KR100773223B1 - 저온 가전품용 터보장치 - Google Patents

Abstract

저압용 터보장치는 제1회전자축과, 상기 제1회전자축의 한쪽 축단부에 현가식으로 배치된 적어도 하나의 임펠러와, 권선이 구비된 고정자와 상기 회전자축에 배치된 전기 회전자를 갖는 전기장치와, 상기 임펠러를 둘러싸며, 임펠러 회전자를 통해 흐르는 콜드 가스용 도관을 갖는 임펠러 하우징과, 회전자축을 위한 축 베어링과 전기장치가 배치된 장치 하우징을 포함한다. 상기 장치 하우징은 임펠러 하우징에 연결된다. 단열물질로 이루어진 격벽은 임펠러 하우징과 장치 하우징 사이에 배치되어 임펠러 장치 하우징으로부터 임펠러 하우징을 단열시킨다. 유동 제어 피팅을 포함하는 라인은 양-제어된 냉각 스트림을 분기시키기 위하여 장치 하우징내에서 전기장치를 통과하는 콜드 가스의 유동 경로에 연결된다.

회전자, 고정자, 디스크, 축 베어링, 하우징, 콜드 가스, 피팅, 발전기

Description

저온 가전품용 터보장치{TURBOMACHINE FOR LOW TEMPERATURE APPLICATIONS}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보장치의 단면도.

도 2는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1: 회전자축 2: 디스크

3: 전기모터 4: 권선

6: 회전자 7, 8: 하우징

16: 분배기

본 발명은 2004년 5월 7일자 독일 특허출원 제10 2004 023 148.6호의 우선권을 주장한다.

본 발명은 저온 가전품용 터보장치에 관한 것이다. 상기 터보장치는 회전자축과; 상기 회전자축의 한쪽 축단부에 현가식으로 정렬된 적어도 하나의 임펠러와; 권선이 구비된 고정자를 갖는 전기장치와; 상기 회전자축에 정렬된 전기 회전자와; 상기 임펠러를 둘러싸며, 임펠러 하우징을 통과하여 흐르는 콜드 가스용 도관을 포함하는 임펠러 하우징과; 회전자축을 위한 축 베어링과 전기장치가 배치되며, 상기 임펠러 하우징에 연결되는 장치 하우징을 포함한다.

상술한 바와 같은 특징을 갖는 공지의 터보장치는 높은 회전속도에서 작동된다. 이러한 작동은 전기장치와 축 베어링에서 상당한 열을 발산한다.

터보장치는 예를 들어 증발되는 액화천연가스(LNC)를 압축 및 전송하거나 에어의 분해시 가스를 제거하기 위해, 주로 저온에서 사용된다. 이러한 사용으로 인하여, 장치 하우징과 임펠러 하우징 사이의 연결은 전기장치로부터 임펠러 하우징의 저온 내부를 향하여 과도한 열전달을 수반한다. 제어되지 않은 이러한 열 스트림은 권선 물질이 부서질 정도로 전기장치를 냉각시킨다. 따라서, 상기 권선은 진동으로 인해 파괴되고, 내장되어 있는 영구 자석은 탈자화되어 비효율적으로 된다. 또한, 제어되지 않은 열 스트림은 축 베어링을 상당히 냉각시키므로, 이들에 사용되는 윤활유는 사용할 수 없을 정도로 응결된다.

본 발명의 목적은 전기장치 및 축 베어링의 제어되지 않은 냉각이 효율적으로 방지되는 동시에 전기장치의 충분한 냉각이 보장될 수 있는, 상술한 바와 같은 특징을 갖는 터보장치를 제공하기 위한 것이다.

이러한 목적은 본 발명에 따르면 임펠러 하우징과 장치 하우징 사이에 임펠러 하우징으로부터 장치 하우징을 단열시키는 단열물질로 제조된 격벽을 배치하므로써, 또한 유동 제어 피팅(flow regulation fitting)이 구비된 라인을 콜드 가스의 유동경로에 연결하여 장치 하우징내에서 전기장치를 통과하는 양-제어 냉각시스템을 분기시키므로써 달성될 수 있다.

장치 하우징과 임펠러 하우징 사이에 열 전달로 인한, 전기장치 및 축 베어링의 제어되지 않은 냉각이 단열 격벽에 의해서 효과적으로 방지된다. 콜드 가스의 유동 경로에 연결된 분기라인은 정확하게 조정될 수 있는 냉각 스트림의 양을 상술한 바의 열 발생(heat development)을 나타내는 전기장치의 영역으로 안내하며, 이에 따라 전기장치의 충분한 냉각을 보장하며, 이러한 냉각은 정밀하게 계량될 수 있다. 이에 대해, 상기 라인은 터빈으로서 작동하는 터보장치인 경우 유동방향에서 관찰하였을 때 터빈 임펠러의 전방측에서, 즉 압축기로서 작용하는 터보장치인 경우, 유동방향에서 관찰하였을 때 압축기 임펠러의 후방에서, 유동 경로의 압력측에 연결된다.

만일 냉각 스트림을 분배하는 분배기가 라인에 연결되었을 경우에 실용적이 되므로, 고정자와 회전자 사이의 링 간극과 권선은 스트림의 일부와 충돌된다. 이러한 방식으로, 가장 강력한 열 발생을 하는 전기장치의 영역에 냉각 가스 스트림이 공급되는 것이 보상된다. 이러한 연결에 있어서, 상기 분배기는 상이한 위치에서 장치 하우징에 연결된 각각의 여러 라인으로 냉각 스트림을 분배할 수 있다. 선택적으로, 상기 분배기는 장치 하우징의 벽과 일체로 형성되는 분배기 채널로 이루어질 수 있다. 축 베어링도 냉각 스트림의 일부와 충돌된다. 이러한 방식에 따라, 냉각을 위하여 그리스나 미니멀 오일(minimal oil)로 윤활되는 롤러 베어링, 자기 베어링 또는 가스 베어링 등의 베어링에 충분한 양의 윤활유가 공급되지 않은 경우에도 충분한 냉각이 보상될 수 있다.

리플럭스 라인(reflux line)은 장치 하우징의 내부에 연결되며, 이러한 라인은 임펠러 하우징의 저압측 가스 라인이나 임펠러 하우징 자체의 저압 영역으로 복귀되어, 장치 하우징에 도입된 가스가 복귀될 수 있게 한다. 이러한 방식으로, 장치 하우징에 도입된 콜드 가스는 대기로의 방출이 방지되며, 특히 독성 가스 또는 화염성 가스인 경우 이러한 대기로의 방출 억제는 매우 중요하다.

전기장치는 발전기 등과 같은 전기모터로 이루어질 수 있으며, 임펠러는 압축기 임펠러 또는 터빈 임펠러로 이루어질 수 있다. 용도에 따라, 회전자축의 반대쪽 단부에 제2임펠러가 현가식으로 정렬될 수도 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 격벽이 제2임펠러의 임펠러 하우징과 장치 하우징 사이에 설치되어, 상기 두 하우징 사이의 열을 격리시킬 수 있다.

2개의 임펠러는 선택적으로 압축기 임펠러 또는 터빈 임펠러로 이루어질 수 있으며, 이러한 각각의 경우에 있어서 전기장치는 이에 대응하여 전기모터 또는 발전기로 이루어질 수 있다. 한쪽 임펠러가 터빈으로 작동하고 다른쪽 임펠러가 압축기로 작용하는 경우, 그리고 선택적으로 회전자축의 작동상태에 따라, 전기장치에 의해 전원 공급이나 단절이 이루져야만 하며, 상기 전기장치는 모터이거나 발전기일 수 있다. 상술한 바와 같이 축 베어링은 자기 베어링, 가스 베어링, 롤러 베어링, 특히 그리스나 미니멀 오일로 윤활된 롤러 베어링, 또는 유압식 슬라이드 베어링으로 이루어질 수 있다. 용도에 따라, 장치 하우징은 폭발 위험성이 있는 환경에서 작동하기 적합한 압력밀봉식 캡슐로 구성될 수도 있다.

본 발명의 기타 다른 목적과 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 하기의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다. 그러나, 이러한 도면은 단지 예시적인 것이며, 본 발명은 이에 한정되지 않음을 인식해야 한다.

동일한 구성요소에는 동일한 도면부호가 부여되었다.

도 1에는 초저온용 터보장치가 도시되어 있다. 이러한 터보장치는 회전자축(1)과, 상기 회전자축의 한쪽 축단부에 현가식으로 부착된 임펠러(2)와, 전기장치(3)를 포함한다. 상기 전기장치(3)는 권선(4)을 갖는 고정자(5)와, 상기 회전자축(1)에 정렬된 전기 회전자(6)를 포함하므로, 상기 임펠러(2)와 회전자(6)는 동일한 회전속도로 회전할 수 있다. 임펠러 하우징(7)은 임펠러(2)를 둘러싸며, 임펠러 하우징(7)을 통해 흐르는 콜드 가스용 도관을 포함한다. 회전자축(1)을 위한 축 베어링(9)과 전기장치(3)가 정렬된 장치 하우징(8)도 제공되며, 상기 축 베어링(9)은 회전자(6)의 양측에 배치된다.

장치 하우징(8)은 임펠러 하우징(7)에 연결된다. 고정자(5)는 장치 하우징(8)의 내측에 부착된 후 전기 회전자(6)로부터 이격되어, 링 갭(10)을 형성한다. 장치 하우징(8)으로부터 임펠러 하우징(7)을 단열시키는, 단열물질로 제조된 격벽(11)은 임펠러 하우징(7)과 장치 하우징(8) 사이에 배치된다. 예시적인 실시예에서, 격벽(11)은 2부분으로 형성되며, 내측 소자(12)와 외측 소자(13)로 구성된다. 양-제어 냉각 시스템으로 분기되는 유동 제어 피팅(14)을 갖는 라인(15)은 콜드 가스의 유동 경로에 연결된다. 냉각 스트림은 장치 하우징(8)내의 전기장치(3)를 통과한다. 상기 냉각 스트림은 콜드 가스의 유동 경로의 압력측으로 분기된다. 예시적인 실시예에서 임펠러(2)가 압축기 임펠러로 형성되기 때문에, 냉각 스트림의 제거는 임펠러 하우징(7)의 하방에서 이루어진다. 냉각 스트림을 여러개의 각각의 라인(17)으로 분배하는 분배기(16)는 라인(15)에 연결된다. 권선(4)과, 고정자(5)와 회전자(6) 사이의 링 갭(10)과, 자기 베어링으로 이루어지는 축 베어링(9)의 갭(18)은 정확하게 각각의 라인(17)에 의해 냉각 스트림의 일부 스트림과 충돌된다.

리플럭스 라인(19)은 내측 장치 하우징(8)에 연결된다. 상기 리플럭스 라인(19)은 임펠러 하우징(7)의 저압측으로 복귀되어, 부가의 전송유니트가 없어도 장치 하우징(8)에 도입된 가스를 복귀시킨다. 장치 하우징(8)은 폭발 위험성이 있는 환경에서 작동되기에 적합한 압력기밀식 캡슐로서 구성된다. 이러한 장치는 대기와의 접촉시 쉽게 인화되거나 폭발성이 있는 혼합물 형성을 유발시킬 수 있는 화염성 콜드 가스로도 전기장치(3)를 냉각시킬 수 있게 한다. 예시적인 실시예에서, -140℃의 천연가스는 대기압으로 인출되어, 압축기 임펠러에 의해 약 1bar의 과잉 압력으로 압축된다. 이러한 처리과정에서, 가스는 -110℃로 가열된다. 임펠러(2)는 예시적인 실시예에서 집적화된 전기모터(3)를 사용하여 30000rpm으로 약 200kW의 전력을 송신한다.

도 2에 따른 예시적인 실시예에서, 제2임펠러(2')는 회전자축(1)의 다른쪽 단부에 현가식으로 배치된다. 콜드 가스를 압축하는데 사용되는 제2임펠러(2')의 임펠러 하우징(7')은 열전달계수가 매우 낮은 단열물질로 제조된 격벽(11')에 의해, 장치 하우징으로부터 현가식으로 단열된다.

본 발명의 터보장치에서는 전기장치 및 축 베어링의 제어되지 않은 냉각이 효율적으로 방지되는 동시에 전기장치의 충분한 냉각이 보장될 수 있다.

본 발명의 적어도 2가지 실시예가 설명되었지만, 첨부의 청구범위에 서술된 본 발명의 정신 및 범주로부터 일탈없이 다양한 변형과 변경이 가능함을 인식해야 한다.

Claims (8)

1. 제어되지 않은 냉각이 방지되는 초저온에서 사용하기 위한 터보장치로서,

   제1축단부를 갖는 회전자축과,

   상기 제1축단부에 현가식으로 배치된 적어도 하나의 임펠러와,

   상기 적어도 하나의 임펠러를 둘러싸며, 유동 경로를 따라 상기 임펠러를 통해 흐르는 콜드 가스용 다수의 도관을 갖는 임펠러 하우징과,

   상기 임펠러 하우징에 연결된 장치 하우징과,

   상기 회전자축에 배치된 전기 회전자와 다수의 권선이 구비된 고정자를 갖는 장치 하우징에 배치되는 전기장치와,

   상기 장치 하우징에 배치된 회전자축을 위한 다수의 축 베어링과,

   상기 임펠러 하우징과 장치 하우징 사이에 배치되어 단열물질로 제조되는 격벽과,

   콜드 가스의 유동 경로에 연결된 유동 제어 피팅을 포함하며, 양-제어 냉각 스트림을 분기시켜 상기 전기장치를 통과시키는 라인과,

   냉각 스트림을 부분적인 스트림으로 분배하기 위해 상기 라인에 연결되는 분배기와, 상기 고정자와 회전자 사이에 배치되는 링 갭을 포함하며,

   상기 격벽은 상기 장치 하우징으로부터 상기 임펠러 하우징을 단열시키며, 상기 전기 장치의 제어되지 않은 냉각을 방지하며,

   상기 라인은 상기 전기 장치의 조정된 냉각을 얻고,

   상기 링 갭 및 권선은 부분적인 스트림과 충돌되는 것을 특징으로 하는 터보장치.
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3. 제1항에 있어서, 상기 부분적인 스트림은 축 베어링과 충돌되는 것을 특징으로 하는 터보장치.
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