KR20080029772A - 펌핑하고자 하는 유체에 잠기는 전기 모터를 구비한 펌프 - Google Patents

Abstract

펌핑하고자 하는 유체에 잠기는 전기 모터를 갖는 펌프이다.

펌프 내의 유체 보조 순환을 위한 회로는 그 펌프의 특정 부분들의 냉각 및 축선 방향 균형을 위한 것이다.

펌프는 유체 축선 방향 균형 시스템(60)을 갖는 원심 영역(28)을 포함하며, 그러한 균형 시스템의 공급 회로는 모터(16) 및/또는 구름 베어링(38)과 같은 펌프의 특정 요소들의 냉각회로들 또는 각 냉각회로(90, 50, 48, 52, 86)로부터 독립적이다.

Description

펌핑하고자 하는 유체에 잠기는 전기 모터를 구비한 펌프{Pump with electric motor, immersed in the fluid to be pumped}

본 발명은, 전기 모터를 포함하며, 그 전기 모터가 펌핑하고자 하는 유체에 완전히 잠기는 펌프에 관한 것이다. 예컨대, 이러한 종류의 펌프는 예를 들면, 액화천연가스와 같은 저온 액체 펌핑하는데 이용되며, 여기에서, 상기 액체는 펌프의 특정 요소들, 특히, 전기 모터를 냉각시키는 유체로 이용되며, 또한, 회전하는 부분들의 동력학적인 축선 방향 균형을 위해 이용된다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 그와 같은 작동이 수행되는 것을 허용하는 유체의 보조 순환용 회로들의 새로운 배치에 관한 것이다.

케이싱의 하부에 위치한 흡입 스테이지(suction stage)가 동일 케이싱 내에 수용된 전기 구동 모터 옆에 놓이는 펌프의 한 종류가 공지되어 있다. 상기 케이싱은 펌핑하고자 하는 유체 내로 넣어지도록 설계된다. 예컨대, 이러한 종류의 펌프는 탱크 내에 담긴 액화천연가스의 펌핑에 이용될 수 있다. 그 펌프는 탱크의 바닥에 대해 대략 수직 아래쪽으로 액화천연가스 내에 잠기는 것이 바람직하다. 이러한 종류의 펌프는 예를 들면 미국특허 US3,652,186호에서 설명된다. 전기모터와 흡입 스테이지의 공통 축은 구름 베어링들에 의해 지지된다.

흡입 스테이지는 축과 연결된 원심 휠에 의해 구동되며, 상기 원심 휠의 구조는 축선 방향 균형 시스템을 형성하기 위해 이용되되, 그 축선 방향 균형 시스템은 원심 휠과 케이싱 사이에 제공되는, 펌핑하고자 하는 실제 유체의 유체 순환 회로에 의해 구획 형성되는 것이다. 그러한 균형 시스템은 작동하는 동안 기구적인 구름 베어링들을 돕는다. 그에 따라, 펌핑하고자 하는 유체의 소량이 균형 시스템에 공급되도록 이동한다.

또한, 펌프의 특정 요소들, 특히, 전기 모터와, 적어도 하나의 기구적인 구름 베어링, 그 중에서도, 유체 균형 시스템 근처에 위치한 주 구름 베어링을 냉각시키기도록, 펌핑하고자 하는 유체를 이동시키는 기술이 공지되어 있다.

펌프는, 어떠한 위치에서도 작동할 수 있지만, 바닥에 흡입 스테이지가 있게 수직으로 배치되도록 설계된다.

명세서의 나머지 부분에서, 하나의 요소의 다른 요소에 대한 위치를 명확하게 하기 위해, 단어 "원심 휠" 또는 "하부"가 사용될 것이다.

본 발명은 펌프 내 유체의 내부 보조 순환을 최적화하는 것을 제안하여, 균형 시스템의 성능 수준과 냉각 분류의 성능 수준을 향상시킨다.

따라서, 본 발명은, 주로 펌핑하고자 하는 유체에 잠기는 전기 모터 펌프에 관한 것으로, 케이싱과, 제 1 구름 베어링과, 축선 방향 균형 시스템을 포함하며, 상기 케이싱은, 상기 유체 내에 넣어지도록 되어 있고, 적어도 하나의 원심 휠을 일측에 상기 원심 휠 위에 놓이는 동일 축선의 전기 모터를 타측에 수용하며, 상기 전기 모터는 상기 케이싱과 일체인 스테이터와 상기 원심 휠에 연결된 축과 일체인 로터를 포함하며, 상기 축과 상기 케이싱 사이에 상기 제 1 구름 베어링이 장착되되, 상기 제 1 구름 베어링은 상기 원심 휠과 상기 모터 사이에 설치되며, 상기 축선 방향 균형 시스템은 상기 원심 휠과 상기 케이싱 사이에 제공되는 유체 순환 회로에 의해 구획 형성되되, 상기 펌프는, 특히, 상기 전기 모터 및/또는 상기 제 1 구름 베어링을 위한 적어도 하나의 유체 냉각 회로를 포함하며, 상기 축선 방향 균형 시스템의 공급 회로는 상기 적어도 하나의 냉각회로 또는 각 냉각회로로부터 독립적인 것을 특징으로 한다.

이러한 조건 하에서, 각 작동(동력학적인 균형 및 냉각)에 유용한 최대 압력과 최소 온도가 존재한다. 이러한 두 결합되는 조건들이 냉각 회로들 및 축선 방향 균형 시스템의 효과적인 작동을 위해 중요한 것임을 알게 되었다. 또한, 본 발명은 앞에서 명확히 밝힌 보조 회로 내 순환 유체의 내부 증발(캐비테이션)의 위험성 제거할 수 있다.

더욱이, 상기 펌프 내에 다양한 유체 순환 보조 회로들을 설치하기가 용이하다.

유리하게는, 전기 모터의 유체 냉각 회로가 그 전기 모터의 에어 갭을 통과한다.

일 실시예에 따라, 전기 모터는 (상기 제 1 구름 베어링과 전기 모터 사이의) 하부 챔버와 상기 전기 모터 위의 상부 챔버를 내측에 구획 형성하는 상기 케이싱의 내부 재킷 내에 설치된다. 상기 전기 모터의 냉각 회로는, 상기 내부 재킷의 벽 내부에 형성되어 상기 원심 휠의 배출 도관 하류와 상기 하부 챔버 사이에 교통로를 형성하는 입구 오리피스들을 포함한다. 유체가 저장되는 저장소 내로 냉각에 이용되는 유체가 재유입되도록, 상기 상부 챔버와 교통하는 적어도 하나의 방출 도관이 제공된다.

축선 방향 균형 시스템은, 케이싱과 상기 원심 휠의 하부 (전방)면 사이에 구획 형성된 고압 유동 공간과, 상기 케이싱과 상기 원심 휠의 원심 휠 (후방)면 사이에 구획 형성된 저압 유동 공간을 포함하며, 상기 저압 유동 공간은 축선 방향의 가변성 유동 제한부를 형성하는 환형 통로에 의해 반경 방향 내측으로 한정된다. (유체압이 저압인) 상기 원심 휠의 입구와 환형 방출 공간 사이의 상기 원심 휠 내에는 재주입 채널들이 제공된다. 상기 환형 방출 공간은 상기 가변성 유동 제한부를 형성하는 상기 환형 통로에 대해 반경 방향 내측으로 상기 축 주위에 구획 형성된다.

본 발명의 원리에 따른 이하의 펌프에 대한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 오로지 예시의 방식으로 제공되며, 그러한 설명을 견지하면, 본 발명이 보다 잘 이해될 것이며, 본 발명의 이점들이 보다 명확해질 것이다.

첨부된 도면은 단일 도면으로서, 본 발명에 따른 펌프의 정단면도를 도시한 다.

예시된 펌프는 흡입 스테이지(14)와 전기 모터(16)를 수용하는 대략 원통형의 케이싱(12)을 포함한다. 상기 모터는 상기 케이싱과 일체인 스테이터(18)와 구동 축(22)을 구비한 로터(20)를 포함하며, 그 구동 축(22)의 축선은 흡입 스테이지의 축선과 일치한다. 축(22)은 대부분이 이하에서 임펠러(26)로 지칭되는 아르키메데스의 스크류 드라이버 유닛(Archimedes' screw driver unit)을 포함하는 흡입 스테이지에 기구적으로 연결된다. 흡입 스테이지는 페르 세(per se)로 알려진 원심 휠(28) 옆에 놓인다. 디퓨저(diffuser; 30)는, 그것의 고정 브레이드(fixed blade; 31)들이 케이싱과 일체를 이루며, 임펠러(26)와 원심 휠(28) 사이에 동일 축선을 갖도록 설치된다. 일반 작동 조건 하에서, 펌프는, 적어도 거의 수직으로 배치되도록 그리고 펌핑하고자 하는 유체 내에 잠기도록 설계되며, 임펠러 근처의 케이싱 단부(34)는 바닥 부분에 배치된다. 펌핑 입구(35)는 하부 단부(34) 주변에 구획 형성된다. 이러한 조건 하에서, 즉, 수직으로 세워진 상기 펌프를 바라보면, 케이싱 내에서는, 바닥으로부터 상단까지, 임펠러(26), 디퓨저(diffuser; 30), 원심 휠(28) 그리고 축(22)을 구동하는 전기 모터(16)가 연속적으로 발견된다. 이러한 축 및 그것과 일체를 이루는 펌프의 회전 부분들은, 동일 축선을 갖고서 모터의 양측에 떨어져 배치된 두개의 구름 볼 베어링들에 의해 지지된다: 제 1의 주 구름 베어링(38)은, 흡입 스테이지(14)와 전기 모터(16) 사이, 보다 정확하게는, 원심 휠(28)의 바로 위에 위치되며, 제 2 구름 베어링(40)은 모터 위에 위치된다. 각 구름 베어링에 있어, 내부 케이지(inner cage)는 축에 고정되는데 반해, 외부 케이 지(outer cage)는 케이싱(12) 내 구멍 내로 슬라이딩 되도록 장착됨으로써, 펌프의 모든 회전 요소들은 축의 길이 방향으로 이동할 수 있다.

상기 제 1 구름 베어링(38)은 모터로부터 흡입 스테이지를 분리하는 케이싱의 횡벽(44)의 중앙에 설치된다. 전기 모터의 스테이터(stator)는 케이싱의 내부 재킷(inner jacket; 46)과 일체를 이루되 그 재킷이 상기 축과 동일 축선을 가짐으로써, 로터의 외측과 스테이터의 내측 사이에 구획 형성되는 모터의 에어 갭(air gap; 48)은, (상기 제 1 구름 베어링과 상기 모터의 하부 단부 사이로 연장된) 상기 내부 재킷의 하부 챔버(50)와, 상기 모터와 상기 제 2 구름 베어링 사이로 연장된 상기 내부 재킷의 상부 챔버(52) 사이에 교통로를 형성한다.

원심 휠(28)의 출구(56)와 교통하는 환형의 도관(54)은, 상기 내부 재킷(46) 주위로 연장되며, 그 하부에서는 도관(58) 내로 열려 펌핑하고자 하는 유체를 배출한다.

원심 휠과 케이싱 사이에는 펌핑하고자 하는 유체의 순환을 위한 이중 회로에 의해 구획 형성되는 동력학적인 균형 시스템(60)이 제공된다. 이러한 균형 시스템은, 케이싱과 원심 휠의 하부면 사이에 구획 형성되는 고압 유동 공간(62)과, 상기 케이싱(보다 구체적으로는, 상기 제 1 구름 베어링이 장착되는 상기 횡벽(44))과 상기 원심 휠의 상부면 사이에 구획 형성되는 저압 유동 공간(64)을 포함한다.

상기 케이싱과 상기 하부면 사이에 구획 형성된 고압 유동 공간(62)은 원심 휠의 고압 출구(56)와 그 원심 휠의 저압 입구(66) 사이에서 환형으로 연장된다. 그러한 고압 유동 공간의 반경 방향 최내측 단부와 상기 저압 입구 사이에는 제 1 래버린스 씰(labyrinth seal; 68)(또는 그와 유사하게 대응하는 유동 제한부)이 제공된다. 고압 유동 공간의 입구는 유동 제한부 없이 원심 휠의 실제 출구에 위치된다.

상기 케이싱의 횡벽(44)과 상기 원심 휠의 상부면 사이에 구획 형성된 저압 유동 공간(64)은 (원심 휠의 고압 출구와 함께 조정된 교통로를 형성하는) 제 2 래버린스 씰(70)과 상기 제 2 래버린스 씰(70)에 대해 반경 방향 내측으로 구획 형성된 채 가변성 유동 제한부를 형성하는 환형 통로(72) 사이로 환형으로 연장된다.

환형 통로는 상호 대면하는 두개의 동일 축선을 갖는 환형 리브들 사이에 형성된다: 그 리브들은 상기 원심 휠의 상부면으로부터 돌출한 리브(74)와 상기 제 1 구름 베어링을 구비하는 상기 케이싱의 횡벽으로부터 돌출한 리브(76)이다. 원심 휠에 고정된 축이 길이 방향으로 제한된 범위 내에서 이동 가능하다는 앞서 간략히 언급한 것과 같은 사실로 인해, 상기 환형 통로는 가변성 유동 제한부를 형성한다.

환형 통로(72)에 대한 반경방향 내측으로, 즉, 상기 통로와 축 사이로 환형 방출 공간(78)이 구획 형성된다. 상기 공간은 원심 휠에 제공된 재주입 채널(80)을 통해 그 원심 휠의 저압 입구(66)와 교통한다. 따라서, 상기 환형 방출 공간은 실질적으로 항상 상기 원심 휠의 입구에서 우세한 저압 상태이다.

축선 방향 균형 시스템은 다음과 같이 작동한다:

정지시에는, 축에 연결된 모든 회전 요소들의 집단이 환형 통로(72)를 최대 크기로 연다.

작동 중에는, 고압 유동 공간(62) 및 저압 유동 공간(64)에 대한 래버린스 씰들(67, 70)의 해당 위치들은 원심 휠 상에 상승력을 발생시키고, 그에 따라, 축에 연결된 모든 회전 요소들 상에 상승력을 발생시킨다. 이러한 상승력은 환형 통로(72)의 개방도를 감소시키게 되며, 역으로, 그 상승력은 저압 유동 공간(64) 내의 압력을 증가시킴으로써 윈심휠을 아래로 후퇴 구동시킨다.

균형이 이루어지면, 그 균형은 구름 베어링(38)의 축선 방향 부하를 경감하며, 그대로이던 두개의 환형 리브(rib)들은 조정 효과를 일으키는 가변 거리 만큼 서로 떨어져 배치된다.

더욱이, 상기 제 2 구름 베어링(40)은, 축의 상부단을 유지하고, 축선 방향의 캐비티(84) 내에 설치되어, 상부 챔버(52)를 상측 방향으로 확장시킨다. (펌프가 넣어지는 저장소로 회귀하는) 적어도 하나의 방출 도관(86)은, 상기 캐비티와 교통하고, 그에 따라, 상기 상부 챔버(52)와도 교통한다.

적어도 하나의 방출 도관 또는 각 방출 도관에는 유량 조정 요소(88)가 구비된다.

설명된 예에서, 제 2 구름 베어링(40)은 결과적으로 상부 챔버와, 적어도 하나의 방출 도관 또는 각 방출 도관 사이에 설치된다.

모터를 수용하는 재킷(46) 내에 형성된 입구 오리피스(90)는, 원심 휠의 출구(56)에서 펌핑하고자 하는 유체를 배출하기 위한 환형의 도관(54)과 상기 하부 챔버 사이에 교통로를 형성한다. 따라서, 상기 챔버 내에서 우세한 압력은, 원심 휠의 출구에서 우세한 고압과 실질적으로 같다.

제 1 구름 베어링(38) 내의 리세스(recess)는 조정되는 유동 제한부를 형성 하는 씰(92)을 통해 환형 방출 공간(78)과 교통한다.

본 발명의 중요한 한 특징에 따라, (펌핑하고자 하는 유체의 일부를 이용하는) 유체 냉각 회로는 앞에서 명확하게 밝힌 축선 방향 균형 시스템의 이중 유체 순환회로로부터 독립적이다.

기본적으로, 균형 시스템의 유체 공급 회로는, 앞에서 명확히 밝힌 것과 같은, 고압 유동 공간(62)과 저압 유동 공간(64)으로 구성된다. 저압 환형 방출 공간(78)은 균형 시스템 내에서 어떠한 역할도 하지 않는다. 게다가, 모터의 냉각 회로는 재킷 내에 형성된 입구 오리피스(90)들과 유동 제한부(또는, 유동 제한부들) 사이에 형성되며, 따라서, 하부 챔버(50), 모터의 에어 갭(48), 상부 챔버(52)(그리고 축선 방향 캐비티(84), 방출 도관 또는 도관들(86), 그리고, 유동 제한부 또는 제한부들(86)을 포함하게 된다. 유체는 펌프의 입구에서 재유입된다. 더욱이, 제 1 구름 베어링(38)의 냉각 회로는, 오리피스(90)들을 통해 유체를 공급받으며, 상기 하부 챔버(50), 씰(92), 환형 방출 공간(78), 그리고, 유체를 원심 휠의 입구로 다시 보내는 재주입 채널(80)들을 포함한다.

결론적으로, 제 2 구름 베어링(40)의 냉각 회로는 전기 모터(16)의 냉각회로와 같은 것이다. 제 2 구름 베어링의 냉각은 제 1 구름 베어링의 냉각보다 덜 중요하며, 따라서, 전기 모터의 냉각과 겸하여 이루어질 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 펌프의 정단면도를 도시한다.

Claims (9)

1. 펌핑하고자 하는 유체에 잠기는 전기 모터를 갖는 펌프이고, 케이싱과, 제 1 구름 베어링과, 축선 방향 균형 시스템을 포함하며, 상기 케이싱은, 상기 유체 내에 넣어지도록 되어 있고, 적어도 하나의 원심 휠(28)을 일측에 상기 원심 휠 위에 놓이는 동일 축선의 전기 모터(16)를 타측에 수용하며, 상기 전기 모터는 상기 케이싱과 일체인 스테이터와 상기 원심 휠에 연결된 축(22)과 일체인 로터를 포함하며, 상기 축과 상기 케이싱 사이에 상기 제 1 구름 베어링(38)이 장착되되, 상기 제 1 구름 베어링(38)은 상기 원심 휠과 상기 모터 사이에 설치되며, 상기 축선 방향 균형 시스템은 상기 원심 휠과 상기 케이싱 사이에 제공되는 유체 순환 회로에 의해 구획 형성되는 펌프로서,

   특히, 상기 전기 모터 및/또는 상기 제 1 구름 베어링을 위한 적어도 하나의 유체 냉각 회로(90, 50, 48, 52, 86)를 포함하며, 상기 축선 방향 균형 시스템의 공급 회로는 상기 적어도 하나의 냉각 회로 또는 각 냉각회로로부터 독립적인 것을 특징으로 하는 펌핑하고자 하는 유체에 잠기는 전기 모터를 구비한 펌프.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 전기 모터의 상기 유체 냉각 회로는 상기 전기 모터의 에어 갭(48)을 통과하는 것을 특징으로 하는 펌핑하고자 하는 유체에 잠기는 전기 모터를 구비한 펌프.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 전기 모터(16)는 상기 제 1 구름 베어링(38)과 상기 전기 모터(16) 사이의 하부 챔버와 상기 전기 모터 위의 상부 챔버(52)를 내측에 구획 형성하는 내부 재킷 내에 설치되며, 상기 전기 모터의 상기 냉각 회로는, 상기 펌핑하고자 하는 유체의 배출을 위한 도관과 상기 하부 챔버 사이에 교통로를 형성하는 입구 오리피스(90)들과, 상기 하부 챔버와 교통하는 적어도 하나의 방출 도관(86) 사이로 연장되는 것을 특징으로 하는 유체에 잠기는 전기 모터를 구비한 펌프.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 적어도 하나의 방출 도관 또는 각 방출 도관은 유량 조정 요소(88)를 구비한 것을 특징으로 하는 유체에 잠기는 전기 모터를 구비한 펌프.
5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서, 상기 상부 챔버 내의 상기 축과 상기 케이싱 사이에는 제 2 구름 베어링(40)이 장착되는 것을 특징으로 하는 유체에 잠기는 전기 모터를 구비한 펌프.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 제 2 구름 베어링(40)은 상기 상부 챔버(52)와 상기 적어도 하나의 방출 도관 또는 각 방출 도관(86) 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 유체에 잠기는 전기 모터를 구비한 펌프.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 축선 방향 균형 시스템(60)은, 상기 케이싱과 상기 원심 휠의 하부면 사이에 구획 형성된 고압 유동 공간(62)과, 상기 케이싱과 상기 원심 휠의 상부면 사이에 구획 형성되고 축선 방향의 가변성 유동 제한부를 형성하는 환형 통로(72)에 의해 반경 방향 내측으로 한정되는 저압 유동 공간(64)을 포함하되, 상기 원심 휠의 입구(66)와 환형 방출 공간(78) 사이의 상기 원심 휠 내에는 재주입 채널들(80)이 제공되며, 상기 환형 방출 공간은 상기 가변성 유동 제한부를 형성하는 상기 환형 통로(72)에 대해 반경 방향 내측으로 상기 축 주위에 구획 형성되는 것을 특징으로 하는 유체에 잠기는 전기 모터를 구비한 펌프.
8. 청구항 3 또는 청구항 7에 있어서, 상기 제 1 구름 베어링(38)이 상기 환형 방출 공간(78)과 교통하여, 상기 제 1 구름 베어링의 상기 냉각 회로는 상기 환형 방출 공간(78)을 통해 상기 입구 오리피스들(90)과 상기 원심 휠의 입구 사이로 연장되는 것을 특징으로 하는 유체에 잠기는 전기 모터를 구비한 펌프.
9. 청구항 8에 있어서, 조정된 환형 유동 제한부를 형성하는 씰(92)이 상기 제 1 구름 베어링(38) 내의 리세스와 상기 환형 방출 공간 사이에 삽입되는 것을 특징으로 하는 유체에 잠기는 전기 모터를 구비한 펌프.

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