KR102458455B1 - 터보기계용 진공 중공축 제작장치, 상기 제작장치를 이용하여 터보기계용 진공 중공축을 제작하는 방법, 상기 방법에 의해 제작된 진공 중공축을 구비한 터보기계 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 터보기계용 진공 중공축 제작장치는 제1 관통구멍을 구비하는 커버, 상기 커버와 밀폐되게 결합하고, 석션용 포트가 형성된 케이싱, 상기 제1 관통구멍과 동심을 이루는 제2 관통구멍이 형성되고 상기 케이싱의 내부에서 상기 커버의 하면에 고정되는 가이드부, 상기 제1 관통구멍 및 상기 제2 관통구멍과 동심을 이루는 홈부가 형성되고, 상기 케이싱의 하부를 관통하여 상기 케이싱에 밀폐되게 결합하는 샤프트지지부, 그리고 상기 샤프트지지부를 통해 열을 전달하는 가열부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

터보기계용 진공 중공축 제작장치, 상기 제작장치를 이용하여 터보기계용 진공 중공축을 제작하는 방법, 상기 방법에 의해 제작된 진공 중공축을 구비한 터보기계{An apparatus for manufacturing a vacuum hollow shaft for a turbo-machine, method manufacturing the same by the apparatus, and turbomachine having the same manufactured by the method}

본 발명은 터보기계용 진공 중공축 제작장치에 관한 것으로서, 상세하게는 터빈 축에 진공 중공부가 구비되어 터빈 축을 통한 냉열 전달을 최소화할 수 있는 진공 중공축을 제작하는 장치에 관한 것이다.

진공 챔버는 진공 펌프에 의해 공기 및 기타 가스가 장비로부터 제거되는 장비로서, 이것은 흔히 진공이라고 부르는, 챔버 내의 저압 환경을 초래한다. 진공 환경은 연구자가 물리적 실험을 하거나, 예컨대 우주 환경에서 작동해야 하는 기계 장치를 테스트하도록 할 수 있다. 특히, 우주 공학 분야에서 자주 사용되는 진공 챔버는 열 진공 챔버로 인공위성 등이 우주에서 경험할 수 있는 열 환경을 제공한다.

도 1에는 극저온 열진공 환경을 구현하는 열진공 챔버(500)의 모식도가 예시적으로 도시되어 있다. 참고로, 도 1에서 도면부호 300은 압축기를, 도면부호 400은 터빈을 나타낸다.

그런데 이러한 극저온 열진공 환경에서, 터보기계의 터빈 축(600)을 통해서 열진공 챔버(500) 내의 냉열이 외부 상온 측으로 전달되면서 냉열 손실이 발생하는 문제점이 있다. 또한, 내부 극저온에서 외부 상온으로 전달된 냉열은 주위, 예를 들면, 베어링, 케이싱의 온도를 이슬점 이하로 낮추어 수증기의 응결 및 아이싱(icing) 현상을 야기하는 문제점을 가진다.

또한, 극저온 시스템용 터보기계는 수만 내지 수십만 회전속도(rpm)로 회전하기 때문에 고속회전 안정성이 매우 중요한데, 기존의 중공축을 구비한 터보기계는 용접, 나사체결과 같은 방법으로 축이 제작되어 회전 안정성이 충분히 확보되지 못하는 문제점이 있었다.

한국공개특허공보 제10-2010-0099129호(2010. 9. 10.)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 열손실을 최소화하도록 진공의 중공축을 형성하고, 또한 질량 편심을 최소화할 수 있는 터보기계용 진공 중공축 제작장치를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 터보기계용 진공 중공축 제작장치는 제1 관통구멍을 구비하는 커버, 상기 커버와 밀폐되게 결합하고, 석션용 포트가 형성된 케이싱, 상기 제1 관통구멍과 동심을 이루는 제2 관통구멍이 형성되고 상기 케이싱의 내부에서 상기 커버의 하면에 고정되는 가이드부, 상기 제1 관통구멍 및 상기 제2 관통구멍과 동심을 이루는 홈부가 형성되고, 상기 케이싱의 하부를 관통하여 상기 케이싱에 밀폐되게 결합하는 샤프트지지부, 그리고 상기 샤프트지지부를 통해 열을 전달하는 가열부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 관통구멍의 내벽에는 상기 제2 관통구멍과 동심을 이루는 베어링부가 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가열부는 상기 홈부에 열이 전달하도록 상기 샤프트지지부의 내벽에 삽입되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 케이싱은 내부 조립 상태를 확인하기 위한 투명검사창을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상술한 터보기계용 진공 중공축 제작장치를 이용하여 터보기계용 진공 중공축을 제작하는 방법의 한 실시예는, 주중공부가 형성된 제1 샤프트를 상기 홈부에 배치하는 단계, 상기 가열부를 통해 상기 홈부에 배치된 상기 제1 샤프트를 가열하여 팽창시키는 단계, 제2 샤프트를 상기 가이드부를 통해 삽입한 다음, 상기 커버를 상기 케이싱에 밀폐되게 조립하는 단계, 상기 석션용 포트를 통해 상기 케이싱 내부를 진공으로 만드는 단계, 그리고 상기 제2 샤프트를 상기 제1 샤프트의 주중공부에 삽입하여 열박음 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 샤프트는 상기 제1 샤프트의 숄더부에 걸리는 환형 걸림턱을 그 둘레에 구비하고, 상기 걸림턱의 아래에는 오링이 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 샤프트에는 주중공부가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 샤프트는 상기 제1 샤프트의 주중공부와 연결되어 통하는 진공공간확장용 부중공부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 터보기계의 한 실시예는 상술한 제작방법에 의해 제작된 터보기계용 진공 중공축을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 샤프트의 주중공부는 극저온 측에 가깝게 배치되어, 열차단 효율을 증대시킨 것을 특징으로 한다.

상술한 구성을 가진 본 발명의 한 실시예에 따르면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

먼저, 극저온 시스템에서 터빈 축을 통해 상온 측으로 냉열이 전달되어 냉열 손실이 발생하는 것을 방지할 수 있는 진공 중공축을 효과적으로 생산할 수 있다.

또한, 본 발명은 가이드부를 구비하여 진공 환경에서 제1 샤프트와 제2 샤프트를 서로 동심을 유지하면서 열박음 할 수 있어, 질량 편심을 최소화한 진공 중공축을 제작할 수 있다.

또한, 고속 회전 안정성을 확보하면서도 열전달을 최소화한 진공 중공축을 제작할 수 있어, 극저온 환경에서의 터보기계의 신뢰성을 증대시킬 수 있다.

한편, 본 발명은 명시적으로 기재되지는 않았지만 상술한 구성으로부터 기대할 수 있는 다른 효과도 물론 포함한다.

도 1은 극저온 열진공 환경을 구현하는 기존의 열진공 챔버의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 터보기계용 진공 중공축 제작장치의 주요 구성의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 터보기계용 진공 중공축을 제작하는 방법을 나타내며, 구체적으로 제1 샤프트를 샤프트지지부의 원통형 홈부에 배치하는 단계를 나타낸다.
도 4는 제2 샤프트를 커버의 관통구멍 및 가이드부의 관통구멍을 통해 삽입하는 단계를 나타낸다.
도 5는 제2 샤프트가 조립된 커버를 케이싱에 밀폐되게 조립하는 단계를 나타낸다.
도 6은 제2 샤프트의 말단을 제1 샤프트의 중공부에 삽입하여 열박음 하는 단계를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 터보기계용 진공 중공축을 제작하는 방법의 전체 플로우를 나타낸다.
도 8은 도 2의 장치 및 도 6의 방법에 따라 제작된 진공 중공축을 구비하는 터보기계를 나타낸다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 터보기계용 진공 중공축 제작장치의 주요 구성의 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 터보기계용 진공 중공축 제작장치(이하, 간단히 '본 진공 중공축 제작장치'라 함)는 커버(1), 케이싱(2), 가이드부(3), 샤프트지지부(4), 가열부(5)를 주요구성으로 포함한다.

커버(1)는 제1 관통구멍(11)을 구비한다. 제1 관통구멍(11)에는 후술하는 제2 샤프트(200)가 관통되게 삽입된다. 그리고 제1 관통구멍(11)의 측벽에는 오링홈(제1 오링홈, 12)이 형성될 수 있다.

케이싱(2)은 커버(1)와 밀폐되게 결합하고, 석션용 포트(21)가 형성되어 있다. 참고로, 케이싱(2)의 외부는 단열재 처리가 되어 있어, 열손실을 최소화할 수 있다.

그리고 케이싱(2)은 커버(1)에 체결수단(71)을 통해 고정되는 케이싱플랜지부(24)를 구비할 수 있다.

또한, 커버(1)와 고정되는 체결수단(71) 주위를 통해 공기 유출입을 차단하기 위하여 오링홈(제2 오링홈, 23)이 형성될 수 있다. 한편, 제2 오링홈(23)은 케이싱(2)에 형성되는 대신에, 커버(1)에 형성될 수도 있다.

또한, 케이싱(2)에는 내부 조립 상태를 확인하기 위한 투명검사창(sight glass)(22)이 구비될 수 있다.

가이드부(3)는 커버(1)의 제1 관통구멍(11)과 동심을 이루는 제2 관통구멍(31)을 구비한다. 제2 관통구멍(31)의 내벽에는 베어링부(32)가 구비되어 후술하는 제2 샤프트(200)가 가이드부(3)를 통과할 때, 원활하게 슬라이드 될 수 있도록 안내한다. 참고로, 베어링부(32)가 제2 관통구멍(31)의 내벽에 장착된 후 형성하는 내경은 제1 관통구멍(11)의 내경, 그리고 제2 샤프트(200)의 외경에 대응하는 것이 바람직하다.

가이드부(3)는 케이싱(2)의 내부에서 커버(1)의 하면에 체결수단(73)을 통해 고정된다. 이를 위해 가이드부(3)는 가이드부플랜지부(33)를 구비하는 것이 바람직하다.

샤프트지지부(4)는 커버(1)의 제1 관통구멍(11) 및 가이드부(3)의 제2 관통구멍(31)과 동심을 이루는 홈부, 예컨대 원통형 홈부(41)를 구비한다.

그리고 샤프트지지부(4)는 케이싱(2)의 하부를 관통하여 케이싱(2)에 밀폐되게 결합한다. 이를 위하여, 샤프트지지부(4)는 샤프트지지부플랜지부(43)를 구비하고, 샤프트지지부플랜지부(43) 및 케이싱(2)을 체결수단(72)을 통하여 서로 고정할 수 있다. 한편, 누설 방지를 위하여, 샤프트지지부(4)에는 오링홈(제3 오링홈, 42)가 구비될 수 있다. 물론, 이 오링홈(42)은 샤프트지지부(4) 대신에 케이싱(2)에 형성될 수도 있다.

샤프트지지부(4)의 원통형 홈부(41)에 장착되는, 후술되는 제1 샤프트(100)에 열을 가할 수 있는 가열부(5)가 샤프트지지부(4)에 구비된다. 예를 들면, 가열부(5)는 원통형 홈부(41)를 둘러싸도록 샤프트지지부(4)의 내벽에 삽입되어 제1 샤프트(100)에 균일하게 열이 전달되도록 할 수 있다.

이하에서는 도 3 내지 도 7을 참조하여, 상술한 터보기계용 진공 중공축 제작장치를 이용하여 터보기계용 진공 중공축을 제작하는 방법에 대하여 설명한다. 참고로, 도 3은 제1 샤프트를 샤프트지지부의 원통형홈부에 배치하는 단계를, 도 4는 제2 샤프트를 커버의 관통구멍 및 가이드부의 관통구멍을 통해 삽입하는 단계를, 도 5는 제2 샤프트가 조립된 커버를 케이싱에 밀폐되게 조립하는 단계를, 도 6은 제2 샤프트의 말단을 제1 샤프트의 중공부에 삽입하여 열박음 하는 단계를, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 터보기계용 진공 중공축을 제작하는 방법의 전체 플로우를 각각 나타낸다.

먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 샤프트(100)를 샤프트지지부(4)의 원통형 홈부(41)에 배치한다(S1). 여기서, 제1 샤프트(100)에는 최종적으로 진공이 형성될 주중공부(main hollow portion)(101)가 구비된다. 이 주중공부(101)는 제1 샤프트(100) 측에 형성되고, 이 주중공부(101)는 도 8에 도시된 바와 같이, 극저온 측에 가깝게 배치되어, 극저온 측으로부터 상온으로 냉열 전달을 효율적으로 차단할 수 있다.

다음, 가열부(5)에 전원을 부여하여 샤프트지지부(4)의 원통형 홈부(41)에 배치된 제1 샤프트(100)를 가열하여 팽창시킨다(S2).

다음, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 샤프트(200)를 가이드부(3)의 관통구멍(31)을 통해 삽입하여, 제2 샤프트(200)를 커버(1)에 결합한다(S3). 이때, 관통구멍(31) 내에는 베어링부(32)가 구비되어 제2 샤프트(200)가 원활하게 슬라이드 되도록 한다. 또한, 가이드부(3)가 구비됨으로써 제2 샤프트(200)가 흔들림 없이 커버(1)의 관통구멍(11)과 가이드부(3)의 관통구멍(31)을 통해 동심으로 삽입될 수 있다.

다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 샤프트(200)가 조립된 커버(1)를 케이싱(2)에 밀폐되게 조립한다(S4). 이때, 가이드부(3)를 통하여 제2 샤프트(200)를 충분히 지지해 줌으로써, 커버(1)를 케이싱(2)에 조립시, 제2 샤프트(200)의 흔들림을 방지할 수 있다.

다음, 석션용 포트(21)에 석션기구(미도시)를 연결하여 케이싱(2) 내부를 진공으로 만든다(S5).

다음, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 샤프트(200)의 말단을 제1 샤프트(100)의 주중공부(101)에 삽입하여 열박음(shrinkage fitting) 한다(S6).

이와 관련하여, 제2 샤프트(200)는 제1 샤프트(100)의 숄더부(shoulder portion)(102)에 안착하여 걸리는 환형 걸림턱(202)을 그 둘레에 구비함으로써, 미리 정해진 설계치수에 따라 열박음 되는 깊이를 적절하게 조절할 수 있다.

또한, 제2 샤프트(200)는 말단에 진공공간확장용 부중공부(auxiliary hollow portion)(201)를 더 구비할 수 있다. 구체적으로, 진공공간확장용 부중공부(201)는 제1 샤프트(100)의 주중공부(101)와 연결되어 통하도록 구성되어, 최종적으로 터빈 축의 진공부를 확장할 수 있다.

이러한 열박음 공정 시 가이드부(3)를 통하여, 제2 샤프트(200)를 제1 샤프트(100)를 향하여 동심을 유지하면서 수직(도 5 기준 상하 방향)으로 이동시킬 수 있어, 정밀한 열박음 공정이 진행될 수 있다. 만일, 이러한 가이드부(3)의 부재시에는 제2 샤프트(200)를 제1 샤프트(100)의 주중공부(101) 쪽으로 동심이 되게 정렬할 수 없어, 중공축의 질량 편심을 발생시키는 등 작업 불량의 가능성이 커지고 또한 정밀한 열박음 공정의 달성이 어렵다. 특히, 터빈기계 축의 고속 회전의 특성을 고려할 때, 이러한 질량 편심은 터빈 기계의 파손 등을 가져올 위험성이 대단히 높다.

열박음 후, 진공 상태를 보존하기 위하여, 제2 샤프트(200)는 환형 걸림턱(202)의 아래(도 6 기준 아래 방향)에는 오링이 삽입되는 오링홈(제3 오링홈, 203)이 구비되는 것이 바람직하다. 물론, 오링홈(203)을 제2 샤프트(200) 대신에, 제1 샤프트(100)의 내벽에 형성하는 것도 가능하다.

상술한 공정 동안에 외부에서 케이싱(2) 내부를 투명검사창(22)을 통하여 육안으로 직접 확인할 수 있어, 작업의 편의성 및 정확성이 증대될 수 있다.

한편, 상술된 공정들은 반드시 그 순서대로 진행될 필요는 없으며, 필요에 따라서는 그 순서를 바꾸어 진행할 수도 있다.

도 8에는 본 발명의 한 실시예에 따른 진공 중공축 제작방법에 의해 제작된 진공 중공축을 구비하는 터보기계가 극저온시스템에 장착된 한 예가 도시되어 있다. 설명의 편의상 터보기계의 나머지 구성은 도시 생략하고, 압축기(300)와 터빈(400)을 연결하는 축(600)이 진공의 중공축을 형성하고 있음을 나타내고 있다.

이러한 극저온 시스템에서 터보기계가 진공의 중공축을 구비함으로써, 극저온 측으로부터 상온 측으로 냉열이 축을 통하여 전달되는 것을 차단함으로써, 시스템에서의 냉열 손실을 방지할 수 있고, 또한 터보기계의 주변 기구에 수증기의 응결이나 아이싱 현상이 생기는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 터보기계용 진공 중공축 제작장치, 상기 제작장치를 이용하여 터보기계용 진공 중공축을 제작하는 방법, 상기 방법에 의해 제작된 진공 중공축을 구비한 터보기계는 LNG 액화장치, 수소액화장치 등의 다양한 극저온 시스템 환경에서 널리 활용될 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

1...커버
11...제1 관통구멍, 12...제1 오링홈
101...주중공부
2...케이싱
21...석션용 포트, 22...투명검사창
23...제2 오링홈, 24...케이싱플랜지부
3...가이드부
31...제2 관통구멍, 32...베어링부
33...가이드부플랜지부
4...샤프트지지부
41...원통형 홈부, 42...오링홈
43...샤프트지지부플랜지부
5...가열부

Claims (10)

1. 삭제
2. 제1 관통구멍을 구비하는 커버,
   상기 커버와 밀폐되게 결합하고, 석션용 포트가 형성된 케이싱,
   상기 제1 관통구멍과 동심을 이루는 제2 관통구멍이 형성되고 상기 케이싱의 내부에서 상기 커버의 하면에 고정되는 가이드부,
   상기 제1 관통구멍 및 상기 제2 관통구멍과 동심을 이루는 홈부가 형성되고, 상기 케이싱의 하부를 관통하여 상기 케이싱에 밀폐되게 결합하는 샤프트지지부, 그리고
   상기 샤프트지지부를 통해 열을 전달하는 가열부
   를 포함하며,
   상기 제2 관통구멍의 내벽에는 상기 제2 관통구멍과 동심을 이루는 베어링부가 구비되는
   터보기계용 진공 중공축 제작장치.
3. 제2항에서,
   상기 가열부는 상기 홈부에 열이 전달되도록 상기 샤프트지지부의 내벽에 삽입되는
   터보기계용 진공 중공축 제작장치.
4. 제2항에서,
   상기 케이싱은 내부 조립 상태를 확인하기 위한 투명검사창을 구비하는
   터보기계용 진공 중공축 제작장치.
5. 제3항 또는 제4항에 따른 터보기계용 진공 중공축 제작장치를 이용하여 터보기계용 진공 중공축을 제작하는 방법에 있어서,
   주중공부가 형성된 제1 샤프트를 상기 홈부에 배치하는 단계,
   상기 가열부를 통해 상기 홈부에 배치된 상기 제1 샤프트를 가열하여 팽창시키는 단계,
   제2 샤프트를 상기 가이드부를 통해 삽입한 다음, 상기 커버를 상기 케이싱에 밀폐되게 조립하는 단계,
   상기 석션용 포트를 통해 상기 케이싱 내부를 진공으로 만드는 단계, 그리고
   상기 제2 샤프트를 상기 제1 샤프트의 주중공부에 삽입하여 열박음 하는 단계
   를 포함하는
   터보기계용 진공 중공축 제작방법.
6. 제5항에서,
   상기 제2 샤프트는 상기 제1 샤프트의 숄더부에 걸리는 환형 걸림턱을 그 둘레에 구비하고, 상기 걸림턱의 아래에는 오링이 구비된
   터보기계용 진공 중공축 제작방법.
7. 제6항에서,
   상기 제1 샤프트에는 주중공부가 형성된
   터보기계용 진공 중공축 제작방법.
8. 제7항에서,
   상기 제2 샤프트는 상기 제1 샤프트의 주중공부와 연결되어 통하는 진공공간확장용 부중공부를 구비하는
   터보기계용 진공 중공축 제작방법.
9. 제8항에 따른 제작방법에 의해 제작된 터보기계용 진공 중공축을 구비하는 터보기계.
10. 제9항에서,
    상기 제1 샤프트의 주중공부는 극저온시스템의 극저온 측에 가깝게 배치되어, 열차단 효율을 증대시키는 터보기계.

Images