KR20160124076A - 회전 기계 및 회전 기계에서의 열교환 방법 - Google Patents

회전 기계 및 회전 기계에서의 열교환 방법 Download PDF

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Abstract

유체를 전달하기 위한 회전 기계가 제안되는 바, 이 회전 기계는 축((5)을 구동시키기 위한 구동부(2), 유체를 전달하기 위해 축(5)에 배치되는 임펠러(31), 축(5)을 시일링하기 위한 적어도 하나의 기계적 시일(6), 및 이 기계적 시일(6)의 냉각 또는 가열을 위한 제 1 및 제 2 열교환 시스템(41; 42)을 가지며, 제 1 열교환 시스템(41)은 유체 열 캐리어를 기계적 시일(6)에 직접 가하도록 되어 있고, 상기 제 2 열교환 시스템(42)은 열교환 재킷(421)을 포함하고, 유체 열 캐리어가 기계적 시일(6)과의 직접적인 접촉 없이 상기 열교환 재킷을 관류할 수 있고, 제 1 및 제 2 열교환 시스템(41; 42)은 공통 유체 열 캐리어가 순환될 수 있는 공통 열교환 시스템(40)을 형성하며, 이 열교환 시스템(40)에서 유체 열 캐리어를 순환시키기 위한 팬 휠(fan wheel)(44)이 제공되어 있다. 또한, 회전 기계에서의 열교환 방법이 제안된다.

Description

회전 기계 및 회전 기계에서의 열교환 방법{ROTARY MACHINE AND METHOD FOR THE HEAT EXCHANGE IN A ROTARY MACHINE}
본 발명은, 각 카테고리의 독립 청구항의 전제부에 따른, 유체를 전달하기 위한 회전 기계, 및 이러한 회전 기계에서의 열교환 방법에 관한 것이다.
예컨대 펌프와 같은 회전 기계는 다양한 기술 분야에서 유체 매체를 전달하기 위해 사용된다. 탄화수소를 처리하
는 산업에서, 펌프는 일반적으로 유전(oil field) 또는 가스전(gas field)에서 시작하는 전체적인 처리 체인에서 중요한 역할을 하며 또한 빈번히 기술적인 관점에서 매우 어려운 조건에서 작동해야 한다. 따라서, 전달되는 매체는 원유의 전달시 에컨대 200℃까지의 매우 높은 온도로 존재할 수 있다. 이러한 고온은 펌프 및 특히 이러한 펌프 내의 기계적 시일과 관련한 노력 및 비용에 있어 큰 요건을 나타낸다.
기계적 시일은 일반적으로, 펌프의 임펠러를 지지하고 구동부, 에컨대 모터에 의해 구동되는 축을 시일링하는 데에 사용된다. 이들 시일은 전달되는 유체가 축에 또는 그 축을 따라 나타나는 것을 방지해야 한다. 일반적으로, 기계적 시일은 고정자와 임펠러를 포함하는 슬라이딩 시일 또는 슬라이딩 링 시일로 되어 있다. 이와 관련하여, 임펠러는 축에 대해 회전이 안되게 그 축에 연결되고, 고정자는 회전을 못하도록 펌프 하우징에 대해 고정된다. 축의 회전 중에, 임펠러와 고정자는 서로에 대해 활주하게 되고, 이 결과, 그들 부품은 높은 기계적 부하를 받게 된다. 이러한 기계적 시일의 정연한 기능과 관련하여, 이들 시일은 작동 상태에서 너무 높은 열적 부하를 받지 않아야 할 필요가 있다. 이러한 이유로, 특히 고온에서 전달되는 유체의 경우, 기계적 시일은 냉각되어야 한다. 기계적 시일의 영역에서 온도가 너무 높으면, 시일의 슬라이딩면 또는 다른 부분에서의 재료 악화, 전달되는 유체의 바람직하지 않은 상전이 또는 축에서의 열적 영향으로 인한 변화, 예컨대 휨이 일어날 수 있다.
예컨대 냉동 기술에서 액화 가스의 전달 중에 전달 대상 유체가 매우 저온인 용도와 관련한 동일한 증거로, 시일은 정연한 작동을 보장하기 위해 따뜻하게 되고/되거나 가열되어야 한다.
따라서, 용도에 따라서, 기계적 시일 및/또는 그의 주변은 냉각 또는 가열되어야 하는데, 이는 기계적 시일이 열교환을 통해 정확한 온도 범위에 유지되어야 함을 의미한다.
기계적 시일에서의 열교환, 즉 열의 제거 또는 공급과 관련하여, 당업계에는 두가지 가능성이 알려져 있다. 제 1 방법에서, 기계적 시일의 주변에 열교환 재킷이 제공되는데, 이 열교환 재킷은 용도에 따라서는 열 소산을 위한 냉각 재킷 또는 열공급을 위한 가열 재킷이다. 이 재킷은 예컨대 기계적 시일을 둘러싸는 링 공간 형태의 중공 공간을 포함하고, 열을 공급하거나 소산시키는 유체 열 캐리어가 그 중공 공간을 관류한다. 중공 공간은 기계적 시일이 배치되는 공간과 연결되어 있지 않아, 열 캐리어와 기계적 시일 사이에 직접적인 접촉은 없다. 이러한 종류의 열소산 또는 열공급과 관련하여, 유체 열 캐리어를 열교환 재킷의 중공 공간 안으로 전달하고/전달하거나 열 캐리어를 순환시키기 위해 외부 보조 시스템, 예컨대 외부 펌프가 일반적으로 사용된다.
열교환을 위한 제 2 가능성은 기계적 시일과 유체 열 캐리어의 직접적인 접촉에 기반하는 것으로, 보통 플러싱(flushing)이라고 한다. 그래서, 기계적 시일 또는 적어도 그의 일 부분에는 유체 열 캐리어가 직접 가해져 열이 소산되거나 공급된다. 이러한 종류의 열교환과 관련하여, 외부 열교환기를 포함하는 폐쇄형 회로에서 유체 열 캐리어를 순환시키는 것이 알려져 있는데, 열 캐리어는 기계적 시일에서 받은 열을 상기 외부 열교환기에 소산시키거나(시일의 냉각) 또는 열 캐리어는 상기 외부 열교환기에서 열을 받아서 그 열을 기계적 시일에 공급하게 된다(시일의 가열). 이와 관련하여, 열 캐리어의 순환은 외부 펌프에 의해 이루어진다. 외부 펌프에 대한 대안으로 또는 추가적으로, 팬 휠이 예컨대 기계적 시일에 제공될 수 있는데, 이 팬 휠은 축의 회전에 의해 구동되어 유체 열 캐리어를 순환시킨다.
상기 폐쇄형 플러싱 시스템에 대안 대안으로, 개방향 시스템을 사용하는 것이 알려져 있는데, 이러한 시스템에서는, 열 캐리어가 폐쇄형 회로에서 순환되지 않고, 공급원으로부터 나와서 펌프 통과, 예컨대 폐열 처리 후에 버려지게 된다,
펌프를 위해 서로 독립적으로 작동하는 2개의 개별적인 냉각 시스템을 제공하는 것도 알려져 있는데, 한 냉각 시스템은 냉각 재킷으로 작동하고 다른 냉각 시스템은 플러싱 시스템으로 되어 있다. 이와 관련하여 두 냉각 시스템은 서로 다른 열 캐리어로 작동할 수 있다. 그러나 이러한 방안은 구성 면에서 매우 까다롭고 비용도 많이 들며 또한 일반적으로 큰 공간 요건을 갖는다.
종래의 기술의 위와 같은 상황에서 출발한 본 발명의 일 목적은, 기계적 시일을 위한 새로운 열교환 시스템을 갖는 회전 기계로서, 구성이 간단하고 전달 대상 유체의 가열 또는 냉각을 통해 고온 부하에 대해서도 기계적 시일의 효율적인 냉각 또는 가열을 보장하는 상기 회전 기계를 제안하는 것이다. 이 회전 기계는 전달 대상 유체가 매우 고온인 고온용에 특히 적합해야 한다. 또한, 회전 기계에서의 열교환을 위한 대응하는 방법을 제안하는 것도 본 발명의 목적이다.
상기 목적을 달성하는 본 발명의 주 내용은 각 카테고리의 독립 청구항의 기재 사항을 특징으로 한다.
따라서, 유체를 전달하기 위한 본 발명에 따른 회전 기계가 제안되는데, 이 회전 기계는, 축을 구동시키기 위한 구동부, 유체를 전달하기 위해 상기 축에 배치되는 임펠러, 축을 시일링하기 위한 적어도 하나의 기계적 시일, 및 이 기계적 시일의 냉각 또는 가열을 위한 제 1 및 제 2 열교환 시스템을 가지며, 상기 제 1 열교환 시스템은 유체 열 캐리어를 상기 기계적 시일 직접 가하도록 되어 있고, 상기 제 2 열교환 시스템은 열교환 재킷을 포함하고, 유체 열 캐리어가 상기 기계적 시일과의 직접적인 접촉 없이 상기 열교환 재킷을 관류할 수 있고, 상기 제 1 및 제 2 열교환 시스템은 공통 유체 열 캐리어가 순환될 수 있는 공통 열교환 시스템을 형성하며, 이 열교환 시스템에서 유체 열 캐리어를 순환시키기 위한 팬 휠(fan wheel)이 제공되어 있다.
따라서 발명에 따르면, 플러싱의 원리에 따라 작동하는 열교환 시스템과 재킷으로 작동하는 열교환 시스템을 결합하여, 단지 하나의 유체 열 캐리어가 순환되는 공통의 전체적인 시스템으로 되게 하는 것을 제안하고, 유체 열 캐리어의 순환은 회전 기계 자체에 의해 이루어진다. 그래서 이 열교환 시스템은, 외부 펌프와 같은 외부 순환 장치가 필요 없이, 두 열교환 시스템의 이점들을 함께 갖는다. 그러므로, 장치 관점에서 매우 간단하고 컴팩트한 효율적인 방안이 얻어지며, 이에 의해 다량의 열이 기계적 시일의 영역으로부터 신뢰적으로 소산될 수 있고(냉각) 그리고/또는 그 영역에 공급될 수 있다(가열).
고효율의 열교환으로 인해, 본 발명에 따른 회전 기계는 전달되는 유체가 200℃까지 될 수 있는 고온용에 특히 적합하다.
바람직한 실시 형태와 관련하여, 상기 회전 기계는 펌프로 되어 있고, 상기 구동부는 모터 하우징 안에 배치되는 모터를 포함한다.
이와 관련하여, 상기 임펠러는 펌프 하우징 안에 배치되고, 이 펌프 하우징은 상기 모터 하우징에 연결되어 공통 하우징을 형성하는 것이 유리한데, 그래서 모터를 포함하는 펌프는 단일의 하우징 안에 내장된다. 이러한 컴팩트한 설계 및 외부에 대해 폐쇄된 설계에 의해, 복잡한 주변 조건 하에서도 펌프의 작동이 가능하게 된다.
용도에 따라서, 회전 기계는 수직 배치로 구성되어 있는 있는 것이 유리할 수 있다. 그래서, 상기 구동부는 통상적인 사용 위치에서 상기 펌프부의 위쪽에 배치되는 것이 바람직한데, 이는 그러면 구동부는 임펠러의 중량을 받지 않기 때문이다.
예컨대 전달되는 유체에 대한 구동부의 냉각, 윤활 및 보호와 관련한 다른 유리한 방안으로서, 상기 모터 하우징은 작동 상태에서 시일링액으로 충전되어 있다.
특히 바람직하게는, 유체 열 캐리어는 시일링액로서 제공된다.
장치 관점에서, 상기 임펠러는 열 캐리어의 순환을 위해 상기 구동부에 의해 구동되며 바람직하게는 구동부에 있어서 상기 임펠러로부터 멀리 있는 측에 제공되는 것이 유리하다.
특히 바람직한 용도에 따르면, 본 발명에 따른 회전 기계는 해저(undersea) 펌프로 되어 있다.
상기 회전 기계의 바람직한 용도는, 온도가 적어도 150℃인 고온 유체를 전달하기 위한 것이다.
본 발명에 따르면, 유체를 전달하기 위한 회전 기계에서의 열교환 방법이 제안되는데, 상기 회전 기계는, 축을 구동시키기 위한 구동부, 유체를 전달하기 위해 상기 축에 배치되는 임펠러, 및 축을 시일링하기 위한 적어도 하나의 기계적 시일을 가지며, 상기 방법에서, 상기 기계적 시일은 제 1 및 제 2 열교환 시스템으로 냉각되거나 가열되며, 유체 열 캐리어가 상기 제 1 열교환 시스템에 의해 상기 기계적 시일에 직접 가해지며, 상기 제 2 열교환 시스템에서 유체 열 캐리어는 상기 기계적 시일과의 직접적인 접촉 없이 열교환 재킷을 관류하고, 상기 제 1 및 제 2 열교환 시스템은 공통 유체 열 캐리어가 순환되는 공통 열교환 시스템에 연결되어 있고, 상기 열교환 시스템에서 유체 열 캐리어는 팬 휠에 의해 순환된다.
이 방법의 이점은 본 발명에 따른 회전 기계와 관련하여 이미 설명한 이점과 같다.
바람직한 실시 형태에서, 상기 공통 열교환 시스템은 냉각 시스템이다.
본 방법은 회전 기계가 펌프인 경우에 특히 적합한데, 상기 구동부는 모터 하우징 안에 배치되는 모터를 포함하며, 상기 유체 열 캐리어는 상기 모터 하우징에 충전되는 시일링액으로서 사용되고, 상기 팬 휠은 바람직하게는 상기 구동부에 의해 구동된다.
상기 유체 열 캐리어는 수계(water-based) 액체인 것이 유리한데, 왜냐하면, 이들 액체는 일반적으로 비용 효과적이고, 충분한 열용량을 가지며, 오염을 일으키지 않기 때문이다. 특히, 물과 긁리콜의 혼합물이 열 캐리어로서 적합하다.
본 발명에 따른 방법은, 전달되는 유체가 적어도 150℃의 온도를 갖는 고온용에 특히 적합하다.
특히, 본 발명에 따른 방법은, 회전 기계가 해저 펌프인 경우에도 적합하다.
본 발명의 다른 이점과 실시 형태는 종속 청구항에서 알 수 있다.
이하, 실시 형태를 가지고 또한 도면을 참조하여, 본 발명을 장치 및 처리 공학 면에서 상세히 설명한다.
도 1 은 펌프로 되어 있는 본 발명에 따른 회전 기계의 일 실시 형태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2 는 열교환 시스템의 구성 요소와 기계적 시일의 개략적인 부분 단면도를 나타낸다.
본 발명에 따른 회전 기계 및 본 발명에 따른 열교환 방법에 대한 이하의 설명에서, 실제로 특히 관련 있는 용도의 경우의 예시적인 캐릭터를 참조하며, 상기 회전 기계는 펌프이다. 그러나, 본 발명은 그러한 경우에 한정되지 않고 오히려 축의 시일링을 위한 기계적 시일이 제공되는 모든 다른 회전 기계도 포함함을 이해해야 한다. 회전 기계는 예컨대 압축기, 터빈 또는 발전기일 수 있다.
또한, 예시적인 캐릭터를 갖는 열교환기와 관련하여, 열교환은 냉각인 것으로 가정하는데, 그래서 시스템으로부터 열이 제거된다. 유사한 방식으로 본 발명은 또한 열교환이 가열인 경우도 포함하며, 이는 열이 시스템에 공급되는 것을 의미한다.
도 1 은 펌프로 구성되어 있고 전체적으로 참조 번호 "1"로 표시되어 있는 회전 기계를 매우 개략적으로 나타낸다. 펌프(1)는 모터(21)를 갖는 구동부(2)를 포함하고, 그 모터는 모터 하우징(22)에 배치되고 본 경우에는 전기 모터로 되어 있다. 모터(21)는 전기 모터의 회전자가 설치되어 있는 모터 축(25)을 갖는다.
상기 펌프(1)는 펌프 하우징(32)을 갖는 펌프부(3)를 더 포함하고, 그 펌프 하우징에는 유체를 전달하기 위한 임펠러(31)가 제공되어 있다. 이 임펠러(31)는 축(5)에 배치되고, 이 축은 클러치(9)에 의해 모터 축(25)에 연결되고 그래서 모터(21)에 의해 구동되며 길이 방향 축선(A)(도 2) 둘레로 회전된다.
모터 하우징(22)과 펌프 하우징(32)은 서로에 고정적으로 연결되어 있고, 예컨대 복수의 스크류에 의해 서로에 나사 결합되며 그래서 구동부(2)와 펌프부(3)를 위한 전체적인 하우징(4)을 형성한다.
축(5)과 모터 축(25)은 그 자체 알려져 있는 방식으로 복수의 액시얼 베어링(7) 및 레이디얼 베어링(8)으로 지지된다.
펌프부(3)는 입구(33) 및 출구(34)를 포함하고, 전달되는 유체가 임펠러(31)의 효과에 의해 상기 입구를 통해 펌프 하우징(32) 안으로 흡입되고, 전달되는 유체는 상기 출구를 통해 밀려 나가게 된다.
축(5)을 시일링하기 위해, 펌프에 2개의 기계적 시일(6), 즉 제 1 시일과 제 2 시일이 제공되는데, 상기 제 1 시일은 펌프부(3)와 구동부(2) 사이의 경계에서 축(5)을 시일링하여, 전달되는 유체가 축(5)을 따라 구동부(2)에 도달하지 못하며, 상기 제 2 시일은 도시에 따라 임펠러(31) 아래에 제공되고, 상기 전달되는 유체가 축(5)을 따라 도시되어 있는 바와 같이 임펠러(31) 아래에 제공되어 있는 저장 공간(35)(레이디얼 베어링(8)이 배치됨) 안으로 들어가는 것을 방지한다.
이 경우 설명되는 본 발명에 따른 회전 기계의 실시 형태는 고온용 다단 처리 펌프인데, 이러한 펌프에서, 전달되는 유체는 예컨대 150℃, 180℃, 200℃ 또는 그 이상의 매우 높은 온도를 갖는다. 이러한 고온은 예컨대 천연 가스 또는 원유의 추출 동안에 나타날 수 있는데, 이는 오일이 200℃의 온도로 존재하는 유전이 존재하기 때문이다.
보다 구체적으로, 이 경우에 설명되는 실시 형태는, 예컨대 원유 또는 천연 가스의 추출을 위해 해저(undersea)에 설치되어 거기서 작동하는 해저 펌프로 되어 있다. 구체적으로, 그러한 용도의 경우, 아주 컴팩트한 구성, 가능한 한 높은 작업 안전성 및 신뢰성이 필요하다.
해저용에 대해 공통적으로, 펌프(1)는 구동부(2)가 위쪽에 위치되는 수직 배치로 구성되어 있는데, 이는 펌프(1)가 도 1 의 통상적인 사용 위치에 있는 것을 의미한다. 구동부(2)의 모터 하우징(22)은 그 자체 알려져 있는 시일링액(23)으로 충전되며, 이 시일링액은 모터(21)의 기계적 부품 및 전기적 부품을 냉각하고 또한 이들 부품을 윤활하는 역할을 한다. 임펠러(31) 아래에 배치되는 저장 공간(35)도 시일링액(23)으로 충전된다.
도 2 에서, 기계적 시일(6) 중의 하나가 매우 단순화되어 개략적으로 도시되어 있다. 기계적 시일은 일반적으로 당업자에게 잘 알려져 있고, 그래서 그에 대한 상세한 설명은 필요 없다. 이러한 이유로 그리고 설명에 충분하기 때문에, 예컨대 시일(6) 또는 보조 시일, 예컨대 O-링의 고정과 같은 많은 상세는 도 2 에 도시되어 있지 않다.
일반적으로 기계적 시일은 고정자(61)와 회전자(62)를 포함하는 슬라이딩 시일 또는 슬라이딩 링 시일로 되어 있다. 이와 관련하여, 회전자는 축(5)에 대해 회전이 안되게 그 축에 연결되어 있고, 고정자(61)는 회전을 못하도록 전체 하우징(4) 및/또는 펌프 하우징(32)에 대해 고정되어 있다. 축(5)의 회전 중에, 그래서 회전자(62)와 고정자(61)는 서로에 대해 활주하게 된다.
기계적 시일(6)의 정연한 기능과 관련하여, 그 시일(6)은 너무 고온(고온용에 대해)이거나 너무 저온(저온용에 대해)이 아닌 것이 중요하다. 이러한 목적으로, 기계적 시일(6)에 대한 새로운 열교환 방법이 본 발명에 따라 제안되며, 이에 대해서는 도 1 및 제 2 에 도시되어 있는 실시 형태를 참조하여 이하에서 설명할 것이다.
제 1 열교환 시스템(41)과 제 2 열교환 시스템(42)이 제공되며(이 경우 냉각 시스템), 이들 시스템은 공통의 열교환 시스템(40)에 연결된다. 이 통합형 열교환 시스템(40)은 기계적 시일(6)을 냉각시키는 역할을 한다.
기계적 시일(6)의 냉각을 위한 제 1 열교환 시스템(41)은 소위 플러싱(flushing) 시스템인데, 이 시스템에서, 기계적 시일(6) 또는 적어도 그의 일 부분에는 유체 열 캐리어(이 경우 냉각액)가 직접 공급된다. 도 2 에 나타나 있는 바와 같이, 기계적 시일은 시일링 공간(63)에 배치되며, 이 공간은 예컨대 링 공간으로 되어 있고 축(5)을 둘러싼다. 열 캐리어는 입구 개구(64)를 통해 시일링 공간(63)에 들어간다. 또한, 시일링 공간(63)에는 출구 개구(미도시)가 제공되는데, 이 출구 개구를 통해 열 캐리어가 다시 시일링 공간(63)에서 나갈 수 있다. 출구 개구는 예컨대 입구 개구(64)에 대해 길이 방향 축선(A)에 대해 45°또는 90°회전되어 있다. 펌프(1)의 작동 중에, 시일링 공간(63)은 열 캐리어로 실질적으로 완전히 충전되는데, 이것이 의미하는 바는, 냉각제(열 캐리어)가 입구 개구(64)를 통해 시일링 공간(63) 안으로 들어가는 만큼 출구 개구를 통해 그 시일링 공간(63)에서 나간다는 것이다. 그러므로 열교환(이 경우 냉각)은 열 캐리어와 기계적 시일(6)의 직접적인 접촉을 통해 그리고 열 캐리어가 시일(6)로부터 열을 소산시켜 그 시일을 냉각시킴으로써 일어난다.
기계적 시일(6)의 냉각을 위한 제 2 열교환 시스템(42)은 열교환 재킷(421)을 포함하는데, 이 열교환 재킷은 본 발명에서 냉각 재킷(421)이다. 이러한 종류의 열교환과 관련하여, 기계적 시일(6)과 열 캐리어(이 경우 냉각제)의 직접적인 물리적 접촉은 없다. 상기 냉각 재킷(421)은 중공 공간(422)을 포함하는데, 이 공간은 예컨대 링 공간으로 되어 있고 완전한 축(5)을 둘러싼다. 열 캐리어가 상기 중공 공간(422) 안으로 들어갈 때 통과하는 입구(43) 및 열 캐리어가 중공 공간(422)에서 나갈 때 통과하는 출구(44)가 제공되어 있다. 중공 공간(422)은 작동 중에 열 캐리어로 완전히 충전되며, 열 캐리어는 중공 공간(422)을 통해 순환된다. 이러한 종류의 열교환 및/또는 냉각과 관련하여, 열 캐리어와 기계적 시일(6) 사이의 직접적인 물리적 접촉은 없다.
특히 도 1 에서 명확히 알 수 있는 바와 같이, 재킷(421)은 기계적 시일(6)의 고온측에 배치되며, 그 고온측은 시일(6)에 있어서 작동 상태에서 더 높은 온도가 존재하는 측이다. 베어링 공간(35)을 제외하고, 펌프 하우징(32)은 작동 상태에서 상기 전달되는 유체(예컨대, 고온의 원유)로 충전된다. 전달되는 유체는 특히 냉각제 재킷(421)을 통해 시일(6)의 근처(즉, 예컨대 시일(6)에 연결되어 있는 틈새(51))에서 냉각된다. 기계적 시일(6)의 바로 근처에서 상기 전달되는 유체가 이렇게 냉각됨으로써, 시일(6) 안으로의 열전달이 상기 전달되는 유체에 의해 크게 감소되며, 이는 시일(6)의 냉각에 대응하는 것이다.
본 발명에 따르면, 제 1 열교환 시스템(41)과 제 2 열교환 시스템(42)은 이제 통합형 공통 열교환 시스템(40)으로 결합된다. 이 결과, 공통 열교환 시스템(40)을 위해서는 공통 유체 열 캐리어가 이용가능해야 한다. 서로 별개인 제 1 및 제 2 열교환 시스템에 대해 상이한 유체 열 캐리어가 사용될 수 있지만, 본 발명의 방안에 따르면, 그래서, 제 1 열교환 시스템 또는 제 2 열교환 시스템의 것과 동일한 열 캐리어일 수 있는 공통 유체 열 캐리어가 필요하게 된다.
특히 바람직하게는, 윤활 및 모터(21) 및/또는 구동부(2)의 냉각을 위해 사용되는 공통 열교환 시스템(40)을 위한 유체 열 캐리어로서 시일링액(23)이 제공된다. 이와 관련한 이점으로서, 시일링액(23) 및 열교환 시스템(40)을 위한 유체 열 캐리어 모두로서 사용되는 단지 하나의 액체만 제공되면 된다는 것이다. 구체적으로, 해저용의 경우, 이러한 방안은 장치 관점에서의 요건에 대해 매우 긍정적이다.
예컨대 물과 글리콜의 혼합물과 같은 수계 액체가 유체 열 캐리어로서 특히 적합하다.
도 1 에 도시되어 있는 바와 같이, 공통 열교환 시스템(40)은 폐쇄형 시스템으로 되어 있는데, 이는 유체 열 캐리어가 순환되는 냉각 시스템 또는 냉각 회로를 의미한다. 열 캐리어의 순환과 관련하여, 팬(fan) 휠(44)이 제공되는데, 이 팬 휠은 모터 축(25)에 배치되고 그래서 구동부(2)에 의해, 구체적으로 모터(21)의 모터 축(25)의 회전에 의해 구동된다.
상기 팬 휠(44)은 열 캐리어를 주 라인(45)을 통해 열교환기(43)에 보내며, 그 열교환기에서 열 캐리어는 기계적 시일(6) 또는 구동부(2) 또는 저장 공간(35)에 존재하는 열을 소산시키며 그리하여 냉각된다. 열교환기(43)의 하류에서 복수의 라인이 주 라인(45)으로부터 분기되어 있는데, 먼저 제 1 라인(451)이 분기되어 있고, 라인(451)에서 화살표로 표시되어 있는 바와 같이, 상기 제 1 라인을 통해 열 캐리어가 모터 하우징(22) 안에 들어간다. 열 캐리어는 모터 하우징을 충전하고 이 경우 시일링액(23)으로서 역할한다.
더 하류에서 제 2 라인(452)이 주 라인(45)으로부터 분기되어 있는데, 이 제 2 라인을 통해 열 캐리어가 기계적 시일(6)을 위한 냉각 시스템에 도달한다. 그리고 상기 제 2 라인(452)은 냉각 재킷(421)의 입구(423)(도 2)에 이르는 분지 및 시일링 공간(63)의 입구 개구(64)에 이르는 분지로 분기된다. 시일링 공간(63)에서 나가는 출구 개구(미도시) 및 냉각 재킷(421)의 중공 공간(422)의 출구(424)로부터, 유체 열 캐리어는 라인(461)에 결합되는 각각의 라인을 통해 복귀 라인(46)에 도달하게 된다.
마지막으로, 주 라인(45)은 제 3 라인(453)으로 분기되고 이 라인을 통해 열 캐리어가 도면에서 볼 때 가장 낮은 기계적 시일을 위한 냉각 시스템에 도달한다. 그리고 제 3 라인(453)은 냉각 재킷(421)의 입구(423)(도 2) 및 시일링 공간(63)의 입구 개구(64)에 이르는 분지로 분기된다. 이 실시예에서 설명하는 실시 형태와 관하여, 시일링 공간(63)은 베어링 공간(35)에 연결되어 있고, 그래서 열 캐리어는 시일링 공간(63)의 입구 개구(64)에 이르는 동일한 라인을 통해 저장 공간(35)에 도달하게 된다. 시일링 공간(63)의 출구 개구 및 냉각 재킷(421)의 중공 공간(422)의 출구(424)로부터, 유체 열 캐리어는 라인(462)에 결합되는 각각의 라인을 통해 복귀 라인(46)에 도달하게 된다.
열 캐리어는 상기 팬 휠(44)의 영역에 다시 도달하고, 그 팬 휠에 의해 열 캐리어가 복귀 라인(46)을 통해 상기 폐쇄형 회로에서 순환된다. 그리고 모터 하우징(22)을 통해 들어오는 열 캐리어는, 참조 번호 "463"를 갖는 화살표로 표시되어 있는 바와 같이, 팬 휠(44)의 효과에 의해 순환된다.
유체 열 캐리어의 순환을 위한 팬 휠(44)은 바람직하게는, 구동부(2)에 있어서 펌프부(3)의 임펠러(31)로부터 멀리 있는 측에 또는 모터(21)에 있어서 임펠러(31)로부터 멀리 있는 측에 제공된다.
이렇게 해서, 기계적 시일(6)을 위한 제 1 열교환 시스템(41) 및 기계적 시일(6)을 위한 제 2 열교환 시스템(42)은 공통 열교환 시스템(40)에 연결되고, 그래서 기계적 시일(6)을 위한 통합형 열교환 시스템이 형성된다. 동시에 공통 열교환 시스템(40)은, 유체 열 캐리어와 동일한 시일링액(23)을 모터 하우징에 공급하는 역할도 한다.
통상적으로, 특히 해저용 및/또는 해서 펌프의 경우, 시일링액(23)은 펌프 하우징(22)에서 펌프 하우징(32) 내의 전달되는 유체 보다 더 높은 압력으로 유지된다. 모터 하우징(22) 내의 시일링액(23)의 압력은 예컨대 펌프 하우징(32) 내의 압력 보다 20 - 25 바아 더 높다.
본 발명에 따른 방법 및/또는 본 발명에 따른 회전 기계는 많은 용도에 적합하다. 따라서, 상기 방법과 회전 기계는 고온용, 특히 해저 영역에서의 고온용으로 특히 적합하다. 펌프로 되어 있는 본 발명에 따른 회전 기계는 오일, 가스, 해수 또는 소위 발생수를 전달하는데에 사용될 수 있다. 상기 펌프는 일단 펌프, 다단 펌프 또는 상응하는 임펠러를 갖는 하이브리드 펌프로 되어 있을 수 있다. 일단 펌프 및 다단 펌프로서의 설계도 가능하다.
특히 해저용의 경우, 본 발명에 따라 제공되는 방안은 통합형 열교환 시스템을 이용한 기계적 시일의 냉각 및/또는 가열을 위한 장치 관점에서 효율적이고 신뢰적이며 간단하고 컴팩트한 가능성을 준다.
해저 펌프인 상기 펌프의 실시 형태에 대해 이미 설명한 바와 같이, 구동부(2)가 펌프부(3)의 위쪽에 배치되는 수직 배치가 바람직하다. 물론, 구동부(2)와 펌프부(3)가 서로의 옆에 배치되는 수평 배치도 가능하다. 이러한 배치는, 펌프가 해저 작업에 사용되지 않고 육지, 선박 또는 보어 플랫폼에서 사용될 때 종종 바람직하다.
이미 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 회전 기계 및/또는 본 발명에 따른 방법은 저온용, 예컨대, 냉동 기술에서 액체 가스를 펌핑하는 데에도 적합하다. 이러한 용도와 관련하여 상기 기계적 시일은 열 캐리어에 의해 따뜻하게 되거나 가열된다. 그래서 열 교환기(43)는 열 캐리어에 열을 공급하고 이 열 캐리어를 기계적 시일과 유사한 방식으로 전달하는 역할을 한다. 이러한 용도와 관련하여, 제 2 열교환 시스템의 열교환 재킷은 기계적 시일(6)의 저온측, 즉 기계적 시일(6)에 있어서 작동 상태시 저온 영역을 향하는 측에 배치된다.
물론, 본 발명은 펌프에 한정되지 않고, 기계적 시일이 제공되는 다른 모든 종류의 회전 기계, 예컨대 압축기, 터빈 또는 발전기에도 적합한 것이다.

Claims (15)

  1. 유체를 전달하기 위한 회전 기계로서, 축(5)을 구동시키기 위한 구동부(2), 유체를 전달하기 위해 상기 축(5)에 배치되는 임펠러(31), 축(5)을 시일링하기 위한 적어도 하나의 기계적 시일(6), 및 기계적 시일(6)의 냉각 또는 가열을 위한 제 1 및 제 2 열교환 시스템(41; 42)을 가지며,
    상기 제 1 열교환 시스템(41)은 유체 열 캐리어를 상기 기계적 시일(6)에 직접 가하도록 되어 있고, 상기 제 2 열교환 시스템(42)은 열교환 재킷(421)을 포함하고, 유체 열 캐리어가 상기 기계적 시일(6)과의 직접적인 접촉 없이 상기 열교환 재킷을 관류할 수 있고,
    상기 제 1 및 제 2 열교환 시스템(41; 42)은 공통 유체 열 캐리어가 순환될 수 있는 공통 열교환 시스템(40)을 형성하며, 열교환 시스템(40)에서 유체 열 캐리어를 순환시키기 위한 팬 휠(fan wheel)(44)이 제공되어 있는, 회전 기계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 기계는 펌프로 되어 있고, 상기 구동부(2)는 모터 하우징(22) 안에 배치되는 모터(21)를 포함하는, 회전 기계.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 임펠러(31)는 펌프 하우징(32) 안에 배치되고, 펌프 하우징은 상기 모터 하우징(22)에 연결되어 공통 하우징(4)을 형성하는, 회전 기계.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동부(2)는 통상적인 사용 위치에서 상기 펌프부(3)의 위쪽에 배치되는, 회전 기계.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모터 하우징(22)은 작동 상태에서 시일링액(23)으로 충전되어 있는, 회전 기계.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 시일링액(23)은 유체 열 캐리어로서 제공되는, 회전 기계.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팬 휠(44)은 열 캐리어의 순환을 위해 상기 구동부(2)에 의해 구동되며 바람직하게는 구동부(2) 중 상기 임펠러(31)로부터 멀리 있는 측에 제공되는, 회전 기계.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전 기계는 해저(undersea) 펌프로 되어 있는, 회전 기계.
  9. 온도가 적어도 150℃인 고온 유체를 전달하기 위한 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 회전 기계의 용도.
  10. 유체를 전달하기 위한 회전 기계에서의 열교환 방법으로서,
    상기 회전 기계는, 축(5)을 구동시키기 위한 구동부(2), 유체를 전달하기 위해 상기 축(5)에 배치되는 임펠러(31), 및 축(5)을 시일링하기 위한 적어도 하나의 기계적 시일(6)을 가지며,
    상기 방법에서, 상기 기계적 시일(6)은 제 1 및 제 2 열교환 시스템(41; 42)으로 냉각되거나 가열되며, 유체 열 캐리어가 상기 제 1 열교환 시스템(41)에 의해 상기 기계적 시일(6)에 직접 가해지며, 상기 제 2 열교환 시스템(42)에서 유체 열 캐리어는 상기 기계적 시일(6)과의 직접적인 접촉 없이 열교환 재킷(421)을 관류하고,
    상기 제 1 및 제 2 열교환 시스템(41; 42)은 공통 유체 열 캐리어가 순환되는 공통 열교환 시스템(40)에 연결되어 있고, 상기 열교환 시스템에서 유체 열 캐리어는 팬 휠(44)에 의해 순환되는, 회전 기계에서의 열교환 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 공통 열교환 시스템은 냉각 시스템인, 회전 기계에서의 열교환 방법.
  12. 제 10 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 회전 기계는 펌프이고, 상기 구동부(2)는 모터 하우징(22) 안에 배치되는 모터(21)를 포함하며, 상기 유체 열 캐리어는 상기 모터 하우징(22)에 충전되는 시일링액(23)으로서 사용되고, 상기 팬 휠(44)은 바람직하게는 상기 구동부(2)에 의해 구동되는, 회전 기계에서의 열교환 방법.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 열 캐리어는 수계(water-based) 액체인, 회전 기계에서의 열교환방법.
  14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전달되는 유체는 적어도 150℃의 온도를 갖는, 회전 기계에서의 열교환 방법.
  15. 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전 기계는 해저 펌프인, 회전 기계에서의 열교환 방법.
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