KR102205209B1 - 투 스풀 타입 발전 시스템 - Google Patents

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조종재
신형기
조준현
최봉수
이범준
노철우
나호상
백영진
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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은 투 스풀 발전 시스템에 관한 것으로, 본 발명은, 하우징; 상기 하우징 내 격리되어 설치되고, 상기 엔진 하우징에 지지되어 회전하는 제1 샤프트와, 상기 제1 샤프트에 장착되어 상기 제1 샤프트와 함께 회전하는 압축기와, 상기 제1 샤프트에 장착되어 상기 제1 샤프트와 함께 회전하는 제1 터빈을 포함하며, 상기 제1 터빈의 제1 회전력에 통해 상기 압축기를 구동시키는 제1 스풀; 및 상기 하우징 내 설치되고, 상기 제1 샤프트를 축방향으로 관통하는 구조로 배치되어 상기 제1 샤프트와 독립적으로 회전하며, 상기 제1 스풀로부터 작동 유체가 유입되지 않도록 상기 제1 샤프트와 상기 하우징에 의해 격리된 상태로 배치되는 제2 샤프트와, 상기 제2 샤프트에 장착되어 상기 제2 샤프트와 함께 회전하며 상기 제1 터빈으로부터 유입되는 상기 작동 유체를 팽창시킴으로써 제2 회전력을 생성하는 제2 터빈과, 상기 제2 샤프트에 결합되며 상기 제2 회전력에 의하여 전기적인 동력을 생산하는 발전기를 포함하는 제2 스풀을 포함하는 투 스풀 타입 발전 시스템을 제공한다.
본 발명에 의하면, 발전 시스템을 투 스풀(Two spool) 타입으로 구조를 형성하여 압축기를 회전시키는 제1 스풀과 제2 터빈을 회전시키는 제2 스풀을 서로 분리하여 격리시킴으로써, 기존 하나의 회전축을 따라 누설되던 작동 유체의 누설량을 크게 경감할 수 있다.

Description

투 스풀 타입 발전 시스템{Two Spool Type Power Generation System}
본 발명은 투 스풀 타입 발전 시스템에 관한 것으로서, 작동 유체의 누설을 경감할 수 있으며 운용의 자유도를 높일 수 있는 투 스풀 타입 발전 시스템에 관한 것이다.
초임계 이산화탄소 발전 기술은 초임계 상태의 이산화탄소로 터빈을 구동하여 전기를 생산하는 기술이다.
초임계 이산화탄소 발전 시스템의 고압 영역은 74 bar 이상이므로, 외부로 작동 유체가 누설되는 문제가 발생한다. 이에, 고압의 운전 조건에서 필연적으로 발생하는 작동 유체의 누설을 최소화하기 위하여, 드라이 가스 시일(Dry Gas Seal, DGS)을 적용하고 있다.
그러나, 드라이 가스 시일만으로 작동 유체의 누설을 감소시키는 데에는 한계가 있어, 작동 유체의 누설을 감소시킬 수 있는 구조의 초임계 발전 시스템이 요구된다.
『미국등록특허공보 제10,309,310호』
본 발명은 작동 유체의 누설을 경감할 수 있으며, 운용의 자유도를 높일 수 있는 투 스풀 타입 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 하우징; 상기 하우징 내 격리되어 설치되고, 상기 엔진 하우징에 지지되어 회전하는 제1 샤프트와, 상기 제1 샤프트에 장착되어 상기 제1 샤프트와 함께 회전하는 압축기와, 상기 제1 샤프트에 장착되어 상기 제1 샤프트와 함께 회전하는 제1 터빈을 포함하며, 상기 제1 터빈의 제1 회전력에 통해 상기 압축기를 구동시키는 제1 스풀; 및 상기 하우징 내 설치되고, 상기 제1 샤프트를 축방향으로 관통하는 구조로 배치되어 상기 제1 샤프트와 독립적으로 회전하며, 상기 제1 스풀로부터 작동 유체가 유입되지 않도록 상기 제1 샤프트와 상기 하우징에 의해 격리된 상태로 배치되는 제2 샤프트와, 상기 제2 샤프트에 장착되어 상기 제2 샤프트와 함께 회전하며 상기 제1 터빈으로부터 유입되는 상기 작동 유체를 팽창시킴으로써 제2 회전력을 생성하는 제2 터빈과, 상기 제2 샤프트에 결합되며 상기 제2 회전력에 의하여 전기적인 동력을 생산하는 발전기를 포함하는 제2 스풀을 포함하는 투 스풀 타입 발전 시스템을 제공한다.
본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 발전 시스템을 투 스풀(Two spool) 구조로 형성하여 압축기를 회전시키는 제1 스풀과 제2 터빈을 회전시키는 제2 스풀을 서로 분리하여 격리시킴으로써, 기존 하나의 회전축을 따라 누설되던 작동 유체의 누설량을 크게 경감할 수 있다.
둘째, 발전 시스템을 투 스풀 타입으로 형성하여 압축기를 회전시키는 제1 스풀과 제2 터빈을 회전시키는 제2 스풀을 서로 분리하여 운전시킴으로써, 하나의 회전축을 이용하여 동일 회전수로 운용되는 기존 타입의 발전 시스템에 비해 운용의 자유도를 높일 수 있는 효과를 포함한다.
셋째, 제1 스풀의 축방향 반경이 제2 스풀의 축방향 반경 내에 배치되게 한 상태에서, 제1 스풀의 작동 유체 진행 방향은 작은 반경 내에서 모이는 방향으로, 제2 스풀의 작동 유체 진행 방향은 큰 반경 내에서 멀어지는 방향으로 형성하면, 제1 스풀과 제2 스풀에 형성되는 추력들을 서로 상쇄할 수 있음은 물론, 제1 스풀의 격리된 컴팩트한 구성과 제2 스풀의 굴절되어 연장되는 작동 유체의 누설 경로를 통해 누설되는 작동 유체의 누설량을 한층 경감할 수 있다.
넷째, 제1 스풀에 틸팅 패드 베어링 또는 에어 베어링을 사용하면 회전체의 고속 회전에 대한 안정성을 확보할 수 있다.
다섯째, 제2 스풀에 밸런싱 피스톤을 설치하면, 축에 작용하는 축력을 더욱 넓은 범위에서 제어 및 경감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투 스풀 타입 발전 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 시스템 중 틸팅 패드 베어링이 설치된 투 스풀 타입 발전 시스템의 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 도 1의 시스템 중 에어 베어링이 설치된 투 스풀 타입 발전 시스템의 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 투 스풀 발전 시스템(100)의 주요 구성이 개략적으로 나타나 있으며, 도 2 및 도 3에는 투 스풀 발전 시스템(100)의 격리된 구조와 함께 투 스풀이 틸팅 패드 베어링(124)과 에어 베어링(125)에 의해 지지되어 회전되는 모습이 나타나 있다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 투 스풀 발전 시스템(100)은 축류형(Axial Type) 터빈을 이용한 발전 시스템에서 구동축을 투 스풀(Two spool) 타입으로 형성하여 압축기와 터빈을 별도 격리시키고, 그 격리된 구조를 이용하여 작동 유체의 누설을 경감하는 것으로, 하우징(110), 제1 스풀(120), 가열기(130), 제2 스풀(140) 및 제어부(미도시)를 포함한다. 여기서, 작동 유체는 이산화탄소(CO2) 이다.
하우징(110)은, 상술한 나머지 구성요소들을 수용함은 물론, 제1 스풀(120)과 제2 스풀(140) 내 포함된 회전체들의 회전 구동을 지지한다. 이때, 하우징(110)에는 제1 스풀(120)과 제2 스풀(140) 내 배치된 제1 샤프트(121)와 제2 샤프트(141)를 연통시켜 제1 스풀(120)의 베어링(124)에서 사용되는 윤활 오일을 드레인 할 수 있는 드레인 유로(111)가 형성된다.
제1 스풀(120)은, 압축기(122)에서 누설되는 작동 유체의 누설량을 저감하기 위해 압축기(122)를 후술될 제2 터빈(142)으로부터 격리시킨 것으로, 즉, 제1 스풀(120)의 제1 샤프트(121)와 제2 스풀(140)의 제2 샤프트(141)가 이격되어 격리되도록 배치되며, 제1 샤프트(121), 압축기(122), 제1 터빈(123) 및 베어링(124, 125)을 포함한다.
제1 샤프트(121)는 압축기(122) 및 제1 터빈(123)과 축결합되어 제1 터빈(123)의 회전 구동력을 압축기(122)에 전달한다. 압축기(122)는 유입되는 작동 유체(이산화탄소)를 압축시켜 고압의 작동 유체(초임계 이산화탄소, sCO2)를 생성하며, 후술될 제2 스풀(140) 내 설치되는 제1 터빈(123)을 거쳐 제2 터빈(142)으로 공급한다. 제1 터빈(123)은 압축기(122)에 제1 샤프트(121)를 통해 회전 구동력을 제공한다. 베어링(124, 125)은 제1 스풀(120)의 회전체인 압축기(122)와 제1 터빈(123)을 하우징(110)에 회전 가능하게 지지되도록 하는 것으로, 본 발명의 일 실시예에서는 틸팅 패드 베어링(124, 도 2 참조)과 에어 베어링(125, 도 3 참조)이 사용된다.
구체적으로, 틸팅 패드 베어링(124)은 패드가 회전체의 움직임에 따라 자동 조심 작용을 하기 때문에 불안정 진동을 일으키지 않아 초고속 회전기기에 널리 이용되며, 상술한 제1 스풀(120)의 압축기(122)와 제1 터빈(123)에는 틸팅 패드 스러스트 베어링(124a)과 틸팅 패드 저널 베어링(124b)이 함께 사용된다. 이러한 틸팅 패드 저널 베어링(124b)은 4만 회전 이상의 고속 회전에서도 안정된 작동을 하며, 틸팅 패드 스러스트 베어링(124a)은 고속 회전체가 2000kg 이상의 스러스트 하중에 견딜 수 있게 지지한다. 아울러, 틸팅 패드 베어링(124)은 윤활 오일의 소모량이 많아 상술한 바와 같이 드레인 유로(111)가 하우징(110) 내 제1 스풀(120)과 제2 스풀(140) 사이에 형성되어 틸팅 패드 베어링(124)에 사용되는 윤활 오일을 제2 스풀(140)을 통해 드레인되도록 한다. 또한, 에어 베어링(125)은 제1 샤프트(121)와 하우징(110) 사이에 공기막을 형성시켜 제1 샤프트(121)와 하우징(110)이 비접촉되게 함으로써 고속 회전에 대응가능하며, 공기압력의 평균화에 따른 고정도를 얻을 수 있다. 또한, 에어 베어링(125)는 윤활 오일의 드레인 과정을 필요로 하지 않으므로, 제1 스풀(120)과 제2 스풀(140)을 밀폐하여 격리시킬 수 있는 이점이 있다.
가열기(130)는, 압축기(122)의 압축된 작동 유체를 가열하여 고온·고압의 작동 유체를 생성하여 압축기(122)의 구동을 위한 제1 터빈(123) 및 발전을 위한 제2 터빈(142)에 공급한다. 이때, 제2 터빈(142)에 공급되는 고온·고압의 작동 유체를 재가열하여 제2 터빈(142)에 공급하는 재가열기(미도시)가 제1 터빈(123)과 제2 터빈(142) 사이에 설치될 수 있음은 물론이다.
제2 스풀(140)은 제1 스풀(120)에서 공급되는 고온·고압의 작동 유체에 의해 회전되는 제2 터빈(142)의 회전 구동력을 이용하여 기계적인 동력을 생성하는 것으로, 제2 샤프트(141), 제2 터빈(142), 오일 베어링(143), 밸런싱 피스톤(144), 드라이 가스 시일(145) 및 발전기(146)을 포함한다.
제2 샤프트(141)는 제1 샤프트(121)와 하우징(110)에 의해 격리된 상태로 제2 터빈(142)에 의해 회전한다. 제2 터빈(142)은 제2 샤프트(141)에 축결합된 상태로 압축기(122)와 가열기(130)로부터 제1 터빈(123)을 거치면서 압력과 온도가 감소된 고온·고압의 작동 유체에 의해 회전함으로써, 제2 샤프트(141)에 회전 구동력을 제공한다. 오일 베어링(143)은 제2 샤프트(141)와 하우징(110) 사이에 회전 가능하게 설치됨으로써, 제2 샤프트(141)가 하우징(110)에 지지되어 회전되게 하며, 이때, 오일 베어링(143)은 틸팅 패드 베어링(124) 또는 에어 베어링(125)이 사용될 수 있음은 물론이다. 밸런싱 피스톤(144)은 추력 평형 장치로 제2 샤프트(141)에 설치되어 제2 샤프트(141)에 작용하는 제2 터빈(142)에 의한 축력을 저감 및 상쇄한다.
드라이 가스 시일(145, Dry Gas Seal, DGS)은 제2 샤프트(141)를 따라 형성되는 작동 유체의 누설 경로 상에 설치되어, 압축기(122)와 가열기(130)를 통해 고온·고압으로 생성된 작동 유체를 제2 샤프트(141)를 회전 가능하게 지지하는 베어링에 공급하여 유체 막을 형성함으로써, 제2 샤프트(141)를 통한 작동 유체의 누설을 경감한다.
발전기(146)는, 제2 샤프트(141)에 축결합되어 제2 샤프트(141)의 회전력에 의한 기계적인 동력을 전기적인 동력으로 생산한다.
제어부(미도시)는, 투 스풀 타입 발전 시스템(100)의 각 부분에 설치된 온도 센서 및 터빈 센서들에 의해 측정된 수치를 토대로 제1 스풀(120) 및 제2 스풀(140)의 구동 동작을 제어함은 물론, 상술한 드라이 가스 시일(145)의 구동 동작을 함께 제어한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 투 스풀 타입 발전 시스템(100)은 기존 초임계 이산화탄소를 이용하는 축류형(Axial Type) 터빈의 문제점인 축을 따라 작동 유체가 누설되는 문제를 해결하기 위하여, 압축기(122)를 회전시키는 제1 터빈(123)의 제1 샤프트(121)와 발전기(460)를 회전시키는 제2 터빈(142)의 제2 샤프트(142)를 분리하도록, 제1 스풀(120)과 제2 스풀(140)의 투 스풀 타입으로 형성되어 있다. 아울러, 제1 스풀(120)에 에어 베어링(125)을 적용하면, 제1 스풀(120)을 밀폐 구조로 형성할 수 있어 작동 유체의 누설량을 더욱 경감할 수 있을 것으로 보인다. 또한, 제2 스풀(140) 내 작동 유체의 누설 경로에 제2 샤프트(141)를 지지하는 베어링에 드라이 가스 시일(145)을 설치하면, 제2 스풀(140)의 작동 유체 누설량을 한층 경감할 수 있다.
한편, 제1 스풀(120)의 축방향 반경을 제2 스풀(140)의 축방향 반경보다 작게 형성하여 제1 스풀(120)이 제2 스풀(140)의 축방향 반경 내에 배치된 상태에서, 제1 스풀(120) 내의 압축기(122)와 제1 터빈(123) 각각의 작동 유체 진행 방향이 제1 샤프트(121)를 따라 서로 모이는 방향으로 형성되도록 하고, 제2 스풀(140) 내 제2 터빈(142)과 발전기(146)의 작동 유체 진행 방향은 제2 샤프트(141)를 따라 서로 멀어지게 형성함으로써, 제1 스풀(120)과 제2 스풀(140)의 추력이 서로 상쇄되게 함은 물론, 작동 유체의 누설량 역시 크게 경감할 수 있다.
구체적으로, 제1 스풀(120) 내 압축기(122)의 로터(122b)와 제1 터빈(123)의 로터(123b)를 제1 스풀(120)의 축방향을 따라 제1 스풀(120)의 내측에 배치하여, 제1 스풀(120)의 외측에 형성된 압축기(122)와 제1 터빈(123)의 각 스테이터(122a, 123a)를 통해 작동 유체가 제1 스풀(120)의 외측에서 내측으로 진행하게 한다. 이를 통해, 제1 스풀(120)에 발생하는 추력을 상쇄함은 물론, 제1 스풀(120)이 제2 스풀(140)의 축방향 반경 내에 위치하게 하여 보다 컴팩트한 구조를 형성함으로써, 상기 제1 샤프트(121)를 따라 서로 내측으로 진행하는 작동 유체의 누설을 경감할 수 있다.
또한, 제2 스풀(140) 내 제2 터빈(142)의 로터(142b)는 제2 스풀(140)의 축방향을 따라 외측에 배치하여, 제2 스풀(140)의 내측에 형성된 제2 터빈(142)의 스테이터(142a)를 통해 작동 유체가 제2 스풀(140)의 축방향을 따라 내측에서 외측으로 진행하게 함으로써, 제2 샤프트(141)를 따라 형성되는 작동 유체의 누설 경로를 굴절 및 연장할 수 있으며, 이를 통해 제2 스풀(140)의 작동 유체의 누설량을 한층 경감할 수 있다.
나아가, 투 스풀 구조의 기계적인 구성을 통해 작동 유체의 누설을 경감함은 물론, 투 스풀 타입의 압축기(122)와 제2 터빈(142)의 운전(구동) 속도를 각각 독립적으로 제어하면, 불필요한 구동에 따른 작동 유체의 유실 및 누설을 방지할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 투 스풀 타입 발전 시스템
110 : 하우징 111 : 드레인 유로
120 : 제1 스풀 121 : 제1 샤프트
122 : 압축기 122a : 압축기 스테이터
122b : 압축기 로터 123 : 제1 터빈
123a : 제1 터빈 스테이터 123b : 제1 터빈 로터
124 : 틸팅 패드 베어링 124a : 틸팅 패드 스러스트 베어링
124b : 틸팅 패드 저널 베어링 125 : 에어 베어링
130 : 가열기 140 : 제2 스풀
141 : 제2 샤프트 142 : 제2 터빈
142a : 제2 터빈 스테이터 142b : 제2 터빈 로터
143 : 오일 베어링 144 : 밸런싱 피스톤
145 : 드라이 가스 시일(DGS) 146 : 발전기

Claims (13)

  1. 하우징;
    상기 하우징 내 격리되어 설치되고, 상기 하우징에 지지되어 회전하는 제1 샤프트와, 상기 제1 샤프트에 장착되어 상기 제1 샤프트와 함께 회전하는 압축기와, 상기 제1 샤프트에 장착되어 상기 제1 샤프트와 함께 회전하는 제1 터빈을 포함하며, 상기 제1 터빈의 제1 회전력에 통해 상기 압축기를 구동시키는 제1 스풀; 및
    상기 하우징 내 설치되고, 상기 제1 샤프트를 축방향으로 관통하는 구조로 배치되어 상기 제1 샤프트와 독립적으로 회전하며, 상기 제1 스풀로부터 작동 유체가 유입되지 않도록 상기 제1 샤프트와 상기 하우징에 의해 격리된 상태로 배치되는 제2 샤프트와, 상기 제2 샤프트에 장착되어 상기 제2 샤프트와 함께 회전하며 상기 제1 터빈으로부터 유입되는 상기 작동 유체를 팽창시킴으로써 제2 회전력을 생성하는 제2 터빈과, 상기 제2 샤프트에 결합되며 상기 제2 회전력에 의하여 전기적인 동력을 생산하는 발전기를 포함하는 제2 스풀을 포함하는 투 스풀 타입 발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 스풀은,
    축방향 반경이 상기 제2 스풀의 축방향 반경보다 작게 형성되어, 상기 제2 스풀의 축방향 반경 내에 배치되는 투 스풀 타입 발전 시스템.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 제1 스풀은,
    상기 압축기의 상기 작동 유체 진행 방향과 상기 제1 터빈의 상기 작동 유체 진행 방향이 축방향을 따라 각각 외측 방향에서 내측 방향으로 대칭되게 형성되는 투 스풀 타입 발전 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 스풀은,
    상기 제2 터빈의 상기 작동 유체 진행 방향이 축방향을 따라 내측에서 외측으로 형성되는 투 스풀 타입 발전 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축기의 압축된 작동 유체를 가열하여 상기 제1 터빈에 공급하는 가열기를 더 포함하는 투 스풀 타입 발전 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 가열기를 통해 가열된 작동 유체를 재가열하여 상기 제2 터빈에 공급하는 재가열기를 더 포함하는 투 스풀 타입 발전 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 작동 유체는 이산화탄소(CO2)이고,
    상기 압축기는 상기 이산화탄소를 초임계 상태로 압축하는 투 스풀 타입 발전 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 스풀은,
    상기 제1 샤프트를 상기 하우징에 회전 가능하게 지지하는 틸팅 패드 스러스트 베어링과 틸팅 패드 저널 베어링을 포함하는 투 스풀 타입 발전 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 하우징은,
    상기 틸팅 패드 스러스트 베어링과 상기 틸팅 패드 저널 베어링의 윤활 오일이 상기 제2 스풀 방향으로 안내되도록, 상기 서로 분리되어 격리된 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트를 연통시키는 드레인 유로를 더 포함하는 투 스풀 타입 발전 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 스풀은,
    상기 제1 샤프트를 상기 하우징에 회전 가능하게 지지하는 에어 베어링을 포함하는 투 스풀 타입 발전 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 스풀은,
    오일 베어링 또는 틸팅 패드 베어링에 의해 상기 하우징에 지지되어 회전하는 투 스풀 타입 발전 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 샤프트에 작용하는 축력이 저감되도록, 상기 제2 샤프트에 설치되는 밸런싱 피스톤을 더 포함하는 투 스풀 타입 발전 시스템.
  13. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 샤프트를 따라 누설되는 작동 유체의 누설량이 시일 가스에 의해 저감되도록, 상기 제2 샤프트를 지지하는 베어링에 시일 가스를 공급하여 유체 막을 형성하는 드라이 가스 시일(Dry Gas Seal, DGS)을 더 포함하는 투 스풀 타입 발전 시스템.
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