KR20090131269A - 내구성 있는 위치-유지 시스템을 갖춘 터보머신 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 로터(10R, 110R) 및 스테이터(10S)와 함께 배열되는 터보머신(10, 210, 310)으로서, 로터가 반경방향으로 위치되는 것을 보장하는 반경방향 위치결정 수단(40, 42; 240, 242; 340, 342)과; 적어도 하나의 블레이드식 휠 상에 배열되어 고속에서의 로터(10R, 110R)의 축선방향 균형을 제공하는 비접촉 축선방향 균형장치(38)를 포함하는 터보머신에 관한 것이다. 이 터보머신은, 반경방향 위치결정 수단(40, 42; 140, 142)과는 별개로 저속에서는 로터의 축선방향 균형을 제공하고, 그리고 고속에서는 비접촉인 쓰러스트 베어링(36, 136)을 포함한다. 더욱이, 반경방향 위치결정 수단은 유체정역학적 베어링이고, 터보머신은 상기 베어링을 압력 유체의 근원지에 연결하기에 적합한 유체정역학적 베어링 유체공급 회로(44, 46, 48)를 포함한다.
터보머신, 로터, 스테이터, 반경방향 위치결정 수단, 블레이드식 휠, 축선방향 균형장치, 쓰러스트 베어링, 유체정역학적 베어링

Description

내구성 있는 위치-유지 시스템을 갖춘 터보머신{A TURBOMACHINE WITH A LONG LASTING POSITION-HOLDING SYSTEM}
본 발명은 로터 및 스테이터를 구비한 터보머신에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 본 발명은 스테이터에 대해 로터를 정위치에 유지시키기 위한 수단에 관한 것이다.
터보머신은, 유체-유동 부분과, 이 머신을 통하여 유동하는 유체와 전기 회로 사이에서 에너지를 변환할 수 있게 협력하는 전기 부분을 포함한다.
이 변환은 어느 방향으로도 일어날 수 있다: 따라서, 그러한 터보머신은 펌프와 같은 유체-유동 부분을 구동하는 전기 부분으로서의 전기 모터를 가지는 컴프레서일 수 있다; 이것은 또한 전기 발전기일 수 있으며, 여기에서 유체-유동 부분은 전기 부분을 구동하는 터빈이며, 이것은 예컨대 교류 발전기와 같은 전기 발전기를 구성할 수 있다.
이러한 타입의 터보머신은 특히 액화천연가스(liquefied natural gas; LNG) 및 액화석유가스(liquefied petroleum gas; LPG) 산업에서 고압 펌프나 팽창 터빈의 형태로 사용된다. 터보머신을 통과하는 유체는 천연가스(메탄, 에탄), 액화석 유가스(부탄, 프로판), 또는 냉매-혼합물(refrigent-mix; RM)로 언급되는 혼합물이다.(이것은 또한 더 무거운 합성물의 제한된 양을 포함한다.)
이런 머신을 고안하는 영구적 목표는 그것의 수명과 효율이다.
이런 목적에서, 특히 로터의 회전 마찰력을 줄이기 위한 노력이 있었다. 이를 위해, 반경방향과 축선방향의 스테이터에 대하여 로터의 위치를 유지하기 위한 적절한 수단을 선택하는 것이 중요하다. 통상 로터는 수직방향으로 배치되는 축과 함께 배열되며, 유지 수단의 주된 기능은 특히 정지상태이거나 저속일 때 로터의 무게를 지지하는 것이라는 점을 알 수 있다.
터보머신 내에서 사용하기에 적절한 유지 수단의 다양한 실시예가 미국 특허 출원 제 2006/0186671 호에 개시되어 있다.
이 출원의 제1 실시예(도 1)에 있어서, 롤링 베어링에 의해 반경방향 위치가 유지되는 터빈 발전기가 개시되어 있다. 하지만, 볼 베어링은, 기계적인 접촉과 그에 따른 마주보는 표면 사이의 마찰로 인하여, 특히 고속 회전시에, 에너지를 소비하고 마모를 유발하는 단점이 있으며; 또한 최대로 허용 가능한 회전속도에 제한을 둔다.
축선방향 위치는, 저속에서는 상술한 볼 베어링 중 하나에 의해, 고속에서는 블레이드식 휠(bladed wheel)의 배후에 배열된 축선방향 균형장치에 의해 유지된다.
상술한 볼 베어링은 제한된 범위에 걸쳐 스테이터에 대하여 미끄럼 가능하게 장착되는 외부 링을 포함한다. 저속에서, 외부 링은 그 범위의 일단에 인접되어 막히게 되고, 따라서 볼 베어링은 로터의 축선방향 위치를 막는다(blocking).
고속에서, 로터는 블레이드식 휠 상의 유체의 압력에 의해 위로 밀어 올려지고, 축선방향 균형장치는, 상술한 범위 내에서, 실질적으로 정지한 위치에서 로터를 유지하기 위하여 볼 베어링으로부터 인계받는다. 축선방향 균형장치는, 제1 블레이드식 휠 내에 합체되며, 이것은 축선방향 간극을 제공하며 로터의 축선방향 위치를 유지하도록 균형 챔버 내에서 압력을 조정하는 노즐과 협력하는 블레이드식 휠의 후방면 상에 배치되는 균형 챔버를 포함한다.
이 실시예의 단점은 (로터에 고정된) 볼 베어링의 내부 링과 볼이 로터의 움직임에 의해서 회전하도록 구동되어, 그에 따라 볼 베어링에 마찰과 마모를 일으킨다는 것이다. 결과적으로, 전기 발전기의 해당 부분의 수명이 제한된다.
단점을 보완하기 위해서, 미국 특허 출원 제 2006/0186671 호는 터빈 전기 발전기의 다른 실시예를 보여준다.
그 실시예에서, 로터를 반경방향으로 지지하기 위해서, 발전기는 클러치 해제 가능한(declutchable) 볼 베어링을 가진다. 그 볼 베어링은 저속에서 쓰인다. 그것들은 고속에서 인계받는 유체정역학적 베어링과 평행이다. 유체정역학적 베어링은 터보머신의 메인 회로 상의 유체의 압력을 이용하고, 회전 속도가 (나아가서 유체 압력이) 충분한 수치에 도달하면 로터의 반경방향 위치를 유지한다. (이 특허문헌 상에서, 터보머신의 "메인 회로" 는 터보머신의 유체-유동을 통하여 유체가 유동할 수 있도록 하는 모든 회로를 의미한다.)
로터의 축선방향 위치를 유지하기 위해서, 저속이나 정지상태일 때, 볼 베어 링 중 하나는 로터 축의 원뿔 베어링 표면 상에 인접하며, 그에 따라 그것을 수직 방향으로 지지한다.
보다 높은 속도에서, 로터는 블레이드식 휠의 유체 압력의 영향에 의해 조금 높아지며; 그 후 이것은 축선방향 균형장치의 의해 위치가 유지된다. 그 다음 볼 베어링은 병진하는 로터에 의해 클러치 해제되며, 그에 따라 볼 베어링과 일치하는 로터 축의 원뿔 베어링 표면에 대하여 간극이 개구된다: 하부 베어링은 병진 방향(원뿔로부터 분리)으로 움직이는 로터에 의해 클러치 해제되며, 반면에 상부 베어링에서, 원뿔을 클러치 해제하기 위해서 베어링을 포함하는 장치에 대항하여 작용하는 유체 압력이 상승한다.
이러한 장치는 복잡하고, 무엇보다고 신뢰성이 결여된다는 단점을 가진다. 볼 베어링은 로터가 병진하기 때문에 클러치 해제되고, 이 움직임은 아주 작은 크기다. 실제로, 큰 반경의 축을 사용하는데 의문점이 있기 때문에, 베어링 면의 원뿔은 작게 유지된다. 그로 인해 베어링의 클러치 해제 중 낮은 신뢰도를 가져 오고, 볼 베어링과 유체정역학적 베어링 사이에서 작동시 강한 상호 작용의 위험을 가져 온다.
게다가, 평행한 반경방향 유지 수단(유체정역학적 베어링과 평행인 볼 베어링)은 추가적 무게와 머신의 부피 증가를 가져온다.
본 발명의 주된 목적은, 로터 및 스테이터와 함께 배열되는 터보머신을 제안함으로써 상술한 단점을 보완하고자 하는 것이다.
상기 터보머신은, 통과하는 유체와 로터 사이에서 에너지를 변환시킬 수 있으며, 상기 로터의 축에 장착되는 적어도 하나의 블레이드식 휠을 포함하는 유체-유동 부분과; 전기를 일로 또는 그 반대로 변환시키기에 적합한 전기 부분과, 반경방향으로 로터를 위치시키는 반경방향 위치결정 수단과; 상기 블레이드식 휠 상에 배열되어 고속에서의 로터의 축선방향 균형을 제공하는 비접촉 축선방향 균형장치; 를 포함하며; 이 터보머신은 양호한 부피 효율을 나타내며, 적은 유체를 소비하고, 로터를 정위치에 유지하기 위한 인터페이스에서 마모가 적고 긴 수명을 가지며, 고속에서 동작하기에 적합하다.
이러한 목적은, 상기 터보머신이, 상기 반경방향 위치결정 수단(즉 반경방향 지지수단)과는 별개로 저속에서는 상기 로터의 축선방향 균형을 제공하고, 그리고 고속에서는 비접촉인 쓰러스트 베어링을 더 포함하며; 상기 반경방향 위치결정 수단은 유체정역학적 베어링에 의해 구성되고, 상기 터보머신은 상기 베어링을 압력 유체의 근원지에 연결하기에 적합한 유체정역학적 베어링 유체공급 회로를 포함한다는 사실에 의해 성취된다.
이들 유체공급 회로는 터보머신의 메인 유체 회로로부터 부분적으로나 전체 적으로 별개일 수 있다.
이러한 터보머신에 있어서, 축선방향 위치와 반경방향 위치는 별개의 수단에 의해 유지되며, 쓰러스트 베어링은 반경방향 위치결정 수단과는 별개이다. 이러한 방식으로, 고성능 기술이 2가지 타입의 유지 수단 각각, 즉 첫째로 고속에서 비접촉 축선방향 균형장치와 협력하는 쓰러스트 베어링, 그리고 둘째로 반경방향으로 위치를 유지시키기 위한 유체정역학적 베어링을 만드는데 이용될 수 있으며, 그에 따라 터보머신이 최적화될 수 있다.
우선 터보머신은 수평 위치가 아닌, 수직이나 경사 위치에 있는 로터의 축과 함께 배치될 수 있도록 설계된다는 것을 알 수 있다. 로터 상에 작용하는 중력은 로터의 위를 향하는 축선방향 움직임을 제한하는 복원력(return force)을 만들어 낸다.
축선방향으로 아래로 향하는 움직임은 쓰러스트 베어링에 의해 제한된다. 이것은 저속이나 정지시에 로터의 무게를 지지한다. 바람직하게, 쓰러스트 베어링이 반경 위치-유지 기능을 가지고 있지 않기 때문에, 작은 크기로 만들어질 수 있다. 이것은 고속(소정의 속도 이상)에서 접촉하지 않기 때문에, 축선방향 접합부는 고속에서 로터의 작동을 방해하지 않으며, 그에 따라 바람직하게 고속까지 로터의 작동 범위를 넓힐 수 있다. 쓰러스트 베어링은 축선방향 균형장치와 별개이다.
고속에서, 축선방향 위치는 축선방향 균형장치에 의해 유지된다. 바람직하게, 축선방향 균형장치는 블레이드식 휠에 합체될 수 있고 유체-유동 부분을 통하여 유동하는 유체와 함께 작동한다. 이러한 합체된 구성은 터보머신이 높은 부피 적 효율을 가질 수 있도록 기여한다.
반경방향 위치는, 유체정역학적 베어링인 단일의 장치에 의해 유지되는 것이 바람직하다. 볼 베어링이나 또 다른 접촉을 포함하는 유지 장치는 반경방향 위치를 유지함에 있어서 포함되지 않는다.
유체의 압력이 작용되자마자, 유체정역학적 베어링은 로터와 베어링 사이의 아주 작은 간극(수 십 마이크로미터)이 존재하는 위치로 로터를 배치한다. 이 베어링들은 극히 작은 마찰 손실을 가지는 것이 가능하게 하고, 로터에 고정되어 있지 않은 다른 부분과 로터 사이에서 이동시킬 기계적 부재가 요구되지 않고 성취된다.
게다가, 유체정역학적 베어링이 저속에서 로터가 정지하거나, 방향을 바꾸는 동안 유체 공급을 가능하게 하는 그들 자체의 유체공급 회로를 가지기 때문에, 상술한 종래기술의 볼 베어링과 평행인 유체정역학적 베어링과는 다르게, 회전 속도에 관계없이 로터를 반경방향으로 위치시키는데 사용될 수 있다. 유체정역학적 베어링은 터보머신의 모든 속도에서 로터의 반경방향 위치를 유지할 수 있게 작동할 수 있다.
더 구체적으로, 터보머신이 저온 또는 극저온 유체와 함께 사용될 때(LNG, LPG, RM에 적용될 때와 같이), 유체정역학적 베어링을 위한 유체공급 회로와 관련된 압력 유체의 외부 근원지의 사용은, 우선적으로, 머신의 중심에 위치되고 아주 작은 간극을 가지는 구역의 온도를 낮추는 것을 가능하게 하며, 또한 베어링에서 정확한 온도 제어가 가능하게 한다. 베어링의 반경방향 간극이 매우 작기 때문에, 종종 시동시 온도가 저하되어 있는 동안 유체정역학적 베어링이 고장나는 위험성이 있다. 베어링 이송 유체의 온도 제어는 이 위험성을 낮추고, 통제하에 있도록 한다.
본 발명에 의해서, 로터의 위치를 고정하는 인터페이스는 주어진 속력보다 높은 고속에서 접촉하지 않는다. (용어 "접촉하는"는 두 고체 간의 기계적 접촉이 있다는 것을 의미한다.) 이런 인터페이스들은 반경방향 위치결정 수단에서, 로터와 머신의 쓰러스트 베어링과 축선방향 균형장치인 나머지 부분들 사이의 기계적인 인터페이스이다.
그러므로, 고속에서, 유체 막(film)은 로터에 고정되지 않은 머신의 부분으로부터 로터를 분리하며; 로터에 고정되지 않은 다른 어떤 부분의 면와 로터의 면 사이의 기계적 접촉이 없다. 결과적으로, 마찰 손실과 마모가 최소화된다.
실시예에서, 쓰러스트 베어링은 로터의 축에 상대적으로 10° 이상, 또는 바람직하게는 90°에 가깝게 형성된 베어링 면을 포함한다. 결과적으로, 쓰러스트 베어링 고장의 위험성과 유체정역학적 베어링과 쓰러스트 베어링 사이의 상호 작용의 위험성을 피할 수 있다.
특히 쓰러스트 베어링에 대하여 2가지 실시예가 특정될 수 있다.
제1 실시예에서, 쓰러스트 베어링은 유체정역학적 베어링이다. 이 실시예는, 아주 긴 수명으로, 반경방향 위치를 유지하기 위한 유체정역학적 베어링으로써 정확한 위치를 보장한다는데서 흥미롭다. 축선방향 및 반경방향으로 작동하는 유체정역학적 베어링을 위한 유체공급 회로(feed circuits)는 부분적으로 공통일 수 있다. 하지만, 기능적인 면(베어링 면)은 그럼에도, 여전히 개별적이다.
제2 실시예에서, 쓰러스트 베어링은 볼 베어링이다. 이 볼 베어링은 고속 회전에서 접촉하지 않도록 설계되었다.
예를 들어, 이를 성취하기 위해, 볼 베어링은, 실질적으로 원통형상인 내측면을 반경방향으로 가지는 내부 링을 포함하며, 여기에서 간극은 로터의 외부면과 상기 면 사이에 형성된다. 이 반경방향 간극 때문에, 로터가 회전하는 동안 회전시 구동되는 볼 베어링의 부분은 없다. 결과적으로, 로터 마모와 고장의 위험성이 최소화 된다. 반면에, 베어링의 축선방향 말단의 표면은 쓰러스트 베어링 기능을 수행하기 위해서 힘을 전달할 필요가 있다.
실시예에 있어서, 터보머신은 유체정역학적 베어링 유체공급(feed) 내에서 상류측에 필터를 더 포함한다. 이것에 의해서, 유체정역학적 베어링을 손상시킬 수도 있는 어떤 큰 직경의 조각은 상류에서 제거되며, 그에 따라 베어링의 수명이 증가한다.
실시예에 있어서, 고속에서, 축선방향 균형장치는 로터를 축선방향으로 유지하는 목적을 위하여 블레이드식 휠을 통하여 유동하는 유체만을 사용한다. 이것은 터보머신의 부피적 효율성을 극대화 시키고, 축선방향 균형장치는 여전히 간단하게 유지된다.
본 발명의 또 다른 목적은 이전에 정의된 타입의 터보머신을 포함하는 터보머신 장치로서, 특히 고속에서, 부피적 효율성이 높고, 수명은 길고, 터보머신의 유체정역학적 베어링에 압력 유체를 공급하기 위한 내부 수단을 포함하는 터보머신 장치를 제공하고자 하는 것이다.
이러한 목적은, 터보머신 장치가, 압력 유체의 근원지에 연결되기에 적합한, 상술한 터보머신, 및 상기 터보머신의 유체정역학적 베어링에 대한 유체 공급원을 선택하기 위한 수단을 포함하며, 상기 유체 공급원은 압력 유체의 상기 근원지 또는 상기 터보머신의 메인 유체 회로 중 어느 하나라는 사실에 의해 성취된다.
그러므로, 압력 유체의 근원지를 선택할 수 있기 때문에, 유체 소비의 어려움을 최소화하는 것을 가능하게 한다. (예를 들면, 실제로, 외부의 유체 근원지를 이용하여 작동하는 머신의 시간길이를 최소화한다.) 압력 유체의 근원지는 필요로 하는 압력으로 압축하는데 적합한 컴프레서를 가진 유체 탱크일 수도 있다. 마찬가지로, 이것은 정지시 압력 유체로 실질적으로 가득 찬 유체 버퍼(fluid buffer)일 수 있으며, 이 유체 버퍼는 터보머신이 시동되기 위해 필요로 하는 압력으로 유체의 주어진 양을 운반하기에 적합하고; 이 유체 버퍼는 터보머신이 시동되자마자 다시 채워진다.
유체정역학적 베어링을 위한 압력 유체의 근원지의 선택을 최적화함으로써, 터보머신의 전체적인 에너지 효율이 극대화된다.
본 발명과 본 발명의 장점들은 제한하기 위한 것이 아니라 예시로서 주어진 실시예의 이어지는 상세한 설명으로부터 더욱 잘 이해될 수 있다. 상세한 설명은 첨부 도면을 참조하여 이루어진다.
본 발명에 따르면, 로터 및 스테이터와 함께 배열되는 터보머신이 제공될 수 있다.
이어지는 설명은 첨부된 도면을 참조한다.
구성요소가 하나 이상의 도면에 도시될 때, 다양한 도면에 있어서 동일한 부재번호를 유지하며, 구성요소가 도시되는 첫 번째 도면을 참조하여 설명이 이루어진다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 터보머신이 아래에 설명된다.
터보머신(turbomachine)(10)은 터빈에 의해 구동되는 전기 발전기이다. 이것은 터빈에 의해 구성되는 유체-유동 부분(fluid-flow portion)(20) 및 전기 발전기에 의해 구성되는 전기 부분(electrical portion)(50)을 포함한다.
터보머신(10)은 로터(rotor)(10R)가 스테이터(stator)(10S) 내에서 축(12)의 주위를 회전하는 형태로 배열된다.
스테이터(10S)는 본질적으로 4개의 부분(14, 15, 16 및 17)으로 이루어진 케이싱(3)을 포함한다. 이 부분들은 움직이지 않으며 나사(18)에 의하여 서로에게 고정되어 있다. 스테이터는 또한 전기 발전기의 부동(stationary) 또는 스테이터 부분(54)을 포함한다.
로터(10R)는 본질적으로 나사(24), 로터 축(12), 및 전기 발전기(50)의 로터 부분(52) (도 1에 도시된 바와 같이 축(12)의 직경이 큰 중심 부분, 도면에 상세하게 도시하지 않음)에 의해서 축(12)의 일단에 고정된 블레이드식 휠(bladed wheel) (22)을 포함한다.
터보머신(10)은 다음과 같이 작동한다.
압력 유체(fluid under pressure)가 축(12)의 축선 상에서 케이싱 부분(17)에 천공된 오리피스(34)를 통해 터보머신(10) 내로 통과한다.
이는 케이싱(17)의 통로(32), 케이싱(16)의 통로(31), 케이싱(15)의 통로(29), 및 케이싱(14)의 통합 통로(27) (휠에서부터 상류측의 케이싱(14)에 일체화된 블레이드들)에 의해 블레이드식 휠(22)까지 안내되어, 블레이드들 사이를 통과하고, 그에 따라 회전 구동된다. 따라서 로터(10R)는 유체의 작용에 의해서 회전한다.
로터 상의 로터 부분(52) 및 스테이터 부분(54)을 갖춘 전기 발전기(50)는 공지의 터보머신 구성요소이다. 로터(10R)의 회전 효과 하에서, 통로(35)를 통과하는 케이블(도시생략)에 의해 전기를 공급한다.
블레이드식 휠(22)를 통과한 후, 유체는 입구 오리피스(34)로부터 이격된 터보머신의 끝에서 케이싱 부분(14) 내에 배열된 출구 오리피스(26)까지 유체를 안내하는 케이싱(14)의 통로(28)를 경유하여 통과한다.
로터(10R)는 다음과 같이 정위치에 (축방향 및 반경방향으로) 유지된다:
먼저 터보머신(10)은 수직방향 구조, 즉 로터의 축이 수직방향으로 놓인 상태에서 작동하도록 설계되었다는 것을 알 수 있을 것이다.
로터 축(12)의 축선 A를 따라서 작용하는 로터의 무게를 지지하기 위하여, 터보머신은 로터리 베어링(36), 구체적으로는 볼 베어링에 의해 구성된 쓰러스트 베어링을 포함한다. 부동일 때와 로터의 회전 속도가 낮을 때, 볼 베어링(36)은 로터(10R)의 무게를 지지한다. 로터의 회전 속도가 상승하면, 로터(10R)는 약간 상승하며 그 위치는 블레이드식 휠(22)의 후방에 형성되는 축선방향 균형장치(axial balancing device)(38)에 의해서 조정된다. 이들 구성요소의 배열은 도 1b 및 도 1c를 참조하여 상세하게 설명된다.
로터는 유체정역학적 베어링(40 및 42)에 의해 반경방향으로 위치된다. 이 유체정역학적 베어링들은 메인 유체 회로(main fluid circuits)(29 및 31)와는 다른 유체공급 회로(feed circuits)(44, 46 및 48)를 가지고 있다. 이 회로들의 유체공급 오리피스(45)는 압력 유체의 근원지(source)에 연결되도록 설계되어 있다. 터보머신(10)은 또한 유체정역학적 베어링으로부터 상류에 배치되며 유체 내에 존재할 수 있는 지름이 지나치게 큰 어떠한 입자라도 제거할 수 있도록 설계된 필터(도시생략)를 더 포함할 수 있다.
공지된 방식으로, 각각의 유체정역학적 베어링(40 및 42)은 축(12)의 원통형 베어링 표면을 매우 작은 간극을 남기고 감싸는 슬리브-형상 부분(sleeve-shaped portion)을 포함한다. 베어링 이송 유체(bearing feed fluid)는 슬리브-형상 부분과 축(12)의 사이에 주입되어 얇은 막을 형성하는데, 이는 축을 베어링으로부터 분리시켜서 축이 기계적 마찰 없이 회전될 수 있도록 하고, 축(12)이 소망하는 반경방향 위치에 유지될 수 있도록 한다.
축선방향 유지 수단의 작동은 도 1b 및 1c를 참조하여 아래에 상세하게 설명된다. 도 1b는 회전 속도가 느릴 때 차지하는 로터의 위치를 보여주는 반면, 도 1c는 회전 속도가 빠를 때 차지하는 위치를 보여준다. 먼저 볼 베어링(36)의 내부 링(58)과 축(12) 사이에는 내부 간극(56)이 있다는 것을 알 수 있다. 이 간극(56) 때문에, 베어링(36)은 오직 로터 (10R)의 무게를 지지할 때에만 회전 구동된다. 링(58)의 상단 표면(62)은 그 후 축(12)의 숄더(shoulder)(64)와 접한다. 쓰러스트 베어링(36)의 기능하는 표면 즉 베어링 표면들은 로터(10R)의 축 A와 90˚의 각도 α를 형성한다.
볼 베어링(36)의 외측에서, 외부 링(60)은 케이싱 부분(15)에 나사(65)에 의하여 고정된 링(61)에 로터의 무게를 전달한다.
회전 속도가 빠를 때(도 1c), 로터(10R)는 축선 A를 따라 상승된다. 링(58)의 표면(62)은 더 이상 축(12)의 숄더(64)와 접촉하지 않는다. 볼 베어링(36)은 회전하지 않으며 아무 기능도 수행하지 않는다.
도 1b 및 도 1c의 아래쪽에는 축선방향 균형장치(38)가 도시되어 있다. 챔버(72)는 로터(10R)의 측면에서 블레이드식 휠(22)의 배후에 형성된다. 소량의 유체가 터보머신의 메인 회로로부터 일정 섹션 노즐(constant section nozzle)(74)을 통해서 흘러나와 챔버(72)를 채운다. 유체는 상기 챔버에서 환형(61)의 표면(66)과 블레이드식 휠(22)의 표면(68) 사이에 형성되는 노즐(76)을 통하여 배출된다. 환형 표면(66)은 실질적으로 블레이드식 휠 (22)의 상응하는 환형 표면(68)을 향하여 반경방향으로 연장된다. 이들 2개의 표면 사이에는 간극(70)이 형성된다. 간극(70)은 스테이터에 대하여 로터의 축선방향 위치의 함수로서 변화하여 챔버(72) 내의 압력을 조정하고, 최종적으로 챔버(72) 내의 유체 압력이 블레이드식 휠(22) 및 나아가서 로터(10R)에 (공지의 방식으로) 작용하여 실질적으로 일정한 축선방향 위치에 유지되도록 한다.
제2 실시예는 도 2a, 도 2b 및 도 2c를 참조하여 설명된다. 이들 도면에 도시된 터보머신의 기능과 구조는 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 설명된 터보머신과 실질적으로 동일하다.
로터(110R)의 반경방향 위치는 실질적으로 로터의 끝에 배치된 2개의 유체정역학적 베어링(140 및 142)에 의해 제공된다.
이와 대조적으로, 로터(110R)를 축선방향 위치에 유지시키기 위한 수단은 상술한 실시예와 상이하다. 부동 및 저속 회전 상태에서, 로터(110R)는 유체정역학적 베어링(136)에 의해 구성되는 쓰러스트 베어링에 의해서 지지된다. 바람직하게 이들 2개의 구성요소가 케이싱 부분(115)에 고정된 공통 링(144)를 이용하여 만들어지도록, 이 베어링은 반경방향 위치를 유지하기 위한 유체정역학적 베어링(140)에 인접된다. 하지만, 구성요소의 기능 표면(136 및 140)들은 별개의 표면들이며, 각각 축방향 및 반경방향을 향하는 법선을 가지며, 쓰러스트 베어링(136)은 반경방향 위치를 유지하기 위한 유체정역학적 베어링(140)과 구별된다.
유체정역학적 쓰러스트 베어링(136) 때문에, 유체 압력을 오리피스(45)에 적용하자마자, 로터는 아주 소량 상승하며 회전을 시작한다.
도 2b 및 2c에 도시된 바와 같이, 유체정역학적 쓰러스트 베어링(136)의 작동은, 축선방향 균형장치(38)와 비교하여, 상술한 실시예의 터보머신과 아주 유사하다.
덕트(148)는 압력 유체를 유체정역학적 쓰러스트 베어링(136)과 유체정역학 적 쓰러스트 베어링(140)에 각각 운반하는 분배 덕트(151 및 153) 내로 유체를 운반한다. 덕트(148, 151 및 153)는 케이싱 부분(115) 및 링(144)의 외주를 따라 일정 간격으로 이격되어 있어서, 외주 주위에서 유체를 모두 분배한다.
부동 및 저속시, 로터(110R)는 유체정역학적 쓰러스트 베어링(136)의 유체 압력의 효과에 의하여 링(144)으로부터 들어올려지고, 그 상단 부분(162)에 가까운 위치를 차지한다. 따라서 아주 작은 크기의 간극이 상기 표면(162)과 로터(110R)의 대면 표면(164)과의 사이에 형성되며, 그에 따라 로터(110R)와 스테이터 사이의 기계적인 마찰을 방지하게 된다.
보다 고속에서는, 축선방향 균형장치(138)는 로터를 (부동 및 저속시의 위치와 비교하여) 약간 들어올리며, 그에 따라 표면(162 및 164) 사이의 축선방향 간극(165)이 증가한다. 그 후 유체정역학적 쓰러스트 베어링(136)은 클러치 해제(declutched)되며, 로터(110R)의 축선방향 위치는 축선방향 균형장치(138)만에 의해 유지된다.
이러한 구성은, 축선방향 쓰러스트 베어링(유체정역학적 쓰러스트 베어링 (136))이 유체정역학적 베어링(140)을 구성하는 수단의 일부로 형성되기 때문에, 매우 컴팩트하고, 단순하며, 저렴하다는 것을 알 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 2개의 터보머신 장치를 나타낸다.
제1 장치(200)(도 3a)는 터빈(22)에 의해 구동되는 전기 발전기(250)로 이루어지는 터보머신(210)을 포함한다. 터보머신 로터(210R)는 두 개의 유체정역학적 베어링(240 및 242)에 의하여 반경방향 위치에 유지된다.
터빈(220) 및 유체정역학적 베어링(240 및 242)은 단일의 파이프(205)로부터의 압력 유체가 공급된다.
밸브(217)에 의해 유속이 제어되는 제1 파이프(215)는, 파이프(205)에 연결되어 필터(219)를 통하여 유체정역학적 베어링에 유체를 공급한다.
제2 파이프(225)는 또한 파이프(205)에 연결되어 터빈(220)에 유체를 공급한다. 터빈(220)을 통한 유체의 유동은, 파이프(225) 내에서 상류측으로 그리고 터빈(220)으로부터 하류측인 유체 배출 파이프(235)에 각각 위치되는 2개의 밸브(227 및 237)에 의해 제어된다.
도 3b는 전기 펌프를 구성하는 터보머신을 위한 본 발명의 터보머신 장치(300)을 나타낸다. 이 장치(300)는 펌프(320)를 구동시키는 전기 모터(350)를 갖는 터보머신(310)을 포함한다. 다르게 명시된 경우를 제외하고는, 도 3a와 유사한 구성요소에는 동일한 부재번호에 100을 더한 번호가 주어진다.
유체정역학적 베어링(340 및 342)에는 필터(319)를 경유하여 파이프(315)에 의해 유체가 이송되며, 이 파이프는 터보머신 장치(300) 외부의 압력 유체 근원지(도시생략)에 연결되기에 적합하다. 이 파이프 내의 유속은 밸브(317)에 의해 제어된다.
펌프(320)에는 파이프(335)를 경유하여 유체가 이송된다. 이송되는 유체의 유속은 밸브(317)에 의해 제어된다. 펌프로부터의 운반은 파이프(325)를 통해서 수행되며, 그 유속은 밸브(327)에 의해 제어된다.
더욱이, 파이프(345)는 파이프(325)를 파이프(315)에 연결한다.
체크 밸브(321)는 파이프(345) 내에 위치되어 파이프(325)를 통해서 유체가 역류하는 것을 방지하며, 또 다른 체크 밸브(311)는 파이프(315) 내에 배치되어 유체가 압력 유체의 근원지(도시생략)로 역류하는 것을 방지한다. 이들 2개의 체크 밸브 때문에, 유체정역학적 베어링(340 및 342)에는, 펌프(320)로부터의 운반 압력(파이프(325) 내의 압력)과 압력 유체의 근원지로부터의 출구에서의 압력 중에서 더 큰 압력이 작용된다. 결과적으로, 펌프 운반 압력이 충분히 커지자마자, 압력 유체의 외부 근원지로부터의 압력 유체의 소비가 방해받는다.
또 다른 실시예는, 예를 들어 전기 제어 유닛을 이용하여, 유체정역학적 베어링에 유체를 공급하는 압력 유체의 근원지를 선택하도록 하는, 제어식 전환 장치(controlled changeover device)를 제공함으로써 구성될 수 있을 것이다.
도 1a 및 도 2a는, 볼 베어링 접합부 및 유체정역학적 접합부 각각의 쓰러스트 베어링을 위한, 본 발명의 2개의 실시예에 있어서 터보머신의 축선방향 단면도,
도 1b 및 도 1c는, 각각 저속일 때와 고속일 때, 쓰러스트 베어링 부근 및 축방향 균형 장치 부근에서의 터보머신의 제1 실시예의 축선방향 단면도,
도 2b 및 도 2c는, 각각 저속일 때와 고속일 때, 쓰러스트 베어링 부근 및 축방향 균형 장치 부근에서의 터보머신의 제2 실시예의 축선방향 단면도, 그리고
도 3a 및 도 3b는, 터빈-구동식 전기 발전기 및 전기-구동식 터빈 펌프를 각각 포함하는, 본 발명에 따른 2개의 터보머신 장치를 나타내는 도면이다.

Claims (11)

  1. 로터(10R, 110R) 및 스테이터(10S)와 함께 배열되는 터보머신(10, 210, 310)으로서, 상기 터보머신은:
    - 통과하는 유체와 로터(10R, 110R) 사이에서 에너지를 변환시킬 수 있으며, 상기 로터의 축에 장착되는 적어도 하나의 블레이드식 휠(22)을 포함하는 유체-유동 부분(20)과;
    - 전기를 일로 또는 그 반대로 변환시키기에 적합한 전기 부분(50, 250, 350)과;
    - 반경방향으로 로터를 위치시키는 반경방향 위치결정 수단(40, 42; 240, 242; 340, 342)과;
    - 상기 블레이드식 휠 상에 배열되어 고속에서의 로터(10R, 110R)의 축선방향 균형을 제공하는 비접촉 축선방향 균형장치(38); 를 포함하며,
    - 상기 터보머신은, 상기 반경방향 위치결정 수단(40, 42; 140, 142)과는 별개로 저속에서는 상기 로터의 축선방향 균형을 제공하고, 그리고 고속에서는 비접촉인 쓰러스트 베어링(36, 136)을 더 포함하며;
    - 상기 반경방향 위치결정 수단은 유체정역학적 베어링에 의해 구성되고, 상기 터보머신은 상기 베어링을 압력 유체의 근원지에 연결하기에 적합한 유체정역학적 베어링 유체공급 회로(44, 46, 48)를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보머신.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 쓰러스트 베어링(36, 136)은 로터의 축선(A)에 대하여 10° 이상의 각도를 형성하는 베어링 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보머신.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    쓰러스트 베어링(136)은 유체정역학적 베어링인 것을 특징으로 하는 터보머신.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 쓰러스트 베어링(36)은 볼 베어링인 것을 특징으로 하는 터보머신.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 볼 베어링은, 원통형인 내부 표면을 반경방향으로 가지며, 상기 표면과 상기 로터의 외부 표면과의 사이에 간극(56)이 형성되는 내부 링(58)을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보머신.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    유체정역학적 베어링인 상기 반경방향 위치결정 수단(240, 242; 340, 342) 내에서 상류측에 필터(219, 319)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터보머신.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체-유동 부분은 펌프(320)를 포함하며, 상기 전기 부분은 전기 모터(350)인 것을 특징으로 하는 터보머신(310).
  8. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체-유동 부분은 터빈(220)이며, 상기 전기 부분은 전기 발전기(350)인 것을 특징으로 하는 터보머신(210).
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    고속에서, 상기 축선방향 균형장치는, 상기 로터(10R, 110R)를 축선방향으로 정위치에 유지하기 위하여 블레이드식 휠(들)을 통하여 유동하는 유체를 이용하는 것을 특징으로 하는 터보머신.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 따른, LNG, LPG 또는 냉매-혼합 유체용 터보머신.
  11. 압력 유체의 근원지에 연결되기에 적합한, 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 따른 터보머신, 및 상기 터보머신의 유체정역학적 베어링(340, 342)에 대한 유체 공급원을 선택하기 위한 수단(311, 321, 315, 345)을 포함하며, 상기 유체 공급원은 압력 유체의 상기 근원지 또는 상기 터보머신의 메인 유체 회로(325, 335) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 터보머신 장치.
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