KR102480696B1 - 회전형 부시를 갖는 베어링 시스템 및 터보기계 - Google Patents

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Abstract

베어링 시스템(600)은, 유체 베어링(610), 중실 부분(624)을 갖는 샤프트(620), 및 상기 중실 부분(624) 둘레에 그리고 유체 베어링(610)의 패드 또는 패드들(612) 전방에 위치하게 되는 부시(630)를 포함하며; 부시(630)는, 중공 부분(632) 및, 부시(630)의 중공 부분(632)을 샤프트(620)의 중실 부분(624)에 고정하는, 복수의 지지 요소(634)를 포함한다.

Description

회전형 부시를 갖는 베어링 시스템 및 터보기계{BEARING SYSTEM WITH A ROTARY BUSH AND TURBOMACHINE}
본 명세서에 개시되는 대상의 실시예들은, 유체 베어링에 의해 지지되는 샤프트 내의 온도를 균일하게 하는 방법, 베어링 시스템들 및 터보기계들에 대응한다.
회전형 기계의 로터는, 특수한 장치에 의해 회전 가능하게 지지되며; 특히 기계의 샤프트는, 하나 이상의 베어링에 의해 지지된다.
도 1은, 스테이터(110) 및 로터(120)를 포함하는 터보기계(100)를 개략적으로 도시한다. 예를 들어, 로터(120)는, 제1 측부로부터 돌출하는 제1 샤프트 단부-부분(121) 및 제2 측부로부터 돌출하는 제2 샤프트 단부-부분(122)을 갖는 회전 샤프트를 구비하며, 그리고 스테이터(110)는, 제1 샤프트 단부-부분(121)을 회전 가능하게 지지하는 제1 유체 베어링(111) 및 제2 샤프트 단부-부분(122)을 회전 가능하게 지지하는 제2 유체 베어링(112)을 구비한다.
("유체 역학적 베어링들" 및 "정압 베어링들"과 같이 크게 2가지 유형으로 분류될 수 있는, "유체-막 베어링들"로도 공지되는) 여러 유형의 "유체 베어링들": 즉, 평면 베어링들, 레몬 베어링들, 경사-패드 베어링들, 등이, 존재한다.
도 2는, 종래기술에 따른 평면 유체 베어링 시스템(200)을 개략적으로 도시한다. 평면 유체 베어링 시스템은, 저널(211)(도 2에서 2개의 점선에 의해 경계가 한정되는 샤프트의 축방향 부분에 대응함)을 갖는 회전 샤프트(210)(도 2에 부분적으로 도시됨), 및 평면 유체 베어링(220)을 포함하며; 저널(211)은, 베어링(220) 내부에 위치하게 된다. 베어링(220), 회전 저널(211) 둘레의 원통형 베어링 고정 패드(221)(그러한 "패드"는 흔히 그의 원통형 형상으로 인해 "부시"로 지칭됨)를 구비하며, 그리고 저널(211) 둘레에서 패드(221)와 저널(211) 사이에 작은 간극이 존재한다. 샤프트(210)의 회전 도중에, 윤활 유체(LF)가, 접촉을 방지하고 마찰을 감소시키기 위해, 패드(221)와 저널(211) 사이에 주입되며; 윤활 유체(LF)는 전형적으로 패드(221)의 중간(때때로 도 2에서와 같이 중심)으로부터 베어링(220)의 양 측부로 유동한다.
도 2는, 샤프트(210)의 축 및 베어링(220)의 저널 시트의 축(230)이 일치하며; 이 경우에, 패드(221)와 저널(211) 사이의 간극이, 전체 저널(211) 둘레에서 균일한, (이상적인 것으로 간주될 수 있는) 이론적 상태를 도시한다.
여하튼, 샤프트(210)의 회전 도중에 회전형 기계 내에서, 2개의 축은 일치하지 않으며; 이들은 서로 이격되거나 및/또는 경사질 수 있을 것이다.
예로서, 도 3은, 샤프트(210)가 자체의 축을 중심으로 회전함에 따른, 패드(221) 내부에서의 저널(211)의 4개의 연속적인 위치들을 도시하고; 저널(211)은, 자체의 축을 중심으로 회전 운동하며 그리고 베어링의 축(230)을 중심으로 궤도 운동하고; 도 3a의 위치로부터 출발하여, 저널은, 시계 방향으로 90° 회전 운동하며 그리고 시계 방향으로 90° 궤도 운동하여, 도 3b의 위치에 도달하고, 이어서 저널은, 시계 방향으로 90° 회전 운동하며 그리고 시계 방향으로 90° 궤도 운동하여, 도 3c의 위치에 도달하며, 이어서 저널은, 시계 방향으로 90° 회전 운동하며 그리고 시계 방향으로 90° 궤도 운동하여, 도 3d의 위치에 도달한다.
이 경우에, 패드(221)와 저널(211) 사이의 간극은 균일하지 않고; 특히, 저널(211)의 직경(D) 상의 지점(A)이 고려되는 경우, 지점(A)과 패드(221) 사이의 거리는, 항상 동일하게 유지되며 (또는 크게 변하지 않으며); 이는, 지점(A)의 구역에서의 저널의 온도가 예를 들어 저널의 반대편 구역에서의 온도보다 더 높을 것이라는 것을 의미한다.
도 4는, 저널(211)의 직경(D)을 따르는 예시적인 단순화된 온도 도표를 도시하고; 직경(D)의 (지점(A)에 가까운) 제1 단부(E1)에, 높은 온도(T1)가 존재하며, 직경(D)의 (지점(A)으로부터 먼) 제2 단부(E2)에, 낮은 온도(T2)가 존재하고; 이러한 온도 도표는, 완벽하게 직선형 선분이며; 더욱 현실적으로, 온도 도표는 약간 곡선형 선분이다. 그러한 저널 내부의 불-균일 오도 분포는, 저널에서의 샤프트의 구부러짐 및 동기식 로터 진동, 즉 소위 "모튼 효과(Morton Effect)"를 야기하고; 특정 조건 하에서, 특히 고속 터보기계들에서, 이는, 동기식 로터 불안정성으로 이어질 수 있다.
그러한 문제점을 극복하기 위해, 문헌 WO2015002924A1은, 저널에서 샤프트 둘레에 튜브형 몸체를 배열하도록 교시하고; 튜브형 몸체는, 샤프트의 회전에 의해 발생하는 열의 적어도 일부분을 흡수하는 열적 장벽을 포함한다. 이러한 방식에서, 불-균일성 감소는, 열적 장벽의 폭 및 재료에 의존한다.
따라서, 유체 베어링에 의해 지지되는 샤프트 저널 내부에서 불-균일 온도 분포를 방지할, 또는 적어도 불-균일성을 상당히 감소시킬, 일반적인 필요성이 존재한다.
이러한 필요성은, "원유 및 가스"의 분야에서 사용되는 것들과 같은 터보기계들에 대해, 즉 원유 및/또는 가스의 탐사, 생산, 저장, 정제 및 유통을 위한 설비들에서 사용되는 기계들에 대해, 특히 높다.
도 5에 도시된 것과 같은 불-균일 온도 분포가, 저널에서의 샤프트의 구부러짐 및 동기식 로터 진동을 야기하지 않고; 직경(D)을 따르는 이러한 온도 도표는, 저널의 축에 대해 대칭이며(예를 들어, 제1 단부(E1) 및 제2 단부(E2)에서의 온도들이 온도(T4)와 동등하며, 그리고 축에서의 온도(T5)는 온도(T4)보다 약간 낮다); 이러한 온도 도표는, 더욱 현실적으로 약간 곡선형 선분이어야 하는 것으로서, 과장되어 있다는 것을, 알게 될 것이다.
본 명세서에 개시되는 대상의 제1 실시예는, 베어링 시스템에 관한 것이다.
그러한 제1 실시예에 따르면, 베어링 시스템은, 유체 베어링, "샤프트 저널"로 지칭될 수 있는 중실 원통형 부분(solid cylindrical portion)을 갖는 샤프트, 및 상기 중실 원통형 부분 둘레에 그리고 유체 베어링의 패드 또는 패드들 전방에 위치하게 되는 부시를 포함하며; 부시는, 중공 원통형 부분 및, 부시의 중공 원통형 부분을 샤프트의 중실 원통형 부분에 고정하는, 복수의 지지 요소를 포함한다.
그러한 부시는, 샤프트 저널에 단열을 제공할 뿐만 아니라, 높은 가열에 종속되는 샤프트 저널의 구역의 부분들로부터 낮은 가열에 종속되는 샤프트 저널의 구역의 다른 부분들로 열을 전달하는 것을 허용한다. 이러한 방식으로, 균일한 온도가, 샤프트 저널의 적어도 반경 방향 둘레 구역에서 달성될 수 있을 것이다.
본 명세서에 개시되는 대상의 제2 실시예는, 터보기계에 관한 것이다.
그러한 제2 실시예에 따르면, 터보기계는, 적어도 하나의 베어링 시스템을 포함하고; 베어링 시스템은, 유체 베어링, 중실 원통형 부분을 갖는 샤프트, 및 상기 중실 원통형 부분 둘레에 그리고 유체 베어링의 패드 또는 패드들 전방에 위치하게 되는 부시를 포함하며; 부시는, 중공 원통형 부분 및, 부시의 중공 원통형 부분을 샤프트의 중실 원통형 부분에 고정하는, 복수의 지지 요소를 포함한다.
여기에 통합되며 그리고 본 명세서의 일체형 부분을 구성하는 첨부 도면들은, 본 발명의 대표적인 실시예들을 예시하며 그리고, 상세한 설명과 함께, 이러한 실시예들을 설명한다. 도면들에서:
도 1은, 베어링 시스템들을 갖는 터보기계를 개략적으로 도시하고,
도 2는, 종래기술에 따른 베어링 시스템을 개략적으로 도시하며,
도 3은, 도 2의 베어링 시스템에서 베어링 패드 내부에서의 샤프트 저널의 4개의 위치를 도시하고,
도 4는, 도 2의 베어링 시스템에서 샤프트 저널 내부의 예시적인 (단순화된) 온도 도표를 도시하며,
도 5는, 본 발명에 따른 샤프트 저널 내부의 예시적인 (과장된) 온도 도표를 도시하고,
도 6은, 베어링 시스템의 개념을 도시하며,
도 7은, 베어링 시스템의 제1 실시예를, 부분적으로 그리고 개략적으로 도시하고,
도 8은, 베어링 시스템의 제2 실시예를, 부분적으로 그리고 개략적으로 도시하며,
도 9는, 베어링 시스템의 제3 실시예를, 부분적으로 그리고 개략적으로 도시하고,
도 10은, 베어링 시스템의 제4 실시예를, 부분적으로 그리고 개략적으로 도시하며,
도 11은, 베어링 시스템의 제5 실시예를, 부분적으로 그리고 개략적으로 도시하고,
도 12는, 베어링 시스템의 제6 실시예를, 부분적으로 그리고 개략적으로 도시하며,
도 13은, 베어링 시스템의 제7 실시예를, 부분적으로 그리고 개략적으로 도시하고,
도 14는, 베어링 시스템의 제8 실시예를, 부분적으로 그리고 개략적으로 도시하며,
도 15는, 베어링 시스템의 제9 실시예를, 부분적으로 그리고 개략적으로 도시하고,
도 16은, 베어링 시스템의 제10 실시예를, 부분적으로 그리고 개략적으로 도시하며,
도 17은, 베어링 시스템의 제11 실시예를, 부분적으로 그리고 개략적으로 도시하며, 그리고
도 18은, 베어링 시스템의 제12 실시예를, 부분적으로 그리고 개략적으로 도시한다.
대표적인 실시예들에 대한 뒤따르는 설명은, 첨부 도면들을 참조한다.
뒤따르는 설명은, 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부 특허청구범위에 의해 한정된다.
"일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 명세서 전체에 걸친 참조는, 실시예와 연관되어 설명되는 특정 특징, 구조, 또는 특성이, 개시된 대상의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 명세서 전체에 걸친 여러 개소들에서의 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"와 같은 문구들의 출현은, 반드시 동일한 실시예를 참조하는 것은 아니다. 나아가, 특정 특정적 구성들, 구조들 또는 특성들이, 하나 이상의 실시예에서 임의의 적당한 방식으로 조합될 수 있을 것이다.
도 4의 도움으로 이미 설명된 바와 같이, 유체 베어링 내부에 위치하는 회전 샤프트의 저널 부분이 불-균일 가열에 종속되고; 저널 부분은, 유체 베어링의 패드 또는 패드들을 바라보는 샤프트의 부분이며; 달리 표현하면, 저널 부분의 일부 부분들, 즉 제1 부분들은, 저널 부분의 다른 (상이한) 부분들, 즉 제2 부분들보다 더 가열되고; 따라서, 회전 도중에, 제1 부분들은 특정 온도에 도달하며 그리고 제2 부분들은 더 낮은 온도에 도달한다. 그러한 열은, 샤프트의 저널 부분(도 2에서 '211' 그리고 도 6에서 '611'로 지시됨)과 일반적으로 베어링의 패드들(도 2에서 '221' 그리고 도 6에서 '621'로 지시됨) 사이의 간극 내의 베어링의 유체(윤활 유체(LF)) 내에서 발생한다.
불-균일성을 감소시키기 위한 제1 방식이, 고온 베어링 유체(윤활 유체(LF))로부터 저널 부분으로의 열 전달을 감소시키는 것이다.
불-균일성을 감소시키기 위한 제2 방식이, 저널 부분의 제1 부분들로부터 열을 제거하는 것 및 제거된 열을 그 밖의 어딘가에 제공하는 것이다. 특히, 불-균일성을 감소시키기 위한 하나의 방식이, 저널 부분의 제1 부분들로부터 열을 제거하는 것 및 제거된 열을 저널 부분의 제2 (상이한) 부분들에 제공하는 것이다. 따라서, 열은, 저널 부분의 제1 부분들로부터 전달된다.
도 6을 참조하면, 축(622)을 중심으로 한 샤프트(620)의 회전 도중에 유체 베어링(610)에 의해 회전 가능하게 지지되는 샤프트(620) 내의 온도를 균일하게 하는 방법이, 회전형 부시(630)에 기초하게 되고; 부시(630)는, 중공 원통형 부분(632) 및, 부시(630)의 (회전형) 중공 원통형 부분(632)을 샤프트(620)의 (회전형) 중실 원통형 부분(624)에 고정하는, 복수의 지지 요소(634)를 포함하며; 샤프트(620)의 중실 원통형 부분(624)은, 유체 베어링(610)의 패드 또는 패드들(612)의 전방에 놓이고; 간극(640)이, 중공 원통형 부분(632)과 패드 또는 패드들(612) 사이에 존재한다. 도 6에서, 베어링 시스템은, 전체로서, 참조 부호 '600'으로 지시된다. 도 6에서, 복수의 지지 요소는, 단일 박스(파선들)로 개략적으로 도시되며 그리고 참조 부호 '634'로 지시된다.
원통형에 대한 대안으로, 샤프트의 중실 부분은, 예를 들어, 전체 길이에 걸쳐 약간 원추형이거나, 또는 일 측부에서는 원통형이고 다른 측부에서는 약간 원추형이거나, 또는 제1 측부 및 제2 측부에서는 약간 원추형이고 중간에서는 원통형일 수 있다는 것을 알아야 한다.
원통형에 대한 대안으로, 부시의 중공 부분은, 예를 들어, 전체 길이에 걸쳐 약간 원추형이거나, 또는 일 측부에서는 원통형이고 다른 측부에서는 약간 원추형이거나, 또는 제1 측부 및 제2 측부에서는 약간 원추형이고 중간에서는 원통형일 수 있다는 것을 알아야 한다.
중공 원통형 부분(632)은, 간극(640) 내의 고온 윤활 유체(LF)와 샤프트(620)의 회전하는 중실 원통형 부분(624) 사이에 단열을 제공한다.
중공 원통형 부분(632) 내부에서, 유체, 예를 들어, 윤활 유체(LF) 또는 열-교환 유체(HEF)가 유동할 수 있으며; 유체의 그러한 유동은, 높은 가열에 종속되는 중실 원통형 부분(624)의 구역의 부분들로부터, 낮은 가열에 종속되는 중실 원통형 부분(624)의 구역의 다른 부분들로, 열을 전달하는 것을 허용한다.
이러한 방식으로, 균일한 온도가, 중실 원통형 부분(624)의 적어도 반경 방향 둘레 구역에서 달성될 수 있을 것이다.
도 6의 실시예에서, 중공 원통형 부분(632)은, 단열 재료의 층(636)에 의해 전체적으로 덮인다. 대안적으로, 이러한 부분은, 단열 재료로 이루어질 수 있을 것이다. 이러한 방식으로, 열이 축(622)을 향해 반경 방향으로 흐르는 것이 방지된다.
도 6의 실시예에서, 중공 원통형 부분(632)은, (바람직하게, 0.01 mm 내지 0.1 mm의 범위 내의 높이/깊이를 구비하는) 돌출부들 및/또는 만입부들을 갖는 외측 표면을 구비하는 층(636)에 의해 전체적으로 덮인다. 대안적으로, 이러한 부분은, (바람직하게, 0.01 mm 내지 0.1 mm의 범위 내의 높이/깊이를 구비하는) 돌출부들 및/또는 만입부들을 갖는, 외측 표면을 구비할 수 있을 것이다. 이러한 방식으로, 이러한 부분은 또한, 유체 베어링의 윤활 유체를 안내하기 위해 사용될 수 있을 것이다. 예를 들어 그리고 유리하게, 그러한 돌출부들 및/또는 만입부들은, 헤링본-형상(herringbone-shaped)일 수 있을 것이다. 돌출부들 및/또는 만입부들이, 중공 원통형 부분(632) 또는 그의 덮는 층(636)의 외측 표면 상에, 및/또는 베어링 패드(612)의 내측 표면 상에 존재할 수 있다는 것을 알아야 한다.
중공 원통형 부분(632)은, 강재로 이루어질 수 있으며, 10-50 mm의 폭을 구비할 수 있고(그의 외부 직경은, 그의 내부 직경보다 10-15% 더 클 수 있음), 베어링 패드 또는 샤프트 저널 부분의 직경의 0.4-1.0배의 길이를 구비할 수 있을 것이다. 중공 원통형 부분은, 샤프트 상의 저널 부분에 수축 끼워 맞춤될 수 있을 것이다.
층(636)은, 단열 재료로, 특히 PEEK(= 폴리에테르에테르케톤) 또는 PTFE(= 폴리테트라플루오로에틸렌)로 이루어질 수 있으며, 0.1-1.0 mm의 폭을 구비할 수 있고, 베어링 패드 또는 저널 부분의 직경의 0.4-1.0배의 길이를 구비할 수 있을 것이다. 층은, 샤프트 상에 부시를 장착하기 이전에 부시 상에 적용(예를 들어, 증착)될 수 있을 것이다.
도 6의 실시예에서, 윤활 유체가, 접촉을 방지하고 마찰을 감소시키기 위해, 패드(612)와 부분(632)의 층(636) 사이의 간극(640) 내에서 유동한다.
8개의 실시예가, 이하에서 설명될 것이고; 이들은, 그들의 부시들에 관해 그리고 그들의 윤활 유체 및/또는 열-교환 유체의 유동에 관해, 상이하다.
다른 실시예들이 본 발명의 범위 내에 속한다는 것을 알아야 한다.
도 7 내지 도 10의 베어링 시스템들(700, 800, 900, 1000)에서, 중공 원통형 부분(732, 832, 932, 1032)의 제1 단부에 위치하게 되는 제1 지지 요소 세트(734A, 834A, 934A, 1034A) 및 중공 원통형 부분(732, 832, 932, 1032)의 제2 단부에 위치하게 되는 제2 지지 요소 세트(734B, 834B, 934B, 1034B)가 존재하고; 이러한 방식으로, 환형 챔버(738, 838, 938, 1038)가, 부시의 중공 원통형 부분(732, 832, 932, 1032)과 샤프트(620)의 중실 원통형 부분(624) 사이에 한정된다.
대안적으로, 하나 이상의 지지 요소가, 중공 부분의 단부에 위치하지 않는 대신, 예를 들어, 단부로부터 거리를 둔 위치에 위치하게 될 수 있을 것이다.
도 15 및 도 16의 베어링 시스템들(1500, 1600)은, 도 9의 베어링 시스템과 유사하지만, 부가적인 기술적 효과를 달성하며 그리고 이후에 본 설명에서 설명될 것이다.
도 17 및 도 18의 베어링 시스템들(1700, 1800)은, 도 9의 베어링 시스템과 유사하지만, 부가적인 기술적 효과를 달성하며 그리고 이후에 본 설명에서 설명될 것이다.
제1 세트 및 제 2 세트의 지지 요소들(734A, 734B, 834A, 834B, 934A, 934B, 1034A, 1034B)은, 베인들(vanes)이다.
지지 요소들(734A, 734B, 834A, 834B, 934A, 934B, 1034A, 1034B)은, 부분(624) 둘레에 크라운(crown)을 형성할 수 있으며 그리고 그들 사이에서 균등하게 이격될 수 있을 것이다.
지지 요소들(734A, 734B, 834A, 834B, 934A, 934B, 1034A, 1034B)이 그들 사이에서 이격됨에 따라, 유체가 환형 챔버(738, 838, 938, 1038)에 들어가고 나올 수 있을 것이다. 그러한 유체는, 윤활 유체(LF) 또는 열-교환 유체(HEF)일 수 있으며; 유체가 적절하게 선택되면, 유체는, 윤활 유체와 열-교환 유체 양자 모두로서 작용할 수 있을 것이다.
도 7의 실시예에서, 베인들(734A, 734B)은, 베어링 시스템의 제2 측부(S2)로부터 베어링 시스템의 제1 측부(S1)로 샤프트(620)의 회전 도중에 열-교환 유체(HEF)의 유동을 생성하도록 성형되고 배치된다.
도 8의 실시예에서, 베인들(834A, 834B)은, 측부(S1)로부터 측부(S2)로 샤프트(620)의 회전 도중에 열-교환 유체(HEF)의 유동을 생성하도록 성형되고 배치된다.
바람직하게, 베인들(734A, 734B, 834A, 834B)은, 측부(S1)로부터 측부(S2)로 샤프트(620)의 회전 도중에 환형 챔버(738, 838) 내부의 나선-형상 유동 경로들을 통한 유체 유동을 생성하도록 성형되고 배치된다.
도 9의 실시예에서, 베인들(934A, 934B)은, 샤프트(620)의 회전 도중에 환형 챔버(938)로부터 베어링 시스템의 제1 측부(S1)로 그리고 베어링 시스템의 제2 측부(S2)로 유체 유동을 생성하도록 성형되고 배치된다. 도 9의 실시예에서, (열-교환 유체로서 작용하는) 이러한 유체는, 간극(640) 내에서 유동하는 동일한 윤활 유체(LF)이고; 윤활 유체는, 예를 들어 중공 원통형 부분(932) 내의 복수의 구멍을 통해 환형 챔버(938)에 들어간다. 대안적으로, 이러한 유체는, 간극(640) 내에서 유동하는 윤활 유체(LF)와 상이한 유체일 수 있을 것이다.
도 10의 실시예에서, 베인들(1034A, 1034B)은, 샤프트(620)의 회전 도중에 베어링 시스템의 제1 측부(S1)로부터 그리고 베어링 시스템의 제2 측부(S2)로부터 환형 챔버(1038)로 유체 유동을 생성하도록 성형되고 배치된다. 도 10의 실시예에서, (열-교환 유체로서 작용하는) 이러한 유체는, 간극(640) 내에서 유동하는 동일한 윤활 유체(LF)이고; 윤활 유체는, 예를 들어 중공 원통형 부분(1032) 내의 복수의 구멍을 통해 환형 챔버(1038)에서 나온다. 대안적으로, 이러한 유체는, 간극(640) 내에서 유동하는 윤활 유체(LF)와 상이한 유체일 수 있을 것이다.
바람직하게, 베인들(934A, 934B, 1034A, 1034B)은, 샤프트(620)의 회전 도중에 환형 챔버(938, 1038) 내부의 나선-형상 유동 경로들을 통한 2가지 유체 유동을 생성하도록 성형되고 배치된다.
도 11 내지 도 14의 베어링 시스템들(1100, 1200, 1300, 1400)에서, 지지 요소들은, 유체를 유동시키기 위한 나선-형상 통로들을 한정하는 1세트 또는 2세트의 나선-형상 벽(1134, 1234, 1334A, 1334B, 1434A, 1434B)이다.
그러한 유체는, 윤활 유체(LF) 또는 열-교환 유체(HEF)일 수 있으며; 유체가 적절하게 선택되면, 유체는, 윤활 유체와 열-교환 유체 양자 모두로서 작용할 수 있을 것이다.
도 11 및 도 12의 베어링 시스템들(1100, 1200)에서, 지지 요소들은, 적어도 베어링 시스템의 제1 측부(S1)와 베어링 시스템의 제2 측부(S2) 사이에서 연장되는 복수의 나선-형상 통로(1138, 1238)를 한정하는, 한 세트의 나선-형상 벽(1134, 1234)이고; 이러한 통로들(1138, 1238)은, 샤프트(620)의 회전 도중에 베어링 시스템의 일 측부로부터 베어링 시스템의 다른 측부로의 열-교환 유체(HEF)의 유동을 위해 배열된다.
도 11의 실시예에서, 벽들(1134)은, 베어링 시스템의 제2 측부(S2)로부터 베어링 시스템의 제1 측부(S1)로 샤프트(620)의 회전 도중에 열-교환 유체(HEF)의 유동을 생성하도록 성형되고 배치된다.
도 12의 실시예에서, 벽들(1234)은, 측부(S1)로부터 측부(S2)로 샤프트(620)의 회전 도중에 열-교환 유체(HEF)의 유동을 생성하도록 성형되고 배치된다.
도 13 및 도 14의 베어링 시스템들(1300, 1400)에서, 지지 요소들은, 적어도 베어링 시스템의 중앙 영역(1338, 1438)과 베어링 시스템의 제1 측부(S1) 사이에서 연장되는 제1 복수의 나선-형상 통로를 한정하는, 제1 세트의 나선-형상 벽(1334A, 1434A), 및 적어도 베어링 시스템의 중앙 영역(1338, 1438)과 베어링 시스템의 제2 측부(S2) 사이에서 연장되는 제2 복수의 나선-형상 통로를 한정하는, 제2 세트의 나선-형상 벽(1334B, 1434B)이고, 통로들은, 베어링 시스템의 중앙 영역(1338, 1438)과 베어링 시스템의 측부들(S1 및 S2) 사이의 유동을 위해 배열된다.
도 13 및 도 14의 실시예에서, (열-교환 유체로서 작용하는) 이러한 유체는, 간극(640) 내에서 유동하는 동일한 윤활 유체(LF)이다.
도 13의 실시예에서, 유체는, 샤프트(620)의 회전 도중에 베어링 시스템의 중앙 영역(1338)으로부터 베어링 시스템의 제1 측부(S1)로 그리고 베어링 시스템의 제2 측부(S2)로 유동한다.
도 14의 실시예에서, 유체는, 샤프트(620)의 회전 도중에 베어링 시스템의 제1 측부(S1)로부터 그리고 베어링 시스템의 제2 측부(S2)로부터 베어링 시스템의 중앙 영역(1438)으로 유동한다.
도 13 및 도 14의 베어링 시스템들(1300, 1400)에서, 환형 챔버가, 부시의 중공 원통형 부분(1332, 1432)과 샤프트(620)의 중실 원통형 부분(624) 사이에 한정되며, 그리고 (벽들(1334A, 1434A)이 그 내부에 위치하게 되는) 제1 측방 부분, (벽들(1334B, 1434B)이 그 내부에 위치하게 되는) 제2 측방 부분, 및 중앙 부분(1338, 1438)을 포함한다.
각각의 이상에 언급된 통로는, 샤프트(620)의 축(622) 둘레로 복수의 회전(turn)을 포함할 수 있으며; 회전의 수는, 0.1 내지 10.0, 바람직하게 0.25 내지 4.0, 더욱 바람직하게 0.5 내지 2.0의 범위 이내일 수 있을 것이다.
각각의 이상에 언급된 통로의 피치는, 유체 베어링의 축 방향 길이의 복수 배에 해당할 수 있으며; 배수는, 10.0 내지 0.1, 바람직하게 4.0 내지 0.25, 더욱 바람직하게 2.0 내지 0.5의 범위 이내일 수 있을 것이다. 도 6 내지 도 14의 실시예들에서, 유체 베어링의 축방향 길이는, 패드 또는 패드들(612)의 길이 또는 중공 원통형 부분(632)의 길이로 고려될 수 있을 것이다.
샤프트(620)의 회전은, 부시(630)의 중공 원통형 부분(632)과 샤프트(620)의 중실 원통형 부분(624) 사이에 한정되는 환형 챔버를 따라 유체를 펌핑한다는 것을 알아야 한다.
도 15 및 도 16의 베어링 시스템들(1500, 1600)에서, 중공 원통형 부분(1532, 1632)의 제1 단부에 위치하게 되는 제1 지지 요소 세트(1534A, 1534A) 및 중공 원통형 부분(1532, 1532)의 제2 단부에 위치하게 되는 제2 지지 요소 세트(1534B, 1634B)가 존재하고(지지 요소들(1634B)은 단일 부재일 수 있음); 이러한 방식으로, 환형 챔버(1538, 1638)가, 부시의 중공 원통형 부분(1532, 1632)과 샤프트(620)의 중실 원통형 부분(624) 사이에 한정된다.
지지 요소들(1534A, 1534B, 1634A)은, 베인들이다.
지지 요소들(1534A, 1534B, 1634A)은, 부분(624) 둘레에 크라운을 형성할 수 있으며 그리고 그들 사이에서 균등하게 이격될 수 있을 것이다.
지지 요소들(1534A, 1534B, 1634A)이 그들 사이에서 이격됨에 따라, 유체가 환형 챔버(1538, 1638)에서 나올 수 있을 것이다. 전형적으로, 샤프트(620)가 회전하지 않을 때, 환형 챔버(1538, 1638)는 윤활 유체(LF)로 채워지고, 샤프트(620)가 회전하기 시작할 때, 윤활 유체 유동이 생성되며 그리고 윤활 유체(LF)가 환형 챔버(1538, 1638)에서 나오기 시작하고, 샤프트(620)가 회전할 때, 환형 챔버(1538, 1638)는 윤활 유체(LF)에 대해 전체적으로 또는 부분적으로 비어 있게 된다("비어 있는"은, 환형 챔버(1538, 1638) 내부의 윤활 유체(LF)의 압력이 환형 챔버(1538, 1638) 외부보다 낮다는 가능성을 포함한다). 이러한 방식으로, 베어링 시스템(1500, 1600)의 간극 내의 고온 윤활 유체(LF)와 샤프트(620)의 원통형 부분(624)을 격리하는 기술적 효과가 달성된다.
도 15의 실시예에서, 베인들(1534A, 1534B)은, 환형 챔버(1538)로부터 베어링 시스템의 제1 측부(S1)로 그리고 베어링 시스템의 제2 측부(S2)로 유체 유동을 생성하도록 성형되고 배치된다.
도 16의 실시예에서, 베인들(1634A) 및 지지 요소 또는 요소들(1634B)은, 환형 챔버(1638)로부터 단지 베어링 시스템의 일 측부로만, 특히 베어링 시스템의 제1 측부(S1)로만, 유체 유동을 생성하도록 성형되고 배치된다.
도 15 및 도 16의 실시예의 것과 유사한 기술적 효과가, 나선-형상 통로들이 사용될 때, 또한 달성될 수 있을 것이다.
도 11 또는 도 12를 고려하면, 베어링 시스템은, 나선-형상 통로들이 샤프트의 회전 도중에 전체적으로 또는 부분적으로 비어 있도록, 배열될 수 있을 것이다.
도 13을 고려하면, 베어링 시스템은, 제1 세트 및 제2 세트의 나선-형상 통로들이 샤프트의 회전 도중에 비어 있도록, 배열될 수 있을 것이다.
도 17 및 도 18의 베어링 시스템들(1700, 1800)에서, 중공 원통형 부분(1732, 1832)의 제1 단부에 위치하게 되는 제1 지지 요소 세트(1734A, 1834A) 및 중공 원통형 부분(1732, 1832)의 제2 단부에 위치하게 되는 제2 지지 요소 세트(1734B, 1834B)가 존재하고(지지 요소들(1834B)은 단일 부재일 수 있음); 이러한 방식으로, 환형 챔버(1738, 1838)가, 부시의 중공 원통형 부분(1732, 1832)과 샤프트(620)의 중실 원통형 부분(624) 사이에 한정된다.
지지 요소들(1734A, 1734B, 1834A)은, 베인들이다.
지지 요소들(1734A, 1734B, 1834A)은, 부분(624) 둘레에 크라운을 형성할 수 있으며 그리고 그들 사이에서 균등하게 이격될 수 있을 것이다.
지지 요소들(1734A, 1734B, 1834A)이 그들 사이에서 이격됨에 따라, 유체가 환형 챔버(1738, 1838)에 들어갈 수 있을 것이다. 전형적으로, 샤프트(620)가 회전하지 않을 때, 환형 챔버(1738, 1838)는 윤활 유체(LF)로 부분적으로 채워지고, 샤프트(620)가 회전하기 시작할 때, 윤활 유체 유동이 생성되며 그리고 윤활 유체(LF)가 환형 챔버(1738, 1838)에 들어가기 시작하고, 샤프트(620)가 회전할 때, 환형 챔버(1738, 1738)는 윤활 유체(LF)로 가득 채워진다("가득 채워진"은, 환형 챔버(1738, 1838) 내부의 윤활 유체(LF)의 압력이 환형 챔버(1738, 1838) 외부보다 높다는 가능성을 포함한다). 이러한 방식으로, 베어링 시스템(1700, 1800)의 간극 내의 고온 윤활 유체(LF)와 샤프트(620)의 원통형 부분(624)을 격리하는 기술적 효과가 달성된다. 더불어, 환형 챔버(1738, 1838) 내부의 유체는, 샤프트(620) 둘레에서 유동할 수 있으며, 그에 따라 샤프트(620) 내의 온도를 균일화한다.
도 17의 실시예에서, 베인들(1734A, 1734B)은, 베어링 시스템의 제1 측부(S1)로부터 그리고 베어링 시스템의 제2 측부(S2)로부터 환형 챔버(1738)로 유체 유동을 생성하도록 성형되고 배치된다.
도 18의 실시예에서, 베인들(1834A) 및 지지 요소 또는 요소들(1834B)은, 단지 베어링 시스템의 일 측부로부터, 특히 베어링 시스템의 제1 측부(S1)로부터, 환형 챔버(1838)로 유체 유동을 생성하도록 성형되고 배치된다.
도 17 및 도 18의 실시예의 것과 유사한 기술적 효과가, 나선-형상 통로들이 사용될 때, 또한 달성될 수 있을 것이다.
도 11 또는 도 12를 고려하면, 베어링 시스템은, 나선-형상 통로들이 샤프트의 회전 도중에 전체적으로 채워지도록, 배열될 수 있을 것이다.
도 14를 고려하면, 베어링 시스템은, 제1 세트 및 제2 세트의 나선-형상 통로들이 샤프트의 회전 도중에 전체적으로 채워지도록, 배열될 수 있을 것이다.
이상에 설명된 바와 같은 또는 그에 유사한 베어링 시스템이, 예를 들어 도 1에 도시된 것과 같은 터보기계 내에서 유리하게 사용될 수 있을 것이다.
"원유 및 가스" 분야에서, 즉 원유 및/또는 가스의 탐사, 생산, 저장, 정제 및 유통을 위한 설비들에서 사용되는 기계들에서, 유체 베어링에 의해 지지되는 샤프트 저널의 불-균일 온도 분포를 회피하도록 할, 또는 적어도 불-균일성을 상당히 감소시킬, 그리고 그에 따라 그러한 베어링 시스템을 사용할, 특히 높은 필요성이 존재한다는 것을 알아야 한다.

Claims (20)

  1. 유체 베어링(610), 중실 부분(624)을 갖는 샤프트(620), 및 상기 중실 부분(624) 둘레에 그리고 유체 베어링(610)의 패드 또는 패드들(612)의 반경 방향 내측에 위치하게 되는 부시(630)를 포함하는 베어링 시스템(700, 800)으로서,
    부시(630)는, 중공 부분(732, 832) 및, 부시(630)의 중공 부분(732, 832)을 샤프트(620)의 중실 부분(624)에 고정하고 제1 지지 요소 세트 및 제2 지지 요소 세트를 포함하는 복수의 지지 요소(634)를 포함하며,
    상기 제1 지지 요소 세트는 중공 부분(732, 832)의 제1 위치에 위치하고, 상기 제2 지지 요소 세트는 중공 부분(732, 832)의 제2 위치에 위치하며, 그로 인해 환형 챔버(738, 838)가, 부시의 중공 부분(732, 832)과 샤프트(620)의 중실 부분(624) 사이에 한정되고,
    상기 제1 지지 요소 세트 및/또는 상기 제2 지지 요소 세트의 지지 요소들은 베인들이며, 그로 인해 윤활 유체(LF) 또는 열-교환 유체(HEF)가 상기 환형 챔버(738, 838) 내로 또는 밖으로 유동하며,
    베인들(734A, 734B, 834A, 834B)은, 베어링 시스템의 제1 측부로부터 베어링 시스템의 제2 측부로 샤프트(620)의 회전 도중에 열-교환 유체(HEF)의 유동을 생성하도록 성형되고 배치되는 것인, 베어링 시스템.
  2. 유체 베어링(610), 중실 부분(624)을 갖는 샤프트(620), 및 상기 중실 부분(624) 둘레에 그리고 유체 베어링(610)의 패드 또는 패드들(612)의 반경 방향 내측에 위치하게 되는 부시(630)를 포함하는 베어링 시스템(900, 1000, 1500, 1600)으로서,
    부시(630)는, 중공 부분(932, 1032, 1532, 1632) 및, 부시(630)의 중공 부분(932, 1032, 1532, 1632)을 샤프트(620)의 중실 부분(624)에 고정하고 제1 지지 요소 세트 및 제2 지지 요소 세트를 포함하는 복수의 지지 요소(634)를 포함하며,
    상기 제1 지지 요소 세트는 중공 부분(932, 1032, 1532, 1632)의 제1 위치에 위치하고, 상기 제2 지지 요소 세트는 중공 부분(932, 1032, 1532, 1632)의 제2 위치에 위치하며, 그로 인해 환형 챔버(938, 1038, 1538, 1638)가, 부시의 중공 부분(932, 1032, 1532, 1632)과 샤프트(620)의 중실 부분(624) 사이에 한정되고,
    상기 제1 지지 요소 세트 및/또는 상기 제2 지지 요소 세트의 지지 요소들은 베인들이며, 그로 인해 윤활 유체(LF) 또는 열-교환 유체(HEF)가 상기 환형 챔버(938, 1038, 1538, 1638) 내로 또는 밖으로 유동하며,
    베인들(934A, 934B, 1534A, 1534B, 1634A)은, 환형 챔버(938, 1538, 1638)로부터 베어링 시스템의 제1 측부(S1) 및/또는 베어링 시스템의 제2 측부(S2)로 샤프트(620)의 회전 도중에 윤활 유체(LF) 또는 열-교환 유체(HEF)의 유동을 생성하도록 성형되고 배치되는 것인, 베어링 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    환형 챔버(1538, 1638)는, 샤프트(620)의 회전 도중에 윤활 유체(LF)에 대해 비어 있는 것인, 베어링 시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    윤활 유체(LF)는, 중공 부분(932)을 통과하도록, 부시(630)와 패드 또는 패드들(612) 사이의 간극(640)으로부터 환형 챔버(938) 내로 진입하는 것인, 베어링 시스템.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 지지 요소 세트의 지지 요소들은 상기 중공 부분의 제1 단부에 위치하고, 상기 제2 지지 요소 세트의 지지 요소들은 상기 중공 부분의 제2 단부에 위치하는 것인, 베어링 시스템.
  6. 유체 베어링(610), 중실 부분(624)을 갖는 샤프트(620), 및 상기 중실 부분(624) 둘레에 그리고 유체 베어링(610)의 패드 또는 패드들(612)의 반경 방향 내측에 위치하게 되는 부시(630)를 포함하는 베어링 시스템(1100, 1200)으로서,
    부시(630)는, 중공 부분(1132, 1232) 및, 부시(630)의 중공 부분(1132, 1232)을 샤프트(620)의 중실 부분(624)에 고정하는 복수의 지지 요소(634)를 포함하며,
    지지 요소들은, 적어도 베어링 시스템의 제1 측부(S1)와 베어링 시스템의 제2 측부(S2) 사이에서 연장되는 복수의 나선-형상 통로를 한정하는, 한 세트의 나선-형상 벽(1134, 1234)이고, 통로들은, 샤프트(620)의 회전 도중에 베어링 시스템의 제1 측부(S1)로부터 베어링 시스템의 제2 측부(S2)로의 열-교환 유체(HEF)의 유동을 위해 배열되는 것인, 베어링 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    나선-형상 통로들은, 샤프트의 회전 도중에 윤활 유체(LF)에 대해 비어 있거나 또는 채워져 있는 것인, 베어링 시스템.
  8. 유체 베어링(610), 중실 부분(624)을 갖는 샤프트(620), 및 상기 중실 부분(624) 둘레에 그리고 유체 베어링(610)의 패드 또는 패드들(612)의 반경 방향 내측에 위치하게 되는 부시(630)를 포함하는 베어링 시스템(1300, 1400)으로서,
    부시(630)는, 중공 부분(1332A, 1332B, 1432A, 1432B) 및, 부시(630)의 중공 부분(1332A, 1332B, 1432A, 1432B)을 샤프트(620)의 중실 부분(624)에 고정하는 복수의 지지 요소(634)를 포함하며,
    지지 요소들은, 적어도 베어링 시스템의 중앙 영역(1338, 1438)과 베어링 시스템의 제1 측부(S1) 사이에서 연장되는 제1 복수의 나선-형상 통로를 한정하는, 제1 세트의 나선-형상 벽(1334A, 1434A), 및 적어도 베어링 시스템의 중앙 영역(1338, 1438)과 베어링 시스템의 제2 측부(S2) 사이에서 연장되는 제2 복수의 나선-형상 통로를 한정하는, 제2 세트의 나선-형상 벽(1334B, 1434B)이고,
    통로들은, 샤프트(620)의 회전 도중에, 베어링 시스템의 중앙 영역(1338)으로부터 베어링 시스템의 제1 측부(S1)로 그리고 베어링 시스템의 제2 측부(S2)로의 윤활 유체(LF) 또는 열-교환 유체(HEF)의 유동을 위해 배열되는 것인, 베어링 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    제 1세트 및 제 2세트의 나선-형상 통로들은, 샤프트의 회전 도중에 윤활 유체(LF)에 대해 비어 있거나 또는 채워져 있는 것인, 베어링 시스템.
  10. 제 8항에 있어서,
    환형 챔버가, 부시의 중공 부분(1332, 1432)과 샤프트(620)의 중실 부분(624) 사이에 한정되며, 그리고 제1 측방 부분, 제2 측방 부분 및 중앙 부분을 포함하는 것인, 베어링 시스템.
  11. 제 6항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 통로는, 샤프트의 축 둘레로 복수의 회전을 포함하고; 회전의 수는, 0.1 내지 10.0 의 범위 이내인 것인, 베어링 시스템.
  12. 제 6항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 통로의 피치가, 유체 베어링의 축 방향 길이의 복수 배에 해당하며; 배수는, 10.0 내지 0.1 의 범위 이내인 것인, 베어링 시스템.
  13. 제 1항 내지 제 4항, 제 6항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    부시(630)는, 단열 재료의 층(636)에 의해 외부에서 덮이는 것인, 베어링 시스템.
  14. 제 1항 내지 제 4항, 제 6항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    부시(630)는, 돌출부들 및/또는 만입부들을 갖는 외측 표면을 구비하는 층(636)에 의해 외부에서 덮이는 것인, 베어링 시스템.
  15. 터보기계로서,
    제 1항 내지 제 4항, 제 6항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 베어링 시스템을 포함하는 것인, 터보기계.
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