KR20140044378A - 구름 베어링을 구비한 터보-압축기 트레인 및 관련 조립 방법 - Google Patents

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Abstract

터보-압축기 트레인(100) 및 터보-압축기 트레인을 조립하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 트레인은 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하도록 구성된 가스 터빈 엔진(102, 104, 106)과, 가스 터빈 엔진의 샤프트(108)에 연결된 샤프트(110)를 구비한 원심 압축기(112)와, 합성유를 가스 터빈 엔진 및 원심 압축기에 제공하도록 구성된 단일 윤활 펌프를 포함한다. 가스 터빈 엔진, 원심 압축기 및 단일 윤활 펌프는 구름 베어링만을 구비한다.

Description

구름 베어링을 구비한 터보-압축기 트레인 및 관련 조립 방법{TURBO-COMPRESSOR TRAIN WITH ROLLING BEARINGS AND RELATED ASSEMBLY METHOD}
본 발명에 개시된 주요 실시예는 방법 및 시스템에 관한 것이며, 특히, 단일 윤활유 펌프 및/또는 단일 윤활유 매체를 구비한 완전한 터보-압축기 트레인을 제공하기 위한 기구 및 기술에 관한 것이다.
가스 터빈은 군대(military)에서 발전까지 산업의 여러 부문에서 이용된다. 이들은 전기 에너지를 생성시키는데 주로 이용된다. 그러나, 몇몇의 가스 터빈은 다양한 차량, 항공기, 선박을 추진하는데 이용된다. 오일 및 가스 분야에서, 가스 터빈은 압축기, 펌프 및/또는 발전기를 구동시키는데 이용된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 가스 터빈(12)은 압축기 또는 발전기(14) 및 보조 설비(16)에 연결될 수 있다. 기어 박스(18) 또는 다른 설비는 가스 터빈(12)과 압축기 또는 발전기(14) 사이에 제공될 수 있다. 모든 이러한 구성요소들은 터보-압축기 트레인(10)을 형성한다. 가스 터빈(12)은 유입구(22)에서 가스(예를 들어, 공기)를 수용하고, 사전결정된 압력으로 압축된 가스를 배출구(24)로 제공하도록 구성된 압축기(20)를 포함할 수 있다. 다음에, 압축된 가스는 연소실(26)로 투입되며, 연소실에서 라인(28)으로부터 제공된 연료와 혼합된다. 가스와 연료의 혼합은 점화되어 고압에서 고온 가스가 익스팬더(32)의 유입구(32)로 제공된다. 배기 가스가 익스팬더(32)의 배출구(34)로 방출된다.
익스팬더(32)를 통한 고온 가스의 팽창은, 기어 박스(18)를 통해 압축기(14)의 샤프트에 연결되는 회전부(도시되지 않음)의 회전을 결정한다. 따라서, 압축기(14)는 익스팬더(32)에 의해 구동된다. 터보-압축기 트레인(10)의 하나 이상의 구성부품은 고속으로 회전하는 무거운 회전부(예를 들어, 샤프트, 임펠러 등등)를 포함한다. 구성부품의 회전 운동을 촉진하고, 또한 마찰을 최소화하기 위해서, 다양한 베어링 유닛이 트레인 내에 제공된다. 몇몇의 구성체가 후술된다. 도 2a 내지 도 2c는 몇몇 부품이 구름 베어링을 가지며 나머지 부품이 유체 동압 베어링을 갖는 도 1의 트레인(10)을 도시하고 하고 있다. 구름 베어링을 구비하는 부품은 A, 유체-동압 베어링을 구비한 부품은 B로 한다. 또한, 구름 베어링은 합성유를 사용하는데 필요하지만 유체 동압 베어링은 광유를 사용하는데 필요하다는 것을 주목해야 한다. 따라서, 도 2a 및 도 2b에 도시된 구성체는 2개의 윤활 펌프, 각각의 형태의 베어링에 대해서 하나를 필요로 하지만, 도 2c에 도시된 구성체는 하나의 윤활 펌프, 및 광유를 이용한다. 이러한 구성체는 이중 윤활 펌프로 인해 보다 높은 중량 및 유지 비용을 가지며 이는 보다 높은 설비 복잡성을 요구한다. 도 2c에 도시된 구성의 단점은 유체 동압 베어링에 있어서 요구되는 보다 높은 윤활유 소비이다.
따라서, 전술된 문제점 및 결점을 방지하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
일 예시적 실시예에 따르면, 열 에너지를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성된 가스 터빈; 가스 터빈의 샤프트에 연결되는 샤프트를 갖는 원심 압축기; 및 가스 터빈 및 원심 압축기에 합성유를 제공하도록 구성된 단일 윤활 펌프를 포함하는 터빈-압축기 트레인이 제공된다. 가스 터빈, 원심 압축기 및 단일 윤활 펌프 각각은 구름 베어링만을 구비한다.
다른 예시적 실시예에 따르면, 열 에너지를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성된 가스 터빈; 가스 터빈의 샤프트에 연결되는 샤프트를 갖는 발전기; 및 가스 터빈, 및 발전기에 합성유를 제공하도록 구성된 단일 윤활 펌프를 포함하는 터보-압축기 트레인이 제공된다. 가스 터빈, 발전기 및 단일 윤활 펌프는 각각 구름 베어링만을 구비한다.
또 다른 예시적 실시예에 따르면, 터보-압축기 트레인을 조립하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 원심 압축기에 가스 터빈을 기계적으로 연결하는 단계; 윤활 펌프를 가스 터빈에 기계적 또는 전기적으로 연결하는 단계; 및 각각 구름 베어링만을 구비하는 가스 터빈, 원심 압축기 및 윤활 펌프를 제공하는 단계로서, 상기 윤활 펌프는 합성유를 펌핑하도록 구성된, 상기 제공 단계를 포함한다.
본 명세서에 포함되어 그 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 하나 이상의 실시예를 도시하며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 실시예를 설명하는 작용을 한다.
도 1은 종래의 터보-압축기 트레인의 개략적인 도면,
도 2a 내지 도 2c는 2개의 윤활 펌프를 구비하거나 광유만이 공급되는 종래의 터보-압축기 트레인의 개략적인 도면,
도 3은 구름 베어링의 개략적인 도면,
도 4는 유체-동압 베어링의 개략적인 도면,
도 5는 예시적인 실시예에 따른 단일 윤활 펌프를 구비한 터보-압축기 트레인의 개략적인 도면,
도 6은 예시적인 실시예에 따른, 트레인에 전기적으로 연결되는 단일 윤활 펌프를 구비한 터보-압축기 트레인의 개략적인 도면,
도 7은 원심 압축기의 개략적인 도면,
도 8은 예시적인 실시예에 따른 단일 윤활 펌프를 구비한 다른 터보-압축기 트레인의 개략적인 도면,
도 9는 예시적인 실시예에 따른 단일 윤활 펌프를 구비한 터보-압축기 트레인을 조립하기 위한 방법의 흐름도.
예시적인 실시예에 관한 이하의 설명은 첨부 도면들을 참조한다. 여러 도면들에서 동일한 참조 부호는 동일한 또는 유사한 요소를 나타낸다. 이하의 구체적인 설명은 본 발명을 제한하는 것이 아니다. 그 대신에, 본 발명의 범위는 특허청구범위에 의해서 결정된다. 단순한 설명을 위해서, 이하의 실시예들은 압축기 또는 발전기에 연결되는 가스 터빈 시스템의 구조 및 용어와 관련하여 설명된다. 그러나, 다음에 설명되는 실시예들은 이들 시스템으로 제한되지 않고, 각각의 기계가 자체 베어링 시스템을 가지며, 서로 연결되는 복수의 기계를 구비하는 다른 시스템에도 적용될 수 있을 것이다.
본원 명세서에서 "일 실시예" 또는 "하나의 실시예"는 실시예와 관련하여 설명된 특별한 특징, 구조 또는 특성이 기재된 청구 대상의 하나 이상의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 그에 따라, 명세서의 여러 위치에 기재된 "일 실시예에서" 또는 "하나의 실시예에서"라는 문구가 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 그러한 특별한 특징, 구조 또는 특성이 하나 또는 둘 이상의 실시예에서 적절한 방식으로 조합될 수 있을 것이다.
예시적인 실시예에 따라서, 전체 터보-압축기 트레인은 구름 베어링을 구비한다. 따라서, 어떠한 부품도 유체-동압 베어링을 갖지 않으며, 이는 압축기가 유체 동압 베어링을 갖는 종래의 트레인과는 상이하다. 이와 관련하여, 축방향 추력을 상쇄시키는데 보다 복잡하기 때문에, 이러한 해결책을 위해서 종래의 원심 압축기는 구름 베어링을 갖지 않는다. 게다가, 구름 베어링을 갖는 압축기의 동적 거동은 고강도에 의해 부정적인 영향을 받지만, 유체동압 베어링을 갖춘 해결책은 훨씬 더 좋지 않다(damping). 이러한 예시적인 실시예에서, 단일 윤활 펌프는 모든 구성부품에 이용되며, 이는 트레인의 보다 낮은 중량, 보다 낮은 기계 비용, 보다 낮은 풋프린트(footprint), 및 보다 높은 신뢰도를 야기한다. 유체 동압 베어링에 있어서 미네랄 윤활유 펌프를 제거함으로써, 기계에 따라서, 250 kW의 에너지가 절약될 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예에 따라서, 트레인의 모드 구성부품은 합성유를 사용한다. 단일 윤활 펌프는 트레인의 일부분일 수 있으며 또는 트레인의 보조 부품일 수 있다. 윤활 펌프는 트레인에 기계적 또는 전기적으로 연결될 수 있다.
신규한 트레인의 구성체를 설명하기 전에, 구름 베어링, 유체-동압 베어링, 광유 및 합성유의 간략한 설명이 순서대로 되어 있다. 일반 구름 베어링(50)은 도 3에 도시되어 있다. 구름 베어링(50)은 두 개의 레이스, 외부 레이스(52) 및 내부 레이스(54)를 포함한다. 이러한 두 개의 레이스는 구름 요소(56)를 안내한다. 구름 요소(56)는 도면에 도시된 바와 같이 볼일 수 있으며, 또는 다른 형상, 예를 들어, 원통형일 수 있다. 이들은 테이퍼되거나 또는 아닐 수 있다. 케이지(58)는 일부분에서 다른 부분으로 원하는 거리로 구름 베어링을 유지하기 위해서 이용될 수 있다. 다른 형태의 구름 베어링이 존재하며 공지되어 있다.
도 3에 도시된 구름 베어링(50)은 통상적으로, 분야에 따라서, 합성유 또는 그리스(grease)으로 윤활된다. 합성유는 인공적으로 제조된(합성된) 화학 성분을 포함하는 윤활제이다. 합성 윤활제는 원유보다는 화학적으로 개량된 석유 성분을 이용하여 제조될 수 있지만, 다른 원자재로 합성화될 수도 있다. 합성유는 극한 기온에서 작동하는 경우에 석유로부터 정제된 윤활제 대용으로 이용될 수 있으며, 이는 일반적으로 통상의 광유 내에서 발견되는 것보다 우수한 기계적 화학적 특성을 제공한다.
일반 유체-동압 베어링(60)은, 각각 작동 표면(64a)을 갖는 복수의 패드(64)를 유지하도록 구성된 링(62)을 포함한다. 패드(64)는, 샤프트(도시되지 않음)가 링(62) 내측으로 방향(A)에서 고속으로 회전하는 경우에, 회전 방향(A)으로 패드가 슬라이딩하는 것을 방지하기 위해서 차단 플레이트(66)에 의해 유지된다. 축방향 변위를 방지하기 위해 상응하는 유지 플레이트(68)는 링(62)에 인접하여 패드(64)를 유지한다. 링(62), 차단 플레이트(66) 및 유지 플레이트(66)는 패드(64)가 리테이닝 헤드(도시되지 않음) 둘레를 피봇할 수 있는 사전결정된 용적을 규정한다. 광유가 작용 표면(64a) 상에 제공되어, 회전식 샤프트(도시되지 않음)와 패드(64) 사이에 오일막이 형성된다.
광유는 가솔린 및 원유로부터 다른 석유계 산물을 생성하기 위한 석유의 증류의 액체 부산물이다. 광유는 페트롤리옴 젤리(petroleum jelly)("백색 페트롤라툼"으로서도 공지됨)와 관련되는, 주로 알칸(통상적으로 15 내지 40 탄소) 및 사이클릭 파라핀(cyclic paraffins)을 포함한다.
전술된 바와 같이, 예시적인 실시예에 따라서, 터보-압축기 트레인은 유체-동압 베어링이 아닌 구름 베어링만을 갖도록 구성된다. 따라서, 터보-압축기 트레인 내의 압축기는 원심 압축기이며, 유체-동압 베어링은 이용되지 않는다. 이와 관련하여, 종래의 원심 압축기는 구름 베어링이 아닌 유체-동압 베어링만을 이용하는 것을 주목해야 한다.
도 5는 유체-동압 베어링이 아닌 롤링 베어링만을 구비한 모두 구성부품을 갖는 터보-압축기 트레인(100)의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 터보-압축기 트레인(100)은 연소 챔버(104)에 유체 연통되는 압축기(102)를 포함하며, 상기 연소 챔버 내에서 연료 및 공기가 서로 혼합되어 점화된다. 고온 가스가 익스팬더(106)에 제공되며, 익스팬더의 샤프트는 고온 가스의 팽창에 의해 회전된다. 익스팬더(106)는 축방향 익스팬더일 수 있다. 익스팬더(106)의 샤프트(108)는 원심 압축기(112)의 샤프트(110), 및 압축기(102)에도 연결될 수 있다. 압축기(102)의 샤프트는 펌프(116)의 샤프트에 회전 운동을 전달하도록 구성되는 보조 기어 박스(114)에 연결될 수 있다. 펌프(116)는 터보-압축기 트레인의 다양한 구성부품의 구름 베어링에 필요한 합성유용 윤활 펌프일 수 있다.
도 6에 도시된 예시적인 실시예에 따라서, 트레인(200)은 펌프(216)가 트레인의 부품이 아닌 것을 제외하고 트레인(100)에 대한 도 5에 도시된 모든 구성부품을 포함한다. 또한, 펌프(216)는 트레인에 기계적으로(회전 운동) 연결되지 않는다. 예시적인 실시예에서, 펌프에, 예를 들어, 전원(218)(예를 들어, 트레인의 전력망 또는 전력 발생기)으로부터 전력이 공급된다. 이와 관련하여, 적용예(예를 들어, 도 5 및 도 8)에 개시된 모든 실시예는 트레인에 기계적 또는 전기적으로 연결되는 펌프를 가질 수 있다. 또한, 펌프는 적용분야에 따라서, 트레인의 부품이거나 아닐 수 있다.
예시적인 실시예에 따라서, 펌프(116), 보조 기어 박스(114), 압축기(102), 익스팬더(106) 및 원심 압축기(112) 각각은 구름 베어링을 갖는다. 따라서, 예시적인 실시예에 따라서, 단일 윤활 펌프가 이용되며, 이용되는 오일은 합성유이다. 일 적용예에서, 원심 압축기(112)는 발전기로 대체될 수 있다. 이러한 경우에, 발전기는 유체-동압 베어링이 아닌 구름 베어링을 갖는다. 구름 베어링은 유체-동압 베어링에 비해 축추력을 충분히 지지할 수 없기 때문에, 전용 축 균형 시스템(본 특허 출원의 양수인에 의해 개발됨)이 필요할 수 있다.
전술된 바와 같이 변형된 일반 원심 압축기(140)가 도 7에 도시되어 있으며, 공기 흡입은 위치(142)에서 X방향을 따라, 임펠러(144), 임펠러(144)를 통한 원심 작용으로 인해 증가된 공기의 속도를 가지며 위치(146)로 Y방향을 따라 존재하는 사실에 의해 규정된다. 임펠러(144)는 샤프트(110)에 연결되는 것으로 도시되어 있으며, 이는 구름 베어링(148, 150)에 의해 지지된다.
도 5를 참조하면, 파이핑(170)은 필요한 합성유를 공급하기 위해서 터보-압축기 트레인의 각각의 구성부품에 윤활 펌프(116)를 연결하는 것을 주목해야 한다. 도 8에 도시된 예시적인 실시예에 따라서, 기어박스(180)는 익스팬더(106)의 샤프트(108)와 원심 압축기 또는 발전기(112)의 샤프트(110) 사이에 제공될 수 있다. 이러한 경우에, 기어박스(18)는 합성유, 및 필요한 경우에 구름 베어링을 이용하도록 구성되어 있다. 도 9에 도시된 예시적인 실시예에 따라서, 전술된 바와 같이, 트레인을 조립하기 위한 방법은 기재되지 않는다. 방법은 가스 터빈을 원심 압축기에 기계적으로 연결하는 단계(900)와; 윤활 펌프를 가스 터빈에 기계적 또는 전기적으로 연결하는 단계(902)와; 각각 구름 베어링만을 구비하는 가스 터빈, 원심 압축기 및 윤활 펌프를 제공하는 단계로서, 상기 윤활 펌프는 합성유를 펌핑하도록 구성되는, 상기 제공 단계(904)를 포함한다.
개시된 예시적인 실시예는 터보-압축기의 각각의 구성부품에 구름 베어링을 제공하기 위한 방법 및 터보-압축기를 제공한다. 상세한 설명은 본 발명을 제한하도록 의도되는 것이 아님을 이해해야 한다. 반대로, 예시적인 실시예는, 첨부된 청구범위에 의해 규정되는 바와 같이 본 발명의 범위 및 사상 내에 포함되는, 대안, 변경 및 등가물을 포함하도록 의도된다. 또한, 예시적인 실시예의 상세한 설명에서, 다수의 구체적인 설명이 청구된 본 발명의 포괄적인 이해를 제공하기 위해서 개시되어 있다. 그러나, 당업자는 다양한 실시예가 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음을 이해할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징 및 요소가 실시예 특히 조합으로 개시되어 있지만, 각각의 특징 또는 요소는 실시예의 다른 특징 및 요소 없이 이용될 수 있으며, 또는 본 발명에 개시된 다른 특징 및 요소를 갖추거나 또는 갖추지 않고 다양한 조합으로 이용될 수 있다. 본 발명을 설명하기 위해서, 소위 당업자가 임의의 장치 또는 시스템의 제조 및 이용 그리고 임의의 포함된 방법의 실행을 포함하여 본 발명을 실시할 수 있도록, 실시예를 이용하여 기술한 것이다. 본 발명의 특허받을 수 있는 범위는 특허청구범위에 의해서 결정되고, 그리고 당업자에게 자명한 다른 실시예들도 포함할 것이다. 그러한 다른 실시예들도 특허청구범위에 포함될 것이다.

Claims (10)

  1. 터보-압축기 트레인에 있어서,
    열 에너지를 기계적 에너지로 변환하도록 구성된 가스 터빈;
    상기 가스 터빈의 샤프트에 연결되는 샤프트를 구비한 원심 압축기; 및
    상기 가스 터빈 및 상기 원심 압축기에 합성유를 제공하도록 구성된 단일 윤활 펌프를 포함하며,
    상기 가스 터빈, 상기 원심 압축기 및 상기 단일 윤활 펌프 각각은 구름 베어링만을 구비하는
    터보-압축기 트레인.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 터빈은,
    공기를 압축하도록 구성된 압축기와,
    상기 압축기로부터의 압축된 공기를 수용하고, 이를 연료와 혼합한 후 에, 상기 압축된 공기를 점화하도록 구성된 연소 챔버와,
    상기 연소 챔버로부터의 고온 가스를 수용하고, 상기 고온 가스의 열 에너지를 회전 운동으로 변환하도록 구성된 익스팬더를 포함하는
    터보-압축기 트레인.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가스 터빈의 샤프트를 상기 윤활 펌프의 샤프트에 연결하며, 합성유를 이용하여 작동하도록 구성된 보조 기어박스와,
    상기 펌프를 작동시키도록 에너지를 제공하도록 구성된 전원을 더 포함하는
    터보-압축기 트레인.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 합성유를 분배하기 위해서 상기 가스 터빈 및 상기 원심 압축기에 상기 윤활 펌프를 연결하는 파이핑을 더 포함하는
    터보-압축기 트레인.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 트레인의 모든 구성부품에 광유(mineral oil)가 이용되지 않는
    터보-압축기 트레인.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 터빈은 축방향 익스팬더를 포함하는
    터보-압축기 트레인.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 터빈의 샤프트 및 상기 원심 압축기의 샤프트를 기계적으로 연결하도록 구성된 기어박스를 더 포함하는
    터보-압축기 트레인.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 터빈의 샤프트를 상기 윤활 펌프의 샤프트에 연결하며, 합성유를 이용하여 작동하도록 구성된 기어 박스와,
    상기 합성유를 분배하기 위해서 상기 가스 터빈 및 상기 원심 압축기에 상기 윤활 펌프를 연결하는 파이핑과,
    상기 가스 터빈의 샤프트 및 상기 원심 압축기의 샤프트를 기계적으로 연결하도록 구성된 기어 박스를 더 포함하며,
    상기 가스 터빈은,
    공기를 압축하도록 구성된 압축기와,
    상기 압축기로부터의 압축된 공기를 수용하고, 이를 연료와 혼합한 후 에, 상기 압축된 공기를 점화하도록 구성된 연소 챔버와,
    상기 연소 챔버로부터의 고온 가스를 수용하고, 상기 고온 가스의 에 너지를 회전 운동으로 변환하도록 구성된 익스팬더를 더 포함하는,
    터보-압축기 트레인.
  9. 터보-압축기 트레인에 있어서,
    열 에너지를 기계적 에너지로 변환하도록 구성된 가스 터빈;
    상기 가스 터빈의 샤프트에 연결되는 샤프트를 구비한 발전기; 및
    상기 가스 터빈 및 상기 발전기에 합성유를 제공하도록 구성된 단일 윤활 펌프를 포함하며,
    상기 가스 터빈, 상기 발전기 및 상기 단일 윤활 펌프 각각은 구름 베어링만을 구비하는
    터보-압축기 트레인.
  10. 터보-압축기 트레인을 조립하는 방법에 있어서,
    가스 터빈을 원심 압축기에 기계적으로 연결하는 단계;
    상기 가스 터빈에 윤활 펌프를 기계적 또는 전기적으로 연결하는 단계; 및
    각각 구름 베어링만을 구비하는 상기 가스 터빈, 상기 원심 압축기, 및 상기 윤활 펌프를 제공하는 단계로서, 상기 윤활 펌프는 합성유를 펌핑하도록 구성된, 상기 제공 단계를 포함하는
    터보-압축기 트레인 조립 방법.
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