KR20050016006A - 회전 시일 - Google Patents

Abstract

회전 시일은 서로 다른 재료들로 구성된 적어도 두개의 영역 (51, 52) 을 갖는 피스톤 링 (5) 을 포함하며, 제 1 영역 (51) 은 연질이며 쉽게 마모 가능한 재료로 만들어지며 제 2 영역 (52) 은 내크리프성 재료로 만들어진다.

서로 다른 재료들로 구성된 두개의 영역들로 나뉘어진 피스톤 링은, 요구되는 반경 방향의 프리스트레스 (Prestress) 를 영구적으로 유지 할 수 있음과 동시에 회전부와 피스톤 링 사이에 요구되는 그라인딩 인 (Grinding-in) 과정에 최적으로 도움을 준다는 이점을 가진다.

Description

회전 시일 {ROTATIONAL SEAL}

본 발명은 배기 가스 터보 과급기 분야에 관한 것이다.

본 발명은 특허 청구항 1 의 전문에 따른 회전 시일 및 특허 청구항 5 의 전문에 따른 피스톤 링에 관한 것이다. 본 발명은 또한 회전 시일을 구비한 터보 과급기에 관한 것이다.

터보 과급기에서 회전부들을 시일링하기 위해 상업적으로 이용 가능한 피스톤 링들은 성능의 증가 및 이와 관련된 열적 부하의 측면에 있어, 그의 샤프트 시일로서의 기능을 더 이상 완벽하게 수행하지 못한다.

피스톤 링들은 고정부와 하나 이상의 회전부 사이에 놓여지며, 가스 및/또는 오일의 시일로서 역활한다. 일반적으로, 터보 과급기가 설치되어질 때에, 피스톤 링은 반경 방향의 바깥쪽으로 프리스트레스를 받게 되며, 고정부에 움직임 가능하게 또한 시일 가능하게 연결된다. 운전 중에, 피스톤 링은 공기 또는 배기 가스의 높은 압력에 의해서 회전부의 방향으로 가압 된다. 결과적으로, 피스톤 링과 회전부 사이의 시일링 간극이 줄어듦으로써 요구된 시일링 작용이 얻어진다. 최소한의 시일링 간극으로 최적의 시일링 작용을 달성하기 위해서, 새롭게 설치된 피스톤 링은 회전부와의 마찰로 축 방향으로 연삭된다. 작동 중의 시일링 간극에서 제조 관련 치수 편차 (공차) 의 이롭지 못한 영향들은 그라인딩 인의 결과로 제거된다. 피스톤 링과 회전부 사이의 마찰로 인하여 피스톤 링은 높게 가열된다.

추가적으로, 터빈 측에서, 피스톤 링은 작동의 결과로 매우 높은 온도에 노출될 수 있다. 일반적으로는, 정상 상태 작동 중에 온도는 적당한 수준에서 비교적 일정하다. 그러나, 터보 과급기가 운전 정지되었을 때에, 현저한 재 가열이 일어난다면, 피스톤 링의 온도는 프리스트레스의 손실에 대해 치명적인 범위에 도달할 것이다. 특히 비상 정지의 상황에 있어서, 냉각 조치가 배제되어 진다면 최고 온도가 종종 매우 높게 된다.

만약 피스톤 링이 너무 뜨거워지면, 반경 방향 프리스트레스는 소멸되고, 피스톤 링은 더 이상 고정부에 대해 시일링 작용을 하지 못하게 된다. 이는 재료의 종류에 따라, 심지어 350°C 의 온도에서도 일어날 수 있다. 더욱이 응력이 완화된 피스톤 링은 회전부와 함께 회전할 수 있으며, 그 결과 비정상적으로 마모되며, 최악에는 파손된다. 손상된 피스톤 링들은 터보 과급기에서 심각한 작동 오류를 초래할 수 있다.

일반적인 피스톤 링용 재료의 선택에 있어, 가능한 한 최적의 시일 상태를 달성하고, 그라인딩 인 과정이 잘 이루어지도록 하기 위해서, 한편으로, 가능한 한 연질인 재료를 사용한다. 다른 한편으로는, 낮은 열적 부하에서도 프리스트레스가 저하되지 않도록 가능한 한 내크리프성과 내열성이 있는 재료를 사용해야 한다. 그러나, 연질과 내크리프성은 상충되는 것은 아니지만 양립하기 힘든 재료 특성이다. 따라서 이러한 재료의 선택에서, 절충이 반드시 이루어져야 하며, 어느 한 특성을 양보해야 한다.

US 3,099,453 은 피스톤 링 및 이에 고정된 제 2 링으로, 고정 하우징에 대해 회전 요소를 시일링 하기 위한 회전 시일을 개시하고 있으며, 피스톤 링에 고정된 제 2 링은 마찰 접촉으로 두 요소 중의 하나에 대해 연삭되게 된다. 피스톤 링에 고정된 링은 그라인딩 다운 과정에 도움을 주는 연질 재료로 만들어 졌다. 시일링은 회전 요소에 대하여, 피스톤 링 및 이에 고정된 제 2 링을 축 방향으로 가압하는 스프링에 의해 이루어진다.

EP 1 130 220 A2 은 회전부에 대한 마찰의 결과로 축 방향으로 연삭된 피스톤 링으로, 고정 하우징에 대해 회전부를 시일링 하는 회전 시일을 개시하고 있다. 피스톤 링이 지나치게 연삭되는 것을 방지하기 위해, 피스톤 링의 축 방향 변위를 제한하는 스탑이 하우징에 제공되어 있다.

본 발명의 목적은, 결과적으로, 심지어 높은 열적 부하에서도 완전하게 샤프트 시일링을 보장하는, 서두에 언급한 종류의 회전 시일 및 피스톤 링을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 본 발명의 특허 청구항 1 과 5 의 특징적 구성에 따라 달성된다.

본 발명에 따른 회전 시일은 서로 다른 재료로 구성된 둘 이상의 영역들을 갖는 피스톤 링을 포함하며, 회전 요소와 상호 작용하는 접촉면을 갖는 제 1 영역은, 피스톤 링과 제 1 요소 사이에 그라인딩 인 과정을 최적으로 도와주기 위하여, 연질이고 쉽게 마모되는 재료로 만들어지며, 제 2 영역은 반경 방향 프리스트레스를 영구적으로 유지하기 위해 내크리프성 재료로 만들어진다.

서로 다른 재료들로 된 두개의 영역들로 나뉘어진 피스톤 링은, 내크리프성이 큰 재료로 구성된 영역이 있기 때문에, 필요한 반경 방향 프리스트레스를 영구적으로 유지할 수 있으며, 동시에, 연질이고 마모될 수 있는 재료로 구성된 영역은, 피스톤 링과 회전부 사이의 원하는 그라인딩 인 과정에 최적의 도움을 주는 이점을 가진다. 따라서, 재료 선택에서의 상기 절충은 무의미하게 된다.

본 발명에 따른 회전 시일에서, 피스톤 링의 축 방향 변위를 제한하는 스탑이 제공된다. 이러한 구성으로 그라인딩 인 과정의 동안에 피스톤 링의 그라인딩 인 깊이를 제어할 수 있다. 이 경우에 마모 가능 영역은 유리하게, 피스톤 링의 스탑 까지의 최대 변위 이상인 두께를 가진다.

본 발명에 따른 피스톤 링에서, 연질의 제 1 영역은 링 모양으로 되어 있으며, 각 경우 적어도 한 면에서 높은 내크리프성의 제 2 영역에 의해 축 방향과 반경 방향으로 둘러싸인다. 이러한 구성으로, 연질 영역이 작동 중에 보다 단단한 내크리프성 영역으로부터 반경 방향으로 밀리는 것이 방지된다.

다른 이점들은 청구 범위의 종속 항들에 나타나 있다.

발명의 예시적인 실시 형태는 첨부 도면을 참조로 더욱 자세히 설명하도록 한다. 모든 도면들에서 동일하게 작용하는 요소에 같은 참조 부호가 주어졌다.

도 1 은 터보 과급기의 일부분을 도시적으로 보여준다. 회전 가능하게 설치된 샤프트 (3) 에 고정된 압축기 휠 (1) 은 좌측에 있다. 그리고 샤프트는 우측의 터빈 휠 (2) 에 연결되어 있다. 터빈 휠은 블레이드 (도시 안됨) 를 포함하며, 터빈 휠은 이 블레이드를 통해 배기가스 유동으로 구동된다. 압축기 휠도 블레이드 (도시 안됨) 를 포함한다.

도시되지 않은 액시얼 베어링과 레이디얼 베어링은, 압축기 휠과 터빈 휠 사이의 영역에 배열되어 있다. 이러한 목적으로, 압축기 휠의 축방향의 스탑과 샤프트의 축방향의 스탑 사이에 임의의 수의 부품들이 클램핑될 수 있으며, 이 부품은 작동시 샤프트와 함께 회전하며 시일링 및/또는 베어링 기능을 갖는다.

두 휠 각각의 뒤쪽에는 비회전 하우징 (4) 이 있는데, 이 하우징 부는 베어링 영역에 대하여 열 발생 및 유동 덕트 내의 압력을 차단시킨다. 높은 압력이 베어링 영역으로 유입되지 못하게 하기 위해, 또한 비회전 하우징의 베어링 영역에서 윤활유가 누출되지 않도록, 하우징 (4) 및 샤프트와 함께 회전하는 상기 부품 사이에는 대응하는 회전 시일이 제공되어 있다.

터빈측 시일이 도 2 와 3 에 도시적으로 도시되어 있다. 각각의 경우에 피스톤 링 (5) 을 위한 주변 홈 (22) 이 형성된 터빈 휠 (2) 의 부분은 아래쪽에 도시되어 있다. 하우징 (4) 은 터빈 휠의 반경 방향 외측에 배열된다. 홈 (22) 의 압축기측 벽은, 시일링을 위해 밀봉 링 (5) 의 대응 접촉면과 함께 작용하는 접촉면 (21) 으로서의 역할을 한다.

피스톤 링 (5) 은, 설치 될 때, 홈 (22) 안으로 삽입된다. 그 후에, 터빈 휠 (2) 은 오른쪽에서 축 방향으로 하우징 (4) 안으로 밀어 넣어 진다. 이러한 경우, 하우징은 하나 이상의 지점 (42) 또는 다른 지점에서 진입로를 따라 연속적으로 좁아지기 때문에, 피스톤 링은 반경 방향 프리스트레스를 받게 된다. 이러한 목적으로, 도 5 에서 보여진 바와 같이, 피스톤 링은 유리하게도 틈 (53) 을 갖고 있으며, 대응하는 반경 방향 프리스트레스를 발생시키는 스프링으로 되어 있다. 피스톤 링은 하우징 (4) 의 내부를 따라 축 방향으로 밀어 넣어 진다. 이 경우 피스톤 링은, 홈 (22) 에 꽉 끼이지 않고, 축 방향으로 십분의 수 mm 까지의 간극을 가진다.

도 4 에 도시적으로 도시된 압축기측 시일에서, 피스톤 링 (5) 은 회전 샤프트에 연결된 압축기 휠 (1) 과 비회전 하우징 (4) 사이의 천이 영역에 배열된다. 압축기 휠과 샤프트의 축방향 스탑 사이에는, 확고히 클램핑된 함께 회전하는 부분 (6), 예컨대 베어링부 또는 시일링 디스크가 있다.

설치 될 때, 피스톤 링 (5) 은 왼쪽에서 축 방향으로 하우징 (4) 안으로 밀어 넣어 진다. 이러한 경우, 하우징은 하나 이상의 지점 (42) 또는 다른 지점에서 진입로를 따라 연속적으로 좁아지기 때문에, 피스톤 링은 반경 방향 프리스트레스를 받게 된다. 이러한 목적으로, 상기 피스톤 링 또한 유리하게도 스프링 링으로 되어있다. 계속해서, 압축기 휠은 하우징 부분 (4) 안으로 밀어 넣어 져서 샤프트에 고정된다. 이 경우에, 피스톤 링은 하우징 (4) 의 내부를 따라 축 방향 스탑 (12) 을 통해 축 방향으로 밀리어, 설치 작업의 끝에서 최종적으로 압축기 휠의 축방향 스탑과 시일링 디스크 (6) 사이에 배열된다. 이 경우에 피스톤 링은 꽉 끼이지 않고, 축 방향으로 십분의 수 mm 까지의 간극을 가진다. 시일링 디스크 (6) 는, 밀폐를 위해 밀봉 링 (5) 의 대응 접촉면과 함께 작용하는 접촉면 (61) 을 갖고 있다.

새롭게 설치된 피스톤 링이 처음으로 작동될 때, 마찰로 인한 재료의 마모가, 서로에 대해 회전하는 접촉면들의 접촉 영역에서 상기 기술된 그라인딩 인 과정 중에 일어난다. 이러한 경우, 오직 한번의 그라인딩 인 과정 동안에, 피스톤 링 (5) 은 도 3 에서 화살표로 나타낸 바와 같이 고압에 의해 홈의 회전 접촉면 (21) 또는 시일링 디스크의 접촉면 (61) 에 가압되어 연삭 숫돌에 의한 방식과 동일하게 연삭된다.

그라인딩 인 과정이 끝난 후에 피스톤 링이 너무 깊이 연삭되거나 또는 심지어 연속적인 작동 중에 마모되는 것을 방지하기 위하여, 축 방향 스탑 (41) 이 하우징 (4) 에 제공된다. 이 축 방향 스탑은 피스톤 링의 축 방향 변위를 제한한다. 그러므로 터보 과급기가 작동 상태에 있을 때, 시일링을 위해 협동하는 접촉면들의 영역에서는 축 방향으로 힘 전달이 기본적으로 일어나지 않는다. 화살표 방향으로 피스톤 링에 작용되는 힘은 축 방향의 스탑 (41) 에 의해서 상쇄된다.

마모 가능 영역 (51) 의 연질 재료만이 그라인딩 인 중에 마멸될 수 있도록, 마모 가능 층에 대해 주어진 축 방향 범위 (a) 는, 축 방향 스탑 (41) 에 의해 한정되어진 피스톤 링의 최대 변위 (b) 보다 크다. 이렇게 해서, 피스톤 링 (52) 의 경질 본체와 접촉면 (21 또는 61) 사이의 마찰로 인한 원치 않는 고열이 발생하지 않게 된다.

본 발명에 따르면, 도 5 와 6 에 자세히 도시된 피스톤 링 (5) 은, 서로 다른 재료로 만들어진 두개의 영역 (51) 과 (52) 를 포함한다. 도 6 a 는 터보 과급기가 처음 작동되기 전과 이와 관련된 그라인딩 인 과정 전의 피스톤 링을 보여주며, 그라인딩 인 후의 피스톤 링은 도 6 b 에 도시되어있다. 이와 같은 경우에, 제 1 영역의 부분 (54) 이 연삭됨을 분명히 볼 수 있다.

시일링 디스크의 접촉면 (61) 또는 홈의 접촉면 (21) 과 상호 작용하는, 접촉면이 있는 마모 가능 영역 (51) 은 쉽게 마멸될 수 있는 연질 재료 재질, 예를 들면 니켈/흑연 합금으로 만들어진다. 피스톤 링의 본체를 형성하는 제 2 영역 (52) 의 재료는 예컨대 인코넬 (Inconel) 과 같은, 보다 단단하나, 내크리프성이 높은 재료이다. 높은 내크리프성의 재료는 심지어 높은 온도에서도 탄성을 잃지 않는 특성을 갖는다. 따라서, 프리스트레스를 제공하는 스프링력이 재료에 따라 600°C 까지의 온도에서도 유지될 수 있다.

피스톤 링의 축방향 폭이 예를 들어 2.5 ~ 3.0 mm 인 경우, 마모 가능 층의 두께는 0.5 ~ 0.7 mm 로 하면 충분하다. 상기 그라인딩 인 과정에서, 단지 적은 양의 열만 발생하면서, 그래서 충분한 연질의 재료는 원하는 최적의 갭 시일링을 이루기 위해 마모될 수 있다.

피스톤 링의 제작시, 먼저 피스톤 링의 본체 (52) 를 예를 들어 선반으로 선삭 가공하는 것이 바람직하다. 그 후, 마모 가능 층 (51) 은, 예컨대 화염 용사 (Flame-sprayed) 로 코팅된다. 마모 가능 영역을 위한 오목한 부분은 미리 피스톤 링의 본체에 형성될 수 있다. 유리하게도, 마모 가능 영역 (51) 의 반경 방향 외측에는 보다 단단한, 내크리프성 재료가 있다. 이 재료는 작동 중에 연질의 마모 가능 층이 변형되어, 반경 방향의 바깥쪽으로 눌려지는 상황을 방지하는 것을 가능하게 해준다. 더욱이 결과적으로, 코팅의 형성 동안에 의도된 영역의 바깥쪽에 재료가 부착되는 것이 보다 효과적으로 방지될 수 있다.

예컨대 복수의 회전부가 시일링될 때, 또는 한 회전 부에 서로 별개이면서 피스톤 링과 상호 작용하는 복수의 접촉면들이 있을 때, 본 발명에 따른 피스톤 링에 복수의 마모가능 영역을 둘 수 있다.

만약 터보 과급기에 대한 요구조건이 허용한다면, 본 발명에 따른 피스톤 링은 한쪽에만 예컨대 터빈 측에만 사용하고, 다른 쪽은 통상적인 피스톤 링으로 시일링 할 수 있다.

전술한 바와 같은 구성의 회전 시일과 피스톤 링으로, 심지어 높은 열적 부하에서도 완전하게 샤프트 시일링을 보장할 수 있다.

도 1 은 회전 부와 고정 하우징 사이에 배열된 두개의 회전 시일을 가진 터보 과급기를 나타낸 도면.

도 2 는 그라인딩 인 과정 실시 전의 본 발명에 따라 구성된 도 1 에 따른 터빈 측 회전 시일의 확대도.

도 3 은 그라인딩 인 과정이 끝난 후, 작동중의 상태에 있는 도 2 에 따른 회전 시일의 확대도.

도 4 는 그라인딩 인 과정이 끝난 후, 작동중의 상태에 있는 본 발명에 따라 구성된 도 1 에 따른 압축기 측 회전 시일의 확대도.

도 5 는 도 1 에 따른 회전 시일의 한 피스톤 링을 보여주는 도면.

도 6 은 도 5 에 따른 피스톤 링에서 V-V 선을 따라 취한 단면도로,

a) 는 그라인딩 인 과정의 실시 전 이고,

b) 는 그라인딩 인 과정이 끝난 작동 중의 상태를 나타낸 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명.

1: 압축기 휠 11: 반경 방향 홈

12: 축 방향 스탑 (Stop) 2: 터빈 휠

21: 접촉면, 마모 가능 영역 22: 반경 방향 홈

3: 샤프트 4: 하우징

41: 축 방향 스탑 42: 반경 방향 축소부

5: 피스톤 링 51: 마모 가능 영역

52: 내크리프성 영역 53: 환상 틈

54: 연삭 영역 6: 시일링 디스크

61: 접촉면, 마모 가능 영역 a: 마모 가능 영역의 두께

b: 피스톤 링의 최대 변위

Claims (9)

1. 반경 방향 프리스트레스가 가해진 피스톤 링 (5) 및 이 피스톤 링으로 시일링 되는 두개 이상의 요소 (2, 4, 6) 를 포함하며, 상기 요소들은 피스톤 링과 시일링 접촉하는 접촉면 (21, 61) 을 가지며, 하나 이상의 제 1 요소 (2, 6) 와 피스톤 링은 서로에 대해 회전하고, 제 1 요소의 접촉면 (21, 61) 은 대응하는 피스톤 링의 제 1 접촉면과 함께 시일링 작용을 하며, 피스톤 링은 다른 재료로 구성된 둘 이상의 영역 (51, 52) 을 포함하며, 제 1 요소 (2, 6) 의 접촉면 (51) 과 함께 작용하는 제 1 접촉면은, 제 1 영역 (51) 에 배치되어 있으며, 상기 제 1 영역 (51) 은 피스톤 링과 제 1 요소 사이에서 요구되는 그라인딩 인 과정을 최적으로 도와주기 위하여, 연질이고 쉽게 마모되는 재료로 만들어지며, 제 2 영역 (52) 은 반경 방향 프리스트레스를 영구적으로 유지하기 위해 내크리프성 재료로 만들어짐을 특징으로 하는 회전 시일.
2. 제 1 항에 있어서, 제 2 요소 (4) 의 접촉면은 대응하는 피스톤 링의 제 2 접촉면과 함께 시일링 작용을 하며, 피스톤 링은 프리스트레스를 받아 제 2 요소의 접촉면에 가압되며, 피스톤 링의 제 1 접촉면과 제 1 요소의 접촉면 (21, 61) 간의 마찰의 결과로 피스톤 링의 제 1 영역이 적어도 부분적으로 마모될 때 피스톤 링은 제 1 요소의 접촉면의 방향으로 제 2 요소의 접촉면을 따라 변위 가능한 것을 특징으로 하는 회전 시일.
3. 제 2 항에 있어서, 제 1 요소의 접촉면의 방향으로 피스톤 링의 변위는 스탑 (41) 에 의해 제한되며, 피스톤 링 (51) 의 제 1 영역은, 제 1 요소의 접촉면의 방향으로 스탑에 의해 제한된 피스톤 링의 최대 변위 (b) 와 적어도 같은 변위 방향 두께 (a) 를 가짐을 특징으로 하는 회전 시일.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 요소들이 피스톤 링에 대하여 회전 가능하게 배열되며, 피스톤 링은 쉽게 마모되는 연질 재료로 이루어진 복수의 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 시일.
5. 서로에 대해 회전하는 둘 이상의 요소들을 시일링하기 위한 피스톤 링으로서, 이 피스톤 링은, 상기 요소들 중 제 1 요소의 접촉면과 함께 시일링 작용을 하는 제 1 접촉면 및 제 2 요소의 접촉면과 함께 시일링 작용을 하는 제 2 접촉면을 가지며, 피스톤 링은 요소들 중 하나와 함께 시일링 작용을 하기 위하여 반경 방향 스트레스를 받을 수 있으며, 피스톤 링은 다른 재료로 구성된 둘 이상의 영역 (51, 52) 을 포함하며, 제 1 접촉면은 제 1 영역 (51) 에 배치되는 상기 피스톤 링에 있어서,

   상기 제 1 영역 (51) 은 피스톤 링과 제 1 요소 사이에서 요구되는 그라인딩 인 과정을 최적으로 도와주기 위하여, 연질이고 쉽게 마모되는 재료로 만들어지며, 제 2 영역 (52) 은 반경 방향 프리스트레스를 영구적으로 유지하기 위해 내크리프성 재료로 만들어짐을 특징으로 하는 피스톤 링.
6. 제 5 항에 있어서, 연질이며 쉽게 마모되는 재료로 구성된 복수의 제 1 영역들을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 하나 이상의 제 1 영역 (51) 은 환상으로 되어 있으며, 제 2 영역 (52) 이 적어도 한 쪽에서 제 1 영역을 축 방향과 반경 방향으로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 제 1 영역 (51) 과 제 2 영역 (52) 은 서로 단단히 연결되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
9. 터빈 휠 (2) 및 회전 샤프트 (3) 를 통해 상기 터빈 휠에 연결된 압축기 휠 (1) 을 하우징 안에 내장하고 있는 터보 과급기에 있어서,

   상기 샤프트 (3) 는 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 시일에 의해 압축기 휠 및/또는 터빈 휠의 영역에 있는 고정 하우징에 대해 시일링 되는 것을 특징으로 하는 터보 과급기.