KR100965978B1 - 미케니컬 페이스 씰의 그루브패턴구조 - Google Patents

Abstract

본 발명의 그루브 패턴구조는, Y자형 그루브(41)와, 일자형 그루브(42), 랜드 부분(47) 및 댐 부분(48)으로 이루어져 있다. 상기 Y자형 그루브(41)는 회전자(11)의 반경 방향의 바깥쪽에 입구부분(43)이 형성되어 있고, 안쪽방향에 출구 부분(44)이 형성되어 있으며, 상기 일자형 그루브(42)는, 외경방향 쪽이 더 길고, 내경방향 쪽이 더 짧은 사다리꼴 형상으로 형성되어 있다.

Description

미케니컬 페이스 씰의 그루브패턴구조{GROOVE PATTERN OF MECHANICAL FACE SEAL}

도 1은, 본 발명의 그루브 패턴을 사용하는 일반적인 씰의 구조를 나타내는 도면이다.

도 2는, 도 1에서 그루브를 적용하는 부분을 나타내는 도면이다.

도 3은, 본 발명에 의한 그루브 패턴 구조를 나타내는 사시도이다.

도 4는, 도 3의 A-A'선을 따라 본 단면도로서, 본 발명의 Y자형 그루브를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 5는, 일자형 그루브를 나타내는 도면으로서, 도 5(a)는 도 3의 B-B'선을 따라 본 단면도, 도 5(b)는 확대평면도이다.

도 6은, 랜드부분과 댐부분을 개략적으로 나타내는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11 : 회전자 12 : 슈라우드

13 : 슬리브 14 : 힘을 가하는 수단

16, 17, 23 : O링 21 : 고정자

41 : Y자형 그루브 42 : 일자형 그루브

43 : Y자형 그루브의 입구

44 : Y자형 그루브의 출구

45 : 일자형 그루브의 중앙부분

46 : 일자형 그루브의 끝부분

본 발명은 미캐니컬 페이스 씰에 사용되는 그루브 패턴구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스의 원주 방향으로의 흐름을 이루게 하며, 동시에 다시 외경쪽으로 반환되어 나가는 가스의 흐름을 만들 수 있는 그루브 패턴구조에 관한 것이다.

일반적으로, 회전축에 적용하는 씰(seal)은 크게 두 가지로 나눌 수 있다.

하나는 축이 회전하는 동안 두 접촉면간에 직접적인 접촉이 존재하는 것이 특징이다. 이러한 씰을 접촉 씰(contacting seal)이라 한다. 접촉 씰은 디자인이 쉽고 누설이 적다는 장점이 있으나, 밀봉면이 접촉하기 때문에 마모와 발열이 많이 일어난다. 따라서, 좋은 재질, 하이드로 패드(hydro-pad) 그리고, 면 하중(face load)의 감소는 필수적이다. 또한, 일반적으로 운전 압력에 있어서 비접촉 씰에 비해 상대적인 제한이 따른다.

다른 하나는 회전체와 정지하고 있는 부품간에 이론상 직접적인 접촉이 없는 것이 특징이다. 이러한 씰을 비접촉 씰(non-contacting seal)이라 한다. 비접촉 씰은 상술한 접촉 씰에 비하여 디자인이 어렵고, 밀봉면 사이의 작은 갭으로 인해 상대적으로 약간 많은 누설이 발생한다. 하지만, 마모가 적으며, 발열이 낮고, 높은 가스압 환경에의 적용이 가능하다는 장점이 있다. 본 발명의 그루브 패턴을 가지는 미캐니컬 씰은 이러한 비접촉 씰에 속한다.

미케니컬 페이스 씰은 회전축의 유체의 누설방지에 절대적으로 필요한 장치로 컴프레션 패킹(compression packing)의 단점들을 극복하기 위하여 개발되었다. 미케니컬 페이스 씰의 장점으로는 (1) 눈에 보이는 정도의 누설이 방지되고, (2) 축의 마모가 없으며, (3) 모든 마모현상은 밀봉면에서만 발생하며, (4) 유체의 압력에 의해 마모되는 부분만큼 자동으로 보상이 이루어져 밀봉이 지속되는 점이다. 즉, 미케니컬 페이스 씰을 사용하면 누수를 환경규제기준에 만족하는 정도로 감소시킬 수 있고, 유지비용도 줄일 수 있다.

비접촉 씰에는 다양한 방식이 존재한다. 기본적으로 모두 가스 환경에서 운전 가능해야 하며, 압력 역전 상태에서도 가스 또는 액체를 밀봉해야 한다. 비접촉 씰은 밀봉과 밀봉면의 윤활을 위하여 밀봉면 사이에 얇은 가스막을 형성한다.

이렇게 밀봉면 사이에 가스막을 만들어 밀봉하는 씰을 일컬어 가스 씰(gas seal)이라 한다. 이 가스 씰의 적용 분야는 (1) 화학 산업, 특히 휘발성 유해 공기 오염 물질(VHAPs)을 취급하는 곳에의 적용 (2) 안전성, 신뢰성, 그리고 배출물이 중대한 요인인 경우에의 신규 또는 기존의 더블 씰(double seal) (3) 캐비테이션(cavitation)에 기인한 신뢰성과 드라이 러닝(drying running)이 중대한 요인인 경우에의 신규 또는 기존의 싱글 씰(single seal) 등으로 다양하다.

비접촉 씰의 이러한 가스막을 만드는 디자인은 유체역학적 리프트-오프 (hydrodynamic lift-off) 메커니즘에 기초하고 있다. 잘 알려진 디자인으로 스파이럴 그루브(spiral groove)가 있다. 그 밖에 슬롯낸 페이스(slotted face), 웨이비 페이스(wavy face), 티-그루브(T-groove) 등이 있다. 본 발명은 이러한 가스막을 만드는 그루브의 패턴에 관한 것이다.

전형적인 미케니컬 씰의 밀봉면에선 면 사이의 기체나 액체의 경계층(boundary layer)이 윤활 작용을 한다. 요구되는 누수량, 수명, 그리고 에너지 소비율 등을 만족하는 씰을 설계할 때에는 반드시 면 사이의 윤활 정도를 고려하여 수많은 밀봉면의 윤활 방식 중에 선택을 하여야 한다. 본 발명은 이러한 다양한 윤활 방식 중 특히 가스 또는 기체에 의한 윤활을 위한 것이다.

종래의 가스막을 만드는 다양한 그루브의 패턴 중에서 단일 방향 그루브가 한국특허출원번호 10-1994-0019124호(발명의 명칭 : 기계면 시일)에 기재되어 있다. 이 기술에 의하면, 기계면 시일 내의 나선형 홈들이, 방사상으로 배치되거나 또한 원주상에 떨어져 배치될 수도 있는 개별 압력 구역들 안으로 시일 갭 내에서 발생된 유체 압력을 보다 균일하게 배분하는 다수의 단부 구석들을 가진다.

그러나, 이 기술은 단일 방향으로의 회전에만 적용할 수 있다는 단점이 있다. 따라서, 회전 방향이 상이할 때 또는 더블 씰 등에서 배치에 따라 같은 사이즈와 형태라고 해도 회전 방향별로 서로 다른 제품을 사용해야 한다. 이는 호환성을 떨어뜨려 재고의 부담을 크게 증가시킨다. 또한, 잘못 장착이 되어 반대의 회전 방향으로 운전이 되었을 때 미케니컬 씰 전체에 심각한 손상을 입힐 수 있다.

한편, 기존의 가스 씰은 가스 소모량이 많다는 단점이 있었다. 예컨대, 한국출원번호 10-1992-0001981에서와 같이, 패턴의 특성상 가스의 흐름이 페이스 외경에서 내경으로만 이루어지게 되어 있는 구조에서는, 지속적인 페이스 사이의 비접촉을 유지하기 위해서 가스는 계속적으로 페이스 외경에서부터 내경쪽으로 흘러 들어가야 하며, 따라서 내경쪽의 가스는 대기측으로 빠져나가야만 하는 구조이다.

본 발명은 그루브는 이러한 단일 방향의 단점을 극복할 수 있는 양방향 그루브를 제공하고자 하는 것이다. 본 발명에 의하면, 회전 방향에 따른 구별이 필요 없으므로 부품과 어셈블리의 예비 수량 및 종류를 절반으로 감소시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한, 회전 방향을 고려할 필요가 없으므로 씰 페이스를 조립, 설치함에 있어 매우 쉽고 단순하게 수행할 수 있다.

또한, 본 발명은 상술한 대량의 가스를 소모하는 단점을 극복하고자 원주 방향으로의 흐름을 이루게 하며, 동시에 다시 외경쪽으로 반환되어 나가는 가스의 흐름을 만들 수 있는 그루브를 제공하고자 하는 것이다.

원주 방향으로의 가스의 흐름은 원래의 가스 씰의 목적인 계속적인 페이스 사이의 비접촉을 유지시켜 주며, 외경쪽으로 반환되는 가스의 흐름은 가스가 페이스 내경쪽으로 새어나가 낭비되지 않도록 다시 외경쪽으로 반환시켜 가스의 소모량을 대폭 줄이는 역할을 한다. 이와 동시에 더블 씰에서 내부쪽에 장착된 씰(inboard seal)일 경우 혹시나 가스에 섞여 있을지 모르는 불순물 등이 그루브에 쌓이거나 혹은 펌핑 유체(product)쪽으로 섞여 들어가지 않도록 페이스 외경쪽으로 내보내는 역할도 한다.

본 발명에 의하면, 이 그루브에 의한 가스의 흐름 및 순환으로 인하여, 밀봉면 사이에 효과적인 윤활 작용을 하여 접촉면에서의 마찰, 마모를 최소화하고, 발생된 열을 최대한 발산시키는 냉각 기능에 의해 열에 의한 손상 및 밀봉 실패를 방지하며, 유입된 불순물 등이 밀봉면 사이에 남아 장애를 일으키는 것을 사전에 예방함으로써, 미케니컬 씰의 수명과 성능, 신뢰성, 안전성을 최대화할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 미캐니컬 페이스 씰의 구성을 보다 상세히 설명한다.

도 1은, 본 발명의 그루브 패턴을 사용하는 일반적인 씰의 구조를 나타내는 도면으로서, 도면에서 참조번호 11은 회전자를, 21은 고정자를 나타낸다.

도 1에서 회전자(rotor)(11)는 회전축에 결합된 슬리브 또는 칼라(13)에 핀(15)으로 연결된 슈라우드(shroud)(12)와 결합되어 축과 같이 회전을 하도록 구성되어 있다. 그에 반해, 고정자(stator)(21)는 하우징(housing)(24)에 고정되어 회전하지 않도록 구성되어 있다. 슈라우드(12)는 스프링(14)으로부터 누르는 힘을 받아 회전자(11)를 고정자(21)에 밀착시키도록 구성되어, 회전자(11)와 고정자(21) 사이에 밀봉면을 이룬다. 또한, 상기 회전자(11)와 고정자(21)에 의해 이루어지는 상기 밀봉면 외에 누설이 발생할 수 있는 경로를 O링(16, 17, 23)으로써 차단한다.

밀봉면은 2개의 매우 편평한 면을 겹쳐서 구현하는 바, 이 두 면이 축의 수직방향의 누설을 방지한다. 두 면 중 한 면은 소위 골링(galling) 현상이 발생하지 않도록 카본-그래파이트(carbon-graphite)와 같은 물질을 사용하고, 다른 하나 는 상대적으로 단단한 물질을 사용한다. 또한, 면 사이의 응착을 방지하기 위하여 고정자(21)와 회전자(11)는 서로 상이한 재질의 것을 사용한다.

본 발명의 그루브는 윤활성이 적은 환경에서도 미케니컬 씰의 성능, 신뢰성 및 안전성을 최대화하기 위해 개발되었다. 또한, 누설 수위의 조절과 함께 경계면에서의 윤활을 강화한다. 추가적인 냉각없이 낮은 비용으로 더욱 신뢰성 있는 운전을 구현하며, 씰의 성능 확대와 수명 연장을 위해 접촉면에서의 마찰을 대폭 감소시킨다. 따라서 증가된 평균 예방정비간 시간(MTBPM)을 위해 보통 산업 현장에서 인정하는 기준보다 씰 수명이 초과하여 사용할 수 있다. 점점 요구가 강해지는 친환경적 운전을 위해 매우 낮은 수준의 누설이 발생한다.

이 그루브는 양방향 운전을 모두 수행한다. 이것은 부품과 어셈블리의 예비 수량 및 종류의 감소를 의미한다. 치수 등의 조건이 맞는다면 이중흡입 펌프(double suction pump) 또는 빔 컴프레셔(beam compressor) 등에서 양 끝 모두에 동일한 씰을 사용할 수 있다. 역방향 회전을 허용하므로 여러 가지 상황에서의 역회전시 단일방향 그루브와 달리 씰과 기타 장비에 아무런 해를 입히지 않는다. 또한, 회전방향을 고려할 필요가 없으므로 씰 페이스를 조립, 설치함에 있어 매우 쉽고 단순하게 수행할 수 있다.

이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 그루브 패턴을 보다 상세히 설명한다.

도 2는, 본 발명에 의한 그루브를 적용하는 부분을 나타내는 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 그루브는 통상 회전자(11)에 적용되지만, 고정자(21)에 적용될 수도 있다. 이하, 회전자(11)에 적용되는 경우를 대표로 하여 설명한다.

도 3은, 도 2에 나타낸 본 발명에 의한 그루브를 보다 상세하게 나타내는 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 그루브 패턴구조는, Y자형 그루브(41)와, 일자형 그루브(42), 랜드 부분(47) 및 댐 부분(48)으로 이루어져 있다.

Y자형 그루브(41)는 회전자(11)의 반경 방향에 있어서, 외경방향 즉 바깥쪽에 입구부분(43)이 형성되어 있고, 입구부분(43)으로부터 내경방향 즉 안쪽방향으로 들어가는 도중에 분기되며, 도 3 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 랜드부분(47)과 댐부분(48)의 경계부에서 출구 부분(44)이 위치된다. 또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, Y자형 그루브(41)의 깊이는 입구(43)쪽이 깊고 출구(44)쪽이 얕게 형성되도록 경사져 있다. 또한, Y자형 그루브(41)의 폭도 입구(43)쪽이 출구(44)쪽 보다 크게 형성되어 있다.

또한, 일자형 그루브(42)는, 외경방향 쪽이 더 길고, 내경방향 쪽이 더 짧은 사다리꼴 형상으로 형성되어 있다. 상기 사다리꼴의 긴 변부분은, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이, 회전자(11)의 외경방향, 즉 바깥쪽을 향하여 오목하게 만곡되어 있다. 또한, 일자형 그루브(42)의 깊이는 중앙부분(45)이 끝부분(46)보다 더 크게 형성되어 있으며, 상기 끝부분(46)은 회전자(11)의 반경방향의 바깥쪽을 향하도록 형성되어 있다.

상술한 바와 같은, Y자형 그루브(41) 및 일자형 그루브(42)를 가지는 본 발 명의 미캐니컬 씰에 있어서의 가스의 흐름에 대하여 살펴본다.

회전자(11)가 회전하는 동안, 가스는 Y자형 그루브(41)의 상기 입구(43)로 들어간다. 상기 입구(43)로 들어간 가스는 회전자(11)의 회전 방향에 따라 Y자형 그루브(41)의 분기된 양끝의 어느 한 곳, 즉 출구(44)에 모이게 된다. Y자형 그루브(41)의 깊이는, 상술한 바와 같이, 입구(43)쪽이 깊고 출구(44)쪽이 얕게 형성되어 있고, 또한 Y자형 그루브(41)의 폭은 입구(43)쪽이 출구(44)쪽 보다 크게 형성되어 있기 때문에, 이 출구(44)쪽에서 가스가 압축되어 높은 압력 지대를 형성하게 된다. 따라서, 이 출구(44)쪽에서 강력한 유체역학적인 압력과 힘이 발생되어, 확실한 가스막으로 밀봉면들을 분리하고, 윤활 작용을 수행하며, 페이스의 마모를 감소시킬 수 있다.

그런 다음, 이 출구(44)쪽의 고압지역을 벗어난 가스는 랜드(47)를 지나 원주 방향으로 이동한다. 원주방향으로 이동한 가스는 일자형 그루브(42)를 통과한다. 이 일자형 그루브(42)를 통과하는 동안 가스의 일부는 다음 Y자형 그루브(41)로 이동하여 계속적인 가스의 흐름을 형성한다. 이 가스의 흐름이 연속적이고 안정적인 밀봉면의 비접촉을 유지시켜 준다.

한편, 일자형 그루브(42)를 통과하는 가스의 나머지는 이 일자형 그루브(42)의 끝부분(46)에 도달하면서 이 끝부분(46)의 상술한 바와 같은 외경쪽의 사다리꼴 형상의 긴 변에 해당하는 모양에 의해 외경쪽으로 이동해 밀봉면을 빠져나와 밀봉 영역의 가스(30)로 반환된다.

상기 일자형 그루브(42)에 의한 가스의 반환 작용은 내부 부품에서 발생되거 나 외부에서 유입된 찌꺼지, 불순물 등을 밀봉면 밖으로 배출시키는 작용을 한다. 이에 의해, 이 불순물들이 그루브에 쌓여 가스막을 형성하는데 방해가 되거나, 가스 흐름에 장애가 되거나, 밀봉면 또는 그루브 자체에 손상을 입히는 것을 방지할 수 있다. 또한, 이 반환 작용에 의해, 밀봉면에서 발생되는 열을 밀봉 영역의 가스(30)로 발산시켜 페이스를 냉각시킬 수 있는 효과도 가진다.

이 반환 가스의 존재는 본 발명의 그루브 디자인의 가스 소모량이 극히 적다는 것을 의미한다. 단일방향의 나선형 그루브에서는 내측 방향으로의 펌핑 작용이 회전에 따라 더욱 강해지는 반면, 순환이나 반환 경로가 없으므로, 결국 많은 가스를 소모하게 된다. 하지만, 본 발명의 그루브에서는 내측 반경 방향의 흐름대신 원주방향으로의 흐름이 형성되고, 또 반환되는 경로가 있어 대기로의 누설을 대폭 감소시킬 수 있다.

이 페이스 내경쪽에는 댐부분(48)이 형성되어 있다. 이 댐부분(48)은, Y자형 그루브(41) 및 일자형 그루브(42)가 형성되어 있는 랜드부분(47)과는 달리, 그루브가 형성되어 있지 않다. 따라서, 이 댐부분(48)에 의해, 정지 상태에서도 밀봉면 사이로의 누설이 방지된다. 또한, 운전시에도 가스의 흐름이 내경쪽으로 흘러 들어가 누설이 발생하지 않도록 방지하는 역할을 하며, 압력 상태가 역전이 된 상태에서도 누설이 발생하지 않도록 한다.

본 발명의 그루브는 그 고유의 패턴에 의해 가스의 흐름 및 순환을 일으킨다. 본 발명에 따른 Y자형 그루브 및 일자형 그루브에 의하여, 연속적인 가스의 흐름을 형성할 수 있으므로, 가스의 흐름 및 순환은 밀봉면 사이에 효과적인 윤활 작용을 하여 접촉면에서의 마찰, 마모를 최소화할 수 있으며, 또한 발생된 열을 최대한 발산시키는 냉각기능에 의해 열에 의한 손상 및 밀봉 실패를 방지할 수 있으며, 유입된 불순물 등이 밀봉면 사이에 남아 장애를 일으키는 것을 사전에 예방함으로써, 미케니컬 씰의 수명과 성능, 신뢰성, 안전성을 최대화할 수 있다.

Claims (3)

1. 회전축에 결합된 슬리브(13)와, 상기 슬리브(13)에 핀(15)으로 연결된 슈라우드(12)와, 상기 슈라우드(12)에 결합되어 축과 같이 회전을 하도록 구성된 회전자(11)와, 하우징(23)에 고정된 고정자(21)와, 상기 슈라우드에 힘을 가하는 수단(14)과, O링(16, 17, 23)을 구비하며, 상기 슈라우드(12)가 상기 힘을 가하는 수단(14)으로부터 누르는 힘을 받아 회전자(11)와 고정자(21)를 밀착시켜서 양자 사이에 밀봉면을 이루며, 상기 회전자(11)에는 그루브가 형성되어 있는 미캐니컬 페이스 씰의 그루브 패턴구조에 있어서,

   상기 그루브의 패턴 구조는, Y자형 그루브(41)와, 일자형 그루브(42)와, 그루브가 형성되는 랜드 부분(47) 및 그루브가 형성되지 않는 댐 부분(48)으로 이루어져 있으며,

   상기 Y자형 그루브(41)는 회전자(11)의 반경 방향의 바깥쪽에 입구부분(43)이 형성되어 있고, 안쪽방향에 출구 부분(44)이 형성되어 있고,

   상기 일자형 그루브(42)는, 외경방향 쪽이 더 길고, 내경방향 쪽이 더 짧은 사다리꼴 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미캐니컬 페이스 씰.
2. 제 1 항에 있어서, Y자형 그루브(41)는 입구(43)쪽의 깊이가 출구(44)쪽의 깊이보다 크게 형성되어 있고, 입구(43)쪽의 폭이 출구(44)쪽의 폭보다 크게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미캐니컬 페이스 씰.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 일자형 그루브(42)에서 원주 방향 끝부분(46)의 형상이 반경 방향 바깥쪽으로 향하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미캐니컬 페이스 씰.

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