면(159) 전방에 2차적인 유체의 흐름이 발생하게 된다. 이에 따라, 상기 간극(155)을 통과하는 유체의 수축단면이 감소되어 상기 간극(155)이 작아지는 효과를 제공함으로써, 상기 래비린스부(150)를 통과하는 유체의 누설이 저감되어 발전효율이 향상될 수 있다.
또한, 상기 래비린스부(150)에는 상기 입구부(41)에서 상기 출구부(42)로 흐르는 유체의 유동을 제한하는 다수의 상기 투스(154)가 배치되어, 상기 로터부(10)의 축방향으로 평행하게 흐르려는 상기 유체가 상기 투스(154) 및 상기 스테이지(156)가 이루는 경로를 따라 상하로 흐르게 된다.
이때, 상기 스테이지(156)는 차례로 배열된 상기 투스(154) 사이의 공간으로 형성된다. 그리고, 상기 유체는 상기 투스(154)의 상단과 상기 로터부(10) 사이의 좁은 간극(155)인 협소부를 통과할 때 속도가 저하되며, 상기 스테이지(156)에서 와류 현상이 일어나 압력이 감소하는 과정이 상기 출구부(42)까지 각 투스를 통과하며 반복된다. 이로 인해, 상기 실링부(140)를 통과하는 누설 유체의 압력이 줄어들게 되므로 상기 입구부(41)와 상기 출구부(42)의 압력강하가 발생되며 상기 유체의 누설이 저감된다.
한편, 상기 브러쉬부(160)는 전방 브러쉬부(161) 및 후방 브러쉬부(162)를 포함한다. 이때, 각각의 브러쉬부(161,162)는 브리스틀(165)의 하부를 고정하는 브리스틀 케이스(161a)를 포함하되, 상기 브리스틀 케이스(161a)에는 상기 브리스틀(165)을 상기 유체의 유입방향으로 경사지도록 지지하는 브리스틀 지지대(161b)가 연장 형성된다.
상세히, 상기 브러쉬부(160)는 상기 로터부(10)의 외주면을 감싸도록 상기 브리스틀 결합홈(150a,150b)에 삽입 및 고정되어 구비되되, 단부가 상기 로터부(10)의 외주면에 접하도록 배치되는 복수개의 브리스틀(165, bristle)이 구비된다.
여기서, 상기 전방 브러쉬부(161)는 상기 전방측 브리스틀 결합홈(150a)에, 상기 후방 브러쉬부(162)는 상기 후방측 브리스틀 결합홈(150b)에 삽입되어 고정되되, 각각의 브리스틀 케이스(161a)가 전자빔을 이용한 전자빔용접(Electric beam welding, EBW)에 의하여 상기 브리스틀 결합홈(150a)의 내측에 고정됨이 바람직하다. 이때, 상기 브리스틀(165)은 탄성력과 내열성을 가진 유연한 소재로 형성됨이 바람직하다.
그리고, 복수개의 상기 브리스틀(165)은 상기 브리스틀 케이스(161a)의 내측에 가압 고정된다. 여기서, 상기 브리스틀 케이스(161a)는 상기 브리스틀의 일측단부를 수용하는 하면과 상기 하면의 양측부가 연장된 상기 브리스틀 지지대를 포함하여 형성됨이 바람직하다.
상세히, 상기 브러쉬부(160)에 고정된 상기 브리스틀(165)은 상기 브리스틀(165)의 단부가 상기 로터부(10)의 외주에 맞닿게 배치된다. 이에 따라, 상기 브리스틀(165)은 상기 투스(154)와 싱기 로터부(10) 사이의 간극(155)을 통과한 유체가 상기 브러쉬부(160)와 상기 로터부(10) 사이로 유동되지 못하도록 실링하게 된다. 이때, 상기 브리스틀 지지대(161b)가 상기 브리스틀(165)이 유체의 압력에 의해 후측으로 휘어지지 않도록 지지력 형성하여 실링효율이 개선될 수 있다.
또한, 상기 브러쉬부(160)은 복수 개의 얇은 브리스틀(165)이 군집을 형성하고 있어, 상기 브리스틀(165)의 수직면(165a)과 만난 유체는 상기 브리스틀(165)의 틈 사이로 일부 유동되되 유속이 저하되므로, 상기 유체가 상기 브러쉬부(160)의 전면에 압축되어 상기 로터부(10)에 강한 압력을 주는 것을 방지할 수 있어 안정적인 실링이 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 브러쉬부(160)는 상기 전방 브러쉬부(161) 및 상기 후방 브러쉬부(162)로 다단으로 형성되어, 상기 전방 브러쉬부(161)를 통과한 유체가 상기 후방 브러쉬부(162)에 의해 이중으로 감압 및 감속되어 실링효율이 더욱 개선될 수 있다.
또한, 상기 브리스틀(165)의 단부는 상기 로터부(10)의 외주를 지지하되, 상기 전방 브러쉬부(161) 및 상기 후방 브러쉬부(162)에 결합되어 상기 로터부(10)의 축방향을 따라 일정한 간격으로 배치되므로, 상기 로터부(10)의 외주를 더욱 견고하게 지지할 수 있다. 이에 따라, 상기 로터부(10)의 회전 진동에 따른 소음을 더욱 저감하며, 진동으로 인한 회전력 소실 및 내부 부품의 마모를 방지하여 제품의 안정성이 더욱 향상될 수 있다.
한편, 상기 래비린스부(150)와 상기 브러쉬부(160)를 통과한 상기 유체는 유체의 균일한 흐름에 의해 진동하여 상기 로터부(10)의 회전방향을 따라도는 스월현상이 발생하게 된다. 이때, 진동하는 유체량이 증가 될 경우 상기 유체의 진동중첩은 상기 실링부(140) 사이에서 공진현상이 발생시키고, 이러한 공진현상은 상기 로터부(10)의 파손을 유발시킬 수 있다. 이를 방지하기 위하여 상기 래비린스부(150)의 입구부(41)에는 상기 유체의 스월흐름을 방지하는 안티스월부(170)가 더 포함되어 구비된다.
그리고, 상기 안티스월부(170)는 상기 래비린스부(150)와 마찬가지로 상기 로터부(10)와 일정 단차를 이루며 구비되며, 상기 로터부(10)의 외주에 손상을 주지 않도록 연성 재질의 금속으로 이루어짐이 바람직하다.
여기서, 상기 안티스월부(170)는 상기 실링부(140)의 전방측(141)에 상기 로터부(10)의 외주면을 감싸도록 구비되되, 상기 유체의 흐름과 반대반향의 유도각을 가지고 상호 이격되어 돌출된 복수개의 날개부(171a,172a)가 형성된다.
이때, 상기 안티스월부(170)는 상기 실링부(140)의 전방측(141)에 다단으로 결합되되, 이격된 간격으로 제1날개부(172a)가 돌출된 제1안티스월부재(172)와 상기 제1날개부(172a) 사이의 공간에 대향배치되는 제2날개부(171a)가 돌출된 제2안티스월부재(171)를 포함한다.
즉, 상기 제1날개부(172a)는 상기 로터부(10)의 회전 방향으로 배치된 각각의 제1날개부(172a)의 사이로 유체가 흐를 수 있는 공간이 형성되도록 일정한 간격으로 상호 이격 배치될 수 있다. 그리고, 상기 제2날개부(171a)는 각각이 제1날개부(172a) 배치간격과 동일하게 이격되어 배치됨이 바람직하다.
또한, 상기 제2날개부(171a)는 상기 제1날개부(172a)와 평행하게 배치되되, 상기 제2날개부(171a)의 전방측 단부와 인접한 상기 제1날개부(172a)의 후방측 단부가 어긋나게 배치되도록 상기 제1날개부(172a) 사이의 공간을 따라 상기 제2날개부(171a)의 전방측 단부가 배치될 수 있다.
상세히, 상기 제1날개부(172a)와 상기 제2날개부(171a)는 상기 로터부(10)의 회전방향을 따라 흐르는 상기 유체의 흐름을 상기 로터부의 축방향으로 유도하도록 상기 유체의 흐름과 반대방향의 유도각을 가지도록 형성된다. 여기서, 상기 제1날개부(172a)와 상기 제2날개부(171a)의 유도각은 절삭가공으로 이루어질 수 있다.
즉, 상기 래비린스부(150)와 상기 브러쉬부(160)를 통과한 상기 유체는 상기 로터부(10)의 회전방향을 따라 도는데, 상기 유체가 상기 유도각을 가지는 상기 제1날개부(172a)를 통과하게 되면 상기 유체의 흐름은 상기 로터부(10)의 축방향으로 전환될 수 있다.
그리고, 상기 제2날개부(171a)는 상기 제1날개부(172a) 사이의 공간에 대향배치되어, 상기 제1날개부(172a)에서 흐름이 전환된 유체는 원활하게 통과시키되, 상기 제1날개부(172a)에서 흐름이 전환되지 않은 유체를 상기 로터부(10)의 축방향으로 직화시키게 된다. 이로 인해, 상기 유체는 축방향으로 흐름이 전환되어 공진현상이 방지되고, 공진현상으로 인한 상기 터빈의 기계적인 부하가 방지될 수 있다.
또한, 상기 제1안티스월부재(172)와 상기 제2안티스월부재(171)에는 각각의 하부에 결속부(172b,171b)가 돌출되며, 상기 결속부(172b,171b)는 상기 래비린스부(150)의 전방측에 형성된 결속홈(141b,141a)에 전자빔용접에 의하여 고정된다.
상세히, 상기 결속부(172b,171b)는 상기 결속홈(141b,141a)에 형합되는 형태로 형성되되, 상기 결속홈(141b,141a)에 끼워져 전자빔용접에 의해 고정되므로 상기 유체의 압력으로 이탈되지 않고 견고하게 저항하여 결합될 수 있다. 더욱이, 상기 실링장치(100)의 내부 부재가 마모되어 교체가 필요한 경우에 상기 결속홈(141b,141a)에서 간단한 공정으로 분리하여 새로운 실링장치(100)의 결속홈(141b,141a)에 삽입하여 재사용할 수 있다.
이에 따라, 상기 실링장치(100)의 마모로 인한 교체시, 상기 안티스월부(17)를 형성하는 재료비 및 상기 날개부(172a,171a)를 절삭가공하는 공정비용을 절감할 수 있어 제품의 경제성이 향상될 수 있다.
한편, 상기 터빈용 하이브리드 실링장치(100)가 상기 로터부(10)와 상기 케이싱(20) 사이를 실링하는 과정을 도 3 내지 도 5를 참고하여 설명하면 하기와 같다.
도 3 내지 도 5에서 보는 바와 같이, 상기 터빈용 하이브리드 실링장치(100)는 회전하는 상기 로터부(10)와 고정된 상기 케이싱(20) 사이로 손실되는 유체의 흐름을 실링하기 위해 상기 연결부(25)의 내주를 따라 구비된 상기 결합홈(21)에 상기 결합부(130)가 고정결합된다.
여기서, 상기 실링부(140)는 상기 로터부(10)의 외주를 따라 감싸듯 구비되되, 상기 유체가 흐르는 고압영역에 상기 입구부(41)가 배치되고, 저압영역으로 상기 출구부(42)가 배치된다.
그리고, 상기 입구부(41)에서 유입되는 상기 유체는 상기 안티스월부(170)의 제1날개부(172a) 및 제2날개부(171a)를 통해 정류되어 직화된 후, 상기 래비린스부(150)의 상기 제1래비린스부(151)를 통과하게 된다.
이때, 상기 안티스월부(170)에 유입된 상기 유체는 상기 제1날개부(172a)에 의해 상기 유체의 진행방향을 상기 로터부(10)의 축방향과 대응되도록 유도되며, 다단으로 중첩하여 배치된 상기 제2날개부(171a)에 의해 전환되지 않은 유체의 진행방향을 다시 한번 직화한다. 이에 따라, 상기 안티스월부(170)를 통과한 상기 유체는 상기 로터부(10)의 축방향으로 흐름이 전환되어 공진현상을 방지할 수 있다.
또한, 상기 제1래비린스부(151)의 내측 방향으로 상기 로터부(10)와 단차를 이루며 돌출된 복수개의 상기 투스(154)가 이루는 상기 간극(155)와 상기 스테이지(156)로 상기 유체가 유입되어, 각각을 통과하면서 교축작용 및 와류에 의해 상기 유체의 압력이 저하되어 실링효율이 향상된다.
한편, 상기 제1래비린스부(151)를 통과한 상기 유체는 상기 전방 브러쉬부(161)측으로 이동되고, 상기 브리스틀(165)로 실링되되 상기 브리스틀(165)의 경사면(165a)에 형성된 와류에 의해 유체의 누설이 감쇠된다. 더욱이, 상기 브리스틀(165)은 상기 로터부(10)의 진동을 흡수하여 원활한 회전을 돕는 효과를 제공한다.
그리고, 상기 전방 브러쉬부(161)를 통과한 누설 유체는 상기 제2래비린스부(152), 상기 후방 브러쉬부(162), 상기 제3래비린스부(153)를 순차적으로 통과하게 되고 상기와 같은 과정을 통해 유체의 압력을 저하시키며 유체를 실링하게 된다.
상술한 바와 같이, 상기 로터부(10)의 회전방향을 따라 흐르는 상기 유체를 상기 로터부(10)의 축방향으로 유도하는 상기 안티스월부(170)로 통과시켜 상기 유체의 공진현상을 예방하여 상기 터빈의 기계적 부하를 예방할 수 있고, 상기 실링부(140)를 통과한 상기 유체는 상기 래비린스부(150)와 상기 브러쉬부(160)에서 압력 저하 및 와류를 통해 누설이 저감되므로 상기 유체를 효과적으로 실링하여 상기 터빈의 발전효율을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터빈용 하이브리드 실링장치를 나타낸 단면도이다. 본 실시예에서는 상기 브러쉬부에 결합된 상기 브리스틀의 경사형태를 제외한 기본 구성은 전술된 일실시예와 동일하므로 동일한 부분에 대한 설명은 생략하며, 동일한 부분에 대해서는 일실시예와 동일한 도면 번호를 사용하여 설명한다.
도 6에서 보는 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 터빈용 하이브리드 실링장치는 상기 브리스틀(265)의 단부가 상기 로터부(10)의 외주면에 접하되, 상기 유체의 유입방향으로 경사지게 배치된다.
상세히, 상기 브러쉬부는 상기 브리스틀(265)의 하부를 고정하는 브리스틀 케이스(261a)를 포함하되, 상기 브리스틀 케이스(261b)에는 상기 브리스틀(265)을 상기 유체의 유입방향으로 경사지도록 지지하는 브리스틀 지지대(261b)가 상기 실링부의 상면으로부터 전방측으로 경사지게 연장되어 형성된다.
그리고, 복수개의 상기 브리스틀(265)은 상기 브리스틀 케이스(261a)의 내측에 가압 고정된다. 이때, 상기 브리스틀 지지대(261b)는 상기 실링부의 상면으로부터 전방측으로 경사지게 절곡 형성되어 상기 브리스틀(265)을 상기 유체의 유입방향으로 경사지도록 지지한다.
물론, 상기 브리스틀 지지대(261b)의 절곡된 형상은 상기 브리스틀(265)을 상기 유체의 유입방향으로 경사지게 배치하는 데 그 목적이 있으므로, 상기 브리스틀 지지대(261b)의 절곡된 형상은 경사지게 형성된 상기 브리스틀 결합홈과 그의 내측에 경사지게 결합된 상기 브러쉬부로 대체되어 상기 브리스틀(265)의 경사를 형성하는 것도 가능하다.
상세히, 상기 브러쉬부에 고정된 상기 브리스틀(265)은 상기 유체의 유입방향을 향해 경사지도록 지지되어, 상기 브리스틀(265)의 단부가 상기 로터부(10)의 외주에 맞닿게 배치된다. 이때, 상기 브리스틀(265)의 단부가 상기 로터부(10)에 구속되므로, 상기 브리스틀(265)은 상기 유체 유출방향으로 흐름에 대한 저항력이 향상된다.
이에 따라, 상기 브리스틀(265)이 상기 유체에 밀려 후방측으로 휘어지지 않게 되어 상기 브러쉬부와 상기 로터부(10)의 간극으로 흐르는 유체의 압력에 의해 상기 브리스틀(265)이 상기 유체의 유출방향으로 휘어지는 탄성변형이 방지되며, 계속적인 변형에 따른 소성변형이 방지된다. 따라서, 상기 브러쉬부의 내구성이 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 상기 브리스틀(265)이 후방측으로 휘어져 상기 로터부(10)와 상기 브러쉬부간의 간극이 증가되는 것을 방지하므로 실링성능이 개선될 수 있다.
또한, 상기 투스(154)와 상기 로터부(10) 사이의 간극(155)을 통과하여 상기 투스(154)의 제1면(158)과 제2면(159)을 따라 상하로 흐르는 상기 유체는 상기 브리스틀(265)의 경사면(265a)과 만나, 상기 경사면(265a)을 따라 상승되되 전방측으로 후퇴하고 상기 제2면(159)을 따라 하강하는 회선 와류를 형성한다. 이때, 회선된 와류는 상기 브러쉬부를 통과하는 상기 유체의 흐름을 상쇄하여 유체 누설을 감소시켜 실링효율을 개선하는 효과를 제공할 수 있다.
더욱이, 상기 브리스틀(265)의 꺾인 형태로 인해 상기 유체의 압력에 대한 저항력이 향상되어 상기 실링부(140) 내에서 상기 유체의 압력에 대한 편향력이 극복될 수 있다.
그리고, 상기 브리스틀(265)은 중심측이 꺾인 형태로 상기 로터부(10)의 외주와 맞닿게 배치된다. 이때, 상기 브리스틀(265)이 전방측으로 경사지도록 꺾여, 후방측으로 탄성복원력이 형성되어 상기 로터부(10)의 외주를 향한 탄성지지력이 향상될 수 있다.
이로 인해, 상기 브리스틀(265)은 회전상태인 상기 로터부(10)의 외주를 더욱 강하게 지지하여 회전에 따라 발생되는 진동을 저감하여 소음을 감소시킬 뿐만 아니라, 회전력이 진동으로 소실되는 것을 방지하므로 원활한 회전을 통해 발전효율을 향상시키는 효과를 제공할 수 있다.
물론, 상기 브리스틀(265)의 단면(265a)은 소정각도로 휘어져 상기 로터부(10)의 외주면에 맞닿을 수 있다. 이는, 상기 로터부(10)의 축방향에서 상기 브러쉬부의 두께에 의한 상기 유체에 대한 구속력은 유지하되 상기 브리스틀(265) 개별의 접촉면적이 감소됨에 따라 상기 로터부(10)와의 마찰력을 감소시키는 효과를 제공할 수 있다.
그리고, 마찰력 감소는 상기 터빈의 회전효율을 향상하며, 상기 로터부(10)의 회전방향으로 상기 브리스틀(265)이 탄발변형되는 것을 방지하여 상기 투스(154)와의 간섭으로 인한 유체의 이상유동을 방지할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 각 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 청구항에서 청구한 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형실시되는 것은 가능하며, 이러한 변형실시는 본 발명의 범위에 속한다.
10: 로터부 11: 돌출부
2, 20: 케이싱 21: 결합홈
3, 28: 다이아프램 25: 연결부
27: 파티션 27a: 회전 날개
130: 결합부 140: 실링부
41: 입구부 42: 출구부
150: 래비린스부 150a, 150b: 브리스틀 결합홈
154: 투스 155: 간극
156: 스테이지 158: 제1면
159: 제2면 160: 브러쉬부
161a,261a: 브리스틀 케이스 161b,261b: 브리스틀 지지대
165,265: 브리스틀 170: 안티스월부
172a: 제1날개부 171a: 제2날개부
100: 하이브리드 실링장치

Claims (5)

  1. 터빈의 케이싱과 회전하는 로터부 사이로 누출되는 유체의 흐름을 밀봉하는 실링부와, 상기 실링부의 상측부에 돌출되어 구비되되 상기 케이싱 내주의 연결부를 따라 형성된 결합홈에 연결되는 결합부를 포함하되, 상기 실링부는
    상기 로터부의 외주면을 감싸도록 구비되어 브리스틀 결합홈이 형성되되, 상기 브리스틀 결합홈의 전후측에 상기 로터부의 외주를 흐르는 상기 유체의 흐름을 차단하도록 돌출된 투스가 구비된 래비린스부;
    상기 로터부의 외주면을 감싸도록 상기 브리스틀 결합홈에 삽입 및 고정되어 구비되는 복수개의 브리스틀이 구비되는 브러쉬부; 및
    상기 실링부의 전방측에 상기 로터부의 외주면을 감싸도록 다단으로 결합되되, 상호 이격되어 돌출된 복수개의 제1날개부가 돌출된 제1안티스월부재와, 상호 이격되어 돌출되되 상기 제1날개부 사이의 공간에 대향 배치되는 복수개의 제2날개부가 돌출된 제2안티스월부재를 포함하는 안티스월부를 포함하되,
    상기 제2날개부 및 상기 제1날개부 각각의 배치간격은 상호 동일하고 상기 유체의 흐름과 반대방향의 유도각을 가지도록 형성되되 상호 평행하게 배치되며, 상기 제1날개부의 후방측 단부는 인접한 상기 제2날개부의 전방측 단부와 어긋나게 배치되고,
    상기 제1안티스월부재와 상기 제2안티스월부재는 상기 래비린스부의 전방측에 형성된 결속홈에 전자빔용접에 의하여 고정되는 결속부가 각각의 하부에 돌출되며,
    상기 브리스틀은 단부가 상기 로터부의 외주면에 접하되 상기 유체의 유입방향으로 경사지게 배치되도록, 상기 브러쉬부는 상기 실링부의 상면으로부터 전방측으로 경사지게 연장되는 브리스틀 지지대가 형성되어 상기 브리스틀의 하부를 고정하는 브리스틀 케이스를 포함하며,
    상기 브러쉬부는 상기 실링부에 설정된 간격으로 구비된 전방 브러쉬부와 후방 브러쉬부를 포함하며, 상기 래비린스부는 상기 전방 브러쉬부의 전방측에 배치된 제1래비린스부와 상기 후방 브러쉬부의 전후측에 배치된 제2래비린스부 및 제3래비린스부를 포함함을 특징으로 하는 터빈용 하이브리드 실링장치.
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