KR20010112226A

KR20010112226A - 정압적으로 편향되는 패킹 링 브러시 밀봉 장치 조합체

Info

Publication number: KR20010112226A
Application number: KR1020017007011A
Authority: KR
Inventors: 크로머로버트해롤드; 딩크오스만세임; 울프크리스토퍼에드워드; 턴퀴스트노먼아놀드; 레루즈코죠오지어네스트
Original assignee: 제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹; 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2000-02-01
Filing date: 2000-02-01
Publication date: 2001-12-20
Also published as: WO2001057420A1; EP1169587A1; JP2003521657A

Abstract

원주 방향으로 연장하는 밀봉 단편(45)들이 회전 요소(16) 둘레에 배치되어 있고, 이들은 래버린스 밀봉 톱니부(36)와 브러시 밀봉부(37)를 갖춘 밀봉 면(34)을 갖는다. 단편들은 각기 시동 및 정상 상태 작동 조건에서 로터에 대한 큰 틈새 위치 및 작은 틈새 위치 사이에서 이동 가능하다. 하나의 실시예에서는, 시동 조건에서 스프링(31)이 단편들을 반경 방향 외측으로 편향시키고, 정상 상태 작동시 증기압이 단편들을 작은 틈새 위치로 이동시킨다. 또 다른 실시예에서는, 스프링이 단편들을 작은 틈새 위치로 이동하도록 편향시키는데, 그 이동의 정도는 단편들을 탑재하는 중심 링의 정지 요소에 대한 상대적인 열 팽창에 의해 결정된다.

Description

정압적으로 편향되는 패킹 링 브러시 밀봉 장치 조합체{POSITIVE BIASED PACKING RING BRUSH SEAL COMBINATION}

많은 기계에 있어서, 회전 요소와 정지 요소 사이에는 밀봉 장치가 갖춰진다. 예를 들어, 증기 터빈에 있어서, 정지 요소와 회전 요소 사이에 그리고 그 둘레에 래버린스 밀봉 장치를 구성하는 복수개의 활형 밀봉 링 단편들을 채용하는 것은 통상적인 것이다. 전형적으로, 활형 밀봉 링 단편들은, 기계의 회전축을 중심으로 동심(同心)이 되도록 그에 따라 회전 요소의 밀봉 면에 대해서도 동심이 되도록 설계된 정지 요소의 환형 홈 내에 배치된다. 각각의 활형 밀봉 단편은 회전 요소의 밀봉 면에 대향하는 활형 밀봉 면을 지니고 있다. 래버린스형 밀봉 장치에서, 밀봉 면들은 반경 방향으로 향하는 축 방향으로 간격을 둔 톱니부(teeth)들의 열(array)을 지니고 있고, 이 톱니부들은 회전 요소의 밀봉 면을 형성하는 축 방향으로 간격을 둔 환형 홈들의 열로부터 반경 방향으로 간격을 두고 있다. 다르게는, 회전 요소는 밀봉 면 상의 톱니부 열에 반경 방향으로 대향하는 매끄러운 면을 갖는다. 어떠한 경우에도, 밀봉 작용은 예를 들어 증기와 같은 작동 유체가 밀봉 면 톱니부와 회전 요소의 대향하는 면에 의해 한정되는 래버린스 내의 비교적 비좁은 틈새를 통과하여 지남에 따라 난류 유동화 됨으로써 달성된다. 또 다르게는, 조합 래버린스/브러시 밀봉 구조는 단편의 밀봉 면의 일부로서 사용될 수 있다. 따라서, 주된 밀봉은 브러시 밀봉부에 의해 달성되고, 래버린스 톱니부는 브러시 밀봉부의 고장시 백업(back-up)용 밀봉 장치로서 역할을 한다.

전형적인 장치에 있어서, 정지 요소의 환형 홈은 더브테일(dovetail) 형상이며, 서로를 향해 축 방향으로 향하고 그들 사이에 슬롯을 한정하는 정치 플랜지를 갖는다. 정지 요소는, 반 환형(semi-annular)의 더브테일 홈들이 대략 대응하는 형상을 갖는 활형 밀봉 링 단편들을 수용할 수 있도록 길게 분할되어 있다. 보다 특정적으로, 활형 단편들은 유사하게 더브테일 형상으로 되어 있고, 정지 요소의 더브테일 홈 내에 배치되도록 서로로부터 축 방향으로 멀어지게 향하는 한 쌍의 플랜지와, 상기 단편의 플랜지와 밀봉 면을 연결하고 상기 홈의 정치 플랜지에 의해 한정되는 슬롯을 통과해 지나가는 목부(neck)를 구비한다. 목부는, 장착시 상기 홈의 반경 방향 내측으로 향하는 활형 밀봉 면을 지닌다.

이러한 형태의 밀봉 장치에서, 회전 요소와 정지 요소 사이의 물리적 접촉 없이 비좁고 일정한 틈새를 유지하는 능력은 효과적인 밀봉을 구성하는데 있어 불가결하다. 단편의 밀봉 면과 회전 요소의 대향하는 밀봉 면 사이의 이러한 반경 방향 틈새가 너무 크게 된다면, 보다 적은 난류가 생성되어 밀봉 작용이 손상된다. 반대로, 틈새가 너무 비좁으면, 밀봉 톱니부가 회전 요소와 접촉할 수 있고, 그 결과 톱니부가 그 형태와 비좁은 틈새를 잃어버려 그때부터 난류가 적게 생성되어 마찬가지로 밀봉 작용이 손상된다.

현재의 가변 틈새 패킹 링은 시동 후에 대개 고압 증기를 사용하여 반경 방향 외측으로 향하는 스프링 힘을 극복함으로써 패킹 링 단편을 반경 방향 내측으로 로터(rotor) 쪽으로 이동시킨다. 즉, 시동 시에, 스프링은 패킹 링 단편을 반경 방향 최외측 위치에 위치시켜서, 단편의 밀봉 면과 로터 사이의 큰 틈새가 로터와 정지 요소의 상대적인 움직임, 특히 시동 중의 로터의 반경 방향 편위(偏位)를 수용할 수 있도록 한다. 정상 상태에서는, 증기압이 스프링 힘을 극복하여 단편을 로터에 대한 작은 틈새 위치로 반경 방향 내측으로 이동시킨다.

불규칙한 마찰력으로 인해 밀봉 단편이 꼼짝 못하게 되거나 움직이지 못하게 될 가능성을 피하기 위한 노력에서 그리고 보다 종래의 고정식 혹은 스프링 후퇴식 정압 패킹 링 단편과 비교하여 큰 누출 간극을 잠재적으로 열어두기 위한 노력에서, 정지 요소와 회전 요소 사이의 또 다른 형태의 가변 틈새 패킹 링 밀봉부가 제안되어졌는데, 이것은 다양한 구성 요소의 열 팽창 특성을 이용하여, 시동 시에는 패킹 링 단편 밀봉 면과 회전 요소 사이에 큰 밀봉 틈새를 둘 수 있게 하면서도 정상 상태 작동 시에는 그들 사이에 작은 틈새와 최소의 단편간 누출이 확실하게 이루어지게 한다. (본 출원과 동일한 양도인의 1998년 4월 15일자 미국 특허 출원 제09/060,902호 참조). 그러한 적용예에 있어서는, 밀봉 장치 유지부, 즉 전형적으로는 터빈 격막(diaphram) 혹은 패킹 케이싱(casing)인 정지 요소보다 낮은 열 팽창 계수를 갖는 패킹 링 단편이 구비된다. 또한, 밀봉 유지부보다 큰 열 팽창 계수를 갖는 중심 링이 구비된다. 한 쌍의 중심 링이 밀봉 단편의 목부의 축 방향 양측에 설치되어 정지 요소에 의해, 예를 들어 밀봉 장치 유지부에 의해 고정되고 더브테일 형상의 공동 내로 축 방향으로 돌출하는 둥글게 형성될 수 있는 맞춤못(dowel)들에 의해 지지된다. 패킹 링 단편은 중심 링에 의해 지지되고, 각각의 단편은 단편과 정지 요소 사이에서 작용하는 스프링에 의해 반경 방향 내측으로 편향된다. 패킹 링 단편은 중심 링의 대향 단부 상의 접촉면과 맞물려 단편의 밀봉 면과 회전 요소 사이의 시동 시의 큰 틈새 위치를 유지한다. 그 위치에서, 단편의 단부들은 폐쇄된다.

중심 링은 밀봉 유지부, 로터 및 패킹 링 단편보다 큰 열 팽창 계수를 갖는다. 시동 후에 그리고 온도가 상승함에 따라, 중심 링은 패킹 링 단편보다 더 큰 정도로 원주 방향으로 열 팽창한다. 따라서, 중심 링 상의 패킹 링 단편용 지지점을 구성하는 접촉면들은 패킹 링 단편이 반경 방향 내측으로 이동될 수 있도록 원주 방향으로 이동된다. 기계가 정상 상태 작동에 도달함에 따라, 패킹 링 단편은 중심 링의 균일한 직경의 외측 표면과 맞물리게 되므로, 회전 요소에 대한 패킹 링 단편 밀봉 면의 동심성(同心性)이 보장되고, 단편의 밀봉 면과 회전 요소 사이에 작고 균일한 틈새가 형성될 수 있으며, 밀봉 단편들 사이의 단부 간극이 개방될 수 있다. 그 결과, 시동 중과 정상 상태 작동 중에 래버린스 톱니부 구조를 유지하고 최소의 편향 누출을 갖는 균일한 틈새의 밀봉 장치가 구현된다.

본 발명은 예를 들어 증기 터빈과 같은 기계의 회전 요소 및 정지 요소 사이에 위치하는 밀봉 장치에 관한 것으로서, 특히 회전 요소 둘레의 큰 밀봉 틈새의 시동 위치 및 작은 밀봉 틈새의 정상 상태 작동 위치 사이에서 이동하도록 정압(正壓)적으로 편향되는 조합 래버린스/브러시 밀봉 장치 패킹 링 단편(combined labyrinth/brush seal packing ring segment)에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 고정 및 회전 요소 사이의 복수개의 패킹 링 밀봉 단편(seal segment)들을 도시하는 부분 단면도이다.

도 2 및 2a는 회전 요소에 대해 각기 큰 틈새 위치와 작은 틈새 위치에 있는 본 발명에 따른 조합 래버린스/브러시 밀봉 장치(combined labyrinth/brush seal) 정압(正壓) 패킹 링 단편의 단면도이다.

도 3 및 3a는 각기 큰 틈새 위치 및 작은 틈새 위치에 있는 본 발명에 따른 패킹 링 단편의 부분 축 방향 단면도이다.

도 4a는 큰 틈새 위치에 있는 본 발명에 따른 조합 래버린스/브러시 밀봉 장치 패킹 링 단편의 다른 실시예를 도시하는 부분 축 방향 단면도이다.

도 4b는 작은 틈새 위치에 있는 조합 래버린스/브러시 밀봉 장치 패킹 링 단편의 밀봉 단편을 도시하는 도 4a와 유사한 도면이다.

도 5a 및 5b는 각기 큰 틈새 위치 및 작은 틈새 위치에 있는 도 4a 및 도 4b의 패킹 링 단편의 단부 및 그것을 위한 지지부를 도시하는 확대 부분 단면도이다.

도 6a 및 6b는 각기 도 5a 및 도 5b의 6A-6A 선 및 6B-6B 선에 대하여 대략취해진 부분 단면도이다.

본 발명에 따르면, 회전 요소 둘레의 큰 밀봉 틈새의 시동 위치 및 작은 밀봉 틈새의 정상 상태 작동 위치 사이에서 이동하도록 정압적으로 편향되는 조합 래버린스/브러시 밀봉 장치 패킹 링 단편이 제공된다. 큰 틈새의 시동 위치와 작은 틈새의 작동 위치 사이에서 패킹 링 단편을 이동시키는 어떠한 형태의 편향 장치도 본 발명의 패킹 링 단편에 적용될 수 있는데, 예를 들어 본 명세서에 특별히 기재된 정압 패킹 링 단편 및 열적으로 작용되는 패킹 링 단편과 같은 것이다. 정압적으로 편향되는 패킹 링 단편에서 브러시 밀봉부를 래버린스 밀봉 장치와 조합하여 채용하면, 밀봉 장치를 따라 흐르는 냉각류를 제공하기 위해서 뿐만 아니라 시동 시의 마찰 및 진동 문제들을 피하기 위해서 시동 시에 큰 틈새의 밀봉을 제공하는 장점이, 패킹 링 단편에서 브러시 밀봉부를 주 밀봉부로서 하는 장점과 결합된다. 시동 시에 브러시 밀봉부는 로터로부터 거리가 떨어져 있으므로, 접촉이나 그러한 접촉에 의한 열 발생 때문에 로터 진동에 기여하지는 않는다. 정상 상태 작동 조건에서, 브러시 밀봉부는 정지 요소와 회전 요소 사이에 주된 효과적인 밀봉이 이루어지도록 로터와 접촉하여 놓이거나 로터로부터 약간 거리를 둘 수 있다. 증기 터빈은 이전에는 단(段) 사이에 그리고 단부 패킹 위치에 브러시 밀봉부를 갖추고 있었지만, 출원인이 아는 한 지금까지는 아직, 이동 가능한 정압적으로 편향되는 패킹 링 단편에 래버린스/브러시 밀봉 장치를 조합하는 것이 확실한 것이다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예에서는, 축 둘레의 회전 가능한 요소와, 하나 이상의 축 방향으로 연장하는 정치 후크를 갖는 상기 축 둘레의 정지 요소를 갖춘 증기 터빈에 이동 가능한 패킹 링 조립체가 제공되는데, 이 이동 가능한 패킹 링 조립체는, 상기 축 둘레에 있는 패킹 링 단편들로서, 상기 회전 가능한 요소에 대향하는 활형 밀봉 면을 가지며, 상기 면의 반경 방향 내측으로 향하는 선단부를 갖는 브러시 밀봉부를 지니고 있고, 또한 축 방향으로 연장하는 하나 이상의 제1 활형 플랜지를 각기 갖고 있는 복수개의 패킹 링 단편과, 상기 정치 후크와 상기 플랜지 사이에 위치하며 각각의 단편을 반경 방향 외측으로 이동하도록 편향시켜 상기 브러시 밀봉부의 선단부가 상기 회전 요소로부터 간격이 떨어진 제1 위치에 정치되도록 하는 스프링과, 상기 정지 요소와 상기 단편 사이에 위치하며 상기 스프링의 편향력에 대항하여 상기 단편을 반경 방향 내측으로 이동시켜 상기 강모 선단부가 그것의 상기 제1 위치의 반경 방향 내측으로 정치되도록 하는 체임버를 구비한다.

본 발명에 따른 또 다른 바람직한 실시예에서는, 축 둘레의 회전 가능한 요소와, 상기 축 둘레의 정지 요소와, 상기 축 둘레의 상기 정지 요소에 마련된 지지부들을 갖춘 기계에 사용되는 가변 틈새 패킹 링이 제공되는데, 이 가변 틈새 패킹 링은 상기 축 둘레에 위치하는 패킹 링 단편과, 상기 지지부들 중 하나와 맞물림 가능한 구성 요소를 구비하고, 상기 패킹 링 단편은 상기 회전 가능한 요소에 대향하는 활형 밀봉 면과, 축 방향으로 연장하는 최소한 제1 활형 플랜지와, 상기 활형 밀봉 면으로부터 상기 회전 가능한 요소 쪽으로 연장하고 최소한 그 한 측면에 평판을 갖는 브러시 밀봉부를 구비하며, 상기 구성 요소는 그것을 따라 제1 위치에서 상기 제1 플랜지와 맞물려서 상기 단편 밀봉 면과 브러시 밀봉부를 상기 회전 요소에 대한 제1 틈새 위치에 유지하고, 또한 상기 구성 요소는 상기 단편의 열 팽창 계수보다 큰 열 팽창 계수를 가지고, 또한 상기 구성 요소는 상기 단편과 상기 구성 요소의 상대적 열 팽창에 대응하여 그것을 따라 제2 위치에서 상기 제1 플랜지와 맞물리고, 이로써 상기 단편이 상기 구성 요소에 대해 반경 방향 내측으로 이동되어 상기 밀봉 면 및 상기 브러시 밀봉부가 상기 제1 틈새 위치의 반경 방향 내측으로 상기 회전 요소에 대한 제2 틈새 위치에 정치된다.

본 발명에 따른 또 다른 바람직한 실시예에서는, 축 둘레의 회전 가능한 요소와, 상기 축 둘레의 정지 요소와, 상기 축 둘레의 상기 정지 요소에 마련된 지지부를 갖춘 기계에 사용되는 가변 틈새 패킹 링이 제공되는데, 이 가변 틈새 패킹 링은 상기 축 둘레에 위치하는 패킹 링 단편과, 상기 지지부와 맞물림 가능한 구성 요소를 구비하고, 상기 패킹 링 단편은 상기 회전 가능한 요소에 대향하는 활형 밀봉 면과, 상기 활형 밀봉 면으로부터 상기 회전 가능한 요소 쪽으로 연장하는 브러시 밀봉부를 구비하며, 상기 구성 요소는 상기 회전 요소에 대한 제1 틈새 위치에 상기 단편 밀봉면과 상기 브러시 밀봉부를 유지하기 위하여 제1 위치에서 그것을 따라 상기 단편과 맞물리고, 또한 상기 구성 요소는 상기 단편의 열 팽창 계수보다 큰 열 팽창 계수를 가지고, 또한 상기 구성 요소는 상기 단편과 상기 구성 요소의 상대적 열 팽창에 대응하여 제2 위치에서 그것을 따라 상기 단편과 맞물리고, 이로써 상기 단편이 상기 구성 요소에 대해 반경 방향 내측으로 이동되어 상기 밀봉 면이 상기 제1 틈새 위치의 반경 방향 내측으로 상기 회전 요소에 대한 제2 틈새 위치에 정치된다.

따라서, 본 발명의 주 목적은 터빈에 있어서, 각각 시동 상태와 정상 상태에 있는 큰 틈새 위치와 작은 틈새 위치 사이에서 이동하도록 정압적으로 편향되는 신규하고 개선된 조합 래버린스/브러시 밀봉 패킹 링 단편을 제공하고자 하는 것이다.

이제 도 1의 종래 기술을 참조하면, 터빈 하우징(turbine housing, 14) 내에 배치되어 하우징(14) 내에서 종래 수단(도시 안됨)에 의해 회전 가능하게 지지되는 터빈 샤프트(12)를 갖는, 대략 도면 부호 10으로 나타내어진 증기 터빈의 일부가 도시되어 있다. 다단(多段) 래버린스 밀봉 장치(16)는 터빈 샤프트(12) 둘레에 배치된 복수개의 밀봉 링(18, 20, 22)을 포함하는데, 이 밀봉 링들은 각기 고압 영역 및 저압 영역(28 및 30)을 분리한다. 각각의 밀봉 링은 복수개의 활형(arcuate) 밀봉 단편(32)들이 환형으로 배열되어 형성된다. 일반적으로, 이러한 종래의 래버린스 밀봉 장치(16)는 고압 영역(28)으로부터 저압 영역(30)으로의 증기 유동에 대해 비교적 많은 수의 부분적 장벽을 배치함으로써 작용한다. 각각의 장벽은 터빈 샤프트(12)의 축에 평행하게 흐르려고 하는 증기가 구불구불한 경로를 따라가도록 하고, 이에 따라 압력 강하가 발생한다. 정의에 의하면, 래버린스 밀봉 장치(16)에 있어서의 압력 강하의 합계는 고압 및 저압 영역(28 및 30) 사이의 압력 차가 된다.

도 1을 계속 참조하면, 각각의 활형 밀봉 링 단편(32)은 밀봉 면(34)과 반경 방향으로 돌출하는 톱니부(teeth, 36)를 갖는데, 각각의 밀봉 면(34)은 서로 축 방향으로 멀어져서 연장하는 한 쌍의 플랜지(flange, 38)로 형성된다. 밀봉 링 단편(32)의 반경 방향 외측 부분은 단편(32)으로부터 서로 축 방향 반대 방향으로 유사하게 연장하는 제1 활형 정치(定置) 플랜지 혹은 후크(hook)(40)를 포함한다.터빈 하우징(14)은, 축 방향으로 서로를 향해 연장하고 그들 사이에 슬롯(slot)을 한정하는 한 쌍의 정치 플랜지(44)에 의해서 반경 방향으로 가장 안쪽 부분에 한정된 대체로 더브테일(dovetail) 형상인 환형 홈(42)을 포함한다. 반경 방향으로 축소된 목부(neck, 45)(도 2)는 정치 플랜지(40)와 밀봉 플랜지(38) 사이에서 그리고 플랜지(44)들 사이의 슬롯(46) 내에서 연장한다.

도 2 및 3을 참조하면, 본 발명의 하나의 특징에 있어서는, 도 1에 도시된 패킹 링 단편(32)과 전체적인 형상에 있어서 유사한 조합 래버린스/브러시 밀봉 장치 정압 패킹 링 단편이 제공된다. 즉, 도 2 및 3의 각각의 패킹 링 단편은, 밀봉 면(34)과, 서로 축 방향으로 거리를 둔 반경 방향으로 돌출하는 테이퍼(tapered) 래버린스 톱니부(36)와, 반대 방향의 축 방향으로 연장하는 한 쌍의 플랜지(38)와, 축 방향에서 반대 방향으로 서로로부터 멀어져서 연장하는 활형 정치 플랜지 혹은 후크(40)와, 정치 플랜지(40) 및 밀봉 플랜지(38) 사이에 있는 목부(45)를 포함한다. 비슷하게, 터빈 하우징의 정지 요소는, 서로를 향해서 축 방향으로 연장하여 그 사이에 슬롯을 한정하는 한 쌍의 정치 플랜지(44)를 갖는 더브테일 형상의 환형 홈(42)을 포함한다. 그러나, 이러한 형태에 있어서, 밀봉 링 단편은, 로터(rotor, 16)가 시동 상태에 있는 큰 틈새 위치와, 터빈이 정상 상태로 작동중인 작은 틈새 위치 사이에서 이동 가능한 정압 패킹 링 단편을 구성한다. 이를 달성하기 위하여, 정지 요소의 정치 플랜지(44)와 밀봉 링 단편의 정치 후크(40) 사이에 하나 이상의 쌍의 스프링(31)이 배치되어 밀봉 링 단편을 큰 틈새 위치로 반경 방향 외측 방향으로 편향시킨다. 결론적으로, 래버린스 톱니부(36)는 시동 상태의 로터로부터 거리를 둔 채로 유지된다. 덧붙여서, 환형 홈(42)과 단편(32)의 반경 방향 최외측면에 의해 한정되는 체임버(chamber, 33)는, 예를 들어 정지 요소 내의 통로(35)를 통해, 고압 유체를 수용할 수 있다. 상류측의 고압 유체를 체임버(33)에 전달하는 홈을 밀봉 링 그 자체의 고압측이나 상류측을 따라 형성하는 것을 포함하여 많은 상이한 방법으로 고압 유체가 체임버에 공급될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 체임버(33)를 가압함으로써 스프링(31)의 편향력이 고압 유체에 의해 극복되고, 이에 따라 밀봉 단편이 로터쪽으로 반경 방향 내측으로 이동되어 작은 틈새의 정상 상태 작동 조건이 이루어진다.

또한, 본 발명에 있어서, 밀봉 단편은 대략 도면 부호 37로 나타내어진 브러시 밀봉부를 갖는다. 브러시 밀봉부(37)는 한 쌍의 평판(41, 43) 사이에 배치된 복수개의 금속제 강모(剛毛, 53)를 포함한다. 브러시 밀봉부(37)는 밀봉 단편의 밀봉 면(34) 내에 배치된 홈(47) 내에 배치된다. 평판들 중의 하나(43)는 브러시 밀봉부를 단편 내에 유지하기 위한 후크(49)를 가지며, 후크는 단편의 상보적(相補的)인 오목부(recess, 51) 내에 수용된다. 강모(53)는 그 반경 방향 최외측 단부에서 서로에 대해 그리고 평판들에 대해 용접될 수 있다는 이해할 것이다. 강모(53)는, 평판들(41, 43)의 반경 방향 최내측 가장자리를 넘어서 돌출하여 래버린스 톱니부(36)와 더불어 조합 래버린스/브러시 밀봉 장치의 밀봉 단편을 형성하는 선단부(tip, 39)를 갖는다.

시동 상태에서, 밀봉 단편들이 판 스프링(31)의 편향력을 받아 큰 틈새의 반경 방향 외측 위치에 배치되고, 래버린스 톱니부와 선단부(39)는 로터(16)로부터간격을 두고 배치되어진다. 결론적으로, 시동 상태에서는, 진동의 제거는 물론 밀봉 장치 내에서의 열의 형성을 용이하게 하는 로터와 밀봉 장치 사이의 마찰 접촉은 전혀 없다. 정상 상태 작동 중에는, 도관(35)을 통해 체임버(33)에 공급된 유체 압력에 의해 스프링(31)의 편향력이 극복되어 밀봉 단편들이 작은 틈새 위치로 반경 방향 내측으로 배치된다. 그 위치에서, 브러시 밀봉부는 로터와 일차적인 밀봉을 형성하게 된다. 작은 틈새 위치에 있는 브러시 밀봉부가 로터로부터 간격을 두고 배치되어 틈새, 즉 로터와의 비마찰, 비접촉의 관계를 제공할 수도 있고, 브러시 밀봉부의 선단부(39)가 로터와 맞물려 마찰 접촉을 제공할 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 브러시 밀봉부(37)는 종래 유형의 브러시 밀봉부를 구비할 수 있는데, 바람직하게는, 로터의 회전 방향에서 경사 각도로 연장하는 강모를 갖는다.

이제 도 4 내지 6에 도시된 본 발명의 실시예를 참조하면, 정압적으로 편향된 밀봉 단편의 조합 래버린스/브러시 밀봉 장치를 갖는 유사한 밀봉 단편이 제공된다. 따라서, 이전의 실시예에서와 유사하게, 단편은, 평판들(41, 43) 사이에서 경사 각도로 연장하는 강모(53)를 갖는 브러시 밀봉부(37)로서 상보적인 오목부(51) 내에 위치되는 측방향 돌출부(49)에 의해 브러시 밀봉 단편의 홈 내에 유지되는 브러시 밀봉부를 포함한다. 그러나, 이러한 형태에 있어서, 밀봉 단편은 스프링(55)에 의해 작은 틈새 위치로 편향된 온도 반응성 중심 링(50)에 의해 큰 틈새 위치에 유지된다.

보다 특정적으로, 복수개의 패킹 링 단편 지지부(48)가 단편(32)과 하우징(14)의 정치 플랜지들(38, 44) 사이의 공동(cavity, 42)에 마련된다. 지지부는 공동(42)을 따라 원주변으로 떨어진 거리에 위치하는 맞춤못(dowel, 48)을 구비할 수 있다. 목부의 축 방향 양측에 있는 정치 플랜지(38)와 밀봉 장치 유지 장치(seal holder)의 맞춤못들 사이의 공동(42) 내에는 중심 링 혹은 구성 요소(50)가 마련된다. 중심 링(50)은 패킹 링 단편의 원주 길이와 비교할만한 원주 길이와 일정한 직경의 반경 방향 외측면(52)을 갖는다. 정치 플랜지 혹은 후크(40)의 내측면(57) 역시 외측면(52)과 짝을 이루는 일정한 직경의 반경 방향 내측면을 갖는다는 것을 이해할 것이다.

도시된 바와 같이, 각각의 중심 링(50)의 양 단부들은 경사 접촉면(56)을 갖춘 반경 방향 외측 방향의 돌출부(54)를 갖는다. 경사 접촉면(56)은 선형의 볼록한 활형이거나, 접촉 영역 혹은 지점을 구비할 수 있다. 각각의 정치 플랜지(38)의 양 단부면은 각기 접촉면(58)을 구비하는데, 이 접촉면(58)은 밀봉 단편이 로터에 대해 큰 틈새 위치에 있는 상태에서 접촉면(56)과 맞물린다. 중심 링(50)의 양 단부의 반경 방향 최내측면이 움푹 들어가 있어서, 중심 링(50)이 움푹 들어간 면(62)을 따라 있는 맞춤못(48) 상에 놓이게 된다. 중심 링(50)은 또한, 중심 링이 단편에 대하여 원주 방향으로 이동하지 못하도록 하는 맞춤못과 맞물리는 경사면(64)을 갖는다. 스프링(55)이 패킹 링 단편을 반경 방향 내측으로 편향시킬 때, 정치 플랜지(38)의 접촉면(58)은 중심 링(50)의 접촉면(56)과 맞물린다는 것을 이해할 것이다. 다음으로, 중심 링은 맞춤못(48)과 움푹 들어간 면(62) 간의 맞물림에 의해서 지지된다. 상기와 같은 배치 상태에서 여러 가지 기계 요소들이 상온(常溫, cold) 상태, 즉 시동 상태에 있을 때, 로터(12) 주위의 각각의 패킹 링 단편들은로터(12)에 대해 큰 틈새 위치에서 유지된다. 정치 플랜지(40)의 반경 방향 내측면(57)과 중심 링(50)의 외측면(52) 사이에는 반경 방향의 간격이 있다는 것을 유의해야 한다.

중심 링(50)은, 밀봉 링 단편, 밀봉 장치 유지 장치 즉 하우징(14), 및 로터(12)의 열 팽창 계수보다 큰 열 팽창 계수를 갖는 재료로 구성된다. 따라서, 인접 요소들의 계수보다 큰 계수를 갖는 어떤 재료도, 기계의 온도에서 그리고 작동에 요구되는 팽창과 조화를 이루는 중심 링의 재료로서 사용될 수 있다. 특정한 예로서, 패킹 링 단편은 409 스테인레스강(Stainless Steel) 혹은 불변강(Invar: 니켈 철 합금)으로 구성될 수 있고, 반면에 중심 링은 304 스테인레스강으로 구성될 수 있다. 또한, 도 3a에 도시된 바와 같이, 패킹 링 단편들이 큰 틈새 위치에 있을 때 그 인접 단부들 사이에는 실질적인 간격이 존재한다.

시동 후에 그리고 작동 유체의 온도가 상승함에 따라, 여러 가지 요소들이 서로에 대해 치수적으로 상이하게 반응하고, 이러한 요소들로 인하여 패킹 링 단편들은 큰 틈새 위치에서 작은 틈새 위치로 이동할 수 있게 되어, 패킹 밀봉 링 단편들의 인접 단부들 사이의 간격이 약간 증가된다. 이를 위하여, 작동 유체에 의해 구성 요소들이 가열됨에 따라, 중심 링(50)이 원주 방향으로 팽창할 것이다. 즉, 중심 링이 패킹 링 단편의 원주 방향의 성장보다 더 크게 원주 방향으로 열(熱)적으로 성장하게 될 것이다. 중심 링이 원주 방향으로 팽창함에 따라, 중심 링 단부의 접촉면(56)들이 접촉면(58)들로부터 원주 방향으로 멀어지게 이동되므로, 스프링(55)이 조합 래버린스/브러시 밀봉 장치를 반경 방향 내측으로 이동시킬 수 있고, 그 결과 면(52, 57)들이 서로 맞물릴 수 있게 된다. 각각의 중심 링의 반경 방향 위치는 열 팽창 중에, 즉 상온 시동(cold start)시 및 정상 상태 작동 조건에서, 똑같이 유지된다. 단편들이 반경 방향 내측으로 이동함에 따라, 단편의 밀봉 면과 브러시 밀봉부의 선단부는 도 4b에 도시된 작은 틈새 위치쪽으로 로터 요소에 대해 보다 가깝게 이동된다. 동시에, 밀봉 링 단편들간의 단부 간격은 소망하는 운전 틈새(running clearance)쪽으로 약간 증가한다. 면(52)과 정치 플랜지(40)의 내측면(57)이 서로 동심적(同心的)이면, 로터 둘레에 동심적으로 일정한 작은 틈새가 형성된다.

현재 가장 실제적이고 바람직한 실시예로 여겨지는 것과 관련하여 본 발명을 기술하였지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 반대로 첨부된 청구범위의 사상과 범위 내에 포함되는 다양한 변형예들과 동등한 구조들을 포함하도록 의도된다는 것을 이해해야 한다.

본 발명에 따른 정압적으로 편향되는 패킹 링 브러시 밀봉 장치 조합체는, 예를 들어 증기 터빈과 같은 기계의 회전 요소 및 정지 요소 사이에 위치하는 밀봉 장치로서 사용된다.

Claims

축 둘레의 회전 가능한 요소와, 하나 이상의 축 방향으로 연장하는 정치 후크를 갖는 상기 축 둘레의 정지 요소를 갖춘 증기 터빈에 있어서의 이동 가능한 패킹 링 조립체로서,

상기 축 둘레에 있는 패킹 링 단편들로서, 상기 회전 가능한 요소에 대향하는 활형 밀봉 면을 가지며, 상기 면의 반경 방향 내측으로 향하는 선단부를 갖는 브러시 밀봉부를 지니고 있고, 또한 축 방향으로 연장하는 하나 이상의 제1 활형 플랜지를 각기 갖고 있는 복수개의 패킹 링 단편과,

상기 정치 후크와 상기 플랜지 사이에 위치하며 각각의 단편을 반경 방향 외측으로 이동하도록 편향시켜 상기 브러시 밀봉부의 선단부가 상기 회전 요소로부터 간격이 떨어진 제1 위치에 정치되도록 하는 스프링과,

상기 정지 요소와 상기 단편 사이에 위치하며 상기 스프링의 편향력에 대항하여 상기 단편을 반경 방향 내측으로 이동시켜 상기 강모 선단부가 그것의 상기 제1 위치의 반경 방향 내측으로 정치되도록 하는 체임버

를 구비하는 것을 특징으로 하는 이동 가능한 패킹 링 조립체.
제1항에 있어서, 상기 밀봉 면은, 상기 브러시 밀봉부와 더불어 상기 회전 요소에 관한 조합 래버린스/브러시 밀봉 장치를 구성하는 하나 이상의 래버린스 밀봉 톱니부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 가능한 패킹 링 조립체.
제1항에 있어서, 상기 브러시 밀봉부는, 각각의 단편에 의해 유지되며 상기 회전 요소의 반경 방향에 대해 경사 각도로 연장하는 복수개의 강모와, 상기 강모의 한 축방향 측면에 각각의 단편에 의해 유지되는 평판을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 가능한 패킹 링 조립체.
제1항에 있어서, 상기 정지 요소는 한 쌍의 축 방향으로 연장하는 정치 후크를 갖는데, 각각의 상기 단편에는 양쪽 축 방향으로 연장하고 각기 상기 후크들과 반경 방향에서 정합하는 한 쌍의 활형 플랜지가 구비되고, 각각의 쌍의 정합 후크와 플랜지 사이에는 상기 단편을 반경 방향 외측으로 편향시키는 스프링이 마련되는 것을 특징으로 하는 이동 가능한 패킹 링 조립체.
축 둘레의 회전 가능한 요소와, 상기 축 둘레의 정지 요소와, 상기 축 둘레의 상기 정지 요소에 마련된 지지부들을 갖춘 기계에 사용되는 가변 틈새 패킹 링으로서,

상기 회전 가능한 요소에 대향하는 활형 밀봉 면과, 축 방향으로 연장하는 최소한 제1 활형 플랜지와, 상기 활형 밀봉 면으로부터 상기 회전 가능한 요소 쪽으로 연장하고 최소한 그 한 측면에 평판을 갖는 브러시 밀봉부를 구비하며, 상기 축 둘레에 위치하는 패킹 링 단편과,

상기 지지부들 중 하나와 맞물림 가능한 구성 요소로서, 그것을 따라 제1 위치에서 상기 제1 플랜지와 맞물려서 상기 단편 밀봉 면과 브러시 밀봉부를 상기 회전 요소에 대한 제1 틈새 위치에 유지하는 구성 요소를 구비하는데,

상기 구성 요소는 상기 단편의 열 팽창 계수보다 큰 열 팽창 계수를 가지고, 또한 상기 구성 요소는 상기 단편과 상기 구성 요소의 상대적 열 팽창에 대응하여 그것을 따라 제2 위치에서 상기 제1 플랜지와 맞물리고, 이로써 상기 단편이 상기 구성 요소에 대해 반경 방향 내측으로 이동되어 상기 밀봉 면 및 상기 브러시 밀봉부가 상기 제1 틈새 위치의 반경 방향 내측으로 상기 회전 요소에 대한 제2 틈새 위치에 정치되는 것을 특징으로 하는 가변 틈새 패킹 링.
제5항에 있어서, 상기 구성 요소는, 상기 제1 위치에서 상기 회전 요소에 대한 상기 제1 틈새 위치에 있는 상기 플랜지의 대략 반경 방향으로 향하는 면과 맞물리는 대략 반경 방향 외측으로 돌출하는 면을 가지는데, 상기 구성 요소의 반경 방향 외측으로 돌출하는 면은 상기 단편에 상대적인 상기 구성 요소의 열 팽창에 대응하여 상기 플랜지의 상기 면과의 맞물림에서 해제되는 것을 특징으로 하는 가변 틈새 패킹 링.
제5항에 있어서, 상기 구성 요소는 활형이고, 또한 상기 구성 요소는 상기 단편의 상기 제2 틈새 위치에서 상기 한 플랜지와 맞물려서 상기 단편을 상기 축 둘레에 동심적으로 유지하는 하나 이상의 원주 방향으로 연장하는 면을 갖는 것을 특징으로 하는 가변 틈새 패킹 링.
제7항에 있어서, 상기 한 플랜지는 원주 방향으로 연장하는 면을 가지며, 상기 원주 방향으로 연장하는 면들은 상기 회전 요소에 대한 상기 단편의 제2 틈새 위치에서 서로 맞물리는 것을 특징으로 하는 가변 틈새 패킹 링.
제5항에 있어서, 상기 구성 요소는 상기 회전 요소에 대한 상기 제1 틈새 위치에 있는 상기 플랜지의 대략 반경 방향으로 향하는 면과 상기 제1 위치에서 맞물리는 대략 반경 방향 외측으로 돌출하는 면을 갖는데, 상기 구성 요소의 상기 반경 방향 외측으로 돌출하는 면은 상기 단편에 상대적인 상기 구성 요소의 열 팽창에 대응하여 상기 플랜지의 면과의 맞물림에서 해제되며, 상기 구성 요소는 활형이고 또한 상기 구성 요소는 상기 단편의 상기 제2 틈새 위치에서 상기 한 플랜지와 맞물려서 상기 단편을 상기 축 둘레에 동심적으로 유지하는 하나 이상의 원주 방향으로 연장하는 면을 갖는 것을 특징으로 하는 가변 틈새 패킹 링.
제5항에 있어서, 상기 단편은 상기 제1 플랜지의 반대측에 축 방향으로 연장하는 제2 활형 플랜지를 구비하고 또한 상기 단편의 상기 제1 및 제2 플랜지와 상기 밀봉 면 사이에는 목부가 갖춰지며,

상기 가변 틈새 패킹 링에는 상기 지지부들 중 다른 지지부에 의해 지지되는 제2 구성 요소로서, 그것을 따라 제1 위치에서 상기 제2 플랜지와 맞물려서 상기 단편 밀봉 면을 상기 회전 요소에 대한 상기 제1 틈새 위치에 유지하는 제2 구성요소가 구비되는데,

상기 제2 구성 요소는 상기 단편의 열 팽창 계수보다 큰 열 팽창 계수를 가지고, 또한 상기 제2 구성 요소는 상기 단편과 상기 제2 구성 요소의 상대적 열 팽창에 대응하여 그것을 따라 제2 위치에서 상기 제2 플랜지와 맞물리고, 이로써 상기 단편이 상기 제2 구성 요소에 대해 반경 방향 내측으로 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는 가변 틈새 패킹 링.
제5항에 있어서, 상기 가변 틈새 패킹 링은 상기 정지 요소와 결합되는데, 상기 정지 요소에는 상기 단편을 수용하기 위한 슬롯이 마련되어 있고, 제1 쌍의 상기 지지부는 상기 제1 활형 플랜지와 상기 밀봉면 사이에서 상기 슬롯 내로 축 방향으로 돌출하며, 상기 구성 요소는 그 대향 단부에 인접한 상기 지지부에 의해 지지되고, 상기 구성 요소에 마련된 접촉부가 상기 구성 요소의 원주 방향 이동을 방지하기 위하여 상기 지지부와 맞물림 가능한 것을 특징으로 하는 가변 틈새 패킹 링.
제11항에 있어서, 상기 정지 요소에는 상기 단편을 수용하기 위한 대략 더브테일 형상의 슬롯이 마련되어 있고, 상기 단편은 상기 제1 플랜지의 반대측에 축 방향으로 연장하는 제2 활형 플랜지를 구비하고 또한 상기 단편의 상기 제1 및 제2 플랜지와 상기 밀봉 면 사이에는 목부가 갖춰지며, 상기 회전 요소에 대한 상기 제1 틈새 위치에 상기 단편 밀봉면을 유지하기 위하여 제1 위치에서 상기 제2 플랜지와 그것을 따라 맞물리는 제2 구성 요소가 제2 쌍의 지지부에 의해 지지되고, 상기 제2 구성 요소는 상기 단편의 열 팽창 계수보다 큰 열 팽창 계수를 가지며, 상기 제2 구성 요소는 상기 단편과 상기 제2 구성 요소의 상대적인 열 팽창에 대응하여 그것을 따라 제2 위치에서 상기 제2 플랜지와 맞물리고, 이로써 상기 단편이 상기 제2 구성 요소에 대해 반경 방향 내측으로 이동될 수 있게 되며, 상기 제1 및 제2 쌍의 지지부는 상기 제1 및 제2 활형 플랜지와 상기 밀봉면 사이에서 상기 슬롯 내로 축 방향으로 돌출하고, 상기 제1 및 제2 구성 요소는 각기 상기 구성 요소들의 대향하는 단부들에 인접한 상기 제1 및 제2 쌍의 지지부에 의해 지지되며, 또한 상기 구성 요소들의 원주 방향 이동을 방지하기 위하여 상기 지지부들과 맞물림 가능한 접촉부들이 구성 요소들에 갖춰져 있는 것을 특징으로 하는 가변 틈새 패킹 링.
제12항에 있어서, 상기 정지 요소와 상기 단편 사이에서 협력하여 상기 단편을 반경 방향 내측으로 움직이도록 편향시키는 스프링이 갖춰져 있는 것을 특징으로 하는 가변 틈새 패킹 링.
축 둘레의 회전 가능한 요소와, 상기 축 둘레의 정지 요소와, 상기 축 둘레의 상기 정지 요소에 마련된 지지부를 갖춘 기계에 사용되는 가변 틈새 패킹 링으로서,

상기 회전 가능한 요소에 대향하는 활형 밀봉 면과, 상기 활형 밀봉 면으로부터 상기 회전 가능한 요소 쪽으로 연장하는 브러시 밀봉부를 구비하며, 상기 축 둘레에 위치하는 패킹 링 단편과,

상기 지지부와 맞물림 가능한 구성 요소로서, 상기 회전 요소에 대한 제1 틈새 위치에 상기 단편 밀봉면과 상기 브러시 밀봉부를 유지하기 위하여 제1 위치에서 그것을 따라 상기 단편과 맞물리는 구성 요소를 구비하는데,

상기 구성 요소는 상기 단편의 열 팽창 계수보다 큰 열 팽창 계수를 가지고, 또한 상기 구성 요소는 상기 단편과 상기 구성 요소의 상대적 열 팽창에 대응하여 제2 위치에서 그것을 따라 상기 단편과 맞물리고, 이로써 상기 단편이 상기 구성 요소에 대해 반경 방향 내측으로 이동되어 상기 밀봉 면이 상기 제1 틈새 위치의 반경 방향 내측으로 상기 회전 요소에 대한 제2 틈새 위치에 정치되는 것을 특징으로 하는 가변 틈새 패킹 링.
제14항에 있어서, 상기 구성 요소는 활형이고, 또한 상기 구성 요소는 상기 단편의 상기 제2 틈새 위치에서 상기 단편과 맞물려서 상기 단편을 상기 축 둘레에 동심적으로 유지하는 하나 이상의 원주 방향으로 연장하는 면을 갖는 것을 특징으로 하는 가변 틈새 패킹 링.
제15항에 있어서, 상기 단편은 원주 방향으로 연장하는 면을 갖는데, 상기 원주 방향으로 연장하는 면들은 상기 회전 요소에 대한 상기 단편의 상기 제2 틈새 위치에서 서로 맞물리는 것을 특징으로 하는 가변 틈새 패킹 링.
제14항에 있어서, 상기 가변 틈새 패킹 링은 상기 정지 요소와 결합되는데, 상기 정지 요소에는 상기 단편을 수용하기 위한 슬롯이 마련되어 있고, 제1 쌍의 상기 지지부는 상기 단편과 맞물리는 상기 슬롯 내로 축 방향으로 돌출하며, 상기 구성 요소는 상기 지지부에 의해 지지되고, 상기 구성 요소의 원주 방향 이동을 방지하기 위하여 상기 지지부와 맞물림 가능한 접촉부가 상기 구성 요소에 갖춰져 있는 것을 특징으로 하는 가변 틈새 패킹 링.