KR20020053821A - 로터 중 적어도 하나를 축방향으로 압박하는 수단을구비한 스크류 로터 머신 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로터 머신, 특히 헬리컬 스크류 로터 머신에 관한 것으로, 이 로터 머신은 트러니언이 마련된 적어도 하나의 로터를 구비하고, 트러니언 중 적어도 하나(7)는, 압력 매체로 채워져 있는 챔버(17) 내에 위치해서 상기 압력 매체에 의해 축방향으로 구동되는 축방향 추력면(29)을 구비한다. 상기 압력 매체 챔버는 트러니언(7)과 밀봉 상태로 연결되어야 한다. 이것은, 본 발명에 따르면, 중앙에 구멍(22)이 있는 바닥벽(21)과 연결되는 외측 단부를 구비한 케이싱(20, 21)을 트러니언 주위에 밀접하게 끼워 배치함으로써 달성된다. 상기 케이싱은 트러니언에 회전 가능하고 활주 가능하게 장착되어, 상기 바닥벽(21)이, 그 바닥벽의 중앙 구멍(22)과 마주하는 개구(24)가 있는 상기 챔버(17)의 단부벽(23)과 맞닿아 있는 제1 축방향 위치와, 상기 상기 바닥벽(21)과 단부벽(23) 사이에 공간이 있는 제2 축방향 위치 사이에서 축방향으로 이동할 수 있으며, 밸브(27)가 마련되어 있고 압력 매체 공급원(28)으로부터 연장되는 공급 채널(26)이 상기 단부벽(23)의 개구(24)에 연결되어, 압력 매체가 상기 케이싱의 바닥벽(21)의 구멍(22)을 통해 케이싱(20, 21) 내부로 제어되면서 이송된다.

Description

로터 중 적어도 하나를 축방향으로 압박하는 수단을 구비한 스크류 로터 머신 {SCREW ROTOR MACHINE HAVING MEANS FOR AXIALLY BIASING AT LEAST ONE OF THE ROTORS}

그러한 로터 머신은, 컴프레서 역할을 하도록 설계되는 경우에는 작업 매체가 더 높은 압력 수준으로 압축되는 반면, 작업 매체를 팽창시키도록 설계되는 경우에는 작업 매체가 높은 압력 수준으로부터 팽창된다. 서술에 있어 간결함을 기하기 위해, 전자의 경우, 즉 로터 머신이 컴프레서 역할을 하는 경우만을 다루지만, 이하의 설명은 작업 매체를 팽창시키는 경우에 대해서도 동일한 정도로 적용된다.

헬리컬 스크류 로터 컴프레서의 경우, 작업 매체는 V자형 작업 챔버에서 압축된다. 채움 단계 중에는 각 작업 챔버가 저압 단부에 위치한 유입 포트와 연통된다. 유입 포트와의 연통이 중단되면, 로터의 회전으로 인해 작업 챔버가 고압 단부 쪽으로 이동하고, 그에 따라 작업 챔버에 들어 있는 작업 매체가 압축되어 작업 챔버의 용적이 감소한다. 유출 포트와의 연통이 시작될 정도로 작업 챔버가 고압 단부를 향해 축방향으로 이동하면 비움 단계가 개시되며, 이 비움 단계 중에는 작업 챔버의 용적의 계속 감소하여 작업 매체가 높은 압력 수준에서 유출 포트를 통해 배출된다. 따라서, 로터는 저압 단부보다 고압 단부에서 더 높은 압력에 노출되며, 이는 각 로터가 저압 단부 방향으로 추력을 받는다는 것을 의미한다. 이러한 추력은 저압 단부와 고압 단부 중 하나 또는 양자에 장착된 스러스트 베어링에 흡수된다.

일부 작업 매체는 트러니언(trunnion) 주위에서 고압 단부로부터 새어 나와 고압 단부의 베어링 챔버로 들어갈 수도 있다. 베어링 챔버에서 유출구 압력 수준으로부터 압력이 높아지는 것을 피하기 위해서, 압력이 유입 압력보다 약간 높은 수준인 폐쇄된 작업 챔버로 작업 매체를 복귀시키는 릴리프 채널(relief channel)을 작업 챔버에 마련하는 것이 보통이다. 릴리프 채널은 로터 베어링을 통해 오일을 순환시키는 역할도 한다. 결과적으로, 베어링 챔버의 압력은 폐쇄된 작업 챔버의 압력 수준으로 된다. 이 압력은 로터 트러니언의 단부면에 힘을 가하고, 또한 컴프레서의 저압 단부로도 지향된다.

저압 단부와 고압 단부 사이의 압력차 때문에 로터에 작용하는 축방향 힘은, 압축 단계 동안 크기가 변하고, 홈과, 로브(lobe)의 플랭크(flank)면 사이에서 로터가 서로 접촉하기 때문에 저압 단부와 고압 단부에서 다르게 분포된다. 이 축방향으로 작용하는 힘의 분포는 압축 단계 중에도 변한다. 따라서, 각 로터에 축방향으로 작용하는 힘은 맥동하게 된다. 컴프레서가 최대 부하 상태에서 작동하면, 작업 매체에 의해 축방향으로 작용하는 힘은, 비록 힘의 크기가 변하더라도 각 로터에 작용하는 결과적인 힘이 항상 저압 단부를 향하게 할 정도로 충분히 크다.

통상적으로, 이러한 형태의 컴프레서에서는 유입 압력을 대략 0.1 bar까지 크게 교축시키는 동시에 유출측 압력을 최대 부하시 유출 압력의 대략 절반까지 낮춤으로써 부하를 경감시킨다.

전술한 바와 같이, 컴프레서가 부하가 없는 상태로 구동될 때, 저압 단부 방향으로 로터에 작용하는 축방향 힘이 더 작아지는데, 이는 부분적으로는 유출 압력과 유입 압력 사이의 압력차가 더 작기 때문이고, 또한 부분적으로는 고압 단부의 베어링 챔버의 압력이 낮기 때문이다. 이와 관련하여, 전술한 힘의 맥동 때문에, 각 로터에 작용하는 결과적인 힘이 일정하게 저압 단부로 향할 정도로 상기 축방향 힘이 충분히 크지 않게 될 위험이 있다. 따라서, 로터에 작용하는 결과적인 힘은 부호가 순간적으로 변해서 고압 단부 방향으로 작용할 수 있다. 이는 로터 중 하나 또는 양자가 축방향으로 진동하게 한다. 그러면, 로터의 플랭크가 서로 충돌함에 따라 래틀링(rattling)이 발생한다. 이러한 충격으로 인해 로터가 손상되고 베어링의 수명이 단축된다.

래틀링 문제는 로터 중 하나 또는 양자에 컴프레서의 저압 단부 방향으로 축방향 힘을 인가함으로써 극복할 수 있는 반면, 로터가 고압측으로부터 축방향으로 영향받을 때 로터의 스러스트 베어링 상에 걸리는 큰 부하로 인한 문제는, 로터 중 하나 또는 양자에 로터 머신의 고압측 방향으로 축방향 힘을 인가함으로써 극복할 수 있다.

본 발명은 로터 머신에 관한 것으로, 구체적으로는 청구항 1의 전제부에 한정되어 있는 형태의 헬리컬 로터 머신에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 한 가지 실시 형태에 따른 헬리컬 스크류 컴프레서의 종단면도.

도 2는 트러니언에 장착되어 단부벽과 마주하는 케이싱의 일부 파단 종단면도.

도 3은 케이싱이 단부벽으로부터 이탈한 것을 제외하고는 도 2와 동일한 단면도.

도 4는 밀봉 링이 단부벽에 장착된 것을 제외하고는 도 2와 동일한 단면도.

도 5는 연장된 트러니언을 장착하기 위해 개조된 케이싱의 종단면도.

본 발명의 목적은 헬리컬 로터 머신의 스러스트 베어링에 걸리는 큰 축방향 힘을 간단하고 신뢰성 있게 경감시키거나, 압축을 통해 작용하는 가스 압력과 동일 방향 또는 반대 방향으로 작용하는 축방향 힘을 로터에 인가함으로써 부분적인 부하로 인한 래틀링을 상쇄시키는 것이다.

이러한 목적은 본 발명에 의해 달성되었는데, 서두에 정의된 형태의 로터 머신에 있어서, 전체적으로 원형인 원통형 외부면이 있고, 챔버 내에 자유롭게 배치되며, 중심부에 구멍이 있는 바닥벽에 의해 폐쇄된 외측 단부가 있는 케이싱을 하나의 트러니언 주위에 긴밀하게 끼워 배치하고, 상기 케이싱은, 회전 가능하게 장착되고, 바닥벽이 챔버의 단부벽으로부터 떨어져 있는 제1 축방향 위치와, 바닥벽이 챔버의 단부벽과 맞닿아 있는 제2 축방향 위치 사이의 주어진 거리를 통해 트러니언 상에서 축방향으로 이동할 수 있으며, 압력 매체 공급원으로부터 연장되는 밸브 장착식 공급 채널은 바닥벽의 중심 구멍과 마주하는 상기 단부벽의 개구에 연결되어, 압력 매체가 케이싱의 바닥벽의 구멍을 통해 케이싱 내부로 제어 이송됨에 따라, 케이싱은 케이싱 내부에 과압이 생기면서 제1 축방향 위치로부터 제2 축방향 위치로 이동한다.

한 가지 바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 단부벽과, 이 단부벽과 마주하는 케이싱의 바닥벽면 사이에 링형 밀봉 요소가 배치되며, 이 링형 밀봉 요소는 케이싱으로 둘러싸인 트러니언 부분의 직경보다 작은 직경의 밀봉 라인을 형성한다.

다른 유리한 실시 형태는 종속항으로부터 명백해질 것이다.

본 발명에 따르면, 트러니언의 단부를 둘러싸는 케이싱 내부로 압력 유체가이송될 수 있기 때문에, 주로 유체로부터의 동적 압력에 의해 케이싱이 단부벽에 대해 가압된다. 링형 밀봉 요소의 경우, 단부벽에 대해 맞닿는 압력은 밀봉 라인의 직경이 트러니언 압력면의 직경보다 얼마나 작은가에 좌우된다. 한 가지 유리한 상황은, 케이싱이 그 반경 방향 위치를 트러니언의 위치를 통해 적응시키고, 압력 매체의 공급이 정지되면 단부벽에 대한 케이싱의 압박이 중단되어, 케이싱과 단부벽 또는 트러니언 사이에 마찰 손실이 없는 상태에서 케이싱이 트러니언과 함께 회전하기 시작할 수 있는 것이다.

이하, 본 발명을 첨부 도면을 참고로 본 발명의 구성의 다양한 예시적인 실시 형태에 대해 더 상세히 설명한다.

도 1에 도시한 컴프레서는 공기 압축을 위한 것으로, 나선형으로 연장되는로브 및 홈(도시하지 않았음)이 통상적으로 마련된 수로터(1)와 암로터(2)를 포함하며, 상기 로브 및 홈을 통해 수로터(1)와 암로터(2)가 서로 맞물려 컴프레서의 작업 공간(3)에 작업 챔버를 형성한다. 상기 작업 공간(3)은 저압 단부(4)와 고압 단부(5) 및 이들 사이에서 연장되는 배럴부(6)에 의해 경계가 정해지며, 상기 배럴부(6)는 2개의 서로 교차하는 평행한 원통 형상이다. 상기 로터의 각 단부에는 베어링(11, 12, 13, 14)에 의해 저압 단부(4) 및 고압 단부(5)에 지지되는 트러니언(7, 8, 9, 10)이 각각 마련되어 있다.

상기 컴프레서는 저압 단부에 유입 포트(15)가 있고 고압 단부에 유출 포트(16)가 있다. 저압 단부(4)에서의 베어링은 주어진 압력(P2) 상태의 베어링 챔버(17) 내에 위치한다. 상기 컴프레서는 소위 습윤 형태(wet type)인데, 다시 말하면 액체, 통상적으로는 오일이 컴프레서를 냉각, 윤활 및 밀봉할 목적으로 컴프레서에 이송된다.

최대 부하 상태에서, 컴프레서는 대기압과 동일한 유입 압력으로 작동하며, 압축된 공기는 대략 8 bar의 압력에서 컴프레서를 탈출한다. 컴프레서의 유입 단부와 유출 단부 사이의 압력차로 인해, 저압 단부 방향으로 각각의 수로터(1)와 암로터(2)에 축방향으로 작용하는 힘이 생긴다. 보통, 이러한 힘은 고압 단부(5)에 위치한 스러스트 베어링(12, 14)에 의해 흡수된다.

본 발명에 따르면, 베어링(12)의 부하를 경감시키기 위해, 원통부(20)와 바닥벽(21)이 있는 케이싱을 트러니언(7) 단부 주위에 밀접하게 끼워지도록 배치한다. 상기 케이싱(20, 21)은 챔버(17) 내에 위치하며, 상기 케이싱의 내부는 바닥벽(21) 중앙부의 구멍(22)을 통해 상기 챔버와 연통하고, 상기 바닥벽(21)은 챔버(17)를 폐쇄하는 단부벽(23)과 평행하며, 이 단부벽(23)에는 바닥벽(21)의 구멍(22)과 대향하는 개구(24)가 중앙에 형성되어 있다. 바닥벽(21)에는 링형 밀봉 요소(25)가 마련되어 있으며, 단부벽(23)의 개구(24)에는, 밸브(27)가 마련되어 있고 압력 매체 공급원(28)으로부터 연장되는 이송 채널을 형성하는 도관 수단(26)이 연결된다.

밸브(27)를 개방해서 압력 매체를 압력 매체 공급원(28)으로부터 도관 수단(26)을 통해 개구(24) 및 구멍(22)을 경유하여 케이싱(20, 21) 내부로 통과시킴으로써 베어링(12)의 부하가 경감된다.

유입되는 압력 매체는 케이싱 내부에 동적 압력을 가해 케이싱을 이동시켜 밀봉 요소(25)에 의해 단부벽(23)과 맞닿아 밀봉되도록 한다.

압력 매체 공급원(28)은 케이싱 내부에 챔버(17)의 압력(P2)보다 큰 압력(P1)을 발생시킨다.

밀봉 요소(25)는 원형이며, 폐쇄된 밀봉 라인을 형성하는데, 이 폐쇄된 밀봉 라인으로 둘러싸인 면적은 트러니언(7)의 단부면(29)보다 작으며, 이는 밀봉 라인의 직경(D1)이 트러니언의 직경보다 약간 작고, 따라서 케이싱(20, 21)의 직경보다도 작은 도 2로부터 잘 알 수 있다. 따라서, 압력이 P1인 압력 매체는 한편으로는 케이싱의 내벽에 부분적으로 힘을 가해서 케이싱을 단부벽(23)에 압박하고, 다른 한편으로는 트러니언(7)의 단부면(29)에 힘을 가하여 베어링(12)의 부하를 경감시키면서 수로터(1)를 고압 단부(5) 쪽으로 압박한다.

예시한 경우에서, 트러니언(7)은 비회전 상태의 케이싱(20, 21) 내에서 회전하며, 이 케이싱은 트러니언(7)에 의해 정확한 위치로 반경 방향으로 안내된다. 그 후, 밸브(27)가 폐쇄되면, 케이싱(20, 21) 내부의 압력(P1)이 떨어져 케이싱이 단부벽(23)과 맞닿은 상태가 중단되며, 케이싱 내부의 압력이 주위 압력(P2)과 같아진다. 그러면, 케이싱이 트러니언(7)의 회전과 함께 회전하기 시작하며, 그에 따라 도 3으로부터 명백한 바와 같이 케이싱과 트러니언(7)의 모든 마찰 및 마모가 없어진다. 도 4에 도시한 바와 같이, 회전하는 케이싱(20, 21)에 서로 반발하는 링형 자기 장치(40, 41)를 마련함으로써 케이싱(20, 21)이 단부벽(23)과 충돌하는 것이 방지된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 원형 밀봉 요소(25)는 편의에 따라 케이싱의 바닥벽(21) 대신 단부벽(23)에 부착할 수 있다. 후자의 경우, 밀봉 요소를 편의에 따라 외부로부터 단부벽 내로 나사 결합될 수 있는 부싱(42)에 부착함으로써, 낡은 밀봉 요소(25)의 교체를 용이하게 할 수 있다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 샤프트 시일(32)이 단부벽(23)에 있는 상태에서 트러니언(30)이 구멍(31)을 통해 연장되는 경우에도 적용될 수 있다.

도 5에 도시된 실시 형태의 경우에서 도 2의 트러니언(7)의 단부면(29)과 동일한 면적의 압력면을 얻기 원한다면, 스러스트 칼라(35)의 도움으로 트러니언(30)의 직경을 증가시켜, 도 2의 단부면(29)과 면적이 동일한 축방향으로 돌출하는 링형 단부면(29')을 형성해야 한다. 전술한 방식으로 케이싱(33)을 스러스트칼라(35) 내에 밀접하게 끼워지도록 장착한다. 단부벽(23)에는 트러니언 시일(32) 주위에 개구(34)가 형성되어 있으며, 이 개구(34)는 압력 매체 공급원(도시하지 않았음)과 통하는 파이프(36)를 수용한다. 케이싱(33)은 원통부(37)와 바닥부(38)를 포함하며, 바닥부(38)에는 개구(34)가 중앙 구멍(39) 주위 내부로 배출할 수 있도록 직경이 충분히 큰 중앙 구멍(39)이 형성되어 있다.

본 발명으로 래틀링을 제거하고자 한다면, 전술한 경우와 동일한 방법으로 케이싱(20, 21)을 트러니언(10)의 단부에 끼우고, 도 1에 쇄선으로 도시한 바와 같이 개구(34)를 인접한 단부벽에 배치한다.

본 발명은 예시로서 전술한 실시 형태에 제한되지 않으며 청구범위에서 정의된 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 별도의 밀봉 요소 없이도 밀봉 작용을 얻을 수 있도록 케이싱(20, 21)을 바닥벽(21) 외부에 편평한 탄성 재료로 제조할 수 있다. 케이싱(20, 21)과 대향하는 단부벽(23)의 내부에 대해서도 동일한 내용을 적용할 수 있다. 본 발명에 따르면 트러니언(9)에도 부하 경감 수단을 마련할 수 있다는 것은 당연하다.

트러니언과 공동으로 회전하는 케이싱(20, 21 또는 33)의 내부 압력이 외부로부터 작용하는 압력과 동일한 경우, 케이싱이 단부벽(23)과 충돌하는 것을 방지하기 위해, 도 4에서 케이싱(20, 21)과 관련하여 도시한 것와 마찬가지로, 단부벽(23)과 케이싱의 각 바닥벽(21, 38)에, 서로 반발해서 케이싱의 단부벽과 바닥벽 사이에 필요한 사이 공간을 유지하는 데에 일시적으로 기여하도록 배치되고 자화된 링형 자석(40, 41)을 마련할 수 있다.

Claims (8)

1. 트러니언(7, 8)이 마련된 적어도 하나의 로터(1)가 유입 포트(15) 및 유출 포트(16)를 포함하는 작업 공간(3) 내에 수용되어 있는 하우징을 포함하고, 상기 작업 공간(3)은 저압 단부(4)와 고압 단부(5) 및 이들 사이에서 연장되는 배럴부(6)에 의해 경계가 정해지며, 상기 트러니언(7, 8)은 상기 단부(4 및 5)에 위치한 베어링(11, 12) 내로 연장되고, 상기 트러니언 중 적어도 하나(7)는 관련 단부(4)를 통해 연장되어 경계가 정해져 있는 챔버(17) 내에 축방향으로 돌출한 추력면(29)을 제공하며, 상기 챔버(17)는 상기 추력면(29)에 축방향으로 작용하는 힘을 발생시키기 위한 수단을 수용하는, 작업 유체를 압축하거나 팽창시키기 위한 로터 머신, 특히 헬리컬 스크류 로터 머신에 있어서, 상기 하나의 트러니언(7) 주위에는, 외부면이 대체로 원형-원통형이고 상기 챔버(17) 내에 자유롭게 배치되며 외측 단부가 바닥벽(21)에 의해 폐쇄된 케이싱(20, 21)이 밀접하게 끼워져 있고, 상기 바닥벽의 중앙에는 구멍(22)이 있으며, 상기 케이싱은 상기 트러니언 상에 회전 가능하게 장착되어, 상기 바닥벽(21)이 상기 챔버(17)의 단부벽(23)으로부터 떨어져 있는 제1 축방향 위치와 상기 바닥벽(21)이 상기 단부벽(23)과 맞닿아 있는 제2 축방향 위치 사이의 주어진 거리를 통해 상기 트러니언을 따라 축방향으로 이동할 수 있고, 밸브(27)가 마련되어 있으며 압력 매체 공급원(28)으로부터 연장되는 공급 채널(26)이 상기 바닥벽의 중앙 구멍(22)과 마주하는 단부벽(23)의 개구(24)에 연결되어 있어, 압력 매체가 상기 케이싱의 바닥벽(21)의 중앙 구멍(22)을 통해 상기 케이싱(20, 21) 내부로 제어 공급됨으로써, 상기 챔버(20, 21) 내에 과압이 생성되면서 상기 케이싱이 상기 제1 축방향 위치로부터 제2 축방향 위치로 이동하는 것을 특징으로 하는 로터 머신.
2. 제1항에 있어서, 상기 단부벽(23)과, 이 단부벽(23)과 마주하는 케이싱의 바닥벽(21) 사이에 링형 밀봉 요소(25)가 위치하며, 이 밀봉 요소(25)는 상기 케이싱(20, 37)으로 둘러싸인 트러니언(7) 부분(7, 37)보다 직경이 작은 원형 밀봉 라인을 형성하는 것을 특징으로 하는 로터 머신.
3. 제2항에 있어서, 상기 밀봉 요소(25)는 상기 케이싱의 바닥벽(21)에 고정되는 것을 특징으로 하는 로터 머신.
4. 제2항에 있어서, 상기 밀봉 요소(25)는 상기 단부벽(23)에 고정되는 것을 특징으로 하는 로터 머신.
5. 제3항에 있어서, 상기 밀봉 요소(25)는, 외부로부터 단부벽(3) 내로 삽입될 수 있고 압력 매체 공급용 개구(24)가 안에 배치되는 부싱(32)에 장착되는 것을 특징으로 하는 로터 머신.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 케이싱의 바닥벽(21)은 상기 케이싱의 중앙 구멍(22)을 향해 내부로 수렴하는 것을 특징으로 하는 로터 머신.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단부벽(23)과 바닥벽(21)에는 서로 반발하는 자기 요소(30, 31)가 각각 마련되는 것을 특징으로 하는 로터 머신.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력 매체는 오일이며, 상기 압력 매체 공급원(28)은 상기 로터 머신과 연결된 오일 분리기인 것을 특징으로 하는 로터 머신.