KR102181454B1 - 베어링-클러치 하우징이 통합되어 있는 유압 동력 회수 터빈 - Google Patents

베어링-클러치 하우징이 통합되어 있는 유압 동력 회수 터빈 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 유압 동력 회수 터빈은 케이싱과 이 케이싱 내에서 회전하도록 배치된 로터를 포함한다. 로터는 로터 샤프트(43)와 이 로터 샤프트에 장착된 적어도 하나의 임펠러를 포함한다. 로터 샤프트는 각 베어링 하우징(25)에 배치된 베어링(45)에 의해 지지된다. 구동-단부 베어링 하우징(25)은 클러치(51)를 더 수용하며, 상기 클러치는 구동-단부 베어링 하우징으로부터 연장되어 있는 유압 동력 회수 터빈(23)의 출력 샤프트(29)에 로터 샤프트(43)를 연결하는 것이다.

Description

베어링-클러치 하우징이 통합되어 있는 유압 동력 회수 터빈{HYDRAULIC POWER RECOVERY TURBINE WITH INTEGRATED BEARING-CLUTCH HOUSING}
본원에 개시된 대상의 실시형태들은 일반적으로 유압 동력 회수 터빈 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본원은 유압 동력 회수 터빈을 전기 모터, 원심 펌프, 또는 일반적으로는 회전 장비에 연결하는 베어링/클러치 장치의 개선에 관한 것이다.
에너지 생산 및 소비가 환경에 미치는 영향에 대한 관심이, 산업 공장, 시스템 및 프로세스의 에너지 효율을 다양한 방식으로 개선시키려는 연구를 조성하고 있다. 많은 산업 공장에서, 에너지는 예를 들어 폐열, 압력 에너지, 또는 유체 수두 등의 형태로 이용 가능하다. 최근에, 이전에는 그냥 소멸되었던 종류의 에너지를 활용하려는 노력이 이루어졌다.
유압 동력 회수 터빈은 가압 액체의 유동으로부터 에너지를 회수하기 위한 여러 시설, 공장 및 시스템에 사용되고 있다. 일반적으로, 유압 동력 회수 터빈은 액체 흐름의 압력을 낮춤으로써 액체 흐름으로부터 동력을 회수하는 데 사용되는 기계이다. 보편적인 타입의 유압 동력 회수 터빈은, 고압의 공정 액체의 압력을 낮춤으로써 고압의 공정 액체로부터 동력을 회수하는 역회전 원심 펌프인데, 고압의 공정 액체는 그 압력을 낮추지 않으면 스로틀 밸브를 통해 버려질 것이다.
전통적으로, 유압 동력 회수 터빈은, 다량의 유체 에너지가 밸브 또는 다른 교축 장치에서 소멸되는 공장들에서 사용되고 있다. 유체 압력을, 보다 일반적으로는 공장에서 이용 가능한 정적 수두를, 유압 동력 회수 터빈을 구동하는 데 사용하고, 유압 동력 회수 터빈의 출력 샤프트에서 유효 기계 동력을 확보하여, 동력 회수가 달성된다. 유압 동력 회수 터빈에 의해 회수된 동력은, 예를 들어 펌프를 구동시키는 전기 모터의 구동 샤프트에 기계 에너지를 보충함으로써, 일반적으로 펌프 등과 같은 보조 기계를 구동하는 데 이용되거나, 또는 전기 그리드로부터 흡수되는 동력을 감소시키는 데 이용된다.
일부 용례에서, 유압 동력 회수 터빈은 발전기를 구동하고, 그에 따라 유압 동력 회수 터빈의 출력 샤프트에서 이용 가능한 유효 기계 동력을 전력으로 변환하는 데 이용된다.
고압 액체에 포함된 압력 에너지를 유효하게 활용하도록, 유압 동력 회수 터빈은, 예를 들어 산업 시스템에서 이용 가능한 액체의 유동에 의해 발현되는 동력을 활용하기 위해, 전기 모터와 함께 종종 사용된다. 액체 유동에 의해 발생된 동력은 유압 동력 회수 터빈에 의해 기계 동력으로 변환되고, 유압 동력 회수 터빈의 샤프트에서 이용 가능한 유효 기계 동력은 예를 들어 전기 모터와 함께 부하를 구동시키는 데 사용된다.
도 1은 전기 모터에 의해 구동되는 펌프를, 유체 유동으로부터 동력을 회수하도록 구성되어 있는 유압 동력 회수 터빈과 함께, 현재의 기술에 따라 설치하는 것을 보여주는 도면이다.
그 전체에 대해 도면부호 100이 붙여진 도 1의 시스템은, 회전 장비를, 예를 들어 전기 모터(103)에 의해 회전 구동되는 펌프(101)를 포함한다. 펌프 샤프트(101S)는 기어박스(105)를 통해 전기 모터(103)의 샤프트(103S)의 제1 단부에 연결되어 있다. 조인트, 예를 들어 가요성 축 이음(107, 109)이, 기어박스(105)와 펌프(101)의 사이에, 그리고 기어박스(105)와 전기 모터(103)의 샤프트(103S)의 제1 단부의 사이에 각각 마련될 수 있다. 전기 모터 샤프트(103S)의 제2 단부가 유압 동력 회수 터빈(111)에 연결되어 있다.
유압 동력 회수 터빈(111)과 전기 모터 샤프트(103S) 사이의 연결은, 베이스 플레이트(117) 상에 지지되어 있는, 하우징(115)에 수용된 클러치(113)를 필요로 하는데, 상기 베이스 플레이트는 또한 나머지 회전 기계류, 즉 회전 장비 또는 회전 부하(101), 전기 모터(103) 및 유압 동력 회수 터빈(111)을 지지하는 것이다.
제1 축 이음(119)이 전기 모터 샤프트(103S)와 클러치(113) 사이에 배치되어 있다. 제2 축 이음(121)이 클러치(113)와 유압 동력 회수 터빈(111)의 샤프트(111S) 사이에 배치되어 있다.
유압 동력 회수 터빈(111)에는 터빈 입구(123)와 터빈 출구(125)가 마련되어 있다. 터빈 입구(123)와 터빈 출구(125)는, 유체가 관류할 수 있는 유압 회로(도시 생략)에 연결되어 있다. 유압 동력 회수 터빈(111)은 유압 회로 내에서 유동하는 유체의 동력을 터빈 샤프트(111S)에서 이용할 수 있는 유효 기계 동력으로 변환한다.
이 시스템(100)의 작동은 다음과 같다. 정상 작동 조건하에서, 전기 모터(103)는 회전 장비(101)를 회전 구동시키는 데 필요한, 예를 들어 흡입 매니폴드(102)를 통과해 펌프(101)에 들어가고 펌프(101)에 의해 전달되는 유체를 전달 매니폴드(104)를 통과하게 펌핑하는 데 필요한, 전체 기계 동력을 전기 모터 샤프트(103S)에 발생시킨다.
유체 유동이 터빈 입구(123) 및 터빈 출구(125)에 연결된 유압 회로에서 이용 가능한 경우, 상기 유체 유동은 유압 동력 회수 터빈(111)을 회전 구동하는 데 사용된다. 유압 동력 회수 터빈(111)의 회전 속도가 전기 모터(103)의 회전 속도와 동일해지는 경우, 클러치(113)가 맞물리고, 그 결과 유효 기계 동력이 터빈 샤프트(111S)에 의해 전기 모터 샤프트(103S)에 전달될 수 있다. 유압 동력 회수 터빈(111)으로부터 이용 가능한 기계 동력은, 회전 장비(101)를 구동시키기 위해 전기 모터(103)에 의해 소모되는 전력을 감소시킨다.
베이스 플레이트(117) 상에 마련된 회전 기계의 배치 구성은 매우 다루기 어렵고 긴 풋프린트를 갖는데, 이는 특히 각 회전 기계(111, 103, 101) 사이에 상당히 많은 수의 보조 장비, 구체적으로 축 이음(107, 109, 119, 121), 기어박스(105) 및 클러치(113)가 배치되어 있기 때문이다.
일 양태에 따르면, 본원에 개시된 대상은 현재 기술의 배치 구성의 문제를 적어도 부분적으로 경감시키는 것을 겨냥한 것이다.
원동기 또는 주 구동부와, 회전 장비, 그리고 유압 동력 회수 터빈을 포함하는 배치 구성의 풋프린트는, 클러치를 유압 동력 회수 터빈의 베어링 하우징에 통합시킴으로써 감소된다. 이러한 배치 구성에 의하면, 유압 동력 회수 터빈과 주 구동부 사이에 개별 축 이음을 2개 마련할 필요성이 없어져, 시스템의 전체 길이가 감소된다.
일부 실시형태에 따르면, 유압 동력 회수 터빈으로서, 케이싱; 상기 케이싱 내에서 회전하도록 배치되어 있는 로터로서, 로터 샤프트와 상기 로터 샤프트에 장착된 적어도 하나의 임펠러를 포함하는 로터; 적어도 하나의 구동-단부 베어링 하우징과 적어도 하나의 비구동-단부 베어링 하우징; 상기 두 베어링 하우징 내에 배치되어 있고 상기 로터 샤프트를 회전 지지하는 적어도 하나의 구동-단부 베어링과 적어도 하나의 비구동-단부 베어링을 포함하는 유압 동력 회수 터빈이 제공된다. 구동-단부 베어링 하우징은, 이 구동-단부 베어링 하우징을 케이싱에 연결하도록 구성되어 있는 장착 플랜지를 포함한다. 구동-단부 베어링 하우징 내에는 클러치가 배치되어 있다. 클러치는, 로터 샤프트를 유압 동력 회수 터빈의 출력 샤프트에 연결하는 것으로서, 주 구동부, 예컨대 전기 모터의 샤프트와, 또는 보다 일반적으로는 회전 장비의 샤프트에, 동력 전달을 위하여 연결하도록, 구동-단부 베어링 하우징으로부터 연장되는 것이다.
임펠러 또는 바람직하게는 복수의 임펠러가 베어링들 사이에 배치되어 있다. 일부 실시형태에서, 베어링 하우징은 터빈 케이싱의 본체에 연결되어 있고, 유압 동력 회수 터빈의 로터는, 상기 터빈 케이싱의 본체의 양단부에 배치되어 있다.
일부 용례에서, 유압 동력 회수 터빈의 출력 샤프트는, 주 구동부 또는 원동기, 예컨대 전기 모터의 샤프트에 비틀림 구속되어 있고, 주 구동부와 동일한 회전 속도로 회전한다. 유압 동력 회수 터빈의 회전 속도가 주 구동부의 회전 속도에 달할 때 클러치가 맞물리도록, 클러치가 구성 및 제어된다. 바람직하게는, 상기 클러치는, 두 회전 속도가 동일해질 때 자동적으로 맞물리는 오버러닝 클러치이다. 이러한 방식에서, 유압 동력 회수 터빈이 정확한 회전 속도에 달하였을 때, 유압 동력 회수 터빈이 기계 동력을 주 구동부의 샤프트에 전달하기 시작한다.
클러치를 베어링 하우징 내에 배치함으로써, 클러치와 구동-단부 베어링을 윤활하는 단일 윤활 시스템이 제공될 수 있다.
일부 실시형태에 따르면, 클러치는 내륜과 외륜을 포함한다. 클러치의 상기 내륜 및 외륜 중 하나는 로터 샤프트에 대해 비틀림 구속될 수 있고, 상기 내륜 및 외륜 중 다른 하나는 유압 동력 회수 터빈의 출력 샤프트에 연결될 수 있다. 일부 실시형태에서, 외륜은 유압 동력 회수 터빈의 로터 샤프트에 대해 비틀림 구속되고, 내륜은 출력 샤프트에 비틀림 구속된다.
다른 양태에 따르면, 본원은 회전 장비 구동 배치 구성으로서, 회전 장비와, 전술한 바와 같은 유압 동력 회수 터빈으로서, 상기 회전 장비를 구동시키는 동력을, 단독으로 또는 전기 모터 등과 같은 원동기 또는 주 구동부와 함께, 제공하는 것인 유압 동력 회수 터빈을 포함하는 회전 장비 구동 배치 구성에 관한 것이다.
일부 구성에 따르면, 회전 장비는 발전기일 수 있다. 이에 따라, 유압 동력 회수 터빈에 의해 회수되는 기계 동력은 전력으로 변환된다. 다른 구성에 따르면, 회전 장비는 터보 기계, 예컨대 회전 펌프 등과 같은 부하를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 회전 장비 구동 배치 구성으로서, 유압 동력 회수 터빈과, 전기 모터 등과 같은 원동기, 그리고 회전 부하 등과 같은 피구동 장비를 포함하는 회전 장비 구동 배치 구성이 제공된다. 유압 동력 회수 터빈에 의해 회수되는 기계 동력은, 예컨대 유압 동력 회수 터빈의 출력 샤프트를, 부하를 회전 구동시키도록 배치된 전기 모터의 샤프트에 연결함으로써, 원동기에 보충된다. 이에 따라, 부하를 구동시키는 데 필요한 기계 동력의 일부가 유압 동력 회수 터빈에 의해 제공되므로, 전기 모터에 의해 흡수되는 전력이 감소된다.
특징들 및 실시형태들이 이하에 개시되어 있고, 본 명세서의 필수적인 부분을 형성하는 첨부된 청구범위에 더 기술되어 있다. 상기한 간략한 설명은, 이하의 상세한 설명을 보다 잘 이해할 수 있도록, 그리고 본 발명이 관련 분야에 이바지하는 바를 보다 잘 인식할 수 있도록, 본 발명의 여러 실시형태의 특징을 제시한다. 물론, 이하에 기술되며 첨부된 청구범위에 제시되는 본 발명의 다른 특징이 있다. 이러한 점에서, 본 발명의 몇몇 실시형태를 상세히 설명하기에 앞서, 본 발명의 여러 실시형태가, 이하의 상세한 설명에 제시되어 있거나 혹은 도면에 도시되어 있는 구성의 상세한 사항 및 구성요소의 배치 구성에 그 용례가 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 실시형태일 수 있고, 다양한 방식으로 실시 및 수행될 수 있다. 또한, 본원에 채용된 자구 및 용어는 설명을 목적으로 한 것이며 제한적인 것으로 여겨져서는 안 된다는 것을 이해하여야 한다.
이에 따라, 당업자는, 본 개시 내용이 기초로 삼고 있는 개념이, 본 발명의 여러 목적을 완수하는 다른 구조, 방법, 및/또는 시스템을 구성하는 근거로서 쉽게 이용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 청구범위는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 한 상기한 등가의 구성을 포함하는 것으로 고려된다는 것은 중요하다.
개시된 본 발명의 실시형태와 이에 수반되는 많은 이점은, 이하의 상세한 설명에 의거하여 보다 잘 이해될 것이므로, 첨부 도면을 결부시켜 고려하여 보았을 때, 쉽고도 보다 완벽하게 인식하게 될 것이다.
도 1은 현재의 기술에 따른 시스템의 측면도를 보여주고;
도 2는 본원의 일 실시형태에 시스템을 측면도로 보여주며;
도 3은 본원의 일 실시형태에 따른 유압 동력 회수 터빈의 회전 축을 따라 취한 단면도를 보여주고;
도 4는 도 3의 유압 동력 회수 터빈의 구동 단부측의 확대도를 보여주며;
도 5는 도 4의 선 V-V를 따라 취하여 본 모습을 보여준다.
예시적인 실시형태에 대한 이하의 상세한 설명은, 첨부 도면을 참조로 한다. 서로 다른 도면에 있어서 동일한 도면부호는 동일하거나 유사한 요소를 식별하는데 사용된다. 추가적으로, 도면들은 축척에 맞춰 도시되어 있다라고는 할 수 없다. 또한, 이하의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정해진다.
발명의 상세한 설명의 전반에 언급되어 있는 "일 실시형태" 또는 "실시형태" 또는 "일부 실시형태"는, 실시형태와 관련하여 기술된 특정 특징, 구조, 또는 특성이, 개시된 대상의 적어도 하나의 실시형태에 포함되어 있는 것임을 의미한다. 따라서, 발명의 상세한 설명의 전반에 걸쳐 여러 곳에 보이는 구절 "일 실시형태에서" 또는 "실시형태에서" 또는 "일부 실시형태에서"가, 동일한 실시형태를 나타내는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조, 또는 특성은 하나 이상의 실시형태에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
도 2를 참조로 하여, 본원에 따른 시스템의 주 구성요소를 설명한다. 그 전체에 대해 도면부호 1이 붙여진 시스템은 베이스 플레이트(3)를 포함하고, 이 베이스 플레이트에는 회전 기계류가 배치된다. 일부 실시형태에서, 시스템(1)은 피구동 회전 장비(5)를 포함한다. 피구동 회전 장비(5)는 유압 펌프, 예컨대 원심 펌프를 포함할 수 있다. 다른 실시형태들에서, 피구동 회전 장비(5)는 압축기 또는 작동되기 위해서는 기계 동력을 필요로 하는 임의의 다른 작동 기계를 포함할 수 있다. 이하에서는, 단지 예로서, 원심 펌프(5)와 관련하여 언급이 이루어질 것이다.
원심 펌프(5)는 유압 회로(도시 생략)에 연결된 전달 매니폴드(9)와 흡입 매니폴드(7)를 포함한다. 원심 펌프(5)는 주 구동부, 또는 원동기, 예를 들어 전기 모터(11)에 의해 회전 구동될 수 있다.
일부 실시형태에서, 전기 모터(11)와 원심 펌프(5)의 사이에 기어박스(13)가 배치된다. 기어박스(13)는 단지 기어박스(13)의 입구 샤프트(13A)와 출구 샤프트(13B) 간의 회전 방향을 각각 뒤바꾸기 위해 사용될 수 있다. 다른 실시형태들에서, 기어박스(13)는 또한, 원심 펌프(5)와 전기 모터(11)가 서로 다른 속도로 회전할 수 있도록 회전 속도를 조정하는 데 사용될 수 있다.
전기 모터(11)는, 전기 모터 케이싱의 양측에서 전기 모터 케이싱으로부터 돌출되어 있는 제1 단부(15A) 및 제2 단부(15B)를 갖는 전기 모터 샤프트(15)를 포함한다. 일부 실시형태에서, 전기 모터 샤프트(15)의 제1 단부(15A)는 축 이음(17)을 통해 기어박스(13)의 입구 샤프트(13A)에 연결될 수 있다.
기어박스(13)의 출구 샤프트(13B)는 제2 축 이음(21)을 통해 펌프 샤프트(19)에 연결될 수 있다.
전기 모터 샤프트(15)의 제2 단부(15B)는 유압 동력 회수 터빈(23)에 연결된다. 도 3을 참조로 하여 더 상세히 기술되는 바와 같이, 유압 동력 회수 터빈(23)은 구동-단부 베어링 하우징(25)을 포함하는 소위 개재 베어링 기계일 수 있는데, 상기 구동-단부 베어링 하우징에는 제1 베어링 지지 터빈 샤프트와 클러치가 배치되어 있다. 유압 동력 회수 터빈(23)에는 비구동-단부 베어링 하우징(27)이 더 마련될 수 있는데, 이 비구동-단부 베어링 하우징에는 제2 베어링 지지 터빈 샤프트가 수용되어 있다.
유압 동력 회수 터빈(23)은, 도 3 및 도 4와 관련하여 더 상세히 설명되는 방식으로 유압 동력 회수 터빈(23)의 터빈 샤프트에 연결되어 있는 출력 샤프트(29)를 더 포함한다. 출력 샤프트(29)는, 유압 동력 회수 터빈(23)을 전기 모터 샤프트(15)와 연결하기 위해 구동-단부 베어링 하우징(25)으로부터 돌출되어 있다.
일부 실시형태에서는, 전기 모터 샤프트(15)의 제2 단부(15B)와 출력 샤프트(29)의 사이에 제3 축 이음(31)이 배치되어 있다.
유압 동력 회수 터빈(23)에는 입구 매니폴드(33)와 출구 매니폴드(35)가 마련될 수 있다. 터빈 입구 매니폴드(33)와 터빈 출구 매니폴드(35)는 도시 생략된 유압 회로와 연결되어 있다. 이에 따라 유압 회로 내의 유체의 흐름이 유압 동력 회수 터빈(23)을 관류하여, 출력 샤프트(29)에서 이용 가능하게 되는 유효 기계 동력을 생성할 것이다.
유압 동력 회수 터빈(23)의 구조가 도 3에 보다 상세히 도시되어 있다. 유압 동력 회수 터빈(23)은 그 자체가 알려져 있으므로, 본원의 보다 나은 이해를 위해 필요한 것에 국한하여서만, 유압 동력 회수 터빈의 주 구성요소를 본원에 기술할 것이다.
일부 실시형태에서, 유압 동력 회수 터빈은 가역 펌프일 수 있고, 원심 펌프(5)의 구동 단부측에 클러치가 없는 것을 제외하고는, 원심 펌프(5)와 실질적으로 동일한 것일 수 있다. 이에 따라, 기어박스(13)는 입구 샤프트(13A)와 출구 샤프트(13B)의 회전 속도를 뒤바꾸는 데 사용되고, 그 결과 두 유압 기계(5, 23) 모두 정확한 방향으로 회전한다.
일부 실시형태에서, 유압 동력 회수 터빈(23)은 외부 케이싱(37)을 포함하고, 이 외부 케이싱에는 로터(39)가 배치되어 있다. 로터는 대개 하나 이상의 임펠러(41)를 포함한다. 도 3에 도시된 실시형태에서는, 공통의 로터 샤프트(43)에 소위 백-투-백 형태로 장착되어 있는 10개의 임펠러(41)를 포함하는, 다단 유압 동력 회수 터빈(23)이 도시되어 있다. 유압 동력 회수 터빈의 설계에 따라, 다른 임펠러 배치 구성도 가능하다.
로터 샤프트(43)는 구동-단부 베어링 하우징(25)과 비구동-단부 베어링 하우징(27)에 수용되어 있는 베어링들에 의해 지지된다. 일부 실시형태에서, 이들 베어링은 도 3에 도시된 바와 같이 저널 베어링일 수 있다. 제1 저널 베어링(45)이 구동-단부 베어링 하우징(25)에 배치되어 있고, 제2 저널 베어링(47)이 비구동-단부 베어링 하우징(27)에 배치되어 있다. 도시되어 있지 않은 스러스트 베어링이 또한 대개 비구동-단부 베어링 하우징(27)에 마련된다. 그 대신에, 다른 베어링 배치 구성이 마련될 수 있다.
도 4에는 구동-단부 베어링 하우징(25)이 더 상세히 도시되어 있다. 일부 실시형태에서, 구동-단부 베어링 하우징(25)은 장착 플랜지(25F)를 포함할 수 있고, 이 장착 플랜지를 통해 구동-단부 베어링 하우징(25)이 외부 케이싱(37)의 본체에 연결된다.
도 4에서는, 로터 샤프트(43)의 제1 단부(43A)가 베어링(45)에 의해 지지되어 있는 것으로 도시되어 있다. 로터 샤프트(43)의 제1 단부(43A)는 클러치(51)를 통해 유압 동력 회수 터빈(23)의 출력 샤프트(29)에 기계적으로 연결 가능하다.
일부 실시형태에서, 클러치(51)는, 상기한 두 샤프트가 동일한 회전 속도로 회전할 때, 즉 출력 샤프트(29)에 축 이음(31)을 통해 비틀림 구속되어 있는 전기 모터 샤프트(15)와 동일한 속도로 로터 샤프트(43)가 회전할 때, 로터 샤프트(43)를 출력 샤프트(29)에 구동 연결하도록 구성 및 배치된 오버러닝 클러치이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 일부 실시형태에서 오버러닝 클러치(51)는 외륜(51A)과 내륜(51B)을 포함한다. 일부 실시형태에서, 오버러닝 클러치(51)의 내륜(51B)은 출력 샤프트(29)에 장착되어 있고 이 출력 샤프트에 대해 비틀림 구속되어 있다. 오버러닝 클러치(51)의 외륜(51A)은 이하에 기술되어 있는 바와 같이 로터 샤프트와 함께 회전하도록 로터 샤프트(43)에 비틀림 구속될 수 있다.
일부 실시형태에서는, 샤프트 허브(53)에는 로터 샤프트(43)의 제1 단부(43A)와 오버러닝 클러치(51)의 외륜(51A)이 비틀림 연결되어 있다. 샤프트 허브(53)는 컵 형상의 플랜지(54)와 고정 링(59)을 포함할 수 있다. 컵 형상의 플랜지(54)에는 관통 구멍(53A)이 마련되어 있고, 고정 링(59)에는 나사 구멍(57)이 마련되어 있다.
오버러닝 클러치(51)는, 샤프트 허브(53)의 관통 구멍(53A)을 통해 그리고 오버러닝 클러치(51)의 외륜(51A)에 마련된 또 다른 구멍(51C)을 통해 연장되는 볼트(55)에 의하여 샤프트 허브(53)에 연결될 수 있다. 볼트(55)는 고정 링(59)에 마련되어 있는 나사 구멍(57)에 나사 결합된다.
두 베어링(61, 63)이 샤프트 허브(53)의 내부에 장착될 수 있다. 일부 실시형태에서, 두 베어링(61, 63)은 구름 베어링, 예를 들어 볼 베어링이다. 두 베어링(61, 63)은 오버러닝 클러치(51)의 양측에 배치되어 있다. 두 베어링(61, 63)은 출력 샤프트(29)에 장착될 수 있고, 오버러닝 클러치(51)의 외륜(51A)과 내륜(51B) 사이의 기계적 동심도를 보장하기 위해, 두 베어링의 외륜이 컵 형상의 플랜지(54) 및 고정 링(59)과 각각 결합될 수 있다.
도시되어 있지 않은 다른 실시형태에서, 오버러닝 클러치(51)의 내륜은 출력 샤프트(29)에 비틀림 구속될 수 있고, 오버러닝 클러치(51)의 외륜은 로터 샤프트에 비틀림 구속될 수 있으며, 출력 샤프트(29)에는 샤프트 허브(53)가 장착되어 있고, 로터 샤프트(43)에는 베어링(61, 63)이 장착되어 있다.
따라서, 구동-단부 베어링 하우징(25)은, 유압 동력 회수 터빈의 로터 샤프트(43)를 지지하는 베어링(45)뿐만 아니라, 로터 샤프트(43)의 제1 단부(43A)를 출력 샤프트(29)에 연결하는 오버러닝 클러치(51) 및 샤프트 허브(53) 모두를 수용한다.
이러한 배치 구성을 통하여, 도 1과 도 2의 비교에 의해 가장 잘 인식될 수 있는 바와 같이, 전체 시스템(1)의 길이가 도 1에 도시된 현재 기술의 배치 구성에 비해 짧아진다. 도 2에 도시된 배치 구성의 오버러닝 클러치(51)는 사실상 구동-단부 베어링 하우징(25) 내에 수용되고, 대신에 도 1의 실시형태에서 마련된 것과 같이 베이스 플레이트(3) 상에 개별적으로 장착하는 것을 필요로 하지 않는다. 게다가, 도 1의 배치 구성에서 요구되는 2개의 축 이음(119, 121) 중 어느 하나가 생략되는 데, 이는 유압 동력 회수 터빈의 출력 샤프트(29)와 전기 모터 샤프트(15)의 사이에 이제는 단 하나의 축 이음(31)이 요구되기 때문이다.
이 시스템의 작동은 다음과 같다. 유압 동력 회수 터빈(23)의 입구 매니폴드(33) 및 출구 매니폴드(35)에 연결된 유압 회로를 통한 유체 유동이 이용 가능한 경우, 상기 유체는 유압 동력 회수 터빈의 로터 샤프트(43)가 회전하게 되도록 유압 동력 회수 터빈(23)을 통해 처리된다. 축 이음(31)을 통해 출력 샤프트(29)에 연결되어 있는 전기 모터(11)는 피구동 회전 장비(5)를 회전 구동시키며, 상기 전기 모터(11)는 또한 출력 샤프트(29)를 동일한 회전 속도로 회전 구동시킨다. 로터 샤프트(43)의 회전 속도가 출력 샤프트(29)의 회전 속도보다 낮은 한, 두 샤프트(43, 29)는 개재되어 있는 오버러닝 클러치(51)에 의해 비틀림 연결 해제되어 있다. 로터 샤프트(43)가 출력 샤프트(29)의 회전 속도에 도달하면, 오버러닝 클러치(51)가 자동적으로 맞물리고, 유압 동력 회수 터빈에 의해 발생된 기계 동력이 로터 샤프트(43)에서부터 오버러닝 클러치(51), 출력 샤프트(29) 및 축 이음(31)을 거쳐 전기 모터 샤프트(15)에 전달되며, 그 결과 피구동 회전 장비(5)를 회전시키기 위해 전기 모터(11)에 의해 흡수되는 전력이 감소되고 시스템(1)의 전체 효율이 증대된다.
도 2의 배치 구성에서, 유압 동력 회수 터빈(23)은 주 구동부, 예컨대 전기 모터(11)에 연결되어 있다. 도시되어 있지 않은 다른 실시형태들에서, 유압 동력 회수 터빈은 피구동 회전 장비(5), 예컨대 원심 펌프에 직접 연결될 수 있다. 이러한 경우에, 유압 동력 회수 터빈(23)은 피구동 회전 장비와 동일한 회전 속도로 회전할 때 피구동 회전 장비(5)에 동력을 제공할 것이다.
또 다른 실시형태들에서, 주 구동부는 생략될 수 있고, 이 경우에는 유체 유동으로부터의 동력이 이용 가능한 경우에, 피구동 회전 장비가 전적으로 유압 동력 회수 터빈에 의해 회전 구동될 것이다.
이제 유체가 유압 동력 회수 터빈을 통과하는 경우, 또는 불충분한 유동이 이용 가능한 경우, 유압 동력 회수 터빈(23)은 필요한 회전 속도에 도달할 수 없게 되고, 오버러닝 클러치(51)는 맞물리지 않으며, 피구동 회전 장비(5)는 전적으로 전기 모터(11)에 의해 동력을 공급받는다. 유압 동력 회수 터빈(23)이 운전 중이 아닌 경우에, 주 구동부(15)에 연결된 출력 샤프트(29)가 운전 속도인 동안에, 로터 샤프트(43)는 변동이 없다. 오버러닝 클러치(51)는 맞물림 해제되고, 오버러닝 클러치(51)의 외륜(51A)과 내륜(51B) 사이의 속도차가 두 베어링(61, 63)에 의해 지속된다.
본원에 앞서 개시되어 있는 유압 동력 회수 터빈(23)은 또한 다른 형태로, 예컨대 발전기 또는 다른 보조 기계 혹은 회전 장비를 구동시키는 데 사용될 수 있다. 구동-단부 베어링 하우징에 클러치를 배치 구성한 것은, 기계류의 배치 구성의 전체 풋프린트에 긍정적인 영향을 줄 수 있다.
본원에 기술된 대상의 상기 개시된 실시형태가 도면에 도시되어 있고 몇몇 예시적인 실시형태와 관련하여 구체적이고도 상세하게 앞서 충분히 기술되어 있지만, 본원에 제시된 신규한 교시, 원리 및 개념과, 첨부된 청구범위에 나열된 대상의 이점으로부터 실질적으로 벗어나지 않고서, 다수의 수정, 변경 및 생략이 실시될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 이러한 이유로, 개시된 획기적인 사상의 적정 범위는, 상기한 수정, 변경 및 생략을 모두 망라하도록, 첨부된 청구범위를 가장 넓게 해석하는 것을 통해서만 결정되어야 한다. 또한, 임의의 프로세스 또는 방법의 단계의 순서 또는 차례는 변형예에 따라 변경 또는 재배열될 수 있다.

Claims (21)

  1. 유압 동력 회수 터빈으로서,
    케이싱;
    상기 케이싱 내에서 회전하도록 배치되어 있는 로터로서, 로터 샤프트와 상기 로터 샤프트에 장착된 적어도 하나의 임펠러를 포함하는 로터;
    장착 플랜지를 포함하는 적어도 하나의 구동-단부 베어링 하우징으로서, 상기 장착 플랜지는 상기 구동-단부 베어링 하우징을 상기 케이싱에 연결하기 위한 것인, 적어도 하나의 구동-단부 베어링 하우징;
    상기 로터 샤프트를 회전 지지하며 상기 구동-단부 베어링 하우징에 배치되어 있는 적어도 하나의 구동-단부 베어링
    을 포함하고,
    상기 구동-단부 베어링 하우징에는, 클러치와, 샤프트 허브 내에 장착되는 적어도 한 쌍의 베어링을 가지는 샤프트 허브가 배치되어 있으며;
    상기 클러치는 구동-단부 베어링 하우징으로부터 연장되어 있는 유압 동력 회수 터빈의 출력 샤프트에 상기 로터 샤프트를 연결하는 것인 유압 동력 회수 터빈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 클러치는 오버러닝 클러치인 것인 유압 동력 회수 터빈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 클러치와 상기 구동-단부 베어링을 윤활하는 단일 윤활 시스템을 더 포함하는 유압 동력 회수 터빈.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 클러치는 내륜과 외륜을 포함하는 것인 유압 동력 회수 터빈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 내륜 및 외륜 중 어느 하나는 로터 샤프트에 대해 비틀림 구속되어 있고, 상기 내륜 및 외륜 중 다른 하나는 상기 출력 샤프트에 연결되어 있는 것인 유압 동력 회수 터빈.
  6. 제4항에 있어서, 클러치의 내륜이 출력 샤프트에 비틀림 연결되어 있고 클러치의 외륜이 로터 샤프트에 비틀림 연결되어 있거나, 혹은 그 반대인 것인 유압 동력 회수 터빈.
  7. 제4항에 있어서, 상기 내륜과 상기 외륜은 상기 적어도 한 쌍의 베어링에 의해 축방향으로 정렬되는 것인 유압 동력 회수 터빈.
  8. 제7항에 있어서, 상기 베어링은 구름 베어링인 것인 유압 동력 회수 터빈.
  9. 제7항에 있어서, 상기 샤프트 허브는 클러치의 외륜을 상기 로터 샤프트와 상기 출력 샤프트 중의 어느 하나에 대해 비틀림 구속하게 하는 것인 유압 동력 회수 터빈.
  10. 제9항에 있어서, 상기 베어링은 구름 베어링이고, 각 구름 베어링이 각각의 외측 베어링 레이스와 각각의 내측 베어링 레이스를 구비하고; 외측 베어링 레이스는 샤프트 허브에 장착되며, 내측 베어링 레이스는 상기 로터 샤프트와 출력 샤프트 중의 다른 하나에 장착되는 것인 유압 동력 회수 터빈.
  11. 제9항에 있어서, 클러치는 두 베어링의 사이에 배치되는 것인 유압 동력 회수 터빈.
  12. 제9항에 있어서, 상기 샤프트 허브는 상기 베어링들 중의 제1의 베어링을 수용하는 컵 형상의 플랜지와, 상기 베어링들 중의 제2의 베어링을 수용하며 컵 형상의 플랜지에 대해 구속되어 있는 고정 링을 포함하고, 클러치의 외륜은 컵 형상의 플랜지와 고정 링의 사이에 구속되는 것인 유압 동력 회수 터빈.
  13. 제12항에 있어서, 컵 형상의 플랜지는 유압 동력 회수 터빈의 로터 샤프트에 대해 비틀림 구속되는 것인 유압 동력 회수 터빈.
  14. 제4항에 있어서, 클러치의 외륜이 로터 샤프트에 대해 비틀림 구속되어 있고, 클러치의 내륜이 출력 샤프트에 대해 비틀림 구속되어 있는 것인 유압 동력 회수 터빈.
  15. 회전 장비 구동 장치로서,
    회전 장비와,
    상기 회전 장비를 구동하기 위한 동력을 제공하도록 배치되어 있는 제1항 또는 제2항에 따른 유압 동력 회수 터빈
    을 포함하는 회전 장비 구동 장치.
  16. 제15항에 있어서, 회전 장비에 구동 연결되는 주 구동부를 더 포함하고, 유압 동력 회수 터빈은 상기 회전 장비를 구동하기 위한 보충 동력을 제공하며, 이에 따라 주 구동부로부터 요구되는 동력이 감소되는 것인 회전 장비 구동 장치.
  17. 제16항에 있어서, 주 구동부는 전기 모터를 포함하는 것인 회전 장비 구동 장치.
  18. 제16항에 있어서, 주 구동부와 회전 장비 사이에 배치된 기어박스를 더 포함하는 회전 장비 구동 장치.
  19. 제16항에 있어서, 상기 주 구동부는, 상기 회전 장비에 구동 연결된 제1 단부와, 유압 동력 회수 터빈의 클러치를 통해 유압 동력 회수 터빈에 구동 연결 가능한 제2 단부를 갖는 구동부 샤프트를 포함하는 것인 회전 장비 구동 장치.
  20. 제19항에 있어서, 구동부 샤프트의 제1 단부를 회전 장비에 연결하는 적어도 하나의 제1 축 이음과, 유압 동력 회수 터빈의 출력 샤프트를 구동부 샤프트의 제2 단부에 연결하는 제2 축 이음을 더 포함하는 회전 장비 구동 장치.
  21. 제15항에 있어서, 회전 장비는 펌프인 것인 회전 장비 구동 장치.
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