KR102292831B1

KR102292831B1 - 밀봉 시스템 및 밀봉 링

Info

Publication number: KR102292831B1
Application number: KR1020167013543A
Authority: KR
Inventors: 에른스트-피터 폰 베르겐; 카를로스 팡가우프; 랄스 지멘; 디터 폰 보르스텔; 이반 리스틱; 구이도 부에스텐하겐
Original assignee: 에스케이에프 마린 게엠베하; 에스케이에프 유에스에이 인크.
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2021-08-24
Also published as: EP3060831A1; JP2016540164A; JP6484620B2; EP3060831A4; EP3060831B1; RU2016119554A3; US9869394B2; WO2015061810A1; US20160265664A1; BR112016008873A2; RU2664598C2; KR20170082451A; CA2932197C; RU2016119554A; CA2932197A1

Abstract

본 발명은 액체 매질에 대해 샤프트, 가령, 예를 들어, 프로펠러 샤프트, 임펠러 샤프트, 선박의 러더 스톡을 밀봉하기 위한 밀봉 시스템에 관한 것으로서, 하나 이상의 밀봉 링을 클램핑 고정하기 위해 클램핑 공간의 반경 방향으로 내부에 위치된 상기 밀봉 시스템의 맞은편 코너 영역들이, 내부로부터 반경 방향으로 외부를 향해 바라볼 때 발산되는 경사진 런-온 표면에 의해 형성되며, 클램핑 공간 내에 수용하기 위하여, 밀봉 링의 클램핑 섹션은 런-온 표면에 상응하는 경사 표면들에 의해 형성되는 2개의 맞은편 에지 영역들, 및 이러한 밀봉 시스템을 위한 밀봉 링을 포함한다.

Description

밀봉 시스템 및 밀봉 링{SEALING SYSTEM AND SEALING RING}

본 발명은 액체 매질에 대해 샤프트, 가령, 예를 들어, 프로펠러 샤프트, 임펠러 샤프트, 선박의 러더 스톡을 밀봉하기 위한 밀봉 시스템, 및 이러한 밀봉 시스템을 위한 밀봉 링에 관한 것이다.

이러한 밀봉 시스템은 예를 들어 DE 41 41 999 C2호, DE 10 2011 018 584 Al호, DE 10 2012 006 125 Al호 및 US 4,344,631 A호에 기술되어 있다. 이러한 밀봉 시스템은 각각 하우징의 한 면(side)에 있는 지지 링과 하나 이상의 밀봉 링을 포함하며, 상기 지지 링은 밀봉 링을 클램프 고정하기 위한 클램핑 공간을 형성한다. 상기 클램핑 공간은 밀봉 링에 공급하기 위해 지지 링들 사이에서 환형 틈에 의해 시스템 중심축에 대해 반경 방향으로 내부를 향해 공개된다. 상기 밀봉 링은 클램핑 공간 내에 수용하기 위해 반경 방향으로 외부 클램핑 섹션, 샤프트에 대해 직접 또는 간접적으로 정지시키기 위한 반경 방향으로 내부 밀봉 립, 및 상기 밀봉 립을 클램핑 섹션에 연결시키기 위한 연결 웹을 포함한다. 클램핑 섹션이 US 4,344,631 A호에 개략적으로 기술되지만, 위에서 언급한 것과 같이, 독일 특허공보 DE 41 41 999 C2호, DE 10 2011 018 584 Al호 및 DE 10 2012 006 125 Al호에 따르면, 밀봉 링의 클램핑 섹션은 서로에 대해 평행하게 또는 수직이 되도록 배열되는 클램핑 섹션 표면을 가진 직사각형 횡단면을 포함한다.

하지만, 밀봉 링의 설치(installation) 동안 클램핑 섹션은 클램핑 공간으로부터 부분적으로 빠져나올 수 있다(squeezed out). 이에 따라, 클램핑 섹션이 파손될 뿐만 아니라 밀봉 링을 정확하게 배열시키는 것이 불가능하다. 클램핑 공간 에서 클램핑 섹션이 둥근 형태(round shape)를 가지는 경우, 설치된 원하는 위치로부터 밀봉 링이 회전되거나 혹은 이동될 수 있게 되도록 비-회전 안내(non-rotational guide)가 되지 않는다.

본 발명의 목적은 액체 매질(liquid media)에 대해 샤프트, 가령, 예를 들어, 프로펠러 샤프트(propeller shaft), 임펠러 샤프트(impeller shaft), 선박의 러더 스톡(rudder stock)을 밀봉하기 위한 밀봉 시스템(sealing system)을 형성하는 것으로서, 상기 밀봉 시스템의 밀봉 링(sealing ring)이 안정적으로 올바르게 설치될 수 있으며 클램핑 공간(clamping space) 내에서 위치 변화에 대해 고정될 수 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 이러한 밀봉 시스템을 위한 밀봉 링을 형성하는 것이다.

상기 목적은 청구항 제1항의 특징들을 가진 밀봉 시스템 및 청구항 제10항의 특징을 가진 밀봉 링에 의해 구현된다.

본 발명에 따르면, 액체 매질에 대해 샤프트, 가령, 예를 들어, 프로펠러 샤프트, 임펠러 샤프트, 선박의 러더 스톡을 밀봉하기 위한 밀봉 시스템은 하우징의 한 면(side)에 있는 지지 링(support ring)과 하나 이상의 밀봉 링(sealing ring)을 포함하며, 상기 지지 링은 밀봉 링을 클램프 고정하기(clamping) 위한 클램핑 공간(clamping space)을 형성한다. 지지 링들 사이에서 밀봉 링에 공급하기 위하여, 상기 클램핑 공간은 환형 틈(annular gap)에 의해 시스템 중심축에 대해 반경 방향으로 내부를 향해 공개된다. 상기 밀봉 링은 클램핑 공간 내에 수용하기 위해 반경 방향으로 외부 클램핑 섹션(clamping section), 샤프트에 대해 직접 또는 간접적으로 정지시키기(resting) 위한 반경 방향으로 내부 밀봉 립(sealing lip), 및 상기 밀봉 립을 클램핑 섹션에 연결시키기 위한 연결 웹(connecting web)을 포함한다. 본 발명에 따르면, 클램핑 공간의 반경 방향으로 내부에 위치된 맞은편 코너 영역(opposing corner region)들이, 환형 틈으로부터 반경 방향으로 외부를 향해 바라볼 때 발산되는(diverge) 경사진 런-온 표면(run-on surface)에 의해 형성된다. 밀봉 링의 클램핑 섹션은 상기 런-온 표면들에 상응하는 경사 표면(inclined surface)들에 의해 형성되는 2개의 맞은편 에지 영역(opposite edge region)들을 포함한다.

런-온 표면 및 이에 상응하는 경사 표면들로 인해, 설치 동안, 밀봉 링은 원하는 위치로 자동으로 이동되며, 이에 따라 올바른 설치가 가능하게 되고 클램핑 섹션이 클램핑 공간으로부터 부분적으로 빠져나오는(squeezing out) 것이 방지된다. 하지만, 이와 동시에, 설치 동안, 원하는 위치로부터 밀봉 링이 회전되는 것이 방지된다. 따라서, 밀봉 링의 안정적이고 올바른 설치 및 안정적인 위치 고정이 가능해지고, 이에 따라 매우 우수한 밀봉 효과(sealing effect)가 구현된다. 예를 들어, 밀봉 링의 재료로서, 고무 재료, 가령, 엘라스토머(elastomer)가 사용된다. 바람직한 쇼어 A 강도 값의 범위는 80 내지 85 사이이다.

두 축방향 설치 과정에서 간단하기 설치하고, 두 면(side) 위에서 밀봉 링을 중앙에 배열(centring)시키기 위하여, 두 런-온 표면과 두 경사 표면은 크기가 동일하거나 및/또는 시스템 중심축에 대해 동일한 각도로 배열되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 각도는 대칭축에 대해 40° 내지 50도 사이이다. 특히, 각각의 경우, 상기 각도는 시스템 중심축에 대해 45°이다.

상이한 외측 직경을 가진 샤프트가 상이한 내측 직경을 가진 밀봉 링을 필요로 하기 때문에, 런-온 표면과 경사 표면은 샤프트 직경에 대한 반경방향 연장선(radial extension)을 가지는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 경사 표면과 런-온 표면의 반경방향 연장선은 h = 0.0013 x 샤프트 직경 + (0.9 내지 1.3)의 공식에 따라 계산된다.

게다가, 클램핑 섹션이 클램핑 공간보다 더 큰 반경방향 연장선(radial extension) 및/또는 축방향 연장선(axial extension)을 가지는 경우가 유리한 것으로 밝혀졌다. 바람직하게는, 클램핑 섹션과 클램핑 공간은 동일한 반경방향 연장선 또는 높이를 가지며, 클램핑 섹션은 클램핑 공간보다 더 큰 축방향 연장선 또는 폭, 바람직하게는, 8% 내지 15%만큼, 특히 10% 내지 12%만큼 더 큰 축방향 연장선 또는 폭을 가진다. 클램핑 섹션은 1.2 내지 2.0, 특히, 1.5 내지 1.7 사이의 폭-높이 비(width-to-height ratio)를 가지는 것이 바람직하다.

밀봉 립과 연결 웹(56)의 탄성 거동(elastic behaviour) 또는 스프링 특성(optimizing spring)을 최적화하기 위하여, 연결 웹과 밀봉 립은 각각의 유효 스프링 길이(effective spring length)에 걸쳐 균일한 두께를 가지는 것이 유리하다. 바람직하게는, 연결 웹의 길이-폭 비(length-to-width ratio)는 3.2 내지 5.3, 특히, 3.5 내지 4.5 사이이며, 밀봉 립의 길이-폭 비는 1.3 내지 2.5, 특히 1.6 내지 2.3 사이이다.

게다가, 스프링 특성 측면에서 보면, 연결 웹이 적어도 밀봉 립 만큼 긴 경우, 바람직하게는, 밀봉 립보다 더 긴 경우가 유리한 것으로 밝혀졌다. 바람직하게는, 밀봉 립에 대한 연결 웹의 길이 비는 1.0 내지 3.0 사이 범위의 값이며, 보다 바람직하게는, 1.25 내지 2.5 사이, 특히, 1.4 내지 1.7 사이 범위의 값이다.

밀봉 립의 탄성 거동은 밀봉 립과 연결 웹 사이의 각도가 밀봉 립의 이완된 상태(relaxed state)에서 90° 내지 110° 사이인 경우에 추가로 향상될 수 있다. 바람직하게는, 상기 각도는 95° 내지 105°이다.

과압(overpressure) 경우에 밀봉 립을 보호하기 위하여, 다수의 윤활 포켓(lubrication pocket)이 밀봉 립의 바닥 면(bottom side) 위에 형성될 수 있으며, 상기 윤활 포켓은 밀봉 시스템의 저압 면(low-pressure side)을 향해 개방된다. 윤활 포켓은 내주(internal circumference)에 걸쳐 일정하게 분포되며 윤활 포켓의 마우스(mouth)로부터 베이스(base)까지 증가된 깊이(depth)를 포함하는 것이 바람직하다. 대안으로 또는 그 외에도, 윤활 포켓은 축방향으로 웨지(wedge) 형태의 직사각형 모양으로 구성된다. 작동(operation) 시에, 윤활 포켓은 저압 면 상에서 유체를 함유하는데, 상기와 같이 증가된 깊이로 인해, 윤활 포켓의 각각의 마우스 영역(mouth region)의 횡단면은 줄어든다. 고압 면에서 압력이 갑자기 증가되는 동안, 좁은 마우스 영역으로 인해, 유체가 윤활 포켓으로부터 즉시 압축되는 것이 방지된다. 유체는 마우스 영역의 상류에 있는(upstream) 윤활 포켓 내에 쌓이게 되며(bank up), 이 부분에서 유체는 국소적인 지지 요소(supporting element)로서 작용하며, 이에 따라, 밀봉 링의 과도한 변형이 방지된다.

이 구성에서, 밀봉 립의 밀봉 에지로부터 윤활 포켓의 거리(a)는 샤프트 직경에 대한 거리인 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 특히, 상기 거리(a)는 공식 a = 0.004 x 샤프트 직경 + (2.1 내지 3.1)에 따라 계산되는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다.

본 발명에 따르면, 상기 밀봉 시스템을 위한 밀봉 링이 클램핑 섹션을 포함하며, 상기 클램핑 섹션은 클램핑 공간의 한 면 위에서 또는 하우징의 한 면 위에서 런-온 표면에 상응하는 경사 표면들에 의해 2개의 맞은편 에지 영역들을 포함한다. 이러한 밀봉 링은 상응하는 밀봉 시스템 내에 올바르게 설치될 수 있으며 원하는 위치에 안정적으로 유지될 수 있다.

본원발명의 그 외의 다른 바람직한 대표적인 실시예들은 종속항 부분을 형성한다.

밑에서, 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 대표 실시예가 다음과 같이 설명된다:
도 1은 연결 웹의 제1 작동 위치에서 설치된 위치에 있는 밀봉 링을 포함하는 본 발명에 따른 밀봉 시스템,
도 2는 연결 웹의 제2 작동 위치에서 밀봉 링을 포함하는 도 1에 따른 밀봉 시스템,
도 3은 밀봉 시스템의 하우징 영역의 개별 도면,
도 4는 밀봉 링의 개별 도면,
도 5는 밀봉 립의 측면 위에 위치된 윤활 포켓을 도시한 밀봉 링의 축방향 도면,
도 6은 윤활 포켓의 세부도,
도 7, 8 및 9는 윤활 포켓의 포켓 플랭크의 변형예,
도 10, 11 및 12는 윤활 포켓의 포켓 베이스의 변형예,
도 13, 14 및 15는 제1 설치 방향에 있는 밀봉 시스템의 조립체, 및
도 16, 17 및 18은 제2 설치 방향에 있는 밀봉 시스템의 조립체로서, 상기 제2 설치 방향은 제1 설치 방향에 대해 반대 방향이다.

본 발명에 따라 도 1과 2에 도시된 것과 같이, 액체 매질에 대해 샤프트(14), 가령, 예를 들어, 프로펠러 샤프트, 임펠러 샤프트, 선박의 러더 스톡 등을 밀봉하기 위한 대표적인 밀봉 시스템(1)은 밀봉 링(2)과 하우징의 한 면에 있는 제1 지지 링(4), 및 하우징의 한 면에 있는 제2 지지 링(6)을 포함한다. 지지 링(4, 6)은 밀봉 링(2)이 클램프 고정되는 클램핑 공간(8)의 경계를 정한다. 밀봉 링(2)은 반경 방향으로 내부에 위치된 환형 틈(12)에 의해 클램핑 공간(8)으로부터 이어져서(lead) 밀봉되어야 하는 샤프트(14)에 대해 혹은 샤프트(14) 상에 설치된 베어링 부싱(bearing bushing)에 대해 밀봉 정지되며(sealingly rest), 상기 샤프트(14)는 시스템 중심축(10)과 나란하게 정렬될 수(aligned) 있도록 연장되는 세로축 상에서 회전된다. 특히, 밀봉 링(2)은 고압 면(16)을 저압 면(18)과 분리시키거나 혹은 액체가 고압 면(16)으로부터 저압 면(18)으로 흐르는 것을 방지한다. 도 1 및 2와 도 3 내지 18에서, 가령, 반경방향 및 축방향은 항상 시스템 중심축(10)에 대한 것으로서 따라서 샤프트의 회전축에 대한 것이다.

도 3에서 연동(interlocking) 지지 링(4, 6)의 개별 도면에 따르면, 클램핑 공간(8)은 반경 방향으로 내부 제1 바닥 표면(20) 및 반경 방향으로 내부 제2 바닥 표면(22)을 포함한다. 상기 바닥 표면(20, 22)은 시스템 중심축(10)에 대해 평행이 되도록 정렬되며 환형 틈(12)에 의해 서로 거리가 떨어져 배열된다. 제1 바닥 표면(20)은 제1 런-온 표면(24)으로 전이되고(transition) 제2 바닥 표면(22)은 제2 런-온 표면(26)으로 전이된다.

런-온 표면(24, 26)은 각각의 경우 시스템 중심축(10)에 대해 기울어질 수 있도록 각도를 형성하는데, 각각의 바닥 표면(20, 22)으로부터 시작하여, 상기 런-온 표면(24, 26)은 반경 방향으로 외부를 향해 배열된다. 상기 런-온 표면은 클램핑 공간(8)의 두 맞은편 코너 영역들을 형성하며 각각의 경우 동일한 축방향 길이, 시스템 중심축(10)에 대한 동일한 입사각(angle of incidence), 및 동일한 높이 또는 반경방향 연장선(radial extension)을 가진다. 바람직하게는, 런-온 표면은 서로 맞은편에 배열될 수 있도록 시스템 중심축(10)에 대해 45°의 각도로 배열되며 밀봉 시스템(1)의 영역에서 샤프트 직경(Wd)에 대한 높이를 포함한다. 특히, 런-온 표면은 h = 0.0013 x Wd + (0.9 내지 1.3)의 공식에 따라 수치가 정해지는 높이(h)를 가진다. 각각의 경우, 런-온 표면(24, 26)은 제1 측벽(28) 및 제2 측벽(30)으로 전이될 수 있다.

측벽(28, 30)은 시스템 중심축(10)에 대해 수직으로 또는 반경 방향으로 연장된다. 다이어그램에 도시된 대표적인 실시예에서, 제1 측벽(28)은 제1 지지 링(4)의 천장 표면(32)으로 전이되며, 상기 천장 표면(32)은 클램핑 공간(8)의 축방향 돌출부(33)에 의해 형성된다. 밀봉 링(2)의 설치된 상태에서, 축방향 돌출부(33)는 제2 지지 링(60의 숄더 표면(35)과 축방향으로 중첩되며(axial overlap), 상기 숄더 표면(35)은 축방향 돌출부(33)에 대해 내부에서 반경 방향으로 배열되고 시스템 중심축(10)에 대해 평행하거나 혹은 거의 평행하도록 연장된다. 제2 측벽(30)은 숄더 표면(35)으로 연장되고, 따라서 밀봉 링(2)의 설치된 상태에서 천장 표면(32)과 인접하게 된다. 하지만, 도 16, 17 및 18에 따른 대표적인 실시예에 도시된 것과 같이, 축방향 돌출부(33)는 제2 지지 링(6) 상에 형성될 수도 있으며, 숄더 표면(35)은 제1 지지 링(4) 상에 형성될 수 있다. 이는 실질적으로 설치 방향에 의해 안내된다(guided).

도 3에 도시된 것과 같이, 천장 표면(32)은 연결 코너(corner)에서 측벽(28, 30)이 반경 방향으로 내부를 향해 오프셋배열된 중앙 표면 오프셋(36)을 포함하며, 상기 표면 오프셋(36)은 시스템 중심축(10)에 대해 평행하거나 또는 거의 평행하게 연장된다. 표면 오프셋(36)은 천장 표면(32)의 제1 경사 부분 표면(34)과 제2 부분 표면(37) 사이에 배열되어 따라서 상기 부분 표면(34, 37)을 상호연결하며, 상기 제1 및 제2 부분 표면은 서로 반대 방향으로 배열된다.

클램핑 공간(8)의 축방향 연장선(axial extension) 또는 폭(B)은 축방향 돌출부(33)가 지지 링(6), 상기 다이어그램에서는 제2 지지 링의 맞은편 환형 전방 표면(39) 상에서 배열되어 경계가 정해진다.

환형 틈(12)은 제1 경사 틈 표면(40)과 제2 경사 틈 표면(42)에 의해 가장 좁은 횡단면(38)을 포함하는데, 상기 횡단면은 바닥 표면(20, 22)의 방향에서 반경 방향으로 외부를 향해 확대된다. 가장 좁은 횡단면(38)으로부터 시작하여, 환형 틈(12)이 지지 링(4, 6)의 맞은편 아치형 표면(44, 46)에 의해 반경 방향으로 내부를 향해 팽창된다. 상기 구성에서, 제1 지지 링(4)의 아치형 표면(44)은 시스템 중심축(10)의 방향에서 맞은편 제2 지지 링(6)이 반경 방향으로 연장되는 연장선(48)에 의해 형성된 단부-스톱 표면(end-stop surface) 또는 오목한 지지 표면(support surface)이다. 도 2에 도시된 것과 같이, 아치형 표면(44)은 탄성적으로 변형되는 밀봉 링(2)의 막(membrane) 또는 연결 웹(56)을 위한 단부-스톱을 형성한다. 제2 지지 링(6)의 아치형 표면(46)은 볼록한 형태로서, 상기 아치형 표면(46)의 반경은 제1 지지 링(4)의 아치형 표면(44)의 반경보다 더 작다. 상기 아치형 표면(46)은 시스템 중심축(10)에 대해 평행하게 연장되는 내부 주변 표면(50)으로 전이된다.

도 4에 도시된 것과 같이, 밀봉 링(2)은 반경 방향으로 외부의 클램핑 섹션(52), 반경 방향으로 내부 밀봉 링(54), 및 밀봉 링(54)과 클램핑 섹션(52)을 상호연결하는 연결 웹(56)을 포함한다. 밀봉 링(2)은 고무와 유사한 재료, 특히 엘라스토머를 포함한다. 바람직하게는, 밀봉 링(2)80 내지 85 사이의 범위에 있는 쇼어 강도 A를 가진다.

클램핑 섹션(52)은 클램핑 공간(8) 내에 밀봉 링(20을 수용하도록 제공된다. 상기 클램핑 섹션은 제1 내부 주변 표면(58)과 제2 내부 주변 표면(60)을 가진 거의 직사각형 횡단면을 가지며, 상기 표면들은 연결 웹(56)에 의해 서로 분리되어 있다.

설치된 상태에서, 내부 주변 표면(58, 60)은 시스템 중심축(10)에 대해 평행하게 연장되며; 각각의 경우, 상기 주변 표면들은 제1 경사 표면(62) 또는 제2 경사 표면(6)으로 전이된다.

각각의 경우, 경사 표면(62, 64)은 내부 주변 표면(58, 60)으로부터 반경 방향으로 외부를 향해 배열되며, 특히, 상기 경사 표면들은 클램핑 공간(8)의 런-온 표면(24, 26)에 상응하도록 구성된다. 이 경사 표면들은 클램핑 섹션(52)의 두 맞은편 에지 영역들을 형성하며 따라서 각각의 경우 런-온 표면(24, 26)의 축방향 길이와 상응하는 축방향 길이, 바람직하게는, 반대 방향으로 배열되며 시스템 중심축(10)에 대해 45°의 각도를 이루는 입사각(α), 및 h = 0.0013 x Wd + (0.9 내지 1.3)의 공식에 따라 수치가 정해지며 샤프트 직경(Wd)에 대한 동일한 높이(h) 또는 반경방향 연장선을 가진다. 제1 경사 표면(62)는 제1 환형 표면(66)으로 전이되고 제2 경사 표면(64)은 제2 환형 표면(68)으로 전이된다.

환형 표면(66, 68)은 시스템 중심축(10)에 대해 수직으로 배열되고, 특히, 클램핑 공간(8)의 제1 측벽(28) 또는 제2 측벽(30)에 상응한다. 각각의 경우, 상기 환형 표면들은 클램핑 섹션(52)의 높이의 약 절반만큼 연장되는 축방향 만입부(axial indentation)(70, 72)를 포함한다. 따라서, 만입부(70, 72)는 서로 반대 방향으로 배열되며, 축방향에서 환형 표면(66, 68)으로부터 바라보면, 서로 반대 방향으로 웨지-형태로 점점 줄어든다(taper off). 환형 표면(66, 68)은 두 표면 사이에서 연장되는 외부 주변 표면(74)으로 전이된다.

천장 표면(32)에 상응하는 클램핑 섹션의 중심을 향해 배열된 외부 주변 표면(74)은 서로에 대해 반대 방향으로 각도를 이루는 2개의 경사 부분 표면을 포함하며, 이에 상응하게 천장 표면(32)은 중앙의 표면 함몰부(76)를 포함한다. 표면 함몰부(76)는 클램핑 공간(8)의 천장 표면(32)의 표면 오프셋(36)에 상응하도록 구성되어, 따라서 시스템 중심축(10)에 대해 평행하거나 혹은 거의 평행하도록 연장된다.

바람직하게는, 클램핑 섹션(52)은 1.5 내지 1.7의 폭-높이 비를 가지며, 여기서 폭(B)은 축방향으로 연장되고 높이(H)는 반경 방향으로 연장된다. 특히, 클램핑 섹션(52)과 클램핑 공간(8)은 높이가 동일한데, 클램핑 섹션(52)은 클램핑 공간(8)보다 10% 내지 12%만큼 더 큰 폭(B)을 가진다. 이에 따라, 밀봉 링은 응력 없이 또는 거의 응력 없이 개방 클램핑 공간 내에 삽입될 수 있으며, 함께 이동되는 지지 링으로 인해, 오직 축방향으로 밀폐되는(axial closing) 동안에만 축방향으로 조여지거나 압축된다.

내부 주변 표면(58, 60)으로부터 시작하여, 연결 웹(56)은 반경 방향으로 내부를 향해 안내되며(guided), 저압 면 상에서, 축방향으로 클램핑 섹션(52)을 초과하여 제공된다. 저압 면(18)의 방향에서 반경 방향으로 연장되는 라인(83)과 중심선(81) 또는 연결 웹(56) 사이의 각도(γ)는 25° 내지 35° 사이이며, 도 4의 도면에 따르면, 상기 라인(83)은 수직이다. 연결 웹(56)은 저압 면 위에서는 제1 웹 표면(78)을 가지며 고압 면 위에서는 맞은편의 제2 웹 표면(80)을 가진다. 웹 표면(78, 80)은 서로 평행하거나 또는 거의 평행하도록 연장되며, 실질적으로 스프링 길이 또는 길이(l1) 상에서 연결 웹(56)은 균일한 폭(b1) 또는 균일한 횡단면을 가진다. 상기 길이는 중심선(81)을 따라 측정된다. 바람직하게는, 연결 웹(56)의 길이-폭 비는 3.2 내지 5.3이다. 클램핑 섹션(52)으로부터 연결 웹(56)까지의 전이 영역(transition region)에서, 저압 면 상의 연결 웹(56)은 제1 지지 링(4)의 제1 경사 틈 표면(40)에 상응하도록 형성된 경사 전이 표면(82)에 의해 증가된다.

이에 따라, 전이 영역에서, 연결 웹(56)은 제1 지지 링(4)에 대해 정지되며(rest), 따라서 상기 전이 영역이 안정화된다(stabilized)(도 1 및 2). 길이(l1)는 내부 주변 표면(58, 60) 사이의 가상의 연결선으로부터 고압 면 상에서 밀봉 립(54)의 스프링-공간 경계결정 표면(84)의 실질적인 연장 방향으로 측정된다. 연결 웹(56)은 밀봉 립(54)보다 더 길거나, 혹은 밀봉 립(54)은 연결 웹(56)보다 더 짧다. 연결 웹(56):밀봉 립(54)의 바람직한 길이 비는 l1:l2 = 1.25 내지 2.5 값 범위에 있거나, 혹은 밀봉 립(54):연결 웹(56)의 길이 비는 l2:l1 = 0.4 내지 0.8 비율이다.

연결 웹(56)으로부터 시작하여, 밀봉 립(54)은 연결 웹(76)에 대해 맞은편 축방향에서 반경 방향으로 내부를 향해 각도를 이룬다. 고압 면 상에서, 상기 밀봉 립(54)은 연결 웹(56)으로부터, 바람직하게는, 90° 내지 110° 사이의 각도(β)로 연장된다. 밀봉 립(54)의 연장선은 밀봉 에지(86)가 클램핑 섹션(52)의 제2 환형 표면(68)에 대해 축방향으로 눕혀지도록(axially set back) 형성된다. 한계 영역(marginal region) 외에도, 스프링-공간 경계결정 표면(84) 영역에서, 따라서, 스프링 길이 또는 길이(l2)에 걸쳐, 상기 밀봉 립(54)은 균일한 폭(b2) 따라서 균일한 횡단면을 가진다. 바람직하게는, 밀봉 립(54)의 길이-폭 비는 1.3 내지 2.5이다.

스프링-공간 경계결정 표면(84)은 스프링 공간(88)을 반경 방향으로 내부를 향해 경계를 결정한다. 스프링 공간(88)은 환형 스프링(90)을 수용하도록 사용되며 밀봉 립(54) 외부에서 반경 방향으로 위치될 수 있도록 형성된다. 스프링 공간(88)은 연결 웹(56)의 제2 웹 표면(80)에 의해, 그리고, 한 단부에서 밀봉 립(54)으로부터 반경 방향으로 내부를 향해 연장되는 후크 섹션(94)의 맞은편 오목한 후크 표면(92)에 의해, 축방향으로 경계가 정해진다. 상기 환형 스프링은 밀봉 에지(86)의 접촉력(contact force)을 증가시키도록 사용된다. 환형 스프링(90)을 위한 삽입 틈(96)을 줄이기 위하여, 연결 웹(56)의 제2 웹 표면(80) 상에, 후크 섹션(9)까지 반경 방향으로 외부를 향해 연장되는 축방향 돌출부(98)가 배열된다.

밀봉 립(54)은 저압 면 상에서 바닥을 향하여 개방되는 복수의 윤활 포켓(100)을 포함한다. 도 5에 도시된 것과 같이, 윤활 포켓(100)은 밀봉 립(54)의 내주(internal circumference)에 걸쳐 균일하게 거리가 떨어져 있다. 상기 윤활 포켓(100)은 축방향으로 웨지-형태로 형성되며 축방향에서는 밀봉 에지(86)로부터 거리가 떨어져 위치되고 저압 면 위에서는 웹 표면(78)으로부터 거리가 떨어져 위치된다. 도 6에 도시된 것과 같이, 상기 윤활 포켓(100)은 밀봉 에지(86)로부터 일정 거리에 위치되는데, 상기 거리는 샤프트 직경(Wd)에 대한 거리이다. 바람직하게는, 거리(a)는 a = 0.004 x Wd + (2.1 내지 3.1)의 공식에 따라 계산된다. 윤활 포켓(100)은 반경 방향으로 외부 포켓 천장(102), 2개의 맞은편 포켓 플랭크(104, 106), 및 포켓 베이스(108)를 포함한다.

도 7, 8 및 9의 단면도에 따르면, 포켓 천장(102)의 디자인은 평면인 것이 바람직하다. 이에 비해, 포켓 플랭크(104, 106)는 각각의 경우 서로 오목하고, 볼록하거나 경사진다.

도 10, 11 및 12의 단면도에 따르면, 포켓 베이스(108)는 포켓 플랭크(104, 106)와 비슷하게 볼록하고, 오목하거나 경사지도록 형성될 수 있다. 포켓 플랭크(104, 106) 및/또는 포켓 베이스(108)의 형태와 관계없이, 윤활 포켓(100)의 디자인에서, 도 10, 11 및 12에 도시된 것과 같이, 윤활 포켓의 깊이(t)는 저압 면 위에서 마우스 영역(109)으로부터 포켓 베이스(108)의 방향으로 증가된다. 작동 시에, 윤활 포켓(100)은 저압 면 상에 유체를 포함하는데, 깊이(t)가 증가됨에 따라, 각각의 마우스 영역(109)은 줄어든 횡단면을 가진다. 고압 면(16) 상에서 압력이 갑자기 늘어나는 동안, 좁다란 마우스 영역(109)은 유체가 윤활 포켓(100)으로부터 즉시 압축되는 것을 방지한다. 유체는 마우스 영역(109)의 상류에 있는(upstream) 윤활 포켓(100) 내에 쌓이게 되며(bank up), 이 부분에서 유체는 국소적인 지지 요소(supporting element)로서 작용하며, 이에 따라, 밀봉 링(2)의 실질적인 변형 및/또는 밀봉 에지(86)와 샤프트(14) 또는 베어링 부싱 사이의 과도한 접촉이 방지되고, 밀봉 에지(86), 따라서 밀봉 립(54)의 마모에 미치는 영향이 줄어든다.

도 13, 14 및 15는 밀봉 시스템(1)을 제1 설치 방향으로 설치하는 방법을 도시한다. 도 16, 17 및 18은 제2 설치 방향으로 즉 반대 방향으로 설치하는 방법을 도시한다. 두 설치 방법 사이의 차이점은 다음과 같다. 도 13, 14 및 15에 따른 제1 설치 방법에서, 우선, 밀봉 링(2)은 축방향으로 개방된 클램핑 공간(8)에서 제1 지지 링(4) 위에 위치되고, 오직 이렇게 위치되고 난 후에, 클램핑 공간(8)은 제2 지지 링(6)에 의해 축방향으로 밀폐된다. 이에 비해, 밀봉 링(2)의 제2 설치 방법에서, 우선, 클램핑 섹션(52)은 축방향으로 개방된 클램핑 공간(8)에서 제2 지지 링(6)에 대해 위치되며, 이렇게 위치되고 난 뒤, 클램핑 공간(8)은 제1 지지 링(4)에 의해 축방향으로 밀폐된다.

밀봉 링(2)이 밀봉 링을 수용하는 지지 링(4 또는 6)에 대한 상대 위치를 변경하는 것을 방지하기 위하여, 클램핑 공간(8)은 축방향으로 개방되고 축방향 돌출부(33)는 밀봉 링(2)이 우선 위치되는 지지 링(4 또는 6) 위에 제공되는 것이 바람직하다. 따라서, 도 13, 14 및 15에 도시된 제1 설치 방향에 따르면, 축방향 돌출부(33)는 제1 지지 링(4) 위에 제공되고, 숄더 표면(35)은 제2 지지 링(6) 상에 제공된다. 따라서, 반대 방향으로 설치되는 것을 보여주는 도 16, 17 및 18에서, 축방향 돌출부(33)는 제2 지지 링(6) 위에 제공되며 숄더 표면(35)은 제1 지지 링(4) 위에 제공된다.

두 설치 방법은, 하우징 면(housing side) 위에는 경사진 런-온 표면(24, 26)이 제공되고, 이에 상응하게, 밀봉 링 면(ring side) 위에는 경사 표면(62, 64)이 제공되기 때문에, 지지 링(4, 6)의 설치 순서에 관계없이, 그리고, 밀봉 링(2)의 설치 방향에 관계없이, 클램핑 공간(8) 또는 지지 링(4, 6)에 대해, 적절할 뿐만 아니라 자체-조정적으로(self-centring) 밀봉 링(2)을 설치하는 것이 가능해진다. 클램핑 공간(8)과 클램핑 섹션(52)의 거의 직사각형인 형태로 인해, 설치 과정 동안 밀봉 링(2)을 원하는 위치에 고정 배치된다. 표면 함몰부(76) 내의 클램핑 공간(8)의 천장 면 위에, 클램핑 섹션(52)의 외측 주변 면 위에, 표면 오프셋(36)이 결합되기 때문에, 위에 설명한 것과 같이, 양의 끼워맞춤(positive fit) 방식으로 클램핑 공간(8)의 개방 상태에서 고정되는데, 이에 따라 적절한 설치 과정이 용이하게 된다. 물론, 표면 오프셋(36)과 표면 함몰부(76)는 그 외의 다른 방식으로 형성될 수 있는데, 예를 들어, 에지(edge) 및 이에 상응하는 오목부(depression) 형태로 형성될 수 있으며, 천장 표면과 클램핑 섹션은 둘 다 에지 또는 오목부를 포함할 수 있다. 클램핑 섹션(52)과 클램핑 공간(8)의 높이(H)는 동일하지만, 클램핑 섹션(52)은 클램핑 공간(8)보다 더 넓은 폭(B)을 가지며, 밀봉 링(2)은 응력 없이 또는 응력이 거의 없이 개방 클램핑 공간(8) 내에 삽입될 수 있으며, 함께 이동되는 지지 링(4, 6)으로 인해, 오직 축방향으로 밀폐되는(axial closing) 동안에만 축방향으로 조여지거나 압축된다.

본 명세서에는 액체 매질에 대해 샤프트, 가령, 예를 들어, 프로펠러 샤프트, 임펠러 샤프트, 선박의 러더 스톡 등을 밀봉하기 위한 밀봉 시스템이 기술되는데, 하나 이상의 밀봉 링을 클램핑 고정하기 위한 클램핑 공간의 반경 방향으로 내부에 위치된 맞은편 코너 영역들은 환형 틈으로부터 반경 방향으로 외부를 향해 바라볼 때 발산되는(diverge) 경사진 런-온 표면에 의해 형성되며, 클램핑 공간 내에 수용하기 위해 밀봉 링의 클램핑 섹션은 런-온 표면에 상응하는 경사 표면들에 의해 형성되는 2개의 맞은편 에지 영역들, 및 상기 밀봉 시스템을 위한 밀봉 링을 포함한다.

1 : 밀봉 시스템 2 : 밀봉 링
4 : 제1 지지 링 6 : 제2 지지 링
8 : 클램핑 공간 10 : 시스템 중심축
12 : 환형 틈 14 : 샤프트
16 : 고압 면 18 : 저압 면
20 : 제1 바닥 표면 22 : 제2 바닥 표면
24 : 제1 런-온 표면 26 : 제2 런-온 표면
28 : 제1 측벽 30 : 제2 측벽
32 : 천장 표면 33 : 축방향 돌출부
34 : 제1 부분 표면 35 : 숄더 표면
36 : 표면 오프셋 37 : 제2 부분 표면
38 : 가장 좁은 횡단면 39 : 환형 전방 표면
40 : 제1 틈 표면 42 : 제2 틈 표면
44 : 아치형 표면 46 : 아치형 표면
48 : 연장선 50 : 내부 주변 표면
52 : 클램핑 섹션 54 : 밀봉 립
56 : 연결 웹 58 : 제1 내부 주변 표면
60 : 제2 내부 주변 표면 62 : 제1 경사 표면
64 : 제2 경사 표면 66 : 제1 환형 표면
68 : 제2 환형 표면 70 : 만입부
72 : 만입부 74 : 내부 주변 표면
76 : 표면 오목부 78 : 제1 웹 표면
80 : 제2 웹 표면 81 : 중심선
82 : 경사 전이 표면 83 : 수직선
84 : 스프링-공간 경계결정 표면 86 : 밀봉 에지
88 : 스프링 공간 90 : 스프링
92 : 후크 표면 94 : 후크 섹션
96 : 삽입 틈 98 : 축방향 돌출부
100 : 윤활 포켓 102 : 포켓 천장
104 : 포켓 플랭크 106 : 포켓 플랭크
108 : 포켓 베이스 109 : 마우스 영역
a : 윤활 포켓으로부터 밀봉 에지까지의 거리
B : 폭 클램핑 섹션 b1 : 폭 연결 웹
b2 : 폭 밀봉 립
h : 높이 런-온 표면 및 경사 표면
H : 높이 클램핑 섹션 l1 : 길이 연결 웹
l2 : 길이 밀봉 립 t : 깊이 윤활 포켓
Wd : 샤프트 직경

Claims

액체 매질에 대해 샤프트(14)를 밀봉하기 위한 밀봉 시스템(1)으로서, 상기 밀봉 시스템(1)은 하우징의 한 면에 있는 지지 링(4, 6)과 하나 이상의 밀봉 링(2)을 포함하고, 상기 지지 링(4, 6)은 밀봉 링(2)을 클램프 고정하기 위한 클램핑 공간(8)을 형성하며, 시스템 중심축(10)에 대해, 상기 클램핑 공간(8)은 지지 링들 사이에서 밀봉 링(2)을 공급하기 위해 환형 틈(12)에 의해 반경 방향으로 내부를 향해 개방되고, 밀봉 링(2)은 클램핑 공간(8) 내에 수용되기 위해 반경 방향으로 외부 클램핑 섹션(52), 샤프트(14)에 대해 직접 또는 간접적으로 정지시키기 위한 반경 방향으로 내부 밀봉 립(54), 및 밀봉 립(54)을 클램핑 섹션(52)에 연결시키기 위한 연결 웹(56)을 포함하는 밀봉 시스템에 있어서,
클램핑 공간(8)의 반경 방향으로 내부에 위치된 맞은편 코너 영역들이, 환형 틈(12)으로부터 반경 방향으로 외부를 향해 바라볼 때 발산되는(diverge) 경사진 런-온 표면(24, 26)에 의해 형성되며, 클램핑 섹션(52)은 런-온 표면(24, 26)에 상응하는 경사 표면(62, 64)들에 의해 형성되는 2개의 맞은편 에지 영역들을 포함하고,
클램핑 공간(8)은 반경 방향으로 내부 제1 바닥 표면(20) 및 반경 방향으로 내부 제2 바닥 표면(22)을 포함하며, 각각의 바닥 표면(20, 22)들은 시스템 중심축(10)에 평행이 되도록 정렬되고 환형 틈(12)에 의해 서로 이격되어 배열되며, 각각의 바닥 표면(20, 22)들은 시스템 중심축(10)에 대해 경사진 각각의 런-온 표면(24, 26)들로 전이(transition)되고,
각각의 바닥 표면(20, 22)들로부터 시작하여 상기 런-온 표면(24, 26)들은 반경 방향으로 외부를 향해 배열되는 것을 특징으로 하는 밀봉 시스템.
제1항에 있어서, 두 런-온 표면(24, 26)과 두 경사 표면(62, 64)은 크기가 동일하거나 또는 시스템 중심축(10)에 대해 동일한 각도로 배열되는 것을 특징으로 하는 밀봉 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 런-온 표면(24, 26)과 경사 표면(62, 64)은 샤프트 직경(Wd)에 대한 반경방향 연장선(radial extension)을 가지는 것을 특징으로 하는 밀봉 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 클램핑 섹션(52)은 클램핑 공간(8)보다 더 큰 반경방향 연장선 또는 축방향 연장선을 가지는 것을 특징으로 하는 밀봉 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 연결 웹(56)과 밀봉 립(54)은 각각의 길이에 걸쳐 균일한 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 밀봉 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 연결 웹(56)은 적어도 밀봉 립(54) 만큼 긴 것을 특징으로 하는 밀봉 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 밀봉 립(54)과 연결 웹(56) 사이의 각도(β)는 밀봉 립(54)의 이완된 상태(relaxed state)에서 90° 내지 110°인 것을 특징으로 하는 밀봉 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 다수의 윤활 포켓(100)이 밀봉 립(54)의 바닥 면 위에 형성되고, 윤활 포켓(100)은 밀봉 시스템(1)의 저압 면(18)을 향해 개방되는 것을 특징으로 하는 밀봉 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 밀봉 립(54)의 밀봉 에지(86)로부터 윤활 포켓(100)의 거리(a)는 샤프트 직경(Wd)에 대한 거리인 것을 특징으로 하는 밀봉 시스템.
제1항 또는 제2항에 따른 밀봉 시스템(1)을 위한 밀봉 링(2).