KR101695374B1 - 폐열을 이용한 소형 발전터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐열을 이용한 소형 발전터빈에 관한 것으로서, 제1 샤프트에 장착되며, 유입되는 스팀에 의해서 회전하면서 유입된 스팀을 일방향으로 이송시키는 제1 터빈; 제1 터빈의 종단에서 소정거리 이격되어 배치되며, 축방향을 따라 이동하는 스팀의 토출압력이 증대되도록 토출방향을 향하여 관경이 작아지도록 양단으로 관통공이 형성되는 폐열 증폭부; 및 폐열 증폭부의 종단에 인접하여 배치되며, 제1 샤프트에 직각방향으로 배치되는 제2 샤프트에 결합되어 폐열 증폭부에서 토출되는 스팀으로 회전하는 제2 터빈;을 포함한다.
본 발명에 의하면, 스팀에 의해서 제1 터빈이 회전하면서 생산되는 전력이 축전부에 저장되고, 제1 터빈에서 사용된 스팀, 즉, 폐열을 이용하여 제2 터빈을 회전시켜 전력을 생산하여 축전부에 축전시킴으로써 발전기의 효율을 높이면서 단시간에 많은 양의 전력을 축전할 수 있다.

Description

폐열을 이용한 소형 발전터빈{Small turbine generator using waste heat}

본 발명은 폐열을 이용한 소형 발전터빈에 관한 것으로서, 스팀터빈에서 발생하는 폐열을 재활용하여 발전 터빈의 발전 효율을 증가시킬 수 있는 폐열을 이용한 소형 발전터빈에 관한 것이다.

전 세계적으로 전력수요는 매년 늘어나고 있는 추세이다. 그러나 전력 공급능력은 전력의 수요를 따라 가지 못해 여름 또는 겨울 등 전력의 수요가 많은 시기에 전력 비상사태를 맞이하게 되는 경우가 있다. 이러한 이유로 하절기뿐만 아니라 동절기에는 전기난방의 기하급수적인 증가로 전력의 피크가 빈번하게 발생하며, 우리나라는 전력 수급의 어려움으로 많은 어려움에 처해 있다.

전력의 주 공급은 원전을 통하여 많은 양이 공급되고 있지만, 우리나라뿐만 아니라 세계적으로 원전의 안정성에 대한 신뢰가 저하되고 있다. 또한, 원유 및 천연가스를 이용한 발전을 통해 전력을 공급하기도 하지만, 화석연료는 매장자원의 한계가 있고, 원유 및 천연가스의 가격이 지속적으로 상승할 수 있기 때문에 온실난방의 주요연료로 사용하는 것에 대한 부담이 있다.

이러한 이유로 바이오 메스 등의 대체 에너지를 이용하는 방법은 석유 수입국가인 우리나라에서 매우 중요한 이슈로 자리 잡고 있다.

근래에서 산업체에서 발생되는 폐열을 회수하여 이를 발전(에너지) 시스템에 적용하여 폐열을 낭비하지 않고 재사용함으로써 에너지 효율을 높일 수 있는 기술에 관심이 모아지고 있는 실정이다.

예를 들어, 각종 로 또는 소결 공정 등에서 열을 갖는 고온의 배기가스 등을 배출하는 제철 공장이나 소석회 가공 과정에서 발생되는 고온의 배기가스로부터 폐열을 회수하여 이를 발전 시스템에 적용하는 예가 있다. 또한, 해수의 온도차나, 산업 현장의 폐열을 이용한 발전시스템을 연구하고 있으나, 발전용 작동 유체를 액체와 같은 물을 이용하는 경우 그 온도차가 250℃ 이상이어야 하기 때문에, 상업화가 어려운 것이다. 하지만 이러한 시스템은 대형설비로 이루어지므로 농가용 발전 등으로 소형증기 터빈 시스템에 적용하기에 어려운 측면이 있다.

따라서 농가 등에서는 소형 발전 터빈을 사용하는데, 이러한 일반적으로 증기 터빈을 이용한 발전은 보일러에서 고온, 고압의 증기를 발생시키고 이러한 증기를 이용하여 터빈을 가동시킴으로써 발전기를 구동시키는 것을 기본 사이클로 한다. 하지만, 터빈을 가동시키기 위해서 사용한 증기가 외부로 방출되어 버려짐으로써 발전기를 구동시킬 때의 에너지 효율을 높이기 어려운 문제점이 있어 버려지는 증기를 효율적으로 재활용함으로써 발전기의 효율을 증대시키고 이산화탄소량을 감소시킬 수 있는 방법의 필요성이 증대되고 있다.

(한국공개특허 제2009-0045155호, 2009년05월07일)

본 발명의 목적은 농가용 등과 같이 소형 발전 시설에 적용하는 스팀터빈 사용시 사용되는 스팀을 재활용하여 발전시킴으로써 발전 효율을 높일 수 있는 폐열을 이용한 소형 발전터빈을 제공하는데 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 스팀 터빈의 폐열을 이용하여 발전용량을 증대시킬 수 있는 폐열을 이용한 소형 발전터빈은 제1 샤프트에 장착되며, 유입되는 스팀에 의해서 회전하면서 유입된 스팀을 일방향으로 이송시키는 제1 터빈; 제1 터빈의 종단에서 소정거리 이격되어 배치되며, 축방향을 따라 이동하는 스팀의 토출압력이 증대되도록 토출방향을 향하여 관경이 작아지도록 양단으로 관통공이 형성되는 폐열 증폭부; 및 폐열 증폭부의 종단에 인접하여 배치되며, 제1 샤프트에 직각방향으로 배치되는 제2 샤프트에 결합되어 폐열 증폭부에서 토출되는 스팀으로 회전하는 제2 터빈;을 포함한다.

여기서, 제1 터빈은 레디얼 터빈이며 제2 터빈은 임펄스 터빈일 수 있다.

여기서, 폐열 증폭부는 내주면에 토출방향을 향하여 복수의 홈이 형성되어 유입되는 스팀의 토출속도를 증대시킬 수 있다.

여기서, 홈은 하방향으로 단면의 폭이 좁아지도록 형성된 사다리꼴 형상으로 형성될 수 있다.

여기서, 폐열 증폭부는 선단의 둘레방향에서 스팀의 토출방향을 향하여 돌출형성되는 고정부를 구비하고 고정부는 제1 터빈, 상기 폐열 증폭부 및 제2 터빈을 수용하는 본체의 내주면에 고정될 수 있다.

본 발명에 의한 폐열을 이용한 소형 발전터빈은 스팀에 의해서 제1 터빈이 회전하면서 생산되는 전력이 축전부에 저장되고, 제1 터빈에서 사용된 스팀, 즉, 폐열을 이용하여 제2 터빈을 회전시켜 전력을 생산하여 축전부에 축전시킴으로써 발전기의 효율을 높이면서 단시간에 많은 양의 전력을 생산할 수 있다.

또한, 사용하는 에너지양을 감소시킴과 동시에 이산화탄소 배출량을 감소시켜 세계적으로 이슈화되고 있는 이산화탄소 감소정책에 부합할 수 있다.

도 1은 본 발명에 실시예에 따른 폐열을 이용한 소형 발전터빈의 구상도이다.
도 2는 본 발명에 실시예에 따른 폐열을 이용한 소형 발전터빈의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폐열을 이용한 소형 발전터빈의 제1 샤프트의 고정부를 A 방향에서 바라본 도면이다.
도 4는 본 발명에 실시예에 따른 폐열을 이용한 소형 발전터빈의 폐열 증폭부의 사시도이다.
도 5는 도 4의 B-B 방향 단면도이다.
도 6은 도 4의 C-C 방향 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "~상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 실시예에 따른 폐열을 이용한 소형 발전터빈의 구상도이며, 도 2는 본 발명에 실시예에 따른 폐열을 이용한 소형 발전터빈의 개략적인 단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폐열을 이용한 소형 발전터빈의 제1 샤프트의 지지구를 A 방향에서 바라본 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 폐열 회수 발전 터빈은 제1 터빈(100), 폐열 증폭부(200) 및 제2 터빈(300)을 포함하여 구성된다.

제1 터빈(100), 폐열 증폭부(200) 및 제2 터빈(300)은 본체(10) 내에 수용되도록 일방향을 따라 일렬로 배치된다.

제1 터빈(100)은 본체(10)내에서 제1 샤프트(110)에 의해서 지지되며 유입되는 스팀(s)에 의해서 회전하면서 발전하고, 발전된 전력은 축전부(400)에 저장된다. 이때, 제1 터빈(100)을 회전시킨 스팀(s)은 제1 샤프트(110)의 일방향을 따라 이동하여 폐열 증폭부(200)로 전달된다.

제1 터빈(100)은 레디얼 터빈으로 형성되는 것이 바람직하며, 레디얼 터빈에 복수로 마련된 블레이드에 의해서 스팀은 어느 정도 압축되면서 일방향을 따라 이동할 수 있게 된다.

제1 샤프트(110)의 종단에는 제1 샤프트(110)를 지지하는 지지부(111)가 배치된다. 지지부(111)는 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 샤프트(110)를 중심으로 방사방향으로 배치되는 복수의 날개(112)를 구비한다. 방사방향으로 배치된 날개(112)의 폭은 그 폭이 제1 샤프트(100)의 직경보다 좁도록 형성되어 스팀이 일방향을 따라 이동하는 것을 방해하지 않도록 할 수 있다.

한편, 날개(112)는 반경방향을 따라 복수의 홀(113)이 형성된다. 복수의 홀(113)은 스팀이 일방향을 따라 이동할 때에, 스팀의 흐름에 저항이 발생하는 것을 감소시켜 스팀의 토출속도가 감소되는 것을 방지할 수 있다. 이때, 홀의 직경은 반경을 향하여 도 3 (a)의 화살표 방향을 따라 직경이 커지도록 형성됨으로써 반경방향을 향하여 유속이 상대적으로 큰 유체의 흐름이 원활해지도록 유도할 수 있다.

또한, 홀(113)은 유출방향의 반경방향을 향하여 소정각도 비틀어져 형성됨으로써 후방에 배치되어 단면의 폭이 좁아지도록 형성되어 있는 폐열 증폭부(200)를 따라 스팀이 원활하게 유입되도록 할 수 있다.

또한, 제1 샤프트(110)와 맞닿는 내주면에 베어링(미도시)의 구비되어 마찰로 인한 에너지 손실을 저감시킬 수 있다.

폐열 증폭부(200)는 제1 터빈(100)의 종단에서 소정거리 이격되어 배치되며, 제1 터빈(100)으로부터 전달된 스팀을 제1 샤프트(110)의 축방향을 따라 이동시키면서 스팀의 토출압력을 증대시켜 스팀을 제2 터빈(300)으로 토출시키는 역할을 한다.

이를 위하여 폐열 증폭부(200)는 양단으로 관통공이 형성되어 스팀의 토출방향을 향하여 관경이 작아지도록 형성되는 유로를 형성한다. 이와 같이 형성된 폐열 증폭부(200)는 스팀을 일방향을 따라 이동시키면서 스팀의 토출압력을 증대시켜 폐열 증폭부(200)의 후방에 배치되어 있는 제2 터빈(300)을 회전시킬 수 있는 증폭된 폐열을 제공한다.

한편, 폐열 증폭부(200)의 선단은 본체(10)와 맞닿는 면에 고정부(210)가 형성된다. 고정부(210)는 페열 증폭부(200)를 본체(10) 내주면에 고정시키는 역할을 한다. 고정부(210)는 폐열 증폭부(200)의 둘레방향에서 스팀의 토출방향을 향하여 일방향을 따라 돌출 형성되고, 본체(10)는 고정부(210)의 돌출길이와 대응되는 홈이 형성된다. 따라서, 고정부(210)는 스팀의 토출압력이 작용하여도 본체(10)의 홈에 고정되어 축방향을 따라 발생하는 압력에도 폐열 증폭부(200)가 본체(10)에서 분리되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 폐열 증폭부(200)와 출구(0)와 제2 터빈(300)의 입구 사이에는 어댑터(230)가 구비되어 어댑터(230)를 따라 스팀이 제2 터빈(300)으로 유입되도록 유도할 수 있다.

제2 터빈(300)은 폐열 증폭부(200)의 종단에 인접하여 배치되며, 제1 샤프트(110)에 직각방향으로 배치되는 제2 샤프트(310)에 결합되어 폐열 증폭부(200)에서 토출되는 스팀으로 회전하면서 발전하며, 발전된 전력은 축전부(400)에 저장한다. 제2 터빈(100)은 임펄스 터빈으로 형성되는 것이 바람직하며, 임펄스 터빈의 종단은 본체(10)를 관통하여 배치되어 회전하면서 배출되는 스팀을 외부로 바로 배출할 수 있다.

한편, 제2 터빈(300)의 몸체(320) 내측은 상방향을 향하여 단면의 직경이 작아지도록 형성되어 유입되는 스팀의 압력이 증가됨으로써 제2 터빈(300)의 회전력을 증대시킬 수 있다.

이와 같이, 스팀에 의해서 제1 터빈(100)이 회전하면서 생산되는 전력이 축전부(400)에 저장되고, 제1 터빈(100)에서 사용된 스팀, 즉, 폐열을 이용하여 제2 터빈(300)을 회전시켜 전력을 생산하여 축전부(400)에 축전시킴으로써 발전기의 효율을 높이면서 단시간에 많은 양의 전력을 축전할 수 있으며, 사용하는 에너지양을 감소시킴과 동시에 이산화탄소 배출량을 감소시킬 수 있다.

도 4는 본 발명에 실시예에 따른 폐열을 이용한 소형 발전터빈의 폐열 증폭부의 사시도이며, 도 5는 도 4의 B-B 방향 단면도이고, 도 6은 도 4의 C-C 방향 단면도이다.

도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 폐열 증폭부를 더욱 상세히 설명한다.

폐열 증폭부(200)는 선단에서 종단을 향하여 단면의 직경이 작아지는 원통형상으로 형성된다. 따라서 유입되는 스팀은 폐열 증폭부(200)를 따라 이동하면서 토출압력이 증가하게 된다.

폐열 증폭부(200)의 선단은 고정부(210)가 형성된다. 고정부(210)는 본체(10) 내주면에 형성된 홈에 고정될 수 있도록 폐열 증폭부(200)의 선단의 둘레방향에서 상방향으로 돌출된다.

한편, 폐열 증폭부(200)의 내주면에는 복수의 홈(220)이 형성된다. 홈(220)은 하방향으로 홈의 폭이 좁아지도록 사다리꼴 형상으로 형성된다. 이때, 입구(E)에서 출구(O)을 향하여 동일한 반경에 위치하도록 형성된다. 홈(220)이 동일한 반경에 위치하도록 형성되면 스팀이 토출될 때에 폐열 증폭부(200)의 종단에서 와류가 발생하는 것을 방지하여 토출될 때에 와류로 인한 속도 저감을 방지할 수 있다. 만약, 홈이 나선형상으로 형성되면, 홈을 따라 흐르는 스팀의 속도를 증가시킬 수 있지만, 종단에서 와류가 발생하여 와류로 인해서 종단에서 속도가 감소되어 결과적으로 동일한 반경에 위치하도록 형성되는 것 보다 속도가 감소되는 문제점이 발생하게 된다.

또한, 홈(220)은 입구(E)에서 출구(O) 쪽으로 형성될 때에 폭이 좁아지도록 형성될 수 있다. 홈(220)의 폭이 입구(E) 지도록 형성됨으로써 스팀이 바깥으로 토출될 때의 압력을 단계적으로 증가시킴으로써 토출압력을 증가시키는 효과를 유발시킬 수 있다.

또한, 출구(0) 측의 종단 모서리부는 둥글게 처리는 것이 바람직하다. 이와 같이 둥글게 형성됨으로써 종단에서 토출되는 스팀이 둥글게 형성된 면을 따라 자연스럽게 제2 터빈 내부로 스팀을 이송시킬 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

10 : 본체 100 : 제1 터빈
110 : 제1 샤프트 111 : 지지부
112 : 날개 113 : 홀
200 : 폐열 증폭부 210 : 고정부
220 : 홈 300 : 제2 터빈
310 : 제1 샤프트 320 : 몸체
321 : 스팀 가이드

Claims (5)

1. 스팀 터빈의 폐열을 이용하여 발전용량을 증대시킬 수 있는 폐열 회수 발전 터빈에 있어서,
   제1 샤프트에 장착되며, 유입되는 스팀에 의해서 회전하면서 상기 유입된 스팀을 일방향으로 이송시키는 제1 터빈;
   상기 제1 터빈의 종단에서 소정거리 이격되어 배치되며, 축방향을 따라 이동하는 스팀의 토출압력이 증대되도록 토출방향을 향하여 관경이 작아지도록 양단으로 관통공이 형성되는 폐열 증폭부; 및
   상기 폐열 증폭부의 종단에 인접하여 배치되며, 상기 제1 샤프트에 직각방향으로 배치되는 제2 샤프트에 결합되어 상기 폐열 증폭부에서 토출되는 스팀으로 회전하는 제2 터빈;을 포함하는 폐열을 이용한 소형 발전터빈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 터빈은 레디얼 터빈이며 상기 제2 터빈은 임펄스 터빈인 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 소형 발전터빈.
3. 제1항에 있어서,
   상기 폐열 증폭부는,
   내주면에 토출방향을 향하여 복수의 홈이 형성되어 상기 유입되는 스팀의 토출속도를 증대시키는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 소형 발전터빈.
4. 제3항에 있어서,
   상기 홈은,
   하방향으로 단면의 폭이 좁아지도록 형성된 사다리꼴 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 소형 발전터빈.
5. 제3항에 있어서,
   상기 폐열 증폭부는,
   선단의 둘레방향에서 스팀의 토출방향을 향하여 돌출형성되는 고정부를 구비하고,
   상기 고정부는,
   상기 제1 터빈, 상기 폐열 증폭부 및 제2 터빈을 수용하는 본체의 내주면에 고정되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 소형 발전터빈.

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