KR20180132732A - 밀봉을 위한 장치를 가진 원심 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밀봉을 위한 장치(6)를 가진 원심 펌프에 관한 것이다. 회전 요소(10)와 비회전 요소(9) 사이에 갭(gap)(S)이 형성된다. 적어도 하나의 요소(9, 10)는 움직일 수 있게 장착된 동체들(bodies)(11)을 가진다.

Description

밀봉을 위한 장치를 가진 원심 펌프

본 발명은 회전 요소와 비회전 요소 사이에 갭이 형성된, 밀봉을 위한 장치를 가진 원심 펌프에 관한 것이다.

이러한 장치는 예를 들어 분할 링 밀봉 장치(split ring sealing arrangement)일 수 있다. 원심 펌프에서 분할 링 밀봉은 상이한 압력들의 챔버들을 밀봉하는 역할을 하며, 회전 요소(rotating element)는 챔버들 사이의 칸막이 내에 배치된다. 회전 요소의 경우에, 샤프트, 임펠러의 허브, 임펠러의 흡입 노즐 등일 수 있다. 상기 장치는 비회전 요소(non-rotating element)와 회전 요소를 포함한다. 비회전 요소의 경우에, 예를 들어 케이싱에 배치된 분할 링이거나, 또는 케이싱 자체 또는 케이싱 부품일 수 있다. 회전 요소의 경우에, 예를 들어 임펠러에 배치된 회전 링이거나 또는 임펠러 자체 또는 임펠러의 부품, 예를 들어 밀폐 임펠러의 경우에 임펠러의 후방 쉬라우드(rear shroud)일 수 있다. 회전 요소와 비회전 요소 사이에 형성된 갭(gap)은 상기한 압력들의 챔버들 사이의 스로틀(throttle)로서 작용하며 고압의 챔버로부터 저압의 챔버 내부로의 과도하게 많은 흐름을 방지한다. 두 개의 요소들 사이의 갭이 작을수록, 원심 펌프의 효율 손실이 적어진다. 그러나, 이러한 목표에 대한 장애는, 과도하게 작은 갭은 제조 공차 및 작동의 영향과 보조를 맞추는 것이 매우 어렵다는 사실이다. 비회전 요소에 대한 회전 요소의 스침을 방지하기 위해 그리고 이에 따라 마모를 방지하기 위해 요소들 사이의 접촉을 방지하는 것이 필요하다.

개별 부품들의 제조 중에 필요한 공차로 인해, 특히 요소들이 서로 접촉하는 것을 방지하고 이에 따라 마찰과 마모의 발생을 방지하는 최소의 갭이 존재한다. 그러나, 작동 중에, 특히 펌프의 시동과 정지 중에, 접촉이 일어나고 압축 또는 재료의 마모가 발생하는 상황을 자주 만나게 된다.

EP 2 466 249 A1은 스테이터 부품들과 밀폐 임펠러 사이에 형성된 반경 방향 밀봉 갭을 가진 유체를 위한 터보기계를 기재하고 있다. 밀봉 갭에 고정 방식으로 배치된 마모 링이 제공되며, 이는 터보기계의 임펠러와 마주보는 내측면과, 외측면과 두 개의 축방향으로 이격된 측면들을 가진다. 마모 링에 동심으로 연장된 리세스가 반경 방향 갭 또는 반경 방향 절개부의 형태로 형성된다.

DE 35 30 986 A1에는 케이싱에 고정되는 분할 링을 가진 원심 펌프를 위한 분할 링 밀봉재(split ring seal)가 기재되어 있다. 다수의 탄성 요소들이 분할 링의 밀봉면과 케이싱 사이에 배치된다. 이러한 결과로서, 회전 부품에 대한 손상이 크게 배제된다.

EP 681658 B1은 고정 케이싱 부품 내에 회전-저항 방식으로 배치된 분할 링으로 구성된 분할 링 밀봉재를 가진 원심 펌프를 기재하고 있다. 회전 부품은 분할 링 내측에 배치된다. 분할 링과 회전 부품 사이에 갭이 형성된다. 상이한 압력의 챔버들은 갭의 양측에 제공된다. 회전 부품과 마주보는 분할 링의 표면은 고정된 다각형의 분할 링 표면으로서 설계된다.

DE 35 13 116 A1은 조절될 수 있는, 마모를 겪는 링 밀봉재를 기재하고 있다. 이 결과로서, 마모에도 불구하고 원심 펌프의 사용 수명이 증가될 수 있다.

본 발명의 목적은, 펌프가 가능한 한 높은 효율 수준을 가지며, 갭을 통한 유동 손실(flow loss)이 가능한 한 작게 되고, 동시에 요소들 사이의 마모 현상이 방지되도록, 회전 요소와 비회전 요소 사이에 가능한 한 작은 갭이 형성되는, 밀봉을 위한 장치를 가진 원심 펌프를 명시하는 것이다. 상기 원심 펌프는 긴 사용 수명과 가능한 한 낮은 유지관리 비용에 의해 구별될 것이다. 또한, 상기 원심 펌프는 가능한 한 값싸게 제조될 것이며 신뢰성 있는 작동 모드를 보장하게 된다.

이러한 목적은 본 발명에 따라서 청구항 제1항의 특징들을 가진 원심 펌프와 청구항 제11항의 특징들을 가진 방법에 의해 성취된다. 바람직한 변형들은 종속항들, 설명과 도면들로부터 얻어질 것이다.

본 발명에 따르면, 상기 장치의 적어도 하나의 요소는 회전 가능하게 장착된 동체들(bodies)을 가진다. 상기 동체들은, 축 또는 다수의 축들 둘레로 회전할 수 있도록 또는 볼펜의 볼의 경우와 같이 임의의 원하는 방향으로 회전 가능하도록 장착된다. 상기 동체들은 비회전 요소 또는 회전 요소에 장착될 수 있다. 원칙적으로, 상기 동체들은 회전 요소와 비회전 요소 둘 다에 장착되는 가능성도 있다.

밀봉을 위한 상기 장치가 분할 린 밀봉 장치로서 설계되고 상기 동체들이 상기 분할 링으로서 설계된 비회전 요소에 장착되는 경우가 특히 유리하다는 것이 입증되었다. 이에 대한 대안으로서, 분할 링 밀봉 장치의 경우에, 상기 비회전 요소는 케이싱에 고정되는 별도의 분할 링 없이 케이싱 자체로 형성되고 상기 동체들은 상기 케이싱에 특별히 설계된 구조체 내에 회전 가능하게 장착되는 가능성도 있다.

상기 장치가 분할 링 밀봉 장치로서 형성된 경우에, 상기 회전 요소는 임펠러의 후방 쉬라우드에 배치된 회전 링에 의해 형성될 수 있다. 선택적으로, 이 경우에 상기 회전 요소는 임펠러 자체에 의해 형성될 수 있으며, 회전 가능하게 장착되는 동체들은 예를 들어 상기 임펠러의 후방 쉬라우드에 회전 가능하게 장착되고, 이 경우에 상기 임펠러의 후방 쉬라우드는 상기 동체들을 지지하는 구조체를 갖춘다.

상기 동체들은 각각 갭 측(gap side)에 배치됨으로써, 예를 들어 원심 펌프의 시동 및 정지 중에 일어날 수 있듯이, 갭의 크기가 감소하는 경우에, 상기 동체들의 구름 운동에 의해 상기 요소들의 스침과 이에 따른 마모 현상이 효과적으로 방지될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 장치는 갭 폭이 가능한 한 작게 설정될 수 있도록 함으로써, 상기 원심 펌프가 상기 갭을 통한 낮은 누설 흐름을 가지며 이에 따라 높은 수준의 효율성을 가지고 동시에 상기 회전 가능하게 장착된 동체들이 마찰력을 신뢰성 있게 흡수하고 회전 운동으로 변환하기 때문에 마모 현상이 효과적으로 방지될 수 있다.

상기 동체들이 한편으로는 하나의 챔버 내에 고정되고 동시에 상기 동체들의 자체 회전 또는 하나 이상의 축 둘레의 회전이 가능하도록, 상기 동체들이 예를 들어 볼펜의 볼과 같이 구조체 내에 형상-맞춤 방식으로 수용되는 것이 특히 유리하다. 상기 구조체의 경우에, 상기 구조체는 상기 요소의 부품인 별도의 부품일 수 있으며, 또는 상기 구조체가 상기 요소 자체에 의해, 즉, 예를 들어 분할 링 또는 회전 링에 의해 또는 하우징 부분 또는 임펠러에 의해 형성될 수 있다. 형상-맞춤 격남의 결과로서, 상기 동체들은, 상기 동체의 일부분은 상기 구조체를 넘어서 상기 갭을 향해 돌출되고 상기 동체의 일부분은 상기 구조체에 의해 형성된 챔버 내에 배치되도록, 부분적으로 에워싸이며, 이렇게 하면 상기 동체들이 상기 구조체 밖으로 떨어질 수 있는 결과가 방지된다.

상기 동체들은 예를 들어 볼들(balls)로서 설계될 수 있다. 이 경우에, 상기 동체들이 일 점의 둘레로 임의의 방향으로 회전 가능하도록 장착되는 경우가 유리하다. 추가적으로 또는 선택적으로, 상기 장치는 실린더의 형태로 설계된 동체들을 포함할 수 있다. 상기 실린더들은 바람직하게는 축 둘레로 회전 가능하게 장착되며, 적어도 부분적으로 상기 갭 내부로 돌출된 실린더들의 생성 표면들(generated surfaces)의 갭 측 구름(gap-side rolling)이 수행되며, 이렇게 하여 상기 요소들의 서로에 대한 스침이 효과적으로 방지되고 마모 현상이 방지된다.

본 발명의 하나의 변형에서, 상기 동체들은 핀들(pins)을 통해 서로 연결된다. 따라서, 예를 들어 핀들을 통해 각각 연결된 다수의 실린더들이 하나의 열 내에 차례로 배치될 수 있다. 상기 핀들은 상기 실린더들이 회전하는 회전축의 부분이다.

상기 동체들이 내장되는 상기 구조체는 상기 동체들을 수용하기 위한 공동(cavity)을 형성하는 벌집들(honeycombs) 및/또는 셀들(cells)을 포함할 수 있다. 본 발명의 하나의 변형에서, 개개의 셀들 또는 벌집들은, 상기 요소가 갭 손실(gap loss) 최소화의 역할을 하는 벌집들 및/또는 셀들을 가지도록, 동체들을 가지지 않을 수도 있다. 상기 셀들 또는 벌집들은 상기 갭 내에서의 유리한 유동 상태로 이어짐으로써, 갭 손실 최소화가 달성된다.

본 발명의 하나의 변형에서, 상기 동체들은 내측과 외측에서 상기 요소를 지지하도록 장착된다. 이를 위해, 예를 들어 상기 요소는 중공형 실린더(hollow cylinder)로서 설계될 수 있으며 상기 동체들이 실린더의 내측 생성 표면과 실린더의 외측 생성 표면에서 돌출되도록 배치되는 동공들(cavities)을 포함하는 구조체를 가질 수 있으며, 이렇게 하면 상기 요소는 상기 동체들의 회전 운동에 의해 내측과 외측에서 지지될 수 있다.

본 발명의 특히 유리한 변형에서, 각각의 요소와 그 내부에 장착된 동체들은 동일한 재료로 형성된다. 이 경우에, 상기 요소와 동체들이 생성 공정(generative process)에서 함께 제조되는 경우가 유리하다. 이러한 생성 제조 공정은 적층 제조 공정(additive manufacturing process)으로도 지칭된다. 예를 들어, 선택적인 레이저 용융 및/또는 선택적인 레이저 소결이 이를 위해 사용될 수 있다.

이 경우에, 내부에 동체들이 배치된 요소는 베이스에 빌드-업 재료(buiod-up material)의 층이 도포되는 공정에 따라 제조될 수 있다. 상기 요소를 제조하기 위한 빌드-업 재료는 바람직하게는 금속 분말 입자들이다. 본 발명의 하나의 변형에서, 이를 위해 철 함유 및/또는 코발트 함유 분말 입자들이 사용된다. 이들은 크롬, 몰리브덴 또는 니켈과 같은 첨가재를 함유할 수 있다. 상기 금속 빌드-업 재료는 분말의 형태로 얇은 층으로 플레이트에 도포된다. 그 다음에, 분말-형태의 재료는 각개의 원하는 지점에 빔(beam)에 의해 국부적으로 완전히 재용융되며 응고 후에 고체 재료 층이 형성된다. 그 다음에 상기 베이스는 층 두께의 정도로 하강하며 다시 분말이 도포다. 이러한 사이클은 모든 층들이 재용융되고 내부에 동체들이 회전 가능하게 장착된 완성된 요소가 생성될 때까지 반복된다. 본 발명에 따르면, 상기 공정에서 상기 동체들을 형상-맞춤 방식으로 둘러싸는 구조체가 생성되며, 상기 동체들의 일부분은 밀봉 갭 내부로 돌출되고, 상기 동체들이 상기 요소 밖으로 떨어지지 않도록 상기 동체들의 일부분은 공동(cavity) 구조체 내에 배치된다.

빔으로서, 예를 들어 레이저 빔이 사용될 수 있으며, 이는 개개의 분말 층들로부터 상기 요소를 생성한다. 레이저 빔을 안내하기 위한 데이터는 3D-CAD-body를 기반으로 소프트웨어에 의해 발생된다. 선택적인 레이저 빔의 대안으로서, 전자 빔(EBM)도 사용될 수 있다.

이러한 방식으로 생성된, 내부에 동체들이 배치된 요소는 원심 펌프를 밀봉하기 위한 장치를 형성하며, 이 장치는 특히 마모가 적으며, 그 내부에 마모의 발생 없이 매우 작은 갭 크기가 받아들여 질 수 있다.

본 발명의 추가적인 특징들과 이점들은 도면들을 참조한 예시적인 실시예들의 설명과 도면들 자체로부터 발생한다.
도 1은 원심 펌프를 관통하는 단면도를 보여주며,
도 2는 밀봉을 위한 장치의 개략도를 보여주며,
도 3은 실린더형 동체를 가진 변형을 보여주며,
도 4는 동체들이 상호 연결된 변형을 보여주며,
도 5는 동체들이 내측과 외측에 주행 표면을 가지는 변형을 보여주며,
도 6은 생성 공정에 의해 장치를 생성하는 개략도를 보여준다.

도 1은 임펠러(1)를 가진 원심 펌프를 보여준다. 상기 임펠러(1)는 밀폐 레이디얼 임펠러(closed radial impeller)로서 설계되며 지지 디스크(support disk)(2)와 후방 쉬라우드(rear shroud)(3)를 가진다. 블레이드들은 상기 지지 디스크(2) 상에 배치된다. 매체를 이송하기 위한 통로들은 상기 지지 디스크(2)와 후방 쉬라우드(3) 사이에 형성된다. 상기 임펠러(1)는 샤프트(4)에 의해 구동되며 케이싱(5)에 의해 에워싸인다.

상기 원심 펌프는 밀봉을 위한 장치(6)를 가지며, 이는 고압을 가진 챔버(7)를 저압을 가진 챔버(8)로부터 분리한다. 상기 챔버(7)는 예시적인 실시예에서 상기 임펠러(1)의 제2 챔버에 의해 형성된다. 상기 장치(6)의 경우에, 예시적인 실시예에서 상기 장치(6)는 반경 방향의 밀봉 갭을 가진 분할 링 밀봉 장치이다.

도 2는 밀봉을 위한 장치(6)의 개략도를 보여준다. 상기 장치는 비회전 요소(9)를 가지며, 이는 도 2에 따른 도면에서 상기 케이싱(5)에 배치된 분할 링에 의해 형성된다. 또한, 상기 장치(6)는 회전 요소(10)를 가진다. 상기 회전 요소(10)는 도 2에 따른 예시적인 실시예에서 상기 임펠러의 후방 쉬라우드에 의해, 다시 말해서 상기 임펠러 자체에 의해 형성된다. 도 2에 따른 도면에 대한 대안으로서, 회전 링이 상기 임펠러의 후방 쉬라우드에 배치될 수 있다. 상기 비회전 요소(9)와 회전 요소(10) 사이에 갭(gap)(S)이 형성된다. 상기 갭(S)의 경우에, 상기 갭(S)은 반경 방향 밀봉 갭(radial sealing gap)이다. 고압을 가진 챔버로부터 저압을 가진 챔버로의 유체 유동을 가능한 한 최소화하기 위해, 상기 갭(S)은 가능한 한 작아야 한다.

본 발명에 따르면, 상기 장치(6)는 동체들(bodies)(11)을 가지며, 이들은 도 2에 따른 예시적인 실시예에서 상기 비회전 요소(9)에 배치된다. 이를 위해, 상기 비회전 요소(9)는 구조체(structure)(12)를 가지며, 상기 구조체(12) 내에 상기 동체들(11)이 회전 가능하게 장착된다.

상기 구조체(12)는 상기 동체들(11)이 형상-맞춤(form-fitting) 방식으로 그곳에 내장되도록 생성되며, 상기 동체들(11)의 일부분은 상기 구조체(12)에 형성된 공동(cavity) 내에 배치되고, 상기 동체들(11)의 일부분은 상기 갭(S)을 향해 돌출된다. 상기 동체들(11)은, 상기 회전 요소(10) 상에서 상기 비회전 요소(9)의 구름 운동(rolling movement)에 의해, 두 개의 요소들(9, 10) 사이에서 발생하는 마모 현상의 효과를 방지한다. 도 2에 따른 예시적인 실시예에서, 상기 동체들(11)은 가동 볼들(movable balls)로서 설계된다.

도 3은 상기 동체들이 가동 롤러들로서 설계된 변형을 보여준다. 도 3의 도면에 따르면, 상기 동체들(11)은 분할 링(split ring)으로 설계된 비회전 요소(9) 내에 배치되며, 상기 분할 링은 공동들을 형성하는 구조를 가짐으로써, 상기 동체들은 상기 동공들 내에 형상-맞춤 방식으로 담기고 동시에 상기 동체들의 일부분은 상기 갭 내부로 돌출되며, 이에 따라 상기 동체들의 구름 운동을 가능하게 한다. 도 3에 따른 예시적인 실시예에서, 상기 동체들은 실린더형 단면을 가지며 그 생성 표면(generated surface)을 따라서 구른다. 롤러들로서 설계된 동체들은 축 둘레로 회전한다. 롤러들 대신에, 개개의 장소들이 갭 손실(gap loss) 최소화의 역할을 하는 벌집(honeycomb) 또는 셀(cell) 구조를 가질 수 있다.

도 4는 가동 롤러들이 핀들(pins)(13)을 통해 서로 연결되는 변형을 보여준다. 따라서, 롤러들로서 설계된 수의 동체들은 핀들(13)을 통해 회전-저항(rotation-resistant) 방식으로 서로 연결된다. 상기 핀들(13)도 상기 구조체(12)의 공동들 내에 배치된다.

도 5는 동체들이 내측과 외측에 주행 표면(running surface)을 가지는 예시적인 실시예를 보여준다. 도 5에 따른 도면에서, 상기 동체들(11)은 분할 링으로서 설계된 비회전 요소(9) 내에 배치되며, 상기 구조체는, 상기 동체들이 형상-맞춤 방식으로 담기지만 상기 분할 링의 내측 생성 표면과 외측 생성 표면에서 돌출되도록 선택된다.

도 6은 원심 펌프 내의 밀봉을 위한 장치를 제조하기 위한 방법에서 빌드-업(build-up)의 개략도를 보여준다. 빌드-업 재료가 금속 분말 형태로 베이스(14)에 적용된다. 분말-형태의 재료는 각개의 원하는 지점에 방사선에 의해 국부적으로 완전히 재용융되며 응고 후에 고체 재료 층을 형성한다. 그 다음에 상기 베이스(14)는 층 두께의 정도로 하강하며 다시 분말이 증착된다. 이러한 사이클은 모든 층들이 재용융된 때까지 반복된다. 이렇게 하면, 하나의 생성 공정(generative process)에서 비회전 요소(9)와 회전 요소(10)를 형성하는 것이 가능하며, 여기서 본 발명에 따라 적어도 하나의 요소는 움직일 수 있게 장착된 동체들(11)을 가진다.

Claims (11)

1. 밀봉을 위한 장치(6)를 가진 원심 펌프로서,
   회전 요소(9)와 비회전 요소(10) 사이에 갭(gap)(S)이 형성되고, 적어도 하나의 요소(9, 10)는 움직일 수 있게 장착된 동체들(bodies)(11)을 가지며, 상기 동체들(11)은 상기 갭 측(gap side)에 배치되고, 상기 동체들(11)은 구름(rolling)을 위한 생성 표면(generated surface)을 가지며,
   예를 들어 원심 펌프의 시동 및 정지 중에 일어날 수 있듯이, 갭의 크기가 감소하는 경우에, 상기 동체들(11)의 구름 운동에 의해 상기 요소들(9, 10)의 마모 현상이 방지될 수 있는 것을 특징으로 하는, 원심 펌프.
2. 제1항에 있어서,
   상기 동체들(11)은 구조체(12) 내에 형상-맞춤(form-fitting) 방식으로 내장되는 것을 특징으로 하는, 원심 펌프.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 동체들(11)은 볼들(balls)로서 설계된 것을 특징으로 하는, 원심 펌프.
4. 제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서,
   상기 동체들(11)은 실린더형 단면을 가지는 것을 특징으로 하는, 원심 펌프.
5. 제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서,
   상기 동체들(11)은 분할 링(split ring)으로서 설계된 비회전 요소(9)에 배치되는 것을 특징으로 하는, 원심 펌프.
6. 제1항 내지 제5항 중 한 항에 있어서,
   적어도 하나의 요소(9, 10)는 갭 손실(gap loss) 최소화를 위한 벌집들(honeycombs) 및/또는 셀들(cells)을 가지는 것을 특징으로 하는, 원심 펌프.
7. 제1항 내지 제6항 중 한 항에 있어서,
   상기 요소(9, 10)와 상기 동체들(11)은 동일한 재료로 형성된 것을 특징으로 하는, 원심 펌프.
8. 제1항 내지 제7항 중 한 항에 있어서,
   상기 요소(9, 10)와 상기 동체들(11)은 생성 공정(generative process)에서 함께 제조되는 것을 특징으로 하는, 원심 펌프.
9. 제1항 내지 제8항 중 한 항에 있어서,
   상기 동체들(11)은 핀들(pins)(13)을 통해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는, 원심 펌프.
10. 제1항 내지 제9항 중 한 항에 있어서,
    상기 동체들(11)은 내측 및/또는 외측에서 상기 요소(9, 10)를 지지하는 것을 특징으로 하는, 원심 펌프.
11. 적어도 아래의 단계들에 의해 원심 펌프 내의 밀봉을 위한 장치(6)를 위한 요소(9, 10)를 제조하는 방법.
    - 베이스에 빌드-업(build-up) 재료의 층을 도포하는 단계,
    - 상기 층에 방사 빔(radiated beam)을 작용시키는 단계,
    - 움직일 수 있게 장착된 동체들(11)을 가진 구조체(12)를 생성하는 단계로서, 상기 동체들(11)은 상기 구조체(12) 내에 형상-맞춤 방식으로 내장되는, 단계.

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