KR100300672B1 - 자기베어링을이용한발전기및터빈의회전축지지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기 베어링을 이용한 발전기 및 터빈의 회전축 지지장치에 관한 것으로서, 터빈 블레이드(10)의 일측단에 일체로 연결되어 있는 회전축(20); 상기 회전축(20)의 타측단에 구비되어 축 방향 하중을 지지하되, 회전자(32)와 고정자(34)로 구성되는 스러스트(thrust) 자기 베어링(30); 상기 회전축(20)의 회전에 의한 기계적 에너지로부터 전기적 에너지를 발생시키되, 발전기 회전자(42)와 발전기 고정자(44)로 구성되는 발전기(40); 상기 발전기(40)의 양측에 각각 구비되어 축의 수직방향 하중을 지지하되, 회전자(52)와 고정자(54)로 구성되는 레이디얼(radial) 자기 베어링(50); 상기 회전자(52) 및 고정자(54) 간의 공극 크기를 측정하는 공극 센서(60); 및 상기 공극 센서(60)에 의해 감지된 공극의 크기에 따라, 상기 레이디얼 자기 베어링(50)의 상기 고정자(54) 권선 및 상기 스러스트 자기 베어링(30)의 상기 고정자(54)에 인가되는 전류의 크기를 가변하는 제어부(70)를 포함하여 구성되어, 별도의 윤활장치 없이도 마모의 염려없이 장시간 사용할 수 있고, 초고속의 회전체에도 사용할 수 있으며, 공진특성도 실시간으로 제어할 수 있도록 한 매우 유용한 발명인 것이다.

Description

자기 베어링을 이용한 발전기 및 터빈의 회전축 지지장치

본 발명은 자기 베어링을 이용한 발전기 및 터빈의 회전축 지지장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 발전기의 회전축 지지를 위해 비접촉 방식의 자기 베어링을 사용함으로써, 별도의 윤활장치 없이도 마모의 염려없이 장시간 사용할 수 있고, 초고속의 회전체에도 사용할 수 있으며, 공진특성도 실시간으로 제어할 수 있도록 한 자기 베어링을 이용한 발전기 및 터빈의 회전축 지지장치에 관한 것이다.

발전 플랜트의 구성은 개괄적으로 볼 때 도 1에 도시된 바와 같이, 입력되는 물을 가열·증발시켜 수증기를 변환출력하는 보일러(1); 상기 출력되는 수증기를 재가열하여 고온의 과열 수증기로 만드는 과열기(2); 상기 과열된 고압의 수증기를 노즐을 통해 고속의 증기분류로 만들고, 이를 이용하여 회전날개를 회전시켜 기계적 에너지를 얻는 터빈(3); 상기 기계적 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전기(4); 상기 터빈(3)에의 에너지 전달후 출력되는 수증기를 냉각시켜 다시 물로 변환출력하는 복수기(condenser)(5); 및 상기 냉각출력되는 물을 상기 보일러(1)로 재공급하는 급수펌프(6)를 포함하여 구성되어 있었다.

상기 각 구성 요소 중 3대 핵심장치라 할 수 있는 보일러(1), 터빈(3) 및 발전기(4)의 각 회전체를 지지하기 위해서, 종래에는 볼 베어링이나 유체 베어링 등과 같은 접촉식 베어링을 사용하였는 바, 상기 볼 베어링은 마모가 심하여 장시간 사용이 곤란하고, 상기 유체 베어링은 별도의 윤활장치를 필요로 한다는 문제점이 있는 것은 물론, 접촉식 베어링의 특성상 각 베어링 모두 일정 속도 이상의 초고속 회전은 불가능하다는 문제점이 있었다.

또한, 일반적으로 상기 회전체의 회전속도가 계속 증가하다가 일정 회전속도에 이르러, 회전체 고유의 진동수와 동일한 진동수에 해당하는 회전속도에 도달하면 대단히 큰 진동을 일으키는 공진현상(resonance phenomena)이 일어나 회전축이 떨리게 되는 바, 상기 각 베어링은 모두 이러한 공진문제를 능동적으로 제어할 수 없다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 별도의 윤활장치 없이도 마모의 염려없이 장시간 사용할 수 있고, 초고속의 회전체에도 사용할 수 있으며, 공진특성도 실시간으로 제어할 수 있도록 한 자기 베어링을 이용한 발전기 및 터빈의 회전축 지지장치를 제공하는 데 그 목적이 있는 것이다.

도 1은 일반적인 발전 플랜트의 구성을 개괄적으로 도시한 것이고,

도 2는 본 발명에 따른 자기 베어링을 이용한 발전기 및 터빈의 회전축 지지장치의 일부의 구조를 구성블록별로 개괄적으로 도시한 것이고,

도 3a 및 도 3b는 도 2의 레이디얼 자기 베어링의 고정자 및 회전자를 각각 도시한 것이고,

도 4는 도 2의 스러스트 자기 베어링의 정면도 및 측단면도를 각각 도시한 것이고,

도 5a 및 도 5b는 발전기 회전수에 따른 출력전압 및 출력전압의 변화를 도시한 것이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 터빈 블레이드(turbine blade) 20 : 회전축

30 : 스러스트 자기 베어링 32, 42, 52 : 회전자

34, 44, 54 : 고정자 40 : 발전기

50 : 레이디얼 자기 베어링 60 : 공극 센서

70 : 제어부 80 : 지지용 베드(bed)

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자기 베어링을 이용한 발전기 및 터빈의 회전축 지지장치는, 터빈 블레이드에 의해 회전되는 회전축의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전기에 있어서, 상기 회전측의 일끝단에 구비되어 축방향 하중을 지지하는 스러스트 자기 베어링; 상기 회전축의 외측에 구비되어 축에 수직 방향의 하중을 지지하는 레이디얼 자기 베어링; 상기 각 자기 베어링의 내부 공극의 크기를 감지하는 공극센서; 및 상기 공극센서에 의해 감지된 공극 크기에 근거하여, 상기 각 자기 베어링에 인가되는 전류의 크기를 가변하는 제어수단을 포함하여 구성된 것에 그 특징이 있는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 자기 베어링을 이용한 발전기 및 터빈의 회전축 지지장치는, 축방향 하중 및 축에 수직방향의 하중을 모두 자기 베어링을 사용하여 지지함으로써, 회전시 마찰력이 없어 반 영구적으로 사용할 수 있고, 상기 회전축을 초고속으로 회전시키는 것이 가능하며, 상기 자기 베어링 내의 고정자 및 회전자 사이의 공극을 상기 공극센서에 의해 계속 감지함으로써, 상기 회전축의 공진 등으로 인해 공극크기에 변화가 있을 경우에는 인가되는 전류의 크기를 가변시켜 공진 및 댐핑을 온라인으로 제어할 수 있게 되는 것이다.

이하, 본 발명에 따른 자기 베어링을 이용한 발전기 및 터빈의 회전축 지지장치의 일 실시예의 구성 및 동작에 대해 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 자기 베어링을 이용한 발전기 및 터빈의 회전축 지지장치의 일부를 각 구성블록별로 개괄적으로 도시한 것으로서, 터빈 블레이드(10)의 일측단에 일체로 연결되어 있는 회전축(20); 상기 회전축(20)의 타측단에 구비되어 축 방향 하중을 지지하되, 상기 회전축(20)과 일체로 회전하는 회전자(32)와, 상기 회전자(32)로부터 소정 간격 이격되어 그 외측에 구비된 고정자(34)로 구성되는 스러스트(thrust) 자기 베어링(30); 상기 회전축(20)의 회전에 의한 기계적 에너지로부터 전기적 에너지를 발생시키되, 상기 회전축(20)과 일체로 회전하는 발전기 회전자(42)와 상기 발전기 회전자(42)로부터 소정 간격 이격되어 그 외측에 구비된 발전기 고정자(44)로 구성되는 브러쉬레스 발전기(40); 상기 발전기(40)의 양측에 각각 구비되어 축의 수직방향 하중을 지지하되, 상기 회전축(20)과 일체로 회전하는 회전자(52)와 상기 회전자(52)로부터 소정 간격 이격되어 그 외측에 구비된 고정자(54)로 구성되는 레이디얼(radial) 자기 베어링(50); 상기 회전자(52) 및 고정자(54) 간의 공극 크기를 측정하는 공극 센서(60); 및 상기 공극 센서(60)에 의해 감지된 공극의 크기에 따라, 상기 레이디얼 자기 베어링(50)의 상기 고정자(54) 권선 및 상기 스러스트 자기 베어링(30)의 상기 고정자(54)에 인가되는 전류의 크기를 가변하는 제어부(70)를 포함하여 구성되어 있으며, 상기 각 회전자(32,42,52) 및 고정자(34,44,54) 사이의 공극은 0.5mm를 유지한다.

상기 장치들은 모두 지지용 베드(80)의 상면에 고정구비되는데, 상기 지지용 베드(80)는 전체 요소의 측정시 오차를 최소로 할 수 있도록 최대한 정밀하게 가공되어야 한다.

도 3a는 상기 레이디얼 자기 베어링(50)의 고정자(54)의 구성을 도시한 것으로서, 자극의 수는 모두 8개이며, 자극 2개가 한쌍으로 마그네트 한 개를 구성하여 모두 4개의 마그네트로 이루어져 있다. 도 3b는 상기 고정자(54)에 대응되는 상기 회전자(52)의 구성을 도시한 것으로서, 상기 고정자(54) 및 상기 회전자(52)는 와전류 손실을 줄일 수 있도록 모두 0.35mm 두께의 얇은 규소 강판을 성층·제작하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명에 따른 스러스트 자기 베어링 고정자(34)의 정면도 및 측단면도를 각각 도시한 것으로서, 상기 스러스트 자기 베어링(30)은 상기 레이디얼 자기 베어링(50)에 비해 극성의 변화가 적으므로 성층을 하지 않고 통채로 제작한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 자기 베어링을 이용한 발전기 및 터빈의 회전축 지지장치의 동작에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

보일러에 의해 가열된 고온·고압의 기체가 고속으로 유입되면 상기 터빈 블레이드(10)가 고속으로 회전하고, 이에 일체로 연결된 상기 회전축(20)도 함께 회전하므로 상기 회전자(42)에 있는 영구자석으로 인해 자속이 발생하며, 이 자속으로 인해 상기 고정자(44)에 구비된 전선에 전류가 유기되어 전압이 발생하게 된다.

즉, 회전에 의한 기계적 에너지가 상기 발전기 회전자(42) 및 상기 발전기 고정자(44)에 의해 전기적 에너지로 변환되어, 전압 및 전류를 발생시키게 되는 것이다.

이 과정에서, 상기 회전축(20)의 축방향 하중은 상기 스러스트 자기 베어링(30)에 의해, 그리고 축에 수직인 방향의 하중은 상기 레이디얼 자기 베어링(50)에 의해 각각 비접촉 방식으로 지지되며, 그 원리는 일반적인 자기 베어링의 원리, 즉 상기 각 고정자(34,54)에 권취된 권선에 소정 크기의 전류를 인가할 경우 상기 마그네트에 자력이 발생하여 상기 고정자(34,54) 및 상기 회전자(32,52) 간에 흡인력이 발생한다는 원리를 이용한다.

상기 각 자기 베어링(30, 50)의, 상기 고정자(34,54) 및 상기 회전자(32,52)는 소정 공극 거리 만큼 상호 이격되어 있어서, 상기 회전축(20) 회전시 상호간에 직접 접촉하지 않게 되므로, 종래의 접촉식 베어링을 사용하는 경우에 비해 마찰에 의한 손실이 없어 반영구적으로 사용가능할 뿐만 아니라, 초고속 회전시에도 사용할 수 있게 되는데, 초고속 회전 예를 들면 30,000rpm이상의 회전의 경우에는 공기저항이 커져서 손실이 증가하므로, 상기 자기 베어링(30, 50)을 진공상태로 유지하는 것이 바람직하다.

도 5a 및 도 5b는 발전기 회전축의 속도에 따른 출력전압 및 출력전류의 변화를 각각 도시한 것으로서, 회전속도가 소정 속도 이상이 될 경우 그 출력값이 기하급수적으로 증가하는 것을 알 수 있으며, 동일한 조건하에서 종래의 베어링을 사용할 경우에는 상기 임계 회전속도 이상을 낼 수 없었으나, 본 발명에 따른 자기 베어링을 이용한 발전기 및 터빈의 회전축 지지장치의 경우에는 상기 임계 회전속도 이상을 낼 수 있게 되므로, 출력값을 증가시켜 발전기 효율을 높일 수 있게 된다.

한편, 발전기의 동작 도중, 상기 회전축(20)이 공진을 하게 되면 축의 떨림 현상이 일어나고, 이로 인해 상기 고정자(34,54) 및 상기 회전자(32,52) 사이의 공극 거리가 변하게 되는 바, 상기 공극 센서(60)에 의해 계속 감지되는 공극의 거리가 기 설정된 기준값 0.5mm 보다 커지거나 작아질 경우, 상기 제어부(70)는 그 변화의 방향 및 크기에 따라 상기 고정자(34,54)에 인가되는 전류의 크기를 가변시킴으로써, 최초의 공진으로 인한 변화를 상쇄시켜 원래의 정상적인 상태로 다시 돌아갈 수 있도록 한다.

상기 레이디얼 자기 베어링(50)의 고정자(54)에는 상기 도 3a에 도시된 바와 같이 상하좌우 모두 4개의 마그네트가 형성되어 있으므로, 수직 및 수평 방향의 제어가 모두 가능하다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 자기 베어링을 이용한 발전기 및 터빈의 회전축 지지장치는, 축방향 하중 및 축에 수직방향의 하중을 모두 비접촉 방식의 자기 베어링을 사용하여 지지함으로써, 회전시 마찰이 없어 반 영구적으로 사용할 수 있는 것은 물론, 상기 회전축을 초고속으로 회전시키는 것이 가능하여 발전기의 효율이 상승되고, 이에 따라 발전기의 다른 구성요소들의 설계사양을 작게 할 수 있게 된다.

또한, 공진 등으로 인해 공극크기에 변화가 있을 경우에는 상기 고정자(34,54) 권선에 인가되는 전류의 크기를 가변시킴으로써, 공진 및 그 후의 댐핑을 온라인으로 제어할 수 있게 되는 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (3)

1. 회전축을 갖는 발전기 및 터빈에 있어서,

   상기 회전축의 일단에 구비되어 그 회전축과 일체로 회전하는 제 1 회전자와, 상기 제 1 회전자로부터 소정 간격 이격되어 그 외측에 구비된 제 1 고정자로 구성되어, 상기 회전추그이 축 방향 하중을 지지하는 스러스트 자기 베어링;

   상기 회전축의 외표면에 구비되어 그 회전축과 일체로 회전하되 와전류 손실을 막을 수 있도록 규소강판이 성층되어 있는 하나 이상의 제 2 회전자와, 상기 제 2 회전자로부터 소정 간격 이격되어 그 외측에 구비된 하나 이상의 제 2 고정자로 구성되어, 상기 회전추그이 수직 방향의 하중을 지지하는 레이디얼 자기 베어링;

   상기 제 2 회전자 및 상기 제 2 고정자 간의 공극의 크기를 감지하는 공극센서; 및

   상기 공극센서에 의해 감지된 공극 크기에 근거하여, 상기 제 1 및 제 2 고정자에 인가되는 전류의 크기를 제어하는 제어수단을 포함하여 구성된 자기 베어링을 이용한 발전기 및 터빈의 회전축 지지장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 회전자는 동일 극성이 한 쌍씩 배열된 모두 4개의 전자석으로 구성된 것을 특징으로 하는 자기 베어링을 이용한 발전기 및 터빈의 회전축 지지장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 각 자기 베어링은 진공상태를 유지하도록 밀폐구비되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링을 이용한 발전기 및 터빈의 회전축 지지장치.