KR102171963B1 - 전력계통의 서지 등에 의해 발전기에서 발생하는 충격토크 차단을 위한 장치 - Google Patents

전력계통의 서지 등에 의해 발전기에서 발생하는 충격토크 차단을 위한 장치 Download PDF

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Abstract

이 발명은 터빈 및 발전기의 동력을 전달하는 동력 전달 장치로서, 더욱 상세하게는, 샤프트가 구비되되, 상기 샤프트의 양 단부는 각각 상기 터빈 및 상기 발전기와 연결되고, 상기 양 단부 사이에 마련되는 회전기둥에는 노치가 형성된 동력 전달 장치에 관한 것이다.

Description

전력계통의 서지 등에 의해 발전기에서 발생하는 충격토크 차단을 위한 장치 {Device Interrupting Shock Torque Generated From Generator by Surge of Power System}
이 발명은 발전기의 샤프트(Shaft)와 가스터빈의 샤프트 사이의 동력전달에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 각 샤프트 사이에 형성되어 발전기에서 발생하는 충격토크의 전달을 차단하는 안전장치에 관한 것이다.
일반적으로 발전 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 회전축(R)을 중심으로 회전하면서 화학에너지를 운동에너지로 변환하는 터빈(T) 및 회전축(R)을 중심으로 회전하면서 터빈(T)에서 생성된 운동에너지를 전달받아 전기에너지로 변환하는 발전기(G)로 구성된다.
운동에너지는 샤프트의 회전을 통해 토크를 발생시키면서 터빈(T)에서 발전기(G)로 전달된다. 샤프트의 회전속도는 3600rpm을 유지하며, 회전 시 발생하는 토크를 견딜 수 있도록 샤프트는 강한 강성이 필요하다.
나아가, 터빈(T)의 출력 및 발전기(G)의 발전용량이 대용량화 될수록 발생하는 토크가 증가하면서, 고성능의 샤프트가 요구되고 있다.
한편, 터빈(T)과 발전기(T)를 이용하여 운전을 하는 도중, 전력계통의 서지(Surge)와 같은 비상상황이 발생할 수 있다. 전력계통의 서지는 낙뢰 또는 전선의 단락과 같은 이유로 비정상적이고 갑작스러운 전류의 흐름인데, 이러한 서지로 인하여 발전기(G)에 과부하가 생길 수 있다.
발전기(G)의 운영 도중에 서지가 발생하면, 발전기(G)는 전기를 생산하는 것이 아니라, 서지에 의한 전력을 소모하는 전동기의 역할을 수행하여 비이상적인 운영이 이루어진다.
위와 같은 서지가 발생할 경우, 발전기(G)는 전동기 역할을 수행하면서 샤프트를 회전시키는데, 이 때 발생하는 토크는 일반적인 상황에서의 토크보다 적게는 수 배에서 많게는 열 배 이상의 토크가 발생한다.
종래에는 서지에 의한 토크로부터 샤프트의 파손을 보호하기 위하여 샤프트의 설계 토크를 증가시키는 방법을 선택하였고, 이에 따른 샤프트의 대형화 및 과설계가 이루어졌다.
샤프트의 대형화 및 과설계를 통해 서지에 의한 토크로부터 샤프트의 파손이 방지될 수 있지만, 샤프트의 대형화를 통해 동력전달 효율이 저감될 수 있는 문제점이 있고, 과설계로 인한 재료비의 상승과 대형화로 인한 제조비용 및 운반비용의 상승이 있어, 이를 개선할 필요가 있다.
샤프트의 대형화 및 과설계를 이용한 방법 말고, 갑작스러운 서지를 방지하기 위한 액츄에이터(Actuator)를 고려할 수 있으나, 액츄에이터는 50ms정도의 반응시간이 소요되며, 이는 샤프트가 3회정도 회전할 수 있는 시간이므로, 샤프트의 파손을 막기 위해서는 이보다 더 즉각적인 반응이 필요하나 실제로 적용되고 있지 아니한 상황이다.
공개특허공보 제10-2018-0073397호
이 발명은 터빈 및 발전기의 동력전달 과정에서 갑작스런 토크의 변화 발생 시 특정 부위가 파손되는 동력 전달 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 이 발명의 일 실시예에 따른 터빈 및 발전기의 동력을 전달하는 동력 전달 장치에 있어서, 샤프트가 구비되되, 상기 샤프트의 양 단부는 각각 상기 터빈 및 상기 발전기와 연결되고, 상기 양 단부 사이에 마련되는 회전기둥에는 노치가 형성된다.
또한, 상기 샤프트의 외측에는 보호대가 마련되고, 상기 보호대는 중심축과 평행한 방향으로 형성된 보호판을 포함할 수 있다.
또한, 상기 보호판에서 중심축 방향으로 한 개 이상의 보조기둥이 형성될 수 있다.
또한, 상기 보조기둥과 상기 회전기둥 사이에는 외측 베어링이 마련될 수 있다.
또한, 상기 노치는 상기 보조기둥 사이에 형성될 수 있다.
또한, 상기 샤프트는 암 커플링 디스크와 수 커플링 디스크로 구성되되, 상기 암 커플링 디스크와 상기 수 커플링 디스크는 한 개 이상의 고정구에 의해 결속될 수 있다.
또한, 상기 고정구는 고정핀을 포함하되, 상기 노치는 상기 고정핀에 형성될 수 있다.
또한, 상기 고정구는 고정판을 포함하되, 상기 고정판은 상기 노치를 기준으로 양 옆에 마련될 수 있다.
또한, 상기 암 커플링 디스크에는 암 디스크 내측 기둥이 형성되고, 상기 암 디스크 내측 기둥에는 돌출부가 형성되며, 상기 수 커플링 디스크에는 내측 수 디스크가 형성되고, 상기 내측 수 디스크에는 내측 수 디스크 윗면이 형성되며, 상기 내측 수 디스크 윗면에는 홈부가 형성되며, 상기 돌출부가 상기 홈부에 인입될 수 있다.
또한, 상기 돌출부와 상기 홈부 사이에는 내측 베어링이 마련될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 이 발명의 동력 전달 장치에 의하면, 암 커플링 디스크와 수 커플링 디스크 사이에 마련된 회전기둥에 노치가 형성됨에 따라, 일정 수준 이상의 토크 변화 발생시 해당 노치가 파괴됨으로써 충격 전달을 방지할 수 있다.
또한, 보호대가 형성됨에 따라 노치의 파편이 외부로 노출되지 않아 안전성이 향상될 수 있다.
나아가, 보조기둥이 형성됨에 따라, 회전기둥이 회전축에서 이탈되지 않을 수 있다.
더욱이, 보조기둥 및 회전기둥에 외측 베어링이 형성됨에 따라, 회전기둥과 보조기둥의 마찰이 줄어들 수 있다.
추가적으로, 노치가 보조기둥 사이에 형성됨에 따라, 노치의 파편이 외부로 노출되는 것을 방지하여 안전성이 더욱 향상될 수 있다.
더 나아가, 샤프트가 암 커플링 디스크와 수 커플링 디스크로 구성되어 고정구에 의해 결속됨에 따라, 동력 전달 장치의 수리, 유지 및 보수가 간편해질 수 있다.
또, 고정구의 고정핀에 노치가 형성됨에 따라, 고정핀이 파괴되는 강도를 쉽게 설계할 수 있고, 파괴될 부위를 특정할 수 있어 수리, 유지 및 보수가 간편해질 수 있다.
한편, 돌출부가 홈부에 인입됨에 따라, 암 커플링 디스크 및 수 커플링 디스크의 중심축이 회전축에서 이탈되지 않을 수 있다.
또한, 돌출부와 홈부에 내측 베어링이 마련됨에 따라, 암 커플링 디스크 및 수 커플링 디스크의 마찰이 줄어들 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 발전기 및 터빈의 연결구조를 도시한 도면이다.
도 2는 이 발명의 일 실시예에 따른 동력 전달 장치를 도시한다.
도 3은 이 발명의 일 실시예에 따른 동력 전달 장치의 세부 구성을 도시한다.
도 4는 이 발명의 일 실시예에 따른 동력 전달 장치의 세부 구성을 도시한다.
도 5는 이 발명의 일 실시예에 따른 동력 전달 장치의 세부 구성을 도시한다.
이 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이 명세서 전체에서, 어떤 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 이 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 도면을 참조하여 이 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 이 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 이 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 이 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 곶이 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 종래기술에 따른 발전기 및 터빈의 연결구조를 도시한 도면이다. 발전기(G)는 터빈(T)와 연결되어 있고, 터빈(T)에서의 회전에너지는 샤프트(Shaft)를 통해 발전기(G)로 전달된다. 회전에너지를 전달하는 샤프트는 높은 토크를 견딜 수 있을 정도로 설계되며, 발전기(G)에서의 서지(Surge)와 같은 비정상적인 상황에서도 파괴되지 않을 정도로 설계된다. 따라서, 샤프트는 통상적인 회전에너지로 인한 토크보다 더 높은 응력을 견딜 수 있을 정도로 설계되는 것이 일반적이다.
도 2는 이 발명의 일 실시예에 따른 동력 전달 장치를 도시한다.
동력 전달 장치(D)는 터빈(T)과 발전기(G)와 연결되며 그 사이에 마련되어 있다. 동력 전달 장치(D)는 터빈(T)에서 발생한 회전에너지를 발전기(G)로 전달한다. 터빈(T), 동력 전달 장치(D) 및 발전기(G)의 회전축(R)은 동일할 수 있다.
동력 전달 장치(D)는 정상적인 상황에서는 터빈(T)에서의 회전에너지를 발전기(G)로 전달할 수 있으며, 서지와 같은 비정상적인 상황이 어느 구성에서 전달되는 회전에너지를 다른 구성으로 전달되는 것을 차단할 수 있다. 예를 들어, 동력 전달 장치(D)는 특정 토크 이상의 회전에너지를 전달하지 않을 수 있다.
앞서 언급한 비정상적인 상황은 서지에 한정되는 것이 아니며, 터빈(T) 또는 발전기(G)의 갑작스런 정지, 터빈(T)의 과회전과 같이 전달되는 회전에너지가 급변하는 경우를 포함한다.
도 3은 이 발명의 일 실시예에 따른 동력 전달 장치의 세부 구성을 도시한다. 동력 전달 장치(D)는 샤프트(Shaft, 100)로 구성된다. 샤프트(100)는 회전축(R)을 중심으로 회전하며, 샤프트(100)의 양쪽 단부(101, 101`)는 발전기(G) 및 터빈(T)과 연결되도록 형성된다.
양쪽 단부(101, 101`)에는 회전축(R) 바깥 방향으로 연장되도록 디스크(102)가 형성되어 있다. 디스크(102)는 양쪽 단부(101, 101`)를 통해 접촉된 터빈(T)으로부터 발전기(G)로 운동에너지를 전달한다. 또는, 발전기(G)로부터 터빈(T)으로 운동에너지를 전달할 수 있다.
회전기둥(103)은 디스크(102)의 사이에 마련되어 회전축(R)을 중심으로 회전하며, 양 디스크(102)를 연결한다. 회전기둥(103)은 원기둥 형상을 가지며, 회전을 통해 운동에너지를 전달한다.
회전기둥(103)의 일 부분에는 회전축(R) 방향으로 만곡되는 노치(104)가 형성된다. 노치(104)가 형성된 부분은 발전기(G) 및 터빈(T)의 정상 운용 시 파괴되지 않지만, 급격한 토크 변화에 의해 파괴될 수 있다. 노치(104)는 필요에 따라 만곡되는 정도를 변화시킬 수 있다.
예를 들어, 노치(104)가 만곡된 정도가 작은 경우, 샤프트(100)는 급작스런 토크의 변화에 파괴되지 않고, 에너지를 전달할 수 있다. 다만, 노치(104)가 만곡된 정도가 큰 경우, 샤프트(100)는 급작스런 토크의 변화에 의해 파괴되며, 에너지의 전달이 불가능할 수 있다.
도 3에서는 회전기둥(103)이 일체형으로 도시되었으나, 노치(104)가 형성된 부분은 회전기둥(103)과 분리 및 결합될 수 있다.
이와 같이 노치(104)가 형성됨에 따라, 샤프트(100)의 특정 부위가 파괴되도록 하여, 동력 전달 장치(D)의 유지, 수리 및 보수에 필요한 비용 및 시간을 절감할 수 있다. 또한, 급작스런 토크의 변화에 따라 동력 전달 장치(D)의 다른 부위가 파괴되지 않아 안전성을 향상시킬 수 있다.
보호대(200)는 샤프트(100)의 외측에 마련될 수 있다. 보호대(200)는 보호판(201) 및 보조기둥(202)을 포함한다.
보호판(201)은 회전기둥(103)이 외부에 노출되지 않도록 샤프트(100)의 길이방향으로 형성될 수 있다.
보호판(201)은 회전기둥(103)이 외부에 노출되는 것을 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 보호판(201)은 노치(104)가 파괴될 경우 생성될 수 있는 파편으로 인하여 발생할 수 있는 사고를 예방할 수 있다.
보조기둥(202)은 보호판(201)에서 중심축(R) 방향으로 형성될 수 있다. 보조기둥(202)는 한 개 이상으로 형성될 수 있으며, 노치(104)를 기준으로 양 옆에 형성될 수 있다.
보조기둥(202)이 형성됨에 따라, 노치(104)가 파괴될 경우 파편이 외부에 노출되는 것을 방지할 수 있고, 샤프트(100)의 회전축(R)이 이탈되는 것을 방지할 수 있어 2차 사고를 예방할 수 있다.
보조기둥(202)과 회전기둥(103) 사이에는 외측 베어링(300)이 마련될 수 있다. 외측 베어링(300)은 보조기둥(202)과 회전기둥(103)의 마찰을 감소시킬 수 있으며, 노치(104)가 파괴될 경우 샤프트(100)의 회전축(R)이 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
보호대(200)는 샤프트(100)의 안전성을 향상시킬 뿐만 아니라, 샤프트(100)를 지지할 수 있다. 보호대(200)가 샤프트(100)를 지지함에 따라, 샤프트(100)의 변형을 방지할 수 있다.
보호대(200)에 대한 실시예는 도 3에서만 도시되었으나, 보호대(200)는 도 4 및 도 5의 실시예에 적용될 수 있다.
도 4는 이 발명의 일 실시예에 따른 동력 전달 장치의 세부 구성을 도시한다. 동력 전달 장치(D)의 샤프트(100)는 암 커플링 디스크(110) 및 수 커플링 디스크(120)로 구성될 수 있다. 위 구성에 대하여 도 5에서 자세히 설명하도록 한다.
암 커플링 디스크(110)는 수 커플링 디스크(120)보다 커서 수 커플링 디스크(120)의 일부가 암 커플링 디스크(110)에 인입될 수 있다.
암 커플링 디스크(110) 및 수 커플링 디스크(120) 사이에는 외측 베어링(300)이 마련될 수 있다.
암 커플링 디스크(110)와 수 커플링 디스크(120)는 고정구(400)에 의해 결속될 수 있다.
도 5는 이 발명의 일 실시예에 따른 동력 전달 장치의 분해도이다.
암 커플링 디스크(110)는 외측에 암 디스크(111)가 형성될 수 있다. 암 디스크(111)는 발전기(G) 또는 터빈(T)과 연결되어 에너지를 전달할 수 있다.
암 디스크(111)에는 수 커플링 디스크(120) 방향으로 암 디스크 외측 기둥(112)이 형성될 수 있다. 암 디스크 외측 기둥(112)은 회전축(R)을 중심으로 회전하며 에너지를 전달할 수 있다. 발전기(G) 및 터빈(T)의 정상적인 운용 시, 암 디스크 외측 기둥(112)은 에너지를 전달하기에 충분한 강도로 설계된다.
암 디스크 외측 기둥(112)은 내측 암 디스크(113)와 연결될 수 있다. 내측 암 디스크(113)는 'ㄷ'자 형상으로 형성되며, 체결홀(114)이 형성되어 고정구(400)와 결합될 수 있다.
내측 암 디스크(113)는 내측 암 디스크 외측면(115), 내측 암 디스크 내측면(116) 및 내측 암 디스크 밑면(117)으로 구성된다.
내측 암 디스크 밑면(117)에는 암 디스크 내측 기둥(118)이 형성된다. 암 디스크 내측 기둥(118)은 암 디스크 외측 기둥(112)으로부터 내측 암 디스크(113)의 내측으로 연장된 부분이다.
암 디스크 내측 기둥(118)에는 돌출부(119)가 형성되어 있다. 돌출부(119)는 회전축(R)에 평행하게 수 커플링 디스크(120) 방향으로 형성되며, 돌출부(119)의 일부는 후술하는 홈부(126)에 인입될 수 있다.
수 커플링 디스크(120)는 외측에 수 디스크(121)가 형성될 수 있다. 수 디스크(121)는 발전기(G) 또는 터빈(T)과 연결되어 에너지를 전달할 수 있다.
수 디스크(121)에는 암 커플링 디스크(110) 방향으로 수 디스크 기둥(122)이 형성될 수 있다. 수 디스크 기둥(122)은 회전축(R)을 중심으로 회전하며 에너지를 전달할 수 있다. 발전기(G) 및 터빈(T)의 정상적인 운용 시, 수 디스크 기둥(122)은 에너지를 전달하기에 충분한 강도로 설계된다.
수 디스크 기둥(122)은 내측 수 디스크(123)와 연결될 수 있다. 내측 수 디스크(123)는 원판으로 형성되며 체결홀(114)이 형성되어 고정구(400)와 결합될 수 있다.
내측 수 디스크(123)는 내측 수 디스크 외측면(125) 및 내측 수 디스크 윗면(126)으로 구성된다.
내측 수 디스크 외측면(125)은 내측 암 디스크 내측면(116)에 맞닿는다.
내측 수 디스크 윗면(126)에는 홈부(127)가 형성된다. 홈부(127)는 수 디스크(121) 방향으로 홈이 파이게 형성되며, 돌출부(119)의 일부가 인입될 수 있다.
돌출부(119)와 홈부(127) 사이에는 내측 베어링(301)이 마련될 수 있다. 이에 따라, 돌출부(119)와 홈부(127)의 마찰이 감소될 수 있으며, 암 커플링 디스크(110) 및 수 커플링 디스크(120)의 중심축이 회전축(R)에서 이탈되지 않을 수 있다.
고정구(400)는 암 커플링 디스크(110) 및 수 커플링 디스크(120)를 결속시킬 수 있다. 고정구(400)는 고정핀(401), 고정판(402) 및 고정너트(403)로 구성될 수 있다.
고정핀(401)은 내측 암 디스크(113) 및 내측 수 디스크(123)에 형성된 체결홀(114)을 관통하여 에너지를 전달함에 따라, 암 커플링 디스크(110) 및 수 커플링 디스크(120)의 회전을 동기화 시킬 수 있다.
내측 암 디스크 밑면(117) 및 내측 수 디스크 윗면(126) 상에는 고정핀(401)과 결합하는 고정판(402)이 마련될 수 있다. 고정판(402)은 내측 암 디스크 밑면(117) 및 내측 수 디스크 윗면(126)에 부착되어 고정핀(401)의 비틀림 및 변형을 방지할 수 있다. 이에 따라, 고정핀(401)이 효과적으로 에너지를 전달할 수 있으며, 고정핀(401)의 변형을 방지함에 따라 내구성이 증가될 수 있다.
고정너트(403)는 내측 암 디스크(113) 및 내측 수 디스크(123)의 체결홀(114)의 외측에 마련될 수 있다. 고정너트(403)는 고정핀(401)과 결합하여 고정핀(401)의 위치를 유지시킬 수 있다.
고정핀(401)에는 고정핀(401)의 중심축 방향으로 만곡되는 노치(104)가 형성될 수 있다. 노치(104)가 형성된 부분은 발전기(G) 및 터빈(T)의 정상 운용 시 파괴되지 않지만, 급격한 토크 변화에 의해 파괴될 수 있다. 노치(104)는 필요에 따라 만곡되는 정도를 변화시킬 수 있다.
에를 들어, 노치(104)가 만곡된 정도가 작은 경우, 고정핀(401)은 급작스런 토크의 변화에 파괴되지 않고, 에너지를 전달할 수 있다. 다만, 노치(104)가 만곡된 정도가 큰 경우, 고정핀(401)은 급작스런 토크의 변화에 의해 파괴되며, 에너지의 전달이 불가능할 수 있다.
앞선 도면을 통한 이 발명의 설명에 관해서, 설명의 편의를 위하여 모든 실시예를 도면에 도시한 것은 아니므로, 일 도면에만 있는 구성이 타 도면에 있는 실시예에 적용 가능한 것을 예상할 수 있다.
100 : 샤프트
101, 101` : 단부 102 : 디스크
103 : 회전기둥 104 : 노치
110 : 암 커플링 디스크 111 : 암 디스크
112 : 암 디스크 외측 기둥 113 : 내측 암 디스크
114 : 체결홀 115 : 내측 암 디스크 외측면
116 : 내측 암 디스크 내측면 117 : 내측 암 디스크 밑면
118 : 암 디스크 내측 기둥 119 : 돌출부
120 : 수 커플링 디스크 121 : 수 디스크
122 : 수 디스크 기둥 123 : 내측 수 디스크
125 : 내측 수 디스크 외측면 126 : 내측 수 디스크 윗면
127 : 홈부
200 : 보호대
201 : 보호판 202 : 보조기둥
300 : 외측 베어링 301 : 내측 베어링
400 : 고정구
401 : 고정핀 402 : 고정판
403 : 고정 너트

Claims (10)

  1. 터빈(T) 및 발전기(G)의 동력을 전달하는 동력 전달 장치(D)에 있어서,
    샤프트(100)가 구비되되, 상기 샤프트(100)의 양 단부(101, 101`)는 각각 상기 터빈(T) 및 상기 발전기(G)와 연결되고, 상기 양 단부(101, 101`) 사이에 마련되는 회전기둥(103)에는 노치(104)가 형성되고,
    상기 샤프트(100)의 외측에는 보호대(200)가 마련되고, 상기 보호대(200)는 중심축(R)과 평행한 방향으로 형성된 보호판(201)을 포함하며,
    상기 보호판(201)에서 중심축(R) 방향으로 한 개 이상의 보조기둥(202)이 형성되고,
    상기 보조기둥(202)과 상기 회전기둥(103) 사이에는 외측 베어링(300)이 마련된 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 노치(104)는 상기 보조기둥(202) 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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