KR20160018355A - 샤프트 밀봉 시스템 및 배기가스 터보차저 - Google Patents

샤프트 밀봉 시스템 및 배기가스 터보차저 Download PDF

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홀게르 옌코
클라우스 바르톨로마
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만 디젤 앤 터보 에스이
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Abstract

유체 유동 기계의 샤프트 밀봉 시스템은, 로터측 부품(11)과 스테이터측 부품(10)에 의해 획정되고 베어링 하우징 내부(15)와 휘일 측방 공간(16) 사이에서 연장하는 간극(14)을 제1 밀봉 요소(17)에 의해 밀봉하도록 되며, 제1 밀봉 요소(17)는 특히 로터측 부품(11)의 작동 시에 휘일 측방 공간(16) 내에 존재하는 압력이 베어링 하우징 내부(15)에 존재하는 압력보다 큰 경우에 휘일 측방 공간(16)에서 상기 베어링 하우징 내부(15)로의 누설 흐름을 억제한다. 또한, 특히 로터측 부품(11)의 정지 상태에서 휘일 측방 공간(16) 내에 존재하는 압력이 베어링 하우징 내부(15)에 존재하는 압력보다 작은 경우에, 베어링 하우징 내부(15)에서 휘일 측방 공간(16)으로의 누설 흐름을 억제하는 제2 밀봉 요소(19)가 마련된다.

Description

샤프트 밀봉 시스템 및 배기가스 터보차저{SHAFT SEALING SYSTEM AND EXHAUST GAS TURBOCHARGER}
본 발명은 유체 유동 기계의 샤프트 밀봉 시스템(shaft sealing system) 및 배기가스 터보차저에 관한 것이다.
예를 들어, 배기가스 터보차저와 같은 유체 유동 기계에서의 샤프트 밀봉 시스템은 베어링 하우징 내부와 휘일 측방 공간 사이에서 연장하는 간극을 밀봉하는 임무를 갖는다. 배기가스 터보차저에서, 해당 베어링 하우징이 압축기측에서는 흡입 공기에 대해 터빈측에서는 배기가스에서 대해 밀봉되어야 한다. 이를 위해, 당업계로부터 공지된 샤프트 밀봉 시스템은, 특히 로터의 작동 시에 휘일 측방 공간 내에 존재하는 압력이 베어링 하우징 내부에 존재하는 압력보다 큰 경우에 휘일 측방 공간으로부터 베어링 하우징 내부로의 누설 흐름을 억제하는 밀봉 요소를 포함한다. 휘일 측방 공간으로부터 베어링 하우징 내부로 흐를 수 있는 잔류 누설 흐름은 또한 블로우-바이(blow-by)로 불리고 있다.
특히, 대형 엔진의 경우에, 배기가스 터보차저의 터빈측 로터와 압축기측 로터의 정지 상태에서 해당 휘일 측방 공간에는 해당 베어링 하우징 내부에 비해 낮은 압력이 형성되어, 밀봉 요소가 존재함에도 불구하고 정지 상태에서 누설 흐름이 베어링 하우징 내부에서 시작하여 휘일 측방 공간 내로 흐를 우려가 있다. 특히, 압축기 또는 터빈 영역에서 후냉각(after-cooling)을 위해 오일을 사용하는 경우, 정지 상태에서의 누설 흐름은 오일이 휘일 측방 공간으로 들어가 그 휘일 측방 공간 내에서 고온의 부품들로 인해 오일의 코크스화(coking-up)를 초래할 수 있다. 이러한 코크스화된 오일은 딱딱하여 해당 로터의 임펠러에 손상을 초래하게 된다.
DE 10 2004 055 429 B3으로부터, 오일 드레인 채널에 마련되고 시일들 사이에 배치된 환형 밀봉 웹(sealing web)을 포함하는 배기가스 터보차저를 위한 샤프트 밀봉 시스템이 공지되어 있다.
이로부터 시작하여, 본 발명은 유체 유동 기계의 샤프트 밀봉 시스템의 새로운 형태를 창안한다는 과제에 기초한다.
이러한 과제는 청구항 1에 따른 샤프트 밀봉 시스템에 의해 해결된다. 본 발명에 따르면, 샤프트 밀봉 시스템은, 특히 로터측 부품의 정지 상태에서, 휘일 측방 공간에 존재하는 압력이 베어링 하우징 내부에 존재하는 압력보다 작은 경우에, 베어링 하우징 내부로부터 휘일 측방 공간으로의 누설 흐름을 방지하는 제2 밀봉 요소를 포함한다.
본 발명에 따른 샤프트 밀봉 시스템에 의하면, 특히 해당 휘일 측방 공간 내에 해당 베어링 하우징 내부에 비해 낮은 압력이 존재하는 경우에 누설 흐름이 베어링 하우징 내부로부터 휘일 측방 공간 내로 흐를 우려가 없다. 본 발명에 따라 제공되는 제2 밀봉 요소가 그러한 누설 흐름을 억제한다. 따라서, 휘일 측방 공간에서의 코크스화의 우려도 효과적으로 억제할 수 있다.
다른 유리한 개선점에 따르면, 제2 밀봉 요소는, 특히 휘일 측방 공간 내에 존재하는 압력이 베어링 하우징 내부에 존재하는 압력보다 작은 경우에 밀봉 요소가 로터측 부품의 표면에 밀봉되게 접촉하는 한편, 특히 휘일 측방 공간 내에 존재하는 압력이 베어링 하우징 내부에 존재하는 압력보다 큰 경우에 휘일 측방 공간에서 베어링 하우징 내부로의 블로우-바이를 허용하도록 밀봉 요소가 로터측 부품의 표면으로부터 들어올려지게 하는 식으로 스테이터측 부품에 부착되는 맴브레인형 밀봉 요소로서 구성된다.
이러한 맴브레인형 밀봉 요소의 이용은 베어링 하우징 내부에 비해 휘일 측방 공간 내에 높은 압력이 존재하는 경우에 휘일 측방 공간에서 베어링 하우징 내부로의 소위 블로우-바이를 간단한 수단에 의해 허용하게 된다. 특히, 휘일 측방 공간에 베어링 하우징 내부에 비해 낮은 압력이 존재하는 경우에는, 베어링 하우징으로부터 휘일 측방 공간 내로의 누설 흐름을 효과적으로 방지한다.
바람직하게는, 맴브레인형 밀봉 요소는 베어링 하우징 내부를 향하는 스테이터측 부품의 표면에 제1 반경 방향 외측 섹션이 고정되며, 그 맴브레인형 밀봉 요소는 휘일 측방 공간에 존재하는 압력이 베어링 하우징 내부에 존재하는 압력보다 작은 경우에 베어링 하우징 내부를 향하는 로터측 부품의 표면에 제2 반경 방향 내측 섹션이 접촉한다.
또 다른 유리한 개선점에 따르면, 특히 휘일 측방 공간에 존재하는 압력이 베어링 하우징 내부에 존재하는 압력보다 작은 경우에 밀봉 요소가 접촉하게 되는 로터측 부품의 표면은, 특히 맴브레인형 밀봉 요소가 로터측 부품의 표면에 접촉할 때에 제2 밀봉 요소의 반경 방향 내측 가장자리와 함께 간극을 획정하는 로터측 부품의 견부(shoulder)에 의해 획정된다. 이에 의해, 맴브레인형 밀봉 요소의 밀봉 효과는 더욱 개선될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 개선점들은 종속 청구항 및 이하의 상세한 설명으로부터 달성할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예가 이에 제한되지 않고 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명된다.
본 발명에 따른 샤프트 밀봉 시스템에 의하면, 특히 해당 휘일 측방 공간 내에 해당 베어링 하우징 내부에 비해 낮은 압력이 존재하는 경우에 누설 흐름이 베어링 하우징 내부로부터 휘일 측방 공간 내로 흐를 우려가 없다. 본 발명에 따라 제공되는 제2 밀봉 요소가 그러한 누설 흐름을 억제한다. 따라서, 휘일 측방 공간에서의 코크스화의 우려도 효과적으로 억제할 수 있다.
도 1은 제1 상태에서의 본 발명에 따른 샤프트 밀봉 시스템의 개략도이며,
도 2는 제2 상태에서의 본 발명에 따른 샤프트 밀봉 시스템의 개략도이다.
본 발명은 유체 유동 기계, 특히 배기가스 터보차저의 샤프트 밀봉 시스템 및 이러한 샤프트 밀봉 시스템을 갖는 배기가스 터보차저에 관한 것이다.
배기가스 터보차저의 기본 구조는 당업자들에게 공지되어 있다. 따라서, 배기가스 터보차저는 터빈 및 압축기를 포함하며, 터빈에서 내연기관의 배기가스가 에너지를 추출하도록 팽창된다. 배기가스 팽창 중에 터빈 영역에서 추출된 에너지는 압축기 영역에서 내연기관에 공급될 급기(charge air)를 압축하는 데에 이용될 수 있다.
배기가스 터보차저의 터빈은 터빈 로터와 터빈 하우징을 포함하며, 압축기는 압축기 로터와 압축기 하우징을 포함한다. 터빈 영역과 압축기 영역 모두에는 소위 베어링 하우징 내부와 휘일 측방 공간이 형성되며, 베어링 하우징 내부와 휘일 측방 공간 사이에는, 일측에서는, 즉 반경 방향 외측에서는 스테이터측의 해당 하우징에 의해 구획되는 한편, 타측에서는, 즉 반경 방향 내측에서는 해당 로터에 의해 구획되는 간극이 연장한다.
도 1 및 도 2에서는 터빈 영역에서의 배기가스 터보차저의 세부 구조를 매우개략적인 방식으로 도시하고 있으며, 도 1에서 일측에는 스테이터측 부품(10)으로서의 터빈 하우징과 타측에는 로터측 부품(11)으로서의 터빈 로터가 도시되어 있다. 터빈 로터(11)를 샤프트(12) 및 가동 블레이드(13)를 포함한다.
도 1 및 도 2에 따르면, 간극(14)이 스테이터측 부품(10)과 로터측 부품(11) 사이에 형성되어, 베어링 하우징 내부(15)와 휘일 측방 공간(16) 사이에서 연장한다.
이러한 간극(14)을 밀봉하기 위해, 도시한 예시적인 실시예에서는 피스톤 링 시일로서 형성된 제1 밀봉 요소(17)가 마련된다. 도시한 예시적인 실시예에서 피스톤 링으로서 형성된 제1 밀봉 요소(17)는 도 1 및 도 2에 따르면 로터측 부품(11)의 홈(18) 내에 배치되어, 스테이터측 부품(10)에 대해 간극(14)을 밀봉한다. 바람직하게는 피스톤 밀봉 링으로서 형성된 그러한 제1 밀봉 요소(17)는 특히 n>0의 회전 속도를 갖는 로터측 부품(11)의 작동 시에 특히 베어링 하우징 내부(15)에 비해 휘일 측방 공간(16) 내에 보다 큰 압력이 존재하는 경우 간극(14)을 밀봉하는 데에 유효하지만, 제1 밀봉 요소(17)는 소위 블로우-바이로 불리는 휘일 측방 공간(16)에서 시작하여 베어링 하우징 내부(15)로 흐르는 잔류 누설 흐름을 허용한다.
특히 로터측 부품(11)의 정지 상태(n=0)에서 휘일 측방 공간(16)보다 베어링 하우징 내부(15)에서 큰 압력이 존재하는 경우에 베어링 하우징 내부(15)로부터 휘일 측방 공간(16) 내로의 누설 흐름을 간단한 수단에 의해 확실하고 신뢰성 있게 방지하기 위해, 본 발명에 따른 샤프트 밀봉 시스템은 제2 밀봉 요소(19)를 포함한다. 제2 밀봉 요소(19)는 특히 휘일 측방 공간(16) 내에 존재하는 압력이 베어링 하우징 내부(15)에 존재하는 압력보다 작은 경우에 베어링 하우징 내부(15)로부터 휘일 측방 공간(16)으로의 누설 흐름을 방지한다. 그러면, 베어링 하우징 내부(15)에 비해 휘일 측방 공간(16)의 낮은 압력으로 인해, 예를 들어 냉각에 이용되는 오일이 휘일 측방 공간(16)의 영역으로 들어가 여기서 코크스화되는 우려가 없다.
제2 밀봉 요소(19)는 바람직하게는 맴브레인형 밀봉 요소이다. 밀봉 맴브레인으로도 불릴 수 있는 맴브레인형 밀봉 요소(19)는, 특히 휘일 측방 공간(16) 내에 존재하는 압력이 베어링 하우징 내부(15)에 존재하는 압력보다 작은 경우에 맴브레인형 밀봉 요소(19)가 로터측 부품(11)의 표면(20)에 밀봉되게 접촉하는 한편(도 2 참조), 특히 휘일 측방 공간(16) 내에 존재하는 압력이 베어링 하우징 내부(15)에 존재하는 압력보다 큰 경우에 맴브레인형 밀봉 요소(19)가 로터측 부품(11)의 표면(20)으로부터 들어올려져 블로우-바이를 허용하도록 하는(도 1 참조) 식으로 스테이터측 부품(10)에 고정된다.
도시한 바람직한 예시적인 실시예에서, 제2 맴브레인형 밀봉 요소(19)는 베어링 하우징 내부(15)를 향하는 스테이터측 부품(10)의 표면(22)에 제1 반경 방향 외측 섹션(21)이 고정된다. 특히 휘일 측방 공간(16)에 존재하는 압력이 베어링 하우징 내부(15)에 존재하는 압력보다 작은 경우에 맴브레인형 밀봉 요소는 제2 반경 방향 내측 섹션(23)이 마찬가지로 베어링 하우징 내부(15)를 향하는 로터측 부품(11)의 표면(20)에 접촉한다. 반면, 특히 휘일 측방 공간(16)에 존재하는 압력이 베어링 하우징 내부(15)에 존재하는 압력보다 큰 경우에, 제2 맴브레인형 밀봉 요소(19)의 제2 반경 방향 내측 섹션(23)이 로터측 부품(11)의 표면(20)으로부터 들어올려지게 된다.
맴브레인형 밀봉 요소(19)의 제1 반경 방향 외측 섹션(21)이 고정되는 스테이터측 부품(10)의 표면(22)은 도 1 및 도 2에 따르면, 맴브레인형 밀봉 요소(19)의 제2 반경 방향 내측 섹션(23)이 휘일 측방 공간(16)의 압력이 낮은 경우에 접촉하게 될 로터측 부품(11)의 표면(20)과 축방향으로 동일한 위치에 배치된다. 이 경우, 스테이터측 부품(10)의 표면(22)은 로터측 부품(11)의 표면(20)에 비해 반경 방향 외측에 배치된다.
도시한 바람직한 예시적인 실시예에서, 특히 베어링 하우징 내부(15)에 비해 휘일 측방 공간(16)의 압력이 낮은 경우에 맴브레인형 밀봉 요소(19)가 접촉하게 되는 로터측 부품(11)의 표면(20)은 로터측 부품(11)의 견부(24)에 의해 획정된다.
특히, 맴브레인형 밀봉 요소(19)의 제2 반경 방향 내측 섹션(23)이 로터측 부품(11)의 표면(20)과 접촉하는 경우, 맴브레인형 밀봉 요소(19)의 반경 방향 내측 가장자리(25)와 견부(24)가 간극을 획정한다. 이로 인해, 베어링 하우징 내부(15)에 비해 휘일 측방 공간(16)의 압력이 낮은 경우에 있어서의 샤프트 밀봉 시스템의 밀봉 효과를 더욱 개선시킬 수 있다.
맴브레인형 밀봉 요소(19)는 플라스틱 또는 금속으로 이루어질 수 있고, 그 재료는 단지 샤프트 밀봉 시스템의 영역에 존재하는 온도에 적합하도록 설계되면 된다. 맴브레인형 밀봉 요소(19)의 두께는, 그 밀봉 요소가 베어링 하우징 내부(15)와 휘일 측방 공간(16) 사이의 압력차에 순응하여, 베어링 하우징 내부(15)에 비해 휘일 측방 공간(16) 내에 낮은 압력이 존재하는 경우에 간극(14)을 확실하게 밀봉하고 베어링 하우징 내부(15)에 비해 휘일 측방 공간(16) 내에 높은 압력이 존재하는 경우에 블로우-바이를 허용하도록 식으로 설정된다. 따라서, 휘일 측방 공간(16)에서 베어링 하우징 내부(15)로의 블로우-바이는 제2 밀봉 요소(19)에 의해 차단되지 않으며, 단지 베어링 하우징 내부(15)에서의 휘일 내부 공간(16)으로의 그 반대의 누설 흐름만이 방지된다.
본 발명에 따른 샤프트 밀봉 시스템은 배기가스 터보차저의 터빈 영역에는 물론 배기가스 터보차저의 압축기 영역에도 이용될 수 있다. 게다가, 그 샤프트 밀봉 시스템은 예를 들면 소위 파워 터빈과 같은 다른 유체 유동 기계에 이용될 수도 있다.
10: 부품
11: 부품
12: 샤프트
13: 임펠러
14: 간극
15: 베어링 하우징 내부
16: 휘일 측방 공간
17: 밀봉 요소
18: 홈
19: 밀봉 요소
20: 표면
21: 섹션
22: 섹션
23: 표면
24: 견부
25: 가장자리

Claims (10)

  1. 유체 유동 기계의 샤프트 밀봉 시스템으로서,
    로터측 부품(11)과 스테이터측 부품(10)에 의해 획정되고 베어링 하우징 내부(15)와 휘일 측방 공간(16) 사이에서 연장하는 간극(14)을 제1 밀봉 요소(17)에 의해 밀봉하도록 되어 있고, 상기 제1 밀봉 요소(17)는 특히 로터측 부품(11)의 작동 시에 상기 휘일 측방 공간(16) 내에 존재하는 압력이 상기 베어링 하우징 내부(15)에 존재하는 압력보다 큰 경우에 상기 휘일 측방 공간(16)에서 상기 베어링 하우징 내부(15)로의 누설 흐름을 억제하도록 된 것인 샤프트 밀봉 시스템에 있어서,
    특히 로터측 부품(11)의 정지 상태에서 상기 휘일 측방 공간(16) 내에 존재하는 압력이 상기 베어링 하우징 내부(15)에 존재하는 압력보다 작은 경우에, 상기 베어링 하우징 내부(15)에서 상기 휘일 측방 공간(16)으로의 누설 흐름을 억제하는 제2 밀봉 요소(19)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 샤프트 밀봉 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 밀봉 요소(19)는 맴브레인형 밀봉 요소로서 형성되며, 이 맴브레인형 밀봉 요소는, 특히 상기 휘일 측방 공간(16) 내에 존재하는 압력이 상기 베어링 하우징 내부(15)에 존재하는 압력보다 작은 경우에 상기 맴브레인형 밀봉 요소가 상기 로터측 부품(11)의 표면(20)에 밀봉되게 접촉하는 한편, 특히 상기 휘일 측방 공간(16) 내에 존재하는 압력이 상기 베어링 하우징 내부(15)에 존재하는 압력보다 큰 경우에 상기 맴브레인형 밀봉 요소가 상기 로터측 부품(11)의 표면(20)으로부터 들어올려지게 하는 식으로 상기 스테이터측 부품(10)에 고정되는 것을 특징으로 하는 샤프트 밀봉 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 맴브레인형 밀봉 요소(19)는 상기 베어링 하우징 내부(15)를 향하는 상기 스테이터측 부품(10)의 표면(22)에 제1 반경 방향 외측 섹션(21)이 고정되는 것을 특징으로 하는 샤프트 밀봉 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 맴브레인형 밀봉 요소(19)는, 특히 상기 휘일 측방 공간(16)에 존재하는 압력이 상기 베어링 하우징 내부(15)에 존재하는 압력보다 작은 경우에 상기 베어링 하우징 내부(15)를 향하는 상기 로터측 부품(11)의 표면(20)에 제2 반경 방향 내측 섹션(23)이 접촉하는 것을 특징으로 하는 샤프트 밀봉 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 맴브레인형 밀봉 요소(19)는, 상기 휘일 측방 공간(16)에 존재하는 압력이 상기 베어링 하우징 내부(15)에 존재하는 압력보다 큰 경우에 상기 제1 반경 방향 내측 섹션(23)이 상기 베어링 하우징 내부(15)를 향한 상기 로터측 부품(11)의 표면(20)으로부터 들어올려져, 상기 휘일 측방 공간(16)에서 상기 베어링 하우징 내부(15)로의 블로우-바이(blow-by)를 허용하도록 되는 것을 특징으로 하는 샤프트 밀봉 시스템.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 특히 상기 휘일 측방 공간(16)에 존재하는 압력이 상기 베어링 하우징 내부(15)에 존재하는 압력보다 작은 경우에 상기 맴브레인형 밀봉 요소(19)가 접촉하게 되는 상기 로터측 부품(11)의 표면(20)은 상기 로터측 부품(11)의 견부(24)에 의해 획정되는 것을 특징으로 하는 샤프트 밀봉 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 견부(14)는 특히 상기 맴브레인형 밀봉 요소(19)가 상기 로터측 부품(11)의 표면(20)에 접촉할 때에 상기 제2 밀봉 요소(19)의 반경 방향 내측 가장자리(25)와 함께 간극을 획정하는 것을 특징으로 하는 샤프트 밀봉 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 맴브레인형 밀봉 요소(19)는 플라스틱 또는 금속으로 이루어지며, 상기 맴브레인형 밀봉 요소(19)의 두께는 상기 베어링 하우징 내부(15)와 상기 휘일 측방 공간(16) 사이의 압력차에 순응하도록 된 것을 특징으로 하는 샤프트 밀봉 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 밀봉 요소(17)는, 피스톤 링 시일, 브러시 시일, 또는 래비린스 시일로서 구성되는 것을 특징으로 하는 샤프트 밀봉 시스템.
  10. 터빈과 압축기를 포함하는 배기가스 터보차저로서,
    상기 터빈은 터빈 로터와 터빈 하우징을 포함하며 상기 압축기는 압축기 로터와 압축기 하우징을 포함하며, 상기 터빈 및 압축기의 영역들 모두에는 해당 로터와 해당 하우징에 의해 해당 베어링 하우징 내부와 해당 휘일 측방 공간 사이에 연장하는 간극이 획정되며, 이 간극은 샤프트 밀봉 시스템에 의해 밀봉되는 것인 배기가스 터보차저에 있어서,
    상기 터빈의 샤프트 밀봉 시스템 및/또는 상기 압축기의 샤프트 밀봉 시스템은 제1항 내지 제9항 어느 한 항에 따라 구성되는 것인 배기가스 터보차저.
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