KR20160070125A - 터보 기계에서의 밀봉 간극 제어 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 터보 기계(1)는, 고정 구성요소(7)와, 고정 구성요소(7)에 회전 지지되어 있는 회전 구성요소(11), 그리고 회전 구성요소와 고정 구성요소 사이에 있는 밀봉 장치(21)를 포함한다. 냉각 유체를 밀봉 장치에 이송하여 밀봉 장치로부터 열을 제거하도록 구성 및 설계된 냉각 장치(29)가 더 마련된다.

Description

터보 기계에서의 밀봉 간극 제어{SEALING CLEARANCE CONTROL IN TURBOMACHINES}

본원에 개시된 대상은 터보 기계에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본원은 고온에서의 터보 기계의 작동을 위한 밀봉 장치의 개선에 관한 것이다.

원심 압축기, 터빈 등과 같은 터보 기계는 종종 고온에서 작동되고, 터보 기계의 로터 구성요소뿐만 아니라 스테이터 고정요소는 양자 모두 열팽창을 경험하게 된다.

고속 시동 기계에서, 즉 시동 절차가 단기간에 실시되는 기계에서, 고정 구성요소 상에 장착된 밀봉 장치와 회전 구성요소 사이의 밀봉 간극은, 시동 중에 밀봉 장치가, 원심력과 반경방향에서의 레이디얼 열성장으로 인한 빠른 치수 증가를 경험하게 되는 회전 구성요소와 접촉하지 않도록 고안되어야 한다.

시동 중에, 로터의 반경방향 성장보다 느린 스테이터의 반경방향 성장으로 인한, 밀봉 손상을 방지하기 위해, 밀봉 장치의 직경 치수는, 시동시에도 충분한 반경방향 간극이 유지되도록 고안되어 있다. 결과적으로, 터보 기계의 정상 상태 작동 조건이 달성될 때, 반경방향 밀봉 간극이 비교적 크다. 큰 반경방향 간극은 터보 기계의 효율의 하락을 초래한다.

따라서, 고온에서 작동하고 빠른 시동 절차를 갖는 터보 기계의 밀봉 장치의 반경방향 간극에 대한 제어의 개선이 필요하다.

일 양태에 따르면, 본원에 개시된 대상은 터보 기계로서, 고정 구성요소, 고정 구성요소에 회전 지지되어 있는 회전 구성요소, 및 회전 구성요소와 고정 구성요소 사이의 밀봉 장치를 포함하는 터보 기계를 제공한다. 유익하게는, 냉각 유체를 밀봉 장치에 이송하여 밀봉 장치로부터 열을 제거하도록 구성 및 설계된 냉각 장치가 더 제공된다.

냉각 장치로부터 열을 제거함으로써, 밀봉 간극은, 특히 정상 상태 작동 조건으로 제어될 수 있고, 그에 따라 터보 기계의 전체 효율이 향상된다.

밀봉 장치는 고정 밀봉 링, 즉 터보 기계의 고정 구성요소에, 예컨대 압축기의 단의 다이어프램 등에, 비회전 방식으로 장착되어 있는 밀봉 링을 포함할 수 있다.

몇몇 유익한 실시형태들에 따르면, 냉각 장치는, 밀봉 장치에 배치되어 있는 냉각 챔버로서, 냉각 유체를 냉각 챔버 안으로 이송하도록 냉각 챔버와 유체 연통되어 있는 적어도 하나의 냉각 유체-이송 덕트가 마련되어 있는 것인 냉각 챔버를 포함한다. 몇몇 실시형태들에서, 냉각 장치는, 냉각 유체를 냉각 챔버로부터 내보내도록 냉각 챔버와 유체 연통되어 있는 적어도 하나의 냉각 유체-토출 덕트를 더 포함한다. 냉각 챔버는 밀봉 장치의 밀봉 링 또는 환형 밀봉 부재와, 밀봉 장치가 그 위에 장착되어 있는 고정 구성요소의 사이에 배치될 수 있다.

몇몇 실시형태들에서, 예컨대 밀봉 링이 충분히 큰 단면을 갖는 경우, 냉각 챔버는 밀봉 장치의 밀봉 링 또는 환형 밀봉 부재의 내측에 마련될 수 있다.

냉각 챔버는 유익하게는 밀봉 부재와 동일한 공간에 걸쳐 있거나 또는 실질적으로 밀봉 부재와 동일한 공간에 걸쳐 있고, 유익하게는 실질적으로 밀봉 부재의 전체 전개 범위를 따라 밀봉 부재와 유체 접촉 관계에 있다. 바람직하게는, 실질적으로 동일한 공간에 걸쳐 있다는 것은, 냉각 챔버의 둘레방향 범위가 밀봉 부재의 둘레방향 범위의 적어도 70%, 보다 바람직하게는 적어도 80%, 보다 더 바람직하게는 적어도 90%인 것을 의미한다. 밀봉 부재와 냉각 챔버가 실질적으로 동일한 공간에 걸쳐 있게 함으로써, 매우 효율적으로 밀봉 장치의 온도가 제어된다.

환형 밀봉 부재는 고정 구성요소의 시트 상에 장착될 수 있고, 그 결과 환형 밀봉 부재와 시트는 서로에 대해 반경방향으로 변위 가능하게 된다. 이에 따라, 환형 밀봉 부재의 반경방향 팽창은 냉각 유체에 의해 제어될 수 있고, 환형 밀봉 부재가 그 위에 배치되어 있는 고정 구성요소의 반경방향 팽창보다 작게 감소되거나 또는 유지될 수 있다.

배출 냉각 유체는 냉각 회로에서 재순환될 수 있다. 다른 실시형태들에서, 냉각 유체의 속성이 정말로 용납된다면, 예컨대 공기가 사용된다면, 배출 냉각 유체는 주변 환경에 토출될 수 있다. 몇몇 다른 실시형태들에서, 냉각 유체는 터보 기계에 의해 처리되는 피처리 가스와 동일한 가스이거나, 또는 상기 피처리 가스와 양립 가능한 가스일 수 있다. 이러한 경우에, 냉각 가스의 압력이 프로세스 가스의 압력보다 높다면, 배출 냉각 유체는 터보 기계를 관류하는 프로세스 가스의 주 흐름에 토출될 수 있다.

다른 양태에 따르면, 본원에 개시된 대상은, 터보 기계의 회전 구성요소와, 이 회전 구성요소와 협동하는 고정 밀봉 장치의 사이에 있어서, 터보 기계의 밀봉 간극을 제어하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 터보 기계의 작동 중에 밀봉 장치의 열팽창을 감소시키도록 밀봉 장치로부터 열을 제거하는 단계를 포함한다.

특히 유익한 실시형태들에서, 상기 방법은:

밀봉 장치와, 이 밀봉 장치가 그 위에 장착되어 있는 고정 구성요소의 사이에 냉각 챔버를 배치하는 단계; 및

상기 냉각 챔버 안으로 냉각 유체를 이송하고 이에 의해 밀봉 장치로부터 열을 제거하는 단계를 포함한다.

본원에 개시된 대상에 따른 밀봉 장치는, 열 제거를 통한 밀봉 간극의 제어가 유익할 수 있는 경우에, 임의의 터보 기계에 구현될 수 있다. 가스 터빈 등과 같은 고온 터보 기계는 본원에 기술된 배치 구성을 이용할 수 있다. 또한, 축류 압축기와 원심 압축기 등과 같은 압축기에는 본원에 개시된 것과 같은 밀봉 장치가 마련될 수 있다. 이는 특히, 처리된 유체가 비교적 높은 온도에 도달하는 압축기의 경우에, 예컨대 CAES 시스템(압축 공기 에너지 저장 시스템) 또는 ACAES 시스템(단열 압축 공기 에너지 저장 시스템)용의 압축기 등의 경우에 유용하다.

특징들 및 실시형태들이 이하에 개시되어 있고, 본 명세서의 필수적인 부분을 형성하는 첨부된 청구범위에 더 기술되어 있다. 상기한 간략한 설명은, 이하의 상세한 설명을 보다 잘 이해할 수 있도록, 그리고 본 발명이 관련 분야에 이바지하는 바를 보다 잘 인식할 수 있도록, 본 발명의 여러 실시형태의 특징을 제시한다. 물론, 이하에 기술되며 첨부된 청구범위에 제시되는 본 발명의 다른 특징이 있다. 이러한 점에서, 본 발명의 몇몇 실시형태를 상세히 설명하기에 앞서, 본 발명의 여러 실시형태가, 이하의 상세한 설명에 제시되어 있거나 혹은 도면에 도시되어 있는 구성의 상세한 사항 및 구성요소의 배치 구성에 그 용례가 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 실시형태일 수 있고, 다양한 방식으로 실시 및 수행될 수 있다. 또한, 본원에 채용된 자구 및 용어는 설명을 목적으로 한 것이며 제한적인 것으로 여겨져서는 안 된다는 것을 이해하여야 한다.

이에 따라, 당업자는, 본 개시 내용이 기초로 삼고 있는 개념이, 본 발명의 여러 목적을 완수하는 다른 구조, 방법, 및/또는 시스템을 구성하는 근거로서 쉽게 이용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 청구범위는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 한 상기한 등가의 구성을 포함하는 것으로 고려된다는 것은 중요하다.

개시된 본 발명의 실시형태와 이에 수반되는 많은 이점은, 이하의 상세한 설명에 의거하여 보다 잘 이해될 것이므로, 첨부 도면을 결부시켜 고려하여 보았을 때, 쉽고도 보다 완벽하게 인식하게 될 것이다.
도 1은 다단 원심 압축기의 개략적인 단면도를 보여주고;
도 2는 도 1의 압축기의 마지막 단의 확대도를 보여주며;
도 3은 도 1의 압축기의 단들 중의 어느 하나의 임펠러 아이(impeller eye)에 있어서의 밀봉 장치의 확대도를 보여주고;
도 4는 도 2의 선 Ⅳ-Ⅳ를 따라 취한 개략적인 단면도를 보여주며;
도 5는 다른 실시형태에 따른 임펠러 아이에 대한 밀봉 장치의 단면도로서, 밀봉 장치 내측에 배치된 냉각 유체 순환 챔버를 보여주고;
도 6은 밀봉 링을 터보 기계의 고정 구성요소에 대하여 비틀림 고정하는 키(key)를 갖는 밀봉 장치의 다른 단면도를 보여준다.

예시적인 실시형태에 대한 이하의 상세한 설명은, 첨부 도면을 참조로 한다. 서로 다른 도면에 있어서 동일한 도면부호는 동일하거나 유사한 요소를 식별하는데 사용된다. 추가적으로, 도면들은 축척에 맞춰 도시되어 있다라고는 할 수 없다. 또한, 이하의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정해진다.

발명의 상세한 설명의 전반에 언급되어 있는 "일 실시형태" 또는 "실시형태" 또는 "일부 실시형태"는, 실시형태와 관련하여 기술된 특정 특징, 구조, 또는 특성이, 개시된 대상의 적어도 하나의 실시형태에 포함되어 있는 것임을 의미한다. 따라서, 발명의 상세한 설명의 전반에 걸쳐 여러 곳에 보이는 구절 "일 실시형태에서" 또는 "실시형태에서" 또는 "일부 실시형태에서"가, 동일한 실시형태를 나타내는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조, 또는 특성은 하나 이상의 실시형태에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.

이하의 설명과 첨부된 도면에서는, 원심 다단 압축기, 예를 들어 소위 CAES(압축 공기 에너지 저장 시스템) 용례에 사용하기 위한 압축기에 관하여 논급하고 있다. 그러나, 당업자라면 본원에 개시된 대상이, 유사한 기술적 문제들이 발생하는 다른 터보 기계에 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

도 1을 참조해 보면, 다단 원심 압축기(1)는 압축기 입구(5)와 압축기 출구(6)를 갖는 케이싱(3)을 포함한다. 압축기의 케이싱(3)의 내부에는, 압축기 다이어프램 장치(7)가 마련되어 있다. 케이싱(3)과 다이어프램(7)은 압축기의 고정 부품을 형성한다.

케이싱(3)에는, 회전 샤프트(9)가 적절히 지지되어 있다. 복수의 임펠러(11)가 회전 샤프트(9) 상에 장착되어 있고, 주 구동부(도시 생략), 예를 들어 전기 모터, 터빈 등의 제어 하에, 회전 샤프트와 함께 회전한다.

몇몇 실시형태들에서는, 회전 샤프트(9) 상에 평형 드럼(13)이 회전 샤프트와 함께 회전하도록 추가적으로 장착되어 있다.

다이어프램(7)에 형성된 리턴 채널(15)은, 각각의 임펠러(11)에서 빠져나온 가스 유동을 후속 임펠러의 입구로 되돌려보내기 위해 마련된다. 가장 하류측의 임펠러(도 2에 또한 도시되어 있음)는, 압축 가스를 모으는 볼류트부(17)와 유체 연통해 있으며, 이 압축 가스는 볼류트부로부터 압축기 출구(6)로 이송된다.

도 2의 확대도에 가장 잘 도시된 바와 같이, 임펠러들(11) 중의 적어도 일부가 임펠러 디스크(11D)와, 임펠러 아이(11E)를 구비하는 임펠러 슈라우드(11S)를 포함할 수 있다. 블레이드들(11B)은 임펠러 디스크(11D)와 임펠러 슈라우드(11S)의 사이에 배치되어 있고, 임펠러(11)의 내부에 베인을 형성하며, 임펠러 입구(11I)에서 임펠러에 들어가는 가스는 베인을 통해 가속되고 최종적으로 임펠러 출구(11O)에서 토출된다.

고정 다이어프램(7)과 임펠러 아이(11E)의 사이에는, 밀봉 장치(21)가 마련되어 있다. 도 3은 압축기(1)의 임펠러들(11) 중의 어느 하나의 밀봉 장치의 실시형태의 확대도를 보여준다. 도 4는 고정 구성요소(다이어프램)(7), 임펠러 아이(11E) 및 밀봉 장치(21)의 개략적인 단면도를 보여준다.

밀봉 장치(21)는 환형 밀봉 부재(23)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태들에서, 환형 밀봉 부재(23)는, 다이어프램(7)에 대해 중심에 있는 환형 밀봉 부재(23)를 유지할 수 있는, 복수의 각도 간격을 두고 배치된 키(25)의 도움을 받아, 다이어프램(7)에 장착되어 있다. 밀봉 장치(21)는 고정 구성요소 상에, 즉 다이어프램(7) 상에 장착되어 있고, 그 결과 밀봉 장치와 고정 구성요소는 서로에 대해 반경방향으로 이동 가능하다. 이러한 식으로, 환형 밀봉 부재(23)의 열팽창과 고정 구성요소(7)의 열팽창에 차등을 둘 수 있다.

몇몇 실시형태들에서, 다이어프램(7)은 시트(27)를 포함하고, 이 시트에 환형 밀봉 부재(23)가 적어도 부분적으로 수용된다. 냉각 챔버 또는 냉각 채널(29)이 환형 밀봉 부재(23)와 다이어프램(7)에 마련된 시트(27)의 사이에 형성된다. 다이어프램(7)의 시트(27)에 대해 밀봉하기 위해, 환형 밀봉 부재(23)의 둘레에 밀봉 립(23L)이 마련될 수 있다. 이에 따라, 임펠러(11)가 회전 가능하게 수용되어 있는 공간에 대해 냉각 챔버(29)가 밀봉된다.

냉각 챔버(29)는 냉각 유체의 공급원과 유체 연통되어 있다. 유익한 실시형태들에서, 냉각 챔버는 냉각 유체 회로의 일부분으로서 배치되어 있고, 그 결과 냉각 유체는 냉각 챔버의 안으로 그리고 냉각 챔버를 통과하게 이송되며 냉각 챔버로부터 내보내어진다. 도 4의 개략적인 단면도에 가장 잘 도시된 바와 같이, 몇몇 실시형태들에서, 적어도 하나의 냉각 유체-이송 덕트(31)는 냉각 챔버(29)와 유체 연통되어 있고 냉각 유체를 냉각 챔버 안으로 이송한다. 냉각 유체가 냉각 챔버(29)를 순환하면 이 냉각 유체를 내보내도록, 냉각 챔버(29)와 유체 연통되어 있는 적어도 하나의 냉각 유체-토출 덕트(33)가 또한 마련될 수 있다.

도 4에서, 냉각 챔버(29)와 환형 밀봉 부재(23)는 동일한 공간에 걸쳐 있고, 즉 냉각 챔버와 환형 밀봉 부재는 임펠러 축 둘레로 360°를 따라 연장된다. 이에 따라, 냉각 챔버(29)는 그 전체 각도 범위를 따라서 밀봉 장치와 유체 접촉 관계에 있다. 이는 바람직한 형태이다. 그러나, 덜 효율적인 다른 실시형태들에서, 냉각 챔버(29)의 범위는 밀봉 장치의 각도 범위보다 약간 적을 수 있고, 예를 들어 냉각 챔버(29)는, 예컨대 반경방향 파티션에 의해 분리되어 있는, 2 이상의 서브-챔버로 분할될 수 있으며, 그 결과 냉각 챔버(29)의 전체 범위는 밀봉 장치의 각도 범위보다 약간 적을 수 있고, 예컨대 10% 더 적을 수 있다.

앞서 개시된 배치 구성은, 냉각 유체를 각 임펠러(11)의 냉각 챔버 또는 냉각 채널(29)의 안으로 그리고 냉각 챔버를 통과하게 제어 순환시킬 수 있게 하며, 이러한 이유로 상기한 배치 구성이 마련된다.

도 3에 도면부호 35로 개략적으로 도시된 냉각 유체 회로에 의해 냉각 유체가 제공될 수 있다. 냉각 유체 회로는 팬(37), 펌프, 또는 임의의 다른 순환 디바이스를 포함할 수 있다.

냉각 유체는 밀봉 장치(21)로부터 열을 제거하기에 적합한 임의의 유체일 수 있다. 몇몇 실시형태들에서는, 비압축성 액상 냉각 유체, 예컨대 투열성 오일 등이 사용될 수 있다. 이러한 냉각 유체는, 냉각 챔버 또는 냉각 채널(29)을 통한 강제 대류에 의해 열을 제거하는 데 있어서 특히 효율적이다.

몇몇 실시형태들에서는, 기상 냉각 유체가 사용될 수 있다. 특히 유익한 실시형태들에서는, 압축기(1)에 의해 처리되는 가스와 양립 가능한 냉각 유체가 사용된다. 이러한 식으로, 냉각 챔버(29)로부터의 냉각 유체의 누출이 압축기(1)를 통한 가스의 처리에 어떠한 악영향도 미치지 않을 것이다.

통상적으로 압축기(1)가 공기를 처리하는 CAES 또는 ACAES 용례에서는, 주변 환경의 공기가 냉각 챔버(29)에서 냉각 매체 또는 냉각 유체로서 사용될 수 있다.

냉각 유체의 속성과 그 밖의 고려 사항들이 정말로 용납된다면, 예컨대 공기가 냉각 유체로서 사용된다면, 냉각 챔버(29)에서 나가는 냉각 유체가 주변 환경에 토출되도록, 냉각 유체 회로(35)는 주변 환경을 향해 개방될 수 있다.

다른 실시형태들에서, 냉각 유체 회로(35)는 폐쇄될 수 있고, 냉각 유체는 냉각 유체 회로에서 순환될 수 있으며, 냉각 유체 흐름이 냉각 챔버(29)를 빠져나가면, 냉각 유체 흐름으로부터 열을 제거하도록 열교환 장치가 마련될 수도 있다.

유익한 실시형태들에서, 냉각 챔버(29) 내에서의 냉각 유체의 압력은, 압축기(1)를 통해 처리되고 있는 가스의 압력보다 약간 낮다. 냉각 챔버(29)는 임펠러(11)에 대해 밀봉될 수 있으므로, 임펠러와 냉각 챔버(29) 사이에서의 누출이 방지될 수 있고 냉각 챔버(29) 내부에 낮은 압력이 형성될 수 있다. 이로써, 냉각 유체 회로(35)와 냉각 챔버(29)를 통해 냉각 유체를 순환시키는 데 필요한 동력이 줄어든다.

냉각 유체를 냉각 챔버(29)를 통해 순환시키고 밀봉 장치(21)로부터 열을 제거함으로써, 터보 기계의 시동 및 정상 상태 작동 중에 밀봉 장치(21)의 반경방향 치수 및 반경방향 성장에 대한 제어가 가능해지는 데, 이는 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 밀봉 장치(21)와 임펠러 아이(11E) 사이의 반경방향 간극에 대해 보다 나은 제어를 확보하기 위한 것이다.

밀봉 장치(21)가 다이어프램(7)에 구속되어 있는 현재 기술의 장치에서는, 임펠러(11)에 관하여 다이어프램(7)의 열적 관성이 더 크기 때문에, 시동시 임펠러(11)의 반경방향 성장이 다이어프램(7)의 성장보다 빠르다는 점을 명심하여, 시동시 충분한 간극을 제어하고 정상 상태 조건에서 충분히 작은 간극을 제공하도록, 환형 밀봉 부재의 반경방향 치수를 선택하여야 한다.

이하의 표 1에서는, 현재 기술의 기계에서 시동시와 정상 상태 작동 동안의 반경방향 간극의 치수가 수 밀리미터로 주어져 있으며, 예시적이고 비제한적인 실시형태에 관하여 논급되어 있다.

	시동	정상 상태
어셈블리 반경방향 간극[㎜]=A	0.95	0.95
로터 반경방향 성장 (원심력과 열)[㎜]=B	0.70	0.85
스테이터 반경방향 성장 (열)[㎜]=C	0.25	0.75
총 반경방향 간극[㎜]=A-B+C	0.50	0.85

기계가 작동하고 있지 않고 상온에 있을 때, 회전 부재, 예컨대 임펠러 아이와 밀봉 부재의 사이에 0.95 ㎜의 반경방향 간극이 존재할 것이다.

시동시에, 임펠러 아이(11E)는 한편으로는 임펠러 아이(11E)에 가해지는 원심력에 의해 야기되는 기계적 변형으로 인하여 반경방향으로 성장하게 된다. 다른 한편으로는, 임펠러 아이(11E)는 빠른 온도 상승으로 인해 팽창한다. 피처리 가스, 예컨대 공기가 높은 온도값, 예컨대 대략 400℃~600℃에 도달하는, 도 1에 도시된 바와 같은 원심 압축기(11)의 마지막 단에서, 열팽창이 특히 현저하다.

시동 중에 다이어프램(7)에 의해 나타내어지는 고정 구성요소의 반경방향 성장은, 임펠러(11)의 반경방향 성장보다 훨씬 느리며, 그 이유는 어느 한 면에서는 원심력이 고정 구성요소를 반경방향 외측으로 변형시키지 않기 때문이고, 그리고 다른 한 면에서는 임펠러(11)에 관한 열팽창보다 다이어프램(7)에 관한 열팽창이 더 느리도록 다이어프램(7)의 열적 관성이 되어 있기 때문이다.

그 결과, 임펠러 아이(11E)의 반경방향 팽창은 0.70 ㎜인 반면에, 스테이터 또는 고정 구정요소(7)의 반경방향 팽창은 대략 0.25 ㎜이다.

환형 밀봉 부재(23)는 다이어프램에 반경방향으로 구속되어 있기 때문에, 환형 밀봉 부재의 반경방향 팽창은 다이어프램의 반경방향 팽창과 동일하다. 그 결과, 상온의 정지 조건에서 0.95 ㎜의 반경방향 간극으로 시작하여, 시동시 총 간극은 0.50 ㎜이다.

압축기가 서서히 정상 상태 작동 조건에 도달함에 따라, 다이어프램의 온도가 상승하고 결과적으로 환형 밀봉 부재의 반경방향 치수도 또한 증가된다. 표 1의 두 번째 행에서는 정상 상태 조건에서의 임펠러 아이(11E)의 반경방향 팽창이 0.25 ㎜로 나타내어져 있는 반면에, 다이어프램의 반경방향 팽창은 0.75 ㎜이다. 따라서, 정상 상태 조건에서의 총 반경방향 간극은 0.85 ㎜이다. 이와 같이 비교적 큰 반경방향 간극은 기계의 효율의 저하를 초래한다. 임펠러의 반경방향 팽창에 관하여 다이어프램 및 환형 밀봉 부재의 반경방향 팽창이 더 느리기 때문에, 시동시 더 작은 간극을 필요로 하게 될 것이고 그 결과 시동 중에 임펠러 아이와 환형 밀봉 부재 사이에서 마찰 접촉이 일어날 위험이 있으므로, 정상 상태 조건에서의 작은 반경방향 간극은 적합하지 않다.

본원의 밀봉 부재 냉각 및 온도 제어 장치는 상기한 문제를 해소하거나 적어도 완화시키며, 그 결과 표 2에 나타내어진 바와 같이 정상 상태 조건에서의 반경방향 간극이 작아진다.

	시동	정상 상태
어셈블리 반경방향 간극[㎜]=A	0.95	0.95
로터 반경방향 성장 (원심력과 열)[㎜]=B	0.70	0.85
스테이터 반경방향 성장 (열)[㎜]=C	0.25	0.00
총 반경방향 간극[㎜]=A-B+C	0.50	0.10

표 2는 본원에 따른 구성과 예시적인 실시형태에서 임펠러 아이(11E)와 환형 밀봉 부재(23) 사이의 반경방향 간극의 치수를 보여준다. 간극의 치수는 ㎜ 단위로 나타내어진다. 압축기가 정지해 있고 상온에 있을 때, 환형 밀봉 부재(23)와 임펠러 아이(11E) 사이의 반경방향 간극은 또다시 0.95 ㎜이다. 시동시 임펠러 아이(11E)의 반경방향 팽창은 또다시 0.70 ㎜인데, 이는 원심력에 의해 야기되는 반경방향의 기계적 변형과 열팽창에 기인한 것이다. 다이어프램(7)의 반경방향 팽창은 또다시 0.25 ㎜인데, 그 결과 시동시 총 반경방향 간극은 0.50 ㎜가 된다. 간극 제어와 밀봉 온도 제어가 제공되지 않는, 현재 기술(표 1)의 압축기와 동일한 조건이 주어진다.

그러나, 정상 상태 작동 조건에 도달하면, 냉각 챔버(29)를 통과하는 냉각 유체는 밀봉 장치(21)로부터 열을 제거할 수 있고, 이에 따라 환형 밀봉 부재(23)의 열팽창으로 인한 반경방향 팽창이 감소된다. 표 2에 나타내어진 예에서는, 밀봉 장치(21)의 냉각이 환형 밀봉 부재(23)의 반경방향 팽창을 제로로 감소시키기에 충분히 효율적인 것으로 간주한다. 결과적으로, 환형 밀봉 부재(23)와 임펠러 아이(11E) 사이의 총 반경방향 간극은, 동일한 정상 상태 작동 조건하에서의 현재 기술(표 1)에 따른 압축기의 총 반경방향 간극(0.85 ㎜) 보다 작은 0.10 ㎜가 된다. 이와 같이 정상 상태 조건에서의 총 반경방향 간극이 감소됨으로써, 압축기(1)의 전체 효율이 실질적으로 증가된다.

임펠러 아이의 밀봉 장치와 관련하여 앞서 거론된 밀봉 장치에 대한 온도 제어의 유익한 효과는 또한 압축기(1)의 다른 부품들에서, 예를 들어 평형 드럼(13)과 그 주변의 밀봉부 사이의 간극을 감소시키는 데 활용될 수 있다. 도 2의 확대도에서는, 평형 드럼(13)에 작용하는 밀봉 장치(41)가 도시되어 있다. 밀봉 장치(41)는 환형 밀봉 부재(43)를 포함할 수 있다. 환형 밀봉 부재(43)는 고정 구성요소 상에 장착될 수 있는데, 이 경우에 고정 구성요소는 도면부호 17A로 나타내어져 있고 볼류트부(17)의 일부분이다. 냉각 챔버(45)가 환형 밀봉 부재(23)와 고정 구성요소(17A)의 사이에 마련될 수 있다.

냉각 챔버(45)는, 예를 들어 환형 밀봉 부재(23)에 형성되어 있는 환형 홈(43G)과, 고정 구성요소(17A)에 마련되어 있는 환형 팽창부(17E)의 사이에 형성될 수 있다. 냉각 챔버 또는 냉각 채널(45)을 밀봉하기 위해 환형 홈(43G)의 둘레에 시일(47)이 마련될 수 있다.

다른 실시형태들에서, 시트(27)와 유사한, 환형 밀봉 부재(43)용 시트가, 고정 구성요소(17A)에 마련될 수 있다.

몇몇 실시형태들에서, 냉각 유체 이송 덕트(49)가 냉각 유체를 냉각 유체 공급원, 예컨대 도 3에 도시된 팬(37) 등으로부터 냉각 챔버(25)의 안으로 그리고 냉각 챔버를 통과하게 이송한다. 냉각 유체-토출 덕트(33)와 유사한 도시 생략된 냉각 유체 토출 덕트가, 냉각 유체를 냉각 챔버(45)로부터 내보내기 위해 마련될 수 있다.

냉각 챔버(45)와 관련 냉각 유체 이송 장치는, 임펠러 아이(11E)의 밀봉 장치(21)와 관련하여 앞서 개시한 것과 조금도 다르지 않은 방식으로 환형 밀봉 부재(43)의 온도 제어를 하기 위해 제공된다.

환형 밀봉 부재(43)의 냉각은, 평형 드럼(13)과 고정 구성요소(17A) 사이의 간극에 대한 제어를 제공하고, 더 나아가 압축기(1)의 효율 향상에 기여한다.

도 5와 도 6은 압축기 임펠러(11)의 임펠러 아이(11E)의 밀봉 장치의 다른 실시형태를 보여준다. 도 3에 도시된 것과 동일한 도면부호는 동일하거나 동등한 부분을 표시한다.

압축기의 고정 다이어프램(7)과 임펠러 아이(11E)의 사이에는, 밀봉 장치(21)가 마련되어 있다. 예시된 실시형태에서, 밀봉 장치(21)는 환형 밀봉 부재(23)를 포함한다. 몇몇 실시형태들에서, 환형 밀봉 부재(23)는, 다이어프램(7)에 대해 중심에 있는 환형 밀봉 부재(23)를 유지할 수 있는, 복수의 각도 간격을 두고 배치된 키(25)의 도움을 받아, 다이어프램(7)에 장착되어 있다. 도 5는 고정 구성요소(7)의 노치에 맞물리는 키(25)로서, 밀봉 장치(21)와 고정 구성요소 또는 다이어프램(7) 사이의 중심 조정 및 비틀림 연결을 제공하는 것인 키를 보여주는 반경방향 평면에 따른 단면도를 보여준다.

몇몇 실시형태들에서, 다이어프램(7)은 시트(27)를 포함하고, 이 시트에 환형 밀봉 부재(23)가 적어도 부분적으로 수용된다. 냉각 챔버 또는 냉각 채널(29)이 환형 밀봉 부재(23)의 밀봉면(23S)과 시트(27)의 사이에 형성된다. 도 5 및 도 6에 도시된 실시형태에서, 냉각 챔버는 환형 밀봉 부재(23)의 내부에 형성된다(특히 도 6 참조).

다이어프램(7)의 대향면들에 대해 작용하는 밀봉 개스킷(23L)이 환형 밀봉 부재(23)의 둘레에 마련되어 있다. 도 5 및 도 6에 예시된 실시형태에서, 밀봉 개스킷은 다이어프램(7)의 시트에 마련된 환형 홈 내에 배치되어 있다. 다른 실시형태들에서, 밀봉 개스킷 또는 다른 밀봉 수단은 환형 밀봉 부재(23)의 측면에 마련되어 있는 환형 홈에 배치될 수 있다. 임펠러(11)가 회전 가능하게 수용되어 있는 공간에 대해 냉각 챔버(29)가 밀봉 개스킷(23L)에 의해 밀봉된다.

도 3과 관련하여 기술된 바와 같이, 냉각 챔버(29)는 냉각 유체의 공급원과 유체 연통되어 있다. 유익한 실시형태들에서, 냉각 챔버는 냉각 유체 회로의 일부분으로서 배치되어 있고, 그 결과 냉각 유체는 냉각 챔버의 안으로 그리고 냉각 챔버를 통과하게 이송되며 냉각 챔버로부터 내보내어진다. 몇몇 실시형태들에서, 적어도 하나의 냉각 유체-이송 덕트(31)는 냉각 챔버(29)와 유체 연통되어 있고 냉각 유체를 냉각 챔버 안으로 이송한다. 냉각 유체가 냉각 챔버(29)를 순환하면 이 냉각 유체를 내보내도록, 냉각 챔버(29)와 유체 연통되어 있는 냉각 유체-토출 덕트(33)가 또한 마련될 수 있다.

도 5 및 도 6에 도시된 실시형태에서, 환형 밀봉 부재(23)는 실질적으로 관형 구조를 갖고, 즉 중공형 단면을 갖는 중공형 구조를 갖는다(도 6). 중공형 구조의 어느 한 벽에는, 하나 이상의 냉각 유체 이송 덕트(31) 및 하나 이상의 냉각 유체 토출 덕트(33)와 유체 연통되어 있는 하나 이상의 냉각 유체 유입 포트(28A) 및 유출 포트(28B)가 마련될 수 있다. 중공형 환형 밀봉 부재(23)의 내부에 형성된 냉각 챔버(29)에서 냉각 유체를 보다 효율적으로 순환시키기 위해, 환형 밀봉 부재(23)의 빈 공동에는 격벽(23P)이 마련될 수 있다. 개선된 냉각 유체 순환과 향상된 열 제거를 위해 일종의 래비린드 장치를 형성하도록, 격벽(23P)은 냉각 챔버(29)의 내부로 환형으로 연장될 수 있고 환형 밀봉 부재(23)의 대향 원통형 벽으로부터 돌출될 수 있다.

본원에 기술된 대상의 상기 개시된 실시형태가 도면에 도시되어 있고 몇몇 예시적인 실시형태와 관련하여 구체적이고도 상세하게 앞서 충분히 기술되어 있지만, 본원에 제시된 신규한 교시, 원리 및 개념과, 첨부된 청구범위에 나열된 대상의 이점으로부터 실질적으로 벗어나지 않고서, 다수의 수정, 변경 및 생략이 실시될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 이러한 이유로, 개시된 획기적인 사상의 적정 범위는, 상기한 수정, 변경 및 생략을 모두 망라하도록, 첨부된 청구범위를 가장 넓게 해석하는 것을 통해서만 결정되어야 한다. 여러 실시형태의 서로 다른 특징, 구조 및 수단들이 다양하게 조합될 수 있다.

Claims (15)

1. 고정 구성요소;
   상기 고정 구성요소에 회전 지지되어 있는 회전 구성요소;
   상기 회전 구성요소와 상기 고정 구성요소 사이에 있는 밀봉 장치; 및
   냉각 유체를 상기 밀봉 장치에 이송하여 이 밀봉 장치로부터 열을 제거하도록 구성 및 설계된 냉각 장치
   를 포함하는 터보 기계.
2. 제1항에 있어서, 상기 냉각 장치는, 밀봉 장치에 배치되어 있는 냉각 챔버를 포함하는 것인 터보 기계.
3. 제2항에 있어서, 상기 냉각 장치는, 냉각 유체를 냉각 챔버 안으로 이송하도록, 냉각 챔버와 유체 연통되어 있는 적어도 하나의 냉각 유체-이송 덕트를 더 포함하는 것인 터보 기계.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 냉각 장치는, 냉각 유체를 냉각 챔버로부터 내보내도록 냉각 챔버와 유체 연통되어 있는 적어도 하나의 냉각 유체-토출 덕트를 더 포함하는 것인 터보 기계.
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 밀봉 장치는 고정 구성요소의 시트(seat)에 장착되는 환형 밀봉 부재를 포함하는 것인 터보 기계.
6. 제5항에 있어서, 환형 밀봉 부재와 시트는 서로에 대해 반경방향으로 변위 가능한 것인 터보 기계.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 냉각 챔버는 밀봉 장치와 상기 시트의 사이에 배치되는 것인 터보 기계.
8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 냉각 챔버는 상기 환형 밀봉 부재 내에 형성되는 것인 터보 기계.
9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 환형 밀봉 부재와 고정 구성요소의 시트의 사이에 밀봉 개스킷이 마련되는 것인 터보 기계.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전 구성요소는 임펠러를 포함하는 것인 터보 기계.
11. 제10항에 있어서, 상기 임펠러는 임펠러 디스크, 임펠러 슈라우드, 임펠러 아이, 및 상기 임펠러 디스크와 상기 임펠러 슈라우드의 사이에 배치되어 복수의 임펠러 베인을 형성하는 복수의 블레이드를 포함하고, 밀봉 장치는 임펠러 아이를 고정 구성요소에 대하여 밀봉하도록 임펠러 아이의 둘레에 배치되는 것인 터보 기계.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전 구성요소는 평형 드럼을 포함하고, 밀봉 장치는 평형 드럼을 고정 구성요소에 대하여 밀봉하도록 평형 드럼의 둘레에 배치되는 것인 터보 기계.
13. 터보 기계의 회전 구성요소와, 상기 회전 구성요소와 협동하는 밀봉 장치의 사이에 있어서, 터보 기계의 밀봉 간극을 제어하는 방법으로서, 터보 기계의 작동 중에 밀봉 장치의 열팽창을 제어하도록 밀봉 장치로부터 열을 제거하는 단계를 포함하는 터보 기계의 밀봉 간극 제어 방법.
14. 제13항에 있어서,
    밀봉 장치에 냉각 챔버를 마련하는 단계;
    상기 냉각 챔버 안으로 냉각 유체를 이송하고 이에 의해 밀봉 장치로부터 열을 제거하는 단계
    를 포함하는 터보 기계의 밀봉 간극 제어 방법.
15. 제13항에 있어서,
    밀봉 장치에 냉각 챔버를 마련하는 단계;
    적어도 하나의 냉각 유체-이송 덕트를 통해 상기 냉각 챔버 안으로 냉각 유체를 이송하는 단계;
    적어도 하나의 냉각 유체-토출 덕트를 통해 상기 냉각 유체를 냉각 챔버로부터 내보내는 단계
    를 포함하는 터보 기계의 밀봉 간극 제어 방법.

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