KR20160074670A

KR20160074670A - 터보 기계용 커플링 가드

Info

Publication number: KR20160074670A
Application number: KR1020167013754A
Authority: KR
Inventors: 마르코 페렐라; 안드레아 베르노치; 안젤로 그리말디; 시모네 탄테리
Original assignee: 누보 피그노네 에스알엘
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2014-10-24
Publication date: 2016-06-28
Also published as: MX2016005351A; RU2016114415A3; WO2015059267A1; RU2667176C2; US10584611B2; US20160281508A1; CA2928318A1; CN105849367A; CN105849367B; EP3060757A1; JP2016538452A; ITCO20130052A1; RU2016114415A

Abstract

본 발명은 회전 부재(15)용 커플링 가드(1)로서:
- 회전 부재(15)를 둘러싸는 쉘(11),
- 쉘(11) 내에 배치된 플레넘(25), 및
- 냉각 가스를 주입하기 위한 주입관(12)과 냉각 가스를 토출하기 위한 유출구(13)를 적어도 포함하고, 상기 주입관(12)은, 상기 쉘(11) 부근의 제1 축방향 개구(31)로부터 상기 회전 부재(15) 부근의 제2 축방향 개구(32)까지 상기 플레넘(25)을 관통하여 연장되며, 상기 주입관(12)은, 플레넘 내에서 순환하는 가스와 먼저 접촉하는 리딩 에지(41)와, 이 리딩 에지(41)의 반대편에 있는 트레일링 에지(42)를 구비하고, 상기 제2 축방향 개구(32)는 상기 주입관(12)의 축(X)에 대해 직각을 이루고 있는 제1 부분(32a)과, 상기 제1 부분(32a)에 인접해 있고 상기 트레일링 에지(42)에 걸쳐서 상기 주입관(12)의 축(X)에 대해 평행한 제2 부분(32b)을 구비하는 것인 커플링 가드를 제공한다.

Description

터보 기계용 커플링 가드{COUPLING GUARD FOR A TURBORMACHINE}

본 발명은 터보 기계의 회전 부재용의 커플링 가드에 관한 것이다.

커플링 가드로의 오일 이동을 방지하기 위해 커플링 가드에 공기 또는 질소 통기를 적용하는 것은 잘 알려져 있다. 이러한 시스템 중의 하나가 예를 들어 US 6474934에 기술되어 있다.

그러나, 알려진 통기 시스템은 일반적으로, 커플링 가드의 표면 온도를 허용치 아래로 유지할 뿐만 아니라 샤프트 단부로부터의 오일 이동을 방지하기에 알맞은 유동을 보장하는 데 성공적이지 않았다. 이러한 문제점들은 통상적으로, 커플링 가드의 전체 치수를 증대시키는 것에 의해, 그리고 예를 들어 샤프트 단부의 시일 등을 비롯한 오일 가드를 추가하는 것에 의해 해소된다. 그러나, 이러한 해결 방안은, 경우에 따라서는 표면 온도를 150℃ 아래로 유지할 수 없고 오일 이동을 성공적으로 저지할 수 없는, 시행착오적 기법인 것으로 드러났다. 게다가, 기하학적 제약으로 인해, 커플링 가드의 전체 치수를 변경하거나 혹은 오일 가드를 추가하는 것이 항상 허용되는 것은 아니다.

따라서, 커플링 가드의 전체 치수의 변경 또는 오일 가드의 추가 없이, 커플링 가드의 표면에 허용 가능한 온도를 달성하고, 이와 동시에 샤프트 단부로부터의 오일 이동을 방지하기 위하여, 알려진 통기 시스템을 개량하는 것이 요망된다.

제1 실시형태에 따르면, 본 발명은 회전 부재와 커플링 가드를 포함하는 회전 기계를 제공함으로써, 상기한 과제를 달성하는데, 상기 커플링 가드는,

- 회전 부재를 둘러싸는 쉘,

- 쉘 내에 배치된 플레넘, 및

- 회전 부재의 회전을 통해 냉각 가스가 주입관을 거쳐 플레넘 안으로 유도되도록, 그리고 상기 냉각 가스가 유출구를 통해 배출되기 전에, 냉각 가스가 실질적으로 원형으로 또는 나선형으로 플레넘을 순환하여 쉘을 냉각시키도록, 냉각 가스를 주입하는 주입관과 냉각 가스를 토출하는 유출구를 적어도 포함하고,

상기 주입관은, 상기 쉘 부근의 제1 개구로부터 상기 회전 부재 부근의 제2 개구까지 상기 플레넘을 반경방향으로 관통하여 연장되며, 상기 주입관은, 플레넘 내에서 순환하는 가스와 먼저 접촉하는 리딩 에지와, 이 리딩 에지의 반대편에 있는 트레일링 에지를 구비하고, 상기 제2 개구는, 실질적으로 접선방향으로 그리고 냉각 가스의 순환 방향에 대해 실질적으로 평행하게 배향되어 있는 제1 부분과, 실질적으로 반경방향으로 그리고 냉각 가스의 순환 방향에 대해 실질적으로 직각을 이루는 방향으로 배향되어 있는 제2 부분을 구비하는 것인 커플링 가드이다.

제1 부분은 냉각 가스의 방향에 대해 병류 방향으로 향해 있는 것이다.

커플링 가드의 플레넘 안으로의 냉각 가스(예컨대, 주변 공기 또는 질소)의 유동을 가능하게 하도록, 주입관의 형상이, 주입관의 길이 및 쉘 내에서의 주입관의 위치와 함께, 주입관 자체를 가로질러 차압을 형성한다. 이로써, 쉘의 표면 온도를 100℃ 밑으로 유지할 수 있게 된다.

본 발명의 추가적인 장점은, 냉각 가스의 유동이 또한 커플링 가드의 플레넘 내측에, 샤프트 단부로부터의 오일 이동을 방지하는 내부 과압을 형성한다는 점이다.

본 발명의 그 밖의 객체 특징 및 이점은, 이하의 도면과 함께 본 발명의 실시형태들에 대한 이하의 설명을 읽음으로써 명백해질 것이다.
- 도 1은 본 발명에 따른 커플링 가드의 측방 단면도이고;
- 도 2는 도 1의 커플링 가드의 단면도이며;
- 도 3은 도 2의 구성요소 Ⅲ의 상세도이고;
- 도 4는 도 3의 구성요소의 측방 단면도이며;
- 도 5는 도 3의 구성요소의 개략적인 단면도이다.

첨부 도면을 참조해 보면, 회전 축(Y)을 갖는 회전 부재(15)가, 쉘(11)과, 쉘(11) 내에 회전 부재(15) 둘레로 배치되는 플레넘(25)을 포함하는 커플링 가드(1)에 둘러싸여 있다.

회전 부재(15)는 중앙 샤프트(15a)와 한 쌍의 측방 디스크(15b, 15c)를 포함한다. 도면에는 도시되어 있지 않은 본 발명의 다른 실시형태들에 따르면, 회전 부재(15)는 임의의 다른 구성의 것일 수 있다.

쉘(11)은 하측 반원통형 부분(11a)과 상측 반원통형 부분(11b)을 포함한다. 하측 및 상측 반원통형 부분(11a, 11b)은 회전 축(Y)을 포함하는 수평 평면을 따라서 서로 접촉하여 결합된다.

커플링 가드(1)는, 작동시 회전 부재(15)가 회전 축(Y) 둘레로 회전하는 것을 통해 냉각 가스가 각 주입관(12)을 거쳐 플레넘(25) 안으로 유도되도록, 냉각 가스를 주입하기 위한 하나 이상의 주입관(12)[도 1의 실시형태에서는 3개의 주입관(12)]과, 냉각 가스를 토출하기 위한 하나 이상의 유출구(13)[도 2의 실시형태에서는 1개의 유출구(13)]를 포함한다. 상측 반원통형 부분(11b)은, 회전 부재(15)의 회전 운동(R)(도 2에서는 시계방향)에 관하여, 유출구(13)의 하류측에 배치되어 있는 내측 레이디얼 핀(20)을 포함한다. 냉각 가스는, 레이디얼 핀(20)의 도움을 받아 유출구(13)를 통해 배기되기 전에, 플레넘(25)을 순환하여 쉘(11)을 냉각시킨다.

각 주입관(12)은, 쉘(11) 부근의 제1 축방향 원형 개구(31)로부터 회전 부재(15) 부근의 제2 축방향 개구(32)까지 플레넘(25)을 관통하여 연장되는 식으로, 쉘(11)의 상측 반원통형 부분(11b)에 장착되어 있다. 회전 부재(15)의 회전에 의해 발생되는 후류 효과를 통하여 주입관(12) 내에서의 유동을 최대화하기 위해, 제2 축방향 개구(32)는 회전 부재(15)에 대해 가능한 한 가까이 있는 것이 바람직하다.

플레넘(25) 내에서 순환하는 냉각 가스와 먼저 접촉하는 리딩 에지(41)와, 이 리딩 에지(41)의 반대편에 있는 트레일링 에지(42)를 주입관(12)이 구비하는 식으로, 각 주입관(12)이 회전 부재(15)의 회전 운동(R)에 대해 배향되어 있는데, 제2 축방향 개구(32)는 주입관(12)의 축(X)에 대해 직각을 이루고 있는 제1 원형 축방향 부분(32a)과, 트레일링 에지(42)에 걸쳐 연장되어 있는 제2 측방 부분(32b)을 구비한다. 리딩 면적이 주입관(12)의 외부 단면적의 0.5배 내지 1.5배이도록, 리딩 에지(41)의 길이가 주입관(12)의 직경에 관하여 선택된다. 주입관(12) 내에서의 냉각 가스의 유동이 50 m/s보다 큰 속도값에 도달하는 것을 주입관(12)의 외부 단면적이 허용하지 않도록, 주입관(12)의 직경과 두께가 선택된다.

제2 측방 부분(32b)은, 제1 원형 축방향 부분(32a)에 의해, 아치 형상을 갖고 있으며 제1 원형 축방향 부분(32a)에 평행한 상측 에지(34c)에 의해, 그리고 제1 원형 축방향 부분(32a)으로부터 상기 제1 축방향 개구(31)를 향하는 방향으로 상측 에지(34c)에 이르기까지 연장되어 있는 2개의 측방 개구 에지(34a, 34b)에 의해 획정된다. 2개의 측방 개구 에지(34a, 34b)는 주입관(12)의 축(X)에 대해 평행하고, 축(X)을 중심으로 90° 내지 180°의 벌림 각도(A)로 이격되어 있다.

보다 구체적으로, 벌림 각도(A)는 140° 내지 160°이다.

주입관(12)과 그리고 특히 제2 축방향 개구(32)의 형상의 경우, 회전 부재(15)가 축(Y) 둘레로 회전할 때, 플레넘(25) 내에서 순환되는 가스가, 제2 축방향 개구(32)의 제1 원형 축방향 부분(32a)과 제2 측방 부분(32b)을 연속적으로 가로지르는 경로(도 4에서는 화살표 F1으로 나타내어짐)를 따른다. 이는, (도 4와 도 5에 화살표 F2로 나타내어진) 제2 경로를 따라 냉각 가스가 주입관(12)을 통과할 수 있게 하도록, 주입관(12)을 가로질러 차압을 형성하는 효과를 갖는다. 제2 경로(F2)는, 반경방향으로 제1 축방향 개구(31)에 들어가고, 측방 개구 에지(34a, 34b)에 대해 직각을 이루는 둘레방향을 따라 제2 축방향 개구(32)의 제2 측방 부분(32B)으로부터 나간다.

각 주입관(12)은 쉘(11)의 상측 반원통형 부분(11b)에 배치되어 있다. 커플링 가드(1)의 외표면의 상측 부분이 커플링 가드(1)의 외표면에 있어서 가장 고온인 부분인 것을 감안하여, 주입관(12)은 회전 부재(15)의 회전 축(Y)을 포함하는 수직 평면에 대하여 10°보다는 크지만 90°보다는 작은 위치각(B)으로 이격되어 있다. 보다 구체적으로, 위치각(B)은 45°보다 작다.

플레넘(25) 내에서 순환하는 가스가 난류 조건에 도달하게 되도록, 커플링 가드(1)의 전체 치수와 회전 부품의 작동 조건이 성립된 경우, 본 발명의 가능한 실시형태에 따르면, 회전 부재(15)의 둘레에 작은 두께의 회전 용적을 형성하도록, 하나 이상의 스크린(26)이 쉘(11)의 내측에 고정된다. 그 결과, 로터 및 스테이터 경계층 사이의 거리가 감소됨으로써, 마찰 계수가 감소되는 효과가 얻어진다. 이러한 마찰 계수의 감소로 인해, 열 발생이 감소되고, 그 결과 커플링 가드의 표면 온도가 감소된다.

첨부된 도 1과 도 5의 실시형태에서, 스크린(26)은 중앙 샤프트(15a) 둘레에 원통형 패널(27)을 포함하고 측방 디스크(15b, 15c) 각각의 부근에 2개의 평면 원형 패널(26b, 26c)을 포함한다. 원통형 패널(27)은 하측 반원통형 부분(27a)과 상측 반원통형 부분(27b)을 포함한다. 하측 및 상측 반원통형 부분(27a, 26b)은 회전 축(Y)을 포함하는 수평 평면을 따라서 서로 접촉하여 결합된다.

일반적으로, 모든 실시형태들에 있어서, 로터 경계층이 스테이터 경계층과 접촉하는 조건에 가능한 한 가까워지게 하는 것을 보증하기 위해, 회전 부재(15)의 각 구성요소와 스크린(26) 사이에 1 ㎜ 내지 50 ㎜의 거리가 제공될 필요가 있다.

Claims

회전 부재(15)와 커플링 가드(1)를 포함하는 회전 기계의 커플링 가드(1)로서,
- 회전 부재(15)를 둘러싸는 쉘(11),
- 쉘(11) 내에 배치된 플레넘(25),
- 회전 부재(15)의 회전을 통해 냉각 가스가 주입관(12)을 거쳐 플레넘(25) 안으로 유도되도록, 그리고 상기 냉각 가스가 유출구(13)를 통해 배출되기 전에, 냉각 가스가 실질적으로 원형으로 또는 나선형으로 플레넘(25)을 순환하여 쉘(11)을 냉각시키도록, 냉각 가스를 주입하는 주입관(12)과 냉각 가스를 토출하는 유출구(13)를 적어도 포함하고,
상기 주입관(12)은, 상기 쉘(11) 부근의 제1 개구(31)로부터 상기 회전 부재(15) 부근의 제2 개구(32)까지 상기 플레넘(25)을 반경방향으로 관통하여 연장되며, 상기 주입관(12)은, 플레넘(25) 내에서 순환하는 냉각 가스와 먼저 접촉하는 리딩 에지(41)와, 이 리딩 에지(41)의 반대편에 있는 트레일링 에지(42)를 구비하고, 상기 제2 개구(32)는, 실질적으로 접선방향으로 그리고 냉각 가스의 순환 방향에 대해 실질적으로 평행하게 배향되어 있는 제1 부분(32a)과, 실질적으로 반경방향으로 그리고 냉각 가스의 순환 방향에 대해 실질적으로 직각을 이루는 방향으로 배향되어 있는 제2 부분(32b)을 구비하는 것인 커플링 가드.
제1항에 있어서, 상기 제1 부분(32a)은 냉각 가스의 방향에 대해 병류 방향으로 향해 있는 것인 커플링 가드(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 개구(32)의 제2 부분(32b)은 상기 주입관(12)의 축(X)에 평행하게 상기 제1 부분(32a)으로부터 상기 제1 축방향 개구(31)를 향해 연장되는 2개의 개구 에지(34a, 34b)에 의해 획정되는 것으로, 상기 2개의 개구 에지(34a, 34b)는 상기 축(X)을 중심으로 90° 내지 180°의 벌림 각도(A)로 이격되어 있는 것인 커플링 가드(1).
제3항에 있어서, 상기 벌림 각도(A)는 140° 내지 160°인 것인 커플링 가드(1).
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전 부재(15)의 회전 축(Y)을 포함하는 수직 평면에 대하여, 상기 주입관(12)은 45° 미만의 위치각(B)으로 이격되어 있는 것인 커플링 가드(1).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전 부재(15)의 직경이 최소인, 상기 플레넘(25)의 상부의 두께를 감소시키도록, 상기 쉘(11)의 내측에 고정되는 스크린(26)을 적어도 더 포함하는 커플링 가드(1).
제6항에 있어서, 회전 부재(15)와 스크린(12) 사이의 거리는 1 ㎜ 내지 50 ㎜인 것인 커플링 가드(1).