KR20230034329A

KR20230034329A - 유체 취급 장치용 보상 조립체 및 관련 장치, 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20230034329A
Application number: KR1020237003383A
Authority: KR
Inventors: 다비드 발코니; 마크 반 동겐
Original assignee: 플로우서브 매니지먼트 컴퍼니
Priority date: 2020-07-14
Filing date: 2021-07-03
Publication date: 2023-03-09
Also published as: US20240026885A1; MX2022016240A; US20220018362A1; US11788532B2; EP4182562A1; BR112022026712A2; WO2022015527A1; IT202000017095A1; JP2023534398A; CN115803529A

Abstract

유체의 적어도 하나의 특성을 변경하기 위한 펌프 및 유체 취급 장치 및 관련 방법은 유압 인서트가 하우징 내에서 움직일 수 있도록 하는 적어도 하나의 바이어싱 요소를 포함하는 보상 조립체를 포함한다.

Description

유체 취급 장치용 보상 조립체 및 관련 장치, 시스템 및 방법

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2020년 7월 14일에 출원된 이탈리아 특허 출원 번호 102020000017095 "보상 조립체에 대한 유체 취급 장치 및 관련 장치, 시스템 및 방법" 및 2020년 10월 13일 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 17/069,645 "유체 흐름 제어 장치 및 관련 시스템 및 방법"의 35 USC §119(a)에 따른 이익을 주장하며, 이들 각각의 개시 내용은 이 참조에 의해 여기에 전체적으로 포함된다.

본 발명은 일반적으로 유체 취급 장치용 보상 조립체에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시예는 펌프 및 관련 장치, 시스템 및 방법과 같은 유체 취급 장치의 내부 구성요소를 바이어싱하기 위한 보상 조립체에 관한 것이다.

산업 공정에는 종종 펌프, 밸브, 임펠러 등 을 포함한 유압 시스템이 포함된다. 펌프와 밸브는 유압 공정에 사용되는 유체의 흐름을 제어하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 펌프는 유압 시스템의 압력을 증가(예: 부스트)하는 데 사용될 수 있는 반면, 다른 펌프는 한 위치에서 다른 위치로 유체를 이동하는 데 사용될 수 있다.

펌프 임펠러 및 디퓨저는 작동 유체에 에너지를 전달하기 위해 회전하는 터보 기계에서 서로 협력하는 잘 알려진 구성 요소이다. 하나의 종래의 펌프 설계에서, 임펠러(예를 들어, 회전자)는 유체의 운동 에너지를 증가시키기 위해 회전하는 반면, 디퓨저 또는 하우징(예를 들어, 종종 베인 어레이의 형태임)은 정지 상태로 유지되고 임펠러의 반경 방향 바깥쪽에 있어, 운동 에너지를 압력 에너지로 변환한다. 회전자를 구동하는 데 필요한 토크는 일반적으로 모터에 의해 제공되며 회전 샤프트를 통해 펌프 하우징 내에서 회전하는 회전자로 전달된다. 이와 유사하게 기존 터빈 설계의 경우, 회전자에 유체의 흐름과 압력이 가해져, 회전자가 고정된 터빈 케이싱 내부에서 회전하게 되고, 회전자에서 발생하는 회전과 토크는 회전 샤프트를 통해 외부 발전기에 전달된다.

펌프 또는 터빈과 관련된 어려움 중 하나는 주어진 응용 분야의 요구 사항을 충족하기 위해 기존 펌프 또는 터빈 설계의 용량을 확장할 수 있는 능력으로서, 일반적으로 회전자의 물리적 형상 및 크기를 재설계하는 것, 회전자를 고속에서 작동시키는 것, 및/또는 추가 회전자를 추가하는 것을 필요로 한다.

펌프에 의해 생성되는 총 헤드(head)는 회전자 직경과 회전 속도의 함수인 반면 주어진 회전자 직경과 속도에 대한 흐름 전달은 회전자 폭에 의해 결정된다. 주어진 회전자 설계에서, 최대 회전자 속도는 모터가 발생시킬 수 있는 토크의 양에 의해 제한된다. 회전 속도는 또한 모터를 구동하는 데 사용되는 인버터의 주파수 제한과 회전자 입구에서의 유효 흡입 양정(NPSH: Net Positive Suction Head)에 의해 제한된다.

회전자 수를 늘려 출력을 높이는 것은 모든 펌프 또는 터빈 설계에 문제가 될 수 있다. 예를 들어, 멀티스테이지 펌프나 터빈에서는 하나의 대형 모터가 공통 축을 통해 복수의 회전자에 토크를 제공하거나, 하나의 대형 발전기가 공통 축을 통해 복수의 회전자로부터 토크를 받는다. 이 접근 방식은 일반적으로 크고 부피가 큰 모터 또는 발전기를 필요로 하며, 회전자 스테이지의 수가 증가함에 따라 샤프트도 직경을 확장하고 길이를 증가시켜야 하여, 모든 회전자의 결합된 토크와 무게가 수용될 수 있다. 샤프트 길이(예: 두 지지 베어링 사이의 거리)를 최소화하면 펌프의 회전역학적 문제를 방지하기 위해 올바른 샤프트 강성을 보장할 수 있는 이점이 있다.

또한 각 임펠러 스테이지의 고유한 기능적 특성으로 인해, 생성된 유압은 각 개별 임펠러에서 축 방향 추력(axial thrust)을 생성한다. 각각의 개별 임펠러에 의해 결정되는 모든 개별 추력 하중의 합은 상당히 커질 수 있으며 펌프의 정상 작동을 가능하게 하기 위해 동시 추력 하중을 실질적으로 균등화할 수 있는 반대 추력 하중을 생성하는 밸런싱 장치(예: 밸런싱 드럼)의 사용을 필요로 할 수 있다.

다양한 실시예는 유체의 적어도 하나의 특성을 변경하기 위한 펌프를 포함할 수 있다. 펌프는 외부 하우징과 외부 하우징에 위치한 펌프 스테이지를 포함할 수 있다. 펌프 스테이지의 각각의 펌프 스테이지는 임펠러 및 임펠러를 적어도 부분적으로 수용하는 디퓨저를 포함할 수 있다. 펌프는 외부 하우징에 위치된 샤프트를 더 포함할 수 있고, 각각의 펌프 스테이지의 임펠러는 샤프트에 결합되며, 여기서 샤프트는 유체가 각 펌프 스테이지를 통해 이동할 때 유체의 적어도 하나의 특성을 변경하기 위해 샤프트의 축을 중심으로 각각의 임펠러를 회전시킨다. 펌프는 펌프 스테이지의 제1 세트와 펌프 스테이지의 제2 세트 사이에 위치된 교차 요소를 더 포함할 수 있고, 교차 요소는 펌프 스테이지의 제1 세트와 펌프 스테이지의 제2 세트 사이의 유체 연통을 가능하게 한다. 펌프는 외부 하우징에 위치되고 보상 조립체를 초기 위치로 바이어싱시키는 적어도 하나의 바이어싱 요소를 포함하는 보상 조립체를 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 보상 조립체는 펌프 스테이지의 제2 세트가 외부 하우징 내의 적어도 하나의 바이어싱 요소의 바이어싱 힘에 대항하여 펌프 스테이지의 제1 세트 중 적어도 하나 또는 교차 요소에 대한 샤프트의 축을 따른 축방향으로 이동할 수 있도록 한다.

다른 실시예는 외부 하우징 및 외부 하우징에 위치된 제1 유압 인서트를 포함하는 유체의 적어도 하나의 특성을 변경하기 위한 유체 취급 장치를 포함할 수 있으며, 여기서 제1 유압 인서트는 유체가 제1 유압 인서트의 하나 이상의 스테이지를 통해 이동할 때 유체의 적어도 하나의 특성을 변경한다. 유체 취급 장치는 제1 유압 인서트와 유체 연통하는 외부 하우징에 위치된 제2 유압 인서트를 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 제2 유압 인서트는 유체가 제2 유압 인서트의 하나 이상의 추가 스테이지를 통해 이동할 때 유체의 적어도 하나의 특성을 변경한다. 유체 취급 장치는 제1 유압 인서트와 제2 유압 인서트 사이에 위치된 교차 요소를 더 포함할 수 있으며, 여기서 교차 요소는 제1 유압 인서트와 제2 유압 인서트 사이의 유체 연통을 가능하게 한다. 유체 취급 장치는 외부 하우징에 위치되고 하나 이상의 바이어싱 요소를 포함하는 보상 조립체를 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 보상 조립체는 제2 유압 인서트가 하나 이상의 바이어싱 요소의 바이어싱 힘을 극복하기에 충분한 제2 유압 인서트에 가해진 힘에 응답하여 외부 하우징에 대해 축방향으로 외부 하우징 내에서 이동할 수 있게 한다.

다른 실시예는 펌프에 적어도 하나의 유압 인서트를 프리로딩하는 방법을 포함할 수 있으며, 상기 방법은 펌프의 외부 하우징 내에 적어도 하나의 유압 인서트를 위치시키는 단계; 외부 하우징의 보상 조립체의 적어도 하나의 바이어싱 요소를 프리로드하기 위하여 적어도 하나의 유압 인서트를 외부 하우징의 교차 요소에 밀어넣는 단계 - 교차 요소는 적어도 하나의 유압 인서트와 펌프의 다른 부분 사이의 유체 흐름을 가능하게 함 - ; 및 프리로드된 상태의 보상 조립체의 적어도 하나의 바이어싱 요소로 외부 하우징에 적어도 하나의 유압 인서트를 둘러싸는 단계를 포함한다.

본 명세서는 본 발명의 실시예로 간주되는 것을 특히 지적하고 명확하게 청구하는 청구범위로 결론을 내리지만, 본 발명의 실시예의 다양한 특징 및 장점은 첨부된 도면과 결부하여 읽을 때 본 발명의 예시적인 실시예의 다음 설명으로부터 더 쉽게 확인할 수 있다:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보상 조립체를 포함하는 펌프의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보상 조립체의 부분 절개 등축도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 펌프에 위치하는 보상 조립체의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제1 무부하 위치에 있는 펌프에 위치된 보상 조립체의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제2의 부분적으로 적재된 위치에 있는 펌프에 위치된 보상 조립체의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제3의 최대 부하 위치에 있는 펌프에 위치된 보상 조립체의 단면도이다.

본 명세서에 제시된 예시는 임의의 특정 유체 교환기 또는 그 구성요소의 실제 모습을 의미하지 않으며, 단지 예시적인 실시예를 설명하기 위해 사용된 이상적인 표현일 뿐이다. 도면의 축척이 반드시 일치하는 것은 아니다. 도면 사이의 공통 요소는 동일한 숫자 지정을 유지할 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 "제1", "제2", "상부", "하부" 등과 같은 관계 용어 는 일반적으로 개시 내용 및 첨부된 도면을 이해하는 데 있어서 명료성과 편의를 위해 사용되는 것으로, 특정 선호도, 방향 또는 순서를 함축하거나 의존하지 않으며, 문맥상 달리 명시한 경우는 예외이다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 관련된 나열된 항목 중 하나 이상의 임의의 및 모든 조합을 의미하고 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "수직" 및 "측면"이라는 용어는 도면에 도시된 바와 같은 배향을 지칭한다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 주어진 매개변수와 관련하여 용어 "실질적으로" 또는 "약"은 당업자가 이해할 정도를 의미하고 포함하며, 주어진 매개변수, 특성 또는 조건은 예를 들어, 허용 가능한 제조 공차 내와 같이 작은 정도의 편차로 충족된다. 예를 들어, 실질적으로 충족되는 매개변수는 적어도 90% 충족, 적어도 95% 충족, 적어도 99% 충족, 또는 심지어 100% 충족될 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 "유체"라는 용어는 임의의 유형 및 조성의 유체를 의미하고 포함할 수 있다. 유체는 액체 형태, 기체 형태 또는 이들의 조합을 취할 수 있으며, 경우에 따라 일부 고체 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 유체는 본 명세서에 기술된 바와 같이 냉각 또는 가열 공정 동안 액체 형태와 기체 형태 사이에서 전환될 수 있다. 일부 실시예에서, 유체라는 용어는 가스, 액체, 및/또는 액체와 고체의 펌핑 가능한 혼합물을 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 보상 조립체는 펌프 또는 터빈과 같은 유체 취급 장치에서 하중 및 열팽창의 보상을 제공할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예는 추력 하중(예를 들어, 대향 스테이지 펌프 설계에서 반대 추력 하중)을 보상할 수 있고 유압 카트리지의 내부 구성요소(예를 들어, 스테이지의 하나 이상의 인서트, 각각은 임펠러를 포함함)의 축방향 프리로드를 설정할 수 있는 일체화된 보상 조립체 또는 시스템을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예는 터빈으로도 특징지어질 수 있는 펌프를 포함한다. 일부 실시예에서, 멀티스테이지 펌프는 아래에서 논의되는 것과 같이 대향형 다수의 스테이지를 포함할 수 있다. 이러한 부과된 멀티스테이지 펌프는 인라인 스테이지가 있는 멀티스테이지 펌프의 펌프 특성의 대부분 또는 전부를 포함하며, 각 단계는 공통적으로 정렬된다. 그러나 부과된 멀티스테이지 펌프는 유압 추력 하중을 실질적으로 자가 균형화하는 이점을 나타낼 수 있다. 결과적인 펌프 설계는 실질적으로 잔여 전체 추력 하중을 나타낼 수 있고 상대적으로 더 안정적일 수 있고 작동 조건 및 내부 부품의 마모에 덜 민감할 수 있다. 또한 이러한 설계를 통해 상당한 비용 절감 및 작동 단순화와 함께 자체 윤활 표준 추력 베어링을 사용할 수 있다.

대향형 임펠러 펌프에서 구현될 때, 보상 요소 또는 조립체는 유압 세트의 최후 스테이지와 펌프의 대향 스테이지를 분리하는 중앙 요소 사이의 펌프 중앙에(예를 들어, 중앙 요소에 또는 중앙 요소와 일체로) 설치될 수 있다. 이러한 실시예에서, 그리고 이러한 펌프 설계에서의 대향 스테이지를 용이하게 하기 위해, 중앙 요소(예를 들어, 교차 요소)는 유압 스테이지의 2개의 대향 인서트 또는 뱅크 사이의 교차 흐름을 가능하게 하기 위해 대향 스테이지들 사이에 위치될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 보상 요소(예를 들어, 보상 요소 하우징)를 포함하는 중앙 요소는 대향 스테이지의 회전자를 구동하는 샤프트의 중앙 유체역학 베어링으로서 작용하는 중앙 슬리브를 유지하거나 고정하도록 작용할 수 있으며, 펌프 하우징에 대해 스테이지를 정렬할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 보상 요소를 포함하는 중심 요소는 유압 요소의 2개의 블록 사이의 2개의 상이한 압력을 밀봉하는 개스킷을 추가로 유지하거나 고정할 수 있고, 유압 추력의 균형을 맞출 수 있으며, 예를 들어 삽입형(bayonet-type) 클로저와 같은 다양한 유형의 클로저를 사용하기 위한 내부 요소의 압축을 가능하게 할 수 있다.

본 발명의 실시예는 펌프의 최종 스테이지에서 일체형 보상 조립체 또는 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일체형 보상 조립체는 펌프의 중앙 요소 - 중앙 요소는 하나 이상의 스테이지 세트(예를 들어, 대향 스테이지)를 분리함 - 에 근접하게(예를 들어, 중앙 요소에) 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 일체형 보상 조립체는 스테이지 세트의 단부에 있는 스테이지 디퓨저(예를 들어, 스테이지 디퓨저 세트의 최후 스테이지 디퓨저)의 적어도 일 부분을 규정할 수 있다. 전술한 바와 같이, 중앙 요소는 대향하는 스테이지의 세트 사이에서 유체 흐름을 가능하게 하는 교차 요소일 수 있다.

보상 요소 또는 조립체는 펌프의 하나 이상의 스테이지가 펌프의 축 방향을 따라(예를 들어, 종축을 따라, 회전자의 회전축을 따라 등) 이동할 수 있게 할 수 있다. 이러한 움직임은 보정 조립체에 축방향 하중을 줄 수 있다. 예를 들어, 펌프 스테이지의 하나 이상의 세트는 펌프 하우징에 결합되지 않을 수 있고 펌프 하우징를 유지하는 펌프 하우징의 일부(예를 들면, 하나 이상의 하우징 단부 캡)에 의해서만 구속될 수 있다(예를 들어, 스테이지는 펌프 하우징 내에서 실질적으로 자유 부동일 수 있다). 하나 이상의 스테이지 세트는 스테이지의 추가 축방향 이동을 가능하게 하면서 스테이지를 프리로딩하기 위해 보상 요소로 강제될 수 있다.

본 명세서에 개시된 보상 조립체의 일부 실시예는 하나 이상의 바이어싱 요소(예를 들어, Belleville, 크레센트, 돔, 핑거, 웨이브, 단일 웨이브 와셔 등과 같은 스프링 와셔)를 포함하며, 여기서 하나 이상의 바이어싱 요소의 압축 진폭은 열팽창 및 기타 가변 부하 및/또는 펌프 움직임의 동적 보상을 가능하게 한다. 그러한 보상 조립체는 예를 들어 삽입형의 클로저를 갖는 전통적인 스터드 및 볼트와 다른 방법으로 하우징 부분(예를 들어, 펌프 케이싱-커버 클로저)의 사용을 허용할 수 있다.

본 발명의 실시예는 대향하는 스테이지 세트를 갖는 멀티스테이지 임펠러 펌프를 특히 참조하여 보상 조립체를 논의하지만, 추가적인 실시예는 다른 유형의 펌프, 터빈 및 다른 유체 취급 장치(예를 들어, 인라인 임펠러 펌프 등)에서 구현될 수 있다.

도 1은 보상 조립체(102)를 포함하는 펌프(100)의 단면도를 예시한다. 도시된 바와 같이, 펌프(100)는 하나 이상의 스테이지(104)를 포함하는 멀티스테이지 펌프(100)를 포함할 수 있고, 각각의 스테이지(104)는 임펠러(106)(예를 들어, 회전자) 및 디퓨저(108)(예를 들어, 고정자, 스테이지 하우징 등)를 포함한다. 각각의 임펠러(106)는 펌프(100)의 축(예를 들어, 길이방향 축)을 따라 연장되고 그 축을 중심으로 회전하며 외부 및/또는 내부 모터 또는 다른 에너지원에 의해 구동될 수 있는 공통 샤프트(110)에 결합될 수 있다.

대향 구성에서, 인접 스테이지(104)의 각각의 세트는 인서트(예를 들어, 제1 인서트(112) 및 제2 인서트(114))를 정의할 수 있다. 예를 들어, 제1 인서트(112)는 유체 유입구(116)에 근접하게(예를 들어, 유체 유입구에) 위치될 수 있다. 유입구(116)로부터의 유체는 스테이지(104)로 제공될 수 있으며, 각 스테이지(104)는 유체의 적어도 하나의 특성(예를 들어, 운동 에너지, 압력 등)을 변경한다. 전술한 바와 같이, 각각의 임펠러(106)는 유체를 가압하기 위해 유체가 각각의 스테이지(104)를 통과하도록 한다.

제1 인서트(112)를 통과한 후, 유체는 제1 인서트(112)를 제2 인서트(114)로부터 분리하는 중앙 요소(예를 들어, 교차 요소(118))로 통과할 수 있다. 도시된 바와 같이, 교차 요소(118)는 예를 들어, 제1 인서트(112)의 마지막 스테이지(104)의 디퓨저(108)(의 예를 들면 대부분의 축방향의 일측의)의 일부분을 정의할 수 있다. 교차 요소(118) 내의 하나 이상의 채널(120)은 유체가 제2 인서트(114)에 근접한 체적으로 통과할 수 있게 한다. 예를 들어, 유체는 교차 요소(118)로부터 제2 인서트(114)와 제2 인서트(114) 및 제1 인서트(112) 중 하나 또는 둘 모두가 수용되는 외부 펌프 하우징(124) 사이에 규정된 환형(122)으로 통과할 수 있다. 환형(122)은 제2 인서트(114)의 스테이지(104) 주위에서 축 방향으로 연장될 수 있고 방사상 채널(126)과 유체 연통할 수 있다. 방사상 채널(126)은 유체가 제2 인서트(114)의 각각의 스테이지(104)를 통과할 수 있게 하는 제2 인서트(114)의 제1 스테이지(104)의 개구에 유체를 연결할 수 있다.

제2 인서트(114)의 최종 또는 최후 스테이지(104)를 통과한 후, 유체는 펌프(100)의 출구(128)로 통과할 수 있다. 예를 들어, 유체는 최후 스테이지(104)를 나와서, (예를 들어, 교차 요소(118)의 추가 채널(120)을 통해) 다시 교차 요소(118)로 통과할 수 있다. 위와 같이, 교차 요소(118)(예를 들어, 및/또는 교차 요소(118)와 통합된 보상 조립체(102)의 일부)는 제2 인서트(114)의 최후 스테이지(104)의 디퓨저(108)의 일부(예를 들어, 하나의 축방향 측면, 대부분, 전체)를 규정할 수 있다. 교차 요소(118)의 채널(120)은 제2 인서트(114)와 외부 펌프 하우징(124) 사이에서 규정된 또 다른 환형(130)을 통해 출구(128)와 유체 연통할 수 있다.

일부 실시예에서, 그리고 도시된 바와 같이, 교차 요소(118)의 일부는 외측 펌프 하우징(124)을 갖는 환형(122) 및 다른 환형(130) 중 하나 또는 둘 모두의 일부를 규정할 수 있다.

도시된 바와 같이, 보상 조립체(102)는 펌프(100)의 하나 이상의 요소의 일체형 부품으로 규정될 수 있다. 예를 들어, 보상 조립체(102)는 교차 요소(118)의 하나의 축방향 단부에 위치될 수 있고, 제2 인서트(114)의 최후 스테이지(104)의 디퓨저(108)의 적어도 일 부분(예를 들어, 대부분, 전체)를 규정할 수 있다. 예를 들면, 보상 조립체(102)는 교차 요소(118)의 채널(120)과 연결되고 임펠러(106)로부터 외부로 연장되는 방사상 채널(127)을 규정할 수 있다. 추가적인 실시예에서, 보상 조립체(102)는 디퓨저(108)의 일부(예를 들어, 하나의 축방향 측면 또는 그 일부)만을 규정할 수 있고 및/또는 별도의 디퓨저(108)에 결합될 수 있다.

아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 보상 조립체(102)는 (예를 들어, 펌프(100)의 길이방향 축을 따라 및/또는 임펠러(106) 및/또는 샤프트(110)의 회전축을 따라) 펌프(100)의 축 방향으로 하나 이상의 스테이지(104)(예를 들면, 제2 인서트(114)의 스테이지(104))의 이동을 가능하게 할 수 있다. 도시된 바와 같이, 보상 조립체(102)는 일체형 디퓨저(108)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 보상 조립체(102)는 제2 인서트(114)의 각각의 스테이지(104)와 일체화될 수 있으며, 여기서 보상 조립체(102) 및 제2 인서트(114)가 단일 유닛으로서 함께 집합적으로 이동할 수 있다.

보상 조립체(102)는 제2 인서트(114)가 펌프(100)의 다른 부분(예를 들어, 교차 요소(118), 제1 인서트(112) 및/또는 외부 펌프 하우징(124))에 대해 이동을 완화하면서 이동할 수 있게 하는 하나 이상의 바이어싱 요소(132)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 바이어싱 요소는 하나 이상의 스프링 와셔(예를 들어, Belleville, 크레센트, 돔, 핑거, 웨이브, 단일 웨이브 와셔), 스프링(예를 들어, 압축 스프링, 판 스프링, 볼류트 스프링), 및/또는 기타 탄성 압축 가능하거나 변형 가능한 재료 등을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 바이어싱 요소 또는 요소들(132)은 교차 요소(118)로부터 먼 위치에 있는(예를 들면, 그로부터 이격되어 있는) 제2 인서트(114)를 바이어싱할 수 있다. 바이어싱 요소(132)의 변형(예를 들어, 압축과 같은 탄성 변형)은 제2 인서트(114)를 교차 요소(118)에 대해(예를 들면, 그 쪽으로) 이동하게 할 수 있다. 예를 들어 바이어싱 요소(132)의 변형은 제2 인서트 (114)가 교차 요소(118)에 상대적으로 더 가깝게 이동할 수 있게 할 수 있다. 다르게 말하면, 보상 조립체(102)는 바이어싱 요소(132)의 바이어싱 힘을 극복하기에 충분한 제2 인서트(114)에 인가된 힘에 응답하여 교차 요소(118)에 상대적으로 더 가깝게 이동할 수 있다.

일부 실시예에서, 보상 조립체(102)는 인서트(112, 114) 중 하나 이상이 외부 펌프 하우징(124)에 배치될 때 로딩(예를 들어, 축 방향으로 프리로딩)될 수 있다. 예를 들어, 제1 인서트(112), 제2 인서트(114) 및 교차 요소(118)는 외부 펌프 하우징(124)에 위치될 수 있다(예를 들어, 개별적으로, 하나 이상의 그룹으로 또는 조립된 유닛으로서 위치됨). 제1 인서트(112), 제2 인서트(114) 및 교차 요소(118)를 외부 펌프 하우징(124)에 고정하기 위해 하나 이상의 단부 캡(134)(예를 들어, 외부 펌프 하우징(124)의 각 단부에 있음)이 외부 펌프 하우징(124)에 결합될 수 있다.

제1 인서트(112), 제2 인서트(114) 및 교차 요소(118)는 단부 캡(134) 중 적어도 하나(예를 들어, 제2 인서트(114)에 근접한 단부 캡(134))가 외부 펌프 하우징(124)에 고정되는 경우에 보상 조립체(102)가 적어도 부분적으로 프리로딩되도록 하는 크기일 수 있다. 예를 들어, 바이어싱 요소(132)를 변형(예를 들어, 탄성 변형)하기 위해 제2 인서트(114)가 보상 조립체(102)에 강제될 수 있다.

보다 상세히 후술하는 바와 같이, 이러한 설치 프리로드는 바이어싱 요소(132)를 부분적으로만 변형하도록 선택될 수 있다. 보상 조립체(102)는 펌프(100)의 작동 및/또는 선택된 작동 조건 동안 바이어싱 요소(132)의 추가적인 변형을 가능하게 할 수 있다.

단부 캡(134)이 (예를 들어, 볼트로) 외부 하우징(124)에 체결되는 것으로 도시되어 있지만, 일부 실시예에서, 보상 조립체(102)는 다른 폐쇄 조립체의 사용을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 단부 캡(134) 중 하나 또는 둘 다에 빠른 개방 클로저(예를 들어, 삽입형 클로저)가 사용될 수 있으며, 여기서 삽입형 클로저는 외부 펌프 하우징(124)에 인서트(112, 114)를 프리로딩 및/또는 고정할 수 있다.

도시된 바와 같이, 단부 캡(134) 중 하나(예를 들어, 제1 인서트(112)에 근접한 단부 캡(134))는 외부 하우징(124) 내에 삽입될 수 있고 하나 이상의 스테이지(104)의 디퓨저(108)의 적어도 일 부분을 규정할 수 있다.

도 2는 보상 조립체(200)의 부분 절개 등축도이고, 도 3은 펌프(예를 들어, 펌프(100))에 위치된 보상 조립체(200)의 단면도이다. 일부 실시예에서, 보상 조립체(200) 및 펌프(100) 중 하나 또는 둘 다, 또는 이들의 구성요소는 도 1과 관련하여 위에서 논의된 것과 유사할 수 있고 동일한 구성요소를 포함할 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이. 보상 조립체(200)는 교차 요소(202)의 일부에 인접하여 위치된다. 예를 들어, 보상 조립체(200)는 교차 요소(202)의 일부 내에 적어도 부분적으로 수용될 수 있고 교차 요소(202)에 대해 이동할 수 있다. 보상 조립체(200) 및/또는 교차 요소(202)는 펌프(100)의 샤프트(110) 주위로 연장되는 환형 요소로서 형성될 수 있다. 전술한 것처럼, 보상 조립체(200)는 펌프(100)의 하나 이상의 디퓨저(108)의 일부, 대부분 또는 전부를 규정할 수 있다. 예를 들어, 보상 조립체(200)는 임펠러(106)(도 1)에 대한 간극을 제공하는 하나 이상의 내부 오목부(201)를 규정할 수 있고, 유체를 임펠러(106)에 공급하거나 및/또는 유체를 임펠러(106)로부터 안내하기 위한 하나 이상의 유체 채널을 규정할 수 있다.

보상 조립체(200)의 축방향 단부 부분(204)은 교차 요소(202)의 축방향 단부와 인터페이스할 수 있고, 교차 요소(202)의 리세스(206)에 적어도 부분적으로 수용될 수 있다. 예를 들어, 보상 조립체(200)의 축방향 단부 부분(204)은 리세스(206)에 수용될 수 있고, 교차 요소(202)에 대해(예를 들어, 축 방향으로) 이동(예를 들어, 슬라이드, 병진 이동)할 수 있다.

보상 조립체(200)의 축방향 단부 부분(204)의 이동은 하나 이상의 방향으로 제한될 수 있다. 예를 들어, 바이어싱 요소(208)(예를 들어, 스프링, 디스크 와셔 또는 스프링, 벨빌 와셔 또는 스프링, 이들의 조합 등)는 보상 조립체(200)와 교차 요소(202) 사이에 위치하여 이들 요소(200, 202) 사이의 이동을 가능하게 할 수 있으며, 또한 보상 조립체(200)를 교차 요소(202)로부터 멀리 바이어싱함에 의해 이런 움직임을 제한한다. 도시된 바와 같이, 바이어싱 요소(208)는 금속 재료를 포함하는 환형 요소(예를 들어, 링)일 수 있다. 일부 실시예에서, 바이어싱 요소(208)는 보상 조립체(200)의 축방향 단부 부분(204)의 노치 또는 단차부(209) 및 교차 요소(202)의 노치 또는 단차부(211)에 위치될 수 있다.

보상 조립체(200)는 바이어싱 요소(208)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 제1 축방향 아암 또는 부분(210) 및 보상 조립체(200)와 교차 요소(202) 사이에 시일(예를 들어, O-링으로)을 규정하는 제2 축방향 아암 또는 부분(212)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 아암(210) 및 제2 아암(212)은 단차형 구성으로 방사상으로 오프셋될 수 있고, 교차 요소(202)의 상보적인 단차형 리세스(206)에 수용될 수 있다.

보상 조립체(200)의 이동 또는 움직임의 한계는 보상 조립체(200)와 교차 요소(202)의 축방향 대향 표면에 의해 정의될 수 있다. 예를 들어, 교차 요소(202)의 하나 이상의 축방향 표면(214)은 보상 요소(200) 또는 인접 스테이지(104)의 하나 이상의 축방향 표면(216)과 맞닿을 수 있어, 보상 조립체(200)의 이동이 리세스(206)의 교차 요소(202)쪽으로 더 이동하는 것을 방지한다(예를 들면, 바이어싱 요소(208)의 바이어싱 힘에 대항한 움직임).

대향하는 축방향 측에서, 다른 표면(예를 들어, 정지 요소(218))은 보상 조립체(200)가 (예를 들어, 리세스(206)를 빠져나옴으로써) 교차 요소(202)로부터 상대적으로 더 멀리 이동하는 것을 방지할 수 있다. 정지 요소(218)는 교차 요소(202)의 상보적인 방사상 연장 리세스(220) 내에 안착된 링을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 교차 요소(202)에 대한 보상 조립체(200)의 이동은 보상 조립체(200) 및 교차 요소(202)의 각각의 축방향 표면(214, 216) 사이의 하나 이상의 갭(222)을 열고 닫을 수 있다.

일부 실시예에서, 보상 조립체(200) 및 교차 요소(202) 중 하나 또는 둘 다는 바이어싱 요소(208)의 어느 한 축방향 측부 상의 유체력의 적어도 부분적으로(예를 들어, 실질적으로) 균형을 이루기 위한 하나 이상의 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 스캘럽(224)이 보상 조립체(200)에서 규정될 수 있는데, 이는 펌프(100) 내의 유체가 바이어싱 요소(208)의 축방향 양 측면에 도달할 수 있도록 한다. 하나 이상의 스캘럽(224)은 유체에 의해 바이어싱 요소(208)의 일 측면에 가해지는 힘과 동일한 유체로 바이어싱 요소(208)의 대향 측면에 가해지는 실질적으로 유사한 힘이 균형을 이루도록(예를 들면, 임의의 압력 차이를 최소화하도록) 작용할 수 있다.

일부 실시예에서, 교차 요소(202)는 펌프(100) 내의 교차 요소(202)의 이동을 적어도 부분적(예를 들면, 전체)으로 방지하기 위하여 (예를 들면, 상보적인 단차형 방사상 표면들을 이용하여) 외부 펌프 하우징(124)에 적어도 부분적으로 고정(예를 들면, 시일링)될 수 있다. 예를 들면, 교차 요소(202)는 교차 요소(202)와 외부 펌프 하우징(124)의 상보적인 단차형 표면들을 이용하여 외부 펌프 하우징(124) 내에서 실질적으로 중앙에 위치할 수 있다.

일부 실시예에서, 보상 조립체(200) 및 교차 요소(202) 중 하나 또는 둘 다는 체결 특징부(226)를 포함할 수 있고, 이는 바이어싱 요소(208)를 프리로딩하기 위해 보상 조립체(200)를 교차 요소(202)에 고정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 체결 특징부(226)는 펌프(100)에 설치하기 전에 바이어싱 요소(208)를 조정하기 위하여 및/또는 펌프(100)에 설치하기 전에 패스너가 제거될 위치에 정지 요소(218)를 삽입하기 위하여 바이어싱 요소(208)를 프리로딩하는 데 사용될 수 있다.

도 4는 로딩되지 않은 제1 위치에서 펌프(100)에 위치된 보상 조립체(300)의 단면도이다. 일부 실시예에서, 보상 조립체(300) 및 펌프(100) 중 하나 또는 둘, 또는 이들의 구성요소는 도 1 내지 도 3와 관련하여 위에서 논의된 것과 유사할 수 있고 동일한 구성요소를 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 바이어싱 요소(308)는 보상 조립체(300)와 교차 요소(302) 사이의 로딩되지 않은(예를 들어, 비응력) 위치에 있을 수 있다.

도 5는 부분적으로 로딩된 제2 위치에서 펌프(100)에 위치된 보상 조립체(300)의 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 바이어싱 요소(308)는 도 3에 도시된 것과 유사한 방식으로 프리로딩될 수 있다. 일부 실시예에서, 프리로딩은 보상 조립체(300)와 교차 요소(302)를 분리할 때의 바이어싱 요소(308)의 공칭 응력 상태(nominal stress condition)일 수 있다. 일부 실시예에서, 이 프리로드 위치는 예를 들어 유체 누출을 최소화하거나 방지하기 위해 펌프(100)의 위치들 사이(예를 들어, 스테이지(104) 사이)에 최적 정렬을 제공하도록 설계될 수 있다.

도 6은 최대 로딩된 제3 위치에서 펌프(100)에 위치된 보상 조립체(300)의 단면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 바이어싱 요소(308)는 최대 편향 위치에 있을 수 있다. 예를 들어, 보상 조립체(300)와 교차 요소(302)의 대향하는 축방향 표면의 하나 이상의 세트는 보상 조립체(300)의 임의의 추가 이동 및/또는 바이어싱 요소(308)의 임의의 추가 바이어싱을 방지하기 위해 접촉 상태에 있을 수 있다. 그러한 실시예에서, 임의의 추가적인 축방향 하중은 보상 조립체(300)와 교차 요소(302)의 접촉면에 의해 직접적으로 흡수될 것이고, 그 후 펌프 하우징(124) 및/또는 단부 캡(134)(도 1)으로 견고하게 전달될 것이다. 이러한 구성은 바이어싱 요소(308)의 과부하를 적어도 부분적으로 또는 전체적으로 방지할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 펌프 또는 터빈과 같은 유체 취급 장치에서 부하 및 열 팽창의 보상을 제공할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예는 (예를 들어, 대향 스테이지 펌프 설계에서) 추력 하중을 보상할 수 있고 유압 카트리지의 내부 구성요소(예를 들어, 스테이지 세트)의 축방향 프리로드를 설정할 수 있는 통합 보상 조립체 또는 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 통합 보상 시스템은 바이어싱 요소가 스테이지를 펌프의 축 방향을 따라 선택된 최적의 위치에 바이어싱하는 역할을 함에 따라 동작 조건의 대부분 또는 심지어 모두에서 펌프의 스테이지의 유압 카트리지를 기능적 평형 상태로 유지하는 기능을 할 수 있다. 보상 조립체는 또한 최적의 정렬 및 유압 카트리지를 구성하는 펌프의 내부 부품의 간단한 장착 또는 설치를 가능하게 한다.

본 명세서에 개시된 실시예에 따른 펌프 또는 유체 취급 장치는 상대적으로 높은 내부 생성 압력을 견딜 수 있고, 펌프 외부의 액체 누출 외에도 내부 유체 누출을 방지할 수 있고, 부하 사이클 및 열팽창 및/또는 다른 작동 온도 조건에서 충격을 견딜 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 보상 조립체는 설계 기대치와 일치하는 조립체를 실질적으로 보장하기 위해 다수의 구성요소(예를 들어, 펌프 또는 터빈 스테이지)의 조립시 기계 공차의 누적을 설명하는 데 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 보상 조립체의 일부 실시예는 내부 추력 하중, 열팽창, 및/또는 펌프의 제조 기계 공차 누적 가변성에 대한 회전자 스택의 압축 및 감압을 가능하게 할 수 있다.

본 명세서에서 특정 예시 실시예에 대해 설명하였지만, 당업자는 그것이 그렇게 제한되지 않음을 인지하고 인식할 것이다. 오히려, 도시된 실시예에 대한 많은 추가, 삭제 및 변경이 법적 등가물을 포함하여 이하 청구되는 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 또한, 하나의 실시예로부터의 특징은 다른 실시예의 특징과 결합될 수 있으며, 본 발명자들이 고려한 본 발명의 범위 내에 여전히 포함된다.

Claims

유체의 적어도 하나의 특성을 변경하기 위한 펌프로서, 상기 펌프는:
외부 하우징;
상기 외부 하우징에 위치한 펌프 스테이지로서, 상기 펌프 스테이지의 각각의 펌프 스테이지가:
임펠러; 및
상기 임펠러를 적어도 부분적으로 수용하는 디퓨저를 포함하는 펌프 스테이지;
외부 하우징에 위치된 샤프트 - 각각의 펌프 스테이지의 상기 임펠러는 상기 샤프트에 결합되며, 상기 샤프트는 유체가 각각의 펌프 스테이지를 통해 이동할 때 유체의 적어도 하나의 특성을 변경하기 위해 샤프트의 축을 중심으로 각각의 임펠러를 회전시킴 - ;
펌프 스테이지의 제1 세트와 펌프 스테이지의 제2 세트 사이에 위치된 교차 요소 - 상기 교차 요소는 펌프 스테이지의 제1 세트와 펌프 스테이지의 제2 세트 사이의 유체 연통을 가능하게 함 - ; 및
외부 하우징에 위치된 보상 조립체로서, 상기 보상 조립체를 초기 위치로 바이어싱시키는 적어도 하나의 바이어싱 요소를 포함하는 보상 조립체 - 상기 보상 조립체는 펌프 스테이지의 제2 세트가 상기 외부 하우징 내의 적어도 하나의 바이어싱 요소의 바이어싱 힘에 대항하여 펌프 스테이지의 제1 세트 중 적어도 하나 또는 교차 요소에 대한 샤프트의 축을 따라 축방향으로 이동할 수 있도록 함 -
을 포함하는, 펌프.
청구항 1에 있어서, 상기 보상 조립체는 상기 교차 요소 내에 적어도 부분적으로 위치되고 상기 교차 요소와 통합되는, 펌프.
청구항 2에 있어서, 상기 보상 조립체는 상기 교차 요소에 대해 이동하도록 구성되는, 펌프.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 바이어싱 요소는 상기 보상 조립체와 상기 교차 요소 사이의 가요성 연결을 규정하고, 상기 펌프는 제2 인서트가 상기 외부 하우징에 수용되는 경우에 적어도 하나의 바이어싱 요소를 변형시키도록 구성되는, 펌프.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 바이어싱 요소 및 상기 보상 조립체의 적어도 일 부분은 상기 교차 요소에서 규정된 리세스 내에 수용되고, 상기 보상 조립체는 적어도 하나의 바이어싱 요소의 바이어싱 힘을 극복하기에 충분한 펌프 스테이지의 제2 세트에 가해지는 힘에 응답하여 상기 리세스 내로 더 이동하도록 구성되는, 펌프.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 바이어싱 요소는 상기 교차 요소에 대한 상기 펌프 스테이지의 제2 세트의 이동을 감쇠시키도록 구성되는, 펌프.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 샤프트의 축을 따른 적어도 하나의 이동 방향으로 상기 펌프 스테이지의 제2 세트의 축방향 이동을 제한하기 위한 적어도 하나의 정지면을 더 포함하는, 펌프.
청구항 7에 있어서, 적어도 하나의 정지면은 적어도 하나의 바이어싱 요소의 과부하를 적어도 부분적으로 방지하도록 위치되는, 펌프.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 바이어싱 요소는 디스크 스프링을 포함하는, 펌프.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보상 조립체는 상기 보상 조립체에 인접하게 위치된 펌프 스테이지의 디퓨저를 규정하는, 펌프.
유체의 적어도 하나의 특성을 변경하기 위한 유체 취급 장치로서, 상기 유체 취급 장치는:
외부 하우징;
상기 외부 하우징에 위치된 제1 유압 인서트 - 상기 제1 유압 인서트는 유체가 제1 유압 인서트의 하나 이상의 스테이지를 통해 이동할 때 유체의 적어도 하나의 특성을 변경함 - ;
제1 유압 인서트와 유체 연통하는 외부 하우징에 위치된 제2 유압 인서트 - 제2 유압 인서트는 유체가 제2 유압 인서트의 하나 이상의 추가 스테이지를 통해 이동할 때 유체의 적어도 하나의 특성을 변경함 - ;
제1 유압 인서트와 제2 유압 인서트 사이에 위치된 교차 요소 - 상기 교차 요소는 제1 유압 인서트와 제2 유압 인서트 사이의 유체 연통을 가능하게 함 - ; 및
외부 하우징에 위치되고 하나 이상의 바이어싱 요소를 포함하는 보상 조립체 - 상기 보상 조립체는, 제2 유압 인서트가, 하나 이상의 바이어싱 요소의 바이어싱 힘을 극복하기에 충분한 제2 유압 인서트에 가해진 힘에 응답하여 상기 외부 하우징에 대해 축방향으로 상기 외부 하우징 내에서 이동할 수 있게 함 -
을 포함하는, 유체 취급 장치.
청구항 11에 있어서, 상기 외부 하우징에 결합된 단부 캡을 더 포함하고, 상기 장치는 상기 단부 캡이 상기 외부 하우징과 결합될 때 상기 하나 이상의 바이어싱 요소를 프리로딩하도록 구성되는, 유체 취급 장치.
청구항 12에 있어서, 상기 단부 캡은 하나 이상의 패스너 또는 삽입형 클로저(bayonet closure)로 상기 외부 하우징에 결합되는, 유체 취급 장치.
청구항 11 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 제2 유압 인서트가 상기 외부 하우징에 수용될 때 적어도 하나의 디스크 스프링을 포함하는 하나 이상의 바이어싱 요소를 변형시키도록 구성된, 유체 취급 장치.
청구항 11 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 펌프를 포함하고, 상기 제1 유압 인서트의 하나 이상의 스테이지 및 상기 제2 유압 인서트의 하나 이상의 추가 스테이지는 각각 하우징 내의 임펠러를 포함하는, 유체 취급 장치.
펌프에 적어도 하나의 유압 인서트를 프리로딩하는 방법으로서, 상기 방법은:
상기 펌프의 외부 하우징 내에 적어도 하나의 유압 인서트를 위치시키는 단계;
상기 외부 하우징 내의 보상 조립체의 적어도 하나의 바이어싱 요소를 프리로딩하기 위하여 적어도 하나의 유압 인서트를 상기 외부 하우징 내의 교차 요소에 밀어넣는 단계 - 상기 교차 요소는 적어도 하나의 유압 인서트와 상기 펌프의 다른 부분 사이의 유체 흐름을 가능하게 함 - ; 및
프리로딩된 상태의 상기 보상 조립체의 적어도 하나의 바이어싱 요소로 상기 외부 하우징 내의 적어도 하나의 유압 인서트를 둘러싸는 단계를 포함하는, 방법.
청구항 16에 있어서, 상기 보상 조립체의 일부로 적어도 하나의 유압 인서트의 임펠러의 하우징을 규정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
청구항 17에 있어서, 상기 하우징을 규정하는 상기 보상 조립체의 부분을 적어도 하나의 바이어싱 요소로 상기 교차 요소에 이동 가능하게 연결하는 단계를 더 포함하는, 방법.
청구항 16 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서, 단부 캡을 상기 외부 하우징에 고정함으로써 상기 보상 조립체의 적어도 하나의 바이어싱 요소를 선택된 양만큼 탄성 변형시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
청구항 16 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 유압 인서트와 상기 펌프의 상기 외부 하우징 내에 위치된 다른 유압 인서트 사이에 유체 흐름을 제공하도록 상기 교차 요소를 구성하는 단계를 더 포함하는 방법.