KR102031962B1 - 터빈 냉각 시스템 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

터빈 냉각 시스템 및 이를 포함하는 가스 터빈

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Abstract

본 발명은 터빈 냉각 시스템 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다. 본 발명은 압축기에서 압축된 압축 공기의 일부를 터빈으로 유입시키기 전에 나노 유체를 냉매로 하는 냉각부에서 냉각을 시킨다. 나노 유체는 열전달 효율이 우수하므로, 압축 공기의 냉각 효율이 향상되며 터빈의 냉각 성능도 향상된다.

Description

터빈 냉각 시스템 및 이를 포함하는 가스 터빈 {Turbine cooling system and gas turbine comprising it}
본 발명은 터빈 냉각 시스템 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.
가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.
일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 배출된다. 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.
대한민국 공개특허 제10-2006-0087872호 (명칭: 압축기 내부 공기의 냉각 장치를 구비한 가스 터빈 장치)
본 발명은 터빈 냉각을 위해 압축기에서 터빈으로 이동되는 압축 공기를 냉각시키기 위한 터빈 냉각 시스템 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 냉각 시스템은 연결관과 냉각부를 포함한다. 연결관은 압축기에서 압축된 압축 공기의 일부를 터빈으로 유입시킨다. 냉각부는 연결관을 따라 유동하는 압축 공기를 나노 유체를 냉매로 하여 냉각시킨다. 냉각부의 나노 유체는 규소(Si), 금(Au), 은(Ag), 산화규소(SiOx), 산화알루미늄(AlxOx), 산화철(FexOx), 카본나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자 및 용매를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 냉각 시스템에서 용매는 물, 에틸렌 글라이콜, 프로필렌 글라이콜 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 냉각 시스템에서 나노 유체는 물, 및 물 100 중량부에 대하여 규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 금 0.0001 내지 0.01 부피부, 은 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화알루미늄 0.0001 내지 0.01 부피부 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 냉각 시스템에서 나노 유체는 에틸렌 글라이콜 100 부피부에 대하여 규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 금 0.0001 내지 0.01 부피부, 은 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화알루미늄 0.0001 내지 0.01 부피부 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 냉각 시스템에서 나노 입자는 구연산염(Citrate) 또는 산(acid)을 이용한 화학적 방법으로 용매에 분산될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 냉각 시스템에서 나노 입자는 액상 펄스 레이저 증발법과 같은 물리적 방법으로 용매에 분산될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 냉각 시스템의 냉각부는 나노 유체를 필터링할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 냉각 시스템의 냉각부는 나노 유체를 교반할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 냉각 시스템은 냉각탑을 더 포함할 수 있다. 냉각탑은 냉가부의 냉매를 냉각시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 냉각 시스템은 가진부를 더 포함할 수 있다. 가진부는 냉각부에 진동을 가한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은 압축기, 연소기, 터빈, 터빈 냉각 시스템을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한다. 연소기는 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시킨다. 터빈은 내부에 터빈 블레이드가 장착되며, 연소기로부터 배출되는 연소 가스에 의해 터빈 블레이드가 회전한다. 터빈 냉각 시스템은 연결관과 냉각부를 구비한다. 연결관은 압축기에서 압축된 압축 공기의 일부를 터빈으로 유입시킨다. 냉각부는 연결관을 따라 유동하는 압축 공기를 나노 유체를 냉매로 하여 냉각시킨다. 냉각부의 나노 유체는 규소(Si), 금(Au), 은(Ag), 산화규소(SiOx), 산화알루미늄(AlxOx), 산화철(FexOx), 카본나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자 및 용매를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서 용매는 물, 에틸렌 글라이콜, 프로필렌 글라이콜 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 터빈 냉각 시스템은 가진부를 더 구비할 수 있다. 가진부는 냉각부에 진동을 가한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 터빈 냉각 시스템에서 가진부는 압축기, 연소기, 터빈 중 적어도 하나에서 발생되는 진동을 이용하여 냉각부에 진동을 가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 터빈 냉각 시스템은 열교환기를 더 구비할 수 있다. 열교환기에서는 연결관을 따라 유동하는 압축 공기와 연소기로 유입되는 연료 가스가 열교환한다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 압축기에서 압축된 압축 공기의 일부를 터빈으로 유입시키기 전에 나노 유체를 냉매로 하는 냉각부에서 냉각시킴으로써 터빈의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 단면을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 단면을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 냉각 시스템을 포함하는 가스 터빈을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 금 나노 입자의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 6은 액상 펄스 레이저 증발법(PLAL)의 개략도이다.
도 7은 액상 펄스 레이저 증발법(PLAL)을 이용하여 금 나노 유체를 제조하고 제타 포텐셜(zeta potential) 측정값을 나타내는 도면이다.
도 8은 액상 펄스 레이저 증발법(PLAL)을 이용하여 제조된 금 나노 유체의 나노 입자의 사이즈 분포를 나타내는 도면이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각탑을 구비한 터빈 냉각 시스템을 포함하는 가스 터빈을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가진부를 구비한 터빈 냉각 시스템을 포함하는 가스 터빈을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 가스와 압축 공기가 열교환을 하는 터빈 냉각 시스템을 포함하는 가스 터빈을 개념적으로 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 단면을 개념적으로 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 단면을 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(1000)은 압축기(1100), 연소기(1200), 터빈(1300)을 포함한다. 압축기(1100)는 외부 공기를 흡입하여 압축하고, 연소기(1200)는 압축기(1100)에서 압축된 공기에 연료를 혼합해 연소시킨다. 터빈(1300)은 내부에 터빈 블레이드(1310)가 장착되며, 연소기(1200)로부터 배출되는 연소 가스에 의해 터빈 블레이드(1310)가 회전하게 된다.
압축기(1100)는 압축기 디스크(1110), 타이로드(1120), 압축기 블레이드(1130), 압축기 베인(1140), 압축기 케이싱(1150), 인테이크(1160), 압축기 디퓨저(1170)를 포함한다.
압축기 디스크(1110)에는 압축기 블레이드(1130)가 장착되며, 압축기 디스크(1110)를 관통하여 타이로드(1120)가 위치한다. 압축기 디스크(1110)는 타이로드(1120)의 회전에 따라 회전하여 압축기 블레이드(1130)를 회전시킨다. 압축기 디스크(1110)는 복수개 일 수 있다.
복수의 압축기 디스크(1110)들은 타이로드(1120)에 의해 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다. 각각의 압축기 디스크(1110)들은 타이로드(1120)에 의해 관통된 상태로 축 방향을 따라서 정렬된다. 압축기 디스크(1110)의 외주부에는 복수 개의 돌기(미도시)가 형성될 수 있고, 인접한 압축기 디스크(1110)와 함께 회전하도록 결합되는 플랜지(1111)가 형성될 수 있다.
복수 개의 압축기 디스크(1110) 중 적어도 어느 하나에는 압축기 디스크 냉각유로(1112)가 형성될 수 있다. 압축기 디스크 냉각유로(1112)를 통해 압축기(1100)의 압축기 블레이드(1130)에 의해 압축된 압축 공기가 터빈(1300) 측으로 이동되어 터빈 블레이드(1310)를 냉각시킬 수 있다.
타이로드(1120)는 압축기 디스크(1110)를 관통하여 위치하며, 압축기 디스크(1110)를 정렬한다. 타이로드(1120)는 터빈(1300)에서 발생된 토크를 전달 받아서 압축기 디스크(1110)를 회전시킨다. 이를 위해 압축기(1100)와 터빈(1300) 사이에는 터빈(1300)에서 발생된 회전 토크를 압축기(1100)로 전달하는 토크 전달부재로서 토크튜브(1400)가 배치될 수 있다.
타이로드(1120)의 일측 단부는 최상류 측에 위치한 압축기 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 토크튜브(1400)에 삽입된다. 타이로드(1120)의 타측 단부는 토크튜브(1400) 내에서 가압너트(1121)와 체결된다. 가압너트(1121)는 토크튜브(1400)를 압축기 디스크(1110) 측으로 가압하여 각각의 압축기 디스크(1110)들이 밀착되게 한다.
압축기 블레이드(1130)는 압축기 디스크(1110)의 외주면에 방사상으로 결합된다. 압축기 블레이드(1130)는 복수 개일 수 있으며, 다단으로 형성될 수 있다. 압축기 블레이드(1130)에는 압축기 디스크(1110)에 체결되기 위한 압축기 블레이드 루트부재(1131)가 형성될 수 있으며, 압축기 디스크(1110)에는 압축기 블레이드 루트부재(1131)이 삽입되기 위한 압축기 디스크 슬롯(1113)이 형성될 수 있다.
압축기 블레이드(1130)는 압축기 디스크(1110)의 회전에 따라 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단의 압축기 베인(1140)으로 이동시킨다. 공기는 다단으로 형성된 압축기 블레이드(1130)를 통과하면서 점점 더 고압으로 압축된다.
압축기 베인(1140)은 압축기 케이싱(1150)의 내부에 장착되며, 복수의 압축기 베인(1140)이 단을 형성하며 장착될 수 있다. 압축기 베인(1140)은 전단의 압축기 블레이드(1130)로부터 이동된 압축 공기를 후단의 압축기 블레이드(1130) 측으로 가이드한다. 일 실시예에서 복수의 압축기 베인(1140) 중 적어도 일부는 공기의 유입량의 조절 등을 위해 정해진 범위 내에서 회전 가능하도록 장착될 수 있다.
압축기 케이싱(1150)은 압축기(1100)의 외형을 형성한다. 압축기 케이싱(1150)은 내부에 압축기 디스크(1110), 타이로드(1120), 압축기 블레이드(1130), 압축기 베인(1140) 등을 수용한다.
압축기 케이싱(1150)에는 다단의 압축기 블레이드(1130)에 의해 여러 단계로 압축된 압축 공기를 터빈(1300) 측으로 유동시켜서 터빈 블레이드를 냉각시키는 연결관이 형성될 수 있다.
압축기(1100)의 입구에는 인테이크(1160)가 위치한다. 인테이크(1160)는 외부 공기를 압축기(1100) 내부로 유입시킨다. 압축기(1100)의 출구에는 압축된 공기를 확산 이동시키는 압축기 디퓨저(1170)가 배치된다. 압축기 디퓨저(1170)는 압축기(1100)에서 압축된 공기가 연소기(1200)에 공급되기 전에 압축 공기를 정류시키며, 압축 공기의 운동 에너지 일부를 정압(static pressure)으로 전환시킨다. 압축기 디퓨저(1170)를 통과한 압축 공기는 연소기(1200)로 유입된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 냉각 시스템을 포함하는 가스 터빈을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(2000)은 압축기(2100), 연소기(2200), 터빈(2300), 터빈 냉각 시스템(2400)을 포함한다. 압축기(2100), 연소기(2200), 터빈(2300)은 도 1 내지 도 3에서 설명하였으므로 자세한 설명은 생략한다.
터빈 냉각 시스템(2400)은 연결관(2410)과 냉각부(2420)를 구비한다. 냉각부(2420)는 연결관(2410)이 관통하도록 설치된다.
연결관(2410)은 압축기(2100)에서 압축된 압축 공기의 일부를 터빈(2300)으로 유동시킨다. 이를 위해 연결관(2410)은 압축기 케이싱에서 터빈 케이싱을 연결한다. 연결관(2410)을 통해 터빈(2300)으로 유입된 압축 공기는 터빈 블레이드를 냉각시킨다.
압축기(2100)에서 공기가 압축되면서 온도가 상승한다. 그러나 터빈(2300)에는 연소기(2200)에서 연소된 연소 가스가 유입되는데, 연소 가스의 온도는 압축기(2100)에서 압축된 압축 공기보다 상대적으로 고온이다. 따라서 압축 공기가 터빈(2300)으로 유입되면 터빈 블레이드를 냉각시킬 수 있다.
냉각부(2420)는 연결관(2410)을 통해 유동하는 압축 공기를 냉각시킨다. 냉각부(2420)는 나노 유체를 냉매로 사용한다. 나노 유체는 나노 입자를 용매에 분산시킨 것이다. 이와 같이 나노 유체를 냉매로 사용하는 경우에는 열전달 효율이 우수하므로, 냉각부(2420)의 크기를 작게할 수 있다.
용매는 물이나 에틸렌 글라이콜(Ethylene glycol)이 될 수 있다. 일 실시예에서 용매는 물과 에틸렌 글라이콜을 혼합한 용액이 될 수 있다. 물과 에틸렌 글라이콜의 혼합 비율은 가스 터빈(2000)이 사용되는 지역의 온도 조건에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 추운 지역의 경우 동파 방지를 위해 에틸렌 글라이콜의 비율을 높일 수 있다. 다만, 에틸렌 글라이콜의 비율이 높아지는 경우 나노 입자는 분산시키기 어려우므로, 이런 점을 고려하여 물과 에틸렌 글라이콜의 비율을 결정할 수 있다.
나노 유체에 사용되는 나노 입자는 열전도도가 높은 물질인 것이 바람직하다. 열전도도가 높은 나노 입자를 사용해야 압축 공기를 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
나노 입자는 규소(Si), 금(Au), 은(Ag), 산화규소(SiOx), 산화알루미늄(AlxOx), 산화철(FexOx), 카본나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 구체적으로, 산화규소(SiOx)는 실리카(SiO2)일 수 있고, 산화알루미늄은 알루미나(Al2O3)일 수 있고, 산화철은 산화제일철(FeO), 산화제이철(Fe2O3) 또는 사산화삼철(Fe3O4) 등일 수 있다. 참고로 금 나노 입자의 투과전자현미경(TEM) 사진은 도 5와 같다.
용매로 물을 사용하는 경우, 나노 유체는 물 100 부피부에 대하여 규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 금 0.0001 내지 0.01 부피부, 은 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화알루미늄 0.0001 내지 0.01 부피부 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자를 포함할 수 있다.
용매로 에틸렌 글라이콜을 사용하는 경우, 나노 유체는 에틸렌 글라이콜 100 부피부에 대하여 규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 금 0.0001 내지 0.01 부피부, 은 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화알루미늄 0.0001 내지 0.01 부피부 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자를 포함할 수 있다.
나노 유체가 냉각 공기를 잘 냉각시키기 위해서는 나노 유체에서 나노 입자가 잘 분산되는 것이 중요하다. 나노 입자가 뭉치지 않고 분산되도록 하기 위해서 나노 유체에 계면활성제를 사용할 수 있다. 그러나 계면활성제를 사용하면, 열전달 성능이 저하된다.
본 실시예에서는 계면활성제를 사용하지 않고, 나노 입자가 뭉치는 것을 방지하기 위해, 나노 입자를 화학적 또는 물리적 방법에 의해 용매에 분산시킬 수 있다.
구체적으로, 나노 입자는 구연산염(Citrate) 또는 산(acid)을 이용한 화학적 방법으로 용매에 분산되거나, 레이저를 이용한 물리적 방법, 더욱 구체적으로 액상 펄스 레이저 증발법(pulsed laser ablation in liquid, PLAL)에 의하여 용매에 분산될 수 있다.
도 6은 액상 펄스 레이저 증발법(PLAL)의 개략도이다. PLAL는 펄스 레이저를 이용하여 용매(물, 에틸렌 글라이콜 또는 프로필렌 글라이콜 등)에 나노 입자를 분산시켜 나노 유체를 직접 제작하는 단일 공정(single-step) 제작 방법이다. 액상 펄스 레이저 증발법(PLAL)을 이용하면 진공장비, 고온 조건 등 극한 조건이 필요하지 않은 간단한 방법으로 나노 유체를 제작할 수 있다. 구체적으로, 액상 펄스 레이저 증발법(PLAL)을 이용하면 펄스 레이저의 에너지를 용매 속에 위치시킨 나노 입자 타깃(Si, Au, Ag 등)에 조사함으로써 나노 입자를 생성하고, 나노 입자가 생성됨과 동시에 용매에 분산될 수 있다.
이 방법으로 제조한 나노 입자는 그 표면이 극성을 가지며, 용매도 레이저에 의하여 이온 분리되면서 나노 입자 표면과 반응함으로써 서로 밀어내는 척력(repulsion force)이 생성되어 별도의 계면활성제 없이도 분산 안정성이 우수한 나노 유체를 제조할 수 있다.
일 예로, 액상 펄스 레이저 증발법(PLAL)을 이용하여 금 나노 유체를 제조하고, 이의 제타 포텐셜(zeta potential) 측정값을 도 7에 나타내었다. 제타 포텐셜은 유체나 나노 입자의 표면 전하를 측정하는 것으로 이를 통하여 표면 전하 상태를 파악할 수 있다. +값은 표면이 +전하로 -는 표면이 -전하를 가지고 있다는 의미이며, 이 값이 높을수록 주변 전하 분포에 따라 척력(repulsion force)이 높음을 보여준다. 액상 펄스 레이저 증발법(PLAL)을 이용함으로써 금(Au+)은 물(H2O, H+, OH-)와 반응을 일으키게 되는데, 도 7을 참고하면, 금(Au+) 표면에는 OH-가 둘러싸고 있음을 알 수 있으며, 이를 통하여 주변에 분산된 금 나노 입자들과는 척력(repulsion force)이 생성됨을 알 수 있다. 이를 통하여 나노 유체 내에서 나노 입자가 계면활성제 없이도 안정되게 분산될 수 있다. 이렇게 제작된 나노 입자의 사이즈 분포는 도 8에 나타내었다.
다른 실시예에서는 냉각부(2420)가 나노 입자 분산을 위해서 나노 유체를 필터링할 수도 있다. 또 다른 실시예에서는 냉각부(2420)가 나노 입자 분산을 위해서 나노 유체를 교반할 수 있다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각탑을 구비한 터빈 냉각 시스템을 포함하는 가스 터빈을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가진부를 구비한 터빈 냉각 시스템을 포함하는 가스 터빈을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(3000)은 압축기(3100), 연소기(3200), 터빈(3300), 터빈 냉각 시스템(3400)을 포함한다. 도 4에서 설명한 것과 동일한 것은 자세한 설명을 생략한다.
터빈 냉각 시스템(3400)은 연결관(3410), 냉각부(3420), 냉각탑(3430)을 구비한다. 연결관(3410)을 따라서 압축기(3100)에서 압축된 압축 공기의 일부가 터빈(3300)으로 유동된다. 냉각부(3420)은 연결관(3410)을 따라 유동하는 압축 공기를 냉각시킨다.
냉각탑(3430)은 냉각부(3420)의 냉매를 냉각시킨다. 냉매를 냉각탑(3430)에서 냉각시키기 위해서는 냉매의 용매가 물이어야 한다. 냉각부(3420)의 냉매는 압축 공기와 열교환을 하면서 온도가 상승한다. 온도가 상승한 냉매는 다시 냉각을 시켜야 지속적으로 압축 공기를 냉각시킬 수 있다. 이를 위해 냉매는 냉각탑(3430)으로 보내져 냉각된다.
냉각탑(3430)은 온도가 높아진 냉매를 냉각탑(3430)의 상층부로부터 작은 액적 형태로 분사하고, 액적이 내려오는 도중에서 송풍기의 바람에 접촉시켜 물의 일부를 기화시킴으로써 수온을 내리게 한다. 냉각탑(3430)의 기본원리는 증발잠열과 현열에 의한 열이동에 의한다. 즉, 물이 증발하면 주위에서 증발잠열을 빼앗아 주위를 냉각시키고, 공기는 물의 온도차에 의한 현열(顯熱, sensible heat)로 냉각된다. 냉각탑(3430)은 물의 체공시간을 최대한으로 늘리고, 접촉면적을 최대화하며, 풍량을 증대시켜 물과 공기의 접촉을 최대로 하여 많은 증발이 일어날 수 있게 설계하는 것이 중요하다.
나노 유체를 분사하는 경우 물을 분사하는 것과 비교하여 나노 입자로 인해 액적의 고온면과의 접촉각이 증가하고 더 오래 고온면과 접촉하기 때문에 나노 유체가 물보다 열전달 효율이 더 증가한다. 따라서 냉각탑(3430)의 냉각 효율이 개선된다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 도 9b에 도시된 바와 같이, 터빈 냉각 시스템(3400)이 가진부(3440)를 더 구비할 수 있다.
가진부(3440)는 냉각부(3420)에 진동을 가한다. 이에 따라 냉각부(3420)에는 진동이 발생되며, 나노 유체 내에서 나노 입자가 분산이 잘된다. 나노 입자가 잘 분산될수록 나노 유체로 이루어진 냉매의 냉각 효율이 좋아진다.
일 실시예에서 가진부(3440)는 압축기(3100), 연소기(3200), 터빈(3300)중 적어도 하나에서 발생되는 진동을 이용하여 냉각부(3420)에 진동을 가할 수 있다. 이를 위해 가진부(3440)는 진동 전달을 위한 전달 부재를 구비할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 가스와 압축 공기가 열교환을 하는 터빈 냉각 시스템을 포함하는 가스 터빈을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(4000)은 압축기(4100), 연소기(4200), 터빈(4300), 터빈 냉각 시스템(4400)을 포함한다. 도 9a 및 도 9b에서 설명한 것과 동일한 것은 자세한 설명을 생략한다.
터빈 냉각 시스템(4400)은 연결관(4410), 냉각부(4420), 냉각탑(4430), 가진부(4440), 열교환기(4450)을 구비한다. 압축기(4100)에서 압축된 압축 공기의 일부가 연결관(4410)을 따라서 터빈(4300)으로 유동된다. 냉각부(4420)은 연결관(4410)을 따라 유동하는 압축 공기를 냉각시킨다. 냉각탑(4430)은 냉각부(4420)의 냉매를 냉각시킨다. 가진부(4440)는 냉각부(4420)에 진동을 가하여 냉매로 사용되는 나노 유체에서 나노 입자가 분산되도록 한다.
열교환기(4450)에서는 연소기(4200)로 유입되는 연료 가스와 연결관(4410)을 따라 유동하는 압축 공기가 열교환을 한다. 압축 공기가 열교환기(4410)에서 연료 가스와 열교환을 하면, 압축 공기는 온도가 하강하고 연료 가스는 온도가 상승한다. 따라서 냉각부(4420)로 유입되는 압축 공기의 온도가 하강하여 냉각부)4420)의 냉각 효율이 개선된다. 또한 연소기(4200)로 유입되는 연료 가스의 온도가 상승하므로, 연소기(4200)의 연소 효율이 개선된다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1000, 2000, 3000. 4000 : 가스터빈
1100, 2100, 3100, 4100 : 압축기
1200, 2200, 3200, 4200 : 연소기
1300, 2300, 3300, 3400 : 압축기
2400, 3400, 4400 : 터빈 냉각 시스템
2410, 3410, 4410 : 연결관
2420, 3420, 4420 : 냉각부
3430, 4430 : 냉각탑
3440, 4440 : 가진부
4450 : 열교환기

Claims (14)

  1. 외부 공기를 흡입하여 압축하는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기;
    내부에 터빈 블레이드가 장착되며, 상기 연소기로부터 배출되는 연소 가스에 의해 상기 터빈 블레이드가 회전하는 터빈; 및
    상기 압축기에서 압축된 압축 공기의 일부를 상기 터빈으로 유입시켜 상기 터빈 블레이드를 냉각시키는 터빈 냉각 시스템;을 포함하며,
    상기 터빈 냉각 시스템은,
    상기 압축기에서 압축된 압축 공기의 일부를 터빈으로 유입시키기 위한 연결관과, 상기 연결관을 따라 유동하는 압축 공기를 나노 유체를 냉매로 하여 냉각시키기 위한 냉각부와, 상기 냉각부에 상기 압축기, 상기 연소기, 상기 터빈 중 적어도 하나에서 발생되는 진동을 이용하여 진동을 가하기 위한 가진부를 구비하며,
    상기 냉각부의 상기 나노 유체는 규소(Si), 은(Ag), 산화규소(SiOx), 산화철(FexOx), 카본나노튜브(CNT) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자 및 용매를 포함하고,
    상기 가진부는 상기 압축기, 상기 연소기, 상기 터빈 중 적어도 하나에서 발생되는 진동을 상기 냉각부에 전달하기 위한 전달 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용매는 물, 에틸렌 글라이콜, 프로필렌 글라이콜 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 나노 유체는
    상기 물, 및
    상기 물 100 중량부에 대하여 규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 금 0.0001 내지 0.01 부피부, 은 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화알루미늄 0.0001 내지 0.01 부피부 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 나노 유체는
    상기 에틸렌 글라이콜, 및
    상기 에틸렌 글라이콜 100 중량부에 대하여 에틸렌 글라이콜 100 부피부에 대하여 규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 금 0.0001 내지 0.01 부피부, 은 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화알루미늄 0.0001 내지 0.01 부피부 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노 입자는 액상 펄스 레이저 증발법으로 용매에 분산된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는 상기 나노 유체를 필터링하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는 상기 나노 유체를 교반하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부의 냉매를 냉각시키기 위한 냉각탑을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈 냉각 시스템은 상기 연결관을 따라 유동하는 압축 공기와 상기 연소기로 유입되는 연료 가스가 열교환하는 열교환기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
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