KR102249668B1 - 자가 세정 페이스 시일을 사용하여 회전 기계를 밀봉하기 위한 장치 및 시스템 - Google Patents

Abstract

회전 기계와 함께 사용하기 위한 자가 세정 유체역학적 페이스 시일이 제공된다. 유체역학적 페이스 시일은 반경 방향으로 연장되는 밀봉면을 포함하는 시일 링을 포함한다. 또한, 유체역학적 페이스 시일은 상기 시일 링에 결합되는 적어도 하나의 브러쉬를 포함한다. 적어도 하나의 브러쉬는 상기 페이스 시일 링의 반경 방향으로 연장되는 밀봉면으로부터 멀어지게 연장되는 복수의 가요성 요소를 포함한다.

Description

자가 세정 페이스 시일을 사용하여 회전 기계를 밀봉하기 위한 장치 및 시스템{APPARATUS AND SYSTEMS FOR SEALING A ROTARY MACHINE USING A SELF-CLEANING FACE SEAL}

본 출원은 개괄적으로 회전 기계에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 회전 기계를 밀봉하기 위한 장치 및 시스템에 관한 것이다.

증기 터빈 엔진과 같은 적어도 일부 회전 기계에는 회전 기계를 관통하여 연장되는 유체 유로가 획정되어 있다. 이러한 유로는, 직렬 유동 관계에 있는, 유체 유입구, 터빈, 그리고 유체 배출구를 포함한다. 공정 유체는 시스템 내부에서 파편 또는 고형체 입자를 함유할 수도 있다. 이러한 파편 또는 고형체 입자는 회전 기계의 내부 구성 요소 및 시일(seal) 상에 퇴적될 수도 있으며, 터빈 엔진 성능에 영향을 미칠 수도 있다.

일부 회전 기계는 회전 기계의 작동 효율 증가를 촉진하기 위하여 유로 내에 복수의 밀봉 조립체 및 단부 패킹 영역을 사용한다. 일반적으로, 공지된 시일 조립체는, 고압 영역 및 저압 영역 사이에 밀봉을 제공하기 위해, 고정 구성 요소와 회전 구성 요소의 사이에 결합된다. 공지된 다수의 밀봉 조립체는 브러쉬 시일, 래비린스(labyrinth) 톱니, 그리고 유체역학적 페이스 시일과 같은 가요성 부재들을 포함한다.

공지된 일부 회전 기계에서는, 유체역학적 페이스 시일이, 두 개의 구성 요소 사이의 간극을 통한 가압 공정 유체의 누출 감소를 촉진하기 위해, 사용될 수도 있다. 유체역학적 페이스 시일은 일반적으로, 짝을 이루는 (회전) 링과 (고정) 시일 링을 포함한다. 일반적으로, 짝을 이루는 링의 표면 상에는 깊이가 얕은 유체역학적 홈이 성형 또는 식각 가공된다. 작동 도중에, 회전 링의 유체역학적 홈에서 고정 링이 회전 링으로부터 들어 올려지거나 분리되도록 하는 유체역학적 힘이 발생함으로써, 두 개의 링의 사이에 작은 간극이 생성된다. 밀봉 가스가 회전 링과 고정 링의 사이의 이러한 간극을 통해 유동한다. 크기가 큰 파편은 이러한 짝을 이루는 링과 시일 링의 사이의 작은 간극에 들어가지 못할 수도 있다; 그러나, 공정 유체 중의 미세한 고형체 입자와 오염 물질은 이러한 간극에 들어갈 수도 있으며 회전 링 및/또는 고정 링의 유체역학적 홈에 포획될 수도 있다.

가스 터빈 엔진과 같은 일부 공지된 회전 기계에서는, 페이스 시일의 유지 관리가 비교적 간단할 수도 있다. 가스 터빈 엔진 내부의 적어도 일부 공지된 페이스 시일은 회전 샤프트로부터 용이하게 분해되어 축적 파편의 세정이 이루어질 수도 있다. 그러나, 증기 터빈 엔진과 같은 일부 공지된 회전 기계에서는, 페이스 시일의 유지 관리가 도전 과제일 수도 있다. 적어도 일부 공지된 증기 터빈 엔진의 경우 몇 년의 기간 동안 계속 작동될 수도 있어, 페이스 시일의 링의 홈에서의 파편 및 오염 물질의 과도한 축적이 발생하기 쉽다. 부가적으로, 적어도 일부 공지된 증기 터빈 엔진은, 20 inch를 초과하는 직경의 회전 가능한 샤프트를 포함하는, 극단적으로 큰 크기이다. 그러한 크기가 큰 내부 구성 요소는, 그러한 공지된 증기 터빈 엔진의 시일의 유지 관리에 대한 복잡성을 부가한다.

일본 공개특허공보 특개소57-022462호 (1982년 2월 5일 공개)

본 발명의 목적은 회전 기계를 밀봉하기 위한 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.

일 양태에 따르면, 회전 기계와 함께 사용하기 위한 유체역학적 페이스 시일이 제공된다. 유체역학적 페이스 시일은, 반경 방향으로 연장되는 밀봉면을 구비하는 시일 링을 포함한다. 또한, 유체역학적 페이스 시일은, 상기 시일 링에 결합되는 적어도 하나의 브러쉬를 포함한다. 상기 적어도 하나의 브러쉬는, 상기 페이스 시일 링의 반경 방향으로 연장되는 밀봉면으로부터 멀어지게 연장되는 복수의 가요성 요소를 포함한다.

다른 양태에 따르면, 회전 기계가 제공된다. 회전 기계는 케이싱 그리고 중심선 축선을 획정하는 회전 가능한 샤프트를 포함한다. 회전 기계는 또한, 제1 일차 밀봉면이 마련된 제1 시일 링을 구비한 밀봉 시스템을 포함한다. 상기 제1 시일 링은 회전 가능한 샤프트에 결합된다. 밀봉 시스템은 또한, 제2 일차 밀봉면을 구비한 제2 시일 링을 포함한다. 또한, 밀봉 시스템은, 상기 제1 시일 링과 상기 제2 시일 링 중 적어도 하나에 결합되는 적어도 하나의 브러쉬를 포함한다. 상기 적어도 하나의 브러쉬는 복수의 가요성 요소를 포함한다. 또한, 밀봉 시스템은 상기 제2 시일 링에 결합되어 제2 시일 링과 함께 이동 가능한 결합 디바이스를 포함한다.

또 다른 양태에 따르면, 밀봉 시스템을 조립하는 방법이 제공된다. 방법은 결합 디바이스를 회전 기계의 케이싱의 내표면에 결합하는 것을 포함한다. 방법은 또한, 제1 일차 밀봉면을 구비한 제1 시일 링을 상기 회전 기계의 회전 가능한 샤프트에 결합하는 것을 포함한다. 방법은 또한, 제2 일차 밀봉면을 구비한 제2 시일 링을 상기 제1 시일 링에 동심적으로 해제 가능하게 결합하는 것을 포함한다. 또한, 방법은 상기 제1 시일 링과 제2 시일 링 중 적어도 하나에 적어도 하나의 브러쉬를 결합하는 것을 포함한다. 상기 적어도 하나의 브러쉬는 복수의 가요성 요소를 포함한다.

본 발명에 따르면, 증기와 같은 공정 유체에 의해 구성 요소에 퇴적되는 파편 및 오염 물질과 같은 이물질을 지속적으로 제거하여 회전 기계로부터의 누출 유체로 인한 기계 성능 저하를 방지하며 유체 누출 자체를 감소시키는 효과가 있다.

도 1은 예시적인 증기 터빈 엔진의 개략도이며;
도 2는 도 1에 획정된 영역을 중심으로 취한 도 1의 증기 터빈 엔진의 일부를 더 상세히 도시한 개략도이고;
도 3은 도 1에 도시된 증기 터빈 엔진과 함께 사용되는 자가 세정 유체역학적 페이스 시일의 개략적인 단면도이며;
도 4는 도 3에 획정된 영역을 중심으로 취한 페이스 시일의 일부를 더 상세히 도시한 개략도이고;
도 5는 도 3의 페이스 시일의 고정 시일 링의 정면도이며;
도 6은 도 1에 도시된 증기 터빈 엔진과 함께 사용하기 위한 변형예의 예시적인 자가 세정 유체역학적 페이스 시일의 개략적인 단면도이다.

본 명세서에서 설명되고 있는 예시적인 장치 및 시스템은 회전 기계로부터 외부 환경으로의 공정 유체 누출을 동반하여 작동할 수도 있는 회전 기계와 연관된 단점 중 적어도 일부를 극복한다. 본 명세서에서 설명되고 있는 실시예는 회전 기계로부터의 공정 유체 누출을 실질적으로 감소시켜 회전 기계 성능 개선을 촉진하는 자가 세정 밀봉 조립체를 제공한다. 보다 구체적으로는, 본 명세서에서 설명되고 있는 밀봉 조립체는 자가 세정 유체역학적 페이스 시일로서, 시일 링 표면들 사이에 배치되며 증기 터빈 엔진에 사용되는 증기와 같은 공정 유체에 의해 유체역학적 특징부들 내에 퇴적되는 파편 및 오염 물질과 같은 이물질을 지속적으로 제거하는 복수의 브러쉬를 포함한다.

도 1은 예시적인 증기 터빈 엔진(10)의 개략도이다. 도 1에 예시적인 증기 터빈 엔진이 설명되고 있긴 하지만, 본 명세서에서 설명되고 있는 밀봉 장치 및 시스템이 어느 한 특정 유형의 터빈 엔진으로만 제한되는 것은 아님에 주목하여야 한다. 당업자라면 본 명세서에서 설명되고 있는 현재 기술의 밀봉 장치 및 시스템이 본 명세서에 추가로 설명되고 있는 바와 같은 이러한 장치 및 시스템의 작동을 가능하게 하는 어느 적당한 구성의 가스 터빈 엔진을 포함하는 회전 기계와 사용될 수도 있음을 알 수 있을 것이다.

예시적인 실시예에서, 증기 터빈 엔진(10)은 단일 유동 증기 터빈 엔진이다. 변형예로서, 증기 터빈 엔진(10)은, 이로만 제한되는 것은 아니지만, 저압 터빈, 대향 유동의 고압 증기 터빈과 중압 증기 터빈의 조합체, 이중 유동 증기 터빈 엔진, 및/또는 그외 다른 터빈과 같은 소정 유형의 증기 터빈일 수도 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 본 발명은 단지 증기 터빈 엔진에 사용되는 것으로만 제한되는 것은 아니며, 가스 터빈 엔진과 같은 그외 다른 터빈 시스템에 사용될 수 있다.

예시적인 실시예에서, 증기 터빈 엔진(10)은 회전 가능한 샤프트(14)에 결합되는 복수의 터빈 스테이지(12)를 포함한다. 케이싱(16)은 상부 절반부(18)와 하부 절반부(도시하지 않음)로 분할된다. 이러한 터빈 엔진(10)은 고압 증기 유입 도관(20)과 저압 증기 배출 도관(22)을 포함한다. 샤프트(14)는 중심선 축선(24)을 따라 케이싱(16)을 관통하여 연장된다. 샤프트(14)는 저널 베어링(도시하지 않음)에 의해 샤프트(14)의 양 단부 부분(30)이 지지되어 있다. 복수의 단부 패킹 영역이나 밀봉 부재(32, 34, 36)가, 샤프트(14)를 중심으로 한 케이싱(16)의 밀봉을 촉진하도록, 회전 가능한 샤프트 단부 부분(30)과 케이싱(16)의 사이에 결합된다.

작동 도중에, 고압 고온 증기(40)가 보일러 등(도시하지 않음)과 같은 증기 공급원으로부터 터빈 스테이지(12)로 채널 유동하며, 터빈 스테이지(12)에 의해 열 에너지가 기계적 회전 에너지로 전환된다. 보다 구체적으로는, 증기(40)는 케이싱(16)을 관통하여 증기 유입 도관(20)을 통해 유입 보울(bowl)(26)의 내부로 채널 유동하여, 유입 보울에서 샤프트(14)에 결합된 복수의 터빈 블레이드 또는 버킷(38)에 충격을 가하여 중심선 축선(24)을 중심으로 한 샤프트(14)의 회전을 야기한다. 증기(40)는 증기 배출 도관(22)에서 케이싱(16)으로부터 배출된다. 증기(40)는 이후, 재가열 보일러(도시하지 않음)로 채널 유동하여 보일러에서 재가열될 수도 있으며, 또는 시스템의 그외 다른 구성 요소, 예를 들어, 저압 터빈 섹션이나 응축기(도시하지 않음)로 채널 유동할 수도 있다.

도 2는 도 1에 획정된 영역(2)을 중심으로 취한 증기 터빈 엔진(10) 일부를 더 상세히 도시한 개략도이다. 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 증기 터빈 엔진(10)은 샤프트(14), 케이싱(16)의 내부 쉘(shell)(44)에 결합된 고정자 구성 요소(42), 그리고 고정자 구성 요소(42)에 부착된 복수의 밀봉 부재(34)를 포함한다. 케이싱(16), 내부 쉘(44), 그리고 고정자 구성 요소(42)는 각각, 샤프트(14)와 밀봉 부재(34)를 중심으로 원주 방향으로 연장된다. 예시적인 실시예에서, 밀봉 부재(34)는 고정자 구성 요소(42)와 샤프트(14)의 사이의 구불구불한 밀봉 경로를 형성한다. 샤프트(14)는 복수의 터빈 스테이지(12)를 포함하며, 이들 터빈 스테이지를 통과하여 고압 고온 증기(40)가 증기 터빈 엔진(10)의 유입측(11)에서 하나 이상의 유입 보울(26)을 통과한다. 터빈 스테이지(12)는 복수의 유입 노즐(48)을 포함한다. 증기 터빈 엔진(10)은 본 명세서에서 설명되고 있는 바와 같은 증기 터빈 엔진(1)의 작동을 가능하게 하는 소정 개수의 유입 노즐(48)을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 증기 터빈 엔진(10)은 도 2에 도시된 개수보다 많거나 적은 개수의 유입 노즐(48)을 포함할 수도 있다. 터빈 스테이지(12)는 또한, 복수의 터빈 블레이드 또는 버킷(38)을 포함한다. 증기 터빈 엔진(10)은 본 명세서에서 설명되고 있는 바와 같은 증기 터빈 엔진(1)의 작동을 가능하게 하는 소정 개수의 버킷(38)을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 증기 터빈 엔진(10)은 도 2 에 도시된 개수보다 많거나 적은 개수의 버킷(38)을 포함할 수도 있다. 증기(40)는 증기 유입 도관(20)을 통해 유입 보울(26)에 들어간 다음 터빈 스테이지(12)를 통하여 샤프트(14)의 길이를 따라 하방으로 통과한다.

이러한 방식으로 도입된 고압 고온 증기(40) 중 일부는 누출 영역(50)을 통해 단부 패킹 밀봉 부재(34)를 통과한다. 누출 영역(50)을 통과하는 증기(40)의 손실로 인해 증기 터빈 엔진(10)의 효율 손실이 초래한다. 전술한 바와 같이, 단부 패킹 영역(32)을 통한 증기(40)의 누출을 감소시키기 위하여, 예시적인 실시예에서, 증기 터빈 엔진(10)은 전체적으로 도면 부호 52로 지시된 독특한 자가 세정 유체역학적 페이스 시일을 포함한다.

도 3은 (도 1에 도시된) 증기 터빈 엔진(10)과 사용될 수도 있는 자가 세정 유체역학적 페이스 시일(52)의 개략적인 단면도이다. 예시적인 실시예에서, 페이스 시일(52)은 상대적으로 고압의 영역과 상대적으로 저압의 영역 사이에서의 가압 공정 유체, 예를 들어, 증기(40)의 누출 감소 또는 방지를 촉진한다. 그러나, 페이스 시일(52)의 내부에 퇴적된 오염 물질 또는 파편과 같은 이물질이 페이스 시일(52)의 작동 효율 감소를 야기한다.

예시적인 실시예에서, 페이스 시일(52)은 터빈 스테이지(12)의 유입측 상의 샤프트(14)와 케이싱(16)의 내부 쉘(44)의 사이에 배치되는 고압 시일이다. 전술한 바와 같이, 증기 터빈 엔진(10)이 예시되고 있긴 하지만, 페이스 시일(52)은 자가 조절 방식의 시일이 바람직하거나 필요한 용례에 사용될 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 페이스 시일(52)은 샤프트(14)의 중심선 축선(24)을 중심으로 동심적으로 연장되는 회전 시일 링(54), 고정 시일 링(56), 그리고 시일 하우징(58)을 포함한다. 회전 시일 링(54)과 고정 시일 링(56)이 함께 일차 시일(55)을 형성한다.

예시적인 실시예에서, 회전 시일 링(54)은 샤프트(14)에 결합되어 있으며 샤프트와 회전 가능하다. 변형예로서, 회전 시일 링(54)이 샤프트(14)의 일체형 부품으로서 형성될 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 회전 시일 링(54)은 일반적으로 디스크 형상이며, 축 방향을 향하고 있는 제1 일차 밀봉면(60)을 포함하고, 이 제1 일차 밀봉면에 채널 또는 홈(61)과 같은 유체역학적 특징부가 획정되어 있다. 채널 또는 홈(61)은 회전 시일 링(54)과 고정 시일 링(56)의 사이에서 공정 유체, 예를 들어, 증기(40)를 안내하여, 두께가 일반적으로 대략 0.002 inch 이하의 공정 유체 막 층을 형성한다. 변형예로서 또는 추가예로서, 채널 또는 홈(61)이 고정 시일 링 조립체(56)의 일차 밀봉면(74)에 형성될 수도 있다.

고정 시일 링(56)은 일반적으로 디스크 형상이며, 축 방향을 향하는, 제2 일차 밀봉면(74)을 획정하는 반경 방향으로 연장되는 표면을 갖는다. 제2 일차 밀봉면(74)은 제1 일차 밀봉면(60)과 짝을 이루는 대면 관계로 제1 시일 구성 요소(54)에 맞대어 배치된다. 제1 및 제2 일차 밀봉면(60, 74)은 유체, 예를 들어, 증기(40)용의 우회 유로 또는 구불구불한 유로를 형성한다.

예시적인 실시예에서, 고정 시일 링(56)은 부드러운 제2 일차 밀봉면(74)을 구비한다. 변형예로서, 제2 일차 밀봉면(74)은 내부에 획정되는 채널 또는 홈(75)과 같은 유체역학적 특징부를 포함할 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 편향 후방 링(72)이 시일 링(56)과 별개의 구성 요소로서 도시되어 있다. 변형예로서, 편향 후방 링(72)과 시일 링(56)은 단일 구성 요소로서 일체형으로 형성될 수도 있다. 이 내부에 이차 시일(82)이 배치된다. 고정 시일 링(56)은 시일 하우징(58)의 개개의 정렬 부재(66)와 정렬되며 정렬 부재에 미끄럼 이동 가능하게 결합되는 적어도 하나의 정렬 슬롯(68)을 포함한다. 정렬 슬롯(68)은 고정 시일 링(56)의 외부 가장자리를 중심으로 고정 시일 링(56)을 관통하여 형성된다. 변형예로서, 고정 시일 링(56)은 고정 시일 링(56)의 외부 가장자리를 중심으로 반경 방향으로 이격 배치되는 소정 개수의 정렬 슬롯(68)을 포함할 수도 있다. 텅-인-슬롯(tongue-in-slot) 결합은 제2 일차 밀봉 링(56)이 제1 일차 회전 링(54)과 회전하는 것을 방지하기 위한 회전 방지 특징부로서 작용한다.

시일 하우징(58)은 케이싱(16)의 내부 쉘(44)과 고정 시일 링(56)을 결합하도록 구성된다. 시일 하우징(58)은 비회전형의 축 방향으로 연장되는 구성 요소로서, 반경 방향을 향하는 이차 밀봉면(80)을 포함한다. 시일 하우징(58)은 또한, 하나 이상의 스프링 안착부(64)를 포함한다. 시일 하우징(58)은 고정 시일 링(56)의 정렬 슬롯(68)에 결합되는 반경 방향 내측으로 연장되는 정렬 부재(66)를 포함한다. 고정 시일 링(56)은 중심선 축선(24)을 따라 축 방향으로 이동 가능하며 측방향 이동 또는 회전이 불가능하도록 시일 하우징(58)에 결합된다. 실시예에 따라, 시일 하우징(58)은 케이싱(16)의 내부 쉘(44)과 일체형으로 형성될 수도 있다. 또한, 일부 변형예에 따라, 고정 시일 링(56)은 내부 쉘(44) 또는 고정자 구성 요소(42)에 직접 결합될 수도 있다.

스프링과 같은 하나 이상의 편향 구성 요소(70)가 고정 시일 링(56)의 반경 방향으로 연장되는 편향 링(72)과 스프링 안착부(64)의 사이에서 연장된다. 편향 구성 요소(70)는 고정 시일 링(56)을 제1 시일 구성 요소(54)로부터 멀어지게 편향시킨다. 대안적으로, 편향 구성 요소(70)는 고정 시일 링(56)을 제1 시일 구성 요소(54)를 향해 편향시키도록 구성될 수도 있다.

구조적 시일(76)이 시일 하우징(58)의 홈(78) 내에 배치된다. 예시적인 실시예에서, 구조적 시일(76)은 O-링이다. 변형예로서, 구조적 시일(76)은, 페이스 시일(52)이, 예를 들어, 본 명세서에서 설명되고 있는 바와 같은 C-시일, E-시일, 또는 브러쉬 시일로서 작동하도록 하는 유형의 시일일 수도 있다. 구조적 시일(76)은 내부 쉘(44)과 시일 하우징(58)의 사이에서의 공정 유체의 누출을 방지한다. 이차 시일(82)이 편향 링(72)에 형성된 노치 또는 홈(83)에 배치되며 이차 밀봉면(80)에 맞물리거나 미끄럼 이동한다. 예시적인 실시예에서, 이차 시일(82)은 O-링이다. 변형예로서, 이차 시일(82)은 페이스 시일(52)이, 예를 들어, 본 명세서에서 설명되고 있는 바와 같은 C-시일, E-시일, 또는 브러쉬 시일로서 작동하도록 하는 유형의 시일일 수도 있다. 이차 시일(82)은 제2 일차 링(56) 및/또는 편향 링(72)과 시일 하우징(58)의 사이에서의 공정 유체의 누출을 방지하도록 편향 링(72)에 맞대어 밀봉 작용을 제공한다.

도 4는 도 3에 도시된 영역(4)을 중심으로 취한 페이스 시일(52)의 일부를 더 상세히 도시한 개략도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 예시적인 실시예에서, 회전 시일 링(54)은 브러쉬(84)를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 브러쉬(84)는 선형으로, 즉, 실질적으로 직선 형태로 형성된다. 변형예로서, 브러쉬(84)는 브러쉬(84)가 본 명세서에서 설명되고 있는 바와 같이 작동하도록 하는 구성으로 형성될 수도 있다. 변형예로서, 고정 시일 링(56)은 브러쉬(84)를 포함할 수도 있으며, 또는 회전 시일 링(54)과 고정 시일 링(56)이 모두 브러쉬(84)를 포함할 수도 있다. 브러쉬(84)는 유지 디바이스(88)에 결합된 복수의 가요성 요소(86)를 포함한다. 용어 "가요성 요소(flexible element)"는 요소를 파단시키지 않고 굽혀질 수 있는 요소를 지칭할 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 실시예에 따라, 복수의 가요성 요소(86)는 브리슬(bristle)을 포함하며, 금속성 또는 비금속성 브리슬을 포함할 수도 있고, 또는 금속성 브리슬과 비금속성 브리슬의 조합체를 포함할 수도 있다. 실시예에 따라, 가요성 요소(86)는 금속 합금, 예를 들어, HAYNES 25®와 같은 코발트 합금을 포함할 수도 있다. 가요성 브리슬은 길이, 단면 관성 모멘트, 그리고 재료 탄성 계수에 의해 정의되는 반경 방향 강성을 갖는 외팔보형 빔이다.

예시적인 실시예에서, 브러쉬(84)는 회전 시일 링(54)의 제1 일차 밀봉면(60)에 배치된다. 브러쉬(84)는 고정 시일 링(56)의 제2 일차 밀봉면(74)의 홈(61)으로부터 이물질을 제거한다. 변형예로서, 브러쉬(84)는 고정 시일 링(56)의 제2 일차 밀봉면(74)에 배치될 수도 있으며, 밀봉 링(54)의 제1 일차 밀봉면(60)의 홈(61)으로부터 이물질을 제거할 수도 있다.

각각의 가요성 요소(86)는 유지 디바이스(88)에 결합되는 제1 단부(90) 그리고 제2 일차 밀봉면(74)에 인접하여 배치되는 제2 단부(92)를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 가요성 요소(86)의 제2 단부(92)는 제2 일차 밀봉면(74)과 접촉한다. 가요성 요소(86)는 비제한 제2 단부(92)의 비교적 큰 운동을 허용하며, 이것은 다시 가요성 요소(86)가 홈(61)으로부터 파편 및 오염 물질과 같은 이물질을 세정할 수 있도록 한다. 각각의 가요성 요소(86)의 제1 단부(90)는 유지 디바이스(88)에 결합되며, 제2 단부(92)는 유지 디바이스(88)로부터 제2 일차 밀봉면(74)을 향해 돌출된다. 유지 디바이스(88)는 회전 시일 링(54)에 결합된다. 실시예에 따라, 유지 디바이스(88)는 용접 연결부를 포함할 수도 있다. 그외 다른 실시예에 따라, 유지 디바이스(88)는 유지 디바이스(88)가 본 명세서에서 설명되고 있는 바와 같이 작동할 수 있도록 하는, 에폭시 연결부와 같은 소정 연결 방법을 포함할 수도 있다.

도 5는 도 3의 페이스 시일(52)의 고정 시일 링(56)의 정면도이다. 예시적인 실시예에서, 고정 시일 링(56)은 4개의 브러쉬(84)를 포함하며, 각각의 브러쉬는 실질적으로 선형이다. 각각의 브러쉬는 인접한 브러쉬(84)로부터 실질적으로 동일한 간격으로 이격 배치된다. 예를 들어, 예시적인 실시예에서, 개개의 브러쉬(84)는 12시 방향, 3시 방향, 6시 방향 그리고 9시 방향 위치에 배치된다. 변형예로서, 고정 시일 링(56)은 자가 세정 페이스 시일(52)이 본 명세서에서 설명되고 있는 바와 같이 작동할 수 있도록 하는 소정 개수의 브러쉬(84)를 포함할 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 브러쉬(84)는 고정 시일 링(56)의 중심 축선으로부터 연장되는 반경 방향 라인을 따라 배치된다. 변형예로서, 브러쉬(84)는 개개의 반경 방향 라인에 대하여 경사지게 형성될 수도 있다. 선형 브러쉬(84)는, 공정 유체의 누출 방지를 촉진하기 위하여, 내측 밀봉을 위해 내경부(ID)를 밀봉하도록 연장되기 전에 종결되거나, 외측 밀봉을 위해 외경부(OD)를 밀봉하도록 연장되기 전에 종결되는 것이 바람직하다.

도 6은 도 1에 도시된 증기 터빈 엔진(10)과 함께 사용하기 위한 변형예의 예시적인 자가 세정 유체역학적 페이스 시일(52)의 개략적인 단면도이다. 동일한 기능을 전제로 도 3에 도시된 바와 동일한 개수의 요소가 마련된다. 예시적인 실시예에서, 페이스 시일(52)은 샤프트(14)의 중심선 축선(24)과 동심적으로 연장되는 회전 시일 링(54), 고정 시일 링(56) 그리고 시일 하우징(58)을 포함한다. 회전 시일 링(54)과 고정 시일 링(56)은 함께 일차 시일(55)을 형성한다.

예시적인 실시예에서, 회전 시일 링(54)이 샤프트(14)와 일체형으로 형성되며 함께 회전 가능하다. 변형예로서, 회전 시일 링(54)은 별개의 부품으로서 형성되어 샤프트(14)에 기계적으로 부착될 수도 있다. 회전 시일 링(54)은 일반적으로 디스크 형상이며, 적어도 하나의 브러쉬(84)가 마련되어 있는 축 방향을 향하는, 제1 일차 밀봉면(60)을 포함한다.

고정 시일 링(56)은 일반적으로 디스크 형상이며, 채널 또는 홈(61)이 내부에 형성되어 있는 축 방향을 향하는, 제2 일차 밀봉면(74)을 획정하는 반경 방향으로 연장되는 표면을 구비한다. 채널 또는 홈(61)은 회전 시일 링(54)과 고정 시일 링(56)의 사이에서 공정 유체, 예를 들어, 증기(40)를 안내하여, 두께가 일반적으로 대략 0.002 inch 이하의 공정 유체 막 층을 형성한다. 변형예로서 또는 추가예로서, 채널 또는 홈(61)이 회전 시일 링 일차 밀봉면에 형성될 수도 있다. 변형예로서, 고정 시일 링(56)을 관통하여 연장되는 오리피스(94)가 제1 일차 밀봉면(60)과 제2 일차 밀봉면(74)의 사이에 공정 유체, 예를 들어, 증기(40)를 공급하도록 사용될 수도 있다. 제2 일차 밀봉면(74)은 제1 일차 밀봉면(60)과 짝을 이루는 대면 관계로 제1 시일 구성 요소(54)에 맞대어 배치된다. 제1 및 제2 일차 밀봉면(60, 74)은 유체, 예를 들어, 증기(40)용의 우회 유로 또는 구불구불한 유로를 형성한다.

예시적인 실시예에서, 고정 시일 링(56)과 시일 하우징(58)의 사이에 이차 시일(82)이 배치된다. 이차 시일(82)은 고정 시일 링(56)과 시일 하우징(58)의 사이에서의 누출 방지를 촉진하며, 열 팽창/수축 또는 추력 반전으로 인해 고정 시일 링(56)이 샤프트(14)의 축 방향 병진 운동을 따라 축 방향으로 미끄럼 이동할 수 있도록 한다.

예시적인 실시예에서, 스프링과 같은 하나 이상의 편향 구성 요소(70)가 시일 하우징(58) 상의 스프링 안착부(64)의 사이에서 연장되며 고정 시일 링(56)에 부착된 로드(96) 상에 장착된다. 편향 구성 요소(70)는 고정 시일 링(56)을 회전 시일 링(54)으로부터 멀어지게 편향시킨다. 로드(96)는 또한, 고정 시일 링(56)의 회전을 방지하도록 작동한다. 변형예로서, 편향 구성 요소(70)는 고정 시일 링(56)을 회전 시일 링(54)을 향해 편향시키도록 구성될 수도 있다.

예시적인 실시예에서, 압력 무인가 부하 조건 또는 저압 인가 부하 조건에서, 편향 구성 요소(70)는 고정 시일 링(56)을 회전 시일 링(54)으로부터 멀어지게 편향시킨다. 이에 따라, 페이스 시일(52)은 개방 위치에 놓여 진다. 터빈 엔진(10)의 내부에 압력이 구축됨에 따라, 고정 시일 링(56)으로부터 연장되는 흡인 부재(98)와 회전 시일 링(54)의 외표면(100)이 협력하여 압력 강하를 발생시킴으로써, 회전 시일 링(54)을 향한 고정 시일 링(56)의 당김을 촉진하여, 부하 조건 하에서 시일이 형성되도록 한다. 이러한 흡인 구조는 밀봉 표면이 무부하 조건에서 분리될 수 있도록 함으로써 밀봉 표면의 접촉 마모를 방지하는 장점이 있다.

본 명세서에서 설명되고 있는 바와 같은 장치 및 시스템은 회전 기계 내부에서의 공정 유체 누출을 실질적으로 감소시키는 자가 세정 밀봉 조립체를 제공함으로써 회전 기계 성능 개선을 촉진하다. 구체적으로, 복수의 선형 브러쉬를 포함하는 자가 세정 유체역학적 페이스 시일이 설명된다. 선형 브러쉬는, 공정 유체가 시일 링들의 사이에 파편 및/또는 오염 물질을 퇴적시킴에 따라, 밀봉 능력을 유지할 수도 있는 페이스 시일과 같은 페이스 시일 링의 유체역학적 특징부의 세정 작용을 제공한다. 따라서, 자가 세정 특징부를 구비하지 않은 공지된 유체역학적 페이스 시일과 대조적으로, 본 명세서에서 설명되고 있는 바와 같은 장치 및 시스템은 직경이 더 큰 페이스 시일의 유지 관리 기간 감소를 가능하게 하며 회전 기계로부터의 공정 유체의 누출 감소를 가능하게 한다.

본 명세서에 설명되고 있는 바와 같은 방법 및 시스템이 본 명세서에서 설명되고 있는 특정 실시예로만 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 각각의 시스템의 구성 요소 및/또는 각각의 방법의 단계는 본 명세서에서 설명되고 있는 그외 다른 구성 요소 및/또는 단계와 독립적으로 그리고 별개로 사용 및/또는 실시될 수도 있다. 또한, 각각의 구성 요소 및/또는 단계가 또한, 그외 다른 조립체 및 방법과 사용 및/또는 실시될 수도 있다.

본 발명이 다양한 특정 실시예의 관점에서 설명되어 있긴 하지만, 당업자라면 본 발명이 특허청구범위의 정신 및 범위 내에서 수정이 이루어질 수 있음을 인지할 수 있을 것이다.

10: 증기 터빈 엔진 11: 유입측
12: 터빈 스테이지 14: 회전 가능한 샤프트
16: 케이싱 18: 상부 절반부
20: 증기 유입 도관 22: 증기 배출 도관
24: 중심선 축선 26: 유입 보울
30: 회전 가능한 샤프트 단부 부분 32, 34, 36: 복수의 밀봉 부재
38: 터빈 블레이트 또는 버킷 40: 증기
42: 고정자 구성 요소 44: 내부 쉘
48: 유입 노즐 50: 누출 영역
52: 자가 세정 유체역학적 페이스 시일 54: 회전 시일 링
55: 일차 시일 56: 고정 시일 링
58: 시일 하우징 60: 제1 일차 밀봉면
61: 유체역학적 특징부 또는 홈 64: 스프링 안착부
66: 정렬 부재 68: 정렬 슬롯
70: 편향 구성 요소 72: 편향 링
74: 제2 일차 밀봉면 75: 채널 또는 홈
76: 구조적 시일 78: 홈
80: 이차 밀봉면 82: 이차 시일
84: 선형 브러쉬 86: 가요성 요소
88: 유지 디바이스 90: 제1 단부
92: 제2 단부 94: 오리피스
96: 로드 98: 흡입 부재
100: 외표면

Claims (20)

1. 회전 기계와 함께 사용하기 위한 유체역학적 페이스 시일 링으로서,
   반경 방향으로 연장되는 밀봉면을 포함하는 시일 링; 및
   상기 시일 링에 결합되며, 상기 밀봉면으로부터 멀어지게 연장되는 복수의 가요성 요소를 포함하는 적어도 하나의 브러쉬
   를 포함하고,
   상기 적어도 하나의 브러쉬는 상기 시일 링에 결합되는 유지 디바이스를 포함하며, 상기 복수의 가요성 요소의 각각의 가요성 요소는 상기 유지 디바이스에 결합되는 제1 단부 및 상기 유지 디바이스로부터 연장되어 제2 시일 링에 접촉하는 제2 단부를 포함하고, 상기 제2 시일 링은 그 내부에 획정되어 있는 적어도 하나의 채널 또는 홈을 포함하는 것인, 유체역학적 페이스 시일 링.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 페이스 시일 링은 복수의 브러쉬를 포함하는 것인 유체역학적 페이스 시일 링.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 밀봉면은 부드러운 것인 유체역학적 페이스 시일 링.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 밀봉면은 내부에 획정되어 있는 적어도 하나의 채널 또는 홈을 구비하는 것인 유체역학적 페이스 시일 링.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 시일 링은 자체를 관통하여 형성되는 적어도 하나의 정렬 슬롯을 구비하며, 상기 적어도 하나의 정렬 슬롯은 시일 하우징의 개별적인 정렬 부재와 미끄럼 이동 가능하게 결합하도록 구성되는 것인 유체역학적 페이스 시일 링.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 복수의 가요성 요소는 브리슬들(bristles)을 포함하는 것인 유체역학적 페이스 시일 링.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 브리슬들은 금속 합금으로 제조되는 것인 유체역학적 페이스 시일 링.
8. 삭제
9. 제 1항에 있어서,
   상기 복수의 가요성 요소의 각각의 가요성 요소의 상기 제2 단부는, 상기 적어도 하나의 채널 또는 홈으로부터 이물질을 제거하기 위해 상기 제2 시일 링과 접촉하는 것인 유체역학적 페이스 시일 링.
10. 회전 기계로서,
    케이싱; 중심선 축선을 획정하는 회전 가능한 샤프트; 및 밀봉 시스템을 포함하며,
    상기 밀봉 시스템은,
    제1 일차 밀봉면을 포함하며 상기 회전 가능한 샤프트에 결합되는 제1 시일 링;
    제2 일차 밀봉면을 포함하는 제2 시일 링;
    상기 제1 시일 링과 상기 제2 시일 링 중 적어도 하나에 결합되며, 복수의 가요성 요소를 포함하는 적어도 하나의 브러쉬; 및
    상기 제2 시일 링에 결합되며 그리고 제2 시일 링과 함께 이동 가능한 시일 하우징을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 브러쉬는 상기 제1 시일 링 및 상기 제2 시일 링 중 하나의 시일 링에 결합되는 유지 디바이스를 포함하며, 상기 복수의 가요성 요소의 각각의 가요성 요소는 상기 유지 디바이스에 결합되는 제1 단부 및 상기 유지 디바이스로부터 연장되어 상기 제1 시일 링 및 상기 제2 시일 링 중 다른 하나의 시일 링에 접촉하는 제2 단부를 포함하고, 상기 다른 하나의 시일 링은 그 내부에 획정되어 있는 적어도 하나의 채널 또는 홈을 포함하는 것인, 회전 기계.
11. 삭제
12. 삭제
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14. 삭제
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