KR101902354B1

KR101902354B1 - 밀폐형 가스 터빈 발전 장치

Info

Publication number: KR101902354B1
Application number: KR1020170122460A
Authority: KR
Inventors: 김병구
Original assignee: 김병구
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2018-09-28

Abstract

본 발명은 밀폐형 가스 터빈 발전 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 작동유체가 상기 밀폐형 가스 터빈 발전 장치를 구성하는 저온 저압의 작동유체로 만드는 냉각장치, 저온 저압의 작동유체를 저장하면서 공급하는 저장장치, 저온 저압의 작동유체를 저온 고압의 작동유체로 만들어 가열장치에 액체방울 형태로 분무 방식으로 분사하는 공급장치, 고온 고압의 작동유체를 기체화 하여 터빈장치로 공급하는 가열장치 및 발전기와 연결되어 구동하는 터빈장치를 순환하면서 터빈장치의 축과 연결된 발전기를 작동시켜 발전하는 장치로서, 시동장치, 윤활장치, 발전장치가 추가적으로 구성된 밀폐형 가스 터빈 발전 장치에 관한 것이다.

Description

밀폐형 가스 터빈 발전 장치{Closed Cycle Gas Turbine Power Generation System}

본 발명은 밀폐형 가스 터빈 발전 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 작동유체가 저온 저압의 작동유체로 만드는 냉각장치, 저온·저압의 작동유체를 저장하면서 공급하는 저장장치, 저온·저압의 작동유체를 저온 고압의 작동유체로 만들어 가열장치에 액체방울 형태로 분무 방식으로 분사하는 공급장치, 고온·고압의 작동유체를 기체화 하여 터빈장치로 공급하는 가열장치 및 발전기와 연결되어 구동하는 터빈장치를 순환하면서 터빈장치의 축과 연결된 발전기를 작동시켜 발전하는 장치로서, 시동장치, 윤활장치, 발전장치가 추가적으로 구성된 밀폐형 가스 터빈 발전 장치에 관한 것이다.

가스터빈은 열역학적으로 흡입, 압축, 팽창, 배기를 연속으로 사이클을 이루는 브레이튼 사이클(Brayton Cycle) 즉 정압사이클을 기본으로 한다.

또한 가스터빈은 목적에 따라 항공기 추진용과 산업용으로 구분되며 항공기 추진용은 추진장치에 따라 프로펠러 추진 엔진과 제트엔진으로 나뉘고, 산업용은 축 동력에 의한 직접축일과 전기발전으로 나뉜다.

산업용 가스터빈의 사이클은 브레이튼 사이클을 기본으로 하여 사이클 형태에 따라 단순개방형 사이클(Simple Open Cycle), 재생·재열·중간냉각형 사이클(Regenerative·Reheat·Intercooled Cycle), 복합형 사이클(Combined Cycle), 밀폐형 사이클(Closed Cycle)로 나뉜다.

일반적으로 산업용 가스터빈의 구성요소는 단순 개방형 사이클의 가스터빈은 흡입구, 압축기, 연소기, 터빈, 배출구로 되어 있으며, 재생·재열·중간냉각형 사이클 및 밀폐형 사이클은 단순 개방형으로 기본으로 하되 추가 필요한 장치가 설치되어 구성된다.

상기 흡입구는 압축기에 외부공기를 흡입하여 보내는 장치이다.

상기 압축기는 상기 흡입구에서 흡입된 공기를 고압과 고밀도로 압축하여 연소기로 보내는 장치로서 축류압축기와 원심압축기로 구분한다.

상기 연소기는 유입된 고압공기와 연료를 혼합하여 연소시켜 높은 에너지의 고온·고압의 연소가스를 만들어 터빈으로 보내는 장치로서 관형(Tubular), 환형(Annular), 관-환형으로 구분된다.

상기 터빈은 연소기에서 유입된 고온·고압의 연소가스가 팽창하여 터빈의 회전날개를 돌려 기계적인 에너지로 변환하여 축을 구동하는 역할을 하며, 축류터빈과 구심터빈으로 구분된다.

상기 배출구는 터빈에서 사용되어진 연소가스를 대기중으로 배출하는 역할을 한다.

재생·재열·중간냉각형 사이클(Regenerative·Reheat·Intercooled Cycle)에는 배기가스열로 압축 공기를 예열하는 재생기, 2단연소로 열낙차를 이용하는 재열기, 고압압축기, 회전력 감소 장치로 중간냉각기가 추가로 구성된다.

도 1은 기존의 단순개방형 사이클의 터빈 발전기를 나타낸 것인데, 가스터빈의 기본형이며, 흡입구-압축기-연소기-터빈-배출구로 구성되며, 장점으로는 설비는 간단하고 내구성이 있는 편이나 열효율이 낮고 배기가스를 회수하지 않고 대기로 방출하는 방식으로 환경에 악영향을 끼치는 단점이 있다.

도 2는 기존의 밀폐형 사이클의 터빈 발전기를 나타낸 것인데, 작동유체가 밀폐된 회로를 재순환하도록 하고 기기오염에 대하여 안전하고, 압축기와 터빈의 소형화될 수 있음에 비해 가열기에서 터빈장치를 회전시킴에 외부연료가 필요하여 발전효율이 전체적으로 낮고, 냉각기가 대형화되는 문제점이 있다.

본 발명에 따른 밀폐형 가스 터빈 발전 장치는 다음과 같은 해결과제를 가진다.

첫째, 본 발명은 작동유체가 저온·저압의 작동유체로 만드는 냉각장치, 저온·저압의 작동유체를 저장하면서 공급하는 저장장치, 저온·저압의 작동유체를 저온·고압의 작동유체로 만들어 가열장치에 분무 방식으로 액체방울 형태로 분사하는 공급장치, 고온·고압의 작동유체를 기체화 하여 터빈장치로 공급하는 가열장치 및 발전기와 발전축으로 연결되어 구동하는 터빈장치를 순환하면서 발전축과 연결된 발전기를 작동시키는 발전장치를 제공함에 목적이 있다.

둘째, 본 발명은 가스 터빈 발전 장치를 밀폐형으로 제작하고 또한 가열장치에 의해 작동유체가 연소가스등으로 오염되지 않도록 함에 목적이 있다.

셋째, 본 발명은 작동유체의 팽창에 따른 고압의 기체 분사에 따른 회전운동에너지를 이용하여 원심압축터빈과 구심동력터빈이 백투백(Back to Back) 방식으로 구성된 터빈장치를 구동할 수 있게 함에 따라 소형화된 발전장치를 제공함에 목적이 있다.

넷째, 본 발명은 기체화된 작동유체를 액화시킴에 있어서, 공냉식과 냉매식으로 냉각방법을 혼용하여 사용할 수 있도록 하고 발전용량에 따라 냉매식 냉각장치를 추가설치할 수 있도록 구성함에 목적이 있다.

다섯째, 본 발명은 작동유체를 저장장치에서 저장하고 공급장치로 공급하여 가열장치에서 고온·고압 가스로 팽창시켜 터빈장치로 보내는 방식을 순서적으로 채택함에 따라 작동유체의 압축력을 높이고 이는 터빈을 회전시킴에 유리하며, 또한 작동유체는 냉각장치에서 다단 냉각하여 저장장치로 보내 저장하고 다시 재순환하는 시스템으로 설계하여 발전효율 및 열효율을 높이도록 함에 목적이 있다.

여섯째, 본 발명은 입식구조를 기본으로 하여 발전장치는 하부에 설치하고 상부에 시동장치와 윤활장치를 설치하고, 중간부에 저장장치, 공급장치, 터빈장치, 가열장치 및 냉각장치를 설치하여 모든 장치가 유기적으로 작동하는 일체화된 발전장치를 제공함에 목적이 있다.

마지막으로, 본 발명은 터빈장치와 연결된 발전장치의 구동축을 단일축으로 하는 것외에 시동장치와 냉동장치의 일부구성도 같은 축으로 구동될 수 있도록 하는 한 장치를 제공함에 목적이 있다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명은 발전기와 연결되어 전기를 생산하는 밀폐형 가스터빈 발전장치에 있어서, 상기 가스터빈 발전장치는 작동유체(미도시), 저장장치(200), 공급장치(300), 가열장치(400), 원심압축터빈과 구심동력터빈이 백투백 방식으로 설치된 터빈장치(500), 냉각장치(600), 시동장치(700), 윤활장치(800) 및 발전장치(100)로 구성된다.

상기 발전장치(100), 터빈장치(500) 및 시동장치(700)는 회전축을 공동으로 하여 구동된다.

상기 작동유체(미도시)는 가열시 기체로 상변화하는 액체유체를 사용한다.

상기 저장장치(200)는 상기 냉각장치(600)를 통과한 작동유체를 저온·저압으로 유지시켜 저장하되, 상기 공급장치(300)로 보내며, 상기 공급장치(300)는 저온·저압의 작동유체를 저온·고압으로 만들어 가열장치(400)로 보내며, 상기 가열장치(400)는 저온·고압의 작동유체를 고온·고압의 작동유체로 만들되 기체로 상변화시켜 터빈장치(500)로 보내며, 상기 터빈장치(500)는 공급되는 고온·고압의 작동유체에 의해 중앙에 설치된 발전축(105)과 연결된 원심압축터빈(501)과 구심동력터빈(505)을 회전시키며, 상기 냉각장치(600)는 상기 터빈장치(500)를 통과한 고온·고압의 작동유체를 공냉식 냉각기(610)와 다수개의 냉매식 냉각기를 통과함에 따라 냉각시키는 사이클로써 작동유체가 계속적으로 순환함을 특징으로 한다.

상기 가스터빈 발전장치는 하부에 발전장치(100), 상부에 시동장치(700)와 윤활장치(800)가 배치되며, 중앙 하부에는 바깥쪽으로부터 중앙부를 향하여 저장장치(200)와 공급장치(300)가 배치되고, 상기 공급장치(300) 윗방향으로 가열장치(400), 터빈장치(500)가 순서대로 배치되며, 중앙 상부에는 공냉식 냉각기(610)가 배치되며, 아래로 2개의 냉매식 냉각기기(620a, 620b)가 순서대로 배치된다.

상기 작동유체(미도시)는 상기 저장장치(200), 공급장치(300), 가열장치(400), 터빈장치(500) 및 냉각장치(600)를 계속적으로 순환하되, 상기 터빈장치(500) 앞단에 설치되어 상기 가열장치(400)를 통과한 작동유체의 유량, 속도 및 압력을 조절하는 유체가스 조절장치(403)와 통로열에 다수개의 블록강선이 설치된 강선노즐(Post403)을 통과하여 터빈장치(500)를 구동하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 저장장치(200)는 순환되는 작동유체를 저장하는 공간내에 상기 냉매식 냉각기b(620b)의 증발기(620b-01)가 장착되어 있어, 저장된 작동유체와 열교환한다.

상기 공급장치(300)는 상기 저장장치(200)로부터 공급된 작동유체의 불순물을 거르는 저압용 여과기(301), 저압 펌프(302), 고압 펌프(303), 고압용 여과기(304) 및 분배기(305)로 순서대로 파이프로 연결되어 구성되며, 작동유체(미도시)는 상기 고압펌프(303)를 통과하면서 고압으로 되고, 상기 분배기(305)에서 고압이 유지되면서 가열장치(400)로 공급된다.

상기 가열장치(400)는 노즐(401), 발열체(402) 및 폭이 좁아지는 케이스 통로(406)로 구성되되, 상기 노즐은 분배기(305)로부터 저온·고압의 작동유체를 공급받아 분무방식으로 미세한 유체방울을 형성하며, 상기 발열체(402)는 발전축(105)을 중심으로 전기저항을 이용한 간접 가열 방식의 애뉼러 가열기를 사용하여 도넛 형태로 둘러싸고 있는 형태로서 작동유체(미도시)를 고온의 기체로 상변화시켜 케이스 통로(406)를 거쳐 유체가스 조절장치(403)로 공급한다.

상기 터빈장치(500)는 공급되는 고온·고압의 작동유체로 인한 회전에 의한 원심력으로 작동유체 가스를 바깥쪽으로 이동시키면서 압축 가속시키는 원심압축터빈(501), 작동유체 가스를 팽창 확산시키는 원심압축터빈디퓨져(502), 작동유체 통로역할을 하는 매니폴드(503), 구심동력터빈 노즐(504), 상기 구심동력터빈 노즐(504)로부터 방사되는 작동유체에 의해 회전하는 구심동력터빈(505), 상기 원심압축터빈(501)을 보호하고 작동유체(미도시)의 흐름을 가이드하는 페이스 슈라우드(506), 상기 원심압축터빈(501)과 구심동력터빈(505)을 분리하여 대칭배치되도록 구획하는 백 슈라우드(507), 통과된 작동유체를 터빈장치(500) 외부로 보내는 구심동력터빈디퓨져(508) 및 냉각장치까지의 작동유체 통로인 매니폴드(509)로 구성된다.

상기 냉각장치(600)는 상기 터빈장치(500)를 통과한 고온·고압의 작동유체 가스를 공냉식 냉각기(610), 냉매식 냉각기 2대(620a, 620b)를 통과시키면서 냉각됨에 따라 액화시켜 상기 저장장치(200)로 보내는 것을 특징으로 한다.

상기 유체가스 조절장치(403)는 발전축(105) 주위를 감싸되 중앙부로부터 외곽방향으로 방사상으로 형성된 복수개의 마름모꼴 개구와 폐구를 교대로 가진 도넛 원반 형태를 가진 조절판a(403a)와 조절판b(403b)가 맞대어져 공통되는 개구의 면적에 의해 통과되는 작동유체의 유량, 속도 및 압력을 조절하는 것을 특징으로 한다.

상기 터빈장치(500)를 구성하는 매니폴드(509)와 상기 가열장치(400)를 구성하는 노즐(401) 사이에 회수관(번호 미부여)이 설치되어 있어, 상기 터빈장치(500)를 통과하는 작동유체의 일부를 회수시켜 노즐에서 저온·고압의 작동유체와 혼합하여 가열장치로 분사시키는 것을 특징으로 한다.

상기 윤활장치(800)는 오일탱크(801), 윤활이 필요한 장치의 부품들에게 일정한 압력으로 윤활유를 공급하는 압력펌프(802), 윤활유의 오염물질을 제거하는 압력오일여과기(803), 윤활유의 온도를 일정온도로 냉각하는 오일냉각기(804), 부품들에게 윤활유를 분사시키는 오일노즐(805), 오일팬(807), 윤활유에서 공기를 분리배출시키는 오일분리기(808), 장치에서 배유된 윤활유로부터 불순물을 제거하는 배유 오일여과기(809) 및 배유된 윤활유를 오일탱크로 보내는 배유펌프(810)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 냉각장치(600)에서 공냉식 냉각기(610)는 코어파이프가 다중 배치된 라디에이터(611)와 라디에이터 냉각기(612)로 구성되며, 상기 라디에이터 냉각기(612)는 냉각팬방식을 사용하되, 그 회전축은 발전축(105)에 연결되어 구동된다.

상기 냉각장치(600)에서 냉매식 냉각기(620a)는 냉매의 압력을 기체냉매가 응축하기 쉽도록 높이는 압축기(620a-05), 압축기용 냉각팬(620a-06), 냉매증기로부터 윤활유를 분리시키는 유분리기(620a-07), 고온·고압의 기체 냉매를 냉각팬으로 강제 냉각시켜 액화시키는 응축기(620a-08), 응축기용 냉각팬(620a-09), 냉매 저장과 기포 분리와 수분흡수 기능을 하는 수액기(620a-10), 냉매로부터 불순물을 제거하는 냉매용 여과기(620a-11), 냉매의 수분을 제거하는 건조기(620a-12), 증발기 입구에 설치되어 수액기로부터 유입된 중온·고압의 액체냉매를 교축작용 통해 저온 저압의 습포화증기상태로 변화시키는 팽창밸브(620a-13), 저온·저압의 냉매를 고온·고압의 작동유체와 열교환하는 증발기(620a-01), 기체화된 냉매에서 수분과 이물질을 제거하는 액분리기(620a-02), 상기 수액기를 거쳐 팽창밸브로 가는 냉매액과 증발기에서 압축기로 유입되는 냉매가스 사이에 열교환하는 열교환기(620a-03), 냉매에서 불순물을 제거하는 냉매증기용 여과기(620a-04), 작동유체를 상기 증발기의 냉매와 열교환하여 냉각 및 액화시키는 냉각탱크(620a-14), 상기 액분리기(620a-02)로부터 회수된 윤활유를 오일탱크로 반송하는 윤활유 반송장치(620a-16) 및 상기 액분리기(620a-02)로부터 분리된 냉매액을 증발기로 반송하는 액반송장치(620a-17)로 구성된다.

상기 냉각장치에서 냉매식 냉각기b(620b)는 냉매의 압력을 기체냉매가 응축하기 쉽도록 높이는 압축기(620b-05), 압축기용 냉각팬(620b-06), 냉매증기로부터 윤활유를 분리시키는 유분리기(620b-07), 고온·고압의 기체 냉매를 냉각팬으로 강제 냉각시켜 액화시키는 응축기(620b-08), 응축기용 냉각팬(620b-09), 냉매 저장과 기포 분리와 수분흡수 기능을 하는 수액기(620b-10), 냉매로부터 불순물을 제거하는 냉매용 여과기(620b-11), 냉매의 수분을 제거하는 건조기(620b-12), 증발기 입구에 설치되어 수액기로부터 유입된 중온·고압의 액체냉매를 교축작용 통해 저온·저압의 습포화증기상태로 변화시키는 팽창밸브(620b-13), 저온·저압의 냉매를 고온·고압의 작동유체가스와 열교환하는 증발기(620b-01), 기체화된 냉매에서 수분과 이물질을 제거하는 액분리기(620b-02), 상기 수액기(620b-10)를 거쳐 팽창밸브로 가는 냉매액과 증발기에서 압축기로 유입되는 냉매가스 사이에 열교환하는 열교환기(620b-03), 냉매에서 불순물을 제거하는 냉매증기용 여과기(620b-04), 상기 액분리기로부터 회수된 윤활유를 오일탱크로 반송하는 윤활유 반송장(620b-16)치 및 상기 액분리기로부터 분리된 냉매액을 증발기로 반송하는 액반송장치(620b-17)로 구성된다.

상기 냉매식 냉각기b(620b)는 냉각탱크 대신에 저장탱크를 가지나 이는 냉각장치의 일부가 아닌 저장장치로 요소이다.

상기 저장장치(200)는 상기 냉매식 냉각기b(620b)의 증발기(620b-01)의 냉매와 열교환된 저온·저압의 작동유체를 저장하고 상기 공급장치(300)로 공급하는 것을 특징으로 한다.

상기 시동장치(700)는 전기식 시동기(701)를 사용하며, 상기 전기식 시동기(701)는 배터리로부터 전원이 공급되어 작동되는 모터(미도시)를 사용하되, 상기 모터(미도시)는 발전축(105)을 회전시켜 밀폐형 가스 터빈 발전 장치가 스스로 발전할 수 있는 자립회전속도에 도달되면 속도센서(미도시)가 이를 감지하여 자동풀림클러치(미도시)에 의해 발전(105)축으로부터 분리되는 것을 특징으로 한다.

상기 발전장치(100)는 발전기(101), 제어장치(102), 상기 발전기와 터빈장치와 시동장치의 구동축을 단일축으로 구성하는 발전축(105), 배터리(103), 정류기와 컨버터를 포함하되 인버터를 추가 포함할 수 있는 전력변환장치(104), 발전축을 지지하되, 비마찰볼과 롤러 형식으로 구성되어 축류하중과 반경하중을 흡수하는 축하부베어링(106) 및 축상부베어링(107)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 작동유체는 경유, 알콜, 휘발유 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 밀폐형 가스 터빈 발전 장치는 다음과 같은 효과를 가진다.

둘째, 본 발명은 가스 터빈 발전 장치를 밀폐형으로 제작하고 또한 가열장치에 의해 작동유체가 연소가스등으로 오염되지 않는다.

셋째, 본 발명은 작동유체의 팽창에 따른 고압의 기체 분사에 따른 회전운동에너지를 이용하여 원심압축터빈과 구심동력터빈이 백투백(Back to Back) 방식으로 구성된 터빈장치를 구동할 수 있게 함에 따라 발전장치를 소형화할 수 있다.

넷째, 본 발명은 기체화된 작동유체를 액화시킴에 있어서, 공냉식과 냉매식으로 냉각방법을 혼용하여 사용할 수 있도록 하고, 냉매식 냉각장치를 추가설치할 수 있어 발전용량을 높일 수 있다.

다섯째, 본 발명은 작동유체를 저장장치에서 저장하고 공급장치로 공급하여 가열장치에서 고온·고압 가스로 팽창시켜 터빈장치로 보내는 방식을 채택함에 따라 작동유체의 압축력을 높이고 이는 터빈의 회전력을 높임에 유리하며, 또한 작동유체는 냉각장치에서 다단 냉각하여 저장장치로 보내 저장하고 다시 재순환하는 시스템으로 설계하여 발전효율 및 열효율을 높일 수 있다.

여섯째, 본 발명은 입식구조를 기본으로 하여 발전장치는 하부에 설치하고 상부에 시동장치와 윤활장치를 설치하고, 중간부에 저장장치, 공급장치, 터빈장치, 가열장치 및 냉각장치를 설치하여 모든 장치가 유기적으로 작동하는 일체화된 발전장치를 제공한다.

마지막으로, 본 발명은 터빈장치와 연결된 발전장치의 구동축을 단일축으로 하는 것외에 시동장치와 냉동장치의 일부구성도 같은 축으로 구동될 수 있도록 하는 장치를 제공한다.

도 1은 기존의 단순개방형 사이클의 터빈 발전기의 개념도이다.
도 2는 기존의 밀폐형 사이클의 터빈 발전기의 개념도이다.
도 3은 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치의 개념도이다.
도 4는 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치의 세부 배치도를 나타낸 것으로써 중앙의 발전축을 기준으로 우측은 개념도를 나타내고 좌측은 세부 및 배치를 나타낸 도면이다.
도 5는 상기 도 4에서 냉각장치의 세부를 나타내기 위한 확대도이다.
도 6은 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치에서 작동유체의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치에서 작동유체의 흐름을 간략하게 나타낸 개념블럭도이다.
도 8은 상기 작동유체의 저장장치로부터 가열장치까지의 흐름을 간략히 나타낸 개념블록도이다.
도 9는 상기 작동유체의 공급장치로부터 가열장치까지의 흐름을 나타내되 작동유체의 상변화를 나타낸 개념블록도이다.
도 10은 상기 작동유체의 가열장치로부터 냉각장치까지의 흐름을 간략히 나타낸 개념블록도이다.
도 11은 터빈장치로부터 발전기를 구동하는 것을 나타낸 개념도이다.
도 12는 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치를 이루는 냉각장치의 작동을 나타낸 개념도이다.
도 13은 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치를 이루는 유체가스 조절장치와 강선 노즐의 배치와 결합관계를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치에서 흡입된 에어의 흐름과 배출을 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치를 이루는 냉매형 냉각기에서 냉매의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치에서 윤활유의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치에서 윤활유의 흐름을 나타낸 개념블록도이다.
도 18은 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치에서 작동유체, 에어, 냉매 및 윤활유의 흐름을 함께 나타낸 도면이다.

먼저, 본 발명의 구체적인 설명에 들어가기에 앞서, 본 발명에 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라 질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명에 따른 "밀폐형 가스 터빈 발전 장치"를 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 기존의 단순개방형 사이클의 터빈 발전기의 개념도이고, 도 2는 기존의 밀폐형 사이클의 터빈 발전기의 개념도이며, 도 3은 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치의 개념도이고, 도 4는 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치의 세부 배치도를 나타낸 것으로써 중앙의 발전축을 기준으로 우측은 개념도를 나타내고 좌측은 세부 및 배치를 나타낸 도면이며, 도 5는 상기 도 4에서 냉각장치의 세부를 나타내기 위한 확대도이고, 도 6은 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치에서 작동유체의 흐름을 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치에서 작동유체의 흐름을 간략하게 나타낸 개념블럭도이고, 도 8은 상기 작동유체의 저장장치로부터 가열장치까지의 흐름을 간략히 나타낸 개념블록도이며, 도 9는 상기 작동유체의 공급장치로부터 가열장치까지의 흐름을 나타내되 작동유체의 상변화를 나타낸 개념블록도이고, 도 10은 상기 작동유체의 가열장치로부터 냉각장치까지의 흐름을 간략히 나타낸 개념블록도이며, 도 11은 터빈장치로부터 발전기를 구동하는 것을 나타낸 개념도이고, 도 12는 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치를 이루는 냉각장치의 작동을 나타낸 개념도이며, 도 13은 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치를 이루는 유체가스 조절장치와 강선 노즐의 배치와 결합관계를 나타낸 도면이고, 도 14는 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치에서 흡입된 에어의 흐름과 배출을 나타낸 도면이며, 도 15는 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치를 이루는 냉매형 냉각기에서 냉매의 흐름을 나타낸 도면이고, 도 16은 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치에서 윤활유의 흐름을 나타낸 도면이며, 도 17은 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치에서 윤활유의 흐름을 나타낸 개념블록도이고, 도 18은 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치에서 작동유체, 에어, 냉매 및 윤활유의 흐름을 함께 나타낸 도면이다.

상기 도면에서 발전축을 기준으로 좌측과 우측은 개략적으로 대칭형인데, 설명의 편의상 좌측은 본 발명인 밀폐형 가스터빈 발전장치의 비교적 상세한 구성을 알 수 있도록 표시하였으며, 우측은 좌측과 대칭적으로 개략적인 상위개념의 구성요소만을 다이어그램 형식으로 나타낸 것이다.

도 3 및 4를 참조하면 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명은 발전기와 연결되어 전기를 생산하는 밀폐형 가스터빈 발전장치에 있어서, 상기 가스터빈 발전장치는 작동유체(미도시), 저장장치(200), 공급장치(300), 가열장치(400), 터빈장치(500), 냉각장치(600), 시동장치(700), 윤활장치(800) 및 발전장치(100)로 구성되는데, 도 7을 참조하면 상기 작동유체가 저장장치(200), 공급장치(300), 가열장치(400), 터빈장치(500), 냉각장치(600)를 계속적으로 순환하는 방식으로 발전한다.

본 발명에 있어서 저압은 0 - 60 psi 이고, 고압은 1300 - 1600 psi 의 범위에 있음이 바람직하다.

좀 더 자세히 설명하면 본 발명인 밀폐형 가스터빈 발전장치는 상기 저장장치에서 공급장치에 의해 공급되는 저온 고압의 작동유체(액체상태)와 터빈장치에서 회수되는 고온 고압의 작동유체(가스상태)를 가열장치의 노즐을 통해서 분무되어 가열장치로 공급되고, 가열장치는 노즐을 통해서 들어온 작동유체(액체상태와 가스상태 혼합)를 전기를 사용한 발열체 방식의 히타에 의해 열 및 운동에너지를 가진 작동유체(가스상태)로 변환시켜 일정한 압력을 유지하도록 한 유체가스 조절장치를 통과하여 터빈장치로 보내고 터빈장치는 원심압축터빈을 구성하는 임펠라(도면상 개략적으로 표시되고, 도면부호는 미부여)에서 고온 고압의 작동유체를 더욱 더 압축시킨후 구심동력터빈의 터빈 휠(도면상 개략적으로 표시되고, 도면부호는 미부여)에서 높은 팽창력으로 발전축을 회전시켜 구동하여 발전하여 전기를 생산하고, 이 고온 고압의 작동유체(가스상태)는 공냉식 및 냉매식 냉각장치를 통해 저온 저압의 작동유체(액체상태)로 상변환하여 저장장치로 보내지는 순환시스템이다.

도 4, 5, 15 및 18을 참조하면 상기 냉각장치(600)는 공냉식 냉각기(610)와 2개의 냉매식 냉각기(620a, 620b)가 순서대로 배치 구성된다.

도 4를 참조하면 상기 발전장치(100), 터빈장치(500) 및 시동장치(700)는 회전축을 공동으로 하여 구동된다.

상기 회전축은 회전축을 공통으로 한다는 일반적인 의미에서 사용한 단어이고, 본 발명에서 공통된 회전축은 발전축(105)을 의미한다.

도 4를 참조하면 상기 가스터빈 발전장치는 하부에 발전장치(100), 상부에 시동장치(700)와 윤활장치(800)가 배치되며, 중앙 하부에는 바깥쪽으로부터 중앙부를 향하여 저장장치(200)와 공급장치(300)가 배치되고, 상기 공급장치(300) 윗방향으로 가열장치(400), 터빈장치(500)가 순서대로 배치되며, 중앙 상부에는 공냉식 냉각기(610)가 배치되며, 아래로 2개의 냉매식 냉각기기(620a, 620b)가 순서대로 배치된다.

도 6 및 13을 참조하면 상기 작동유체(미도시)는 상기 저장장치(200), 공급장치(300), 가열장치(400), 터빈장치(500) 및 냉각장치(600)를 계속적으로 순환하되, 상기 터빈장치(500) 앞단에 설치되어 상기 가열장치(400)를 통과한 작동유체의 유량, 속도 및 압력을 조절하는 유체가스 조절장치(403)와 통로열에 다수개의 블록강선이 설치된 강선노즐(Post403)을 통과하여 터빈장치(500)를 구동하는 것을 특징으로 한다.

상기 강선노즐(Post403)은 다수의 블록강선이 내외측의 통로열에 구성되어 있어, 통과되는 작동유체의 속도와 압력을 가속시키는 역할을 한다.

도 6 및 7을 참조하면 또한 상기 저장장치(200)는 순환되는 작동유체를 저장하는 공간내에 상기 냉매식 냉각기b(620b)의 증발기(620b-01)가 장착되어 있어, 저장된 작동유체와 열교환한다.

도 6 및 8을 참조하면 상기 공급장치(300)는 상기 저장장치(200)로부터 공급된 작동유체의 불순물을 거르는 저압용 여과기(301), 저압 펌프(302), 고압 펌프(303), 고압용 여과기(304) 및 분배기(305)로 순서대로 파이프로 연결되어 구성되며, 작동유체(미도시)는 상기 고압펌프(303)를 통과하면서 고압으로 되고, 상기 분배기(305)에서 고압이 유지되면서 가열장치(400)로 공급한다.

상기 저압펌프는 작동유체를 고압펌프로 보내는 역할을 하는데, 기계식으로 고압펌프와 일체화됨이 바람직하다.

상기 고압펌프는 저압펌프를 통해 공급된 작동유체를 고압화하여 분배기로 보내는 역할을 한다.

상기 저압용 여과기 및 고압용 여과기는 작동유체의 불순물을 제거하는 역할을 한다.

도 6 및 9를 참조하면 상기 가열장치(400)는 노즐(401), 발열체(402) 및 폭이 좁아지는 케이스 통로(406)로 구성되되, 상기 노즐은 분배기(305)로부터 저온·고압의 작동유체를 공급받아 분무방식으로 미세한 유체방울을 형성하며, 상기 발열체(402)는 발전축(105)을 중심으로 전기저항을 이용한 간접 가열 방식의 애뉼러 가열기를 사용하여 도넛 형태로 둘러싸고 있는 형태로서 작동유체(미도시)를 고온의 기체로 상변화시켜 케이스 통로(406)를 거쳐 유체가스 조절장치(403)로 공급한다.

상기 가열장치는 에뉼러 타입으로 전기가열기를 적용하여 사용하되 간접 저항 방식인데, 전기로 발열체를 가열하는 히터방식으로 가열하므로, 작동유체가 연소가스로 오염되지 않는다.

상기 발열체는 교류 또는 직류 중 어느 하나를 선택하여 구동된다.

도 6 및 10을 참조하면 상기 터빈장치(500)는 공급되는 작동유체로 인한 회전에 의한 원심력으로 작동유체 가스를 바깥쪽으로 압축 가속시키는 원심압축터빈(501), 작동유체 가스를 팽창 확산시키는 원심압축터빈디퓨져(502), 작동유체 통로역할을 하는 매니폴드(503), 구심동력터빈 노즐(504), 상기 구심동력터빈 노즐(504)로부터 방사되는 작동유체에 의해 회전하는 구심동력터빈(505), 상기 원심압축터빈(501)을 보호하고 작동유체(미도시)의 흐름을 유도 또는 가이드하는 페이스 슈라우드(506), 상기 원심압축터빈(501)과 구심동력터빈(505)을 분리하여 대칭배치되도록 구획하는 백 슈라우드(507), 통과된 작동유체를 터빈장치(500) 외부로 보내는 구심동력터빈디퓨져(508) 및 냉각장치까지의 작동유체 통로인 매니폴드(509)로 구성된다.

상기 원심압축터빈과 구심동력터빈은 백 슈라우드를 기준으로 대칭하여 설치되되 입구쪽에 원심압축터빈을 배치하고 출구쪽에 구심동력터빈을 배치하여, 원심압축터빈은 고온 고압으로 들어온 작동유체에 본 발명인 밀폐형 가스터빈 발전장치 내에서 가장 큰 압축력을 부여하여 구심동력터빈에 보내는 역할을 하고, 작동유체가 구심동력터빈 노즐에서 구심동력터빈의 구심으로 흐르게 하여 구심동력터빈을 구성하는 휠(미도시)을 회전시켜 발전축을 구동하는 방식으로 발전을 한다.

상기 터빈장치는 원심압축터빈과 구심동력터빈을 Back-to-Back방식으로 서로 대응하여 셋트로 구성되므로, 압축력과 팽창력을 향상시켜 효율을 높이고 터빈의 부식 침식이 발생하지 않고, 높은 압력에 견디고 소형화가 가능하다.

도 5, 12 및 15를 참조하면 상기 냉각장치(600)는 상기 터빈장치(500)를 통과한 고온 고압의 작동유체 가스를 공냉식 냉각기(610), 냉매식 냉각기 2대(620a, 620b)로 차례대로 냉각하여 액화시켜 상기 저장장치(200)로 보내는 것을 특징으로 한다.

상기 냉각장치는 공냉식과 냉매식으로 냉각방법을 혼용하여 사용하며, 발전용량에 따라 냉매식 냉각기를 추가 설치할 수 있음이 바람직하다.

상기 작동유체를 저장장치에서 저장하고 공급장치로 공급하여 가열장치에서 고온 고압의 가스로 팽창시켜 터빈장치로 보내 압축력을 높여 압축하면서 터빈을 돌려 발전하고, 작동유체는 냉각장치에서 다단 냉각하여 저장장치로 보내 저장하고 다시 재순환하는 시스템으로 설계하여 열 효율 및 발전효율을 높이도록 함이 바람직하다.

도 6 및 13을 참조하면 상기 유체가스 조절장치(403)는 발전축(105) 주위를 감싸되 중앙부로부터 외곽방향으로 방사상으로 형성된 복수개의 마름모꼴 개구와 폐구를 교대로 가진 도넛 원반 형태를 가진 조절판a(403a)와 조절판b(403b)가 맞대어져 공통되는 개구의 면적에 의해 통과되는 작동유체의 유량, 속도 및 압력을 조절하는 것을 특징으로 한다.

도 13을 참조하면 조절판a와 조절판b는 마름모꼴 개구와 폐구를 각각 12개를 가지고 있음을 알 수 있는데, 개구와 폐구 숫자 및 크기가 동일하고, 개구와 폐구의 숫자가 각각 4개 이상이면 되는 것으로서 개구와 폐구의 숫자가 12개로 한정될 필요가 없음은 물론이다.

도 6을 참조하면 상기 터빈장치(500)를 구성하는 매니폴드(509)와 상기 가열장치(400)를 구성하는 노즐(401) 사이에 회수관(번호 미부여)이 설치되어 있어, 상기 터빈장치(500)를 통과하는 작동유체 가스 일부를 회수시켜 노즐에서 저온·고압의 작동유체와 혼합하여 가열장치로 분사시키는 것을 특징으로 한다.

도 16 및 17을 참조하면 상기 윤활장치(800)는 오일탱크(801), 윤활이 필요한 장치의 부품들에게 일정한 압력으로 윤활유를 공급하는 압력펌프(802), 윤활유의 오염물질을 제거하는 압력오일여과기(803), 윤활유의 온도를 일정온도로 냉각하는 오일냉각기(804), 부품들에게 윤활유를 분사시키는 오일노즐(805), 오일팬(807), 윤활유에서 공기를 분리배출시키는 오일분리기(808), 장치에서 배유된 윤활유로부터 불순물을 제거하는 배유 오일여과기(809) 및 배유된 윤활유를 오일탱크로 보내는 배유펌프(810)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 오일탱크는 상부에 설치되며, 외부를 금속판형으로 제작됨이 적당하다.

상기 윤활장치는 발전기가 회전할 때 발생하는 하중 즉 마찰하중과 열하중이 발생하는 장치의 각종부품에 윤활유를 제공하여 완충역할을 하도록 설계되었다.

도 6, 12 및 15를 참조하면 상기 냉각장치(600)에서 공냉식 냉각기(610)는 코어파이프가 다중 배치된 라디에이터(611)와 라디에이터 냉각기(612)로 구성되며, 상기 라디에이터 냉각기(612)는 강제 대류식에 의한 냉각팬방식을 사용하되, 그 회전축은 발전축(105)에 연결되어 구동된다.

도 5, 12 및 15를 참조하면 상기 냉각장치(600)에서 냉매식 냉각기a(620a)는 냉매의 압력을 기체냉매가 응축하기 쉽도록 높이는 압축기(620a-05), 압축기용 냉각팬(620a-06), 냉매증기로부터 윤활유를 분리시키는 유분리기(620a-07), 고온·고압의 기체 냉매를 냉각팬으로 강제 냉각시켜 액화시키는 응축기(620a-08), 응축기용 냉각팬(620a-09), 냉매 저장과 기포 분리와 수분흡수 기능을 하는 수액기(620a-10), 냉매로부터 불순물을 제거하는 냉매용 여과기(620a-11), 냉매의 수분을 제거하는 건조기(620a-12), 증발기 입구에 설치되어 수액기로부터 유입된 중온·고압의 액체냉매를 교축작용 통해 저온 저압의 습포화증기상태로 변화시키는 팽창밸브(620a-13), 저온·저압의 냉매를 고온·고압의 작동유체와 열교환하는 증발기(620a-01), 기체화된 냉매에서 수분과 이물질을 제거하는 액분리기(620a-02), 상기 수액기를 거쳐 팽창밸브로 가는 냉매액과 증발기에서 압축기로 유입되는 냉매가스 사이에 열교환하는 열교환기(620a-03), 냉매에서 불순물을 제거하는 냉매증기용 여과기(620a-04), 작동유체를 상기 증발기의 냉매와 열교환하여 냉각 및 액화시키는 냉각탱크(620a-14), 상기 액분리기(620a-02)로부터 회수된 윤활유를 오일탱크로 반송하는 윤활유 반송장치(620a-16) 및 상기 액분리기(620a-02)로부터 분리된 냉매액을 증발기로 반송하는 액반송장치(620a-17)로 구성된다.

도 5, 12 및 15를 참조하면 상기 냉각장치에서 냉매식 냉각기b(620b)는 냉매의 압력을 기체냉매가 응축하기 쉽도록 높이는 압축기(620b-05), 압축기용 냉각팬(620b-06), 냉매증기로부터 윤활유를 분리시키는 유분리기(620b-07), 고온·고압의 기체 냉매를 냉각팬으로 강제 냉각시켜 액화시키는 응축기(620b-08), 응축기용 냉각팬(620b-09), 냉매 저장과 기포 분리와 수분흡수 기능을 하는 수액기(620b-10), 냉매로부터 불순물을 제거하는 냉매용 여과기(620b-11), 냉매의 수분을 제거하는 건조기(620b-12), 증발기 입구에 설치되어 수액기로부터 유입된 중온·고압의 액체냉매를 교축작용 통해 저온·저압의 습포화증기상태로 변화시키는 팽창밸브(620b-13), 저온·저압의 냉매를 고온·고압의 작동유체가스와 열교환하는 증발기(620b-01), 기체화된 냉매에서 수분과 이물질을 제거하는 액분리기(620b-02), 상기 수액기(620b-10)를 거쳐 팽창밸브로 가는 냉매액과 증발기에서 압축기로 유입되는 냉매가스 사이에 열교환하는 열교환기(620b-03), 냉매에서 불순물을 제거하는 냉매증기용 여과기(620b-04), 상기 액분리기로부터 회수된 윤활유를 오일탱크로 반송하는 윤활유 반송장치(620b-16) 및 상기 액분리기로부터 분리된 냉매액을 증발기로 반송하는 액반송장치(620b-17)로 구성된다.

도 5, 6 및 12를 참조하면 상기 저장장치(200)는 상기 냉매식 냉각기b(620b)의 증발기(620b-01)의 냉매와 열교환된 저온·저압의 작동유체를 저장하고 상기 공급장치(300)로 공급하는 것을 특징으로 한다.

상기 냉매식 냉각기b(620b)는 냉각탱크 대신에 저장탱크를 가지나 이는 냉각장치의 일부가 아닌 저장장치의 요소이다.

도 4를 참조하면 상기 시동장치(700)는 전기식 시동기(701)를 사용하며, 상기 전기식 시동기(701)는 배터리로부터 전원이 공급되어 작동되는 모터(미도시)를 사용하되, 상기 모터(미도시)는 발전축(105)을 회전시켜 밀폐형 가스 터빈 발전 장치가 스스로 발전할 수 있는 자립회전속도에 도달되면 속도센서(미도시)가 이를 감지하여 자동풀림클러치(미도시)에 의해 발전축(105)으로부터 분리되는 것을 특징으로 한다.

즉 본 발명은 먼저 가열장치의 발열체를 적정온도까지 예열하고, 시동장치의 시동과 동시에 윤활장치를 가동하고, 시동장치가 서서히 구동하면서 동시에 발전축이 회전하는데, 발전축의 회전이 일정수준에 이르면 시동장치가 멈추도록 하는 것에 특징이 있다.

도 4, 6 및 11을 참조하면 상기 발전장치(100)는 발전기(101), 제어장치(102), 상기 발전기와 터빈장치와 시동장치의 구동축을 단일축으로 구성하는 발전축(105), 배터리(103), 정류기와 컨버터를 포함하되 인버터를 추가 포함할 수 있는 전력변환장치(104), 발전축을 지지하되, 비마찰볼과 롤러 형식으로 구성되어 축류하중과 반경하중을 흡수하는 축하부베어링(106) 및 축상부베어링(107)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 정류기와 컨버터를 거치게 되면 배터리에 에너지가 저장되며, 배터리에 저장된 에너지는 인버터를 통해 교류를 사용하는 냉각팬(AC로 구동되는 팬)에 전기를 공급함이 바람직하다.

상기 발전기는 발전하고자 하는 용량에 따라 크기 변화가 있으며, 형식, 출력, 회전수등 변수가 있으며, 출력은 총 출력물에서 장치류를 가동하는데 소요된 출력을 뺀 것으로 계산된다.

상기 제어장치는 저장장치, 공급장치, 가열장치, 터빈장치, 냉각장치, 시동장치, 발전장치 및 윤활장치의 계통에서 입력요소와 추종요소(출력요소)들을 제어하여 발전이 원활하게 작동하도록 한다.

상기 배터리는 초기 예열과 시동에 필요한 전기를 공급한다.

다양한 작동유체(기체 또는 액체 유체)를 사용가능하며 보통은 팽창력이 좋은 액체유체를 기본으로 사용함이 바람직하다.

특히 상기 작동유체는 경유, 알콜, 휘발유 중 어느 하나를 사용함이 바람직하다.

상기 작동유체는 밀폐형태로 사용하므로 오염되지 않는다.

도 14를 참조하면 에어의 흐름을 나타내고 있는데, 먼저 하단에 설치된 발전장치에서 흡입되어 발전기를 냉각하고 상승하는 에어와, 본 발명인 발전장치의 측면 에어 흡입구(미도시)를 통해서 들어온 에어는 냉매식 냉각기의 압축기, 응축기의 냉각팬과 공냉식 냉각기의 냉각팬을 통해 사용되어 발전설비 측면과 상부로 배출됨이 바람직하다.

더불어 흡입된 에어는 윤활장치 냉각, 기타 장치들의 냉각에 사용된다.

상기 본 발명에 따른 밀폐형 가스 터빈 발전 장치의 구조는 입식을 기본으로 하여, 일체화됨이 바람직하고, 발전장치는 하부에 설치하고 상부에 시동장치와 윤활장치를 설치 배치함이 바람직하다.

도 18을 참조하면 작동유체의 흐름, 냉매의 흐름, 흡입되는 에어의 흐름, 윤활유의 흐름을 통합하여 나타낸 것으로 본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치의 작동을 알 수 있도록 하였다.

본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치에 있어서 발전장치, 저장장치 및 공급장치를 한 셋트로 구성하여 발전축을 중심으로 도넛형태로 구성할 수 있음이 바람직하다.

본 발명인 밀폐형 가스 터빈 발전 장치에 대한 일 실시예를 하기에서 설명한다.

본 실시예에는 인버터가 설치되어 있고, 가열장치의 발열체는 교류에 의해 작동한다고 가정한다.

(1) 가열장치의 예열

초기가동시에는 가열장치의 발열체를 배터리로부터 인버터를 통해 변환된 교류로 초기 가열하여 적정온도(약 900℃-1000℃)까지 예열하고, 정상가동시에는 발전장치로부터 발전되는 전류를 이용하여 계속적으로 가열한다.

(2) 시동장치 시동

시동장치의 전기시동기는 배터리로부터 인버터를 통해 변환된 교류를 사용하여 시동되며, 전기시동기는 발전장치의 발전축과 결합하여 회전하며, 자립회전속도까지 충분히 도달하여 정상구동되면 자동풀림장치에 의해 발전축으로부터 분리된다.

(3) 발전장치 작동

시동장치에 의해 시동되면 발전축이 서서히 회전하면서 발전기에서 전기를 생산하며 제어장치에 의해 모든 장치가 동시에 작동한다.

(4) 저장장치

저장장치는 저장탱크내의 증발기가 가동되면서 저온 저압의 작동유체(약 150 ℃) 항시 저장하면서 공급장치로 공급한다.

(5) 공급장치

저장탱크에서 공급된 저온 저압의 작동유체를 공급받아 가열장치로 보내며, 저압용 여과기를 통해 불순물을 제거하여 저압펌프와 고압펌프를 통해 고압의 작동유체로 압축하되, 고압용여과기에서 불순물을 제거하고, 분배기에서 압력을 유지하여 가열장치로 보내는데, 저압펌프와 고압펌프는 발전축과 연결되어 구동된다.

(6) 가열장치

공급장치의 분배기로부터 공급받은 저온 저압의 작동유체를 노즐을 통해 분무되어 가열기로 들어와 발열체에 의해 가열되고 기체화되면서 팽창하여 고온 고압의 작동유체(약 800℃-1000℃)로 만들어지는데, 이러한 작동유체는 유체가스조절장치에 의해 그 압력과 양, 속도가 조절되어 터빈장치로 공급된다.

노즐은 공급장치로부터 공급받은 저온 고압의 작동유체(액체 상태)와 터빈장치를 구동하고 회수되는 고온 고압의 작동유체(기체 상태)의 일부를 혼합하여 동시에 분무한다.

(7) 터빈장치

터빈장치는 가열장치로부터 공급된 고온 고압의 작동유체(약 800℃-1000℃)가 원심압축터빈 임펠러로 들어와 압축가속하고 원심압축터빈 디퓨저에서 팽창확산하여 노즐을 통과하여 구심동력터빈 휠을 회전시켜 발전축을 구동한다.

원심압축터빈 임펠라와 구심동력터빈은 발전축과 결합되어 동일축으로 구성된다.

구심동력터빈 휠을 회전시키고 나온 고온 고압의 작동유체는 구심동력터빈 디퓨저에서 확산되고 매니폴드를 통해서 이동되고 회수된 작동유체는 각각 냉각장치와 가열장치로 공급된다.

(8) 냉각장치

냉각장치는 터빈장치에서 회수된 고온 고압의 작동유체를 냉각하는 장치로 1차로 공냉식 냉각기에서 냉각(약 600 - 550℃)하고 2차로 냉매식 냉각기(1차 냉각시 약 300-200℃, 2차 냉각시 약 150-100℃)와 결합된 냉각탱크내의 증발기로 냉각한다. 냉매식 냉각기의 냉매는 증발기, 압축기, 응축기, 팽창밸브를 순환하며 효과를 증대하기 위한 부속장치들이 설치된다.

(9) 발전장치

발전장치는 터빈장치와 발전축이 동일축으로 구성되고 발전축의 회전에 의해 발전기가 구동하여 전기를 생산하며 인버터를 거쳐 직류에서 교류로 전환하여 전류를 공급한다. 생산된 전기 중 일부는 전기를 필요로 하는 발열체등에 자체 공급하고 나머지를 배터리에 저장한다.

(10) 윤활장치

윤활장치는 시동장치의 시동과 동시에 발전축에 연결된 압력펌프와 기타 부속장치가 작동하여 오일을 각 부품에 공급해주고 작동하고 회수되는 오일은 배유펌프를 통해 오일탱크로 회수되고 재순환한다.

본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 발전장치 101 : 발전기
102 : 제어장치 103 : 배터리
104 : 전력변환장치 105 : 발전축
106 : 축하부 베어링 107 : 축상부 베어링
200 : 저장장치 201 : 저장탱크
300 : 공급장치 301 : 저압용 여과기
302 : 저압 펌프 303 : 고압 펌프
304 : 고압용 여과기 305 : 분배기
400 : 가열장치 401 : 노즐
402 : 발열체 403 : 유체가스 조절장치
403a: 조절판a 403b: 조절판b
Post403: 강선 노즐 404 : 가열장치 외부케이스
405 : 가열장치 내부케이스 406 : 케이스 통로
500 : 터빈장치 501 : 원심압축터빈
502 : 원심압축터빈디퓨져 503 : 매니폴드
504 : 구심동력터빈 노즐 505 : 구심동력터빈
506 : 페이스 슈라우드 507 : 백 슈라우드
508 : 구심동력터빈디퓨져 509 : 매니폴드
600 : 냉각장치 610 : 공냉식 냉각기
611 : 라디에이터 612 : 라디에이터 냉각기
620a : 냉매식 냉각기a 620a-01 : 증발기
620a-02 : 액분리기 620a-03 : 열교환기
620a-04 : 냉매증기용 여과기 620a-05 : 압축기
620a-06 : 압축기용 냉각팬 620a-07 : 유분리기
620a-08 : 응축기 620a-09 : 응축기용 냉각팬
620a-10 : 수액기 620a-11 : 냉매용 여과기
620a-12 : 건조기 620a-13 : 팽창밸브
620a-14 : 냉각탱크 620a-15 : 오일탱크
620a-16 : 윤활유반송장치 620a-17 : 액반송장치
620b : 냉매식 냉각기b 620b-01 : 증발기
620b-02 : 액분리기 620b-03 : 열교환기
620b-04 : 냉매증기용 여과기 620b-05 : 압축기
620b-06 : 압축기용 냉각팬 620b-07 : 유분리기
620b-08 : 응축기 620b-09 : 응축기용 냉각팬
620b-10 : 수액기 620b-11 : 냉매용 여과기
620b-12 : 건조기 620b-13 : 팽창밸브
620b-15 : 오일탱크 620b-16 : 윤활유반송장치
620b-17 : 액반송장치
700 : 시동장치 701 : 전기식 시동기
800 : 윤활장치 801 : 오일탱크
802 : 압력펌프 803 : 압력오일여과기
804 : 오일냉각기 805 : 오일노즐
806 : 오일파이프 및 호스 807 : 오일팬
808 : 오일분리기 809 : 배유 오일여과기
810 : 배유펌프

Claims

발전기와 연결되어 전기를 생산하는 밀폐형 가스터빈 발전장치에 있어서,
상기 가스터빈 발전장치는 작동유체, 저장장치, 공급장치, 가열장치, 원심압축터빈과 구심동력터빈이 백투백 방식으로 설치된 터빈장치, 냉각장치, 시동장치, 윤활장치 및 발전장치로 구성되되,
상기 발전장치, 터빈장치 및 시동장치는 회전축을 공동으로 하여 구동되며,
상기 작동유체는 가열시 기체로 상변화하는 액체유체를 사용하며,
상기 저장장치는 상기 냉각장치를 통과한 작동유체를 저온·저압으로 유지시켜 저장하되, 상기 공급장치로 보내며,
상기 공급장치는 저온·저압의 작동유체를 저온·고압으로 만들어 가열장치로 보내며,
상기 가열장치는 저온·고압의 작동유체를 고온·고압의 작동유체로 만들되 기체로 상변화시켜 터빈장치로 보내며,
상기 터빈장치는 공급되는 고온·고압의 작동유체에 의해 중앙에 설치된 발전축과 연결된 원심압축터빈과 구심동력터빈을 회전시키며,
상기 냉각장치는 상기 터빈장치를 통과한 고온·고압의 작동유체를 공냉식 냉각기와 다수개의 냉매식 냉각기를 통과함에 따라 냉각시키며,
상기 가스터빈 발전장치는 하부에 발전장치, 상부에 시동장치와 윤활장치가 배치되며, 중앙 하부에는 바깥쪽으로부터 중앙부를 향하여 저장장치와 공급장치가 배치되고, 상기 공급장치 윗방향으로 가열장치, 터빈장치가 순서대로 배치되며, 중앙 상부에는 공냉식 냉각기가 배치되고, 아래로 2개의 냉매식 냉각기가 순서대로 배치되며,
상기 작동유체는 상기 저장장치, 공급장치, 가열장치, 터빈장치 및 냉각장치를 계속적으로 순환하되, 상기 터빈장치 앞단에 설치되어 상기 가열장치를 통과한 작동유체의 유량, 속도 및 압력을 조절하는 유체가스 조절장치와 통로열에 다수개의 블록강선이 설치된 강선노즐을 통과하여 터빈장치를 구동하며,
상기 저장장치는 순환되는 작동유체를 저장하는 공간내에 상기 냉매식 냉각기의 증발기가 장착되어 있어 저장된 작동유체와 열교환하며,
상기 공급장치는 상기 저장장치로부터 공급된 작동유체의 불순물을 거르는 저압용 여과기, 저압 펌프, 고압 펌프, 고압용 여과기 및 분배기로 순서대로 파이프로 연결되어 구성되며, 작동유체는 상기 고압펌프를 통과하면서 고압으로 되고, 상기 분배기에서 고압이 유지되면서 가열장치로 공급되며,
상기 가열장치는 노즐, 발열체 및 폭이 좁아지는 케이스 통로로 구성되되, 상기 노즐은 분배기로부터 저온 고압의 작동유체를 공급받아 분무방식으로 미세한 유체방울을 형성하며, 상기 발열체는 발전축을 중심으로 전기저항을 이용한 간접 가열 방식의 애뉼러 가열기를 사용하여 도넛 형태로 둘러싸고 있는 형태로서 작동유체를 고온의 기체로 상변화시켜 케이스 통로를 거쳐 유체가스 조절장치로 공급하며,
상기 터빈장치는 공급되는 고온·고압의 작동유체로 인한 회전에 의한 원심력으로 작동유체 가스를 바깥쪽으로 이동시키면서 압축 가속시키는 원심압축터빈, 작동유체 가스를 팽창 확산시키는 원심압축터빈디퓨져, 작동유체 통로역할을 하는 매니폴드, 구심동력터빈 노즐, 상기 구심동력터빈 노즐로부터 방사되는 작동유체에 의해 회전하는 구심동력터빈, 상기 원심압축터빈을 보호하고 작동유체의 흐름을 유도하는 페이스 슈라우드, 상기 원심압축터빈과 구심동력터빈을 분리하여 대칭배치되도록 구획하는 백 슈라우드, 통과된 작동유체를 터빈장치 외부로 보내는 구심동력터빈디퓨져 및 냉각장치까지의 작동유체 통로인 매니폴드로 구성되되,
상기 냉각장치는 상기 터빈장치를 통과한 고온·고압의 작동유체 가스를 공냉식 냉각기, 다수의 냉매식 냉각기를 통과시키면서 냉각됨에 따라 액화시켜 상기 저장장치로 보내는 것을 특징으로 하는 밀폐형 가스 터빈 발전 장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 유체가스 조절장치는 발전축 주위를 감싸되 중앙부로부터 외곽방향으로 방사상으로 형성된 복수개의 마름모꼴 개구와 폐구를 교대로 가진 도넛 원반 형태를 가진 조절판a와 조절판b가 맞대어져 공통되는 개구의 면적에 의해 통과되는 작동유체의 유량, 속도 및 압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 가스 터빈 발전 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 터빈장치를 구성하는 매니폴드와 상기 가열장치를 구성하는 노즐 사이에 회수관이 설치되어 있어, 상기 터빈장치를 통과하는 작동유체의 일부를 회수시켜 노즐에서 저온·고압의 작동유체와 혼합하여 가열장치로 분사시키는 것을 특징으로 하는 밀폐형 가스 터빈 발전 장치.
청구항 1에 있어서
상기 윤활장치는 오일탱크, 윤활이 필요한 장치의 부품들에게 일정한 압력으로 윤활유를 공급하는 압력펌프, 윤활유의 오염물질을 제거하는 압력오일여과기, 윤활유의 온도를 일정온도로 냉각하는 오일냉각기, 부품들에게 윤활유를 분사시키는 오일노즐, 오일팬, 윤활유에서 공기를 분리배출시키는 오일분리기, 장치에서 배유된 윤활유로부터 불순물을 제거하는 배유 오일여과기 및 배유된 윤활유를 오일탱크로 보내는 배유펌프로 구성되는 것을 특징으로 하는 밀폐형 가스 터빈 발전 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 냉각장치에서 공냉식 냉각기는 코어파이프가 다중 배치된 라디에이터와 라디에이터 냉각기로 구성되며, 상기 라디에이터 냉각기는 냉각팬방식을 사용하되, 그 회전축은 발전축에 연결되어 구동되며
상기 냉각장치에서 냉매식 냉각기a는 냉매의 압력을 기체냉매가 응축하기 쉽도록 높이는 압축기, 압축기용 냉각팬, 냉매증기로부터 윤활유를 분리시키는 유분리기, 고온·고압의 기체 냉매를 냉각팬으로 강제 냉각시켜 액화시키는 응축기, 응축기용 냉각팬, 냉매 저장과 기포 분리와 수분흡수 기능을 하는 수액기, 냉매로부터 불순물을 제거하는 냉매용 여과기, 냉매의 수분을 제거하는 건조기, 증발기 입구에 설치되어 수액기로부터 유입된 중온·고압의 액체냉매를 교축작용 통해 저온 ·저압의 습포화증기상태로 변화시키는 팽창밸브, 저온·저압의 냉매를 고온·고압의 작동유체와 열교환하는 증발기, 기체화된 냉매에서 수분과 이물질을 제거하는 액분리기, 상기 수액기를 거쳐 팽창밸브로 가는 냉매액과 증발기에서 압축기로 유입되는 냉매가스 사이에 열교환하는 열교환기, 냉매에서 불순물을 제거하는 냉매증기용 여과기, 작동유체를 상기 증발기의 냉매와 열교환하여 냉각 및 액화시키는 냉각탱크, 상기 액분리기로부터 회수된 윤활유를 오일탱크로 반송하는 윤활유 반송장치 및 상기 액분리기로부터 분리된 냉매액을 증발기로 반송하는 액반송장치로 구성되며,
상기 냉각장치에서 냉매식 냉각기b는 냉매의 압력을 기체냉매가 응축하기 쉽도록 높이는 압축기, 압축기용 냉각팬, 냉매증기로부터 윤활유를 분리시키는 유분리기, 고온·고압의 기체 냉매를 냉각팬으로 강제 냉각시켜 액화시키는 응축기, 응축기용 냉각팬, 냉매 저장과 기포 분리와 수분흡수 기능을 하는 수액기, 냉매로부터 불순물을 제거하는 냉매용 여과기, 냉매의 수분을 제거하는 건조기, 증발기 입구에 설치되어 수액기로부터 유입된 중온·고압의 액체냉매를 교축작용 통해 저온·저압의 습포화증기상태로 변화시키는 팽창밸브, 저온·저압의 냉매를 고온·고압의 유체가스와 열교환하는 증발기, 기체화된 냉매에서 수분과 이물질을 제거하는 액분리기, 상기 수액기를 거쳐 팽창밸브로 가는 냉매액과 증발기에서 압축기로 유입되는 냉매가스 사이에 열교환하는 열교환기, 냉매에서 불순물을 제거하는 냉매증기용 여과기, 상기 액분리기로부터 회수된 윤활유를 오일탱크로 반송하는 윤활유 반송장치 및 상기 액분리기로부터 분리된 냉매액을 증발기로 반송하는 액반송장치로 구성되며,
상기 저장장치는 상기 냉매식 냉각기b의 증발기의 냉매와 열교환된 저온 저압의 작동유체를 저장하고 상기 공급장치로 공급하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 가스 터빈 발전 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 시동장치는 전기식 시동기를 사용하며, 상기 전기식 시동기는 배터리로부터 전원이 공급되어 작동되는 모터를 사용하되, 상기 모터는 발전축을 회전시켜 밀폐형 가스 터빈 발전 장치가 스스로 발전할 수 있는 자립회전속도에 도달되면 속도센서가 이를 감지하여 자동풀림클러치에 의해 발전축으로부터 분리되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 밀폐형 가스 터빈 발전 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 발전장치는 발전기, 제어장치, 발전기 및 터빈장치를 단일축으로 구성한 발전축, 배터리, 정류기와 컨버터와 인버터를 포함하는 전력변환장치, 발전축을 지지하되, 비마찰볼과 롤러 형식으로 구성되어 축류하중과 반경하중을 흡수하는 축하부베어링 및 축상부베어링으로 구성되는 것을 특징으로 하는 밀폐형 가스 터빈 발전 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 작동유체는 경유, 알콜, 휘발유 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 가스 터빈 발전 장치.