KR20150111882A - 분할 링 동압 페이스 시일을 위한 개별적 컴플라이언트 세그먼트 - Google Patents

분할 링 동압 페이스 시일을 위한 개별적 컴플라이언트 세그먼트 Download PDF

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KR20150111882A
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아잠 미히르 타테
카리뮬라 샤익 샤
라훌 아닐 비드카
시아오킹 젱
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제네럴 일렉트릭 컴퍼니
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Abstract

본 개시의 실시예는 터빈의 로터 둘레에 배치되도록 구성되는 스테이터 링을 포함하는 페이스 시일에 관한 것으로서, 스테이터 링은 협동하여 스테이터 링을 형성하도록 구성되는 제1 링 세그먼트와 제2 링 세그먼트를 포함하며, 상기 제1 및 제2 링 세그먼트는 원주 방향으로 분할되고 제1 및 제2 링 세그먼트 사이에 배치되는 적어도 하나의 베어링 요소를 갖고, 상기 적어도 하나의 베어링 요소는 제1 및 제2 링 세그먼트 사이의 계면에서 제1 및 제2 링 세그먼트 간에 상대적인 축방향 운동을 가능하게 하도록 구성된다.

Description

분할 링 동압 페이스 시일을 위한 개별적 컴플라이언트 세그먼트{INDIVIDUALLY COMPLIANT SEGMENTS FOR SPLIT RING HYDRODYNAMIC FACE SEAL}
관련 출원들의 상호 참조
본 출원은 2014년 3월 26일자로 출원되었고 발명의 명칭이 "국부적 컴플라이언트 동압 패드를 갖춘 페이스 시일(face seal with locally compliant hydrodynamic pads)"이며 그 개시가 본 명세서에 참조로 합체되는 미국 정규 출원 제14/226,617호와 동시에 출원되었다.
기술분야
본 명세서에 개시된 주제는 터보기계, 보다 구체적으로는 터보기계의 다양한 구성요소들 사이의 유동 누출을 감소 또는 차단하는 페이스 시일(face seal)에 관한 것이다.
터보기계는 압축기 및/또는 가스 터빈, 증기 터빈, 및 동압 터빈 등의 터빈을 포함한다. 일반적으로, 터보기계는 터보기계 블레이드를 지지하는 샤프트 또는 드럼일 수 있는 로터를 포함한다. 예컨대, 터보기계 블레이드는 터보기계의 로터를 따라 단계적으로 배치될 수 있다. 터보기계는 터보기계의 다양한 구성요소들 사이에서 유동(예컨대, 작동 유체 유동) 누출을 감소 또는 차단하도록 다양한 시일을 더 포함할 수 있다. 예컨대, 터보기계는 터보기계의 샤프트(예컨대, 회전 샤프트)와 하우징 사이에서 유동 누출을 감소 또는 차단하도록 구성되는 하나 이상의 페이스 시일을 포함할 수 있다. 불행하게도, 전통적인 페이스 시일은 조립이 어려울 수 있고/있거나 조기 마모 또는 성능 저하를 초래할 수 있는 큰 페이스 변형에 민감할 수 있다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 완화 또는 제거하기 위한 것이다.
일 실시예에서, 시스템은 증기 터빈과 증기 터빈의 페이스 시일을 포함한다. 증기 터빈의 페이스 시일은 증기 터빈의 로터에 커플링되는 로터 링, 및 증기 터빈의 고정 하우징에 커플링되는 스테이터 링을 포함하며, 스테이터 링은 복수 개의 원주 방향 세그먼트로 원주 방향으로 분할되고, 복수 개의 원주 방향 세그먼트들 각각의 사이에 하나 이상의 베어링 요소가 배치되며, 상기 하나 이상의 베어링 요소는 복수 개의 세그먼트의 서로에 대한 상대적인 축방향 운동을 가능하게 하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 증기 터빈은 로터, 상기 로터 둘레에 배치되는 고정 하우징, 및 로터 둘레에 배치되는 페이스 시일을 포함한다. 페이스 시일은, 로터에 커플링되거나 일체형인 로터 링 및 고정 하우징에 커플링되는 스테이터 링을 포함한다. 스테이터 링은, 제1 세그먼트, 제2 세그먼트, 및 적어도 2개의 베어링 요소를 포함하고, 제1 및 제2 세그먼트는 원주 방향으로 분할되며, 제1 및 제2 세그먼트 사이에 적어도 2개의 베어링 요소가 배치되고, 제1 세그먼트, 제2 세그먼트, 및 적어도 2개의 베어링 요소는 협동하여 스테이터 링을 형성한다.
다른 실시예에서, 시스템은 터빈의 로터 둘레에 배치되도록 구성되는 스테이터 링을 포함하고, 스테이터 링은 협동하여 스테이터 링을 형성하도록 구성되는 제1 링 세그먼트와 제2 링 세그먼트를 포함하며, 제1 및 제2 링 세그먼트는 원주 방향으로 분할되고 제1 및 제2 링 세그먼트 사이에 배치되는 적어도 하나의 베어링 요소를 갖고, 적어도 하나의 베어링 요소는 제1 및 제2 링 세그먼트 사이의 계면에서 제1 및 제2 링 세그먼트 간에 상대적인 축방향 운동을 가능하게 하도록 구성된다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 양태, 및 이점은 아래의 상세한 설명을 동일한 부호가 도면에 걸쳐서 동일한 부품을 나타내는 첨부 도면을 참조하여 읽으면 보다 양호하게 이해될 것이다.
도 1은 가스 터빈 시스템, 증기 터빈, 및 열 회수 증기 발생(HRSG) 시스템을 갖는 복합 사이클 발전 시스템의 실시예의 개략도이고;
도 2는 증기 터빈의 페이스 시일을 예시하는, 증기 터빈의 실시예의 부분 단면도이며;
도 3은 터보기계의 페이스 시일의 실시예를 예시하는, 터보기계의 부분 단면도이고;
도 4는 일차 밀봉 링의 분할 링 형태를 예시하는, 페이스 시일의 일차 밀봉 링의 실시예의 사시도이며;
도 5는 터보기계의 페이스 시일의 실시예를 예시하는, 터보기계의 부분 단면도이고;
도 6은 일차 밀봉 링의 국부적 컴플라이언트 밀봉 패드를 예시하는, 페이스 시일의 일차 밀봉 링의 실시예의 사시도이며;
도 7은 일차 밀봉 링의 국부적 컴플라이언트 밀봉 패드를 예시하는, 페이스 시일의 일차 밀봉 링의 실시예의 사시도이고;
도 8은 일차 밀봉 링의 국부적 컴플라이언트 밀봉 패드를 예시하는, 페이스 시일의 일차 밀봉 링의 실시예의 사시도이며;
도 9는 일차 밀봉 링의 국부적 컴플라이언트 밀봉 패드를 편향시키는 스프링을 예시하는, 페이스 시일의 일차 밀봉 링의 실시예의 부분 사시도이고;
도 10은 일차 밀봉 링의 국부적 컴플라이언트 밀봉 패드의 배열을 예시하는, 페이스 시일의 일차 밀봉 링의 실시예의 사시도이며;
도 11은 일차 밀봉 링의 국부적 컴플라이언트 밀봉 패드의 배열을 예시하는, 페이스 시일의 일차 밀봉 링의 실시예의 사시도이고;
도 12는 일차 밀봉 링의 표면 특징부를 예시하는, 페이스 시일의 일차 밀봉 링의 실시예의 사시도이며;
도 13은 일차 밀봉 링의 표면 특징부를 예시하는, 페이스 시일의 일차 밀봉 링의 실시예의 사시도이다.
본 개시의 실시예는 페이스 시일에 걸쳐 누출을 감소시키고 페이스 시일의 성능 및 수명을 향상시키도록 구성되는 특징을 갖는 개선된 페이스 시일에 관한 것이다. 알게 되는 바와 같이, 페이스 시일은 일차 링(예컨대, 고정 링)을 포함하고, 일차 링은 대응 링(예컨대, 회전 링)과 밀봉 관계를 형성하거나 접속한다. 예컨대, 일차 링과 대응 링은 페이스 시일에 걸쳐 작동 유체의 누출을 감소 또는 차단하도록 구성될 수 있다. 특정한 실시예에서, 일차 링은 롤링 계면 등의 베어링 요소를 갖는 분할 구성을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 일차 링은 일차 링을 협동적으로 형성하는 2개 이상의 세그먼트를 포함할 수 있고, 일차 링은 2개 이상의 세그먼트들 사이에 하나 이상의 롤딩 계면(예컨대, 베어링 요소)을 포함할 수 있다. 예컨대, 2개 이상의 세그먼트가 서로 접할 때에 2개 이상의 세그먼트들 사이에 하나 이상의 핀 또는 다른 둥근 요소가 배치될 수 있다. 아래에 설명되는 방식에서, 2개 이상의 세그먼트들 사이의 베어링 요소(예컨대, 롤링 계면)는 일차 링의 2개 이상의 세그먼트들 사이에 저마찰 상대 운동(예컨대, 축방향 운동)을 가능하게 할 수 있다. 이 방식에서, 일차 링의 각 세그먼트는 페이스 시일의 대응(예컨대, 회전) 링에 대해 그 자신의 동압 평형을 달성할 수 있다. 더욱이, 일차 링의 롤링 계면은 일차 링의 각 세그먼트로부터 반경 방향 압력 또는 부하를 흡수하거나 지지하도록 구성될 수 있다.
특정한 실시예에서, 페이스 시일의 일차 링은 대응 링과 맞물리도록 구성되는 국부적 컴플라이언트 동압 패드를 포함할 수 있다. 즉, 일차 링의 국부적 컴플라이언트 동압 패드 각각은 대응 링과 개별적인 밀봉 관계를 형성하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 동압 패드 각각은 (예컨대, 일차 링에 커플링되는 스프링에 의해) 대응 링을 향해 개별적으로 편향될 수 있다. 이 방식에서, 각 동압 패드는 대응 링의 동역학적으로 변하는 배향에 개별적으로 합치함으로써, 일차 링과 대응 링 간에 전체적인 밀봉 계면 및 누출 차단을 개선시킬 수 있다. 게다가, 동압 패드는 세그먼트화된 일차 링이 일차 링과 대응 링 사이에 코킹 또는 부분 접촉을 피하도록 보다 균일한 방식으로 대응 링을 향해 접근하는 것을 보장할 수 있다. 더욱이, 아래에 상세하게 설명되는 바와 같이, 동압 패드 각각은 상승된 누출 간극을 감소시키면서도 일차 링과 대응 링 사이에 직접적인 접촉을 차단할 수 있다.
아래의 설명에서, 페이스 시일의 다양한 구성요소들(예컨대, 일차 링, 대응 링, 동압 패드 등) 사이에서의 접촉을 참조할 수 있다. 그러나, 그러한 구성요소들 사이의 접촉에 대한 참조는 그러한 구성요소들 사이의 실제 접촉보다는 그러한 구성요소들, 또는 구성요소들의 부품들 사이의 매우 작은 간극(예컨대, 0.01 - 0.25 mm 간극)을 포함할 수 있다.
이제, 도면을 참조하면, 도 1은 본 개시의 페이스 시일이 사용될 수 있는 다양 터보기계를 갖는 종래의 복합 사이클 시스템(10)의 실시예의 개략적인 블럭도이다. 구체적으로, 터보기계는 롤링 계면이 있는 분할 형태를 갖는 일차 링 및/또는 국부적 컴플라이언트 동압 패드를 갖는 일차 링을 포함할 수 있는 페이스 시일을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 복합 사이클 시스템(10)은 압축기(12)를 갖는 가스 터빈 시스템(11), 연료 노즐(16)을 갖는 연소기(14), 및 가스 터빈(18)을 포함한다. 연료 노즐(16)은 액체 연료 및/또는 천연 가스 또는 합성 가스 등의 기체 연료를 압축기(14) 내로 운송한다. 연소기(14)는 연료공기 혼합물을 점화 및 연소한 다음, 고온 압축 연소 가스(20)(예컨대, 배기 가스)를 가스 터빈(18)으로 보낸다. 터빈 블레이드(22)는 예시된 바와 같이 복합 사이클 시스템(10) 전반에 걸쳐서 여러 개의 다른 구성요소에 커플링되는 로터(24)에 커플링된다. 예컨대, 터빈 블레이드(22)는 단계적으로 배치될 수 있다. 바꿔 말해서, 터빈 블레이드(22)는 로터(24)의 다양한 축방향 위치에서 로터(24) 둘레에 원주 방향으로 배치될 수 있다. 연소 가스(20)가 가스 터빈(18) 내의 터빈 블레이드(22)를 통과할 때에, 가스 터빈(18)이 회전 구동되고, 이 회전 구동이 로터(24)를 회전축(26)을 따라 회전시킨다. 특정한 실시예에서, 가스 터빈(18)은 터빈 내의 로터-스테이터 간극에 걸쳐서 연소 가스(20)의 원치않는 누출을 감소 또는 차단하도록 구성되는 페이스 시일을 포함할 수 있다. 궁극적으로, 연소 가스(20)는 배기구(28)(예컨대, 배기 덕트, 배기 스택, 소음기 등)을 통해 가스 터빈(18)에서 빠져나간다.
예시된 실시예에서, 압축기(12)는 압축기 블레이드를 포함한다. 압축기(12) 내의 압축기 블레이드(30)는 또한 로터(24)에 커플링되고 로터(24)가 전술한 방식으로 가스 터빈(18)에 의해 회전 구동될 때에 회전한다. 터빈 블레이드(22)와 같이, 압축기 블레이드(30)는 또한 단계적으로 배치될 수 있다. 압축기 블레이드(30)가 압축기(12) 내에서 회전함에 따라, 압축기 블레이드(30)는 공기 흡입구로부터의 공기를 압축 공기(32)로 압축하고, 압축 공기는 연소기(14), 연료 노즐(16), 및 복합 사이클 시스템(10)의 다른 부분으로 안내된다. 게다가, 압축기(12)는 압축기 내의 다양한 로터-스테이터 간극에 걸쳐 압축 공기(32)의 원치않는 누출을 차단하도록 구성되는 페이스 시일을 포함할 수 있다.
연료 노즐(16)은 압축 공기(32)와 연료를 혼합하여 적절한 연료-공기 혼합물을 생성하고, 연료-공기 혼합물은 연소기(14) 내에서 연소되어 터빈(18)을 구동하는 연소 가스를 발생시킨다. 또한, 로터(24)는 로터(24)의 회전을 통해 동력을 받을 수 있는 제1 부하(34)에 커플링될 수 있다. 예컨대, 제1 부하(34)는 발전소 또는 외부 기계 부하 등의 복합 사이클 시스템(10)의 회전 출력을 통해 전력을 발생시킬 수 있는 임의의 적절한 디바이스일 수 있다. 예컨대, 제1 부하(34)는 발전기, 비행기의 프로펠러 등을 포함할 수 있다.
시스템(10)은 또한 [예컨대, 증기 터빈(36)의 샤프트(40)의 회전을 통해] 제2 부하(38)를 구동하는 증기 터빈(36)을 포함한다. 예컨대, 제2 부하(38)는 전력을 발생시키는 발전기일 수 있다. 그러나, 제1 부하(34)와 제2 부하(38)는 가스 터빈 시스템(11)과 증기 터빈(36)에 의해 구동될 수 있는 다른 타입의 부하일 수 있다. 게다가, 가스 터빈 시스템(11)과 증기 터빈(36)이 예시된 실시예에서 별개의 부하[예컨대, 제1 부하(34)와 제2 부하(38)]를 구동하지만, 가스 터빈 시스템(11)과 증기 터빈(36)은 또한 단일 샤프트를 통해 단일 부하를 구동하도록 동시에 이용될 수 있다.
시스템(10)은 열 회수 증기 발생기(HRSG; heat recovery steam generator) 시스템(42)을 더 포함한다. 가스 터빈(18)으로부터의 가열된 배기 가스(44)는 물을 가열하여 증기 터빈(36)에 동력을 공급하는 데에 사용되는 증기(46)를 생성하도록 HRSG 시스템(42)으로 운반된다. 알 수 있는 바와 같이, HRSG 시스템(42)은 증기 터빈(36)에 동력을 공급하는 데에 사용되는 증기(46)를 발생시키고 가열하도록 다양한 절약 장치, 응축기, 증발기, 히터 등을 포함할 수 있다. HRSG 시스템(42)에 의해 생성되는 증기(46)는 증기 터빈(36)의 터빈 블레이드(48)를 통과한다. 유사하게 위에서 설명된 바와 같이, 증기 터빈(36)의 터빈 블레이드(48)는 샤프트(40)를 따라 단계적으로 배치될 수 있고, 증기 터빈(36)은 증기 터빈(36) 내의 다양한 로터-스테이터 간극에 걸쳐 증기(46)의 원치않는 누출을 차단하는 페이스 시일을 포함할 수 있다. 증기(46)가 증기 터빈(36) 내의 터빈 블레이드(48)를 통과함에 따라, 증기 터빈(36)의 터빈 블레이드(48)는 회전 구동되고, 이 회전은 샤프트(40)를 회전시킴으로써 제2 부하(38)에 동력을 공급한다.
아래의 설명에서, 압축기(12), 가스 터빈(18), 또는 증기 터빈(36)의 축선(26)을 따른 축방향(50), 축선(26)으로부터 멀어지는 반경 방향(52), 및 축선(26) 둘레의 원주 방향(54) 등의 다양한 방향 또는 축선을 참조할 수 있다. 게다가, 전술한 바와 같이, 아래에 설명되는 페이스 시일은 임의의 다양한 터보기계[예컨대, 압축기(12), 가스 터빈(18), 또는 증기 터빈(36)]와 함께 사용될 수 있지만, 아래의 설명은 증기 터빈(36)과 관련하여 개선된 페이스 시일을 설명한다.
도 2는 증기 터빈(36) 내에 페이스 시일(100)의 위치를 예시하는 증기 터빈(36)의 부분 단면도이다. 전술한 바와 같이, 증기 터빈(36)은 증기 터빈(36) 내에 다양한 로터-스테이터 간극에 걸쳐 작동 유체[예컨대, 증기(46)]의 누출을 감소 또는 차단하는 하나 이상의 페이스 시일(100)을 포함할 수 있다.
예시된 실시예에서, 증기 터빈(36)은 케이싱(60), 내측 쉘(62), 및 증기 터빈(36)의 샤프트(40) 둘레에 배치되는 밀봉 구성요소(64)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 증기(46)는 입구(66)를 통해 증기 터빈(36)에 진입하여 증기 터빈(36)의 유입측(68)으로 향한다. 전술한 바와 같이, 증기(46)는 터빈 블레이드(48)의 회전을 구동시킴으로써, 샤프트(40)의 회전을 구동시킨다. 도시된 바와 같이, 밀봉 구성요소(64)의 일부는 증기 터빈(36)의 스테이터 구성요소(70)와 증기 터빈(36)의 샤프트(40) 사이에 길고 복잡한 경로(예컨대, 길고 복잡한 밀봉 경로)를 형성한다. 알 수 있는 바와 같이, 증기(46)는 증기 터빈(36) 내의 터빈 블레이드(48)를 향해 지향되지만, 증기(46)의 일부는 증기 터빈(36)의 누출 구역(72)을 통해 누출될 수 있고, 이 누출 증기는 증기 터빈(36)의 효율을 감소시킬 수 있다. 따라서, 증기 터빈(36)은 또한 증기 터빈(36) 내에서 증기(46)의 유동 누출을 차단 또는 감소시키는 페이스 시일(100)을 포함한다.
도 3은 엔드 포장 영역에서 제1 구역(102; 예컨대, 상류 구역)으로부터 제2 구역(104; 예컨대, 하류 구역)으로 증기(46)의 유동 누출을 차단 또는 감소시키도록 구성된 페이스 시일(100)의 실시예를 예시하는 증기 터빈(36)의 부분 단면도이다. 구체적으로, 페이스 시일(100)은 일차 링(106; 고정 링)과 대응 링(108; 로터 링)을 포함한다. 일차 링(106)은 증기 터빈(36)의 내측 쉘(62)에 부착되고 축방향(50)으로만 이동될 수 있다. 예컨대, 일차 링(106)은 이차 링(118) 및 회전 방지 특징부(128)를 통해 고정 하우징(110)에 부착될 수 있다. 대응 링(108)(로터 링)은 샤프트(40; 또는 로터)의 일체부일 수 있거나, 샤프트(40)에 커플링되는 서비스 친화적 분리 구성요소일 수 있다. 더욱이, 대응 링(108)은 기계적 조립을 통해 증기 터빈(36)의 샤프트(40)에 고정된다. 보다 구체적으로, 대응 링(108)은 제1 유지 플랜지(112)와 제2 유지 플랜지(114)에 의해 샤프트(40)에 고정된다. 제1 및 제2 유지 플랜지(112, 114)는 협동하여 대응 링(108)을 샤프트(40)에 대해 축방향으로 제지한다. 예컨대, 브레이징, 용접, 기계적 파스너[예컨대, 볼트(116)], 마찰 끼워맞춤, 나사 체결, 또는 다른 유지 메카니즘이 사용되어 대응 링(108)을 제1 및 제2 유지 플랜지(112, 114)에 고정하고 제1 및 제2 유지 플랜지(112, 114)를 샤프트(40)에 고정시킬 수 있다. 볼트(116)는 회전 링(108)의 압축 및 이에 따라 임의의 틸팅을 방지하면서 플랜지(114)를 샤프트(40)와 플랜지(112)에 대해 죄인다. 샤프트(40)가 터빈 블레이드(48)를 통해 유동하는 증기(46)에 의해 회전 구동됨에 따라, 대응 링(108)이 또한 회전 구동되게 된다.
더욱이, 이차 시일(118; 예컨대, 환형 시일)은 일차 링(106)과 고정 하우징(110) 사이에 배치된다. 이차 시일(118)이 적소에 있으면, 고정 하우징(110)과 일차 링(106) 사이의 누출이 제한되는 한편, 고정 하우징(110)에 대한 로터(40)의 상이한 열팽창으로 인한, 또는 추력 반전으로 인한 축방향에서 임의의 로터(40) 병진 운동에 순응하도록 일차 시일 링(106)이 축방향으로 회전 대응 링(108; 로터 링)로부터 멀어지게 또는 회전 대응 링을 향해 이동하게 한다. 종래에 압력-균형 직경이라고 하는 이차 시일(118) 직경은 일차 링(106)의 폐쇄력을 제어하도록 선택된다. 유사하게, 대응 링(108)과 제1 유지 플랜지(112) 사이에 시일(120)이 배치된다. 시일(118, 120)은 고정 시일이다. 시일은 페이스 시일(100)과 고정 하우징(110)과 샤프트(40) 사이에서 증기(46) 또는 다른 작동 유체의 누출을 차단할 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 다른 실시예에서, 페이스 시일(100)은 페이스 시일(100)의 다양한 구성요소와 증기 터빈(36) 사이에서 증기(46) 또는 다른 작동 유체를 차단하도록 다른 갯수 또는 타입의 시일을 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 일차 링(106)과 대응 링(108)은 밀봉 계면(122)을 형성한다. 전술한 바와 같이, 밀봉 계면(122)은 증기 터빈(36)의 제1 구역(고압 구역; 102)(예컨대, 상류 구역)으로부터 제2 구역(저압 구역; 104)(예컨대, 하류 구역)으로 증기(46) 또는 다른 작동 유체의 누출을 감소 또는 차단하도록 구성된다. 스프링(129)이 리세스(130) 내에 배치되고 일차 링(106)에 커플링되어 축방향 힘을 일차 링(106)에 가하는 받침부(126)가 존재한다. 이 방식에서, 일차 링(106)은 밀봉 계면(122)을 생성하도록 페이스 시일(100)의 대응 링(108)을 향해 편향될 수 있다. 구체적으로, 스프링(129)이 일차 링(106)에 편향력을 가할 때에, 일차 링(106)의 페이스(132)가 대응 링(108)의 페이스(134)를 향해 압박될 수 있다. 게다가, 도 3에 도시된 실시예는 받침부(126)의 하나의 리세스(130) 내에 배치되는 하나의 스프링(129)을 예시하지만, 다른 실시예는 받침부(126)의 원주 둘레에서 각각의 리세스(130) 내에 배치되는 다수의 스프링(129)을 포함할 수 있다. 유사하게, 다른 실시예에서, 각 리세스(130)는 일차 링(106)을 대응 링(108)을 향해 편향시키도록 구성되는 다수의 스프링(129)을 포함할 수 있다.
대응 링(108)이 일차 링(106)에 대해 회전할 때에, 동압 특징부(예컨대, 도 10 내지 도 13에 설명되는 홈 또는 패드)는 계면에[페이스(132, 134)에] 동압, 이에 따라 운동 중에 페이스(132)가 페이스(134)와 접촉하지 못하게 하는 분리력을 발생시키는 필름 두께의 원주 방향 구배[일차 링(106)과 대응 링(108) 사이의 간극]을 생성한다. 이는 동압 개방력이 일차 링(106)에 작용하는 외부 압력 및 스프링(129)에 의해 생성되는 순 폐쇄력보다 클 때에 일어난다. 일차 링(106) 및/또는 대응 링(108)의 표면 특징부(홈, 패드 등), 일차 링(106)(106)과 대응 링(108)의 치수, 및 스프링(129)의 힘을 선택함으로써, 일차 링(106)과 대응 링(108) 사이에 원하는 평형 "라이딩(riding)" 간극이 얻어질 수 있다. 증기/가스의 누출 체적은 이 평형 라이딩 간극의 크기에 의해 결정된다. 약간의 추가적인 힘(예컨대, 작동 시에 열 또는 압력 천이로 인한 천이력)이 대응 링(108)을 일차 링(106)을 향해 이동시키면, 간극은 평형 값 아래로 감소한다. 이 감소된 간극은 일차 링(106)과 대응 링(108) 사이의 계면에서 동압을 증가시킨다. 이 증가된 동압은 추가적인 힘(예컨대, 작동 시에 열 또는 압력 천이로 인한 천이력)에 저항하고 달리 추가적인 힘으로 인해 발생되었던 일차 링(106)과 대응 링(108) 간의 접촉을 막는다. 이 점에서, 일차 링(106)과 대응 링(108) 사이의 약간 작은 간극에서 동적 평형이 회복된다. 다른 한편으로, 천이 섭동이 순 폐쇄력을 감소시키면, 동압이 그 원래의 설계값 미만으로 떨어지고 동적 평형은 원하는 설계값에 비해 일차 링(106)과 대응 링(108) 사이의 약간 큰 간격에서 회복된다. 거의 일정한 작은 간격을 유지하는 동안에 그러한 동적 비접촉 작동은 페이스 시일(100)이 매우 작은 누출을 유지하면서 기계적인 열화 없이 작동하게 한다. 알 수 있는 바와 같이, 동압 분배 및 동압 필름 강성을 생성하는 책임을 맡고 있는 일차 링(106)과 대응 링(108)의 표면 특징부[뿐만 아니라 폐쇄력을 생성하는 책임을 맡고 있는 일차 링(106)과 대응 링(108)의 치수 및 형상]은 원하는 라이딩 간극 크기, 및 이에 따라 원하는 누출 특징 및 비접촉 작동을 달성하도록 선택될 수 있다.
아래에 상세하게 설명되는 바와 같이, 페이스 시일(100)의 특정한 실시예에서, 일차 링(106)은 분할 형태를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 일차 링(106)은 협동하여 일차 링(106)을 형성하는 2개 이상의 원주 방향으로 분할 또는 분리된 세그먼트를 포함할 수 있다. 게다가, 받침부(126)가 분할 형태를 가질 수 있다. 더욱이, 일차 링(106)의 2개의 세그먼트들 사이의 조인트 계면이 롤러 계면을 포함할 수 있다. 따라서, 아래에 설명되는 방식에서, 롤러 계면은 일차 링(106)의 2개 이상의 세그먼트들 사이에서 상대적인 축방향 운동을 가능하게 할 수 있다. 이 방식으로, 페이스 시일(100)의 성능이 향상될 수 있다. 예컨대, 일차 링(106)의 세그먼트들 사이의 상대적인 축방향 운동은 페이스 시일(100)의 원치않는 누출 간극을 감소 또는 조절하고, 페이스 시일(100)의 동적 평형을 향상시키며, 및/또는 증기 터빈(36)의 작동 중에 페이스 시일(100)의 다양한 구성요소의 기계적 마모 및 열화를 감소시킬 수 있다. 더욱이, 일차 링(106)의 분할 형태는 더 큰 터빈[예컨대, 증기 터빈(36)]에 페이스 시일(100)을 사용 가능하게 할 수 있는데, 그 이유는 분할 형태로 인해 페이스 시일(100)을 큰 직경의 터빈에 가능하지 않을 수 있는 로터(샤프트)(40)의 일단부로부터 활주시키는 대신에 페이스 시일(100)이 특정한 축방향 위치에서 직접 조립될 수 있기 때문이다. 이는 개별적 컴플라이언트 분할 링 설계에 의해 제공되는 주요 이점들 중 하나이다.
도 4는 페이스 시일(100)의 일차 링(106)의 사시도이다. 구체적으로, 일차 링(106)의 예시된 실시예는 분할 형태를 갖는다. 즉, 일차 링(106)은 다수의 세그먼트 내로 원주 방향으로 분할된다. 구체적으로, 예시된 실시예에서, 일차 링(106)은 제1 세그먼트(150)와 제2 세그먼트(152)를 포함하고, 제1 세그먼트(150)와 제2 세그먼트(152)는 일차 링(106)을 협동하여 형성한다. 바꿔 말해서, 제1 및 제2 세그먼트(150, 152)는 함께 결합하여 일차 링(106)을 형성한다. 특히, 제1 및 제2 세그먼트(150, 152)는 조인트 계면(154)에서 결합된다. 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 조인트 계면(154)은 조인트 계면(154)에 롤링 부재를 포함함으로써 일차 링(106)의 제1 및 제2 세그먼트(150, 152)의 상대적인 축방향 운동을 가능하게 하도록 구성된다. 게다가, 예시된 실시예는 제1 및 제2 세그먼트(150, 152)를 포함하지만, 다른 실시예가 원주 방향으로 분할되고 협동하여 일차 링(106)을 형성하는 다른 갯수의 세그먼트(예컨대, 3개, 4개, 5개, 6개 또는 그 이상)를 포함할 수 있다. 더욱이, 특정한 실시예에서, 받침부(126)가 또한 세그먼트화 형태를 가질 수 있다. 예컨대, 예시된 실시예에서, 일차 링(106)의 제1 세그먼트(150)는 또한 받침부(126)의 제1 세그먼트(158)를 포함한다. 유사하게, 일차 링(106)의 제2 세그먼트(152)는 또한 받침부(126)의 제2 세그먼트(162)를 포함한다. 그러나, 다른 실시예에서, 받침부(126)와 일차 링(106)은 각각 상이한 갯수의 세그먼트를 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 및 제2 세그먼트(150, 152)는 일차 링(106)의 조인트 계면(154)에서 서로 접한다. 세그먼트의 조인트 계면(154)은 조인트 계면(154)에 걸쳐 직접적인 누출 경로를 감소시키도록 오버랩된 단차식 계면을 특징으로 한다. 도시된 바와 같이, 각각의 조인트 계면(154)은 제1 결합면(164), 제2 결합면(166), 롤러 결합면(168)을 포함한다. 구체적으로, 각 조인트 계면(154)의 제1 결합면(164)과 롤러 결합면(168)은 서로 원주 방향(54)으로 오프셋되고 대체로 반경 방향(52)으로 연장된다. 게다가, 각 조인트 계면(154)의 제2 결합면(166)은 제1 결합면(164)과 롤러 결합면(168) 사이에서 원주 방향(54)으로 연장된다. 따라서, 각 조인트 계면(154)은 대체로 L형 형태를 갖는다. 바꿔 말해서, 일차 링(106)의 제1 및 제2 세그먼트(150, 152)는 대체로 L형 라인을 따라 분할된다. 예컨대, 대체로 반경 방향(52)으로 연장되는 제1 결합면(164)과 대체로 원주 방향(54)으로 연장되는 제2 결합면(166)이 함께 결합되어 L 형상을 형성한다. 유사하게, 대체로 원주 방향(54)으로 연장되는 제2 결합면(166)과 대체로 반경 방향(52)으로 연장되는 롤러 결합면(168)이 함께 결합되어 L 형상을 형성한다. 아래에 설명되는 방식에서, 일차 링(106)의 제1 및 제2 세그먼트(150, 152) 사이에서 조인트 계면(154)의 이러한 L형 형태는 일차 링(106)이 조립될 때에 제1 및 제2 세그먼트(150, 152) 사이에 상대적인 축방향 운동을 가능하게 하면서 제1 및 제2 세그먼트(150, 152) 사이에 밀봉 관계를 제공한다. L형 형태는 일차 링(106)의 외경으로부터 누출을 방지하는데, 그 이유는 롤러 결합면(168)을 따른 임의의 잠재적인 누출이 제2(예컨대, 수직) 결합면(166)에서 차단되기 때문이다. 바꿔 말해서, L형 형태는 누출 감소를 가능하게 하도록 길고 복잡한 유동로를 생성한다. 더욱이, 제1 결합면(164)을 따라, 심(예컨대, 얇은 금속 심)이 배치되어 임의의 잠재적인 누출을 더 감소시킬 수 있다.
알 수 있는 바와 같이, 증기 터빈(36)의 작동 중에, 일차 링(106)의 외경 압력[화살표(170)에 의해 나타내는 반경 방향 내향 압력]은 일차 링(106)의 내경 압력[예컨대, 화살표(172)에 의해 나타내는 반경 방향 외향 압력]보다 클 수 있다. 따라서, 페이스 시일(100)의 일차 링(106)은 반경 방향 내향 순압력을 경험할 수 있다. 내향 하중을 흡수하는 계면(168) 상의 베어링 요소(174)(롤러 핀)가 없어도, 일차 링(106)에 작용하는 반경 방향 내향 순압력으로 인해 제1 및 제2 세그먼트(150, 152)가 각 조인트 계면(154)의 제1 결합면(164) 및 제2 결합면(166)에서 서로 동일한 높이가 되거나 접할 수 있다. 이들 계면 사이의 접촉은 세그먼트(150, 152) 사이의 자유로운 상대적 축방향 운동을 방지한다. 따라서, 제1 및 제2 결합면(164, 166)은 반경 방향 내향 순압력의 부하가 계면(168) 상의 롤러 핀[예컨대, 베어링 요소(174)]에 의해 지지되면서 최소의 간극을 갖도록 설계된다. 특정한 실시예에서, 제1 및 제2 세그먼트(150, 152)는 간극을 최소화하고 조인트 계면(154)의 밀봉을 향상시키도록 제1 및 제2 결합면(164, 166)에서 타이트한 공차를 갖도록 제조될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 조인트 계면(154)은 조인트 계면(154)의 밀봉을 향상시키도록 제1 결합면(164)에 배치되는 밀봉 스트립을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 결합면(164, 166) 사이의 밀봉은 페이스 시일(100)의 세그먼트 조인트에 걸쳐 증기(46) 또는 다른 작동 유체의 원치않는 누출을 차단하는 데에 일조한다. 더욱이, 예시된 실시예에서, 일차 링(106)의 수직축(173) 둘레에서 조인트 계면(154)[예컨대, 제1 및 제2 결합면(164, 166]의 대칭 배향은 측방향 압력 불균형을 감소시킨다.
전술한 바와 같이, 일차 링(106)의 조인트 계면(154)은 롤러 결합면(168)을 각각 포함한다. 보다 구체적으로, 각 롤러 결합면(168)은 제1 및 제2 세그먼트(150, 152) 사이에 배치되는 하나 이상의 롤러 핀(174)을 포함한다. 롤러 핀(174)의 원통형 형상은 일차 링(106)의 제1 및 제2 세그먼트(150, 152)가 서로에 대해 축방향으로(예컨대, 방향(50)으로) 여전히 이동 가능하게 하면서 일차 링(106)에 작용하는 반경 방향 내향 순압력을 운반 또는 전달하게 할 수 있다. 이 방식에서, 제1 및 제2 세그먼트(150, 152) 각각은 증기 터빈(36)의 작동 중에 대응 링(108)에 대한 그 자신의 동압 평형을 달성할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 및 제2 세그먼트(150, 152)는 서로 독립적으로 축방향으로 이동이 자유롭기 때문에, 제1 및 제2 세그먼트(150, 152) 사이의 임의의 상대적인 틸트가 제1 및 제2 세그먼트(150, 152) 상의 대응하는 동압[예컨대, 다른 세그먼트에 비해 대응 링(108)에 더 가까운 세그먼트 상의 더 큰 동압]에 의해 보정되게 된다. 자체 보정하는 동압은 세그먼트들이 동압 평형이 회복될 때까지 다른 세그먼트에 대해 축방향으로 이동하게 할 수 있다. 그 결과, 제1 및 제2 세그먼트(150, 152)는 제1 및 제2 세그먼트(150, 152)와 대응 링(108) 사이에 러빙(rubbing)의 발생을 감소시키면서 대응 링(108)에 대하여 그 각각의 평형 위치에서 작동 또는 "라이딩"할 수 있다. 이 방식으로, 페이스 시일(100)의 기계적 열화가 감소될 수 있고, 페이스 시일(100)의 수명이 향상될 수 있으며, 유지 보수가 감소될 수 있다.
도 5는 일차 링(106)이 국부적 컴플라이언트 동압 패드(200)를 갖는다는 것을 설명하는 페이스 시일(100)의 실시예의 부분 단면도이다. 구체적으로, 국부적 컴플라이언트 동압 패드(200)는 페이스 시일(100)의 대응 링(108)과 대면하는 일차 링(106)에 그리고 일차 링에 인접하게 배치된다. 즉, 예시된 국부적 컴플라이언트 동압 패드(200)는 일차 링(106)의 포켓 또는 리세스(202) 내에 배치된다. 게다가, 동압 패드(200)는 하나 이상의 스프링(204; 예컨대, 코일 스프링)에 의해 대응 링(108)을 향해 각각 편향될 수 있다. 그 결과, 동압 패드(200)는 대응 링(108)과 맞물리도록 구성된다. 국부적 컴플라이언트 동압 패드(200)의 기능들 중 하나는 일차 링의 페이스(132)가 대응 링의 페이스(134)에 가까워지기 전에 대응 링(108)과 맞물린다는 것이다. 국부적 컴플라이언트 동압 패드(200)는 또한 일차 링(106)을 대응 링(108)과 적절하게 정렬하는 데에 일조한다. 더욱이, 특정한 실시예에서, 각 동압 패드(200)는 각 동압 패드(200) 상에 특정한 프로파일의 동압을 발생시켜 페이스 시일(100)이 비접촉 작동을 유지하는 데에 일조하도록 각 동압 패드(200)의 원주 방향(54)으로 및/또는 각 동압 패드(200)의 반경 방향(52)으로 축방향 홈 깊이가 변동하는 상태로 [예컨대, 동압 패드(200)의 축방향 페이스(206) 상에] 미크론 길이 등급의 프로파일을 가질 수 있다. 유사하게, 일차 링 밀봉면(208) 및/또는 대응 링 밀봉면(210)은 또한 아래에서 상세하게 설명되는 바와 같이 페이스 시일(100)의 동압 하중-지지 성능을 향상시키도록 다양한 프로파일 또는 표면 특징부를 가질 수 있다.
언급한 바와 같이, 스프링(204)은 일차 링(106)의 각각의 포켓 또는 리세스(202) 내에 배치된다. 즉, 리세스(202)는 페이스 시일(100)이 조립될 때에 페이스 시일(100)의 대응 링(108)과 대면하는 일차 링(106) 내에 형성된다. 알 수 있는 바와 같이, 스프링(204)은 동압 패드(200)에 대해 특정한 자유도를 허용하도록 설계된다. 예컨대, 스프링(204)은 일차 링(106)의 평면 내외로의 제1 병진 자유도[예컨대, 축방향(50)에서의 운동], 원주 방향(54)으로 흔들리거나 피봇하는 제2 회전 자유도, 및 반경 방향(52)으로 흔들리거나 피봇하는 제3 회전 자유도를 허용할 수 있다. 따라서, 동압 패드(200)는 대응 링(108)의 배향 및/또는 비틀림에 대해 더 양호하게 합치할 수 있다. 그 결과, 동압 패드(200)는 일차 링(106)과 대응 링(108) 사이의 접촉을 차단할 수 있고, 또한 페이스 시일(100)의 일차 링(106)과 대응 링(108) 사이의 큰 누출 간극의 형성을 차단할 수 있다. 바꿔 말해서, 동압 패드(200)는 일차 링(106)이 대응 링(108)에 대해 "동압적으로 잠긴" 위치를 유지하게 할 수 있다. 개별적인 포켓 스프링(204)에 의해 촉진되는 국부적 폐쇄력 및 개별적인 패드(200)에 의해 촉진되는 국부적 동압 개방력은 대응 링(108)과 접촉하는 일 없이 대응 링(108)에 대해 동압 평형을 달성하기 위하여 일차 링(106)이 정확하게 수행하는 데에 일조한다. 이는 작동력이 일차 링(106)과 대응 링(108) 사이에 웨지형 간극을 형성하려고 할 때에 러빙을 방지 또는 감소하는 데 일조할 수 있다. 그러한 이벤트 중에, 대응 링(108)에 가까운 일차 링(106) 상의 패드(200)는 더 큰 동압 개방력을 발생시키는 경향이 있고 대응 링(108)으로부터 멀리 있는 패드(200)에 비해 대응하는 국부적 스프링(204)을 받침부(126) 내로 더 압축한다. 개방력에서의 이 반경 방향 차이는 일차 링(106)의 장동(nutation)을 일으키고 웨지형 간극을 평행하게 만든다. 그러한 평행한 간극에 라이딩하는 페이스 시일(100)의 능력은 러빙 가능성을 감소시킨다. 이 방식으로, 증기(46)의 누출을 매우 낮은 설계값으로 여전히 유지하면서 일차 링(106)과 대응 링(108) 사이의 러빙 및 기계적 열화가 감소될 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 페이스 시일(100)의 구성요소의 기계적 열화에 있어서의 감소는 증기 터빈(36)의 중지 시간 및 유지 보수 비용을 감소시킬 수 있고 페이스 시일(100)의 구성요소의 유효 수명을 증가시킬 수 있으며, 증기(46) 누출의 감소는 증기 터빈(36)의 효율을 향상시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 각 동압 패드(200)의 축방향 페이스(206)는 페이스 시일(100)의 작동을 향상시키는 다양한 프로파일을 가질 수 있다. 예컨대, 하나 이상의 동압 패드(200)의 페이스(206)는 대응 링(108)이 한 방향(예컨대, 시계 방향)으로 선회할 때에 동압 발생을 가능하게 하도록 회전 방향으로[예컨대, 원주 방향(54)으로] 수렴 프로파일을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 패드(200)는 증기 터빈(36)의 양방향 작동을 가능하게 하는 파형 프로파일을 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 동압 패드(200)의 페이스(206)는 동압 분배를 향상시키는 (유동 충돌로 인한) 추가의 동압 성분을 발생시키도록 증기(46)의 반경 방향(52)의 유입 유동에 대한 댐 섹션을 형성하는 단차부를 반경 방향(52)에서 가질 수 있다. 그러한 특징부는 다양한 페이스 시일(100) 구성요소의 공차 요구 또는 요건을 감소시키는 데에 일조할 수 있다. 일차 링(106)의 밀봉면(208)과 대응 링(108)의 밀봉면(210)은 또한 페이스 시일(100)의 동압 부하-지지 성능을 향상시키도록 다양한 프로파일 또는 표면 특징부를 가질 수 있다.
더욱이, 각 동압 패드(200)를 편향시키는 스프링(204)의 갯수 및 각각의 동압 패드(200)에 대한 스프링(204)의 위치는 여러 실시예에서 변경될 수 있다. 예컨대, 예시된 실시예에서, 동압 패드(200)는 대체로 동압 패드(200)의 중앙에 커플링되는 하나의 스프링(204)에 의해 대응 링(108)을 향해 편향된다. 다른 실시예에서, 각 동압 패드(200)는 동압 패드(200)를 대응 링(108)을 향해 편향시키는 다수의 스프링(204)을 가질 수 있다. 예컨대, 각 동압 패드(200)는 하나의 스프링(204)이 동압 패드(200)의 각각의 코너에 커플링되는 4개의 스프링(204)에 의해 대응 링(108)을 향해 편향될 수 있다(도 8 참조). 다른 예의 경우, 특정한 실시예에서, 각 동압 패드(200)는 동압 패드(200)의 중앙으로부터 [예컨대, 반경 방향(52) 내측을 향해 또는 반경 방향(52)으로 외측을 향해] 오프셋된 동압 패드(200)에 커플링되는 하나의 스프링(204)을 포함할 수 있다.
도 6 및 도 7은 일차 링(106)의 국부적 컴플라이언트 동압 패드(200)를 예시하는, 페이스 시일(100)의 일차 링(106)의 실시예의 사시도이다. 전술한 바와 같이, 국부적 컴플라이언트 동압 패드(200) 각각은 하나 이상의 스프링(204)에 의해 지지될 수 있다. 그 결과, 동압 패드(200) 각각은 일차 링(106)의 평면 내외로 개별적으로[예컨대, 다른 동압 패드(200)에 상관없이] 이동될 수 있다. 이 방식으로, 동압 패드(200) 각각은 열, 압력 구동, 및/또는 천이력으로부터 생기는 대응 링(108)의 동적 변화 배향에 합치될 수 있다.
예시된 실시예에서, 일차 링(106)은 원주 방향(54)으로 일차 링(106) 둘레에서 실질적으로 등거리 만큼 떨어져 있는 6개의 국부적 컴플라이언트 동압 패드(200)를 포함한다. 그러나, 다른 실시예에서, 일차 링(106)은 다른 갯수의 동압 패드(200) 및/또는 후술되는 바와 같이 다른 구성으로 배치되는 동압 패드(200)를 포함할 수 있다. 예컨대, 예시된 실시예에서, 동압 패드(200)는 반경 방향(52)으로 일차 링(106)을 따라 실질적으로 유사한 위치를 갖는다. 그러나, 다른 실시예에서, 동압 패드(200)는 반경 방향(52)으로 엇갈려 있을 수 있다. 예컨대, 하나의 동압 패드(200)는 제1 반경 방향(52)의 위치를 가질 수 있고, 인접한 동압 패드(200)는 제2 반경 방향(52)의 위치를 가질 수 있음으로써, 일차 링(106) 둘레에 원주 방향(54)으로 엇갈린 배열을 만들 수 있다.
더욱이, 일차 링(106)의 예시된 실시예는 도 4에 관하여 위에서 유사하게 설명된 바와 같이 제1 및 제2 세그먼트(150, 152)를 포함한다. 게다가, 일차 링(106)의 조인트 계면(154)은 제1 및 제2 세그먼트의 상대적인 축방향(50) 운동을 가능하게 하는 롤러 핀(174)을 포함한다. 그러나, 일차 링(106)의 다른 실시예는 세그먼트화 형태가 아니라 국부적 컴플라이언트 동압 패드(200)를 포함할 수 있다. 유사하게, 다른 실시예에서, 일차 링(106)은 전술한 국부적 컴플라이언트 동압 패드(200)가 아니라 세그먼트화 형태를 포함할 수 있다.
도 8 및 도 9는 일차 링(106)의 국부적 컴플라이언트 동압 패드(200)를 예시하는, 페이스 시일(100)의 일차 링(106)의 다른 실시예의 사시도이다. 구체적으로, 도 8은 국부적 컴플라이언트 동압 패드(200)를 갖는 일차 링(106)을 예시하는데, 각각의 국부적 컴플라이언트 동압 패드(200)는 일차 링(106)의 페이스를 통해 절취된 각각의 리세스(202) 내에 4개의 스프링(204)에 의해 대응 링(108)을 향해 편향된다. 도시된 바와 같이, 각 리세스(202)는 리세스(202)의 4개의 코너 각각의 내부에 하나의 스프링(204)을 포함한다. 그러한 구조는 원하는 모멘트 특성을 제공하여 일차 링(106)에서 임의의 틸트 편향을 보정하도록 패드(200)의 4개의 코너에서의 스프링(204)의 강성을 개별적으로 조정하는 능력을 제공한다. 예컨대, 상부 코너에서 스프링(204)의 강성을 증가시킴으로써, 패드(200)의 외경 근처에 내경과 관련하여 덜 컴플라이언트 영역을 만들 수 있어, 패드(200)의 외경이 아니라 내경에서 유체 필름 두께가 국부적으로 더 높게 함으로써, 내경 필름 두께가 외경 필름 두께보다 낮게 되게 하는 임의의 틸트-생성 작동 현상을 보상할 수 있다. 예시된 실시예에서, 스프링(204)은 코일 스프링이지만, 다른 실시예에서, 스프링(204)은 판스프링 또는 비임 등의 다른 타입의 스프링일 수 있다. 도 9는 국부적 컴플라이언트 동압 시일(200)을 갖는 일차 링(106)의 실시예는 예시하는데, 국부적 컴플라이언트 동압 시일(200) 각각은 일차 링(106)의 각각의 리세스(202) 내에 배치되는 각각의 벨로우즈 스프링(300)에 의해 편향된다. 벨로우즈의 두께, 벨로우즈 턴들 사이의 간격, 및 턴들의 갯수를 선택함으로써, 시일의 동압 성능을 불안정화시키려는 (예컨대, 풍손(windage)으로 인한) 임의의 공기 역학적 모멘트에 저항하도록 패드의 컴플라이언트 메카니즘의 원하는 힘과 구조적 모멘트 특성을 달성할 수 있다. 각각의 국부적 컴플라이언트 동압 시일(200)은 예시된 실시예에서, 하나의 벨로우즈 스프링(300)에 의해 편향되지만, 다른 실시예는 다른 갯수의 벨로우즈 스프링(300)을 포함할 수 있다.
도 10 및 도 11은 일차 링(106)의 국부적 컴플라이언트 동압 패드(200)의 다른 배열을 예시하는, 페이스 시일(100)의 일차 링(106)의 다른 실시예의 사시도이다. 구체적으로, 도 10 및 도 11에서, 일차 링(106)은 국부적 컴플라이언트 동압 패드(200)의 제1 반경 방향 내향 세트(310)와, 국부적 컴플라이언트 동압 패드(200)의 제2 반경 방향 외향 세트(312)를 포함한다. 게다가, 국부적 컴플라이언트 동압 패드의 제1 반경 방향 내향 세트(310)와 제2 반경 방향 외향 세트(312)는 서로에 대해 일차 링(106) 둘레에서 원주 방향(54)으로 엇갈려 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 제1 반경 방향 내향 세트(310)와 제2 반경 방향 외향 세트(312)는 서로에 대해 원주 방향으로 엇갈려 있지 않을 수 있다. 게다가, 알 수 있는 바와 같이, 제1 반경 방향 내향 세트(310)와 제2 반경 방향 외향 세트(312)는 동일하거나 상이한 갯수의 국부적 컴플라이언트 동압 패드(200)를 가질 수 있다. 더욱이, 도 11에서, 국부적 컴플라이언트 동압 패드(200)의 제2 반경 방향 외향 세트(312) 각각은 표면 처리부(314)를 포함한다. 구체적으로, 국부적 컴플라이언트 동압 패드(200)의 제2 반경 방향 외향 세트(312) 각각은 각 동압 패드(200)의 각각의 페이스(206) 상에 미크론 길이 등급의 프로파일을 포함한다. 알 수 있는 바와 같이, 각 동압 패드(200)의 각각의 페이스(206) 상에 미크론 등급의 프로파일 또는 홈(314)은 일차 링(106)의 내경(316)을 향해 추가의 압력을 발생시키므로, 일차 링(106)이 대응 링(108)과 접촉하지 못하도록 추가의 동압 분리력을 제공할 수 있다.
도 12 및 도 13은 일차 링(106)의 밀봉면(208) 상에 형성되는 다양한 표면 처리부 또는 특징부를 예시하는, 페이스 시일(100)의 일차 링(106)의 다른 실시예의 사시도이다. 예컨대, 도 12에서, 일차 링(106)의 밀봉면(208)은 밀봉면(208)의 외경(322)으로부터 내경(324)을 향해 연장되는 홈(320)(예컨대, 나선형 홈)을 포함한다. 알 수 있는 바와 같이, 홈(320)은 전면적으로는 아니지만 밀봉면(208)의 내경(324)을 향해 연장되는, 밀봉면(208)에 형성된 리세스일 수 있다. 따라서, 증기(46) 또는 다른 기체가 증기 터빈(36)의 작동 중에 외경측으로부터 홈(320)에 진입하고 홈을 통과하여 홈의 곡률을 따라 각 홈(320)의 댐부(326)를 향해 가속되며, 최종적으로 댐부(326)에 대해 충돌하여, 동압 상승을 일으킴으로써 동압 분리력을 제공할 수 있다. 이 방식으로, 홈(320)은 일차 링(106)의 내경(324)을 향해 추가 압력의 발생을 가능하게 할 수 있다. 도 13에서, 일차 링(106)의 밀봉면(208)은 Y형 홈(330)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 각각의 Y형 홈(330)은 밀봉면(208)의 중간으로부터 스템부(332)에서 시작하는 외경(322)과 내경(324) 모두를 향해 연장되어 내경 및 외경에 도달하기 전에 종결되는 Y형 홈(330)을 형성한다. 증기(46) 또는 다른 기체가 홀(334)을 통해 Y형 홈(330) 내로 공급된다. Y형 홈(330)은 일차 링(106)의 외경(322) 또는 내경(324) 근처의 구역에 동압을 발생시키도록 외경(322)과 내경(324) 모두를 향해 동시에 유체를 펌핑한다. 그러한 Y형 형태의 홈에서, Y 형상의 외측 분기 및 내측 분기는 대응 링의 밀봉면(210)의 임의의 코닝(coning)을 따르는 데에 요구되는 자체 보정식 동압력을 제공한다.
알 수 있는 바와 같이, 전술한 실시예들의 각각의 특징부(예컨대, 표면 처리부 및/또는 프로파일)는 페이스 시일(100)의 여러 구성요소 중 하나 이상의 부품으로서 개별적으로, 또는 서로 임의로 조합하여 포함될 수 있다. 예컨대, 도 12 및 도 13의 일차 밀봉면(208)에 도시된 동압 특징부는 대응 링의 밀봉면(210)에 적용되고 일차 밀봉면(208)은 블랭크 평탄면이다. 게다가, 당업자라면, 다양한 배열, 표면 처리부, 및 전술한 다른 특징부가 본 개시의 범주 내에 고려되는 다른 형태를 가질 수 있다는 것을 이해할 것이다.
기술된 본 설명은 최상의 모드를 비롯한 본 발명을 개시하고, 또한 임의의 디바이스 또는 시스템을 제조 및 이용하고 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 비롯하여 당업자가 본 발명을 실시할 수 있게 하도록 예를 이용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되고, 당업자에게 일어나는 다른 예를 포함한다. 그러한 다른 예는, 청구범위의 문자 그대로의 언어와 상이하지 않는 구조적 요소를 가는다면, 또는 청구범위의 문자 그대로의 언어와 미미한 차이를 갖는 균등한 구조적 요소를 포함한다면 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. 시스템으로서,
    증기 터빈; 및
    증기 터빈의 페이스 시일을 포함하고, 상기 페이스 시일은,
    증기 터빈의 로터에 커플링되는 로터 링; 및
    증기 터빈의 고정 하우징에 커플링되는 스테이터 링을 포함하며,
    상기 스테이터 링은 복수 개의 원주 방향 세그먼트로 원주 방향으로 분할되고, 복수 개의 원주 방향 세그먼트들 각각의 사이에 하나 이상의 베어링 요소가 배치되며, 상기 하나 이상의 베어링 요소는 복수 개의 세그먼트의 서로에 대한 상대적인 축방향 운동을 가능하게 하도록 구성되는 것인 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수 개의 원주 방향 세그먼트는 제1 원주 방향 세그먼트와 제2 원주 방향 세그먼트를 포함하고, 상기 제1 및 제2 원주 방향 세그먼트는 하나 이상의 베어링 요소를 갖는 오버랩하는 조인트 계면을 통해 스테이터 링을 협동하여 형성하는 것인 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 스테이터 링은 고정 하우징에 커플링되는 받침부를 포함하고, 상기 스테이터 링은 로터 링과 동압적으로 맞물리도록 구성되는 것인 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 스테이터 링은 상기 받침부와 스테이터 링 사이에서 연장되는 스프링에 의해 로터 링을 향해 편향되는 것인 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 오버랩하는 조인트 계면은 2개의 L형 조인트 계면을 포함하는 것인 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 2개의 L형 조인트 계면은 스테이터 링의 수직축을 중심으로 서로에 대해 대략 대칭이거나 각각의 L형 조인트 계면은 제1 결합면, 제2 결합면, 및 롤러 결합면을 포함하고, 상기 제1 결합면과 롤러 결합면은 서로 대체로 평행하며, 상기 제2 결합면은 제1 결합면 및 롤러 결합면과 대체로 수직인 것인 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 결합면은 제1 결합면과 롤러 결합면 사이에서 연장되는 것인 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 원주 방향 세그먼트는 제2 결합면에서 서로 접촉하도록 구성되는 것인 시스템.
  9. 터빈으로서,
    로터;
    상기 로터 둘레에 배치되는 고정 하우징; 및
    상기 로터 둘레에 배치되는 페이스 시일을 포함하고, 상기 페이스 시일은,
    상기 로터에 커플링되거나 일체형인 로터 링; 및
    상기 고정 하우징에 커플링되는 스테이터 링을 포함하며, 상기 스테이터 링은,
    제1 세그먼트;
    제2 세그먼트; 및
    적어도 2개의 베어링 요소를 포함하고, 상기 제1 및 제2 세그먼트는 원주 방향으로 분할되며, 상기 제1 및 제2 세그먼트 사이에 적어도 2개의 베어링 요소가 배치되고, 상기 제1 세그먼트, 제2 세그먼트, 및 적어도 2개의 베어링 요소는 협동하여 스테이터 링을 형성하는 것인 터빈.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 세그먼트와 제2 세그먼트는 고정 하우징에 커플링되는 받침부와, 일차 링부를 각각 포함하는 것인 터빈.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제1 및 제2 세그먼트는 2개의 조인트 계면에서 서로 접하고 지지하며, 각각의 조인트 계면은 서로에 대해 대체로 수직인 적어도 2개의 결합면을 포함하는 것인 터빈.
  12. 제9항에 있어서, 상기 적어도 2개의 베어링 요소는 2개의 원통형 롤러 핀을 포함하는 것인 터빈.
  13. 시스템으로서,
    터빈의 로터 둘레에 배치되도록 구성되는 스테이터 링을 포함하고, 상기 스테이터 링은 협동하여 스테이터 링을 형성하도록 구성되는 제1 링 세그먼트와 제2 링 세그먼트를 포함하며, 상기 제1 및 제2 링 세그먼트는 원주 방향으로 분할되고 제1 및 제2 링 세그먼트 사이에 배치되는 적어도 하나의 베어링 요소를 갖고, 상기 적어도 하나의 베어링 요소는 제1 및 제2 링 세그먼트 사이의 계면에서 제1 및 제2 링 세그먼트 간에 상대적인 축방향 운동을 가능하게 하도록 구성되는 것인 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 계면은 L형 계면을 포함하는 것인 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 스테이터 링은 터빈의 로터 둘레에 배치되는 로터 링과 동압적으로 맞물리도록 구성되는 것인 시스템.
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