KR20210137017A

KR20210137017A - 샤프트 시일 시스템, 샤프트 시일 시스템을 갖는 터보기계, 및 샤프트 밀봉 방법

Info

Publication number: KR20210137017A
Application number: KR1020217028134A
Authority: KR
Inventors: 토마스 레친; 마티아스 리히너
Original assignee: 에이비비 스위츠랜드 엘티디.
Priority date: 2019-02-06
Filing date: 2020-01-28
Publication date: 2021-11-17
Also published as: JP2022520937A; WO2020160963A1; CN113614332B; CN113614332A; EP3693561A1; US20220106893A1; EP3921518A1

Abstract

터보기계의 베어링 하우징(30)에 지지된 샤프트(11)의 샤프트 시일 시스템(10)이 제공된다. 샤프트 시일 시스템은 베어링 하우징(30)과 샤프트(11) 사이에 배치되는 회전자측 시일(19)을 구비한다. 또한, 샤프트 시일 시스템은 샤프트(11)를 지지하는 축방향 베어링(15)을 구비한다. 또한, 축방향 베어링(15)의 회전자측 스러스트 베어링 표면(12)과 샤프트(11)의 대향 표면(14) 사이에는 갭(13)이 제공된다. 갭(13)의 갭 폭(W)은 샤프트(11)의 회전 속도의 함수로서 조절 가능하다.

Description

샤프트 시일 시스템, 샤프트 시일 시스템을 갖는 터보기계, 및 샤프트 밀봉 방법

본 발명의 실시예는 터보기계, 특히 배기 가스 터보차저의 샤프트 시일 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 추가 실시예는 샤프트, 특히 터보기계의 베어링 하우징에 지지된 샤프트를 밀봉하는 방법에 관한 것이다.

예를 들어 터보차저 또는 파워 터빈을 포함하는 터보기계는 회전자와 유체 사이에서 에너지를 전달한다. 예를 들어, 배기 가스 터보차저는 회전자에서 유체로 에너지를 전달하기 위한 압축기 및 유체에서 회전자로 에너지를 전달하기 위한 터빈을 구비한다.

배기 가스 터보차저는 내연 기관의 출력을 증가시키기 위해 사용되는 것으로 알려져 있다. 배기 가스 터보차저에서, 내연 기관의 배기 가스 경로에는 터빈이 제공되고, 내연 기관의 상류에는 압축기가 배치되며, 압축기는 공통 샤프트를 거쳐서 터빈에 연결된다. 배기 가스 터보차저는 일반적으로 회전자, 샤프트용 베어링 조립체, 유동-안내 하우징 섹션(압축기 하우징과 터빈 하우징) 및 베어링 하우징을 구비한다. 회전자는 샤프트, 임펠러 및 터빈 휠을 구비한다.

배기 가스 터보차저에 의한 내연 기관의 충전에 의해, 충전 양과 그로 인한 실린더 내의 연료 혼합물이 증가하며, 이로 인해 엔진의 현저한 출력 증가가 얻어질 수 있다. 경우에 따라서, 내연 기관의 배기 가스 내에 저장되는 에너지는 파워 터빈에 의해 전기 에너지 또는 기계 에너지로 변환될 수 있다. 이 경우, 압축기 대신에, 배기 가스 터보차저의 경우에서와 같이, 발전기 또는 기계적 컨슈머가 터빈 샤프트에 연결된다.

터빈측 및 압축기측 유동 영역에서의 높은 프로세스 압력 때문에, 배기 가스 터보차저의 샤프트는 베어링 하우징의 공동에 대해 적절한 시일 시스템으로 밀봉된다. 베어링 하우징의 공동의 내부 압력은 대개 대기압과 일치한다. 압축기측 및 터빈측 유로 내의 가스 압력은 배기 가스 터보차저의 실제 작동 지점에 따라 달라지며, 대부분의 작동 지점에서 베어링 하우징의 공동 내의 압력보다 높다. 그러나, 어떤 경우에 예를 들어 부분 부하 작동 시에 또는 휴지 시에는 부압도 고려되어야 한다.

주로 레이디얼 터빈을 구비한 터보차저에서는, 피스톤 링이 가스 시일로서 사용된다. 또한, 통상적으로, 유출 오일에 대해 샤프트 밀봉하기 위한 스플래시-오프(splash-off) 에지 및 캐치 챔버를 갖는 시스템이 채용된다. 전체 작동 범위에 걸쳐서 요구되는 간극 설계(회전하는 부품과 회전하지 않는 부품 사이)의 결과로, 움직이는 부품과 움직이지 않는 부품 사이의 갭은 고정 갭 치수를 갖는 최악의 조건에 따라 설계된다. 종래의 샤프트 밀봉 시스템은 베어링 하우징 내로의 "펌핑-효과"를 갖는 매우 작은 포지티브한 압력 강하 또는 심지어 네거티브한 압력 강하가 있기 때문에 정지 시에 및 저속에서 오일 누출이 발생할 수 있다는 문제를 안고 있는 것이 밝혀졌다.

따라서, 이상을 고려하여, 개선된 터보기계, 특히 배기 가스 터보차저가 제공될 수 있도록, 종래 기술의 문제를 적어도 부분적으로 극복하는 샤프트 시일 시스템 및 샤프트 밀봉 방법이 요구되고 있다.

이상을 고려하여, 독립 청구항에 따른 샤프트 시일 시스템, 샤프트 시일 시스템을 구비하는 터보기계, 및 샤프트 밀봉 방법이 제공된다. 추가 양태, 장점 및 특징은 종속 청구항, 설명 및 첨부 도면으로부터 명백하다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 터보기계의 베어링 하우징에 지지된 샤프트의 샤프트 시일 시스템이 제공된다. 샤프트 시일 시스템은 베어링 하우징과 샤프트 사이에 배치되는 회전자측 시일을 구비한다. 또한, 샤프트 시일 시스템은 샤프트를 지지하는 축방향 베어링을 구비한다. 또한, 축방향 베어링의 회전자측 스러스트 베어링 표면과 샤프트의 대향 표면 사이에는 갭이 제공된다. 갭의 갭 폭은 샤프트의 회전 속도의 함수로서 조절 가능하다. 특히, 갭 폭은 샤프트의 회전 속도 증가에 따라 증가할 수 있고 샤프트의 회전 속도 감소에 따라 감소할 수 있으며, 갭은 샤프트 시일 시스템의 윤활 입구 갭이다.

따라서, 본 발명의 샤프트 시일 시스템은 종래의 샤프트 시일 시스템에 비해 개선된다. 특히, 본 발명의 샤프트 시일 시스템은 축방향 베어링과 샤프트의 대향 표면 사이의 갭 폭이 작동 조건에 따라 능동적으로 제어될 수 있는 샤프트 시일 시스템을 유익하게 제공한다. 보다 구체적으로, 휴지 시에(즉, 할당 없음) 갭 폭은 통상적으로 시일 시스템의 "입구 갭"을 나타내는 갭 안에 오일이 약간만 침투하거나 심지어 전혀 침투할 수 없도록 최소화되거나 심지어 폐쇄될 수 있다. 따라서, 휴지 시에 유익하게 터빈측에서의 베어링 하우징의 오일 싱크 공동은 건조하게 유지될 수 있으며, 따라서 밀봉 시스템의 출구 갭을 통한 오일 진입을 최소한으로 감소시킬 수 있다. 샤프트가 회전하면, 갭 폭이 증가될 수 있으며 따라서 오일이 갭 내에 침투할 수 있고 마모가 상당히 회피될 수 있다.

본 발명의 추가 양태에 따르면, 본 명세서에 기재된 실시예 중 어느 하나에 따른 샤프트 시일 시스템을 구비하는 터보기계가 제공된다. 특히, 터보기계는 레이디얼 배기 가스 터빈을 구비하는 배기 가스 터보차저이다. 따라서, 레이디얼 배기 가스 터빈 및 배기 가스 터보차저의 베어링 하우징에 지지된 샤프트의 본 명세서에 기재된 샤프트 시일 시스템을 구비하는 배기 가스 터보차저가 제공된다. 따라서, 개선된 터보기계, 특히 개선된 배기 가스 터보차저가 유익하게 제공될 수 있다.

다른 양태에 따르면, 터보기계의 베어링 하우징에 지지된 샤프트를 밀봉하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 스러스트 베어링 표면과 샤프트의 대향 표면 사이에 제공된 갭의 갭 폭을 샤프트의 회전 속도의 함수로서 적응적으로 조절하는 단계를 포함한다. 특히, 갭 폭을 적응적으로 조절하는 단계는 샤프트의 회전 속도 증가에 따라 갭 폭을 증가시키고 샤프트의 회전 속도 감소에 따라 갭 폭을 감소시키는 것을 포함하며, 갭은 샤프트 시일 시스템의 윤활 입구 갭이다.

따라서, 종래의 샤프트 밀봉 방법에 비해, 본 명세서에 기재된 샤프트 밀봉 방법의 실시예가 개선되는데, 그 이유는 정지 시에 또는 낮은 회전 속도에서의 오일 누출이 회피될 수 있는 반면에 높은 회전 속도에서 마모가 상당히 회피되도록 충분한 윤활이 보장될 수 있기 때문이다.

본 발명의 상기 특징이 상세히 이해될 수 있도록, 위에서 간략하게 요약된 본 발명의 보다 구체적인 설명이 실시예를 참조하여 이루어질 수 있다. 첨부 도면은 본 발명의 실시예에 관한 것이며 이하에서 설명된다.
도 1은 종래 기술에 따른 레이디얼 압축기 및 레이디얼 터빈을 구비한 배기 가스 터보차저의 개략적인 부분 개방 단면도이다.
도 2는 본 명세서에 기재된 실시예에 따른 샤프트 시일 시스템의 개략 단면도이다.
도 3은 본 명세서에 기재된 실시예에 따른 샤프트 밀봉 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이제 다양한 실시예를 상세하게 참조할 것이며, 이들 실시예의 하나 이상의 예가 각각의 도면에 도시되어 있다. 각각의 예는 설명을 위해 제공되며 제한으로서 의미되지는 않는다. 예를 들어, 일 실시예의 일부로서 도시되거나 설명되는 특징부는 임의의 다른 실시예에 사용되거나 임의의 다른 실시예와 조합하여 사용되어 또 다른 실시예를 산출할 수 있다. 본 발명은 이러한 수정예 및 변형예를 포함하는 것이 의도된다.

이하의 도면 설명에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 구성요소를 지칭한다. 일반적으로, 개별 실시예에 대한 차이점만 설명한다. 달리 명시되지 않는 한, 일 실시예에서의 부분 또는 양태에 대한 설명은 다른 실시예에서의 대응하는 부분 또는 양태에도 적용될 수 있다.

도 1을 예시적으로 참조하여, 종래 기술에 따른 레이디얼 압축기(41) 및 레이디얼 터빈(45)을 구비한 배기 가스 터보차저(40)를 설명한다. 특히, 도시된 배기 가스 터보차저의 하우징은 임펠러(42), 샤프트(11) 및 터빈 휠(46)을 보다 명확하게 묘사하기 위해 부분적으로 개방된 상태로 도시되어 있다. 두꺼운 화살표는 공기 입구(43)로부터 임펠러(42)를 거쳐서 공기 출구(44)로 이동하는 공기뿐만 아니라 가스 입구(47)로부터 터빈 휠(46)을 거쳐서 가스 출구(48)로 이동하는 가스를 나타내기 위해 사용된다. 샤프트(11)는 두 개의 레이디얼 베어링과 적어도 하나의 스러스트 베어링에 의해 베어링 하우징(30) 내에 회전 가능하게 지지된다.

도 2를 예시적으로 참조하여, 본 발명에 따른 터보기계의 베어링 하우징(30) 내에 지지되는 샤프트(11)의 샤프트 시일 시스템(10)을 설명한다. 본 명세서에 기재된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 샤프트 시일 시스템(10)은 베어링 하우징(30)과 샤프트(11) 사이에 배치되는 회전자측 시일(19)을 구비한다. 본 명세서에서, "회전자측"은 터빈 회전자, 즉 터빈 휠이 제공되는 측을 지칭한다. 따라서, "회전자측"은 "터빈 휠"측으로 지칭될 수도 있다.

또한, 샤프트 시일 시스템(10)은 샤프트(11)를 지지하는 축방향 베어링(15)을 구비한다. 또한, 샤프트 시일 시스템(10)은 축방향 베어링(15)의 회전자측 스러스트 베어링 표면(12)과 샤프트(11)의 대향 표면(14) 사이에 제공되는 갭(13)을 구비한다. 갭(13)의 갭 폭(W)은 샤프트(11)의 회전 속도의 함수로서 조절될 수 있다. 즉, 샤프트 시일 시스템은 샤프트의 축방향 베어링과 샤프트의 대향 표면 사이의 갭 폭(W)이 작동 조건, 즉 샤프트의 회전 속도에 따라 능동적으로 제어될 수 있도록 구성된다. 특히, 샤프트 시일 시스템은 갭 폭(W)이 샤프트의 회전 속도 증가에 따라 증가할 수 있고 샤프트의 회전 속도 감소에 따라 감소할 수 있도록 구성된다.

따라서, 샤프트 시일 시스템의 실시예는 적응형 샤프트 시일 시스템을 유익하게 제공한다. 보다 구체적으로, 정지 상태(즉, 샤프트의 할당이 없음)에서 샤프트의 축방향 베어링과 샤프트의 대향 표면 사이의 갭 폭은 최소화되거나 심지어 폐쇄될 수 있으며, 따라서 유리하게 오일은 통상적으로 시일 시스템의 "입구 갭"인 갭 내에 약간만 침투하거나 심지어 전혀 침투할 수 없다. 따라서, 본 명세서에서 언급되는 "갭"은 샤프트 시일 시스템의 윤활 입구 갭이다. 따라서, 정지 상태에서는 터빈측에서의 베어링 하우징 내의 오일 싱크 공동이 건조 상태로 유지될 수 있고 시일 시스템의 출구 갭(17)(도 2에 도시됨)을 통한 오일 유입이 최소로 감소될 수 있다. 샤프트가 회전하면, 갭 폭이 증가하여 오일이 갭에 침투할 수 있고 축방향 베어링 및 샤프트의 마모가 상당히 회피될 수 있다.

본 명세서에 기재된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 회전자측 스러스트 베어링 표면(12)은 보조 스러스트 베어링 표면이다. 통상적으로, 윤활유(예를 들어 오일)는 축방향 베어링(15)에 의해 회전자측 스러스트 베어링 표면(12)에 간접적으로 공급된다. 통상적으로, 회전자측 스러스트 베어링 표면(12)은 샤프트(11)의 반경 방향(R)으로 연장되는 환형 표면이다. 마찬가지로, 샤프트(11)의 대향 표면(14)은 샤프트(11)의 반경 방향(R)으로 연장되는 환형 표면이다. 통상적으로, 샤프트(11)의 대향 표면(14)은 샤프트(11)의 반경방향 단차부(16)에 의해 제공되는 반경방향 환형 표면이다.

본 명세서에 기재된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 축방향 베어링(15)은 회전자측 스러스트 베어링 표면(12)과 반대 방향으로 향하는 메인 스러스트 베어링 표면(21)을 구비한다. 특히, 도 2에 예시적으로 도시되어 있듯이, 메인 스러스트 베어링 표면(21)은 음의 축방향(x)으로 향하고 있고, 회전자측 스러스트 베어링 표면(12)은 양의 축방향(x)으로 향하고 있다. 통상적으로 메인 스러스트 베어링 표면(21)은 샤프트(11) 주위에 제공된 스러스트 링(20)과 대면한다. 따라서, 스러스트 링(20)과 메인 스러스트 베어링 표면(21)은 메인 베어링 갭으로 지칭될 수도 있는 베어링 갭을 형성한다. 통상적으로, 메인 베어링에는 윤활유가 직접적으로 공급된다. 따라서, 샤프트에 음의 축방향으로 작용하는 유체역학적 힘이 발생할 수 있다.

본 명세서에 기재된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 메인 스러스트 베어링 표면(21)은 회전자측 스러스트 베어링 표면(12)보다 큰 표면적을 갖는다. 이러한 구성은 본 명세서에 기재된 작동 조건에 따라 조절 가능한 갭 폭을 제공하기에 유익할 수 있다. 특히, 샤프트는 특히 샤프트의 낮은 회전 속도에서 또는 정지 상태에서 메인 베어링 갭 내의 유체역학적 압력에 의해 음의 축방향(x)으로 이동(즉 도 2에 도시된 실시예에서 왼쪽으로 푸시)될 수 있다. 그 결과, 갭(13)은 오일이 회전자측 시일(19)에 전혀 또는 거의 침투하지 않도록 최소화되거나 심지어 폐쇄된다.

더 높은 회전 속도 및 관련된 더 높은 터빈 입구 압력에서, 터빈 스러스트는 양의 축방향으로(즉, 도 2에 도시된 실시예에서 우측으로) 축적되고 따라서 갭(13)을 개방한다. 따라서, 더 높은 회전 속도에서 갭 내의 마모가 방지될 수 있다.

도 2에 예시적으로 도시되어 있듯이, 통상적으로 메인 스러스트 베어링 표면(21)은 반경 방향(R)으로 연장되는 환형 표면이다. 마찬가지로, 통상적으로 회전자측 스러스트 베어링 표면(12)은 반경 방향(R)으로 연장되는 환형 표면이다.

도 2에서 양방향 화살표(111)로 예시적으로 도시되어 있듯이, 본 명세서에 기재된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 샤프트(11)는 축방향 베어링(15)에 대해 축방향(x)을 따라서 이동 가능하다. 특히, 샤프트 시일 시스템은 샤프트(11)가 양의 축방향(x)으로 뿐만 아니라 음의 축방향(x)으로 이동할 수 있도록 구성되는 것을 이해해야 한다. 또한, 도 2로부터는 통상적으로 축방향 베어링(15)이 베어링 하우징(30)에 고정되는 것을 이해해야 한다.

따라서, 샤프트(11)는 축방향 베어링(15)에 대해 축방향(x)을 따라서 이동 가능할 수 있다. 특히, 샤프트 시일 시스템은 샤프트(11)의 회전 속도가 감소될 때 샤프트(11)가 음의 축방향(x)으로 이동하도록 구성된다. 또한, 샤프트 시일 시스템은 샤프트(11)의 회전 속도가 증가될 때 샤프트(11)가 양의 축방향(x)으로 이동하도록 구성된다.

따라서, 갭(13)의 갭 폭(W)은 샤프트(11)의 회전 속도 증가에 따라 증가할 수 있다. 특히, 갭(13)의 갭 폭(W)은 회전자측 시일(19)을 향하여 양의 축방향(x)으로 샤프트에 작용하는 힘을 사용함으로써 증가될 수 있다. 예를 들어, 양의 축방향으로 샤프트에 작용하는 힘은 유체역학적 힘을 포함할 수 있다.

또한, 갭(13)의 갭 폭(W)은 샤프트(11)의 회전 속도 감소에 따라 감소될 수 있다. 특히, 갭(13)의 갭 폭(W)은 회전자측 시일(19)로부터 멀리 음의 축방향(x)으로 샤프트에 작용하는 힘을 사용함으로써 감소될 수 있다. 예를 들어, 음의 축방향으로 샤프트에 작용하는 힘은 유체역학적 힘을 포함할 수 있다.

본 명세서에 기재된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 축방향 베어링은 통합형 레이디얼 베어링을 포함한다. 또한, 축방향 베어링은 베어링 윤활을 위한 하나 이상의 윤활 공급 채널을 구비한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 따른 샤프트 시일 시스템을 터보기계, 예를 들어 레이디얼 배기 가스 터빈을 포함하는 배기 가스 터보차저에 사용함으로써, 개선된 터보기계, 특히 개선된 배기 가스 터보차저가 제공될 수 있음을 이해해야 한다.

따라서, 본 발명의 추가 양태에 따르면, 본 명세서에 기재된 임의의 실시예에 따른 샤프트 시일 시스템을 구비하는 터보기계가 제공된다. 특히, 터보기계는 레이디얼 배기 가스 터빈을 구비하는 배기 가스 터보차저일 수 있다. 대안적으로, 터보기계는 발전기를 구비하는 파워 터빈일 수 있다.

도 3에 도시된 흐름도를 예시적으로 참조하여, 본 발명에 따른 터보기계의 베어링 하우징(30)에 지지된 샤프트(11)를 밀봉하는 방법(50)을 설명한다. 본 명세서에 기재된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 상기 방법은 스러스트 베어링 표면(12)과 샤프트(11)의 대향 표면(14) 사이에 제공되는 갭(13)의 갭 폭(W)을 샤프트의 회전 속도의 함수로서 적응적으로 조절하는 단계[도 3에서 블록 51로 표시됨]를 포함한다.

본 명세서에 기재된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 갭 폭(W)을 적응적으로 조절하는 단계는 샤프트(11)의 대향 표면(14)을 스러스트 베어링 표면(12)에 대해 축방향으로 이동시키는 것[도 3에서 블록 52로 표시됨]을 포함한다. 특히, 통상적으로 스러스트 베어링 표면(12)은 도 2에 예시적으로 도시되어 있듯이 샤프트(11)를 지지하는 축방향 베어링(15)에 의해 제공된다. 또한, 샤프트(11)의 대향 표면(14)은 도 2에 도시된 바와 같이 샤프트(11)의 반경방향 단차부(16)에 의해 제공되는 반경방향 환형 표면일 수 있다.

본 명세서에 기재된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 갭 폭을 적응적으로 조절하는 단계는 샤프트(11)의 회전 속도 증가에 따라 갭 폭(W)을 증가시키는 것[도 3에서 블록 53으로 표시됨]을 포함한다.

본 명세서에 기재된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 갭 폭(W)을 적응적으로 조절하는 단계는 샤프트(11)의 회전 속도 감소에 따라 갭 폭(W)을 감소시키는 것[도 3에서 블록 54로 표시됨]을 포함한다.

본 명세서에 기재된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 갭 폭(W)을 적응적으로 조절하는 단계는 샤프트(11)의 축방향으로 샤프트(11)에 작용하는 힘을 사용하는 것을 포함한다.

예를 들어, 갭 폭(W)을 증가시키는 것은 통상적으로 회전자측 시일(19)을 향하여 양의 축방향(x)으로 샤프트에 작용하는 힘을 사용하는 것을 포함한다. 예를 들어, 양의 축방향으로 샤프트에 작용하는 힘은 오일과 같은 윤활 유체에 의해 발생되는 유체역학적 힘을 포함할 수 있다. 갭 폭(W)을 감소시키는 것은 통상적으로 회전자측 시일(19)로부터 멀리 음의 축방향(x)으로 샤프트에 작용하는 힘을 사용하는 것을 포함한다. 예를 들어, 음 또는 양의 축방향으로 샤프트에 작용하는 힘은 유체역학적 힘을 포함할 수 있다.

이와 관련하여, 통상적으로 축방향으로 샤프트에 작용할 수 있는 유체역학적 힘이 존재할 뿐만 아니라 다른 기계적 힘도 갭 폭(W)을 조절하거나 제어하는 데 기여할 수 있음을 이해해야 한다. 그러나, 샤프트의 비회전 상태에서 또는 낮은 회전 속도에서는, 통상적으로 유체역학적 힘이 지배한다.

이상을 고려하여, 본 명세서에 기재된 실시예에 따른 샤프트 밀봉 방법(50)은 본 명세서에 기재된 임의의 실시예에 따른 샤프트 시일 시스템(10)을 사용하는 것을 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 다시 말해서, 샤프트 시일 시스템(10)은 샤프트 밀봉 방법(50)을 수행하기 위해 사용될 수 있다.

따라서, 종래 기술에 비해, 본 명세서에 기재된 실시예는 개선된 샤프트 시일 시스템, 개선된 터보기계, 특히 개선된 배기 가스 터보차저, 및 베어링 하우징 내에 지지된 샤프트를 밀봉하기 위한 개선된 방법을 제공한다. 특히, 본 발명의 실시예는 샤프트를 지지하는 축방향 베어링과 샤프트의 대향 표면 사이의 갭의 갭 폭을 적응적으로 조절하도록 구성되는 샤프트 시일 시스템, 샤프트 시일 시스템을 구비하는 터보기계, 및 샤프트 밀봉 방법을 유익하게 제공한다. 통상적으로, 갭은 밀봉 시스템의 윤활 입구 갭이다. 본 명세서에 기재되어 있듯이, 갭 폭은 작동 상황의 함수로서 영향을 받을 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의하면 정지 시에 또는 낮은 회전 속도에서의 오일 누출이 회피될 수 있는 반면에 높은 회전 속도에서 마모가 상당히 회피되도록 충분한 윤활이 보장될 수 있다.

이상은 실시예에 관한 것이지만, 기본 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 기타 및 추가 실시예가 고려될 수 있으며, 범위는 하기 청구범위에 의해 결정된다.

10: 샤프트 시일 시스템
11: 샤프트
111: 샤프트의 이동 방향을 나타내는 화살표
12: 스러스트 베어링 표면
13: 갭
14: 대향 표면
15: 축방향 베어링
16: 샤프트의 반경방향 단차부
17: 출구 갭
18: 베어링 하우징 내의 공동
19: 회전자측 시일/피스톤 링
20: 스러스트 링
21: 메인 스러스트 베어링 표면
25: 회전축
30: 베어링 하우징
40: 배기 가스 터보차저
41: 압축기
42: 임펠러
43: 공기 입구
44: 공기 출구
45: 터빈
46: 터빈 휠
47: 가스 입구
48: 가스 출구
50: 샤프트 밀봉 방법
51, 52, 53, 54: 블록
W: 갭 폭
R: 반경 방향
x: 축방향

Claims

터보기계의 베어링 하우징(30)에 지지된 샤프트(11)의 샤프트 시일 시스템(10)이며,
- 베어링 하우징(30)과 샤프트(11) 사이에 배치되는 회전자측 시일(19);
- 샤프트(11)를 지지하는 축방향 베어링(15); 및
- 축방향 베어링(15)의 회전자측 스러스트 베어링 표면(12)과 샤프트(11)의 대향 표면(14) 사이에 제공되는 갭(13)을 포함하고,
갭(13)의 갭 폭(W)은 샤프트(11)의 회전 속도의 함수로서 조절 가능하며, 갭(13)은 샤프트 시일 시스템의 윤활 입구 갭인 샤프트 시일 시스템(10).
제1항에 있어서, 회전자측 스러스트 베어링 표면(12)은 보조 스러스트 베어링 표면이며, 샤프트(11)의 대향 표면(14)은 샤프트(11)의 반경 방향(R)으로 연장되는 환형 표면인 샤프트 시일 시스템(10).
제1항 또는 제2항에 있어서, 축방향 베어링(15)은 회전자측 스러스트 베어링 표면(12)과 반대 방향으로 향하는 메인 스러스트 베어링 표면(21)을 더 포함하고, 메인 스러스트 베어링 표면(21)은 샤프트(11) 주위에 제공된 스러스트 링(20)과 대면하며, 메인 스러스트 베어링 표면(21)은 회전자측 스러스트 베어링 표면(12)보다 큰 표면적을 갖는 샤프트 시일 시스템(10).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 샤프트(11)는 축방향 베어링(15)에 대해 축방향(x)으로 이동 가능한 샤프트 시일 시스템(10).
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 갭(13)의 갭 폭(W)은 샤프트(11)의 회전 속도 증가에 따라, 특히 양의 축방향(x)으로 샤프트에 작용하는 힘을 사용함으로써 증가될 수 있는 샤프트 시일 시스템(10).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 갭(13)의 갭 폭(W)은 샤프트(11)의 회전 속도 감소에 따라, 특히 회전자측 시일(19)로부터 멀리 축방향(x)으로 샤프트에 작용하는 유체역학적 힘을 사용함으로써 감소될 수 있는 샤프트 시일 시스템(10).
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 축방향 베어링(15)은 통합형 레이디얼 베어링을 포함하며, 축방향 베어링은 베어링 윤활을 위한 하나 이상의 윤활 공급 채널을 포함하는 샤프트 시일 시스템(10).
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 샤프트 시일 시스템을 포함하는 터보기계이며,
특히 터보기계는 레이디얼 배기 가스 터빈을 포함하는 배기 가스 터보차저이거나, 또는 터보기계는 발전기를 포함하는 파워 터빈인 터보기계.
터보기계의 베어링 하우징(30)에 지지된 샤프트(11)를 밀봉하는 방법이며,
스러스트 베어링 표면(12)과 샤프트(11)의 대향 표면(14) 사이에 제공되는 갭(13)의 갭 폭(W)을 샤프트의 회전 속도의 함수로서 적응적으로 조절하는 단계를 포함하고, 갭(13)은 샤프트 시일 시스템의 윤활 입구 갭인 방법.
제9항에 있어서, 갭 폭(W)을 적응적으로 조절하는 단계는 샤프트(11)의 대향 표면(14)을 스러스트 베어링 표면(12)에 대해 축방향으로 이동시키는 것을 포함하는 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서, 스러스트 베어링 표면(12)은 샤프트(11)를 지지하는 축방향 베어링(15)에 의해 제공되고, 샤프트(11)의 대향 표면(14)은 샤프트(11)의 반경방향 단차부(16)에 의해 제공되는 반경방향 환형 표면인 방법.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 갭 폭을 적응적으로 조절하는 단계는 샤프트(11)의 회전 속도 증가에 따라 갭 폭(W)을 증가시키는 것을 포함하는 방법.
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 갭 폭(W)을 적응적으로 조절하는 단계는 샤프트(11)의 회전 속도 감소에 따라 갭 폭(W)을 감소시키는 것을 포함하는 방법.
제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 갭 폭(W)을 적응적으로 조절하는 단계는 샤프트(11)의 축방향으로 샤프트에 작용하는 힘을 사용하는 것을 포함하는 방법.
제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 샤프트 시일 시스템(10)을 사용하는 것을 포함하는 방법.