KR101536061B1

KR101536061B1 - 샤프트 시일

Info

Publication number: KR101536061B1
Application number: KR1020130154979A
Authority: KR
Inventors: 안드레아 바차; 토마스 레힌
Original assignee: 에이비비 터보 시스템즈 아게
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2015-07-10
Anticipated expiration: 2033-12-12
Also published as: CN103867236B; JP5902143B2; EP2743460A1; KR20140077846A; JP2014118975A; EP2743460B1; CN103867236A

Abstract

샤프트 상의 부착부 (81) 를 가진, 베어링 하우징 (30) 안의 빈 공간 (50) 과 터보기계의 작동휠 (11) 의 휠 후방 공간 (15) 사이의, 상기 터보기계의 상기 베어링 하우징 (30) 안에 설치된 상기 샤프트 (20) 의 샤프트 시일은 상기 베어링 하우징 (30, 31) 과 상기 부착부 (81) 사이의 적어도 하나의 피스톤링 (41, 42) 형태의 작동휠측 시일과 상기 베어링 하우징 (30, 31) 과 상기 부착부 (81) 사이의 밀봉간극 (43) 형태의 베어링측 시일을 포함한다. 상기 작동휠측 시일과 상기 베어링측 시일 사이에는 오일 배수 챔버 (53) 가 제공되어 있으며, 이때 상기 오일 배수 챔버 (53) 는 상기 베어링 하우징 (30, 31) 과 상기 부착부 (81) 사이의 밀봉간극 (44) 형태의 제 3 시일에 의해 한정되어 있다. 상기 제 3 시일과 상기 작동휠측 시일 사이에는 가스 배출 챔버 (55) 가 배치되어 있다. 상기 부착부 (81) 는 윤곽을 구비하며, 상기 윤곽은 상기 베어링 하우징과 함께 상기 오일 배수 챔버 (53) 와 상기 가스 배출 챔버 (55) 를 형성하고, 그리고 상기 적어도 하나의 피스톤링 (41, 42) 을 수용하기 위한 적어도 하나의 그루브를 포함한다. 상기 부착부 (81) 는 축방향으로 간격을 갖고, 방사상으로 힘을 전달할 수 있는, 상기 샤프트에 대한 2개의 지지영역 (821, 822) 을 구비하며, 이때 상기 두 지지영역 중 작동휠측에 배치된 것 (822) 은 축방향으로 상기 작동휠측 시일의 상기 적어도 하나의 피스톤링 (41, 42) 의 영역에 배치되어 있다.
하나의 긴 연속적인 시트 대신 상기 부착부 (샤프트 시일 부시) 의 각각의 단부들에서의 짧은 두 시트를 통해, 샤프트와 베어링 부착부 사이의 접촉면, 그리고 이로써 상기 샤프트를 통한 작동휠로부터의 열유입이 감소될 수 있다.

Description

샤프트 시일{SHAFT SEAL}

본 발명은 터보기계 (turbo machine) 분야, 특히 내연기관으로부터의 배기가스들에 의해 구동되는 배기가스 터보차저 분야에 관한 것이다.

본 발명은 이러한 터보기계의 샤프트 시일에 관한 것이다.

내연기관의 출력향상을 위해, 오늘날 표준적으로, 내연기관의 배기가스 트랙 안의 터빈을 가진, 그리고 내연기관의 상류에 배치된 압축기를 가진 배기가스 터보차저가 이용되며, 상기 압축기는 하나의 공통의 샤프트를 통하여 상기 터빈과 연결되어 있다. 배기가스 터보차저를 이용한 내연기관의 과급과 함께 실린더들 안의 충전량 그리고 이로써 연료 혼합물이 증가하고, 그리고 이로부터 엔진에 대한 현저한 출력향상이 얻어진다. 선택적으로, 내연기관의 배기가스 안에 들어 있는 에너지는 파워 터빈 (power turbine) 을 이용해 전기적 또는 기계적 에너지로 전환될 수 있다. 이때, 배기가스 터보차저에서와 같은 압축기 대신 발전기 또는 기계적 컨슈머가 터빈 샤프트에 이어져 있다.

배기가스 터보차저는 표준적으로, 샤프트와 압축기휠과 터빈휠로 구성되는 로터 (rotor), 샤프트를 위한 베어링, 흐름을 안내하는 하우징 부품들 (압축기 하우징 또는 터빈 하우징) 및 베어링 하우징 (bearing housing) 으로 이루어진다.

터빈측 뿐만 아니라 압축기측 흐름영역 안의 높은 공정압력을 근거로, 상기 배기가스 터보차저의 상기 샤프트는 상기 베어링 하우징의 빈 공간에 대해 알맞은 밀봉 컨셉을 이용해 밀봉되어야 한다. 상기 베어링 하우징의 상기 빈 공간 안의 내부압력은 일반적으로 대기압력에 상응한다. 이에 반해, 압축기측 또는 터빈측의 흐름채널 안의 가스압력은 상기 배기가스 터보차저의 현재의 작동점에 좌우되며, 그리고 대부분의 작동점들에 있어서 상기 베어링 하우징의 상기 빈 공간의 압력을 초과한다. 소정 경우들에서, 예컨대 부분 부하 작동시 또는 정지 상태시 저압이 예상될 수도 있다.

DE 20 25 125 에는 배기가스 터보차저의 터빈측 샤프트 시일이 공지되어 있으며, 상기 샤프트 시일은 터빈측에서 레이디얼 베어링으로부터의 단일한 오일 수집 챔버와, 샤프트와 베어링 하우징 사이의 밀봉 작용을 가진 피스톤링 (piston ring) 으로 구성된다. 축방향으로 상기 레이디얼 베어링으로부터 나가는 베어링 오일은 외부로 이동하고, 그리고 회전하는 샤프트 숄더 (shaft shoulder) 상으로 분출되고, 그리고 원심력에 의해 상기 오일 수집 챔버 안으로 원심 방출된다. 그 후, 이렇게 원심 방출된 상기 베어링 오일은 중력을 따라 상기 오일 수집 챔버의 내부에서 아래로 흐르고, 그리고 다시 베어링 윤활을 위해 오일 순환부로 되돌아간다.

터빈의 후방 공간을 통해 흐름채널로부터 베어링 하우징의 빈 공간 안으로의 가스 누출을 감소시키기 위해, 금속, 예컨대 회선철로 만들어진 피스톤링들이 표준적으로 이용된다. 인장 하에 있는 상기 피스톤링은 베어링 하우징 안의 축방향 정지부 숄더 (stop shoulder) 에 의해 방사상 그루브 (groove) 안에서 인장된다. 상기 피스톤링에 대한 대응 부분으로서, 회전하는 샤프트에는 방사상 그루브가 제공되며, 이때 상기 피스톤링은 이 그루브의 내부에서 축방향으로 구속되고, 그리고 이것을 방사상으로 덮는다. 배기가스 압력과 베어링 하우징의 내부 안의 압력 사이의 압력차에 의해, 상기 피스톤링은 존재하는 압력 기울기의 방향으로 상기 그루브의 내부에서 축방향으로 정지부 상으로 변위된다. 상기 그루브 중 한면에서 상기 피스톤링의 축방향 베어링를 통해 상기 피스톤링은 안착되고, 그리고 베어링 하우징 플리넘을 배기가스 흐름에 대해 밀봉한다. 밀봉 작용을 개선시키기 위해, 예컨대 CH 661 964 A5, US 3 180 568, US 4 196 910 또는 EP 1 860 299 에 공개되어 있는 바와 같이 2개 이상의 피스톤링이 이용될 수도 있다. 이 문헌들에는, 어떻게 뜨거운 배기가스에 대한 밀봉 작용이 밀봉 공기의 추가적인 사용 또는 두 피스톤링 사이의 공간의 환기를 통해 향상될 수 있는 지, 그리고 이를 통해 베어링 하우징 안으로 배기가스가 새는 것이 저지될 수 있는 지가 나타나 있다.

DE 37 37 932 A1 에는 배기가스 터보차저의 터빈측 샤프트 시일이 공지되어 있으며, 상기 샤프트 시일에 있어서, 베어링 부위와 두 피스톤링 사이의 레이디얼 베어링으로부터의 오일 배수가 수행된다. 이때, 오일 밀봉성을 개선시키기 위해, 단일한 축방향 샤프트 숄더 대신 추가적인 원심 디스크가 사용된다.

이로써, 피스톤링 그루브의 영역 안에 발생되는 원치 않는 베어링 오일의 양이 현저히 감소될 수 있다. 유사하게, US 4 268 229 및 DE 30 21 349 에 따른 샤프트 시일들에서, 오일 배수는 레이디얼 베어링과, 이웃한 피스톤링 사이에 발생되며, 이때 오일 배수부는 항상 하나의 챔버로 구성된다. 추가적으로, 두 피스톤링 사이의 빈 공간은 추가적인 연결채널을 이용해 베어링 하우징의 빈 공간과 연결되고, 그리고 대기 주위압력으로 환기된다. 이를 통해, 왼쪽 피스톤링을 통해 생긴 압력차가 방지되고, 따라서 상기 피스톤링은 대부분 오일을 밀봉하는, 하지만 뜨거운 배기가스를 밀봉하지 않는 기능을 행한다. 이로써, 오른쪽 피스톤링만 압력하에 있는 흐름채널과 베어링 하우징의 빈 공간 사이의 밀봉을 행한다. 이에 따르면, 이 구조 변형들을 통해, 매체들, 즉 (레이디얼 베어링으로부터의) 오일과 (흐름채널로부터의) 배기가스를 위한 2개의 분리된 배수관이 발생하고, 이때 상기 배수관들은 피스톤링에 의해 분리된다. 레이디얼 베어링으로부터 나가는 윤활유는 경우에 따라서는 축방향으로 가스 밀봉의 피스톤링 영역 안으로 분출되고, 그리고 바람직하지 않은 경우에는 전체 피스톤링 그루브를 잠기게 한다. 일반적으로, 압축기 또는 터빈의 흐름채널 안의 가스압력은 터보차저의 베어링 하우징 안의 내부압력보다 크다. 이렇게, 양의 (positive) 압력차 (흐름채널 안의 압력은 베어링 하우징의 빈 공간 안에서보다 크다) 로 인해, 발생하는 가스 누출은 피스톤링 시일을 뚫고, 그리고 의도치 않게 피스톤링 영역 안으로 들어가는 베어링 오일을 원래대로 베어링 하우징의 오일 수집 챔버 안으로 운반한다.

DE 10 2004 055 429 B3 에 기술된 로터 샤프트의, 윤활제가 칠해진 베어링을 위한 밀봉장치는 이를 저지하고자 시도하며, 상기 밀봉장치는 배기가스 터보차저의 베어링 하우징을 공급된 윤활제에 대해 축방향에서 밀봉한다. 상기 로터 샤프트 상에는, 간극, 래버린스 (labyrinth) 또는 피스톤링 형태의 제 1 시일과, 좁은 간극 또는 래버린스 형태의 제 2 시일이 제공되어 있으며, 상기 시일들은 그들 사이에, 고리 모양으로 상기 로터 샤프트의 둘레로 연장되는 오일 배수 채널을 포함하고, 상기 오일 배수 채널은 하우징측 오일 배수 그루브와, 동축 위치에 배치된 샤프트측 오일 배수 그루브를 이용해 구성되어 있다. 상기 오일 배수 채널 안에는, 상기 로터 샤프트의 방사상 방향에 있어서 한 단부와 자유로이 상기 고리 모양의 오일 배수 채널 안으로 돌출하는 고리 모양의 밀봉 웨브 (sealing web) 가 제공되어 있으며, 상기 밀봉 웨브는 상기 오일 배수 채널 안으로 들어가는 윤활제에 대해 축방향에서 작용하는 배리어를 의미하고, 그리고 상기 제 2 시일의 상기 간극을 방사상으로 덮는다.

상기 기술된 모든 샤프트 밀봉 컨셉들에 있어서, 소정 환경들 하에서는 배기가스 터빈의 휠 후방 공간으로부터의 뜨거운 가스들이 피스톤링 시일을 통해 새고, 그리고 피스톤링 영역 및 오일 배수 그루브들의 영역 안에 남아 있는 베어링 오일이 국부적으로 연소되며, 그리고 이를 통해 샤프트 시일의 강한 코킹, 그리고 이와 관련된 마멸을 초래하는 위험이 존재한다. 코킹 위험은 배기가스 온도의 상승 및 피스톤링들을 통한 가스 누출 증가 및 나쁜 부품냉각에 의해 증가한다. 이렇게, 이 밀봉 부분의 능동적 냉각은 샤프트 시일의 작동 안전을 위해 중요하다.

EP 2375000 은 베어링 하우징과 터보기계의 샤프트 사이의 샤프트 시일을 공개하고 있으며, 상기 샤프트 시일은 작동휠측 시일과 베어링측 시일을 포함하고, 이때 상기 작동휠측 시일과 상기 베어링측 시일 사이에는 오일 배수 챔버가 제공되어 있고, 상기 오일 배수 챔버는 베어링 하우징과 샤프트 사이의 제 3 시일에 의해 한정되어 있다. 상기 제 3 시일과 상기 작동휠측 시일 사이에는 가스 배출 챔버가 배치되어 있으며, 이때 상기 구조는 오일 배수로의 영역 안의 적어도 하나의 오일 분사 보어 (oil spray bore) 를 통해 능동적으로 냉각되고, 이를 통해 샤프트 시일의 코킹이 저지될 수 있다. 이때, 상기 제 3 시일은 오일 배수 챔버로부터의 오일과 가스 배출 챔버로부터의 가스를 분리시킨다. 선택적으로, 상기 시일의 샤프트측 부품은 상기 샤프트 상의 부착부 (attachment) 에 의해 형성된다.

본 발명의 목적은 피스톤링 시일의 코킹 위험이 밀봉 부분으로부터의 개선된 열배출을 통해 최소화될 수 있는, 터보기계의 베어링 하우징 안에 설치된 샤프트의 개선된 샤프트 시일을 만들어내는 것이다.

샤프트 상의 부착부를 가진, 베어링 하우징 안의 빈 공간과 터보기계의 작동휠의 휠 후방 공간 사이의, 상기 터보기계의 상기 베어링 하우징 안에 설치된 상기 샤프트의 동종 샤프트 시일로서, 상기 샤프트 시일은 상기 베어링 하우징과 상기 부착부 사이의 적어도 하나의 피스톤링 형태의 작동휠측 시일과 상기 베어링 하우징과 상기 부착부 사이의 밀봉간극 (sealing gap) 형태의 베어링측 시일을 포함하며, 이때 상기 작동휠측 시일과 상기 베어링측 시일 사이에는 오일 배수 챔버가 제공되어 있고, 이때 상기 오일 배수 챔버는 상기 베어링 하우징과 상기 부착부 사이의 밀봉간극 형태의 제 3 시일에 의해 한정되어 있으며, 그리고 상기 제 3 시일과 상기 작동휠측 시일 사이에는 가스 배출 챔버가 배치되어 있고, 이때 상기 부착부는 윤곽을 구비하며, 상기 윤곽은 상기 베어링 하우징과 함께 상기 오일 배수 챔버와 상기 가스 배출 챔버를 형성하고, 그리고 상기 적어도 하나의 피스톤링을 수용하기 위한 적어도 하나의 그루브를 포함하는 샤프트 시일에 있어서, 본 발명에 따르면 상기 부착부는 축방향으로 간격을 둔, 방사상으로 힘을 전달할 수 있는, 상기 샤프트에 대한 2개의 지지영역 (bearing area) 을 구비하며, 상기 지지영역들은, 그들이 방사상 방향으로의 힘전달을 가능하게 하도록 형성되어 있고, 이때 상기 두 지지영역 중 작동휠측에 배치된 것은 축방향으로 상기 작동휠측 시일의 상기 적어도 하나의 피스톤링의 영역에 배치되어 있다.

하나의 긴 연속적인 시트 (seat) 대신 상기 부착부 (샤프트 시일 부시 (shaft seal bush)) 의 각각의 단부들에서의 짧은 두 시트를 통해, 샤프트와 베어링 부착부 사이의 접촉면, 그리고 이로써 상기 샤프트를 통한 작동휠로부터의 열유입이 감소될 수 있고, 이때 바람직하게는 상기 샤프트의 상기 부착부의 축방향으로 간격을 둔, 방사상으로 힘을 전달할 수 있는 상기 두 지지영역 사이에는, 공기로 채워진 빈 공간이 형성되어 있다.

바로 상기 피스톤링의 영역 안에서의 상기 작동휠측 시트의 배열을 통해, 원심력에 의한 변형이 적게 유지될 수 있다.

선택적으로, 상기 베어링 하우징 안으로 방사상으로 상기 오일 배수 챔버의 외부에 오일 배수로가 파져 있으며, 그리고 상기 베어링 하우징 안에는 적어도 하나의 오일 분사 보어가 배치되어 있고, 상기 오일 분사 보어를 가지고 상기 오일 배수로는 오일의 작용을 받을 수 있으며, 이때 상기 오일 배수로는 축방향에 있어서 상기 작동휠측 시일의 상기 적어도 하나의 피스톤링을 넘어까지 뻗어 있다.

이를 통해, 상기 베어링 하우징 안의 열의 대부분이 바로 방사상으로 상기 피스톤링들의 외부에서 윤활유를 통하여 배출될 수 있다.

이때, 바람직하게는, 상기 오일 배수로는 축방향에 있어서 상기 작동휠측 시일 쪽으로 축에 대해 경사져 형성되어 있으며, 따라서 베어링측에서 상기 오일 배수로 안으로 안내된 오일은 중력으로 인해 축방향에 있어서 상기 작동휠 쪽으로 흐른다.

선택적으로, 상기 작동휠측 시일의 상기 피스톤링들은 직접적으로 냉각매체 (밀봉 공기) 의 작용을 받는다. 이를 통해, 뜨거운 가스들이 상기 작동휠의 후방 공간으로부터 베어링 간극 안으로 들어가는 것이 저지된다.

선택적으로, 상기 부착부 (샤프트 시일 부시) 에는 토션 댐퍼의 기능이 부가될 수 있고, 이는 상기 베어링측 시트에서의 약한 압박, 및 상기 작동휠측 시트에서의 강한 가압을 통해 달성될 수 있다. 이때, 상기 전방 시트에서의 압박은 댐핑 요구에 상응하여 설계되어야 한다. 이에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 마찰요소, 예컨대 테플론 테이프가 상기 시트 안에 도입될 수 있고, 이를 통해 토션 진동에 있어서 댐핑 정도를 더욱 높이기 위해 상기 샤프트에서의 상대운동들이 이용될 수 있다.

선택적으로, 본 발명에 따라 형성된 상기 샤프트 시일의 부분인 상기 베어링 하우징의 영역은 라이너로서 형성되어 있을 수 있다. 상기 라이너는 작동에 의한 마모시 쉽게 대체될 수 있고 또는 예컨대 세척을 목적으로 하여 단기적으로 상기 베어링 하우징으로부터 분해될 수 있다. 게다가, 이 라이너를 위한 재료로서는, 가능한 한 높은 열전도 특성을 가진 재료가 선택될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 샤프트 시일은 도면들을 근거로 상세히 설명된다.

도 1 은 원심 압축기와 축류 터빈을 가진 종래기술에 따른 배기가스 터보차저의 부분적으로 절단된 도면,
도 2 는 종래기술에 따른 배기가스 터보차저의 터빈측 샤프트 시일의, 샤프트를 따라 안내된 단면,
도 3 은 샤프트 상의 부착부를 가진 종래기술에 따른 배기가스 터보차저의 터빈측 샤프트 시일의, 샤프트를 따라 안내된 단면,
도 4 는 배기가스 터보차저의 본 발명에 따른 터빈측 샤프트 시일의, 샤프트를 따라 안내된 단면을 나타낸다.

도 1 은 원심 압축기 (70) 와 축류 터빈 (10) 을 가진 종래기술에 따른 배기가스 터보차저를 나타낸다. 압축기휠 (71), 샤프트 (20) 및 터빈휠 (11) 을 가진 로터를 볼 수 있기 위해, 도시되어 있는 상기 배기가스 터보차저의 하우징은 부분적으로 절단되어 도시되어 있다. 공기 유입부 (72) 로부터 압축기휠 (71) 로의 공기 안내는 두꺼운 화살표로 나타내어져 있다. 터빈측에서, 뜨거운 배기가스는 가스 유입부 (12) 를 통해 터빈휠 (11) 을 거쳐 가스 배출부 (13) 까지 안내된다. 샤프트 (20) 는 일반적으로 2개의 레이디얼 베어링과 적어도 1개의 엑시얼 베어링을 이용해 베어링 하우징 (30) 안에 회전 가능하게 설치되어 있다.

도 2 는 터빈휠 (11) 의 휠 후방 공간 (15) 과 베어링 하우징 안의 빈 공간 (50) 을 분리시키는 종래기술에 따른 샤프트 시일을 나타낸다. 이때, 상기 베어링 하우징은 상기 샤프트 시일의 영역에서 라이너 (31) (시일 부시) 를 포함하며, 상기 라이너는 별도의 부품으로서 실현되어 있다. 라이너 (31) 는 고리 모양으로 형성되어 있으며, 그리고 레이디얼 베어링 (34) 으로부터 방사상으로 바깥으로 원심 방출된 그리고 옆으로 원심 방출된 분사 오일을 위한, 방사상 외부 오일 배수로 (52) 를 포함한다. 상기 라이너로는 직접적으로 또는 간접적으로 분사 오일이 분사되고, 그리고 이를 통해 능동적으로 냉각된다. 상기 분사 오일은 오일 분사 보어 (61) 를 통해, 냉각되어야 하는 부품들로 안내된다. 분사 오일의 공급은 베어링 하우징 (30) 안의 오일 채널 (60) 을 통해 수행된다. 오일 분사 보어 (61) 는, 베어링 하우징 (30) 의 영역 안의 분사 오일이 내부 윤곽 (63) 에 부딪치도록, 그리고 상기 라이너를 오일 배수로 (52) 의 영역에서 적시도록 설계 및 정렬되어 있다. 상기 분사 오일, 및 베어링 (34) 및 오일 배수로 (51) 로부터의 오일을 통해, 상기 라이너, 및 그 안에 있는 피스톤링들, 시일들 및 배수 챔버들이 모두 냉각되고, 그리고 코킹이 대부분 저지된다. 상기 피스톤링들 및 상기 배수 챔버들에의 냉각 작용을 높이기 위해, 라이너 (31) 는 바람직하게는 가능한 한 높은 열전도 특성을 가진 재료로 제조되어 있다. 오일 배수로 (52) 는 축방향에 있어서, 방사상으로 위치된 밀봉 플레이트 (32) 에 의해 한정되며, 상기 밀봉 플레이트 자체는 배수 채널 (51) 안의 오일을 통해 냉각된다. 상기 라이너는 또한 직렬로 배치된 2개의 피스톤링 (41, 42) 을 수용하기 위한 리세스 (recess) 들을 포함한다. 상기 라이너는 또한 방사상으로 내부에 위치된 영역에 오일 배수 챔버 (53), 두 피스톤링 (41, 42) 으로부터의 가스 누출을 위한 별도의 가스 배출 챔버 (55), 및 밀봉 웨브 (33) 를 포함하며, 상기 밀봉 웨브는 오일 배수 챔버 (53) 와 가스 배출 챔버 (55) 를 서로 분리시킨다.

레이디얼 베어링 (34) 과 밀봉 플레이트 (32) 사이의 오일 배수로 (51) 는 상기 레이디얼 베어링으로부터 나가는 베어링 오일의 제 1 주요 배수 채널을 형성한다. 밀봉 플레이트 (32) 는 샤프트 (20) 의 방사상으로 마주하고 있는 제 1 웨브 (21) 와 함께 제 1 방사상 밀봉간극 (43) 을 형성하며, 상기 밀봉간극을 근거로, 상기 베어링 오일이 오일 배수로 (51) 로부터 오일 배수 챔버 (53) 안으로 들어가는 것이 최소화된다. 오일 배수 챔버 (53) 의 회전하는 샤프트 윤곽 (shaft contour) 에는, 방사상으로 안쪽으로 오프셋된 배수 그루브 (drain groove) 가 제공되고, 이를 통해 오일 배수 챔버 (53) 의 내부에서는 2개의 분사 에지가 이 그루브의 왼쪽 및 오른쪽에 형성된다. 상기 분사 모서리들을 통해, 라이너 (31) 안의 그루브를 통해 형성된, 오일 배수 챔버 (53) 의 방사상 바깥 영역 안으로 원심 방출된 오일은 중력으로 인해 오일 배수 챔버 (53) 의 내부에서 라이너 (31) 의 윤곽을 따라서 아래로 흐른다. 상기 베어링 오일이 오일 배수 챔버 (53) 로부터 베어링 윤활부의 오일 순환부 안으로 복귀될 수 있도록, 오일 배수 챔버 (53) 는 하부 영역에 적어도 하나의 오일 배수 채널 (54) 을 구비한다.

본 발명에 따라 형성된 샤프트 시일의 라이너 (31) 는 오일 배수 챔버 (53) 옆에 배치된 가스 배출 챔버 (55) 를 특징으로 하고, 상기 가스 배출 챔버는 둘러싸는 밀봉 웨브 (33) 에 의해 오일 배수 챔버 (53) 와 분리되어 있다. 고리 모양으로 형성된 가스 배출 챔버 (55) 는 피스톤링들 (41, 42) 을 통해 관류하는 뜨거운 가스를 수집하기 위해 사용된다. 밀봉 웨브 (33) 는, 방사상으로 마주하고 있는 샤프트 (20) 의 제 2 웨브 (22) 와 함께 제 2 방사상 밀봉간극 (44) 을 형성한다. 밀봉간극 (44) 은 본 발명에 따르면 두 매체, 즉 가스 배출 챔버 (55) 로부터의 가스와 오일 배수 챔버 (53) 로부터의 오일을 깨끗히 분리시킨다. 가스 배출 챔버 (55) 안에 수집된 가스는 또다시 라이너 (31) 내부에서의 적어도 하나의 별도의 가스 배수 채널 (56) 을 통해, 그리고 오일 배수 채널 (54) 로부터 분리되어 상기 베어링 하우징 안의 빈 공간 (50) 의 공통의 부피 안으로 전달된다. 상기 두 배수부의 특정한 분리를 통해, 오일 배수 챔버 (53) 의 영역 안에서의 상기 두 매체의 혼합이 저지되어야 하고, 그리고 이를 통해 밀봉 결합부 안의 코킹 위험이 감소되어야 한다. 게다가, 큰 오일 배수로 (51) 및 제 1 밀봉 부위 (43) 를 통해, 레이디얼 베어링 (34) 으로부터 나가는 베어링 오일의 대부분은 바깥으로 배출되고, 그리고 오일 배수로 (52) 를 통하여 피스톤링 부분으로부터 멀어진다.

도 3 은 도 2 에 따른 샤프트 시일을 나타내며 (보다 잘 알아볼 수 있기 위해, 도 2 에 대하여 추가적인 특징들에만 참조부호가 표시되어 있다), 상기 샤프트 시일에 있어서, 상기 샤프트 시일의 영역에서의 터빈의 회전하는 샤프트 윤곽은 슬리브 모양의 부착부 (81) 에 의해 설계되어 있다. 이때, 부착부 (81) 는 상기 샤프트 상의 긴 시트 (82) 상에 수축 끼워맞춤되어 있고, 그리고 상기 샤프트 상에 형성된 에지는 엑시얼 정지부 (axial stop, 83) 로서 부착부 (81) 에 쓰인다.

도 4 는 도 3 에 따른 샤프트 시일의 본 발명에 따른 추가의 효과를 도시하고 있다. 이때, 베어링 하우징, 상기 부착부 및 상기 샤프트 시트는, 열방출이 오일 냉각을 통해 최소화되도록, 그리고 열유입이 상기 샤프트에 대한 지지영역을 통하여 최대화되도록 형성되어 있다. 상기 부착부는 바람직하게는 열을 잘 전도하는 재료로 제조되어야 한다.

본 발명에 따르면, 부착부 (81) 에는 2개의 짧은 시트가 샤프트 (20) 상에 놓여 진다. 베어링측 시트 (821) 와 작동휠측 시트 (822) 사이에는, 공기로 채워진 빈 공간 (85) 이 연장되고, 상기 빈 공간은 상기 부착부와 상기 샤프트 사이의 절연층으로 쓰인다. 상기 부착부에는 엑시얼 정지부 (83) 가 축바향으로 상기 샤프트에 접한다. 도시되어 있는 실시형태에서, 고리 모양의 부착부 (81) 는 외측의 4개의 그루브를 구비한다. 두 베어링측 그루브는 상기 베어링 하우징의 라이너 (31) 안의 상응하는 그루브들과 함께, 위에서 설명된, 종래기술로부터 알려져 있는 오일 배수 챔버 (53) 와 가스 배출 챔버 (55) 를 형성한다. 상기 부착부의 두 작동휠측 그루브는 2개의 피스톤링 (41, 42) 을 수용하는데 쓰이며, 상기 피스톤링들은 상기 샤프트 시일의 작동휠측 시일을 형성한다. 상기 두 피스톤링은 상기 베어링 하우징의 라이너 (31) 에 접한다. 상기 베어링 하우징의 라이너 (31) 는 오일 배수로 (52) 를 구비하며, 상기 오일 배수로는, 방사상으로 상기 부착부의 외부에서의 영역 안으로의 윤활유의 공급을 가능하게 한다. 본 발명에 따르면, 상기 오일 배수로는 축방향으로 적어도 하나의 피스톤링들 (41, 42) 까지 연장되고, 따라서 상기 작동휠측 시일의 냉각은 윤활유를 이용해 보장될 수 있다. 오일 배수로 (52) 는 축에 대한 경사를 가지며, 따라서 상기 오일 배수로 안으로 도입된 윤활유는 중력으로 인해 상기 오일 배수로를 따라서 작동휠측으로 흐를 수 있다. 이때, 베어링 하우징 (30) 과 라이너 (31) 는, 중력과 관련하여 윤활유를 배수할 수 있는 하부 영역에 제공되어 있도록 형성되어 있다. 상기 도면에, 오일 흐름은 얇은, 어두운 화살표로 도시되어 있다. 바람직하게는, 상기 샤프트 시일을 냉각시키기 위해, 상기 베어링 영역으로부터의, 구체적인 예에서는 공급라인 (supply line) 으로부터 레이디얼 베어링까지 윤활유가 사용된다.

도시되어 있는 실시형태에서, 상기 샤프트 시일은 밀봉 공기 공급부를 구비한다. 이때, 작은 하얀색 화살표들로 도시된, 압축된 공기는 압축기측으로부터 (또는 외부에서 공급된) 베어링 하우징 (30) 안의 밀봉 공기 채널을 통하여, 작동휠측 피스톤링 시일의 작동휠측의 베어링 간극 안으로 안내된다. 이때, 상기 밀봉 공기는 한편으로는 상기 시일의 직접적인 냉각에 쓰이며, 다른 한편으로는 뜨거운 가스가 작동휠의 휠 후방 공간 (15) 으로부터 밀봉간극 안으로 침입할 가능성을 차단한다.

선택적으로, 상기 부착부 (샤프트 시일 부시) 에는 토션 댐퍼의 기능이 부가되며, 이는 베어링측 시트 (821) 에서의 약한 압력 및 작동휠측 시트 (822) 에서의 강한 가압을 통해 달성될 수 있다. 이때, 상기 베어링측 시트에서의 상기 압력은 댐핑 요구에 상응하여 설계되어야 한다. 이에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 예컨대 테플론 테이프와 같은 진동을 댐핑하는 마찰요소 (86) 가 상기 시트 안에 도입될 수 있다. 이를 통해, 토션 진동 시 댐핑 정도를 높이기 위해 상기 샤프트에서의 상대운동들이 이용될 수 있다.

선택적으로, 상기 베어링 하우징은 본 발명에 따라 형성된 상기 샤프트 시일의 영역에서 별도의 라이너 없이 형성되어 있을 수 있다. 이 경우, 상응하는 그루브들, 밀봉 플레이트들 및 밀봉 웨브들은 상기 베어링 하우징 안으로 직접 도입되어 있다. 별도의 라이너를 구비하지 않고 일체로 형성된 변형예에 비하여, 별도의 라이너 (31) 를 가진 상기 예시적으로 설명된 실시형태는, 라이너 (31) 가 밀봉 부분의 냉각을 목적으로 하여 좋은 열전도율을 가진 재료 (예컨대 Ck45) 로 제조될 수 있고, 그리고 이로써 사용된 베어링 하우징 재료 (예컨대 GGG-40) 에 종속되지 않는다는 장점을 가진다. 이 이외에, 상기 라이너는 작동 조건에 따른 마모시 쉽게 교체될 수 있고 또는 예컨대 세척을 위해 단기적으로 상기 베어링 하우징으로부터 분해될 수 있다.

도시되어 있는 실시형태에서, 상기 샤프트 시일은 2개의 피스톤링 (41, 42) 을 포함한다. 대안적으로, 하나의 피스톤링만 제공되어 있을 수 있거나 또는 상기 샤프트 시일의 영역 안에 또는 다른 부위들에 그 밖의 피스톤링들이 제공되어 있을 수도 있다.

상기 도시되어 있는 그리고 상세히 설명된 실시형태는 배기가스 터보차저 또는 파워 터빈의 터빈측에서의 본 발명에 따라 형성된 샤프트 시일을 나타낸다. 물론, 본 발명에 따라 형성된 상기 샤프트 시일은 임의의 다른 터보기계에서도 이용될 수 있다.

10 : 터빈 11 : 터빈휠
12 : 가스 유입부 13 : 가스 배출부
15 : 작동휠의 휠 후방 공간 20 : 샤프트
21, 22 : 밀봉 웨브 30 : 베어링 하우징
31 : 베어링 하우징의 라이너 32 : 밀봉 플레이트
33 : 밀봉 웨브 34 : 레이디얼 베어링
35 : 냉각매체 (밀봉 공기) 를 위한 공급라인39 : 보닛 커버
41, 42 : 피스톤링 43, 44 : 방사상 밀봉간극
50 : 베어링 하우징 안의 빈 공간 51, 52 : 오일 배수로
53 : 오일 배수 챔버 54 : 오일 배수 채널
55 : 가스 배출 챔버 56 : 가스 배수 채널
60 : 오일 채널 61 : 오일 분사 보어
62 : 베어링 플랜지 63 : 내부 윤곽
70 : 압축기 71 : 압축기휠
72 : 공기 유입부 81 : 샤프트와 함께 회전하는 부착부
821, 822 : 샤프트 시트 83 : 엑시얼 정지부
85 : 빈 공간 86 : 진동을 댐핑하는 요소

Claims

샤프트 상에 시트가 놓여진 부착부 (81) 를 가진, 베어링 하우징 (30) 안의 빈 공간 (50) 과 터보기계의 작동휠 (11) 의 휠 후방 공간 (15) 사이의, 상기 터보기계의 상기 베어링 하우징 (30) 안에 설치된 상기 샤프트 (20) 의 샤프트 시일로서,
상기 샤프트 시일은 상기 베어링 하우징 (30, 31) 과 상기 부착부 (81) 사이의 적어도 하나의 피스톤링 (41, 42) 형태의 작동휠측 시일과 상기 베어링 하우징 (30, 31) 과 상기 부착부 (81) 사이의 밀봉간극 (sealing gap, 43) 형태의 베어링측 시일을 포함하며, 상기 작동휠측 시일과 상기 베어링측 시일 사이에는 오일 배수 챔버 (53) 가 제공되어 있고, 상기 오일 배수 챔버 (53) 는 상기 베어링 하우징 (30, 31) 과 상기 부착부 (81) 사이의 밀봉간극 (44) 형태의 제 3 시일에 의해 한정되어 있으며, 상기 제 3 시일과 상기 작동휠측 시일 사이에는 가스 배출 챔버 (55) 가 배치되어 있고, 상기 부착부 (81) 는 윤곽을 구비하며, 상기 윤곽은 상기 베어링 하우징과 함께 상기 오일 배수 챔버 (53) 와 상기 가스 배출 챔버 (55) 를 형성하고, 상기 적어도 하나의 피스톤링 (41, 42) 을 수용하기 위한 적어도 하나의 그루브 (groove) 를 포함하고,
상기 샤프트 상의 부착부 (81) 의 시트는 축방향으로 간격을 갖고, 방사상으로 힘을 전달할 수 있는, 상기 샤프트에 대한 두개의 지지영역 (821, 822) 을 구비하며, 상기 두개의 지지영역 중 작동휠측에 배치된 지지영역 (822) 은 축방향으로 상기 작동휠측 시일의 상기 적어도 하나의 피스톤링 (41, 42) 의 영역에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 샤프트 시일.
제 1 항에 있어서, 축방향으로 상기 두개의 지지영역 (821, 822) 사이에는, 상기 샤프트 (20) 에 의해 그리고 상기 부착부 (81) 에 의해 한정된 빈 공간 (85) 이 형성되어 있는 샤프트 시일.
제 1 항에 있어서, 상기 베어링 하우징 (30, 31) 안으로 방사상으로 상기 오일 배수 챔버 (53) 의 외부에 오일 배수로 (52) 가 내부로 유도되고, 상기 베어링 하우징 (30) 안에는 적어도 하나의 오일 분사 보어 (61) 가 배치되어 있고, 상기 오일 분사 보어에 의해 상기 오일 배수로에서는 오일이 이동될 수 있으며 상기 오일 배수로는 축방향으로 상기 작동휠측 시일의 상기 적어도 하나의 피스톤링 (41, 42) 까지 연장되는 샤프트 시일.
제 3 항에 있어서, 상기 오일 배수로 (52) 는 축방향으로 상기 작동휠측 시일 쪽으로 축에 대해 경사져 형성되어 있으며, 따라서 베어링측에서 상기 오일 배수로 안으로 안내된 오일은 중력으로 인해 축방향으로 상기 작동휠 쪽으로 흐르는 샤프트 시일.
제 1 항에 있어서, 상기 샤프트 (20) 와 상기 부착부 (81) 사이의 상기 두개의 지지영역 중 베어링측 지지영역 (821) 에는, 진동을 댐핑하는 요소 (86) 가 배치되어 있는 샤프트 시일.
제 1 항에 있어서, 상기 베어링 하우징은 상기 샤프트 시일의 영역에서 라이너 (31) 를 포함하며, 상기 라이너 안에는 리세스 (recess) 들이 내부로 유도되고, 상기 리세스들은 상기 오일 배수 챔버 (53) 와 상기 가스 배출 챔버 (55) 를 형성하는 샤프트 시일.
제 1 항에 있어서, 상기 부착부 (81) 는 상기 샤프트의 재료에 비하여 보다 높은 열전도율을 가진 재료로 제조되어 있는 샤프트 시일.
제 1 항에 있어서, 상기 베어링 하우징 (30, 31) 안에는, 상기 베어링 하우징 (30, 31) 과 상기 부착부 (81) 사이의 간극 영역 안으로 기체 상태의 냉각매체를 도입시키기 위한 공급라인 (supply line) 이 배치되어 있으며, 상기 공급라인은 상기 작동휠측 시일의 작동휠측에서 상기 베어링 하우징 (30, 31) 과 상기 부착부 (81) 사이의 간극 안으로 통해 있는 샤프트 시일.
샤프트 (20) 상에 배치된 적어도 하나의 작동휠 (11) 과 베어링 하우징 (30) 을 포함한 터보기계로서,
상기 베어링 하우징 (30) 안에는 상기 샤프트 (20) 가 회전 가능하게 설치되어 있으며, 상기 베어링 하우징 (30) 과 상기 샤프트 (20) 사이에는 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 샤프트 시일이 배치되어 있는 터보기계.
샤프트 (20) 상에 배치된 적어도 하나의 터빈-작동휠 (11) 과 베어링 하우징 (30) 을 포함한 배기가스 터보차저 또는 파워 터빈으로서,
상기 베어링 하우징 (30) 안에는 상기 샤프트 (20) 가 회전 가능하게 설치되어 있으며, 상기 베어링 하우징 (30) 과 상기 샤프트 (20) 사이에는 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 샤프트 시일이 배치되어 있는 배기가스 터보차저 또는 파워 터빈.