KR101101344B1

KR101101344B1 - 작동유체 침투 방지용 유기랭킨사이클용 터보발전기

Info

Publication number: KR101101344B1
Application number: KR1020090088177A
Authority: KR
Inventors: 강석훈; 정대헌; 박병식
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2012-01-02
Also published as: KR20110030169A; US8237303B2; US20110062711A1

Abstract

본 발명은 터빈에서 작동유체가 발전기로 침투되지 못하도록 저지하여 발전효율을 증대시킬 수 있는 작동유체 침투 방지용 유기랭킨사이클용 터보발전기에 관한 것이다.

본 발명의 주요구성은 터빈하우징과, 상기 터빈하우징의 내부에서 회전되는 터빈날개와, 상기 터빈날개에 작동유체를 분사하는 유체분사노즐을 갖는 터빈과, 상기 터빈하우징에 연결되는 발전기하우징과, 상기 발전기하우징에 회전되도록 배치된 로터 및 상기 터빈날개에 설치되는 회전축과, 상기 로터의 전후에 각각 배치되어 상기 회전축의 회전을 지지하는 제1베어링 및 제2베어링을 갖는 발전기와, 상기 유체분사노즐에서 분사되는 작동유체가 상기 발전기의 내부로 침투되지 못하도록 상기 터빈측의 압력을 차단하는 터빈블레이드를 포함하며, 상기 터빈블레이드(50)는, 원판형상의 회전부재(51)와; 상기 발전기하우징(31)의 내측 전방에 형성된 하우징경사면(31a)에 밀착되도록, 상기 회전부재(51)의 전방으로 형성되는 원뿔형상의 외측경사면(53)와; 상기 회전부재(51)의 축방향으로 관통되게 형성되는 삽입홀(55)와; 상기 회전부재(51)를 상기 회전축(35)에 홀딩시키는 홀딩수단(57)을 포함한다.

터빈, 발전기, 블레이드

Description

작동유체 침투 방지용 유기랭킨사이클용 터보발전기{TURBO GENERATOR FOR ORGANIC RANKINE CYCLE FOR PREVENTING PENETRATION OF OPERATING FLUID}

일반적으로, 유기랭킨사이클(ORC : Organic Rankine Cycle)은 유기매체를 작동유체로 사용하는 랭킨사이클(Rankin Cycle)로서 비교적 저온의 온도 범위 (60∼200℃)의 열원을 회수하여 전기를 생산하는 시스템으로, 저온에서 고압의 기체를 생산하여 터빈을 구동하여야하는 ORC 시스템의 특성상 작동유체로는 비등점이 낮고, 증발압력이 높은 프레온 계열의 냉매를 사용한다.

이때, 작동유체로 사용되는 프레온계열의 냉매는 윤활유를 녹이는 특성을 지니고 있으며, 비록 발전기와 터빈간에 실(seal)을 설치하더라도 터빈을 구동시키기 위해 유입된 고압의 작동유체는 압력차이로 인해 일정량이 발전기로 침투하여 베어링 윤활재를 녹여 발전기 구동 성능을 저하시키는 문제점이 있었다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 터빈에서 작동유체가 발전기로 침투되지 못하도록 저지하여 발전효율을 증대시킬 수 있는 작동유체 침투 방지용 유기랭킨사이클용 터보발전기를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 과제는 침투되는 작동유체를 저지하기 위해 발생되는 마찰력을 감소시키면서 작동유체를 저지시킬 수 있는 작동유체 침투 방지용 유기랭킨사이클용 터보발전기를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 과제는 작동유체를 저지시키는 구조에 냉각공기를 공급하여 작동유체의 저지가 용이하게 이루어질 수 있는 작동유체 침투 방지용 유기랭킨사이클용 터보발전기를 제공함에 있다.

본 발명의 작동유체 침투 방지용 유기랭킨사이클용 터보발전기는, 터빈하우징과, 상기 터빈하우징의 내부에서 회전되는 터빈날개와, 상기 터빈날개에 작동유체를 분사하는 유체분사노즐을 갖는 터빈과, 상기 터빈하우징에 연결되는 발전기하우징과, 상기 발전기하우징에 회전되도록 배치된 로터 및 상기 터빈날개에 설치되는 회전축과, 상기 로터의 전후에 각각 배치되어 상기 회전축의 회전을 지지하는 제1베어링 및 제2베어링을 갖는 발전기와, 상기 유체분사노즐에서 분사되는 작동유체가 상기 발전기의 내부로 침투되지 못하도록 상기 터빈측의 압력을 차단하는 터빈블레이드를 포함하며,
상기 터빈블레이드(50)는, 원판형상의 회전부재(51)와; 상기 발전기하우징(31)의 내측 전방에 형성된 하우징경사면(31a)에 밀착되도록, 상기 회전부재(51)의 전방으로 형성되는 원뿔형상의 외측경사면(53)와; 상기 회전부재(51)의 축방향으로 관통되게 형성되는 삽입홀(55)와; 상기 회전부재(51)를 상기 회전축(35)에 홀딩시키는 홀딩수단(57)을 포함한다.

본 발명에 따르면, 터빈에서 작동유체가 발전기로 침투되지 못하도록 저지하여 발전효율을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.

또, 본 발명은 터빈에서 침투되는 작동유체의 침투를 저지시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 침투되는 작동유체를 저지하기 위해 발생되는 마찰력을 감소시키면서 작동유체를 저지시킬 수 있는 이점이 있다.

더욱이, 본 발명은 발전기의 내측에 밀착되면서 작동유체를 가압하여 작동유체의 침투를 저지시킬 수 있는 이점이 있다.

게다가, 본 발명은 작동유체를 저지시키는 구조에 냉각공기를 공급하여 작동유체의 저지가 용이하게 이루어질 수 있는 이점이 있다.

이하, 첨부한 도면에 의하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 작동유체 침투 방지용 유기랭킨사이클용 터보발전기의 내부를 보인 사시도이고, 도 2는 도 1의 요부를 보인 사시도이며, 도 3은 본 발명의 요부를 보인 사시도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 작동유체 침투 방지용 유기 랭킨사이클용 터보발전기는 터빈하우징(11)과, 상기 터빈하우징(11)의 내부에서 회전되는 터빈날개(13)와, 상기 터빈날개(13)에 작동유체를 분사하는 유체분사노즐(15)을 갖는 터빈(10)과, 상기 터빈하우징(11)에 연결되는 발전기하우징(31)과, 상기 발전기하우징(31)에 회전되도록 배치된 로터(33) 및 상기 터빈날개(13)에 설치되는 회전축(35)과, 상기 로터(33)의 전후에 각각 배치되어 상기 회전축(35)의 회전을 지지하는 제1베어링(37) 및 제2베어링(38)을 갖는 발전기(30)와, 상기 유체분사노즐(15)에서 분사되는 작동유체가 상기 발전기(30)의 내부로 침투되지 못하도록 상기 터빈(10)측의 압력을 차단하는 터빈블레이드(50)를 포함한다.

여기서, 터빈날개(13)는 10,000rpm 이상의 고속으로 회전운동을 하여, 회전축(35)의 로터(33)를 회전시키면 발전기(30)는 전기를 생산한다. 발전효율은 약 70% 수준으로 발전용 팽창 시스템 중에서 효율이 가장 높다. 그리고, 로터(33)의 외측에는 로터(33)와 대응되는 스타토(도시생략)가 구비된다.

이때, 유체분사노즐(15)에서 분사되는 작동유체가 터빈날개(13)의 외측에 분사되면, 터빈날개(13)는 터빈하우징(11)의 내부에서 마찰되지 않으면서 용이하게 회전될 수 있다. 또한, 유체분사노즐(15)은 터빈날개(13)의 외측에 대칭되게 배치되어 분사할 수 있다.

그리고, 터빈블레이드(50)는 회전축(35)의 회전에 의해 함께 회전되어 발전기(30)쪽으로 침투되는 작동유체의 침투를 저지하게 된다.

상기 터빈블레이드(50)는 원판형상의 회전부재(51)와, 상기 발전기하우징(31)의 내측 전방에 형성된 하우징경사면(31a)에 밀착되도록, 상기 회전부재(51) 의 전방으로 형성되는 원뿔형상의 외측경사면(53)과, 상기 회전부재(51)의 축방향으로 관통되게 형성되는 삽입홀(55)과, 상기 회전부재(51)를 상기 회전축(35)에 홀딩시키는 홀딩수단(57)을 포함한다.

여기서, 터빈블레이드(50)는 회전축(35)에 삽입된 상태로 홀딩되어 회전축(35)의 회전에 의해 함께 회전되어, 터빈(10)에서 침투되는 작동유체의 침투를 저지하게 된다.

또한, 홀딩수단(57)은 삽입홀(55)에 형성되는 홀딩홈(57a)과, 상기 회전축(35)의 외주면에 형성되는 고정홈(57b)과, 상기 홀딩홈(57a) 및 고정홈(57b)에 삽입되는 홀딩핀(57c)로 구성될 수 있다.

상기 외측경사면(53)과 상기 하우징경사면(31a)의 마찰을 최소화시키는 마찰감소수단(60)을 더 포함하며, 상기 마찰감소수단(60)은 상기 외측경사면(53)의 표면에 형성되는 미세슬릿으로 구성되는 것이 바람직하다.

여기서, 마찰감소수단(60)인 미세슬릿은 외측경사면(53)의 표면에 방사형, 격자형, 빗살무늬 등으로 형성될 수 있다. 이때, 미세슬릿은 터빈블레이드(50)가 회전될 때 후술되는 냉각공기가 수용되는 에어포켓의 기능을 하여, 터빈(10)에서 침투되는 작동유체가 침투되지 못하게 된다.

상기 터빈블레이드(50)는 상기 발전기하우징(31)의 내측 전방에 형성된 하우징경사면(31a)에 전방이 밀착되고, 상기 제1베어링(37)의 전방에 후방이 밀착되게 설치되어, 상기 하우징경사면(31a)을 가압하면서 회전되도록 구성되는 것이 바람직하다.

여기서, 터빈블레이드(50)의 외측경사면(53)이 경사면(31a)에 밀착되어 가압하면서 회전되므로, 터빈(10)의 작동유체가 발전기(30)의 내부로 침투되지 못하고 터빈(10)의 내부에서 머물게 된다.

상기 터빈블레이드(50)의 일측에 공기를 제공하여 작동유체의 침투를 저지하는 공기공급부(70)를 더 포함하며, 상기 공기공급부(70)는 외부에서 냉각되어 공급되는 냉각공기를 상기 발전기하우징(31)의 내측으로 유입시키는 냉각튜브(71)와, 상기 냉각튜브(71)에서 유입되는 공기를 압축하면서 상기 하우징경사면(31a)과 상기 터빈블레이드(50)의 사이에 분사하는 분사노즐(73)을 포함한다.

여기서, 냉각튜브(71)는 발전기하우징(31)에 관통되게 설치되고, 분사노즐(73)은 냉각튜브(71)의 끝단에 연결되면서 하우징경사면(31a)과 외측경사면(53)의 사이에 근접되게 배치된다. 따라서, 터빈블레이드(50)가 회전될 때 냉각공기가 터빈블레이드(50)의 전방에 공급되므로, 작동유체는 냉각되면서 터빈(10)쪽으로 밀리게 되어 발전기하우징(31)에 침투되지 못하게 된다.

이상, 본 발명의 실시예에 대해 설명하였다. 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리 고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 작동유체 침투 방지용 유기랭킨사이클용 터보발전기의 내부를 보인 사시도.

도 2는 도 1의 요부를 보인 사시도.

도 3은 본 발명의 요부를 보인 사시도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 터빈

30 : 발전기

50 : 터빈블레이드

Claims

터빈하우징(11)과, 상기 터빈하우징(11)의 내부에서 회전되는 터빈날개(13)와, 상기 터빈날개(13)에 작동유체를 분사하는 유체분사노즐(15)을 갖는 터빈(10);

상기 터빈하우징(11)에 연결되는 발전기하우징(31)과, 상기 발전기하우징(31)에 회전되도록 배치된 로터(33) 및 상기 터빈날개(13)에 설치되는 회전축(35)과, 상기 로터(33)의 전후에 각각 배치되어 상기 회전축(35)의 회전을 지지하는 제1베어링(37) 및 제2베어링(38)을 갖는 발전기(30);

상기 유체분사노즐(15)에서 분사되는 작동유체가 상기 발전기(30)의 내부로 침투되지 못하도록 상기 터빈(10)측의 압력을 차단하는 터빈블레이드(50)를 포함하며,

상기 터빈블레이드(50)는

원판형상의 회전부재(51);

상기 발전기하우징(31)의 내측 전방에 형성된 하우징경사면(31a)에 밀착되도록, 상기 회전부재(51)의 전방으로 형성되는 원뿔형상의 외측경사면(53);

상기 회전부재(51)의 축방향으로 관통되게 형성되는 삽입홀(55);

상기 회전부재(51)를 상기 회전축(35)에 홀딩시키는 홀딩수단(57)을 포함하는 작동유체 침투 방지용 유기랭킨사이클용 터보발전기.
삭제
제1항에 있어서, 상기 외측경사면(53)과 상기 하우징경사면(31a)의 마찰을 최소화시키는 마찰감소수단(60)을 더 포함하며,

상기 마찰감소수단(60)은 상기 외측경사면(53)의 표면에 형성되는 미세슬릿으로 구성되는 것을 특징으로 하는 작동유체 침투 방지용 유기랭킨사이클용 터보발전기.
제1항에 있어서, 상기 터빈블레이드(50)는 상기 발전기하우징(31)의 내측 전방에 형성된 하우징경사면(31a)에 전방이 밀착되고, 상기 제1베어링(37)의 전방에 후방이 밀착되게 설치되어, 상기 하우징경사면(31a)을 가압하면서 회전되는 것을 특징으로 하는 작동유체 침투 방지용 유기랭킨사이클용 터보발전기.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 터빈블레이드(50)의 일측에 공기를 제공하여 작동유체의 침투를 저지하는 공기공급부(70)를 더 포함하며,

상기 공기공급부(70)는 외부에서 냉각되어 공급되는 냉각공기를 상기 발전기하우징(31)의 내측으로 유입시키는 냉각튜브(71)와; 상기 냉각튜브(71)에서 유입되는 공기를 압축하면서 상기 하우징경사면(31a)과 상기 터빈블레이드(50)의 사이에 분사하는 분사노즐(73)을 포함하는 작동유체 침투 방지용 유기랭킨사이클용 터보발전기.