KR20180051504A - 건조 가스 시일 냉각 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

회전 축선을 갖는 회전 터보기계 샤프트를 위한 샤프트 시일 장치는 로터 부분(41)과 고정 부분(43)을 포함한다. 건조 가스 시일(45)이 또한 냉각 유체를 수용하고 건조 가스 시일과 열교환 관계로 배치된 냉각 유체 용적(67)과 함께 마련된다. 배기 장치가 샤프트 시일 장치로부터 배출 냉각 유체와 건조 밀봉 가스를 함께 배기시킨다.

Description

건조 가스 시일 냉각 장치 및 그 방법
본 개시는 일반적으로는 샤프트 시일 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 명세서에서 개시하는 실시예는 적어도 하나의 건조 가스 시일을 포함하는 터보기계 샤프트를 회전시키기 위한 샤프트 시일 장치에 관한 것이다. 본 개시는 또한 회전 샤프트와 건조 가스 시일을 포함한 샤프트 시일 장치를 갖는 터보기계를 포함하는 시스템 및 그 샤프트 시일을 냉각하는 방법에 관한 것이다.
회전 터보기계 샤프트는 통상 고정된 케이싱 내에 베어링에 의해 지지된다. 그 샤프트의 고압측에서 저압측으로 작동 유체의 누설을 방지하도록 시일이 마련된다. 최근 들어, 회전 샤프트를 따른 유체 누설에 대해 향상된 밀봉을 제공하는 건조 가스 시일(dry gas seal)이 개발되었다.
건조 가스 시일은 다른 밀봉 장치에 비해 다수의 이점을 제공하기 때문에 터보기계, 예를 들면 원심 압축기에서의 샤프트 시일로서 사용이 점점 증가하고 있다. 본 명세서에서 이해할 수 있는 바와 같이, 건조 가스 시일은, 샤프트 주위에서 둘레방향으로, 즉 샤프트의 회전 축선을 중심으로 연장하는 본 명세서에서는 밀봉 링으로 지칭하는 적어도 2개의 밀봉 요소를 구비한 샤프 시일이다. 하나의 밀봉 링은 샤프트와 함께 회전하도록 장착되는 한편, 다른 밀봉 링은 케이싱에 고정되게 장착된다. 각 밀봉 링은 대향해 배치된 밀봉 링을 향한 밀봉면을 각각 구비한다. 고정 밀봉 링과 회전 밀봉 링은 서로에 대해 탄성적으로 압박되며, 그 밀봉면에서 협동한다. 압축 건조 가스가 밀봉면들 사이에 급송되어, 고정 및 회전 밀봉 링들의 서로 대향한 밀봉면들 사이에 무접촉 밀봉 효과가 얻어지도록 된다.
건조 가스 시일은 통상 원심 압축기에 이용된다. 몇몇 용례에서, 건조 가스 시일은 정확하게 작동하기 위해 액체가 없어야 하기 때문에, 밀봉 가스의 고분자량 성분이 응축되는 것을 방지하기 위해 가열 장치가 필요하다. 다른 실시예에서, 건조 가스 시일 내에 과도한 열 축적을 방지하기 위해 열 제거 장치가 개발되었다. 냉각 건조 가스 시일이 예를 들면 US 8,814,508에 개시되어 있다. 고정 밀봉 링 및 회전 밀봉 링 주위에 전개되는 열교환기가 마련된다. 그 열교환기 내에서 액체가 순환하여 건조 가스 시일로부터 열을 제거한다. 이러한 공지의 건조 시일 장치는 만족스럽게 작동하지만, 어느 정도는 복잡하고 번거롭다.
따라서, 특히 건조 가스 시일로부터 열의 제거가 중요할 수 있는 용례에서 안전하고 저렴하며 효율적인 밀봉 장치를 제공하도록 건조 가스 시일을 포함한 샤프트 시일 장치의 개선이 여전히 필요하다.
하나의 양태에 따르면, 회전 축선을 갖는 회전 터보기계 샤프트를 위한 샤프트 시일 장치를 개시한다. 샤프트 시일 장치는 작동 중에 회전하는 로터 부분 및 고정 부분을 포함한다. 본 명세서에서 개시하는 실시예에 따르면, 샤프트 시일 장치는 건조 가스 시일을 포함한다. 건조 가스 시일은 또한, 회전 밀봉면을 구비하고 로터 부분과 함께 회전하도록 배치되는 예를 들면 회전 링인 적어도 하나의 회전 요소; 및 고정 부분에 대해 고정된 관계로 배치되고 고정 밀봉면을 갖는 예를 들면 회전 링 형태의 적어도 하나의 고정 요소를 포함할 수 있다. 회전 밀봉면과 고정 밀봉면은 서로에 대해 탄성적으로 압박된다. 또한, 고정 밀봉면과 회전 밀봉면 사이에 건조 밀봉 가스를 급송하도록 구성된 건조 가스 급송 경로가 마련된다. 또한, 샤프트 시일 장치는 냉각 유체를 수용하고 건조 가스 시일과 열교환 관계로 배치된 적어도 하나의 냉각 유체 용적; 및 샤프트 시일 장치로부터 배출 냉각 유체와 건조 밀봉 가스를 함께 배기하도록 구성된 배기 장치를 더 포함할 수 있다.
다른 양태에 따르면, 터보기계 장치를 개시하며, 이 터보기계 장치는, 터보기계를 포함하며, 이 터보기계는 케이싱 및 이 케이싱 내에 회전하도록 배치된 샤프트로 이루어지고, 회전 부재가 샤프트와 함께 회전하도록 장착되며, 작동 유체가 터보기계를 통과해 처리되며, 상기한 바와 같은 샤프트 시일 장치는 샤프트를 따른 작동 유체의 누설을 방지하는 데에 이용될 수 있다. 샤프트 시일 장치에 유체 연통하게 결합된 냉각 유체 소스가 그에 냉각 유체를 급송한다.
본 명세서에서 개시하는 실시예에서, 냉각 유체는 터보기계에 의해 처리되는 작동 유체 또는 그와 양립 가능한(compatible) 유체이다. 일반적인 의미에서, 터보기계에 의해 처리될 작동 유체와 양립 가능한 유체는 단기적으로 터보기계의 안전성 또는 작동에 부정적으로 영향을 미치지 않는 유체, 또는 작동 유체를 오염시키지 않고 가능하다면 그로부터 용이하게 분리될 수 있는 유체이다.
또 다른 양태에 따르면, 파워 전환 시스템을 개시하며, 이 파워 전환 시스템은, 고압측과 저압측을 구비하고 작동 유체가 통과해 흐르도록 구성된 작동 유체 회로를 포함한다. 그 시스템은 또한, 작동 유체 회로의 저압측에서 작동 유체로부터 열을 제거하도록 배치 및 구성된 냉각기; 및 저압측과 고압측 사이에서 작동 유체 회로에 유체 연통하게 결합되어 작동 유체 회로 내의 작동 유체의 압력을 상승시키도록 구성된 펌프 또는 압축기를 더 포함할 수 있다. 그 시스템은 또한, 고온 유체와 열교환 관계로 작동 유체를 순환시켜 그 작동 유체를 기화시키도록 구성된 열교환기; 및 작동 유체 회로에 유체 연통하게 결합되어 그 고압측과 저압측 사이에 배치되며, 통과해 흐르는 작동 유체를 팽창시켜 기계적 일을 생성하도록 구성된 터보 팽창기를 더 포함할 수 있다. 터보 팽창기는, 케이싱; 케이싱 내에 회전하도록 배치된 샤프트; 샤프트와 함께 회전하도록 그에 장착된 임펠러; 및 터보 팽창기의 샤프트와 밀봉식으로 협동하는 상기한 바와 같은 샤프트 시일 장치를 포함한다.
또한, 본 명세서에서는 작동 유체 회로에 유체 연통하게 결합되는 터보기계의 회전 샤프트를 위한 샤프트 시일 장치를 냉각하는 방법을 개시하며, 샤프트 시일 장치는 건조 가스 시일을 포함하며, 그 방법은,
터보기계를 통해 작동 유체를 처리하는 단계;
건조 밀봉 가스를 건조 가스 시일에 급송하는 단계;
냉각 유체를 샤프트 시일 장치에 급송하는 단계; 및
샤프트 시일 장치로부터 배출 냉각 유체와 건조 밀봉 가스를 함께 배기하는 단계를 포함한다. 그 배기된 냉각 유체와 밀봉 가스는 작동 유체 회로로 복귀될 수 있다.
터보기계는 터보 팽창기일 수 있고, 이를 통해 작동 유체가 고압에서 저압으로 팽창되며, 그 방법은,
터보 팽창기로부터의 팽창된 작동 유체를 냉각시키는 단계;
냉각된 작동 유체의 압력을 저압에서 고압으로 증가시키는 단계;
압축된 유체를 가열 및 기화시키는 단계;
기화된 작동 유체를 터보 팽창기에 급송하는 단계;
작동 유체의 사이드 흐름(side flow)을 샤프트 시일 장치로 방향 전환하는 단계; 및
배출 냉각 유체와 건조 밀봉 가스를 샤프트 시일 장치로부터 회로로 복귀시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
기화된 작동 유체는 선택적으로는 과열 유체일 수 있다.
본 발명의 개시된 실시예의 보다 완벽한 이해와 그 부수적인 이점들의 대부분은 이하의 상세한 설명을 첨부 도면과 함께 고려할 때에 보다 잘 이해할 것이기 때문에 용이하게 취득할 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시에 따른 샤프트 시일 장치가 구현될 수 있는 터보 팽창기를 포함한 파워 시스템의 개략도를 도시하고 있다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 건조 가스 시일을 포함한 샤프트 시일 장치를 도시하고 있다.
도 3은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 건조 가스 시일을 포함한 샤프트 시일 장치를 도시하고 있다.
본 명세서에서 개시하는 샤프트 시일 장치는 광범위한 용례에서 건조 가스 시일이 회전 샤프트에 대한 효과적인 밀봉 수단으로서 이용될 수 있고 그 건조 가스 시일로부터의 열의 제거가 샤프트 시일 장치의 효율적인 작동을 위해 중요한 인자가 되는 경우에는 언제라도 이용될 수 있다.
본 명세서에서 개시하는 샤프트 시일 장치의 특히 중요한 실시예는 고온 가스가 처리되는 터보기계, 예를 들면 원심 압축기 또는 터보 팽창기와 조합된다.
이하에서는 본 개시에 따른 샤프트 시일 장치를 포함한 터보 팽창기를 포함하는 파워 시스템을 참조한다. 하지만, 본 명세서에서 개시하는 실시예는 본 개시는 물론 첨부된 청구 범위에 기재한 바와 같은 발명을 한정하는 것으로서 고려되어서는 안 될 것이다. 샤프트 시일 장치의 다른 유리한 용례는 기타 터보 팽창기나, 예를 들면 축류 원심 압축기 등의 다른 회전 터보기계에서 찾을 수 있다.
도 1에서, 예를 들면 유용한 기계적 파워를 생성하기 위해 기본적인 랭킨 열역학적 사이클을 이용할 수 있는 전체적으로 도면 부호 1로 나타낸 파워 시스템을 도시하고 있다. 다른 열역학적 사이클이 기본적인 랭킨 사이클에 대한 대안으로서 이용될 수도 있다.
파워 시스템(1)은 작동 유체 회로(3)를 포함하며, 이 내에서 작동 유체가 순환하고 주기적 열역학적 변환을 겪어 열적 파워(열)를 기계적 파워로 전환하게 된다. 몇몇 실시예에서, 작동 유체는 페탄, 시클로페탄, 톨루엔 등의 유기 유체일 수 있다. 작동 유체는 이산화탄소(CO2), Genetron 245FA(R245FA) 등일 수도 있다. 작동 유체 회로(3)에서, 작동 유체는 고온 열원으로부터 열을 흡수하고 저온 히트 싱크로 열을 방출하는 공지의 열역학적 사이클을 수행할 수 있다.
도 1의 예시적인 실시예에서, 작동 유체 회로(3)는 터보 팽창기(5), 응축기 또는 냉각기(7), 펌프 및 열교환기(11)를 포함한다. 열교환기(11)는 또한 가열기(11A), 증발기(11B) 및 과열기(11C)를 포함할 수 있다. 작동 유체 회로(3)에서 순환하는 작동 유체, 예를 들면 시클로펜탄은 가열기(11A)에서 가열되고 증발기(11B)에서 기화하고 그리고 마지막으로 과열기(11C)에서 과열된다.
다른 실시예에서, 열교환기는 단일 장치를 포함할 수 있고, 이 경우, 예를 들면 작동 유체 회로(3)의 적어도 일부분 내에서 작동 유체가 초임계 상태에 있다면, 상태 변화가 단일 단계로 수행된다.
몇몇 실시예에서, 예를 들면, CO2가 초임계 사이클에서 작동 유체로서 이용된다면, 펌프(9)는 압축기로 대체될 수 있다. 일반적인 의미에서, 기계(9)는 작동 유체의 압력을 저압에서 고압으로 증가시키도록 설계 및 구성된 터보기계이다.
작동 유체 회로(3)는 고압측과 저압측으로 분할된다. 고압측은 펌프(9)의 급송측으로부터 터보 팽창기(5)의 입구까지 연장한다. 저압측은 터보 팽창기(5)의 급송측으로부터 펌프(9)의 흡입측까지 연장한다.
도 1의 예시적인 실시예에서, 열교환기(11)는 중간 열전달 루프(13)에서 순환하는 예를 들면 오일 등의 열전달 유체와 열교환 관계에 있다. 펌프(15)는 중간 열전달 루프(13) 내에서 열전달 유체를 순환시킬 수 있다. 열은 적절한 열원으로부터 열전달 유체에 의해 받아들여진다. 도 1의 예시적인 실시예에서, 열원은 발전기(21)를 구동하는 데에 이용될 수 있는 가스 터빈 엔진(19) 등을 비롯한 고온의 탑(top) 열역학적 사이클(17)을 포함한다. 가스 터빈 엔진(19)으로부터의 배기 연소 가스가 폐열 회수 열교환기(23)에서 고온 열(Q1)을 열전달 루프(13)에서 순환하는 열전달 유체와 교환한다. 이어서, 그 열(Q1)은 작동 유체 회로(3)에서 순환하는 작동 유체로 열교환기(11)를 통해 전달된다.
열교환기(11)로부터의 고압의 가열된 작동 유체는 터보 팽창기(5)에서 팽창하여, 출력 샤프트에서 이용 가능한 기계적 파워를 생성하며, 그 출력 샤프트는 발전기(25) 또는 임의의 기타 적절한 기계적 부하에 예를 들면 직접 또는 기어 박스(29)를 통해 구동 연결된다.
터보 팽창기(5)로부터 배출되는 저압의 배출 작동 유체는 응축기(7)에서 냉각 응축되며, 여기서 저온 열(Q2)이 히트 싱크로, 예를 들면 물 또는 공기의 흐름으로 배출된다.
이어서, 응축된 작동 유체는 펌프(9)에 의해 응축기(7)의 저압에서 열교환기(11)의 고압으로 펌핑된다.
작동 유체 회로(3)는 또한 복열기(recuperator)(27)를 더 포함할 수 있고, 여기서 터보 팽창기(5)로부터 배출되는 배출 작동 유체는 펌프(9)에 의해 급송되는 저온의 액화 가압 작동 유체와 열 교환할 수 있다.
터보 팽창기(5)는 회전 샤프트를 더 포함할 수 있고, 그 상에는 적어도 하나의 임펠러가 샤프트와 함께 회전하도록 장착된다. 샤프트와 임펠러는 케이싱 내에서 회전하도록 장착된다. 케이싱 내에는 터보 팽창기(5)의 케이싱으로부터 주변 환경으로 작동 유체의 누설을 방지하는 샤프트 시일 장치가 적어도 배치된다. 터보 팽창기(5)에 이용되는 예시적인 샤프트 시일 장치가 도 2에 도시되어 있으며, 이하에서 보다 상세하게 설명한다.
샤프트 시일 장치는 건조 가스 시일 및 추가적 샤프트 시일 부품들을 포함할 수 있고, 또한 건조 가스 시일로부터 열을 제거하고 샤프트 시일 장치의 열에 민감한 부품들을 과도한 온도로 인한 열화에 대해 보호하도록 냉각 장치가 마련될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 도 2를 참조하여 설명하는 바와 같이, 냉각 장치는 액상 냉각 유체, 보다 구체적으로 액화 작동 유체를 이용하여 샤프트 시일 장치로부터 열을 제거한다. 액상 냉각 유체는 증발 잠열이 샤프트 시일 장치로부터 효과적으로 제거되도록 적어도 부분적으로 증발된다. 잔류 냉각 액체는 배수 장치를 통해 배수되며, 증발된 냉각 유체는 건조 가스 시일로부터의 건조 밀봉 가스와 함께 점차 배기된다. 배출 냉각 유체는 건조 가스 시일로부터의 건조 밀봉 가스와 함께 작동 유체 회로(3)로 복귀되며, 그 건조 밀봉 가스는 응축 불가능 가스 분리기에서 작동 유체로부터 분리될 수 있다.
이하, 도 2를 참조하면, 터보 팽창기(5)의 임펠러(31)가 회전 샤프트(5)의 일부분과 함께 도시되어 있으며, 그 샤프트 상에는 임펠러(31)가 회전 축선 A-A를 중심으로 그와 함께 회전하도록 장착된다. 임펠러(31)와 회전 샤프트(33)는 터보 팽창기 케이싱(35) 내에 장착된다.
도 2의 예시적인 실시예에서, 임펠러(31)는, 회전 샤프트(33)를 지지하는 데에 단일 베어링(도시 생략)이 이용될 수 있도록 오버행(overhanging) 방식으로 회전 샤프트(33) 상에 장착된다. 다른 실시예에서, 베어링 사이의 임펠러 배치가 이용될 수 있는데, 그 경우, 하나 이상의 임펠러가 2개의 베어링에 의해 2개의 대향 단부에서 지지된 샤프트 상에 장착된다. 샤프트 시일 장치는 임펠러와, 회전 샤프트(33)를 지지하는 각 베어링 사이에 마련될 수 있다.
도 2의 실시예에서, 샤프트 시일 장치(37)가 임펠러(31)와 이 임펠러(31)의 반대측에 배치된 도시 생략한 샤프트 지지 베어링 사이에서 회전 샤프트(33) 둘레에 배치된다.
샤프트 시일 장치(37)는 임펠러(31)에 면한 그 제1 축방향 단부에 고압 고온측(37H)과, 샤프트 지지 베어링에 면한 그 제1 축방향 단부에 저압 저온측(37L)을 구비한다.
샤프트 시일 장치(37)는 터보 팽창기(5)의 작동 중에 회전 샤프트(33) 및 임펠러(31)와 함께 회전하는 로터 부분(41)을 포함할 수 있다. 샤프트 시일 장치(37)는 터보 팽창기(5)의 케이싱(35) 내에 고정 상태로 장착된 고정 부분(43)을 더 포함한다.
샤프트 시일 장치(37)는 또한 전체적으로 도면 부호 45로 나타낸 건조 가스 시일을 더 포함한다. 도 2의 예시적인 실시예에서, 건조 가스 시일(45)은 이중 면대면(face-to-face) 건조 가스 시일이다. 다른 실시예에서, 단일 건조 가스 시일, 텐덤 건조 가스 시일 또는 그 조합이 이용될 수도 있다.
건조 가스 시일(45)은 회전 부분(41) 상에 메인 슬리브(46)를 포함한다. 2개의 서로 대향한 회전 요소(47)가 메인 슬리브(46) 상에 면대면 관계로 장착되어 그와 함께 회전한다. 회전 요소(47)는 링의 형태일 수 있고, 이하에서는 회전 링으로서 지칭할 것이다.
각 회전 링(47)은 메인 슬리브(46)와는 반대측으로 향한 밀봉면(47S)을 각각 구비한다. 2개의 대향한 고정 요소(48)가 샤프트 시일 장치(37)의 고정 부분(43) 상에, 즉 고정 부분(43)에 대해 고정된 관계로 그리고 해당 회전 링(47)에 대해 면대면 관계로 배치된다. 고정 요소(48)는 링의 형태일 수 있고, 이하에서는 고정 링(48)으로서 지칭할 것이다. 각 고정 링(48)은 대응 회전 링(47)의 밀봉면(47S)에 대향한 밀봉면(48S)을 구비한다.
각 고정 링(48)은 밀봉면(47S, 48S)이 서로에 대해 압박되도록 해당 회전 링(47)에 대해 스프링(49)에 의해 탄성적으로 압박된다. 스프링들은 그 스프링(49)과 해당 고정 링(48) 사이에 배치된 중간 압력 링(53)과, 고정 장착 리테이너(51) 사이에 배치되어, 스프링(49)과 고정 링(48) 간의 직접 접촉을 방지한다.
회전 링(47)과 메인 슬리브(46)는 환형의 건조 가스 포집 챔버(55)에 의해 둘러싸이며, 이 포집 챔버는 샤프트 시일 장치의 고정 부분(43)에 형성된 건조 가스 통로(59)를 통해 건조 가스 급송 포트(57)에 유체 연통하게 결합된다. 건조 가스 급송 포트(57)는 건조 밀봉 가스 소스, 예를 들면, 질소나 기타 적절한 불활성의 압축 건조 밀봉 가스의 소스에 유체 연통하게 결합될 수 있다. 압축 건조 밀봉 가스는 대향한 밀봉면(47S, 48S)들 사이에 급송되어, 샤프트(33)와 임펠러(31)가 축선(A-A)을 중심으로 회전하는 동안에 건조 밀봉 가스의 막이 그 사이에 형성되게 한다.
건조 가스 시일(45)을 과도한 온도로 인한 손상으로부터 보호하기 위해, 샤프트 시일 장치(37)는 아래에서 설명하는 냉각 장치를 포함한다. 특히, 과도한 온도로 인한 손상은 메인 슬리브(46)와 회전 링(47) 사이에 위치한 개스킷(63)에서 발생할 수 있다.
몇몇 실시예에 따르면, 건조 가스 시일로부터 열을 제거하고 온도 손상이 발생하는 것을 방지하기 위해, 하나 이상의 냉각 액체 포트(61)가 케이싱(35)에 마련될 수 있다. 냉각 액체 포트(61)는 샤프트 시일 장치(37)의 고정 부분(43)의 외면에 형성된 환형 홈(65)에 냉각 액체를 급송하도록 배치될 수 있다. 또한, 홈(65)은 건조 가스 시일(45)과 열교환 관계로 냉각 유체 용적과 유체 연통할 수 있다. 도 2의 예시적인 실시예에서, 냉각 액체 용적은 샤프트(33)의 회전 축선(A-A) 둘레에서 연장하고 샤프트 시일 장치(37)의 고정 부분(43)과 로터 부분(41) 사이에 배치된 환형 냉각 액체 챔버(67)를 포함한다. 환형 냉각 액체 챔버(67)는 샤프트 시일 장치의 건조 가스 시일(45)과 고압 고온측 축방향 단부(37H) 사이에서 건조 가스 시일(45) 근처에 위치하며, 건조 가스 시일(45)과 열교환 관계에 있다.
도 2의 예시적인 실시예에서, 환형 냉각 액체 챔버(67)는 회전 축선 A-A를 향해 반경방향 외측으로 돌출하는 고정 부분(43)의 플랜지(68)와 리테이너(51) 사이에 위치한다.
제1 추가적 샤프트 시일(69)이 샤프트 시일 장치(37)의 로터 부분(41)과 플랜지(68) 사이에 마련될 수 있다. 제1 추가적 샤프트 시일(69)은 레비린스 시일(labyrinth seal)일 수 있다.
또한, 제2 추가적 샤프트 시일(71)이 샤프트 시일 장치(37)의 로터 부분(41)과 커버(73) 사이에 마련될 수 있다. 따라서, 건조 가스 시일(45), 제1 추가적 샤프트 시일(69) 및 제2 추적 샤프트 시일(71)은 회전 축선 A-A를 따라 축방향으로 순차적으로 배치된다.
냉각 액체 챔버(67)로 급송된 냉각 액체의 적어도 부분적인 증발은 샤프트 시일 장치(37)로부터 열 흡수로 인해 발생한다. 기화된 냉각 액체를 샤프트 시일 장치(37)로부터 제거하기 위해, 증기 배기 장치가 마련된다. 몇몇 실시예에 따르면, 증기 배기 장치는 제1 추가적 샤프트 시일(69)과 제2 추가적 샤프트 시일(71) 사이에 배치된 환형 증기 배기 챔버(75)를 포함한다. 환형 증기 배기 챔버(75)와 유체 연통하는 적어도 하나의 배기 포트(77)가 환형 증기 배기 챔버(75)의 상부에 마련되며, 이를 통해 기화된 냉각 액체가 제거된다.
냉각 액체 배수 포트(79)가 케이싱(35)에 형성되어 홈(65)을 둘러싸는 홈(65A)의 하부에 마련될 수 있다. 홈(65A)과 배수 포트(79)는 냉각 액체 배수 장치를 형성하며, 이로부터 미기화 냉각 액체가 샤프트 시일 장치(37)로부터 배수 및 제거될 수 있다.
하나 이상의 추가적 냉각 액체 포트(81)가 건조 가스 시일(45)을 둘러싸는 외부 냉각 액체 챔버를 형성하는 홈(83)과 유체 연통하게 케이싱(35)에 마련될 수 있다. 외부 냉각 액체 챔버는 냉각 유체를 수용하고 건조 가스 시일(45)과 열교환 관계로 배치된 추가적 냉각 유체 용적을 형성한다. 샤프트 시일 장치의 하부에는 외부 냉각 액체 챔버(83)가 하나 이상의 포트(85)를 통해 홈(65A)에 유체 연통하게 결합되어, 외부 냉각 액체 챔버(83)의 하부에 존재하는 냉각 액체가 배수 포트(79)를 통해 제거될 수 있도록 된다.
환형 냉각 액체 챔버(67) 및 외부 냉각 액체 챔버(83)로 급송된 냉각 액체는 작동 유체 회로(3)로부터의 가압 및 응축된 작동 유체일 수 있다. 도 1에서, 냉각 액체 급송 덕트(91)가 펌프(9)와 복열기(27) 사이의 작동 유체 회로(3)의 고압측을 터보 팽창기(5)의 샤프트 시일 장치(37)에 연결한다. 펌프(9)로부터의 저온의 액화 및 가압된 작동 유체의 흐름이 냉각 액체 급송 덕트(91)를 통해 냉각 액체 포트(61, 81)로 급송된다.
증기 배기 챔버(75)로부터 포집된 기화 냉각 액체는 증기 배기 라인(93)을 통해 작동 유체 회로(3)의 저압측으로 복귀된다. 예를 들면, 배기 라인(93)은 기화된 냉각 액체를 응축기(7)의 증기측으로 복귀시킬 수 있다. 홈(65A)의 저압측에서 포집된 미기화 냉각 액체는 배수 라인(95)을 통해 응축기(7)의 액체측으로 복귀될 수 있다.
건조 가스 시일(45)로부터 환형 냉각 액체 챔버(67)를 통해 누설되는 건조 밀봉 가스는 기화된 냉각 액체와 함께 증기 배기 챔버(75)에 포집되어, 기화된 냉각 액체와 함께 응축기(7)를 향해 배기된다.
샤프트 시일 장치(37)는 다음과 같이 작동한다. 터보 팽창기(5)가 작동 중에 있는 경우, 샤프트(33)와 임펠러(33)가 케이싱(35) 내에서 회전하다. 작동 유체가 가스 터빈 엔진(17)의 배기 연소 가스로부터의 열적 파워의 일부분을 유용한 기계적 파워로 전환하도록 작동 유체 회로(3)에서 처리된다.
액체 상태의 응축 및 가압된 작동 유체를 냉각 액체 급송 덕트(91)를 통해 냉각 액체 포트(61, 81)를 향해 순환시킴으로써 열이 샤프트 시일 장치(37)로부터, 구체적으로는 그 건조 가스 시일(45)로부터 제거된다. 그 액상 작동 유체는 환형 냉각 액체 챔버(67) 내에서 그리고 외부 냉각 액체 챔버(83) 내에서 순환한다. 액상 작동 유체는 샤프트 시일 장치(37)로부터, 구체적으로는 고정 링(48) 및 회전 링(47)으로부터 제거되는 감지 가능 열 및 증발 잠열에 의해 가열되어 부분적으로 기화된다. 제1 추가적 샤프트 시일(69)을 통해 누설되는 기화된 작동 유체는 환형 증기 배기 챔버(75)에서 포집되어 배기 포트(77) 및 배기 라인(93)을 통해 응축기(7)로 복귀된다. 여전히 액체 상태에 있는 작동 유체는 배수 포트(79)를 통해 제거되어, 배수 라인(95)을 통해 응축기(7)로 복귀된다.
주변 환경을 향한 작동 유체의 누설을 방지하기 위해 건조 밀봉 가스가 공지의 방식으로 건조 가스 시일(45)에 급송된다.
환형 냉각 액체 챔버(67) 내의 냉각 유체의 압력은 대향한 밀봉면(47S, 48S)들 사이에 급송되는 건조 밀봉 가스의 압력보다 낮아, 건조 밀봉 가스가 대향한 밀봉면(47S, 48S)들 사이의 계면을 통해 누설되어 환형 냉각 액체 챔버(67) 내로 흐르게 된다. 이로부터, 건조 밀봉 가스가 기화된 냉각 액체와 함께 환형 증기 배기 챔버(75) 내로 더욱 누설되며, 이로부터 기화된 냉각 액체와 건조 밀봉 가스는 함께 증기 배기 포트(77)를 통해 배기된다. 건조 밀봉 가스와 증발된 냉각 액체는 응축기(7)로 복귀되며, 여기서 응축 불가능 건조 밀봉 가스는 작동 유체로부터 분리되어 주위로 배기되거나 건조 밀봉 가스 회로 내에 재순환될 수 있다.
증기 배기 챔버(75)로부터 제2 보조 샤프트 시일(71)을 통한 기화된 프로세스 유체의 있을 수 있는 누설물은 터보 팽창기(5)에서 순환하는 메인 작동 유체 흐름에 포집되어 응축기(7)로 복귀된다.
따라서, 샤프트 시일 장치(37)의 냉각은 작동 유체 회로(3)에서 순환하는 작동 유체 회로(3)를 오염시킬 수 있는 별도의 냉각 매체 필요 없이 달성될 수 있다. 효율적 열 제거는 샤프트 시일 장치(37)에서 냉각 매체로서 이용되는 작동 유체의 액체-증기 상 변화에 의해 제공된다. 시일 냉각 시스템에서 순환하는 상 변화 작동 유체에 의해 흡수되는 증발 잠열로 인해 높은 열교환 속도가 달성된다. 액체 상태는 물론 기체 상태에 있는 배출 냉각 유체가 누설된 건조 밀봉 가스와 함께 작동 유체 회로(3)로 복귀되기 때문에, 냉각 액체 회로와 건조 밀봉 가스 회로가 폐회로일 필요는 없다.
냉각 액체는 단순히 펌프(9)의 급송측에 제공되는 압력 및 온도 조건에서 메인 작동 유체 흐름으로부터 분할되기 때문에, 추가적 비용 없이 이용 가능할 수 있다. 소모된 냉각 흐름(증기와 액체 상태 모두)은 전용 냉각 및 가압 회로를 필요로 하지 않고 응축기(7) 및 펌프(9)에 의해 다시 응축 및 가압된다.
도 3은 샤프트 시일 장치(37)의 대안적인 실시예를 도시한다. 동일 도면 부호는 도 2와 관련하여 이미 설명한 것과 동일한 구성 요소들을 가리킨다. 이들은 다시 설명하진 않을 것이다.
도 3의 실시예에서, 환형 냉각 액체 챔버(67)는 건조 가스 시일(45)과 열교환 관계에 있는 냉각 유체 용적을 형성하는 환형 냉각 액체 챔버(70)로 대체된다. 기상 냉각 유체, 액상 냉각 유체 또는 혼합된 기상 및 액상 냉각 유체는 샤프트(33)의 축선(A-A)을 중심으로 원형으로 배치될 수 있는 적어도 하나, 바람직하게는 복수의 냉각 유체 포트(72)를 통해 환형 냉각 가스 챔버(70)에 급송된다. 냉각 유체 포트(72)의 입구는 홈(65)과 유체 연통한다. 냉각 유체 포트(72)의 출구는 환형 냉각 유체 챔버(70)에 위치하여 냉각 유체 제트를 생성하도록 구성되며, 그 냉각 유체 제트는 샤프트 시일 장치(37)의 로터 부분(41)의 외면에 충돌하도록 배향된다.
냉각 유체 포트(72)의 단면 및 냉각 유체의 급송 압력은 로터 부분(41)에 충돌하는 냉각 유체 제트의 속도가 열 배리어 효과(heat barrier effect)를 생성하여, 로터 부분(41)을 통한 샤프트 시일 장치(37)의 고압 고온단(37H)으로부터 회전 링(47) 및 개스킷(63)을 향한 열전도를 방지 또는 제한하도록 된다.
리테이너(51)로 배향되어 그 리테이너(51)에 충돌하는 냉각 유체 제트에 의해 열을 제거하도록 된 도시 생략한 추가적 냉각 유체 포트가 마련될 수 있다.
이 경우도, 작동 유체 회로(3)로부터의 작동 유체가 냉각 유체로서 이용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 냉각 유체는 기체 또는 증기 상태일 수 있다. 다른 실시에서는 냉각 유체 포트(72)를 통해 부분적으로 기상과 부분적으로는 액상의 냉각 유체 또는 단지 액상 냉각 유체만이 급송될 수 있고, 그 경우, 액상에 의해 흡수되는 증발 잠열이 액상 냉각 유체의 증발을 야기하여 보다 효과적인 열 제거를 제공할 것이다.
배수 포트(79)(도 3에서는 도시 생략)가 환형 냉각 유체 챔버(70)와 유체 연통하게 마련되어, 그로부터 액상 냉각 유체를 제거할 수 있다.
기상 또는 증발된 냉각 유체는 제1 추가적 샤프트 시일(69)을 통해 누설되고, 증기 배기 포트(77)를 통해 건조 밀봉 가스와 함께 건조 가스 시일(45)로부터 제거될 수 있다.
샤프트 시일 장치(37)로부터 제거된 유체는 전술한 바와 같이 작동 유체 회로(3)로 복귀될 수 있다.
냉각 유체 포트(72)로 급송되는 냉각 유체는 작동 유체 회로(3)로부터 분기된 작동 유체, 예를 들면 펌프(9)의 하류에서 분기된 작동 유체일 수 있고, 그 경우, 냉각 유체는 액체 상태로 제공될 수 있다. 대안적으로, 기체 상태의 작동 유체가 터보 팽창기의 상류에서 작동 유체 회로(3)로부터로 분기될 수 있다. 샤프트 시일 장치로 급송하기 전에 기상 작동 유체를 냉각시키도록 쿨러가 마련될 수 있다.
본 명세서에서 개시하는 실시예에 따르면, 건조 가스 시일(45)의 열에 민감한 구성 요소들이 샤프트 시일 장치(37)로 급송되는 냉각 유체에 의해 과열로부터 보호된다. 회전 부분(41) 및 링(47, 48) 등의 샤프트 시일 장치의 구성 요소들을 열전도성이 높은 재료를 이용하여 제조함으로써 향상된 열 제거를 달성할 수 있다.
본 명세서에서 기술한 주제의 개시한 실시예들을 도면에 도시하고 다수의 예시적인 실시예와 관련하여 특이성 및 세부 사항을 앞서 상세하게 설명하였지만, 당업자라면 본 명세서에 기재한 신규한 교시, 원리 및 개념은 물론 첨부된 청구 범위에 기재된 보호 대상의 이점들로부터 실질적으로 벗어나지 않고 수많은 수정, 변경 및 생략이 이루어질 수 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 개시한 혁신의 적정 범위는 그러한 수정, 변경 및 생략을 포괄하도록 첨부된 청구 범위의 광의의 해석에 의해서만 결정되어야 할 것이다. 게다가, 임의의 프로세스 또는 방법 단계들의 순서 또는 차례는 대안적인 실시예에 따라 달라질 수 있거나 재배열 될 수도 있다.

Claims (22)

  1. 회전 축선을 갖는 회전 터보기계 샤프트를 위한 샤프트 시일 장치로서:
    작동 중에 회전하는 로터 부분;
    고정 부분; 및
    건조 가스 시일로서, 회전 밀봉면을 구비하고 상기 로터 부분과 함께 회전하도록 배치되는 적어도 하나의 회전 요소; 상기 고정 부분에 대해 고정된 관계로 배치되고 고정 밀봉면을 갖는 적어도 하나의 고정 요소로서, 상기 회전 밀봉면과 상기 고정 밀봉면은 서로에 대해 탄성적으로 압박되는 것인 고정 요소; 및 상기 고정 밀봉면과 상기 회전 밀봉면 사이에 건조 밀봉 가스를 급송하도록 구성된 건조 가스 급송 경로를 포함하는 건조 가스 시일;
    냉각 유체를 수용하고 상기 건조 가스 시일과 열교환 관계로 배치된 적어도 하나의 냉각 유체 용적; 및
    상기 샤프트 시일 장치로부터 배출 냉각 유체와 건조 밀봉 가스를 함께 배기하도록 구성된 배기 장치
    를 포함하는 것인 샤프트 시일 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배기 장치는 상기 냉각 유체 용적 및 상기 건조 가스 시일과 유체 연통하고 배출 냉각 유체 및 건조 밀봉 가스를 포집하는 배기 챔버를 포함하는 것인 샤프트 시일 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉각 유체 용적과 유체 연통하게 결합되고 상기 냉각 유체 용적으로부터 액체 상태의 냉각 유체를 배수하도록 구성 및 배치된 액체 배수 장치를 더 포함하는 것인 샤프트 시일 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배기 장치는 제1 추가적 샤프트 시일과 제2 추가적 샤프트 시일 사이에 위치한 배기 챔버에 유체 연통하게 결합되며, 상기 제1 추가적 샤프트 시일과 제2 추가적 샤프트 시일은 바람직하게는 상기 건조 가스 시일의 회전 요소와 상기 샤프트 시일 장치의 고압측 사이에서 상기 샤프트를 따라 순차적으로 배치되는 것인 샤프트 시일 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 유체 용적은 상기 건조 가스 시일의 회전 요소와는 반대측에서 상기 고정 요소에 인접하게 배치되는 냉각 유체 챔버를 포함하는 것인 샤프트 시일 장치.
  6. 제5항에 있어서, 적어도 하나의 냉각 유체 포트가 상기 냉각 유체 챔버 내에 배치되어, 상기 샤프트 시일 장치의 회전 부분에 충돌하는 적어도 하나의 냉각 유체 제트를 생성하도록 배향되는 것인 샤프트 시일 장치.
  7. 제6항에 있어서, 복수의 냉각 유체 포트가 상기 샤프트의 축선을 중심으로 원형으로 배치되어, 상기 샤프트 시일 장치의 회전 부분에 충돌하는 복수의 냉각 유체 제트를 생성하도록 배향되는 것인 샤프트 시일 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 샤프트 시일 장치는 고온 축방향 단부 및 저온 축방향 단부를 구비하며, 상기 냉각 유체 포트는 상기 건조 가스 시일과 상기 샤프트 시일 장치의 고온 축방향 단부 사이에 배치되는 것인 샤프트 시일 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 유체 용적은 상기 샤프트 시일 장치의 고정 부분을 둘러싸는 외부 냉각 유체 챔버를 포함하는 것인 샤프트 시일 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 외부 냉각 유체 챔버는 상기 건조 가스 시일 주위에서 연장하는 것인 샤프트 시일 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 건조 밀봉 가스 및 상기 냉각 유체의 압력은 건조 밀봉 가스가 상기 건조 가스 시일로부터 상기 냉각 유체 용적을 향해 흐르도록 된 것인 샤프트 시일 장치.
  12. 터보기계 장치로서:
    작동 유체가 처리되는 터보기계로서, 케이싱; 이 케이싱 내에 회전하도록 배치된 샤프트; 이 샤프트 상에 장착된 적어도 하나의 임펠러; 및 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 샤프트 시일 장치로 이루어지는 것인 터보기계; 및
    상기 샤프트 시일 장치에 유체 연통하게 결합되어 그에 냉각 유체를 급송하는 냉각 유체 소스
    를 포함하는 것인 터보기계 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 샤프트 시일 장치의 상기 증기 배기 장치와 상기 액체 배수 장치는 상기 냉각 유체 소스와 유체 연통하는 것인 터보기계 장치.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 냉각 유체는 터보기계에 의해 처리되는 작동 유체 또는 그와 양립 가능한(compatible) 유체인 것인 터보기계 장치.
  15. 파워 전환 시스템으로서:
    고압측과 저압측을 구비하고 작동 유체가 통과해 흐르도록 구성된 작동 유체 회로;
    상기 작동 유체 회로의 저압측에서 작동 유체로부터 열을 제거하도록 배치 및 구성된 냉각기;
    상기 저압측과 고압측 사이에서 상기 작동 유체 회로에 유체 연통하게 결합되어 상기 작동 유체 회로 내의 작동 유체의 압력을 상승시키도록 구성된 펌프 또는 압축기;
    고온 유체와 열교환 관계로 상기 작동 유체를 순환시켜 그 작동 유체를 기화시키도록 구성된 열교환기; 및
    상기 작동 유체 회로에 유체 연통하게 결합되어 상기 고압측과 저압측 사이에 배치되며, 통과해 흐르는 작동 유체를 팽창시켜 기계적 일을 생성하도록 구성된 터보 팽창기
    를 포함하며, 상기 터보 팽창기는, 케이싱; 이 케이싱 내에 회전하도록 배치된 샤프트; 샤프트와 함께 회전하도록 그에 장착된 임펠러; 및 상기 터보 팽창기의 샤프트와 밀봉식으로 협동하는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 샤프트 시일 장치를 포함하는 것인 파워 전환 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 샤프트 시일 장치는 상기 펌프 또는 압축기의 하류에서 상기 작동 유체 회로의 고압측에 유체 연통하게 결합되는 것인 파워 전환 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 증기 배기 장치와 상기 배수 장치는 상기 작동 유체 회로의 저압측에 유체 연통하게 결합되는 것인 파워 전환 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 배수 장치와 상기 증기 배기 장치는 상기 냉각기에 유체 연통하게 결합되는 것인 파워 전환 시스템.
  19. 작동 유체 회로에 유체 연통하게 결합되는 터보기계의 회전 샤프트를 위한 샤프트 시일 장치를 냉각하는 방법으로서, 상기 샤프트 시일 장치는 건조 가스 시일을 포함하며, 상기 방법은,
    상기 터보기계를 통해 작동 유체를 처리 하는 단계;
    건조 밀봉 가스를 건조 가스 시일에 급송하는 단계;
    냉각 유체를 샤프트 시일 장치에 급송하는 단계; 및
    샤프트 시일 장치로부터 배출 냉각 유체와 건조 밀봉 가스를 함께 배기하는 단계
    를 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 냉각 유체는 상기 터보기계를 통해 처리되고 상기 냉각 유체 회로에서 순환하는 작동 유체의 메인 흐름으로부터 분기된 작동 유체인 것인 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 터보기계는 터보 팽창기이며, 상기 작동 유체는 상기 터보 팽창기를 통해 고압에서 저압으로 팽창되며, 상기 방법은,
    상기 터보 팽창기로부터의 팽창된 작동 유체를 냉각시키는 단계;
    냉각된 작동 유체의 압력을 저압에서 고압으로 증가시키는 단계;
    압축된 유체를 가열 및 기화시키는 단계;
    기화된 작동 유체를 상기 터보 팽창기에 급송하는 단계;
    작동 유체의 사이드 흐름(side flow)을 상기 샤프트 시일 장치로 방향 전환하는 단계; 및
    배출 냉각 유체와 건조 밀봉 가스를 상기 샤프트 시일 장치로부터 상기 회로로 복귀시키는 단계
    를 더 포함하는 것인 방법.
  22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샤프트 시일 장치로 급송되는 액체 상태의 냉각 유체를 적어도 부분적으로 증발시킴으로써 상기 샤프트 시일 장치로부터 열을 제거하는 단계; 및
    증발된 냉각 유체와 건조 밀봉 가스를 배기시키고 상기 샤프트 시일 장치로부터 배출 냉각 유체를 별도로 배수하는 단계
    를 더 포함하는 것인 방법.
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