KR101550748B1 - 수동형 축선방향 균형 시스템을 갖는 회전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메인 액체 흐름을 통과시키는 회전기에 관한 것으로서, 상기 회전기는, 상기 회전기의 케이싱에 대하여 회전하도록 장착된 축(20), 및 제1 축선방향 지지력을 상기 축에 가하기에 적합한 능동형 축선방향 균형 시스템을 포함한다.

본 발명은 메인 액체 흐름으로부터 발생되는 2차 액체 흐름(F2)에 대한 회로와, 제2 축선방향 지지력을 상기 축에 가하기에 적합한 수동형 축선방향 균형 시스템(42)을 포함하되, 상기 수동형 축선방향 균형 시스템에 2차 액체 흐름(F2)에 대한 상기 회로가 제공된다.

회전기, 메인 액체 흐름, 축, 2차 액체 흐름, 회로

Description

수동형 축선방향 균형 시스템을 갖는 회전기{A ROTARY MACHINE INCLUDING A PASSIVE AXIAL BALANCING SYSTEM}

본 발명은, 예컨대, 전력을 발생시키기 위한 흡입 펌프 또는 터빈 등과 같이, 메인 액체 흐름을 통과시키는 회전기에 관한 것이다. 회전기가 펌프이면 메인 액체 흐름은 펌프가 흡입하는 액체이고, 반면에 회전기가 터빈이면 메인 액체 흐름은 터빈 내로 분사되는 액체이다.

회전기는 회전자와 고정자로 구성된 전기 부재를 일반적으로 포함하며, 이 부재는, 회전기가 펌프로서 작용하면 전기 모터가 되고, 회전기가 터빈으로서 작용하면 발전기가 된다.

이러한 회전기는 흔히 수직으로 설치되도록 설계되는데, 즉 전체적으로 수직으로 연장되는 회전 축선을 갖도록 설계되어서, 펌프의 "하부"와 "상부"가 이러한 수직 축선에 대하여 정의될 수 있게 한다.

"축선방향", "반경방향" 및 "접선방향"이라는 용어도 회전기의 축선에 대하여 정의된다.

이러한 회전기의 소정의 회전 요소들의 상당한 질량, 특히 전기 부재 및 이 전기 부재의 회전자에 고정된 회전축의 질량으로 인하여, 이들 요소들을 하방으로 이동시키는 경향이 있는 이러한 질량의 하방력이 커짐을 알 수 있을 것이다.

또한, 회전기가 펌프로서 작용하면, 펌핑에 의한 반작용은 회전기의 회전축을 이에 고정된 요소들과 함께 하방으로 잡아당기는 견인력을 야기한다.

이러한 초기 힘은 중력에 부가되어 회전축이 회전기에 대하여 축선방향 하방으로 향하는 큰 힘을 받게 한다.

그 결과, 회전축의 회전을 안내하는 기능을 하는 베어링은 이러한 힘에 의해 축선방향으로 응력을 심하게 받으므로 제품의 수명이 감소된다.

이러한 결점을 개선하기 위해, 이러한 회전기는 미국 특허 제4 538 960호에 기재된 능동형 축선방향 균형 시스템, 즉, 축에 중력 방향의 반대 방향으로 축선방향 지지력을 가함으로써 상기한 초기 힘이 전부 또는 일부 보상될 수 있게 하는 시스템을 일반적으로 포함한다.

중력과 견인력을 더하여 이루어지는 보상될 힘의 크기와 실질적으로 동일한 크기의 축선방향 지지력을 얻는 것이 바람직함을 알 수 있을 것이다.

실제, 보상될 힘의 강도는, 예컨대, 메인 액체 흐름의 유량의 변동으로 인해 변동할 수 있으므로, 축선방향 지지력의 크기가 보상될 힘의 크기보다 갑자기 더 커질 수도 있으며, 이에 의해 축이 회전기에 대하여 상방으로 이동하도록 한다.

능동형 축선방향 균형 시스템이 없는 경우에는, 축에 작용하는 이러한 축선방향 추력이 베어링에 피로를 야기할 수 있으므로 제품의 수명이 감소된다.

능동형 축선방향 균형 시스템에서, 축선방향 지지력의 크기는 케이싱에 대한 회전축의 변위에 따라 좌우된다. 이는 축선방향 지지력의 크기가 조절될 수 있게 한다.

그래서, 축선방향 지지력의 크기가 보상될 힘의 크기보다 더 커지면 축선방향 지지력은 감소하고, 반대로 축선방향 지지력의 크기가 보상될 힘의 크기보다 더 작아지면 축선방향 지지력은 증가한다. 즉, 축선방향 지지력의 크기는 회전축의 변위에 따라 서보-제어된다.

그래서, 능동형 축선방향 균형 시스템에 의해, 축선방향 지지력의 크기는 능동적으로 조절됨을 알 수 있을 것이다.

본 발명은 메인 액체 흐름을 통과시키는 회전기에 관한 것으로서, 상기 회전기는, 상기 회전기의 케이싱에 대하여 회전하도록 장착된 축, 및 제1 축선방향 지지력을 상기 축에 가하기에 적합한 능동형 축선방향 균형 시스템을 포함한다.

그런데, 능동형 축선방향 지지 시스템에 의해 가해진 축선방향 지지력의 크기가 충분하게 크지 않은 경우가 있다.

본 발명의 목적은 축선방향 지지 성능이 개선된 회전기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은, 본 발명의 회전기가, 메인 액체 흐름으로부터 발생된 2차 액체 흐름에 대한 회로와, 제2 축선방향 지지력을 축에 가하기에 적합한 수동형 축선방 향 균형 시스템을 더 포함하되, 상기 수동형 축선방향 균형 시스템에 2차 액체 흐름에 대한 상기 회로가 제공되는 사실에 의해 그 목적을 달성한다.

본 발명의 의미에 있어서, 수동형 축선방향 균형 시스템은, 제2 축선방향 지지력의 크기가 축의 케이싱에 대한 변위에 서보-제어되지 않는다는 점에서 능동형 축선방향 시스템과 상이하다.

즉, 제2 축선방향 지지력의 크기는 회전축의 케이싱에 대한 변위에 관계없이 일정하다.

또한, 회전기가 수직으로 설치되면, 제2 축선방향 지지력은 제1 축선방향 지지력과 같이 중력의 방향과 반대 방향으로 작동한다.

본 발명의 회전기가 펌프이면, 제2 축선방향 지지력은 상기한 견인력의 방향에 반대 방향으로 작용한다.

따라서, 능동형 축선방향 균형 시스템과 별개인 수동형 축선방향 시스템은 추가적인 축선방향 지지력, 즉 제2 축선방향 지지력을 운반하므로, 회전축에 작용하는 전체 축선방향 지지력의 크기가 유리하게 개선되게 한다.

본 발명에서, 2차 액체 흐름의 유량은 메인 액체 흐름의 유량보다 상당히 더 작다.

또한, 본 발명에서, 회전기가 작동 중에 회로 내에서 유동하는 2차 액체 흐름은 유리하게도 수동형 축선방향 균형 시스템에 공급되는데, 즉 2차 액체 흐름은 수동형 축선방향 균형 시스템을 작동시키는 데에 필요한 에너지를 공급한다.

유리하게도, 수동형 축선방향 균형 시스템은 축과 케이싱 사이에, 2차 액체 흐름이 유동하는 환형 통로를 구비하며, 상기 통로는 상류 유체-유동 챔버와 하류 유체-유동 챔버를 축선방향으로 분리시키되 상류 유체-유동 챔버 내의 압력이 하류 유체-유동 챔버 내의 압력보다 더 커지도록 하는 방식으로 분리시킨다.

"상류" 및 "하류" 라는 용어는 본 명세서에서 2차 액체 흐름의 유동 방향에 대하여 사용된다.

2개의 챔버들 사이의 압력 차이는 환형 통로가 2차 액체 흐름에 대한 유동 제한을 구성한다는 점에 기인한 것이다.

환형 통로는 축에 고정된 디스크와 케이싱 사이에 구획 형성되는 것이 유리하다.

환형 통로는 디스크의 외주면과 케이싱의 내면 사이에 반경방향으로 구획형성되는 것이 바람직하다.

더욱이, 디스크는 회전축의 축선으로부터 반경방향으로 연장되되 상류 챔버와 하류 챔버를 축선방향으로 분리하도록 연장되는 것이 바람직하다. 따라서, 상류 챔버와 하류 챔버 사이의 압력 차이로부터 발생되는 제2 축선방향 지지력은 디스크를 통해 회전축에 작용한다.

디스크는 그 외주면에 환형의 래비린스 시일(labyrinth seal)을 포함하는 것이 유리하다.

따라서, 환형 통로는 래비린스 시일과 케이싱의 내면 사이에 반경방향으로 구획형성된다.

수동형 축선방향 균형 시스템은 2차 액체 흐름의 유량을 조정하는 수단을 더 포함하는 것이 특히 유리하다.

2차 액체 흐름의 유량은 너무 크면 회전기의 효율을 감소시키므로 너무 크면 않된다.

본 발명에 의하면, 2차 액체 흐름의 유량이 조정되어, 충분하지만 회전기의 효율을 과도하게 감소시키지 않는 제2 축선방향 지지력이 얻어지게 한다.

2차 액체 흐름의 유량을 조정하는 수단은 상기 환형 통로를 포함하는 것이 유리하다.

즉, 환형 통로는 제2 축선방향 지지력을 발생시키는 것과 2차 액체 흐름의 유량을 조정하는 것에 모두 기여한다.

유리하게도, 환형 통로는 2차 액체 흐름의 유량을 조정하기 위하여 소정의 반경방향 크기를 나타내다.

반경방향 크기는 디스크와 케이싱 사이에 존재하는 반경방향 간극에 상응하는 것이 바람직하다.

2차 액체 흐름은 회전기의 회전 요소를 냉각시키는 데에 또한 사용되는 것이 유리하다.

따라서, 2차 액체 흐름은 냉각액의 흐름을 구성한다. 이 경우에, 냉각액 흐름은 회전 요소의 냉각이 충분하도록 조정되는 것이 유리하다.

본 발명의 의미에서, 회전 요소는 축에 의해 회전 구동되는 적어도 하나의 구성 부품을 갖는 요소이다.

회전 요소는, 베어링, 모터, 및/또는 발전기인 것이 바람직하다. 본 발명의 회전기는 상기한 요소들로부터 선택된 복수의 회전 요소들을 가질 수도 있다.

회전 요소는 회전기의 작동 중에 가열되므로 필수적으로 냉각되어야 한다.

본 발명에 의하면, 동일한 액체 흐름이 회전 요소를 냉각시키기 위해 그리고 수동형 축선방향 균형 시스템에 공급되기 위해 모두 사용된다. 따라서, 별개의 회로를 마련할 필요가 없으므로, 회전기의 구조를 단순화할 수 있는 이점이 있다.

제1 변경예로서, 회전기는 펌프이다.

제2 변경예로서, 회전기는 터빈이다.

본 발명은 비제한적인 예로서 주어진 실시예에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 이해될 수 있으며, 본 발명의 이점은 이하의 상세한 설명으로부터 명백해진다. 실시예에 대한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 기술되어 있다.

도 1은 본 발명에 따른 회전기(10)의 예를 도시하며, 회전기(10)는 액화 가스와 같은 유체를 펌핑하도록 설계되는 것이 바람직하지만 이에 한정되지는 않는다. 회전기는 메탄 운반선의 탱크를 비우는 데에 유리하게 사용된다.

도 1에 도시된 예는 제한적인 것이 아니며, 본 발명의 회전기는 전력을 발생시키는 발전기를 액체 유동이 구동시키게 하는 터빈으로도 될 수 있다.

이하의 설명에서, "축선방향", "접선방향" 및 "반경방향" 이라는 용어는 회전기(10)의 회전 축선(A)에 대하여 정의된다.

회전기(10)는 일반적으로 수직으로 설치되도록 설계되며, "하부"와 "상부" 라는 용어는 수직 방향에 대하여 정의된다.

도면에서 화살표 F1으로 표시된 메인 액체 흐름의 흡입 방향을 따라서 볼 때, 회전기(10)는 흡입 스테이지(12); 원심 임펠러(14); 및 흡입된 액체를 운반하기 위한 환형 덕트(16)를 포함한다.

흡입 스테이지(12)는 회전기(10)의 회전축(20)에 의해 회전되는 회전 유도기(18)를 포함하며, 회전축(20) 자체는 전기 모터(22)로 구성된 회전 요소에 의해 구동된다.

전기 모터(22)는 축(20)에 고정된 회전자(24)와 회전기(10)의 케이싱(28)에 고정된 고정자(26)를 포함한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 회전축(20)은 원심 임펠러(14)와 전기 모터(22) 사이에 위치된 하부 베어링(30) 및 전기 모터(22)와 운반 슬리브(34) 사이에 위치된 상부 베어링(32)을 통해 케이싱(28)에 대하여 회전하도록 장착되어 있다.

회전축(20)은 저부 베어링(30)의 내부 링(38)에 대하여 축선방향으로 접하게 되는 쇼울더(36)를 포함한다.

회전기(10)가 수직으로 배치되므로, 하부 베어링(30)이 회전축, 원심 임펠러(14), 회전자(24) 및 회전 유도기(18)의 무게를 지지하고, 이 무게에는 유도기(18)가 액체를 흡입하는 중에 받게 되는 견인력이 추가됨을 알 수 있을 것이다.

상기한 합성력의 적어도 일부를 지지하기 위하여, 회전기(10)는 축(20) 상에 제1 축선방향 지지력(R1)을 가하기에 적합한, 공지 형태의, 능동형 축선방향 균형 시스템(40)을 더 포함한다.

이러한 힘의 지지는 상기한 합성력에 대항하는 제1 축선방향 지지력(R1)에 의해 이루어진다.

공지의 방식에서, 능동형 축선방향 균형 시스템(40)은 또한 제1 축선방향 지지력(R1)의 크기를 조절하는 기능을 한다. 더욱 정확하게는, 이러한 조절은 케이싱(28)에 대한 축(20)의 축선방향 변위에 좌우된다.

실제, 제1 축선방향 지지력(R1)의 크기가 지지되는 합성력의 크기보다 더 크다면, 능동형 축선방향 균형 시스템(40)은 제1 축선방향 지지력(R1)의 크기를 감소시킴으로써 조절을 수행한다.

축선방향 균형 시스템(40)은, 펌핑된 액체의 메인 흐름(F1)이 낮을 때에는, 충분한 성능을 발휘하지 않음을 알 수 있을 것이다. 더욱 정확하게는, 이러한 조절 수단은 작은 유량에서 적절하게 작동하지 않음을 알 수 있을 것이다.

이러한 결점을 개선하기 위하여, 회전기(10)는 축(20) 상에 제2 축선방향 지지력(R2)을 가하기에 적합한 것으로서 도 2에 명확하게 도시되어 있는 수동형 축선방향 균형 시스템(42)을 더 포함하는 것이 특히 유리하다.

이러한 축선방향 균형 시스템(42)은 능동형 축선방향 균형 시스템과는 달리 수동형인데, 즉 제2 축선방향 지지력(R2)이 축(20)의 케이싱(28)에 대한 축선방향 변위와는 관계없다.

도 2에는, 수동형 축선방향 균형 시스템(42)이 축(20)의 상단부에 고정된 디스크(44)를 포함하는 것이 도시되어 있다.

디스크(44)는 케이싱(28) 내에 만들어진 보어(47) 내에서 슬라이딩하기에 적합하다.

상부 베어링(32)은 축(20)의 디스크(44)와 쇼울더(45) 사이에 장착되는 것이 바람직하다.

디스크(44)는 그 외주면에 래비린스 시일(labyrinth seal, 46)을 포함하는 것이 바람직하다. 하지만, 다른 형태의 시일을 마련하는 것도 가능하다.

본 발명에 따르면, 수동형 축선방향 균형 시스템(42)에는, 특히 환형 덕트(16)의 내부면(51)을 관통하여 형성된 반경방향 통로(49)를 통해 메인 액체 흐름(F1)으로부터 발생된 2차 액체 흐름(F2)을 운반하는 회로가 제공된다.

도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 이러한 2차 흐름(F2)은 모터(22)의 에어갭(48)을 통과하여서, 유리하게도 모터를 냉각시킨다.

다음, 도 2로부터 알 수 있는 같이, 2차 액체 흐름(F2)은, 상부 베어링(32)을 통과하여서, 디스크(44)로부터 축선방향으로 상류에 배치된 상류 유체-유동 챔버(50) 내로 들어가기 전에, 유리하게도 상기 상부 베어링를 냉각시킨다.

다음, 2차 액체 흐름(F2)은 디스크(44)의 외주면과 케이싱(28) 사이에 반경방향으로 구획형성된 환형 통로(52)를 통해 유동한 다음, 디스크(44)로부터 축선방향으로 하류에 배치된 하류 유체-유동 챔버(54)를 통해 유동한다. 이러한 하류 유체-유동 챔버는 회전기(10)로부터 2차 액체 흐름(F2)을 배출하기 위한 배출 오리피스(56)에 연결되는 것이 바람직하다. "상류" 및 "하류" 라는 용어는 본 명세서에서 2차 액체 흐름(F2)의 유동 방향에 대하여 사용된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 환형 통로(52)는 상류 유체-유동 챔버를 하류 유체-유동 챔버(54)와 분리시킨다.

상기한 바와 같이, 환형 통로(52)는 2차 액체 흐름(F2)에 대한 유동 제한을 형성하여, 상류 유체-유동 챔버(50) 내의 압력이 하류 유체-유동 챔버(54) 내의 압력보다 더 크게 되도록 한다.

따라서, 당연히 디스크(44)의 하류 면(60) 상에 가해지는 압력보다 더 큰 압력이 디스크(44)의 상류 면(58) 상에 가해진다. 따라서, 이러한 압력 차이는 디스크(44)를 통해 축(20) 상에 작용하는 제2 축선방향 지지력(R2)을 발생시킨다.

또한, 이러한 제2 축선방향 지지력(R2)의 크기는, 디스크(44)와 케이싱(28) 사이의 축선방향 간극에 좌우되지만, 축(20)의 케이싱(28)에 대한 변위에는 좌우되지 않음을 알 수 있을 것이다.

이는 축선방향 균형 시스템(42)이 "수동형"이기 때문이다. 따라서, 축(20)에 작용하는 전체의 축선방향 지지력(R)은 제1 및 제2 축선방향 지지력(R1, R2)의 합계이다.

수동형 축선방향 균형 시스템(42)은 2차 액체 흐름(F2)의 유량을 조정하기 위한 조정 수단을 더 포함하는 것이 특히 유리하다. 특히, 이러한 조정 수단은 환형 통로(52)를 포함한다.

특히, 환형 통로(52)는 2차 액체 흐름(F2)의 유량을 조정하는 기능을 하는 소정의 반경방향 크기(e)를 나타낸다.

이러한 반경방향 크기(e)는 디스크(44)의 외주면과 케이싱(28) 사이에서 한정된다.

상기한 바와 같이, 2차 액체 흐름(F2)은 회전기(10)의 회전 요소들, 특히 모 터(22) 및 베어링(32)을 냉각시키는 데에 유리하게 사용된다.

이러한 냉각 액체 흐름의 유량을 조정하는 것이 유리한데, 왜냐하면 너무 작은 유량은 회전 요소들을 충분히 냉각시키지 않고, 너무 큰 유량은 메인 액체 흐름(F1)의 유량과 상관관계가 있는 회전기의 효율을 감소시키기 때문이다. 2차 액체 흐름(F2)이 너무 크다면, 메인 액체 흐름(F1)은 이에 상응하게 감소됨을 알 수 있을 것이다.

즉, 본 발명에 의하면, 모터-냉각 흐름의 유량은 회전자(24)의 축선방향 위치와 관계없이 일정하게 조정된다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 회전기는 터빈이 될 수도 있다. 이 경우에, 메인 액체 흐름은 펌프로서 작동하는 회전기의 메인 액체 흐름(F1)의 방향에 반대 방향으로 유동한다. 반면에, 터빈을 통하는 2차 액체 흐름은 펌프 내에서 유동하는 2차 액체 흐름(F2)과 동일한 방향으로 유동한다.

도 1은 회전기가 펌프인 본 발명의 회전기의 단면도이다.

도 2는 도 1의 회전기의 상세도로서, 본 발명의 수동형 축선방향 균형 시스템을 도시한다.

Claims (13)

1. 메인 액체 흐름(F1)을 통과시키는 회전기(10)로서,

   상기 회전기는,

   상기 회전기의 케이싱(28)에 대하여 회전하도록 장착된 축(20),

   상기 축(20)에 장착된 원심 임펠러(14),

   상기 케이싱(28)에 대한 상기 축(20)의 축선방향 변위에 의하여 크기가 가변되는 제1 축선방향 지지력(R1)을 상기 축(20)에 가하는 능동형 축선방향 균형 시스템(40)과,

   메인 액체 흐름(F1)으로부터 발생되는 2차 액체 흐름(F2)에 대한 회로와,

   상기 케이싱(28)에 대한 상기 축(20)의 축선방향 변위에 의하여 크기가 가변되지 않는 제2 축선방향 지지력(R2)을 축(20)에 가하며, 상기 능동형 축선방향 균형 시스템(40)과는 별개인 수동형 축선방향 균형 시스템(42)을 포함하되,

   상기 수동형 축선방향 균형 시스템(42)에는 2차 액체 흐름(F2)에 대한 상기 회로가 제공되고,

   상기 수동형 축선방향 균형 시스템은 축(20)과 케이싱(28) 사이에, 2차 액체 흐름(F2)이 유동하는 환형 통로(52)를 구비하며, 상기 환형 통로(52)는 상기 2차 액체 흐름(F2)에 대한 유동 제한을 형성하는 것을 특징으로 하는 회전기.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 환형 통로는 상류 유체-유동 챔버(50)와 하류 유체-유동 챔버(54)를 축선방향으로 분리시키되 상류 유체-유동 챔버 내의 압력이 하류 유체-유동 챔버 내의 압력보다 더 커지도록 하는 방식으로 분리시키는 것을 특징으로 하는 회전기.
3. 청구항 2에 있어서,

   하류 유체-유동 챔버(54)는 배출 오리피스(56)에 연결되는 것을 특징으로 하는 회전기.
4. 청구항 2에 있어서,

   환형 통로(52)는 축(20)에 고정된 디스크(44)와 케이싱(28) 사이에 구획형성된 것을 특징으로 하는 회전기.
5. 청구항 4에 있어서,

   디스크(44)는 축(20)의 일단부에 고정되는 것을 특징으로 하는 회전기.
6. 청구항 4에 있어서,

   디스크(44)는 그 외주면에 환형의 래비린스 시일(46)을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전기.
7. 청구항 1에 있어서,

   2차 액체 흐름(F2)은 회전기의 회전 요소들(22, 32)을 냉각시키는 데에 또한 사용되는 것을 특징으로 하는 회전기.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 회전 요소들은 베어링(32), 모터(22), 또는 발전기인 것을 특징으로 하는 회전기.
9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,

   회전기(10)는 펌프인 것을 특징으로 하는 회전기.
10. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,

    회전기(10)는 터빈인 것을 특징으로 하는 회전기.
11. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,

    회전기(10)는 상기 축(20)에 장착되는 단일 원심 임펠러(14)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전기.
12. 삭제
13. 삭제

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