KR102283730B1

KR102283730B1 - 회전 기계 이차 밀봉 조립체 및 그 조립 방법

Info

Publication number: KR102283730B1
Application number: KR1020140153486A
Authority: KR
Inventors: 샤오큉 젱; 라훌 아닐 비드카르; 카리물라 샤익 샤; 아잠 미히르 탓테
Original assignee: 제네럴 일렉트릭 컴퍼니
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2021-08-03
Also published as: US9587501B2; KR20150054668A; CN104632290B; DE102014116299A1; US20150130142A1; JP2015094469A; JP6446240B2; CN104632290A; CH708850A2

Abstract

회전 축선을 포함하는 회전 기계와 함께 사용하기 위한 시일 링 조립체가, 이차 밀봉면을 포함하는 시일 하우징 및 상기 시일 하우징에 결합되는 이차 밀봉 조립체를 포함한다. 상기 이차 밀봉 조립체는, 상기 시일 하우징에 결합되며 그리고 상기 이차 밀봉면과 이차 시일을 형성하도록 구성되는, 시일 링을 포함한다. 상기 이차 밀봉 조립체는 또한, 상기 시일 링의 상류에 배치되는 적어도 하나의 보호 링을 포함한다. 상기 이차 밀봉 조립체는 상기 축선을 따라 편향되도록 구성되어, 상기 적어도 하나의 보호 링의 편향이, 편향 도중에 상기 시일 링이 그 위에서 이동하는, 상기 이차 밀봉면의 적어도 일부로부터의 파편의 제거를 촉진하도록 한다.

Description

회전 기계 이차 밀봉 조립체 및 그 조립 방법{A ROTARY MACHINE SECONDARY SEALING ASSEMBLY AND METHOD OF ASSEMBLING THE SAME}

본 출원은 개괄적으로 회전 기계에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 회전 기계를 밀봉하기 위한 이차 밀봉 조립체에 관한 것이다.

증기 터빈 엔진과 같은 적어도 일부 회전 기계는, 이들 회전 기계를 관통하여 연장되는 복수의 유체 유로가 획정되어 있다. 일차 유로가, 직렬 유동 관계에 있는, 유체 유입구, 터빈, 그리고 유체 배출구를 포함한다. 누출 유로가 공지된 일부 회전 기계에서 일차 유로의 상류에 존재한다. 공지된 적어도 일부 회전 기계에서, 유체는 미립자 파편을 포함하며 그리고 누출 유로 내로 누출되고, 따라서 기계의 효율을 저하시키며 기계의 내부로 유해한 오염 물질을 도입한다. 유체는, 회전 기계의 내부 구성 요소들 상에 퇴적되며 그리고 유로의 적어도 일부의 막힘을 야기할 수도 있는, 파편을 제거하기 위해 정밀하게 모니터되고 제어되어야 한다.

일부 회전 기계는 회전 기계의 작동 효율을 증가시키는 것을 용이하게 하기 위해 누출 유로 내부에 복수의 밀봉 조립체를 사용한다. 일반적으로, 공지된 회전 기계들은 누출 유로 내의 일차 시일(seal) 및 이차 시일을 포함한다. 일차 시일은, 고압 영역과 저압 영역 사이의 밀봉을 제공하기 위해, 고정 구성 요소와 회전 구성 요소의 사이에 결합된다. 이차 시일은 고정 구성 요소의 내부에 배치되며 그리고 일차 시일의 작동을 용이하게 하기 위해 축 방향으로 이동 가능하다. 회전 기계의 작동 도중에, 누출 유로 내부에 수용된 파편의 일부가 이차 시일 부근에 퇴적되며 그리고 회전 기계의 고정 구성 요소들 상에 축적된다. 이러한 파편의 축적은 이차 시일의 축 방향 이동을 방해하여, 일차 시일의 파손을 야기할 수도 있다. 일차 시일의 파손은 회전 기계의 작동 효율을 감소시킬 수 있을 것이다.

가스 터빈 엔진과 같은 공지된 일부 회전 기계에서, 누출 밀봉 조립체의 유지 관리가 비교적 간단할 수도 있다. 가스 터빈 엔진 내부의 적어도 일부 공지된 누출 밀봉 조립체는 회전 샤프트로부터 용이하게 분해되어 축적 파편의 세정이 이루어질 수 있다. 그러나, 증기 터빈 엔진과 같은 공지된 일부 회전 기계에서는, 이차 시일의 유지 관리가 도전 과제일 수도 있다. 적어도 일부 공지된 증기 터빈 엔진은 몇 년의 기간 동안 연속적으로 작동될 수 있으며, 따라서 이차 시일 부근의 고정 구성 요소 상에 파편 및 오염 물질의 과도한 축적이 발생하기 쉽다. 부가적으로, 적어도 일부 공지된 증기 터빈 엔진은, 20 inch 를 초과하는 직경을 갖는 회전 가능한 샤프트를 포함할 정도로, 극단적으로 크다. 그러한 크기가 큰 내부 구성 요소는, 그러한 공지된 증기 터빈 엔진의 시일의 유지 관리에 대한 복잡성을 부가한다.

미국 특허공보 US 3,239,232 (1966.3.8.)

본 발명의 목적은 회전 기계를 밀봉하기 위한 이차 밀봉 조립체를 제공하는 것이다.

일 양태에 따르면, 회전 축선을 포함하는 회전 기계와 함께 사용하기 위한 시일 링 조립체가 제공된다. 시일 링 조립체는, 이차 밀봉면을 포함하는 시일 하우징, 그리고 상기 시일 하우징에 결합되는 이차 밀봉 조립체를 포함한다. 상기 이차 밀봉 조립체는 상기 시일 하우징에 결합되는 시일 링을 포함하며, 시일 링은 상기 이차 밀봉면과 이차 시일을 형성하도록 구성된다. 상기 이차 밀봉 조립체는 또한, 상기 시일 링의 상류에 배치되는 적어도 하나의 보호 링을 포함한다. 상기 이차 밀봉 조립체는 상기 축선을 따라 편향되도록 구성되어, 상기 적어도 하나의 보호 링의 편향이, 편향 도중에 상기 시일 링이 그 위에서 이동하는, 상기 이차 밀봉면의 적어도 일부로부터의 파편의 제거를 촉진하도록 한다.

다른 양태에 따르면, 회전 축선을 포함하는 회전 기계와 함께 사용하기 위한 페이스 시일 조립체가 제공된다. 페이스 시일 조립체는, 회전 시일 링, 이차 밀봉면을 포함하는 시일 하우징, 및 상기 시일 하우징과 상기 회전 시일 링의 사이에 결합되는 고정 시일 링 조립체로서, 상기 회전 시일 링과 상기 고정 시일 링 조립체가 일차 시일을 형성하도록 하는 고정 시일 링 조립체를 포함한다. 상기 고정 시일 링 조립체는 이차 밀봉 조립체를 포함하고, 이차 밀봉 조립체는 상기 시일 하우징에 결합되는 이차 시일 링을 포함하며, 이차 시일 링은 상기 이차 밀봉면과 함께 이차 시일을 형성하도록 구성된다. 상기 이차 밀봉 조립체는 또한, 상기 시일 링의 상류에 배치되는 적어도 하나의 보호 링을 포함한다. 상기 이차 밀봉 조립체는 상기 축선을 따라 편향되도록 구성되어, 상기 적어도 하나의 보호 링의 편향이, 편향 도중에 상기 시일 링이 그 위에서 이동하는, 상기 이차 밀봉면의 적어도 일부로부터의 파편의 제거를 촉진하도록 한다.

또 다른 양태에 따르면, 회전 축선을 포함하는 회전 기계와 함께 사용하기 위한 시일 링 조립체를 조립하는 방법이 제공된다. 이러한 방법은, 이차 밀봉면을 포함하는 시일 하우징을 제공하는 것 및 상기 이차 밀봉면에 인접하도록 상기 시일 하우징에 이차 밀봉 조립체를 결합하는 것을 포함하며, 이차 밀봉 조립체는 시일 링 및 적어도 하나의 보호 링을 포함한다. 상기 시일 링은 상기 시일 하우징에 결합되어, 상기 시일 링과 상기 이차 밀봉면이 이차 시일을 형성하도록 한다. 상기 적어도 하나의 보호 링은 상기 시일 링의 상류에 결합되며, 상기 이차 밀봉 조립체는 상기 축선을 따라 편향되도록 구성되어, 상기 적어도 하나의 보호 링의 편향이, 편향 도중에 상기 시일 링이 그 위에서 이동하는, 상기 이차 밀봉면의 적어도 일부로부터의 파편의 제거를 촉진하도록 한다.

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 1의 박스(2)에 의해 획정된 영역을 중심으로 취한 도 1의 증기 터빈 엔진의 일부를 더 상세히 도시한 개략도이고;
도 3은 도 1에 도시된 증기 터빈 엔진과 함께 사용되는 유체역학적 페이스 시일의 개략적인 단면도이며;
도 4는 도 3의 박스(4)에 의해 획정된 영역을 중심으로 취한 도 3의 유체 역학적 페이스 시일과 함께 사용되는 이차 밀봉 조립체의 일부의 개략적인 단면도이다.

본 명세서에서 설명되고 있는 예시적인 조립체 및 방법은 회전 기계로부터 외부 환경으로의 누출 유체을 동반하면서 작동할 수도 있는 회전 기계와 연관된 단점 중 적어도 일부를 극복한다. 본 명세서에서 설명되고 있는 환경은 회전 기계 성능 개선을 가능하게 하는 회전 기계의 고정 구성 요소 내에 배치되는 이차 밀봉 조립체를 제공한다. 보다 구체적으로는, 본 명세서에서 설명되고 있는 이차 밀봉 조립체는, 회전 기계로부터의 유체 누출을 실질적으로 감소시키는 적어도 하나의 밀봉 링 및, 증기 터빈 엔진에 사용되는 증기와 같은 공정 유체에 의해 고정 구성 요소 내에 퇴적되는 파편 및 오염 물질과 같은 이물질을 지속적으로 제거하는, 상기 밀봉 링의 고압 측에 배치되는 적어도 하나의 보호 링을 포함하는, 자가 세정 방식의 밀봉 조립체이다.

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 수평 방향으로 상부 절반부(18)와 하부 절반부(도시하지 않음)로 분할된다. 증기 터빈 엔진(10)은 고압(HP) 증기 유입 도관(20)과 저압(LP) 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)은 이후, 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 1의 박스(2)에 의해 획정된 영역(2)을 중심으로 취한 도1 의 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: bucket)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 2에 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 유체 역학적 페이스 시일 조립체를 포함한다.

도 3은 (도 1에 도시된) 증기 터빈 엔진(10)과 사용될 수도 있는 유체 역학적 페이스 시일(face seal)(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. 페이스 시일(52)은 또한, 증기(40) 중에 포함된 오염 물질이나 파편과 같은 이물질의 축적을 감소시키는 역할을 한다. 이러한 이물질은 페이스 시일(52)의 표면에 퇴적되어 페이스 시일(52)의 작동 효율 감소를 야기할 수도 있다.

예시적인 실시예에서, 페이스 시일(52)은 터빈 스테이지(12)의 유입측(11) 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 조립체(56), 그리고 시일 하우징(58)을 포함한다. 회전 시일 링(54)과 고정 시일 링 조립체(56)가 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 유체 역학적 특징부가 획정되어 있다. 채널 또는 홈(61)은 회전 시일 링(54)과 고정 시일 링 조립체(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 제2 일차 밀봉면(74)에 형성될 수도 있다.

고정 시일 링 조립체(56)는 회전 방지, 위치 설정, 그리고 부착 기능을 제공하는 요소(77)에 의해 대면 관계로 함께 결합되는 일차 링(94)과 지지 링(84)을 포함한다. 일차 링(94)은 일반적으로 디스크 형상이며, 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 회전 시일 링(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, 시일 하우징(58)은 고정 시일 링 조립체(56)를 케이싱(16)의 내부 쉘(44)에 결합되도록 구성된다. 시일 하우징(58)은 아래에 설명되는 바와 같은 이차 밀봉 조립체(100)를 포함하는 비회전식의, 축 방향으로 연장되는 구성 요소이며, 이차 밀봉 조립체는 시일 조립체(56)가 축 방향으로 미끄럼 이동하여 회전 시일 링(54)을 따라 밀봉 작업을 수행하면서 동역학적으로 축 방향으로 병진 운동할 수 있도록 한다. 시일 하우징(58)은 또한, 하나 이상의 스프링 안착부(64)를 포함한다. 시일 하우징(58)은, 고정 시일 링 조립체(56)의 정렬 슬롯(68)에 결합되는, 반경 방향 내측으로 연장되는 정렬 부재(66)를 포함할 수도 있다. 정지 시일 링 조립체(56)는 정지 시일 링 조립체(56)가 중심선 축선(24)을 따라 축 방향으로 이동 가능하며 측 방향 이동 또는 회전이 불가능하도록 시일 하우징(58)에 결합된다. 정렬 슬롯(68)은 일차 링(94)과 지지 링(84) 각각의 외부 가장자리 상에 형성된다. 변형예로서, 고정 시일 링 조립체(56)는 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 시일 링 조립체(56)가 제1 일차 회전 링(54)과 회전하는 것을 방지하기 위한 회전 방지 특징부로서 작용한다.

일부 실시예에서, 시일 하우징(58)은 케이싱(16)의 내부 쉘(44)과 일체형으로 형성될 수도 있다. 또한, 변형예의 실시예에 따라, 고정 시일 링 조립체(56)가 내부 쉘(44)에 직접 결합될 수도 있다. 실시예에 따라, 시일 하우징(58)은 시일 하우징(58)의 외경(62)을 따라 연장되는 구조적 시일(76)에 의해 내부 쉘(44)에 결합된다. 시일 하우징(58)은 내부에 구조적 시일(76)을 수용하도록 구성되는 홈(78)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 구조적 시일(76)은 O-링이다. 변형예로서, 구조적 시일(76)은, 페이스 시일(52)이, 이로만 제한되는 것은 아니지만, 예를 들어, 본 명세서에서 설명되고 있는 바와 같은 V-유형 또는 C-유형 금속 링으로서 작동하도록 하는 유형의 시일일 수도 있다.

예시적인 실시예에서, 스프링과 같은 하나 이상의 편향 구성 요소(70)가 고정 시일 링 조립체(56)의 반경 방향으로 연장되는 편향 링(72)과 스프링 안착부(64)의 사이에서 연장된다. 편향 구성 요소(70)는 고정 시일 링 조립체(56)를 회전 링(54)으로부터 멀어지게 편향시켜 회전 가능한 샤프트(14)가 기동 초기에 밀봉면 접촉 없이 회전할 수 있도록 한다. 변형예로서, 편향 구성 요소(70)는 고정 시일 링 조립체(56)를 제1 시일 구성 요소(54)를 향해 편향시켜 회전 가능한 샤프트(14)가 최초 밀봉면 접촉에 의해 회전하기 시작하도록 구성된다.

일차 링(94)은 축 방향을 향하는 제2 일차 밀봉면(74)을 획정하는 반경 방향으로 연장되는 표면을 포함하며, 제2 일차 밀봉면이 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 공정 유체, 예를 들어, 증기(40)의 유동을 위한 우회 유로 또는 구불구불한 유로를 형성한다. 예시적인 실시예에서, 일차 링(94)과 지지 링(84)은 각각, 설치가 가능하도록 적어도 두 개의 부분으로 세그먼트 형태로 형성된다. 지지 링(84)의 세그먼트 이음부가 일차 링(94)의 세그먼트 이음부로부터 오프셋 배치되어 있다. 이러한 2층 구조의 고정 시일 링 조립체(56)는 일차 링(94)의 세그먼트 이음부가 지지 링(84)의 연속적인 표면 상에 배치되어, 세그먼트 이음부 상측의 잠재적인 계단형부의 형성을 방지한다. 지지 링(84)과 일차 링(94)은 양 측면 상에서의 기설정된 평탄도 요건(통상, 0.001 inch 미만)을 달성하도록 이중으로 겹쳐질 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 지지 링(84)과 편향 링(72)은 용이한 제조를 위한 별개의 부분이다. 변형예로서, 이들 링은 세그먼트 형태로 형성되는 일체형 부품으로서 제조될 수도 있다.

예시적인 실시예에서, 페이스 시일(52)은 고정 시일 조립체(56)와 시일 하우징(58)의 사이에 배치되는 이차 밀봉 조립체(100)를 추가로 포함한다. 이차 밀봉 조립체(100)는 편향 구성 요소(70)에 의해 고정 시일 링 조립체(56)에 대해 축 방향으로 편향되도록 구성된다. 예시적인 실시예에서, 이차 밀봉 조립체(100)는 복수의 링(102)을 포함한다. 이들 링은 서로 조합하여 이차 밀봉면(80)으로부터 파편을 제거하는 한편 이차 밀봉 조립체(100)의 상류측(104)과 하류측(106)의 사이에서의 유체 누출을 위한 시일을 제공한다. 예시적인 실시예에서, 이차 밀봉 조립체(100)는 시일 하우징(56)과 고정 시일 링 조립체(56)의 사이의 시일을 형성하여 증기(40)의 누출로 인한 압력 부하를 야기하는 이차 시일 링(108) 그리고 적어도 하나의 보호 링(110)을 포함한다. 이차 시일 링(108)은 이차 밀봉 조립체(100)의 상류측(104)과 하류측(106)의 사이에서의 시일을 제공한다. 예시적인 실시예에서, 이차 시일 링(108)은 O-링이다. 변형예로서, 이차 시일 링(108)은, 예를 들어, 브러쉬 시일, 피스톤 링 또는 테플론(Teflon) 링과 같은, 고정 시일 링 조립체(56)가시일 하우징(58)에 대해 상대적으로 축 방향으로 미끄럼 이동할 수 있도록 하는 유형의 시일일 수도 있다. 이차 시일 링(108)은 시일 하우징(58)의 이차 밀봉면(80)에 대항하는 밀봉을 제공하여 이차 밀봉 조립체(100)의 상류측(104) 및 하류측(106)과 시일 하우징(58)의 사이에서의 증기(40)의 누출을 방지하면서, 이차 밀봉 조립체(100)가 열 팽창, 추력에 의한 반전, 또는 제조 공차로 인한 밀봉면 흔들림으로 인해 회전 시일 링(54)을 따라 이동하도록 고정 시일 링 조립체(56)와 축 방향으로 이동할 수 있도록 한다.

바람직하게, 이차 밀봉 조립체(100)는 이차 시일 링(108)의 상류측(104) 상에 배치되는 제1 보호 링(110) 그리고 이차 시일 링(108)의 하류측(106) 상에 배치되는 제2 보호 링(112)을 포함한다. 변형예로서, 이차 밀봉 조립체(100)는 이차 시일 링(108)의 상류측(104) 상의 제1 보호 링(110)만을 포함할 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 제1 보호 링(110)은 편향 링(72) 상의 홈(114)의 내부에 결합되며, 시일 링(108) 또한 편향 링(72) 상의 제2 홈(116)의 내부에 결합된다. 제2 보호 링(112)이 고정 시일 조립체(56)의 지지 링(84)의 홈(118)의 내부에 결합된다. 변형예로서, 링들(108, 110, 112)이 이들 세 개의 링(108, 110, 112)이 모두 편향 링(72) 또는 지지 링(84)에 결합되는 구성으로 편향 링(72)과 지지 링(84)의 홈의 내부에 결합될 수도 있다.

예시적인 실시예에서, 누출 증기(40)(도 1 에 도시됨)가 정렬 슬롯(68)과 정렬 부재(66)의 사이에 존재하는 간극을 통해 시일 하우징(58)의 내부로 유동한다. 증기(40)는 이후, 편향 링(72) 및 이차 시일 링(108)과 맞닥뜨리기 전에 상류 단부(104)를 향해 유동한 다음 이차 밀봉면(80)을 가로질러 유동한다. 증기(40)는 이차 시일 링(108)에 인접하는 이차 밀봉면(80) 상에 퇴적되어 밀봉면(80) 뿐만 아니라 링(72, 84, 94)과 같은 고정 시일 링 조립체(56)의 그외 다른 구성 요소 상에 축적되는 미립자 파편을 포함한다. 미립자 파편의 축적은 고정 시일 링 조립체(56) 그리고 보다 구체적으로는 이차 시일 링(108)의 축 방향 편향을 방지할 수도 있다. 이러한 고착은 이차 밀봉 조립체(100)와 고정 시일 링 조립체(56) 중 적어도 하나와 회전자 샤프트(14)의 사이의 접촉을 야기하여 이들 구성 요소 중 어느 하나에 손상을 초래할 수도 있다. 또한, 이차 밀봉 조립체(100)와 고정 시일 링 조립체(56)의 고착은 일차 시일(55)의 고장을 야기할 수도 있어, 결과적으로 증기 터빈 엔진(10)(도 1 에 도시됨)의 작동 효율 감소를 초래할 수도 있다.

제1 보호 링(110)은 이차 시일 링(108)의 고압 상류측(104) 상에 배치되며, 제2 보호 링(112)은 이차 시일 링(108)의 저압 하류측 상에 배치된다. 예시적인 실시예에서, 보호 링(110, 112)은 이차 밀봉면(80)과 접촉하며 증기(40)에 의해 밀봉면(80) 상에 퇴적되는 미립자 파편을 제거하도록 구성된다. 이차 시일 링(108)의 상류측(104)이 하류측(106)에서보다 더 많은 미립자 파편을 포함하는 더 높은 압력의 증기(40)에 노출되기 때문에, 이차 시일 링(1080의 고압 상류측(104)으로부터 미립자를 제거하기 위해 제1 보호 링이 반드시 필요한 반면, 선택적인 제2 보호 링(112)은 이차 시일 링(108) 또는 일차 시일(55)을 통과하는 저압 하류측(106) 상의 나머지 미립자를 제거하도록 구성된다. 편향 링(72), 지지 링(84) 및 일차 링(94)이 이차 밀봉면(80)을 가로질러 편향됨에 따라, 제1 및 제2 보호 링(110, 112)이 동시에 축 방향으로 편향되어, 이차 시일 링(108)이 상측에서 이동하는 밀봉면(80)의 부분으로부터의 파편의 제거가 촉진된다. 이차 밀봉면(80)으로부터의 파편 제거는 이차 시일 링(108)에서의 긴밀한 시일의 형성을 촉진하며 이차 밀봉 조립체(100)의 고착 방지를 촉진한다.

추가적으로, 제1 및 제2 보호 링(110, 112)은 축선(24)을 중심으로 각각 홈(114, 118)의 내부에서 회전하도록 구성될 수도 있다. 링(110, 112)은 링(110, 112)이 축 방향으로 이동하지 않아 편향 구성 요소가 파편 제거를 위해 작용하지 않는 경우 회전할 수도 있다. 변형예로서, 링(110, 112)은 링(110, 112)이 축 방향으로 이동하여 편향 구성 요소(70)가 추가의 파편 제거를 위해 작용하는 경우 회전할 수도 있다.

예시적인 실시예에서, 제1 보호 링(110)은 상류측 가장자리(120), 하류측 가장자리(122), 그리고 이들 사이에서 연장되는 반경 방향 내면(124)을 포함한다. 유사하게, 제2 보호 링(112)은 상류측 가장자리(126), 하류측 가장자리(128), 그리고 이들 사이에서 연장되는 반경 방향 내면(130)을 포함한다. 상류측 가장자리(120, 126), 하류측 가장자리(122, 128) 그리고 내면(124, 130) 중 적어도 하나는 밀봉면(80)으로부터의 미립자 파편의 제거를 촉진하도록 이차 밀봉 조립체(100)의 편향 도중에 이차 밀봉면(80)과 가볍게 접촉한다. 예시적인 실시예에서, 가장자리(120, 122, 126, 128)는 이차 밀봉면(80)으로부터 파편을 긁어내는 작용을 촉진하는 날카롭게 형성된 선단부(도시하지 않음)를 포함한다. 변형예로서, 가장자리(120, 122, 126, 128)는, 이로만 제한되는 것은 아니지만, 본 명세서에서 설명되고 있는 바와 같은 이차 밀봉 조립체(100)의 작동을 촉진하는 톱니형과 같은 형태로 형성될 수도 있다. 또한, 가장자리(120, 122, 126, 128)와 각각의 내면(124, 130)은, 이차 밀봉 조립체(100)가 구성 요소(70)에 의해 편향됨에 따라 이차 밀봉면(80)으로부터의 미립자의 제거를 촉진하는, 와이어 브리슬(wire bristle)과 같은 스위핑(sweeping) 요소(도시하지 않음)를 포함할 수도 있다. 링(110, 120)이 밀봉면(80)의 단지 세정을 위해 작동 가능하며 링(110, 120)의 고착을 방지하는 압력 부하를 야기하지 않도록 제1 및 제2 보호 링(110, 112)은 밀봉면(80)과의 최소의 접촉만을 이룬다.

본 명세서에서 설명되고 있는 바와 같은 조립체 및 방법은 회전 기계 내부에서의 공정 유체 누출을 실질적으로 감소시키는 자가 세정 방식의 이차 밀봉 조립체를 제공함으로써 회전 기계 성능 개선을 촉진하다. 구체적으로, 이차 밀봉 조립체는 공정 유체에 의해 시일 케이싱 상에 남아 있는 미립자 파편의 축적을 제거하는 일 측면 상에 배치되는 이차 시일 링과 보호 링을 포함한다. 이차 밀봉 조립체가 시일 하우징의 표면을 따라 편향됨에 따라, 보호 링의 가장자리가 표면을 쓸어 내어 표면 상에 남아 있는 파편 퇴적물을 제거함으로써, 이차 시일 링 조립체의 고착 방지를 촉진한다. 따라서, 세정 보호 링을 구비하지 않은 공지된 유체 역학적 페이스 시일과 대조적으로, 본 명세서에서 설명되고 있는 바와 같은 조립체 및 방법은 직경이 더 큰 페이스 시일의 유지 관리 기간 감소를 촉진하며 회전 기계로부터의 공정 유체의 누출 감소를 촉진한다.

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, 당 업계의 숙련자라면 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: 샤프트
16: 케이싱 18: 상부 절반부
20: 증기 유입 도관 22: 증기 배출 도관
24: 중심선 축선 26: 유입 보울
30: 샤프트 단부 부분 32, 34, 36: 밀봉 부재
38: 터빈 블레이트 40: 증기
42: 고정자 구성 요소 44: 내부 쉘
48: 유입 노즐 50: 누출 영역
52: 페이스 시일 54: 회전 시일 링
55: 일차 시일 56: 고정 시일 링 조립체
58: 시일 하우징 60: 제1 일차 밀봉면
61, 78, 114, 116, 118: 홈 62: 외경
64: 스프링 안착부 66: 정렬 부재
68: 정렬 슬롯 70: 편향 구성 요소
72: 편향 링 74: 제2 일차 밀봉면
76: 구조적 시일 80: 이차 밀봉면
84: 지지 링 94: 일차 링
100: 이차 밀봉 조립체 102: 복수의 링
104: 상류측 106: 하류측
108: 이차 시일 링 110: 제1 보호 링
112: 제2 보호 링 120, 126: 상류측 가장자리
122, 128: 하류측 가장자리 124, 130: 반경 방향 내면

Claims

회전 축선을 포함하는 회전 기계와 함께 사용하기 위한 시일 조립체로서, 상기 시일 조립체는,
축 방향으로 연장되는 이차 밀봉면을 포함하는 시일 하우징;
상기 시일 하우징에 대한 축 방향 이동을 위해 상기 시일 하우징에 결합되는 정지 시일 링 조립체로서, 반경 방향으로 연장되는 페이스 밀봉면 및 대향하는 제2 표면을 포함하는 정지 시일 링 조립체;
상기 제2 표면에 인접한 편향 링으로서, 상기 시일 하우징에 대한 축 방향 이동을 위해 상기 시일 하우징에 결합되는 편향 링;
상기 편향 링 및 상기 정지 시일 링 조립체 중 적어도 하나에 형성되는 제1 홈에 위치되는 시일 링으로서, 상기 이차 밀봉면과 함께 이차 시일을 형성하도록 구성되는 시일 링; 및
상기 편향 링에 형성되는 제2 홈에 위치되는 제1 보호 링
을 포함하고,
상기 제1 보호 링은 상류측, 하류측, 및 상기 상류측 및 상기 하류측 사이에서 연장되는 반경 방향 내면을 포함하고, 상기 상류측 및 상기 하류측은 각각 날카로운 에지(edge)로 테이퍼지는 웨지형 단면 프로파일을 포함하며, 날카로운 에지 각각은 상기 이차 밀봉면에 접촉하도록 구성되고, 상기 제1 보호 링은, 상기 제1 보호 링이 상기 제2 홈의 축선에 대해 회전 가능하도록, 상기 제2 홈의 실린더형 반경 방향 내면으로부터 일정한 거리만큼 떨어진 실린더형 반경 방향 외면을 더 포함하며, 상기 편향 링은, 상기 이차 밀봉면의 적어도 일부로부터의 파편의 제거를 촉진하기 위해 상기 제1 보호 링이 상기 이차 밀봉면을 따르는 회전 축선에 평행하게 이동하도록, 상기 회전 축선을 따라 편향되도록 구성되는 것인 시일 조립체.
제 1항에 있어서,
상기 시일 조립체는 상기 정지 시일 링 조립체에 형성되는 제3 홈에 위치되는 제2 보호 링을 더 포함하고,
상기 제2 보호 링은 상기 이차 밀봉면의 적어도 일부로부터의 파편의 제거를 촉진하기 위해 상기 이차 밀봉면에 인접하게 위치되며,
상기 시일 링은 상기 제1 보호 링 및 상기 제2 보호 링 사이에 있는 것인 시일 조립체.
제 2항에 있어서,
상기 제2 보호 링은 상기 제3 홈의 축선에 대해 회전 가능한 것인 시일 조립체.
제 1항에 있어서,
상기 편향 링 및 상기 정지 시일 링 조립체는 협력하여 상기 제1 홈을 형성하는 것인 시일 조립체.
제 1항에 있어서,
상기 시일 조립체는 상기 편향 링에 결합되는 편향 구성 요소를 더 포함하고,
상기 편향 구성 요소는, 상기 제1 보호 링 및 상기 시일 링이 함께 이동 가능하도록, 상기 회전 축선을 따라 상기 편향 링 및 상기 정지 시일 링 조립체를 편향시키도록 구성되는 것인 시일 조립체.
제 1항에 있어서,
상기 정지 시일 링 조립체는 대면 관계로 일차 시일 링에 결합되는 지지 링을 더 포함하고,
상기 일차 시일 링은 상기 페이스 밀봉면을 포함하며,
상기 지지 링은 상기 대향하는 제2 표면을 포함하는 것인 시일 조립체.
제 1항에 있어서,
상기 정지 시일 링 조립체는 상기 정지 시일 링 조립체를 관통하도록 형성되는 적어도 하나의 정렬 슬롯을 더 포함하고,
상기 적어도 하나의 정렬 슬롯은 상기 시일 하우징의 개별적인 정렬 부재와 미끄럼이동 가능하게 결합하도록 구성되는 것인 시일 조립체.
제 1항에 있어서,
상기 제1 보호 링은 스위핑(sweeping) 요소를 포함하고,
상기 스위핑 요소는, 파편의 제거를 촉진하기 위해 상기 이차 밀봉면과 접촉하도록 구성되는 것인 시일 조립체.
회전 축선을 포함하는 회전 기계와 함께 사용하기 위한 페이스 시일 조립체로서, 상기 페이스 시일 조립체는,
반경 방향으로 연장되는 제1 페이스 밀봉면을 포함하는 회전 시일 링;
축 방향으로 연장되는 이차 밀봉면을 포함하는 시일 하우징;
상기 시일 하우징에 대한 축 방향 이동을 위해 상기 시일 하우징에 결합되는 정지 시일 링 조립체로서, 상기 정지 시일 링 조립체는 대면 관계로 일차 밀봉 링과 결합되는 지지 링을 포함하고, 상기 일차 밀봉 링은 상기 제1 페이스 밀봉면과 페이스 시일을 형성하도록 구성되는 반경 방향으로 연장되는 제2 페이스 밀봉면을 포함하는 것인 정지 시일 링 조립체;
상기 지지 링과 인접한 편향 링으로서, 상기 시일 하우징에 대한 축 방향 이동을 위해 상기 시일 하우징에 결합되는 편향 링;
상기 편향 링 및 상기 지지 링 중 적어도 하나에 형성되는 제1 홈에 위치되는 이차 시일 링으로서, 상기 이차 밀봉면과 이차 시일을 형성하도록 구성되는 이차 시일 링; 및
상기 편향 링에 형성되는 제2 홈에 위치되는 제1 보호 링
을 포함하고,
상기 제1 보호 링은 웨지형 상류측, 웨지형 하류측, 및 상기 웨지형 상류측 및 상기 웨지형 하류측 사이에서 연장되는 반경 방향 내면을 포함하고, 상기 웨지형 상류측 및 상기 웨지형 하류측은 각각 상기 이차 밀봉면과 접촉하도록 구성되는 날카로운 에지를 포함하며, 상기 제1 보호 링은, 상기 제1 보호 링이 상기 제2 홈의 축선에 대해 회전 가능하도록, 상기 제2 홈의 실린더형 반경 방향 내면으로부터 일정한 거리만큼 떨어진 실린더형 반경 방향 외면을 포함하고, 상기 편향 링은, 상기 이차 밀봉면의 적어도 일부로부터의 파편의 제거를 촉진하기 위해 상기 제1 보호 링이 상기 이차 밀봉면을 따라 축 방향으로 이동하도록, 상기 회전 축선을 따라 편향되도록 구성되는 것인 페이스 시일 조립체.
제 9항에 있어서,
상기 페이스 시일 조립체는 상기 지지 링에 형성되는 제3 홈에 위치되는 제2 보호 링을 더 포함하고,
상기 제2 보호 링은 상기 이차 밀봉면의 적어도 일부로부터의 파편의 제거를 촉진하기 위해 상기 이차 밀봉면에 인접하게 위치되며,
상기 이차 시일 링은 상기 제1 보호 링 및 상기 제2 보호 링 사이에 있는 것인 페이스 시일 조립체.
제 9항에 있어서,
상기 편향 링 및 상기 지지 링은 협력하여 상기 제1 홈을 형성하는 것인 것인 페이스 시일 조립체.
제 9항에 있어서,
상기 페이스 시일 조립체는 상기 편향 링에 결합되는 편향 구성요소를 더 포함하고,
상기 편향 구성요소는, 상기 제1 보호 링 및 상기 이차 시일 링이 함께 이동 가능하도록, 상기 회전 축선을 따라 상기 편향 링 및 상기 정지 시일 링 조립체를 편향시키도록 구성되는 것인 페이스 시일 조립체.
제 10항에 있어서,
상기 제2 보호 링은 상기 제3 홈의 축선에 대해 회전 가능한 것인 페이스 시일 조립체.
제 10항에 있어서,
상기 제1 보호 링은 스위핑(sweeping) 요소를 포함하고,
상기 스위핑 요소는, 파편의 제거를 촉진하기 위해 상기 시일 하우징과 접촉하도록 구성되는 것인 페이스 시일 조립체.
회전 축선을 갖는 회전 기계와 함께 사용하기 위한 시일 조립체를 조립하는 방법으로서, 상기 시일 조립체를 조립하는 방법은,
축 방향으로 연장되는 이차 밀봉면을 포함하는 시일 하우징을 제공하는 것;
상기 시일 하우징에 대한 축 방향 이동을 위해 정지 시일 링 조립체를 상기 시일 하우징에 결합시키는 것으로서, 상기 정지 시일 링 조립체는 반경 방향으로 연장되는 페이스 밀봉면 및 대향하는 제2 표면을 포함하는 것인 정지 시일 링 조립체를 상기 시일 하우징에 결합시키는 것;
상기 시일 하우징에 대한 축 방향 이동을 위해 편향 링을 상기 시일 하우징에 결합시키는 것으로서, 상기 편향 링은 상기 제2 표면에 인접한 것인 편향 링을 시일 하우징에 결합시키는 것;
상기 시일 링 및 상기 이차 밀봉면이 이차 시일을 형성하도록, 시일 링을 상기 편향 링 및 상기 정지 시일 링 조립체 중 적어도 하나에 형성된 제1 홈에 위치시키는 것; 및
제1 보호 링을 상기 편향 링에 형성된 제2 홈에 위치시키는 것
을 포함하고,
상기 제1 보호 링은 상류측, 하류측, 및 상기 상류측 및 상기 하류측 사이에서 연장되는 반경 방향 내면을 포함하고, 상기 상류측 및 상기 하류측은 각각 날카로운 에지로 테이퍼지는 웨지형 단면 프로파일을 가지며, 날카로운 에지 각각은 상기 이차 밀봉면과 접촉하도록 구성되고, 상기 제1 보호 링은, 상기 제1 보호 링이 상기 제2 홈의 축선에 대해 회전 가능하도록 상기 제2 홈의 실린더형 반경 방향 내면으로부터 일정한 거리만큼 떨어진 실린더형 반경 방향 외면을 더 포함하며, 상기 편향 링은, 상기 이차 밀봉면의 적어도 일부로부터의 파편의 제거를 촉진하기 위해 상기 제1 보호 링이 상기 이차 밀봉면을 따라 축 방향으로 이동하도록, 상기 회전 축선을 따라 편향되도록 구성되는 것인 시일 조립체를 조립하는 방법.
제 15항에 있어서,
상기 시일 조립체를 조립하는 방법은, 제2 보호 링을 상기 정지 시일 링 조립체에 형성된 제3 홈에 위치시키는 것을 더 포함하고,
상기 제2 보호 링은 상기 이차 밀봉면의 적어도 일부로부터의 파편의 제거를 촉진하기 위해 상기 이차 밀봉면에 인접하게 위치되며,
상기 시일 링은 상기 제1 보호 링 및 상기 제2 보호 링 사이에 있는 것인 시일 조립체를 조립하는 방법.
제 15항에 있어서,
상기 시일 링을 상기 제1 홈에 위치시키는 것은, 상기 시일 링을, 상기 편향 링 및 상기 정지 시일 링 조립체가 협력하여 형성하는 제1 홈에 위치시키는 것을 포함하는 것인 시일 조립체를 조립하는 방법.
제 17항에 있어서,
상기 시일 조립체를 조립하는 방법은, 편향 구성요소를 상기 편향 링에 결합시키는 것을 더 포함하고,
상기 편향 구성요소는, 상기 제1 보호 링 및 상기 시일 링이 함께 이동 가능하도록, 상기 회전 축선을 따라 상기 편향 링 및 상기 정지 시일 링 조립체를 편향시키도록 구성되는 것인 시일 조립체를 조립하는 방법.
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