KR20120140659A - 스크류 머신의 윤활 처리 - Google Patents

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KR20120140659A
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wet steam
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이안 케네쓰 스미스
니콜라 루디 스토식
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더 시티 유니버시티
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Abstract

액상을 띄는 작동 유체를 이용하는 스크류 머신으로서 맞물린 윤활 처리된 나선형 형상물을 갖는 로터를 포함한다. 로터는 WO 97/43550에 개시된 'N' 프로파일을 가진다. 사용시, 로터의 나선형 형상물 및 선택적으로는 로터 베어링의 윤활 처리가 액상의 작동 유체로 사실상 배타적으로 성취된다.

Description

스크류 머신의 윤활 처리{LUBRICATION OF SCREW MACHINES}
본 발명은 예를 들면 증기를 작동 유체로서 이용하여 전력을 생성하는데 이용될 수 있는 스크류 익스펜더와 같은 스크류 머신의 윤활 처리에 관한 것이다.
전력 생성 분야에서 정변위 익스펜더가 점차 대중적이 되고 있다. 가장 성공적인 정변위 머신 중의 하나는 트윈-스크류 머신으로 가장 많이 구현된 복수-스크류 머신이다. 그러한 머신이 Svenska Rotor Maskiner(SRM)의 영국 특허 번호 GB 1197432, GB 1503488 및 GB 2092676에 개시된다.
스크류 머신은 컴프레서(compressors) 또는 익스펜더(expanders)로서 이용될 수 있다. 본 발명의 가장 넓은 개념으로는 두 유형의 스크류 머신 모두에 관련되나, 본 발명은 특히 익스펜더 측면에서 장점을 갖는다. 그러므로, 본 명세서는 익스펜더로서 스크류 머신을 이용하는 것에 주로 관련되고, 본 발명은 이와 관련하여 설명된다. 익스펜더로서 이용되는 스크류 머신은 본 명세서에서는 간략히 스크류 익스펜더로 칭한다.
터빈 익스펜더에 비해 스크류 익스펜더의 주요 장점은 손상의 위험 없이 습식 작동 유체(즉, 기체 및 액체 상태 모두를 갖는 유체)를 처리할 수 있다는 점이다. 이는 스크류 머신내의 유속(fluid velocities)이 터빈 머신에서 일반적으로 접하게되는 유속보다 거의 한자리수 낮기 때문이다. 그러므로, 스크류 익스펜더는 두 상태 사이에서 열역학적인 평형을 유지하는 한 순수 액체에서 건조한 증기까지 임의 조성의 유체를 허용할 수 있다. 대조적으로, 터빈 익스펜더는 액체 상태의 임의의 주요부가 작동 유체내로 혼입되는 경우, 블레이드가 부식되기 쉽다.
스크류 익스펜더는 적어도 2개의 교차 보어를 갖는 케이싱을 포함한다. 보어는 고정된 케이싱 내에서 이중 반전하는 그물망 형태의 나선형 잎모양 로터를 수용한다. 케이싱은 로터 전체를 극도로 정확하게 끼워 맞추도록 둘러싼다. 보어의 중앙 길이 방향 축은 쌍으로 동일 평면이고 일반적으로 평행하다. 메일(또는 '메인') 로터 및 피메일(또는 '게이트') 로터가 그들 각각의 축 둘레로 회전하기 위하여 케이싱의 베어링 상에 장착되며, 각각의 이들 축은 케이싱 내의 각 보어 축과 일치한다.
로터는 일반적으로 연강(mild steel)과 같은 금속으로 제조되나, 고속강(high speed steel)으로 제조될 수 있다. 또한, 로터는 세라믹 재료로 제조될 수 있다. 일반적으로, 금속으로 제조되는 경우, 절삭(machined)되지만, 다르게는 연마(ground) 또는 캐스트(cast)될 수 있다.
각각의 로터는 나선형 랜드를 가지며, 이는 적어도 각 로터의 랜드 사이의 나선형 홈과 맞물린다. 맞물림 로터는 하나 이상의 나선형 기어 휠 쌍을 효과적으로 형성하며, 이들의 로브는 이빨과 같은 작용을 한다. 단면에서 볼 때, 그 또는 각각의 메일 로터는 랜드에 대응하며, 그 피치원(pitch circle)으로부터 외부로 돌출하는 로브 셋을 가진다. 유사하게 단면에서 볼 때, 그 또는 각각의 피메일 로터는 피치원으로부터 내부로 연장하며, 피메일 로터의 홈에 대응하는 오목부(depression) 셋을 가진다. 메일 로터의 랜드 및 홈의 수는 피메일 로터의 랜드 및 홈의 수와는 상이하다.
로터 프로파일의 종래 기술의 예가 첨부된 도면에서 도 1a 내지 도 1d 및 도 2a 내지 도 2d에 도시되며, 아래 더욱 상세히 설명될 것이다.
스크류 익스펜더의 동작의 원리는 3차원 용적 변환을 기초로 한다. 각 로터의 임의의 2개의 연속 로브와 둘러싸는 케이싱 사이의 공간은 분리된 작업 챔버를 형성한다. 2개의 로터 사이의 접촉 선의 변위로 인하여, 회전이 진행됨에 따라 챔버의 용적은 가변한다. 로브 사이의 전체 길이가 로터들 사이의 맞물린 접촉에 의해 방해받지 않는 경우, 챔버의 용적은 최대가 된다. 반대로, 단면에서 로터들 사이의 맞물린 접촉이 최대가 되는 경우, 챔버의 용적은 최소가 되고, 그 값은 거의 0 이다.
확장될 유체는 고압을 형성하는 개구 또는 주로 케이싱의 전면에 위치한 주입구를 통해 스크류 익스펜더에 들어간다. 이렇게 허용된 유체는 로브들 사이로 한정된 챔버를 채운다. 회전이 진행되고 로터들 사이의 접촉 라인이 물러날수록 각 챔버내에서 트랩된 용적은 증가한다. 주입구가 차단된 지점에서, 채움(filling) 또는 진입(admission) 공정이 종료되고 추가 회전은 스크류 익스펜더를 통해 하류로 이동함에 따라 유체를 확장하도록 한다.
다음으로, 메일 및 피메일 로터 로브가 재맞물림을 시작하는 지점에서, 낮은 압력 또는 케이싱내의 배출구가 노출된다. 추가 회전이 로브와 케이싱 사이에 트랩된 유체의 용적을 감소시킴에 따라 이 포트는 더 개방된다. 이는 유체가 거의 일정한 압력으로 배출구를 통해 배출되도록 한다. 공정은 트랩된 용적이 사실상 0으로 감소될 때까지 계속되고, 로브들 사이에 트랩된 실질적으로 전체 유체가 배출된다.
다음으로, 공정은 각 챔버에 대해 반복된다. 그러므로, 메일 및 피메일 로터에서의 로브의 수 및 이에 따른 로브들 사이의 챔버의 수에 의존하여, 각 회전시 채움, 확장 및 방출 공정이 연속된다.
로터가 회전함에 따라, 로브의 맞물림 동작이 나선형 기어의 것과 동일하게 필수이다. 또한, 연속 챔버들 사이의 내부 누출을 방지하기 위하여, 로브의 형상은 어떠한 접촉 위치에서도, 로터들 사이에 및 로터와 케이싱 사이에 실링 라인이 형성된다. 추가 요구 사항은, 회전(revolution) 당 유체 변위를 최대로 하기 위하여, 로브들 사이의 챔버는 가능한 커야 한다는 점이다. 또한, 내부 마찰 손실을 최소화하고 마모를 최소화하기 위하여, 로터들 사이의 접촉력은 낮아야 한다.
제조상의 한계로 로터들 사이 및 로터와 케이싱 사이에 소량 클리어런스(clearances)가 존재할 수 있으므로, 로터 프로파일이 유동 속도(flow rate) 및 스크류 익스펜더의 효율을 결정하는 가장 중요한 특징이다. 수년간 수개의 로터 프로파일이 시도되었고, 성공 정도는 다르다.
초기 스크류 익스펜더는 도 1a에 도시된 것처럼 매우 간략한 대칭형 로터 프로파일이 이용되었다. 단면에서 볼 때, 메일 로터(10)는 피치원 둘레로 등각으로 간격을 둔 부분 원형 로브(12)를 포함하며, 그것의 반경의 중심은 피치원(14) 상에 위치한다. 피메일 로터(16)의 프로파일은 간단히 부분 원형의 오목부(18)의 등가 셋을 갖는 거울 대칭형이다. 이와 같은 대칭 로터 프로파일은 매우 큰 블로우 홀(blow-hole) 영역을 가지며, 이는 큰 내부 누출을 야기한다. 이로 인해 높은 압력비 또는 보통의 압력비와 관련된 임의의 어플리케이션에서 대칭형 로터 프로파일이 제외된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, SRM은 도 1b에 도시되고 전술한 영국 특허 GB 1197432, GB 1503488 및 GB 2092676에서 다양한 형태로 개시된 'A' 프로파일을 도입했다. 'A' 프로파일은 내부 누설을 크게 감소하고, 따라서 스크류 컴프레서가 왕복 머신과 같은 정도의 효율을 얻는 것이 가능하게 된다. 도 1c에 도시된 사이클론 프로파일은 누설을 더욱 감소시키나, 대신 피메일 로터(16)의 로브를 취약하게 한다. 이는 고압 차분에서 피메일 로터(16)의 왜곡의 위험이 있고, 이는 제조를 어렵게 한다. 도 1d에 도시된 하이퍼(Hyper) 프로파일은 피메일 로터(16)를 강화함에 의해 이의 극복을 시도한다.
상술한 종래 기술의 로터 프로파일 모두에서, 맞물린 로터들 사이의 상대 운동은 회전과 슬라이딩의 조합이다.
이러한 배경 기술에 대해, 출원인은 국제 특허 출원 번호 PCT/GB97/01333으로 WO 97/43550로 공개된 출원에 개시된 것처럼 'N' 로터 프로파일을 개발했다. 본 명세서에서 'N' 로터 프로파일에서의 참조는 WO 97/43550에서 기술되고 정의된 발명의 프로파일을 참조한다.
'N' 로터 프로파일은 단면에서 도시된 것처럼, 적어도 메일 로터의 피치원의 외부로 돌출하는 로브의 해당 부분의 프로파일 및 적어도 피메일 로터의 피치원의 내부로 연장하는 오목부의 프로파일이 동일한 랙 포메이션에 의해 생성되는 것을 특징으로 한다. 후자는 메일 로터의 축 둘레의 한 방향 및 피메일 로터의 축 둘레로 반대 방향으로 곡선이 되고, 그 랙의 일부는 로터들 사이의 켤레 동작(conjugate action)에 의해 생성되는 로터의 고압력 플랭크(flank)를 생성한다.
유리하게도, 랙의 일부, 바람직하게는 로터 로브의 고압력 플랭크를 형성하는 부분이 사이클로이드(cycloid) 형상을 갖는다. 다르게는, 이 부분은 일반적인 포물선, 예를 들면 zx+byq = 1의 형태를 가질 수 있다.
통상, 메일 로터의 홈의 바닥은 '디덴덤(dedendum)' 부분과 같이 피치원의 내부에 놓이며, 피메일 로터의 랜드의 첨부는 '어덴덤(addendum)' 부분과 같이 피치원의 외부로 연장한다. 바람직하게는, 이 디덴덤 및 어덴덤 부분은 또한 랙 포메이션에 의해 생성된다.
도 2a의 트윈-스크류 머신의 도면상의 횡단면에 도시된 메인 또는 메일 로터(1) 및 게이트 또는 피메일 로터(2)는 각각의 각도 ψ 및 τ = Z1/Z2ψ=ψ/i를 통해 그들의 중심(O1 및 O2) 둘레로 그들의 피치원(P1, P2)을 운행한다.
피치원(P)은 각각의 로터 상의 다수의 랜드 및 홈에 비례한 반경을 갖는다.
호(arc)가 메인 또는 게이트 로터 상에서 각도 파라미터 φ의 임의 함수로서 한정되고, 첨자 d로 표시된다면:
xd = xd(φ) (1)
yd = yd(φ) (2)
다른 로터 상의 대응하는 호는 φ 및 ψ 양자의 함수이다:
x = x(φ,ψ) = -acos(ψ/i) + xdcoskψ+ ydsinkψ (3)
y = y(φ,ψ) = asin(ψ/i) - xdsinkψ + ydcoskψ (4)
ψ는 1차 및 2차 호가 접촉점을 가지는 메인 로터의 회전 각도이다. 이 각도는 Sakun저의 Vintovie kompressori, Mashgiz Leningrad, 1960에 기재된 켤레 조건을 충족한다:
(δx d /δφ)(δy d /δψ) - (δx d /δψ)(δy d /δφ) = 0 (5)
이는 'd' 곡선의 엔벨로프의 미분 방정식이다. 그 확장된 형태는:
(δyd/δxd)((a/i)sinψ-kyd)-(-(a/i)cosψ+kxd) = 0 (6)
이는 sinψ의 2차 방정식으로서 표현될 수 있다. 분석적으로 구할수도 있지만, 그 혼합 근으로 인하여 수치적으로 구하는 것이 권장된다. 결정되면, (3) 및 (4)에 ψ을 대입해서 대향 로터 상의 켤레 곡선을 얻는다. 이 절차는 하나의 주어진 호만의 정의를 요한다. 다른 호는 항상 일반 절차에 의해 발견된다.
이 등식은 좌표 시스템이 로터와 독립적으로 정의되는 경우라도 유효하다. 그러므로, 로터를 참조하지 않고 전체 'd' 곡선을 규명하는 것이 가능하다. 그러한 배치는 보다 간략한 수학적 형태로 표시될 수 있고, 또한, 곡선 생성 절차를 간략하게 할 수 있다.
이러한 유형의 특수 좌표 시스템은 도 2b에서 R로 표시되는 랙(무한 반경의 로터) 좌표 시스템으로서, 도 2a에 도시된 로터의 프로파일을 생성하기 위한 일 유닛의 랙을 도시한다. 랙 상의 호는 파라미터의 임의 함수로서 정의된다:
xd = xd (φ) (7)
yd = yd (φ) (8)
로터 상의 2차 아크는 이로부터 φ 및 ψ의 함수로서 유도된다.
x = x(φ,ψ) = xd cosψ - (yd -rwψ)sinψ (9)
y = y(φ,ψ) + xd sinψ + (yd -rwψ)cosψ (10)
ψ는 주어진 호가 투사되는 로터의 회전 각도를 나타내며, 접촉점을 한정한다. 이 각도는 조건 (5)을 만족한다:
(dyd/dxd)(rwψ-yd)-(rw-xd) = 0 (11)
양해(explicit solution) ψ가 (9) 및 (10)에 삽입되어 로터에 대한 켤레 호를 발견한다.
도 2c는 도 2a에 도시된 로터에 대한 도 2b의 랙 포메이션의 관계를 도시하며, 랙과 랙에 의해 생성된 로터를 도시한다. 도 2d는 도 2c에 도시된 로터의 아웃라인과, 비교를 위해 종래 기술의 로터를 중첩시켰다.
모든 곡선에 대해, 일반적인 형태는:
axp d + byq d = 1 (12)
로서, '일반적 원' 곡선이다. p = q = 2 및 a = b = 1/r 이면, 원이다. 동일하지 않은 a 및 b는 타원(ellipses)가 되고, 반대 사인의 a 및 b는 쌍곡선이 되고; p =1 및 q = 2는 포물선이 될 것이다.
모든 곡선을 하나의 좌표 시스템으로 한정하는 편의성에 추가하여, 랙 생성은 로터 좌표 시스템과 비교할 때 2가지 이점을 보인다: a) 랙 프로파일은 다른 로터와 비교할 때 최단 접촉 경로를 나타내고, 이는 랙으로부터의 점들이 중첩 또는 다른 결함없이 로터에 투사됨을 의미하며; b) 랙에 대한 직선이 인벌류트(involute)로서 투사될 것이다.
로터 프로파일의 고압측 상의 블로우 홀(blow hole) 영역을 최소화하기 위하여, 프로파일은 일반적으로 두 로터의 켤레 동작에 의해 생성되고, 이는 이들 중 고압측을 언더컷(undercut) 한다. 실험에서는 널리 이용된다: GB 1197432에서는 메인 및 게이트 로터에 대해 단일 포인트들이 이용되며, GB 2092676 및 GB 2112460에서는 원이 이용되며, GB 2106186에서는 타원이 이용되며, EP 0166531에서는 포물선이 이용된다. 이전에는 랙으로부터 직접 적절한 언더컷이 달성되지 않았다. 로터의 켤레 동작을 정확하게 대체할 수 있는 랙에 대한 단 하나의 분석적 곡선이 존재함을 발견하였다. 이는 바람직하게는 사이클로이드로서, 이는 메인 로터에 대해서는 외사이클로이드(epicycloid)로서, 게이트 로터에 대해서는 내사이클로이드(hypocycloid)로서 언더컷된다. 이는 로터 양자에 대해 외사이클로이드를 생성하는 단일 포인트들에 의해 생성되는 언더컷가 대조된다. 이러한 결함은 일반적으로 그 피치원내의 게이트 로터의 외곽 직경의 상당한 감소에 의해 최소화된다. 이는 블로우 홀 영역을 감소시키나, 또한 처리량 또한 감소시킨다.
켤레 동작은 회전 동안 하나의 로터에 대한 포인트(또는 곡선에 대한 포인트들)가 다른 로터에 대한 그(또는 그들)의 경로(들)을 컷하는 경우의 공정이다. 2 또는 그 이상의 공통 접촉 포인트가 동시에 존재하는 경우 언더컷이 발생하며, 이는 프로파일에서 "포켓"을 생성한다. 상당한 슬라이딩이 발생할 때 작은 곡선 부분(또는 포인트)이 긴 곡선 부분을 생성한다면, 이는 보통 발생한다.
랙의 고압 부분이 랙 상의 적절한 곡선을 언더컷하는 로터 켤레 동작에 의해 생성되므로, 'N' 로터 프로파일은 이러한 결함을 극복한다. 이 랙은 나중에 일반적인 랙 생성 공정에 의해 메인 및 게이트 로터 양자의 프로파일링용으로 이용된다.
아래에는 결합된 절차에 의해 얻어진 공기, 공통 냉각제 및 다수의 공정 가스의 효율적 압축을 위해 설계된 랙 생성 프로파일 패밀리의 간략한 로터 로브 형상에 대해 상세히 설명된다. 이 프로파일은 공개 문헌에 제시된 현대의 스크류 로터 프로파일의 거의 모든 요소를 포함하나, 그 특징은 추가적 개선 및 최적화를 위한 건전한 토대를 제공한다.
랙 상의 모든 1차 호의 좌표는 랙 좌표 시스템에 관련하여 여기에 요약된다.
이 프로파일의 로브는 수개의 호로 분할된다.
프로파일 호 사이의 분할은 대문자로 표시되고, 각 호는 도 2c에 도시된 것처럼 개별적으로 한정된다.
세그먼트 A-B는 p=0.43 및 q=1인 랙상의 axp d + byq d = 1로서 유형의 일반적인 호이다.
세그먼트 B-C는 p=q=1인 랙 상의 직선이다.
세그먼트 C-D는 p=q=2, a=b인 랙 상의 원호(circular arc)이다.
세그먼트 D-E는 랙 상의 직선이다.
세그먼트 E-F는 p=q=2, a=b인 랙 상의 원호이다.
세그먼트 F-G는 직선이다.
세그먼트 G-H는 메인 로터에 대해 p=1, q=0.75인 axp d+byq d =1 유형의 일반적인 호인, 호 G2-H2의 언더컷이다.
랙상의 세그먼트 H-A는 게이트 로터에 대해 p=1, q=0.25인 axp d+byq d =1 유형의 일반적 호인, 호 A1-H1의 언더컷이다.
각각의 정션 A, ... H에서, 인접 세그먼트는 공통 탄젠트를 갖는다.
랙 좌표는 등식 (7) 내지 (11)에 대하 역의 공정을 통해 얻어진다.
결과적으로, 랙 곡선 E-H-A이 얻어지고, 도 2c에 도시된다.
도 2d는 GB 2092676에 따라 생성되는 대응하는 로터의 공지된 프로파일(5, 6) 상에 중첩된 이 랙 절차에 의해 생성되는 메인 및 게이트 로터(3, 4)의 프로파일을 5/7 구조로 도시한다.
중심 사이의 동일한 간격 및 동일한 로터 직경으로, 랙 생성 프로파일은 2.7%의 변위 증가를 제공하고, 피메일 로터의 로브는 더욱 두꺼워서, 더욱 강하다.
도 2c에 도시된 랙의 개조에서, 세그먼트 GH 및 HA는 폼: y=Rocosτ-Ro y=Rosinτ-Rpτ의 클로이드의 연속 세그먼트 GHA에 의해 형성되며, 여기서 Ro는 메인 로터(및 이에 따른 보어의)의 외곽 반경이고, Rp는 메인 로터의 피치원 반경이다.
세그먼트 AB, BC, CD, DE, EF 및 FG는 모두 상기 등식(12)에 의해 생성된다. AB에 있어, a=b, p=0.43, q=1 이다. 다른 세그먼트에 대해, a=b=1/r, 및 p=q=2 이다. p 및 q의 값은 ±10% 만큼 가변할 수 있다. 세그먼트 BC,DE 및 FG에 있어서, r은 메인 로터의 피치원 반경 보다 더 크며, 바람직하게는 무한대여서, 각각의 그러한 세그먼트는 직선이다. 세그먼트 CD 및 EF는 a=b 곡률의 p=q=2인 경우 원호이다.
전술한 'N' 로터 프로파일은 기어링(gearing)의 수학적 이론을 기초로 한다. 그러므로, 도 1a 내지 도 1d를 참조로 전술한 로터 프로파일과는 다르게, 로터들 사이의 상대적 동작은 순수 롤링에 매우 가깝다: 로터들 사이의 접촉 밴드는 피치원에 매우 가까이 놓인다.
'N' 로터 프로파일은 다른 로터 프로파일에 비해 많은 추가 이점을 가지는데, 이는 낮은 토크 전달율을 포함하며, 따라서 로터들 사이의 작은 접촉력, 강한 피메일 로터, 큰 변위 및 짧은 실링선(sealing line)이 낮은 누출을 초래한다. 전체적으로 이러한 사용은 스크류 익스펜더 머신, 특히 낮은 팁 속도에서의 단열적 효율을 상승시키며, 현재 사용시의 다른 로터 프로파일 보다 10%까지 오른 이득이 기록되었다.
당 분야에서 채용된 지혜로서, 로터의 나선형 형상물이 윤활 처리되지 않으려면, 로터의 상대적 동작을 지배하고 동기화하기 위해서 외부의 맞물린 '타이밍' 기어가 제공되어야 한다. 로터들 사이의 동기 토크의 전달은 타이밍 기어를 통해 되고, 따라서 로터의 맞물린 나선형 형상물들 사이의 직접 접촉을 회피한다. 이러한 방식으로, 타이밍 기어는 나선형 형상물의 로터가 윤활제가 없이 가능하도록 한다.
다르게는, 외부 타이밍 기어는 생략될 수 있어서, 로터들의 동기화는 오로지 그들의 맞물린 관계에 의해 결정된다. 이는 필연적으로 그들 맞물린 나선형 형상물을 통해 일 로터에서 다른 로터로의 토크의 동기화의 일부 전달을 암시한다. 이 경우, 나선형 형상물의 로터는 로터들 사이의 단단한 접촉과 그 결과로 인한 마모 및 시저(seizure)를 회피하기 위하여 윤활 처리되어야 한다.
로터의 동기화 및 이들 상이한 윤할제의 요구에 대한 이러한 선택적 접근법을 고려하면, 스크류 익스펜더의 2가지 메인 유형'오일-만액(oil-flooded)' 및 '무오일(oil-free)'이 있다.
오일-만액 머신은 로터 및 그 베이링의 나선형 형상물을 윤활 처리하고, 로터들 사이 및 로터들과 주변 케이싱 사이의 갭을 봉입하기 위하여 작동 유체내에 혼입된 오일에 의존한다. 이는 외부 샤프트 시일을 필요로 하나, 내부 시일은 필요로 하지 않으며, 기구 설계면에서는 간단하다. 결과적으로, 제조 비용이 저렴하고, 컴팩트하며 고 효율적이다.
대조적으로, 무오일 머신은 작동 유체를 오일과 혼합하지 않는다. 그러므로, 로터들의 나선형 형상물 사이의 접촉을 회피하기 위하여 타이밍 기어가 제공된다. 각 타이밍에서 기어 휠은 로터들 중 각각의 하나와 회전하고, 이들 기어 휠은 케이싱 외부에 맞물리며, 이들은 외부에서 오일로 윤활 처리된다. 그러므로, '무오일'은 머신 전에 대한 것이라기 보다는 케이싱 내부에 대한 것이다. 오일이 케이싱에 진입하고 작동 유체내에 혼입되는 것을 방지하기 위하여, 외부 샤프트 시일 외에도, 케이싱과 기어 휠 사이의 각각의 샤프트에 대해 내부 시일이 필요하다. 무오일 머신은 부피가 상당히 크고, 오일-만액 머신 보다 제조시 휠씬 고가이다. 그러나, 무오일 머신의 로터는 과도한 점성 저항(viscous drag) 없이 고속으로 회전할 수 있다. 그러므로, 무오일 머신의 용적 당 흐름 용량은 오일-만액 머신 보다 높다.
오일-만액 및 무오일 머신 모두는 윤활유(lubricating oil)가 머신에 재허용되기 전에 윤활유를 위한 외부 열 교환기를 필요로 한다. 익스펜더 어플리케이션에서, 열 교환기의 용도는 오일-만액 머신과 무오일 머신 사이에서 상이하다.
무오일 머신은 오일을 냉각하기 위해서 열교환기를 이용한다. 회로를 완성하기 위하여, 오일 탱크, 오일 필터 및 순환 펌프가 오일을 베어링 및 타이밍 기어에 반납하기 위하여 필요하다. 반대로, 오일-만액 머신은 방출된 작동 유체로부터 오일을 제거하기 위하여 익스펜더의 하류에 세퍼레이터를 필요로 한다. 분리된 오일은 다음으로 펌프내에서 재가압되어야 하고, 열 교환기는 오일이 케이싱의 고압 단부로 되돌아 가기 이전에 오일을 가열해야 한다. 이는 케이싱에 진입하는 작동 유체의 냉각을 방지하기 위한 것으로, 이는 그렇지 않으면 익스펜더의 효율을 떨어트린다.
이러한 윤활 처리 시스템은 두 유형의 익스펜더의 총 비용을 증가시키지만, 무오일 익스펜더에 대한 부가 비용이 훨씬 크다. 실제로, 무오일 익스펜더의 총 비용은 동일 용량의 오일-만액 익스펜더의 비용보다 한자리수 더 크다.
비용 외에, 무오일 및 오일-만액 윤활 처리 시스템은 다른 결함을 갖는다.
무오일 익스펜더 생산 시도는 내부 샤프트 시일이 작동 유체와 타이밍 기어를 윤활 처리하는 오일을 완벽히 분리하지 못할 수도 있다는 단점을 초래한다. 이 문제는 작동 유체가 윤활유내에 고 용해성인 냉각제 또는 탄화수소인 경우에 특히 심각하다.
오일-만액 익스펜더의 경우에, 확장 이후에 작동 유체로부터 오일은 완전히 분리하고 제거하는 것은 실제로는 불가능하다. 이는 시스템의 다른 부분에 점진적 오일 축적을 초래하고, 이는 작동상의 문제점을 야기한다. 물론, 그 실링 구조가 오일을 작동 유체로부터 완벽하게 분리하여 유지하는 것은 불가능한 무오일 익스펜더에서도 동일한 문제는 발생한다. 그러나, 무오일 익스펜더는 이러한 측면에서 오일-만액 익스펜더에 비해 일반적으로 더 우수하며, 따라서 오일 오염에 특히 민감한 어플리케이션은 그들의 큰 부피, 복잡성 및 훨씬 높은 비용에도 불구하고 무오일 익스펜더의 채용을 필요로 한다.
상술한 것처럼, 스크류 익스펜더의 로터는 그들의 각각의 축 둘레로의 회전을 위한 케이싱의 베어링 상에 장착된다. 다양한 유형의 베어링이 이용될 수 있다. 물론 윤활 처리 또한 여기서 중요 사항이다.
스크류 머신의 대다수가 로터를 지지하기 위하여 전동체(轉動體) 베어링을 이용한다. 이는 베어링 허용 오차(tolerances)가 매우 작도록 하고, 이는 다시 로터들 사이에 및 로터와 케이싱 사이에서 유지되어야 할 클리어런스(clearances)를 최소로 한다. 이는 그러므로 내부 누출을 최소로 하고, 따라서 효율을 최대화한다.
전동체(rolling element) 베어링은 볼베어링과 롤러 베어링을 포함한다. 이들은 2 표면을 분리하는 구형 볼 또는 원통형 또는 원뿔대(frusto-conical) 롤러 셋을 통해 롤링 접촉을 유지함에 의해 기능한다. 적절히 배치되는 경우, 전동체 베어링은 방사형 및 축방향 부하 모두를 지탱할 수 있다. 전동체와 이들이 주행하는 트랙 사이의 지배적 롤링 동작에도 불구하고, 마모 및 마찰 가열(frictional heating)을 최소화하기 위하여 이들 부분들 사이에서 오일의 경계막이 유지되어야 한다.
본 출원인의 국제 특허 출원 번호 PCT/GB2006/02148, 공개 WO 2006/131759는 작동 유체의 액체 성분이 저밀도의 용해된 오일만을 함유하는 경우라도 스크류 익스펜더내의 전동체 베어링을 윤활 처리하는 것이 가능함을 보여준다. 이 액체 성분이 베어링에 공급되는 경우, 작동 유체는 마찰 가열로 인하여 기화될 것이며, 베어링 동작을 효율적으로 유지하기 위하여 필요한 경계막을 공급하기 위하여 베어링 하우징 내에 충분한 오일을 잔류시킬 것이다. 그러나, WO 2006/131759의 윤활 원리는 증기와 같은 확산 유체 또는 오일이 액체 상태에서 용해될 수 없는 임의의 다른 유체를 위하여 스크류 익스펜더를 이용하는 경우 또는 작동 유체내에 극소량의 윤활유의 존재도 허용되지 않는 경우에는 적용할 수 없다.
Shaw의 US 6217304는 냉각제 장치용 스크류 컴프레서를 개시하는데,이론적으로는 로터를 시일하고 냉각하고 윤활 처리하기 위하여 가스 상태의 냉각제내에 혼입된 액체 냉각제의 액적을 이용할 수 있다. 복잡성의 불이익을 감수하고 필요하다면 액체 냉각제의 액적을 냉각제 흐름에 주입하는 것이 제시되어 있다. 그러나, US 6217304는 어떻게 그러한 컴프레서가 작동 유체내에서 오일 없이 작동할 수 있는지에 대한 가능성의 개시를 제공하지 않는다. 이는, 로터들 사이에 소량의 클리어런스를 허용하는 메일 로터를 위한 열가소성의 또는 다른 적절한 복합 재료의 사용에 관련된 것일 뿐이다.
US 6217304 에도 불구하고, 본 출원인이 아는 바로는 냉각제내에 용해되는 또는 혼입되는 방대한 양의 오일 없이 성공적으로 동작되는 냉각제 컴프레서는 없다. 폐회로 컴프레서와는 대조적으로 개회로 익스펜더내의 작동 유체로서 증기를 이용하는 경우에는 이는 불가능하다. 더욱이, 컴프레서를 윤활 처리하기 위하여 액체 냉각제를 이용하는 것은 냉각제의 불완전 기화 및 이에 따른 매우 열악한 성능 계수(즉, 냉각 효율)를 암시한다. 결과적으로, US 6217304에서 제시된 디자인 선택은 실제 머신에서 실천하기에는 어렵다.
본 발명은 이러한 배경 기술을 극복하기 위한 것이다.
일 측면에서, 본 발명은 액체 상태를 함유하는 작동 유체를 이용하는 스크류 머신에 있어서, 머신은 맞물리고 윤활 처리된 나선형 형상물을 갖는 2개 이상의 로터를 포함하며, 여기서 로터는 여기에서 한정된 'N' 프로파일을 가지며, 사용시, 로터의 나선형 형상물의 윤활 처리는 액상의 작동 유체를 이용하여 배타적으로 - 또는 적어도 대체로 그러함 - 달성된다.
본 발명은 액상을 포함하는 작동 유체를 이용하는 경우에 스크류 머신을 윤활 처리하는 방법으로서 표현될 수 있으며, 머신은 맞물리고 윤활 처리된 나선형 형상물을 갖는 2개 이상의 로터를 포함하며, 여기서 로터는 여기에서 한정된 'N' 프로파일을 가지며, 상기 방법은 액상의 작동 유체를 사실상 배타적으로 이용하는 로터의 나선형 형상물을 윤활 처리하는 단계를 포함한다.
본 명세서에서 '사실상 배타적'이라는 말은 의도적으로 추가하려는 것은 아니더라도 작동 유체로서 소량 또는 미량의 다양한 다른 유체가 혼입될 수 있으며, 일부 매우 약간의 윤활 효과를 가질 수 있음을 반영하려는 것이다. 그러나, 효과적인 윤활 처리는 특정 작동 유체의 액상의 존재에 전반적으로 또는 지배적으로 의존하여, 그 부재는 윤활 처리가 효과가 없게 된다.
그러므로, 근본적으로 전체 윤활 처리 임무는 특정 작동 유체의 액상에 의해 수행된다. 더욱이, 작동 유체내에 혼입되는 윤활 액체는 바람직하게는 작동 유체에 대해 추가 액체를 사실상 사전에 추가하지 않고 익스펜더로 진입하는 작동 유체로부터 추출된다. 이는 유리하게 간단한 배치이다. 그러나, 사전 추가 액체의 추가는 필요하다면 가능하고, 넓은 범위에서 본 발명에서 배재되지 않는다.
나선형 형상물에 대한 윤활제로서 액상의 작동 유체를 이용하는 것은 이들 형상물에 오일 윤활제를 공급하기 위한 고가의 윤활 처리 시스템이 필요 없도록 한다. 또한, 작동 유체의 오일 오염을 회피하고 작동 유체가 머신을 통과한 이후에 작동 유체로부터 오일을 분리할 필요성을 방지한다.
로터는 임의의 적절한 재료로 제조될 수 있다. 어떤 종류의 마모든지 발생하는 것을 최소화하기 위하여, 그들의 나선형 형상물은 예를 들면 Oerlikon Balzers 사에 의해 제공되는 Balinit C2(상표)와 같은 저마찰 코팅으로 코팅될 수 있다. Balinit C2는 물리적 기상 증착(PVD)에 의해 증착되는 'WC/C' 코팅이며, 카바이드 상(carbide phase) 및 카본 상(carbon phase)을 포함한다. 로터의 적어도 나선형 형상물에 저마찰 코팅을 이용하는 것은 마모 특성이 그러한 코팅을 소망하는 경우에 바람직하다. 그러나, 가격으로 인하여, 로터의 나선형 형상물은 가능하다면 코팅되지 않는 것이 바람직하며, 'N' 프로파일 로터의 이용으로 인하여 본 발명의 잠재적 이점이 가능하다.
로터가 만족할 만하도록 윤활 처리되는 것을 보장하기 위해서는, 코팅된 'N' 프로파일 로터를 이용하는 것이 바람직하다. 그러나, 본 출원인의 테스트 결과 Balinit C2와 같은 저마찰 코팅으로 코팅된다면, 다른 프로파일의 로터도 일부 어플리케이션에서 이용될 수 있음을 제시한다. 그러므로, 다른 측면에서, 본 발명은 액상을 포함하는 작동 유체와 함께 이용하는 스크류 머신에 대한 것이며, 머신은 저마찰 코팅으로 코팅된 맞물리고 윤활 처리된 나선형 형상물을 갖는 2개 이상의 로터를 포함하며, 사용시, 로터의 나선형 형상물의 윤활 처리는 액상의 작동 유체로 사실상 배타적으로 달성된다. 본 발명의 이러한 측면은 액상을 함유하는 작동 유체를 이용하는 경우의 스크류 머신의 윤활 처리의 방법으로서 표현될 수 있으며, 상기 머신은 저마찰 코팅으로 코팅된 맞물리고 윤활 처리된 나선형 형상물을 갖는 2개 이상의 로터를 포함하며, 여기서 상기 방법은 사실상 배타적으로 액상의 작동 유체로 로터의 나선형 형상물을 윤활 처리하는 단계를 포함한다.
본 발명의 모든 측면에서, 로터는 바람직하게는 사용시 액상 작동 유체에 의해 사실상 배타적으로 윤활 처리되는 베어링에 의해 지지된다. 베어링을 윤활 처리하기 위하여 액상을 이용하는 것은 이들 베어링에 오일 윤활제를 공급하기 위한 고가의 윤활 처리 시스템이 필요 없도록 한다. 또한 작동 유체의 오일 오염을 방지하고, 다시 작동 유체가 머신을 통과한 이후에 작동 유체로부터 오일을 분리할 필요성을 방지한다.
액상 작동 유체에 의해 윤활 처리된 베어링은 바람직하게는 간략화를 위해 유체역학적이나, 유체정역학적(hydrostatic)일 수도 있다. 유체역학적 베어링을 위해서는 큰 클리어런스가 필요로 하며, 베어링내의 샤프트의 휠링(whirling)이 전동체 베어링을 이용하는 등가 머신에 비해 상기 머신을 약간 덜 효율적으로 만들지만, 베어링 윤활제로 액상의 물을 이용하는 스크류 증기 익스펜더가 생산될 수 있다.
유체역할적 베어링은 회전 또는 슬라이딩 부분과 그들의 정적 케이싱 사이의 윤활막을 유지함에 의해 동작하여, 시작과 종료시를 제외하고는 이들 사이에는 접촉이 없다. 동작의 기본 원리는 막이 균일 두께가 아니라는 점이다. 저어널 베어링(journal bearing)의 경우에, 샤프트의 회전의 중심이 둘러싸는 케이싱의 반경의 중심으로부터 변위되는 곳에서 이러한 것이 발생한다. 이는 샤프트 둘레의 불균일 윤활막을 생성하고, 결과적으로 막이 가장 얇은 영역에서 윤활제의 압력을 크게 증가시키게 된다. 막 둘레의 압력의 차이는 샤프트가 둘러싸는 케이싱과 정렬되도록 물러나게 하기에 충분하여, 샤프트와 케이싱이 접촉되도록 하는 것을 방지한다.
윤활막에서 생성되는 압력은 윤활제의 점도 및 윤활막에서 달성되는 두께의 감소에 의존한다. 통상 그러한 베어링은 오일-윤활 처리된다. 그러나, 미국 위스콘신의 Waukesha Bearings과 같은 일부 특수한 회사는 물 및 경질 탄화수소와 같은 매우 낮은 점도의 액체를 채용하는 유체역학적 베어링을 개발하였다. 이러한 베어링의 성공의 키는 매우 미세한 최소 막 두께로 동작하는 능력 및 시작과 종료 동안 쉽게 고착 또는 마모되지 않는 베어링 재료를 이용하는 것이다.
유체정역학적 베어링은 또한 본 발명의 넓은 범위에서는 가능하나, 이를 이행하기 위해서는 외부 펌프 및 순환 시스템을 필요로 하므로 바람직하지 않다. 구체적으로는, 그러한 베어링은 고압 가스 또는 액체가 허용되는 케이싱내의 일련의 패드에 의해 로터 샤프트가 둘러싸는 케이싱과 접촉하도록 하는 것을 막는다. 로터 샤프트와 패드 사이의 압력으로부터의 힘의 균형은 이들 사이에서 이뤄지는 접촉을 방지하고, 로터 샤프트는 회전하므로 유체에 의해 지지된다.
적절히 디자인된 경우, 볼 또는 롤러 타입과 같은 전동체 베어링은 로터를 지지하는데도 이용될 수 있다.
베어링을 윤활 처리하는 액체가 작동 유체로부터 개별적으로 얻어지도록 하는 것이 가능할 것이다. 그러나, 이는 그럴듯하고 따라서 로터의 나선형 형상물과 같이 베어링이 작동 유체로부터 추출된 액상에 의해 윤활 처리되도록 하는 것이 바람직하다.
익스펜더 어플리케이션에서, 작동 유체는 가장 유리하게는 물 또는 습증기로서, 나선형 형상물과 또한 선택적으로는 베어링을 윤활 처리하는데 이용되는 액상은 증기의 흐름내에 혼입될 액체 물(liquid water)이다. 그러나, 동일 유체의 액상이 로터의 나선형 형상물과 선택적으로는 베어링을 윤활 처리하는데 용이하다는 점을 고려하면, 스크류 머신은 탄화수소 또는 냉각제와 같은 임의의 작동 유체용으로 유사하게 디자인될 수 있다.
로터의 나선형 형상물을 윤활 처리하기 위하여 물과 같은 낮은 점성의 액체를 이용하는 것은 오일에 비해 이 윤활제가 더 낮은 점성 저항을 야기하다는 점에서 더욱 유리한 점을 갖는다. 그러므로, 로터는 흐름 능력 덕택에 등가의 오일-만액 머신에 비해 더 높은 속도로 회전할 수 있다.
단순성, 컴팩트성, 저비용 및 특히, 불필요한 오일 윤활제를 회피할 수 있기 위해서는, 로터가 별도의 타이밍 기어에 의해 링크되지 않는다는 점이 훨씬 바람직하다. 그러므로, 오일-만액 머신과 같이, 로터의 동기화를 위해서는 맞물린 나선형 형상물의 협력에 간단히 의존하는 것이 유리하다. 이는 동기화 토크가 그들 맞물린 나선형 형상물을 통해 사실상 배타적으로 일 로터에서 다른 로터로 전달됨을 의미한다.
증기 스크류 익스펜더는 과거에 일부 경우에 구축되고 테스트되었으나, 이들 중 어디에도 공정-유체 윤활 처리된다는 기록이나 이들 주 어느 것도 성공적으로 동작한다는 기록이 없다.
본 발명을 이용하여, 작동 유체가 베어링을 윤활 처리하기 위하여 이용될 수 있다면, 전체 오일 윤활 시스템 및 무오일 또는 오일-만액 머신을 위해 필요한 추가 구성물은 제거될 수 있다.
테스트 1
'N' 로터 프로파일을 갖는 스크류 머신을 테스트 하는데 있어서, 본 출원인은 오일-만액 유형의 따라서 타이밍 기어가 없는 에어 컴프레서를 실험하였다. 그러므로, 컴프레서는 로터를 동기화하기 위하여 로터의 나선형 형상물들 사이의 윤활 처리된 접촉에 의존한다.
직관에 반대적으로, 본 출원인은 오일을 대신하여 작동 유체로 주입되는 물만으로 로터의 나선형 형상물을 윤활 처리하는 것을 실험하였다. 이 경우, 로터를 케이싱에 장착하는 베어링은 전동체 타입이고, 그리스로 뻑뻑하다. 로터는 Balinit C2 코팅으로 코팅되는 강철이다.
컴프레서는 오일 대신 작동 유체로 주입되는 물만에 의해 윤활 처리된 로터의 나선형 형상물들 사이가 접촉되면서 150시간 동안 주행되었다. 그 기간의 종료시, 로터가 시험되었고, 접촉 대역 상의 경미한 광택을 제외하고는 어떠한 마모나 손상의 흔적을 보이지 않는다.
테스트 2
예 1의 코팅될 로터는 코팅되지 않은 강철의 한 쌍의 'N'-프로파일 로터에 의해 대체되고, 5시간 동안 더 주행된다. 이 기간의 종료시, 코팅되지 않은 로터가 시험되었고, 이들 또한 마모의 현저한 흔적을 보이지 않는다.
테스트 3
다음으로, 코팅되지 않은 'N'-프로파일 로터를 갖는 컴프레서가 실수로 어떠한 물도 작동 유체에 주입하지 않고 2시간 동안 주행되었다. 머신이 로터의 나선 형상물의 윤활 처리 없이 상당히 긴 기간 동안 주행된 경우에 당연히 일부 손상이 예상되지만, 로터는 여전히 현저한 손상 없이 유지된다.
본 출원인은 'N' 프로파일 로터를 갖는 스크류 머신에 있어서, 윤활 처리 시스템이 주기능은 베어링을 윤활 처리하는 것이라고 결론지었다. 액체가 물과 같은 낮은 점도를 가지더라도, 일부 액체가 로터의 나선형 형상에 존재하는 한, 로터의 직접 접촉을 회피하기 위하여 타이밍 기어가 필요없다. 본 발명은 이러한 발견을 이용하고, 이 원리를 구현한다.
도 1a 내지 도 1d와 도 2a 내지 도 2d는 일부 종래 기술의 로터 프로파일을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스팀 익스펜더를 통과하는 개략적 단면도이며,
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스트림 익스펜더를 통과하는 개략적 단면도이다.
일부 종래 기술의 로터 프로파일을 설명하기 위하여 첨부된 도면 중 도 1a 내지 도 1d와 도 2a 내지 도 2d가 참조되었다. 본 발명이 보다 쉽게 이해되도록 하기 위하여, 첨부된 도면을 예로서 참조하였다:
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스팀 익스펜더를 통과하는 개략적 단면도이며,
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스트림 익스펜더를 통과하는 개략적 단면도이다.
도 3을 먼저 참조하면, 스크류 익스펜더(20)는 평행축 둘레로 케이싱 내에서 이중반전(contra-rotate)하는 2개의 맞물린 나선형 로브된 로터(10, 16)를 포함하는 고정된 케이싱(22)을 포함한다. 로터(10, 16)는 선택적으로는 전술한 Balinit C2와 같은 저마찰 코팅으로 코팅된 강철과 같은 임의의 적절한 재료이다. 이들은 본 출원인에 의해 WO 97/43550서 개시된 'N' 로터 프로파일을 갖는다.
각 로터 (10, 16)는 각각의 샤프트(24, 26)에 장착되고, 다시 이는 각각의 샤프트의 각각의 단부를 지지하는 유체역학적 베어링(28)에 의해 케이싱(22)에 장착된다. 샤프트 중 하나(26)는 전기를 생성하기 위한 발전기(도시 없음)를 구동하기 위하여 케이싱(22)의 외부로 연장된다.
확장될 작동 유체(예를 들면, 습증기)는 고압에서 주입구(30)를 통해 케이싱(22)으로 진입한다. 증기는 케이싱(22)의 내부를 통해 흘러가고 확장하여, 로터(10, 16)가 고속으로 회전하도록 하고, 방출구(32)를 통해 저압에서 케이싱(22)을 빠져나온다.
로터(10, 16)의 회전을 동기화시키기 위한 타이밍 기어가 없다. 대신에, 로터(10, 16)는 나선형 형상의 맞물린 체결구조로 인하여 동기화된다. 이는 나선형 형상이 윤활 처리되는 것을 필요로 하고, 이는 공급되는 습증기내로 혼입되는 액상의 물에 의해 보장된다.
도시된 실시예에서, 베어링(28)은 또한 공급되는 습증기로부터 추출되는 물에 의해 윤활 처리된다. 저장소(reservoir; 34)는 주입구(30)와 소통하고, 압력을 받은 물을 공급선(36)을 통해 베어링(28) 각각에 제공한다.
도면 중 도 4에 도시된 선택적 개조물에서, 각 로터 샤프트(24, 26)의 단부에서의 밸런스 피스톤(38)은 샤프트의 축방향 부하에 대항하기 위하여 작동 유체의 압력을 이용하고, 따라서 샤프트를 지지하는 베어링(28)에 의해 체험되는 축방향 부하를 감소시킨다. 그러므로, 압력선(40)은 밸런스 피스톤(38)을 주입구(30)에 연결시킨다.
확장을 위한 작동 유체는 지열(geothermal) 소스로부터의 증기와 같은 다양한 소스로부터 얻어질 수 있다. 이에 대해, 터빈 익스펜더에 비해 스크류 익스펜더의 주요 장점은 손상의 위험은 적으면서 습식 작동 유체(즉, 가스 및 액상 모두를 함유하는 유체)를 처리하는 능력이다. 스크류 익스펜더는 또한 지열 소스로부터의 미세 입자의 모래 또는 부식된 배관으로부터의 녹(rust)을 포함하는 습증기와 같이 오염된 또는 더러운 작동 유체를 처리하는데 있어 터빈 익스펜더 보다 훨씬 우수하다. 다른 이점으로는 상대적으로 작은 파워 출력으로 인해 터빈 보다 잠재적으로 더 비용-효과적이라는 점이다.
전술한 설명은 본 발명이 무오일 머신에서 필요로 하는 타이밍 기어, 내부 샤프트 시일, 윤활제 저장소, 윤활제 펌프, 윤활제 필터 또는 열교환기 또는 오일-만액 머신에서 필요로 하는 윤활제 펌프, 열 교환기 및 오일 분리기를 필요로 하지 않는 스팀 익스펜더를 디자인 및 제조하는 것이 가능하도록 한다는 점을 보여준다. 더욱이, 종래 기술에서 무오일 및 오일-만액 머신 모두에서 공통인 작동 유체를 오염시키는 윤활유의 문제가 본 발명에 의해 완전히 극복된다.
산업적 증기 시스템은 본 발명에 따른 스크류 익스펜더의 주요 잠재적 어플리케이션을 나타낸다. 많은 산업 공정은 예로서 음식 준비, 종이 제조 및 화학적 공정과 같이 증기의 공급을 필요로 한다. 일반적으로, 중앙 보일러(boiler)는 약간 고압에서 증기를 생성하고, 이 증기는 파이프 시스템을 통해 공장, 플렌트 또는 다른 산업적 설비 주위에 분배된다. 증기는 필요로 하는 위치 각각에서 브랜치 파이프를 통해 뽑혀진다.
산업 설비내의 상이한 공정이 상이한 증기 압력을 필요로 할 수 있으므로, 각각의 브랜치 파이프는 일반적으로 어떠한 낮은 압력도 요청중인 공정에 필요할 수 있으므로 증기를 스로틀하는 제어 밸브를 갖는다. 증기 압력을 감소시키기 위하여 스로틀 밸브 대신에 스크류 익스펜더를 이용하는 것이 가능하다. 이는 필요한 낮은 압력에서 여전히 증기를 공급하면서도 확장 공정으로부터 파워을 복구하는 것이 가능하도록 한다. 본 발명에 의해 허용되는 비용, 견고성, 컴팩트성, 신뢰성, 효율 및 오일 오염 방지의 이점은 특히 산업 설비에서 멀티플 스로틀 밸브를 대체하는 여지가 있는 그러한 어플리케이션에 대해 증기 익스펜더를 허용하는데 있어 중요하다.

Claims (18)

  1. 습증기를 작동 유체로서 이용하는 스크류 익스펜더로서, 상기 익스펜더는 맞물리고 윤활 처리된 나선형 형상물을 갖는 2개 이상의 로터를 포함하며, 상기 로터는 본 명세서에서 정의되는 'N' 프로파일을 가지며, 사용시, 상기 습증기 작동 유체내에 혼입된 물이 상기 로터의 상기 나선형 형상물의 윤활 처리를 사실상 배타적으로 담당하는, 익스펜더.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 나선형 형상물은 저마찰 코팅으로 코팅되는, 익스펜더.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 코팅은 카바이드 상(carbide phase) 및 탄소 상(carbon phase)을 포함하는, 익스펜더.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로터는 또한 사용시 물에 의해 사실상 배타적으로 윤활 처리되는 적어도 하나의 베어링에 의해 지지되는, 익스펜더.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 베어링은 유체역학 베어링인, 익스펜더.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 베어링은 전동체(rolling-element) 베어링인, 익스펜더.
  7. 청구항 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 베어링은 상기 습증기 작동 유체로부터 추출되는 물에 의해 윤활 처리되는, 익스펜더.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로터는 상기 맞물린 나선형 형상물을 통해 하나의 로터에서 다른 로터로 전달되는 동기화 토크에 의해 동기화되는, 익스펜더.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 로터들 사이에서 동작하는 타이밍 기어를 가지지 않는, 익스펜더.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 로터에 대한 축방향 부하에 대항하여 동작하는 스러스트 피스톤(thrust piston)을 더 포함하는, 익스펜더.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 스러스트 피스톤은 상기 습증기 작동 유체의 압력에 의해 동작되는, 익스펜더.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 습증기 작동 유체내에 혼입되는 상기 윤활 처리 물은 상기 익스펜더에 진입하는 상기 습증기로부터, 상기 습증기에 또 다른 물을 사실상 사전 추가하지 않고, 추출되는, 익스펜더.
  13. 습증기를 작동 유체로서 이용하는 경우에 스크류 익스펜더를 윤활 처리하는 방법으로서, 상기 익스펜더는 맞물리고 윤활 처리된 나선형 형상물을 갖는 2개 이상의 로터를 포함하며, 상기 로터는 본 명세서에서 정의되는 'N' 프로파일을 가지며, 상기 방법은 습증기 작동 유체내에 혼입된 물로 상기 로터의 상기 나선형 형상물을 사실상 배타적으로 윤활 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 로터를 지지하는 베어링을 윤활 처리하기 위하여 물을 이용하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 습증기 작동 유체로부터 상기 베어링을 윤활 처리하는 물을 추출하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 청구항 13 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서, 상기 맞물린 나선형 형상물을 통해 하나의 로터에서 다른 로터로 동기화 토크를 전달함에 의해 상기 로터를 동기화하는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 청구항 13 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서, 상기 습증기 작동 유체내에 혼입되는 윤활 처리 물은 상기 익스펜더에 진입하는 상기 습증기로부터, 상기 습증기에 또 다른 물을 사실상 사전 추가하지 않고, 추출되는, 방법.
  18. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 기재된 스크류 익스펜더를 포함하거나 청구항 12 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 기재된 방법에 따라 동작하는 스크류 익스펜더를 갖는 발전기.
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