KR101784304B1 - 축 추력 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 터빈의 내부에서 회전체가 고속으로 회전하면서 발생되는 샤프트의 축 추력을, 베어링을 냉각하는 압축공기를 이용하여 상쇄시키는 축 추력 제어장치에 관한 것으로, 하우징과, 공급유로와, 밸브와, 탄성부재와, 씰 부재를 포함한다. 하우징은 압축기의 샤프트와 이를 지지하는 베어링을 감싸고, 샤프트 및 샤프트의 단부에 장착된 회전체와 이격되어 압축공기가 유동하는 냉각유로를 형성하며, 회전체와 대향되는 면에 요홈을 구비한다. 공급유로는 하우징 내부를 관통하여 요홈에 연결되고, 압축공기가 공급되는 통로이다. 밸브는 공급유로에 설치되어 공급유로를 개폐한다. 탄성부재는 일단부가 요홈의 내부에 고정된다. 씰 부재는 탄성부재의 타단부에 결합되고, 공급유로에 공급된 압축공기에 의해 탄성운동하며, 상기 회전체의 회전 중심과 상기 회전체의 외곽 사이에 설치된다. 이와 같이 구성된 본 발명은 밸브의 구동에 의해 공급유로가 개방되면, 씰 부재가 회전체를 향해 이동되어, 냉각유로의 단면이 좁아져 씰 부재를 기준으로 구획된 회전체의 외측 영역에 작용하는 압축공기의 압력이 감소되고, 밸브의 구동에 의해 공급유로가 폐쇄되면, 씰 부재가 탄성부재에 의해 원위치로 복귀되어, 냉각유로의 단면이 넓어져 회전체의 외측 영역에 작용하는 압축공기의 압력이 증가됨으로써, 샤프트에 작용하는 축 추력이 조절되는 것을 특징으로 한다.

Description

축 추력 제어장치{Thrust control device for the main shaft of gas turbine}

본 발명은 축 추력 제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 가스 터빈 내부에서 회전체가 고속으로 회전하면서 발생되는 샤프트의 축 추력을, 베어링을 냉각하는 압축공기를 이용하여 상쇄시키는 축 추력 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 압축기, 터빈, 과급기 등과 같은 고속 회전기기는 샤프트 상에 회전체가 장착되어 회전하며 이로 인해 추력이 발생한다. 즉, 샤프트와 회전체의 축방향으로 힘이 작용한다.

이에 따라, 고속 회전기기의 회전축인 샤프트를 지지하기 위하여 베어링을 사용하며, 최근에는 고속운전에 적합하고 조립 및 양산에 유리하며, 우수한 내구성을 갖는 이른바 에어 베어링(air bearing)을 주로 사용한다.

에어 베어링은 윤활유를 사용하지 않고 공기 또는 가스 상태의 유체를 베어링 사이에 공급하여 부하 지지능력을 얻는 형태로서, 공기를 이용하여 샤프트를 부양시킨다.

샤프트가 고속으로 회전하면서 에어 베어링에 많은 열이 발생하게 되는데, 이를 냉각시키기 위해 압축기를 통과하여 연소기로 이동하는 압축공기를 이용하고 있다. 구체적으로는, 압축기에서 압축된 압축공기 중 일부를 별도의 통로로 우회시켜, 샤프트와 하우징 사이의 간극에 공급하여 에어베이링을 냉각시키고 있다.

한편, 에어 베어링과 샤프트 사이에 압축공기 막이 형성되어 마찰이 없는 상태로 부양 및 고속회전 하므로 별도의 윤활유는 요구되지 않으나, 샤프트에 가해지는 추력으로 인해 샤프트가 축 방향으로 움직이면서, 샤프트를 지지하는 에어 베어링이 손상되거나, 샤프트에 결합된 회전체가 하우징 또는 케이싱에 닿아 손상되는 문제가 있었다. 따라서, 샤프트에 가해지는 추력을 조절할 수 있는 장치가 요구된다.

-197606호(2004. 07. 15. 공개, 발명의 명칭 : 기체 베어링 장치와 그 베어링 장치를 이용한 회전 기계)

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 베어링을 냉각하는 압축공기를 이용하여 샤프트에 가해지는 축 추력을 상쇄시키는 방안을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 축 추력 제어장치는, 가스 터빈의 샤프트와 이를 지지하는 베어링을 감싸고, 상기 샤프트 및 상기 샤프트의 양단부에 장착된 회전체와 이격되어 압축공기가 유동하는 냉각유로를 형성하며, 상기 회전체와 대향되는 면에 요홈을 구비하는 하우징; 상기 하우징 내부를 관통하여 상기 요홈에 연결되고, 상기 압축공기가 공급되는 통로인 공급유로; 상기 공급유로에 설치되어 상기 공급유로를 개폐하는 밸브; 일단부가 상기 요홈의 내부에 고정되는 탄성부재; 및 상기 탄성부재의 타단부에 결합되고, 상기 공급유로에 공급된 상기 압축공기에 의해 탄성운동하며, 상기 회전체의 회전 중심과 상기 회전체의 외곽 사이에 설치되는 씰 부재;를 포함하고, 상기 밸브의 구동에 의해 상기 공급유로가 개방되면, 상기 씰 부재가 상기 회전체를 향해 이동되어, 상기 냉각유로의 단면적이 좁아져 상기 씰 부재를 기준으로 구획된 상기 회전체의 외측 영역에 작용하는 압축공기의 압력이 감소되고, 상기 밸브의 구동에 의해 상기 공급유로가 폐쇄되면, 상기 씰 부재가 상기 탄성부재에 의해 원위치로 복귀되어, 상기 냉각유로의 단면적이 넓어져 상기 회전체의 외측 영역에 작용하는 압축공기의 압력이 증가됨으로써, 상기 샤프트에 작용하는 축 추력이 조절되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 축 추력 제어장치에 있어서, 상기 회전체는, 상기 샤프트의 일단부에 결합된 압축기와, 상기 샤프트의 타단부에 결합된 터빈을 구비하고, 상기 샤프트에 가해지는 추력에 의한 상기 샤프트의 축 방향 변위를 측정하는 축 변위 센서; 및 상기 축 변위 센서에서 측정된 상기 샤프트와 상기 축 변위 센서와의 간격에 따라 상기 밸브의 개도를 조절하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 축 추력 제어장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 축 변위 센서에서 측정된 상기 샤프트와 상기 축 변위 센서와의 간격이 미리 설정된 기준거리 이상이면, 상기 밸브를 구동하여 상기 압축기 측에 있는 상기 씰 부재를 상기 압축기의 이면으로부터 멀어지게 하고, 상기 터빈 측에 있는 상기 씰 부재는 상기 터빈의 이면에 가까워지게 하며, 상기 축 변위 센서에서 측정된 상기 샤프트와 상기 축 변위 센서와의 간격이 미리 설정된 기준거리 미만이면, 상기 밸브를 구동하여 상기 압축기 측에 있는 상기 씰 부재를 상기 압축기의 이면으로부터 가까워지게 하고, 상기 터빈 측에 있는 상기 씰 부재는 상기 터빈의 이면에 멀어지게 할 수 있다.

본 발명에 따른 축 추력 제어장치에 있어서, 상기 씰 부재는 림 형상으로, 상기 회전체의 회전축을 중심으로 상기 회전체의 직경보다 작은 직경을 갖는 제1씰 부재와, 상기 제1씰 부재와 동심원을 이루고 상기 제1씰 부재보다 작은 직경을 갖는 제2씰 부재를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 축 변위 센서에서 측정된 상기 샤프트와 상기 축 변위 센서와의 간격이 미리 설정된 기준거리 이상이면, 상기 밸브를 구동하여 상기 압축기 측에 있는 상기 제1씰 부재와 상기 제2씰 부재 중 어느 하나를 상기 압축기의 이면으로부터 멀어지게 하고, 상기 터빈 측에 있는 상기 제1씰 부재와 상기 제2씰 부재 중 어느 하나를 상기 터빈의 이면에 가까워지게 하며, 상기 축 변위 센서에서 측정된 상기 샤프트와 상기 축 변위 센서와의 간격이 미리 설정된 기준거리 미만이면, 상기 밸브를 구동하여 상기 압축기 측에 있는 상기 제1씰 부재와 상기 제2씰 부재 중 어느 하나를 상기 압축기의 이면으로부터 가까워지게 하고, 상기 터빈 측에 있는 상기 제1씰 부재와 상기 제2씰 부재 중 어느 하나를 상기 터빈의 이면에 멀어지게 할 수 있다.

본 발명에 따른 축 추력 제어장치에 있어서, 상기 씰 부재는, 상기 씰 부재의 외측면에 돌출형성되는 걸림돌기를 구비하고, 상기 요홈은, 상기 요홈의 내측면으로부터 돌출되어 상기 걸림돌기가 회전체 측으로 이동되는 것을 제한하는 걸림턱을 구비할 수 있다.

본 발명의 축 추력 제어장치에 따르면, 베어링을 냉각하는 압축공기를 이용하여 샤프트에 발생하는 축 추력을 상쇄시키는 새로운 방식의 축 추력 제어 방식을 실현할 수 있다.

또한, 본 발명의 축 추력 제어장치에 따르면, 샤프트에 작용하는 축 추력으로 인해 가스 터빈의 부품들이 손상되는 것을 방지할 수 있고, 이에 따른 설계 부담을 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 축 추력 제어장치에 따르면, 샤프트에 작용하는 축 추력을 보다 용이하고 간편하게 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 축 추력 제어장치에 따르면, 샤프트에 작용하는 축 추력을 보다 정밀하게 제어할 수 있고, 압축공기와의 마찰로 인해 씰 부재의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 축 추력 제어장치에 따르면, 씰 부재의 이동범위를 제한하여 회전체에 씰 부재가 닿아 손상되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 축 추력 제어장치를 개략적으로 나타낸 단면도이고,
도 2는 도 1의 축 추력 제어장치에서 생략된 공급유로를 추가적으로 나타낸 도면이고,
도 3은 도 2의 "A"부분을 나타낸 부분확대도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 씰 부재의 작용에 의해 회전체에 작용하는 압력 변화를 설명하기 위한 도면이고,
도 5는 도 1의 축 추력 제어장치에서 회전체의 각 영역에 작용하는 압력 차이를 설명하기 위한 도면이고,
도 6은 도1의 축 추력 제어장치에서 일방향으로 작용하는 축 추력을 감쇄시키는 경우를 나타낸 도면이고,
도 7은 도1의 축 추력 제어장치에서 타방향으로 작용하는 축 추력을 감쇄시키는 경우를 나타낸 도면이고,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 축 추력 제어장치를 개략적으로 나타낸 단면도이고,
도 9는 도 8의 "B"부분을 나타낸 부분확대도이고,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 씰 부재의 작용에 의해 회전체에 작용하는 압력 변화를 설명하기 위한 도면이고,
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 씰 부재의 작용에 의해 터빈에 작용하는 힘과 압축기에 작용하는 힘의 대소 관계를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 축 추력 제어장치의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 축 추력 제어장치를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1의 축 추력 제어장치에서 생략된 공급유로를 추가적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 "A"부분을 나타낸 부분확대도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 씰 부재의 작용에 의해 회전체에 작용하는 압력 변화를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 1의 축 추력 제어장치에서 회전체의 각 영역에 작용하는 압력 차이를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도1의 축 추력 제어장치에서 일방향으로 작용하는 축 추력을 감쇄시키는 경우를 나타낸 도면이고, 도 7은 도1의 축 추력 제어장치에서 타방향으로 작용하는 축 추력을 감쇄시키는 경우를 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 축 추력 제어장치를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 9는 도 8의 "B"부분을 나타낸 부분확대도이고, 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 씰 부재의 작용에 의해 회전체에 작용하는 압력 변화를 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 씰 부재의 작용에 의해 터빈에 작용하는 힘과 압축기에 작용하는 힘의 대소 관계를 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 축 추력 제어장치(1)는 가스 터빈(G)의 내부에서 회전체(30)가 고속으로 회전하면서 발생되는 샤프트(10)의 축 추력을, 베어링(20)을 냉각하는 압축공기를 이용하여 상쇄시키는 장치로서, 하우징(100)과, 공급유로(200)와, 밸브(300)와, 탄성부재(400)와, 씰 부재(500)를 포함한다.

상기 하우징(100)은 케이싱(50)의 내부에 수용되어 가스 터빈(G)의 샤프트(10)와 이를 지지하는 베어링(20)을 감싸고, 샤프트(10) 및 샤프트(10)의 단부에 장착된 회전체(30)와 이격되어 압축공기가 유동하는 냉각유로(40)를 형성하며, 회전체(30)와 대향되는 면에 요홈(110)을 구비한다.

회전체(30)는 외부로부터 공기가 유입되는 입구(I) 측에 장착된 압축기(31)와, 고온의 압축공기가 배출되는 터빈(32)을 모두 포함하는데, 여기서 요홈(110)은 압축기(31) 및 터빈(32)의 대향되는 면에 각각 형성된다.

외부로부터 유입된 공기는 압축기(31)를 통과하면서 약 200℃ 정도의 온도로 상승하고, 일부는 별도의 경로(41)를 통해 냉각유로(40) 측으로 공급되며, 나머지는 연소기(60)를 거쳐 터빈(32) 측으로 흐른다. 냉각유로(40)에 공급된 압축공기는 양방향 즉, 압축기(31)와 터빈(32) 측으로 흐르면서 베어링(20)을 냉각시키고, 후술되는 씰 부재(500)를 지나 압축기와 터빈 측으로 배출된다.

상기 공급유로(200)는 도 2에 도시된 바와 같이 하우징(100) 내부를 관통하여 요홈(110)에 연결되고, 압축공기가 공급되는 통로가 된다. 외부의 공기가 별도의 펌프(미도시)로 가압되어 공급유로(200)로 공급될 수도 있으나, 압축기(31)에서 압축된 압축공기를 사용하는 것이 설비 측면에서 유리하고, 연소기(60) 측보다 비교적 저압저온 상태인 압축기(31) 측의 압축공기를 사용하는 것이 바람직하다.

도시되지는 않았지만, 공급유로(200)는 압축기(31) 측에서 분기되어 각각의 요홈(110)에 압축공기를 공급한다.

상기 밸브(300)는 공급유로(200)에 설치되어 공급유로(200)를 개폐한다. 밸브(300)는 공급유로(200)로 공급되는 압축공기의 양을 제어하는 구성으로서, 전동모터를 이용한 전기식 밸브, 솔레노이드 밸브와 같은 자기식 밸브 또는 유압식 밸브 등 다양한 종류의 자동 밸브들이 이용될 수 있다. 또는, 밸브(300)는 샤프트(10)와 기구적으로 연동되어 공급유로(200)의 개도를 변화시키는 방식으로 대체될 수도 있다.

상기 탄성부재(400)는 일단부가 요홈(110)의 내부에 고정된다. 탄성부재(400)는 널리 쓰이는 코일 스프링, 토션 스프링, 판 스프링 등 다양한 탄성체들이 적용될 수 있다.

상기 씰 부재(500)는 탄성부재(400)의 타단부에 결합되고, 공급유로(200)에 공급된 압축공기의 압력에 의해 회전체(30)를 향해 왕복 운동한다. 씰 부재(500)는 톱니 형상으로 된 통상의 래버린스 씰(labyrinth seal)로서, 요홈(110)에 공급되는 압축공기의 양에 따라 냉각유로(40)의 단면적(D, 도 3 참조)을 변화시킨다.

씰 부재(500)는 도 3에 도시된 바와 같이 외측면에 돌출형성되는 걸림돌기(501)를 구비하고, 요홈(110)은 내측면으로부터 돌출되어 걸림돌기(501)가 회전체(30) 측으로 이동되는 것을 제한하는 걸림턱(111)을 구비하는데, 이는 씰 부재(500)의 이동범위를 제한하여 씰 부재(500)가 회전체(30)에 닿아 손상되는 것을 방지하기 위함이다.

구체적으로, 씰 부재(500)는 도 2에 도시된 바와 같이 회전체(30)의 회전 중심(O)과 회전체(30)의 외곽(S) 사이에 배치되어 하우징(100)과 마주보는 회전체(30)의 이면을 향해 왕복 운동한다.

따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 요홈(110)에 공급되는 압축공기의 압력이 높아지면 탄성부재(400)가 신장되면서 씰 부재(500)가 회전체(30)의 이면에 가까워져 냉각유로(40)의 단면적(D)이 좁아지게 되고, 요홈(110)에 공급되는 압축공기의 압력이 낮아지면 탄성부재(400)가 복원되면서 씰 부재(500)가 회전체(30)의 이면에서 멀어져 냉각유로(40)의 단면적(D)이 넓어지게 된다.

이러한 냉각유로(40)의 단면적(D) 변화는 곧, 도 4에 도시된 바와 같이 압축공기의 압력 손실로 이어진다. 압축공기가 흐르는 냉각유로(40)의 단면적(D)이 축소되면, 씰 부재(500)를 기준으로 구획된 회전체(30)의 내측 영역(A1)에 흐르는 압축공기의 압력(P1)이 씰 부재(500)를 통과하면서, 단면적(D)의 축소비(D/d)의 제곱에 비례하는 손실압력(△P)만큼 줄어들기 때문에, 회전체(30)의 외측 영역(A2)에 흐르는 압축공기의 압력(P2)이 줄어들게 된다.

따라서, 씰 부재(500)가 회전체(30)의 이면에 가까워지면, 도 5에 도시된 바와 같이 씰 부재(500)를 기준으로 구획된 회전체(30)의 외측 영역(A2)에 흐르는 압축공기의 압력(P2)이 회전체(30)의 내측 영역(A1)에 흐르는 압축공기의 압력(P1)보다 낮아지게 된다.

즉, 밸브(20)의 구동에 의해 공급유로(40)가 개방되면, 씰 부재(500)가 회전체(30)를 향해 이동되어, 냉각유로(40)의 단면적(D)이 좁아져 씰 부재(500)를 기준으로 구획된 회전체(30)의 외측 영역(A2)에 작용하는 압축공기의 압력(P2)이 감소되고, 밸브(20)의 구동에 의해 공급유로(40)가 폐쇄되면, 씰 부재(500)가 탄성부재(400)에 의해 원위치로 복귀되어, 냉각유로(40)의 단면적(D)이 넓어져 회전체(30)의 외측 영역(A2)에 작용하는 압축공기의 압력(P2)이 증가되는 것이다.

이와 같이 회전체 즉, 압축기(31)에 작용하는 힘(Fl=P1*A1+P2*A2) 및 터빈(32)에 작용하는 힘(Fr=P1*A1+P2*A2)은 씰 부재(500)의 구동에 따라 동일하게 증가 또는 감소된다.

이를 통해 본 발명은 다음과 같은 방식으로 샤프트(10)에 작용하는 축 추력을 조절한다. 도 6에 도시된 바와 같이 샤프트(10)가 추력에 의해 출구(E) 측에 근접하다고 판단되면, 터빈(32) 측에 있는 씰 부재(500)를 터빈(32)의 이면에 가깝게 하고, 압축기(31) 측에 있는 씰 부재(500)를 압축기(31)의 이면에서 멀어지게 한다. 이렇게 되면, 압축기(31)에 작용하는 힘(Fl)이 터빈(32)에 작용하는 힘(Fr)보다 크기 때문에, 샤프트(10)에 작용하는 힘(F)에 의해 회전체(30)를 포함한 샤프트(10)가 입구(I) 쪽으로 이동하게 된다.

이와는 반대로, 샤프트(10)가 추력에 의해 입구(I) 측에 근접하다고 판단되면, 도 7에 도시된 바와 같이 압축기(31) 측에 있는 씰 부재(500)를 압축기(31)의 이면에 가깝게 하고, 터빈(32) 측에 있는 씰 부재(500)를 터빈(32)의 이면에서 멀어지게 한다. 이렇게 되면, 터빈(32)에 작용하는 힘(Fr)이 압축기(31)에 작용하는 힘(Fl)보다 크기 때문에, 샤프트(10)에 작용하는 힘(F), 즉 압축기에 작용하는 힘(Fl)과 터빈에 작용하는 힘(Fr)의 합력에 의해 회전체(30)를 포함한 샤프트(10)가 출구(E) 쪽으로 이동하게 된다.

이와 같이 본 발명은 압축기(31) 및 터빈(32)에 각각 배치된 씰 부재(500)의 위치를 서로 반대되게 조절하여, 압축기(31) 및 터빈(32)에 작용하는 힘(Fl, Fr)의 크기에 차이를 발생시킴으로써, 샤프트(10)에 작용하는 축 추력을 제어하는 것이다.

만약, 본 발명과 같이 축 추력을 제어할 수 있는 별도의 수단이 없을 경우, 오링(O-ring), 가스켓(Gasket)과 같이 가스 터빈(G)에 포함된 기밀 부재들이 마멸되어 가스 터빈(G) 전체의 성능과 수명이 저하될 수 있고, 이에 따른 안전계수의 상승 등 설계 부담이 커질 수 밖에 없고, 샤프트(10)를 지지하는 베어링(20)이 손상되거나, 샤프트(10)에 결합된 회전체(30)가 하우징(100)이나 케이싱(50)에 닿아 파손될 수 있다. 반면, 본 발명은 이러한 기존의 문제점들을 모두 해소하면서, 베어링(20)을 냉각하는 압축공기를 이용하여 샤프트(10)에 가해지는 축 추력을 상쇄시키는 새로운 방식의 축 추력 제어 방식을 실현할 수 있다.

한편, 본 발명은 축 변위 센서(600)와 제어부(700)를 더 포함할 수 있다.

상기 축 변위 센서(600)는 샤프트(10)에 가해지는 추력에 의한 샤프트(10)의 축 방향 변위를 측정한다. 축 변위 센서(600)는 포텐셔메터(Potentiometer), 로터리 엔코더(Rotary Encoder)와 같은 접촉식 변위 센서나, 초음파센서, 광학 센서와 같은 비접촉식 변위 센서 등 다양한 감지 수단이 적용될 수 있고, 가스 터빈(G)의 입구(I) 혹은 출구(E) 측에 설치될 수 있으며, 본 실시예에서는 가스 터빈(G)의 입구(I) 측에 설치된 것을 기준으로 설명한다.

상기 제어부(700)는 축 변위 센서(600)에서 측정된 샤프트(10)와 축 변위 센서(600)와의 간격(R)에 따라 밸브(300)의 개도를 조절한다.

구체적으로, 제어부(700)는 축 변위 센서(600)에서 측정된 샤프트(10)와 축 변위 센서(600)와의 간격(R)이 미리 설정된 기준거리 이상이면, 밸브(300)를 구동하여 터빈(32) 측에 있는 씰 부재(500)를 터빈(32)의 이면에 가깝게 하고, 압축기(31) 측에 있는 씰 부재(500)를 압축기(31)의 이면에서 멀어지게 한다. 이렇게 되면, 압축기(31)에 작용하는 힘(Fl)이 터빈(32)에 작용하는 힘(Fr)보다 크기 때문에, 샤프트(10)에 작용하는 힘(F)에 의해 회전체(30)를 포함한 샤프트(10)가 입구(I) 쪽으로 이동하게 된다.

이와는 반대로, 축 변위 센서(600)에서 측정된 샤프트(10)와 축 변위 센서(600)와의 간격(R)이 미리 설정된 기준거리 미만이면, 터빈(32) 측에 있는 씰 부재(500)를 터빈(32)의 이면에서 멀어지게 하고, 압축기(31) 측에 있는 씰 부재(500)를 압축기(31)의 이면에 가깝게 한다. 이렇게 되면, 터빈(32)에 작용하는 힘(Fr)이 압축기(31)에 작용하는 힘(Fl)보다 크기 때문에, 샤프트(10)에 작용하는 힘(F)에 의해 회전체(30)를 포함한 샤프트(10)가 출구(E) 쪽으로 이동하게 된다.

이와 같이 축 변위 센서(600)와 제어부(700)를 통해 샤프트(10)에 가해지는 축 추력을 보다 용이하고 간편하게 제어할 수 있다.

지금부터는 본 발명의 다른 실시예에 따른 축 추력 제어장치(2)에 대하여 설명한다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 축 추력 제어장치(2)에 대하여 본 발명의 일 실시예에 따른 축 추력 제어장치(1)와 동일한 구성은 동일한 도면 부호를 부여하고, 이에 대한 설명은 생략한다.

도 8 또는 도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 축 추력 제어장치(2)의 씰 부재(500)는 림 형상으로, 회전체(30)의 직경보다 작은 직경을 갖는 제1씰 부재(510)와, 제1씰 부재(510)와 동심원을 이루고 제1씰 부재(510)보다 큰 직경을 갖는 제2씰 부재(520)를 구비한다.

도 9와 도 10를 참조하면, 회전체(30)는 제1씰 부재(510)와 제2씰 부재(520)에 의해 세 영역으로 구획된다. 구체적으로는 회전체(30)의 회전 중심(O)에서부터 제1씰 부재(510)까지는 A영역(Aa)으로, 제1씰 부재(510)와 제2씰 부재(520) 사이는 B영역(Ab)으로, 제2씰 부재(520)부터 회전체(30)의 외곽(S)까지 C영역(Ac)으로 각각 구획된다.

냉각유로(40)에 흐르는 압축공기는 제1, 2씰 부재(510, 520)를 지나면서 압력손실이 발생되어, A영역(Aa)의 압력(Pa)가 B영역(Ab)의 압력(Pb)보다 크고, C영역(Ac)의 압력(Pc)가 B영역의 압력(Pb)보다 작게 된다.

회전체(30), 즉 압축기(31)에 작용하는 힘(Fl= Pa*Aa+Pb*Ab+Pc*Ac)과 터빈(32)에 작용하는 힘(Fr = Pa*Aa+Pb*Ab+Pc*Ac)은 각 영역의 압력과 면적의 곱한 값의 총합으로서, 도 11에 도시된 바와 같이, 압축기(31) 측에 있는 제1, 2씰 부재(510, 520)의 개폐 여부에 따라 압축기(31)에 작용하는 힘(Fl)은 4가지 경우로 나뉜다. 터빈(32) 측에 있는 제1, 2씰 부재(510, 520)의 개폐 여부에 따라 터빈(32)에 작용하는 힘(Fr)도 4가지 경우로 나뉜다. 압축기(31)에 작용하는 힘(Fl) 각각에 대하여 터빈(32)에 작용하는 힘(Fr)이 대응관계를 이룸으로써, 샤프트(10)에 작용하는 힘(F), 즉 압축기에 작용하는 힘(Fl)과 터빈에 작용하는 힘(Fr)의 합력의 크기는 그 대소관계에 따라 총 16가지의 경우의 수로 나뉘게 된다.

이와 같이 씰 부재(500)의 숫자를 늘리면, 회전체(30)의 이면에 작용하는 힘이 세분화되어, 샤프트(10)에 가해지는 추력의 크기에 따라 회전체(30)에 작용하는 압력을 보다 정밀하게 조절할 수 있다.

이때, 제어부(700)는 축 변위 센서에서 측정된 샤프트(10)와 축 변위 센서(600)와의 간격(R)이 미리 설정된 기준거리 이상이면, 밸브(300)를 구동하여 터빈(32) 측에 있는 제1씰 부재(510)와 제2씰 부재(520) 중 어느 하나를 터빈(32)의 이면에 가깝게 하고, 압축기(31) 측에 있는 제1씰 부재(510)와 제2씰 부재(520) 중 어느 하나를 압축기(31)의 이면으로부터 멀어지게 하며, 축 변위 센서(600)에서 측정된 샤프트(10)와 축 변위 센서(600)와의 간격이 미리 설정된 기준거리(R) 미만이면, 밸브(300)를 구동하여 터빈(32) 측에 있는 제1씰 부재(510)와 제2씰 부재(520) 중 어느 하나를 터빈(32)의 이면으로부터 멀어지게 하고, 압축기(31) 측에 있는 제1씰 부재(510)와 제2씰 부재(520) 중 어느 하나를 압축기(31)의 이면에 가깝게 한다.

도 11의 표에 도시된 바와 같이 압축기(31)에 작용하는 힘(Fl)과 터빈(32)에 작용하는 힘(Fr)의 대소 관계에 따라, 샤프트(10)에 작용하는 힘(F)의 방향이 바뀌므로, 그 방향에 따라 회전체(30)를 포함한 샤프트(10)의 위치를 입구(I) 또는 출구(E) 쪽으로 보다 정밀하게 조정할 수 있는 것이다.

특히, 본 발명의 일 실시예와 같이 하나의 씰 부재(500)로만 냉각유로(40)에 흐르는 압축공기의 흐름을 조절할 경우, 씰 부재(500)의 수명이 단축될 수 있으나, 본 발명의 다른 실시예와 같이 여러 개의 씰 부재(500)로 압축공기의 흐름을 순차적으로 조절함으로써, 압축공기와의 마찰로 인해 씰 부재(500)의 수명이 단축되는 것도 방지할 수 있다.

본 실시예들을 설명함에 있어서, 압축기에 작용하는 힘(Fl)과 터빈에 작용하는 힘(Fr)의 대소관계에 따라, 샤프트(10)의 위치가 입구(I) 또는 출구(E) 쪽으로 이동하는 것으로 설명하였다.

그러나 본래 샤프트(10)에 작용하는 추력은, 축 방향으로 흐르는 유체의 모멘텀과, 축에 수직인 입구부에서 받는 힘과, 축의 단면이 유체로부터 받는 힘과, 쉬라우드(shroud, 터빈을 감싸고 있는 판)에서 축방향으로 받는 힘과, 터빈(또는 압축기)에 작용하는 힘(본 발명에서 설명한 힘) 등을 모두 합한 값의 크기에 따라 결정된다.

다만, 본 발명의 기술사상이 간단명료하게 설명될 수 있도록, 터빈(또는 압축기)에 작용하는 힘을 제외한 나머지 힘은 고려하지 않았으며, 압축기 이면의 면적과 터빈 이면의 면적이 같다는 가정하에서 설명하였다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 축 추력 제어장치는, 가스 터빈 내부에서 회전체가 고속으로 회전하면서 발생되는 샤프트의 축 추력을, 베어링을 냉각하는 압축공기를 이용하여 상쇄시키는 새로운 방식의 축 추력 제어 방식을 실현할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 축 추력 제어장치는, 축 추력에 의한 샤프트의 위치 변화를 제어함으로써, 가스 터빈의 부품들이 손상되는 것을 방지할 수 있고, 이에 따른 설계 부담을 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 축 추력 제어장치는, 축 변위 센서 및 제어부를 통해 샤프트에 작용하는 축 추력을 보다 용이하고 간편하게 제어할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 축 추력 제어장치는, 씰 부재를 복수로 구성하여 회전체에 작용하는 압력 분포를 세분화함으로써, 샤프트에 작용하는 축 추력을 보다 정밀하게 제어할 수 있고, 냉각유로에 흐르는 압축공기의 압력을 순차적으로 줄임으로써, 압축공기와의 마찰로 인해 씰 부재의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 축 추력 제어장치는, 씰 부재의 이동범위를 제한하여 씰 부재가 회전체에 닿아 손상되는 것을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 청구범위 및 상세한 설명에 있어 밸브의 개방 또는 폐쇄의 표현은, 밸브의 개도 변화를 포함하는 표현으로, 밸브의 개방은 밸브가 완전히 개방된 상태 또는 밸브의 개도가 커지는 상태를 포함하고, 밸브의 폐쇄는 밸브가 완전히 잠긴 상태 또는 밸브의 개도가 줄어드는 상태를 모두 포함한다.

또한, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예 및 변형례에 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.

1 : 본 발명의 일 실시예에 따른 축 추력 제어장치
2 : 본 발명의 다른 실시예에 따른 축 추력 제어장치
100 : 하우징
200 : 공급유로
300 : 밸브
400 : 탄성부재
500 : 씰 부재
600 : 축 변위 센서
700 : 제어부

Claims (5)

1. 가스 터빈의 샤프트와 이를 지지하는 베어링을 감싸고, 상기 샤프트 및 상기 샤프트의 양단부에 장착된 회전체와 이격되어 압축공기가 유동하는 냉각유로를 형성하며, 상기 회전체와 대향되는 면에 요홈을 구비하는 하우징;
   상기 하우징 내부를 관통하여 상기 요홈에 연결되고, 상기 압축공기가 공급되는 통로인 공급유로;
   상기 공급유로에 설치되어 상기 공급유로를 개폐하는 밸브;
   일단부가 상기 요홈의 내부에 고정되는 탄성부재; 및
   상기 탄성부재의 타단부에 결합되고, 상기 공급유로에 공급된 상기 압축공기에 의해 탄성운동하며, 상기 회전체의 회전 중심과 상기 회전체의 외곽 사이에 설치되는 씰 부재;를 포함하고,
   상기 밸브의 구동에 의해 상기 공급유로가 개방되면, 상기 씰 부재가 상기 회전체를 향해 이동되어, 상기 냉각유로의 단면적이 좁아져 상기 씰 부재를 기준으로 구획된 상기 회전체의 외측 영역에 작용하는 압축공기의 압력이 감소되고,
   상기 밸브의 구동에 의해 상기 공급유로가 폐쇄되면, 상기 씰 부재가 상기 탄성부재에 의해 원위치로 복귀되어, 상기 냉각유로의 단면적이 넓어져 상기 회전체의 외측 영역에 작용하는 압축공기의 압력이 증가됨으로써, 상기 샤프트에 작용하는 축 추력이 조절되는 것을 특징으로 하는 축 추력 제어장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 회전체는, 상기 샤프트의 일단부에 결합된 압축기와, 상기 샤프트의 타단부에 결합된 터빈을 구비하고,
   상기 샤프트에 가해지는 추력에 의한 상기 샤프트의 축 방향 변위를 측정하는 축 변위 센서; 및
   상기 축 변위 센서에서 측정된 상기 샤프트와 상기 축 변위 센서와의 간격에 따라 상기 밸브의 개도를 조절하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축 추력 제어장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 축 변위 센서에서 측정된 상기 샤프트와 상기 축 변위 센서와의 간격이 미리 설정된 기준거리 이상이면, 상기 밸브를 구동하여 상기 압축기 측에 있는 상기 씰 부재를 상기 압축기의 이면으로부터 멀어지게 하고, 상기 터빈 측에 있는 상기 씰 부재는 상기 터빈의 이면에 가까워지게 하며,
   상기 축 변위 센서에서 측정된 상기 샤프트와 상기 축 변위 센서와의 간격이 미리 설정된 기준거리 미만이면, 상기 밸브를 구동하여 상기 압축기 측에 있는 상기 씰 부재를 상기 압축기의 이면에 가까워지게 하고, 상기 터빈 측에 있는 상기 씰 부재는 상기 터빈의 이면으로부터 멀어지게 하는 것을 특징으로 하는 축 추력 제어장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 씰 부재는 림 형상으로, 상기 회전체의 회전축을 중심으로 상기 회전체의 직경보다 작은 직경을 갖는 제1씰 부재와, 상기 제1씰 부재와 동심원을 이루고 상기 제1씰 부재보다 작은 직경을 갖는 제2씰 부재를 구비하고,
   상기 제어부는,
   상기 축 변위 센서에서 측정된 상기 샤프트와 상기 축 변위 센서와의 간격이 미리 설정된 기준거리 이상이면, 상기 밸브를 구동하여 상기 압축기 측에 있는 상기 제1씰 부재와 상기 제2씰 부재 중 어느 하나를 상기 압축기의 이면으로부터 멀어지게 하고, 상기 터빈 측에 있는 상기 제1씰 부재와 상기 제2씰 부재 중 어느 하나를 상기 터빈의 이면에 가까워지게 하며,
   상기 축 변위 센서에서 측정된 상기 샤프트와 상기 축 변위 센서와의 간격이 미리 설정된 기준거리 미만이면, 상기 밸브를 구동하여 상기 압축기 측에 있는 상기 제1씰 부재와 상기 제2씰 부재 중 어느 하나를 상기 압축기의 이면으로부터 가까워지게 하고, 상기 터빈 측에 있는 상기 제1씰 부재와 상기 제2씰 부재 중 어느 하나를 상기 터빈의 이면에 멀어지게 하는 것을 특징으로 하는 축 추력 제어장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 씰 부재는, 상기 씰 부재의 외측면에 돌출형성되는 걸림돌기를 구비하고,
   상기 요홈은, 상기 요홈의 내측면으로부터 돌출되어 상기 걸림돌기가 회전체 측으로 이동되는 것을 제한하는 걸림턱을 구비하는 것을 특징으로 하는 축 추력 제어장치.

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