KR20230098319A

KR20230098319A - 축방향으로 개재되는 마찰 링을 사용하여 샤프트가 임펠러에 결합되어 있는 터보기계

Info

Publication number: KR20230098319A
Application number: KR1020237018477A
Authority: KR
Inventors: 귀도 발; 마르트 리베르트; 스테파노 바뇰리; 한스 메우스; 코엔 페터스; 비외른 페렐스트
Original assignee: 아틀라스 캅코 에어파워, 남로체 벤누트삽
Priority date: 2020-11-16
Filing date: 2021-11-10
Publication date: 2023-07-03
Also published as: JP2023550720A; US20230366316A1; CA3193653A1; AU2021378478A1; BE1028803A1; EP4244496A1; WO2022101277A1; CN116368310A; BE1028803B1

Abstract

제1 단부를 갖는 샤프트와 이 샤프트의 제1 단부에 배치되어 상기 샤프트의 제1 단부에 결합되는 임펠러를 포함하는 터보기계로서, 상기 샤프트와 상기 임펠러는 회전축을 중심으로 회전하도록 함께 배치되며, 상기 터보기계는 샤프트의 제1 단부에서의 축방향 표면과 임펠러의 대향하는 축방향 표면 사이에 클램핑되는 마찰 링을 포함한다.

Description

축방향으로 개재되는 마찰 링을 사용하여 샤프트가 임펠러에 결합되어 있는 터보기계

본 발명은 터보기계에 관한 것이다.

터보기계는, 샤프트에 배치되어 이 샤프트에 결합된 하나 이상의 임펠러와 유체의 흐름 사이에서 에너지가 교환되는 기계이며, 상기 샤프트와 상기 임펠러는 회전축을 중심으로 함께 회전하도록 배치된다.

터보기계는 종종 단 하나의 임펠러만을 포함하며, 이때 상기 임펠러는 오버행(overhang)으로 배치되고, 볼트 연결을 통해 터보기계의 샤프트의 축방향 평면(단부면)에 결합된다. 이러한 결합은 문제를 야기한다. 예를 들어, 큰 토크가 제한된 경계면을 통해 전달되어야만 한다. 더욱이, 임펠러의 축방향 일측에만 베어링이 존재하는 경우, 분당 수만 회의 회전에 도달할 수 있는 기계의 매우 빠른 속도와 연관되는 오버행으로의 장착은, 회전 질량의 불균형을 최소화하기 위해 임펠터와 샤프트의 정렬에 대해 매우 고도의 요구조건을 부여한다.

특히, 터보기계의 시동 중에, 샤프트의 단부면에 대해 임펠러의 대향 단부면이 상대적으로 움직이는 경향이 있는데, 이는 회전 질량의 불균형을 증가시키고, 허용 가능한 수준을 초과하는 진동을 야기시킬 수도 있다. 이러한 상대적인 변위는, 서로 대향하는 양 단부면의 상대적인 반경방향 변위, 서로 대향하는 양 단부면의 틸팅(tilting), 서로 대향하는 양 단부면의 비틀림 변위(torsional displacement), 또는 이러한 형태의 변위들 중 2이상의 조합을 포함할 수도 있다. 상대적인 변위에 대한 이러한 경향성은, 샤프트에 비해 임펠러가 무거워질수록 그리고 샤프트 및/또는 임펠러에 작용하는 토크가 증가할수록 및/또는 더 빠르게 변화할수록 증가하게 된다.

샤프트의 단부면과 임펠러의 대향 단부면 양자 모두에 서로 맞물리는 상보형의 테이퍼드 톱니(tapered teeth)가 마련되는 소위 Hirth 결합(Hirth coupling)은, 이러한 임펠러와 샤프트 사이의 결합을 구현하기 위한 보정된 해법이며, 이는, Hirth 결합의 셀프 센터링(self-centring) 특성으로 인해 위에서 언급한 상대적인 반경방향 변위 또는 비틀림 변위를 상쇄시킨다. 그러나, 임펠러 및 샤프트의 단부면 상에 요구되는 치형 프로파일을 제조하는 것은, 힘들고 시간 소모적이며 따라서 또한 고비용의 작업이다.

문헌 DE102010040288A1은, 터보기계의 샤프트의 단부면과 임펠러의 대향 단부면 사이에, 샤프트와 임펠러를 연결하는 볼트 주위에 동심원으로 배치되는 하나 이상의 중간 부품을 배치함으로써 이 문제를 해결하려고 시도한 것이다. 중간 부품의 한쪽 단부면은 샤프트 또는 임펠러의 단부면에 볼트로 결합되는 반면, 다른쪽 단부면에는 치형 프로파일이 마련된다. 따라서, 하나는 샤프트 단부면에 부착되고 다른 하나는 대향하는 임펠러 면에 부착되는 2개의 상보적 스페이서(spacer)를 사용함으로써, 샤프트 및 임펠러의 단부면에 기어장치를 제공하는 어려움 없이 샤프트와 임펠러 사이의 Hirth 결합을 달성할 수 있다.

그러나, DE102010040288A1의 시스템에서는, 하나 이상의 중간 부품과 샤프트 및/또는 임펠러 사이에 볼트 연결이 이루어져야만 한다. 이는 제조 공정의 추가 단계를 수반하며, 이에 따라 원가가 더욱 높아진다. 더욱이, 이러한 볼트 연결은, 결국 기계 작동 중에도 정렬된 상태로 유지되어야만 하고, 이에 따라, 축방향으로 결합된 2개의 회전 부재 사이의 상대적인 반경방향 변위의 문제는, 임펠러와 샤프트 사이의 경계면의 문제로부터 하나 이상의 스페이서와 샤프트 및/또는 임펠러 사이의 경계면에서의 문제로 옮겨지게 된다.

따라서, 터보기계의 샤프트와 임펠러 사이의 상대적인 반경방향 변위를 상쇄하기 위한 또 다른 해법이 필요하다.

본 발명의 목적은 전술한 단점들 중 적어도 하나에 대한 해법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 제1 단부를 갖는 샤프트 및 상기 샤프트의 제1 단부에 배치되어 상기 샤프트의 제1 단부에 결합되는 임펠러를 포함하는 터보기계로서, 상기 샤프트와 상기 임펠러는 회전축을 중심으로 회전하도록 함께 배치되는 것인 터보기계가 개시되며, 상기 터보기계는 샤프트의 제1 단부에서의 축방향 표면(면)과 임펠러의 대향하는 축방향 표면(단부면) 사이에 클램핑되는 마찰 링(friction ring)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

일부 실시예에 있어서, 상기 터보기계는, 임펠러가 드로우 볼트(draw bolt) 연결 또는 드로우 바(draw bar) 연결에 의해 샤프트의 제1 단부에 결합되는 것을 특징으로 한다.

드로우 볼트 연결 또는 드로우 바 연결에 있어서, 샤프트 및 임펠러는 드로우 볼트 또는 드로우 바를 수용하도록 마련된다. 드로우 볼트 또는 드로우 바는, 예를 들어 드로우 볼트 또는 드로우 바의 제1 단부를 이러한 목적을 위해 2개의 부품 중 하나에 마련된 나사산에 나사 결합시킴으로써 2개의 부품 중 하나에 고정적으로 부착된다. 다음으로, 드로우 볼트 또는 드로우 바는, 이들의 두 단부 사이에 인장력을 인가함으로써 바이어스(bias)된다. 그 후, 드로우 볼트 또는 드로우 바를 역시 수용하지만 드로우 볼트 또는 드로우 바에 아직 고정적으로 부착되지는 않은 제2 부품이, 제1 부품과 연결부의 클로징 피스(closing piece) 사이에 클램핑된다. 이러한 클로징 피스는, 예를 들어 볼트 또는 바의 제2 단부에 나사 결합되는 너트일 수도 있다. 예를 들어 너트를 원하는 토크로 조임으로써 클로징 피스가 원하는 방식으로 고정되자마자 인장력은 해제된다.

드로우 볼트 연결 또는 드로우 바 연결이 간단하고 저렴한 연결 기법이라는 것은 전술한 실시예의 장점이다.

임펠러가 드로우 볼트 연결에 의해 샤프트의 제1 단부에 결합되는 일부 실시예에 있어서, 터보기계는, 샤프트의 제1 단부에서의 축방향 표면(단부면)과 임펠러의 대향하는 축방향 표면(단부면) 사이에 드로우 볼트 연결을 통해 마찰 링이 클램핑되는 것을 특징으로 한다.

마찰 링을 클램핑하기 위해 추가 부품이 필요하지 않다는 것이 전술한 실시예의 장점이다.

일부 실시예에 있어서, 터보기계는 임펠러와 샤프트가 실질적으로 상이한 재료로 구성되는 것을 특징으로 하며, 이때 임펠러의 재료는 샤프트의 재료보다 낮은 질량 밀도를 갖는다.

임펠러의 질량 밀도가 낮을수록 더욱 양호한 임펠러 동역학을 가능하게 한다는 것이 전술한 실시예의 장점이다. 예를 들어, 임펠러는 실질적으로 알루미늄으로 구성될 수도 있는 반면, 샤프트는 실질적으로 강철로 구성된다.

일부 실시예에 있어서, 터보기계는, 샤프트의 제1 단부에서의 축방향 표면(단부면)과 임펠러의 대향하는 축방향 표면(단부면) 사이의 상대적인 변위를 마찰 링이 상쇄하도록 되어 있는 것을 특징으로 한다.

일반적으로, 터보기계의 회전 부품의 질량 중심들은 터보기계의 회전축과 정확하게 일치하는 것은 아니다. 터보기계의 작동 중에, 회전 부품의 질량 중심에 작용하는 충격 하중은, 샤프트의 제1 단부에서의 단부면과 임펠러의 대향하는 단부면 사이의 전단력으로 귀결된다. 이러한 전단력은, 위에서 언급한 단부면들 사이의 정적 마찰력 및 동적 마찰력에 의해 상쇄된다. 전단력이 정적 마찰력을 초과하면, 위에서 언급한 단부면들 사이에 상대적인 변위가 발생할 수 있다. 이러한 상대적인 변위는, 터보기계의 불균형을 허용 불가능한 수준으로 증가시킬 수도 있다.

이러한 실시예의 장점은, 터보기계가 임펠러와 샤프트 사이에서 그 기하학적 구조, 예를 들어 Hirth 결합과 같은 기하학적 구조로 인해 셀프 센터링 특성을 갖는 결합을 필요로 하지 않는다는 것이다. 임펠러와 샤프트 사이의 결합은, 마찰 링의 존재로 인해 더 큰 셀프 센터링 경향을 얻는다. 바람직하게는, 마찰 링은 임펠러 및 샤프트에 비해 매우 얇고 경량이어서, 마찰 링 자체가 터보기계의 회전축에 대해 센터링되지 않더라도 터보기계의 정렬 품질 수준에 악영향을 미치지 않는다.

이러한 실시예의 추가적인 장점은, 터보기계의 동일한 수준의 정렬 품질에 대해, 마찰 링이 없는 터보기계보다는 전술한 터보기계가, 더 높은 속도, 더 높은 파워, 더 높은 질량 유량 또는 전술한 것들 중 2이상의 조합으로 작동할 수 있다는 것이다.

이러한 실시예의 추가적인 장점은, 동일한 허용 가능한 진동 레벨에 대해, 마찰 링이 없는 터보기계보다는 전술한 터보기계가, 더욱 신속하게 속도를 변경할 수 있다는 것이다.

이러한 실시예의 추가적인 장점은, 동일한 허용 가능한 진동 레벨에 대해, 샤프트 질량에 대한 임펠러 질량의 비율이, 마찰 링이 없는 터보기계에서보다는 더 높을 수 있다는 것이다.

이러한 실시예의 추가적인 장점은, 동일한 허용 가능한 진동 레벨에 대해, 마찰 링이 없는 터보기계의 샤프트보다는 전술한 터보기계의 샤프트가, 더 작은 직경 및/또는 더 작은 질량을 가질 수 있다는 것이다.

이러한 실시예의 터보기계의 추가적인 장점은, 동일한 직경의 샤프트에 대해 또는 샤프트 및 임펠러의 단부면들에서의 동일한 접촉 압력에 대해, 마찰 링이 없는 터보기계에서보다는 더 큰 토크가 샤프트와 임펠러 상에서 전달될 수 있다는 것이다.

일부 실시예에 있어서, 마찰 링은 샤프트의 제1 단부에서의 축방향 표면(단부면)과 임펠러의 대향하는 축방향 표면(단부면) 사이의 상대적인 변위를 상쇄하도록 되어 있으며, 터보기계는, 마찰 링의 축방향 표면이 코팅에 의해 적어도 부분적으로 덮여 있는 것을 특징으로 하는데, 여기서 상기 코팅은 금속 또는 금속 합금의 실질적으로 균일한 층뿐만 아니라 금속 또는 금속 합금의 층에 적어도 부분적으로 둘러싸인 개별 입자를 포함하며, 상기 입자의 중위 직경(median diameter)은 금속 또는 금속 합금의 층의 두께보다 크다.

일부 실시예에 있어서, 마찰 링의 축방향 표면은 코팅에 의해 적어도 부분적으로 덮여 있고, 여기서 상기 코팅은 금속 또는 금속 합금의 실질적으로 균일한 층뿐만 아니라 금속 또는 금속 합금의 층에 적어도 부분적으로 둘러싸인 개별 입자를 포함하며, 상기 입자의 중위 직경은 금속 또는 금속 합금의 층의 두께보다 크고, 상기 터보기계는, 상기 입자의 경도가 임펠러의 대향하는 축방향 표면(단부면)의 재료의 경도보다 더 큰 것을 특징으로 한다.

이러한 실시예의 장점은, 마찰 링 상의 입자가 임펠러의 축방향 표면에 침투하여 임펠러와 마찰 링 사이의 마찰 계수를 증가시킬 수 있다는 것이다. 이를 통해, 예컨대 알루미늄 임펠러를, 예를 들어 강철 샤프트와 조합하여 사용할 수 있게 된다. 후자의 조합은 마찰 링의 존재 없이는 구현하기가 곤란한데, 왜냐하면 알루미늄의 허용 가능한 표면 압력 또는 강철과 알루미늄으로 된 2개의 표면 사이의 마찰 계수가 각각 너무 낮아서, 터보기계의 정상 작동 시에, 각각 임펠러 및 샤프트의 단부면들 사이의 허용 불가능한 변위를 충분히 상쇄할 수 없기 때문이다.

일부 실시예에 있어서, 마찰 링의 코팅 내의 입자의 경도는 임펠러의 대향하는 축방향 표면(단부면)의 재료의 경도보다 크고, 터보기계는, 상기 입자가 실질적으로 다이아몬드 또는 세라믹 재료로 구성되는 것을 특징으로 한다.

일부 실시예에 있어서, 터보기계는, 임펠러가 원심 임펠러인 것을 특징으로 한다.

일부 실시예에 있어서, 터보기계는, 터보기계가 압축기, 송풍기 또는 터빈인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2 양태에 따르면, 터보기계의 임펠러와 터보기계의 샤프트 사이의 상대적인 변위를 상쇄하기 위한 방법이 개시되며, 여기서 임펠러는 샤프트의 제1 단부에 결합되고, 임펠터와 샤프트 양자 모두는 회전축을 중심으로 회전하도록 함께 움직이게 배치되며, 상기 방법은, 샤프트의 제1 단부에서의 축방향 표면과 임펠러의 대향하는 축방향 표면 사이에 마찰 링을 클램핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 방법의 기술적 효과 및 장점은, 필요한 부분만 약간 수정하면, 본 발명에 따른 터보기계의 기술적 효과 및 장점에 상응한다.

본 발명의 제3 양태에 따르면, 터보기계에서의 마찰 링의 사용이 개시되는데, 상기 터보기계는 제1 단부를 갖는 샤프트 및 샤프트의 제1 단부에 배치되어 샤프트의 제1 단부에 결합되는 임펠러를 포함하며, 샤프트와 임펠러는 회전축을 중심으로 회전하도록 함께 배치되며, 여기서 마찰 링은 샤프트의 제1 단부에서의 축방향 표면과 임펠러의 대향하는 축방향 표면 사이에 클램핑되어, 샤프트의 제1 단부에서의 축방향 표면과 임펠러의 대향하는 축방향 표면 사이의 상대적인 변위를 상쇄시킨다.

본 발명에 따른 마찰 링을 사용하는 것의 기술적 효과 및 장점은, 필요한 부분만을 약간 수정하면, 본 발명에 따른 터보기계의 기술적 효과 및 장점에 상응한다.

도 1은 본 발명에 따른 터보기계의 실시예의 개략적인 분해도를 도시한다.
도 2는 도 1의 축(1)을 따른 개략적인 단면도를 도시한다.
도 3은 도 2의 단면에 따른 영역(X)의 개략적인 확대도를 도시한다.

본 발명은 특정 실시예를 참조하여 아래에 설명된다. 이들 특정 실시예는 본 발명을 대표하지만, 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 본 발명은 아래에 도시된 및/또는 설명된 특정 실시예로 제한되지 않으며, 대안적인 실시예가 본원의 설명의 사상 내에서 개발될 수도 있다. 도면은 온전히 개략적인 것이며, 반드시 본 발명의 모든 부분을 나타내는 것은 아니고, 제한적이지 않으며, 반드시 축척에 따른 것은 아니다.

본 설명에서 "실시예"를 참조하는 경우, 이러한 참조는, 해당하는 구체적인 실시예를 참고하여 설명된 구체적인 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 하나 이상의 실시예에 포함됨을 의미한다. 본 명세서에서 "일 실시예", "일부 실시예", "바람직한 실시예" 등을 참조하는 것은, 동일한 실시예를 지칭하는 것일 수는 있으나 반드시 그런 것은 아니다. 더욱이, 특정 실시예의 특정한 특징, 구조, 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 터보기계의 실시예의 개략적인 분해도를 도시한다. 도 1에서 터보기계의 모든 부분을 볼 수 있는 것은 아니다.

제시된 실시예는 샤프트(10), 임펠러(20), 마찰 링(30), 드로우 볼트(40) 및 너트(50)를 포함한다. 바람직하게는, 이들 부품 각각은 실질적으로 축대칭이고, 여기서 상기 축대칭으로부터의 편차는 사용되는 제조 공정의 공차 한계, 마모 또는 하나 이상의 구조의 추가로부터 발생하는데, 상기 하나 이상의 구조의 총 질량은, 상기 하나 이상의 구조가 추가되는 부분의 질량을 기준으로, 10% 미만, 바람직하게는 1% 미만, 더욱 바람직하게는 0.1% 미만, 훨씬 더 바람직하게는 0.01% 미만, 가장 바람직하게는 0.001% 미만이다. 바람직하게는, 이들 부품 각각의 정렬은 개별적으로 G 1 등급, 보다 바람직하게는 G 0.7 등급으로 ISO 21940 표준을 준수한다.

바람직하게는, 이들 부품은, 해당 부품들의 개별적인 대칭축들이 실질적으로 일치하게 되도록 서로에 대해 정렬된다. 이들 부품은 터보기계의 회전축(1)을 중심으로 함께 회전하도록 배치된다. 바람직하게는, 이들 부품은, 해당 부품들의 개별적인 대칭축들이 회전축(1)과 실질적으로 일치하게 되도록 정렬된다.

도 2 및 도 3은 이러한 부품에 대한 자세한 내용을 제시한다. 제시된 실시예의 부품 및 조립체가 아래에 설명되고, 이후 제시된 실시예에서의 이들의 협력이 설명된다.

샤프트(10)는, 샤프트(10)의 대칭축에 실질적으로 동심인 제1 축방향 보어(11)를 포함한다. 샤프트(10)는, 제1 축방향 보어(11) 및 샤프트(10)의 대칭축에 실질적으로 동심인 제2 축방향 보어(12)를 포함한다. 제1 축방향 보어(11)는 제2 축방향 보어(12)보다 더 깊다. 제1 축방향 보어(11)는 제2 축방향 보어(12)보다 직경이 더 작다.

바람직하게는, 제2 축방향 보어(12)는 1mm 초과의 깊이, 더욱 바람직하게는 3mm 초과의 깊이, 훨씬 더 바람직하게는 5mm 초과의 깊이, 가장 바람직하게는 10mm 초과의 깊이를 갖는다. 바람직하게는, 제2 축방향 보어(12)는 50mm 미만의 깊이, 더욱 바람직하게는 40mm 미만의 깊이, 훨씬 더 바람직하게는 30mm 미만의 깊이, 가장 바람직하게는 20mm 미만의 깊이를 갖는다.

바람직하게는, 제1 축방향 보어(11)는 제2 축방향 보어(12)의 깊이보다 적어도 20mm만큼 더 큰 깊이, 더욱 바람직하게는 적어도 30mm만큼 더 큰 깊이, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 40mm만큼 더 큰 깊이, 가장 바람직하게는 적어도 50mm만큼 더 큰 깊이를 갖는다. 바람직하게는, 제1 축방향 보어(11)는 제2 축방향 보어(12)의 깊이보다 100 mm 미만만큼 더 큰 깊이, 더욱 바람직하게는 90 mm 미만만큼 더 큰 깊이, 훨씬 더 바람직하게는 80 mm 미만만큼 더 큰 깊이, 가장 바람직하게는 70mm 미만만큼 더 큰 깊이를 갖는다.

바람직하게는, 제2 축방향 보어(12)는 샤프트(10)의 직경의 60% 초과의 직경, 더욱 바람직하게는 샤프트의 직경의 65% 초과의 직경, 훨씬 더 바람직하게는 샤프트의 직경의 70% 초과의 직경, 가장 바람직하게는 샤프트의 직경의 75% 초과의 직경을 갖는다. 바람직하게는, 제2 축방향 보어(12)는 샤프트(10)의 직경의 95% 미만의 직경, 더욱 바람직하게는 샤프트의 직경의 90% 미만의 직경, 훨씬 더 바람직하게는 샤프트의 직경의 85% 미만의 직경, 가장 바람직하게는 샤프트의 직경의 80% 미만의 직경을 갖는다.

바람직하게는, 제1 축방향 보어(11)는 샤프트(10)의 직경의 10% 초과의 직경, 더욱 바람직하게는 샤프트의 직경의 15% 초과의 직경, 훨씬 더 바람직하게는 샤프트의 직경의 20% 초과의 직경, 가장 바람직하게는 샤프트의 직경의 25% 초과의 직경을 갖는다. 바람직하게는, 제1 축방향 보어(11)는 샤프트(10)의 직경의 50% 미만의 직경, 더욱 바람직하게는 샤프트의 직경의 45% 미만의 직경, 훨씬 더 바람직하게는 샤프트의 직경의 40% 미만의 직경, 가장 바람직하게는 샤프트의 직경의 35% 미만의 직경을 갖는다.

제1 축방향 보어(11) 및 제2 축방향 보어(12)는, 샤프트(10) 상에 실질적으로 동심인 2개의 환형 단부면을 정의한다. 제1 단부면(13)은 샤프트의 단부에 위치하고, 샤프트의 직경 및 제2 축방향 보어(12)의 직경에 의해 한정된다. 제2 단부면(14)은 제2 축방향 보어(12)에 리세스(recess)되고, 제1 축방향 보어 및 제2 축방향 보어의 직경에 의해 한정된다. 바람직하게는, 양 단부면은, 에지에서의 라운딩(rounding) 또는 챔퍼링(chamfering)을 제외하고는, 실질적으로 평면적이고, 샤프트(10)의 대칭축에 실질적으로 수직인 평면에 위치된다.

샤프트(10)는 강철로 제조되는 것이 바람직하다. 이러한 강철은, 비합금이거나, 저합금이거나 또는 고합금일 수도 있다. 샤프트(10)는 또한 당업자에게 공지된 다른 적합한 재료로 제조될 수도 있다.

도시된 실시예는 원심 임펠러(20)를 포함한다. 이러한 임펠러는, 예를 들어 원심 압축기, 송풍기 또는 터빈에서 사용될 수 있다. 샤프트(10)에 면하는 축방향 단부에서, 임펠러(20)는 축방향 돌출부(22)를 포함하는데, 이러한 축방향 돌출부는 실질적으로 원통형이고 임펠러(20)의 대칭축에 실질적으로 동심이다. 임펠러(20) 및 축방향 돌출부(22)는 축방향 보어(21)를 포함하는데, 이러한 축방향 보어는, 임펠러(20) 및 축방향 돌출부(22)의 대칭축에 실질적으로 동심이고, 임펠러(20) 및 축방향 돌출부(22)의 전체 축방향 깊이에 걸쳐 연장된다.

축방향 돌출부(22)는, 축방향 돌출부가 배치되는 경우, 임펠러(20)의 축방향 단부 상에서 2개의 단부면을 정의한다. 제1 단부면(23)의 내경은 축방향 돌출부(22)의 외경에 의해 한정된다. 제1 단부면(23)의 외경은, 축방향 단부가 더 이상 실질적으로 평면적이지 않게 되는 직경이면서 또한 임펠러(20)의 대칭축에 실질적으로 수직인 평면에 놓이는 직경에 의해 한정된다. 제2 단부면(24)은 축방향 돌출부(22)의 축방향 단부에 위치된다. 제2 단부면(24)의 내경은 축방향 보어(21)의 직경에 의해 한정된다. 제2 단부면(24)의 외경은 축방향 돌출부(22)의 외경에 의해 한정된다.

바람직하게는, 임펠러(20)의 제1 단부면(23)은, 샤프트(10)의 제1 단부면(13)의 외경보다는 큰 외경을 갖는다.

축방향 돌출부(22)는, 샤프트(10)에 있는 제2 축방향 보어(12)의 내경보다는 작은 외경을 갖는다. 이는, 터보기계를 조립할 때 축방향 돌출부(22)가 제2 축방향 보어(12) 내에 삽입될 수 있다는 장점을 갖는다. 바람직하게는, 축방향 돌출부(22)의 외경은 샤프트(10)의 제2 축방향 보어(12)의 내경보다 최대 10%만큼 작으며, 더욱 바람직하게는 최대 1%만큼 작으며, 가장 바람직하게는 최대 0.1%만큼 작다. 이러한 작은 직경 차이는, 터보기계의 조립 시에 축방향 돌출부(22)의 외벽이 제2 축방향 보어(12)의 내벽과 접촉하게 하여, 샤프트(10)에 대한 임펠러(20)의 상대적인 정렬에 기여한다는 장점을 갖는다. 바람직하게는, 축방향 돌출부(22)의 외경은 제2 축방향 보어(12)의 내경보다 적어도 0.01%만큼 작다.

바람직하게는, 축방향 돌출부(22)의 길이는 샤프트(10)에서의 제2 축방향 보어(12)의 깊이보다는 작다. 이는, 터보기계의 조립 시에 샤프트(10) 및 임펠러(20)의 제2 단부면(14 및 24)들이 각각 접촉할 수 없다는 장점을 갖는다. 바람직하게는, 축방향 돌출부(22)의 길이는 샤프트(10)에서의 제2 축방향 보어(12)의 깊이보다 적어도 5%만큼 작다. 그러나, 예시되지는 않고 바람직하지는 않는 일부 실시예에 있어서는, 축방향 돌출부(22)의 길이가 제2 축방향 보어(12)의 깊이와 동일할 수도 있고 제2 축방향 보어(12)의 깊이보다 더 클 수도 있어서, 단부면(14 및 24)들이 터보기계의 조립 시에 접촉하게 할 수도 있다.

일부 실시예에 있어서, 임펠러(20)는 실질적으로 강철로 제조될 수도 있다. 이 강철은, 비합금, 저합금 또는 고합금일 수도 있다. 일부 실시예에 있어서, 임펠러(20)는 실질적으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조될 수도 있다. 일부 실시예에 있어서, 임펠러(20)는 실질적으로 강철 또는 알루미늄 이외의 금속, 바람직하게는 강철보다 낮은 질량 밀도를 갖는 금속 혹은 이 금속의 합금으로 구성될 수도 있다.

일부 실시예에 있어서, 임펠러(20)는 실질적으로 샤프트(10)와는 상이한 재료로 구성될 수도 있으며, 이때 두 재료의 경도는 반드시 동일할 필요는 없다. 바람직한 실시예는, 실질적으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 임펠러(20) 및 실질적으로 강철로 이루어진 샤프트(10)를 포함한다.

마찰 링(30)은, 내경과 외경이 동심인 실질적으로 원형이고 실질적으로 평면적인 디스크를 포함한다. 바람직하게는, 마찰 링(30)은 축방향 돌출부(22)의 외경보다는 큰 내경을 갖는다. 이는, 마찰 링(30)이 터보기계의 조립 시에 축방향 돌출부(22) 주위에 배치될 수 있다는 장점을 갖는다. 바람직하게는, 마찰 링(30)의 내경은 축방향 돌출부(22)의 외경보다 최대 10%만큼, 더욱 바람직하게는 최대 1%만큼, 가장 바람직하게는 최대 0.05%만큼 더 크다. 이러한 작은 직경 차이는, 축방향 돌출부(22)의 외벽이 터보기계의 조립 시에 마찰 링(30)의 내벽과 접촉하여 임펠러에 대한 마찰 링(30)의 상대적인 정렬에 기여한다는 장점을 갖는다. 바람직하게는, 마찰 링(30)의 내경은 축방향 돌출부(22)의 외경보다는 적어도 0.01%만큼 더 크다. 예시되지 않은 일부 실시예에 있어서, 마찰 링(30)은 그 외경에 축방향의 돌출부를 포함할 수도 있다. 이러한 돌출부는, 예를 들어 마찰 링의 존재를 시각적으로 확인하도록 하는 역할을 할 수 있다. 예시되지 않은 일부 실시예에 있어서, 마찰 링(30)은, 내경 및 외경이 동심인 실질적으로 원형이고 실질적으로 평면적인 디스크 이외의 형상을 취할 수도 있다.

마찰 링(30)의 양 단부면(33a 및 33b)은 실질적으로 코팅으로 덮여 있다. 바람직하게는, 양 단부면의 적어도 50%, 더욱 바람직하게는 적어도 60%, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 70%, 가장 바람직하게는 양 단부면 전체가 실질적으로 완전히 덮여 있다. 상기 코팅은, 금속 또는 금속 합금의 실질적으로 균일한 층뿐만 아니라 금속 또는 금속 합금의 상기 층에 부분적으로 둘러싸인 개별 입자를 포함한다. 개별 입자의 중위 직경(median diameter)은 상기 균일한 층의 중위 두께보다는 크고, 개별 입자의 평균 직경은 상기 균일한 층의 평균 두께보다는 크다. 개별 입자는 실질적으로 다이아몬드 또는 세라믹 재료로 구성된다. 개별 입자의 경도는 강철의 경도보다는 크다. 바람직하게는, 개별 입자는, 10 미크론 초과, 더욱 바람직하게는 20 미크론 초과, 훨씬 더 바람직하게는 30 미크론 초과, 가장 바람직하게는 40 미크론 초과의 평균 직경을 갖는다. 바람직하게는, 상기 균일한 층의 평균 두께는 상기 개별 입자의 평균 두께의 60%보다는 크다. 바람직하게는, 상기 균일한 층의 평균 두께는 상기 개별 입자의 평균 두께의 90% 미만이다. 바람직하게는, 상기 개별 입자의 표면 밀도는 50개 입자/mm² 초과, 더욱 바람직하게는 100개 입자/mm² 초과, 훨씬 더 바람직하게는 200개 입자/mm² 초과, 가장 바람직하게는 500개 입자/mm² 초과이다. 바람직하게는, 상기 개별 입자는 마찰 링의 정렬 품질을 저하시키지 않도록 단부면(33a 및 33b)에 걸쳐 실질적으로 균일하게 분포된다.

도시된 실시예에 있어서, 임펠러(20)는, 드로우 볼트(40)를 샤프트(10) 및 임펠러(20)의 축방향 보어(11 및 21)에 각각 삽입함으로써, 샤프트(10)의 일 단부에 오버행으로 결합된다. 이에 따라, 임펠러(20)는 축(10)에 대해 배향되어, 축방향 돌출부(22)가 축(10)의 방향을 향하도록 한다. 바람직하게는, 마찰 링(30)은 축방향 돌출부(22) 주위에 위치하여, 마찰 링이 단부면(13 및 23)들 사이에 배치되게 한다. 그러나, 제시되지 않은 일부 실시예에 있어서, 마찰 링(30)은 제2 축방향 보어(12) 내에 위치하여, 마찰 링이 단부면(14 및 24)들 사이에 배치되게 할 수도 있다.

드로우 볼트는 양 단부(41a 및 41b)에 나사산이 있다. 바람직하게는, 드로우 볼트에는, 축방향 보어(21)의 직경보다는 작은 직경을 갖는 네크(neck)(43)가 마련된다. 바람직하게는, 드로우 볼트에는 숄더(shoulder)(42)가 마련된다. 바람직하게는, 숄더(42)의 직경은, 축방향 보어(21)의 직경과 실질적으로 동일하다. 바람직하게는, 숄더(42)가 축방향 보어(21) 내에 삽입되어 축방향 보어(21) 내에 위치하게 될 수 있도록 하기 위해, 삽입 전에, 드로우 볼트(40)는 소정의 처리, 예컨대 액체 질소에 의한 냉각을 거치게 될 수도 있다.

나사 단부(41b)는, 어울리는 나사산이 마련되는 샤프트(10)의 제1 축방향 보어(11) 내에 나사 결합된다. 어울리는 나사산을 갖는 너트(50)가 단부(41a) 상에 나사 고정된다. 너트(50)를 조이면, 임펠러(20)와 샤프트(10)가 서로를 향해 이동한다. 축방향 돌출부(22)는 제2 축방향 보어(12) 내에 삽입된다.

너트(50)는, 적어도 샤프트(10) 및 임펠러(20) 각각의 제1 단부면(13 및 23)이 각각 마찰 링(30)의 양 단부면(33a 및 33b)에 접촉할 때까지, 또는 예시되지 않고 바람직하지는 않은 일부 실시예에서는, 샤프트(10) 및 임펠러(20) 각각의 제2 단부면(14 및 24)이 각각 마찰 링(30)의 양 단부면(33a 및 33b)과 접촉할 때까지 조여진다. 바람직하게는, 최종 위치에서의 너트(50)는 임펠러(20)의 제3 단부면(25)과 접촉한다. 바람직하게는, 드로우 볼트(40)는, 너트(50)가 조여지기 전에 프리텐션(pretension)된다. 바람직하게는, 드로우 볼트의 장력은 200kN 이상의 인장력으로 발생한다. 바람직하게는, 드로우 볼트의 장력은 350kN 이하의 인장력으로 발생한다. 바람직하게는, 너트(50)는, 제1 축방향 단부면(13, 23)이 500MPa 이상의 접촉 압력으로 해당 단부면(33a 및 33b)에 대해 가압될 때까지 조여진다. 바람직하게는, 너트(50)는, 800MPa 이하의 접촉 압력으로 제1 축방향 단부면(13 및 23)이 해당 단부면(33a 및 33b)에 대해 가압될 때까지 조여진다. 드로우 볼트(40)를 바이어스(bias)하고 너트(50)를 조임으로써, 마찰 링의 단부면(33a, 33b)에 있는 개별 입자가 각각 샤프트(10) 및 임펠러(20)의 단부면(13, 23)으로 강제 유입된다. 바람직하게는, 개별 입자는 단부면(13 및 23)으로 2미크론 넘게, 더욱 바람직하게는 5미크론 넘게, 가장 바람직하게는 10미크론 넘게 침투한다.

임펠러(20)가 샤프트(10)에 오버행으로 결합되기 때문에, 임펠러(20)의 축방향 일측을 따라서는 단지 베어링(도면에는 도시되지 않음)만이 존재한다. 바람직하게는, 터보기계의 임펠러(20)는 터보기계의 정상 작동점에서, 회전축(1)을 중심으로 분당 5000회가 넘는 속도로, 더욱 바람직하게는 분당 10000회가 넘는 속도로, 가장 바람직하게는 분당 20000회가 넘는 속도로 회전한다. 바람직하게는, 임펠러(20)의 질량은 샤프트(10) 질량의 50% 이상이다. 바람직하게는, 임펠러(20)의 질량은 샤프트(10) 질량의 400% 이하이다.

이러한 일측 베어링(single-sided bearing)은, 달성되는 속도 및 임펠러와 샤프트 사이의 질량 비율과 함께, 터보기계의 정렬에 대해 많은 요구조건을 부여한다. 바람직하게는, 조립 후 회전축(1)을 중심으로 한 회전을 위한 터보기계의 정렬은, G 6.3 등급, 더욱 바람직하게는 G 2.5 등급, 가장 바람직하게는 G 1 등급으로 ISO 21940 표준을 따른다.

터보기계의 작동 중에, 회전 부품의 질량 중심[일반적으로 모두 회전축(1)과 정확하게 일치하는 것은 아님]에 작용하는 원심력은, 마찰 링(30)의 단부면(33a)과 샤프트(10)의 단부면(13) 사이에서 그리고 마찰 링(30)의 단부면(33b)과 임펠러(20)의 단부면(23) 사이에서 전단력을 유발시킨다. 이러한 전단력은, 전술한 단부면들 사이의 정적 마찰력 및 동적 마찰력에 의해 상쇄된다. 상기 전단력이 정적 마찰력을 초과하면, 위에서 언급한 단부면들 사이에서 반경방향 변위가 발생할 수 있다. 이러한 반경방향 변위는, 허용할 수 없는 수준으로 기계의 불균형을 증가시킬 수도 있다.

마찰 링(30)의 존재로 인해, 단부면(33a 및 33b)의 코팅에 포함된 개별 입자는, 전술한 바와 같이 터보기계의 조립 중에 단부면(13 및 23) 내로 가압된다. 이러한 함몰의 결과로, 마찰 링(30)의 단부면(33a)과 샤프트(10)의 단부면(13) 사이에서 그리고 마찰 링(30)의 단부면(33b)과 임펠러(20)의 단부면(23) 사이에서 마찰 계수 및 이에 따른 마찰력이 커진다. 바람직하게는, 전술한 단부면들 사이의 정지 마찰 계수는 0.4 초과, 더욱 바람직하게는 0.5 초과, 훨씬 더 바람직하게는 0.6 초과, 가장 바람직하게는 0.7 초과이다.

대향하는 단부면들 사이에서의 더 큰 마찰 계수 및 결과적으로 더 큰 마찰력으로 인해, 단부면들 사이에서의 반경방향 변위가 상쇄되고, 진폭이 감소되거나 또는 방지된다.

본 발명에 따른 터보기계의 실시예의 장점은, 임펠러가 알루미늄으로 제조될 수도 있다는 것이다. 알루미늄 임펠러는 더 경량이고, 보다 더 동적인 로터 거동을 허용하며, 덜 정밀한 정렬을 필요로 하지만, 마찰 링이 없으면, 알루미늄 임펠러와 강철 샤프트 사이의 마찰력이 너무 작아서, 터보기계의 정상적인 작동 조건 하에서 임펠러와 샤프트 사이의 반경방향 변위를 상쇄할 수 없다. 당업자는, 언급된 실시예의 다른 장점이 예를 들어 강철 임펠러와 강철 샤프트의 조합과 같은 샤프트와 임펠러의 재료의 임의의 조합에도 또한 적용된다는 것을 이해할 것이다.

본 발명에 따른 터보기계의 실시예는, 유리하게는, 임펠러(20)와 샤프트(10) 사이에서, 예를 들어 Hirth 결합과 같은 셀프 센터링 결합을 필요로 하지 않는다.

본 발명의 터보기계의 실시예는, 유리하게는, 동일한 허용 가능한 진동 수준에 대해 마찰 링이 없는 터보기계보다는 더 빠른 속도로 작동할 수 있다.

본 발명의 터보기계의 실시예는, 유리하게는, 동일한 허용 가능한 진동 수준에 대해 마찰 링이 없는 터보기계보다는 더욱 신속하게 속도를 변경할 수 있다.

본 발명에 따른 터보기계의 실시예의 장점은, 동일한 허용 가능한 진동 수준에 대해 임펠러의 질량과 샤프트의 질량 사이의 비율이, 마찰 링이 없는 터보기계에서보다는 더 클 수 있다는 것이다.

Claims

터보기계로서,
제1 단부를 갖는 샤프트(10) 및
상기 샤프트의 제1 단부에 배치되어 상기 샤프트의 제1 단부에 결합되는 임펠러(20)
를 포함하며, 상기 샤프트와 상기 임펠러는, 회전축(1)을 중심으로 회전하도록 함께 배치되며,
상기 터보기계는, 샤프트(10)의 제1 단부에서의 축방향 표면(13)과 임펠러(20)의 대향하는 축방향 표면(23) 사이에 클램핑(clamping)된 마찰 링(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보기계.
제1항에 있어서, 상기 임펠러(20)는 드로우 볼트 연결(draw bolt connection)에 의해 샤프트(10)의 제1 단부에 결합되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
제2항에 있어서, 상기 마찰 링(30)은, 드로우 볼트 연결에 의해, 샤프트(10)의 제1 단부에서의 축방향 표면(13)과 임펠러(20)의 대향하는 축방향 표면(23) 사이에 클램핑되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임펠러(20)와 상기 샤프트(10)는 실질적으로 상이한 재료로 구성되고, 상기 임펠러(20)의 재료는 상기 샤프트(10)의 재료보다는 낮은 질량 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 터보기계.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마찰 링(30)은 샤프트(10)의 제1 단부에서의 축방향 표면(13)과 임펠러(20)의 대향하는 축방향 표면(23) 사이의 상대적인 변위를 상쇄하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 터보기계.
제5항에 있어서, 상기 마찰 링(30)의 축방향 표면(33a, 33b)은 적어도 부분적으로 코팅으로 덮여 있으며, 상기 코팅은, 금속 또는 금속 합금의 실질적으로 균일한 층뿐만 아니라 상기 금속 또는 금속 합금의 층에 적어도 부분적으로 둘러싸인 개별 입자(discrete particle)를 포함하며, 상기 개별 입자의 중위 직경(median diameter)은 상기 금속 또는 금속 합금의 층의 두께보다는 큰 것을 특징으로 하는 터보기계.
제6항에 있어서, 상기 입자의 경도는 상기 임펠러(20)의 대향하는 축방향 표면(23)의 재료의 경도보다는 큰 것을 특징으로 하는 터보기계.
제7항에 있어서, 상기 입자는 실질적으로 다이아몬드 또는 세라믹 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임펠러(20)는 원심 임펠러인 것을 특징으로 하는 터보기계.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터보기계는 압축기, 송풍기 또는 터빈인 것을 특징으로 하는 터보기계.
터보기계의 임펠러(20)와 터보기계의 샤프트(10) 사이의 상대적인 변위를 상쇄하기 위한 방법으로서, 상기 임펠러(20)는 상기 샤프트의 제1 단부에 결합되고, 상기 임펠러 및 상기 샤프트 양자 모두는, 함께 움직여 회전축(1)을 중심으로 회전하게 배치되고, 상기 방법은, 상기 샤프트(10)의 제1 단부에서의 축방향 표면(13)과 상기 임펠러(20)의 대향하는 축방향 표면(23) 사이에 마찰 링(30)을 클램핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
터보기계에서의 마찰 링(30)의 용도로서,
상기 터보기계는, 제1 단부를 갖는 샤프트(10) 및 이 샤프트의 제1 단부에 배치되어 상기 샤프트의 제1 단부에 결합되는 임펠러(20)를 포함하며, 상기 샤프트와 상기 임펠러는, 회전축(1)을 중심으로 회전하도록 함께 배치되며, 상기 마찰 링(30)은 샤프트(10)의 제1 단부에서의 축방향 표면(13)과 임펠러(20)의 대향하는 축방향 표면(23) 사이에 클램핑되어, 샤프트(10)의 제1 단부에서의 축방향 표면(13)과 임펠러(20)의 대향하는 축방향 표면(23) 사이의 상대적인 변위를 상쇄시키는 것인 용도.