KR20170059906A - 개선된 밀봉 프레임을 갖는 재생 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전 중심축(A)을 중심으로 회전 가능하게 장착되는 로터(2)로서 설계된 축열부와; 로터(2)를 둘러싸는 고정 하우징(3)과; 로터(2)의 반경방향으로 연장되고 로터(2)의 외측을 향해 넓어지며, 보강장치(6)를 포함하는 적어도 하나의 밀봉 프레임(4)을 포함하고, 밀봉 프레임(4)은 특히 연도가스 섹터(11)와 공기 섹터(12, 13) 사이에 배열되는 로터(2)용 밀봉수단과; 밀봉 프레임(4)과 로터(2) 사이의 거리를 조정하는 조정 시스템(5)을 포함하는 재생 열교환기(1)에 관한 것이다. 보강장치(6)는 밀봉 프레임(4)의 면적 관성 모멘트가 그의 반경방향(R)으로 본질적으로 일정하도록 되어 있다.

Description

개선된 밀봉 프레임을 갖는 재생 열교환기{Regenerative Heat Exchanger with Improved Sealing Frame}

본 발명은 재생 열교환기에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 구조적인 노력 및 비용의 큰 증가 없이 다양한 부하 조건 하에서 로터와 밀봉 프레임 사이의 밀봉 갭의 보다 양호한 적응성(adaptability)을 가능케 하는 개선된 밀봉 프레임을 갖는 재생 열교환기에 관한 것이다.

가령, 보일러에서 나오는 연도가스(flue gas)에 남아 있는 열에너지를 이용하여 보일러로 공급되는 연소공기를 가열함으로써 발전소의 효율을 증가시키기 위해, 여러 유형의 증기 발전소에서는 재생 공기 예열기 같은 재생 열교환기를 사용하고 있다. 이와 관련하여, 연도가스 유동 및 적어도 하나의 공기유동 또는 연소 공기유동이 융스트롬(Ljungstrom)원리에 따라 반대방향으로 정적 하우징 내에서 본질적으로 원통 형상의 회전식 중간 저장 질량체(rotating intermediate storage mass)를 통해 보내지는 것이 바람직하다. 로터라고도 부르는 회전식 중간 저장 질량체는 연도가스 섹터로부터의 열에너지를 적어도 하나의 공기 섹터로 전달한다.

재생 열교환기의 열용량에 추가하여, 연도가스 내로 연소공기의 누출이 발생하면, 열교환기의 효율에 상당한 영향을 준다. 이 누출의 대부분은 연소공기로 구성되며, 이는 두 가스 간의 압력차로 인해 공기 섹터 및 연도가스 섹터의 반경방향 경계에서 연도가스 내로 흐른다. 이러한 누출을 피하기 위해, 하우징의 반경방향 스파(radial spar)에서는 반경방향 시일로서 기능하도록 된 소위 밀봉 프레임을 사용한다.

통상, 이들 밀봉 프레임은 하우징에 고정 장착된 플레이트로 각각 구성되며, 일반적으로 로터의 중심으로부터 반경방향으로 로터의 테두리까지 연장되며, 로터에 고정된 스트립 시트 또는 밀봉 웹과 관련하여, 공기 및 연도가스 섹터에 대해 밀봉 효과를 생성한다. 밀봉 프레임은 통상 로터의 상부측 및 하부측 모두에 존재한다. 밀봉 프레임에 관한 특별한 요건은 온도의 영향으로 인해 작동 중에 로터가 변형되는 사실에서 기인한다. 로터의 하부측보다 상부측의 온도가 높기 때문에, 로터는 하부측보다 상부측에서 더 팽창하여, 작동 중에 로터가 구부러진다. 이러한 축방향 굴곡은 로터의 열팽창 계수(α) 및 로터의 국부적인 온도에 따른 반경 위치의 함수로서 설명할 수 있으며, 근사를 위해, 각각의 가스 유동(공기 유입, 공기 유출, 가스 유입 및 가스 유출)의 중앙 온도와 동일시할 수 있다. 결과적으로, 로터와 밀봉 프레임 사이의 밀봉 갭(sealing gap)의 높이는 작동 온도의 증가에 따라 변하며, 수 센티미터까지의 밀봉 갭의 국부적인 확대는 드문 일이 아니다. 이것을 교정하기 위해, 통상 밀봉 프레임의 위치를 재조정한다. 이를 위해, 종래 기술에서는 아래에 기재하는 바와 같은 두 가지 방법을 일반적으로 사용한다.

제 1변형에서, 작동 중에 축방향으로 기울어질 수 있는 강성 밀봉 프레임(섹터 플레이트라고도 부름)이 사용된다. 이것은 열교환기의 일례로서 재생 공기 예열기(1)를 도시한 도 1에 일례로서 도시되어 있다. 부분도, 즉 반경방향(R)을 따르는 로터(2)의 반단면도가 도시되어 있다. 로터(2)는 작동 중에 구부러지게 되며, 도면의 상부에 배열된 고온측에서 떨어져 변형됨으로써, 도면의 우측 영역에 도시된 로터(2)의 외부 테두리 영역은 도면의 좌측 부분에 도시된 로터의 내부 테두리 영역보다 로터(2)의 회전 축방향을 따라 하방으로 더 처져 있다. 공기 예열기의 연도가스 섹터와 공기 섹터 사이에서 반경방향으로 연장되고 공기 섹터로부터의 연소가스가 반경방향 경계에서 연도가스 섹터로 전달되는 것을 방지하도록 되어 있는 밀봉 프레임(4)이 로터(2) 위에 배열된다. 그러나, 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 단지 강성 밀봉 프레임을 기울이는 것만으로는 로터(2)와 밀봉 프레임(4) 사이의 밀봉 갭(10)을 충분히 폐쇄할 수 없으므로, 이때는 연소공기의 전달을 충분히 방지할 수 없다. 로터에는 통상 보상 요소로서 소위 스트립 시트가 장착되며, 이는 섹터 플레이트를 밀봉하며, 예를 들어 로터가 최대 부하 하에서 작동하는 경우, 로터의 변형시 주(primary)작동 상태에서 직선을 형성하도록 배향된다. 그러나, 이 방법으로 최대 부하 조건에 대해서만 최소 밀봉 갭을 설정할 수 있지만, 다른 모든 부하 조건에서의 밀봉 능력은 최적화되어 있지 않다. 대응하는 설계가, 예를 들어, US 2011/0061831 A1, US 2002/0112843 A1, US 6,155,209 A, US 6,119,764 A 및 US 4,673,026 A에 기재되어 있다.

제 2변형에서, 반경을 따라 분포된 수 개의 조정점을 갖는 조정 가능한 밀봉 프레임이 사용된다. 이것은 도 1과 동일한 상세도를 특징으로 하는 도 2에 일례로서 도시되어 있다. 각 작동 상태에서 전체 반경에 걸쳐 최소의 밀봉 갭을 달성하기 위해, 밀봉 프레임은 다양한 조정점에서 변형될 수 있다. 이러한 변형은 예를 들어 조정 실린더와 같은 기계적 조정장치를 통해 달성될 수 있다. 도 2에는 조정장치가 도시되어 있지 않다. 한편, 이러한 변형은 많은 조정점의 제어가 복잡할 뿐만 아니라 투자 비용이 증가하는 단점을 지닌다. 밀봉 프레임의 장착에 따라, 개별 조정점 사이에서 밀봉 프레임의 "처짐(sagging)"이 발생할 수 있다. 다시 말해, 반경방향에서 볼 때, 개별 조정장치 사이에서 일정하게 상승하거나 일정하게 하강하는 곡선을 그릴 필요는 없으므로, 굴곡된 로터의 형상을 최적으로 따르지 않게 된다. 이것을 방지하기 위해, 조정장치의 수는 통상 추가적으로 증가되며, 이는 상당한 비용 증가 및 증대 된 유지보수 노력과 연관된다. 여러 조정점을 갖는 이러한 유형의 설계는 예를 들어, 동일 출원인의 EP 2458315 A1에 기재되어 있다. 여기에는, 롤러 시스템이 추가로 제공되며, 이를 통해 밀봉 프레임은 로터 상에 놓여, 로터와 밀봉 프레임 사이의 최소 간격을 보장한다.

그러나, 각각의 단점 리스트로부터, 이전에 사용된 방법들 중 어느 것도 최적의 해법을 제공하지 않으므로, 각각의 경우에 밀봉 프레임에 대한 추가적인 개선 가능성이 여전히 존재한다는 것이 곧 분명해진다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 다양한 부하 조건 하에서 로터와 밀봉 프레임 사이의 밀봉 갭의 보다 양호한 적응성(adaptability)을 가능케 하고, 구조적인 노력 및 비용의 큰 증가 없이, 특히 전술한 종래 공지된 해결책의 단점을 해결할 수 있는 개선된 밀봉 프레임을 갖는 재생 열교환기를 제공하는 것이다.

상기의 본 발명의 목적은 독립항 제 1항 및 제 3항에 따르는 재생 열교환기에 의해 달성된다. 바람직한 실시예는 종속항에 제공되어 있다.

제 1측면에서, 본 발명의 재생 열교환기는, 회전 중심축을 중심으로 회전 가능하게 장착되는 로터로서 설계된 축열부와; 상기 로터를 둘러싸는 고정 하우징과; 보강장치를 포함하고, 로터의 반경방향으로 연장되며, 로터의 외측을 향해 넓어지는 적어도 하나의 밀봉 프레임을 포함하고, 상기 밀봉 프레임은 특히 연도가스 섹터와 공기 섹터 사이에 배열되는 로터용 밀봉수단과; 밀봉 프레임과 로터 사이의 거리를 조정하는 조정 시스템을 포함하고, 상기 조정 시스템은 밀봉 프레임과 연결되어 밀봉 프레임을 축방향으로 굴곡시키는 적어도 2개의 조정장치를 포함한다. 본 발명에 따르면, 보강장치는 밀봉 프레임의 면적 관성 모멘트가 그의 반경방향으로 본질적으로 일정하도록 설계되고, 밀봉 프레임을 축방향으로 굴곡시키는 적어도 2개의 조정장치는 서로에 대해 반대 방향으로 조정 가능하다.

본 발명은 밀봉 프레임의 면적 관성 모멘트가 작동 중에 예상되는 온도 및 압력에서 로터의 열적 굴곡 특성에 대응하거나, 적어도 근사하도록 선택되는 경우, 밀봉 프레임과 로터 표면 사이의 밀봉 갭이 간단한 방식으로 조정될 수 있고, 일정하게 작게 유지될 수 있다는 인식을 기초로 한다. 이제 초기에 사용되는 면적 관성 모멘트의 요인으로 인해, 소수의 조정장치만으로 로터의 변형에 맞춰진 밀봉 프레임의 최적의 굴곡을 허용하는 밀봉 프레임의 굴곡 특성을 달성할 수 있다. 밀봉 프레임이 로터와 유사한 방식으로 반경방향 연장으로 변형될 수 있는 경우, 밀봉 갭의 최소한의 재조정만 필요하며, 밀봉 프레임의 굴곡 특성으로 인해 종래 기술에서 관찰되는 처짐이 발생하지 않으므로, 상기 재조정은 소수의 조정점에서만 수행할 필요가 있다. 특히, 본 발명에 따르면, 극소수의 조정장치만으로, 특히 로터의 굴곡에 맞춰진, 일정하게 상승하거나 일정하게 하강하는 곡선으로의 밀봉 프레임의 굴곡의 특히 양호한 조정이 달성된다. 따라서, 밀봉 갭을 조정하기 위해 극소수의 조정장치만 필요하므로, 열교환기의 구조적인 노력 및 제조 비용을 감소시킬뿐만 아니라, 작동 중에 재조정 및 계산 노력을 최소화하고 오작동 민감성(malfunction susceptibility)을 감소시킨다. 또한, 본 발명에 따라 밀봉 프레임의 최적의 굴곡을 가능케 하기 위해, 밀봉 프레임을 굴곡시키는 적어도 2개의 조정장치는 축방향을 따라 서로에 대해 반대 방향으로 조정 가능하도록 되어 있다. 반경방향으로 서로 이격된 2개의 조정장치는 따라서, 압력 및 장력에 의해 로터의 회전축의 축방향으로 적어도 부분적으로 밀봉 프레임을 대향시켜 장착할 수 있다. 이는 밀봉 프레임의 최적의 굴곡을 허용하여, 밀봉 프레임은 축방향 외측으로 구부러지고, 결과적으로 로터의 회전축과 반경방향으로 연장되는 밀봉 프레임의 종축이 위치되는 기준면에서, 굴곡된 형상을 취하게 된다. 상대적으로 적은 조정장치로 밀봉 프레임의 반경방향으로 연장되는 밀봉 프레임의 제어되고 대체로 균일한 굴곡은, 본질적으로 반경방향을 따라 밀봉 프레임의 면적 관성 모멘트가 대체로 일정한 구성으로 인한 결과다.

밀봉 프레임의 면적 관성 모멘트 및 치수의 계산은 강체(rigid bodies)들의 관성을 계산하기 위한 슈타이너의 법칙(Steiner 's rules)에 기초하여 수행할 수 있다. 이와 관련하여, 반경방향을 따라 본질적으로 일정한 면적 관성 모멘트가 밀봉 프레임에 채용되는 경우, 로터 및 밀봉 프레임의 굴곡 특성의 매우 양호한 상관 관계가 달성될 수 있음이 이미 밝혀졌다. 이는 로터의 회전축에 인접한 내측단을 갖는 소위 코어 시일의 하우징 프레임에 장착되는 밀봉 프레임에 기초하고 있으며, 이 단을 이하에서는 선단(head end)이라 칭한다. 밀봉 프레임의 표면 상의 평면도에서 가장 좁은 점 역시 이곳에 위치되는 반면, 밀봉 프레임이 외측으로 넓어지고, 가장 넓은 점은 소위 말단(foot end), 즉 로터의 외측 테두리에 인접하게 위치된다. 이러한 반경방향 연장에 걸친 밀봉 프레임의 균일한 면적 관성 모멘트를 달성하기 위해, 굴곡 저항은 밀봉 프레임의 선단을 향하는 방향으로 증가되어야 한다.

바람직한 방식에 있어서, 규정된 굴곡 모멘트, 특히 밀봉 프레임의 반경방향으로 본질적으로 일정한 면적 관성 모멘트의 조정은, 반경방향으로 연장되고, 유리하게는 로터로부터 떨어져 대향하는 밀봉 프레임의 밀봉 플레이트의 외측에 배열되는 보강 스트립을 포함하는 적어도 하나의 보강장치에 의해 일어난다. 따라서, 밀봉 프레임은 밀봉 플레이트 및 보강 요소(들)의 전체를 지칭한다. 따라서, 본 발명은 재생 열교환기를 더 포함하며, 이는 회전 중심축을 중심으로 회전 가능하게 장착되는 로터로서 설계된 축열부와; 로터를 둘러싸는 고정 하우징과; 보강장치를 가지며, 로터의 반경방향으로 연장되고, 로터의 외측을 향해 넓어지며, 특히 연도가스 섹터와 공기 섹터 사이에 배열되는 적어도 하나의 밀봉 프레임을 포함하는 로터용 밀봉수단과; 밀봉 프레임과 로터 사이의 거리를 조정하는 조정 시스템을 포함하고, 보강장치는 반경방향으로 연장되고, 반경방향 외측으로 감소되는 높이 및/또는 폭을 갖는 적어도 하나의 보강 스트립을 포함한다. 다시 말해, 보강 스트립은 따라서, 밀봉 프레임의 특히 사다리꼴 밀봉 플레이트의 굴곡 거동과 반대로 설계되고, 특히 로터의 회전축에 대해 반경방향에서 볼 때, 바깥 쪽 방향으로 보다 약해진다.

바람직하게는, 적어도 하나의 보강 스트립은 회전축에 인접한 밀봉 프레임의 선단으로부터 밀봉 프레임의 외측 말단을 향해 연장되고, 특히 바람직하게는, 밀봉 프레임의 전체 반경방향 길이에 걸쳐서 연속해서 연장된다. 이는 선단의 영역에서 밀봉 프레임의 보강을 가능케 하며, 또한 밀봉 프레임의 외부 테두리에 도달하기 전이라도 보강 스트립이 종결될 수도 있는 것으로 일반적으로 생각할 수 있다. 그러나, 보강 스트립이 밀봉 프레임의 전체 반경방향 길이에 걸쳐서 연장되는 경우 특히 바람직하다. 밀봉 프레임의 전체 반경방향 연장에 걸쳐서 균일한 면적 관성 모멘트를 달성하기 위해, 적어도 하나의 보강 스트립은 그의 높이 및/또는 폭이, 특히 높이만이 상기 선단으로부터 거리가 증가할수록 감소되게 설계된다. 이와 관련하여, 보강 스트립의 높이 변화, 즉 열교환기의 축방향으로의 연장은, 이 값이 폭 연장보다 더 높은 동력을 갖는 슈타이너의 정리와 연관되기 때문에, 특히 효율적이다.

밀봉 프레임의 균일한 면적 관성 모멘트는 상기 로터로부터 떨어져 대향하는 밀봉 프레임의 밀봉 플레이트의 표면 상에서 밀봉 프레임에 걸쳐서 반경방향으로 전체적으로 또는 부분적으로 연장되는 하나의 보강 스트립 또는 다수의 보강 스트립에 의해 조정될 수 있다. 바람직하게는, 모든 보강 스트립은 밀봉 프레임의 전체 반경방향 길이에 걸쳐서 연장되고/되거나 서로 동일한 각도 거리(angular distance)를 갖는다. 특히 바람직하게는, 총 3 개의 보강 스트립이 존재하고, 이 중 2개는 밀봉 프레임의 외측을 따라 연장되고, 제 3 스트립은 2개의 외측 스트립 사이에서 본질적으로 중앙에서 연장된다. 이와 관련하여, "본질적으로 중앙에서(essentially centrally)"는 밀봉 프레임의 선단과 말단 사이의 각각의 위치에서의 정확한 중심으로부터 밀봉 프레임의 전체 폭의 10%까지의 편차를 의미한다. 특히 바람직하게는, 모든 보강 스트립은 전술한 높이 및/또는 폭의 변화, 특히 그들 각각의 반경방향 연장의 방향으로 높이만을 갖는다. 물론, 이는 밀봉 프레임의 결과적인 면적 관성 모멘트가 반경방향으로 본질적으로 일정하도록 개별 보강 스트립의 높이 및/또는 폭의 변화가 선택되는 것을 의미한다.

본 발명의 바람직한 변형에서, 적어도 하나의 보강용 스트립의 높이 및/또는 폭은 내측으로부터 외측을 향해 반경방향으로 연속해서 감소된다. 이러한 방식으로, 면적 관성 모멘트의 특히 정확하고 일관된 조정이 밀봉 프레임의 반경 연장 방향으로 일어날 수 있다. 그러나, 적어도 하나의 보강 스트립의 높이가 단계적으로 감소되는 것도 일반적으로는 가능하다. 특히, 적어도 하나의 보강 스트립은 서로 다른 일정한 높이의 다수의 부분들(sections)로 이루어질 수 있다. 단계식 변화로 인해, 밀봉 프레임의 반경방향 연장 상에서 일정한 면적 관성 모멘트의 완전하고 정밀한 조정은 더 이상 불가능하다. 그러나, 완전히 균일하지 않은 반경방향의 이러한 면적 관성 모멘트조차도 본 발명의 성공을 위해서는 충분하다. 따라서, 본 발명의 의미에서 "본질적으로 일정한 면적 관성 모멘트"는 또한, 밀봉 프레임의 반경방향으로 면적 관성 모멘트의 최고값의 25%까지, 특히 15%까지, 바람직하게는, 10% 이하, 특히 5% 이하의 편차를 포함하도록 되어 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 사용되는 밀봉 프레임은 그들의 말단보다 선단에서 더 작은 폭을 갖는다. 바람직하게는, 사용되는 밀봉 프레임은 축방향으로 평면에서 볼 때, 사다리꼴 또는 대략 사다리꼴이다. 이러한 형태의 밀봉 프레임은 이미 대체로 공지되어 있다. 특히 바람직한 실시예에서, 이들은, 마찬가지로 공지된 방식으로, 로터가 다수의 반경방향 벽, 및 셀(cell)로 세분화된 동심원 링의 구조를 형성하는 중간 저장 요소를 갖는 로터를 가정해서, 밀봉 프레임이 로터의 각 링 내의 동일한 개수의 셀을 덮도록 설계된다. 이러한 밀봉 프레임은 반경방향으로 연장되는 평탄한 하나의 피스 또는 다수 피스의 플레이트 요소로, 궁극적으로는 밀봉 프레임의 밀봉 효과를 생성하는 밀봉 플레이트를 포함한다.

본 발명에 따르는 보강장치 및/또는 면적 관성 모멘트의 대응하는 선택과는 별도로, 본 발명에 따라 사용되는 밀봉 프레임은 종래 기술에 공지된 기본 구조로 설계될 수 있다. 따라서, 예를 들어 반경방향으로 연장되는 보강 스트립을 가로질러 연장되는 추가의 보강 리브를 제공하는 것이 가능하다. 또한, 밀봉 프레임의 부착은 종래 기술에 공지된 방식으로 행할 수 있다. 전형적으로, 이와 관련하여, 밀봉 프레임의 선단은 로터 하우징의 소위 코어 시일에 부착된다. 예를 들어, 밀봉 프레임의 선단이 코어 시일에 대해 원하는 높이에 먼저 설정되고, 이어서 그의 높이가 변화될 수 없도록 고정되는 개별 조정장치에 의해, 상기 부착은 소위 코어 조정점에서 이루어진다. 작동 중에 높이 조정은 상기 코어 조정점에서 더 이상 일어나지 않는다. 동작 중에 조정점에서의 높이 조정은 더 이상 일어나지 않으며, 이는 밀봉 플레이트를 굴곡시키기 위한 코어 조정점에서의 조정이 더 이상 일어나지 않기 때문에, 코어 조정장치를 본 발명에 따르는 장치의 조정 시스템의 일부로서 고려하지 않는 이유이다.

본 발명에 따르는 장치의 조정 시스템은 대안으로 밀봉 프레임을 축방향으로 굴곡시키는 밀봉 프레임에 연결된 적어도 2개의 조정장치를 포함하고, 적어도 2개의 조정장치 중 하나는 특히 밀봉 프레임의 말단에 위치되어 그곳에서 결합되고, 다른 하나의 조정장치는 반경방향에서 볼 때, 밀봉 프레임의 선단과 말단 사이의 대략 중앙에서 배열되어 결합된다. 또한, 적어도 2개의 조정장치는 반대 방향, 예를 들어 수직 방향으로 상방 및 하방으로 조정 가능하거나, 압력 및 인장력을 각각 가함으로써, 서로에 대해, 밀봉 프레임, 구체적으로는 부하에 대항하도록 되어 있다. 따라서, 이미 소수의 조정장치로 밀봉 프레임, 및 특히 밀봉 프레임의 밀봉 플레이트의 반경방향으로의 목표 굴곡(targeted bending)이 달성될 수 있고, 조정 장치들 사이의 밀봉 프레임의 처짐이 여전히 확실하게 회피된다. 목표란 밀봉 프레임의 굴곡이 가능한 한 로터의 반경방향 변형에 가깝게 맞춰지는 것을 의미한다. 이러한 조정장치에 의해, 로터와 밀봉 프레임 사이에서 균일한 최소의 밀봉 갭을 유지하도록, 작동 중에 로터에 대한 밀봉 프레임의 거리를 재조정할 수 있다. 이미 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르는 밀봉 프레임의 반경방향 연장의 균일한 면적 관성 모멘트의 조정은 단지 소수의 조정장치의 사용을 가능케 하며, 시일이 작동 중에 로터와 매우 유사하게 변형될 수 있으므로, 밀봉 갭에 대한 최적의 조정은 이미 적어도 2개의 조정장치에 의해 달성될 수 있다. 각각의 경우에, 통상 밀봉 프레임과 로터 사이에 양호한 밀봉 능력을 제공하기 위해 밀봉 프레임당 2개 이하의 조정장치가 필요하다. 바람직한 실시예에서, 그러므로, 본 발명에 따르는 재생 열교환기의 조정 시스템은 밀봉 프레임당 정확하게 2개의 조정장치를 가지며, 제 1조정장치는 반경방향에서 볼 때, 밀봉 프레임의 말단에 위치되고, 선단과 말단 사이의 대략 중앙에 추가로 조정장치가 배치된다. 또한, 전술한 코어 조정점에도 조정장치는 통상 존재하지만, 재생 헤드 교환기의 작동 중에 밀봉 프레임의 굴곡이 일어나는 조정 시스템의 일부는 아니다. 또한, 조정장치는 서로에 대해 조정될 수 있어, 예를 들어 조정장치에 매달려 있는 밀봉 프레임에 의해, 특히 중앙 조정장치는 수직 방향으로 상방을 향하는 인장력을 밀봉 프레임 상에 가할 수 있고, 반경방향에서 볼 때, 외측 말단에서 밀봉 프레임과 결합되는 조정장치는 수직 방향으로 하방의 압력을 밀봉 프레임 상에 가할 수 있다. 이러한 방식으로, 반경방향으로 연장되는 밀봉 프레임의, 특히 밀봉 플레이트의 목표로 하는 균일한 굴곡이 달성될 수 있으며, 이는 반경방향으로의 면적 관성 모멘트의 본질적으로 일정한 구성에 의해서만 가능하다.

본 발명에 따르면, 조정장치는 밀봉 프레임의 선단으로부터 소정의 반경방향 거리에 배치된, 밀봉 프레임과 로터 표면 사이의 밀봉 갭을 조정하는 장치를 의미한다. 조정 유닛은 예를 들어 밀봉 프레임의 선단으로부터 대략 동일한 반경방향 거리에서 밀봉 프레임의 외부 테두리에 인접하게 위치되는 조정점 상에서, 밀봉 프레임의 다수의 조정점 상에 작용할 수 있다. 이러한 조정장치는 종래 기술로부터 대체로 이미 공지되어 있으며, 본 발명에 따르는 열교환기에서 변형없이 사용할 수 있다. 예를 들어 공압식, 전기 기계식 또는 수동 조정장치를 사용할 수 있다. 조정장치가 밀봉 프레임에 압력 및/또는 인장 부하를 가하는 것이 중요하며, 적어도 제한된 정도로, 특히 로터의 회전 축방향으로 선형적으로 조정 가능해야 한다. 밀봉 프레임과 로터 표면 사이의 거리 측정을 위해, 종래 기술에서 마찬가지로 공지된 센서를 사용할 수 있다. 적합한 센서는 예를 들어 유도성, 용량성, 광, 접촉 또는 압력 측정 센서를 포함한다.

본 발명은 로터의 일측면 상에 배치된 단일 밀봉 프레임만을 갖는 열교환기를 포함한다. 그러나, 전형적으로, 다수의 밀봉 프레임, 예를 들어 2개 또는 3 개의 밀봉 프레임이 로터의 일측면 상에 구비된다. 또한, 통상 밀봉 프레임은 로터의 일측뿐만 아니라 양측에 배열된다. 유리하게는, 모든 밀봉 프레임은 본 발명에 따라 설계된다. 조정장치는 로터의 곡률에 따라서, 밀봉 프레임의 말단 영역에 위치되는 로터 상부측의 하나의 장치가 밀봉 프레임 상에 압력을 가하도록 작동되는 한편, 하부측의 조정장치는 따라서, 밀봉 프레임 상에 인장력을 가한다. 추가의 조정장치가 밀봉 프레임의 선단과 말단 사이의 중앙 영역에 구비되는 경우, 로터의 상부측에 위치되는 장치는 밀봉 프레임 상에 인장력을 가하고, 하부측에 위치되는 장치는 밀봉 프레임 상에 압력을 가한다. 본 발명에 따라 구성되는 다양한 조정장치 및 밀봉 프레임의 상호 작용을 통해, 선행 기술과 비교하여 구조적인 노력과 비용의 상당한 증가없이, 특히 로터 표면에 대한 밀봉 갭의 정밀한 적응, 및 따라서, 밀봉 프레임과 로터 사이의 양호한 밀봉 효과가 가능하다. 반면, 최소 개수의 조정장치만 필요한다.

상기한 본 발명의 개선된 밀봉 프레임을 갖는 재생 열교환기에 따르면, 구조적인 노력 및 비용의 큰 증가 없이 다양한 부하 조건 하에서 로터와 밀봉 프레임 사이의 밀봉 갭의 보다 양호한 적응성(adaptability)을 가능케 하는 효과를 갖는다.

도 1은 종래 기술에 따르는 로터의 표면과 밀봉 프레임 사이의 밀봉 갭을 나타낸다.
도 2는 종래 기술에 따르는 로터의 표면과 밀봉 프레임 사이의 밀봉 갭의 추가적인 예를 나타낸다.
도 3은 축방향에서 본 발명에 따르는 재생 열교환기를 나타내는 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따르는 재생 열교환기의 밀봉 프레임을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따르는 재생 열교환기용 다수의 밀봉 프레임을 갖는 밀봉수단을 나타내는 사시도이다
도 6a 내지 도 6c는 반경방향으로 연장되는 보강 스트립의 여러 변형을 나타내는 측면도이다.
도 7a 및 도 7b는 반경방향으로 연장되는 보강 스트립의 여러 변형을 나타내는 평면도이다.
도 8은 본 발명에 따르는 열교환기의 상세를 나타내는 측면도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들은 단지 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하기 위한 것이며, 본 발명은 결코 이들 실시예로 제한되지 않는다. 도면을 참조하여 설명된 예시적인 실시예의 특징은 기술적인 모순이 드러나지 않는 한 서로 결합될 수 있음을 주목해야 한다. 도면은 단지 개략적인 것이며 치수에 충실하지는 않다. 유사한 구성 요소는 동일한 참조 부호로 도면에 표시하고, 어떤 경우에는 반복적으로 도면에 나타나는 구성 요소의 반복 표시는 생략한다.

도 3은 축방향(D)에서 본 발명에 따르는 열교환기(1)를 나타내는 평면도이다. 로터(2)로서 구성된 축열부는 회전축(D)을 중심으로 회전 가능하게 장착되며, 기본적으로는 종래 기술에 공지된 바와 같이 구성되는 고정 하우징(3)에 의해 둘러쌓여 있다. 축열 요소(8)는 로터 코어(23) 둘레의 동심 링(9)에 배열된다. 이들 링(9)은 로터 코어로부터 외측으로 연장되는 반경방향 벽(7)에 의해 세분된다. 다양한 온도의 다중 가스 체적 유동은 회전축(D)에 본질적으로 평행하지만 반대 방향으로 열교환기(1)를 통해 흐른다. 예를 들어, 이들 가스 체적 유동은 고온 연도가스 유동 및 하나 이상의 저온 연소 공기 유동일 수 있다. 따라서, 도시된 예에서, 열교환기(1)는 하나의 연도가스 섹터(11)와 2개의 공기 섹터(12, 13)를 포함한다. 개별 셀(91)들 사이 및 연도가스 섹터(11)와 공기 섹터(12, 13) 사이에서의 가스의 직접적인 열교환은 반경방향 벽(7)에 의해서 방지된다. 작동 시에, 로터(2)가 회전하고, 축열 요소(8)는 연도가스 섹터(11)에서 초기에 보다 고온의 연도가스 흐름으로부터 열 에너지를 흡수하고, 이어서 공기 섹터 (12, 13)에서 상기 열 에너지를 초기에 보다 차가운 공기 유동으로 방출시킨다. 이러한 방식으로, 가스 유동 사이에서 열 에너지가 전달될 수 있다.

개별 섹터들(11, 12, 13) 사이의 바람직하지 않은 가스 교환에 의한 에너지 손실을 피하기 위해, 하우징(3)은 로터(2)용 밀봉수단을 포함하며, 그 중에서 반경방향으로 로터(2)의 상부 및 하부측을 각각 밀봉하고 섹터 경계 위로 연장되는 다수의 밀봉 프레임(4)도 포함한다. 또한, 밀봉수단은 로터 코어(23)에 대한 코어 시일(31)뿐만 아니라, 도시하지 않았으나, 로터(2)의 외측 테두리 상에 축방향 시일을 포함한다.

밀봉 프레임(4)은 각각, 대략 사다리꼴 형상을 가지며, 열교환기(1)의 중심으로부터 테두리를 향해 넓어진다. 즉, 밀봉 프레임(4)의 단면은 회전축(D)으로부터 거리가 멀어질수록 증가한다. 밀봉 프레임(4)은 각각, 반경방향으로 연장되고 본질적으로 폐쇄면을 가지며, 원형 섹터의 방식으로 형성되는 밀봉 플레이트(4')를 포함한다. 밀봉 플레이트(4')와 연결된 보강 장치(6)은, 밀봉 프레임(4) 자체가 규정된 면적 관성 모멘트를 가지며, 이는 작동 온도 및 압력에서 로터의 굴곡 거동에 근사되는 반경방향의 굴곡 모멘트를 밀봉 프레임에 제공하도록 보장한다. 이러한 구성으로 인해, 작동 중에 로터와 밀봉 프레임, 특히 밀봉 플레이트(4') 사이에 균일하고 최소의 밀봉 갭을 제공하기 위해서는 최소 개수의 조정장치만 필요하다. 개별 조정점 사이에서 밀봉 프레임의 "처짐"은 보강장치(6)에 의해, 특히 반경방향으로 본질적으로 일정한 밀봉 프레임(4)의 면적 관성 모멘트에 의해 방지된다. 비록 여기에는 로터의 상부측(고온측) 만 도시 하였지만, 밀봉 프레임은 대응하는 방식으로 로터의 하부측(저온측)에도 배열된다.

도 4에는 밀봉 프레임(4)의 구조가 상세하게 도시되어 있다. 보강 스트립(61, 62, 63)을 갖는 보강장치(6)는 그의 표면이 로터로부터 떨어져 대향하는 측에서 회전축을 가로질러 연장되는 밀봉 프레임(4)의 밀봉 플레이트(4')의 상부면(42) 상에 배열된다. 보강 스트립(61, 62, 63)은 밀봉 프레임(4)의 선단(43)으로부터 말단(44)까지 연속해서 연장된다. 밀봉 스트립(62, 63)은 밀봉 프레임(4)의 외측을 따라 직접 연장되는 한편, 보강 스트립(61)은 양측 사이의 중앙에서 연장된다. 또한, 보강 스트립을 가로질러 연장되는 다수의 횡 방향 리브(64)가 제공된다. 밀봉 프레임(4)의 전체 반경방향 연장에 걸친 면적 관성 모멘트의 조정은 보강 스트립(61 및 63)을 통해 일어나는데, 이는 아래에서 보다 상세히 설명한다.

밀봉 프레임(4)을 로터에 맞추고 로터와 밀봉 프레임 사이의 밀봉 갭의 가장 균일한 조정을 위해, 이 때는, 2개의 조정장치(53, 53')로 구성되는 조정 시스템(5)이 존재한다. 추가 조정 유닛(51)이 밀봉 프레임의 선단(43)에 위치된다. 그러나, 조정 유닛(51)은 조정 시스템(5)의 구성 요소가 아니며, 밀봉 프레임의 선단(43)을 코어 시일(31)에 대해 조정 및 부착하는 역할을 하며, 작동 중에는 추가로 조정되지 않는다. 2개의 조정장치(53, 53')가 밀봉 프레임(4)의 선단(43)으로부터 다양한 반경방향 거리에 배치된다. 제 1조정장치(53)는 밀봉 프레임(4)의 말단(44)에 직접 위치되는 한편, 제 2조정장치(53')는 제 1조정장치(53)와 밀봉 프레임의 선단(43) 사이의 중앙에 배치된다. 각 조정장치(53, 53')는 밀봉 프레임(4)의 외부 테두리에 인접하게 작은 거리로 배치되는 2개의 조정점(52)에 작용한다. 이러한 방식으로, 밀봉 프레임의 비틀림 자유 상하 이동 및 굴곡이 가능하다. 밀봉 갭을 조정하기 위한 조정장치(53, 53')에 의한 밀봉 프레임의 굴곡은, 각각의 조정장치 근처에 위치되는 센서로부터 전송되는 밀봉 프레임과 로터 표면 사이의 거리 값을 수신하는 제어 장치에 의해 이루어진다. 제어 시스템 자체는 종래 기술에 공지되어 있다. 따라서, 센서도 도시하지 않았다. 이러한 방식으로, 항상 밀봉 프레임(4)이 굴곡됨으로써, 서로 다른 부하 조건 및 로터(2)의 상이한 곡률에도 불구하고, 본질적으로 일정한 폭을 갖는 밀봉 갭(10)을 밀봉 프레임(4)과 로터(2) 사이에 제공할 수 있다. 또한, 면적 관성 모멘트의 본질적으로 일정한 구성으로 인해, 프레임(4)의 국부적인 처짐은 밀봉 프레임의 극소수의 장착 지점에도 불구하고 사실상 일어나지 않는다.

도 5는 3 개의 밀봉 프레임(4)을 갖는 로터(2)의 상부측용 밀봉수단의 전체 구성을 나타낸다. 로터(2)의 회전축(D)은 중앙에서 연장되고, 코어 시일(31)은 로터 코어(23)를 밀봉한다. 코어 시일(31)과 연결되는 3 개의 밀봉 프레임(4)에 의해서, 서로 밀봉되는 열교환기의 3 개의 섹터(11, 12, 13)가 순서대로 형성되어, 예를 들어 발전소에서 사용 중에, 연도가스 섹터(11) 내의 연도가스 유동(VG) 및 2개의 공기 섹터(12, 13) 내의 공기 유동(VL)을 서로 분리시킬 수 있다.

다음 도면은 반경방향으로 연장되는 보강 스트립(61, 62, 63)의 설계에 상세히 초점을 맞추고있다. 도 6a 내지 도 6c는 일례로서, 중앙 보강 스트립(61)을 사용하는 보강 스트립의 다양한 높이 프로파일에 대한 변형을 나타낸다. 높이 방향은 열교환기의 축방향에 대응한다. 높이 프로파일의 좌측은 밀봉 프레임(4)의 선단(43)에 대응한다. 따라서, 보강 스트립(61)의 높이는 선단으로부터 밀봉 프레임의 말단(44)을 향하는 방향으로 감소된다. 반경 방향(R)으로 연속해서, 특히 다항식으로(polynomially) 감소되는 높이 프로파일이 도 6a에 도시되어 있다. 수학적인 관점에서 볼 때, 이 높이 프로파일은, 중앙 보강 스트립(61)이 달리 평평한 사다리꼴 밀봉 프레임(4)의 면적 관성 모멘트를 보상함으로써, 반경방향으로 일정한 진행을 갖는 프로파일에 가장 정확하게 대응한다. 반면, 도 6b는 전술한 수학적 프로파일에 대한 선형 경사 근사(linearly sloping approximation)에 대응하는 높이 프로파일을 갖는 보강 스트립(61)을 나타낸다. 도 6c에는 반경방향(R)으로 보강 스트립(61)의 높이가 부분적으로 감소되는 변형이 도시되어 있다. 마지막으로 도시한 이러한 변형은 특히 간단하고 비용 효율적인 방식으로 구현할 수 있는 이점이 있다. 도 6에 도시한 모든 프로파일은, 밀봉 프레임에서 그러한 높이 프로파일을 갖는 보강 스트립의 사용이 본 발명의 명세서에 규정한 바와 같이, 그의 반경 연장방향으로 본질적으로 일정한 면적 관성 모멘트를 유도하는 공통적인 특징을 갖는다. 도 4에 도시된 바와 같이, 밀봉 프레임 내에 다수의 보강 스트립을 사용하는 경우, 이들 보강 스트립 모두의 높이 프로파일은 함께 작용하여, 반경방향으로 본질적으로 일정한 면적 관성 모멘트를 발생시킨다.

높이의 변화 대신에 또는 부가적으로, 반경 연장방향으로 일정한 면적 관성 모멘트를 달성하기 위해, 반경방향으로 보강 스트립의 단면을 추가적으로 변형시키는 것도 가능하다. 높이의 변화가 폭의 변화보다 더 효과적이지만, 이러한 변화 역시 고려할 수 있으며, 도 7a 에 도시되어 있다. 이 때, 단지 일례로서 취한 도 7a에 따라 선형적으로 감소되는 폭 프로파일이 제공된다. 여기에서, 폭(B)은 축방향(D) 및 반경방향(R)에 수직인 방향으로 보강 스트립의 연장을 기술한다. 달리 감소되는 폭 프로파일에 의해, 예를 들어, 기하급수적으로, 다항식으로 감소되는 폭 프로파일에 의해 또는 부분에서 마찬가지로 원하는 효과가 달성될 수 있다. 그러나, 도 7b는 도 6a 내지 도 6c에 도시된 높이 프로파일과 관련하여 특히 보강 스트립(61)에 대해 적합한 선형적으로 일정한 폭 프로파일을 나타낸다. 일반적으로, 반경방향으로 본질적으로 일정한 밀봉 프레임(4)의 면적 관성 모멘트를 갖는 바람직한 효과를 달성하기 위해, 도 7a에 도시한 바와 같이, 선형적으로 감소되는 폭 프로파일 역시 도 6a 내지 도 6c의 높이 프로파일과 당연히 결합할 수 있다.

도 8은 최종적으로 재생 열교환기(1)의 일측에 대한 로터(2) 및 밀봉 프레임(4)의 부분 단면을 다시 도시하며, 상세도는 로터(2)의 일측면 및 반경방향으로 연장되는 단면만을 나타낸다. 이 도면은 작동 중인, 다시 말해, 특히 고온 부하 하에서 변형된 로터(2)로 인식할 수 있는 부하 상태의 열교환기(1)를 나타낸다. 이 단부에서의 보다 높은 온도로 인하여, 로터(2)의 상부측은 하부보다 더 강한 팽창을 겪게 되며, 로터(2)는 하방으로 구부러진다. 로터(2)의 상부측은 볼록한 방식으로 구부러지는 한편, 로터(2)의 하부측은 오목한 곡률을 갖는다. 비록 여기에는 상부측 밀봉 프레임만 도시되어 있으나, 밀봉 프레임은 로터의 상부 및 하부 양측에 구비된다. 조정점(52)에서 조정장치(53, 53')의 도움으로 밀봉 프레임(4)이 굴곡됨으로써, 밀봉 갭(10)은 로터(2)의 전체 반경 연장방향에 걸쳐서 최적화되며 균일하게 작다. 이를 위해, 중앙 조정 장치(53')는 밀봉 프레임(4) 상에 인장력(F1)을 가하는 한편, 외부 조정 장치(53)는 가압력(F2)을 가한다. 따라서, 2개의 조정장치(53, 53')는 반대 방향으로 작용함으로써, 밀봉 프레임(4)은 원하는 방식으로 구부러진다. 중앙 조정장치가 가압력을 발휘하는 반면, 외부 조정장치는 인장력을 가하는 로터의 하부측 밀봉 프레임의 경우에, 이러한 상황은 반대로 된다.

Claims (11)

1. 회전 중심축(A)을 중심으로 회전 가능하게 장착되는 로터(2)로서 설계된 축열부;
   상기 로터(2)를 둘러싸는 고정 하우징(3);
   상기 로터(2)의 반경방향으로 연장되고 상기 로터(2)의 외측을 향해 넓어지며, 보강장치(6)를 포함하는 적어도 하나의 밀봉 프레임(4)을 포함하고, 상기 밀봉 프레임(4)은 특히 연도가스 섹터(11)와 공기 섹터(12, 13) 사이에 배열되는 상기 로터(2)용 밀봉수단; 및
   상기 밀봉 프레임(4)과 상기 로터(2) 사이의 거리를 조정하며, 상기 밀봉 프레임(4)과 연결되어 상기 밀봉 프레임(4)을 축방향으로 굴곡시키는 적어도 2개의 조정장치(53, 53')를 포함하는 조정 시스템(5);을 포함하고,
   
   상기 보강장치(6)는,
   상기 밀봉 프레임(4)의 면적 관성 모멘트가 반경방향으로 일정하도록 형성되고,
   상기 밀봉 프레임(4)을 축방향으로 굴곡시키는 상기 적어도 2개의 조정장치(53, 53')는 서로에 대해 반대 방향으로 조정 및/또는 서로에 대해 반대 방향으로 상기 밀봉 프레임(4) 상에 작용하도록 하는 재생 열교환기(1).
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 보강장치(6)는 반경방향(R)으로 연장되고,
   상기 로터(2)로부터 떨어져 대향하는 상기 밀봉 프레임(4)의 외측(42)에 배열되는 적어도 하나의 보강 스트립(61)을 포함하는 재생 열교환기(1).
3. 회전 중심축(A)을 중심으로 회전 가능하게 장착되는 로터(2)로서 설계된 축열부;
   상기 로터(2)를 둘러싸는 고정 하우징(3);
   상기 로터(2)의 반경방향으로 연장되고 상기 로터(2)의 외측을 향해 넓어지며, 보강장치(6)를 포함하는 적어도 하나의 밀봉 프레임(4)을 포함하고, 상기 밀봉 프레임(4)은 특히 연도가스 섹터(11)와 공기 섹터(12, 13) 사이에 배열되는 상기 로터(2)용 밀봉수단; 및
   상기 밀봉 프레임(4)과 상기 로터(2) 사이의 거리를 조정하는 조정 시스템(5):을 포함하고,
   
   상기 보강장치(6)는,
   상기 반경방향으로 연장되고,
   반경방향(R) 외측으로 감소되는 높이(H) 및/또는 폭(B)을 갖는 적어도 하나의 보강 스트립(61)을 포함하는 재생 열교환기(1).
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
   적어도 하나의 보강 스트립(61)은 상기 회전 중심축(A)에 인접한 상기 밀봉 프레임(4)의 선단(43)으로부터 상기 밀봉 프레임(4)의 외측 말단(44)을 향해 연장되고,
   상기 밀봉 프레임(4)의 전체 반경방향 길이에 걸쳐서 연속해서 연장되는 재생 열교환기(1).
5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한항에 있어서,
   3개의 보강 스트립(61, 62, 63)이 존재하고, 이 중 2개(62, 63)는 상기 밀봉 프레임(4)의 외측을 따라 연장되고, 제 3 스트립(61)은 2개의 외측 보강 스트립 사이에서 본질적으로 중앙에서 연장되는 재생 열교환기(1).
6. 제 2항 내지 제 5항 중 어느 한항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 보강 스트립(61)의 상기 높이(H) 및/또는 상기 폭(B)은 선단(43)으로부터 거리가 증가할수록 감소되는 재생 열교환기(1).
7. 제 6항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 보강 스트립(61)의 상기 높이(H) 및/또는 상기 폭(B)은 연속해서 감소되는 재생 열교환기(1).
8. 제 6항에 있어서,
   적어도 하나의 상기 보강 스트립(61)의 높이(H)는 단계적으로 감소되고,
   적어도 하나의 상기 보강 스트립(61)은 서로 다른 일정한 높이(H1 내지 H5)의 다수의 부분으로 이루어지는 재생 열교환기(1).
9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한항에 있어서,
   상기 밀봉 프레임(4)은 본질적으로 사다리꼴로 구성되어,
   다수의 반경방향 벽(7)을 갖는 로터(2) 내에서 상기 로터(2)의 각 링(9) 내에 동일한 개수의 셀(91) 및 셀(91)로 세분화되는 동심링(9)의 구조를 가지는 중간 저장 요소(8)를 덮도록 하는 재생 열교환기(1).
10. 제 1 내지 제 9항 중 어느 한항에 있어서,
    상기 조정 시스템(5)은 정확히 2개의 조정장치(53, 53')를 가지며, 이중 하나의 조정장치(53)는 그의 말단(44)에서 상기 밀봉 프레임(4)과 결합되고,
    상기 조정장치(53')는 상기 밀봉 프레임(4)의 상기 선단(43)과 상기 말단(44) 사이의 대략 중앙에서 상기 밀봉 프레임(4)과 결합되는 재생 열교환기(1).
11. 제 3항 내지 제 10항 중 어느 한항에 있어서,
    상기 보강장치(6)의 상기 높이(H) 및/또는 상기 폭(B)은,
    상기 밀봉 프레임(4)의 면적 관성 모멘트가 그의 반경방향(R)으로 본질적으로 일정하도록 변화되는 재생 열교환기(1).

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