KR20200140909A - 플로팅 링 실 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회전 부품을 밀봉하기 위한 플로팅 링 실에 관한 것이다. 여기서 회전 부품은, 방사상 내부를 향하는 제 1 스로틀링 표면(21), 방사상 내부를 향하는 제 2 스로틀링 표면(22), 그리고 일체형 바디(20)의 내주에 있는 제 1 원주 방향 그루브(23)를 포함하고, 제 1 그루브(23)는 플로팅 링 실의 축 방향(X-X)에서 제 1 스로틀링 영역(21)과 제 2 스로틀링 영역(22) 사이에 위치한다.

Description

플로팅 링 실
본 발명은, 상당히 감소된 중량 및 단순화된 설계를 갖는 회전 부품(rotating component), 특히 회전 샤프트(rotating shaft) 상에서 밀봉을 위한 플로팅 링 실(floating ring seal)에 관한 것이다.
플로팅 링 실은 다양한 구성으로 종래 기술로부터 알려져 있다. 예를 들어, 플로팅 링 실은 고속 펌프에서 펌프 샤프트(pump shaft)를 밀봉하는데 사용된다. 플로팅 링 실은 샤프트 상에 플로팅 배치(floating arrangement)가 되어 있어, 특히 샤프트의 방사상 굴절(deflection)과 같은, 방사상의 적절한 굴절 편향을 따르게 한다. 플로팅 링 실의 문제점은, 상대적으로 강한 누출이 발생하는 플로팅 링 실과 회전 부품 사이의 영구적인 간격이다. 이러한 이유로 인해, 여러 개의 플로팅 링 실은 일반적으로 직렬로 배치된다. 그러나 이는 상당한 구조적 노력을 초래하고, 특히 밀봉할 부품의 축 방향으로 큰 설치 공간이 필요하여 펌프 등의 총 설치 길이가 증가하므로, 이러한 것은 펌프 제조업체는 가능한 한 피하고 싶어한다.
따라서, 본 발명의 목적은 간단하고 저렴한 설계로 밀봉의 임의의 축 방향 전체 길이를 특히 줄일 수 있는 회전 구성 요소에 밀봉하기 위한 플로팅 링 실을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 본 발명에 따른 플로팅 링 실을 포함하는 부품 배치를 제공하는 것이다.
이 발명은 청구항 1의 특징을 갖는 플로팅 링 실 및 청구항 9의 특징을 갖는 부품 배치에 의해 진행될 것이다. 각각의 하위 청구항은 본 발명의 바람직한 실시 예를 보여준다.
보다 쉬운 조립/분해에 더하여, 회전 부품을 밀봉하기 위한 본 발명에 따른 플로팅 링 실은 상당한 중량 이점을 제공한다. 본 발명에 따르면, 플로팅 링 실은 반경 방향 내측으로 향하는 제 1 및 제 2 스로틀링 영역(throttling area)을 포함하는 일체형 바디(one-piece body)를 포함한다. 스로틀링 영역은 바디의 내부 원주에 있는 제 1 원주 홈에 의해 서로 분리된다. 그루브는 제 1 및 제 2 스로틀링 영역 사이에 존재한다. 두 개의 스로틀링 영역을 포함하는 일체형 플로팅 링 실의 설계는 각각 회전 부품을 향하고 회전 부품과 두 개의 스로틀링 영역 사이에 스로틀링 갭(throttling gap)을 가지며, 두 개의 개별적인 선행기술의 플로팅 링 실에 비해 상당한 무게 이점을 제공한다. 두 개의 개별 플로팅 링 실과 비교하여, 본 발명에 따른 플로팅 링 실의 총 질량은 약 40% 감소될 수 있다.
바람직하게는, 플로팅 링 실의 축 방향으로의 제 1 스로틀링 영역의 폭은, 플로팅 링 실의 축 방향으로의 스로틀링 영역의 제 2폭보다 작거나 동일하다. 이것은 제 2 스로틀링 영역의 스로틀링 효과를 증가시켜, 플로팅 링 실의 전체적인 누출을 줄인다.
그루브(groove)가 사이에 배치 된 두 개의 스로틀링 영역을 갖는 본 발명에 따른 배치의 또 다른 큰 장점은 제 1 스로틀링 영역을 가로질러 제 2 스로틀링 영역을 향해 흐르는 누설 유동(leakage flow)이 그루브에서 느려져서, 이후 제 2 스로틀링 영역에서 누출이 크게 감소한다. 여기서, 누설 유동은 특히 역류를 형성할 수 있다.
특히 바람직한 것은 제 1 스로틀링 영역의 제 1 폭보다 작거나 같거나 및/또는 제 2 스로틀링 영역의 제 2 폭보다 작거나 같은 그루브 폭이다.
본 발명의 다른 바람직한 실시 예에 따르면, 일체형 바디는 반경 방향 내측으로 향하는 제 3 스로틀링 영역을 더 포함한다. 제 3 스로틀링 영역은 제 2 스로틀링 영역에 직렬로 배치된다. 추가로, 제 2 원주 방향 그루브는 바디 내주상의 제 2 및 제 3 스로틀링 영역 사이에 배치된다.
일체형 바디는 바람직하게는 제 4 스로틀링 영역을 포함한다. 일체형 바디의 내주상의 제 3 및 제 4 스로틀링 영역 사이에 제 3 원주 방향 그루브가 형성된다. 따라서, 이러한 플로팅 링 실은 4개의 스로틀링 영역과 3개의 원주 방향 그루브를 포함한다.
탄소 플로팅 링 실이 특히 바람직하다. 플로팅 링 실의 일체형 디자인으로 인해 특히 탄소 플로팅 링 실과 같이 제조 과정에서 상당한 비용 절감을 달성할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시 예에 따르면, 플로팅 링 실은 실링 링 캐리어를 추가로 포함한다. 실링 링 캐리어는 일체형 플로팅 링 실을 유지하는 별도의 부품이다. 실링 링 캐리어는 바람직하게는 스로틀링 영역에 대향하는 일체형 바디의 측면에 배치된다.
바람직하게는, 플로팅 링 실은 또한 일체형 바디 또는 실링 링 캐리어를 가지는 일체형 바디를 느슨하게 유지하기 위한 오목부(recess)를 포함하는 하우징(housing), 특히 티타늄 하우징을 포함한다.
또한, 본 발명은 회전 부품, 특히 샤프트뿐 아니라, 본 발명에 따른 플로팅 링 실을 포함하는 부품 배치에 관한 것이다. 특히 샤프트는 펌프 샤프트 또는 컴프레서 샤프트(compressor shaft)가 바람직하다.
부품 배치는 플로팅 링 실의 일체형 바디의 제 1 스로틀링 영역과 회전 구성 요소 사이의 제 1 스로틀링 영역 및 일체형 바디의 제 2 스로틀링 영역과 회전 부품 사이의 제 2 스로틀링 영역을 포함한다. 더욱 바람직하게는, 스로틀링 영역 및 회전 부품의 표면은 제 1 스로틀링 갭 및/또는 제 2 스로틀링 갭의 갭 높이가 축 방향으로 일정하게 유지되도록 설계된다. 제 1 스로틀링 갭의 갭 높이는 제 2 스로틀링 갭의 갭 높이와 동일한 것이 바람직하다.
부품 배치는 펌프나 압축기 또는 터빈이 바람직하다. 부품 배치는 매우 빠른 속도로 작동하는 것이 바람직하다.
다음과 같이, 첨부 도면을 참조하여, 플로팅 링 실을 포함하는 부품 배치의 바람직한 예시적인 실시 예가 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명의 제 1 예시적인 실시 예에 따른 플로팅 링 실을 포함하는 부품 배치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 예시적인 실시 예에 따른 플로팅 링 실을 포함하는 부품 배치의 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제 3 예시적인 실시 예에 따른 플로팅 링 실을 포함하는 부품 배치의 개략적인 사시도이다.
이제 도 1을 참조하면, 플로팅 링 실(floating ring seal, 2)을 포함하는 부품 배치(component arrangement, 1)가 본 발명의 제 1 예시적인 실시 예에 따라 아래에서 상세히 설명될 것이다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 플로팅 링 실(2)은 일체형 바디(one-piece body, 20) 및 실링 링 커리어(sealing ring carrier, 6)를 포함한다. 실링 링 커리어(6)는 일체형 바디(20)를 유지하도록 구성된다.
일체형 바디(20)는 제 1 스로틀링 영역(first throttling area, 21) 및 제 2 스로틀링 영역(second throttling area, 22)을 포함한다. 제 1 스로틀링 영역(21)은 일체형 바디(20)의 반경 방향 내향 영역에 위치한다. 제 2 스로틀링 영역(22) 또한 일체형 바디(20)의 반경 방향 내향 영역에 위치한다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 플로팅 링 실(2)은 샤프트(shaft, 3)상의 대기 영역(atmosphere region, 11)으로부터 제품 영역(product region, 10)을 밀봉한다. 제 1 스로틀링 갭(first throttling gap, 8)은 제 1 스로틀링 영역(21)과 샤프트(3)의 표면 사이에 형성되고, 제 2 스로틀링 갭(second throttling gap, 9)은 제 2 스로틀링 영역(22)과 샤프트(3)의 표면 사이에 형성된다.
그루브(first groove, 23)는 플로팅 링 실(2)의 축 방향(Axial direction, X-X)으로 제 1 스로틀링 영역(21)과 제 2 스로틀링 영역(22) 사이에 배치된다. 그루브(23)는 일체형 바디(20)의 내주 둘레에 걸쳐 형성된다.
축 방향(X-X)에서 제 1 스로틀링 영역(21)의 제 1 폭(first width, B1)은 제 2 스로틀링 영역(22)의 제 2 폭(second width, B2)보다 작다. 또한, 축 방향(X-X)의 그루브(23)의 폭(N1)은 제 1 폭(B1)과 제 2 폭(B2)보다 작다.
제 1 스로틀링 갭(8)에서 제 1 갭 높이는 축 방향(X-X)에 대해 일정하게 유지된다. 제 2 스로틀링 갭(9)도 축 방향에 대해 일정하다. 제 1 스로틀링 갭(8)과 제 2 스로틀링 갭(9)의 갭 높이는 제 2 스로틀링 갭(9)에서의 제 2 갭 높이가 제 1 스로틀링 갭(8)에서의 제 1 갭 높이와 동일한 것을 선정하는 것이 바람직하다.
플로팅 링 실(2)은 하우징(housing, 4)의 오목부(recess, 5)에 위치한다. 하우징(4)은 샤프트(3)의 축 방향으로 조립할 수 있도록 다중 부품 설계를 갖는다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 플로팅 링 실(2)은 플로팅 방식으로 오목부(5)에 배치된다. 이것은 작동 중에 발생할 수 있는 샤프트(3)의 반경 방향 편향의 경우에 플로팅 링 실(2)이 샤프트 이동을 따를 수 있게 한다. 이 경우, 반경 방향 샤프트 이동은 샤프트(3)와 일체형 바디(20) 사이의 짧은 접촉을 유발할 수 있다.
플로팅 링 실(2) 또한 하우징(4)에 장착될 수 있도록 잠금 메커니즘(locking mechanism, 7)을 포함한다. 잠금 메커니즘(7)은 헤드(head, 71)가 있는 볼트(bolt, 70)를 포함한다. 도 1에서 볼 수 있듯이, 볼트(70)는 실링 링 커리어(6)에 위치한다. 헤드(71)는 축 방향(X-X)으로 돌출하고, 오목부(5)의 측면 노치(lateral notch, 50)에 위치한다. 측면 노치(50)에서, 플로팅 링 실(2)이 상기 샤프트의 반경 방향 굴절에 따라갈 수 있도록 하는 헤드(71)에 반경 방향 틈새(radical clearance)가 제공된다. 이것은 이중 화살표 A로 표시된다.
플로팅 링 실(2)이 상기 반경 방향 굴절을 수용할 수 있도록 하기 위해, 축 방향(X-X)으로 돌출하는 돌출부(projection, 40)가 하우징(4) 상에 형성된다. 이것은 오목부(5)에서 플로팅 링 실이 안전하게 안내를 하도록 허용한다. 돌출부(40)는 또한 매체가 플로팅 링 실(2) 뒤의 경로를 통해 스로틀링 갭(8, 9)을 우회하는 것을 방지한다.
돌출부(40)는 원주 방향으로 완전히 원주가 되게끔 제공된다.
따라서, 종래 기술에서 이전에 사용된 두 개의 개별 플로팅 링 실은 플로팅 링 실(2)로 대체될 수 있다. 특히, 약 40%까지의 상당한 중량 감소가 가능하다. 더욱이, 플로팅 링 실(2)의 일체형 디자인은 플로팅 링 실(2)을 교체해야 하는 경우, 훨씬 쉽게 조립 및 분해할 수 있다. 잠금 메커니즘(7)이 여전히 실링 링 커리어(6)에 독점적으로 제공되기 때문에, 플로팅 링 실의 일체형 바디(20)는 잠금 메커니즘을 수용하기 위해 연화된 오목부(weakening recess), 그루브 등을 통합하지 않고 설계할 수 있다. 이것은 일체형 바디(20)의 중량을 더욱 감소시키고 일체형 바디(20)의 서비스 수명을 상당히 연장시킨다.
작동 중에, 일부 누출은 제 1 스로틀링 갭(8)을 통해 발생하지만, 원주 방향 그루브(23)의 제공은 그루브(23)의 영역에서 누출 유속을 상당히 느리게 한다. 따라서, 제 2 스로틀링 갭(9)을 통해 대기 영역(11)으로 향하는 또 다른 누출은 다시 크게 감소하거나 필요한 경우 완전히 피할 수 있다.
그루브(23)의 깊이는 그루브(23)의 영역에서 제 1 스로틀링 갭(8)을 통해 그루브(23)에 도달한 누출의 적어도 부분적인 복귀 흐름(return flow, C)이 발생하는 걸 선택한다. 이것은 또한 플로팅 링 실을 통한 누출의 유속을 줄이고 제 2 스로틀링 갭(9)을 통한 추가 누출을 최소화한다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 부품 배치(1)을 도시하며, 동일하거나 작동 상 동일한 부분은 동일한 참조 번호로 지정한다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 부품 배치(1)는 본 발명에 따른 2개의 개별 플로팅 링 실(2)을 포함한다. 플로팅 링 실(2)의 기본 구조는 제 1 실시예에서와 동일하다. 그러나, 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 플로팅 링 실(2)은 샤프트(3)상에 서로 거울 반전되어 배치된다. 따라서, 총 4개의 스로틀링 갭이 제품 영역(10)에서 대기 방향(atmosphere region, 11)으로 제공된다. 더욱이, 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 원주 방향 그루브(groove, 41)가 제 1 및 제 2 플로팅 링 실(2) 사이의 영역에서 하우징(4)에 제공된다. 이 원주 방향 그루브(41)에서, 제 1 플로팅 링 실(2)로부터 공급되는 누출이 축적되고 복귀 흐름(C)을 형성하며, 제 2 플로팅 링 실을 통해 대기 영역(11)으로 발생하는 누출을 더욱 감소시킨다.
도 3은 본 발명의 제 3 예시적인 실시 예에 따른 부품 배치를 도시한다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 제 3 예시적인 실시예의 플로팅 링 실(2)은 제 1 및 제 2 스로틀링 영역(21, 22) 사이에 제공된 제 1 그루브(23) 및 이들 사이에 제공된 제 2 그루브(second groove, 26)를 포함하는 제 3 스로틀링 영역(third throttling area, 25)을 포함한다. 제 1 실시 예에서와 같이, 제 1 그루브(23) 및 제 2 그루브(26)는 완전히 원주형이 되도록 디자인한다. 이는 3개의 스로틀링 영역(22, 23, 25)을 포함하는 일체형 바디(20)를 제공하여, 제품 영역(10)에서 대기 영역(11)으로의 누출을 더욱 감소시킨다.
1 부품 배치(component arrangement)
2 플로팅 링 실(floating ring seal)
3 샤프트(shaft)
4 하우징(housing)
5 오목부(recess)
6 실링 링 커리어(sealing ring carrier)
7 잠금 메커니즘(locking mechanism)
8 제 1 스로틀링 갭(first throttling gap)
9 제 2 스로틀링 갭(second throttling gap)
10 제품 영역(product region)
11 대기 영역(atmosphere region)
20 일체형 바디(one-piece body)
21 제 1 스로틀링 영역(first throttling area)
22 제 2 스로틀링 영역(second throttling area)
23 제 1 그루브(first groove)
24 돌출부(projection)
25 제 3 스로틀링 영역(third throttling area)
26 제 2 그루브(second groove)
40 돌출부(projection)
41 그루브(groove)
50 측면 노치(lateral notch)
70 볼트(bolt)
71 헤드(head)
A 이중 화살표(double arrow)
B1 제 1 폭(first width)
B2 제 2 폭(second width)
C 복귀 흐름(return flow)
N1 제 1 그루브(23)의 그루브 폭
X-X 축 방향(Axial direction)

Claims (11)

  1. 방사상 안쪽으로 향하는 제 1 스로틀링 영역(21),
    방사상 안쪽으로 향하는 제 2 스로틀링 영역(22), 및
    일체형 바디(20) 내부 원주상의 제 1 원주 방향 그루브(23)를 포함하는 일체형 바디(20)를 포함하는, 회전 부품 상의 밀봉을 위한 플로팅 링 실로서,
    제 1 그루브(23)는, 플로팅 링 실의 축 방향(X-X)으로 제 1 스로틀링 영역(21)과 제 2 스로틀링 영역(22)사이에 배치되는, 회전 부품 상의 밀봉을 위한 플로팅 링 실.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 스로틀링 영역(21)의 제 1 폭(B1)은 상기 제 2 스로틀링 영역(22)의 제 2 폭(B2)보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 플로팅 링 실.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제 1 그루브(23)는, 상기 제 1 폭(B1)보다 작거나 같고, 제 2 폭(B2)보다 작거나 같은 그루브 폭(N1)을 갖는 것을 특징으로 하는 플로팅 링 실.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 일체형 바디(20)는 반경 방향 내측으로 향하는 제 3 스로틀링 영역(25)를 추가로 포함하고, 제 2 그루브(26)는 플로팅 링 실의 축 방향(X-X)에서 상기 제 3 스로틀링 영역(25)과 제 2 스로틀링 영역(22) 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 플로팅 링 실.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 일체형 바디(20)는 탄소를 포함하는 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 플로팅 링 실.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 일체형 바디(20)를 운반하는 실링 링 캐리어를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 플로팅 링 실.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 실링 링 캐리어는 상기 스로틀링 영역들(21, 22)에 반대되는 상기 일체형 바디(20)의 방향에 위치되는 것을 특징으로 하는 플로팅 링 실.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 플로팅 방식으로 상기 일체형 바디(20)을 수용하기 위한 오목부(5)를 포함하는 하우징(4)을 추가로 포함하는 플로팅 링 실.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따르는 하나 이상의 플로팅 링 실(2) 및 회전 부품(3)을 포함하는 부품 배치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 제 1 스로틀링 영역(21)과 상기 회전 부품(3)의 표면 사이의 제 1 스로틀 갭(8)의 제 1 갭 높이는 일정하게 유지되고/되거나, 제 2 스로틀링 영역(22)과 상기 회전 부품(3)의 표면 사이의 제 2 스로틀링 갭의 제 2 갭 높이는 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 부품 배치.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 제 1 갭 높이는 상기 제 2 갭 높이와 동일한 것을 특징으로 하는 부품 배치.
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