KR101206287B1 - 마이크로 가스 터빈의 냉각장치 및 이를 구비한 마이크로 가스 터빈 - Google Patents

마이크로 가스 터빈의 냉각장치 및 이를 구비한 마이크로 가스 터빈 Download PDF

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박무룡
박준영
한상조
서정민
황순찬
최상규
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김유일
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 마이크로 가스 터빈의 냉각장치는, 압축기와 터빈이 회전축에 의하여 연결된 마이크로 가스 터빈에 있어서, 상기 압축기로부터 연소기를 향하여 기설정된 온도와 압력으로 공기를 공급하도록 형성되는 공급밸브와, 상기 공급 밸브의 일단에서 분기되는 냉각관 및 상기 냉각관으로부터 분기되어 회전축의 일정 부분에 근접하도록 배치되고, 상기 근접한 회전축의 각 부분들을 냉각시키도록, 공기가 토출되는 토출포트를 적어도 하나 이상 포함함으로써, 고온의 가스로 인한 마이크로 가스 터빈의 구성품들의 열적 변형을 효과적으로 방지할 수 있다.

Description

마이크로 가스 터빈의 냉각장치 및 이를 구비한 마이크로 가스 터빈{COOLING APPARATUS OF MICRO GAS TURBINE AND MICRO GAS TURBINE HAVING THE SAME}
본 발명의 실시예들은 마이크로 터빈에 사용되는 냉각 장치 및 냉각 장치를 구비한 마이크로 가스 터빈에 관한 것이다.
세계의 많은 지역에서, 전기 기초 구조물(전송 및 배전선)의 부족은 분산형 발전기술의 상업화를 크게 발전시키게 될 것인데, 그 이유는 중앙 집중 방식의 전기 송전은 킬로와트당 비용이 크게 소모되고 생산된 전기를 소비자에게 분배하기 위해
설치되는 고가의 기초 구조물을 가지고 있어야만 하기 때문이다. 마이크로 가스 터빈은 현장에서 전력을 발생시키는데 흔히 사용되는 소형 가스 터빈으로서, 사무실 빌딩, 소매점, 소형 제조소, 가정 및 다른 많은 시설용 백업 또는 보조 전원으로서 적용되고 있다. 이러한 시설들은 전통적으로 전력 분배 라인의 그리드를 통하여 중앙 집중 방식의 전기 시설에 의해서 전력을 공급받아 왔다.
이러한 시설은 마이크로 가스 터빈으로 인하여 자신이 직접 전력을 발생시킬 수 있고 이에 따라 종래의 전력 그리드 및 시설에만 의존하지 않아도 된다. 또한, 마이크로 가스 터빈은 전력 시설에 의하여 그리드를 통하여 제공되는 전력보다 비용이 덜 들며 보다 안정적인 전력을 발생시킨다.
작고, 다연료형인 마이크로 가스 터빈 발전 유니트는 세계의 많은 지역에서 나타나고 있는 " 전압저하" 및 "정전" 사태를 경감시키는 것을 도와줄 수 있다. 또한, 소규모이고 단일 가동부 개념은 저렴한 전문 기술 유지비를 가능하게 해줄 것이고, 저렴한 총비용은 자본이 부족한 세계의 지역에서 폭넓은 구입을 가능하게 해 줄 것이다.
이러한 유니트는 연료 효율의 증대, 크기 및 중량의 감소 및 낮은 서멀 시그네추어, 잡음, 유지비 및 비용 패널티의 저감과 같은 부문에 있어서의 개선이 필요하다.
예를 들어, 특히 일정한 기하학적형상의 입구를 가진 터빈의 경우에 좋은 연료의 절약 및 허용가능한 배기율을 성취하는 것은 어렵다.
동력발생 유니트의 최상의 효율은 높은 압력비 및 높은 터빈 입구 온도를 통해 성취된다. 그와
같은 비율과 온도는 완전부하 및 최고속도에서의 작동시에 일어난다. 하지만, 낮은 부분부하 및 공회전시에는, 일정한 기하학적형상의 가스터빈은 감소된 터빈입구온도 및 부분부하에서 구동되므로, 연료효율을 저감시킨다.
뿐만아니라, 휴대용 전자기기의 기능이 복합화 됨에 따라 요구전력 증가하여 고에너지밀도의 동력공급원이 요구되고 있으며 이에 따른 대체 동력원의 개발이 필요하게 되었다.
마이크로 가스터빈은 저소음, 경량, 소형의 장점을 가지는 차세대 마이크로 동력원의 하나이다. 마이크로 가스터빈은 압축기, 연소기, Recuperator, 터빈, 발전기/모터 등으로 구성된다.
연소기에서 가열된 공기가 터빈에서 팽창되면 에너지를 얻는 가스터빈에서는 고온의 가스로 인한 구성품의 열팽창이 심각한 문제를 일으킨다. 따라서, 열팽창 하는 내부 터빈, 회전축, 베어링 등의 부품을 냉각하는 방법이 고려될 수 있다.
본 발명의 일실시예들은 마이크로 가스 터빈의 회전축 또는 베어링 등의 냉각에 사용되는 냉각장치를 제공하기 위한 것이다.
그리고, 본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 마이크로 가스 터빈의 냉각장치는, 압축기와 터빈이 회전축에 의하여 연결된 마이크로 가스 터빈에 있어서, 상기 압축기로부터 연소기를 향하여 기설정된 온도와 압력으로 공기를 공급하도록 형성되는 공급밸브와, 상기 공급 밸브의 일단에서 분기되는 냉각관 및 상기 냉각관으로부터 분기되어 회전축의 일정 부분에 근접하도록 배치되고, 상기 근접한 회전축의 각 부분들을 냉각시키도록, 공기가 토출되는 토출포트를 적어도 하나 이상 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 회전축의 일정 부분을 감싸도록 형성되는 냉각 케이싱을 더 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 토출포트는 상기 냉각 케이싱에 결합된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 공기와 접하는 표면적이 늘어나도록, 상기 회전축의 외주면에 형성되는 홈 또는 돌부를 적어도 하나 이상 포함한다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은, 양단에 압축기 및 터빈이 배치되는 하우징과, 상기 하우징을 관통하여 설치되는 회전축과, 상기 하우징 내의 일정 공간에 형성되고, 상기 압축기로부터 기설정된 온도와 압력의 공기를 공급밸브를 통하여 공급받아 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기와, 상기 공급 밸브의 일단에서 분기되는 냉각관 및 상기 냉각관으로부터 분기되어 회전축의 일정 부분에 근접하도록 배치되고, 상기 근접한 회전축의 각 부분들을 냉각시키도록, 공기가 토출되는 토출포트를 적어도 하나 이상 포함하는 냉각장치를 구비한 마이크로 가스 터빈를 개시한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 하우징과 회전축이 맞닿는 부분에 형성되는 에어포일베어링을 더 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 토출포트는 상기 에어포일베어링을 냉각시킬 수 있도록 상기 에어포일베어링에 근접하게 배치된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 토출포트는 상기 에어포일베어링을 감싸도록 형성되는 냉각 케이싱에 연결된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 공기와 접하는 표면적이 늘어나도록, 상기 회전축의 외주면에 형성되는 홈 또는 돌부를 적어도 하나 이상 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 회전축 외주면의 일부는 딤플 형상을 갖도록 형성된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 마이크로 터빈의 냉각장치는, 고온의 가스로 인한 마이크로 가스 터빈의 구성품들의 열적 변형을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 외부의 부가적인 장치 없이도, 내부 구성품들을 냉각시킬 수 있으며, 이로 인한 가스 터빈의 성능 저하를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 마이크로 가스 터빈의 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 냉각장치를 구비한 마이크로 가스 터빈의 개념도.
도 3은 도 2의 라인 Ⅳ-Ⅳ를 따라 취한 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 냉각 케이싱과 냉각장치가 연결된 상태에서의 마이크로 가스 터빈의 개념도.
도 5는 도 3의 라인 Ⅴ-Ⅴ를 따라 취한 단면도.
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시예와 관련된 회전축에 딤플 형상이 구현된 마이크로 가스 터빈의 개념도.
이하, 본 발명의 일실시예에 따르는 마이크로 가스 터빈의 냉각장치 및 이를 구비한 마이크로 가스 터빈에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일?유사한 구성에 대해서는 동일?유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 마이크로 가스 터빈의 개념도이다. 도시한 바와 같이, 마이크로 가스 터빈은 압축기(10), 연소기(20), 터빈(30), 발전기(40) 및 회전축(110)을 포함한다.
공기가 압축기(10) 내로 들어가며, 원심력을 이용한 압축기(10)에서 압축된다. 마이크로 압축기(10)는 원심식 회전자 블레이드를 구비한 압축기 회전자 디스크를 포함할 수 있다. 압축기 회전자 디스크는 회전축(110)에 연결되어 지지됨으로써 압축기 회전자 디스크 및 디스크에 방사상으로 형성된 블레이드가 회전된다. 압축기 회전자의 방사상 외주에는 고정 디퓨저 베인이 설치된다. 압축기 회전자 블레이드를 통과한 공기는 디퓨저 베인에 의해 이동되고 회전자를 빠져나간다.
연료는 연료 분사기를 통해 압축기 회전자 배출부로 분사된다. 분사된 연료는 방사상 외측으로 유동하면서 공기와 혼합된 후 연소기(20) 내의 연소 점화기에 의해 점화되고, 연소실 내로 유입되어 완전 연소된다.
연소실로부터 배출되는 배기가스는 안내 베인을 통해 터빈 디스크를 향해 이송되고, 터빈 디스크에 방사상으로 형성된 블레이드를 가압하여 터빈 디스크를 회전시킨다. 동시에, 축을 통해 터빈 디스크와 연결된 압축기 디스크도 회전하게 된다.
회전축(110)을 지지하는 베어링은 에어포일베어링으로서, 압축 공기가 압축기 출구로부터 간극을 통해 베어링 측으로 공급되어 윤활작용을 하고, 터빈(30)의 구멍을 통해 배출될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 냉각장치를 구비한 마이크로 가스 터빈의 개념도이고, 도 3은 도 2의 라인 Ⅳ-Ⅳ를 따라 취한 단면도이다.
본 발명의 일실시예에 따르는 마이크로 가스 터빈의 냉각장치는 공급밸브(21), 냉각관(150), 토출포트(151)를 포함한다.
공급밸브(21)는 압축기(10)로부터 연소기(20)를 향하여 기설정된 온도와 압력으로 공기를 공급하도록 형성된다. 공급밸브(21)는 터빈(30)에 연결되거나 열역학적 효율을 위하여 마이크로 가스 터빈의 다른 구성품에 연결될 수 있다.
냉각관(150)은 상기 공급 밸브(21)의 일단에서 분기되어, 회전축(110)과 평행하게 배치될 수 있으며, 회전축(110)에 근접하게 형성된다. 토출 포트(151)는 냉각관(150)으로부터 분기되어 회전축(110)의 일정 부분에 근접하도록 배치되고, 상기 근접한 회전축(110)의 각 부분들을 냉각시키도록, 공기가 토출되게 형성된다.
초소형 가스터빈에서 내부유로를 외부의 부가적인 장치 없이 냉각 시키기 위해서는 외부에서 유입되는 압축공기를 활용해야 한다. 그러나, 압축공기는 터빈(30)의 출력을 만드는 데 사용되기 때문에 과도한 압축공기의 사용은 초소형 가스터빈의 전반적인 성능의 저하로 나타날 수 있다. 따라서 전체 압축공기의 5% 미만을 이용하여 초소형 가스터빈의 내부를 냉각시도록 하는 것이 바람직하다. 압축기(10)의 압축공기를 이용하여 베어링(120)과 축, 터빈(30)을 냉각할 뿐 아니라 압축공기는 터빈(30) 쪽의 고온의 공기가 내부로 침입하는 것을 막는 기능도 함께 수행하게 된다.
본 발명에 따르는 마이크로 가스터빈의 베어링(120)은 도시한 바와 같이 에어포일베어링(120)을 사용할 수 있다. 하우징 내의 회전축을 지지하는 부분(130, 140)과 회전축(110) 사이에 에어포일베어링(120)이 배치된다.
에어포일베어링(120)은 회전축(110)과 베어링 하우징(121) 사이에 적어도 하나 이상의 포일을 포함하고 있으며, 회전축(110)이 회전함에 따라 베어링(120)의 틈새에서 자동적으로 압력이 발생하는 동압 베어링의 일종이다.
에어포일베어링(120)은 탄성 포일(122), 탑 포일(123) 및 공기 유막(124)을 포함한다. 탄성 포일(122)은 원테 형상의 단면을 갖는 베어링 하우징(121)의 내주면에 형성된다. 탄성 포일(122)의 상부에는 회전축(110)의 축방향에 대해 수직으로 작용하는 하중을 지지하도록 형성되는 탑 포일(123)이 배치된다.
이러한 에어포일베어링(120)은 회전축(110)의 높은 회전수에 따른 마찰에 의하여 일정 온도 이상으로 상승하여, 베어링(120) 내의 포일들이 변형될 수 있는 데, 이러한 변형을 방지하기 위하여, 토출 포트(151)가 베어링 하우징(121)의 외주면에 일정 온도를 갖는 공기를 분사하여, 베어링(120)을 냉각시키게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 냉각 케이싱(160)과 냉각장치가 연결된 상태에서의 마이크로 가스 터빈의 개념도이고, 도 5는 도 3의 라인 Ⅴ-Ⅴ를 따라 취한 단면도이다.
도시한 바와 같이, 본 실시예에서는 상기 도 3 및 도 4와는 달리 회전축(110)을 감싸도록 냉각 케이싱(160)이 형성되어 있다. 냉각 케이싱(160)은 상기 토출 포트(151)로부터 공기를 공급받아 냉각 케이싱(160) 내의 온도를 낮추게 된다. 냉각 케이싱(160)의 일단에는 배출포트가 더 형성될 수 있으며, 배출 포트와 터빈(30)을 연결시키거나 열역학적 효율을 위하여 마이크로 가스 터빈의 다른 구성품에 연결될 수 있다.
냉각 케이싱(160)은 베어링(120)의 하우징(121)을 감싸거나, 고온으로 인한 열변형이 일어날 수 있는 회전축(110)의 일부분에 형성될 수 있다. 이러한, 냉각 케이싱(160)으로 인하여, 공기가 배출되는 경우 외주면을 따라 순환함으로써, 냉각시키고자 하는 부분을 고르게 냉각시킬 수 있다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시예와 관련된 회전축에 딤플 형상이 구현된 마이크로 가스 터빈의 개념도이다.
회전축(110)은 토출 포트(151)에 의하여 토출된 공기와의 접촉 면적을 넓힐 수 있도록, 표면적을 넓히는 것이 바람직하다. 이 경우 회전축(110)의 일부분은 딤플 형상으로 구현되거나, 홈 또는 돌부를 구비하여 형성될 수 있다.
상기와 같이 설명된 마이크로 가스 터빈의 냉각장치 및 이를 구비한 마이크로 가스 터빈은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (10)

  1. 압축기와 터빈이 회전축에 의하여 연결된 마이크로 가스 터빈에 있어서,
    상기 압축기로부터 연소기를 향하여 기설정된 온도와 압력으로 공기를 공급하도록 형성되는 공급밸브;
    상기 공급 밸브의 일단에서 분기되는 냉각관; 및
    상기 냉각관으로부터 분기되어 회전축의 일정 부분에 근접하도록 배치되고, 상기 근접한 회전축의 각 부분들을 냉각시키도록, 공기가 토출되는 토출포트를 적어도 하나 이상 포함하는 마이크로 가스 터빈의 냉각장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전축의 일정 부분을 감싸도록 형성되는 냉각 케이싱을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 가스 터빈의 냉각장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 토출포트는 상기 냉각 케이싱에 결합되는 것을 특징으로 하는 마이크로 가스 터빈의 냉각장치.
  4. 제1항에 있어서,
    공기와 접하는 표면적이 늘어나도록, 상기 회전축의 외주면에 형성되는 홈 또는 돌부를 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 가스 터빈의 냉각장치.
  5. 양단에 압축기 및 터빈이 배치되는 하우징;
    상기 하우징을 관통하여 설치되는 회전축;
    상기 하우징 내의 일정 공간에 형성되고, 상기 압축기로부터 기설정된 온도와 압력의 공기를 공급밸브를 통하여 공급받아 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기;
    상기 공급 밸브의 일단에서 분기되는 냉각관; 및
    상기 냉각관으로부터 분기되어 회전축의 일정 부분에 근접하도록 배치되고, 상기 근접한 회전축의 각 부분들을 냉각시키도록, 공기가 토출되는 토출포트를 적어도 하나 이상 포함하는 냉각장치를 구비한 마이크로 가스 터빈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하우징과 회전축이 맞닿는 부분에 형성되는 에어포일베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각장치를 구비한 마이크로 가스 터빈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 토출포트는 상기 에어포일베어링을 냉각시킬 수 있도록 상기 에어포일베어링에 근접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 냉각장치를 구비한 마이크로 가스 터빈.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 토출포트는 상기 에어포일베어링을 감싸도록 형성되는 냉각 케이싱에 연결되는 것을 특징으로 하는 냉각장치를 구비한 마이크로 가스 터빈.
  9. 제5항에 있어서,
    공기와 접하는 표면적이 늘어나도록, 상기 회전축의 외주면에 형성되는 홈 또는 돌부를 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각장치를 구비한 마이크로 가스 터빈.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 회전축 외주면의 일부는 딤플 형상을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각장치를 구비한 마이크로 가스 터빈.
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CN111206990A (zh) * 2019-01-15 2020-05-29 程建平 一种微型燃气轮发电增程器
WO2021164932A1 (de) * 2020-02-19 2021-08-26 Robert Bosch Gmbh Gaszuführvorrichtung

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