KR20210107125A - 래버린스 밀봉 장치 - Google Patents

Abstract

길이방향 축을 중심으로 상호 회전가능한 제1 터보 기계 구성요소 및 제2 터보 기계 구성요소 사이의 원주방향 갭을 밀봉하도록 구성된 장치. 이 장치에는 제1 터보기계 구성요소에 연결된 제1 밀봉 요소, 및 터보기계의 고압 영역과 저압 영역 사이에서 래버린스 시일의 치형부들을 한정하도록 제2 기계 구성요소를 향해 연장되는 복수의 돌출부가 제공된 내측 부분을 갖는 제2 밀봉 요소가 제공된다. 제2 밀봉 요소의 외측 부분은 탄성 요소를 통해 제1 밀봉 요소에 연결된다. 제1 밀봉 요소와 제2 밀봉 요소 사이에 위치된 하나 이상의 압력 챔버가 터보기계의 공정 유체와 유체 연통하여 갭 폐쇄의 방향으로 제2 밀봉 요소의 외측 부분에 작용하는 힘을 유도한다.

Description

래버린스 밀봉 장치

본 명세서에 개시된 주제의 실시예들은 일반적으로 터보기계에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 터보기계에서 성능 및 회전체 동역학(rotordynamics)을 개선하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 펌프, 원심 압축기 및 터빈과 같은 터보기계에서 상이한 압력의 2개의 영역을 밀봉하기 위해 래버린스 시일(labyrinth seal)이 흔히 사용된다. 래버린스 시일은 터보기계의 고정 부분 또는 "고정자(stator)"와 회전 부분 또는 "회전자(rotor)" 사이에서 구불구불한 경로 또는 "미로"를 형성하는 다수의 홈 또는 치형부(tooth)를 포함한다. 래버린스 시일은 치형부들이 고정자에 면하여 형성된 고정자측(statoric)이거나, 치형부들이 회전자에 면하여 형성된 회전자측(rotoric)일 수 있다. 래버린스 시일의 홈 또는 치형부 및 대향 표면은 래버린스 시일을 통한 고압 영역으로부터 저압 영역으로의 유체의 유동을 저지한다. 그러나, 회전자의 회전을 허용하기 위해 래버린스 홈 또는 치형부와 대향 표면 사이에 공간 또는 간극이 필요하다. 따라서, 래버린스 시일이 유체 유동을 저지하지만, 간극은 래버린스 시일을 가로지른 압력차로 인해 고압 영역으로부터의 고도로 가압된 유체가 간극을 통해 저압 영역으로 누출되게 한다. 래버린스 시일은 일반적으로 이러한 누출을 수용하도록 설계된다.

래버린스 시일을 통한 누출 유동은 간극을 감소시킴으로써 감소될 수 있다. 이를 위해, 마멸가능 래버린스 시일이 개발되었다. 고정자 래버린스 시일은, 접촉의 경우에 회전자를 보존하기 위해, 고정자측 치형부가 알루미늄과 같은 보다 연질의 재료로 형성되는 고정자측 래버린스 시일이다. 그러나, 이는 치형부의 손상 및 그에 따른 간극의 증가와 뒤따르는 성능 손실에 이르게 된다.

이들 이유로 인해, 표준 해결책에서, 특히 임계 속도, 즉 회전자가 최대 진동을 겪는 공진 속도의 교차 동안, 접촉을 피하기에 충분히 크도록 간극이 설계된다. 그러나, 이는 터보기계가 최대 부하를 갖는 작동 조건에 있어 임계 속도로부터 보통 멀리서 작동하고 있을 때 높은 누출을 야기한다.

이러한 단점을 극복하기 위해, 원심 압축기 설계에서의 당업계의 오늘날 상태는 시일의 치형부를 손상시킴이 없이 회전자에 의한 충격을 흡수하기 위해 열가소성 수지와 같은 대안적인 재료를 사용하는 것이다. 간극은 설계 단계에서 낮게 유지될 수 있는데, 그 이유는 치형부의 탄성 변형이 접촉 후 원래의 간극으로 복귀하게 하기 때문이다.

그러나, 회전자와의 접촉을 피하는 것이 래버린스 시일에 대한 유일한 요건은 아니다. 또한 다양한 작동 조건, 즉 속도 및 압력에서 최적 간극이 보장되어야 한다.

미국 특허 제8002285호에 개시된 바와 같은 헤일로(Halo) 시일은 가변 간극을 압력에 따라 설정하는 것, 특히 스프링 요소를 사용함으로써 압력에 의해 시일 간극을 감소시키는 것을 허용한다. 그러나, 이들 시일은 고가이고, 위에서 논의된 바와 같이 임의의 금속 시일에 전형적인 회전자 접촉의 문제를 겪으며, 그들의 작은 축방향 치수로 인해, 적층된 경우에만 고압 응용에서 작동하여서, 생성된 구조물을 복잡하게 하고 비용을 상당히 증가시킬 수 있다.

따라서, 저렴하고 제조가 용이한 다양한 작동 조건에서 간극을 조절할 수 있는 유연성 시일에 대한 필요성이 있다.

제1 예시적 실시예에 따르면, 제1 터보기계 구성요소, 및 길이방향 축을 중심으로 제1 터보기계 구성요소에 대해 회전가능한 제2 터보기계 구성요소 사이의 원주방향 갭을 밀봉하도록 구성된 장치가 기술된다. 이 장치는 2개의 밀봉 요소, 즉 제1 터보기계 구성요소에 연결되는 제1 밀봉 요소, 및 제2 밀봉 요소를 포함한다. 이어서, 제2 밀봉 요소는 내측 부분 및 외측 부분을 갖는다. 제2 밀봉 요소의 내측 부분에는 터보기계의 고압 영역과 저압 영역 사이에 래버린스 시일의 치형부를 한정하기 위해 제2 기계 구성요소를 향해 연장되는 복수의 돌출부들이 제공된다. 제2 밀봉 요소의 외측 부분은 탄성 요소를 통해 제1 밀봉 요소에 연결되어, 제1 밀봉 요소와 제2 밀봉 요소 사이의 거리가 터보기계 구성요소들에 작용하는 유체역학적 힘들에 따라 달라지게 한다. 이 장치는, 제1 밀봉 요소와 제2 밀봉 요소 사이에 위치되고, 터보기계의 공정 유체(processing fluid)와 유체 연통하여 갭 폐쇄의 방향으로 제2 밀봉 요소의 외측 부분에 작용하는 힘을 그러한 유체 연통으로부터 유도하여서 간극을 다양한 작동 조건에 자동으로 적응시키도록 구성되는 하나 이상의 압력 챔버를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 이 장치의 적어도 하나의 압력 챔버는 제1 및/또는 제2 밀봉 요소 내의 하나 이상의 통로를 통해 터보기계의 공정 유체와 연통하며, 특히 제2 밀봉 요소는 장치의 적어도 하나의 압력 챔버를 터보기계의 공정 유체와 유체 연통하게 하는 채널을 한정하는 원주방향 슬롯을 포함한다.

일 실시예에서, 슬롯은 터보기계의 고압 영역 내에 적어도 부분적으로 위치된다. 다른 실시예에서, 터보기계의 고압 구역과 저압 구역 사이의 중간 압력을 갖는 유체를 수집하기 위해 래버린스 시일의 한 쌍의 연이은 치형부들 사이에 적어도 하나의 통로가 위치된다. 이는 다양한 작동 조건에 가장 잘 맞도록 시일에 작용하는 힘을 조절하는 것을 허용한다.

일례에서, 터보기계의 고압 구역으로부터 저압 구역으로 세기가 감소하면서 제2 밀봉 요소의 외측 부분에 작용하는 힘들을 유도하기 위해 상이한 압력들을 갖는 유체를 수집하도록 연이은 압력 챔버들과 유체 연통하는 더 많은 통로들이 제공된다.

일 실시예에서, 갭 폐쇄를 위한 임계치를 설정하기 위해 제1 밀봉 요소로부터 멀리 제2 터보기계 구성요소를 향한 제2 밀봉 요소의 이동을 제한하도록 적어도 하나의 스토퍼(stopper) 요소가 제공된다. 더욱 축방향으로 이격된 스토퍼 요소들이 로킹 작용을 개선하기 위해 유리하게 사용될 수 있다. 이는 덜 강성인 재료 또는 설계를 사용하는 것을 허용하여, 시일이 저압에 더 반응성이 되게 한다.

제2 밀봉 요소의 내측 부분과 외측 부분 사이에 차동 압력(differential pressure)이 없는 경우, 제1 밀봉 요소로부터 이격되어 초기 갭을 한정하도록 제2 밀봉 요소를 유리하게 구성함으로써 적절한 간극이 보장되며, 초기 갭은 임계치가 도달될 때까지 차동 압력의 증가에 따라 점진적으로 감소된다.

일 실시예에서, 제2 밀봉 요소는 제1 밀봉 요소에 힌지 연결된 탄성 변형가능 요소이고, 제1 밀봉 요소와 제2 밀봉 요소 사이의 가변 거리는 제1 밀봉 요소에 대한 제2 밀봉 요소의 변형에 좌우된다.

본 발명의 태양은 첨부 도면과 관련하여 고려될 예시적인 실시예들의 하기의 설명으로부터 더욱 명백하게 될 것이다.
도 1은 상이한 작동 조건들에서의 래버린스 시일 내의 간극 갭에 대한 다양한 파라미터의 영향들을 요약한 표.
도 2, 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 래버린스 시일들의 개략도.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 장치들에서의 시일 변형 대 차동 압력의 거동을 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 래버린스 시일의 단면도.
도 7은 밀봉 요소가 최대 변형 상태에 있는, 도 6과 동일한 도면.
도 8은 하나의 단일 재료를 채용한 실시예들에 따른 래버린스 시일의 일부분의 사시도.
도 9 및 도 10은 2-재료를 채용한 실시예들에 따른 래버린스 시일의 일부분의 사시도.
예시적인 실시예들의 하기의 설명은 첨부 도면을 참조한다. 상이한 도면들에서의 동일한 도면 부호들이 동일하거나 유사한 요소들을 식별한다. 하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위에 의해 한정된다.

터보기계는 서로에 대해 회전하는 부품들 및 구성요소들을 포함하며, 계면 영역들은 매우 상이한 작동 압력들에서 유지된다. 따라서, 효율적인 시일의 사용은 공정 유체의 누출, 성능 손실, 및 터보기계의 부품에 대한 손상을 피하기 위해 최고로 중요하다. 래버린스 시일은 누출을 방지하는 데 도움을 주는 구불구불한 경로를 제공하는 일 유형의 기계적 시일이고, 터보기계의 회전 구성요소들을 밀봉하기 위해 흔히 채용된다. 본 명세서에 기술된 실시예들은 상호 회전가능한 터보기계 구성요소들 사이의 원주방향 갭을 밀봉하도록 구성된(또는 밀봉할 수 있는) 래버린스 밀봉 장치를 제공한다. 장치는 2개의 밀봉 요소, 즉 제1 터보기계 구성요소에 연결될 수 있는 제1 밀봉 요소, 및 제2 밀봉 요소를 포함한다. 이어서, 제2 밀봉 요소는 내측 부분 및 외측 부분을 갖는다. 내측 부분에는 래버린스 시일의 치형부를 한정하도록 제2 기계 구성요소를 향해 연장되는 복수의 돌출부가 제공된다. 외측 부분은 탄성 요소를 통해 제1 밀봉 요소에 연결되어, 제1 밀봉 요소와 제2 밀봉 요소 사이의 거리가 터보기계 구성요소들에 작용하는 유체역학적 힘들에 따라 달라지게 하여서, 더 큰 사용 융통성 및 효율을 허용한다.

도 1의 표를 검토함으로써 이해될 수 있는 바와 같이, 래버린스 시일과 회전자 사이의 간극 갭은 몇몇 파라미터에 의해 영향을 받는다. 이들 중에서, 회전자 속도(원심력), 회전자 진동 및 온도/압력이 중요한 역할을 한다. 따라서, 적절한 설계는 시일에 대한 하기의 요건들을 고려할 필요가 있을 것이다:

1. 예기치 않은 진동에 대해 그리고 탈설계(off-design) 조건에서 잘 견딜 것;

2. 제1 임계 속도 교차에서와 같은 무압력(no-pressure) 상황 동안에 양의(positivie) 갭을 가질 것;

3. 공장 허용 시험 상황 동안에 최소 갭을 가질 것;

4. 정상 압력 상황(현장 조건)에서 최소 갭을 가질 것.

본 발명의 실시예에 따른 밀봉 장치는 1 바(bar) 미만의 차동 압력을 갖는 작동 갭에 도달하고 이를 최대 압력까지 제어 상태로 유지하는 것을 허용한다.

그러한 정도로, 덜 강성인 재료 및 덜 강성인 설계에 의해 구성요소 내에 탄성이 도입된다. 도 2는 문자 A 내지 F3으로 참조되는 가능한 대안들을 예시 방식으로 도시한다:

A - 완충기로서 작용하는 하우징과 치형부 사이의 탄성 매체를 갖는 래버린스 시일. 탄성 매체는 하우징 및 시일에 의해 완전히 밀봉될 것임;

B - 복수의 스프링을 갖는 래버린스 시일. 예를 들어, 상이한 구성요소들을 용접 또는 브레이징(brazing)에 의해 또는 적층 제조(additive manufacturing)에 의해 결합시킴으로써 링 스프링형(ring spring-like) 설계가 가능하다. 탄성 시스템의 형상은 《V-형상》, 《C-형상》, 《S-형상》 또는 시스템 내에 탄성을 도입할 수 있는 모든 형상일 수 있음;

C - 단 하나의 스프링을 갖는 B 유사형. 탄성 요소들의 개수는 원하는 강성에 적합할 것이며 그에 따라 변할 수 있음;

D - 압력으로 갭 폐쇄를 제어하기 위하여 고압 구역(p2)을 중간 챔버에 연결하는 채널의 추가를 갖는 B 유사형. 중간 챔버들은 서로로부터 밀봉되고 격리될 필요가 있음;

E - 시일의 중간 챔버를 더 높은 압력(p2-Δp1)의 주어진 중간 래버린스 갭과 연결시킬 가능성을 갖는 D 유사형;

F - 탄성 벽들을 갖는 래버린스 시일;

F1 - E에서처럼 중간 챔버가 중간 압력으로 가압될 수 있는 F로서;

F2 - 중간 챔버가 수직 벽들 중 하나 상의 구멍들에 의해 고압(p2) 또는 저압(p1)으로 가압될 수 있는 F로서. 이들 구멍은 벽에 약간의 탄성을 도입하기 위해 적절하게 형상화될 수 있음;

F3 - 더 큰 융통성을 갖는 단일 벽 버전.

중간 챔버들을 또한 한정하는 탄성 요소들의 개수는 압력 연결 지점들과 함께 설계 파라미터이다.

도 3은 고압(p2) 및 p2 -Δp1과 각각 연결된 2개의 중간 챔버를 갖는 더 복잡한 구성을 도시한다.

이 도면에 도시된 실시예를 참조하면, 시일(1)은 제1 터보기계 구성요소(2)(예를 들어, 고정자)에 연결된 제1 밀봉 요소(101), 및 제2 터보기계 구성요소(3)(예를 들어, 회전자)와 결합된 제2 밀봉 요소(201)를 포함하는 장치이다. 제2 밀봉 요소(201)는 내측 부분(301) 및 외측 부분(401)을 갖는다. 제2 밀봉 요소(201)의 내측 부분(301)은 각각 p2 및 p1로 표시된 터보기계의 고압 영역과 저압 영역 사이에 래버린스 시일의 치형부를 한정하기 위해 제2 기계 구성요소(2)를 향해 연장되는 복수의 돌출부(501)를 갖는다. 이러한 실시예에서, 제2 밀봉 요소(201)의 외측 부분(401)은 2개의 압력 챔버(701, 701')를 한정하는 3개의 탄성 요소(601, 601', 601")를 통해 제1 밀봉 요소(101)와 결합되어, 제1 밀봉 요소(101)와 제2 밀봉 요소(201) 사이의 거리가 터보기계 구성요소들에 작용하는 유체역학적 힘들에 따라 달라지게 한다. 제1 밀봉 요소(101)와 제2 밀봉 요소(201) 사이에 위치된 압력 챔버(701, 701')들은 시일과 회전자 사이의 간극(d)을 다양한 작동 조건에 자동으로 적응시키기 위하여 (도 3에서 화살표로 나타낸 바와 같은) 갭 폐쇄의 방향으로 제2 밀봉 요소(201)의 외측 부분(401)에 작용하는 힘을 유도하도록 터보기계의 공정 유체와 유체 연통한다.

탄성 요소들 및 중간 챔버들은 설계 제약에 따라 임의의 개수일 수 있고, 예를 들어 도 2에 도시된 것들로서 임의의 형상을 취할 수 있다. 이는 탄성 요소가 중간 압력을 요구하는 그러한 실시예를 위한 가장 적절한 중간 압력을 유도하기 위해 벽 및/또는 밀봉 요소 내의 구멍을 통해 접근될 중간 챔버를 갖거나 갖지 않는 벽, 스프링 또는 이들의 조합의 형태일 수 있음을 의미한다.

도 1의 표로 되돌아가면, 최적 시일이 제1 임계 속도에서 큰 갭을, 매우 낮은 압력에서 및 또한 고압에서 작은 갭을 갖는다는 요건을 충족시킬 필요가 있음에 유의하여야 한다. 이는 (저압에서 적절히 작동하는) 가요성 시일을 생성하지만, 또한 (최대 압력에서 적절하게 작동하는) 강성 시일을 생성한다. 이들 대조적인 필요성은 도 4에 도시된 실시예에서와 같이 주어진 압력 초과에서 변형을 방지하기 위하여 기계적 스토퍼(801)의 사용에 의해 균형을 이룬다.

기계적 스토퍼는 도 5에 도시된 바와 같이 시일 변형을 주어진 값으로 로킹한다. 이 도면의 그래프에서, X-축 상에는 갭 폐쇄의 방향으로 제2 밀봉 요소에 작용하는 차동 압력(DP)가 있는 반면, Y-축 상에는 시일의 변형, 즉 시일과 회전자 사이의 간극 갭이 있다. DP=0에서의 값은 스토퍼의 초기 갭을 조절함으로써 설정되고, 곡선의 현수(pendency)는 잘 알려진 후크 법칙(Hook law)에 따라 재료의 탄성에 의해 결정되는 반면, 로킹 압력보다 큰 DP 값들에 대한 포화는 변형에 대한 임계치를 제공하는 스토퍼의 작용에 기인한다.

따라서, 최대 허용가능 갭은 로킹 압력이 시스템 강성(탄성 상수)에 의해 그리고 내부 로킹 시스템 내의 초기 갭에 의해 제어되는 동안 기계적 스토퍼의 설계에 의해 제어된다.

유리한 구성에서, 로킹 압력은 도 3을 참조하여 위에서 논의된 바와 같이 중간 압력들과 연결된 하나 이상의 채널을 사용하여 상이한 길이방향 거리에서 래버린스 시일로부터 유체를 흘리는 것에 의해 챔버들 내에서 적절한 압력들을 사용함으로써 또한 제어될 수 있다. 이 도면에 도시된 값 Δp1, Δp2, Δp3은 터보기계의 고압 측(p2)으로부터 저압 측(p1)으로 이동하는 동안 공정 유체가 직면하는 압력 강하를 나타낸다.

중간 챔버(들)의 압력에 작용함으로써, 로킹 상태는 상이한 로킹 압력들에서 도달되어서, 강력한 미세-조절 메커니즘을 제공할 수 있다.

도 6 내지 도 10에서 참조되는 실시예에서, 제2 밀봉 요소는 제1 밀봉 요소에 힌지 연결된 탄성 변형가능 요소이고, 제1 밀봉 요소와 제2 밀봉 요소 사이의 가변 거리는 제1 밀봉 요소에 대한 제2 밀봉 요소의 변형에 좌우된다. 따라서, 제1 밀봉 요소와 제2 밀봉 요소 사이의 거리가 터보기계 구성요소들에 작용하는 유체역학적 힘들에 따라 변하게 하도록 구성된 탄성 요소는 시일의 거의 전체 길이 상에 분포된다.

이제 도 8, 도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 밀봉 장치(1)는 2개의 상대적으로 회전하는 구성요소, 즉 고정된 고정자(2)와 회전하는 회전자(3) 사이의 원주방향 갭의 시일을 생성하도록 의도된다. 이 장치는 고압 영역과 저압 영역 사이의 연결이 존재하는 임의의 유형의 터보기계에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 장치(1)는 원심 압축기, 팽창기, 터빈, 펌프 등에서 구현될 수 있다.

이 장치(1)는 회전자(3)의 외부 표면을 따른 비접촉 위치에 위치되는 반경방향 절결부(901)들에 의해 원주방향으로 이격된 적어도 하나의 그러나 바람직하게는 복수의 인접한 래버린스 시일(201)(본 명세서에서 회전자측 부분 또는 제2 밀봉 요소로도 지칭됨)을 포함한다.

래버린스 시일의 치형부(501)를 형성하는 복수의 홈이 기계가공되거나, 특히 유리한 구성에서, 홈들 사이에 그리고 홈들에 의해 형성되는 더 높은 높이의 부분("치형부"로도 지칭됨)이 장치의 응용의 임의의 요건과 일치하는 프로파일을 갖도록 적층 제조를 통해 성장될 수 있다. 예를 들어, 치형부 프로파일은 장치의 특정 응용에 유익할 수 있는 정사각형, 사다리꼴, 삼각형, 또는 임의의 다른 형상일 수 있다.

래버린스 시일(201)은 도 6 및 도 7에 가장 잘 도시된 바와 같이 밀봉 장치의 탄성 변형을 허용하도록 터보기계의 고정자측 부분(101)(본 개시 내용에서 제1 밀봉 요소로서도 언급됨)에 하나의 말단부(4)에서 힌지 연결된다.

고정자측 부분(101)은 래버린스 시일(201)의 대응하는 원주방향 돌출부(6)를 수용하기 위한 원주방향 노치(5)를 갖고, 원주방향 노치(5) 및 원주방향 돌출부(6)는 제1 스토퍼(801)를 형성하기 위해 노치(5) 내에서의 돌출부(6)의 반경 방향으로의 편위(excursion)를 제한하는 대응하는 경사진 맞닿음 표면(7, 8)들을 갖는다.

도 7에서 가장 잘 보여지는 바와 같이 고압에서의 장치의 변형을 추가로 제한하기 위하여 래버린스 시일(201)의 대응하는 경사 부분과 결합된 힌지식 말단부(4)의 반대편에서 고정자측 부분(101)에 경사진 맞닿음 표면의 형태로 제2 스토퍼(801')가 제공될 수 있다.

각각의 래버린스 시일(201)은 시일(1)의 고정자측 부분(101)과 회전자측 부분(201) 사이의 공간을 터보기계의 공정 유체와 유체 연통하게 하는 채널을 한정하는 원주방향 슬롯(9)을 가질 수 있다. 상기 슬롯(9)은 유리하게는, 밀봉 장치의 변형에 대한 중간 압력의 효과를 미세하게 제어하기 위해 각각의 래버린스 시일(201)의 원주방향 연장부의 일부에서만 원주방향으로 연장될 수 있다.

밀봉 장치(1)의 고정자측 부분(101) 및 회전자측 부분(201)(들)은 유리하게는, 동일한 재료, 특히 도 8에 도시된 바와 같이 알루미늄과 같은 금속 재료, 강화된 PEEK 등의 것일 수 있다.

대안적으로, 밀봉 장치의 고정자측 부분(101) 및 회전자측 부분(201)(들)은 유리하게는, 도 9에 도시된 바와 같이 상이한 재료의 것일 수 있다.

다른 실시예에서, 래버린스 시일의 고정자측 부분(101) 및 외측 부분(301)은 동일한 재료의 것인 반면, 래버린스 시일의 치형부(501)는 도 10에 도시된 바와 같이 상이한 재료의 것이다. 치형부는 예를 들어 열가소성 재료의 것일 수 있는 반면, 밀봉 요소의 나머지 부분은 알루미늄, 강철, Ni-합금 등과 같은 금속 재료의 것일 수 있다. 치형부는 예를 들어 금속 카트리지 내로 삽입되고 접착된다.

일부 실시예에서, 밀봉 장치의 치형부(501)는 마멸가능 재료로 제조될 수 있거나, 대안적으로, 일부 다른 실시예에서, 치형부는 회전자에 대향하여 회전자와 밀봉 관계로 배치되는 치형부의 표면 상에 형성된 마멸가능 코팅을 가질 수 있다.

예를 들어 금속으로 된 카트리지 및 열가소성 수지로 된 치형부에 의해 구성된 2-재료 시일 해결책이 특히 유리한데, 이는 그들이 특히 고압에서 변형을 제어되는 상태로 유지하고 샤프트를 접촉으로부터 보호되는 상태로 유지하는 것을 허용하여 고가의 재료의 양을 최소화하기 때문이다.

특히 유리한 구성에서, 밀봉 요소 또는 그의 부분은 적층 제조 공정을 통해 실현된다.

용어 "적층 제조"는 한 번에 한 층씩 3차원 물체를 성장시키는 기술을 지칭한다. 각각의 연이은 층은 용융된 또는 부분적으로 용융된 재료의 선행 층에 접합된다. 금속 분말, 열가소성 수지, 세라믹, 복합재, 유리, 및 심지어 초콜릿과 같은 식품을 포함한 재료를 계층화하기 위한 상이한 물질들을 사용하는 것이 가능하다.

물체는 물체를 초박층들로 본질적으로 "슬라이스"한.stl 파일들을 생성하는 데 사용되는 컴퓨터 이용 설계(computer-aided-design, CAD) 소프트웨어에 의해 디지털 방식으로 정의된다. 이러한 정보는 노즐 또는 인쇄 헤드가 선행 층 상에 재료를 정밀하게 침착시킬 때 노즐 또는 인쇄 헤드의 경로를 안내한다. 또는, 레이저 또는 전자 빔이 분말 재료의 베드(bed) 내에서 선택적으로 용융시키거나 부분적으로 용융시킨다. 재료가 냉각되거나 경화됨에 따라, 이들은 함께 융합되어 3차원 물체를 형성한다.

적층 제조 기술 덕분에, 특히 치형부를 위한 그리고 일반적으로 밀봉 장치의 임의의 부분을 위한 임의의 기하학적 형상이 얻어져서, 설계를 최적화하고 전체 비용을 억제하는 것을 허용할 수 있다.

결과는, 마찰 및 접촉에 잘 견디고 (ASME PTC10 유형 II 시험 동안처럼) 낮은 압력에 있는 이후로 갭을 폐쇄하는 유연성 시일이다. 특히 다양한 래버린스 영역으로부터 유출되는 압력이 로킹 압력을 미세하게 제어하기 위해 사용될 때, 매우 강력한 장치를 실현하기 위하여, 더 높은 압력에서 강한 제약을 갖고서 0.6 바의 차동 압력으로부터 이미 시작하여, 사실상 더 조밀한 간극이 얻어질 수 있다.

명세서 전반에 걸쳐 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 언급은 실시예와 관련하여 기술된 특정 특징, 구조, 또는 특성이 개시된 주제의 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 명세서 전반에 걸쳐 다양한 곳에서 어구 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"의 출현이 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징들, 구조들 또는 특성들이 하나 이상의 실시예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.

Claims (17)

1. 제1 터보기계 구성요소(2)와 길이방향 축을 중심으로 상기 제1 터보기계 구성요소에 대해 회전가능한 제2 터보기계 구성요소(3) 사이의 원주방향 갭을 밀봉하도록 구성된 장치(1)로서,
   상기 장치는 상기 제1 터보기계 구성요소(2)에 연결되는 제1 밀봉 요소(101) 및 제2 밀봉 요소(201)를 포함하고, 상기 제2 밀봉 요소(201)는 내측 부분(301) 및 외측 부분(401)을 가지며, 상기 제2 밀봉 요소(201)의 상기 내측 부분(301)은 터보기계의 고압 영역(p2)과 저압 영역(p1) 사이에서 래버린스 시일(labyrinth seal)의 치형부(501)들을 한정하도록 상기 제2 기계 구성요소를 향해 연장되는 복수의 돌출부들을 가지며, 상기 제2 밀봉 요소(201)의 외측 부분(401)은 상기 제1 밀봉 요소(101)와 탄성적으로 결합되어, 상기 제1 밀봉 요소(101)와 상기 제2 밀봉 요소(201) 사이의 거리가 상기 터보기계 구성요소들에 작용하는 유체역학적 힘들에 따라 달라지게 하고,
   하나 이상의 압력 챔버(701)가 상기 제1 밀봉 요소(101)와 상기 제2 밀봉 요소(201) 사이에 위치되고, 상기 터보기계의 공정 유체(processing fluid)와 유체 연통하여 갭 폐쇄의 방향으로 상기 제2 밀봉 요소(201)의 상기 외측 부분에 작용하는 힘을 그러한 유체 연통으로부터 유도하도록 구성되는, 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 장치의 적어도 하나의 압력 챔버(701)가 상기 제1 및/또는 제2 밀봉 요소 내의 하나 이상의 통로(9, 9')를 통해 상기 터보기계의 상기 공정 유체와 연통하는, 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 밀봉 요소(201)는 상기 시일의 적어도 하나의 압력 챔버(701)를 상기 터보기계의 상기 공정 유체와 유체 연통하게 하는 채널을 한정하는 원주방향 슬롯(9)을 포함하는, 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 슬롯(9)은 상기 터보기계의 상기 고압 영역 내에 적어도 부분적으로 위치되는, 장치.
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터보기계의 고압 구역과 저압 구역 사이의 중간 압력을 갖는 유체를 수집하기 위해 상기 래버린스 시일의 한 쌍의 연이은 치형부들 사이에 적어도 하나의 통로(9')가 위치되는, 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 터보기계의 상기 고압 구역으로부터 상기 저압 구역으로 세기가 감소하면서 상기 제2 밀봉 요소(201)의 상기 외측 부분(401)에 작용하는 힘들을 유도하기 위해 상이한 압력들을 갖는 유체를 수집하도록 연이은 압력 챔버(701, 701')들과 유체 연통하는 더 많은 통로(9, 9')들이 제공되는, 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 갭 폐쇄를 위한 임계치를 설정하기 위해 상기 제1 밀봉 요소(101)로부터 멀리 상기 제2 터보기계 구성요소(3)를 향한 상기 제2 밀봉 요소(201)의 이동을 제한하도록 적어도 하나의 스토퍼(stopper) 요소(801)를 더 포함하는, 장치.
8. 제7항에 있어서, 축방향으로 이격된 적어도 2개의 스토퍼 요소(801, 801')들을 포함하는, 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 밀봉 요소(201)의 상기 내측 부분과 상기 외측 부분 사이에 차동 압력(differential pressure)이 없는 경우, 상기 제2 밀봉 요소(201)는 상기 제1 밀봉 요소(101)로부터 이격되어 초기 갭을 한정하도록 구성되며, 상기 초기 갭은 상기 임계치가 도달될 때까지 상기 차동 압력의 증가에 따라 점진적으로 감소되는, 장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 밀봉 요소(201)는 상기 제1 밀봉 요소(101)에 힌지 연결된(4) 탄성 변형가능 요소이고, 상기 제1 밀봉 요소(101)와 상기 제2 밀봉 요소(201) 사이의 가변 거리는 상기 제1 밀봉 요소에 대한 상기 제2 밀봉 요소의 변형에 좌우되는, 장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 밀봉 요소(101)는 상기 제2 밀봉 요소(201)의 대응하는 원주방향 돌출부(6)를 수용하기 위한 원주방향 노치(5)를 갖고, 상기 원주방향 노치 및 상기 원주방향 돌출부는 상기 노치(5) 내에서의 상기 돌출부(6)의 반경 방향으로의 편위(excursion)를 제한하는 대응하는 경사진 맞닿음 표면(7, 8)들을 갖는, 장치.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 밀봉 요소(101) 및 상기 제2 밀봉 요소(201)는 동일한 재료, 특히 알루미늄, 강철, Ni계 합금과 같은 금속 재료 또는 강화된 PEEK와 같은 열가소성 재료의 것인, 장치.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 밀봉 요소(101) 및 상기 제2 밀봉 요소(201)의 상기 외측 부분(401)은 동일한 재료의 것이고, 상기 제2 밀봉 요소(201)의 내측 부분(301), 특히 상기 래버린스 시일의 상기 치형부(501)는 상이한 재료의 것인, 장치.
14. 제12항에 있어서, 상기 치형부는 열가소성 재료의 것인 반면, 상기 밀봉 요소들의 나머지 부분들은 알루미늄, 강철, Ni-합금과 같은 금속 재료의 것인, 장치.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밀봉 요소들 또는 그의 부분들은 적층 제조(additive manufacturing) 공정에 의해 생성되는, 장치.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 반경방향 절결부(901)들에 의해 원주방향으로 분리된 복수의 인접한 제2 밀봉 요소(201)들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
17. 제16항에 있어서, 상기 복수의 제2 밀봉 요소들의 각각은 상기 장치의 적어도 하나의 압력 챔버를 상기 터보기계의 상기 공정 유체와 유체 연통하게 하는 채널을 한정하는 원주방향 슬롯(9)을 갖고, 상기 슬롯(9)은 상기 제2 밀봉 요소의 원주방향 연장부의 일부에서만 원주방향으로 연장되는, 장치.

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