KR100847204B1 - 하이브리드 시너지 제트터빈 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축류형 다단터빈을 이용하는 하이브리드 시너지 제트터빈 발전 시스템에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 콤프레서를 통한 압축공기나 보일러 시스템에 의한 고압증기 또는 유압 장치 등의 압력발생장치에서 발생되는 작동유체를 작동 에너지로 사용할 수 있도록 압력발생장치에 축류형 다단 터빈과 제너레이터로 구성되는 발전 유니트를 연결 설치하는 공지의 터빈을 이용하는 발전 시스템에 있어서, 터빈의 임펠러 회전에 사용된 후 작동유체 배출관으로 배출되는 작동유체를 2차적인 발전 동력으로 재활용할 수 있도록 터빈의 작동유체 배출관에 연결되는 연결관을 통해 다수의 차기의 발전 유니트를 연속적으로 직렬 연결함과 동시에 다단 터빈의 구조를 개선함으로써, 하나의 압력발생장치를 이용하여 다수의 발전 유니트를 동시에 연속 가동시킬 수 있어 수득할 수 있는 총 발전량을 크게 증가시킬 수 있음은 물론, 작동 유체의 사용효율을 극대화시킬 수 있음과 아울러, 회전 토오크의 증대와 터빈의 용량에 따라 각각의 금형 제작없이 터빈의 용량을 증가시키는 것이 가능하도록 한 것이다.

축류형다단터빈, 제트터빈발전시스템, 발전유니트.

Description

하이브리드 시너지 제트터빈 발전 시스템{Hybrid jet turbine generation system having the synergy of increasing thermal efficiency}

도 1은 본 발명의 일 적용 예를 보이는 구성도.

도 2는 본 발명에 적용되는 터빈의 구조를 보이는 단면 예시도.

도 3은 상기 터빈에 적용되는 임펠러와 임펠러 하우징의 분리 사시도.

도 4는 상기 임펠러의 작동을 설명하기 위한 요부 단면 예시도.

도 5는 작동유체의 이동을 안내하기 위한 노즐공과 유체통로의 연결 상태를 보이는 도면.

도 6은 기존 터빈의 임펠러 구조를 보이는 사시도.

도 7은 도 6의 요부 단면 예시도.

〈 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 〉

1 : 압력발생장치 2 : 제 1발전 유니트

3 : 제 1축류형 다단 터빈 3A : 작동유체 유입관

3B : 작동유체 배출관 4 : 제 1제너레이터

6 : 연결관 7 : 제 2발전 유니트

8 : 제 2축류형 다단 터빈 9 : 제 2제너레이터

10 : 임펠러 축 20 : 회전체

21 : 중량감소용 요홈부 22 : 유체통로

22A : 제 1통로부 22B : 제 2통로부

30 : 임펠러 하우징 31 : 유체분사공

40 : 유체공급 노즐판 41 : 유체분사공

50, 50' : 베어링 케이스 51 : 유체 유입관

52 : 유체 배출관 53 : 유체 수용공간

본 발명은 축류형 다단터빈을 이용하는 하이브리드 시너지 제트터빈 발전 시스템에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 컴프레서를 통한 압축공기나 보일러 시스템에 의한 고압증기 또는 유압 장치 등의 압력발생장치에서 발생되는 작동유체를 작동 에너지로 사용할 수 있도록 압력발생장치에 축류형 다단 터빈과 제너레이터로 구성되는 발전 유니트를 연결 설치하는 공지의 터빈을 이용하는 발전 시스템에 있어서, 터빈의 임펠러 회전에 사용된 후 작동유체 배출관으로 배출되는 작동유체를 2차적인 발전 동력으로 재활용할 수 있도록 터빈의 작동유체 배출관에 연결되는 연결관을 통해 다수의 발전 유니트를 연속적으로 직렬 연결함과 동시에 다단 터빈의 구조를 개선한 것으로, 하나의 압력발생장치를 이용하여 다수의 발전 유니트를 동시에 연속 가동시킬 수 있어 수득할 수 있는 총 발전량을 크게 증가시킬 수 있음은 물론, 작동 유체의 사용효율을 극대화시킬 수 있음과 아울러 회전 토오크의 증대와 터빈의 용량에 따라 각각의 금형 제작 없이 터빈의 용량을 증가시키는 것이 가능하도록 한 것이다.

일반적으로 화력발전소나 원자력 발전소에서 스팀터빈으로 전기를 발전하기 위해서는 스팀압력을 적게는 30Kg/㎠에서 100Kg/㎠이상의 고압으로 높여야만 터빈의 회전 동력으로 전기를 생산하는데 경제성이 있는 것으로 평가되고 있다.

그러나 기존의 터빈은 임펠러가 날개 형으로 구성된 관계로 사용유체의 낭비가 많아 사용 효율이 낮은 반면에 유선형 구조의 날개가공과 휠 밸런싱의 어려움으로 제작비가 고가이며 날개 손상의 잦은 고장으로 인하여 정비유지 및 관리운용 경비가 많이 소요되었기 때문에 열병합 발전설비에 적용하는 데 어려움이 있다.

따라서, 일반 공장에서 주로 많이 사용하고 있는 중소형 보일러는 15Kg/㎠이하의 저압 스팀을 발생할 수 있는 것이어서 기존의 고가의 터빈으로 전기를 발전하는데 경제성이 없으며, 생산되는 저압 스팀의 에너지는 운동에너지로 활용하지 못하고 단순히 스팀의 열만 이용하기 때문에 에너지를 효율적으로 이용하지 못하고 있는 실정이다.

한편 컴프레서를 통한 압축공기나 보일러 시스템에 의한 고압증기 또는 유압 장치 등의 압력발생장치에서 발생되는 작동유체를 작동 에너지로 사용할 수 있도록 압력발생장치에 축류형 다단 터빈과 제너레이터로 구성되는 발전 유니트를 연결 설치하는 공지의 터빈을 이용하는 발전 시스템이 알려지고 있으나, 이는 압력발생장치에 연결되는 발전 유니트가 단일 갯수로 구성되는 것이어서 발생되는 스팀의 압력 에너지를 충분히 활용하기 어려운 구조로서 터빈의 구동에 활용되지 못한 에너 지가 많게 되어 에너지의 낭비가 초래되고 따라서 발전 규모가 작게 되는 구조적인 문제가 있는 것이다.

한편 상기와 같은 기존의 발전 시스템에 적용되는 터빈은 도 6내지 도 7에서와 같은 임펠러 구조를 갖는 것이어서 다음과 같은 문제점을 노출하게 되는 것이었다.

유체유입구(61)가 도 7에서와 같이 원판 통공휠(60)의 표면에 대하여 45°의 경사각으로 천공되고, 상기 유체유입구(61)의 유입면에 대하여 90°의 각도로 유체를 분사시키므로 유체가 사방으로 분산되어 유체의 일부는 유체유입구로 안내되어 회전 토오크의 발생에 사용되고 나머지는 외부로 분산되는 관계로 압력의 손실이 많았으며,

또한, 종래에는 임펠러가 도 6에서와 같이 다수의 원판 통공휠(60)을 겹쳐서 단일체로 구성하는 것이어서 불필요한 부위까지 동일한 두께를 유지하기 때문에 전체적으로 과다한 중량을 갖게 되고 이로 인해 원판 통공 휠 자체에서 소비되는 회전 토크의 손실이 크게 되는 문제점이 있으며,

그리고 임펠러가 단일 몸체로 구성되고 유체유입구(61)가 하나의 구멍으로 관통되게 구성되는 것이어서 유입된 유체의 체류시간이 짧고 신속하게 빠져나가는 것이어서 유체의 에너지를 다단계로 활용하지 못하고 일시의 사용에 그치게 되어 임펠러와의 마찰이 작게 되어 에너지의 사용효율이 저조하게 되는 것이며,

또한 임펠러 하우징이 일정 규격의 단일 통체로 구성되는 것이므로 터빈의 용량을 증가시키고자 하는 경우 원판 통공휠(60)을 추가하면 임펠러의 두께증가는 간단하게 이루어지나 하우징은 터빈의 용량에 따라 각각의 규격을 갖는 것으로 교체하여야 하므로 하우징의 제작을 위한 별도의 금형 제작이 요구되는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 기존의 구조에서 기인되는 제반 문제점을 해결 보완하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 하나의 압력발생장치를 이용하여 다수의 발전 유니트를 동시에 연속 가동시킬 수 있어 수득할 수 있는 총 발전량을 크게 증가할 수 있음은 물론 작동 유체가 가진 에너지의 사용효율의 극대화와 회전 토오크의 증대 및 터빈의 용량에 따라 각각의 금형 제작없이 터빈의 용량을 증가시키는 것이 가능하게 되는 하이브리드 시너지 제트터빈 발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 터빈의 임펠러 회전에 사용된 후 작동유체 배출관으로 배출되는 작동유체를 2차적인 발전 동력으로 재활용할 수 있도록 터빈의 작동유체 배출관에 연결되는 연결관을 통해 다수의 발전 유니트를 연속적으로 직렬 연결함과 동시에 다단 터빈의 구조를 개선한 것이다.

이하, 첨부되는 도면에 의거 본 발명의 구성을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일적용 예를 보이는 구성도이고, 도 2는 본 발명에 적용되는 터빈의 구조를 보이는 단면 예시도이며, 도 3은 상기 터빈에 적용되는 임펠러와 임펠러 하우징의 분리 사시도이다.

본 발명의 발전 시스템은 콤프레서나 보일러 시스템 또는 유압 장치 등으로 구성될 수 있는 압력발생장치(1)의 유체 배출관(1A)에 제 1발전 유니트(2)를 구성하는 제 1축류형 다단 터빈(3)의 작동유체 유입관(3A)을 연결하고 제 1축류형 다단 터빈(3)에는 터빈의 회전력을 발전 전력으로 변환시키기 위한 제 1제너레이터(4)를 연결 설치하는 공지의 발전 시스템에 있어서,

상기 제 1축류형 다단 터빈(3)의 작동유체 배출관(3B)에 연결되는 연결관(6)을 제 2제너레이터(9)와 함께 제 2 발전 유니트(7)를 구성하는 제 2축류형 다단 터빈(8)의 작동유체 유입관(8A)에 연결시키되 동일한 방식으로 연결관(6)을 통해 제 2 발전 유니트(7)의 작동유체 배출관(8B)에 차기의 발전 유니트를 직렬 연결토록 하여 다단의 발전 유니트로 구성시킨 후 각 발전 유니트의 작동유체 배출관에서 배출되는 작동유체를 차기의 발전 유니트의 발전 동력으로 재활용할 수 있도록 한 것이다.

또한, 상기한 본 발명의 발전 시스템에 적용되는 각 단계의 축류형 다단 터빈(3)(8)과 제너레이터(4)(9)는 모두 동일한 구조로서 상기 축류형 다단 터빈(3)(8)은 도 2내지 도5에서와 같이 구성되는 것으로, 설명의 편의상 제 1발전 유니트(2)를 기준으로 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

일측단이 제 1제너레이터(4)와 연결되는 임펠러 축(10)과;

상기 임펠러 축(10)에 일체로 결합되어 동시 회전이 가능하게 설치되며 일측으로 중량감소용 요홈부(21)가 구비되고 가장자리에 일측의 설치면과 직교되는 상 태로 형성되는 제 1통로부(22A)와, 이 제 1통로부(22A)와 45° 각도로 연결되는 상태에서 타측면으로 관통되게 형성되는 제 2통로부(22B)로 구성되는 다수개의 유체통로(22)를 등간격으로 천공 구비하는 다수의 회전체(20)와;

상기 각 회전체(20)의 외연부를 감싸는 상태로 설치되며 내면 일측에 상기 제 2통로부(22B)와 근접되는 위치에서 연관 작동되는 다수의 유체분사공(31)을 제 2통로부(22B)와 직교상태로 천공 구비하는 다수의 임펠러 하우징(30)과;

상기 회전체(20)중 최초 동작되는 회전체의 임펠러 하우징(30)에 결합 고정되며 가장자리에 제 1통로부(22A)와 근접되는 위치에서 연관 작동되는 다수의 유체분사공(41)을 제 1통로부(22A)와 45° 각도 상태로 천공 구비하는 원판형의 유체 공급노즐판(40)과;

각각 유체 유입관(51)과 유체 배출관(52)을 구비하는 상태로 상기 유체 공급노즐판(40)과 최후단에 위치하는 임펠러 하우징(30)에 각각 결합 고정되며 내부에 유체 수용공간(53)을 구비하는 한 조의 베어링 케이스(50)(50')를 각각 포함하여서 된 것이다.

이상과 같이 구성되는 본 발명의 작용을 도 1내지 도 2를 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1에서와 같이 구성되는 본 발명의 발전 시스템에 적용되는 압력발생장치(1)는 설명의 편의상 보일러 시스템으로 가정하고 이에서 발생되는 작동 유체는 일정 압력의 스팀으로 가정한다.

도면에서는 발전 유니트를 2단으로 도시하였지만 이는 일 예시이며 필요에 따라 3단 이상 연속으로 구성할 수 있음은 물론이다.

한편, 상기 압력발생장치(1)에서 발생되는 스팀은 유체 배출관(1A)을 통해 제 1발전 유니트(2)의 제 1축류형 다단 터빈(3)의 작동유체 유입관(3A)으로 유입되어 내부에 설치된 임펠러를 작동시켜 임펠러 축(10)을 회전시키면서 작동유체 배출관(3B)을 통해 배출되고 회전되는 임펠러 축(10)은 이에 연결된 제 1제너레이터(4)를 구동시켜 회전력을 발전 동력으로 사용하게 되는 것이며,

상기 제 1축류형 다단 터빈(3)의 작동유체 배출관(3B)을 통해 배출되는 스팀은 연결관(6)을 통해 차기의 제 2발전 유니트(7)의 제 2축류형 다단 터빈(8)의 작동유체 유입관(8A)으로 유입되어 전기한 동작과 동일하게 내부에 설치된 임펠러를 작동시켜 임펠러 축(10)을 회전시키면서 작동유체 배출관(8B)을 통해 배출되고 회전되는 임펠러 축(10)은 이에 연결된 제 2제너레이터(9)를 구동시켜 회전력을 발전 동력으로 사용하게 되는 것이며, 제 2발전 유니트(7)에서 배출되는 스팀은 차기의 발전 유니트로 유입되어 동일한 방식으로 발전 동력으로 활용되는 것이며 최종의 발전 유니트에서 배출되는 스팀은 난방이나 예열 등 스팀의 열을 활용할 수 있는 스팀 열 사용처로 공급되어 최종적으로 사용되는 것이다.

이와 같은 본 발명은 기존과 같이 압력발생장치에서 발생되는 스팀으로 하나의 발전 유니트만을 구동시키고 곧바로 스팀 열 사용처로 배출되어 스팀의 압력을 최대한 발전 동력으로 활용하지 못하는 것에서 탈피하여 하나의 압력발생장치(1)에서 직렬 연결된 복수개의 발전 유니트(2)(7)를 동시에 구동시키게 됨으로써 각각의 발전 유니트에서 독자적인 발전이 가능하게 됨으로써 스팀 압력을 손실없이 최대한 으로 발전량의 생산에 활용할 수 있어 스팀 사용효율의 극대화를 기할 수 있게 된다.

한편, 상기와 같이 발전 유니트(2)(7)를 구동시키는 스팀은 발전 유니트(2)(7)를 구성하고 있는 제 1 및 제 2축류형 다단 터빈(3)(8)을 통과하면서 임펠러 축(10)을 회전시키게 되는 바 도 2를 참조하여 이를 좀 더 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2는 다단 터빈의 구조를 보이는 단면 예시도로서, 임펠러 축(10)에는 다수의 회전체(20)가 일체로 결합 설치되어 동시 회전될 수 있게 구성되며 회전체(20)를 개별적으로 커버하고 있는 각 임펠러 하우징(30)과 베어링 케이스(50)(50')는 필요 시 상호 분리 가능한 상태로 보울트 등을 이용하여 체결 고정되어 있다.

먼저 압력발생장치(1)에서 발생된 일정 압의 스팀은 유체 유입관(51)을 통해 일측 베어링 케이스(50)의 내부의 유체 수용공간(53)에 수용되고 수용된 스팀은 다시 유체 수용공간(53)내에 노출되는 유체공급노즐판(40)의 경사진 다수의 유체 분사공(41)으로 유입되어 배출되고 배출되는 스팀은 다시 유체분사공(41)들과 근접되게 이어진 회전체(20)에 마련된 다수의 유체통로(22)로 진입되는 과정에서 분사 압력과 마찰을 통해 회전체(20)를 회전시키고 해당 회전체(20)의 유체통로(22)들에서 배출되는 스팀은 다시 임펠러 하우징(50)의 경사진 다수의 유체 분사공(31)으로 유입 배출되면서 차기 단계에 위치된 회전체(20)의 유체통로(22)들로 진입되면서 역시 압력과 마찰을 통해 회전체(20)를 회전시키게 되는 것으로 스팀은 상기와 같은 동작을 반복하면서 최후단의 회전체(20)를 통과한 상태에서 타측 베어링 케이스(50')에 설치된 유체 배출관(52)을 통해 배출됨과 동시에 다음 단의 다단 터빈으로 유입되어 역시 동일한 방식으로 임펠러의 구동에 활용되는 것이다.

한편 상기에서 각 단계의 회전체(20)는 스팀이 유체통로(22)를 통과하는 과정에서 보다 효율적이고도 향상된 회전력을 얻게 되는 것으로 도 4를 이용하여 이를 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 유체공급노즐판(40)의 경사진 유체 분사공(41)에서 분사되는 스팀은 약 45°각도로 경사지는 상태로 유체통로(22)의 제 1통로부(22A)로 1차적으로 가압과 동시에 진입되면서 회전 토오크를 발생시키는 것으로, 스팀에 접촉되는 회전체(20)는 스팀의 분사 방향으로 회전되게 되고 비스듬히 45° 각도로 접촉된 스팀은 손실없이 고스란히 제 1통로부(22A)로의 진입이 가능하게 되며 제 1통로부(22A)로 진입되어 진행되는 스팀은 제 1통로부(22A)에서 45°각도로 꺽여진 제 2통로부(22B)로 진입되면서 2차적인 가압과 진입을 행하게 되어 회전체(20)에 추가적인 회전력을 배가하게 된다.

따라서 스팀이 하나의 회전체를 통과하면서 두 번의 가압력을 부여할 수 있게 됨으로써 그만큼 스팀의 압력을 최대한 회전력으로 변환할 수 있게 되는 것이다.

한편, 상기의 회전체(20)는 중량감소용 요홈부(21)를 통해 불필요한 부위의 두께를 확실하게 감소시키게 됨으로써 초기 구동에 소요되는 에너지를 절감할 수 있어 회전 토크의 손실을 줄일 수 있게 되며 회전체(20)가 하나로 붙어 있는 것이 아니라 다단으로 이격 구성되는 것이므로 유입되는 스팀과의 체류시간이 연장되어 스팀의 에너지를 효율적으로 사용할 수 있게 된다.

또한 임펠러 하우징(30) 또한 회전체(20)와 같이 분리 가능한 다단으로 구성되는 것이므로 터빈의 용량 증가의 필요시 터빈의 용량에 따라 각각의 금형 제작 없이 간단하게 회전체(20)와 임펠러 하우징(30)만 추가 설치하면 되는 것이어서 규격 변경에 편의성을 가질 수 있게 된다.

이상에서는, 본 발명의 일실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 및 변형한 것도 본 발명의 권리범위에 속함은 당연하다.

이상과 같은 본 발명은 하나의 압력발생장치를 이용하여 다수의 발전 유니트를 동시에 연속 가동시킬 수 있어 수득할 수 있는 총 발전량을 크게 증가시킬 수 있고, 작동 유체의 사용효율을 극대화시킬 수 있음은 물론, 다단계로 분리 구성된 회전체와 이에 천공되는 유체통로 및 임펠러 하우징에 천공되는 유체분사공을 통해 유입된 작동 유체가 각각의 회전체에 다단계로 거치면서 독립적인 회전 동력으로 활용될 수 있도록 하여 에너지 효율의 극대화와 회전 토오크의 증대를 기할 수 있고, 회전체와 이를 지지하는 임펠러 하우징이 각 단계별로 분리 구성되어 조립되는 것이므로 터빈의 용량에 따라 각각의 금형 제작 없이 터빈의 용량을 증가시키는 것이 가능하게 되는 유용한 발명이다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 압력발생장치에서 배출되는 스팀으로 제 1 축류형 다단 터빈을 회전시키고, 상기 제 1 축류형 다단 터빈에서 배출되는 낮아진 압력의 스팀으로 제 2 축류형 다단 터빈을 회전시켜 발전하는 발전 시스템에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2축류형 다단 터빈의 각각은

   일측단이 제너레이터와 연결되는 임펠러 축과;

   상기 임펠러 축에 일체로 결합되어 동시 회전이 가능하게 설치되며 경사진 부분을 포함하는 다수개의 유체통로를 가장자리에 등간격으로 구비하는 다수의 회전체와;

   상기 각 회전체의 외연부를 감싸는 상태로 설치되며 내면 일측에 상기 유체통로와 근접되는 위치에서 연관 작동되는 다수의 유체분사공을 구비하는 다수의 임펠러 하우징과;

   상기 회전체중 최초 동작되는 회전체의 임펠러 하우징에 결합 고정되며 상기 다수개의 유체통로와 근접되는 위치에서 연관 작동되는 다수의 유체분사공을 구비하는 원판형의 유체 공급노즐판과;

   유체 유입관과 유체 배출관을 각각 구비하는 상태로 상기 유체 공급노즐판과 최후단에 위치하는 임펠러 하우징에 각각 결합 고정되며 내부에 유체 수용공간을 각각 구비하는 한 조의 베어링 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 시너지 제트터빈 발전 시스템.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 유체통로는 일 측의 설치면과 직교되는 상태로 형성되는 제 1통로부와,

   상기 제 1통로부와 45° 의 경사각으로 연결되는 상태에서 타 측의 면으로 관통되게 형성되는 제 2통로부로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 시너지 제트터빈 발전 시스템.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 임펠러 하우징의 유체분사공은 상기 제 2통로부와 직교상태로 천공된 것을 특징으로 하는 하이브리드 시너지 제트터빈 발전 시스템.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 유체 공급노즐판의 유체분사공은 상기 제 1통로부를 기준으로 45° 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 시너지 제트터빈 발전 시스템.
6. 제 2항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 회전체는 일 측으로 중량 감소용 요홈부가 구비된 것을 특징으로 하는 하이브리드 시너지 제트터빈 발전 시스템.

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