KR20000023252A

KR20000023252A - 브러시 실 및 이 브러시 실을 내장한 회전 장치

Info

Publication number: KR20000023252A
Application number: KR1019990040024A
Authority: KR
Inventors: 바게팔리바랏삼파스쿠마; 악싯마뭇파룩; 메이어로버트러쎌
Original assignee: 제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹; 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 1998-09-22
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2000-04-25
Also published as: KR100744588B1; CA2282006A1; JP2000154875A; EP0989341A3; US6257588B1; CA2282006C; TW449649B; EP0989341A2

Abstract

브러시 실(brush seal)은 연장된 강모 홀더에 부착된, 수동식 가소성 합성 수지를 함유하는 브러시 실 강모(bristles)를 포함한다. 회전 장치는 회전자와, 고정자 세그먼트 및 대응하는 고정자 케이스 세그먼트의 표면 홈 내에 각각 위치하는 브러시 실의 세그먼트를 구비한다. 일례로, 강모 홀더는 수동으로 구부러지고 강모 및 강모 홀더는 모놀리식 유닛을 형성하며 브러시 실은 소정의 길이가 절단된 스풀(spool)에 감김으로써, 특수한 고정자 케이스 세그먼트에 알맞는 특정 반경 및 특정 원주 길이로 브러시 실 세그먼트에 대한 제조의 필요성을 방지할 수 있다.

Description

브러시 실 및 이 브러시 실을 내장한 회전 장치{BRUSH SEAL AND ROTARY MACHINE INCLUDING SUCH BRUSH SEAL}

본 발명은 실(seal)에 관한 것으로, 특히 회전 장치용 브러시 실(brush seal)에 관한 것이다.

회전 장치는 증기 터빈 및 압축기용 터빈과 가스 터빈용 터빈을 포함하는데 여기에 국한된 것은 아니다. 증기 터빈은 통상 연속 흐름 관계로 증기 흡입구, 터빈 및 증기 배출구를 구비하는 증기 경로를 갖는다. 가스 터빈은 통상 연속 흐름 관계로 공기 주입구(또는 흡입구), 압축기, 연소실, 터빈 및 가스 배출구(또는 배기 노즐)를 구비하는 가스 경로를 갖는다. 고압 영역으로부터 저압 영역으로의, 가스 또는 증기 경로에서부터 또는 가스 또는 증기 경로로의 가스 또는 증기 누출은 일반적으로 바람직하지 않다. 예를 들어, 터빈 또는 압축기의 회전자와 원주 둘레의 터빈 또는 압축기 케이스 사이의 가스 터빈의 터빈 또는 압축기 영역 내의 가스 경로 누출은 가스 터빈의 효율을 떨어뜨려서 연료 비용을 증가시킬 것이다. 또한, 터빈의 회전자와 원주를 둘러싸는 케이스 사이의 증기 터빈의 터빈 영역 내의 증기 경로 누출은 증기 터빈의 효율을 떨어뜨려서 연료 비용을 증가시킬 것이다.

환형(annular)의 브러시 실은 가스 및 증기 터빈 내의 회전자와 그 둘레의 케이스(고정자 케이스) 사이에서 이용되어 왔거나 이용되도록 제안되어 왔다. 가스 또는 증기 터빈 브러시 실은 원주에 배열된 브러시 실 세그먼트로 구성된다. 각 브러시 실 세그먼트는 원형 링의 환형 세그먼트 모양을 갖는 금속 강모 홀더에 용접 등에 의해 부착된 복수개의 가소성 금속 와이어 강모를 구비한다. 강모 홀더는 고정된 반경과, 이 반경 및 부착된 강모와 함께 강모 홀더가 삽입되는 환형 케이스 세그먼트의 표면 홈의 원주 길이에 대응하는 고정된 원주 길이를 갖는다. 강모 홀더는 지지판의 방사상의 내부 단부를 넘어서 방사상으로, 내부로 확장하는 강모의 자유단을 갖는 강모와 실의 저압 측면 사이에 위치한 지지판을 구비할 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 브러시 실은, 수동식 가소성 플라스틱을 함유하는 브러시 실 강모와, 연장된 강모 홀더를 구비한다. 각 강모는 고정단과 자유단을 갖는다. 강모의 고정단은 강모 홀더에 고정 부착된다. 일구성에서, 강모 홀더는 수동으로 구부러지고 수공구로 절단할 수 있으며, 강모 홀더 및 강모는 모놀리식 유닛을 함께 형성하고 고정 부착된 강모를 갖는 강모 홀더는 다중 권선 코일 형태로 수동으로 구부러진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 회전 장치는 회전자와, 고정자 케이스 세그먼트 및 브러시 실 세그먼트를 구비한다. 회전자는 세로축을 갖는다. 고정자 케이스 세그먼트는 통상 세로축과 동축으로 정렬되고 그 원주를 둘러싸며, 회전자로부터 방사상으로 이격 배치된 고정자 케이스를 형성하도록 원주 둘레에 함께 배열된다. 각각의 고정자 케이스 세그먼트는 통상 세로축과 동축으로 정렬되고 회전자에 대하여 개방된 원주의 채널을 함께 형성하는 표면 홈을 갖는다. 각각의 브러시 실 세그먼트는 수동식 가소성 플라스틱을 함유하는 브러시 실 강모와, 연장된 강모 홀더를 구비한다. 각 강모는 고정단 및 자유단을 갖는다. 강모의 고정단은 강모 홀더에 고정 부착된다. 강모 홀더는 대응하는 고정자 케이스 세그먼트의 표면 홈 내에 위치한다. 일구성에서, 강모 홀더는 강모 홀더가 구부러진 상태가 되도록 수동으로 구부러지며 위치된 강모 홀더는 위치된 강모 홀더가 수공구로 절단한 원주단을 갖는 원주 길이에 맞게 수공구로 절단 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명을 통해 여러가지 이득 및 장점을 얻는다. 대부분의 플라스틱이 전기적으로 비전도성이고, 이러한 플라스틱 강모는 종래 기술의 브러시 실이 부적절한 경우의 발전기의 응용에 이용될 수 있다. 가소성이고 수공구로 절단 가능한 강모 홀더는 브러시 실이 스풀에 다중 권선으로 감겨지게 하고 실 대체를 필요로 하는 종래의 회전 장치의 위치로 취해져서 필요한 원주 길이로 절단되고, 종래 기술의 브러시 실 세그먼트가 특정 반경 및 원주 길이로 공장에서 개별적으로 제조되는 반면에 임의 반경의 표면 홈으로 구부러지며 삽입된다. 사실상 모놀리식 플라스틱 브러시 실은 강모가 확장된 강모 홀더로부터 생성되게 하고 별개의 강모의 고정단을 강모 홀더에 부착하는 것의 종래 기술의 문제점을 방지한다.

도 1은 본 발명의 회전 장치와, 회전 장치의 회전자의 세로축에 직각을 이루는 절단 평면에 의해 절취된 본 발명의 브러시 실의 실시예의 횡단면도.

도 2는 도 1의 선 2-2를 따라 절취된 도 1의 회전 장치 및 브러시 실의 횡단면도.

도 3은 강모 홀더 및 모놀리식 유닛으로서 부착된 강모를 도시하는 도 1의 브러시 실의 일부분의 제1 구성의 개략 사시도.

도 4는 상기 강모와 별개인 유닛으로서의 강모 홀더를 도시하는 도 1의 브러시 실의 일부분의 제2 구성의 개략 사시도.

도 5는 제1 형태로 구부러져 보이는 도 1의 브러시 실 세그먼트 중 하나의 전면도.

도 6은 제2 형태로 구부러져 보이는 도 5의 브러시 실 세그먼트의 전면도.

도 7은 브러시 실 세그먼트가 스풀로부터 절단되기 전에 스풀에 감겨진 도 1의 브러시 실의 개략 사시도.

도 8은 고정자 케이스 세그먼트의 표면 홈에 막 삽입되는 도 6의 브러시 실 세그먼트와 함께 도 1의 회전 장치의 일부분의 개략 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 브러시 실

12 : 회전 장치

14, 16 : 브러시 실 세그먼트

18 : 브러시 실 강모

20 : 강모 홀더

22 : 고정단

24 : 자유단

도면을 참조하면, 도 1 및 도 2는 본 발명의 브러시 실(10)의 실시예와 본 발명의 회전 장치(12)의 실시예를 개략적으로 도시한다. 회전 장치의 부분으로서 삽입될 때에 브러시 실(10)은 일반적으로 복수개의 브러시 실 세그먼트(14 및 16)를 포함한다. 도 1은 2개의 브러시 실 세그먼트(14, 16)를 구비한 브러시 실을 도시하나, 보통 더 많은 브러시 실 세그먼트가 사용되는 것으로 알고 있다. 회전 장치는 발전기나, 또는 증기 터빈의 고압, 중압 또는 저압 터빈이나, 또는 가스 터빈의 압축기 또는 터빈부를 구비하며 여기에 국한된 것은 아니다.

본 발명의 브러시 실(10)은 정지한 2개의 표면, 최소한 1개는 진동중인 2개의 표면, 최소한 1개는 회전중인 2개의 표면, 그리고 최소한 1개는 선형 발진중인 2개의 표면 사이의 틈을 실링(sealing)하는 것과 같은 많은 응용을 가지며 여기에 국한된 것은 아니다. 이 틈은 환형의, 직사각형의, 또는 임의의 모양이 될 수 있다. 브러시 실(10)은 일반적으로 고압 영역 및 저압 영역 사이의 유체 누출에 대한 틈을 실링하며, 이러한 유체는 한정되지 않으나 공기, 연소 가스, 증기, 그리고 산소와 오일 미스트(oil mist)의 혼합을 포함하며 여기에 국한된 것은 아니다.

브러시 실(10)은 복수개의 수동으로 구부러지는 브러시 실 강모(18)와 연장된 강모 홀더(20)를 구비한다. 각 강모(18)는 플라스틱을 함유하고 고정단(22) 및 자유단(24)을 갖는다. 강모(18)의 고정단(22)은 강모 홀더(20)에 고정되어 부착된다. 용어 "플라스틱"은 "흐름에 의해 형태가 만들어질 수 있는 큰 분자 무게의 폴리머 물질(보통 유기체); 일반적으로 함유되는 첨가물, 가소제, 색소 및 안정제(수지, 동종의 폴리머 개시 물질에 비하여)의 최종 생산물에 관한 것; 예로서는 폴리비닐 염화물, 폴리에틸렌 및 요소-포름 알데히드"로서 정의되며, 이러한 정의는 맥그로우-힐의 과학 및 기술 용어 사전의 제 4판(1989)에서 찾아볼 수 있다. 첫째 예에서, 각 강모(18)는 최소한 50 비중 퍼센트 플라스틱을 함유하며, 둘째 예에서, 강모(18)는 본질상 플라스틱으로 구성된다. 본 발명을 설명하기 위해, 전문 용어 "플라스틱"은 플라스틱의 혼합물을 포함한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 브러시 실(110)의 제1 구성에서, 강모 홀더(120) 및 강모(118)는 함께 모놀리식 유닛을 형성한다. 강모 중 1개(118)가 도 3에 구부러진 상태로 도시되어 있다. 모놀리식 유닛의 강모 부분은 유아의 플라스틱 원피스 헤어 브러시의 강모를 생산해온 바와 같이, 기술자에게 알려진 종래 기술로 제조된다. 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 브러시 실(210)의 제2 구성에서, 강모 홀더(220)는 강모(218)와 별개인 유닛이다. 도시하지 않은 일례에서, 강모 홀더는 금속(합금 포함)이고, 다른 예에서, 강모 홀더(220)는 플라스틱을 포함하거나 본질상 플라스틱으로 구성된다. 하나의 어셈블리에서, 강모(218)의 고정단(222)은 강모 홀더(220)에 접착된다.

도 5에 도시한 바와 같이 제1 설계에서, 브러시 실 세그먼트(14) 즉, 브러시 실(10)의 강모 홀더(20)는 도 1에 도시한 바와 같이 브러시 실(10)의 브러시 실 세그먼트(14, 16)의 강모 홀더에 의해 형성된 링과 같은 제1 원형 링의 보통 제1 환형 세그먼트의 제1 형태로 수동으로 구부러진다. 제1 환형 세그먼트는 제1 원주 길이(26), 세로축(28) 및 제1 반경(30)을 갖는다. 강모(18)는 강모 홀더(20)가 도 2에 도시한 바와 같이 제1 형태로 고정될 때에 제1 환형 세그먼트 내에서 세로로, 보통 전적으로 방사상으로 배치된다. 일반적으로 도 1 및 도 5에 도시한 바와 같이, 각 강모(18)는 제1 세로축(28)으로부터 각 강모(18)의 고정단(22)으로 연장된 반경선으로부터 보통 45°각도로 기울어진다.

부가적으로 이 설계에서, 브러시 실 세그먼트(14) 즉, 브러시 실(10)의 강모 홀더(20)는 도 6에 도시한 바와 같이 일반적으로 제2 원형 링의 제2 환형 세그먼트의 제2 형태로 수동으로 구부러진다. 제2 환형 세그먼트는 제1 환형 세그먼트와 동일한 제1 원주 길이(26)를 갖고, 제1 반경(30)과 상이한 제2 반경(32)을 갖는다. 강모(18)는 강모 홀더(20)가 제2 형태로 고정될 때에 제2 환형 세그먼트 내에서 세로로, 보통 전적으로 방사상으로 배치된다.

더 나아가 이 설계에서, 강모 홀더(20)는 다중 권선 코일 형태로 수동으로 구부러진다. 일반적으로 도 7에 도시한 바와 같이, 고정 부착된 강모(18)와 함께 강모 홀더(20)는 스풀(34)에 감겨져 있다. 여기에서, 고정 부착된 강모(18)와 함께 강모 홀더(20)는 수공구로 제1 원주 길이(26)보다 짧은 원주 길이로 절단 가능하다. 다른 설계에서, 강모 홀더(도시하지 않음)는 수동으로 고정되고 특정 형태로 제조된다.

회전 장치(12)는 회전자(36), 복수개의 고정자 케이스 세그먼트(38, 40) 및 복수개의 브러시 실 세그먼트(14, 16)를 구비한다. 회전자(36)는 세로축(42)을 갖는다. 도 1에 도시한 바와 같이 고정자 케이스 세그먼트(38, 40)는, 일반적으로 세로축(42)에 동축으로 정렬되고 원주를 둘러싸며 회전자(36)로부터 방사상으로 분리 배치된 고정자 케이스(44)를 형성하도록 원주 외면에 함께 배열된다. 고정자 케이스 세그먼트(38, 40)는 각각, 일반적으로 세로축(42)에 동축으로 정렬되고 회전자(36)에 대하여 개방된 원주의 채널을 함께 형성하는 표면 홈(46)을 갖는다. 고정자 케이스가 2개 이상의 고정자 케이스 세그먼트를 구비할 수 있는 것은 공지되어 있다.

일반적으로, 브러시 실 세그먼트(14 또는 16)는 대응하는 고정자 케이스 세그먼트(38 또는 40)로 삽입하기 위한 길이로 절단된 상기 브러시 실(10)의 일부분이다. 브러시 실 세그먼트(38, 40)는 각각 복수개의 가소성 브러시 실 강모(18)와 연장된 강모 홀더(20)를 구비한다. 강모(18)는 각각 플라스틱을 함유하며 고정단(22) 및 자유단(24)을 갖는다. 강모(18)의 고정단(22)은 강모 홀더(20)에 고정 부착되고, 강모 홀더(20)는 대응하는 고정자 케이스 세그먼트(38 또는 40)의 표면 홈(46) 내에 배치된다. 강모 홀더(20)는 수동식 가소성이고, 구부러진 상태로 표면 홈(44) 내에 배치된다. 고정 부착된 강모(18)와 함께 강모 홀더(20)는 수공구를 이용하여 원주 길이로 절단 가능하며, 배치된 강모 홀더(20)는 수공구로 절단한 원주단(48)을 갖는다. 첫째로 강모 홀더(20)는 고정자 케이스 세그먼트(38 또는 40)의 표면 홈(46)과 직접적으로 맞물릴 수 있는, 도 3의 강모 홀더(120)와 같이 방사상으로 더욱 두꺼운 강모 홀더이며, 둘째로 강모 홀더는 고정자 케이스 세그먼트(38 또는 40)의 표면 홈(46)을 직접적으로 맞무는 덮개(도시하지 않음)에 자신이 고착된, 도 4의 강모 홀더(220)와 같이 테이프처럼 방사상으로 더욱 얇은 강모 홀더인 것이 공지되었다. 덮개(도시하지 않음)의 표면 또는 고정자 케이스 세그먼트(38)의 표면(50)은 필요대로 브러시 실 지지판 역할을 한다. 도 2의 도면에서, 스페이서(52)는 강모 홀더(20)가 고정자 케이스 세그먼트(38, 40)의 표면 홈(46) 내에 고정되도록 돕는다.

본 발명은 종래의 브러시 실 및 종래의 회전 장치에 비해 여러가지 이점을 갖는다. 플라스틱 브러시 실은 금속 브러시 실보다 저렴하다. 플라스틱 강모는 또한 금속 강모에 비해 덜 뻣뻣하고 마찰이 적으며 부식이 적고, 종래의 플라스틱으로 제조된 강모를 위한 섭씨 150°또는 그 이하의 낮은 중간 정도의 온도 환경에서처럼 완벽한 역할을 제공할 것이다. 대부분의 플라스틱이 비전도성이고 이러한 플라스틱 강모가 종래의 브러시 실이 부적합한 경우에 대해 발전기의 응용에 이용될 수 있고, 이러한 플라스틱 브러시 실은 또한 실링된 부재 사이에 전기적 분리(절연)를 제공한다. 이러한 이용의 일례는 오일 미스트가 "심지" 작용을 제공하여 결과적으로, 특히 저압 드롭에서의 개선된 실링(sealing)을 제공하고 대부분의 플라스틱은 금속으로 제조된 강모와 같이 수소에서 물러지는 문제를 갖지 않는 수소 냉각 발전기의 수소 및 오일 미스트 환경에서의 이용이다. 플라스틱 강모용 재료의 선택은 기술자의 몫이고 온도 등의 동작 환경의 필요 조건에 달려있다. 구부러지며 수공구로 절단 가능한 강모 홀더는 브러시 실이 스풀에 다중으로 감겨질 수 있도록 하고 실 대체를 필요로 하는 현재의 회전 장치의 위치로 취하여져서 필요한 원주 길이로 절단되고, 종래 기술의 브러시 실 세그먼트가 특수한 고정자 케이스 세그먼트에 맞추기 위해 특정 반경 및 원주 길이로 공장에서 개별적으로 제조되는 반면에 임의의 반경의 표면 홈에 도 8에 도시한 바와 같이 구부러져서 삽입된다. 모놀리식 플라스틱 브러시 실은 실제적으로 강모가 연장된 강모 홀더로부터 생성되고 별개의 강모의 고정단을 강모 홀더에 부착하는 종래 기술의 어려움을 방지하도록 한다. 또한, 느슨한 플라스틱 강모는 회전 장치에서 느슨한 금속 강모가 유발시키는 것에 비해 적은 다운스트림 손상을 유발시킬 것이다.

본 발명의 여러 실시예의 전술한 설명은 도해를 목적으로 제시하였다. 철저히 규명하거나 본 발명을 공개된 정밀한 형식에 제한시킬 의도는 없으며, 많은 변형 및 변화가 상기 설명의 견지에서 분명히 가능하다. 본 발명의 범위가 이하에 첨부된 청구항에 의해 정의되는 것은 의도한 바이다.

Claims

a) 플라스틱을 함유하고, 고정단 및 자유단을 각각 갖는 복수개의 수동식 가소성 브러시 실 강모와;

b) 연장된 강모 홀더를 포함하고,

상기 강모의 상기 고정단은 상기 강모 홀더에 고정 부착된 것을 특징으로 하는 브러시 실.
제1항에 있어서, 상기 강모 홀더는 제1 원형 링의 통상 제1 환형 세그먼트의 제1 형태로 수동으로 구부러지고, 상기 제1 환형 세그먼트는 제1 원주 길이, 제1 세로축 및 제1 반경을 가지며, 상기 강모는 상기 강모 홀더가 제1 형태로 고정될 때에 제1 환형 세그먼트 내에서 세로로 배치되는 동시에 일반적으로 전체에 걸쳐 방사상으로 배치되는 것인 브러시 실.
제2항에 있어서, 상기 강모 홀더는 제2 원형 링의 통상 제2 환형 세그먼트의 제2 형태로 수동으로 구부러지고, 상기 제2 환형 세그먼트는 제1 반경과 상이한 제2 반경을 가지며, 상기 강모는 상기 강모 홀더가 제2 형태로 고정될 때에 제2 환형 세그먼트 내에서 세로로 배치되는 동시에 일반적으로 전체에 걸쳐 방사상으로 배치되는 것인 브러시 실.
제3항에 있어서, 상기 고정 부착된 강모를 갖는 상기 강모 홀더는 제1 원주 길이보다 짧은 원주 길이로 수공구로 절단 가능한 것인 브러시 실.
제4항에 있어서, 상기 강모 홀더 및 상기 강모는 모놀리식 유닛을 함께 형성하는 것인 브러시 실.
제4항에 있어서, 상기 강모 홀더는 상기 강모와 별개의 유닛인 것인 브러시 실.
제6항에 있어서, 상기 강모의 상기 고정단은 상기 강모 홀더에 접착 결합된 것인 브러시 실.
제4항에 있어서, 각 강모는 제1 세로축으로부터 각 강모의 상기 고정단까지 연장된 반경선으로부터 통상 45°각도로 기울어진 것인 브러시 실.
제4항에 있어서, 각 강모는 본질상 플라스틱으로 구성되는 것인 브러시 실.
제4항에 있어서, 상기 고정 부착된 강모를 갖는 상기 강모 홀더는 다중 권선 코일 형태로 수동으로 구부러진 것인 브러시 실.
a) 세로축을 갖는 회전자와;

b) 통상 상기 세로축과 동축으로 정렬되고 그 원주 외면을 둘러싸며 상기 회전자로부터 방사상으로 이격 배치된 고정자 케이스를 형성하도록 원주 외면에 함께 배열되고, 통상 상기 세로축과 동축으로 정렬되고 상기 회전자에 대하여 개방된 원주의 채널을 함께 형성하는 표면 홈을 각각 구비하는 복수개의 고정자 케이스 세그먼트와;

c) 플라스틱을 함유하며 고정단 및 자유단을 각각 갖는 복수개의 수동식 가소성 브러시 실 강모와, 연장된 강모 홀더를 포함하고, 상기 강모의 상기 고정단은 상기 강모 홀더에 고정 부착되며, 상기 강모 홀더는 대응하는 고정자 케이스 세그먼트의 상기 표면 홈 내에 배치되는 복수개의 브러시 실 세그먼트를 구비하는 것을 특징으로 하는 회전 장치.
제11항에 있어서, 상기 강모 홀더는 수동으로 구부러지고, 구부러진 상태로 상기 표면 홈 내에 배치되는 것인 회전 장치.
제12항에 있어서, 상기 고정 부착된 강모를 갖는 상기 강모 홀더는 원주 길이로 수공구로 절단 가능하고, 상기 배치된 강모 홀더는 수공구로 절단한 원주단을 갖는 것인 회전 장치.
제13항에 있어서, 상기 강모 홀더 및 상기 강모는 모놀리식 유닛을 함께 형성하는 것인 회전 장치.
제13항에 있어서, 상기 강모 홀더는 상기 강모와 별개의 유닛인 것인 회전 장치.
제15항에 있어서, 상기 강모의 상기 고정단은 상기 강모 홀더에 접착 결합된 것인 회전 장치.
제13항에 있어서, 각 강모는 세로축으로부터 각 강모의 상기 고정단까지 연장된 반경선으로부터 통상 45°각도로 기울어진 것인 회전 장치.
제13항에 있어서, 각 강모는 본질상 플라스틱으로 구성되는 것인 회전 장치.