KR20240031049A - 윤활 장치가 있는 틸트 패드 저널 베어링 - Google Patents

윤활 장치가 있는 틸트 패드 저널 베어링 Download PDF

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KR20240031049A
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리 웨이
람바우 토래트 매니쉬
크리스토퍼 페티나토 브라이언
조셉 브라만 크리스토퍼
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엘리오트 컴퍼니
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Abstract

회전 샤프트를 지지하기 위한 틸트 패드 저널 베어링은 환형 지지 링, 및 환형 지지 링에 틸팅 가능하게 장착되고 서로 원주 방향으로 이격되는 복수의 아치형 패드들을 포함한다. 틸트 패드 저널 베어링은 복수의 아치형 패드들의 각 쌍 사이에 배치되는 윤활 장치를 더 갖는다. 윤활 장치는, 환형 지지 링에 연결되고 인접한 아치형 패드들의 샤프트 지지 표면에 대해 오목하게 형성됨으로써 오일 혼합 캐비티를 형성하는 윤활 매니폴드, 및 윤활 매니폴드로부터 오일 혼합 캐비티 내로 돌출되어 있는 복수의 윤활 노즐들을 포함한다. 윤활 매니폴드의 중심을 향하여 포지셔닝되는 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐의 유동 단면적은 복수의 노즐들의 나머지 노즐들의 유동 단면적보다 크다.

Description

윤활 장치가 있는 틸트 패드 저널 베어링{TILT PAD JOURNAL BEARING WITH LUBRICATION ARRANGEMENT}
본 개시는 일반적으로 틸트 패드 저널 베어링에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 회전 샤프트와 저널 베어링 사이의 계면에 윤활유를 전달하기 위한 윤활 장치를 갖는 틸트 패드 저널 베어링에 관한 것이다.
원심 흐름 압축기, 축류 압축기 및 터빈과 같은 터보 기계들은 다양한 산업에서 이용될 수 있다. 특히, 원심 흐름 압축기 및 터빈은 발전소, 제트 엔진 응용 분야, 가스 터빈 및 자동차 응용 분야에서 널리 사용된다. 원심 흐름 압축기 및 터빈은 정유 산업에서 사용되는 공기 분리 플랜트 및 고온 가스 팽창기와 같은 대규모 산업 응용 분야들에서도 일반적으로 사용된다. 원심 압축기는 정유 공장 및 화학 공장과 같은 대규모 산업 응용 분야에서 더 많이 사용된다.
도 1을 참조하면, 종래의 설계에 따른 다단계, 원심 흐름 터보 기계(10)가 도시되어 있다. 일부 응용 분야들에서는, 단일 단계가 사용될 수도 있다. 이러한 터보 기계(10)는 일반적으로 적어도 2개의 베어링들(40)에 의해 하우징(30) 내에 지지되는 샤프트(20)를 포함한다. 도 1에 나타나 있는 터보 기계(10)는 작동 유체의 유체 압력을 점진적으로 증가시키는 복수의 단계들을 포함한다. 각 단계는 터보 기계(10)의 길이방향 축을 따라 연속적으로 배열되며, 모든 단계들은 동일한 원리로 동작하는 유사한 구성 요소들을 가질 수도 있고 갖지 않을 수도 있다.
터보 기계류 응용 분야들에서 베어링들의 목적은 최소한의 마찰로 회전하는 로터(rotor)를 안정적으로 지지하고, 낮은 진동을 위해 필요한 강성 및 감쇠 특성들을 제공하는 것이다. 대부분의 터보 기계류용 베어링들은 이러한 목적으로 오일을 사용한다.
터보 기계류 응용 분야들에서 일반적으로 사용되는 오일-공급 베어링의 한 타입은 샤프트의 원주 주위에 배치되는 복수의 틸팅 패드(tilting pad)들을 갖는 틸트 패드 베어링이다. 터보 기계의 효율을 개선하기 위해, 로터 속도를 높여야 하는 경우가 자주 있으며, 이로 인해 베어링 금속 온도가 상승하는 경우가 많다. 결과적으로, 베어링들의 열 성능은 유체 필름 저널 베어링(fluid film journal bearing)들의 설계에 대한 주요 제한 요소가 된다. 많은 틸트 패드 베어링들의 단점은 업스트림 패드의 뜨거운 오일이 다운스트림 패드로 흐르며, 이에 따라 베어링 성능을 저하시키면서 전력 손실 및 베어링 금속 온도를 증가시킬 수 있다는 것이다. 위의 관점에서, 전력 손실 및 베어링 금속 온도를 감소시키기 위해 개선된 윤활 특성들을 갖는 틸트 패드 저널 베어링에 대한 선행 기술이 필요하다.
일부 비제한적 실시예들 또는 양태들에 따르면, 회전 샤프트를 지지하기 위한 틸트 패드 저널 베어링이 제공된다. 틸트 패드 저널 베어링은 환형 지지링, 및 환형 지지링에 틸팅 가능하게 장착되고 서로 원주 방향으로 이격되는 복수의 아치형 패드들을 포함할 수 있다. 복수의 아치형 패드들 각각은 샤프트 지지 표면 반대편에 장착 표면을 가질 수 있다. 틸트 패드 저널 베어링은 복수의 아치형 패드들의 각 쌍 사이에 배치되는 윤활 장치를 더 포함할 수 있다. 윤활 장치는, 환형 지지 링에 연결되고 인접한 아치형 패드들의 샤프트 지지 표면에 대해 오목하게 형성됨으로써 오일 혼합 캐비티를 형성하는 윤활 매니폴드(lubrication manifold), 및 윤활 매니폴드로부터 오일 혼합 캐비티 내로 돌출 되어있는 복수의 윤활 노즐들을 포함할 수 있다. 윤활 매니폴드의 중심을 향하여 포지셔닝되는 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐의 유동 단면적은 윤활 매니폴드의 중심으로부터 떨어져 포지셔닝되는 복수의 노즐들 중 나머지 노즐들의 유동 단면적보다 클 수 있다.
일부 비제한적 실시예들 또는 양태들에 따르면, 환형 지지 링은 윤활 매니폴드 및 복수의 윤활 노즐들 각각과 유체 연통하는 윤활유 전달 홀(lubricant delivery hole)을 가질 수 있다. 복수의 윤활 노즐들은 3개의 윤활 노즐들일 수 있다. 복수의 윤활 노즐들은 윤활 매니폴드를 따라 서로 균등하게 또는 불균일하게 이격될 수 있다. 유동 단면적이 더 큰 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 나머지 개별 윤활 노즐들 중 임의의 것보다 33% 내지 200% 더 많은 유동 면적을 가질 수 있다.
일부 비제한적 실시예들 또는 양태들에 따르면, 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 원형 또는 타원형 유동 단면적을 가질 수 있다. 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 프리즘 형태(prismatic)의 외형을 가질 수 있다.
일부 비제한적 실시예들 또는 양태들에 따르면, 윤활 매니폴드는 적어도 하나의 나사산 홀(threaded hole)을 포함할 수 있다. 윤활 매니폴드는 적어도 하나의 나사산 홀과 나사 결합되는 패스너를 통해 환형 지지 링에 연결될 수 있다.
일부 비제한적인 실시예들 또는 양태들에 따르면, 틸트 패드 저널 베어링은 복수의 아치형 패드들 각각의 장착 표면과 접촉하는 구형 피봇 시트(spherical pivot seat)를 더 포함할 수 있다. 구형 피봇 시트는 환형 지지 링의 내부 표면에 연결될 수 있다.
일부 비제한적인 실시예들 또는 양태들에 따르면, 복수의 윤활 노즐들의 상부 표면은 인접한 아치형 패드들의 샤프트 지지 표면에 대해 오목하게 형성될 수 있다. 틸트 패드 저널 베어링은 환형 지지 링에 연결되는 한 쌍의 단부 시일(seal)을 더 포함할 수 있다. 적어도 하나의 온도 변환기는 복수의 아치형 패드들 중 적어도 하나의 아치형 패드에 연결될 수 있다. 더 큰 유동 단면적을 갖는 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 적어도 하나의 온도 변환기와 축방향 정렬로 포지셔닝될 수 있다.
일부 비제한적 실시예들 또는 양태들에 따르면, 회전 샤프트를 지지하기 위한 틸트 패드 저널 베어링은 환형 지지 링, 및 환형 지지 링에 틸팅 가능하게 장착되고 서로 원주 방향으로 이격되는 복수의 아치형 패드들을 포함할 수 있다. 복수의 아치형 패드들 각각은 샤프트 지지 표면 반대편에 장착 표면을 가질 수 있다. 틸트 패드 저널 베어링은 복수의 아치형 패드들의 각 쌍 사이에 배치되는 윤활 장치를 더 포함할 수 있다. 윤활 장치는, 환형 지지 링에 연결되고 인접한 아치형 패드의 샤프트 지지 표면에 대해 오목하게 형성됨으로써 오일 혼합 캐비티를 형성하는 윤활 매니폴드, 및 윤활 매니폴드로부터 오일 혼합 캐비티 내로 돌출되어 있는 복수의 윤활 노즐들을 포함할 수 있다. 윤활 매니폴드의 중심을 향하여 포지셔닝되는 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐의 유동 단면적은 윤활 매니폴드의 중심에서 떨어져 포지셔닝되는 복수의 노즐들 중 나머지 노즐들의 유동 단면적보다 클 수 있다. 복수의 윤활 노즐들의 상부 표면은 인접한 아치형 패드들의 샤프트 지지 표면에 대해 오목하게 형성될 수 있다. 환형 지지 링은 윤활 매니폴드 및 복수의 윤활 노즐들 각각과 유체 연통하는 윤활유 전달 홀을 가질 수 있다.
일부 비제한적인 실시예들 또는 양태들에 따르면, 더 큰 유동 단면적을 갖는 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 나머지 개별 윤활 노즐들 중 임의의 것보다 33% 내지 200% 더 큰 유동 면적을 가질 수 있다. 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 원형 또는 타원형 유동 단면적을 가질 수 있다. 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 프리즘 형태의 외형을 가질 수 있다.
일부 비제한적인 실시예들 또는 양태들에 따르면, 복수의 윤활 노즐들의 상부 표면은 인접한 아치형 패드들의 샤프트 지지 표면에 대해 오목하게 형성될 수 있다. 한 쌍의 단부 시일은 환형 지지 링에 연결될 수 있다. 적어도 하나의 온도 변환기는 복수의 아치형 패드들 중 적어도 하나의 아치형 패드에 연결될 수 있다. 더 큰 유동 단면적을 갖는 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 적어도 하나의 온도 변환기와 축방향 정렬로 포지셔닝될 수 있다.
본 개시의 다양한 다른 양태들은 다음 조항들 중 하나 이상의 것에서 인용된다:
조항 1. 회전 샤프트를 지지하기 위한 틸트 패드 저널 베어링으로서, 환형 지지 링; 환형 지지 링에 틸팅 가능하게 장착되고 서로 원주 방향으로 이격되며, 복수의 아치형 패드들 각각은 샤프트 지지 표면 반대편에 장착 표면을 갖는 복수의 아치형 패드들; 및 복수의 아치형 패드들의 각 쌍 사이에 배치되는 윤활 장치를 포함하며, 윤활 장치는, 환형 지지 링에 연결되고 인접한 아치형 패드들의 샤프트 지지 표면에 대해 오목하게 형성됨으로써 오일 혼합 캐비티를 형성하는 윤활 매니폴드; 및 윤활 매니폴드로부터 오일 혼합 캐비티 내부로 돌출되어 있는 복수의 윤활 노즐들을 포함하고, 윤활 매니폴드의 중심을 향하여 포지셔닝되는 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐의 유동 단면적은 윤활 매니폴드의 중심으로부터 떨어져 포지셔닝되는 복수의 노즐들 중 나머지 노즐들의 유동 단면적보다 큰, 틸트 패드 저널 베어링.
조항 2: 조항 1에 있어서, 환형 지지 링은 윤활 매니폴드 및 복수의 윤활 노즐들 각각과 유체 연통하는 윤활유 전달 홀을 갖는, 틸트 패드 저널 베어링.
조항 3: 조항 1 또는 조항 2에 있어서, 복수의 윤활 노즐들은 3개의 윤활 노즐들인, 틸트 패드 저널 베어링.
조항 4: 조항 1 내지 조항 3 중 어느 하나에 있어서, 복수의 윤활 노즐들은 윤활 매니폴드를 따라 서로 균등하게 또는 불균일하게 이격되어 있는, 틸트 패드 저널 베어링.
조항 5: 조항 1 내지 조항 4 중 어느 하나에 있어서, 더 큰 유동 단면적을 갖는 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 나머지 개별 윤활 노즐들 중 임의의 것보다 유동 면적이 33% 내지 200% 더 큰, 틸트 패드 저널 베어링.
조항 6: 조항 1 내지 조항 5 중 어느 하나에 있어서, 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 원형 유동 단면적을 갖는, 틸트 패드 저널 베어링.
조항 7: 조항 1 내지 조항 6 중 어느 하나에 있어서, 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 타원형 유동 단면적을 갖는, 틸트 패드 저널 베어링.
조항 8: 조항 1 내지 조항 7 중 어느 하나에 있어서, 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 프리즘형 외부 형상을 갖는, 틸트 패드 저널 베어링.
조항 9: 조항 1 내지 조항 8 중 어느 하나에 있어서, 윤활 매니폴드는 적어도 하나의 나사산 홀을 포함하고, 윤활 매니폴드는 적어도 하나의 나사산 홀과 나사 결합되는 패스너를 통해 환형 지지 링에 연결되는, 틸트 패드 저널 베어링.
조항 10: 조항 1 내지 조항 9 중 어느 하나에 있어서, 복수의 아치형 패드들 각각의 장착 표면과 접촉하는 구형 피봇 시트를 더 포함하는, 틸트 패드 저널 베어링.
조항 11: 조항 10에 있어서, 구형 피봇 시트는 환형 지지 링의 내부 표면에 연결되는, 틸트 패드 저널 베어링.
조항 12: 조항 1 내지 조항 11 중 어느 하나에 있어서, 복수의 윤활 노즐들의 상부 표면은 인접한 아치형 패드들의 샤프트 지지 표면에 대해 오목하게 형성되는, 틸트 패드 저널 베어링.
조항 13: 조항 1 내지 조항 12 중 어느 하나에 있어서, 환형 지지 링에 연결되는 한 쌍의 단부 시일을 더 포함하는, 틸트 패드 저널 베어링.
조항 14: 조항 1 내지 조항 13 중 어느 하나에 있어서, 복수의 아치형 패드들 중 적어도 하나의 아치형 패드에 연결되는 적어도 하나의 온도 변환기를 더 포함하는, 틸트 패드 저널 베어링.
조항 15: 조항 13에 있어서, 더 큰 유동 단면적을 갖는 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 적어도 하나의 온도 변환기와 축방향 정렬로 포지셔닝되는, 틸트 패드 저널 베어링.
조항 16: 회전 샤프트를 지지하기 위한 틸트 패드 저널 베어링으로서, 환형 지지 링; 환형 지지 링에 틸팅 가능하게 장착되고, 서로 원주 방향으로 이격되며, 복수의 아치형 패드들 각각은 샤프트 지지 표면 반대편에 장착 표면을 갖는 복수의 아치형 패드들; 및 복수의 아치형 패드들의 각각의 쌍 사이에 배치되는 윤활 장치를 포함하며, 윤활 장치는, 환형 지지 링에 연결되고 인접한 아치형 패드들의 샤프트 지지 표면에 대해 오목하게 형성됨으로써 오일 혼합 캐비티를 형성하는 윤활 매니폴드, 및 윤활 매니폴드로부터 오일 혼합 캐비티 내로 돌출되어 있는 복수의 윤활 노즐들을 포함하고, 윤활 매니폴드의 중심을 향하여 포지셔닝되는 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐의 유동 단면적은 윤활 매니폴드의 중심으로부터 떨어져 포지셔닝되는 복수의 노즐들 중 나머지 노즐들의 유동 단면적보다 크며, 복수의 윤활 노즐들의 상부 표면은 인접한 아치형 패드들의 샤프트 지지 표면에 대해 오목하게 형성되며, 환형 지지 링은 윤활 매니폴드 및 복수의 윤활 노즐들 각각과 유체 연통하는 윤활유 전달 홀을 갖는, 틸트 패드 저널 베어링.
조항 17: 조항 16에 있어서, 더 큰 유동 단면적을 갖는 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 나머지 개별 윤활 노즐들 중 임의의 것보다 유동 면적이 33% 내지 200% 더 큰, 틸트 패드 저널 베어링.
조항 18: 조항 16 또는 조항 17에 있어서, 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 것은 원형 또는 타원형 유동 단면적을 갖고, 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 프리즘 형태의 외형을 갖는, 틸트 패드 저널 베어링.
조항 19: 조항 16 내지 조항 18 중 어느 하나에 있어서, 복수의 윤활 노즐들의 상부 표면은 인접한 아치형 패드들의 샤프트 지지 표면에 대해 오목하게 형성되는, 틸트 패드 저널 베어링.
조항 20: 조항 16 내지 조항 19 중 어느 하나에 있어서, 환형 지지 링에 연결되는 한 쌍의 단부 시일을 더 포함하는, 틸트 패드 저널 베어링.
본 개시의 이들 및 다른 특징들 및 특성들뿐만 아니라 구조들의 관련 요소들의 동작 방법들 및 기능들, 부품의 조합 및 제조 경제성은 이하의 설명을 고려하고 첨부된 도면들을 참조하면 더욱 명백해질 것이며, 이들 모두는 본 명세서의 일부를 형성하고, 여기서 동일한 참조 번호는 다양한 도면들에서 대응하는 부분을 나타낸다. 그러나, 도면들은 단지 예시 및 설명의 목적을 위한 것이며 개시 내용의 제한을 정의하려는 의도가 아님을 분명히 이해해야 한다.
도 1은 종래 기술의 실시예에 따른 다단계 원심 흐름 터보 기계의 부분-절단 사시도이다.
도 2는 본 개시의 일부 비제한적 실시예들 또는 양태들에 따른 틸트 패드 저널 베어링의 사시도이다.
도 3은 도 1에 나타나 있는 베어링의 환형 지지 링의 사시도이다.
도 4는 본 개시의 일 비제한적 실시예 또는 양태에 따른 틸트 패드 저널 베어링과 함께 사용하도록 구성되는 윤활 장치의 사시도이다.
도 5는 본 개시의 다른 비제한적 실시예 또는 양태에 따른 틸트 패드 저널 베어링과 함께 사용하도록 구성되는 윤활 장치의 사시도이다.
도 6은 도 4에 나타나 있는 윤활 장치의 정면 단면도이다.
도 7은 온도 변환기를 보여주는 또 다른 실시예 또는 양태에 따른 틸트 패드 저널 베어링의 사시도이다.
본 명세서에서 사용되는, 단수 형태는 문맥상 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수 지시 대상을 포함한다.
"왼쪽", "오른쪽", "내부", "외부", "위", "아래" 등과 같은 공간적 또는 방향적 용어들은 도면들에 나타나 있는 바와 같은 실시예들 또는 양태들에 관한 것이며, 실시예들 또는 양태들이 다양한 대안적 배향들을 가정할 수 있으므로 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
명세서 및 청구범위에 사용된 모든 숫자는 "약(about)"이라는 용어에 의해 모든 경우에 수식되는 것으로 이해되어야 한다. "약"은 명시된 값의 플러스 또는 마이너스 25% 이내를 의미한다. 그러나, 이것은 등가 원칙에 따른 임의의 가치들의 분석에 제한되는 것으로 간주되어서는 안 된다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에 개시된 모든 범위들 또는 비율들은 시작 및 끝 값들, 및 그 안에 포함된 임의의 및 모든 하위 범위들 또는 하위 비율들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "1 내지 10"의 명시된 범위 또는 비율은 최소값 1과 최대값 10 사이(및 포함)의 임의의 또는 모든 하위 범위들 또는 하위 비율들을 포함하는 것으로 간주되어야 하며; 즉, 모든 하위 범위들 또는 하위 비율들은 최소값 1 이상으로 시작하여 최대값 10 이하로 끝난다. 본 명세서에 개시된 범위들 및/또는 비율들은 특정 범위 및/또는 비율에 대한 평균값들을 나타낸다.
"제 1", "제 2" 등의 용어는 임의의 특정 순서 또는 연대순을 지칭하는 것이 아니라 상이한 조건들, 속성들 또는 요소들을 지칭한다.
본 명세서에 언급된 모든 문서는 그 전체가 "참조에 의해 통합"된다.
"적어도"라는 용어는 "크거나 같음"과 동의어이다.
본 명세서에서 사용되는 "중 적어도 하나"는 "중 하나 이상"과 동의어이다. 예를 들어, "A, B 또는 C 중 적어도 하나"라는 문구는 A, B 또는 C 중 어느 하나 또는 A, B 또는 C 중 임의의 둘 이상의 조합을 의미한다. 예를 들어, "A, B 및 C 중 적어도 하나"는 A만을 포함하거나; B만을 포함하거나; 또는 C만을 포함하거나; A 및 B를 포함하거나; A 및 C를 포함하거나; B 및 C를 포함하거나; 또는 A, B 및 C 모두를 포함한다.
"포함하는" 및 "포함한다" 등의 용어는 임의의 청구범위 또는 명세서 전체에 열거된 것 이외의 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 "포함하다"는 "포함시키다"를 의미하고 "구성하는"은 "포함시키는"을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는, "평행한" 또는 "실질적으로 평행한"이라는 용어는 기준선을 포함하는 가늘고 긴 물체와 같은 두 물체들 사이의 상대 각도를 의미하며(이론적 교차로 확장되는 경우), 즉, 0° 내지 5°, 또는 0° 내지 3°, 또는 0° 내지 2°, 또는 0° 내지 1°, 또는 0° 내지 0.5°, 또는 0° 내지 0.25°, 또는 0° 내지 0.1이며, 인용된 값들을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "수직", "가로", "실질적으로 수직" 또는 "실질적으로 가로"는 이들의 실제적 또는 이론적 교차점에서 두 물체들 사이의 상대적 각도를 의미하고, 85° 내지 90°, 또는 87° 내지 90°, 또는 88° 내지 90°, 또는 89° 내지 90°, 또는 89.5° 내지 90°, 또는 89.75° 내지 90°, 또는 89.9° 내지 90°이며, 인용된 값들을 포함한다.
본 개시는 일반적으로 증가된 베어링 성능을 위한 윤활 장치를 갖는 틸트 패드 저널 베어링일 수 있는 베어링(200)에 관한 것이다. 윤활 장치는 오일과 같은 윤활유를 회전 샤프트로 향하게 하도록 구성된다. 베어링(200)의 구성 요소들의 특정한 바람직하고 비제한적인 실시예들 또는 양태들이 도 2 내지 도 6에 도시되어 있다. 본 개시는 또한 일반적으로 전술한 베어링(200)을 이용하는 터보 기계에 관한 것이다. 베어링(200)은 터보 기계의 케이싱(casing) 내에 포함되도록 구성된다. 일부 실시예들 또는 양태들에서, 베어링(200)은 도 1에 나타나 있는 터보 기계(10)와 같은 터보 기계와 함께 사용하도록 구성될 수 있다. 복수의 베어링들(200)은 터보 기계의 샤프트의 축방향 길이를 따라 다단계들로 이격될 수 있다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 베어링(200)은 환형 지지 링(202), 및 환형 지지 링(202)에 지지되는 복수의 아치형 패드들(204)을 포함한다. 환형 지지 링(202)은 중앙 개구(206)를 갖는 모놀리식 구조일 수 있다. 일부 실시예들 또는 양태들에서, 환형 지지 링(202)은 환형 지지 링(202)을 형성하기 위해 함께 결합되는 복수의 개별 링 또는 아크 세그먼트들로 구성되는 모듈식 구성 요소일 수 있다. 개별 링 또는 아크 세그먼트들은 하나 이상의 패스너들과 함께 제거 가능하게 연결될 수 있다. 일부 실시예들 또는 양태들에서, 개별 링 또는 아크 세그먼트를 서로에 대해 위치시키기 위해 맞춤 못, 핀들 또는 다른 구조체들이 제공될 수 있다.
도 2 내지 도 3을 계속 참조하면, 베어링(200)은 환형 지지 링(202)의 반대되는 측면들에서 서로 축방향으로 이격되는 한 쌍의 측면 플레이트(208)를 더 포함한다. 측면 플레이트들(208)은 링-형상이고 도 1에 나타나 있는 터보 기계(10)의 샤프트(20)와 같은 로터 샤프트(rotor shaft)를 수용하는 크기의 중앙 구멍(central aperture)(210)을 포함한다. 측면 플레이트들(208)은 환형 지지 링(202)의 각각의 반대되는 측면들에 제거 가능하게 연결 가능하도록 구성된다. 일부 실시예들 또는 양태들에서, 측면 플레이트들(208)은 환형 지지 링(202)과 일체로 형성될 수 있다. 각 측면 플레이트(208)는 아치형 패드(204)를 축방향 및 반경방향으로 유지하기 위해 대응하는 복수의 유지 패스너들(212)(도 2에 도시됨)을 수용하도록 구성되는 복수의 개구들(209)(도 3에 나타나 있음)을 갖는다. 일부 실시예들 또는 양태들에서, 각 아치형 패드(204)는 한 쌍의 유지 패스너들(212)에 의해 고정될 수 있다. 사용 시, 측면 플레이트들(208)은 축방향 및 반경방향으로 복수의 아치형 패드들(204)을 유지하고, 본 명세서에서 논의되는 바와 같이 윤활유의 축방향 누출을 억제한다. 이와 같이, 측면 플레이트들(208) 각각은 단부 시일을 정의한다.
도 2를 참조하면, 아치형 패드들(204)은 환형 지지 링(202)의 중앙 개구(206) 내에 수용되고, 갭 또는 공간(214)이 인접한 아치형 패드들(204) 사이에 존재하도록 서로 원주방향으로 이격된다. 일부 실시예들 또는 양태들에서, 베어링(200)은 5개의 아치형 패드들(204)을 가질 수 있다. 다른 실시예들 또는 양태들에서, 베어링(200)은 더 많거나 더 적은 아치형 패드들(204)을 가질 수 있다. 복수의 아치형 패드들(204) 각각은 샤프트 지지 표면(218) 반대편에 장착 표면(216)(도 7에 나타나 있음)을 갖는다. 장착 표면(216)은 후술하는 바와 같이 구형 피봇 시트를 통해 환형 지지 링(202)의 내부 표면(220)(도 3에 나타나 있음) 상에 아치형 패드(204)를 틸팅 가능하게 지지하도록 구성된다. 샤프트 지지 표면(218)은 베어링(200)에 의해 지지되는 로터 샤프트와 베어링 접촉하도록 구성된다.
도 7에 나타나 있는 바와 같이, 각 아치형 패드(204)의 장착 표면(216)은 환형 지지 링(202) 상의 포켓(224)(도 3에 나타나 있음) 내에 수용되는 구형 피봇 시트(222)와 접촉하도록 구성되는 포켓(pocket)을 갖는다. 구형 피봇 시트(222)는 환형 지지 링(202)의 홀(228)(도 3에 도시됨)을 통해 연장되는 패스너(226)에 의해 포켓(224) 내에 고정될 수 있다. 구형 피봇 시트(222)는 베어링(200)의 길이방향 축에 평행한 축에 대해 작동 패드들(204)의 틸팅 이동을 용이하게 하도록 구성된다.
도 2를 참조하면, 베어링(200)은 복수의 아치형 패드들(204)의 각 쌍 사이에 배치되는 윤활 장치(232)를 갖는다. 윤활 장치(232)는 윤활 오일과 같은 윤활유를 로터 샤프트로 전달하도록 구성된다. 베어링(200)의 모든 윤활 장치들(232)이 바람직하게는 동일한 방식으로 구성된다는 것을 이해하면서, 윤활 장치(232)의 논의는 단일 윤활 장치(232)에 관한 것일 것이다.
도 4 내지 도 5를 참조하면, 윤활 장치(232)는 윤활 매니폴드(234), 및 윤활 매니폴드(234)로부터 돌출되어 있는 복수의 윤활 노즐들(236)을 포함한다. 윤활 노즐들(236) 각각은 윤활 매니폴드(234)와 유체 연통한다(도 6 참조). 일부 실시예들 또는 양태들에서, 복수의 윤활 노즐들(236)은 3개의 윤활 노즐들(236)일 수 있다. 다른 실시예들 또는 양태들에서, 복수의 윤활 노즐들(236)은 3개의 윤활 노즐들(236)보다 많거나 적을 수 있다.
도 2를 참조하면, 윤활 매니폴드(234)는 환형 지지 링(202)에 연결되도록 구성된다. 예를 들어, 윤활 매니폴드(234)는 한 쌍의 나사산 홀들(238)(도 4 내지 도 5에 나타나 있음)을 가지며, 나사산 홀들 각각은 환형 지지 링(202) 상의 대응하는 홀(241)을 통해 연장되는 패스너(240)를 나사식으로 수용하도록 구성된다(도 2 내지 도 3 참조).
도 6에 나타나 있는 바와 같이, 환형 지지 링(202)은 윤활 매니폴드(234) 및 복수의 윤활 노즐들(236) 각각과 유체 연통하는 윤활유 전달 홀(242)을 갖는다. 이러한 방식으로, 윤활유는 윤활유 전달 홀(242) 및 윤활 매니폴드(234)를 통해 윤활유 공급원으로부터 윤활 노즐들(236)로 전달될 수 있다. 일부 실시예들 또는 양태들에서, 윤활유의 측면 누출을 방지하기 위해 윤활 매니폴드(234)와 환형 지지 링(202) 사이의 계면에 시일(seal)이 제공될 수 있다.
도 4 내지 도 5를 참조하면, 윤활 노즐들(236) 각각은 윤활 매니폴드(234)를 통해 윤활유를 로터 샤프트로 전달하도록 구성되는 중공 구조를 갖는다. 복수의 윤활 노즐들(236)은 윤활 매니폴드(234)를 따라 서로 균등하게 이격된다. 다른 실시예들 또는 양태들에서, 복수의 윤활 노즐들(236)은 윤활 매니폴드(234)를 따라 서로 불균일하게 이격될 수 있다. 윤활 매니폴드(234)의 중심을 향하여 포지셔닝되는 복수의 윤활 노즐들(236) 중 적어도 하나의 윤활 노즐(즉, 중앙 윤활 노즐(236a))의 유동 단면적은 윤활 매니폴드(234)의 중심으로부터 떨어져 포지셔닝되는 복수의 노즐들(236)의 나머지 노즐들(즉, 외부 윤활 노즐들(236b, 236c))의 유동 단면적보다 크다. 이러한 방식으로, 외부 윤활 노즐들(236b, 236c)에 비해 중앙 윤활 노즐(236a)을 통해 더 많은 윤활제가 전달될 수 있다. 이러한 장치는 베어링 패드(204)에 대한 보다 효율적인 냉각을 제공하며, 이에 따라 전체적으로 가장 높은 온도 감소뿐만 아니라 오일 유량당 가장 높은 온도 감소를 가능하게 한다. 일부 실시예들 또는 양태들에서, 더 큰 유동 단면적을 갖는 중앙 윤활 노즐(236a)은 나머지 개별 윤활 노즐들(236b, 236c) 중 임의의 것보다 유동 면적이 33% 내지 200% 더 크다.
일부 실시예들 또는 양태들에서, 복수의 윤활 노즐들(236) 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 원형 유동 단면적을 갖는다(도 4). 다른 실시예들 또는 양태들에서, 복수의 윤활 노즐들(236) 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 타원형 유동 단면적을 갖는다(도 5). 추가 실시예들 또는 양태들에서, 복수의 윤활 노즐들(236) 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 유동 단면적의 임의의 다른 기하학적 형상을 가질 수 있다. 복수의 윤활 노즐들(236) 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 프리즘 형태의 외형을 갖는다. 예를 들어, 복수의 윤활 노즐들(236) 중 적어도 하나의 윤활 노즐의 외부 단면 형상은 정사각형, 직사각형 또는 다른 형상일 수 있다.
도 6을 참조하면, 복수의 윤활 노즐들(236) 각각의 상단부(246)는 로터 샤프트에 대한 간극 공간(clearance space)을 제공하기 위해 거리(X)만큼 인접한 아치형 패드들(204)의 샤프트 지지 표면(218)에 대해 오목하게 형성된다. 또한, 윤활 매니폴드(234)는 복수의 윤활 노즐들(236) 각각의 상단부(246) 및 인접한 아치형 패드들(204)의 샤프트 지지 표면(218)에 대해 오목하게 형성되어, 오일 혼합 캐비티(248)를 형성한다. 오일 혼합 캐비티(248)는 인접한 아치형 패드들(204)로부터 배출될 수 있는 고온 윤활제를 수용하도록 구성되며, 이에 따라 윤활 노즐들(236)로부터 전달되는 냉각 윤활제와 혼합될 수 있도록 한다. 이러한 방식으로 전체 베어링 금속 온도를 낮출 수 있다.
도 7을 참조하면, 적어도 하나의 온도 변환기(250)는 복수의 아치형 패드들(204) 중 적어도 하나의 아치형 패드에 연결된다. 적어도 하나의 온도 변환기(250)는 베어링(200)의 동작 온도를 측정하도록 구성된다. 일부 실시예들 또는 양태들에서, 적어도 하나의 온도 변환기(250)는 더 큰 유동 단면적을 갖는 복수의 윤활 노즐들(236) 중 적어도 하나의 윤활 노즐과 축방향으로 정렬될 수 있다.
전술한 설명에서는 개시된 베어링 및 터보 기계의 다양한 양태들이 제공되었지만, 당업자는 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않고 이러한 양태들에 대한 수정들 및 변경들을 가할 수 있다. 예를 들어, 본 개시는 가능한 범위 내에서, 임의의 양태의 하나 이상의 특징들이 임의의 다른 양태의 하나 이상의 특징들과 결합될 수 있음을 고려하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 전술한 설명은 제한적이기보다는 예시적인 것으로 의도된다. 상기 기술된 발명은 첨부된 청구범위, 및 그 범위 내에 포함되는 청구범위의 등가 범위 및 의미 내에 속하는 발명에 대한 모든 변경들에 의해 정의된다.

Claims (20)

  1. 회전 샤프트를 지지하기 위한 틸트 패드 저널 베어링으로서,
    환형 지지 링;
    상기 환형 지지 링에 틸팅 가능하게 장착되고 서로 원주 방향으로 이격되며, 상기 복수의 아치형 패드들 각각은 샤프트 지지 표면 반대편에 장착 표면을 갖는 복수의 아치형 패드들; 및
    상기 복수의 아치형 패드들의 각 쌍 사이에 배치되는 윤활 장치를 포함하며,
    상기 윤활 장치는,
    상기 환형 지지 링에 연결되고 인접한 아치형 패드들의 상기 샤프트 지지 표면에 대해 오목하게 형성됨으로써 오일 혼합 캐비티를 형성하는 윤활 매니폴드; 및
    상기 윤활 매니폴드로부터 상기 오일 혼합 캐비티 내부로 돌출되어 있는 복수의 윤활 노즐들을 포함하고,
    상기 윤활 매니폴드의 중심을 향하여 포지셔닝되는 상기 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐의 유동 단면적은 상기 윤활 매니폴드의 상기 중심으로부터 떨어져 포지셔닝되는 상기 복수의 노즐들 중 나머지 노즐들의 유동 단면적보다 큰, 틸트 패드 저널 베어링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 지지 링은 상기 윤활 매니폴드 및 상기 복수의 윤활 노즐들 각각과 유체 연통하는 윤활유 전달 홀을 갖는, 틸트 패드 저널 베어링.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 윤활 노즐들은 3개의 윤활 노즐들인, 틸트 패드 저널 베어링.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 윤활 노즐들은 상기 윤활 매니폴드를 따라 서로 균등하게 또는 불균일하게 이격되어 있는, 틸트 패드 저널 베어링.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 더 큰 유동 단면적을 갖는 상기 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 상기 나머지 개별 윤활 노즐들 중 임의의 것보다 유동 면적이 33% 내지 200% 더 큰, 틸트 패드 저널 베어링.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 원형 유동 단면적을 갖는, 틸트 패드 저널 베어링.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 타원형 유동 단면적을 갖는, 틸트 패드 저널 베어링.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 프리즘형 외부 형상을 갖는, 틸트 패드 저널 베어링.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 윤활 매니폴드는 적어도 하나의 나사산 홀을 포함하고, 상기 윤활 매니폴드는 상기 적어도 하나의 나사산 홀과 나사 결합되는 패스너를 통해 상기 환형 지지 링에 연결되는, 틸트 패드 저널 베어링.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 아치형 패드들 각각의 상기 장착 표면과 접촉하는 구형 피봇 시트를 더 포함하는, 틸트 패드 저널 베어링.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 구형 피봇 시트는 환형 지지 링의 내부 표면에 연결되는, 틸트 패드 저널 베어링.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 윤활 노즐들의 상부 표면은 인접한 아치형 패드들의 상기 샤프트 지지 표면에 대해 오목하게 형성되는, 틸트 패드 저널 베어링.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 지지 링에 연결되는 한 쌍의 단부 시일을 더 포함하는, 틸트 패드 저널 베어링.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 아치형 패드들 중 적어도 하나의 아치형 패드에 연결되는 적어도 하나의 온도 변환기를 더 포함하는, 틸트 패드 저널 베어링.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 더 큰 유동 단면적을 갖는 상기 복수의 윤활 노즐들 중 상기 적어도 하나의 윤활 노즐은 상기 적어도 하나의 온도 변환기와 축방향 정렬로 포지셔닝되는, 틸트 패드 저널 베어링.
  16. 회전 샤프트를 지지하기 위한 틸트 패드 저널 베어링으로서,
    환형 지지 링;
    상기 환형 지지 링에 틸팅 가능하게 장착되고, 서로 원주 방향으로 이격되며, 상기 복수의 아치형 패드들 각각은 샤프트 지지 표면 반대편에 장착 표면을 갖는 복수의 아치형 패드들; 및
    상기 복수의 아치형 패드들의 각각의 쌍 사이에 배치되는 윤활 장치; 를 포함하며,
    상기 윤활 장치는,
    상기 환형 지지 링에 연결되고 인접한 아치형 패드들의 상기 샤프트 지지 표면에 대해 오목하게 형성됨으로써 오일 혼합 캐비티를 형성하는 윤활 매니폴드, 및
    상기 윤활 매니폴드로부터 상기 오일 혼합 캐비티 내로 돌출되어 있는 복수의 윤활 노즐들을 포함하고,
    상기 윤활 매니폴드의 중심을 향하여 포지셔닝되는 상기 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐의 유동 단면적은 상기 윤활 매니폴드의 중심으로부터 떨어져 포지셔닝되는 상기 복수의 노즐들 중 나머지 노즐들의 유동 단면적보다 크며,
    상기 복수의 윤활 노즐들의 상부 표면은 인접한 아치형 패드들의 상기 샤프트 지지 표면에 대해 오목하게 형성되며,
    상기 환형 지지 링은 상기 윤활 매니폴드 및 상기 복수의 윤활 노즐들 각각과 유체 연통하는 윤활유 전달 홀을 갖는, 틸트 패드 저널 베어링.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 더 큰 유동 단면적을 갖는 상기 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 상기 나머지 개별 윤활 노즐들 중 임의의 것보다 유동 면적이 33% 내지 200% 더 큰, 틸트 패드 저널 베어링.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 원형 또는 타원형 유동 단면적을 갖고, 상기 복수의 윤활 노즐들 중 적어도 하나의 윤활 노즐은 프리즘 형태의 외형을 갖는, 틸트 패드 저널 베어링.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수의 윤활 노즐들의 상부 표면은 인접한 아치형 패드들의 상기 샤프트 지지 표면에 대해 오목하게 형성되는, 틸트 패드 저널 베어링.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 환형 지지 링에 연결되는 한 쌍의 단부 시일을 더 포함하는, 틸트 패드 저널 베어링.
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