KR20170039656A - 자기 액시얼 베어링을 위한 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 적어도 하나의 고정된 액시얼 정지부(3, 4)와 자기적으로 상호작용하도록 배열되는 액시얼 베어링 회전 플라이휠(2)을 포함하는 자기 베어링 시스템(1)을 제공한다. 시스템은, 플라이휠(2)의 회전 축(XX')에 대해 실질적으로 반경 방향 평면 내에 놓이는 유동의 방향으로, 플라이휠(2)로 유동을 보내도록 구성되는 냉각 유체 경로(31)를 포함한다.

Description

자기 액시얼 베어링을 위한 냉각 시스템{A COOLING SYSTEM FOR MAGNETIC AXIAL BEARING}

본 발명은, 유체 냉각 베어링 시스템에, 그리고 구체적으로 유체 유동에 의해 냉각되는 액시얼 자기 베어링을 포함하는 시스템에 관한 것이다.

전형적으로, 그러한 베어링에서, 유체 유동, 예를 들어, 기체 흐름이, 액시얼 베어링의 회전하는 플라이휠과 액시얼 베어링의 하나 이상의 고정된 받침대(abutment) 사이의 하나 이상의 공기 틈새 내로 주입된다. 기체 흐름은, 자기 유도 현상에 의해 생성되는 열량, 및 공기 틈새에서의 유체 점성 마찰에 의해 생성되는 열량 양자 모두를 배출하기에 충분해야만 한다. 환기 손실은, 후자의 유형의 손실을 가리킨다.

베어링 시스템이, 터빈 또는 압축기와 같은 회전하는 기계의 일부분일 때, 냉각을 위해 필요한 기체의 높은 유량은 때때로, 베어링 시스템을 냉각시킬 뿐만 아니라 기계의 다른 구성요소들을 냉각시키도록 구성되는, 냉각 유체 회로를 구축하는 것으로 이어진다.

이러한 냉각 회로는, 예를 들어, 회전하는 기계를 통해 유동하는 메인 유체 및 이러한 기계에 자연적으로 존재하는 압력 차를 사용하여, 기계에 내부적으로 배열될 수 있으며, 또는 다른 냉각 유체(예를 들어, 비 배제적으로, 공기) 및 전용 유체 유동의 생성 시스템을 사용할 수 있는, 전용 냉각 회로에 의해 별개로 배열될 수 있다.

모든 경우에서, 냉각 유동은 직접적으로, 터보기계(내부 시스템)의 수율 손실 때문에, 또는 외부 냉각 시스템의 투자 및 사용에 연결되는 비용 때문에, 경제적 손실을 생성한다.

냉각 비용을 감소시키기 위해, 냉각 유체 유동은, 베어링 또는 베어링 시스템의 구성요소들의 동일한 작동 온도들을 지속적으로 제공하는 가운데, 감소되어야 한다.

본 발명은, 단지 감소된 유량의 냉각 유체를 사용하는 가운데, 베어링의 효과적인 냉각을 허용하는, 즉 자기적 손실, 전기적 손실, 및 환기 손실에 의해 생성되는 열량을 제거하는 것을 허용하는, 유체 순환 시스템에 의해 냉각되는, 베어링, 또는 베어링 시스템을 제안하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 환기 손실을 감소시킴에 의해 냉각에 대한 필요성을 감소시키는 것을 제안한다.

일반적으로, 환기 손실은, 회전하는 플라이휠에 의해 냉각 유체로 전달되는 에너지에 대응한다. 이러한 에너지는 양의 값, 음의 값, 또는 0일 수 있다.

- 플라이휠의 국지적 속도가 유체 속도보다 더 큰 경우, 플라이휠은 유체가 회전하도록 야기한다. 유체는 가열된다. 유체와 플라이휠 사이의 속도의 차이가 더 크면, 에너지 손실이 더욱 중대하다.

- 국지적 유체 속도가 플라이휠의 국지적 속도와 동등한 경우, 마찰이 존재하지 않으며 그리고 환기에 의한 손실이 존재하지 않는다.

- 유체 속도가, 플라이휠의 속도보다 더 크며 그리고 동일한 방향인 경우, 유체는, 플라이휠에 에너지를 전달함에 의해, 플라이휠을 구동한다.

이는, 환기 손실이, 플라이휠과 냉각 유체 사이의 임의의 지점에서의 존재하는 속도 차를 감소시킴에 의해, 제한되거나 또는 제거될 수 있다는 것을 제안한다.

본 발명의 일반적인 원리는, 마찰 손실을 최소화하기 위해 플라이휠의 회전 방향(접선 방향)으로, 바람직하게 고속으로, 냉각 유체를 주입하는 것이다. 고속은, 주입 지점 전방을 통과하는 플라이휠이 지점에서 플라이휠의 접선 속도의 50% 내지 150%의 유체 접선 속도를 의미한다.

주입된 유체의 각운동량의 보호에 대한 단순한 고려들이, 특히, 주어진 주입 속도에 대해, 마찰 손실을 감소시키기 위해, 내측 직경을 향해서보다 플라이휠의 원주면에 유체를 주입하는 것이, 더욱 효과적이라는 것을 보여준다.

이를 위해, 본 발명은, 적어도 하나의 고정된 액시얼 정지부와 자기적으로 상호작용하도록 배열되는 액시얼 베어링의 회전 플라이휠을 포함하는 자기 베어링 시스템을 제공한다.

시스템은, 플라이휠의 회전 축에 대해 실질적으로 반경 방향 평면 내의 유동 방향으로, 플라이휠로 냉각 유체 유동을 보내도록 배열되는 냉각 유체 경로를 포함한다.

유체는, 유체가, 플라이휠과 하나 이상의 액시얼 정지부 사이의 축방향 공기 틈새 내에서, 플라이휠의 하나 이상의 개방 측면을 따라 유동하도록, 베어링 시스템 내로 주입된다.

바람직한 실시예에 따르면, 유체는, 플라이휠의 외주 둘레 표면을 향해 보내진다. 변형 실시예에 따르면, 유체는, 외주 둘레 표면과 충돌하도록 외주 둘레 표면을 향해 보내진다. 다른 변형 실시예에 따르면, 유체는, 흐름이 외주 둘레 표면과 인접한 실질적으로 반경 방향 표면을 따라 유동하도록, 외주 둘레 표면을 향해 보내진다.

외주 둘레 표면은, 플라이휠의 반경 방향 범위를 제한하는 표면을 의미한다. 이러한 표면은, 회전 원통 표면의 일부분일 수 있고, 비원형 윤곽으로 생성되는 원통형 표면의 일부분일 수 있으며, 또는 비원통형 표면의 일부분, 예를 들어 그 위에 블레이드들이 조립되는 도우넛형 표면의 일부분일 수 있을 것이다.

본 설명에서, 반경 방향 표면은, 플라이휠 축에 수직이며 모두 축의 동일한 지점을 통과하는 직선들에 의해 생성되는 평면형 표면을 의미한다. 축 방향은, 축에 평행한 직선의 방향을 의미한다. 축 방향 표면은, 모두 축에 평행한 직선들에 의해 생성되는 표면의 일부분을 의미한다. 그러한 표면은, 사실상, 원통형 표면 또는 원통형 표면의 일부분이다.

유체 유동이, 예를 들어, 정지부를 통해, 플라이휠의 가장 외주 부분을 휩쓸지 않고, 플라이휠과 정지부 사이의 공기 틈새 내로 주입되는 변형 실시예를 고려할 수 있다. 유동의 주입 방향은 이때, 실질적으로 공기 틈새의 평면 내에 놓이도록 구성된다. 예를 들어, 유동의 주입 방향은, 플라이휠의 축과, 70° 내지 110° 사이의, 그리고 바람직하게 80° 내지 100° 사이의 각도를 형성한다.

유리한 실시예에 따르면, 냉각 유동은, 플라이휠 상의 적어도 하나의 유동 충돌 지점에서, 반경 방향에 수직인 유동의 속도 성분이, 이러한 충돌 지점에서의 플라이휠 회전의 선형 속도의 절반보다 크거나 그와 같도록, 그리고 바람직하게 이러한 충돌 지점에서의 플라이휠 회전의 선형 속도의 0.7배보다 크거나 그와 같도록, 플라이휠로 보내진다. 유리한 실시예에 따르면, 특히 유동이 플라이휠의 외주 둘레 표면 상으로 보내질 때, 유체 유동의 접선 속도(즉, 반경 방향에 수직인 속도)는, 냉각 유동에 의해 야기되는 유체 마찰을 제한할 뿐만 아니라 또한 플라이휠로 회전 기계적 에너지를 제공하기 위해, 충돌 지점에서의 회전의 선형 속도보다 더 크다. 충돌 지점은 여기서, 유체의 경로와 플라이휠의 표면 사이의 만나는 지점을 의미한다. 유체 유동의 접선 속도는, 특히 유체의 유동이 플라이휠과 정지부 사이의 공기 틈새 상에 중심을 두고 주입되는 경우에, 플라이휠의 국부적 회전 속도보다 작을 수 있을 것이다. 유체 유동의 방향은, 플라이휠을 향해, 예를 들어, 유동 안내 부재를 통해, 유체를 이동시키도록, 파이프 또는 보어들(bores)을 지향시킴에 의해, 부과될 수 있다. 유체 유동의 총 요구 속도는, 특히 유체 흡입을 위한 파이프들 또는 보어들의 단면적(section)에 의해, 상기 보어들의 길이에 의해, 그리고 이러한 보어들 또는 파이프들의 입력부 상에 부과되는 유체 압력에 의해, 부과될 수 있을 것이다.

유리하게, 자기 베어링 시스템은, 적어도 하나의 보어에 의해 횡단되는 적어도 하나의 유체 유동 안내 부재를 포함하며, 보어는, 플라이휠의 외주 둘레 표면에 가깝게 개방된다. 보어는, 플라이휠 상의 냉각 유체 유동 라인의 충돌 영역 내에서 국부적 반경 방향에 수직이거나 또는 비스듬한 입사 방향을 따라, 냉각 유체 유동을 플라이휠로 보내도록 구성될 수 있다.

"외주 둘레에 가까운"과 같은 표현은, 유체 유동이 외주 둘레 표면 또는 그러한 표면의 적어도 하나의 에지에 접촉한다는 것을 의미한다. 유동의 입사 방향과 플라이휠의 국부적 반경 방향 사이의 각도는, 예를 들어, 안내 요소 내의 보어의 배출구에서 안내 표면에 접하는 적어도 하나의 선을 작도함에 의해, 플라이휠과 이러한 선의 만나는 지점을 취함에 의해, 그리고 접선과 만나는 지점을 관통하는 플라이휠의 반경 방향 사이의 각도를 추산함에 의해, 제1 근사로서 추산될 수 있을 것이다.

유리한 실시예에 따르면, 보어는, 플라이휠의 외주 둘레 표면에 실질적으로 접하는 방향으로 배열된다. 외주 표면이 부드럽다면, 보어의 방향이, 보어의 배출구에서 안내 표면에 접하는 적어도 하나의 선이 플라이휠 외주 표면에 접하는 경우에, 실질적으로 접선 방향인 것으로 고려될 수 있을 것이다. 유리하게, 보어는, 플라이휠의 반경 방향 평면에 실질적으로 평행하며, 말하자면, 플라이휠과 접하는 공기 틈새들의 평면들에 평행하다. 더욱 일반적으로, 보어의 방향이, 보어의 배출구에서 안내 표면에 접하는 적어도 하나의 선이 접선에 의해 절단되는 플라이휠의 지점에서 플라이휠의 반경 방향에 대해 45° 내지 90° 사이의 각도를 형성하는 경우, 실질적으로 플라이휠에 접하는 것으로 생각할 수 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 유동 안내 부재는 플라이휠을 둘러싼다. 유동 안내 부재는 바람직하게, 부재 둘레에서 각도 방향으로 이격되며 그리고 각각 플라이휠에 가깝게 개방되는, 여러 개의 보어와 교차한다. 제1 실시예에 따르면, 보어들이 실질적으로, 플라이휠의 축 방향 폭의 중간에 중심을 둔다.

제2 실시예에 따르면, 적어도 하나의 보어들의 그룹이 실질적으로, 플라이휠 및 플라이휠과 연관되는 액시얼 정지부를 분리하는, 공기 틈새 상에 중심을 둔다. 플라이휠과 연관된다는 것은, 액시얼 정지부가 플라이휠과 자기적으로 상호 작용할 수 있도록 배치된다는 것을 의미한다.

유리하게, 베어링 시스템은, 플라이휠의 양 측면 상에 개별적으로 배치되는 제1 액시얼 정지부 및 제2 액시얼 정지부와 자기적으로 상호 작용하도록 구성되는, 플라이휠을 포함한다. 유동 안내 부재는 이때, 2개의 보어 그룹을 포함할 수 있으며, 제1 보어 그룹은 실질적으로 플라이휠과 제1 액시얼 정지부 사이의 공기 틈새 상에 축 방향으로 중심을 두며, 그리고 제2 보어 그룹은 실질적으로 플라이휠과 제2 액시얼 정지부 사이의 공기 틈새 상에 축 방향으로 중심을 둔다.

유리한 실시예에 따르면, 자기 베어링 시스템은, 압력 하의 기체가 공급되도록 맞춰지며 그리고 적어도 유동 안내 부재의 보어들 중 2개의 반경 방향 외측 단부들을 그 내부로 개방하는, 안내 부재 둘레의 캐비티를 포함한다.

플라이휠의 외주 둘레 표면은, 가장 단순한 경우에 부드러울 수 있고, 또는 돌기들(reliefs)을 갖도록 제공될 수 있으며, 또는 축 방향으로 플라이휠의 외주로 연장되는 블레이드들을 갖도록 제공될 수 있을 것이다. 이러한 돌기들은 또는 이러한 블레이드들은, 플라이휠의 반경 방향으로의 융기부들을 형성한다.

일부 실시예에서, 돌기들 또는 블레이드들은, 플라이휠의 축 방향 두께의 단지 일부분 상에서 축 방향으로 연장될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 돌기들 또는 블레이드들은, 플라이휠의 전체 축 방향 두께에 걸쳐 축 방향으로 연장될 수 있을 것이다.

돌기들이 플라이휠의 적어도 하나의 반경 방향 면 상에 제공되며, 돌기들이 플라이휠의 반경 방향으로 적어도 부분적으로 연장되는, 대안적인 실시예들이 또한 고려될 수 있을 것이다. 외주 둘레 표면 상에 배열되는 및/또는 플라이휠의 공기 틈새 내부에서 플라이휠의 반경 방향 면들 상에 배열되는, 이러한 돌기들 및/또는 블레이드들은, 특히 유체의 국부적 접선 속도, 즉 플라이휠의 수직 반경 방향에 대한 유체의 접선 속도가, 유체와 접촉 상태에 놓이는 플라이휠의 회전 속도보다 더 큰 경우에, 냉각 유체 유동에 의한 플라이휠의 회전 구동을 가능하게 하도록 구성된다.

다른 양태에 따르면, 본 발명은, 플라이휠의 회전 축에 대해 실질적으로 반경 방향의 평면에 놓이는 유동 방향으로 냉각 유체 유동이 그 내부로 플라이휠을 향해 주입되는, 고정된 액시얼 정지부에 대항하여 회전하도록 배열되거나, 또는 2개의 고정된 액시얼 정지부 사이에서 회전하도록 배열되는, 자기 베어링 회전 플라이휠을 냉각하기 위한 방법을 제공한다.

플라이휠과 액시얼 정지부 사이의 공기 틈새 내에서 유동하는 냉각 유체 유동의 적어도 일부분을 포획하는 것 그리고 이를 레이디얼 베어링을 냉각하기 위해 레이디얼 베어링을 통해 보내는 것이 가능할 수 있을 것이다. 포획은, 예를 들어, 그 자체를 공기 틈새와 연통하는, 플라이휠과 정지부 사이의 반경 방향 간극의 공간 및 인근의 레이디얼 자기 베어링의 고정 부분과 회전 부분 사이의 반경 방향 간극의 공간을 연통시킴에 의해, 수행될 수 있을 것이다. 또한, 플라이휠과 정지부 사이의 반경 방향 간극 및 레이디얼 자기 베어링의 고정 부분을 통해 연장되는 냉각 채널들을 연통시키는 것이 가능할 수 있다. 냉각 유체의 배출 파이프들이, 물론, 레이디얼 베어링을 통한 냉각 유체의 순환을 허용하도록 하기 위해 액시얼 베어링으로부터 들어오는 유체 유입구 반대편의 축 방향 측면 상에, 레이디얼 자기 베어링에 대해 외향으로 배열된다. 레이디얼 자기 베어링은, 액시얼 자기 베어링과 같은 동일한 기계적 하위 세트의 자기 베어링 형성 부품일 수 있을 것이다. 다른 대안적인 실시예에 따르면, 레이디얼 자기 베어링은, 액시얼 자기 베어링의 인접한 거리 이내에 위치하게 되는 레이디얼 베어링, 말하자면, 제3 회전 요소에 의해 액시얼 베어링으로부터 분리되는 레이디얼 베어링, 예를 들어 회전 기계의 압축 스테이지에 속하는 레이디얼 베어링일 수 있을 것이다.

본 발명의 다른 목적들, 특징들, 이점들이, 순수하게 비-제한적인 예로서 주어지는 그리고 첨부 도면을 참조하여 이루어지는, 뒤따르는 설명으로부터 명백해질 것이다.
- 도 1은, 본 발명에 따른 베어링 시스템의 계략적 종방향 단면도이고,
- 도 2는, 본 발명에 따른 베어링에 속하는 하위 세트의 단순화된 단면도이며,
- 도 3은, 본 발명에 따른 다른 베어링에 속하는 하위 세트의 단순화된 단면도이고,
- 도 4는, 본 발명에 따른 또 다른 베어링의 단순화된 단면도이며, 그리고
- 도 5는 본 발명에 따른 변형 베어링의 단순화된 종방향 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 회전 기계를 위한 자기 베어링 시스템(1)은, 기하학적 축(XX')을 구비하는 샤프트(5) 상에 조립되며, 샤프트(5) 상에 조립되고 샤프트(5)의 회전과 일체화되며 그리고 예를 들어 너트(11)에 의해 샤프트(5) 상에 유지되는 회전 플라이휠(2)을 포함하고, 베어링 시스템의 고정된 하우징(9)과 일체화되는 제1 액시얼 정지부(3) 및 제2 액시얼 정지부(4)를 포함한다. 시스템은, 샤프트(5)(또는 샤프트(5)를 둘러싸는 플라이휠(2)의 중앙 부분)와, 자기 베어링 시스템(1)의 고정 요소들, 예를 들어, 정지부(3 또는 4) 사이에 반경 방향 간극을 한정하는, 적어도 하나의 반경 방향 간극 구역(32)을 포함한다. 이러한 구역들(32)은, 샤프트 + 플라이휠 조립체와, 플라이휠에 인접한 샤프트를 둘러싸는 고정 부분들 사이의 비접촉 회전 운동을 허용한다. 이러한 구역들(32)은 또한, 이러한 구역들 내로 이어지는 기체 라인들에 의해, 공기 틈새들(21, 22) 내에서 유동하는 기체들을 배출하는 것을 허용한다.

정지부들(3, 4)은, 플라이휠(2)의 바로 근처에 배열된다. 정지부들(3, 4)은, 개별적으로 제1 공기 틈새(21) 및 제2 공기 틈새(22)에 의해, 플라이휠(2)로부터 축 방향으로 분리된다.

제1 정지부(3) 및 제2 정지부(4)는, 개별적으로 제1 액시얼 정지부(3)를 향해 그리고 제2 액시얼 정지부(4)를 향해 플라이휠(2)을 축 방향으로 끌어당기는, 제1 자기장 및 제2 자기장을 개별적으로 생성하기 위한, 전기 권선들을 포함한다. 양자의 끌어당기는 힘들 사이의 균형이, 자기 베어링 시스템의 하우징(9)에 대한 축 방향 위치에 플라이휠(2)을 그리고 그에 따라 샤프트(5)를 축 방향으로 유지한다.

하우징(9)은 여기에서, 여러 하우징 부품들(9a, 9b, 9c, 9d)에 의해 이루어지지만, 또한 단일 부품 하우징일 수 있으며 또는 상이한 개수의 하우징 요소들로 구성될 수 있다. 도시된 예에서, 하우징 부품들 중의 하나(9c)와 액시얼 웨지(17)가 개별적으로, 하우징(9)에 관해 결정된 축 방향 위치에, 제2 액시얼 정지부(4) 및 제1 액시얼 정지부(3)를 유지한다.

하우징(9)은, 플라이휠(2)의 외주를 둘러싸는 가압 공간(6) 내로 개방되는, 유체 공급 채널(8)에 의해 관통된다. 가압 공간(6)은, 유동 안내 부재(7)에 의해, 플라이휠의 바로 인접한 공간(23) 또는 플라이휠과 유동 안내 부재(7) 사이의 반경 방향 간격으로부터, 반경 방향으로 분리된다. 플라이휠의 바로 인접한 공간(23)은, 플라이휠(2)의 외주 둘레가 그 내부에 잠기게 되는 기체의 용적을 한정한다. 도시된 예에서, 제1 액시얼 정지부(3) 및 제2 액시얼 정지부(4)의 외측 둘레의 적어도 일부분이 또한, 이러한 용적 내에 잠기게 된다.

이러한 바로 인접한 공간(23)은 또한, 제1 공기 틈새(21) 및 제2 공기 틈새(22)와 연통된다.

유동 안내 부재(7)는, 유체가 유동 안내 부재의 하나 이상의 보어(20)를 통해 공간(23)으로 유동하는 것을 가능하게 하도록, 가압 공간(6) 내에 존재하는 유체를 전달한다. 보어들(20)은, 가압 공간(6)으로부터 플라이휠(2)로, 뒤이어 실질적으로 반경 방향 평면에 위치하게 되는 구심 방향으로, 들어가는 유체 유동을 유도한다. 설명에서, 축 방향은, 기계의 회전 축(XX')에 평행한 방향을 의미한다. 반경 방향은, 축(XX')에 수직이며 그리고 이러한 축(XX')을 통과하는 방향을 의미한다. 냉각 유체의 유동(31)은, 여기에서 검정색 화살표들에 나타난다. 유동(31)은, 유체 공급 채널(8)에 이어 유동 안내 부재(7)를 통해 하나 이상의 보어(20)를 통해 통고하며 그리고, 한편으로 플라이휠의 외주 둘레 표면(24) 상에서 그리고 다른 한편으로 플라이휠의 반경 방향 표면들(25, 26)에서, 플라이휠(2)에 충돌한다. 플라이휠의 반경 방향 표면들(25, 26)은, 개별적으로 제1 공기 틈새(21) 및 제2 공기 틈새(22)를 축 방향으로 제한한다. 냉각 유동이, 플라이휠의 단지 외주 둘레 표면(24)에만, 또는 단지 하나의 또는 2개의 반경 방향 표면(25, 26)에만 충돌하도록, 반경 방향 평면 내부의 방향으로 플라이휠에 도달하는, 대안적인 실시예들이 고려될 수 있을 것이다. 후자의 경우에, 냉각 유체 유동은 바람직하게, 플라이휠의 축 방향 균형을 변경시키는 것을 가능한 한 방지하도록 하기 위해, 2개의 반경 방향 표면 각각에 비슷한 유량으로 충돌하도록 유도된다.

플라이휠(2) 상의 충돌 표면이 어느 것이든지, 냉각 유체 유동(31)은, 중심 반경 방향 간극 구역들(32)에 도달할 때까지, 플라이휠(2)의 반경 방향 표면들(25, 26)을 따라 유동한다. 중심 반경 방향 간극 구역들(32)로부터, 냉각 유체는, 냉각될 다른 물체들로 공급되도록 전달될 수 있을 것이다.

도시된 예에서, 여기에서 유체가 좌측에서 말하자면 플라이휠의 표면(25) 상에서 유동하는, 반경 방향 표면들 중 하나의 위로 유동하는 유체 유동은 이때, 액시얼 자기 베어링(1)과 같이 동일한 회전 기계에 속하는 레이디얼 자기 베어링(12)을 통해, 상기 레이디얼 자기 베어링을 냉각하기 위해, 유도된다. 회전 기계는, 기체 또는 유체를 취급하는 터빈 또는 압축기일 수 있을 것이다. 냉각 유체는, 액시얼 베어링(1)으로부터, 액시얼 베어링(1)과 같이 동일한 압축 또는 이완 스테이지에 속하는 레이디얼 베어링으로 공급될 수 있으며, 또는 회전 기계의 다른 스테이지로 보내질 수 있을 것이다. 냉각 유체 유동이, 이하에 설명되는 바와 같이, 표면에서의 적어도 하나의 비-제로 접선 속도 성분을 갖는 플라이휠의 적어도 하나의 표면 상으로 보내짐에 따라, 그리고 나아가, 바람직한 실시예에 따라, 표면에 대한 유체의 상대 접선 속도가 하우징(9)에 연결되는 고정된 기준 표시에서의 절대 속도보다 작음에 따라, 플라이휠(2)과 접촉 상태에 놓이는 냉각 유체의 압력 손실은, 유체가 플라이휠의 반경 방향 표면들 상으로 보내지는 통상적인 실시예들보다, 실질적으로 축 방향에서 더 낮다. 부가적으로, 냉각 유체는, 비슷한 유량을 갖는 통상적인 실시예보다 적게 가열된다. 이러한 더 낮은 압력 강하 및 더 낮은 가열은, 플라이휠(2)을 냉각한 이후에 다른 물체들을 냉각하기 위해 냉각 유체를 더욱 유효하게 재사용하는 것을 허용한다.

도시된 예에서, 액시얼 베어링의 반경 방향 간극 구역(32)으로부터, 냉각 유체의 일부분이 레이디얼 베어링(12)의 회전 부분(12a)과 고정 부분(12b) 사이에 제공되는 반경 방향 간극(33) 내로 유도되며, 그리고 유체의 일부분이, 동일한 축 방향으로 레이디얼 베어링(12)의 고정 부분을 횡단하는, 하나 또는 여러 개의 냉각 채널(13)을 통해 유도된다. 이러한 채널들(13)은, 축(XX') 둘레의 제한된 각도 방향 부분 위에만 뚫리며 그리고 축(XX') 둘레로 연장되는 반경 방향 간극을 형성하지 않는다. 레이디얼 베어링(12)을 통과한 유체는 이어서, 하우징(9)을 통과하는 유체 방출 오리피스(34)를 통해, 자기 베어링 시스템(1)으로부터 추출될 수 있을 것이다. 베어링 시스템은, 선택적으로, 레이디얼 자기 베어링(12)이 비활성화되는 국면 도중에, 고정 하우징(9)에 대한 샤프트(5)의 이동성을 유지하기 위한 레이디얼 볼 베어링(18)을 또한 포함할 수 있을 것이다.

유체 유동(31)이 실질적으로 반경 방향인 방향으로 액시얼 베어링의 플라이휠(2) 상에 도달함에 따라, 공기 틈새들(21, 22)의 레벨에서의 유체 마찰 효과가 감소하게 된다. 나아가, 보어들(20)을 통한 유체 도달 방향이 플라이휠의 외주 둘레 표면(24)에 대한 국부적 법선에 비스듬하게 유도되도록 구성되는 경우, 냉각 유체 유동(31)의 압력은 이때, 그와 반대로 플라이휠(2)을 늦추도록 그리고 유체 마찰에 의한 부가적인 열량을 생성하도록 하는 경향이 있는 유체 마찰력을 생성하는 대신에, 플라이휠(2)의 회전에 기여할 수 있다.

따라서, 플라이휠(2) 상의 냉각 유체 충돌 지점들 중 적어도 일부에서, 냉각 유체의 수직 반경 방향 속도가, 냉각 유체가 충돌하게 되는 플라이휠(2) 상의 지점의 국부적 선형 속도보다 크거나 그와 동등한 것이 바람직하다.

이러한 속도비에 관련되는 지점들은, 플라이휠의 외주 둘레 표면(24) 상에 위치하는 지점들, 또는 플라이휠의 제1 반경 방향 표면(25) 상에 위치하는 또는 제2 반경 방향 표면(26) 상에 위치하는 지점들일 수 있을 것이다.

도 2는, 본 발명에 따른 유동 안내 부재(7) 및 본 발명에 따른 플라이휠(2)의, 반경 방향 평면에서의 단면을, 단순화된 방식으로 도시한다. 도 1 및 도 2에 공통적인 요소들이 존재하며, 동일한 요소들은 동일한 참조부호에 의해 지시된다. 플라이휠(2)과 샤프트(5) 사이의 경계는 이러한 도면에 도시되지 않는다.

유동 안내 부재(7)는 여기에서, 각각, 예를 들어 도면의 평면에 대응하는, 평균 반경 방향 평면의 양 측부 상에서 대칭으로 연장되는, 여러 개의 보어(20)를 갖도록 펀칭된다. 각각의 보어(20)는, 실질적으로 직선형의 채널을 형성하며, 채널 방향은, 플라이휠(2)의 방향에서 상기 채널을 빠져나가는 냉각 유체 유동의, F에 의해 지시되는, 입사 방향에 실질적으로 대응한다. 방향(F)은 여기에서, 플라이휠의 외주 둘레 표면(24)에 실질적으로 접한다. 따라서, 플라이휠(2)에 충돌하는 냉각 유체의 속도는, 플라이휠(2)에 토크를 전달하기 위해 효과적으로 기여할 수 있다. 도 2에 도시된 예에서, 플라이휠(2)의 통상적인 회전 방향은 시계 방향인 것으로 가정된다. 플라이휠(2)의 지점(M)에서의 냉각 유동의 입사각(α)을, 플라이휠 상의 유동의 도달 방향(F)과 지점(M) 및 축(XX')을 통과하는 반경 방향(

(M)) 사이의 각도로서, 정의할 수 있다. 보어들(20)을 통해 도달하는 냉각 유체 유동은, 플라이휠의 충돌 지점(M)에서의 화살표(31)의 분할에 의해 도 2에 도시되는 바와 같이, 한편으로 그리고 제1 단계로, 플라이휠의 외주 둘레 표면(24) 둘레에서, 그리고 다른 한편, 직접적으로 또는 제2 단계로, 축(XX')의 방향으로 플라이휠의 반경 방향 표면들(25, 26)을 따라, 유동할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 플라이휠의 외주 둘레 표면(24)은, 접선 방향 속도 성분을 갖는 플라이휠 상에 도달하는 냉각 유체 유동의 추력의 영향 하에서, 플라이휠을 회전 구동하는 효과를 향상시키는, 돌기들, 거친 점들 또는 릿지들(27)을 구비할 수 있을 것이다. 그러한 돌기들, 거친 점들 또는 릿지들은, 또한 플라이휠(2)의 제1 반경 방향 표면(25) 및 제2 반경 방향 표면(26) 상에 배열될 수 있으며, 또는 단지 플라이휠(2)의 반경 방향 표면들 상에만 배열될 수 있을 것이다. 그러나, 외주 둘레 표면(24) 상의 돌기들은, 플라이휠의 반경 방향 표면들(25 또는 26) 상에 형성되는 돌기들보다, 플라이휠 내의 자기장 선들을 단지 약간만 교란하도록 형성하기에 더 용이하다.

도시된 예에서, 플라이휠(2)의 방향으로 유체 유동을 이끄는 보어들(20)은, 플라이휠(2) 둘레에 각도 방향으로 균일하게 분포하게 된다. 보어들(20)이, 모든 보어들이 서로로부터 동일한 거리에 놓이지 않고, 2개의 연속적인 보어 사이의 거리가 기본 패턴으로부터의 각도 방향 치우침에 의해 달성되는 패턴을 형성하도록, 분포하게 되는, 대안적인 실시예들이 고려될 수 있을 것이다. 대안적인 실시예에 따르면, 보어들(20)은, 심지어 축(XX') 둘레에서 균일하게 분포하지 않을 수 있을 것이다. 대안적인 실시예에서, 단일 보어를 통해 또는, 모두 유동 안내 부재(7)에 대해 실질적으로 동일한 각도 방향 위치에 위치하게 되는, 단지 하나의 보어 그룹에 의해, 냉각 유체 유동을 야기하는 것이 가능할 수 있다.

도 3은, 본 발명에 따른 다른 유동 안내 부재(7) 및 본 발명에 따른 다른 플라이휠(2)의, 반경 방향 평면에서의 단면을, 단순화된 방식으로 도시한다.

도 3 및 앞선 도면들에 공통적인 요소들이 존재하며, 동일한 요소들은 동일한 참조부호에 의해 지시된다.

도 3에 도시된 예에서, 플라이휠(2)의 외주 표면(24)은, 플라이휠(2)의 최소 둘레 반경(R1)과 플라이휠(2)의 최대 둘레 반경(R2) 사이에서 반경 방향으로 연장되는, 둘레 방향 블레이드들(28)을 포함한다. 블레이드들(28)은, 보어들(20)을 통과하며 그리고 방향(F)으로 플라이휠의 외주 둘레 표면(24)에 충돌하는, 냉각 유체 유동에 의한 플라이휠(2)의 회전 구동을 개선하도록 구성되는 기하 형상을 구비한다. 플라이휠(2) 상의 냉각 유체 유동의 충돌 지점으로서 지점(M)을 고려하는 경우, 충돌의 방향(F)과 국부적 반경 방향(

(M)) 사이의 각도(α)가 여기에서, 90° 초과이며, 말하자면, 유동의 충돌 방향(F)이 플라이휠의 평균 윤곽에 대해 단지 접하는 것이 아니라, 방향(F)이 플라이휠(2)의 중심을 향해 지향하고, 이는, 제1 및 제2 공기 틈새(21, 22)(도 3에 도시 안됨) 내에서 플라이휠의 반경 방향 표면들을 따르는 그리고 상기 냉각 유체의 방출 방향으로의, 냉각 유체의 유동을 용이하게 한다. 도 2의 실시예에서, 각도(α)의 값은 90°에 가까우며, 그로 인해, 플라이휠의 회전 구동 효과를 개선한다.

따라서, 각각 안내 부재(7) 및 플라이휠(2)과 연관되는 기하 형상들을 고려하는 이점을 갖는, 2개의 실시예를 구별할 수 있다. 제1 대안적 실시예에서, 보어들(20)의 방향은, 유체 유동의 방향(F)이, 축(XX')을 중심으로 하는, 자체의 반경이 플라이휠(2)의 최소 둘레 반경(R1)과 최대 둘레 반경(R2) 사이에 포함되는, 원에 접하도록, 놓인다. 유체 유동에 의한 구동 효과는 이때, 플라이휠의 외주 둘레 표면(24) 둘레에서 유동하는 유체에 대해 최대화된다.

다른 실시예에서, 보어들(20)의 방향은, 유동 방향(F)에 접하는 축(XX')을 중심으로 하는 원이, 플라이휠의 외주 둘레 표면(24)의 최소 반경(R1) 보다 작은 반경을 갖도록, 놓인다. 이러한 제2 대안적 실시예는, 플라이휠(2)과 축 방향으로 인접한 공기 틈새들(21, 22) 내에서의 유동을 용이하게 하며 그리고, 적절한 경우, 플라이휠의 반경 방향 표면들(24, 25) 위에서의 냉각 유체의 유체 마찰에 의한 플라이휠의 회전 구동을 용이하게 한다. 도 3 및 도 4는, 그러한 제2 실시예에 대한 도면들이다.

도 4는, 본 발명에 따른 제3 유동 안내 부재(7) 및 연관된 플라이휠(2)을 단순화된 방식으로 도시한다. 도 4의 예에서, 플라이휠(2)은, 자체의 제1 반경 방향 표면(25)에서의 정면도로 도시된다. 상기 반경 방향 표면(25)은, 제1 공기 틈새(21)를 통해 유동하는 냉각 유체 유동의 일부분에 의한 플라이휠(2)의 회전 구동을 용이하게 하는, 측방 블레이드들(29)을 갖도록 제공된다. 그러한 블레이드들(29)은, 예를 들어, 플라이휠(2)의 외측 둘레와 플라이휠의 반경 방향 표면 상의 반경(R3)의 내측 경계 사이에서 연장되는, 가벼운 늑골 형상 돌기(light rib-shaped relief)에 의해 한정된다. 이러한 블레이드들의 축 방향 두께는, 플라이휠(2)과 액시얼 정지부들(3, 4)(도 4에 도시 안됨) 사이의 자기적 상호 작용을, 가능한 범위까지, 교란하지 않도록 적절하게 유지된다.

자체의 반경 방향 표면들(25, 26)에 의한 플라이휠(2)의 냉각을 촉진하게 위해, 단일 보어(20) 대신에, 보어의 각각의 각도 방향 위치에, 도 5에 도시된 바와 같은, 각각 개별적으로 제1 공기 틈새(21) 및 제2 공기 틈새(22)와 실질적으로 마주보도록 개방되는, 2개의 평행한 보어(20a, 20b)를 제공하는 것이 가능하다.

도 5는, 단순화된 축 방향 단면도로 그러한 실시예를 도시한다. 도 5 및 앞선 도면들에 공통적인 요소들이 존재하며, 동일한 요소들은 동일한 참조부호에 의해 지시된다. 도 5에 도시된 바와 같은 2개의 평행한 보어(20a, 20b), 또는 축(XX')을 중심으로 각도 방향으로 이격된 일련의 2개의 보어(20a, 20b)는 실질적으로, 제1 공기 틈새(21) 및 제2 공기 틈새(22)와 개별적으로 마주보도록 개방된다. 도 5에 도시된 예에서, 보어들(20a, 20b) 각각의 축 방향 폭(즉, 축(XX')을 따르는)은, 제1 액시얼 정지부(3)와 제2 액시얼 정지부 사이의 축 방향 거리보다 작다. 달리 표현하면, 보어들(20a, 20b) 각각의 축 방향 폭은, 플라이휠(2)의 축 방향 두께보다 작다. 보어들(20a, 20b)은 각각, 실질적으로, 개별적으로 제1 공기 틈새(21) 및 제2 공기 틈새(22) 상에 중심을 둔다. 보어들(20a, 20b)이 엄격하게 공기 틈새들 상에 중심을 두지 않지만, 2개의 보어(20a, 20b)가 공기 틈새들(21, 22)을 분리하는 반경 방향 중간 평면에 대해 대칭으로 배열되며, 그리고 2개의 보어(20a, 20b)가 각각 적어도 부분적으로 공기 틈새들 중 하나와 대향하도록 배치되는, 변형 실시예를 고려하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 냉각 유체 순환 시스템 덕택으로, 플라이휠(2) 및 액시얼 정지부들(3, 4)에서의 냉각 유체의 유체 마찰에 의해 야기되는 온도 상승이 감소하게 된다. 제거되어야 할 열량의 수치가 그에 따라 감소하게 되며, 자기 베어링 시스템의 주어진 온도를 보장하기 위해 필요한 냉각 유체 유량이 또한 감소하게 된다. 일부 경우에, 냉각 유체 주입이 축 방향으로 실행되는 통상적인 구성으로부터 입이 반경 방향 평면으로 실행되는 본 발명에 따른 구성으로의 변화의 작용은, 액시얼 베어링에서 배출되는 열 출력을 반감시키는 것을 허용한다.

유체 공급 채널(8)에서 주입되는 기체 또는 냉각 유체는, 바람직하게, 차가운 유체, 예를 들어, 10 ℃ 내지 50 ℃ 사이의 온도를 갖는 기체이다. 액시얼 베어링의 전형적인 적용들, 예를 들어 압축기의 액시얼 베어링에 대해, 유동 안내 부재(7)를 둘러싸는 가압 공간(6)에서의 냉각 유체의 압력은, 2 내지 3 bar 정도일 수 있을 것이다. 예를 들어 1 내지 2 bar 사이의 냉각 유체 압력, 및 예를 들어, 150 내지 350 m/sec 사이의 유체 유동 속도가 이때, 유동 안내 부재(7) 외부에 한정되며 그리고 플라이휠(2)을 둘러싸는 공간(23) 내의, 보어들(20)의 배출구에서 달성될 수 있다.

유리하게, 공기 틈새들의 두께는, 샤프트(5) 인근에 도달하는 냉각 유체 압력이 바람직하게 여전히 1 bar를 초과하도록, 예를 들어 적어도 1.2 bar를 초과하도록, 구성된다. 대기압에 비교되는 이러한 과압은, 냉각 유체가 하우징의 외부로 자연적으로 빠져나가는 것을 허용할 수 있으며, 또는 베어링 시스템의 다른 요소들 또는 베어링 시스템과 통합되는 조립체의 다른 요소들을 냉각하기 위해 이러한 유체를 사용하는 것을 허용할 수 있다.

본 발명은, 설명된 예시적인 실시예들로 제한되지 않으며, 그리고 많은 변형들로 분열될 수 있을 것이다. 보어들로서 이상에 설명되는 주입 채널들은, 직선형이 아닐 수 있으며, 그리고 기계 가공에 의해 뚫는 다른 기술들에 의해 달성될 수 있으며, 예를 들어 주조 공장(foundry)에서 이루어질 수 있다.

플라이휠의 외주 둘레 표면(24)은, 플라이휠과 함께 단일 블록을 이루는 돌기들 또는 블레이드들을 포함할 수 있으며, 또는 플라이휠의 외주 표면의 "풍력 표면"을 개선하기 위해 부가적인 요소를 포함할 수 있을 것이다. 이러한 둘레 표면은 또한 부드러울 수도 있을 것이다. 기체 또는 냉각 유체의 유동이 플라이휠 상에서 실질적으로 반경 방향으로 야기되는, 이러한 유체의 도달 방향이 엄격하게 반경 방향은 아니지만, 예를 들어 반경 방향에 대해 0 내지 15° 사이의 각도 이내에 포함되는 것인, 대안적인 실시예를 사용하는 것을 고려할 수 있을 것이다. 이러한 대안적인 실시예가 거의 휠의 회전을 구동하지 않는 경우, 적어도 냉각 유체와 플라이휠 사이의 유체 마찰을 감소시키는 것을 허용한다.

본 발명에 따른 자기 베어링 시스템은, 예를 들어 수직 회전 축을 갖는 시스템의 경우에서, 플라이휠과 연관되는 단지 하나의 액시얼 정지부 만을 포함할 수 있을 것이다. 본 발명에 따른 자기 베어링 시스템은, 순환 유체에 의해 이미 본래 냉각되는, 펌프들, 터빈들, 및 압축기들과 같은 시스템들을 위해 특히 유리하다. 본 발명에 따른 자기 베어링 시스템은, 임의의 기계 시스템의 회전 축의 결정된 축 위치를 유지하기 위한, 임의의 자기 시스템에 적용될 수 있다. 냉각 유체 회로는, 유체가 베어링의 또는 연관된 기계 시스템의 다른 요소들을 냉각하기 위해 회복됨 없이, 단지 액시얼 베어링 플라이휠 및 하나 이상의 연관된 정지부의 냉각을 위해서만, 공헌할 수 있을 것이다.

축(XX') 둘레의 하나의 회전 방향 또는 다른 하나의 회전 방향에서 차별없이 작동하도록 설계되는 시스템을 위한, 회전 방향에 의존하여 교대로 사용되는, 2개의 주입 채널(20) 그룹이, 예상될 수 있으며, 상기 주입 채널 그룹들은 각각, 플라이휠(2)과 대향하는 유동 입사 각도를 구비할 수 있을 것이다. 또한, 플라이휠의 반경 방향으로 배열되는 보어들 또는 주입 채널들(20)을 고려하는 것이 가능할 수 있다.

Claims (10)

1. 적어도 하나의 고정된 액시얼 정지부(3, 4)와 자기적으로 상호작용하도록 배열되는 액시얼 베어링 회전 플라이휠(2)을 포함하는 자기 베어링 시스템(1)으로서, 플라이휠(2)의 회전 축(XX')에 대해 실질적으로 반경 방향 평면 내에 놓이는 유동의 방향으로, 플라이휠(2)로 유동을 보내도록 배열되는 냉각 유체 경로(31)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   적어도 하나의 보어(20)에 의해 횡단되는 적어도 하나의 유체 유동 안내 부재(7)를 포함하고, 보어는 플라이휠(2)의 외주 둘레 표면(24)에 인접하게 개방되며, 보어(20)는, 플라이휠의 국부적 반경 방향(

   

   (M))에 수직 또는 비스듬한 입사 방향을 따라 플라이휠(2) 상에 유동(31)을 보내도록 구성되는 것인, 자기 베어링 시스템.
3. 제 2항에 있어서,
   유체 유동 안내 부재(7)는 플라이휠(2)을 둘러싸고, 유동 안내 부재는, 실질적으로 플라이휠(2)에 대해 동일한 입사 각도를 따르도록, 유동 안내 부재의 각도 방향으로 분산되며 그리고 각각 플라이휠(20) 근처에서 개방되는, 여러 개의 보어들(20)에 의해 횡단되는 것인, 자기 베어링 시스템.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
   보어들(20)은 실질적으로, 플라이휠(2)의 축 방향 폭의 중간에 중심을 두는 것인, 자기 베어링 시스템.
5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   적어도 하나의 보어 그룹(20a, 20b)이 실질적으로, 플라이휠(2) 및 플라이휠과 연관되는 액시얼 정지부(3, 4) 사이의 공기 틈새(21, 22) 상에 중심을 두는 것인, 자기 베어링 시스템.
6. 제 5항에 있어서,
   플라이휠의 양 측면 상에 개별적으로 배치되는 제1 액시얼 정지부(3) 및 제2 액시얼 정지부(4)와 자기적으로 상호작용하도록 배열되는 플라이휠(2)을 포함하고, 유동 안내 부재(7)는 2개의 보어 그룹(20a, 20b)을 포함하며, 제1 보어 그룹(20a)은 실질적으로 플라이휠(2)과 제1 액시얼 정지부(3) 사이의 공기 틈새(21) 상에 축 방향으로 중심을 두며, 그리고 제2 보어 그룹(20b)은 실질적으로 플라이휠(2)과 제2 액시얼 정지부(4) 사이의 공기 틈새 상에 축 방향으로 중심을 두는 것인, 자기 베어링 시스템.
7. 제 2항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
   플라이휠의 외주 둘레 표면(24)은, 플라이휠의 축 방향(XX')으로 연장되는 돌기들(27) 또는 블레이드들(28)을 갖도록 제공되는 것인, 자기 베어링 시스템.
8. 고정된 액시얼 정지부에 대항하여 또는 2개의 고정된 액시얼 정지부(3, 4) 사이에서 회전하도록 배열되는, 자기 베어링 회전 플라이휠(2)을 냉각하기 위한 방법으로서, 냉각 유체 유동(31)이, 플라이휠의 회전 축(XX')에 대해 실질적으로 반경 방향의 평면에 놓이는 유동 방향(F)으로 플라이휠(2)을 향해 주입되는 것인, 자기 베어링 회전 플라이휠 냉각 방법.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 냉각 유동(31)은, 플라이휠 상의 적어도 하나의 유동 충돌 지점(M)에서, 반경 방향(

   

   (M))에 수직인 유동의 속도 성분이, 이러한 충돌 지점(M)에서의 플라이휠 회전의 선형 속도의 절반보다 크거나 그와 같도록, 그리고 바람직하게 이러한 충돌 지점에서의 플라이휠 회전의 선형 속도의 0.7배보다 크거나 그와 같도록, 플라이휠로 보내지는 것인, 자기 베어링 회전 플라이휠 냉각 방법.
10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    플라이휠과 액시얼 정지부(3, 4) 사이의 공기 틈새(21, 22) 내에서 유동하는 냉각 유체의 적어도 일부분이, 포획되며 그리고 레이디얼 베어링(12)을 냉각하기 위해 레이디얼 베어링(12)을 통해 보내지는 것인, 자기 베어링 회전 플라이휠 냉각 방법.
    

Images