KR20010041102A - 밀봉 장치 및 그 용도 - Google Patents

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KR20010041102A
KR20010041102A KR1020007009143A KR20007009143A KR20010041102A KR 20010041102 A KR20010041102 A KR 20010041102A KR 1020007009143 A KR1020007009143 A KR 1020007009143A KR 20007009143 A KR20007009143 A KR 20007009143A KR 20010041102 A KR20010041102 A KR 20010041102A
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sealing
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KR1020007009143A
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폴커 지몬
Original Assignee
칼 하인쯔 호르닝어
지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 회전축(10)을 중심으로 회전 가능한 부품(12)과 회전축(10)에 대해 고정된 부품(13) 사이에 형성된 축방향 갭(11)을 밀봉하기 위한 밀봉 장치(11)에 관한 것이다. 밀봉 장치는 강모(3)를 가지며 갭(11) 내로 돌출하는 브러시형 밀봉 부재(2)를 포함한다. 본 발명은 또한 증기 터빈 내의 축방향 갭(11)을 밀봉시키기 위한 밀봉 장치(1)의 용도에 관한 것이다.

Description

밀봉 장치 및 그 용도 {SEALING DEVICE AND USE OF A SEALING DEVICE}
유럽 특허 공개 제 0 611 905 A1호에는 특히 유체 머신용 상이한 압력의 챔버 사이의 방사방향 갭을 접촉 없이 밀봉하기 위한 장치가 공지되어 있다. 이 경우, 상이한 압력의 챔버 사이의 샤프트 출구에는 적합한 시일이 제공된다. 상기 장치는 회전 부품과 고정 부품 사이에 계단형 래비린드 갭이 형성되는, 래비린드 시일로 이루어진다. 래비린드 갭에서 회전 부품과 고정 부품에는 밀봉 피크가 배치되기 때문에, 매체의 심한 소용돌이가 나타난다. 고정 부품과 회전 부품 사이의 밀봉 피크는 서로 가급적 가깝게 배치되므로, 축방향으로 연장된 갭의 방사 방향으로 밀봉이 제공된다. 밀봉 피크는 2개의 인접한 계단의 밀봉 피크가 중첩되도록 방사방향으로 배치된다. 한 그룹의 밀봉 피크는 와이어에 의해 상응하는 홈 내로 끼워질 수 있다.
D. Bergmann, M. Jansen 및 H. Oeynhausen의 논문 "Massnahmen zur Modernisierung und Lebensdauerverlaengerung an Dampfturbinenkomponenten", VGB Kraftwerkstechnik 71, 1991, 2권, 페이지 116 - 122에는 증기 터빈의 터빈 블레이드용 시일이 공지되어 있다. 여기서, 시일들은 방사방향 갭, 즉 터빈 샤프트의 방향으로 연장된 갭의 밀봉을 위해 사용되며, 터빈 샤프트와 가이드 블레이드 사이의 방사방향 간격 또는 회전 블레이드와 하우징 내벽 사이의 방사방향 간격에 의해 누설 증기의 통로를 형성한다. 가이드 블레이드 내에 홈이 형성된 시일도 제공된다. 가장 낮은 상대 누설 증기 유동률은 소위 피크-피크 시일에서 얻어지며, 상기 시일에서는 축방향으로 교대로 밀봉 피크가 터빈 샤프트 및 가이드 블레이드에 배치된다.
독일 특허 제 38 36 474 C2호에는 2개의 정면 플레이트 및 그 사이에 배치된 강모 패킷으로 이루어진 브러시 시일이 공지되어 있다. 강모의 자유 단부가 정면 플레이트 위로 돌출한다. 브러시는 다수의 세그먼트로 구성되고, 상기 세그먼트들은 시일의 메인 평면에서 하나의 갭에 의해 서로 분리되어 차례로 배치된다. 여기서, 브러시 시일은 2개의 서로 상대적으로 회전하는 부품 사이의 방사방향 갭을 밀봉하기 위해 사용된다.
독일 특허 공개 제 34 25 162 C2호에는 평행하게 배치된 강모로 형성된 브러시 시일을 포함하는 방사방향 갭 시일이 공지되어 있다. 여기서, 강모는 회전하는 머신 부품의 축에 대해 기울어진다. 브러시 시일을 형성하는 강모를 가진 또다른 방사방향 갭 시일은 1908년 6월 10일자 오스트리아 특허 공보 제 33 252호, 미국 특허 공보 제 5,316,318호 및 WO 92/05378 A1호에 공지되어 있다.
독일 특허 공개 제 19 519 322 A1호에는 작동 휠과 원심 펌프의 하우징 벽 사이의 시일이 공지되어 있다. 여기서는 유체 펌프에서 발생하는 문제, 즉 이송될 유체의 오염시 보호 부품의 마모 작용에 의해 야기되는 갭 확대가 고려되어야 한다는 점이 다루어진다. 2개의 밀봉 파트너 중 하나가 다른 밀봉 파트너의 매끄러운 대향면 상에 놓인 브러시로 형성된다. 2개의 밀봉 파트너로 형성되는 밀봉 구간은 축방향 또는 방사방향으로 연장된다.
본 발명은 회전축을 중심으로 회전 가능한 부품과 상기 회전축에 대해 고정된 부품 사이의 축방향 갭을 밀봉하기 위한 밀봉 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 증기 터빈의 회전 블레이드와 가이드 블레이드 사이의 축방향 갭을 밀봉하기 위한 밀봉 장치의 용도에 관한 것이다.
도 1은 밀봉 장치를 가진 터보 머신의 종단면도;
도 2는 다른 밀봉 장치를 가진 터보 머신의 종단면도; 및
도 3은 도 1에 따른 밀봉 장치의 횡단면도이다
본 발명의 목적은 회전 부품과 고정 부품 사이의 갭에서 나타나는 갭 손실을 줄이기 위한 밀봉 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 밀봉 장치의 용도를 제공하는 것이다.
첫번 째 목적은 본 발명에 따라 터보 머신, 특히 열 유체 머신에서 회전축을 중심으로 회전 가능한 부품과 회전 축에 대해 고정된 부품 사이에 형성된 축방향 갭을 밀봉하기 위한 밀봉 장치로서, 강모를 포함하며 상기 갭 내로 돌출한 브러시형 밀봉 부재에 의해 밀봉이 이루어지는 밀봉 장치에 의해 달성된다. 여기서, 열 유체 머신은 유체, 즉 가스 또는 증기로 작동하는 증기 터빈, 가스 터빈, 압축기 등이다.
축방향 갭은 회전축에 대해 수직인 메인 연장 방향을 가진 갭이다. 상기 갭은 회전축에 대한 수직선에 대해 ±45°, 특히 ±15°정도 기울어질 수 있다. 축방향 갭을 통해 회전축으로의 또는 상기 회전축으로부터의 유체 이송이 이루어진다. 이와는 달리, 방사방향 갭에서는 회전축의 방향으로 유체의 이송이 이루어진다. 따라서, 축방향 갭은 회전축에 대해 기울어진 연장 방향을 따라 연장된다.
본 발명은 갭 손실을 줄이기 위해, 적어도 영역별로 회전축의 방향으로 연장되며 회전축에 대해 기울어진 방향으로 유체의 흐름을 가능하게 하는 축방향 갭의 밀봉이 이루어질 수 있다는 사실을 기초로 한다. 따라서, 축방향 갭에 유체가 흐를 수 있도록 직접 연결된 방사방향 갭을 통한 갭 손실이 부가로 또는 단독으로 감소된다. 강모를 포함하는 브러시형 밀봉 부재의 배치에 의해, 고정 부품과 회전 부품 사이의 축방향 갭이 매우 효과적으로 밀봉되고, 강모의 사용에 의해 밀봉 부재가 거의 완전히 갭 위로 한 부품으로부터 다른 부품으로 연장될 수 있다. 강모는 또한 동일한 밀봉 효과를 가지면서 손상 없이 2cm 까지의 축방향 갭 변동(갭 폭의 변동, 특히 감소)을 허용한다.
특히 휘기 쉽고 탄성적으로 변형 가능한 강모의 사용시, 강모가 회전 부품의 회전 동안 상기 회전 부품에 또는 선택적으로 고정 부품에 마찰 지지될 수 있다.
밀봉 부재의 강모는 바람직하게는 긴밀하게 채워지므로, 갭에 의해 형성된 횡단면을 거의 완전히 밀폐시킨다. 밀봉 부재 및 강모는 바람직하게는 회전축에 대한 일정한 축방향 각 만큼 기울어진다. 회전축에 대해 수학적으로 포지티브한 또는 네가티브한 방향으로 주어지는 상기 축방향 각은, 바람직하게는 40°미만이다. 특히, 상기 각은 ±20°, 바람직하게는 ±8°의 범위이다. 밀봉 부재는 회전축에 대해 평행할 수 있다. 밀봉 장치는 바람직하게는 하나의 밀봉 링을 형성하는 2개 이상의 밀봉 부재를 포함한다. 상기 밀봉 링은 갭의 횡단면을 거의 완전히 폐쇄하므로, 증기(수증기) 또는 고온 가스와 같은 유체의 누설 흐름이 형성되지 않는다. 다수의 밀봉 부재의 사용에 의해 분할 가능한 밀봉 링은 매우 간단한 조립 및 간단한 교체에 적합하다.
갭의 연장 방향은 바람직하게는 회전축에 대해 약 90°정도 기울어지므로, 방사방향 갭과는 달리 전형적인 축방향 갭이 형성된다.
밀봉 장치는 바람직하게는 터보 머신, 특히 증기 터빈, 가스 터빈 또는 터보 제너레이터에 사용된다. 회전 가능한 부품은 바람직하게는 터보 머신의 샤프트에 연결된다. 밀봉 장치는 터보 머신의 가이드 블레이드와 회전 블레이드 사이의 또는 반대로 회전 블레이드와 가이드 블레이드 사이의 축방향 갭을 밀봉하는데 특히 적합하다. 상기 축방향 갭에서의 압력 차가 작기 때문에, 브러시형 밀봉 부재의 강모가 축방향 구성으로 휘어질 수 있게 형성된다. 특히, 축방향 갭에서의 압력차가 회전 블레이드와 하우징 사이의 그리고 가이드 블레이드와 샤프트 사이의 방사방향 갭에서 보다 현저히 작다. 이로 인해, 갭이 거의 완전히 폐쇄되므로, 가이드 블레이드 또는 회전 블레이드로 형성된 블레이드 링과 밀봉 부재 사이에 극도로 작은 횡단면(나머지 갭)이 형성되거나 상기 횡단면이 형성되지 않을 수 있다. 터보 머신의 작동 동안 샤프트의 열 팽창으로 인해 터보 머신의 하우징에 대한 이동시, 유격 연결이 발생함으로써 강모가 회전 부품 또는 고정 부품에 직접 지지되기는 하지만, 강모의 탄성 변형만이 나타난다. 이로 인해, 강모, 즉 밀봉 부재 및 블레이드가 손상되지 않는다. 게다가, 회전축에 대한 강모의 경사각(축방향 각)이 미리 세팅될 수 있기 때문에, 브러시형으로 형성된 밀봉 부재에 의해 바람직한 축방향 흐름 가이드가 이루어질 수 있다. 따라서, 밀봉 장치의 밀봉 효과가 터보 머신의 작동 동안 유지된다. 작동 동안 누설 흐름이 적기 때문에, 상기 방식의 축방향 갭의 밀봉에 의해 터보 머신의 효율이 증가될 수 있다.
밀봉 부재는 바람직하게는 고정 부품 내에 배치되고 상기 고정 부품 내에서 이동 가능하게 형성될 수 있다. 예컨대, 강모는 축방향으로 이동 가능한 2개의 클램프 사이에 고정될 수 있다. 밀봉 부재의 축방향 이동은 스프링 및 고정 돌출부 등의 사용에 의해 일정한 정도로 제한될 수 있다. 또한, 밀봉 부재를 회전 부품에 연결시키는 것도 가능하다.
밀봉 장치의 용도에 관련한 상기 목적은 갭이 회전 블레이드와, 상기 회전 블레이드로부터 축방향으로 이격된 가이드 블레이드 사이에 형성되고, 강모를 포함하는 브러시형 밀봉 부재가 갭을 덮도록 가이드 블레이드로부터 회전 블레이드의 방향으로 연장된, 증기 터빈 내의 축방향 갭을 밀봉시키는데 밀봉 장치를 사용함으로써 달성된다. 이로 인해, 축방향 갭의 효과적인 밀봉이 이루어지며, 상기 밀봉에서는 축방향으로 가이드 블레이드에 대한 회전 블레이드의 상대 운동시에도 회전 블레이드 또는 가이드 블레이드 및 밀봉 부재의 손상이 피해진다.
이하, 밀봉 장치 및 밀봉 장치의 용도를 실시예를 참고로 구체적으로 설명한다. 도면에 도시된 실시예는 설명을 위해 척도에 맞지 않으며 개략적으로 도시된다.
도 1에는 상세히 도시되지 않은 터보 머신, 예컨대 가스 터빈 또는 증기 터빈의 한 섹션이 종단면도로 도시된다. 터보 머신은 회전 축(10)을 따라 연장된 터빈 샤프트(15)를 포함한다. 축방향으로 서로 이격된, 회전 가능한 그리고 원주 방향으로도 서로 나란히 배치된 다수의 부품(12)(회전 블레이드 12)이 상기 터빈 샤프트(15)에 연결된다. 원주 방향으로 서로 나란히 배치된 회전 블레이드(12)는 하나의 회전 블레이드 열(작동 블레이드 그리드, 회전 블레이드 링)을 형성한다. 여기서는 편의상 단 하나만이 도시된다. 각각의 회전 블레이드는 터빈 샤프트(15)에 대해 수직으로 배치되며 터빈 샤프트(15) 반대편에 놓인 커버링 스트립(18B)을 갖는다. 커버링 스트립(18B)은 터보 머신의 하우징(19)에 인접하며 예컨대 하우징(19)을 향한 2개의 밀봉 피크(16B)를 갖는다. 물론, 다수의 밀봉 피크(16B)가 제공될 수도 있다. 하우징(19)에도 하나의 밀봉 피크(16B)가 회전 블레이드(12)를 향해 제공된다. 회전 블레이드(12)는 커버링 스트립(18B)과 터빈 샤프트(15) 사이에 블레이드 프로파일 영역(20B)을 갖는다. 원주 방향으로 서로 이격된 2개의 회전 블레이드 사이에서 서로 인접한 블레이드 프로파일 영역(20B)에 의해 상세히 도시되지 않은 작동 유체 흐름(22)용 관통구가 형성된다. 상기 작동 유체는 회전 블레이드(12)의 구동 및 그에 따라 터빈 샤프트(15)의 회전을 위해 사용된다. 작동 유체 흐름(22)과 관련해서 회전 블레이드(12)의 하류에 고정 부품, 즉 다수의 가이드 블레이드(13)를 가진 가이드 블레이드 장치가 제공된다. 상기 가이드 블레이드 장치는 하우징(19)에 접속된다. 종단면도로 도시된 가이드 블레이드(13)도 터빈 샤프트(15)에 인접한 커버링 스트립(18A)을 포함한다. 가이드 블레이드(13)도 커버링 스트립(18A)과 하우징(19) 사이에 블레이드 프로파일 영역(20A)을 갖는다. 상기 영역(20A)은 작동 유체 흐름(25)의 방향 전환을 위해 사용된다. 커버링 스트립(18A)과 터빈 샤프트(15) 사이에 방사방향 갭(17A)이 형성된다. 유사하게, 하우징(19)과 회전 블레이드(12)의 커버링 스트립(18B) 사이에 방사방향 갭(17B)이 형성된다. 회전 축(10)에 대해 수직으로 연장된 밀봉 피크(16A)가 방사방향 갭(17A) 내로 돌출한다. 밀봉 피크(16A)는 교대로 터빈 샤프트(15) 및 가이드 블레이드(13)의 커버링 스트립(18A)에 접속된다.
상세히 도시되지 않은 터보 머신의 작동 동안, 방사 방향 갭(17A) 및 (17B)을 통해 누설 흐름(223)이 흐른다. 상기 누설 흐름(23)은 작동 유체 흐름(22)으로부터 분기된다. 가이드 블레이드(22)와 회전 블레이드(12) 사이에서 각각의 커버링 스트립(18B) 및 (18A)의 영역에는 회전 블레이드(12)와 가이드 블레이드(13)의 축방향 간격에 의해 축방향 갭(11)이 형성된다. 축방향 갭(11)은 회전 축(10)에 대해 수직인 연장 방향(14)으로 형성된다. 밀봉 부재(2)를 포함하는 밀봉 장치(1)가 상기 축방향 갭(11) 내에 제공된다. 밀봉 부재(2)는 터빈 샤프트(15)를 둘러싸며 가이드 블레이드(13) 내에 배치된 밀봉 링(4) 상에 놓인다(참고: 도 3). 밀봉 부재(2)는 가이드 블레이드(13)의 커버링 스트립(18A) 및 가이드 블레이드(13)의 하단 영역(24) 내에 배치된다. 상기 하단 영역(24)은 회전 블레이드(12)의 커버링 스트립(18B)에 마주 놓인다. 각각의 밀봉 부재(2)는 다수의 강모(3)를 포함한다. 강모(3)는 가이드 블레이드(13)로부터 회전 축(10)에 대해 평행하게 회전 블레이드(12)로 연장된다. 밀봉 부재(2)의 실시예에 따라 강모(3)가 회전 블레이드(12)까지 돌출할 수 있다. 강모는 회전 블레이드에 접촉하거나 또는 회전 블레이드로부터 작은 간격을 갖는다. 강모(3)에 의해 밀봉 링(4)이 형성되고, 상기 밀봉 링은 축방향 갭(11)을 거의 완전히 밀폐시킨다. 이로 인해, 축방향 갭(11)의 매우 효과적인 밀봉이 이루어지고 그에 따라 이것의 상류에 접속된 또는 이것의 하류에 접속된 방사방향 갭(17A), (17B)의 밀봉이 이루어진다. 따라서, 누설 흐름(23)이 현저히 감소되므로, 작동 유체 흐름(22)이 거의 완전히 블레이드 프로파일 영역(20A), (20B)를 통해 안내된다.
도 2에는 상세히 도시되지 않은 터보 머신이 종단면도로 도시된다. 도 1과 동일한 부호는 동일한 의미를 갖는다. 밀봉 부재(2)는 도 1에 도시된 밀봉 부재(2)와는 달리 회전 축(10)에 대해 약 15°내지 20°의 축방향 각(α), 바람직하게는 8°의 축방향 각(α) 정도 기울어진다. 이로 인해, 밀봉 부재(2)의 강모(3)와 회전 블레이드(12)의 접촉시 강모가 한 방향으로 휘어지므로 축방향 갭(11)이 매우 효과적으로 밀봉된다.
도 3에는 터빈 샤프트(15)의 그리고 도 1에 따른 가이드 블레이드(13)의 커버링 스트립(18A)의 횡단면도가 도시된다. 커버링 스트립(18A)은 분할 조인트(21)에 의해 2개의 대칭 절반으로 나눠진다. 각각의 절반은 관련 가이드 블레이드(13)(도시되지 않음)의 다수의 부분 커버링 스트립으로 형성된다. 커버링 스트립(18A)이 다수의 세그먼트, 예컨대 8개의 45°세그먼트로 나눠지는 것도 가능하다. 강모(3)는 하나의 밀봉 링(4)으로 통합된다. 밀봉 링은 분할 조인트(21)에서 서로 분리 가능한 2개의 대칭 부분으로 이루어진다. 밀봉 부재(2) 및 밀봉 링(4)의 분할된 실시예에 의해 이것이 예컨대 터보 머신의 보수 작업 동안 간단히 제어되거나 대체될 수 있다.
본 발명은 특히 터보 머신의 회전 부품과 고정 부품 사이의 축방향 갭 내로 돌출하여 축방향 갭의 효과적인 밀봉을 보장하는 브러시형 밀봉 부재를 특징으로 한다. 이로 인해, 특히 증기 터빈에 사용시 증기 터빈의 효율이 증가되는데, 그 이유는 축방향 갭, 및 이것의 상류 또는 하류에 배치되어 이것과 유체가 통하도록 연결된 방사방향 갭을 통한 증기의 누설 흐름이 현저히 감소되기 때문이다.

Claims (11)

  1. 터보 머신에서 회전축(10)을 중심으로 회전 가능한 부품(12)과 회전축(10)에 대해 고정된 부품(13) 사이에 형성된 축방향 갭(11)을 밀봉하기 위한 밀봉 장치(11)에 있어서,
    강모(3)를 구비하며 상기 갭(11) 내로 돌출한 브러시형 밀봉 부재(2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 밀봉 부재(2)가 긴밀하게 채워진 강모(3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 밀봉 부재(2)가 회전축(10)에 대해 20°미만, 특히 약 8°의 축방향 각 만큼 기울어지는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
  4. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 밀봉 부재(2)가 회전축(10)에 대해 평행한 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
  5. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    연장 방향(14)이 회전축(10)에 대해 약 90°정도 기울어진 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
  6. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강모(3)가 탄성적으로 휘어질 수 있는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
  7. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    하나의 링(4)을 형성하는 2개 이상의 밀봉 부재(2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
  8. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    증기 터빈, 가스 터빈, 압축기 또는 터보 제너레이터에서 회전 가능한 부품(12)이 터보 머신의 샤프트(15)에 연결되는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    고정 부품(13)이 가이드 블레이드이고, 회전 부품(12)이 회전 블레이드인 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
  10. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밀봉 부재(2)가 고정 부품(12) 또는 회전 부품(12)에 특히 이동 가능하게 배치되는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
  11. 갭(11)이 회전 블레이드(12)와, 상기 회전 블레이드로부터 축방향으로 이격된 가이드 블레이드(13) 사이에 형성되고, 강모(3)를 포함하는 브러시형 밀봉 부재(2)가 갭(11)을 덮도록 가이드 블레이드(13)로부터 회전 블레이드(12)의 방향으로 연장된, 증기 터빈 내의 축방향 갭(11)을 밀봉시키기 위한 밀봉 장치(1)의 용도.
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