KR101696435B1 - 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체 - Google Patents

공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체 Download PDF

Info

Publication number
KR101696435B1
KR101696435B1 KR1020150068108A KR20150068108A KR101696435B1 KR 101696435 B1 KR101696435 B1 KR 101696435B1 KR 1020150068108 A KR1020150068108 A KR 1020150068108A KR 20150068108 A KR20150068108 A KR 20150068108A KR 101696435 B1 KR101696435 B1 KR 101696435B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fan
turbine
cooling
housing
air
Prior art date
Application number
KR1020150068108A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20150132026A (ko
Inventor
정현욱
Original Assignee
정현욱
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 정현욱 filed Critical 정현욱
Publication of KR20150132026A publication Critical patent/KR20150132026A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101696435B1 publication Critical patent/KR101696435B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B11/00—Compression machines, plants or systems, using turbines, e.g. gas turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B11/00—Compression machines, plants or systems, using turbines, e.g. gas turbines
    • F25B11/02—Compression machines, plants or systems, using turbines, e.g. gas turbines as expanders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/004—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/06—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using expanders

Abstract

공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체는 쿨링 터빈, 팬, 메인 하우징, 및 팬 유로 하우징을 포함한다. 쿨링 터빈은 회전축의 일측에 결합되며, 압축 공기가 부딪히는 힘으로 회전력을 얻고, 압축 공기를 팽창 및 냉각시킨다. 팬은 회전축의 타측에 결합되어 쿨링 터빈과 함께 회전하며, 쿨링 터빈을 향한 일측에 흡입 유로를 형성하고, 회전에 의한 흡인력으로 대기 공기를 유입시킨다. 메인 하우징은 쿨링 터빈과 팬 사이에 위치한다. 팬 유로 하우징은 팬과 메인 하우징 사이에서 흡입 유로와 접하도록 설치되며, 내부에 단열 공간을 형성하여 흡입 유로를 통과하는 대기 공기의 열이 쿨링 터빈 측으로 전달되는 것을 차단한다.

Description

공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체 {COOLING TURBINE ASSEAMBLY FOR AIR CYCLE SYSTEM}
본 발명은 공기 사이클 시스템에 적용되는 쿨링 터빈 조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쿨링 터빈의 회전축에 팬이 부착된 쿨링 터빈 조립체에 관한 것이다.
역 브레이튼 사이클(Reverse Brayton Cycle)이라 불리는 시스템 원리를 바탕으로 하는 공기 사이클 시스템은 압축 공기를 대기 공기와 열교환시켜 압축 공기의 온도를 낮춘 후 쿨링 터빈을 통과시키면서 팽창에 의한 냉각 효과를 얻는 시스템을 통칭한다.
공기 사이클 시스템에 적용되는 쿨링 터빈은 크게 두 가지 종류로 분류될 수 있다. 첫째는 쿨링 터빈의 회전축에 압축기를 부착하여 외부에서 공급된 압축 공기를 재압축하는 방식이고, 둘째는 쿨링 터빈의 회전축에 팬을 부착하여 팬의 흡인력으로 대기 공기를 유입시켜 고온의 압축 공기와 열교환 후 배출하는 방식이다.
쿨링 터빈의 회전축에 팬이 부착된 방식은 다시 팬의 후단에 고온의 압축 공기와 대기 공기를 열교환시키는 열교환기가 위치하여 팬에서 대기 공기를 흡입한 후 토출압으로 열교환기를 통과시키는 방식과, 팬의 전단에 열교환기가 위치하여 팬의 흡인력으로 열교환기를 통과시키는 방식으로 나뉠 수 있다.
팬의 후단에 열교환기가 위치하는 경우, 팬에서 발생한 마찰열 및 압축열로 인하여 열교환기를 통과하기 전 공기의 온도가 상승하는 문제가 있고, 팬의 전단에 열교환기가 위치하는 경우, 상대적으로 낮은 공기 온도로 열교환기의 효율을 높일 수 있지만, 열교환기를 통과하며 높은 온도로 가열된 공기에 의해서 팬 및 쿨링 터빈 조립체 전체의 온도가 상승하는 문제가 있다.
또한, 상기 어느 방식이든 팬의 흡입측이 팬측 베어링 하우징을 향하고 있는 경우, 팬의 흡입측에 발생하는 진공압으로 인하여, 쿨링 터빈 조립체의 베어링 윤활용 오일 및 유증기가 팬 씰(fan seal)을 통과하여 팬의 흡입측으로 누설되는 문제가 있다. 이러한 오일 및 유증기의 누설은 오일의 보충 주기를 단축시킨다.
한편, 쿨링 터빈은 유입되는 압력이 높기 때문에 터빈의 뒷면으로 배압이 형성되고, 역시 공기 및 이에 함유된 응축수가 터빈 씰(turbine seal)을 통과하여 터빈 조립체의 저유 공간으로 유입되는 문제를 일으킬 수 있다.
한국 등록특허 제1094851호 '공기 압축식 냉동장치' (출원인: 한온시스템)
본 발명은 고온의 압축 공기와 열교환을 마친 대기 공기에 의해 쿨링 터빈 조립체가 가열되는 것을 방지하고, 쿨링 터빈의 뒷면으로 노출되는 공기 및 응축수가 쿨링 터빈 조립체의 저유 공간으로 유입되는 것을 방지할 수 있는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체는 쿨링 터빈, 팬, 메인 하우징, 및 팬 유로 하우징을 포함한다. 쿨링 터빈은 회전축의 일측에 결합되며, 압축 공기가 부딪히는 힘으로 회전력을 얻고, 압축 공기를 팽창 및 냉각시킨다. 팬은 회전축의 타측에 결합되어 쿨링 터빈과 함께 회전하며, 쿨링 터빈을 향한 일측에 흡입 유로를 형성하고, 회전에 의한 흡인력으로 대기 공기를 유입시킨다. 메인 하우징은 쿨링 터빈과 팬 사이에 위치한다. 팬 유로 하우징은 팬과 메인 하우징 사이에서 흡입 유로와 접하도록 설치되며, 내부에 단열 공간을 형성하여 흡입 유로를 통과하는 대기 공기의 열이 쿨링 터빈 측으로 전달되는 것을 차단한다.
팬과 팬 유로 하우징 사이에 진공 구간이 형성될 수 있고, 단열 공간의 일측은 진공 구간과 이어져 단열 공간에 진공압이 작용할 수 있다. 메인 하우징은 단열 공간의 다른 일측을 외부로 개방시키는 냉각 공기 공급구를 형성하여 진공압에 의해 단열 공간으로 외부의 냉각용 공기가 유입되도록 할 수 있다.
메인 하우징은 회전축의 중앙부와 회전축 외측의 베어링 하우징을 둘러싸며, 베어링 하우징의 외측에 베어링 윤활을 위한 오일 저유조를 형성할 수 있다. 쿨링 터빈 조립체는, 팬 유로 하우징의 내측에 설치되며 메인 하우징으로부터 오일 및 유증기가 팬 측으로 누설되는 것을 차단하기 위한 팬 씰(fan seal)을 더 포함할 수 있다.
메인 하우징과 쿨링 터빈 사이에 터빈 스크린이 설치될 수 있고, 터빈 스크린의 내측에 쿨링 터빈의 뒷면으로 공기가 누설되는 것을 차단하기 위한 1차 터빈 씰과, 베어링 하우징으로부터 오일 및 유증기가 쿨링 터빈 측으로 누설되는 것을 차단하기 위한 2차 터빈 씰이 설치될 수 있다.
터빈 스크린은 1차 터빈 씰과 2차 터빈 씰 사이의 공간과 연통하는 배압 배출 유로를 내부에 형성할 수 있다. 배압 배출 유로는 배압 배출관을 통해 팬의 흡입 유로와 연통하여 1차 터빈 씰에서 누설된 응축수를 함유한 공기를 팬의 흡입 유로로 배출할 수 있다. 메인 하우징과 터빈 스크린은 배압 배출 유로를 외부로 개방시키는 배압 조정구를 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체는 쿨링 터빈, 팬, 메인 하우징, 및 터빈 스크린을 포함한다. 쿨링 터빈은 회전축의 일측에 결합되며, 압축 공기가 부딪히는 힘으로 회전력을 얻고, 압축 공기를 팽창 및 냉각시킨다. 팬은 회전축의 타측에 결합되어 쿨링 터빈과 함께 회전하며, 쿨링 터빈을 향한 일측에 흡입 유로를 형성하고, 회전에 의한 흡인력으로 대기 공기를 유입시킨다. 메인 하우징은 회전축의 중앙부와 베어링 하우징을 둘러싼다. 터빈 스크린은 메인 하우징과 쿨링 터빈 사이에 설치되고, 내측에 쿨링 터빈의 뒷면으로부터 공기가 누설되는 것을 차단하기 위한 1차 터빈 씰과, 베어링 하우징으로부터 오일과 유증기가 누설되는 것을 차단하기 위한 2차 터빈 씰을 구비하며, 1차 터빈 씰과 2차 터빈 씰 사이의 공간과 연통하는 배압 배출 유로를 내부에 형성한다.
배압 배출 유로는 배압 배출관을 통해 팬의 흡입 유로와 연통하여 1차 터빈 씰에서 누설된 응축수를 함유한 공기를 팬의 흡입 유로로 배출할 수 있다. 메인 하우징과 터빈 스크린은 배압 배출 유로를 외부로 개방시키는 배압 조정구를 형성할 수 있다.
쿨링 터빈 조립체는, 팬과 메인 하우징 사이에서 흡입 유로와 접하도록 설치되며 내부에 단열 공간을 형성하여 흡입 유로를 통과하는 대기 공기의 열이 쿨링 터빈 측으로 전달되는 것을 차단하는 팬 유로 하우징을 더 포함할 수 있다.
팬과 팬 유로 하우징 사이에 진공 구간이 형성될 수 있고, 단열 공간의 일측은 진공 구간과 이어져 단열 공간에 진공압이 작용할 수 있다. 메인 하우징은 단열 공간의 다른 일측을 외부로 개방시키는 냉각 공기 공급구를 형성하여 진공압에 의해 단열 공간으로 외부의 냉각용 공기가 유입되도록 할 수 있다.
메인 하우징은 베어링 하우징의 외측에 베어링 윤활을 위한 오일 저유조를 형성할 수 있고, 팬 유로 하우징의 내측에 메인 하우징으로부터 오일 및 유증기가 팬 측으로 누설되는 것을 차단하기 위한 팬 씰이 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 팬에서 발생하는 진공압을 이용하여 별도의 냉각 장치 없이도 쿨링 터빈 조립체의 과열을 방지할 수 있고, 쿨링 터빈의 뒷면으로 누설되는 공기 및 응축수를 팬의 배기 공기와 함께 외부로 배출시켜 메인 하우징으로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 팬에서 발생하는 진공압을 이용하여 메인 하우징의 오일 및 유증기가 팬의 입구로 누설되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 쿨링 터빈 조립체가 설치된 공기 사이클 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 쿨링 터빈 조립체의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 쿨링 터빈 조립체가 설치된 공기 사이클 시스템의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 쿨링 터빈 조립체의 단면도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 쿨링 터빈 조립체(100)는 회전축(103)과, 회전축(103)의 일측(도면을 기준으로 우측)에 결합된 쿨링 터빈(101)과, 회전축(103)의 타측(도면을 기준으로 좌측)에 결합된 팬(102)을 포함한다. 쿨링 터빈(101)과 팬(102)은 동축 결합된다.
쿨링 터빈(101)은 쿨링 터빈 하우징(111)의 내측에 위치하고, 팬(102)은 팬 하우징(116)의 내측에 위치한다. 회전축(103)은 베어링(106)에 의해 회전이 지지되며, 회전축(103)의 중앙부와 베어링(106)은 메인 하우징(112)의 내측에 위치한다. 메인 하우징(112)의 양측에 쿨링 터빈 하우징(111)과 팬 하우징(116)이 결합된다.
쿨링 터빈(101)의 입구에는 압축 공기를 팽창 및 가속시키는 노즐(110)이 설치될 수 있다. 쿨링 터빈(101)은 노즐(110)을 통과한 고속의 압축 공기가 부딪히는 힘으로 회전력을 얻으며, 압축 공기를 더욱 팽창 및 냉각시킨다. 팬(102)은 쿨링 터빈(101)과 같이 회전하며, 회전에 의한 흡인력으로 대기 공기를 대기 열교환기(210) 내부로 유입시켜 고온의 압축 공기와 열교환 후 외부로 방출시킨다.
팬(102)의 흡입 유로(141)는 쿨링 터빈(101)을 향해 위치하며, 팬 하우징(116) 전체는 대기 열교환기(210)의 내부에 위치한다. 대기 열교환기(210)의 내부에서 팬(102)의 배출 유로(142)는 배기관(230)에 연결되어 열교환을 마친 대기 공기를 대기로 방출시킨다. 도 1에서 부호 220은 대기 열교환기(210)의 흡입 챔버를 나타낸다.
회전축(103)에는 발전기가 설치될 수 있다. 발전기는 공기 사이클 시스템을 제어하기 위한 전기를 생산한다. 발전기는 회전축(103)에 고정되어 회전축(103)과 함께 회전하는 회전자(104)와, 회전자(104)와 일정 틈새로 이격되면서 회전자(104)를 감싸는 고정자(105)로 구성된다.
메인 하우징(112)의 내측에 베어링 하우징(113)이 위치한다. 베어링(106)은 쿨링 터빈(101)을 향한 베어링 하우징(113)의 일측과, 팬(102)을 향한 베어링 하우징(113)의 타측에 설치될 수 있다. 메인 하우징(112)은 베어링 하우징(113)과의 사이 공간에 베어링 윤활을 위한 오일을 저장하는 오일 저유조(143)를 형성한다.
쿨링 터빈(101)의 뒷면에 터빈 스크린(114)이 설치된다. 터빈 스크린(114)은 쿨링 터빈 하우징(111)과 메인 하우징(112) 사이에 결합되며, 터빈 스크린(114)의 내측에 터빈 씰(seal)(107, 108)이 위치한다.
터빈 씰(107, 108)은 쿨링 터빈(101)의 뒷면으로 공기가 누설되는 것을 방지하기 위한 1차 터빈 씰(107)과, 베어링 하우징(113)으로부터 오일 및 유증기가 쿨링 터빈(101) 측으로 누설되는 것을 방지하기 위한 2차 터빈 씰(108)을 포함한다. 1차 터빈 씰(107)은 쿨링 터빈(101)을 향해 위치하고, 2차 터빈 씰(108)은 베어링 하우징(113)을 향해 위치한다.
메인 하우징(112)의 팬(102) 측으로 팬 유로 하우징(115)이 조립된다. 팬 유로 하우징(115)은 열교환을 마친 대기 공기가 흐르는 유로를 형성한다. 팬(102)과 팬 유로 하우징(115) 사이에는 진공 구간(122)이 형성된다. 팬 하우징(116)은 팬(102)을 원주 방향으로 감싸며, 팬(102)으로 흡입되어 배출되는 공기의 유로를 형성한다. 발전기의 고정자(105)는 팬 유로 하우징(115)의 내측에 고정될 수 있다.
팬 유로 하우징(115)의 내부에는 환형의 빈 공간으로 이루어진 단열 공간(121)이 형성된다. 단열 공간(121)은 팬(102)의 흡입 유로(141)를 통과하는 열교환을 마친 대기 공기의 열이 메인 하우징(112)의 내부로 전달되는 것을 차단하는 기능을 한다.
이때 메인 하우징(112)에는 단열 공간(121)과 연통하는 냉각 공기 공급구(120)가 형성되어 단열 공간(121)으로 외부의 냉각용 공기가 공급되도록 한다. 또한, 팬 유로 하우징(115)의 내측에는 메인 하우징(112)의 오일 및 유증기가 팬(102)의 입구로 누설되는 것을 방지하기 위한 팬 씰(seal)(109)이 설치될 수 있다.
터빈 스크린(114)의 내부에는 배압 배출 유로(131)가 형성되고, 배압 배출 유로(131)는 배압 배출관(132)을 통해 팬(102)의 흡입 유로(141)와 연통한다. 따라서 쿨링 터빈(101)의 뒷면으로 넘어오는 공기와 응축수는 배압 배출 유로(131)와 배압 배출관(132)을 통해 팬(102)의 흡입 유로(141)로 투입된다.
배압 배출 유로(131)는 메인 하우징(112)을 향한 터빈 스크린(114)의 뒷면과 이어지며, 배압 배출관(132)은 메인 하우징(112)의 내부에서 터빈 스크린(114)의 뒷면과 팬(102)의 흡입 유로(141) 사이에 설치된다. 배압 배출관(132)은 오일 저유조(143)의 외측에서 회전축(103)과 나란하게 위치할 수 있다.
터빈 스크린(114)과 메인 하우징(112)에는 배압 배출 유로(131)를 대기와 연통시키는 배압 조정구(130)가 형성될 수 있다. 배압 조정구(130)는 쿨링 터빈(101)의 뒷면으로 넘어오는 공기량이 과도할 경우 이 공기를 대기로 방출시키는 기능을 한다.
이하, 전술한 쿨링 터빈 조립체(100)의 작용에 대해 설명한다.
쿨링 터빈 하우징(111)으로 유입된 압축 공기에 의해 쿨링 터빈(101)이 회전하면, 쿨링 터빈(101)과 동축으로 결합된 팬(102) 역시 회전한다. 팬(102)의 흡입 유로(141)는 쿨링 터빈(101)을 향해 위치한다. 팬(102)의 회전에 의해 흡입 유로(141)에 진공압이 발생하고, 이에 따라 외부의 대기 공기가 대기 열교환기(210)를 통과하여 팬(102)의 흡입 유로(141)로 유입된다.
대기 열교환기(210)를 통과한 대기 공기의 온도는 공기 사이클 시스템의 운용 환경 등 여러 조건에 따라 상이할 수 있지만, 예를 들어 80℃ 내지 100℃라고 가정할 수 있다.
열교환을 마친 대기 공기가 팬(102)의 흡입 유로(141)를 따라 팬(102)으로 유입된 후 배기관(230)을 통해 외부로 배출되는 과정에서, 80℃ 내지 100℃에 이르는 고열의 공기는 쿨링 터빈 조립체(100)의 온도를 상승시키게 된다. 따라서 고열의 공기가 쿨링 터빈 조립체(100)의 온도를 상승시키는 것을 방지하기 위한 수단이 요구되는 것이다.
반면에 쿨링 터빈(101)에는 대기 열교환기(210)에 의해 1차 냉각된 압축 공기가 공급되는데, 1차 냉각된 압축 공기의 온도는 대략 40℃라고 가정할 수 있다. 쿨링 터빈(101)에는 상대적으로 저온의 공기가 유입되므로 쿨링 터빈 하우징(111)과 터빈 스크린(114) 등에는 과열로 인한 문제가 발생하지 않지만, 1차 냉각되는 과정에서 압축 공기 중에 생성된 응축수와 일부 압축 공기가 쿨링 터빈(101)의 뒷면으로 누설될 수 있다.
메인 하우징(112)은 오일 저유조(143)를 포함하고 있으므로, 압축 공기 중의 응축수가 메인 하우징(112)으로 누설되면 베어링 윤활을 위한 오일에 응축수가 섞이는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 팬(102)의 흡입 유로(141)에 형성되는 진공압으로 인해 또 다른 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어 팬(102)의 흡입 유로(141) 끝단, 즉 팬(102)의 바로 입구에서 진공압이 가장 높은데, 이 때문에 팬(102)과 팬 유로 하우징(115) 사이에 형성된 틈새에 상당히 큰 진공압이 작용하게 된다.
따라서 전술한 틈새에 연결된 진공 구간(122)의 진공압 역시 높을 수 밖에 없으며, 이러한 진공압에 의해 별도의 방지 수단이 없으면 메인 하우징(112)으로부터 오일 및 유증기가 혼합된 공기를 일정 부분 끌어들이게 된다. 이를 방지하기 위한 기본 수단으로서 팬 유로 하우징(115)의 내측에 팬 씰(109)이 제공되나, 진공압이 크면 누설이 생길 수 있다.
본 실시예의 쿨링 터빈 조립체(100)에서는 팬 유로 하우징(115)의 외벽과 내벽 사이에 환형의 빈 공간으로 이루어진 단열 공간(121)이 제공된다. 단열 공간(121)은 열교환을 마친 고온의 대기 공기가 팬(102)의 흡입 유로(141)를 통과하면서 메인 하우징(112)과 터빈 스크린(114) 등으로 열전달하는 것을 차단한다. 팬 유로 하우징(115)의 외벽과 내벽 사이에는 단열 공간(121)을 지지하는 지지체(도시하지 않음)가 제공될 수 있다.
단열 공간(121)의 일측은 팬 씰(109)과 진공 구간(122) 사이로 이어져 진공 구간(122)에 형성된 진공압이 단열 공간(121)에도 작용하게 된다. 단열 공간(121)의 다른 일측은 메인 하우징(112)에 형성된 냉각 공기 공급구(120)와 이어져 외부의 냉각용 공기(대기 공기 또는 별도의 냉각 공기)가 단열 공간(121)으로 공급되도록 한다.
따라서 팬(102)의 흡입 유로(141), 진공 구간(122), 단열 공간(121), 및 냉각 공기 공급구(120)로 이어지는 유로에 진공압이 작용하며, 이 진공압에 의해 별도의 공급 수단 없이도 외부의 냉각용 공기를 유입시킬 수 있다. 유입된 냉각용 공기는 팬(102)의 흡입 유로(141)로부터 전달되는 열을 효과적으로 차단하며, 진공압이 클수록 냉각용 공기의 유입량이 많아지므로 메인 하우징(112)에서 발생하는 열도 냉각시킬 수 있다.
또한, 냉각용 공기의 유입으로 인해 진공 구간(122)에 작용하는 진공압은 메인 하우징(112)의 내부에 작용하는 압력과 큰 차이가 나지 않는다. 따라서 메인 하우징(112)에서 오일 등을 함유한 공기가 팬 씰(109)을 넘어 진공 구간(122)으로 누설될 가능성을 효과적으로 차단할 수 있다.
한편, 쿨링 터빈(101)의 뒷면으로 압축 공기 및 응축수가 누설되는 것을 방지하기 위하여 터빈 스크린(114)의 내측에 1차 터빈 씰(107)이 제공된다. 1차 터빈 씰(107)은 다양한 방식이 가능하지만 두께가 얇고 누설 방지 효과가 우수한 카본 씰(carbon seal)로 구성될 수 있다.
쿨링 터빈(101)의 뒷면에 작용하는 공기 압력은 공기 사이클 시스템의 구성에 따라 다르지만 대략 1bar(A) 내지 3bar(A)라고 가정할 수 있다. 이러한 높은 압력에 의해 1차 터빈 씰(107)에서 응축수를 함유한 압축 공기가 누설되어 메인 하우징(112)으로 유입될 수 있다.
이때 2차 터빈 씰(108)이 메인 하우징(112)을 향한 1차 터빈 씰(107)의 일측에 제공되어 응축수를 함유한 압축 공기가 메인 하우징(112)으로 유입되는 것을 억제할 수 있다. 2차 터빈 씰(108)은 1차 터빈 씰(107)과 마찬가지로 카본 씰로 구성될 수 있다.
본 실시예의 쿨링 터빈 조립체(100)는 전술한 1, 2차 터빈 씰(107, 108)에 더하여 1차 터빈 씰(107)과 2차 터빈 씰(108) 사이의 압축 공기의 압력을 낮추거나 해소하는 수단으로서 배압 배출 유로(131)와 배압 배출관(132)을 더 포함한다. 만일 이러한 수단이 없으면, 응축수를 함유한 공기는 2차 터빈 씰(108)을 통과하여 메인 하우징(112)에 유입될 가능성이 높아진다.
배압 배출 유로(131)는 1차 터빈 씰(107)과 2차 터빈 씰(108) 사이의 공간에 형성되며, 배압 배출관(132)은 배압 배출 유로(131)를 팬(102)의 흡입 유로(141)에 연통시킨다. 배압 배출관(132)에 의해 배압 배출 유로(131)에는 팬(102)의 진공압이 작용하고, 이 진공압에 의해 보다 적극적으로 응축수를 함유한 공기를 팬(102)의 흡입 유로(141)로 배출할 수 있다. 팬(102)의 흡입 유로(141)로 배출된 응축수는 팬(102)을 통과하는 고열의 공기로 인해 증발되어 대기로 방출된다.
배압 배출 유로(131)를 팬(102)의 흡입 유로(141)와 연통시키지 않고 대기와 바로 연통시키는 경우를 가정하면, 대기와의 연통으로 압력을 해소할 수는 있지만, 압축 공기에 함유된 응축수로 인해 주변이 오염될 가능성이 높아진다.
전술한 배압 배출 유로(131)는 배압 조정구(130)와 이어져 있다. 쿨링 터빈(101)의 회전수가 낮아 팬(102)의 진공압이 형성되지 않은 상태에서 압축 공기가 공급되면, 배압 배출 유로(131) 및 배압 배출관(132)으로 누설되는 공기량이 배압 배출 유로(131)의 유량 한계를 초과하게 된다. 이 경우 배압 조정구(130)를 통해 유량 한계를 초과한 공기를 대기로 방출시킬 수 있다.
또한, 배압 조정구(130)는 쿨링 터빈(101)의 회전수가 높아져 팬(102)의 진공압이 과도해질 때 쿨링 터빈(101)의 뒷면으로 누설되는 공기량이 많아지는 것을 방지하는 기능도 한다. 즉, 팬(102)의 과도한 진공압으로 인해 배압 배출 유로(131)의 진공압이 높아지는 경우, 배압 조정구(130)를 통해 대기 공기가 공급되므로 진공압을 해소할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 쿨링 터빈 조립체 101: 쿨링 터빈
102: 팬 103: 회전축
106: 베어링 107: 1차 터빈 씰
108: 2차 터빈 씰 109: 팬 씰
110: 노즐 111: 쿨링 터빈 하우징
112: 메인 하우징 113: 베어링 하우징
114: 터빈 스크린 115: 팬 유로 하우징
116: 팬 하우징 120: 냉각 공기 공급구
121: 단열 공간 122: 진공 구간
130: 배압 조정구 131: 배압 배출 유로
132: 배압 배출관 210: 대기 열교환기
220: 흡입 챔버 230: 배기관

Claims (15)

  1. 회전축의 일측에 결합되며, 압축 공기가 부딪히는 힘으로 회전력을 얻고, 압축 공기를 팽창 및 냉각시키는 쿨링 터빈;
    상기 회전축의 타측에 결합되어 상기 쿨링 터빈과 함께 회전하며, 상기 쿨링 터빈을 향한 일측에 흡입 유로를 형성하고, 회전에 의한 흡인력으로 대기 공기를 유입시키는 팬;
    상기 쿨링 터빈과 상기 팬 사이에 위치하는 메인 하우징; 및
    상기 팬과 상기 메인 하우징 사이에서 상기 흡입 유로와 접하도록 설치되며, 내부에 단열 공간을 형성하는 팬 유로 하우징
    을 포함하고,
    상기 단열 공간의 일측은 상기 팬과 상기 팬 유로 하우징 사이의 진공 구간과 이어져 상기 단열 공간에 진공압이 작용하도록 하며, 상기 메인 하우징은 상기 단열 공간의 다른 일측을 외부로 개방시키는 냉각 공기 공급구를 형성하여 상기 진공압에 의해 상기 단열 공간으로 외부의 냉각용 공기가 유입되도록 하는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메인 하우징은 상기 회전축의 중앙부와 상기 회전축 외측의 베어링 하우징을 둘러싸며, 상기 베어링 하우징의 외측에 베어링 윤활을 위한 오일 저유조를 형성하는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 팬 유로 하우징의 내측에 설치되며, 상기 메인 하우징으로부터 오일 및 유증기가 상기 팬 측으로 누설되는 것을 차단하기 위한 팬 씰(fan seal)
    을 더 포함하는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 메인 하우징과 상기 쿨링 터빈 사이에 터빈 스크린이 설치되고,
    상기 터빈 스크린의 내측에 상기 쿨링 터빈의 뒷면으로 공기가 누설되는 것을 차단하기 위한 1차 터빈 씰과, 상기 베어링 하우징으로부터 오일 및 유증기가 상기 쿨링 터빈 측으로 누설되는 것을 차단하기 위한 2차 터빈 씰이 설치되는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 터빈 스크린은 상기 1차 터빈 씰과 상기 2차 터빈 씰 사이의 공간과 연통하는 배압 배출 유로를 내부에 형성하며,
    상기 배압 배출 유로는 배압 배출관을 통해 상기 팬의 흡입 유로와 연통하여 상기 1차 터빈 씰에서 누설된 응축수를 함유한 공기를 상기 팬의 흡입 유로로 배출하는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 메인 하우징과 상기 터빈 스크린은 상기 배압 배출 유로를 외부로 개방시키는 배압 조정구를 형성하는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  9. 회전축의 일측에 결합되며, 압축 공기가 부딪히는 힘으로 회전력을 얻고, 압축 공기를 팽창 및 냉각시키는 쿨링 터빈;
    상기 회전축의 타측에 결합되어 상기 쿨링 터빈과 함께 회전하며, 상기 쿨링 터빈을 향한 일측에 흡입 유로를 형성하고, 회전에 의한 흡인력으로 대기 공기를 유입시키는 팬;
    상기 회전축의 중앙부와 베어링 하우징을 둘러싸는 메인 하우징; 및
    상기 메인 하우징과 상기 쿨링 터빈 사이에 설치되고, 내측에 상기 쿨링 터빈의 뒷면으로부터 공기가 누설되는 것을 차단하기 위한 1차 터빈 씰과, 상기 베어링 하우징으로부터 오일과 유증기가 누설되는 것을 차단하기 위한 2차 터빈 씰을 구비하며, 상기 1차 터빈 씰과 상기 2차 터빈 씰 사이의 공간과 연통하는 배압 배출 유로를 내부에 형성하는 터빈 스크린을 포함하고,
    상기 배압 배출 유로는 배압 배출관을 통해 상기 팬의 흡입 유로와 연통하여 상기 1차 터빈 씰에서 누설된 응축수를 함유한 공기를 상기 팬의 흡입 유로로 배출하는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 메인 하우징과 상기 터빈 스크린은 상기 배압 배출 유로를 외부로 개방시키는 배압 조정구를 형성하는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  12. 제9항 또는 제11항에 있어서,
    상기 팬과 상기 메인 하우징 사이에서 상기 흡입 유로와 접하도록 설치되며, 내부에 단열 공간을 형성하여 상기 흡입 유로를 통과하는 대기 공기의 열이 상기 쿨링 터빈 측으로 전달되는 것을 차단하는 팬 유로 하우징
    을 더 포함하는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 팬과 상기 팬 유로 하우징 사이에 진공 구간이 형성되고,
    상기 단열 공간의 일측은 상기 진공 구간과 이어져 상기 단열 공간에 진공압이 작용하는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 메인 하우징은 상기 단열 공간의 다른 일측을 외부로 개방시키는 냉각 공기 공급구를 형성하여 상기 진공압에 의해 상기 단열 공간으로 외부의 냉각용 공기가 유입되도록 하는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 메인 하우징은 베어링 하우징의 외측에 베어링 윤활을 위한 오일 저유조를 형성하고,
    상기 팬 유로 하우징의 내측에 상기 메인 하우징으로부터 오일 및 유증기가 상기 팬 측으로 누설되는 것을 차단하기 위한 팬 씰이 설치되는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
KR1020150068108A 2014-05-15 2015-05-15 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체 KR101696435B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20140058480 2014-05-15
KR1020140058480 2014-05-15

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150132026A KR20150132026A (ko) 2015-11-25
KR101696435B1 true KR101696435B1 (ko) 2017-01-16

Family

ID=54845688

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150068108A KR101696435B1 (ko) 2014-05-15 2015-05-15 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101696435B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3714963B1 (de) * 2019-03-29 2021-12-22 Kaeser Kompressoren SE Druckluftstation

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060059943A1 (en) 2004-09-22 2006-03-23 Merritt Brent J Air cycle machine integrated rotor and shaft
JP2013231404A (ja) * 2012-05-01 2013-11-14 Ihi Corp 過給機

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101173518B1 (ko) * 2010-06-15 2012-08-14 (주)엔바텍 무냉매 냉방장치
KR20130142806A (ko) * 2012-06-20 2013-12-30 세르게이 구스탄불 공기 사이클 시스템

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060059943A1 (en) 2004-09-22 2006-03-23 Merritt Brent J Air cycle machine integrated rotor and shaft
JP2013231404A (ja) * 2012-05-01 2013-11-14 Ihi Corp 過給機

Also Published As

Publication number Publication date
KR20150132026A (ko) 2015-11-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101450922B1 (ko) 동력 회수 기계
CN108138794B (zh) 干气密封件冷却布置和方法
KR20170128215A (ko) 패시브 얼터네이터 감압 및 냉각 시스템
JP2010506091A (ja) ターボチャージャのためのコンプレッサ及びその冷却方法
JP6382355B2 (ja) ガスタービン発電機の冷却
JP2008057452A (ja) ヒートポンプシステム、ヒートポンプシステムの軸封方法
JP2010053864A (ja) ガスタービン入口の温度管理システム及び方法
US20210095682A1 (en) Cooling of a compressor shaft gas bearing
JP5512806B2 (ja) ターボ機械
WO2014083901A1 (ja) 圧縮機、冷凍サイクル装置およびヒートポンプ給湯装置
KR101696435B1 (ko) 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체
JP4427364B2 (ja) 発電装置
US20220239183A1 (en) Hermetic motor cooling system
JP2005163641A (ja) ターボチャージャ
CN116710636A (zh) 旋转机械以及使用了该旋转机械的制冷装置
JP2016075285A (ja) 軸シール装置及び発電システム
JP2008170118A (ja) ヒートポンプ式設備機器
JP2017156055A (ja) ヒートポンプ式蒸気生成装置
JP5850253B2 (ja) 軸シール装置及び発電システム
JP2018123759A (ja) ターボ圧縮機
TWI823924B (zh) 徑向吹風器
JP4586552B2 (ja) 蒸気タービン
US20170373562A1 (en) Thermodynamic system
KR102087118B1 (ko) 레이디얼 저널 베어링 및 스러스트 저널 베어링
JP6026941B2 (ja) タービンの回転軸シール方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200108

Year of fee payment: 4