KR20030009366A - 원심펌프에서의 베어링 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원심 펌프에 관한 것으로, 원심 펌프는 구동 모터에 결합될 수 있고, 반경방향 유동을 위한 임펠러(3)를 가지며, 상기 임펠러는 그 외경에 배출 에지(13)를 구비하고, 상기 펌프는 반경방향으로 분할된 펌프 케이싱(15)을 갖고 적어도 하나의 샤프트 시일(2)을 구비한다. 임펠러(3)는 그것에 작용하는 힘을 흡수하기 위해, 두개의 축방향으로 인접한 베어링(1, 1')으로 구성되는 베어링 장치에서 지지된다. 베어링 또는 그 각각의 베어링 궤도(12, 12'; 14, 14')의 폭은 특성 거리 a를 형성한다. 임펠러(3)의 배출 에지(13)상의 중심점(4)은 축방향으로 보아서 베어링(1, 1') 사이의 다른 중심점으로부터 펌프의 입구 단부(20) 방향으로 또는 입구 단부로부터 거리 b에 있는 위치를 가지며, 여기서 b ≤2a 이다.

Description

원심펌프에서의 베어링 장치{Bearing arrangement in a centrifugal pump}

본 발명의 목적은 소위 단일 흡입형의 주 원심 펌프를 갖고 펌프와 직접 연결되어 배치되는 구동 모터를 갖는 모터-구동식 펌프 유닛의 현저한 개선을 획득하는 것이다. 상기 펌프 유닛은 통상 수직 회전축을 갖는 수직 형태일 수 있으며, 유지보수에 필수적인 펌프 구성요소들이 파이프라인이나 구동 모터를 이동시키지 않고도 분해될 수 있도록 구조된다.

이러한 종류의 펌프 유닛에 포함되는 원심 펌프들은 여러가지의 상이한 실시예에서 공지되어 있다. 통상 샤프트는 수백 밀리미터 이격된 두개의 샤프트 베어링에 의해 지지된다. 그 일단부에서 샤프트는 임펠러를 지지하며, 또한 상기 임펠러와 하나의 베어링 사이에는 샤프트 시일이 배치된다. 본 실시예에서 임펠러는 베어링 사이의 거리와 대략 동일한 크기의 실질적인 오버행(overhang)을 갖는다. 통상적으로, 펌프를 통해 흐르는 유체에 따라 변화하는 크기의 반경방향 힘이 임펠러에 작용한다. 이 힘은 결국 샤프트를 좌굴(buckling)(변형)시키며, 이는 임펠러의 내부 시일에 충분히 커다란 간극을 요구하고, 샤프트 시일의 기능상의 상당한 감소를 초래한다. 이러한 요인은 펌프의 최소한의 품질을 위한 스펙상의 주의해야할 주제가 되어왔다. 스펙 API 610(American Petroleum Institute)과 ISO 5199(International Organization of Standardization)는 둘다 샤프트 시일 근처에서의 좌굴에 대해 최대 허용치를 0.05 mm 로 규정하고 있다. 상업적이고 기술적인 평가에 있어서는 좌굴의 정도를 표시하는 다른 방법이 사용되는 바, 즉 L³/D⁴이다. 이 표현에서 L은 임펠러의 오버행을 나타내며, D는 샤프트의 직경을 나타낸다.

임펠러의 지지와 오버행을 방지하기 위해, 임펠러의 각 측부에는 베어링이 설치될 수 있다. 그러나, 이는 두개의 샤프트 시일을 각 측부에 하나씩 필요로 한다. 적어도 하나의 베어링이 또한 펌핑된 유체에 배치되어 윤활 및 냉각될 수 있다. 밀봉 시일링된 펌프에서와 같은 특별한 경우에는, 베어링과 구동 기구가 유체내에 얼마간 배치된다. 결과적으로, 본 실시예는 샤프트 시일을 갖지 않는다.

또한, 구동 모터(대개는 전기 모터임)의 샤프트 상에 또는 전기 모터 샤프트에 단단히 연결된 샤프트 연장부상에 임펠러가 직접 장착될 수 있다. 그러나, 표준 설계의 종래 전기 모터는, 10 내지 30 kW 이상의 모터 출력에서, 그 샤프트 베어링에 충분한 베어링 강도를 갖지 못한다. 따라서, 샤프트 연장부가 적어도 하나의 여분의 베어링을 갖는 펌프 설계가 있게 된다.

임펠러, 샤프트 시일 등과 같은 펌프 유닛의 내부 구성요소가 파이프 라인이나 구동 모터가 분해될 필요없이 용이하게 분해될 수 있도록, 펌프 케이싱은 펌프 샤프트를 따라서 분할(split)(축방향 분할)되거나, 샤프트에 대해 횡방향으로분할(반경방향 분할)될 수 있다. 반경방향 분할과 관련하여, 요즘은 구동 모터측에 개구를 사용하는 것이 일반적이다(소위 "백 풀 아웃(back pull out)"). 분해는 아마도 먼저 샤프트의 일부분 또는 연장된 샤프트 커플링의 일부분(스페이서)을 해체하므로써 이루어진다. 이 경우, 이들 부분은 내부 부품들이 제거될 수 있는 길이를 갖는다. 이러한 형태의 펌프 유닛에서는, 통상 원심 펌프 및 구동 모터의 정확한 동심 위치로부터 약간의 편위가 가능하도록, 하나 이상의 비틀림을 견딜 수 있지만 탄성적인 샤프트 커플링이 존재한다. 샤프트 베어링은 이후 이전 방법에 따라 배치될 수 있거나 또는 하나의 샤프트 커플링이 단지 각도 탄성적이라면, 하나의 베어링이 펌프 샤프트상에 배치될 수 있고, 베어링 기능의 나머지는 구동 모터 베어링을 통해 이루어진다.

본 발명은 구동 모터에 결합될 수 있는 원심 펌프에 관한 것으로, 여기서 상기 펌프는 그 외경에 배출 에지를 갖는 임펠러를 구비하며, 펌프에는 적어도 하나의 샤프트 시일이 제공된다.

도 1은 펌프의 단면도.

도 2 및 도 3은 두가지 변형예의 단면도.

본 발명의 목적은, 종래 기술과 관련된 다수의 결점들을 해소하기 위한 신규한 원심 펌프를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 원심 펌프는, 임펠러가 펌프에 작용하는 힘을 흡수하기 위해, 두개의 축방향으로 인접한 베어링으로 구성되는 베어링 장치에 지지되며, 베어링의 축방향 폭 또는 베어링 궤도(raceway)의 설계는 특성(characteristic) 거리 a를 형성하고, 임펠러의 배출 에지상의 중심점은, 축방향으로 보아서, 베어링 사이의 축방향 중심점으로부터 펌프의 입구 단부 방향으로 또는 이 입구 단부로부터 거리 b에 있는 위치를 가지며, 여기서 b 는 2a 이하이다.

다른 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 베어링과 적어도 하나의 샤프트시일 사이에는 샤프트 시일로부터 펌프 주위로의 누설체를 운반 및/또는 분기시키기 위해 회전가능한 슬리브가 배치되며, 상기 슬리브는 임펠러 허브 섹션을 두개의 챔버로 분할하며, 베어링이 배치되는 챔버는 펌프 유체 및/또는 샤프트 시일로부터 누설되는 일체의 유체로부터 분리된다.

다른 실시예에 따르면, 구동 모터로부터 임펠러로 토크를 전달하기 위한 구동 샤프트는 그 일단부에서, 임펠러 허브내의 샤프트 단부 수용 리세스에 있는 적어도 두개의 접촉면에 예를 들어 소위 스플라인 또는 키이 커플링을 사용하여 끼워지며, 구동 샤프트는 그 타단부에서 커플링을 통해 구동 모터 샤프트와 연결되도록 만들어진다. 상기 커플링은 구동 샤프트에 고정되거나 구동 샤프트와 일체를 이루는 제 1 플랜지와, 모터 샤프트에 고정되거나 모터 샤프트와 일체를 이루는 제 2 플랜지로 구성되며, 제 1 및 제 2 플랜지는 너트-볼트 연결체와, 접착성 본딩, 전단 핀 등에 의해 결합될 수 있다.

상기 베어링 장치내의 베어링은 임펠러 허브에 배치되는 각각의 외측 베어링 궤도체와, 펌프 케이싱에 기계적으로 연결되는 그 각각의 내측 베어링 궤도체를 구비한다.

유리하게, 상기 샤프트 시일은 임펠러 허브의 환형 부분에 배치되며, 베어링의 각 외측 베어링 궤도체는 임펠러를 통해 구동 샤프트에 체결되어 함께 회전할 수 있다.

원심 펌프의 샤프트는 통상 실질적으로 수직으로 배치되며, 구동 모터는 펌프 케이싱에 연결되는 스탠드상에 장착된다.

상기 회전가능한 슬리브는, 슬리브가 임펠러와 함께 회전할 때 펌핑 작용을 생성하여 샤프트 시일로부터의 일체의 누설 유체를 샤프트 베어링 장치용 챔버를 지나 펌프의 주위로 운반하도록 설계되는 이중 벽 및/또는 베인을 구비한다.

본 발명은 이제 첨부 도면을 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다.

본 발명의 특징중 한가지는 샤프트 베어링(1, 1')과 샤프트 시일이 임펠러(3)에 최소한의 오버행이 없이 또는 오버행이 전혀 없이 설치된다는 것이다. 임펠러의 중심선은 도면부호 21로 도시된다. 임펠러에 가해지는 반경방향의 힘과 모멘트는 경사 모멘트나 굽힘 모멘트의 발생 및 그것에 수반되는 변형 없이 베어링에 의해 수용된다. L³/D⁴는 실제로 제로에 상당한다. 따라서 상기 샤프트 베어링은 베어링 궤도(베어링면)를 갖도록 만들어지며, 상기 베어링 궤도는 적어도 하나의 베어링에서 여러개의 이격된 베어링에 상당하는 기능을 갖는다. 예를 들어, 베어링은 여러개의 단일 또는 이중 각도접촉 볼 베어링, 원추형 볼 베어링 또는 소위 4점 베어링으로서 만들어진다. 펌핑되는 매체용의 적어도 하나의 샤프트 시일(2)이 하나의 베어링(1)의 바로 다음에 또는 그것에 대한 제한된 거리에 배치되며, 그곳으로부터 상대적으로 벽 두께가 얇은 회전가능한 분할 슬리브 또는 컵(5)에 의해 분리된다. 따라서 상기 슬리브(5)는 임펠러 허브 섹션의 영역을 두개의 개별챔버(6, 7)로 분할한다. 샤프트 시일(2)로부터의 슬리브(5)의 축방향 크기는 그 형상 또는 회전의 결과로 인해 샤프트 시일 부재(7)로부터 펌프 케이싱내의 개구(17)를 통해 펌프 유닛 주위(16)로의 일체의 누설을 운반 및/또는 분기시키고, 따라서 샤프트 베어링(1, 1')이 배치되는 챔버(6)내로 누설이 침투하는 것을 방지하기에 충분히 크다. 베어링 및 시일용의 임펠러 허브 섹션내의 제한된 공간으로 인해, 임펠러(3)에 토크를 전달하기 위한 구동 샤프트(8)는 상대적으로 무겁게 로딩될 것이며, 그 일단부에서는 적어도 두개의 체결부재(fasteners) 또는 샤프트 키이를 사용한 확고한 연결을 통해 임펠러(3)에 연결되고, 상기 체결부재의 일부는 통상 도면에서 도면부호 9로 도시되는 소위 스플라인 형태이다. 상기 구동 샤프트(8)는 슬리브(5) 및 임펠러 허브 섹션의 관련 부분(19)을 사용하여, 펌핑되는 유체로부터 유리하게 분리되거나 밀봉된다. 상기 구동 샤프트(8)는 또한 그 다른 단부에서 구동 플랜지(10, 10')에 영구 결합되거나 그와 함께 단일 피스로 제조되며, 상기 구동 플랜지에는 선택적으로 유연성을 갖는 샤프트 커플링이 토크를 전달하기 위해 연결될 수 있다. 임펠러 허브 섹션은 또한 샤프트 베어링(1, 1')에 대한 베어링 궤도(12, 14; 12', 14') 또는 베어링 시트로서 만들어질 수 있으며, 이후 이는 임펠러(3)상의 비틀림 모멘트 이외의 힘과 모멘트가 베어링으로 전달되게 한다. 이는 다시 구동 샤프트(8)가 토크에 의해서만 로딩되고 이를 위해 그 설계가 최적화될 수 있음을 의미한다. 샤프트 베어링(1, 1')과 샤프트 시일을 임펠러 내부에 배치하면, 펌프 유닛의 전체 크기 및 무게에 상당한 변화가 초래된다. 특히 구동 모터(비도시)가 원심 펌프(15, 15', 15", 15'")의 펌프 케이싱 상에 또는그 바로 다음에 배치된 스탠드(비도시)에 의해 지지되는 수직 펌프의 경우에는 유닛의 전체 높이의 현저한 감소가 얻어진다. 이는 정상 모터 진동의 크기 및 위험을 감소시킨다. 펌프 유닛이 선박(vessel)상에 온보드 형태로 배치된 경우에는, 그 추진 기계류에 의해 야기되는 진동 및 해상 선박의 운동에 대한 유닛의 방해 운동 위험을 감소시킨다.

샤프트 베어링의 외측 베어링 링 또는 베어링 궤도(12, 12')는 통상 임펠러(3)와 함께 회전할 수 있으며 임펠러 허브(3')에 배치된다. 이는 정적 응력만이 발생하고 따라서 피로를 유발할 수 있는 동적 부하가 전혀 없다는 장점을 포함한다.

베어링 장치는 또한 반드시 임펠러 허브에 배치되거나 이 허브와 인접하여 연결된다. 베어링 장치의 축방향 치수는 따라서 통상 임펠러의 전체 축방향 길이보다 작거나 최대로 해서 동일한 크기이다.

모멘트와 관련하여 최적의 조건을 얻기 위해, 임펠러(3)는 그것에 작용하는 힘을 흡수하기 위해, 두개의 축방향으로 인접하는 베어링(1, 1')으로 구성되는 베어링 장치에서 지지되는 바, 여기에서 베어링의 각각의 베어링 궤도(12, 12'; 14, 14')는 특성 거리(characteristic distance)(a)를 형성하며, 축방향으로 바라본 임펠러(3)의 배출 에지(13)상의 중심점(4)은 베어링(1, 1') 사이의 중심점으로부터 펌프의 입구 단부(20) 방향으로 또는 이 입구 단부로부터 거리(b)를 갖는 위치를 가지며, 여기에서는 조건 b ≤2a 가 충족되어야 한다.

실제 샤프트 베어링에 있어서, 베어링의 폭, 즉 단일의 또는 다수의 베어링링의 축방향 치수는 상기 특성 거리에 대한 제 1 값(a1)을 구성한다. 제 2 값(a2)은 베어링 장치의 중심선(21)상의 힘의 중심(30, 30') 사이의 거리이다. 예를 들어, "백-투-백(back-to-back)" 조립체내의 쌍으로(pairwise) 장착된 단일 각도 접촉 볼 베어링과, 이중 각도 접촉 볼 베어링, 및 소위 4점 형태의 단일 각도 접촉 볼 베어링의 경우에, a2의 값은 볼 베어링 제조업자의 카탈로그에서 주어지며, 이 값은 통상 a1보다 두배 내지 세배이다. 물론, 원추형 볼 베어링 및 또 다른 베어링 형태의 경우에 유사한 조건이 적용된다. 본 발명을 특징짓는 거리 a 는 값 a1과 a2의 최대값이다. 유리하게는, 베어링 장치는 가장 좋은 방식으로 굽힘 모멘트와 경사 모멘트를 흡수할 수 있도록 2a가 1a보다 큰 형태의 베어링을 갖도록 제조된다. 거리 a1을 갖는 실시예는 예를 들어 단 하나의 단일 스텝 볼 베어링이 사용되는 간단한 구조물에 사용될 수 있다.

공식적으로, 상기 거리 a1은 거리 a2를 한정할 수 없는 경우에 거리 a에 대한 한정을 구성한다.

샤프트 시일(2)로부터 펌프 주위(16)로의 일체의 누설을 운반 및/또는 분기시키기 위해 적어도 하나의 베어링과 적어도 상기 샤프트 시일(2)의 사이에는 회전가능한 슬리브(5)가 유리하게 배치된다. 상기 슬리브(5)는 임펠러 허브 섹션을 두개의 챔버(6, 7)로 편리하게 분할할 수 있으며, 베어링(1, 1')이 배치되는 챔버(6)는 샤프트 시일(2)로부터 누설되는 일체의 유체 및/또는 펌프 유체로부터 분리될 것이다. 샤프트(8, 18) 사이의 플랜지 커플링(10, 10')은 너트 볼트 연결체나 접착성 본딩에 의해 또는 전단(shearing) 핀 등을 사용하여 고정될 수 있다.

도면에서 볼 수 있듯이, 베어링(1, 1')은 임펠러 허브(3')에 배치되는 그 각각의 외부 베어링 궤도체(12, 12')를 가지며, 베어링의 각각의 내부 베어링 궤도체(14, 14')는 기계적으로 펌프 케이싱(15'")에 연결된다. 또한 샤프트 시일(2)은 임펠러 허브의 환형 부분(3")에 배치되는 것을 볼 수 있다. 또한, 베어링의 외부 베어링 궤도체(12, 12')는 임펠러(3)를 통해 구동 샤프트(8)에 연결되어 그와 함께 회전될 수 있음을 알 수 있다.

회전가능한 슬리브(5)는, 슬리브(5)가 임펠러(3)와 함께 회전할 때 펌핑 작용이 발생하여 샤프트 베어링 장치용 챔버(6)를 지나서 샤프트 시일(2)을 넘어 이동한 일체의 누설 유체를 펌프 케이싱의 개구(17)를 통해서 펌프의 주위(16)로 이송하기 위해 펌핑 작용이 발생하도록 설계된, 이중 벽을 갖거나 베인(vanes)을 갖도록 제조될 수 있다. 이는 도 2 및 도 3에 도시되어 있다.

도 2에는 슬리브(5)가 반경방향 보어(23)를 갖는 둘러싸는 슬리브 부품 형태의 추가 부분(22)을 구비하는 방법이 도시되어 있다. 도 3에서 슬리브에는 베인 링(24)이 제공된다.

Claims (8)

1. 유체 운반용 원심 펌프로서, 구동 모터에 결합될 수 있고, 그 외경에는 실질적으로 반경방향 외측을 향하는 배출을 위해 배치되는 배출 에지(13)를 갖는 임펠러(3)를 구비하며, 적어도 하나의 샤프트 시일(2)을 포함하고, 상기 임펠러(3)는 작동중에 임펠러(3)에 가해지는 힘을 흡수하기 위해 베어링 장치에 지지되며, 상기 베어링 장치는 최대로 임펠러(3)의 전체 축방향 크기와 동일한 축방향 크기를 갖고 하나 이상의 베어링(1, 1')으로 구성되는, 원심 펌프에 있어서,

   상기 구동 모터는 편심 배치된 구동 샤프트(8)를 통해 연결되도록 설계되며, 상기 베어링 장치는 샤프트 시일(2)에 의해 운반된 유체로부터 분리되고, 베어링의 폭 및/또는 각각의 베어링 궤도(12, 12'; 14, 14')는 베어링의 전체 축방향 폭(a1)과 베어링 장치의 중심선(21)에서의 베어링의 힘의 중심 사이의 거리(a2)중 최대치를 구성하는 특성 거리(a)를 형성하며, 축방향으로 보아서 펌프의 배출 에지(13)상의 중심점(4)은 베어링 장치용 축방향 중심점으로부터 거리 b에 있는 위치를 갖고, 여기서 b ≤2a 인 것을 특징으로 하는 원심 펌프.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 베어링(1, 1')과 적어도 하나의 샤프트 시일(2) 사이에는 샤프트 시일(2)로부터 펌프 주위(16)로의 누설체를 운반 및/또는 분기시키기 위해 회전가능한 슬리브(5)가 배치되며,

   상기 슬리브(5)는 임펠러 허브 섹션을 두개의 챔버(6, 7)로 분할하며, 베어링(1, 1')이 배치되는 챔버(6)는 펌프 유체 및/또는 샤프트 시일로부터 누설되는 일체의 유체로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 원심 펌프.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 구동 모터로부터 임펠러(3)로 토크를 전달하기 위한 구동 샤프트(8)는 그 일단부에서, 임펠러(3) 허브(3')내의 샤프트 단부 수용 리세스에 있는 적어도 두개의 접촉면에 예를 들어 소위 스플라인 또는 키이 커플링을 사용하여 끼워지며, 구동 샤프트는 그 타단부에서 커플링(10, 10')을 통해 구동 모터 샤프트(17)와 연결되도록 만들어지는 것을 특징으로 하는 원심 펌프.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 커플링은 구동 샤프트(8)에 고정되거나 구동 샤프트와 일체를 이루는 제 1 플랜지(10)와, 모터 샤프트에 고정되거나 모터 샤프트와 일체를 이루는 제 2 플랜지(10')로 구성되며, 제 1 및 제 2 플랜지는 너트-볼트 연결체와, 접착성 본딩, 전단 핀 등에 의해 결합될 수 있는 것을 특징으로 하는 원심 펌프.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 베어링(1, 1')은 임펠러 허브(3')에 배치되는 각각의 외측 베어링 궤도체(12, 12')를 구비하며,

   상기 베어링(1, 1')의 각각의 내측 베어링 궤도체(14, 14')는 펌프 케이싱에 기계적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 원심 펌프.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 샤프트 시일(2)은 임펠러 허브의 환형 부분(3")에 배치되며, 베어링의 각 외측 베어링 궤도체(12, 12')는 임펠러(3)를 통해 구동 샤프트(8)에 체결되어 함께 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 원심 펌프.
7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서, 원심 펌프(1)의 회전축(21)은 반드시 수직으로 배치되고, 구동 모터는 펌프 케이싱에 연결되는 스탠드상에 장착되는 것을 특징으로 하는 원심 펌프.
8. 제 2 항에 있어서, 상기 회전가능한 슬리브(5)는, 슬리브가 임펠러와 함께 회전할 때 펌핑 작용을 생성하여 샤프트 시일(2)로부터의 일체의 누설 유체를 샤프트 베어링 장치용 챔버(6)를 지나 펌프의 주위로 운반하도록 설계되는 이중 벽 및/또는 베인을 구비하는 것을 특징으로 하는 원심 펌프.