KR20120115336A - 축방향 오프셋을 갖는 마모성 시일 - Google Patents

축방향 오프셋을 갖는 마모성 시일 Download PDF

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KR20120115336A
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sealing system
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spring
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KR1020127019270A
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로드릭 러스티드
누오 셍
비토리오 미첼라시
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누보 피그노네 에스피에이
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Abstract

원심 압축기용 시일링 시스템(200)은 시일 하우징(230)을 갖는 스테이터(220); 시일 하우징(230) 내에 배치되고 내주부를 따라 마모성 부분(225)을 갖는 시일(223); 시일(223)의 내주부 내에서 회전하도록 구성되고 또한 마모성 부분(225) 내에 마찰 홈(227)을 생성하도록 구성되는 복수의 로터 치형부(215)를 갖는 로터(210); 및 스테이터(220)와 시일(210) 사이에 배치되고 시일 하우징(230)에 대한 시일(223)의 축방향 이동을 용이하게 하도록 구성되는 제 1 스프링(240)을 포함한다.

Description

축방향 오프셋을 갖는 마모성 시일{ABRADABLE SEAL WITH AXIAL OFFSET}
예시적인 실시형태는 일반적으로 압축기 시일에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 누출 저감을 위한 축방향 오프셋을 갖는 마모성 시일의 제공에 관한 것이다.
압축기는 기계적 에너지를 사용하여 압축성 유체, 예컨대 가스의 압력을 증가시키는 기계이다. 압축기는 발전, 천연 가스 액화 및 다른 공정을 포함하여 많은 산업 공정에서 많은 다른 적용 분야에서 사용되고 있다. 이러한 공정 및 공정 플랜트에서 사용되는 다양한 종류의 압축기 중에는 소위 원심 압축기가 있는데, 이 원심 압축기에서는, 예컨대 원심 임펠러를 회전시켜서 얻어지는 원심 가속에 의해 기계적 에너지가 압축기에 유입되는 가스에 작용하게 된다.
원심 압축기에는 단일 임펠러가 부착되거나(즉, 단일 단 구성) 또는 복수의 임펠러가 직렬로 부착될 수 있다(이 경우 종종 다단 압축기라고 한다). 전형적으로 원심 압축기의 각 단은 압축될 가스를 위한 입구 도관, 유입된 가스에 운동 에너지를 제공할 수 있는 임펠러 및 이 임펠러를 떠나는 가스의 운동 에너지를 압력 에너지로 전환시키는 디퓨저(diffuser)를 포함한다.
다단 압축기(100)가 도 1에 도시되어 있다. 이 압축기(100)는 케이싱(110) 내에 포함되며, 이 케이싱 내부에는 축(120)과 복수의 임펠러(130)가 설치되어 있다. 축(120)과 임펠러(130)는 베어링(190, 195)을 통해 지지되는 로터 조립체에 포함된다.
상기 다단 압축기가 작동하면 입구 덕트(160)로부터 입력 프로세스 가스가 흡입되고 로터 조립체의 작동을 통해 그 프로세스 가스의 압력이 증가되며 또한 이어서 프로세스 가스는 그의 입력 압력 보다 높은 출력 압력에서 출구 덕트(170)를 통해 배출된다. 프로세스 가스는 예컨대 이산화 탄소, 황화 수소, 부탄, 메탄, 에탄, 프로판, 액화 천연 가스 또는 이들의 조합물 중의 어느 것이라도 될 수 있다.
프로세스 가스가 베어링(190, 195) 쪽으로 흐르는 것을 방지하기 위해 임펠러(130)와 베어링 사이에 시일 또는 시일링 시스템(180, 185, 188)이 제공된다. 시일(188)은 임펠러 아이 시일(impeller eye seal)이다.
각각의 임펠러(130)는 프로세스 가스의 압력을 증가시킨다. 각각의 임펠러(130)는 다단 압축기(100)의 일 단이라고 고려될 수 있다. 그러므로, 추가적인 단이 있으면 입력 압력에 대한 출력 압력의 비가 증가된다.
상기 로터 에셈블리는 스테이터로 알려져 있는 정지부 및 로터로 알려져 있는 회전부를 포함한다. 로터의 축방향 압력차로 인해 스테이터와 로터 사이에서 작동 유체 또는 가스의 누출 유동은 압축기의 전체 작동 효율에 악영향을 미친다.
원심 압축기에서는, 로터부에 해를 끼칠 위험이 없이 틈새 감소를 통해 단(stage) 효율이 개선되도록 (작동 가스의) 누출 유동을 줄기 위해 마모성 시일이 사용될 수 있다.
마모성 시일을 사용하는 시일링 시스템이 도 2에 도시되어 있다. 이 시일링 시스템(200)은 로터(210)(즉, 회전부) 및 스테이터(220)(즉, 정지부)를 포함한다. 로터(210)는 압축기의 길이방향 축선을 중심으로 회전한다. 로터(210)는 복수의 로터 치형부(215)를 포함한다. 로터 치형부(215)는 방사상일 수 있다. 스테이터(220)는 스테이터 시일(223)을 수용하기 위한 공동부 또는 하우징(230)을 포함한다.
상기 스테이터 시일은 마모성 부분 또는 코팅(225)을 포함한다. 스테이터 시일(223)은 일부 구성에서는 내주부에 마모성 코팅이 있는 인서트 링일 수 있다. 다른 구성에서는 (전체) 인서트 링이 마모성 재료로 제조될 수 있다.
스테이터 시일은 원주 방향으로 로터를 에워싸며, 로터는 스테이터 시일의 내주부를 따라 그 내주부 내에서 회전할 수 있다. 스테이터 시일은 다단 압축기의 각 단의 일측에 위치된다.
로터(210)가 회전하면 로터에 장착된 방사상 치형부(215)가 스테이터에 장착된 마모성 시일(223)의 내주부를 따라 마찰 홈(227)을 생성하게 되며 시일 성능에 대한 결함(debit)(즉, 누출 유동의 증가)을 야기할 수 있다.
누출 유동을 줄이기 위해, 도 2에 도시되어 있는 바와 같은 하우징(230) 내부의 스테이터 시일은 스프링 작동식 기구(240)에 의해 하우징(230)의 정상부(235)로부터 반경방향으로 오프셋될 수 있다. 전형적으로 인서트 링은 동일한 크기를 갖는 두개 또는 네개의 부분으로 분할되어 있다. 상기 스프링 작동식 기구에 의해 스테이터 시일은 로터(210)쪽으로 또는 그로부터 멀어지게 반경방향으로 이동할 수 있다. 인서트 링의 동일한 크기를 갖는 2개 또는 4개의 부분은 반경방향 이동을 용이하게 한다.
스프링 작동식 기구를 갖는 스테이터 시일(223)은 순응성 시일, 스프링 지지식 시일 또는 스프링력을 받는 마모성 시일이라고도 할 수 있다 비순응성 시일(즉, 스프링 작동식 기구를 갖지 않으며 그래서 반경방향 오프셋을 갖지 않는 시일)과 비교하여, 순응성 시일은 더 작은 반경방향 틈새를 제공하고 또한 누출 유동을 줄여준다.
누출 유동 결함을 더 줄일 수 있는 개선된 시일링 기구를 설계 및 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 실시형태는 누출 유동 결함을 줄일 수 있는 개선된 시일링 기구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이들 예시적인 실시형태에 따른 시스템과 방법은, 시일에 대한 축방향 위치제어를 용이하게 하는 스프링 기구를 도입함으로써 스테이터 시일과 로터 조립체의 로터 사이의 누출 유동을 저감하는 개선된 시일링 특성을 제공한다.
일 예시적인 실시형태에 따르면, 원심 압축기용 시일링 시스템이 개시된다. 본 시일링 시스템은 시일 하우징을 갖는 스테이터; 상기 시일 하우징 내에 배치되고 내주부를 따라 마모성 부분을 갖는 시일; 상기 시일의 내주부 내에서 회전하도록 구성되고 또한 상기 마모성 부분 내에 마찰 홈을 생성하도록 구성되는 복수의 로터 치형부를 갖는 로터; 및 상기 스테이터와 시일 사이에 배치되고 시일 하우징에 대한 시일의 축방향 이동을 용이하게 하도록 구성되는 제 1 스프링을 포함한다.
다른 실시형태에 따르면, 스테이터 시일 하우징 내부에 수용되는 시일과 원심 압축기의 로터 사이의 누출 유동을 저감하기 위한 방법이 개시되며, 상기 로터는 시일의 내주부 내에서 회전한다. 본 방법은 스프링 부하에 의해 시일을 시일 하우징의 고압측을 향해 편향시켜 시일과 시일 하우징 사이에 축방향 틈새를 생성하는 단계; 압축기를 시동하는 단계; 시일의 마모성 부분에 반경방향 마찰 홈을 내는 단계; 압축기의 속도를 증가시키는 단계; 및 시일을 시일 하우징의 저압측을 향해 이동시키는 단계를 포함한다.
또 다른 실시형태에 따르면, 원심 압축기는 시일 하우징을 갖는 스테이터; 상기 시일 하우징 내에 배치되고 내주부를 따라 마모성 부분을 갖는 시일; 상기 시일의 내주부 내에서 회전하도록 구성되고 또한 상기 마모성 부분 내에 마찰 홈을 생성하도록 구성되는 복수의 로터 치형부를 갖는 로터; 상기 스테이터와 시일 사이에 배치되고 시일의 축방향 이동을 용이하게 하도록 구성되는 제 1 스프링; 및 상기 하우징의 저압측과 시일 사이에 위치되는 2차 시일을 포함한다.
첨부 도면은 예시적인 실시형태를 도시한다.
도 1은 다단 압축기를 도시하는 도면,
도 2는 마모성 시일을 이용하는 로터/스테이터 시일링 조립체의 측면도,
도 3은 예시적인 실시형태에 따른 마모성 시일을 이용하는 초기 상태의 로터/스테이터 시일링 조립체의 측면도,
도 4는 예시적인 실시형태에 따른 마모성 시일을 이용하는 작동 상태의 로터 조립체의 측면도,
도 5는 예시적인 실시형태에 따른 방법을 나타내는 도면.
예시적인 실시형태에 대한 이하의 상세한 설명은 첨부 도면을 참조하는 것이다. 상이한 도면에서 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 요소를 나타낸다. 또한, 이하의 상세한 설명은 본 발명을 한정하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부된 청구 범위에 의해 규정된다.
예시적인 실시형태에서, 로터 조립체에서 로터 치형부와 스테이터 마찰 홈 사이의 누출 유동은, 압력 작동식 기구를 사용하여 마찰 홈에 대한 로터 치형부의 축방향 위치를 능동적으로 제어함으로써 감소될 수 있다.
마찰 홈 충돌에 대한 전산 유체 역학(CFD)적 해석에 따르면, 치형부/홈의 축방향 위치가 누출 성능에 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다. 홈의 최초 형성후에 로터 치형부를 축방향으로 오프셋시키면, 성능 결함을 저감할 수 있다.
예시적인 실시형태에서는, 도 3의 시일링 시스템(300)에 도시되어 있는 바와 같이, 압력 작동식 기구를 사용하여, 마찰 홈에 대한 로터 치형부의 축방향 위치를 능동적으로 제어할 수 있다. 상기 시일링 시스템(300)은 로터(310) 및 스테이터(320)를 포함한다. 로터(310)는 방사상일 수 있는 복수의 로터 치형부(315)를 포함할 수 있다. 스테이터(320)는 시일 하우징(330) 내부에 위치되는 스테이터 시일(323)을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 스테이터 시일은 마모성 부분 또는 코팅(325)을 포함할 수 있다. 스테이터 시일(323)은 일부 구성에서는 내주부에 마모성 코팅을 갖는 인서트 링(2개 이상의 부분)을 포함할 수 있다. 이러한 인서트 링은 강으로 제조될 수 있다. 내주부 상의 마모성 코팅은 다공성 알루미늄, 코발트 또는 니켈계 열분사 코팅과 같은 다공성 금속재일 수 있으며, 대안적으로는 플라스틱계일 수도 있다(예컨대, 테플론, 폴리에스터).
다른 구성에서, (전체) 인서트 링은 마모성 재료로 제조될 수 있다. 이러한 마모성 재료는 예컨대 플루오로신트-500(Fluorosint-500), 운모 보강 테플론일 수 있다.
스테이터 시일(323)은 하우징(330) 내부에 배치될 수 있으며 스프링 작동식 기구(340)에 의해 하우징의 정상부(335)로부터 반경방향으로 오프셋될 수 있다. 로터 치형부(315)는 마모성 스테이터 부분(325)에 마찰 홈(327)을 생성할 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 축방향으로 배향되는 스프링(350)을 사용하여 스테이터 시일(320)과 시일 하우징(330) 사이에 축방향 틈새(360)가 생성 또는 설계될 수 있다.
조립 중에, 스테이터 시일(323)은 축방향으로 배향되는 상기 스프링(350)에 의해 하우징(330)의 고압측(P+)으로 가압될(세팅될) 수 있다. 스프링(350)은 시일(323)과 하우징(330)의 저압측(P-) 사이에 배치될 수 있다. 이때 스프링(350)은 원래의 상태 또는 약간 압축된 상태일 수 있다. 축방향으로 배향되는 스프링(350)은 스테이터 시일(323)을 고압측으로 편향시킬 수 있다.
사용 중에, 시동시(즉, 압력비가 낮을 때), 임계 진동 중에 로터 치형부(315)가 상기 마모성 부분(325) 내로 파고들어가 마찰 홈(327)을 생성할 수 있다. 시동 속도에서, 압력차(P+ 와 P- 간의 압력차)는 비교적 낮아서 시일의 위치를 고압측에 유지할 수 있다. 로터 치형부(315)는 이러한 속도 및 스테이터 시일 위치에서 마찰 홈(327)의 중간부에 놓일 수 있다.
설계 속도에서는 압력차(P+ 와 P- 간의 압력차)가 증가된다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 고압측(또는 P+)으로부터 시일(323)을 가로지르는 증가된 압력비에 의해 시일(323)이 축방향으로 저압측(또는 P-)을 향해 이동할 수 있다. 압력이 증가됨에 따라 스프링(350)은 수축하기 시작할 수 있다(즉, 원래의 상태에 있지 않음).
이러한 축방향 이동(고압측(P+)으로부터 저압측(P-)으로의 이동)으로 인해, 로터 치형부(315)와 마찰 홈(327) 사이에 보다 작거나 또는 보다 좁은 틈새가 형성된다. 도시되어 있는 바와 같이, 로터 치형부(315)는 마찰 홈(327)의 중간부에 놓여 있지 않다.
로터 치형부(의 선단)와 상기 마모성 부분에 있어서의 도 4의 로터 치형부에 면하는 부분 사이의 간격은 도 3의 로터 치형부와 마찰 홈의 중간부 사이의 간격에 비해 작다. 결과적으로 누출량이 감소될 수 있다. 누출은 스프링 강성 및 작동 압력비로 제어될 수 있다.
일부 실시형태에서는 도 3 및 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 누출을 더욱 저감하기 위해서 2차 시일이 또한 시일(323)과 시일 하우징(330) 사이에 포함될 수도 있다. 도 4를 참조하면, 2차 시일(370)은 설계 속도에서 시일(323)과 시일 하우징(330) 사이의 누출을 막을 수 있다. 따라서, 2차 시일(370)은 누출을 더욱 저감한다.
예시적인 실시형태에서 설명한 바와 같은 축방향 오프셋은 반경방향 오프셋에 추가적인 것일 수 있지만, 일부 실시형태에서는 축방향 오프셋은 단독으로(즉, 반경방향 오프셋이 없이) 실시될 수도 있다. 어느 구성에서도(즉, 반경방향 오프셋을 갖든 또는 갖지 않튼지 간에) 축방향 오프셋은 반경방향 틈새를 저감하여 누출 결함을 저감한다.
예시적인 실시형태에 따른 방법(500)을 도 5를 참조하여 설명한다. 조립 중에, 축방향으로 배향되는 스프링(원래의 상태 또는 약간 압축된 상태임)을 이용하여 단계 510에서 시일을 하우징의 고압측을 향해 이동시켜서 원심 압축기의 시일과 시일 하우징 사이에 축방향 틈새를 생성할 수 있다. 압축기는 단계 520에서 시동될 수 있다. 단계 530에서 로터 치형부가 스테이터 시일의 마모성 부분에 마찰 홈을 낼 수 있다.
단계 540에서 압축기 속도(및 그에 따른 압력)가 증가될 수 있다. 압축기가 설계 속도를 향해 작동함에 따라, 시일 스프링은 증가된 압력으로 압축될 수 있으며, 시일은 단계 550에서 저압측으로 이동하게 된다. 전술한 바와 같이, 로터 치형부와 마모성 부분 사이의 틈새는 감소될 수 있으며 2차 시일이 추가적인 누출 방지를 제공할 수 있다.
CFD 해석에 의하면, 예시적인 실시형태에서 압력 작동식 기구에 의해 달성되는 마모성 시일의 마찰 홈의 축방향 위치는 시일링 성능을 증가시키는 것으로 나타났다.
예시적인 실시형태는 마모성 시일 설계의 축방향 위치 제어에 관한 것이다. 이전의 노력은 로터 치형부와 마모성 시일 사이의 반경방향 틈새를 최소화하는데 초점을 두고 있지만, 본원에서 설명한 바와 같은 실시형태는 압력 작동식 축방향 위치설정 기구를 도입하고 있는데, 이러한 기구에 의해 압축기의 임계 진동 또는 열 전이(thermal transient)에 상관없이 시일링 틈새가 최소화된다.
본원에서 설명한 예시적인 실시형태는 여러 이점을 제공한다. 예시적인 실시형태에 따른 시일링 시스템은 비순응성의 마모성 시일에 대해 마찰 홈에 의해 야기되는 누출을 저감한다. 상기 시스템은 또한 원심 압축기의 임펠러 아이(impeller eye)를 위한 순응성의 (스프링력을 받는) 마모성 시일의 성능을 최적화한다.
원심 압축기의 단(stage) 효율은, 최소의 시일링 틈새를 얻기 위해 예시적인 실시형태에서 설명한 바와 같은 능동적인 축방향 위치설정 기구를 제공함으로써 개선될 수 있다.
일부 실시형태에서는, 복수의 축방향 위치설정 기구를 스테이터 시일에 제공할 수 있다. 복수의 축방향 위치설정 기구는 예컨대 시일을 따라 균일하게 분산(또는 이격)될 수 있다.
예시적인 실시형태에 따른 축방향 위치설정 기구는 새로운 압축기에서의 사용에 한정되지 않는다. 시일 링을 갖는 기존의 압축기가 상기 축방향 위치설정 기구로 개장될 수 있다. 또한, 예시적인 실시형태의 능동적인 위치설정 기구를 원심 압축기와 관련하여 설명하였지만, 이러한 기구는 일반적으로 터보 기계에도 동등하게 적용될 수 있다.
전술한 예시적인 실시형태는 본 발명의 제한적인 것이 아닌 모든 점을 설명하기 위한 것이다. 따라서, 구체적인 실시에 있어서 본 발명은 당업자에 의해 본 명세서에 포함되어 있는 설명으로부터 유도될 수 있는 많은 변경이 가능하다. 이러한 모든 변경과 수정도 다음의 청구 범위로 규정되어 있는 바와 같은 본 발명의 범위와 요지 내에 속하는 것으로 생각된다. 본 출원의 설명에서 사용되는 요소, 작용 또는 지시는 그렇다는 명시적인 언급이 없으면 본 발명에 중요하거나 본질적인 것으로 생각되어서는 아니된다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 단수 표현은 하나 이상의 항목을 포함하는 것으로 되어 있다.

Claims (15)

  1. 원심 압축기용 시일링 시스템(200)에 있어서,
    시일 하우징(230)을 갖는 스테이터(220);
    상기 시일 하우징 내에 배치되고 내주부를 따라 마모성 부분(225)을 갖는 시일(223);
    상기 시일의 내주부 내에서 회전하도록 구성되고 또한 상기 마모성 부분(225) 내에 마찰 홈(227)을 생성하도록 구성되는 복수의 로터 치형부(215)를 갖는 로터(210); 및
    상기 스테이터(220)와 시일(223) 사이에 배치되고 상기 시일(223)의 축방향 이동을 용이하게 하도록 구성되는 제 1 스프링(240)을 포함하는
    원심 압축기용 시일링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터 치형부는 반경방향으로 배향되어 있는
    원심 압축기용 시일링 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스프링은 압축기의 시동시에 시일을 시일 하우징의 고압측을 향해 축방향으로 편향시키는
    원심 압축기용 시일링 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 스프링은 압축기의 시동시에 팽창 상태에 있는
    원심 압축기용 시일링 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 시일은 압축기의 설계 속도에서 상기 시일 하우징의 저압측을 향해 이동하도록 구성되는
    원심 압축기용 시일링 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 스프링은 압축기의 설계 속도에서 압축 상태에 있는
    원심 압축기용 시일링 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    시일 하우징의 저압측과 상기 시일 사이에 위치되는 2차 시일을 더 포함하는
    원심 압축기용 시일링 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 시일과 상기 시일 하우징 사이에 배치되어 상기 시일의 반경방향 이동을 제공하는 제 2 스프링을 더 포함하는
    원심 압축기용 시일링 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 스프링은 압축기의 작동 중에 팽창 위치에 있는
    원심 압축기용 시일링 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 스프링은 상기 시일과 상기 로터 사이의 반경방향 거리를 감소시키도록 구성되는
    원심 압축기용 시일링 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 시일은 인서트 링인
    원심 압축기용 시일링 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 인서트 링은 강으로 제조되고, 상기 마모성 부분은 다공성 금속 재료로 제조되는
    원심 압축기용 시일링 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 시일은 마모성 재료로 제조된 인서트 링인
    원심 압축기용 시일링 시스템.
  14. 스테이터 시일 하우징(230) 내에 수용되는 시일(223)과, 상기 시일(223)의 내주부 내에서 회전하는 원심 압축기의 로터(210) 사이의 누출 유동을 저감하는 방법에 있어서,
    스프링 부하(240)에 의해 상기 시일(223)을 상기 시일 하우징(230)의 고압측을 향해 편향시켜 시일(223)과 시일 하우징(230) 사이에 축방향 틈새를 생성하는 단계;
    압축기를 시동하는 단계;
    상기 시일(223)의 마모성 부분(225)에 반경방향 마찰 홈(227)을 내는 단계;
    상기 압축기의 속도를 증가시키는 단계; 및
    상기 시일(223)을 상기 시일 하우징(230)의 저압측을 향해 이동시키는 단계를 포함하는
    누출 유동 저감 방법.
  15. 원심 압축기에 있어서,
    시일 하우징(230)을 갖는 스테이터(220);
    상기 시일 하우징(230) 내에 배치되고 내주부를 따라 마모성 부분(225)을 갖는 시일(223);
    상기 시일(223)의 내주부 내에서 회전하도록 구성되고 또한 상기 마모성 부분(225) 내에 마찰 홈(227)을 생성하도록 구성되는 복수의 로터 치형부(215)를 갖는 로터(210);
    상기 스테이터(220)와 상기 시일(223) 사이에 배치되고, 상기 시일(223)의 축방향 이동을 용이하게 하도록 구성되는 제 1 스프링(240); 및
    상기 하우징(230)의 저압측과 상기 시일(223) 사이에 위치되는 2차 시일(370)을 포함하는
    원심 압축기.
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