KR20230103883A - 압력 강하부를 구비하는 유체 기계의 샤프트 씰링 장치 - Google Patents

압력 강하부를 구비하는 유체 기계의 샤프트 씰링 장치 Download PDF

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KR20230103883A
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김태호
정진우
황성호
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Abstract

본 발명은, 유체 기계의 고압측과 저압측의 사이에 설치되는 홀더와; 상기 유체 기계의 샤프트의 외주에 배치되며, 상기 샤프트의 회전 동작에 따라 상기 샤프트의 반경 방향으로 부상하도록 상기 홀더에 이동 가능하게 설치되는 씰 패드; 및 상기 씰 패드의 고압측 측면에 요철 형태를 이루도록 형성되며, 상기 샤프트의 반경 방향으로 압력 강하를 발생시켜 상기 씰 패드에 부상력을 제공하는 압력 강하부;를 포함하는, 유체 기계의 샤프트 씰링 장치에 관한 것이다.

Description

압력 강하부를 구비하는 유체 기계의 샤프트 씰링 장치 {Shaft sealing device with pressure dropping unit for fluid machine}
본 발명은 유체 기계의 샤프트가 설치된 부분에 작동 유체를 씰링하기 위해 설치되는 유체 기계의 샤프트 씰링 장치에 관한 것이다.
압축기, 펌프, 터빈 등의 유체 기계에는 작동 유체를 밀폐하는 압력 용기(또는 압력실) 내에 회전 동작하는 샤프트(회전축)가 설치된다. 유체 기계의 샤프트는 고압측과 저압측을 관통하도록 설치되고, 이는 전동기나, 펌프, 발전기 등에 연결된다.
이와 같은 구성에 따르면, 유체 기계의 샤프트에는 작동 유체가 고압측에서 저압측으로 누설되는 것을 방지하기 위한 샤프트 씰링 장치가 사용되며, 샤프트 씰링 장치로서 라빈리스 씰이 일반적으로 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 라비린스 씰의 구성 및 작동을 나타낸 개략도이다.
도 1과 같이, 라비린스 씰(20)은 샤프트(10)의 외주에 설치되며, 톱니(21)가 샤프트(10)와 마주보게 반복적으로 배치된 형상을 갖는다. 고압측(1)의 유체가 저압측(2)으로 사프트(10)와 라비린스 실(20)의 사이의 공간을 통과할 때 좁은 영역을 반복적으로 지나가면서 압력 강하가 발생하여 누설을 저감할 수 있다.
이와 같은 구성의 라비린스 씰(20)은 샤프트(10)와의 간극을 줄일수록 누설 저감 효과가 증대되는 이점이 있으나, 샤프트(10)의 진동에 의해 샤프트(10)와 접촉하여 샤프트(10) 또는 라비린스 씰(20)에 손상이 발생하는 문제가 있다. 또한 라비린스 씰(20)과 샤프트(10)와의 간극을 증가시킬 경우 유체의 누설량 또한 증가하여 유체 기계의 작동 효율에 악영향을 미치는 문제가 있다.
등록특허공보 제10-1507500호 (2015.03.25)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 씰과 샤프트 사이의 간극을 가변될 수 있게 구성하여 샤프트 또는 씰의 손상을 방지하되, 씰의 초기 부상 성능을 개선시킬 수 있는 유체 기계의 샤프트 씰링 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유체 기계의 고압측과 저압측의 사이에 설치되는 홀더와; 상기 유체 기계의 샤프트의 외주에 배치되며, 상기 샤프트의 회전 동작에 따라 상기 샤프트의 반경 방향으로 부상하도록 상기 홀더에 이동 가능하게 설치되는 씰 패드; 및 상기 씰 패드의 고압측 측면에 요철 형태를 이루도록 형성되며, 상기 샤프트의 반경 방향으로 압력 강하를 발생시켜 상기 씰 패드에 부상력을 제공하는 압력 강하부;를 포함하는, 유체 기계의 샤프트 씰링 장치가 개시된다.
또한, 상기 씰 패드는, 상기 샤프트의 외주에 접하는 패드부; 및 상기 패드부로부터 외측 방향으로 연장되며, 상기 홀더 내에 형성된 이동 공간 상에 이동 가능하게 설치되는 이동부; 를 포함하고, 상기 압력 강하부는 상기 이동부의 고압측 측면에 형성될 수 있다.
또한, 상기 압력 강하부는, 상기 이동부의 이동 방향을 따라 형성된 라비린스 씰을 포함할 수 있다.
또한, 상기 압력 강하부는, 상기 이동부의 외측 방향을 따라 상향 경사진 형태의 경사 요철부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 압력 강하부는, 상기 홀더의 측벽에 형성된 요철부와 교차로 형성되는 교차 요철부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 이동부의 저압측 측면과 상기 홀더의 내측면 사이에는, 상기 씰 패드의 부상 거리 증가에 따라 탄성 변형되어 상기 이동부의 고압측 측면과 상기 홀더의 내측면 사이의 간격을 증가시키는 탄성 지지체;가 추가로 설치될 수 있다.
또한, 상기 탄성 지지체는, 탄성 블록, 메탈 링, 고무 링 중 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 씰 패드의 상단과 상기 홀더의 사이에는 압축 스프링이 추가로 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 씰 패드를 부상시킴으로써 샤프트 사이의 간극을 가변될 수 있게 구성하여 샤프트 또는 씰의 손상을 방지할 수 있고, 씰 패드의 고압측 측면에 요철 형태의 압력 강하부를 형성하여 씰 패드의 초기 부상 성능을 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 씰 패드와 홀더의 사이에 압축 스프링을 설치하여 씰 패드의 과도한 상승을 억제할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 씰 패드의 저압측 측면에 탄성 지지체를 설치하여 씰 패드의 부상 거리 증가에 따라 홀더 내부로 유량 유입량을 증가시킴으로써, 씰 패드의 부상량을 적정 수준으로 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 탄성 지지체의 설치를 통해 씰 패드에 작용하는 모멘트를 상쇄시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 일반적인 라비린스 씰의 구성 및 작동을 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 기계의 샤프트 씰링 장치의 개략도.
도 3은 도 2에 도시된 씰 패드의 구성 및 배치를 나타낸 측면도.
도 4는 도 2에 도시된 탄성 지지체의 작동 상태를 나타낸 확대도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 기계의 샤프트 씰링 장치의 개략도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체 기계의 샤프트 씰링 장치의 개략도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 의한 압력 강하부를 구비하는 유체 기계의 샤프트 씰링 장치의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 기계의 샤프트 씰링 장치의 개략도이고, 도 3은 도 2에 도시된 씰 패드의 구성 및 배치를 나타낸 측면도이다.
도 2 및 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 유체 기계의 샤프트 씰링 장치는, 홀더(110), 씰 패드(120) 및 압력 강하부(130)를 포함한다.
홀더(110)는 유체 기계의 고압측(1)과 저압측(2)의 사이에 설치되며, 샤프트(10)가 설치된 공간에서 고압측(1)과 저압측(2)을 구획하는 구조물 또는 격벽의 형태를 가질 수 있다. 홀더(110)의 내부에는 씰 패드(120)가 샤프트(10)의 반경 방향으로 이동할 수 있는 이동 공간(111)이 구비된다.
씰 패드(120)는 유체 기계의 샤프트(10)의 외주에 배치되며, 샤프트(10)의 회전 동작에 따라 샤프트(10)의 반경 방향으로 부상하도록 홀더(110)에 이동 가능하게 설치된다. 씰 패드(120)는 샤프트(10)의 외주에 샤프트(10)를 둘러싸도록 복수개의 분할된 형태를 가지며, 본 실시예의 경우 4개의 씰 패드(120)가 샤프트(10)의 외주에 배치된 구성을 예시하고 있다(도 3 참조). 다만 씰 패드(120)의 개수는 이에 한정되는 것은 아니며, 다양하게 변형 실시 가능하다.
씰 패드(120)는 샤프트(10)의 외주에 접하는 패드부(121)와, 패드부(121)로부터 외측 방향으로 연장된 이동부(122)를 포함할 수 있다. 이동부(122)는 홀더(110) 내에 형성된 이동 공간(111) 상에 이동 가능하게 설치된다. 이동부(122)의 단부에는 이동부(122)의 하강 이동을 제한하기 위한 걸림부(123)가 구비되며, 이는 홀더(110)의 내측벽에 형성된 단턱부에 걸리도록 구성 가능하다.
압력 강하부(130)는 씰 패드(120)의 고압측(1) 측면에 요철 형태를 이루도록 형성되며, 샤프트(10)의 반경 방향으로 압력 강하를 발생시켜 씰 패드(120)에 부상력을 제공한다. 압력 강하부(130)는 이동부(122)의 고압측(1) 측면에 형성되며, 이동부(122)의 이동 방향을 따라 복수의 톱니가 반복적으로 형성된 라비린스 씰의 형태를 가질 수 있다.
씰 패드(120)의 상단과 홀더(110)의 사이에는 압축 스프링(140)이 설치될 수 있다. 압축 스프링(140)은 샤프트(10)의 가동 초기에 씰 패드(120)에 프리 로드(예압)를 제공하고, 씰 패드(120)의 부상 동작시 탄성 복원력이 내측 방향으로 작용하여 씰 패드(120)의 과도한 상승을 억제한다.
한편, 씰 패드(120)의 이동부(122)의 저압측(2) 측면에는 탄성 변형 가능한 탄성 지지체(150)가 설치되며, 이는 홀더(110)의 내측면에 의해 지지된다. 탄성 지지체(150)는 일정한 면적의 원호 형태를 갖는 탄성 블록의 형태를 가질 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 탄성 지지체의 작동 상태를 나타낸 확대도이며, 이에 따르면, 탄성 지지체(150)는 압력 강하부(130)의 입출구 사이의 압력차 증가에 따라 탄성 변형되어 이동부(122)의 고압측(1) 측면과 홀더(110)의 내측면 사이의 간격을 증가시킨다.
본 실시예에 따른 유체 기계의 샤프트 씰링 장치의 작동 과정을 설명하면, 초기 상태에서는 씰 패드(120)의 패드부(121)가 샤프트(10)에 접하거나 작은 간극으로 근접하게 배치된다. 샤프트(10)의 회전 구동에 따른 유체 기계가 동작함에 따라 고압측(1)의 압력이 증가하게 되며, 이에 따라 고압측(1)에서 저압측(2)으로의 유동이 발생하게 된다.
샤프트(10)와 패드부(121)의 사이에는 동압이 발생하여 부상력을 발생시키고, 고압측(1)의 유체가 압력 강하부(130)를 통과하는 과정에서 압력 강하가 발생하여 부상력을 보다 증대시킬 수 있다. 압력 강하부(130)는 유체 기계의 초기 구동 과정에서 씰 패드(120)가 원활히 부상될 수 있도록 한다.
압력 강하부(130)의 입출구의 압력차가 높아짐에 따라 씰 패드(120)의 부상력을 증가하게 되고, 씰 패드(120)가 과도하게 부상하는 경우 패드부(121)와 샤프트(10) 사이의 간극을 통한 유체의 누설량이 증가할 수 있다. 압축 스프링(140)은 씰 패드(120)의 부상에 따라 압축되며, 그 탄성 복원력이 씰 패드(120)에 작용하여 씰 패드(120)의 과도한 부상을 억제할 수 있다.
또한, 압력 강하부(130)의 입출구의 압력차가 높아짐에 따라, 탄성 지지체(150)가 압축 변형되어 씰 패드(120)가 저압측(2)을 향하여 이동하게 되며, 이에 따라 압력 강하부(130)와 홀더(110)의 내측면 사이의 유로 단면적이 넓어지게 된다. 따라서 압력 강하부(130)의 입출구의 압력차가 감소하게 되므로 씰 패드(120)의 부상을 억제할 수 있다. 압력 강하부(130)의 일출구 압력차가 더 낮아짐에 따라 탄성 지지체(150)는 원 상태로 복원되게 되고, 이와 같은 과정이 반복됨에 따라 씰 패드(120)의 부상 정도, 즉, 씰 패드(120)와 샤프트(10) 사이의 간극을 적정 수준으로 제어할 수 있게 된다.
또한, 패드부(121)의 후미, 즉, 저압측(2)의 내측면과 외측면 사이에 발생하는 압력차에 따라 씰 패드(120)에는 고압측(1)으로 기울어지는 방향(즉, 도 2의 반시계 방향)의 모멘트가 발생하게 되며, 탄성 지지체(150)는 홀더(110)의 후방 쪽으로 유체가 누설되는 것을 저감함으로써 모멘트를 상쇄시키는 기능도 함께 수행한다. 이에 따라 씰 패드(120)에 모멘트가 작용하여 씰 패드(120)가 원활히 이동하지 못하게 되는 현상을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 기계의 샤프트 씰링 장치의 개략도이다.
앞선 실시예의 경우, 압력 강하부(130)가 라비린스 씰의 구조를 가지나, 본 실시예와 같이 압력 강하부(130)는 경사진 형태의 경사 요철부의 형태를 가질 수도 있다. 경사 요철부는 이동부(122)의 외측 방향을 따라 상향 경사진 형태를 가질 수 있다.
아울러, 앞선 실시예의 경우, 탄성 지지체(150)가 탄성 블록의 형태를 가지나, 본 실시예와 같이 탄성 지지체(150)로서 메탈 링을 사용하는 것도 가능하다. 본 실시예의 경우 직경이 상이한 2개의 메탈 링을 사용한 것을 예시하고 있으며, 메탈 링은 각 씰 패드(120)들의 원주 방향을 따라 배치될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체 기계의 샤프트 씰링 장치의 개략도이다.
본 실시예와 같이, 압력 강하부(130)는 홀더(110)의 측벽에 형성된 요철부(117)와 교차로 형성되는 교차 요철부의 형태를 가질 수도 있다. 또한, 탄성 지지체(150)로서 본 실시예와 같이 고무 링을 사용하는 것도 가능하다 할 것이다.
이상의 실시예들에서는 압력 강하부(130)로서 라비린스 씰, 경사 요철부, 교차 요철부를 예시하고, 탄성 지지체(150)로서 탄성 블록, 메탈 링, 고무 링을 예시하였으며, 상기 실시예들에서 예시된 구성 뿐만 아니라 압력 강하부(130)와 탄성 지지체(150)로 사용 가능한 구성들을 적절하게 조합하여 사용 가능하다. 또한 이상에서 예시한 구성뿐만 아니라 이들과 균등한 기능 및 용도를 갖는 다양한 수단들을 대체하여 사용하는 것 또한 가능하다 할 것이다.
상기에서는 본 발명의 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 고압측 2: 저압측
10: 샤프트 110: 홀더
120: 씰 패드 121: 패드부
122: 이동부 123: 걸림부
130: 압력 강하부 140: 압축 스프링
150: 탄성 지지체

Claims (8)

  1. 유체 기계의 고압측과 저압측의 사이에 설치되는 홀더;
    상기 유체 기계의 샤프트의 외주에 배치되며, 상기 샤프트의 회전 동작에 따라 상기 샤프트의 반경 방향으로 부상하도록 상기 홀더에 이동 가능하게 설치되는 씰 패드; 및
    상기 씰 패드의 고압측 측면에 요철 형태를 이루도록 형성되며, 상기 샤프트의 반경 방향으로 압력 강하를 발생시켜 상기 씰 패드에 부상력을 제공하는 압력 강하부;를 포함하는, 유체 기계의 샤프트 씰링 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 씰 패드는,
    상기 샤프트의 외주에 접하는 패드부; 및
    상기 패드부로부터 외측 방향으로 연장되며, 상기 홀더 내에 형성된 이동 공간 상에 이동 가능하게 설치되는 이동부;를 포함하고,
    상기 압력 강하부는 상기 이동부의 고압측 측면에 형성되는 것을 특징으로 하는, 유체 기계의 샤프트 씰링 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 압력 강하부는,
    상기 이동부의 이동 방향을 따라 형성된 라비린스 씰을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체 기계의 샤프트 씰링 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 압력 강하부는,
    상기 이동부의 외측 방향을 따라 상향 경사진 형태의 경사 요철부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체 기계의 샤프트 씰링 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 압력 강하부는,
    상기 홀더의 측벽에 형성된 요철부와 교차로 형성되는 교차 요철부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체 기계의 샤프트 씰링 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 이동부의 저압측 측면과 상기 홀더의 내측면 사이에 설치되며, 상기 씰 패드의 부상 거리 증가에 따라 탄성 변형되어 상기 이동부의 고압측 측면과 상기 홀더의 내측면 사이의 간격을 증가시키는 탄성 지지체;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체 기계의 샤프트 씰링 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 탄성 지지체는,
    탄성 블록, 메탈 링, 고무 링 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체 기계의 샤프트 씰링 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 씰 패드의 상단과 상기 홀더의 사이에 설치되는 압축 스프링;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체 기계의 샤프트 씰링 장치.

KR1020220071447A 2021-12-30 2022-06-13 압력 강하부를 구비하는 유체 기계의 샤프트 씰링 장치 KR20230103883A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101507500B1 (ko) 2013-09-30 2015-04-01 포스코에너지 주식회사 라비린스 씰 및 이를 포함하는 반작용식 스팀 터빈

Patent Citations (1)

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KR101507500B1 (ko) 2013-09-30 2015-04-01 포스코에너지 주식회사 라비린스 씰 및 이를 포함하는 반작용식 스팀 터빈

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