KR20090048334A - 회전 기계 - Google Patents

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KR20090048334A
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윌리암 얼 피쉬
카스텐 요하네스 테사지크
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

회전 기계(2)는 고정 부재(4)와, 고정 부재에 대해 이동가능한 회전 부재(10)를 구비한다. 회전 부재는 복수의 내부 나사산을 갖는 적어도 하나의 밸런싱 부재 조립체 수용부(20)를 구비한다. 회전 기계는 또한 제 1 및 제 2 인터로킹 밸런싱 부재(43, 46)를 구비한 밸런싱 부재 조립체(40)를 포함한다. 밸런싱 부재 조립체(40)는 또한 밸런싱 부재 조립체 수용부의 내부 나사산과 작동가능하게 연결된 복수의 외부 나사산을 구비한다. 이러한 장치를 사용하여, 밸런싱 부재 조립체는 회전 부재에 동적 밸런스를 제공한다.

Description

회전 기계{ROTATING MACHINE BALANCING MEMBER ASSEMBLY INCLUDING MULTIPLE INTERLOCKING BALANCING MEMBERS}
본 발명은 회전 기계의 기술에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 회전 기계 내의 회전 소자(rotating component)용 밸런싱 부재 조립체(balancing member assembly)에 관한 것이다.
터보기계와 같은 회전 기계의 제조에 있어서, 회전 소자의 최종 밸런싱은 필수적이고 중요한 단계이다. 제조 후의 최종 밸런싱에 추가해서, 적당한 작동 및 긴 작동 수명을 보장하기 위해서는 회전 소자에 대한 주기적인 재-밸런싱이 필요하다. 일반적으로 밸런싱은, 버킷 및 커버와 같이 로터에 장착된 부품과 로터의 진직도(straightness)의 편차를 보상하도록 또는 터보기계가 작동하고 있는 상황에서의 진동 레벨을 낮추도록 예컨대 로터와 같은 회전 소자에 웨이트(weight)를 부가 또는 제거함으로써 이루어진다.
웨이트는 일반적으로 로터 본체에 형성된 웨이트 홈 또는 개구부 내에 장착된다. 터보기계를 제조하는 동안 사용하고자 하는 웨이트 홈은 일반적으로 T자형 또는 도브테일(dovetail) 단면을 갖는다. 다른 밸런스 웨이트(balance weight)는 로터 본체를 따라 배치되는 나사산 플러그(threaded plug)를 포함한다. 밸런스 웨이트는 로터 본체와 스테이터 사이에 존재하는 갭인 에어 갭(air gap) 또는 회전 기계의 에어 갭으로의 접근을 제공하는 갭인 입구 갭(entrance gap)보다 일반적으로 1 내지 5배 길다. 따라서, 로터가 터보기계 내에 설치된 채로 웨이트를 변화시키는 것은 불가능하다. 그러므로, 로터는 제거되고 밸런스 설비로 이송되어 밸런싱된 후 사용(service)으로 복귀되어야 한다. 이러한 과정은 2 내지 3주 정도 걸릴 수 있고, 이는 기계의 정지 시간(down time)을 상당히 증가시킨다. 예컨대, 터보기계가 사용 정지되는 날마다 발전 장치는 상당한 수익을 잃을 수 있다.
본 발명은 회전 기계의 해체를 필요로 하지 않으면서 밸런싱 부재 조립체 수용부 내로 삽입될 수 있는 밸런싱 부재 조립체를 제공한다.
본 발명의 제 1 실시 형태에 따르면, 회전 기계는 고정 부재와, 고정 부재에 대해 이동가능한 회전 부재를 구비한다. 회전 부재는 복수의 내부 나사산(internal thread)을 갖는 적어도 하나의 밸런싱 부재 조립체 수용부를 구비한다. 또한, 회전 기계는 제 1 및 제 2 인터로킹 밸런싱 부재를 갖는 밸런싱 부재 조립체를 구비한다. 제 1 및 제 2 밸런싱 부재의 각각은 적어도 하나의 밸런싱 부재 조립체 수용부의 내부 나사산에 작동가능하게 연결되는 복수의 외부 나사산을 구비한다. 이러한 장치에 의하면, 밸런싱 부재 조립체는 회전 기계에 동적 밸런스(dynamic balance)를 제공한다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 회전 기계의 회전 부재를 밸런싱하는 방법은 회전 부재에 마련된 밸런싱 부재 조립체 수용 위치를 노출시키는 단계, 제 1 밸런싱 부재를 밸런싱 부재 조립체 수용부 내로 제 1 깊이까지 삽입하는 단계 및 제 2 밸런싱 부재를 제 1 밸런싱 부재에 인터로킹하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 제 2 밸런싱 부재를 밸런싱 부재 수용부 내로 제 2 깊이까지 삽입하는 동시에 제 1 밸런싱 부재를 밸런싱 부재 조립체 수용부 내로 제 3 깊이까지 구동시키는 단계를 더 포함한다.
이 시점에서 본 발명의 예시적인 실시예는 회전 기계의 해체를 필요로 하지 않으면서 밸런싱 부재 조립체 수용부 내로 삽입될 수 있는 밸런싱 부재 조립체를 제공함을 인식해야 한다. 즉, 다중 인터로킹 구성요소는 터보기계의 해체를 필요로 하지 않으면서 로터에 개별적으로 장착된다. 이러한 방식으로, 본 발명은 회전 기계 정지 시간을 줄이고, 이에 의해 작동 효율을 높이며 운용 및 정비 비용을 감소시킨다.
아무튼, 본 발명의 예시적 실시예의 다양한 실시 형태에 대한 추가적 목적, 특성 및 장점들은 몇몇 도면에서 유사 도면부호는 대응 부품을 지칭하는 도면을 참조할 때 하기의 상세한 설명으로부터 보다 용이하게 명백해질 것이다.
우선, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 구성되고 터보기계로서 도시된 회전 기계가 개략적으로 도면부호(2)로 표시되어 있다. 터보기계(2)는, 개략적으로 도면부호(6)로 표시된 복수의 적층 라미네이션(stacked laminations)을 갖고 플랜지(8)에 의해 고정되어 있는 고정 부재 또는 스테이터(4)를 구비한다. 터보기계(2)는 회전 부재 또는 로터(10)를 더 구비하는데, 이 회전 부재는 에어 갭(15)에 의해 스테이터(4)로부터 이격되어 있는 외면(13)을 갖는 메인 본체(11)를 구비한다. 에어 갭(15)으로의 접근은 플랜지(8)의 근처에 배치된 입구 갭(17)을 통해 이루어진다. 로터(10)는 복수의 밸런싱 부재 수용부(20 내지 23)를 구비하는 것으로 도시되어 있는데, 각각의 수용부(20 내지 23)는 밸런싱 부재 수용부(20)와 관련하여 도시된 바와 같이 복수의 내부 나사산(24) 형태의 유지 형상(retention configuration)을 구비한다. 물론, 두 부품 사이의 고정 연결 및/또는 선택적으로 조절 가능한 연결을 얻도록 사용되는 다양한 다른 유지 형상들이 또한 사용될 수 있다. 비록 도시되진 않았지만, 추가의 밸런싱 부재 수용용 개구부가 로터(10)를 따라서 반경방향 및 축방향으로 이격된 위치에 제공됨을 이해해야만 한다. 하기에서 보다 충분히 설명되는 바와 같이, 웨이트 또는 밸런싱 부재 조립체(40)는 복수의 밸런싱 부재 수용부(20 내지 23) 중 하나 또는 그 이상에 장착되어 로터(10)에 동적 밸런스를 제공한다. 밸런싱 부재 조립체의 각 구성요소의 크기, 개수, 위치 및 재료 조성물(material composition)은 로터(10)에 대한 특정 밸런스 요건에 따라 달라진다.
도 2에 도시된 바와 같이, 밸런싱 부재 조립체(40)는 복수의 인터로킹 구성요소를 구비한다. 보다 구체적으로, 밸런싱 부재 조립체(40)는 제 1 인터로킹 밸런싱 부재(43), 제 2 인터로킹 밸런싱 부재(46) 및 제 3 인터로킹 밸런싱 부재(49)를 구비한다. 하기에서 보다 충분히 설명되는 바와 같이, 각각의 인터로킹 밸런싱 부재는 에어 갭(15) 및 입구 갭(17) 내로 용이하게 삽입되게 하기 위한 크기여서, 로터(10)는 터보기계(2)로부터 제거될 필요없이 밸런싱될 수 있다. 즉, 밸런싱 부재(43, 46, 49)는 대략 1인치(2.54cm) 내지 5인치(12.7cm) 범위의 크기이다. 물론, 밸런싱 부재의 구체적인 크기는 밸런싱을 필요로 하는 기계의 크기, 형태 및 재료 조성물에 따라 달라진다.
각 밸런싱 부재(43, 46, 49)는 형태에 있어서 실질적으로 유사하기 때문에, 상세한 설명은 도 3 및 도 4를 참조하여 밸런싱 부재(43)를 설명함에 있어서 밸런 싱 부재(46, 49)가 유사한 구조물을 구비한다는 이해를 바탕으로 계속될 것이다. 도시된 바와 같이, 밸런싱 부재(43)는 중간부(63)에 의해 상호 연결된 제 1 단부(61) 및 제 2 단부(62)를 갖는 메인 본체부(60)를 구비한다. 중간부(63)는 도면부호(65)로 개략적으로 표시된 복수의 외부 나사산으로서 도시되어 있는 유지 장치를 구비하는데, 이는 제 1 단부(61)와 제 2 단부(62) 사이에서 연장되어 실질적으로 중간부(63)를 뒤덮는다. 밸런싱 부재(43)는 제 1 단부(61)에 형성된 리세스된 영역(recessed region)(74)의 형태로 도시되어 있는 제 1 커넥터 부재(72)를 구비한다. 리세스된 영역(74)은 6각형의 형태로서 헥스 키이(hex key)와 같은 툴을 수용하도록 설계되어 있다. 물론, 슬롯 및 사각형과 같은 다양한 다른 형태뿐만 아니라 다른 구동 장치가 또한 사용될 수 있다. 밸런싱 부재(43)는 나아가 제 2 단부(62)로부터 연장되는 6각형 돌출부(84)의 형태로 도시된 제 2 커넥터 부재(80)를 구비하는 것으로 도시되어 있다. 상술한 바와 유사한 방식으로, 제 2 커넥터 부재(80)는 또한 다양한 형태를 채용할 수 있는데, 필수적인 것은 아니지만, 몇몇 실시예에서 제 1 및 제 2 커넥터 부재(72, 84)는 크기 및 형태가 일치한다.
도시된 예시적인 실시예에서, 밸런싱 부재(43)는 예컨대 스테인리스 강, 텅스텐 및 베릴륨 구리와 상술한 것 중 하나 또는 그 이상을 포함하는 화합물로 제조된다. 사용되는 특정 재료는 로터(10)에 필요한 밸런스 보정의 정도에 종속하여 달라질 수 있다. 이를 위해, 다양한 밀도를 갖는 수많은 다른 재료들이 또한 사용될 수 있다. 아무튼, 밸런싱 부재(43)의 총 중량은 재료 조성물, 길이, 즉 부피 및 상대적 반경방향 위치에 의해 조정된다. 이러한 방식으로, 밸런싱 부재 조립 체(40)는 구체적인 적용에 대한 특정 요건에 맞추어질 수 있다. 즉, 밸런싱 부재 조립체(40)는 예컨대 밸런싱 부재들(43, 46, 49)과 같은 다중 인터로킹 구성요소로 형성되는데, 이 부재들은 하기에서 보다 충분히 설명되는 바와 같이 특정 로터(10)의 불균형 상태를 오프셋하는데 필요한 카운터 밸런스(counter-balance) 또는 밸런스 보정의 정도에 따라 동일한 또는 상이한 성질을 갖는다. 각 밸런싱 부재(46, 49)는 각각 대응 제 1 및 제 2 커넥터 부재(91, 92, 94, 95)를 구비하는 것으로 도시되어 있다.
밸런싱 부재 조립체(40)의 구조물의 일 실시예를 설명하였으므로, 이제 로터(10) 내에 밸런싱 부재 조립체(40)를 장착하는 예시적인 방법을 설명함에 있어서 도 5 내지 도 7을 참조할 것이다. 도시된 바와 같이, 제 1 밸런싱 부재(43)가 예컨대 밸런싱 부재 수용부(20) 내로 삽입된다. 일단 자리를 잡으면, 헥스 키이를 사용한 툴(도시되지 않음)이 제 1 커넥터 부재(72) 내로 삽입된다. 이 시점에서, 밸런싱 부재(43)는 예컨대 제 1 단부(61)가 외면(13)에 인접하게 되는 "A"로 표시된 제 1 깊이까지 로터(10) 내로 회전 또는 나사 조임된다.
일단 밸런싱 부재(43)가 자리를 잡으면, 밸런싱 부재(46)의 제 2 커넥터 부재(92)가 도 6에 도시된 바와 같이 제 1 및 제 2 밸런싱 부재(43, 46)를 인터로킹하도록 제 1 커넥터 부재(74) 내로 삽입된다. 이 시점에서, 툴(도시되지 않음)이 제 2 밸런싱 부재(46) 상의 제 1 커넥터 부재(91) 내로 삽입된다. 상술한 바와 유사한 방식으로, 제 2 밸런싱 부재(46)는 개략적으로 "B"로 표시된 제 2 깊이까지 로터(10) 내로 회전 또는 나사 조임되고, 동시에 제 1 밸런싱 부재(43)를 개략적으 로 "C"로 표시된 제 3 깊이까지 구동한다. 도시된 바와 같이, 제 1 깊이 "B"는 밸런싱 부재(43)의 총 길이에 종속하여 제 1 깊이 "A"와 동일하거나 그와 비슷할 수 있다.
일단 밸런싱 부재(46)가 자리를 잡으면, 밸런싱 부재(49)의 제 2 커넥터 부재(95)가 제 2 밸런싱 부재(46) 상의 제 1 커넥터 부재(91)와 인터로킹되어 밸런싱 부재 조립체(40)를 형성한다. 이 시점에서, 툴(도시되지 않음)이 밸런싱 부재(49)의 제 1 커넥터 부재(94) 내로 삽입되고, 일체로서 밸런싱 부재 조립체(40)를 로터(10) 내로 삽입하도록 동작한다. 도시된 형상에서, 밸런싱 부재(49)는 개략적으로 "D"로 표시된 제 4 깊이까지 삽입되고, 동시에 밸런싱 부재(46)를 제 5 깊이 "E"까지, 그리고 밸런싱 부재(43)를 제 6 깊이 "F"까지 구동한다. 물론 깊이(E, F)의 특정 위치는 각 밸런싱 부재(43, 46, 49)의 길이에 따라 달라질 수 있다. 아무튼, 일단 제 3 밸런싱 부재(49)가 자리를 잡으면, 툴이 제 1 커넥터 부재(94)에서 제거되고, 밸런싱 부재 조립체(40)가 적소에 체결된다. 밸런싱 부재 조립체(40)는 예컨대 밸런싱 부재(49)를 로터(10)의 외면(13)까지 스테이킹(staking) 또는 피닝(peening)하는 것과 같은 다양한 방법을 통해, 또는 선택적으로 로터(10)에 맞물리는 개략적으로 도면부호(100)로 표시된 것과 같은 체결 장치에 의해 적소에 체결될 수 있다. 일단 자리를 잡으면, 밸런싱 부재 조립체(40)는 터보기계(2)의 작동 동안 느슨해지는 것이 방지된다.
이 시점에서, 상술한 예시적인 실시예들은 터보기계의 해체를 필요로 하지 않으면서 밸런싱 부재 조립체 수용부 내로 삽입될 수 있는 밸런싱 부재를 제공함을 인식해야만 한다. 즉, 각 구성요소가 로터 에어 갭 및/또는 입구 갭보다 작은 다중 인터로킹 구성요소로 밸런싱 조립체를 형성함으로써, 다양한 구성요소가 회전 기계의 해체를 필요로 하지 않으면서 개별적으로 로터에 장착될 수 있다. 이러한 방식으로, 본 발명은 회전 기계 정지 시간을 줄이고, 이에 의해 작동 효율을 높이며 운용 및 정비 비용을 감소시킨다.
일반적으로, 본 명세서는 최상의 모드를 포함하여 본 발명을 개시하기 위해, 그리고 또한 임의의 장치 또는 시스템의 제조 및 사용 그리고 임의의 구체화된 방법의 수행을 포함하여 당업자가 본 발명을 실시할 수 있게 하기 위해 예시를 사용한다. 본 발명의 특허가능한 범위는 특허청구범위에 의해 한정되고, 당업자가 생각하는 다른 예들을 포함할 수도 있다. 그러한 다른 예들은 특허청구범위의 문자 언어와 다르지 않은 구조적 요소를 갖는다면, 또는 특허청구범위의 문자 언어와 극히 작은 차이를 갖는 균등한 구조적 요소를 갖는다면 본 발명의 범위에 포함될 의도이다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 구성된 밸런싱 부재 조립체를 구비한, 터보기계로 도시되어 있는 회전 기계의 부분의 개략도,
도 2는 터보기계의 회전 소자에의 설치 전·후의 밸런싱 부재 조립체의 부분 사시 분해도,
도 3은 예시적인 실시예의 밸런싱 부재 조립체의 인터로킹 밸런싱 부재의 상우측 사시도,
도 4는 도 3의 인터로킹 밸런싱 부재의 하좌측 사시도,
도 5는 예시적인 실시예의 밸런싱 부재 조립체의 제 1 밸런싱 부재를 수용하는 회전 부재의 부분 단면 분해도,
도 6은 제 1 밸런싱 부재와 인터로킹된 제 2 밸런싱 부재의 수용을 도시하는, 도 5의 회전 부재의 부분 단면 분해도,
도 7은 제 1 및 제 2 밸런싱 부재와 인터로킹된 제 3 밸런싱 부재의 수용을 도시하는, 도 6의 회전 부재의 부분 단면 분해도.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
2 : 회전 기계(터보기계) 4 : 스테이터
10 : 로터 11 : 메인 본체
13 : 외면 15 : 에어 갭
17 : 입구 갭 20 내지 23 : 밸런싱 부재 수용부
40 : 밸런싱 부재 조립체 43, 46, 49 : 밸런싱 부재
61 : 제 1 단부 62 : 제 2 단부
63 : 중간부 65 : 외부 나사산
72, 91, 94 : 제 1 커넥터 부재 80, 92, 95 : 제 2 커넥터 부재
100 : 체결 장치

Claims (10)

  1. 회전 기계(2)에 있어서,
    고정 부재(4),
    상기 고정 부재(4)에 대해 이동가능한 회전 부재(10),
    제 1 및 제 2 인터로킹 밸런싱 부재(43, 46)를 구비한 밸런싱 부재 조립체(40)를 포함하며,
    상기 회전 부재는 적어도 하나의 밸런싱 부재 조립체 수용부(20)를 구비하고, 상기 적어도 하나의 밸런싱 부재 조립체 수용부는 유지 형상(24)을 가지며,
    상기 제 1 및 제 2 인터로킹 밸런싱 부재의 각각은 상기 회전 부재에 동적 밸런스를 제공하기 위해 상기 적어도 하나의 밸런싱 부재 조립체 수용부의 유지 형상과 맞물리도록 형성된 유지 장치(65)를 구비하는
    회전 기계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 인터로킹 밸런싱 부재는 중간부(63)를 통해 제 2 단부(62)까지 연장되는 제 1 단부(61)를 구비하고, 상기 제 1 단부는 제 1 커넥터 부재(72)를 갖는
    회전 기계.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 커넥터 부재는 상기 제 1 단부에 형성된 리세스된 영역(recessed region)(74)인
    회전 기계.
  4. 제 2 항에 있어서,
    제 1 인터로킹 밸런싱 부재는 상기 제 2 단부에 마련된 제 2 커넥터 부재(80)를 구비하는
    회전 기계.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 커넥터 부재는 상기 제 2 단부로부터 연장되는 돌출부(84)인
    회전 기계.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 인터로킹 밸런싱 부재는 중간부를 통해 제 2 단부까지 연장되는 제 1 단부를 구비하고, 상기 제 2 단부는 제 2 커넥터부를 구비하며, 상기 제 2 커넥터부는 상기 밸런싱 부재 조립체를 형성하기 위해 제 1 커넥터부와 상호 연결되도록 구성되어 있는
    회전 기계.
  7. 제 4 항에 있어서,
    제 2 커넥터부는 돌출부인
    회전 기계.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 인터로킹 밸런싱 부재는 상기 제 1 단부 상에 마련된 제 3 커넥터 부재(91)를 구비하고, 상기 제 3 커넥터 부재는 리세스된 영역인
    회전 기계.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 인터로킹 밸런싱 부재와 결합되는 제 3 인터로킹 밸런싱 부재(49)를 더 포함하는
    회전 기계.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 밸런싱 부재 조립체 수용부의 유지 형상은 복수의 내부 나사산이고, 상기 밸런싱 부재 조립체의 유지 장치는 그와 협동하는 복수의 외부 나사산인
    회전 기계.
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