KR20090040956A

KR20090040956A - 가스터빈용 베어링 시일

Info

Publication number: KR20090040956A
Application number: KR20070106396A
Authority: KR
Inventors: 박동진; 이용복; 김창호
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2007-10-23
Filing date: 2007-10-23
Publication date: 2009-04-28
Also published as: WO2009054560A1

Abstract

본 발명은 가스터빈용 베어링 시일에 관한 것으로서, 브러시 시일에 비해 마찰 손실이 매우 작은 동압 베어링에서 밀집율이 가스터빈 작동가스의 유입방향으로 달라지는 다공성포일을 구비하여 이를 통해 축방향의 가스터빈 작동가스의 누설을 효과적으로 밀봉하는 동압 베어링의 베어링 시일을 제공한다.

본 발명에 따른 가스터빈용 베어링 시일은 중심에 회전축이 배치되는 베어링하우징 내면에 배치되고, 상기 회전축과 베어링하우징 내면 사이의 공간을 통한 작동가스의 누설을 조절하기 위한 다공질의 탄성체로 이루어진 다공성포일을 포함하며, 상기 다공성포일은 가스가 유입되는 방향으로 밀집율이 증가되고, 상기 회전축이 회전하는 경우 회전축 주위에 누설되는 작동가스의 동압에 의해 상기 다공성포일이 탄성변형하여 회전축으로부터 간극을 갖도록 유지된다.

베어링 시일, 동압 베어링, 다공성포일, 다공질 탄성체, 범프포일

Description

가스터빈용 베어링 시일{BEARING SEAL FOR GAS TURBINE}

본 발명은 가스터빈용 베어링 시일에 관한 것으로서, 특히 가스터빈 작동가스의 축방향 누설을 줄일 수 있고, 수직방향의 하중과 전단력을 효율적으로 지지할 수 있는 베어링 시일에 관한 것이다.

일반적으로 가스터빈 등의 회전장치는 작동가스가 가스 주입구, 압축기, 연소실, 터빈, 배출구의 직렬적인 흐름을 갖는다. 터빈 또는 압축기의 회전축과 이를 원주방향으로 둘러싸는 터빈 또는 압축기의 하우징 사이에서의 작동가스 누설은 회전장치의 효율을 떨어뜨린다. 베어링 시일은 회전장치에서 축방향의 작동가스 누설을 줄이기 위한 것이다. 종래에는 축방향 누설을 줄이기 위하여 브러시 시일을 사용하였다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 종래기술에 따른 브러시 시일을 설명한다.

도 1은 종래기술에 따른 베어링의 브러시 시일을 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 브러시 시일의 일부를 도시한 사시도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 브러시 시일(3)은 회전축(2)이 배치되는 환형의 하우징(1) 내부에 구비되며, 일단은 하우징(1)에 고정되고, 타측은 자유단인 다수의 강모로 이루어진다. 브러 시 시일(3)의 일측단은 하우징(1)에 구비된 브러시 홀더(4)에 고정되고, 자유단인 타측단은 회전축(2) 외면에 맞닿는다.

상기와 같은 브러시 시일(3)은 작동가스의 누설을 방지할 수 있으나, 브러시 시일(3)이 회전축(2)과 접촉하여 마모될 수 있어서, 내구성이 떨어지는 문제점이 있었다. 특히, 고속의 회전장치에서 이러한 마모는 현저히 빨리 진행되며, 이에 따른 누설 방지효과도 급격히 저하되는 문제점이 있다.

또한, 브러시 시일(3)의 접촉에 의해 회전축(1)은 마찰력에 의한 저항을 받기 때문에 회전장치의 효율이 낮아지는 또 다른 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 브러시 시일에 비해 마찰 손실이 매우 작은 동압 베어링에서 밀집율이 축방향으로 달라지는 다공성포일을 배치하여 회전속도에 따라 베어링 실 표면과 회전축 간의 간극을 가변적으로 조절할 수 있으며, 이를 통해 축방향의 작동가스의 누설을 효과적으로 밀봉하는 동압 베어링 형태의 가스터빈용 베어링 시일을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 가스터빈용 베어링 시일은 중심에 회전축이 배치되는 베어링하우징 내면에 배치되고, 상기 회전축과 베어링하우징 내면 사이의 공간을 통한 작동가스의 누설을 조절하기 위한 다공질의 탄성체로 이루어진 다공성포일을 포함하며, 상기 다공성포일은 가스가 유입되는 방 향으로 밀집율이 증가되고, 상기 회전축이 회전하는 경우 회전축 주위에 누설되는 작동가스의 동압에 의해 상기 다공성포일이 탄성변형하여 회전축으로부터 간극을 갖도록 유지된다.

상기 다공성포일은 연속적으로 달라지는 밀집율을 갖는 단일 다공성포일요소로 이루어지거나, 서로 다른 밀집율을 갖는 복수의 다공성포일요소가 회전축을 따라 배열되어 형성될 수 있다.

상기 다공성포일요소의 양단에 배치되는 범프포일을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 다공성포일과 범프포일의 회전축에 대향하는 표면에는 탑포일이 배치되어, 상기 회전축의 구동시 상기 탑포일과 회전축 사이에 누설되는 작동가스의 가스막이 형성되게 하는 것이 바람직하다.

상기 베어링하우징에는 상기 다공성포일과 범프포일이 수용되는 수용홈이 형성될 수 있으며, 상기 수용홈에는 상기 회전축 구동시 상기 다공성포일 및 범프포일과 상기 베어링하우징 사이에 심포일이 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 가스터빈용 베어링 시일은 축방향을 따라 달라지는 밀집율을 갖는 다공성포일을 회전축 주위에 배치하여 동압 베어링의 축방향의 시일 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 다공성포일과 범프포일을 함께 사용하여 시일 성능이 높으면서도 진동감쇠성능이 뛰어나며 회전축방향의 전단력에 대한 지지성능도 뛰어난 또 다른 효과가 있다.

이하, 도 3 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 가스터빈용 베어링 시일의 실시예를 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 가스터빈용 베어링 시일이 구비된 베어링하우징의 일부를 제거하여 도시한 사시도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명은 동압 베어링의 시일에 관한 것이며, 회전축(10)과 베어링하우징(20) 사이에서 축방향으로 누설되는 작동가스의 양을 조절하는 베어링 시일이다. 회전축(10) 주위로 베어링하우징(20) 내면에 배치되며 축방향으로 다른 밀집율을 갖는 2단의 다공성포일요소(30a, 30b)가 구비되어 다공성포일(30)이 형성된다. 다공성포일(30)은 축방향 내측으로, 즉, 작동가스의 유입방향으로 밀집율이 증가하는 것이 바람직하다.

한편, 다공성포일요소(30a, 30b)는 금속칩을 가공하여 형성되며, 핫 플레이트(hot plate)를 사용하여 소정의 열과 압력하에서 압착몰딩되어 형성된다.

상기 실시예에서 다공성포일(30)은 2단의 다공성포일요소(30a, 30b)로 이루어지지만, 본 발명의 다공성포일은 이에 한정되지는 않고, 2단 이상의 다공성포일요소가 배열되어 이루어질 수도 있고, 연속적으로 밀집율이 달라지는 하나의 다공성포일요소로 이루어질 수도 있으며, 밀집율은 누설되는 작동가스의 유입방향을 따라 증가한다.

도 4는 본 발명에 따른 베어링 시일의 일 실시예를 도시한 정단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이 실시예는 베어링하우징(20) 내면에 배치되는 다공성포 일(30)과, 다공성포일(30)의 축방향 전후방에 배치되는 범프포일(40)과, 다공성포일(30) 및 범프포일(40) 상에 배치되어 회전축(10)과의 사이에 누설되는 작동가스의 가스막을 형성하는 탑포일(50)을 포함한다. 다공성포일(30)과 범프포일(40) 하면에는 베어링하우징(20)의 표면을 보호하며 다공성포일(30) 및 범프포일(40)과 마찰작용을 일으키는 심포일(60)이 배치된다. 도 4는 베어링과 회전축의 반경방향 단면을 나타낸 것이기 때문에 다공성포일(30)의 밀집율이 표시되지는 않는다. 다공성포일(30)이 축방향으로 다른 밀집율을 갖도록 형성되며 밀집율은 작동가스의 유입방향을 따라 증가한다.

다공성포일(30), 범프포일(40), 탑포일(50), 및 심포일(60)은 베릴륨카퍼(beryllium copper), 스테인리스 강 또는 인코넬(Inconel) 계열의 강으로 제조될 수 있다.

각 포일 들은 일단이 베어링하우징(20)에 고정되고, 타단은 자유단으로 되어 있다. 또한, 베어링하우징(20)에는 다공성포일(30)과 범프포일(40)이 수용되도록 수용홈(21)이 형성된다.

심포일(60)은 수용홈(21) 내에 구비될 수 있으며, 다공성포일(30)은 가스터빈 작동가스의 축방향 누설을 줄이는 주된 기능을 한다. 또한, 범프포일(40)과의 마찰을 통해 진동에너지를 소산시키는 작용을 하며, 베어링하우징(20)을 보호하는 역할을 한다.

다공성포일(30)은 그 밀집율에 따라 동적, 정적 특성이 달라진다. 다공성포일의 밀집율 증가에 따라 작동가스의 누출량이 감소되고, 강성이 높이지며, 감쇠의 동적 특성이 상승된다. 밀집율은 아래와 같은 식으로 표현될 수 있다.

밀집율 = 다공질 탄성체의 질량 / (다공질 탄성체의 부피 × 다공질 탄성체의 밀도)

이와 같은 다공성포일(30)의 밀집율을 조절하여 가스터빈의 베어링 시일을 통한 작동가스의 누출량을 조절할 수 있다.

도 5는 다공성포일의 밀집율과 강성과의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 다공성 물질의 밀집율에 따라 다공성포일(30)의 강성이 달라진다. 다공성포일(30)과 범프포일(40)의 강성을 동일하게 하는 것이 바람직하다. 이 실시예에서 다공성포일(30)은 인코넬 또는 스테인리스 강으로 제조되며, 범프포일(40)의 강성은 8 × 10¹⁰[N/m³] 내지 1.1 × 10¹¹[N/m³] 의 범위이므로 다공성포일(30)의 밀집율을 약 0.7 정도의 범위에서 결정하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 가스터빈용 베어링 시일의 작용 및 효과를 설명한다.

다공성포일(30)의 일단은 베어링하우징(20) 내면에 고정된 상태이고, 타단은 자유단이므로 회전축(10)이 정지해 있는 경우 회전축(10)에 접촉하도록 놓여진 상태이다. 회전축(10)이 회전하면서 발생하는 가스의 동압에 의해 다공성포일(30)은 베어링하우징(20) 측으로 밀려 회전축(10)과 접촉하지 않고 간격이 유지된다. 즉, 회전축(10) 주위에 작용하는 작동가스의 동압은 플레인 시일(plain seal)처럼 기능하며, 다공성포일(30)은 브러시 시일과 유사한 시일로서 작용한다. 따라서, 작동 가스의 축방향 누설을 효과적으로 줄일 수 있다.

본 발명에서는, 회전축(10)의 회전 속도에 따라 탑포일(50)과 회전축(10) 사이의 간격을 조절하기 위해 다공성포일(30)의 밀집율을 축방향에 따라 달리하였으며, 밀집율은 작동가스의 유입방향으로 증가한다. 따라서, 누설되는 작동가스가 밀집율이 낮은 다공성 포일(3a)을 지나가다 밀집율이 높은 다공성 포일(3b)를 만나면 일종의 오리피스 효과를 갖게 되고, 그 경계면에서 상대적으로 저항이 적은 탑포일측으로 압력이 가해진다. 이러한 효과에 의해 가스터빈 작동가스의 압력에 따른 가변간극 형태의 베어링 시일 구조가 가능해진다. 다시 말해, 회전축(10)의 속도가 증가하면 누설되는 작동가스의 압력이 증가하기 때문에 회전속도가 저속에서 고속으로 갈수록 탑포일(50)과 회전축(10) 사이의 간격이 줄어든다. 따라서, 회전초기에 상대적으로 큰 간극으로 인해 회전축(10)과 시일의 마찰은 현저히 줄어들면서도 회전속도 증가에 따라 간격이 줄어들기 때문에 가스터빈 작동가스의 누설 방지효과가 뛰어나다. 또한, 마찰이 거의 없기 때문에 시일의 내구성도 뛰어나다.

도 6은 도 4의 베어링 시일에 전단력이 작용하는 상태를 도시한 측단면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 베어링 시일의 탑포일(50)과 회전축 사이로 작동가스가 누설되며 화살표와 같이 전단력이 발생한다. 다공성포일(30)에는 많은 기공이 형성되기 때문에, 베어링하우징(20)에 고정하기 위한 체결구를 장착하기가 어렵고 변형의 방향도 일정하지 않아서 전단력을 지지하기 어렵다. 따라서 다공성포일(30)의 전 후방에 범프포일(40)을 장착하는 경우 전단력이 작용하더라도 이를 효과적으로 지지할 수 있다.

도 7은 도 4의 베어링 시일에 하중과 전단력이 작용하는 상태를 도시한 측단면도이다. 다공성포일(30)과 범프포일(40)은 비슷한 강성을 갖도록 설계되며, 이는 수직방향의 하중을 효율적으로 지지하기 위함이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 회전축의 구동시 수직하중과 전단력이 함께 작용한다. 다공성포일(30)의 밀집율이 높을수록 다공성포일(30)을 통한 가스의 이동이 어렵다. 따라서 다공성포일(30)을 사용하는 경우 베어링 시일에서 작동가스의 축방향의 누설량을 현저히 줄일 수 있어서 시일(seal) 성능이 향상된다. 범프포일(40)의 일단은 베어링하우징(20) 내면에 핀으로 결합되거나, 용접된다. 따라서, 범프포일(40)이 베어링하우징(20)에 견고히 장착될 수 있고 축방향의 전단력을 잘 견딜 수 있다.

즉, 다공성포일의 밀집율을 축방향에 따라 다르게 하여 축방향의 시일효과를 극대화하고, 다공성포일(30)의 양단에 범프포일(40)을 배치하여 진동감쇠효과를 극대화하면서도 축방향의 전단력에도 잘 견딜 수 있게 구성할 수 있다.

도 8은 밀집율이 다른 여러 단의 다공성포일 각각의 양단에 범프포일이 결합한 실시예를 도시한 측단면도이다. 이 실시예는 서로 다른 밀집율을 갖는 여러 단의 다공성포일요소(130a, 130b) 각각의 양단에 범프포일(140a, 140b)를 구비한 형태이다. 따라서, 각 단의 범프포일의 특성을 대응하는 다공성포일의 특성에 맞게 제작할 수 있어서, 작동가스의 회전축방향 누설을 줄이고, 수직하중 및 전단력을 지지하는데 더욱 유리하다.

전술한 실시예들에서 베어링 시일에서 서로 다른 밀집율을 갖는 다공성포일들이 여러 단으로 배열되지만, 이에 한정되지 않고 하나의 다공성포일의 밀집율이 축방향으로 연속적으로 달라지도록 구성할 수도 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 베어링의 브러시 시일을 도시한 단면도,

도 2는 도 1의 브러시 시일의 일부를 도시한 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 베어링 시일이 구비된 베어링하우징의 일부를 제거하여 도시한 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 베어링 시일의 일 실시예를 도시한 정단면도,

도 5는 다공성포일의 밀집율과 강성과의 관계를 나타낸 그래프,

도 6은 도 4의 베어링 시일에 전단력이 작용하는 상태를 도시한 측단면도,

도 7은 도 4의 베어링 시일에 하중과 전단력이 작용하는 상태를 도시한 측단면도, 그리고

도 8은 밀집율이 다른 여러 단의 다공성포일 각각의 양단에 범프포일이 결합한 실시예를 도시한 측단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

10: 회전축 20: 베어링하우징

21: 수용홈 30: 다공성포일

30a, 30b: 다공성포일요소 40: 범프포일

50: 탑포일 60: 심포일(shim foil)

Claims

중심에 회전축이 배치되는 베어링하우징 내면에 배치되고, 상기 회전축과 베어링하우징 내면 사이의 공간을 통한 작동가스의 누설을 조절하기 위한 다공질의 탄성체로 이루어진 다공성포일을 포함하며,

상기 다공성포일은 가스가 유입되는 방향으로 밀집율이 증가되고,

상기 회전축이 회전하는 경우 회전축 주위에 누설되는 작동가스의 동압에 의해 상기 다공성포일이 탄성변형하여 회전축으로부터 간극을 갖도록 유지되는

가스터빈용 베어링 시일.
제1항에 있어서,

상기 다공성포일은 연속적으로 달라지는 밀집율을 갖는 단일 다공성포일요소로 이루어지는

가스터빈용 베어링 시일.
제1항에 있어서,

상기 다공성포일은 서로 다른 밀집율을 갖는 복수의 다공성포일요소가 회전축을 따라 배열되어 형성되는

가스터빈용 베어링 시일.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 다공성포일요소의 양단에 배치되는 범프포일을 더 포함하는

가스터빈용 베어링 시일.
제4항에 있어서,

상기 다공성포일과 범프포일의 회전축에 대향하는 표면에는 탑포일이 배치되어, 상기 회전축의 구동시 상기 탑포일과 회전축 사이에 누설되는 작동가스의 가스막이 형성되는

가스터빈용 베어링 시일.
제1항에 있어서,

상기 베어링하우징에는 상기 다공성포일과 범프포일이 수용되는 수용홈이 형성된

가스터빈용 베어링 시일.
제6항에 있어서,

상기 수용홈에는 상기 회전축 구동시 상기 다공성포일 및 범프포일과 상기 베어링하우징 사이에 심포일이 배치되는

가스터빈용 베어링 시일.