KR102113100B1

KR102113100B1 - 오버행 터빈 및 자기 베어링을 가진 발전기 시스템

Info

Publication number: KR102113100B1
Application number: KR1020157009372A
Authority: KR
Inventors: 케빈 페어맨; 에이. 디 벨라 프란치스; 데이비드 자픽스; 프레드릭 이. 벡커; 알렉산더 고퍼
Original assignee: 컨셉츠 엔알이씨, 엘엘씨
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2020-06-02
Also published as: KR20150091465A

Abstract

터빈 발전기 장치는 산업공정, 신재생 에너지원 및 그 밖의 소스로부터 나오는 열을 이용하여 전기 발전을 하는데 사용하는 장치이다. 발전기는 회전자와 고정자 사이의 갭 내로 도입에 앞서 기화되거나 분무화된 액체를 도입하여 냉각할 수 있으며, 액체는 터빈에서 배출된 기체가 응축된 것이다. 상기 터빈은 범용 설계되어서, 50KW 내지 5MW 범위의 정격 출력을 하는 발전기와 관련하여 사용하기 위해 비교적 용이하게 변형될 수 있다. 이런 변형은, 지지된 발전기로부터의 반경방향 회전자의 동작을 수용하게 선택된 터빈 브러시 밀봉부를 가진 필요한 용도에 맞는 크기로 형성된 분리된 회전자와 고정자 판으로 조립된 모듈러 터빈 카트리지의 사용을 통해 부분적으로 달성된다. 카트리지는 비교적 용이하게 유지보수 및 복구가 이루어지게 터빈에 설치되고 그로부터 제거될 수 있다. 회전자 하우징은 필요한 작동 매개변수를 충족하는 치수로 비교적 용이하게 기계가공할 수 있게 설계된다.

Description

오버행 터빈 및 자기 베어링을 가진 발전기 시스템{OVERHUNG TURBINE AND GENERATOR SYSTEM WITH MAGNETIC BEARINGS}

본 출원은 미국 가특허출원 일련 번호 61/699,649호(2012년 9월11일 출원, 발명의 명칭 "ORC에 사용하기 위한 축류 오버행(Axial Overhung) 터빈 및 발전기 시스템")를 우선권으로 주장하며, 그 전체내용은 참고로서 본원에 포함되었다.

본 발명은 일반적으로 산업 폐열의 회수 및 기타 다른 용도를 위한 터빈 발전기 전력 시스템 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 직접 구동방식, 전력 발전기에 연결된 오버행 터빈(overhung turbine)에 관한 것이다.

기후 변화 및 에너지 가격의 상승을 고려하면서, 다양한 산업을 운영하면서 소요되는 비용의 최소화에 대한 욕구는 그런 운영을 하면서 발생된 폐열을 포획하는데 대한 관심을 높이고 있다. 산업용 폐열 회수에 유기 랭킨 사이클(ORC:Organic Rankine Cycle) 터빈 발전기 전력시스템이 사용되어 왔다.

불행하게도, 폐열을 포획하여 그것을 전기로 변환하기 위한 공지된 시스템은 흔히 특정 산업을 운용하는데 사용할 수 있는 작업 공간에 비해 너무 크거나, 목적하는 것보다 덜 효과적이거나, 사용할 수 있는 것보다 효과적으로 작동하는데 더 많은 열을 필요로 하거나, 특정 용도에 맞게 제조하는데 너무 비싸거나, 또는 원하는 것보다 더 많은 유지보수가 필요한 것이다. 지열 에너지 회수 및 특정 해양 열 에너지 프로젝트와 같은 다른 용도에서는, 풍부한 열을 사용할 수 있으며, 효과적인 ORC 시스템이 전기로 그런 열을 변환하는 적당한 좋은 수단이다. 그러나, 다른 용도에서는, 공지된 ORC 시스템이 일부 그러한 용도용으로는 너무 비싼 것이 사실이며, 필요한 것보다 덜 효과적이고, 및/또는 원하는 것보다 더 많은 유지보수가 필요한 것이다. 종래 기술의 일 예는 국제특허공개번호 WO2011/149916에 개시되어 있다.

일 실시예에서, 본 발명은 열 에너지를 전기로 변환하기 위한 시스템에 관한 것이다. 시스템은 5MW 이하의 전력을 출력하는 발전기와 터빈을 포함하며, 상기 발전기는 기부근방 단부, 말단부, 발전기 회전자 및 고정자를 갖고, 발전기 회전자는 회전축을 중심으로 고정자 내에서 회전운동하게 배치되며, 발전기는 또한 기부근방 단부에 인접하여 배치된 제1자기 레이디얼 베어링과, 말단부에 인접하여 배치된 제2자기 레이디얼 베어링도 포함하며, 상기 제1 및 제2자기 레이디얼 베어링은 발전기 회전자를 둘러싸고 보유하며, 작동하는 동안, 상기 회전축에 대해 실질적으로 동축 정렬(coaxial alignment)되며; 상기 터빈은 적어도 하나의 고정자와 회전축을 중심으로 적어도 하나의 고정자에 대한 회전운동을 위해 지지되는 적어도 하나의 터빈 회전자를 갖고, 상기 적어도 하나의 터빈 회전자는 발전기 회전자를 회전적으로 구동하도록 발전기 회전자에 연결되며, 상기 터빈은 상기 발전기의 기부근방 단부에 부착된 제1단부를 갖고, 상기 적어도 하나의 터빈 회전자는 오버행 구조로 형성되어, 회전운동을 위해 적어도 하나의 터빈 회전자를 반경방향으로 지지하는 레이디얼 베어링이 상기 터빈에 포함되지 않고, 상기 터빈은 부가로 제1온도에서 작업유체를 수용하기 위한 입구와 제1온도보다 낮은 제2온도에서 작업유체를 배출하기 위한 출구도 포함하며, 상기 출구는 상기 터빈의 제1단부 근방에 위치하여 발전기로의 열전달을 최소로 한다.

다른 실시예에서, 본 발명은 열 에너지를 전기로 변환하기 위한 시스템에 관한 것이다. 시스템은 5MW 이하의 전력을 출력하는 발전기와 터빈을 포함하며, 상기 발전기는 기부근방 단부, 말단부, 발전기 회전자 및 고정자를 갖고, 발전기 회전자는 회전축을 중심으로 고정자 내에서 회전운동하게 배치되며, 발전기는 또한 기부근방 단부에 인접하여 배치된 제1유체 필름 베어링과, 말단부에 인접하여 배치된 제2유체 필름 베어링도 포함하며, 제1 및 제2유체 필름 베어링은 발전기 회전자를 둘러싸고 보유하며, 작동하는 동안, 상기 회전축에 대해 실질적으로 동축 정렬되며; 상기 터빈은 적어도 하나의 고정자와 회전축을 중심으로 적어도 하나의 고정자에 대한 회전운동을 위해 지지되는 적어도 하나의 터빈 회전자를 갖고, 상기 적어도 하나의 터빈 회전자는 발전기 회전자를 회전적으로 구동하도록 발전기 회전자에 연결되며, 상기 터빈은 상기 발전기의 기부근방 단부에 부착된 제1단부를 갖고, 상기 적어도 하나의 터빈 회전자는 오버행 구조로 형성되어서, 회전운동을 위해 적어도 하나의 터빈 회전자를 반경방향으로 지지하는 레이디얼 베어링이 상기 터빈에 포함되지 않고, 상기 터빈은 부가로 제1온도에서 작업유체를 수용하기 위한 입구와 제1온도보다 낮은 제2온도에서 작업유체를 배출하기 위한 출구도 포함하며, 상기 출구는 상기 터빈의 제1단부 근방에 위치하여 발전기로의 열전달을 최소로 한다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 교체 가능한 부품을 가진 축류 터빈(axial turbine)에 관한 것이다. 축류 터빈은 내부와 제1회전축을 갖는 하우징과; 복수의 회전자 판과, 각각의 회전자 판은 중심선, 제1접촉면 및 제1접촉면과 접촉하는 제2접촉면을 갖고, 상기 제1 및 제2접촉면은 대체로 평행하며 제1 및 제2접촉면의 각각은 0.00005" 내지 0.020" 범위에서 편평하며, 상기 복수의 회전자 판은 서로 근접하여 위치하여서 그 중심선이 상호 동축에 있고 그리고 복수 스테이지 회전자 조립체(multi-stage rotor assembly)의 회전자 부분을 형성하도록 상기 제1회전축과 동축에 있으며, 복수의 회전자 판의 각각은 반경방향 최외측부를 갖고; 복수의 고정자 판을 포함하며, 각각의 고정자 판은 중심선, 제1접촉면 및 제1접촉면과 접촉하는 제2접촉면을 갖고, 상기 제1 및 제2면은 대체로 평행하며 제1 및 제2면의 각각은 0.00005" 내지 0.020" 범위에서 편평하며, 상기 복수의 고정자 판은 서로 근접하여 위치하여서 고정자 판의 중심선이 서로 동축에 있고 그리고 복수 스테이지 고정자 조립체의 고정자 부분을 형성하도록 제1회전축과 동축에 있으며, 상기 복수의 고정자 판의 각각은 반경방향 최내측부를 갖고; 상기 복수의 회전자 판은 상류방향으로 복수 스테이지 회전자 조립체를 형성하도록 복수의 고정자 판의 각각의 판에 대한 대응 관계로 교대로 배치되며, 또한 상기 복수의 회전자 판 중 적어도 하나는 축류 코드(axial chord)를 가진 복수의 제1베인을 갖고 그리고 상기 복수의 고정자 판의 인접한 판은 축류 코드를 가진 복수의 제2베인을 포함하며, 상기 복수의 제1베인은 상기 복수의 제2베인으로부터 축방향으로 이격져서 축류 코드의 1%의 1/4 에 대해 2개의 축류 코드보다 크지 않은 축방향 크기를 가진 공간을 형성하며, 크기의 측정은 상기 공간의 바로 상류에 회전자 판과 고정자 판 중 하나의 축류 코드에 대한 측정이다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 전기로 열 에너지를 변환하기 위한 시스템에 관한 것이다. 시스템은 입구, 출구, 고정자, 및 터빈 회전자를 가진 터빈과, 상기 터빈에 연결된 발전기를 포함하며, 상기 터빈은 입구를 통해 제1용량의 작업유체를 수용하고, 출구를 통해 상기 제1용량의 작업유체를 배출하게 형성되며, 상기 터빈 회전자는 회전축을 중심으로 회전하며; 상기 발전기는 고정자와 발전기 회전자를 갖고, 상기 발전기 회전자는 터빈 회전자와 연결되어 회전축을 중심으로 터빈 회전자에 의한 회전 구동을 하며, 상기 발전기는 발전기 회전자와 제2용량의 작업유체를 수용하기 위한 고정자와의 사이의 갭을 포함하며, 상기 갭은 유입 포트와 유출 포트를 갖고; 상기 제1용량의 작업유체는 상기 갭 내로 유체가 도입될 때 상기 제2용량의 작업유체보다 더 높은 온도를 갖고 그리고 상기 갭 내의 제2용량의 작업유체는 발전기 회전자와 고정자를 냉각한다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 복수 스테이지 터빈 카트리지에 관한 것이다. 터빈 카트릿지는 복수의 회전자 판과 복수의 고정자 판을 포함하며, 각각의 회전자 판은 중심선, 제1접촉면 및 제1접촉면과 접촉하는 제2접촉면을 갖고, 상기 제1 및 제2접촉면은 대체로 평행하며 제1 및 제2접촉면의 각각은 0.00005" 내지 0.020" 범위에서 편평하며, 상기 복수의 회전자 판은 서로 근접하여 위치하여서 회전자 판의 중심선이 상호 동축에 있고; 각각의 고정자 판은 중심선, 제1접촉면 및 제1접촉면과 접촉하는 제2접촉면을 갖고, 상기 제1 및 제2접촉면은 대체로 평행하며 제1 및 제2접촉면의 각각은 0.00005" 내지 0.020" 범위에서 편평하며, 상기 복수의 고정자 판은 서로 근접하여 위치하여서 고정자 판의 중심선이 서로 동축에 있고; 그리고 상기 복수의 회전자 판은 상류방향으로 복수 스테이지 회전자 조립체를 형성하도록 복수의 고정자 판의 각각의 판에 대한 대응 관계로 교대로 배치되며, 또한 상기 복수의 회전자 판 중 적어도 하나는 축류 코드를 가진 복수의 제1베인을 갖고 그리고 상기 복수의 고정자 판의 인접한 판은 축류 코드를 가진 복수의 제2베인을 포함하며, 상기 복수의 제1베인은 상기 복수의 제2베인으로부터 축방향으로 이격져서 축류 코드의 1%의 1/4 까지 2개의 축류 코드보다 크지 않은 축방향 크기를 가진 공간을 형성하며, 크기의 측정은 상기 공간의 바로 상류에 회전자 판과 고정자 판 중 하나의 축류 코드에 대한 측정이다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 열 에너지를 전기로 변환하기 위한 시스템에 관한 것이다. 시스템은 전기 발전기와 터빈을 포함하며, 상기 발전기는 기부근방 단부, 말단부, 발전기 회전자 및 고정자를 갖고, 발전기 회전자는 회전축을 중심으로 고정자 내에서 회전운동하게 배치되며, 상기 발전기는 또한 기부근방 단부에 인접하여 배치된 제1자기 레이디얼 베어링과, 말단부에 인접하여 배치된 제2자기 레이디얼 베어링도 포함하며, 상기 제1 및 제2자기 레이디얼 베어링은 발전기 회전자를 둘러싸고 보유하며, 작동하는 동안, 상기 회전축에 대해 실질적으로 동축 정렬되며; 상기 터빈은 적어도 하나의 고정자와 회전축을 중심으로 적어도 하나의 고정자 내에서의 회전운동을 위해 지지되는 적어도 하나의 터빈 회전자를 갖고, 상기 적어도 하나의 터빈 회전자는 발전기 회전자를 회전적으로 구동하도록 적어도 하나의 발전기 회전자에 연결되며, 상기 적어도 하나의 터빈 회전자는 오버행 구조로 상기 발전기의 기부근방 단부에 부착되어, 회전운동을 하기 위해 적어도 하나의 터빈 회전자를 반경방향으로 지지하는 레이디얼 베어링이 상기 터빈에 포함되지 않고, 상기 적어도 하나의 터빈 회전자는 반경방향으로 최외측면을 갖고 그리고 상기 적어도 하나의 고정자는 반경방향으로 최내측면을 갖고, 상기 터빈은 부가로 적어도 하나의 시트, 상기 적어도 하나의 회전자의 반경방향 최외측면과 결합하는 제1브러시 밀봉부, 및 적어도 하나의 시트와 결합하는 제2브러시 밀봉부를 포함한다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 발전기를 구동하는 터빈의 제조방법에 관한 것으로, 터빈은 50KW 내지 5MW 범위의 전력을 생산하도록 발전기를 구동하는데 충분한 전력을 출력한다. 상기 방법은 제1두께의 저부(floor)를 가진 범용 터빈 후드를 제공하는 단계; 방사상 높이를 갖고, 터빈 후드에 위치한 회전자 스테이지를 제공하는 단계; 및 저부의 두께를 감소시키기 위해 재료를 후드로부터 기계가공하고, 회전자 스테이지의 방사상 높이를 감소시키기 위해 재료를 기계가공하는 단계를 포함하며, 상기 기계가공은 50KW 내지 5MW 범위의 목표 값에서 최대 전력 출력을 생산하도록 발전기를 구동하는데 충분한 전력을 출력하는 터빈을 제조하도록 수행된다.

도 1은 ORC 터빈 발전기 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 시스템의 터빈 및 발전기의 개략도이며, 발전기의 내부 구조가 개략적으로 예시되었다.
도 3은 ORC 터빈 발전기 시스템의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4a는 도 1에 도시된 터빈 조립체의 복수 스테이지 축류 터빈 실시예의 단면도이며, 도 1의 발전기를 부분적으로 절취하여 나타냈고, 명료한 도시를 위해 회전자와 고정자를 제거한 발전기가 포함된 베어링을 개략적으로 도시되었다.
도 4b는 도 1에 도시된 터빈 조립체의 단일 스테이지 방사상 터빈 실시예가 도시된 점을 제외하고는 도 4a와 유사한 것이다.
도 4c는 도 4b에 도시된 터빈 조립체의 복수 스테이지 방사상 터빈 실시예가 도시된 점을 제외하고는 도 4b와 유사한 것이다.
도 4d는 도 4c에 도시된 복수 스테이지 방사상 터빈 조립체의 회전자가 백-투-백 구조로 배열된 것을 제외하고는, 도 4c와 유사한 것이다.
도 5는 도 4a에 도시된 터빈에 사용할 수 있는 터빈 카트리지의 일 실시예의 단면도이다.
도 6은 후드 뒷판의 일부와 전체 터빈 카트리지를 예시하는, 도 4a에 도시된 터빈의 일부분의 확대 단면도이다.
도 7은 도 4a에 도시된 터빈의 복수 스테이지의 실시예에 사용된 고정 스페이서 판을 가진 2개의 고정자 판과 1개의 회전자 판의 상대적인 배치를 나타낸 사시도이다.
도 8은 판의 상대적인 배치를 나타낸 도 4a에 도시된 터빈의 복수 스테이지의 실시예에서 사용되는 3개의 회전자 판의 사시도이다.
도 9는 브러시 밀봉부와 터빈의 다른 세부구조를 예시하는 도 6에 도시된 터빈의 일부를 횡단면으로 나타낸 도면이다.
도 10은 터빈의 다른 실시예를 도시한다는 점을 제외하고는 도 9와 유사한 도면이다.

본 발명은 폐열을 발생하거나, 또는 솔라 시스템이나 해양 열 시스템 등의 다른 열원과 관련한 산업 활동에서, 유기 랭킨 사이클(ORC), 칼리나(Kalina) 사이클, 또는 다른 유사한 사이클에 사용하기 위한 터빈 동력 전기 발전기에 관한 것이다. 열원에 의해 가열되는 보일러의 고압고온 가스는 터빈 하우징에 들어가서, 터빈을 통해 팽창되어 회전자를 회전시키며, 회전자의 회전은 아래에서 자세히 설명되는 바와 같이, 발전기를 작동시켜 전기를 생성한다.

도 1을 참조하면, 터빈-발전기 조립체(20)는 ORC 시스템(22)에 사용되는 것이다. 설명의 편의를 위해, 시스템(22)을 참고로 하며, ORC 시스템(22)으로 설명된다. 그러나, 칼리나 사이클 공정과 바닥 사이클(bottoming cycle) 공정과 같은 다른 열역학적 공정도, 또한 본 발명에 포함되어 있는 것으로 이해하여야 할 것이다. 터빈-발전기 조립체(20)는 터빈(24) 및 터빈에 연결되어 구동되는 발전기(26)를 포함한다. 터빈 발전기 조립체(20)를 상세히 설명하기 전에, ORC 시스템(22)에 대한 설명을 한다.

ORC 시스템(22)은 산업 공정에서 나온 폐열과 같은 열원(30)에 연결되는 보일러(28)를 포함한다. 보일러(28)는 고압고온의 증기를 연결부(32)를 통해 터빈(24)에 제공한다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 고온 증기, aka, 작업유체는 터빈(24)에서 팽창하며, 여기서 온도는 급하게 떨어지고, 터빈으로부터 배출되어, 유체 연결부(34)를 통해 응축기(36)로 전달된다. 응축기(36)에서, 터빈(24)에서 냉각된 증기는 추가로 더 냉각되어 액체상태가 되고, 그러한 제1용량의 액체가 유체 연결부(38)를 통해 펌프(40)로 전달되며, 액체는 연결부(42)를 통해 보일러(28)로 귀환한다. 다음, 이 액체는 보일러 내의 열교환기 또는 다른 구조물(도시하지 않음)을 통해 열원(30)으로부터 나온 열에 의해 보일러(28)에서 재가열되며, 상기 사이클을 반복하여, 유체 연결부(32)를 통해 고압고온 증기로 터빈(24)으로 돌아온다.

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 응축기(36)에서 나오는 냉각된 액체는 일 실시예에서, 유체 연결부(52)에 의해 기화기(54)로 펌프(50)에 의해 전달되며 기화기로부터 발전기(26)로 유체 연결부(58)를 통해 펌프(50)에 의해 전달된다. 펌프(50)로부터의 유체도, 또한 아래에서 설명되는 바와 같이 유체 연결부(56)를 통해, 특히 냉각 재킷(76)에서 발전기(26)로 전달된다. 다른 실시예에서는, 바람직하게 펌프(50)를 생략하고 대신에 유체 연결부(52, 56)로 유체 연결부(57)를 통해 펌프(40)로부터 출력되는 액체를 전달할 수 있다. 기화기(54)는 응축기(36)로부터 제2용량의 액체 중 적어도 일부를 기화하여, 발전기(26)로 유체 연결부(58)를 통해 냉각 증기를 전달한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 발전기(26)는 유체 갭(70), 고정자(72) 및 발전기 회전자(74)를 포함하며, 상기 유체 갭(70)(예, 기체 또는 분무액체(atomized liquid))은 고정자(72)와 회전자 사이에 위치한다. 발전기 회전자(74)는 회전축(106)을 중심으로 고정자(72)에 대해 회전한다.

냉각 증기는 갭(70) 내로 유입되며, 증기가 갭(70)을 통과하면서 고정자(72) 및 발전기 회전자(74)로부터 열을 추출하며, 그 증기는 응축기(36)에 의한 냉각을 위해, 터빈(24)으로부터 배출되는 고온의 증기와 함께, 유체 연결부(34)를 통해 배출된다. 선택적으로, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 발전기(26)로부터 배출된 증기는 터빈(24)으로부터 배출된 증기와 결합되기 보다는 응축기(36)로 직접 유체 연결부(37)를 통해 전달될 수 있다. 터빈(24)은 관통 유량을 갖고, 일 실시예에서, 갭(70) 내로 도입된 제2용량의 증기(작업유체)는 관통 유량의 50% 미만인 유량으로 갭(70)을 통해 이동한다. 일반적으로, 필수적이지는 않더라도, 발전기(26)는 밀폐식으로 밀봉되어 필요에 따라 유체 연결부(34) 또는 유체 연결부(37)를 통한 것을 제외하고는 갭(70) 안의 작업 유체가 빠져 나가지 않게 보장한다.

도 1-4를 참조하여 설명되는 일 실시예에서, 발전기(26)는 냉각 재킷(76)에 의해 둘러싸여 발전기를 냉각한다. 유체 연결부(56)를 통해 발전기(26)로 펌프(50)에 의해 펌핑되는 냉각 액체는 입구(77)를 통해 냉각 재킷(76)으로 전달된다(도 4). 냉각액체가 냉각 재킷(76)을 통해 순환하여서, 발전기(26)의 고정자(72)와 다른 부품들로부터 열을 추출한다. 냉각 재킷(76)을 통해 통과를 완료한 후, 냉각액체(약간 더 뜨거움)가 유체 연결부(78)를 통해 발전기(26)로부터 제거되며, 냉각 재킷에 유체 출구(79)를 빠져나간 후, 응축기(36)로 복귀 한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, ORC 시스템(22)의 다른 실시예에서, 기화된 액체라기 보다는 분무화된 냉각 액체가 발전기(26)의 갭(70)에 제공된다. 아래에서 특정적으로 설명되는 기술 내용 외에, 도 3에 도시된 ORC 시스템(22)의 실시예는 도 1에 도시된 시스템의 실시예와 본질적으로 동일하며, 따라서, 동일한 요소에 대한 설명은 간결한 설명을 위해 기술되지 않는다. 도 1에 도시된 ORC 시스템(22)의 실시예와 달리, 기화기는 도 3에 도시된 실시예에서는 제공되지 않는다. 대신, 발전기(26)에 유체 연결부(56)를 통해 전달되는 냉각액체의 일부가 발전기 근방에 위치한 분무기(82)로 유체 연결부(80)에 의해 제공된다. 분무기(82)는 냉각액체를 분무하며, 다음 발전기(26)의 갭(70)으로 전달되며, 여기서 비교적 냉각된 분무화된 액체가 갭을 통해 이동하여서 고정자(72)와 발전기 회전자(74)로부터 열을 추출하며, 고정자와 회전자의 열에 의해 기화되는 분무화된 액체 부분에 대한 기화 잠열을 통과하는 것을 포함한다. 다음, 분무화된 액체는 터빈(24)으로부터 배출된 작업유체와 함께 유체 연결부(34)를 통해 발전기(26)로부터 추출된다. 도 2 및 도 3에서, 분무기(82)는 본 발명의 일 실시예와 관련하여 사용되는 선택적 요소인 것으로 나타나도록 점선으로 도면에 도시되었다. 상술한 바와 같이, 일 실시예에서, 갭(70)에 유입된 제2용량의 분무액체(작업유체)는 터빈(24)의 관통 유량의 50% 미만의 유량으로 상기 갭을 통해 이동한다.

일부 용도에서는, 냉각 재킷(76)을 통한 고정자(72)의 냉각 만을 제공하며, 갭(70)으로 증기 또는 분무 액체는 제공하지 않는 것이 바람직할 수 있다. 다른 용도에서는 그 반대로 하는 것이 바람직할 수 있다.

다양한 고분자량 유기 유체가, 단독으로 또는 조합하여, 작업 유체로 시스템(20)에 사용될 수 있다. 이들 유체는, 예를 들어, R125, R134a를, R152a, R245fa, R236fa 와 같은 냉매를 포함한다. 다른 용도에서는, 고분자량 유기 액체 이외의 유체가, 예를 들면 물 및 암모니아가 사용될 수 있다.

시스템(22)은 또한 발전기(26)에 연결된 전력 전자 패키지(86)도 포함한다. 패키지(86)는 발전기(86)로부터의 가변주파수 출력전력을, 예를 들면 50Hz 및 400V, 60Hz 및 480V, 또는 기타 유사한 값, 그리드(87)에 연결하기에 적합한 주파수 및 전압으로 변환한다.

발전기(26)를 더 자세히 설명하면, 일 실시예에서, 상기 발전기(26)는 직접 구동하는 영구자석 발전기이다. 그 구조는 상기 발전기가 기어박스가 필요하지 않고, 그에 따라서 소형이고 경량인 시스템(20)을 초래하기 때문에 바람직하다. 본원에 기재된 본 발명의 다양한 특징은 물론, 터빈(24)의 터빈 회전자(104)와 발전기(26)의 발전기 회전자(74) 사이에 기계적으로 결합되는 기어박스, 및 예를 들어, 이중 권취 유도 회전자인 영구자석을 포함하지 않는 적절한 권취 회전자(104)를 가진 발전기를 사용하여 효과적으로 구현할 수 있다. 또한, 특정 용도에서는 직접 구동 동기 발전기가 발전기(26)로서 사용될 수도 있다. 발전기(26)의 정격 출력은 의도한 용도의 함수로 변경할 수 있다. 일 실시예에서, 발전기(26)는 5MW의 정격 출력을 한다. 다른 실시예에서, 발전기(26)는 50KW의 정격 출력을 하며, 또 다른 실시예에서, 발전기(26)는 정격 출력이 예를 들면, 200KW, 475KW, 600KW 또는 1MW 값 사이에서 임의 장소에 정격 출력을 한다. 위의 예에서 열거한 것 이외의 발전기(26)의 정격 출력 값도 본 발명에 포함된다.

고속(예를 들면, 20,000-25,000 rpm 정도)의 작동을 허용하고, 유지 보수를 최소화하기 위해서, 발전기(26)의 특정 실시예에서, 자기 레이디얼 베어링(88)을 사용하여 회전운동을 하는 발전기 회전자(74)를 지지하는 것이 바람직할 수 있다(도 4 참조). 일 실시예에서, 자기 레이디얼 베어링(88a)은 터빈(24) 근방에 발전기 회전자(74)의 단부에 인접하여 위치되며, 자기 레이디얼 베어링(88b)은 회전자의 반대편 단부에 인접하여 위치된다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 베어링(88)의 이러한 배치는 터빈(24)의 오버행 구조를 대부분 파트에서 할 수 있게 한다. 마찬가지로, 발전기 회전자(74)의 축방향 운동은 자기 축방향 트러스트 베어링(89)을 사용하여 제어할 수 있다. 자기 레이디얼 베어링(88) 및 자기 축방향 트러스트 베어링(89)은 제어기(90)에 의해 제어되며, 제어기는 제어기에 연결된 센서(도시하지 않음)에 의해 검출되는 바와 같이, 발전기 회전자(74)의 반경방향 및 축방향 위치의 변경 함수로 베어링에 전달되는 전력을 조정하며, 이러한 기술은 당업자에게는 널리 알려져 있는 기술이다.

본 발명의 다른 실시예에서는 유체 필름 베어링이 자기 레이디얼 베어링(88)과 트러스트 베어링(89) 대신에 사용될 수 있다. 설명을 하기 위해서, 도 4에 개략적으로 나타낸 자기 베어링(88, 89)은 대안적인 유체-필름 베어링에 포함되는 것으로 간주한다. 공지된 바와 같이, 유체-필름 베어링은 유체, 즉 기체 또는 액체의 얇은 필름 상에서 모든 회전자 하중(load)을 지지한다.

선택적으로, 자기 베어링(88, 89)에 더하여, 롤링 요소(rolling element) 레이디얼 베어링(92), 예를 들면, 레이디얼 베어링(92a, 92b)은 통상적으로 인접한 자기 베어링(88a, 88b)이 각각 회전자 축(shaft)을 둘러싸고 발전기 회전자(74)의 회전자 축(93)의 반대편 단부에 제공된다. 롤링 요소 레이디얼 베어링(92)은 자기 베어링(88, 89)에 전압이 인가되지 않았을 때 회전축(106)에 대해 대체로 동축 관계로 발전기 회전자(74) 및 그 축(93)을 지지한다. 특별하게는, 롤링 요소 레이디얼 베어링(92)은 자기 베어링(88)이 작동하지 않을 때 발전기 회전자(74)에 대한 레스트 지점(rest point)을 제공하며, 급작스런 전자 또는 전력장애가 발생했을 경우 발전기 회전자에 대한 안전한 랜딩을 제공한다. 어떤 경우에 있어서는 자기 베어링(88)의 작동에 있어서 혼란으로 인해서 발전기 회전자(74)의 최대의 반경방향 편향을 하는 동안에도, 롤링 요소 레이디얼 베어링(92)으로, 자기 베어링(88, 89)이 전력 인가를 받았을 때, 작동하는 동안, 회전자는 임의적인 접촉인 경우, 제한하도록, 비교적 여유있는 설치를 하여 발전기 회전자(74)를 지지하도록 롤링 요소 레이디얼 베어링(92)의 크기로 하는 것이 바람직할 수 있다. 유체 필름 베어링이 자기 레이디얼 베어링(88) 대신에 사용되는 경우, 롤링 요소 레이디얼 베어링(92)은 일부 용도에서 그러한 레이디얼 베어링을 포함하는 것이 바람직할 수 있다 하더라도, 일반적으로 요청되지 않는다.

일 실시예에서, 롤링 요소 레이디얼 베어링(92)은 회전자 축(93)이 회전축(106)과 완전한 동축 정렬된 상태로부터 반경방향으로 어느 정도의 양으로 일탈을 할 수 있게 하는 크기로 형성되며, 상기 양은 자기 레이디얼 베어링(88)이 완전하게 활성화되었을 때 일어날 수 있는 회전 축(106)으로부터의 축(93)의 최대 반경방향 변위보다 1.01 내지 5배 큰 양이며, 자기 레이디얼 베어링의 작은 변화로 인하여, 예를 들면 유체의 동적 불안정성 또는 잘못된 제어 시스템 또는 전력 장애(백업 제외)로부터 일어날 수 있는 대부분의 반경방향 편향 시간 동안을 포함한다. 다른 실시예에서, 레이디얼 베어링(92)이 허용하는 편향은 자기 베어링(88)이 작동했을 때 발생하는 회전축(106)으로부터 축(93)의 반경방향 변위 크기의 약 2 ~ 3배 큰 크기이며, 시간을 지나서 일어나는 대부분의 작은 변화 동안을 다시 포함한다. 롤링 요소 레이디얼 베어링(92)은 종종 당 기술 분야에서 "범퍼 베어링" 또는 "백업 베어링"으로 칭해진다.

상술한 이유에 대한 이점이 있는 반면에, 롤링 요소 레이디얼 베어링(92)은 그런 베어링의 반경방향 갭이 터빈(24)의 종래 밀봉(상세히 도시되지 않음)을 하는데 필요한 갭보다 훨씬 더 크기 때문에 문제도 있는 것이다. 전형적인 롤링 요소 레이디얼 베어링(92)은 0.005인치 내지 0.015인치 정도의 반경방향 갭이 있다. 반면에, 터빈(24)을 밀봉하는데 필요한 반경방향 갭은 0.000 내지 0.001인치 정도가 일반적이다. 발전기(26)가 조립되고, 선적되고, 보관되는 과정이나, 자기 베어링(88)의 고장으로 인해서 작동 중에 발전기 회전자(74)의 부상(levitation)을 상실한 동안, 발전기 회전자는 롤링 요소 레이디얼 베어링(92)에 떨어질 것이다. 발전기 회전자(74)에서의 그런 "플레이(play)"의 결과는 터빈(24)의 밀봉과 함께 롤링 요소 레이디얼 베어링(92) 근방에 축(93)의 일부분이 시간이 지남에 따라 손상될 수 있다. 사실상, 특정 용도에서, 소수의 1-10 "범퍼" 사고는 그런 구성요소의 부품의 분해 및 수리/교체가 필요한 터빈-발전기 조립체(20)의 구성요소에 대한 충분한 손상을 초래할 수 있다.

이 문제에 대한 해결책은 하나 이상의 자기 베어링(88) 및/또는 롤링 요소 레이디얼 베어링(92) 근방에 레이디얼 브러시 밀봉(94)을 더하거나(도 4) 또는 롤링 요소 레이디얼 베어링(즉, 범퍼 베어링)에 대한 브러시 밀봉을 대체하는 것이다. 이런 구성에서는, 브러시 밀봉부(94)가 변형 전에 상당한 반경방향 힘을 견딜 수 있도록 설계된다. 이러한 변형은 일시적이며, 브러시 밀봉부(94)는 그 이전의 구성으로 신속하게 복원 탄성을 하도록 구성된다. 즉, 브러시 밀봉부(94)는 자체 회복(self-healing)을 한다. 각각의 브러시 밀봉부(94)의 강성(stiffness)은 발전기 회전자(74) 및 발전기 회전자와 결합된 터빈 회전자(104)의 중량(후술 됨), 및 주어진 발전기(26)와 터빈(24)의 각각의 전체 설계 및 작동 매개변수를 허용할 수 있는 회전자(74, 104)의 반경방향 이동 크기에 기초하여 선택된다. 일 실시예에서, 브러시 밀봉부(94)의 강성은, 회전자가 브러시 밀봉부 만으로 지지될 때 발생하는 회전축(106)과의 동축 정렬선(co-axial alignment)으로부터의 발전기 회전자(74)의 반경방향 편향 크기가, 자기 베어링(88)이 완전히 활성화되고 정상 작동을 하는 과정에서 회전운동을 위해 발전기 회전자(74)를 지지할 때 발생하는 회전축(106)과의 동축 정렬선으로부터의 발전기 회전자(74)의 최대 반경방향 편향 크기보다 1 내지 5배 더 크도록 선택된다. 다른 실시예에서, 반경방향 편향의 그러한 크기는 자기 베어링(88)이 완전히 작동하고, 정상 작동을 하는 과정에서 회전운동을 위해 발전기 회전자(74)를 지지할 때 발생하는 회전축(106)과의 동축 정렬로부터의 발전기 회전자(74)의 반경방향 편향 크기보다 1.2 내지 4배 더 크다. 다른 실시예에서는 발전기 회전자(74)가 자기 베어링(88)이 활성화되지 않았을 때 회전축(106)과의 동축 정렬선 밖으로 제1반경방향 거리의 이동이 자유롭고, 발전기 회전자는 브러시 밀봉부(94)에 의해 지지될 때 회전축과 동축 정렬선 밖으로의 제2반경방향 거리보다 반경방향으로 더 이동하지 않는다. 이런 실시예에서는 제2반경방향 거리가 제1반경방향 거리보다 0.8배 크지 않고, 특정 실시예에서는 제1반경방향 거리의 0.2 내지 0.6배 범위에 있다.

이제 도 2 및 도 4-10을 참조하여, 터빈(24)을 보다 상세하게 설명한다. 도 4a에 도시된 실시예에서, 터빈(24)은 오버행 축류 터빈이며, 축방향 입구(100)와 반경방향 출구(102)를 가진 하우징(98)을 포함한다. 터빈(24)은 일 실시예에서, 복수 스테이지 터빈이며, 도 4a에 도시된 실시예는 3개의 단계를 가진 것이다. 아래에서 설명되는 다른 실시예에서는, 터빈(24)이 도 4b에 도시된 바와 같이 단일 스테이지 오버행 방사상 터빈일 수 있고, 도 4c에 도시된 바와 같이 복수 스테이지 오버행 방사상 터빈일 수 있다. 오버행 구조에 부합하여, 반경방향 이동을 위해 터빈에서 회전자를 반경방향으로 지지하는데 레이디얼 베어링이 터빈(24, 324, 424)에 포함되지 않는다. 상술한 바와 같이, 터빈(24)은 작업유체가 터빈을 통해 이동함으로서 팽창되며, 터빈의 냉각 단부, 즉, 단부 근방 반경방향 출구(102)는 발전기(26)에 인접하여 위치하는 결과를 갖도록 구성된다. 이런 구성은 터빈(24)으로부터 발전기(26)로 전해지는 열전달 양을 감소시킨다.

터빈(24)은 회전축(106)을 중심으로 회전하는 터빈 회전자(104)와 하우징(98)에 대해 고정되는 고정자(108)를 포함한다. 아래에서 추가로 설명되는 바와 같이, 모듈 설계를 특징으로 하는 터빈(24)의 일 예에서, 터빈 회전자(104)는 복수의 개별적인 블레이드 판(110)을 포함하며, 고정자(108)는 도 5, 6, 9에 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 회전자 판과 교대로 교차 연결된(inter-digitated) 상호 위치관계로 배치된 복수의 개별적인 판(112)을 포함한다. 회전자 판(110) 및 고정자 판(112)은 입구(100) 및 출구(102) 사이에 형성된 공동(114)에 하우징(98) 내에 위치된다. 도 9 및 도 10에 가장 잘 나타낸 바와 같이, 고정자 판(112)의 반경방향 최내측부분은 회전자 판(110) 사이에 위치한 터빈 회전자(104)의 일부분으로부터 간격을 두고 배치되어 고정자 판의 그러한 반경방향 최내측부분에 설치된 밀봉부(116)에 의해 밀봉된 갭(115)을 형성한다. 도 5에 도시된 터빈(24)의 부분에서, 하나가 각각의 회전자 판(110)에 대응하는, 복수의 고정자 스페이서 세그먼트(117)는 고정자 판(112)의 반경방향 외측 부분들과 교대로 교차 연결된 상호 위치관계로 제공된다. 각각의 스페이서 세그먼트(117)는 대응하는 각각의 회전자 판(110)의 반경방향으로 외향하여 위치된다. 도 9 및 도 10에 도시된 터빈(24)의 대안적인 실시예에서, 스페이서 세그먼트(117)는 고정자 판(112)의 일체형 부분으로 형성된다(스페이서 세그먼트는 도 9 및 도 10에서 분리하여 표시되지 않았음). 임의적 경우에서, 상기 실시예의 각각에서는, 각각의 스페이서 세그먼트(117)가 대응하는 각각의 회전자 판(110)에 대한 크기로 형성되어서 갭(118)이 회전자 판의 반경방향 최외측부분과 스페이서 세그먼트의 반경방향 최내측부분 사이에 제공된다. 밀봉부(119)는(도 9 참조) 터빈(24)의 특정 실시예에서 갭(118)에 제공될 수 있다.

도 9 및 도 10에 가장 잘 예시된 바와 같이, 각각의 회전자 판(110)은 제1접촉면(130) 및 상기 제1접촉면과 접촉하는 제2접촉면(132)을 포함한다. 유사하게, 각각의 고정자 판(112)은 제1접촉 면(134) 및 상기 제1접촉 면과 접촉하는 제2접촉 면(136)을 포함한다. 접촉 면(130, 132, 134, 136)은 실질적으로 편평하며 평행하다. 또한, 이들은 회전축(106)과 대체로 직교하게 배치된다. 일 실시예에서, 접촉면(130, 132, 134, 136)은 0.00005" 내지 0.020" 범위에서 편평하며, 특정 실시예에서는 0.0005" 내지 0.005" 범위에서 편평하고, 이것은 상기 면의 실효값 버젼(root mean square version)에 대해 측정된다. 또한, 일 실시예에서, 회전자 판(110)의 접촉면(130, 132)과, 고정자 판(112)의 접촉면(134, 136)은 0.0001" 내지 0.015" 범위의 양으로 완전히 평행한 상태로부터 일탈하며, 특정 실시예에서는 0.0005" 내지 0.005" 범위의 양으로 일탈한다. 스페이서 세그먼트(117)는, 제공되었을 때, 전술한 바와 같이, 접촉면(130, 132, 134, 136)과 대체로 편평하며 평행하게 있는 접촉 면을 갖는 것이 바람직하다.

이제 도 7 및 도 8을 참조하여 설명하면, 터빈(24)의 특정 실시예에서, 터빈은 예를 들어 판(110b)에 대하여 회전자 판(110a)을 클록(clock)하는, 인접한 회전자 판에 대해 하나의 회전자 판(110)을 원주 둘레로 클록하는 것이 바람직할 것이다. 마찬가지로, 예를 들어 판(112c)에 대하여 고정자 판(112a)을 클록하는, 인접한 고정자 판에 대해 하나의 고정자 판(112)을 원주 둘레로 클록하는 것이 바람직할 것이다. 당해 분야의 숙련자가 인식하고 있는 바와 같이, 터빈(24)에 대한 원하는 성능의 사양은 제공된 클록 크기에 영향을 미칠 것이다. 양측이 클록되는 쌍으로 이루어진 회전자 판(110)이 베인(140)과 동일한 수를 가지면, 일 실시예에서 제1회전자 판(110), 예를 들면, 판(110a)은 인접한 제2회전자 판, 예를 들면 판(110b)에 대해 제로 내지 1 베인 피치, 즉 (0)S 내지 (1)S로 클록된다. 마찬가지로, 쌍으로 이루어진 양측이 클록되는 고정자 판(112)이 베인(142)과 동일한 수를 가지면, 일 실시예에서, 제1고정자 판(112), 예를 들면 판(112a)은 인접한 고정자 판, 예를 들면 판(112c)에 대해 제로 내지 1 베인 피치, 즉 (0)S 내지 (1)S로 측정된다. 양측이 클록되는 쌍으로 이루어진 회전자 판(110)이 베인(140)과 동일하지 않은 수를 가진 경우, 일 실시예에서, 제1회전자 판(110), 예를 들면 판(110a)은 인접한 제2회전자 판, 예를 들면 판(110b)에 대해, 0 내지 360도의 범위에 특정 장소에서 클록된다. 마찬가지로, 양측이 클록되는 쌍으로 이루어진 고정자 판(112)이 베인(142)과 동일하지 않은 수를 가진 경우, 일 실시예에서, 제1고정자 판(112), 예를 들면 판(112a)은 인접한 제2고정자 판, 예를 들면 판(112c)에 대해, 0 내지 360도의 범위에 특정 장소에서 클록된다. 알려진 터빈 흐름 해석 및 실험 방법을 사용하여 0 내지 360도 범위에서 최적한 클록의 양의 선택을 안내한다.

도 7 및 도 8을 계속 참조하여 설명하면, 일 실시예에서, 인접한 고정자 판(112)은 서로에 대해 클록되며, 고정자 판(112), 예를 들면 고정자(112c)의 둘레 섹션(162)을 따라 위치된 복수의 원주방향으로 이격된 구멍(160)을 갖춘 정렬 시스템을 사용하며, 도 7에는 설명의 편의를 위해 5개 만을 도시했다. 일 양태에서, 인접한 구멍(160)은 원주방향으로 1 베인 피치(S) 간격을 두고 떨어져 있다. 또한, 정렬 시스템도 스페이서 세그먼트(117)의 둘레 섹션(166)에서 구멍(164)을 포함한다. 또한, 막힌 구멍(168)이 고정자 판(112c)에 바로 인접하여 고정자 판(112), 예를 들면 고정자 판(112a)의 둘레 섹션(170)에 제공될 수 있으며, 그 곳에 구멍(160)이 제공된다(물론, 회전자 판(110b)과 스페이서 판(117)이 중간에 개재됨). 일 실시예에서, 구멍(160, 164, 168)은 회전축(106)로부터 대체로 동일한 반경방향 거리로 이격되며, 대체로 동일한 직경을 갖는다. 정렬 시스템은 또한 핀(172)을 포함하며, 상기 핀은 구멍(160) 중 선택된 하나와 구멍(164)에 일반적으로 연성 마찰 끼워 맞춤방식(mild friction fit)을 사용하여 수용할 수 있는 크기로 형성된다. 그렇게 위치시켰을 때, 핀(172)은 인접한 스페이서 세그먼트(117)와 선택된 원주 둘레방향 정렬로 고정자 판(112c)을 결합한다. 인접한 고정자 판, 예를 들면 판(112a, 112c) 사이의 선택된 원주 둘레방향 클록이 구멍(164, 168)에 삽입되는 핀(174)을 사용하여 고정자 판(112a)에 스페이서 섹션(117)을 옆에 결합하여 이루어진다. 또한 인접한 회전자 판(110)을 클록하기 위한 유사한 시스템도 도 9 및 도 10과 관련하여 아래에서 기술되는 바와 같이 이용될 수도 있다. 상술한 바와 같이, 핀(172)을 수용하는 복수의 구멍(160) 중 하나의 선택은 인접한 고정자 판(112) 사이에서 필요한 원주방향 클록의 크기에 기초하여 정해진다. 본 발명은 당업자가 예견할 수 있는 바와 같이, 인접한 회전자 판(110)과 고정자 판(112)을 원주방향으로 클록하는 다른 방식을 포함하는 것이다.

특히 도 9를 참조하면, 회전자 판(110) 및 고정자 판(112)은 그 일 양태에서, 회전자 판(110)의 베인(140)과 인접한 고정자 판(112)의 베인(142)과의 사이의 축방향 거리(178)가 2개의 축류 코드의 범위 내에서 축류 코드의 1%의 1/4 까지이며, 특정 실시예에서는 1/3 내지 1코드 이며, 회전자 또는 고정자 판 중 하나의 바로 상류의 코드에 대해 측정된다. 예를 들면 도 9에서 R3으로 지칭된 회전자 판(110)의 베인(140)은 S3로 지칭된 고정자 판(112)의 바로 인접한 베인(142)으로부터 축방향으로 이격된 거리(178a)에 있으며, 코드 거리(Cx,S3)는 축류 코드의 1%의 1/4 까지 2개의 축류 코드의 범위 내에 있고, 특정 실시예에서는 1/3 내지 1코드 이격져 있다. 또한, 터빈(24)에 대한 스테이지 반응(stage reaction)은 임의의 통상적인 레벨일 수 있다. 그러나, 축방향 트러스트 레벨이 발전기(26)의 사용가능한 트러스트 성능에 부합하도록 제어되어야 하는 경우, 매우 낮은 스테이지 반응이 바람직할 수 있으며, 이 경우 공통의 값은 -0.1 내지 0.3 범위에 있고, 흔히 -0.05 내지 +0.15의 범위에 있다. 매우 낮은 스테이지 반응이 예를 들어 도 4c에 예시된 복수 스테이지 방사상 유입 터빈(424)으로 달성될 수 없을 때, 제2스테이지가 역전되어 2개의 방사상 터빈이 등을 맞대고 연속하여 작업을 하며, 계속하여 발전기쪽으로 마지막 스테이지의 방출을 한다.

도 4-6, 9 및 10을 본 실시예의 조립과 관련하여 설명하면, 회전자 판(110) 및 고정자 판(112)은 교대로 교차 연결된 상호 위치관계로 배치된다. 일 실시예에서, 회전자 판(110)은 판의 반경방향 내측부분에서 복수의 구멍(186)(도 5를 참조)을 포함하며, 상기 구멍은 볼트 스터드(stud)(188)와 같은 파스너를 수용하는 크기로 형성되며, 상기 스터드는 판을 통해 연장되며 스터브 축(stub shaft)에서 나사 구멍(190)을 통해 스터브 축(189)에 고정된다. 발전기 회전자 축(93)은 수(male) 나사 단부(192)를 포함하며, 상기 단부는 스터브 축(189)에서 나사 구멍(194)에 수용된다.

고정자 판(112), 및 제공되는 경우 스페이서 세그먼트(117)는 예를 들면, 교대로 교차 연결된 상호 위치관계로 함께 고정되어, 일체형 카트리지(198)를 형성할 수 있다. 카트리지는 알려진 파스너와 기타 다른 장치를 사용하여 하우징(98)의 공동(114)에 탈착가능하게 고정할 수 있다(도 6). 일 실시예에서, 카트리지(198)는 잠금(lock) 링(200)에 의해 공동(114)에 고정되며, 그것은 공동 내의 대응하는 크기의 오목부(201)에 스냅 끼워맞춤에 의해 결합된다. 이런 구조로 형성되어서, 잠금 링(200)이 설치되면, 고정자 판(112), 및 제공된 경우 세그먼트(117)가 하우징(98)에서 공동(114)에 형성된 견부(202)에 대하여 구동하여서, 상기 판과 세그먼트를 제자리에 고정적으로 유지되게 한다. 터빈(24)의 특정 실시예에서, 회전자 판(110)은 구멍(204)에 수용되는(도 8 내지 도 10 참고) 핀(203)과 함께 고정되어(도 9 및 도 10 참고) 회전자 판 사이에서 상대적인 회전운동이 일어나지 않게 보장할 수 있다. 마찬가지로, 터빈(24)의 다른 실시예에서는 고정자 판(112) 및 스페이서(117)가 전술한 바와 같이, 핀(172)과 함께 고정되어(도 9 및 도 10 참고) 상대적 회전운동이 일어나지 않게 보장할 수 있다. 핀(172)은 또한 최하류 스페이서(117) 또는 고정자 판(112)으로부터 하우징(98)의 저부(204) 내로 침투하여(그런 침투는 도시되지 않음) 필요에 따라 상대적인 운동을 없게 할 수도 있다. 코(nose)형상 부분(206)이, 최 원거리 상류 고정자 판(112)(S1으로 도 9 및 도 10에서 지칭됨)에 나사 구멍(208)과 나사 결합되는 실시예에 제공될 수 있다. 다르게는, 기계 나사가 노우즈 콘(206)을 제1고정자 판(112)에 고정하는데 사용할 수 있다. 특정 양태에서는 도 5, 6, 9, 10을 참조하여 설명하면, 바람직하게 회전자 판(110), 고정자 판(112), 및 제공되었으면, 스페이서(117)를, 회전자 판, 고정자 판 및 스페이서를 통해 연장되는 1개 이상의 핀(210) 및/또는 1개 이상의 볼트 스터드(212)를 사용하여, 함께 회전운동할 수 있게 정렬 및 고정할 수 있다. 핀(210)은 회전자 판(110), 고정자 판(112) 및 스페이서(117)의 정밀하고 회전가능한 정렬을 하는데 사용될 수 있으며, 만약 충분한 가압력으로 상기 부품들을 수용하는 경우에는, 이들 부품들을 함께 보유하여 단일체 구조물, 즉 단일 카트리지(198)를 형성할 수도 있다. 회전가능한 정렬수단을 제공하는 구조에 더해진 볼트 스터드(212)가 또한 회전자 판, 고정자 판 및 스페이서를 함께 이루어서 단일체 구조물, 즉 단일체 카트리지(198)를 형성한다.

별도의 회전자 판(110) 및 고정자 판(112)을 제공하고, 상술 한 바와 같이 비교적 편평한 그러한 판을 제조하여, 이들 판들이 카트리지(198)로서 조립될 수 있으며(도 5 참조), 상기 카트리지는 단일 조립체로서 하우징(98) 내의 공동(114)에 위치하며, 공동으로부터 제거될 수 있다. 아래에서 자세히 설명되는 바와 같이, 카트리지(198) 설비는 범용 터빈(24)이 의도된 용도 및 유지보수 또는 새로운 하중 수요에 맞게 용이하게 상호 교환할 수 있게 한다.

특정 용도에서는 터빈(24)으로부터 발전기(26)를 분리하는 것이 바람직할 것이다. 이런 목적을 달성하기 위해서, 도 6에 가장 잘 예시된 바와 같이, 뒷판(250)의 반경방향 최내측부 근방에서 터빈(24)의 스터브 축(189)을 둘러싸는 밀봉부(220)를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 밀봉(220)은 미로형(labyrinth) 밀봉, 브러시 밀봉, 근소한-공차(close-tolerance) 링 밀봉 또는 당 업계에서 공지된 그 밖의 밀봉으로 구현될 수 있다.

도 4 내지 도 6에 도시된 터빈(24)의 실시예는 서로 다른 크기의 회전자(104) 및 고정자(108)을 갖는 터빈 버전의 제조 준비를 할 수 있게 설계된다. 단일 하우징을 사용하는 가변식 작동 매개변수로 터빈 구성을 하면서 터빈(24)용 단일 하우징을 제공함으로써, 터빈이 주어진 용도의 사양으로 비용 효과적인 면에 기초하여 제조될 수 있다. 이런 유연한 설계가 부분적으로 터빈(24)의 하우징(98) 설계 및 크기로 이루어져서, 터빈용으로 고려되는 최대 직경의 터빈 회전자(104)를 공동(114) 내에 상술된 카트리지 설계의 사용을 통해 수용할 수 있다. 특히, 터빈(24)의 바람직한 작동 매개변수가 터빈이 사용될 용도용으로 결정된 후, 터빈 회전자(104)에 사용되는 판(110)의 수와 크기 및 고정자(108)에 사용되는 판(112) 및 스페이서 세그먼트(117)의 수와 크기가 정해진다.

필요한 작동 매개변수에 맞게 용이하게 변경될 수 있는 터빈(24)을 제공한다는 목적에 부합하여, 하우징(98)은 그런 변경이 수월하게 설계된다. 하우징(98)의 이러한 설계의 일 양태는 가변적인 반경방향 높이를 가진 터빈 회전자(104) 및 고정자(106)를 수용하기에 충분한 두께를 가진 저부(204)를 제공하는 단계를 포함하며, (ΔΓ)은 상기 회전축과 상기 적어도 하나의 터빈 회전자의 최외측 부분 사이에서 측정된 바와 같고, 상기 축류 터빈은 제1두께의 저부를 가진 후드를 포함하며, 상기 제1두께는 Ar과 1.4ΔΓ 사이에서 변하는 반경방향 치수로 적어도 하나의 터빈 회전자를 수용하기에 충분한 두께로 저부가 내측에서 기계가공 되게 선택된다. 또한, 하우징(98)에는 종래의 공작기계에 의해, 예를 들면 5-축 CNC 밀링 머신 또는 CNC 선반에 의해 저부(204)로의 용이한 접근을 할 수 있게 하는 구조가 제공되며, 상기 기계는 필요한 높이를 가진 터빈 회전자(104)와 고정자(106)를 수용하는 크기로 된 공동(114)을 생성하도록 저부를 기계가공 하는데 사용할 수 있다.

변경 가능한 하우징(98)을 제공하는 다른 양태는 폭(14), 즉 뒷 판(250) 및 하우징 벽(252) 사이의 거리(14)를 선택적으로 변경하고 폭(11), 즉 출구 폭을 선택적으로 변경하도록 조절될 수 있는 두께를 갖는 뒷 판(250)을 포함한다. 이와 관련하여, 폭(14)은 확산기 출구(II)의 폭의 절반에서 4배까지의 범위에 있도록 변경될 수 있다. 도 4에 예시된 바와 같이, 뒷 판(250)은 특정 실시예에서 하우징(98)과 일체형 부분이고, 나머지는 분리 요소일 수 있다. 뒷 판(250)은 1개 이상의 포트(254)를 포함하는 것이 바람직하며, 갭(70) 내의 증기가 상기 포트를 통해서 터빈(24)의 배기유체 경로에 배출되어 전달되어서, 궁국적으로는 유체 연결부를 통해 응축기(36)로 전달된다. 필요에 따라, 유체흐름 스플리터(256)가 다른 방식으로 터빈 회전자(104)와 고정자(106)의 하류에 바로 제공되어 터빈(24)의 성능을 맞출 수(tailor) 있다. 다른 선택적 특징으로, 연장 판(258)은 도 6에서 가장 잘 나타낸 바와 같이, 하우징(98)의 저부(204)의 코형상부(260)에 더해질 수 있다.

하우징 성능은 여러 가지 요인에 따라 달라 지지만, 하우징 입구(100)에서의 유입부의 배치 및 하우징 기초부 치수는 문헌에 교시된 바와 같이 중요한 것이다. 매우 양호한 유입부는 도 4에 형성된 바와 같이, 하우징 뒷 판(250)까지 흐르는 확산기(diffuser) 배출을 제공한다. 필수적인 설계 변수는 고성능(양호한 확산기(Cp)의 유지)을 갖도록, 0.5 내지 4의 값으로, 흔히 2 내지 3의 범위의 값으로, L4 = 14/11를 설정한다. 이것은 확산기 출구 폭(11) 및 후드 저부 폭(14)을 제어해야 한다는 것을 의미한다. 출구 폭(11)도 또한 확산기 전체 면적 비율을 제어하여 확산기의 성능도 제어하며, 그것은 제1차 설계 매개변수이며; 따라서 충돌이 발생할 수 있다. 만일 11이 확산기에서 증가하면, 그것은 하우징을 손상할 것이다. 이것은 전력 레벨을 넓게 커버하도록 하우징 설계를 관대하게 개시하고, 뒷 판(250) 및 저부(204)의 코형상부(260)를 수정하여 작동 매개변수를 조정하여서 제어된다. 다른 설계변수는 확산기 스플리터(256)(도 6)를 도입하는 것이며, 상기 스플리터는 11에 독립적인 제어를 제공하여, 확산기 출구 값에 선택된 변경을 허용한다. 부가적인 성능의 맞춤은 적당한 높이와 두께의 연장 판(258)(도 6)의 선택에 의해 달성될 수 있다.

터빈(24)은 복수 스테이지 축류 터빈(24)으로 도 4a에 도시되었지만, 터빈-발전기 시스템(20)은 이에 한정되지 않는다. 이와 관련하여, 그리고 도 4b를 참조한 다른 실시예에서, 터빈-발전기 시스템(20)은 단일 스테이지를 가진 방사상 터빈(324)을 포함할 수 있다. 도 4a 및 도 4b에서는 유사번호를 유사요소에 사용하여 지칭하였으며, 간결함을 위해, 유사요소에 대한 설명은 방사상 터빈(324)의 설명과 관련하여 생략되었다. 방사상 터빈은 단일 회전자(104) 및 단일 고정자(108)를 포함한다. 도 4a에 도시된 축류 터빈(24)과 마찬가지로, 방사상 터빈(324)은 볼트 스터드(188)로 발전기 축(93)에 해제가능하게 고정될 수 있는 단일 카트리지(198)로서 구현 될 수 있다. 터빈(324)은 입구 플랜지 링(333)과, 공지된 파스너로 하우징(98)에 부착된 외부 흐름 가이드(334)를 포함할 수 있다. 코형상부(206) 및 고정자(108)는 볼트(337)와 같은, 알려진 파스너로 하우징(98)에 해제가능하게 고정될 수 있다.

다음, 도 4c로 돌아와서, 다른 실시예에서는 터빈-발전기 시스템(20)이 복수 스테이지 방사상 터빈(424)을 포함할 수 있다. 도 4a 및 도 4b에서 사용된 번호와 유사한 번호를 사용하여 지칭했으며, 간결함을 위해, 유사요소에 대한 설명은 방사상 터빈(424)의 설명과 관련하여 생략했다. 방사상 터빈은 2개의 회전자(104)와 2개의 고정자(424)를 포함한다. 방사상 터빈(424)은 볼트 스터드(188)로 발전기 축(93)에 분리가능하게 고정될 수 있는 단일 카트리지(198)로 실행될 수 있다. 터빈(424)은 입구 플랜지 링(333)과, 공지된 파스너로 하우징(98)에 부착된 외부 유로 가이드(334)를 포함할 수 있다. 고정자 사이에 위치한 중간 유로 가이드(441)와 함께하는 코형상부(206) 및 고정자(108)는, 볼트(337)와 같이 공지된 파스너로 하우징(98)에 분리가능하게 고정될 수 있다. 터빈(424) 및 중간 유로 가이드(441)의 2개의 고정자(108)는 볼트(339) 또는 다른 알려진 파스너로 함께 고정되어 단일 카트리지(198)를 생성한다. 중간 유로 가이드(441)는 도 5 및 도 6에 예시된 터빈(24)의 고정자 스페이서(117)와 기능적으로 유사한 것이다.

터빈-발전기 시스템(20)에서 필요한 추력(thrust) 밸런스에 따른, 방사상 터빈(524)에 대해 도 4d에 예시된 바와 같은, 등을 맞대고 연속하여 배치되는 복수 스테이지 방사상 터빈의 회전자(104)를 구성하는 것이 바람직할 수 있다. 이런 사실과 관련하여, 회전자(104a)는 회전자(104b)까지 후퇴하게 위치하며, 상기 회전자들은 결합하여 함께 회전하게 있다. 고정자(108)는 회전자(104a/104b) 사이에 위치하며, 고정자를 통해 연장되는 회전자(104b)의 일부분을 회전가능하게 지지하기 위한 베어링(526)을 포함한다. 터빈(524)은 가스 이송관(552)이 그를 통해 연장되는 앞 판(550)을 추가로 포함하며, 상기 가스 이송관(524)은 내부 플레넘(plenum)(554)에서 종결된다. 가스 유입 터빈(524)은 관(552) 안으로 흘러가, 내부 플레넘(554)으로 전달되어, 회전자(104a)가 회전하게 플레넘을 빠져나가서, 회전자(104b)를 구동하고, 마지막으로 터빈을 빠져나간다.

특정하게 예시하지 않았더라도, 터빈-발전기 시스템(20)은 또한 혼류 터빈을 사용하여 구현될 수 있다. 상기 터빈은 방사상 터빈 발전기(324, 424)에 대한 설계와 매우 유사하여, 따로 분리하여 설명하지 않는다.

저압으로 냉각된 작업 유체가 발전기(26) 근방에 터빈(24)의 마지막 회전자 스테이지로부터 방출되도록 역배향(reverse orientation)으로 회전자(104)를 배치함으로써, 발전기(26)로의 열전달이 최소로 되어, 발전기의 수명을 연장한다. 역배향의 결과로, 터빈(24)의 저압 배출은 제2용량의 작업유체를 포트(254)를 통해 발전기(26)의 갭(70) 밖으로 그리고 터빈(24)의 방출 스트림 쪽으로 끌어당기면서, 트러스트 힘을 충분히 균형있게 하여서, 발전기 트러스트 베어링(89)이 터빈(24)의 나머지 축방향 하중을 처리할 수 있다. 그런 설계는 효율적이며, 콤팩트하고, 열 효율성이 좋은 것이다.

본 발명의 일 양태는 열에너지를 전기로 변환하는 시스템이다. 시스템은 5MW 이하의 전력을 출력하는 전기 발전기와 터빈을 포함하며, 상기 발전기는 기부근방 단부, 말단부, 발전기 회전자 및 고정자를 갖고, 발전기 회전자는 회전축을 중심으로 고정자 내에서 회전 운동하게 배치되며, 상기 발전기는 또한 기부근방 단부에 인접하여 배치된 제1유체 필름 베어링과, 말단부에 인접하여 배치된 제2유체 필름 베어링도 포함하며, 상기 제1 및 제2유체 필름 베어링은 발전기 회전자를 둘러싸고 보유하며, 작동하는 동안, 상기 회전축에 대해 실질적으로 동축으로 정렬하며; 상기 터빈은 적어도 하나의 고정자와 회전축을 중심으로 적어도 하나의 고정자에 대한 회전운동을 위해 지지되는 적어도 하나의 터빈 회전자를 갖고, 상기 적어도 하나의 터빈 회전자는 발전기 회전자를 회전적으로 구동하도록 발전기 회전자에 결합되며, 상기 터빈은 상기 발전기의 기부근방 단부에 부착된 제1단부를 갖고, 상기 적어도 하나의 터빈 회전자는 오버행 구조로 형성되어서, 회전운동을 위해 적어도 하나의 터빈 회전자를 반경방향으로 지지하기 위한 레이디얼 베어링이 상기 터빈에 포함되지 않고, 상기 터빈은 부가로 제1온도에서 작업유체를 수용하기 위한 입구와 제1온도보다 낮은 제2온도에서 작업유체를 배출하기 위한 출구도 포함하며, 상기 출구는 상기 터빈의 제1단부 근방에 위치하여 발전기로의 열전달을 최소로 한다.

다른 실시예에서, 상술된 상기 시스템은 600KW 미만의 전력 출력을 하는 전기 발전기를 갖는다.

상술된 시스템의 터빈은 일 실시예에서, 하우징을 포함하며, 적어도 하나의 고정자는 복수의 고정자 판을 포함하며, 적어도 하나의 터빈 회전자는 복수의 터빈 회전자 판을 포함하며, 또한, 복수의 고정자 판과 복수의 터빈 회전자 판이 상기 하우징에 분리할 수 있게(releasably) 장착되는 단일체 카트리지를 함께 형성한다.

상술된 시스템의 터빈은 축류 터빈(axial turbine), 방사 터빈(radial turbine) 또는 혼류 터빈(mixed-flow turbine) 일 수 있다.

상술된 시스템은 표면과 제거가능한 뒷 판(removable backplate)을 가진 후드, 뒷 판과 반대편의 후드 벽, 및 폭(11)을 가진 확산기 통로 출구를 구비하며, 상기 뒷 판의 표면은 후드 벽으로부터 일정 거리(14)로 이격져 있고, 상기 거리(14)는 거리(11)의 1/2과 4배 사이의 범위이다.

본 발명의 다른 양태는 복수 스테이지 터빈 카트리지이다. 상기 카트리지는 복수의 회전자 판과 복수의 고정자 판을 포함하며, 각각의 회전자 판은 중심선, 제1접촉면 및 제1접촉면과 접촉하는 제2접촉면을 갖고, 상기 제1 및 제2접촉면은 대체로 평행하며 제1 및 제2접촉면의 각각은 0.00005" 내지 0.020" 범위에서 편평하며, 상기 복수의 회전자 판은 서로 근접하여 위치하여서 회전자 판의 중심선이 상호 동축에 있으며; 각각의 고정자 판은 중심선, 제1접촉면 및 제1접촉면과 접촉하는 제2접촉면을 갖고, 상기 제1 및 제2접촉면은 대체로 평행하며 제1 및 제2접촉면의 각각은 0.00005" 내지 0.020" 범위에서 편평하며, 상기 복수의 고정자 판은 서로 근접하여 위치하여서 고정자 판의 중심선이 서로 동축에 있고; 그리고 상기 복수의 회전자 판은 상류방향으로 복수 스테이지 회전자 조립체를 형성하도록 복수의 고정자 판의 각각의 판에 대한 대응 관계로 교대로 배치되며, 또한 상기 복수의 회전자 판 중 적어도 하나는 축류 코드를 가진 복수의 제1베인을 갖고 그리고 상기 복수의 고정자 판의 인접한 판은 축류 코드를 가진 복수의 제2베인을 포함하며, 상기 복수의 제1베인은 상기 복수의 제2베인으로부터 축방향으로 이격져서 축류 코드의 1%의 1/4 까지 2개의 축류 코드보다 크지 않은 축방향 크기를 가진 공간을 형성하며, 크기의 측정은 상기 공간의 바로 상류에 회전자 판과 고정자 판 중 하나의 축류 코드에 대한 측정이다.

일 실시예에서, 상술된 터빈 카트리지 내의 공간은 상기 공간의 바로 상류에 회전자 판과 고정자 판 중 하나의 축류 코드의 1/3 내지 1의 범위의 축방향 치수를 갖는다. 상술된 터빈 카트리지의 다른 실시예에서, 복수의 회전자 판은 상호 관계로 고정되며, 복수의 고정자 판은 상호 관계로 고정되며 단일 카트리지 시스템을 형성하도록 복수의 회전자 판에 대해 배치된다. 상술된 터빈 카트리지의 다른 실시예에서, 단일 카트리지 시스템은 터빈 하우징에 분리가능하게 결합되게 설계된다.

예시한 실시예들은 첨부 도면을 참조하여 기재되었으며, 당업자는 본 발명의 다양한 변경, 생략 및 추가가 본 발명의 정신 및 범위를 이탈하지 않고 본 명세서에 개시되어 있는 기술내용으로부터 수행되어 질 수 있는 것이다.

Claims

전기를 발전하는 시스템에 있어서,
전기 발전기와 터빈을 포함하며:
상기 전기 발전기는 기부근방 단부, 말단부, 발전기 회전자 및 고정자를 갖고, 발전기 회전자는 회전축을 중심으로 고정자 내에서 회전 운동하게 배치되며;
상기 터빈은 복수의 터빈 고정자 판과, 회전축을 중심으로 복수의 터빈 고정자 판에 대한 회전운동을 위해 지지되는 복수의 터빈 회전자 판을 갖고, 상기 복수의 터빈 회전자 판은 발전기 회전자를 회전적으로 구동하도록 발전기 회전자와 결합되며, 상기 복수의 터빈 회전자 판은 (i) 회전축과 동축 정렬하며 (ii) 복수의 터빈 회전자 판에 둘러싸이며 연결되는 중심축을 사용하지 않고 회전 구동이 복수의 터빈 회전자 판 중의 적어도 하나의 터빈 회전자 판으로부터 복수의 터빈 회전자 판 중 인접한 하나로 전달되도록 연결되며,
상기 터빈은 공동을 가진 하우징을 포함하며, 부가로 상기 복수의 터빈 고정자 판 및 복수의 터빈 회전자 판은 함께 하우징의 공동 내에 해제가능하게 장착되는 크기와 구조로 형성되는 단일체 카트리지를 형성하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서,
각각 복수의 터빈 회전자 판은 중심선, 제1 회전자 판 접촉면 및 제1 회전자 판 접촉면과 접촉하는 제2 회전자 판 접촉면을 갖고, 각각 복수의 고정자 판은 중심선, 제1 고정자 판 접촉면 및 제1 고정자 판 접촉면과 접촉하는 제2 고정자 판 접촉면을 갖고, 상기 복수의 회전자 판은 상류방향으로 복수 스테이지 회전자 조립체를 형성하도록 복수의 고정자 판의 대응하는 각각의 판과 교대로 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제1 회전자 판 접촉면 및 제2 회전자 판 접촉면은 평행하며, 상기 제1 회전자 판 접촉면 및 제2 회전자 판 접촉면의 각각은 0.00005" 내지 0.020" 범위의 오차 내에서 편평하며, 상기 복수의 회전자 판은 서로 근접하게 위치하여 상기 회전자 판의 중심선이 상호 동축에 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제1 고정자 판 접촉면 및 제2 고정자 판 접촉면은 평행하며, 상기 제1 고정자 판 접촉면 및 제2 고정자 판 접촉면의 각각은 0.00005" 내지 0.020" 범위의 오차 내에서 편평하며, 상기 복수의 고정자 판은 서로 근접하게 위치하여 상기 고정자 판의 중심선이 상호 동축에 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
제2항에 있어서,
상기 복수의 회전자 판 중 적어도 하나는 축류 코드를 가진 복수의 제1 베인을 갖고, 상기 복수의 고정자 판의 인접한 판은 축류 코드를 가진 복수의 제2 베인을 포함하며, 상기 복수의 제1 베인은 상기 복수의 제2 베인으로부터 축방향으로 이격되어 축류 코드의 1%의 1/4 까지 2개의 축류 코드보다 크지 않은 축방향 크기를 가진 공간을 형성하며, 크기의 측정은 상기 공간의 바로 상류에 있는 회전자 판과 고정자 판 중 하나의 축류 코드에 대한 측정인 것을 특징으로 하는 시스템.
제5항에 있어서,
상기 공간은 상기 공간의 바로 상류에 있는 회전자 판과 고정자 판 중 하나의 축류 코드의 1/3 내지 1의 범위의 축방향 크기를 가진 것을 특징으로 하는 시스템.
제2항에 있어서,
상기 복수의 회전자 판은 서로에 대해 고정되며, 상기 복수의 고정자 판은 서로에 대해 고정되며 복수의 회전자 판에 대한 배치로 단일체 카트리지 시스템을 형성하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제1 회전자 판 접촉면 및 제2 회전자 판 접촉면은 편평한 것을 특징으로 하는 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제1 고정자 판 접촉면 및 제2 고정자 판 접촉면은 편평한 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서,
부가로 상기 카트리지는 외경을 갖고, 상기 공동은 제1 내경을 가진 제1 부분 및 제1 내경보다 큰 제2 내경을 가진 제2 부분을 포함하며, 상기 공동의 상기 제2 부분은 상기 카트리지를 수용하기 위한 크기로 형성되며, 상기 카트리지의 상기 외경은 상기 공동의 상기 제1 부분의 내경보다 큰 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 공동은 오목부를 포함하며, 상기 터빈은 카트리지를 공동 내에 해제가능하게 고정할 수 있는 잠금 링을 부가로 포함하며, 상기 잠금 링은 공동 내의 오목부에 해제가능하게 장착되는 크기와 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 시스템.
터빈 하우징의 공동에 해제가능하게 장착되는 터빈 카트리지에 있어서,
복수의 회전자 판; 및
복수의 고정자 판을 포함하며,
상기 복수의 회전자 판은 회전 축에 대해 회전하도록 적용되며, 각각 중심선, 제1 회전자 판 접촉면 및 제1 회전자 판 접촉면과 접촉하는 제2 회전자 판 접촉면을 갖고, 상기 복수의 회전자 판은 (i) 회전축과 동축 정렬하며 (ii) 복수의 회전자 판에 둘러싸이며 연결되는 중심축을 사용하지 않고 회전력이 복수의 회전자 판 중의 적어도 하나의 회전자 판으로부터 복수의 회전자 판 중 인접한 하나로 전달되도록 연결되며,
상기 복수의 고정자 판은 각각 중심선, 제1 고정자 판 접촉면 및 제1 고정자 판 접촉면과 접촉하는 제2 고정자 판 접촉면을 갖고,
상기 복수의 회전자 판은 상류방향으로 복수 스테이지 회전자 조립체를 형성하도록 복수의 고정자 판의 대응하는 각각의 판과 교대로 배치되며, 부가로 상기 복수의 회전자 판 및 복수의 고정자 판의 크기와 구조는 카트리지가 터빈 하우징의 공동 내에 단일체로서 해제가능하게 장착될 수 있도록 선택되는 것을 특징으로 하는 터빈 카트리지.
제12항에 있어서,
상기 제1 회전자 판 접촉면 및 제2 회전자 판 접촉면은 평행하며, 상기 제1 회전자 판 접촉면 및 제2 회전자 판 접촉면은 0.00005" 내지 0.020" 범위의 오차 내에서 편평하며, 상기 복수의 회전자 판은 서로 근접하게 위치하여 상기 회전자 판의 중심선이 상호 동축에 있는 것을 특징으로 하는 터빈 카트리지.
제12항에 있어서,
상기 제1 고정자 판 접촉면 및 제2 고정자 판 접촉면은 평행하며, 상기 제1 고정자 판 접촉면 및 제2 고정자 판 접촉면은 0.00005" 내지 0.020" 범위의 오차 내에서 편평하며, 상기 복수의 고정자 판은 서로 근접하게 위치하여 상기 고정자 판의 중심선이 상호 동축에 있는 것을 특징으로 하는 터빈 카트리지.
제12항에 있어서,
상기 복수의 회전자 판 중 적어도 하나는 축류 코드를 가진 복수의 제1 베인을 갖고, 상기 복수의 고정자 판의 인접한 판은 축류 코드를 가진 복수의 제2 베인을 포함하며, 상기 복수의 제1 베인은 상기 복수의 제2 베인으로부터 축방향으로 이격되어 축류 코드의 1%의 1/4 까지 2개의 축류 코드보다 크지 않은 축방향 크기를 가진 공간을 형성하며, 크기의 측정은 상기 공간의 바로 상류에 있는 회전자 판과 고정자 판 중 하나의 축류 코드에 대한 측정인 것을 특징으로 하는 터빈 카트리지.
제15항에 있어서,
상기 공간은 상기 공간의 바로 상류에 있는 회전자 판과 고정자 판 중 하나의 축류 코드의 1/3 내지 1의 범위의 축방향 크기를 가진 것을 특징으로 하는 터빈 카트리지.
제12항에 있어서,
상기 복수의 회전자 판은 서로에 대해 고정되며, 상기 복수의 고정자 판은 서로에 대해 고정되며 복수의 회전자 판에 대한 배치로 단일체 카트리지 시스템을 형성하는 것을 특징으로 하는 터빈 카트리지.
제12항에 있어서,
상기 제1 회전자 판 접촉면 및 제2 회전자 판 접촉면은 편평한 것을 특징으로 하는 터빈 카트리지.
제12항에 있어서,
상기 제1 고정자 판 접촉면 및 제2 고정자 판 접촉면은 편평한 것을 특징으로 하는 터빈 카트리지.
제12항에 있어서,
부가로 상기 카트리지는 외경을 갖고, 상기 공동은 제1 내경을 가진 제1 부분 및 제1 내경보다 큰 제2 내경을 가진 제2 부분을 포함하며, 상기 공동의 상기 제2 부분은 상기 카트리지를 수용하기 위한 크기로 형성되며, 상기 카트리지의 상기 외경은 상기 공동의 상기 제1 부분의 내경보다 큰 것을 특징으로 하는 터빈 카트리지.
공동을 갖는 하우징; 및
단일체로서 공동에 위치가능하고 해제가능하도록 구성된 카트리지를 포함하는 터빈으로서,
상기 카트리지는 복수의 터빈 고정자 판과, 회전축을 중심으로 복수의 고정자 판에 대한 회전운동을 위해 지지되는 복수의 터빈 회전자 판을 갖고, 상기 복수의 터빈 회전자 판은 (i) 회전축과 동축 정렬하며 (ii) 복수의 터빈 회전자 판에 둘러싸이며 연결되는 중심축을 사용하지 않고 회전력이 복수의 터빈 회전자 판 중의 적어도 하나의 터빈 회전자 판으로부터 복수의 터빈 회전자 판 중 인접한 하나로 전달되도록 연결되는 것을 특징으로 하는 터빈.
제21항에 있어서,
상기 복수의 회전자 판은 복수 스테이지 회전자 조립체를 형성하도록 복수의 고정자 판의 대응하는 각각의 판과 교대로 배치되는 것을 특징으로 하는 터빈.
제21항에 있어서,
상기 각각의 터빈 회전자 판은 중심선, 제1 회전자 판 접촉면 및 제1 회전자 판 접촉면과 접촉하는 제2 회전자 판 접촉면을 갖고, 상기 제1 회전자 판 접촉면 및 제2 회전자 판 접촉면은 평행하며, 상기 제1 회전자 판 접촉면 및 제2 회전자 판 접촉면의 각각은 0.00005" 내지 0.020" 범위의 오차 내에서 편평하며, 부가로 상기 복수의 회전자 판은 서로 근접하게 위치하여 상기 회전자 판의 중심선이 상호 동축에 있는 것을 특징으로 하는 터빈.
전기를 발전하기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은:
전기 발전기와 터빈을 포함하며;
상기 전기 발전기는 기부근방 단부, 말단부, 발전기 회전자 및 고정자를 갖고, 발전기 회전자는 회전축을 중심으로 고정자 내에서 회전운동하게 배치되며, 상기 전기 발전기는 또한 기부근방 단부에 인접하여 배치된 제1 자기 레이디얼 베어링과, 말단부에 인접하여 배치된 제2 자기 레이디얼 베어링도 포함하며, 상기 제1 자기 레이디얼 베어링 및 제2 자기 레이디얼 베어링은 발전기 회전자를 둘러싸고 유지하며, 작동하는 동안, 상기 회전축에 대해 동축으로 정렬되며;
상기 터빈은 적어도 하나의 고정자와 회전축을 중심으로 적어도 하나의 고정자에 대한 회전운동을 위해 지지되는 적어도 하나의 터빈 회전자를 갖고, 상기 적어도 하나의 터빈 회전자는 발전기 회전자를 회전적으로 구동하도록 상기 발전기 회전자에 결합되며, 상기 터빈은 상기 전기 발전기의 기부근방 단부에 장착된 제1 단부를 가지며, 상기 적어도 하나의 고정자는 복수의 고정자 판을 포함하고, 상기 적어도 하나의 터빈 회전자는 복수의 터빈 회전자 판을 포함하며, 상기 고정자 판과 터빈 회전자 판은 편평한 접촉면을 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
전기를 발전하기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은:
전기 발전기와 터빈을 포함하며;
상기 전기 발전기는 기부근방 단부, 말단부, 발전기 회전자 및 고정자를 갖고, 발전기 회전자는 회전축을 중심으로 고정자 내에서 회전운동하게 배치되며, 상기 전기 발전기는 또한 기부근방 단부에 인접하여 배치된 제1 유체 필름 베어링과, 말단부에 인접하여 배치된 제2 유체 필름 베어링도 포함하며, 상기 제1 유체 필름 베어링 및 제2 유체 필름 베어링은 발전기 회전자를 둘러싸고 유지하며, 작동하는 동안, 상기 회전축에 대해 동축으로 정렬되며;
상기 터빈은 적어도 하나의 고정자와 회전축을 중심으로 적어도 하나의 고정자에 대한 회전운동을 위해 지지되는 적어도 하나의 터빈 회전자를 갖고, 상기 적어도 하나의 터빈 회전자는 발전기 회전자를 회전적으로 구동하도록 적어도 하나의 발전기 회전자에 결합되며, 상기 터빈은 상기 전기 발전기의 기부근방 단부에 장착된 제1 단부를 가지며, 상기 적어도 하나의 고정자는 복수의 고정자 판을 포함하고, 상기 적어도 하나의 터빈 회전자는 복수의 터빈 회전자 판을 포함하며, 상기 고정자 판과 터빈 회전자 판은 편평한 접촉면을 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
제24항에 있어서,
상기 전기 발전기는 발전기 회전자를 향해 반경방향으로 내향하여 연장되는 적어도 하나의 브러시 밀봉부와, 적어도 하나의 브러시 밀봉부가 브러시 밀봉부 시트와의 접촉을 허용하도록 선택된 제1 거리로 적어도 하나의 브러시 밀봉부의 반경방향으로 내향하여 위치한 브러시 밀봉부 시트를 포함하며;
상기 적어도 하나의 브러시 밀봉부는, 발전기 회전자가 회전축에 대해 동축 정렬하여 유지되도록, 상기 제1 및 제2 자기 레이디얼 베어링 중 하나가 완전히 활성화되기 전, 기동 및 셧 다운 동안 발전기 회전자를 지지하는 크기와 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제24항에 있어서,
상기 전기 발전기는 상기 발전기 회전자를 회전적으로 지지하기 위한 제1 자기 레이디얼 베어링 및 제2 자기 레이디얼 베어링 중 적어도 하나에 인접한 적어도 하나의 롤링 요소 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제26항에 있어서,
상기 발전기 회전자는 제1 자기 레이디얼 베어링 및 제2 자기 레이디얼 베어링이 발전기 회전자를 반경방향으로 지지하도록 활성화되지 않았을 때 상기 회전축과의 동축 정렬선 밖으로 제1 반경방향 거리의 이동이 자유롭고, 또한 상기 적어도 하나의 브러시 밀봉부는 터빈 회전자를 지지하도록 선택된 반경방향 길이와 경성을 가져서, 상기 터빈 회전자와, 차례로 상기 터빈 회전자에 결합된 상기 발전기 회전자가, 회전축과 동축 정렬선 밖으로 제2 반경방향 거리보다 더 일탈하지 않고, 상기 제2 반경방향 거리는 상기 제1 반경방향 거리의 0.8배 내지 4배인 것을 특징으로 하는 시스템.
복수의 터빈을 제조하는 방법에 있어서, 각각의 터빈의 제조는 복수의 동일한 터빈 후드로부터 시작되며, 각각의 터빈 후드는 회전자 스테이지와 제1 두께의 저부를 수용하는 공동을 갖고, 상기 저부는 공동의 일부분을 형성하며, 상기 공동은 내경 D1을 가지며,
공동의 내경 D1을 내경 D2로 증가시키기 위해 복수의 터빈 후드 중 제1 터빈 후드의 저부를 기계가공하는 단계를 포함하며, 여기서 D2는 반경방향 높이 H1을 갖는 제1 회전자 스테이지를 공동에 수용하기 위해 선택된 크기이며, 제1 회전자 스테이지는 공동의 저부에 인접한 복수의 범용 터빈 후드 중 상기 제1 터빈 후드의 공동에 배치될 수 있는 크기와 구조로 형성되며; 및,
공동의 내경 D1을 내경 D3로 증가시키기 위해 복수의 터빈 후드 중 제2 터빈 후드의 저부를 기계가공하는 단계를 포함하며, 여기서 D3은 반경방향 높이 H1과 다른 반경방향 높이 H2를 갖는 제2 회전자 스테이지를 공동에 수용하기 위해 선택된 크기이며, 제2 회전자 스테이지는 공동의 저부에 인접한 복수의 범용 터빈 후드 중 상기 제2 터빈 후드의 공동에 배치될 수 있는 크기와 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제29항에 있어서,
상기 복수의 범용 터빈 후드 중 적어도 하나는 제거가능한 뒷 판을 포함하며, 부가로 상기 복수의 터빈 후드 중 상기 제1 터빈 후드 및 상기 제2 터빈 후드 중 적어도 하나의 저부를 기계가공하는 단계는 뒷 판을 제거한 상태로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제29항에 있어서,
상기 복수의 터빈 후드 중 상기 제1 터빈 후드 및 상기 제2 터빈 후드의 저부를 기계가공하는 단계는 반경방향 높이 H1과 반경방향 높이 H2 중 더 큰 것을 분자로 사용하여 반경방향 높이 H1과 반경방향 높이 H2 간의 반경방향 높이의 비율이 1.4 이하인 제1 회전자 스테이지 및 제2 회전자 스테이지를 각각 수용하기 위해 수행되는 것인 방법.
삭제
삭제