KR20020041437A - 터빈식 기계의 로터와 스테이터 사이에 형성된 방사상간극에서의 유동을 냉각하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 터보기계의 로터와 스테이터 사이에 형성된 방사상 간극에서의 유동을 냉각하기 위한 방법을 제공하는 것이며, 이 방법은 냉각효과의 측면에서 개선된 것이다. 게다가, 상기의 방법을 실현하는 장치가 단순, 저비용 및 견고함을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 제 1 냉각유체 (29) 가 방사상 간극 (24) 에 인접한 스테이터 부분 (20) 에 수용되고, 제 2 기체상 냉각유체 (41) 가 방사상 간극 (24) 에 도입되는 것에 의해 상기한 효과가 달성된다. 이 때문에, 방사상 간극 (24) 에 인접한 스테이터 부분 (20) 의 내부에 적어도 하나의 리세스 (26) 가 형성되거나 또는 스테이터 부분 (20) 에 적어도 하나의 캐비티가 배치된다. 상기 리세스 (26) 또는 캐비티는 제1 냉각유체 (29) 를 위한 공급라인 (27) 및 배출라인 (28) 에 모두 연결된다. 게다가, 제2 냉각유체 (41) 을 위한 배출장치 (42) 및 적어도 하나의 공급통로 (40) 가 방사상 간극 (24) 에 배치된다.

Description

터빈식 기계의 로터와 스테이터 사이에 형성된 방사상 간극에서의 유동을 냉각하는 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR COOLING THE FLOW IN THE RADIAL GAPS FORMED BETWEEN ROTORS AND STATORS OF TURBINE-TYPE MACHINES}

회전기구를 실링하기 위해서, 비접촉 시일, 특히 미로 시일 (labyrinth seal) 이 터보기계 구성에 널리 사용된다. 회전 및 정지부품들 사이에 유동이 발생하는 분리간극에서는, 유동 경계층이 형성되기 때문에 높은 마찰력이 발생한다. 이것은 분리간극에서의 유체 가열을 초래하여, 결국 분리간극 주위의 부품이 가열되게 된다. 재료가 고온이 되면 관련 부품의 유효수명이 단축되게 된다.

DE 195 48 852 A1 는 분리간극에 실링구조가 형성되지 않은 단순구조의 레이디얼 압축기를 개시하고 있다. 이 경우 또한, 압축기 임펠러의 후방 벽에서의 유동전단층으로 인해 발생된 마찰열이 압축기 임펠러를 가열하고, 이로 인해 유효수명이 단축된다.

EP 0 518 027 B1 은 압축기 임펠러의 후면에 실링구조를 가진 레이디얼 압축기의 공기 냉각을 개시하고 있다. 이를 위하여, 레이디얼 압축기의 케이싱 벽면상의 개별 실링요소들 사이에 추가적인 환상의 공간이 형성된다. 압축기 임펠러의 배출구에서의 압력보다 높은 압력의 차가운 기체가 이 환상의 공간으로 향하게 된다. 공급된 공기는 충돌냉각의 작용을 한다. 이 과정에서, 공기는 실링지역에서 분리되어, 주로 내부 및 외부로 방사 방향으로 흐른다. 이것은, 압축기 임펠러의 배출구로부터 분리간극을 통한 뜨거운 압축기 공기의 유동에 대해 추가적으로 차단 효과 (blocking effect) 를 얻기 위해 의도된 것이다.

그러나, 이런 방식으로 얻어질 수 있는 냉각효과는 몇가지 요인때문에 한계가 있다. 예를 들면, 공기의 취입은 압력과 추력의 증가로 이어지고, 그 결과 베어링 부하가 증가한다. 게다가, 사용가능한 공기의 온도 또한 제한요소로 나타난다. 특히, 현재의 터보차저 구조에 일반적인 고 압력비의 고속 압축기 휠의 경우, 이런 형태의 냉각이 부적절한 상황이 일어날 가능성이 있다.

직접냉각외에, DE 196 52 754 A1 또한 압축기 임펠러의 후방 벽이나 분리간극을 통해 흐르는 매체의 간접냉각을 개시하고 있다. 이 때문에, 터보차저의 윤활유 시스템에 연결된 공급 및 분배장치는, 후방 벽에 배치되어 그 후방 벽과 함께 분리간극을 형성하는 케이싱부분의 위 또는 안에 배열된다. 베어링 윤활을 위해 사용된 오일은 냉각매체로 이용할 수 있고, 이를 위해 터보차저의 윤활유 회로이 개발되었다. 이러한 냉각의 문제점은 요구되는 오일량과, 오일 냉각기에 의해 추가로 소실되는 열량이 상대적으로 많다는 것이다. 이것은 냉각기 전체의부피를 증가시킨다. 게다가, 관련부품들에 손상이 있는 사고의 경우에는, 폭발의 위험이 증가한다. 또한 직접냉각의 경우와 마찬가지로, 간접냉각으로 얻어질 수 있는 냉각효과도 제한되는데, 그 원인은 실제 이용될 수 있는 냉각액체의 온도외에, 사용가능한 전체 부피가 작은 것으로 추정될 수 있다.

본 발명은 청구항 1 및 청구항 7 의 전문에 따른, 터보기계의 로터와 스테이터 사이에 형성된 방사상 간극에서의 유동을 냉각하는 것에 관한 것이며, 특히 압축기 임펠러와 레이디얼 압축기의 케이싱 사이의 방사상 간극에서의 유동을 냉각하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

내연기관에 연결된 배기가스 터보차저에 관련하여 도면에 본 발명의 일 실시예를 도시한다.

도 1 은 내연기관에 연결된 배기가스 터보차저의 개략도를 도시한다.

도 2 는 배기가스 터보차저의 레이디얼 압축기를 따라서 종축의 부분 단면도를 도시한다.

본 발명의 이해에 도움이 되는 요소만이 도시되었고, 작동매체의 유동의 방향은 화살표로 표시되었다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 내연기관 2 : 배기가스 터보차저

3 : 레이디얼 압축기 4 : 배기가스 터빈

5 : 축 6 : 과급공기 라인

7 : 배기가스 라인 8 : 과급공기 냉각기

9 : 냉각수 회로 10 : 압축기 케이싱

11 : 로터, 압축기 임펠러 12 : 가동 날개

13 : 허브 14 : 유동 통로

15 : 디퓨저 16 : 스파이럴

17 : 공기주입 케이싱 18 : 공기배출 케이싱

19 : 디퓨저 판 20 : 스테이터 부분, 중간벽

21 : 베어링 하우싱 22 : 후방 벽

23 : 조임 슬리브 24 : 방사상간극, 분리간극

25 : 미로 시일 26 : 리세스

27 : 공급라인 28 : 배출라인

29 ; 제 1 냉각유체 31 : 작동매체

32 : 주 유동 33 : 누설 유동

34 : 실링 링 40 : 공급통로

41 : 제 2 냉각유체 42 : 배출장치

본 발명은 상기한 모든 단점을 피하고자 한다. 본 발명의 목적은 터보기계의 로터와 스테이터 사이에 형성된 방사상 간극에서의 유동을 냉각하는 방법을 제공하는 것으로, 이 방법은 냉각효과의 측면에서 향상된 것이다. 게다가, 상기 방법을 실시하기 위한 단순하면서도 견고한 저가의 장치를 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은, 청구항 1 의 전단부에 의한 방법에서, 제 1 냉각유체는 방사상 간극 부근의 스테이터 부분에 도입되고, 제 2 의 기체상 냉각유체는 방사상 간극에 도입됨으로써 달성된다.

제 1 냉각유체를 간접냉각용으로 이용하고, 추가적으로, 제 2 냉각유체를 터보기계의 작동매체의 부분유동, 즉 방사상 간극에 도입되는 부분유동의 직접냉각용으로 이용하기 때문에, 냉각효과 및 냉각효율이 현저하게 향상될 수 있다. 따라서, 방사상 간극의 이러한 이중냉각만으로도, 가혹한 열부하 상태의 로터의 온도를 종래의 냉각환경에서는 얻을 수 없었던 온도범위까지 낮출 수 있게 된다.

이 때문에, 방사상 간극 부근의 스테이터 부분의 내부에 적어도 하나의 리세스 (recess) 가 형성되거나, 스테이터 부분에 적어도 하나의 캐비티 (cavity)가 설치된다. 상기 리세스 또는 캐비티는 제 1 냉각유체의 공급라인 및 배출라인 모두에 연결된다. 게다가, 제 2 냉각유체용의 적어도 하나의 공급통로와 배출장치가 방사상 간극에 설치된다.

특히, 물이 제 1 냉각유체로, 공기가 제 2 냉각유체로 사용되는 것이 바람직하다.

물은 알려진 윤활유보다 약간 높은 밀도를 가지며, 그 비열용량은 약 두배 높다. 냉각매체를 통해 운반되어 나가는 열유동은 밀도와 비열용량의 곱에 비례하기 때문에, 물이 제1 냉각유체로 사용될 때, 오일냉각에 비해 명백한 이점이 있다. 물의 질량 유동과 온도가 동일하면, 방사상 간극을 통해 흐르는 매체로부터 피냉각 스테이터 부분을 경유하여 더 많은 열량을 방출할 수 있다. 그러므로, 방사상 간극에 인접한 로터 영역에 대한 냉각효과도 더 높아진다. 역으로, 동일한 열량을 소실시키기 위해서는, 윤활유에 비해서 냉각수의 질량 유동을 더 작게 할 필요가 있는데, 이렇게 하면, 냉각유체를 위한 공급장치 및 배출장치의 크기를 그에 상응하여 더 작게 할 수 있게 된다.

가능하면 작게 유지되는 로터 측의 벽두께에 따라서, 스테이터 부분의 내부 에서 방사상 간극에 인접하여 물을 직접적으로 안내함으로써 냉각효과는 향상될 수 있다. 그런데, 스테이터 부분에 리세스를 형성하는 대신에, 그 스테이터 부분에 상기한 캐비티를 형성한다면, 양호한 냉각효과와 함께 보다 간단하고 저렴한 제조가 실현될 수 있다.

적당히 낮은 온도와 적절한 압력과 양으로 환경과 터보기계 자체 모두에서사용될 수 있기 때문에, 제 2 냉각유체로서 공기를 사용하는 것은 특히 이로운 것으로 입증되었다.

내연기관, 과급공기 냉각기 (charge-air cooler) 및 배기가스 터보차저로 구성되는 시스템에서는, 시스템 외부으로부터의 신선한 물이나, 또는 유리하게는 시스템내에 있는 물이 제 1 냉각유체로 이용된다. 후자의 경우, 과급공기 냉각기의 냉각수 회로에 있는 냉각수가 이 목적에 이용되는데, 이 냉각수는 과급공기 냉각기의 상류에서 분지된다. 이 경우, 고정된 스테이터 부분은 레이디얼 압축기의 케이싱 부분이며, 그리고 이 케이싱 부분은 로터와 관련된, 즉 배기가스 터보차저의 회전하는 압축기 임펠러와 관련된 방사상 간극과 경계를 이룬다.

반면에, 제 1 냉각유체로 오일이 사용되면, 이 오일은 유리하게는 터보기계의 베어링 케이싱에 존재하는 윤활유시스템으로부터 분지될 수 있다. 이런 식으로, 비교적 단순하고, 비용이 저렴한 장치가 제조될 수 있다. 만약 제 1 냉각유체가 기체상 매체이면, 이 매체는 직접냉각 및 간접냉각 모두에 사용될 수 있다.

헬륨 또는 액체질소, 4염화탄소, 질화벤졸과 같은 극저온유체로 부터의 기체들이 제 1 및/또는 제 2 냉각유체로 사용되는 경우, 특히 양호한 냉각효과를 얻을 수 있다.

개략도인 도 1 은 디젤엔진으로서 구성된 내연기관 (1) 과 상호작용하는 배기가스 터보차저 (2) 를 도시한다. 배기가스 터보차저는 레이디얼 압축기 (3) 와 배기가스 터빈 (4) 으로 구성되는데, 이들은 공통의 축 (5) 을 갖는다. 레이디얼 압축기 (3) 는 과급공기 라인 (6) 을 경유해 내연기관 (1) 에 연결되고, 배기가스 터빈 (4) 은 배기가스 라인 (7) 을 경유하여 내연기관 (1) 에 연결된다. 과급공기 냉각기 (8) 는 과급공기 라인 (6) 에, 즉 레이디얼 압축기 (3) 와 내연기관 (1) 의 사이에 장착된다. 과급공기 냉각기 (8) 는 공급과 배출의 냉각수 회로 (9) 을 가진다 (미도시).

레이디얼 압축기 (3) 에는 압축기 케이싱 (10) 이 구비되는데, 이 압축기 케이싱에서는 압축기 임펠러로서 설계되고 축 (5) 에 연결된 로터 (11) 가 배치된다. 압축기 임펠러 (11) 는 다수의 가동 날개 (12) 가 설치된 허브 (13) 를 가진다. 유동 통로 (14) 는 허브 (13) 와 압축기 케이싱 (10) 의 사이에 형성된다. 가동 날개 (12) 의 하류에서는, 방사상으로 배열된 날 있는 디퓨저가 유동 통로 (14) 에 인접하고, 디퓨저 (15) 는 차례로 레이디얼 압축기 (3) 의 스파이럴 (16) 로 통한다. 압축기 케이싱 (10) 은 주로, 공기주입 케이싱 (17), 공기배출 케이싱 (18), 디퓨저 판 (19), 및 배기가스 터보차저 (2) 의 베어링 하우징(21) 용의 중간벽으로 설계된 스테이터 부분 (20) 을 포함한다 (도 2 참조).

터빈 측에서, 허브 (13) 는 축 (5) 용 조임 슬리브 (23) 및 후방 벽 (22) 을 가진다. 조임 슬리브 (23) 는 압축기 케이싱 (10) 의 중간벽 (20) 에 의해 수용된다. 또다른 적절한 압축기-임펠러/축 연결이 또한 선택될 수 있다. 또한 날 없는 디퓨저의 사용도 가능하다. 필연적으로, 회전하는 압축기 임펠러 (11), 즉, 이의 후방 벽 (22) 과 압축기 케이싱 (10) 의 고정된 중간벽 (20) 의 사이에는 분리간극이 존재하는데, 이 분리간극은 레이디얼 압축기 (3) 의 경우에는 방사상 간극 (24) 으로 설계된다. 방사상 간극 (24) 은 조임 슬리브 (23) 와 중간벽 (20) 의 사이에 배치되는 실링 링 (34) 에 의해 베어링 하우징 (21) 에 대해 실링된다. 물론, 이러한 실링은 방사상 간극 (24) 에 배치된 미로 시일 (도면에 미표시) 에 의해 실현될 수도 있다. 에워싸는 리세스 (26) 가 압축기 케이싱 (10) 의 중간벽 (20) 에 형성되고, 제 1 냉각유체 (29) 용의 공급라인 (27) 및 배출라인 (28) 모두에 연결된다. 인접한 압축기 임펠러 (11) 에서 가능한 한 높은 냉각효과를 달성하도록 하기 위하여, 중간벽 (20) 은 리세스 (26) 의 압축기-임펠러 측에 가능한 한 얇게 설계된다. 이 때문에, 중간벽 (20) 의 제조시에, 대응되는 코어가 일체적으로 주조되는데, 이 코어는 곧이어 다시 제거되어져야 한다. 물론, 양 단부가 막혀있고 내부공간이 리세스 (26) 를 형성하는 얇은 벽의 튜브를 중간벽 (20) 에 일체적으로 주조할 수 있다 (미도시).

배기가스 터보차저 (2) 의 작동시, 압축기 임펠러 (11) 는 대기에서 작동매체 (31) 를 끌어내고, 이 작동매체는 유동통로 (14) 와 디퓨저 (15) 를 경유하여 주유동 (32) 으로서 스파이럴 (16) 로 통과하며, 거기서 더욱 압축되고, 결국, 과급공기 라인 (6) 을 경유하여, 배기가스 터보차저 (2) 에 연결된 내연기관 (1) 을 과급하는데 사용된다. 그러나, 사전에, 압축 작동중에 가열된 작동매체 (31) 에 대한 적절한 냉각이 과급공기 냉각기 (8) 에서 실행된다.

유동통로 (14) 에서 디퓨저 (15) 로 가는 도중에, 레이디얼 압축기 (3) 에서 가열된 작동매체 (31) 의 주 유동 (32) 은 또한 방사상 간극 (24) 으로 누설 유동 (33) 으로서 유입되며, 그 결과 압축기 임펠러 (11) 가 추가적으로 가열된다. 그러나, 압축기 임펠러 (11) 의 외부영역에서 작동온도가 가장 높기 때문에, 특히 그곳에서 재료의 고부하가 발생한다. 이 중요한 영역의 부근에 직접적으로 배치된 중간벽 (20) 의 리세스 (26) 에는, 과급공기 냉각기 (8) 의 냉각수 회로 (9) 로부터 냉각유체 (29) 로서 분지된 냉각수가 도입된다. 그러므로 방사상 간극 (24) 에 위치한 누설 유동 (33) 의 간접냉각과 압축기 임펠러 (11) 의 간접냉각 또한 일어난다. 이 경우, 비교적 차가운 냉각수로 효율적인 냉각이 되도록, 냉각유체 (29) 는 과급공기 냉각기 (8) 의 상류에서 분지된다. 냉각작용 후에, 이제 가열된 냉각유체 (29) 는 과급공기 냉각기 (8) 의 하류의 배출라인 (28) 을 경유하여 냉각수 회로 (9) 에 피드백된다 (도 1). 물론, 내연기관 (1), 과급공기 냉각기 (8) 및 배기가스 터보차저 (2) 의 시스템에 존재하는 냉각수 대신에, 시스템의 외부로부터 신선한 물을 냉각유체 (29) 로서 공급할 수 있다 (미도시).

이미 기술된 간접냉각에 더하여, 누설 유동 (33) 의 직접냉각이 제공된다. 이 때문에, 제 2 냉각유체 (41) 를 위해 의도되고, 방사상간극 (24) 으로 압축기임펠러 (11) 의 후방 벽 (22) 에 접선방향으로 열린 복수의 공급통로 (40) 가, 베어링 하우징 (21) 과 디퓨저 판 (19) 모두를 통과하도록 배치된다 (도 2). 상기 공급통로 (40) 들은 과급공기 냉각기 (8) 의 하류에서 과급공기 라인 (6) 에 연결되고, 이로써 냉각된 과급공기가 제 2 냉각유체 (41) 로 이용된다 (도 1). 물론, 제 2 냉각유체 (41) 는 또다른 위치에서 방사상 간극에 도입될 수도 있다 (미도시).

제 2 냉각유체 (41) 가 접선방향으로 도입됨에 의해, 압축기 임펠러 (11) 전체 후방 벽 (22) 에 완전한 막냉각 (pure film cooling) 이 실현된다. 제 2 냉각유체 (41) 는 뜨거운 누설 유동 (33) 을 대체하므로, 압축기 임펠러 (11) 의 후방 벽 (22) 상에 생성하는 경계층이 냉각된 과급공기에 의해 시작부터 이미 형성된다. 이후 제 2 냉각유체 (41) 를 끌어내는 것은 압축기 케이싱 (10) 의 중간벽 (20) 에 장착된 배출장치 (42) (상세 미도시) 를 경유하여 행해진다. 두개의 냉각 가능성이 그들의 효과를 서로 보충하고, 따라서 압축기 임펠러 (11) 에 매우 현저한 온도 저감을 제공하기 때문에, 직접 및 간접냉각의 이러한 조합으로 특별한 냉각효과가 발생한다.

헬륨 또는 극저온 유체 (예를 들면, 액체질소, 4염화탄소, 질화벤졸 등) 로부터의 기체와 같은 다른 냉각매체들이 제 1 및 제 2 냉각유체 (29, 41) 로 사용될 수 있다.

만약 오일이 제 1 냉각유체 (29) 로 사용된다면, 오일은 외부로 부터 공급되거나 , 또는 유리하게는 임의의 경우 배기가스 터보차저 (2) 의 베어링 케이싱 (21) 에존재하는 윤활유 시스템으로부터 분지될 수도 있다 (미도시). 이런 식으로 비교적 간단하고, 저비용으로 적절한 냉각유체의 공급이 가능하게 된다.

Claims (10)

1. 터보기계의 로터와 스테이터 사이에 형성된 방사상 간극에서의 유동을 냉각하는 방법에 있어서, 제 1 냉각유체 (29) 가 상기 방사상 간극 (24) 에 인접한 스테이터 부분 (20) 에 도입되고, 제 2 의 기체상 냉각유체 (41) 가 상기 방사상 간극 (24) 에 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 냉각유체 (29) 가 상기 스테이터 부분 (20) 에 형성된 리세스 (26) 에 도입되거나, 또는 상기 스테이터 부분 (20) 에 배치된 캐비티 내로 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 물이 제 1 냉각유체 (29) 로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 내연기관 (1), 과급공기 냉각기 (8) 및 배기가스 터보차저 (2) 로 구성된 시스템의 외부로부터 도입된 신선한 물이 제 1 냉각유체 (29) 로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 3 항에 있어서, 내연기관 (1), 과급공기 냉각기 (8) 및 배기가스 터보차저 (2) 로 구성된 시스템에 존재하는 물이 제 1 냉각유체 (29) 로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 과급공기 냉각기 (8) 의 냉각수 회로 (9) 에 존재하는 냉각수가 제 1 냉각유체 (29) 로 사용되고, 이 제 1 냉각유체는 과급공기 냉각기 (8) 의 상류에서 분지되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 오일, 헬륨 또는 극저온유체로부터의 기체들이 제 1 냉각유체 (29) 로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 공기, 헬륨 또는 극저온유체로부터의 기체들이 제 2 의기체상 냉각유체 (41) 로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 청구항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치로서, 고정 스테이터 부분 (20) 이 로터 (11) 에 대해서 방사상 간극 (24) 을 형성하도록 배치된 장치에 있어서,

   a) 적어도 하나의 리세스 (26) 가 상기 스테이터 부분 (20) 의 내부에 형성되거나 또는 적어도 하나의 캐비티가 상기 스테이터 부분 (20) 에 배치되고, 상기 리세스 (26) 또는 상기 캐비티가 제 1 냉각유체 (29) 용의 공급라인 (27) 및 배출라인 (28) 모두에 연결되고,

   b) 제 2 냉각유체 (41) 용의 배출장치 (42) 및 적어도 하나의 공급통로 (40) 가 상기 방사상 간극 (24) 에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 고정 스테이터 부분 (20) 이 레이디얼 압축기 (3) 의 압축기 케이싱 (10) 의 부분으로서 설계되고, 이 부분이 배기가스 터보차저 (2) 의 회전하는 압축기 임펠러 (11) 에 대해서 상기 방사상 간극 (24) 과 경계를 이루는 것을 특징으로 하는 장치.