KR20030038743A - 수력 터보 유닛의 밀봉구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실(seal)의 수단에 의해 터빈 케이싱(2)에 관하여 수력 터보머신의 회전자(3)의 밀봉(sealing- off)에 관한 것이다.
본 발명은 회전자(3)의 주위 영역에서, 각각의 경우에 적어도 한 개의 정압 베어링의 수단에 의하여 회전자(3) 및 터빈 케이싱(2)에 관하여 장치 되어있는 돌출된 밀봉 링(19)이 배열되는 것을 특징으로 하고있다.
한 실시예 에서, 회전 자에 관하여 장치된 밀봉 링을 위한 압력 물은 자유롭게 회전할 수 있는 밀봉 링(19)을 통하여 케이싱의 반대에 있는 밀봉 링의 베어링으로 나온다.

Description

수력 터보 유닛의 밀봉구조{SEALING IN A HYDRAULIC TURBINE UNIT}
저 낙차용 카플란 수차, 중 낙차용 프란시스 터빈 및 고 낙차용 펠톤 터빈은 현대 터빈 분야에서 표준적 터빈으로 인정된다. 이 경우의 프란시스 터빈은 실질적으로 30m 내지 400m의 낙차범위를 가진다.
이 같은 관계에서, 프란시스 터빈은 좀 낮은 낙차 범위에서는 약 95% 효율을 가지며, 좀 높은 낙차범위에서는 92% 이상의 효율에 이른다. 특히, 더 높은 낙차 범위에서의 여태까지는 제거될 수 없었던 간극 손실과 디스크 마찰은 효율의 감소를 가져온다. 이 같은 두 가지 현상을 설명 하기 위해, 프란시스 터빈의 구조와 작동을 아래에서 간략하게 취급하고자 한다.
프란시스 터빈에서, 터빈을 구동하는 물은 안내휠을 통해 수평으로 놓여 있는 스파이럴(spiral)로부터 회전자로 유동한다. 빠르게 회전하는 회전자는 수압 및 유속 에너지를 회전자가 고정되어 있는 축에 회전운동으로 변환시키고, 그 결과로 발전용 발전기를 구동한다. 구동 물은 흡수관을 통해, 회전자와 터빈을 떠난다.
회전자의 주위 영역에서 있어, 날개 덕트(blade duct)의 외부 단부에서물은고정된 터빈 케이싱을 고속으로 유동한다. 안내 날개로부터 나온 물은 회전자를 지나 회전자의 외면과 터빈케이싱의 내면 사이의 간극과 같은 지역을 통과하는 데, 이러한 간극은 피할 수 없는 것이다. 고정케이싱과 회전자 사이에서의 높은 속도 차이는 상당한 마찰 손실을 일으킨다. 또한, 상부 간극상의 고압은 축과 축 베어링에 과도한 부하를 야기시키는 강력한 축 트러스트(axial thrust)를 발생시킨다. 이런 이유로, 회전자의 외부영역에는 래비린스 실(labyrinth seal)이 구비되며, 물은 상기 래버린스 실을 통해 터빈을 빠져 나온다. 이러한 종래기술에 의하면, 중간 사이즈 터빈에서 조차도, 0.5m³/s에 상당한 물이 누설된다.
상기 이유로, 래비린스 실은 회전자의 외부 영역에 마련되므로, 이에 따라 발생되는 작은 간극 폭은 후에 상당한 마찰 손실과 매우 큰 제동 토크를 일으킨다. 또한, 상기 실(seal)은 생산하기에 많은 비용이 들며, 물 속에 포함되거나 떠다니는 모래 알맹이, 나무 부스러기와 같은 불순물에 의해서 반복적으로 노출되어지는데 이는 정확하게는 서로 반대쪽에 위치해 있는 표면들 사이에서 관계된 매우 높은 스피드 때문이며, 계속적인 내구력을 갖기 위하여, 복잡한 유지 작업과 수리를 필요하게 만든다.
물론, 케이싱을 통하여 안내되는 축위에 직접적으로가 아닌 어떤 다른 방법으로 회전자의 바깥 영역에 실제 실을 제공하기 어렵다.. 상기 이유는 한편, 이미 몇 번이고 언급된 서로 반대쪽에 위치해 있는 구성 요소들과 관련된 높은 스피드 때문이고, 다른 한편으로는, 발생되는 힘과 이러한 크기의 경우에서, 피할 수 없는 관련운동(주 회전 운동에 대해 가로지르는)에 의하여 일어나는 역학적인 문제 때문이다. 이런 관련 운동은 필연적으로 축 방향에서 발생하고, 작동 상태에서 변화의 경우에 발생하게 되나, 공차 때문에 베어링은 무작위적인 진동등을 야기시킨다.
전기 발전에서, 가능한 높은 효율은 언제나 중요하게 요구되는 바, 이는상업적 고려의 문제 및 환경 보호의 이유 때문이다. 전술한 바와 같이 유동하는 물에는 이용될 수 없는 약 5에서 7%의 에너지가 포함되어 있으며, 이는 고 낙차와 상기 낙차에 의해 발생하는 압력에 의해 작동하는 프란시스 터빈의 경우에는 상당한 양이다. 이와 같은 에너지 손실은 간극 손실에 그 원인이 있으며, 특히 디스크 마찰과 연관하면 상기 간극 영역(the upper gap region)에서의 손실에 기인한다.
이 문제를 해결하기 위한 다양한 시도가 있었다. 이것에 관해, 참고 문헌으로 바 테크 보스트 엠시이(VA TECH VOEST MCE)에 의해 출판된 극 밀봉(polar sealing)이 있는 데, 여기서는 케스싱의 외부로부터 회전자의 바깥 영역에서 아이스 비드(ice bead)는, 작동하는 동안, 회전자의 먼 곳에서 자라나고, 미묘하게 침식되어지는 곳에서 버틸 수 있게 하며, 그리하여, 밀봉이 되게 하는 냉각에 의해 형성된다. 이런 타입의 터빈의 생산의 영역에서 국제적인 명성을 갖는 회사중의 하나가 그렇게 복잡한 자기 재생 실(self-regenerating seal)을 제안 하였을 때, 프란시스 터빈의 영역에서, 밀봉을 하는 것이 얼마나 어려운가를 나타내는 현저한 예이다.
상기 실과 관련된 문제는 무엇보다도, 적어도 아이스 링의 부분의 파손위험과 연속되는 누설의 위험 때문에 참고 문헌이 전통적인 래버린스 실에 이 실을 부가한 이유이다. 비록, 이것과 연관된 문제와 누설에서의 감소는 전략적인 수단들에의해 성취되어질 수 있으나, 그럼에도 불구하고, 이것은 막대한 투자비용과, 부가된 유지와 주의를 위해 요구되어지는 복잡한 부가 요소들의 사용에 의해 성취될 수 있다.
정압 장치를 구비한 해결 방법은 DE 25 54 217 A1(서치한 자료US 4,118,040에 대응되는)으로 부터 알 수 있는데, 이 경우에, 밀봉 링(sealing ring)은 본질적으로 접점에서 움직이는 아암(arms)에 의해 지지되고, 케이싱의 고리 모양의 홈에서 밀봉되어지게 설치된다. 케이싱에 관한 이 밀봉은 일레스토메릭 링(elastomeric ring) 또는 홈에 설치되어져 있는 유사한 요소들에 의해 발생되고, 링의 바깥 부분에서 큰 영역을 지탱할 수 있으며, 그리하여 축 방향에서 현저하게 링의 움직임을 막고, 링 및 회전자 사이의 간극 높이에서의 변화를 반대로 헤치게 된다. 그러나, 케이싱에 관한 회전자의 피할 수 없는 축 움직임의 관점에서, 이 변화는 가능한 한 정압 밀봉을 효율적으로 하기 위해 절대적으로 필요하다. 많은 수의 예시적인 실시 예에서, 정압 밀봉을 위해 요구되어지는 물은 튜브 또는 그와 같은 것, 더 나아가 그것의 움직임을 막는 것을 통해 제공되어진다.
다른 해결방법은 CH 659 856 A5로 부터 알려지는데, 본질적으로 케이싱에대해 움직이지 않는 링은 회전자(허브디스크, 커버디스크)에 대해 방사상으로 밀봉되고, 간극 높이의 빠른 조절을 향상시키기 위해 정압 밀봉의 수단에 의한 비 접촉 적인 방법에서, 링은 정압 장치의 형태의 수단에 유사하게 축 방향에서 가능한 한 적은 마찰을 가지고 장치된다. 이 경우에서 축 베어링용 베어링 물은 레이디얼 베어링용 베어링 물로부터 나온다. 그러나, 링은 반드시 베어링 물용의 방사 상으로움직이는 실린더형의 공급선 위에서 유지되고, 오-링(o-ring)의 수단들에 의해 이 선들에 대해 밀봉되어진다. 레이디얼 베어링에서 간극 높이에서의 변화가 현저하게 이러한 오-링에 의해 장애가 되어지므로, 그리하여 이 링의 장치는 플로우팅(floating)으로 디자인되어 질 수 없다. 이 실의 전체의 건설은 복잡하게 되고, 상당한 크기를 갖는 다양한 요소들 위에서 전체적으로 연결되는 좁은 오차 허용도에 부착되는 것을 필요로 하게 한다.
DE 196 11 677 A1은 링을 구비한 비접촉(non-contact)으로 디자인되어지고, 플로우팅(floating)으로 디자인 되어진 실(seal)을 제안한다. 이 경우에, 링은 케이싱 위에 밀봉되어지게 장치되어지며, 회전적으로 고정되어지고, 탄력적으로 지지되어진 수단(비접촉이 아닌)에서 케이싱에 장치되어지고, 회전자를 향한 직접적이 되어지는 원통 모양의 표면은 두개의 영역을 갖는데, 한 영역은 래버린스 실의 기능을 수행하는 곳이고, 다른 하나는 중심기능을 수행하는 곳이다. 그리하여 누설은 링을 센터링하기 위해서 사용된다. 또한 엄밀히 말하면 거기에는 정압 베어링이 없다. 이 제안에서, 물론, 링의 좋은 움직임과 누설을 타이트하게 연결시키는 것은 동시에 성취되어져야 하므로, 케이싱에서 링의 장치에는 중요한 문제가 있다. 어떻게 이것이 만족스럽게 해결 될 수 있는지는 진술되지 않았다. 다른 문제는, 후에 알게 되는 낮은 누설의 경우에, 거의 센터링이 성취될 수 없다는 사실로부터 발생한다.
본 발명은 터빈, 펌프터빈, 어큐뮬레이터 펌프 또는 기타 다른 펌프와 같은 수력 터보머신의 회전자를 터빈 케이싱에 대하여 밀봉하는 것에 관한 것이다.
도1은 종래기술에 따른 프란시스 터빈의 도시하며,
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 케이싱의 상부와 회전자의 하부사이의 영역을 도시하며,
도3은 회전하는 밀봉 링의 변형을 도시하며,
도4는 특히 도3에 따른 바람직한 변형의 실시예를 도시하며,
도5는 도4의 실시예에 유사한 본 발명에 따른 밀봉링의 변형을 도시하고 있다.
도1은 "Rabe,Hydraulische Maschinen und Anlagen"["Rabe, Hydraulic Machines and Plants"]에 기재된 종래기술에 따른 프란시스 터빈(1)을 도시하고 잇다.
회전자(3)는 캐이싱(2)내에서 회전한다. 물은 캐이싱(2)내에서 회전하게 마련되며 고정축(8)을 구비한 안내휠(4) 또는 각각의 날개에 의해 유입된다.
물이 회전자(3)를 떠나 축방향의 아래쪽에 있는 흡수관(5)으로 유입될 수 있도록, 회전자(3)는 터빈축(7)에 대해 원주방향으로 만곡되어 연장된 단일덕트를 포함한다.
고정 케이싱(2) 및 회전자(3)사이에는 상측간극 또는 간극 공간(9)과 하측간극 또는 간극 공간(10)이 있다. 하측간극(10)은 물에 포함된 에너지가 손실되는 것 없이 흡수관으로 유입되는 간극물의 손실을 야기시킨다. 그러나, 상기 손실을 제외하고는 다른 문제는 존재하지 않는다.
이것은 회전자 하측(11) 및 터빈 커버(12)사이의 상측간극(9)으로 들어가는 간극물에 대조되어진다. 터빈 커버(12)는 글랜드 타입의 실(13)에 의해 회전 축(6)에 대해 밀봉되게 고정되어 있기 때문에, 사실상 상측물(보다 상세하게는 회전자 입구 이전의 압력)은 상기 상측공간(9)에 가압되어, 축(6) 또는 그 축 베어링상에 상당한 부하를 일으키게 된다. 또한, 터빈커버(13) 및 회전자 하측(11)사이에 형성된 물 디스크의 결과로 상당한 마찰이 발생되고, 35m/s의 주변속도와 소정의 크기의 회전축에 연동된 레버암은 축 회전을 제동하는 상당한 토크를 야기시킨다.
이런 문제점을 해결하기 위해, 종래기술은 회전자 하측(11)의 최외부에 있어, 약 1mm의 협소한 간극인 래비린스 밀봉(14)를 제공하고 있다. 약 30바(bar)이상의 압력이 형성되는 것을 피하도록, 누설물은 스로틀(16)을 경유하여 릴리프 라인(relief line)(15)을 통하여 흡수관(5)으로 유입되며, 또한, 릴리프 구멍이 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 케이싱(2) 및 터빈(3) 사이에는 회전자 하측(11)의 주변에서 간극물의 흐름이 현저히 감소되도록 실(seal)을 제공한다.
본 발명의 목적은 서두에서 언급한 모든 터보 머신들에서 종전 기술들에 비하여, 간단하고 신뢰할 수 있는 방법으로 현저하게 향상되어진 실링을 수행하는 실(seal)을 제공하는 것이다.
이런 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 회전자의 주위 영역에 회전자와 캐이싱에 대해 접촉하지 않은 방식으로 오버헝 실링을 장착 배열하게 된다.
상세한 설명과 청구범위에서 사용되는 오버헝(overhung) 용어는 링의 베어링 운동의 힘의 크기에 있어, 정압장치의 힘의 크기를 초과하는 어떤 안내 힘에 반작용하지 않아 없어지지 않는다는 것을 의미한다. 종래기술에서, 예를 들면, 이런 종류의 힘은 예를 들면 탄성부재의 마찰력이나 오-링의 마찰력이다. 본 발명에 의하면, 간극에서 누설되는 물의 양이 현격하게 감소되고, 디스크 마찰 및 축 스러스트역시 상당히 감소된다. 따라서, 본 발명에 따르면 누설은 오직 베어링 물로 구성되어지므로, 밀봉 영역으로 외부물질의 침입의 위험 및 밀봉의 손상의 위험은 매우 감소되어진다.
본 발명의 일실시예에서, 링은 축 방향에서는 회전자를 가압하는 물에 의해 , 레이디얼 방향에서 케이싱을 가압하는 물에 의해 압축된다. 결과적으로, 링의 주운동은 회전자의 외부 영역에서 회전자의 기울기 및 변형을 가져오도록 축 방향으로 발생한다. 이는 축방향으로 이동할 수 있게 한다.
정압 베어링은 특히 수력 건설기계와 같은 건설기계에 있어서 잘 알려져 있지만, 예를 들면, 프란시스 터빈의 회전자의 바깥 주위에서의 케이스의 경우와 같이, 서로 관계된 위치 및 거리가 어느 정도 변할 수 있는 구성요소들 사이에서 정압 베어링을 사용하는 것은 지금까지는 가능하지 않아 왔다. 구성요소들에 대하여상기 발명에 의한 정압장치로 밀봉 작용을 감소 시키지 않으며 충돌도 하지 않게 하여 오차 허용도와 운동을 보상하는 것은 불가능하다.
본 발명의 일실시예에서, 밀봉 링 및 회전자 사이의 두개의 밀봉링 표면의 적어도 하나의 경우에, 수력 베어링 효과(hydronamic bearing effect)는 상기 수력베어링 효과의 수단들에 의해 더 증진된 발명에 의해 밀봉의 안정 범위인 밀봉 링 및 회전자 사이의 상대적인 움직임의 결과로서 일어나는데, 수력의 윤할 포켓(lubricating pocket)을 제공할 준비는, 정압 장치에 부가된 이런 수단에 의해 제공된다.
특히 바람직한 발명의 변화에서, 회전자에 대하여 구멍들에 의해 케이싱 및 밀봉링 사이에서 정압 베어링으로부터 제공되어지게 하기 위해 밀봉링의 정압장치에 요구되어지는 압력 하에서 물의 준비가 되는데, 구멍은 케이싱과 관련된 정압 베어링에서의 한쪽 끝과 회전자에 관련된 다른 쪽 끝에서 나오는 밀봉 링에서의 구멍을 말한다.
그리하여, 회전에 대하여 밀봉 링의 어떤 안전은 불필요하게 되고, 유연한 선들 또는 그와 같은 것의 수단에 의해 밀봉 링에 제공 되게 하기 위해 필요한 압력 하에서 어떤 물이 필요 없을 것이다. 더 나아가 베어링 마찰은 터빈회전 스피드의 거의 절반 스피드에서 회전하는 밀봉 링의 수단들에 의해 실질적으로 감소되어진다.
이 버전의 한 실시 예에서, 두개의 홈을 구비한 정압 베어링은, 회전 자에 대하여 링의 정압베어링의 적어도 한 홈에 구멍들의 수단에 의해 연결되어진 한 홈으로, 케이싱 및 링 사이에서 제공되어진다. 이것은 축 베어링이, 다른 베어링으로부터 가까이 있지 않은 한 베어링에서, 압력과 변동의 관점에서 레이디얼 베어링과 커플될 수 없는 결과로 두개의 베어링용으로 두개의 분리된 급송장치를 제공하는 것이 가능하다. 이것은 상세하게는 링의 베어링 움직임과 같은 장치의 안전에 상당한 공헌을 한다.
본 발명에 따른 밀봉은 도2에서 도시되어 있다. 상기 실시예에서 회전자(3)는 도시된 바와 같이 별개의 환형체인 런닝트랙(17:running track)을 제공한다. 그러나, 런닝트랙(17)은 제조공정에서 선반처럼 회전자와 일체로 형성될 수 있다. 밀봉링 표면(18)은 터빈의 회전축(7)에 수직하게 움직인다. 밀봉링(19)의 일측 면(20)은 밀봉 표면(18)의 작용을 도와준다. 상기 실시예에서, 상기 밀봉링은 가장 간단한 형태인 직사각형의 단면이다. 후술되는 바와 같이, 상기 형상은 다양하게 변경될 수 있으며, 각각의 장치에 적용되게 다양하게 변경될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
밀봉링(19)은 케이싱 커버(12)에 대해 고정되어 있다. 이는 회전자 하측(11)과 함께 회전하지 않는다는 것을 의미한다. 그러나 밀봉링(19)은 케이싱에 대해 소정의 범위내에서 축상에서 변경 배치될 수 있으며, 이는 특히 후술되는 바와 같이 터빈 커버에 대해 그러하다. 적어도 하나 이상의 다수개의 유연한 수압선(21)은 터빈 커버(12)에서 밀봉링(19)으로 안내된다. 만약 적용될 수 있다면, 밀봉링(19)은 적어도 하나의 환형의 덕트를 구비한다. 상기 적어도 하나의 환형덕트는 그 저면(20)사에 있는 환형홈을 향하거나, 상기 환형홈에 연결된다.
수압선(21)에 의해 제공되는 물은 홈의 반대쪽에 위치한 밀봉 표면(18)과의 상호작용으로써 밀봉링(19)용의 정압 베어링을 형성한다. 이 때 베어링 간극은 약 10 내지 350 마이크로미터이며, 바람직하게는 약 100 내지 250 마이크로미터이다. 따라서 종래의 래비린스 실(도1)의 간극 폭과 비교하면 좁게된다.
현재 정압 밀봉의 사용 영역에서 그 자체로 사용하는 것은 가능하지 않은 것으로 알려져 왔는데, 그 이유는, 매우 높은 약 35m/s의 속도 때문이고, 무엇보다도 발생하는 높은 압력(30바나 그 이상)때문이다. 그리고 정압 밀봉 링을, 터빈 커버(12)에 대한 회전자(3)의 수직 운동의 관점에서, 축 방향으로 안내할 필요가 있기 때문이며, 이 안내는 지금까지는 작동조건들 때문에 항상 실패해 왔기 때문이다.
본 발명에 따르면, 상기 문제는 터빈 커버(12)상에서 원통형의 정압 베어링에 의해 밀봉 링(19)을 축 방향으로 이동하는 것에 의해 해결된다. 베어링은 아래와 같이 만들어진다.
터빈 커버(12)는 환형스트립(23)을 구비한다. 상기 환형스트립은 축상에서 회전자(3)를 향해 돌출 되며, 그 외면(적절하게는 밀봉표면(18)과 유사한 코팅을 하고 있는)은 베어링 표면(24)으로 역활한다. 이를 위해, 적어도 하나의 홈(25)은 베어링 표면(24)에 제공되고, 통상의 정압 베어링에서의 경우와 같이, 압력 물은 적어도 한 개의 수압선(22)에 의해 상기 홈에 제공된다. 밀봉 링(19) 및 터빈커버(12) 사이에, 밀봉 링이 수직 방향에서 실질적으로 마찰이 없는 운동을 실행하도록 허용하는 장치가 제공된다. 장치에 의해 부가되어, 밀봉 링(19)의 기울기 (실질적으로 토션 또는 롤링-업)는 실질적으로 없어진다. 상기 밀봉링(19)의 기울기는 상기의 안내 또는 장치 없이, 밀봉 링 위에서 활동하는 역학적인 하중하에서 완벽히 가능해지며, 밀봉 링(19) 및 밀봉 표면(18)사이에서, 밀봉 상호간의 충돌을 일으킨다.
밀봉 문제에 대한 발명의 해결은 역학적으로 뿐만 아니라 에너지의 관점에서도 유용하고, 상대적으로 단순하며, 낮은 투자를 수반한다. 두개의 정압 베어링 표면용의 압력 물은 (밀봉 간극의 영역에서의 원심 가속력 때문에) 남아있는 압력차이를 극복하기 위해 낮은 펌프능력 또는 펌프를 필요로 하지 않으므로, 터빈의 위 물로부터 추출될 수 있다. 압력 물의 부분은 방사 상으로 바깥쪽으로 흐르고, 그리하여 회전자로 들어가게 되어 투입된 펌프 용량에 대응되는 부분이 터빈에서 회복된다. 방사상으로 배출되는 압력 물에 의해 외부 물체의 침투가 신뢰할 수 있을 만큼 차단된다. 회전자(3)의 위와 터빈 케이싱(2)내에 마련된 부품은 거의 공간을 필요로 하지 않으며, 설령 필요하더라도 종전의 래비린스 밀봉의 경우보다는 공간을 덜 필요로 하게 되며, 또한 터빈의 갱신이 용이해진다.
터빈의 작동온도는 사용되는 물의 온도에 의해 결정되어 지므로, 후에 알게되는 좁은 간극 높이에도 불구하고, 심지어 밀봉 링(14) 및 고리모양의 스트라이프(27) 사이의 원형의 간극에서도 열 팽창의 문제는 없다.
도3은 회전하는 밀봉링(19′)을 구비한 특히 바람직한 실시예의 상세도이다.압력 물은 수압선(22′)에 의한 수단에 의해 고리모양의 스트립(stripe)(23)의 원통모양의 벽 표면에 제공되어지고, 환형의 스트립(23) 및 이 경우 홈(25′)을 가지고 있는 밀봉 링(19′)사이에서 상술한 정압 베어링을 형성한다. 이런 방법으로 홈(25′)에 제공되는 물의 부분은, 밀봉링(19′)의 수직 축 끝면(20)위의 홈(27)의 영역 안에서 구멍(26′)을 통하여 지나가며, 상술한 바와 같이 회전자(3) 및 밀봉 링(19′)사이에서 정압 베어링을 형성한다.
유연한 수압선(21) 및 회전에 대한 고정은 그 결과로서 인정해도 아무런 이익이 없는 것으로 무용해진다. 반대로, 마찰 손실은 터빈 회전 스피드의 거의 절반수준에서 회전하는 밀봉 링(19′)에 의해 상당히 감소되어진다. 단순한 구조에 의해, 이 변화는 존재하는 프란시스 터빈에서 설치되는 시설 장치용으로 특히 적당하다.
구멍(26′)의 수, 크기 및 구성은 당업자에 의해 용이하게 변경될 수 있으며, 다양한 작동 조건에서 다양하게 적용될 수 있다. 그리하여, 홈에서 홈으로 연장 형성되는 비스듬한 구멍을 갖는 것도 가능하다. 보다 자세하게는 베어링 표면으로부터 베어링 표면까지 되고, 물론 홈은 또한 베어링 표면 반대쪽에 배열되어 질 수 있기 때문이다.
본 발명은 많은 방법으로 실시 될 수 있고, 존재하는 또는 주어진 조건에서 적용 될 수 있다. 그리하여 밀봉 링(19,19′)은 직사각형 형태를 갖도록 하는 것이 반드시 필요로 하는 것은 아니다. 밀봉 링을 엘(L)형태 또는 다른 교차부분을 구비하여 제공하는 것이 가능하고, 기하학적 또는 역학적 조건에 의해 밀봉 링의 최고로 가능한 적용을 할 수 있게 한다. 밀봉 링의 표면은, 반대 표면에 접촉의 경우의 손상을 피하기 위해, 클레딩, 커버링 또는 코팅을 구비한 두개의 베어링 영역에서 제공될 수 있다.
물론, 특히 적절하다면, 적어도 서로의 옆에 부분적으로 놓여 있는, 많은 수의 홈들을 구비한, 회전자(3) 및 밀봉 링(19)사이에서 베어링 표면을 제공하는 것이 가능하며, 이것은 특히 형성된 정압 베어링이 계속되는 베어링으로 디자인되지않고, 예를 들면, 부채꼴에 대응되는 많은 부분으로 구성될 때 이익이 될 수 있다. 홈의 회전은 반드시 원의 원호의 형태가 되는 것이 아니라, 소용돌이가 될 수 있다. 분할은 외부 물질 또는 먼지의 침투의 경우에 정압장치의 붕괴가 발생되지 않도록 하기 위하여 사용이 될 수 있다. 먼지가 들어오면, 밀봉표면의 기하학적으로, 또는 개별적으로, 정의되어진 부분들에서 압력물의 불충분한 공급이 발생 될 수 있으나, 이것은 밀봉 링(19) 위에서, 서로 독립적 부분으로 적절히 대응되게 서로 겹치게 되는 복수개의 베어링 부분을 제공 하는 것에 의해 보상 될 수 있다.
두개의 베어링에 압력 물 공급은, 본질적으로 실질적 베어링 영역으로부터 화살표를 따라 흐르며 따라서, 외부 물질이 좁은 베어링 간극(도2에서)의 영역으로 통과하지 못 하게 한다.
밀봉링(19)은 밀봉링 주위(압력 p1 주위)에서 간극 물의 압력에 의해서 발생되는 수직 압력은 요구되지 않으나, 어떤 상황하에서는, 작동 중지 또는 검사가 행해진 후, 터빈의 정지가 일어나는 경우에 소정의 위치에서 밀봉 링을 유지하기 위해서 약간의 압력을 위한 장치(스프링 또는 그와 같은 것)를 제공하는 것이 가능할 수 있다. 갑작스런 리프트-업(lift-off)은 마찬가지로, 예를 들면, 압력 물의 불충분한 압력의 경우에 밀봉 링을 위해 제공 될 수 있다.
도4는 본 발명의 바람직한 변형 실시예를 도시하고 있다. 도3과 본질적 차이는 두개의 홈(25″및 28″)을 구비한 정압 베어링이 환형의 스트립(23″) 및 밀봉링(19″)사이의 밀봉 영역에서 제공된다는 것이다. 상기의 경우에 홈(25″)은, 도2의 정압 베어링(25)에서의 경우와 유사한 방법으로, 밀봉 링(19″)및 환형의 스트립(23″)사이의 비접촉 장치를 위해 사용되며, 홈(28″)은 구멍(26″)의 수단에 의해, 밀봉 링(19″)및 회전자(3) 사이의 홈(27″)에 의해 정압 베어링에 압력 물의 이송을 하게 한다. 심지어 회전하는 밀봉 링의 경우에 있어서도, 분리된 이송선(21″및 22″)이 제공 될 때, 두개의 베어링(27″및 28″)에 서로 분리되어 압력 물을 제공하는 것이 가능하다.
도5의 또 다른 실시 예에서 밀봉 링(19″)은, 도 4 에서 넓게 도시된 홈(27″)대신에, 서로 소정 거리 이격되며, 구멍(26″)의 수단에 의해 홈(28″)으로부터 각각 독립적으로 연통되는 두개의 좁은 홈(27″)에 의해 제공된다. 회전자(3)위에서, 밀봉 링(19″)장치의 안정성은 결과적으로 더 증가된다.
두개의 베어링에서 압력-물 공급의 분리는, 두개의 간극 중에 하나의 높이에 변화가 있는 경우, 다른 간극(결과적으로 같은 높이를 갖는)에서의 압력은 실질적으로 도3에서 설명되어진 변화보다 더 작은 정도의 범위에 영향을 받는 결과를 가져오고, 이상적으로는 거의 영향을 받지 않는다. 이것은 대개 정압 장치의 안정성을 향상시킬 뿐 아니라 특히, 밀봉 링의 주기적 움직임을 감소시키거나 또는 움직임이 일어나는 것을 막을 수 있다.
상기 연결에서, 압력-물 공급은 간략하게 서술 될 수 있다. 어떤 환경 하에서, 공급 선(또는 약간 접해있는 선)중의 하나에서, 스루풋(throughput)에서의 상승이 있는 경우에, 흐르는 물은 근접해 있는 또는 다른 공급 선에 가능한 한 변화를 주지 않고 남아있게 하는 것이 필요로 되며 유용하게 된다. 그러나 이것은 당업자는 개개의 공급 선에서 대응되는 스로틀(throttles)의 제공 및/또는 교차부분의조정 또는 대응되는 크기의 수단에 의해 쉽게 결정 할 수 있다. 이 목적을 성취하기 위한 요인은, 수직의 실을 제공하기 위한 밀봉 링에서 제공되는 구멍의 교차부분이, (위에서 설명된 예 에서)압력 물의 흐름을 가능한 한 손실 없이 발생할 수 있도록 하는 것에 의해서 가능하다.
각각의 경우에 도면 4의 제2의 그림에서, 압력 도표는 밀봉 링(19″) 및 케이싱 사이에서 또는 밀봉 링(19″) 및 회전자(11) 사이에서의 밀봉 폭에 대해 설명되는데, 이 경우 p1은 밀봉 링의 상류에 퍼져있는 압력을 나타내고, p2는, 또한 참고 문헌인 도1에서 설명된 대로, 환형의 스트립(23″) 및 회전자 밑(11)사이에서 밀봉 링의 하류 압력을 나타낸다. 명백한 것은, 압력 도표는 홈(25″,28″및 27″)의 위치 및 크기에 의해 크게 영향받으며, 압력 p1에 관계하여 이런 도표의 위치는 공급 선(21″및 22″)에서 퍼져 있는 압력의 선택에 의해 크게 영향될 수 있다. 이는 당업자에게 자명하며 다양한 조건에서 적용할 수 있다.
마지막으로, 밀봉 링(19,19′,19″) 및 반대쪽에서 회전하는 요소들 사이의 베어링 표면 또는 베어링 표면들의 영역에서, 정압 장치에 부가하여 수력학적인 장치를 제공하기 위하여 서로 반대쪽에 위치해 있는 두개의 베어링 표면의 적어도 한면 위에서 수력학의 윤활 포켓을 제공하는 것이 가능하다.
도5는 방사상의 밀봉의 더 낮은 영역(홈28″)으로부터 나오는 구멍(26″)에 의해 축실이 제공되는 변형된 밀봉 링을 도시한다. 또한, 축 베어링은 각각 독립적으로 압력 물이 제공되는 두개의 홈(27″)을 가진다는 점에서 도4에서 도시된 것과는 다르다. 이 변화는, 물론 정압 압력이 두개의 홈 사이에서 같은 방식으로 만들어지므로, 베어링의 기능에 영향을 주지 않는다. 도5의 밀봉 링(19″)에서, 고리 모양의 폭 RB는 고리 모양의 높이 RH와 같지 않은 정방형의 교차 부분이 아닌, 본질적으로 직사각형의 모양을 가지며, 비대칭형의 어깨(29)는 케이싱과 회전자 사이의 간극의 위치에서 형성된다. 그것에 의하여, 밀봉링 위에서 작용하는(모멘트의 평형) 롤링-업 모멘트(rolling-up moments)를 보상하는 것이 가능하며, 롤링-업 모멘트에 의해 유도되는 밀봉 링의 변형을 감소시키는 것이 가능하다. 약 10 에서 350 마이크로미터의 높이를 갖는 베어링 간극의 견지에서, 상기의 변형은 가능한 한 피해져야만 한다.
도면에서, 밀봉 링(19,19′,19″) 및 케이싱(2) 사이의 밀봉은 항상 방사상 실로 설명되고, 밀봉 링 및 회전자(11) 사이의 실은 축실로 설명된다. 이것은 또한 반대가 될 수 있고, 케이싱의 측면에서 공급 선의 운영을 위해, 회전하는 밀봉 링을 구비한 이런 형태의 배열에서 압력 물이 밀봉 링에서 원심 가속도에 반대하여 전달 되어질 때 장점을 가질 수 있다.
밀봉 링(19,19′,19″)과 상호 작용하는 회전자 하측(11) 및 터빈 커버(2)의 그러한 표면들은, 통상적으로 정압 밀봉에 사용되는 물질들로 구성되고, 그리하여, 환형의 스트립(23)의 표면(24) 또는 런닝 트랙(running track)(17)의 표면은 강철(steel)또는 베어링 메탈로 구성될 수 있고, 밀봉 링(19)은 강철, 베어링 메탈, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로부터 형성될 수 있다. 물론, 적어도 플라스틱으로부터, 특히 강화 섬유 플라스틱(fibre-reinforced plastic) 또는 세라믹 물질로부터 밀봉 링을 제조하는 것이 가능하고, 많은 경우에 타당하다.
도2의 실시 예와 유사한 실시 예에서, 밀봉 링(19)에 정압 베어링의 양 홈을 제공하는 것과 압력-물선(22)을 없게 하는 것 및 실제적으로 함께 회전하는 밀봉 링(19′)의 변화에 상대물을 제공하는 것을 생각 할 수 있다. 밀봉링(19)은 다양한 방식에서 회전자 하측(11)을 구비하여 상호 회전하는 것에 대해 안전하게 될 수 있는데, 다양한 방법이란, 어깨 및 상대어깨의 수단에 의한 것과 또는 터빈 커버(12)위에서 밀봉 링이 일치되게 유연하고, 대칭 되는 서스펜션의 수단에 의해 서며, 터빈 축(7)에 횡단하는 평면에서 상기 서스펜스는 바람직하게 놓여 있는데, 이는 수직 방향으로 어떤 상당한 힘을 전달하지 않기 위함이며, 마찰에 의해 환형의 스트립(23)에 관해 밀봉 링의 수직 움직임을 방해하지 않기 위함이다.
본 발명은 프란시스 터빈의 영역에서 최고로 중요한 밀봉과 관련하여 논의되어 왔으나, 그 기술 분야에서 숙련된 기술자에게는 본 발명이 프란시스 터빈의 다른 밀봉 부분 및 모든 다른 펌프 또는 터빈과 같은 수력 터보머신 들에서 케이싱 및 회전자 사이의 모든 간극에 유용하게 적용 될 수 있다.
상세한 설명 및 청구 항은 압력 물 또는 베어링 물을 말하고 있으나, 특별한 사용 영역(예로, 음식 산업에서의 펌프)에서, 본 발명으로부터 벗어나는 것 없이 다른 액체가 물 대신에 사용 될 수 있다. 마침내, 정압 베어링이 홈 없이 디자인되는, 프란시스 터빈은 제외되더라도, 특별한 사용의 영역들이 파악 될 수 있다.

Claims (7)

  1. 회전자(3)의 주위 영역에는 회전자(3) 및 터빈 케이싱(2)에 대해 적어도 하나의 정압 베어링에 의해 각각 설치된 오버헝 밀봉 링(19, 19′,19″)이 마련되며,
    상기 정압 베어링은 서로 대향하는 베어링 표면으로 구성되며,
    베어링 표면에는 홈(25, 25″,27, 27″,28, 28″)이 바람직하게 가공되고,
    수압공급원에 연결 되어있는 수압선(21,21″,22,22″)은 상기 적어도 하나의 베어링 표면에서 끝나는 것을 특징으로 하는 터빈 케이싱(2)에 대한 수력터보 머신(1)의 회전자(3) 밀봉구조.
  2. 제1항에 있어서, 밀봉은 터빈 케이싱의 터빈 커버(12)의 환형의 스트립(23)의 방사상의 외면 벽(24)상의 터빈 케이싱(2)와 밀봉 링(19)사이에서 발생되는 것을 특징으로 하는 터빈 케이싱(2)에 대한 수력터보 머신(1)의 회전자(3) 밀봉구조.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 밀봉 링(19)은 터빈 케이싱(2)에 관한 회전에 대해 고정되며, 회전자(3)에 대향하는 베어링 표면(20)용의 적어도 한 개의 수압선(21)은 유연성이 있는 종류인것을 특징으로 하는 터빈 케이싱(2)에 대한 수력터보 머신(1)의 회전자(3) 밀봉구조.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 터빈 케이싱(2)에 관한 회전에대해 고정은 터빈의 회전 축(7)에 대하여 바람직하게 대칭되어지고 밀봉 링(19)이 놓여있는 터빈 축(7)에 수직되는 평면위에서 놓여지는 유연한 서스펜션(suspension)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 터빈 케이싱(2)에 대한 수력터보 머신(1)의 회전자(3) 밀봉구조.
  5. 제1항에 있어서, 압력-물 공급원에 연결되는 적어도 한 개의 수압선(22′,22″)은 케이싱(2) 및 밀봉 링(19′,19″)사이의 베어링 표면으로 나오며,
    밀봉 링(19′,19″)은 케이싱(2)의 반대쪽의 베어링 표면으로부터 회전자(11)의 반대쪽의 밀봉 링의 베어링 표면으로 안내하는 구멍(26,26″)을 구비하는 것을 특징으로 하는 터빈 케이싱(2)에 대한 수력터보 머신(1)의 회전자(3) 밀봉구조.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서, 서로 소정거리 이격되는 두 열의 수압선은 케이싱(2) 및 케이싱 에서의 밀봉 링(19″)사이의 베어링 표면으로 나오며,
    상기 열 중의 어느 하나는 밀봉 링(19″)에서 회전자(3)의 반대편에 있는 밀봉링(19″)의 베어링 표면으로 나오는 구멍(26″)의 반대쪽에 위치해 있는 것을 특징으로 하는 터빈 케이싱(2)에 대한 수력터보 머신(1)의 회전자(3) 밀봉구조.
  7. 제2항, 3항 및 6항중 어느 한 항에 있어서, 한편으로는 밀봉 링 및 회전자(3) 사이의 베어링용의 수압선(21, 21″)에, 다른 한편으로는 밀봉 링 및 케이싱(2) 사이의 베어링용의 수압선(22, 22″)에 압력 물이 제공되어지거나 또는 서로 독립적인 압력상에서 작용한는 것을 특징으로 하는 터빈 케이싱(2)에 대한 수력터보 머신(1)의 회전자(3) 밀봉구조.
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