KR101634876B1 - 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈 - Google Patents

열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈은 샤프트에 장착되며, 외부로부터 가스를 공급받아 고압 가스를 발생시키는 압축기; 상기 압축기로부터 고압 가스를 공급받아 고온 고압 가스를 발생시키는 연소기; 상기 샤프트에 장착되며, 상기 연소기에서 공급되는 고온 고압 가스로부터 에너지를 공급받아 동력을 발생시키는 터빈; 상기 압축기와 소정간격 이격되어 외부 공기의 유동경로를 형성하는 압축기 쉬라우드; 내부에 상기 샤프트에 가해지는 하중을 지지하는 베어링을 수용하며, 상기 연소기에 의한 열응력이 가해지는 경우 상기 유동경로의 차폐가 방지되도록, 상기 압축기 쉬라우드와 결합되는 베어링 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 고온의 가스가 발생하는 연소기에 의하여 연소기와 이웃하는 구성에 열응력이 가해져 변형되더라도, 변형 정도에 따라 인접한 구성이 이동됨으로써, 구성의 변형에 대응할 수 있는 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈이 제공된다.

Description

열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈{MICRO GAS TURBINE WITH DAMAGE PREVENTION STRUCTURE BY THERMAL STRESS}
본 발명은 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 고온의 연소기에 의한 열응력으로 인하여 구성이 변형이 되는 경우 변형 정도에 따라 인접한 구성이 이동됨으로써, 구성의 변형에 대응할 수 있는 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈에 관한 것이다.
최근 산업 및 사회 전반에 걸쳐, 집중형의 대형발전소와 달리 장시간 사용이 가능한 휴대용 동력원의 필요성이 크게 증가하고 있으며, 이러한 동력원의 방식으로는 연료전지, 리튬이온 충전지 등 다양하다. 특히, 초소형 가스터빈은 동일한 출력을 가진 왕복동식 엔진에 비해 초기투자비가 낮고 소형 경량화를 구현할 수 있으며, 구조가 간단하여 유지보수비가 낮다는 장점이 있다.
현재 사용되고 있는 휴대용 기기에는 리튬 2차 전지가 주로 탑재되고 있다. 그러나, 대표적인 상용 2차 전지는 연속 사용시간이 짧고 충전하는데 오래 걸리는 단점이 있으며, 에너지 밀도도 이론 한계치에 근접하여 있는 상태여서 휴대용 전자기기의 고성능화가 기존 2차 전지로는 해결할 수 없는 상황까지 진행되고 있다. 최근 애완용 로봇, 휴머노이드 로봇 및 군사용 로봇과 같이 장시간 사용가능한 휴대용 동력원을 필요로 하는 제품들이 상용화 단계로 진입함에 따라 새로운 마이크로 동력공급장치의 필요성과 시급성이 매우 커지고 있는 상황이다. 마이크로 동력발생 장치는 기본적으로 에너지 밀도가 기존의 동력원보다 높아야 개발의 당위성이 보장되며, 출력과 에너지 밀도가 높은 동력발생장치로 초소형 가스 터빈(Ultra micro gas turbine,UMGT)이 주목을 받고 있다.
가스터빈 엔진은 일종의 회전식 내연기관으로서, 외부로부터 공기를 공급받아 고압으로 압축시키는 압축기와, 압축기로부터 공급되는 고압의 공기와 연료탱크로부터 공급되는 연료를 연소시켜 고온·고압의 연소가스를 발생시키는 연소기와, 연소기로부터 배출되는 고온·고압의 연소가스에 의해 회전되는 터빈 등을 포함한다.
이러한 초소형 가스터빈은 연소기에서의 온도가 다른 구성에 비하여 매우 높으며, 연소기에서의 높은 온도에 의해 인접하는 구성은 열응력을 받게 된다. 이러한 열응력으로 인하여 장치 등이 변형되는 문제점이 발생한다. 온도 상승에 따른 장치의 변형은 특히 상대적으로 장치 크기가 작은 초소형 가스터빈의 경우에는 큰 문제점으로 작용한다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고온의 가스가 발생하는 연소기에 의하여 연소기와 이웃하는 구성에 열응력이 가해져 변형되더라도, 변형 정도에 따라 인접한 구성이 이동됨으로써 구성의 변형에 대응할 수 있는 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 샤프트에 장착되며, 외부로부터 가스를 공급받아 고압 가스를 발생시키는 압축기; 상기 압축기로부터 고압 가스를 공급받아 고온 고압 가스를 발생시키는 연소기; 상기 샤프트에 장착되며, 상기 연소기에서 공급되는 고온 고압 가스로부터 에너지를 공급받아 동력을 발생시키는 터빈; 상기 압축기에 장착되며, 상기 압축기와 소정간격 이격되어 외부 공기의 유동경로를 형성하는 압축기 쉬라우드; 내부에 상기 샤프트에 가해지는 하중을 지지하는 베어링을 수용하며, 상기 연소기에 의한 열응력이 가해지는 경우 상기 유동경로의 차폐가 방지되도록, 상기 압축기 쉬라우드와 결합되는 베어링 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈에 의해 달성된다.
여기서, 상기 베어링 하우징은 상기 압축기 쉬라우드와 나사결합되는 것이 바람직하다.
여기서, 신축가능하게 마련되어 상기 터빈의 일단부와 연결되며, 상기 터빈에서 발생하는 배기가스를 배출하는 배출배관을 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 배출배관은 상기 터빈에 장착되는 터빈 쉬라우드에 연결되며, 상기 터빈 쉬라우드의 일단과 상기 배출배관은 배기가스의 유동방향을 따라 소정간격 이격되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 터빈 쉬라우드와 연결되는 상기 배출배관의 일단부는 소정의 경사를 형성하는 제1경사부가 형성되며, 상기 터빈 쉬라우드에는 상기 제1경사부에 대응되는 제2경사부가 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 고온의 연소기에 의한 열응력으로 인하여 구성이 변형이 되는 경우 변형 정도에 따라 인접한 구성이 이동됨으로써, 구성의 변형에 대응할 수 있는 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈이 제공된다.
또한, 베어링 하우징과 압축기 쉬라우드가 결합되어, 베어링이 변형시 압축기 쉬라우드가 이동함으로써, 압축기 쉬라우드와 압축기 사이의 공기 유동경로의 차폐를 방지할 수 있다.
또한, 배출배관은 소정길이 신축가능하게 마련됨으로써, 연소기에 인접하는 배출배관에 열응력이 가해지더라도 장치의 변형을 최소화할 수 있다.
또한, 터빈 쉬라우드의 일단과 배출배관의 일단은 소정간격 이격되며, 상호 대응되는 경사를 갖도록 마련되어 보다 효율적으로 열응력에 의한 장치 변형을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈의 요부 단면도이며,
도 2는 도 1의 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈의 열응력이 가해진 경우의 문제점을 도시한 도면이며,
도 3은 도 1의 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈의 베어링에 열응력이 가해진 상태를 도시한 도면이며,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈의 요부 단면도이며,
도 5는 도 4의 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈의 배출배관에 열응력이 가해진 상태를 나타내는 도면이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 제1실시예에 따른 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈은, 고온의 가스가 발생하는 연소기에 의하여 베어링이 변형되더라도 베어링의 변형 정도에 따라 압축기 쉬라우드가 이동함으로써, 압축기와 압축기 쉬라우드 사이에 형성되는 유로차단을 방지할 수 있는 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈의 요부 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈(100)은, 샤프트(110)와, 샤프트(110)의 일단에 장착되는 압축기(120)와, 압축기(120)로부터 고압의 가스를 공급받는 연소기(130)와, 연소기(130)로부터 고온·고압의 가스를 공급받는 터빈(140)과, 압축기(120)에 장착되는 압축기 쉬라우드(150)와, 샤프트(110)에 장착되는 베어링(160) 및 압축기 쉬라우드(150)와 연결되는 베어링 하우징(170)을 포함한다.
샤프트(110)는 터빈(140) 등 회전체의 회전에 의한 동력을 전달하는 구성이다. 샤프트(110)의 양단에는 각각 압축기(120)와 터빈(140)이 장착되며, 또한, 샤프트(110)에는 하중을 지지하기 위한 베어링(150)이 장착된다.
압축기(120)는 외부로부터 가스를 공급받아 고압의 가스를 발생시키는 구성이다. 압축기(120)는 모터(미도시)에 의해 초기에 구동이 되며, 회전함으로써 외부로부터 공급되는 가스를 압축하여 고압의 가스를 발생시킨다. 이때, 외부로부터 압축기(120)에 공급되어 압축된 가스는 약 200℃ 정도의 온도가 된다.
연소기(130)는 압축기(120)로부터 공급받은 고압의 가스로부터 고온·고압의 가스를 발생시키기 위한 구성이다. 연소기(130)에는 연료를 공급하기 위한 연료 공급관이 연통되고, 점화기가 설치된다. 즉, 연소기(130)는 압축기(120)로부터 공급받은 고압의 가스와 연료가 혼합된 혼합가스를 점화기를 통하여 점화하여 연소시킴으로써 고온·고압의 가스를 발생시키는 구성이다.
연소기(130)에서 압축기(120)로부터 공급되는 고압의 가스가 연소되는 경우, 연소기(130)의 온도는 매우 높으며, 본 실시예에서 연소기(130)의 온도는 약 1000℃ 정도이다. 이러한 고온에 의하여 연소기(130)에 인접한 구성에 열응력이 가해되며, 이는 장치 변형의 원인으로 작용한다. 이때, 10℃가 상승하는 경우 100mm 당 1㎛ 정도의 장치의 변형이 발생하게 되므로, 본 실시예와 같이 상대적으로 장치의 크기가 작은 초소형 가스터빈(100)의 경우에는 큰 문제점으로 작용한다.
터빈(140)은 연소기(130)에서 발생한 고온·고압의 가스로부터 에너지를 전달받아 동력을 발생하기 위한 구성이다. 터빈(140)은 압축기(120)와 함께 샤프트(110)에 설치된다.
압축기 쉬라우드(shroud)(150)는 압축기(120)의 온도 및 압력에 따라 임펠러가 마모되는 강한 작동조건을 견디기 위하여 임펠러 등을 차폐하는 구성으로서, 압축기(120)와 소정 간격 이격되어 장착된다. 압축기 쉬라우드(150)와 압축기(120) 사이의 공간은 외부로부터 공급되는 공기의 유동경로가 되며, 이 외부 공기는 압축되어 연소기(130)로 공급된다. 한편, 압축기 쉬라우드(150)는 베어링 하우징(170)과 연결되며, 바람직하게는 나사결합 된다. 이에 대해서는 후술한다.
베어링(160)은 압축기(120)와 터빈(140)의 회전에 의하여 샤프트(110)에 가해지는 하중을 지지하기 위한 구성이다. 베어링 하우징(170)은 내부에 베어링(160)이 수용되는 구성이며, 압축기 쉬라우드(150)와 상호 결합된다.
도 2는 도 1의 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈의 열응력이 가해진 경우의 문제점을 도시한 도면이다. 상술한 바와 같이, 연소기(130)의 온도는 약 1000℃ 정도이며 이러한 고온에 의하여 연소기(130)에 인접한 구성에 열응력이 가해되는데, 이는 장치 변형의 원인으로 작용한다. 이러한 열응력에 의하여, 연소기(130)에 이웃하는 베어링(160)이 변형되며, 이에 따라, 베어링 하우징(170)도 영향을 받게된다.
즉, 베어링(160)의 변형에 따라 베어링 하우징(170)도 변형되며, 이러한 변형은 압축기(120)에 영향을 미치게 된다. 도 2를 참조하면, 압축기(120)와 압축기 쉬라우드(150) 간의 유동경로를 차폐하게 되며, 이는 외부로부터 공급되는 양이 줄어들게 되어 초소형 가스터빈(100)의 전체적인 성능 저하 등의 문제가 된다.
도 3은 도 1의 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈의 베어링에 열응력이 가해진 상태를 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 압축기 쉬라우드(150)와 베어링 하우징(170)이 상호 연결되며, 이에 따라, 베어링 하우징(170)의 변형 정도에 따라 압축기 쉬라우드(150)가 이동하므로 압축기(120)와 압축기 쉬라우드(150) 간의 유동경로는 일정한 폭을 유지하게 된다. 즉, 베어링(160)의 변형에 따라 베어링 하우징(170)이 변형되며, 이 변형에 따라 압축기 쉬라우드(150)가 이동하므로, 유동경로가 일정한 폭을 유지하게 된다.
지금부터는 본 발명의 제1실시예에 따른 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈의 작동에 대하여 설명한다.
모터(미도시)를 구동하여 압축기(120)가 회전하면 압축기(120)로 유입된 외부 가스는 압축되어 고압의 가스가 된다. 이때 압축기(120)에서 압축된 가스의 온도는 약 200℃ 정도이다.
압축기(120)에서 압축된 가스는 연소기(130) 측으로 유입된다. 한편, 연소기(130)와 연통되는 연료 공급관(미도시)으로부터 연소기(130) 내부에는 연료가 유입되며, 압축된 고압상태의 가스와 연료가 혼합된다. 이후, 점화기에 의하여 혼합가스가 연소되어 고온·고압 상태의 가스가 된다. 이때 연소기(130) 내부의 온도는 약 1000℃ 정도이다.
연소기(130)에서 발생된 고온·고압의 가스는 터빈(140)에 공급되어 에너지를 전달하며, 이 후 터빈(140)은 회전하여 동력을 발생한다. 터빈(140)에서 발생된 배기가스는 외부로 배출된다.
이때, 1000℃ 정도의 높은 온도를 갖는 연소기(130)에 의하여 연소기(130)에 이웃한 구성에 열응력이 가해지며, 본 실시예에서 베어링(150)에 열응력이 가해진다. 이때, 압축기 쉬라우드(150)와 베어링 하우징(170)이 상호 연결되며, 베어링 하우징(170)의 변형 정도에 따라 압축기 쉬라우드(150)가 이동한다. 이에 따라, 압축기(120)와 압축기 쉬라우드(150) 간의 유동경로는 일정한 폭을 유지하게 된다. 즉, 베어링(160)의 변형에 따라 베어링 하우징(170)이 변형되며, 이 변형에 따라 압축기 쉬라우드(150)가 이동하므로, 유동경로가 일정한 폭을 유지하게 된다.
다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈에 대하여 설명한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈은, 고온의 가스가 발생하는 연소기에 의하여 배출배관에 열응력이 가해지더라도, 배출배관을 신축가능하게 마련함으로써 장치의 변형을 최소화하여 내구성 등이 향상되는 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈에 관한 것이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈의 요부 단면도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈(200)은, 샤프트(110)와, 샤프트(110)의 일단에 장착되는 압축기(120)와, 압축기(120)로부터 고압의 가스를 공급받는 연소기(130)와, 연소기(130)로부터 고온·고압의 가스를 공급받는 터빈(140)과, 압축기(120)에 장착되는 압축기 쉬라우드(150)와, 샤프트(110)에 장착되는 베어링(160)과, 압축기 쉬라우드(150)와 연결되는 베어링 하우징(170) 및 터빈(140)에 연결되는 배출배관(280)을 포함한다.
배출배관(280)은 터빈(140)에서 발생한 배기가스를 초소형 가스터빈(100) 외부로 배출하기 위한 구성으로서, 터빈(140)의 일단부와 연결되며, 연소기(130)와 인접하여 마련된다.
배출배관(280)은 신축가능하게 마련되며, 구체적으로, 배출배관(280)은 적어도 일부가 벨로우즈 형태로 마련되어 신축가능하다. 터빈(140)으로부터 배출되는 배기가스는 소정의 열이 다른 구성에 흡수되어 약 600~700℃의 온도를 갖는다. 한편, 상술한 바와 같이 연소기(130) 내부의 온도는 약 1000℃ 이므로 배출배관(280)과 연소기(130) 사이에는 큰 온도차가 발생하며, 연소기(130) 측의 압력이 배기가스 측의 압력보다 크다. 이러한 이유 등으로 인해 배출배관(280)에는 열응력이 가해지게 된다. 이때, 배출배관(280)은 소정간격 신축 가능하게 마련됨으로써, 열응력이 가해지더라도 소정간격 신축되어 장치가 변형되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 배출배관(280)은 터빈(140)의 단부, 구체적으로는 터빈 쉬라우드(240)의 단부에 설치되며, 터빈 쉬라우드(240)의 일단부의 일영역에는 소정의 경사가 형성되는 제2경사부(241)가 마련된다. 구체적으로, 터빈 쉬라우드(240)의 일단부는 직경이 배출배관(280) 보다 작게 마련되어 터빈 쉬라우드(240)의 일부는 배출배관(280) 내부에 삽입되며, 배출배관(280)에 삽입되는 터빈 쉬라우드(240)의 일단부의 일영역에는 소정의 경사가 형성되는 제2경사부(241)가 마련된다.
한편, 터빈 쉬라우드(240)와 연결되는 배출배관(280)의 일단에는 터빈 쉬라우드(240)에 형성된 제2경사부(241)와 대응되는 경사를 갖는 제1경사부(281)가 형성된다.
또한, 배출배관(280)의 단부는 터빈 쉬라우드(240)으로부터 소정간격 이격되도록 마련된다. 구체적으로, 배출배관(280) 내부에 삽입되지 않는 터빈 쉬라우드(240)의 부분으로부터 배출배관(280)은 소정간격 이격되도록 마련된다.
배출배관(280)에 열응력이 가해지면 벨로우즈의 신축에 의하여 배출배관(280)의 길이가 길어지게 되며, 이때 제1경사부(281)와 제2경사부(241) 및 터빈 쉬라우드(240)와 소정간격 이격되도록 배치되는 배출배관(280)의 일단에 의해, 보다 효율적으로 열응력에 의한 장치 변형을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 고온의 가스가 발생하는 연소기에 의하여 연소기와 이웃하는 구성에 열응력이 가해져 변형되더라도, 변형 정도에 따라 인접한 구성이 이동됨으로써, 구성의 변형에 대응할 수 있는 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈이 제공된다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100 : 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈
110 : 샤프트 120 : 압축기
130 : 연소기 140 : 터빈
150 : 압축기 쉬라우드 160 : 베어링
170 : 베어링 하우징 240 : 터빈 쉬라우드
241 : 제2경사부 280 : 배출배관
281 : 제1경사부

Claims (5)

  1. 샤프트에 장착되며, 외부로부터 가스를 공급받아 고압 가스를 발생시키는 압축기;
    상기 압축기로부터 고압 가스를 공급받아 고온 고압 가스를 발생시키는 연소기;
    상기 샤프트에 장착되며, 상기 연소기에서 공급되는 고온 고압 가스로부터 에너지를 공급받아 동력을 발생시키는 터빈;
    상기 압축기와 소정간격 이격되어 외부 공기의 유동경로를 형성하는 압축기 쉬라우드;
    내부에 상기 샤프트에 가해지는 하중을 지지하는 베어링을 수용하며, 상기 연소기에 의한 열응력이 가해지는 경우 상기 유동경로의 차폐가 방지되도록, 상기 압축기 쉬라우드와 결합되는 베어링 하우징; 및
    신축가능하게 마련되어 상기 터빈의 일단부와 연결되며, 상기 터빈에서 발생하는 배기가스를 배출하는 배출배관을 포함하며,
    상기 배출배관은 상기 터빈에 장착되는 터빈 쉬라우드에 연결되며, 상기 터빈 쉬라우드의 일단과 상기 배출배관은 배기가스의 유동방향을 따라 소정간격 이격되고,
    상기 터빈 쉬라우드와 연결되는 상기 배출배관의 일단부는 소정의 경사를 형성하는 제1경사부가 형성되며,
    상기 터빈 쉬라우드에는 상기 제1경사부에 대응되는 제2경사부가 형성되고,
    상기 제1경사부와 상기 제2경사부는 접촉을 유지하며 열변형시 접촉면을 따라 슬라이딩될 수 있는 것을 특징으로 하는 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베어링 하우징은 상기 압축기 쉬라우드와 나사결합되는 것을 특징으로 하는 열응력으로 인한 손상 방지구조를 갖는 초소형 가스터빈.
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