KR101689963B1 - 마모성이 개선된 시일부재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전기계장치의 회전체와 고정체 사이의 틈을 밀봉하는 시일부재에 관한 것으로, 상기 회전체의 둘레방향을 따라 상기 고정체에 결합되는 시일 하우징; 및 상기 시일 하우징의 길이방향을 따라 다수가 상기 시일 하우징에 장착되고, 상기 시일 하우징으로부터 상기 회전체측을 향해 연장 형성되는 시일체; 를 포함하고, 상기 시일체는, 열팽창률이 서로 다른 이종 재질로 이루어져 온도에 따라 말단이 상기 회전체측으로부터 멀어지는 방향으로 휘어지는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 회전체의 회전동작에 따른 파손의 우려 및 마모의 진행이 경감되어 내구성이 향상되므로 장기간 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 회전체의 회전동작에 대한 저항을 줄여 장치에 부하를 주지 않고 원활하게 동작할 수 있도록 하는 마모성이 개선된 시일부재가 제공된다.

Description

마모성이 개선된 시일부재{SEALING ELEMENT WITH IMROVED WEARING PROPERTY}

본 발명은 시일부재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회전체의 회전동작에 따른 파손의 우려 및 마모의 진행이 경감되어 내구성이 향상되므로 장기간 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 회전체의 회전동작에 대한 저항을 줄여 장치에 부하를 주지 않고 원활하게 동작할 수 있도록 하는 마모성이 개선된 시일부재에 관한 것이다.

일반적으로 발전 플랜트에 사용되는 회전기계장치, 예를 들어 스팀 터빈이나 가스 터빈의 가동률은, 발전(회전 토크)시키기 위해 터빈 블레이드를 회전시키는데 사용되는 유체(예를 들어, 스팀)의 양에 의해 영향을 받게 된다. 즉, 터빈의 성능은 회전축과 회전익으로 구성된 회전체(Rotor)와 장치 내부로 제공된 스팀을 회전익을 회전시키기에 적합한 방향으로 도입시키는 고정체(또는 정지체; Stator) 사이의 틈으로 누설되는 유체의 양을 감소시키기 위한 밀봉 기술이 크게 관여하게 된다.

다시 말해서, 유체가 올바른 경로를 벗어나게 되면 복잡한 유체의 흐름패턴에 따라 회전체에 진동이 유발되고, 전반적인 구동효율이 떨어지게 된다. 따라서, 올바르지 않은 경로에 대한 유체의 이동을 제한하고 전반적인 구동효율 향상을 위해 시일부재(Sealing Element)가 사용된다.

이러한 시일부재로써 마찰 발생 및 그에 따른 동력손실이 예상되는 접촉식 시일부재의 적용은 적합하지 못하며, 이에 따라 터빈 내에 흐르는 유체에 교축작용(Throttling Process)을 발생시켜 누설 유량을 감소시키는 비접촉식의 래버린스 시일(Labyrinth Seal)을 일반적으로 사용하고 있다.

도 1은 종래에 사용되는 시일부재의 일 예를 나타낸 도로써, 도 1의 확대도는 하나의 시일부재를 확대하여 나타낸 것이다.

도 1에서 나타나는 것과 같이, 리프 시일(LEAF SEAL) 형태를 갖는 종래의 시일부재(20)는 회전체(10)에 근접하도록 설치되어 회전체(10)와 고정체(도시하지 않음) 사이의 틈으로 누설되는 유체, 예를 들어 스팀(S)의 양을 감소시키게 된다.

그런데, 이러한 시일부재(20)는 회전체(10)가 회전동작하면서 회전체(10)와 부딪쳐 마찰에 의해 파손되거나 마모가 진행된다.

이러한 경우 시일부재(20)와 회전체(10) 사이에 형성되는 틈이 커지게 되어 시일부재(20)가 제역할을 하지 못하게 되고, 회전체(10)에 부하가 걸려 터빈의 가동률이 저하되며, 시일부재(20)의 교체를 위해 터빈의 가동을 중단해야 하는 등 여러가지 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 제10-1442739호

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 회전체의 회전동작에 따른 파손의 우려 및 마모의 진행이 경감되어 내구성이 향상되므로 장기간 사용할 수 있는 마모성이 개선된 시일부재를 제공함에 있다.

또한, 회전체의 회전동작에 대한 저항을 줄여 장치에 부하를 주지 않고 원활하게 동작할 수 있도록 하는 마모성이 개선된 시일부재를 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 회전기계장치의 회전체와 고정체 사이의 틈을 밀봉하는 시일부재에 있어서, 상기 회전체의 둘레방향을 따라 상기 고정체에 결합되는 시일 하우징; 및 상기 시일 하우징의 길이방향을 따라 다수가 상기 시일 하우징에 장착되고, 상기 시일 하우징으로부터 상기 회전체측을 향해 연장 형성되는 시일체; 를 포함하고, 상기 시일체는, 열팽창률이 서로 다른 이종 재질로 이루어져 온도에 따라 말단이 상기 회전체측으로부터 멀어지는 방향으로 휘어지는 것을 특징으로 하는 마모성이 개선된 시일체에 의해 달성된다.

여기서, 상기 시일체는 상기 회전체의 회전방향측을 향해 경사지게 배열되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 시일체는, 일측에 배치되는 판 형상의 제1 플레이트; 및 상기 제1 플레이트에 비해 상기 회전체에서 멀게 배치되어 상기 제1 플레이트와 결합되는 판 형상의 제2 플레이트; 를 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제1 플레이트는 열팽창률이 큰 재질로 이루어지고, 상기 제2 플레이트는 열팽창률이 작은 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 회전기계장치는 터빈, 압축기 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 회전체의 회전동작에 따른 파손의 우려 및 마모의 진행이 경감되어 내구성이 향상되므로 장기간 사용할 수 있는 마모성이 개선된 시일부재가 제공된다.

또한, 회전체의 회전동작에 대한 저항을 줄여 장치에 부하를 주지 않고 원활하게 동작할 수 있도록 할 수 있다.

도 1은 종래에 사용되는 시일부재의 일 예를 나타낸 도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마모성이 개선된 시일부재를 나타낸 도,
도 3 및 도 4는 회전기계장치에 본 발명의 일 실시예에 따른 마모성이 개선된 시일부재가 적용되어 사용되는 상태를 나타낸 도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 마모성이 개선된 시일부재에 대하여 상세하게 설명한다.

이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 마모성이 개선된 시일부재(200)는 회전기계장치(도시하지 않음)의 회전체(100)와 고정체(도시하지 않음) 사이의 틈을 밀봉하게 되는 것으로, 회전기계장치는 터빈이나 압축기 등과 같이 회전하는 구성이 포함된 다양한 기계장치를 의미하고, 회전체(100)는 터빈에서 사용되는 로터(Rotor)나 각종 기계의 회전축 등과 같이 실질적으로 회전하는 구성을 뜻하며, 고정체는 스테이터(Stator)나 축커플링, 하우징 등과 같이 움직이지 않고 정지되어 있는 구성을 말한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마모성이 개선된 시일부재를 나타낸 도로써, 도 2의 확대도에는 하나의 시일부재를 확대하여 도시하였다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마모성이 개선된 시일부재(200)는 크게 시일 하우징(Seal Housing, 210) 및 시일체(220)를 포함하여 구성된다.

시일 하우징(210)은 고정체에 결합되어 고정되는 구성요소이다. 이때, 본 발명에서는 회전체(100)로써 터빈의 로터(Rotor)가 사용되는 것을 예로 들어 설명하며, 도면에 도시되지는 않았으나 고정체로써 스테이터(Stator)가 사용된다. 시일 하우징(210)은 회전체(100)의 둘레방향을 따라 배치되는데, 내부가 비어있고 일면이 개방, 즉 수직단면이 "ㄷ"자 형상을 갖도록 형성되어 하기에 서술하는 시일체(220)가 장착될 수 있는 공간을 제공하게 된다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 마모성이 개선된 시일부재(200)의 제작상황이나 사용상황 등에 따라 시일 하우징(210)이 회전체(100), 즉 로터 중심축방향의 폭을 감싸는 정도의 폭으로 형성될 수도 있다.

시일체(220)는 시일 하우징(210)의 길이방향, 즉 회전체(100)의 둘레방향을 따라 다수가 시일 하우징(210)에 장착되고, 시일 하우징(210)으로부터 회전체(100)측을 향해 연장 형성되어 실질적으로 회전체(100)와 고정체 사이의 틈으로 누설되는 유체의 양을 감소시키도록 최소한의 틈새만을 갖게 설계된다. 여기서, 다수의 시일체(220)는 서로 중첩되는 구조로 형성될 수도 있고, 서로 소정 간격 떨어져 있는 구조로 형성될 수도 있다. 서로 소정 간격 떨어져 있는 구조로 형성되는 경우 그 틈새로 유체, 예를 들어 스팀이 누설되는 것을 최대한 방지할 수 있도록 최소한의 틈새를 갖게 장착된다. 한편, 다수의 시일체(220)는 회전체(100)의 회전방향에 상관없이, 예를 들어 회전체(100)의 중심축을 향하거나, 지면에 대해 수직방향으로 배열되는 등 다양하게 배열하여 사용할 수도 있으나, 회전체(100)의 회전동작이 원활하게 이루어질 수 있도록 회전체(100)의 회전방향측을 향해 경사지게 배열되는 것이 좋다. 또한, 시일체(220)의 두께는 유체 흐름에 저항할 수 있을 정도의 강성을 확보할 수 있는 두께를 유지하도록 하고, 회전체(100)측의 말단은 회전체(100)와 마찰이 발생하더라도 접촉면적이 최소화될 수 있도록 뾰족한 형상을 가질 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 시일체(220)는 시일 하우징(210)으로부터 회전체(100)측으로 갈수록 점차 얇아지는 형상으로 형성될 수도 있다.

이러한 시일체(220)는 전체적으로 얇은 판 형상으로 형성되고, 어느 정도 탄성을 갖는다. 이때, 판 형상의 시일체(220) 한쪽의 열팽창률과 다른쪽의 열팽창률이 서로 다르게 한쪽과 다른쪽을 서로 다른 재질로 구성하여 제작할 수도 있으나, 여기에서는 열팽창률이 큰 재질로 된 판과 열팽창률이 작은 재질로 된 판을 각각 제작하고, 이를 결합시켜 시일체(220)로 사용하는 것을 예로 들어 설명한다.

즉, 회전체(100)의 회전방향측을 향해 경사지게 배열되는 시일체(220)는, 시일체(220)의 일측에 위치하여 회전체(100)에 가까운 위치에 배치되는 판 형상의 제1 플레이트(222) 및 제1 플레이트(222)에 비해 회전체(100)에서 멀리 배치되어 제1 플레이트(222)와 겹쳐져 결합되는 제2 플레이트(224)를 포함하여 구성된다. 이때, 제1 플레이트(222)와 제2 플레이트(224)는 접착이나 브레이징(brazing), 솔더링(Soldering) 등과 같은 다양한 방법으로 결합시켜 사용할 수 있다.

여기서, 통상 열팽창률은 온도 상승에 따른 길이의 팽창(선팽창률)과 부피의 팽창(부피팽창률)을 모두 의미하는 것이며, 본 발명에서는 특히 선팽창률을 뜻한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서는 시일체(220)를 이루는 제1 플레이트(222)와 제2 플레이트(224)가 서로 다른 열팽창률(선팽창률)을 갖고, 어느 정도 탄성을 갖는 재질로 이루어진다. 다시 말해서, 제1 플레이트(222)는 열팽창률(선팽창률)이 큰 재질, 예를 들어 실리콘(Silicone)으로 이루어지고, 제2 플레이트(224)는 열팽창률(선팽창률)이 작은 재질, 예를 들어 그라파이트(Graphite)로 이루어짐으로써 온도(유체의 온도 등)에 따라 시일체(220)의 말단(회전체(100)측에 가까운 부분)이 회전체(100)측으로부터 멀어지는 방향으로 휘어질 수 있다. 물론, 이러한 제1 플레이트(222) 및 제2 플레이트(224)의 재질은 회전기계장치(터빈)의 회전체(로터, 100)와 고정체(스테이터) 사이의 틈을 밀봉하기 위한 기본적인 기능을 수행할 수 있으면서도 시일체(220)가 설치되는 부분의 온도, 유체 흐름에 저항할 수 있을 정도의 강성, 회전체(100)와의 마찰 발생시 파손 및 마모 진행을 경감시킬 수 있는 내구성 등을 종합적으로 고려하여 재료를 선정해야 한다.

지금부터는 본 발명의 일 실시예에 따른 마모성이 개선된 시일부재의 작동에 대하여 설명한다.

도 3 및 도 4는 회전기계장치에 본 발명의 일 실시예에 따른 마모성이 개선된 시일부재가 적용되어 사용되는 상태를 나타낸 도이다.

여기서, 도 3 및 도 4는 본 발명의 특징부인 열팽창률이 서로 다른 이종 재질의 시일체(220)를 나타내기 위해 일부 구성만을 단순화하여 나타낸 것이다. 그리고, 도시된 도면은 제1 플레이트(222)와 제2 플레이트(224)를 표현하기 위해 확대해서 나타내면서 시일체(220)와 시일체(220) 사이의 간격 또한 확대되어 표현된 것으로, 실제로는 아주 미세한 간격을 갖게 된다. 한편, 도 3 및 도 4의 확대도에는 시일부재의 동작이 명확하게 나타나도록 소수의 시일부재를 도시하였다.

먼저, 도 3에 도시된 것과 같이 회전기계장치(예를 들어 터빈)의 회전체(예를 들어 로터, 100)가 동작하기 전에는 시일 하우징(210)에 장착되어 있는 다수의 시일체(220)가 회전체(100)의 회전방향측을 향해 경사지게 배열된다.

특히, 도면 상 상측에는, 판 형상으로 이루어지고 열팽창률(선팽창률)이 큰 재질의 제1 플레이트(222)가 배치되고, 도면 상 하측에는, 제1 플레이트(222)와 마찬가지로 판 형상으로 이루어지며 열팽창률(선팽창률)이 작은 재질의 제2 플레이트(224)가 배치되어 시일 하우징(210)으로부터 회전체(100)측을 향해 연장 형성된다. 이때, 시일체(220)는 회전체(100)와의 사이에 최소한의 틈새만을 가지도록 하여 회전체(100)와 고정체 사이의 틈으로 누설되는 유체의 양을 감소시킬 수 있도록 하게 된다.

그리고, 도 4에서 나타나는 바와 같이 회전체(100)가 회전하도록 대기온도에 비해 상당히 온도가 높은 유체, 예를 들어 스팀이 공급되면 회전체(100)가 회전동작하게 되고, 시일체(220)에 스팀의 열이 전달된다.

이에 따라, 열팽창률(선팽창률)이 큰 재질의 제1 플레이트(222)가 팽창되는 정도와, 열팽창률(선팽창률)이 작은 재질의 제2 플레이트(224)가 팽창되는 정도가 다르게 된다.

다시 말해서, 제1 플레이트(222)가 많이 팽창되고, 제2 플레이트(224)는 거의 팽창하지 않거나 팽창 정도가 낮아지게 되므로 회전체(100)측에 가까운 시일체(220)의 말단이 회전체(100)측으로부터 멀어지는 방향으로 휘어지게 되는 것이다. 이때, 시일체(220)의 재질이나 두께 등을 조절하여 시일체(220)가 회전체(100)로부터 떨어져 있기는 하나 시일체(220)와 회전체(100) 사이의 틈새 변화가 최소화되도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 터빈의 동작이 멈추어 유체(스팀)의 공급이 중단되는 등의 경우 시일체(220)의 온도가 낮아지게 되고, 제1 플레이트(222)와 제2 플레이트(224)의 열팽창률(선팽창률)에 의해 휘어져 있던 말단이 도 3에서와 같은 위치로 원위치하여 복귀하게 되는 것이다.

이처럼 본 발명의 일 실시예에 따른 마모성이 개선된 시일부재(200)는 온도에 따라 시일체(220)의 말단이 휘어지거나 원위치하는 것이 반복 수행됨으로써 회전체(100)의 회전동작에 따른 시일체(220)의 파손 우려 및 마모 진행이 경감되어 내구성이 향상되므로 시일체(220)를 장기간 사용할 수 있게 된다.

또한, 시일체(220)의 말단이 휘어져 회전체(100)와 시일체(220)의 마찰에 의한 저항을 줄여 터빈이나 압축기 등과 같은 회전기계장치에 부하를 주지 않고 회전체(100)가 원활하게 동작할 수 있도록 하는 유용한 발명이다.

한편, 본 명세서에서는 제1 플레이트(222)와 제2 플레이트(224)가 열팽창률이 다른 이종의 재질로 이루어지는 것으로 설명하였으나, 이 외에 동일한 재질로 이루어지되 다른 형상으로 형성함으로써 열팽창률이 서로 다르게 구성할 수도 있다. 예를 들어, 동일한 재질로 형성한 관(파이프) 형상의 물체(도시하지 않음)와 판 형상의 물체가 서로 결합된 상태에서 스팀 등에 의하여 고온에 노출된 경우, 관 형상의 물체와 판 형상의 물체의 열팽창률은 달라질 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

10, 100: 회전체 20, 200: 시일부재
210: 시일 하우징 220: 시일체
222: 제1 플레이트 224: 제2 플레이트
S: 스팀

Claims (5)

1. 회전기계장치의 회전체와 고정체 사이의 틈을 밀봉하는 시일부재에 있어서,
   상기 회전체의 둘레방향을 따라 상기 고정체에 결합되는 시일 하우징; 및
   상기 시일 하우징의 길이방향을 따라 다수가 상기 시일 하우징에 장착되고, 상기 시일 하우징으로부터 상기 회전체측을 향해 연장 형성되는 시일체; 를 포함하고,
   상기 시일체는,
   열팽창률이 서로 다른 이종 재질로 이루어져 온도에 따라 상기 회전체에 접하거나 근접하여 위치하는 말단이 상기 회전체측으로부터 멀어지는 방향으로 휘어지게 되어 상기 회전체와 상기 시일체의 마찰에 의한 저항을 줄이도록 하되,
   상기 시일체는,
   열팽창률이 큰 재질로 이루어지고, 탄성을 갖는 판 형상의 제1 플레이트; 및
   열팽창률이 작은 재질로 이루어지고, 상기 제1 플레이트에 비해 상기 회전체에서 멀게 배치되어 상기 제1 플레이트와 결합되며, 탄성을 갖는 판 형상의 제2 플레이트;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 마모성이 개선된 시일부재.
2. 제1항에 있어서,
   상기 시일체는 상기 회전체의 회전방향측을 향해 경사지게 배열되는 것을 특징으로 하는 마모성이 개선된 시일부재.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 회전기계장치는 터빈, 압축기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마모성이 개선된 시일부재.
4. 삭제
5. 삭제

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