KR102256400B1 - 터보 확장기용 저마찰 유입구 노즐 - Google Patents

Abstract

터보 확장기(100)용 저마찰 유입구 노즐이 제공된다. 유입구 노즐은, 면(102)을 포함하는 노즐 커버 링(101), 각각의 노즐 블레이드(105)가 면(107)을 포함하는 노즐 블레이드(105)의 세트, 압력 스프링(112)의 세트, 및 축방향 부하 볼트(113)의 세트를 포함한다. 축방향 부하 볼트(113)는, 압력 스프링(112)의 세트가 노즐 커버 링(101)과 노즐 블레이드(105)의 면 사이에서 유도하는 힘의 전부 또는 적어도 일부를 수용하도록, 그에 의해서 노즐 블레이드(105)의 제1 면을 노즐 커버 링(101)의 면으로부터 미리 결정된 거리에 위치시키도록 구성될 수 있다. 미리 결정된 거리는 0.02 내지 0.04 mm일 수 있다.

Description

터보 확장기용 저마찰 유입구 노즐

최근에, 고온 또는 고압 가스로부터 에너지를 회수하는 것에 대한 관심이 증가되었다. 그러나, 이용 가능한 장치는 가능한 정도로 효율적이지 않고, 후술되는 특정 한계를 갖는다. 임의의 고온 또는 고압 가스가 에너지 회수를 위한 잠재적인 자원임에 따라, 프로세스에서 이용될 수 있는 많은 양의 유용한 에너지를 회수하도록 발전기-로딩된 확장기 또는 터빈 또는 터보 확장기가 맞춤 엔지니어링될 수 있다(custom engineered).

터보 확장기가 역할을 하는 하나의 분야는 폐열 회수이다. 터보 확장기-발전기 단독으로 또는 보다 복잡한 시스템 내의 구성요소로서, 폐열이 유용한 에너지로 변환될 수 있다. 잠재적인 열원은: 산업적 퍼니스(furnace) 또는 연소 엔진으로부터의 테일 가스(tail gas), 산업적 퍼니스 또는 연소 엔진으로부터의 폐증기, 화학적 및 석유화학적 프로세스로부터의 폐증기, 및 편평한 또는 포물선형 반사부로부터의 태양열을 포함한다. 배기 가스는 고온이고 용매 또는 촉매를 포함할 수 있다. 확장기는 에너지를 회수할 수 있을 뿐만 아니라, 대기로 방출되는 배기 가스를 냉각시킬 수 있고, 이는 또한 용매 또는 촉매를 분리할 수 있다.

터보 확장기가 유용한 다른 분야는, 압력 강하 적용예에서의 유용한 일(work)의 추출이다. 상이한 압력들의 2개의 전달 파이프라인의 병합 또는 가스 분배 시스템의 시티 게이트(city gate)에서와 같은, 압력 강하 적용예에서, 터보 확장기-발전기는 큰 부피의 가스 스트림의 압력을 감소시킬 수 있는 한편, 동시에, 전력 형태의 에너지를 회수할 수 있다. 확장기는 그에 따라, 제어 밸브 및 조절기와 같은 다른 압력 조절 장비에 대한 유리한 대체물이 될 수 있다.

터보-확장기 또는 확장 터빈으로도 지칭되는, 터보 확장기는 원심적 또는 축방향 유동 터빈이고, 그러한 터빈을 통해서 고압 가스가 확장되어, 압축기 구동을 위해서 종종 이용되는 일을 생산한다. 일이 확장되는 고압 가스로부터 추출되기 때문에, 가스 확장은 등엔트로피 프로세스(isentropic process)(즉, 일정 엔트로피 프로세스)에 접근하고, 터빈으로부터의 저압 배기 가스는 저온이고, 종종 -90℃ 이하 정도로 낮다.

발생되는 저온으로 인해서, 터보 확장기는, 천연 가스로부터의 에탄의 추출 및 액화 천연 가스(NGL)의 형성, 가스(예를 들어, 산소, 질소, 헬륨, 아르곤 및 크립톤)의 액화, 및 다른 저온-프로세스와 같은 산업적 프로세스에서 냉각 공급원으로서 널리 이용된다.

터보 확장기의 비제한적인 대표적인 예가, 전체 내용이 본원에서 참조로 포함되는 미국 특허 제5,851,104호로부터 복제된, 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 도 1은 반경방향 유입 터빈 내의 가변 노즐 기구를 도시한다. 고정형 링(109)이 환형 유입구(114)의 일 측부에 배치된다. 노즐 조정 시스템이 환형 유입구(114)의 동일 측부에 제공된다. 조정 링(115)이 고정형 링(109)의 반경방향 외측으로 배열된다. 조정 링(115)은, 고정형 링(109) 내에 고정된 노즐 피벗 핀(106)에 의해서 회전이 방지되는 고정형 링(109)을 중심으로 회전될 수 있다.

유입구 노즐들(105)이 환형 유입구(114)를 중심으로 위치된다. 이러한 베인(105)은, 일 측면 상에서 고정형 링(109)과 조정 링(115) 사이에, 그리고 다른 측면 상에서 노즐 커버 링(101) 상에 배치된다. 베인들(105)은 그 사이에서 유선형 유동 경로를 제공하도록 구성된다. 이러한 경로는, 베인(105)의 회전 위치를 기초로 횡단면적이 증가 또는 감소될 수 있다. 베인(105)은 노즐 피봇 핀(106)을 중심으로 피벗 가능하게 장착된다. 노즐 커버 링(101)에 대한 베인(105)의 상대적인 배치가 도 2에서 중첩된 가상선에 의해서 도시되어 있다. 확장기 휠(118)은, 환형 유입구(114)를 통해서 그리고 베인(105)을 통해서 지향된 압축 가스 스트림을 수용한다. 이러한 압축 가스 스트림은 확장되고 확장기 휠(118)이 회전되게 하며, 그에 의해서 일을 생산한다.

제5,851,104호 특허에서, 노즐 조정 메커니즘은 캠 및 캠 종동부 메커니즘을 포함한다. 캠 종동부(116)는 핀(106)의 축으로부터 측방향으로 변위되고, 도 2에 도시된 바와 같이, 베인(105) 내에서 샤프트에 의해서 각각 고정된다. 캠 종동부(116)는 샤프트를 중심으로 자유롭게 회전된다. 캠 종동부(116)와 협력하도록, 편향된 슬롯(117) 형태의 캠이 조정 링(115)(도 2에 미도시) 내에 배열된다. 이들은, 조정 링(115)이 회전될 때 자유-롤링 운동을 허용하도록 캠 종동부(116)를 수용하기 위한 크기를 갖는다.

베인(105), 캠 종동부(116), 편향된 슬롯(117) 및 조정 링(115)의 전술한 배열은, 베인(105)의 개방이 조정 링(115)의 회전을 선형적으로 따르게 한다. 다시 말해서, 조정 링(115)의 주어진 회전은, 베인(105)이 거의 개방된 위치에 있는 지, 개방된 위치에 있는 지, 거의 폐쇄된 위치에 있는 지, 또는 폐쇄된 위치에 있는 지와 관계없이, 베인(105)의 동일한 미리 설정된 회전을 생성한다. 조정 링(115)의 회전에 따른 베인(105)의 이러한 일정 회전은, 베인(105)의 위치 조정에서 어떠한 민감도(sensitivity) 변경도 허용하지 않는다.

통상적인 터보 확장기에서, 조정 링은 전형적으로 베인 상에서 직접적으로 활주되고, 이는 마찰을 생성하며 조정 링 및/또는 베인의 일부를 손상시킬 수 있다. 동일한 활주 운동이 조정 링 및/또는 베인을 영구적으로 마모시킬 수 있다. 구체적인, 그러나 비제한적인 예가 Atlas Copco ETB 유형의 확장기 노즐일 수 있다. 이러한 노즐은 전술한 것과 동일한 기본적 설계를 가지고, 전형적으로 신뢰성이 낮다. 산업계는, 유입구 안내 베인(노즐) 고착에 의해서 유발되는 빈번한 고장 빈도수를 알고 있다. 전형적으로, 그러한 고장 후에, 전체적인 정비가 실시되나, 기본적인 설계가 변경되지 않는 경우에, 이러한 노즐은, 다른 고장이 예측될 수 있기 전까지, 짧은 기간만 동작될 수 있다.

따라서, 전술한 문제를 방지하기 위한 해결책의 제공이 산업계에서 요구되고 있다.

노즐 커버 링, 노즐 블레이드의 세트, 압력 스프링의 세트, 및 축방향 부하 볼트(axial loading bolt)의 세트를 포함하는 터보 확장기용 저마찰 유입구 노즐이 제공된다. 축방향 부하 볼트는, 압력 스프링의 세트가 노즐 커버 링과 노즐 블레이드의 면 사이에서 유도하는 힘의 전부 또는 적어도 일부를 수용하도록, 그에 의해서 노즐 블레이드의 제1 면을 노즐 커버 링의 면으로부터 미리 결정된 거리에 위치시키도록 구성될 수 있다. 미리 결정된 거리는 0.02 내지 0.04 mm일 수 있다.

도 1은 종래 기술로부터 알려진 전형적인 터보 확장기의 횡단면을 개략적으로 도시한다.
도 2는 종래 기술로부터 알려진 바와 같은 유입구 안내 베인(노즐 블레이드)의 상세부분을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 확장기의 분해 횡단면을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 확장기의 횡단면을 개략적으로 도시한다.

본 발명의 예시적인 실시예가 이하에서 설명된다. 본 발명의 여러 가지 수정 및 대안적 형태가 가능하지만, 그 구체적인 실시예가 도면에서 예로서 도시되어 있고 본원에서 구체적으로 설명된다. 그러나, 특정 실시예에 관한 본원의 설명은 본 발명을 개시된 특정 형태로 제한하기 위한 것이 아니고, 대조적으로, 첨부된 청구항에 의해서 규정된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함되는 모든 수정예, 균등물 및 대안을 커버하기 위한 것임을 이해하여야 할 것이다.

물론, 임의의 그러한 실제 실시예의 개발에서, 구현예마다 다를 수 있는, 시스템-관련된 그리고 사업-관련된 제약을 따르기 위한 것과 같은, 개발자의 구체적인 목적을 달성하기 위해서 수 많은 구현예-특정 결정이 이루어져야 한다는 것을 이해하여야 할 것이다. 또한, 그러한 개발 노력이, 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고, 본 개시 내용으로부터 이득을 취할 수 있는 당업자에게는 일상적인 것이 될 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다.

앞서 식별된 문제와 관련하여, 분석 및 테스트 후에, 많은 노즐 고장의 근본적인 원인이 노즐의 이동 부분들 사이의 큰 양의 마찰이었다는 것이 발견되었다. 제시된 발명의 여러 실시예는 이러한 마찰을, 가능하게는 0까지, 감소시킨다.

본 발명의 의도가 현장에서(in situ) 이러한 문제를 해결하는 것이기 때문에, 기존 터보-확장기 설비에 대해서, 가능한 한 많은 원래의 설계가 유지되어야 한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 축방향 부하 볼트(113)가 예비-부하(preload)를, 가능하게는 0까지, 감소시키기 위해서 이용된다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 확장기(100)용 저마찰 유입구 노즐의 분해도가 제공된다. 노즐은 노즐 커버 링(101)을 포함하고, 노즐 커버 링(101)은 면(102), 제1 피벗 핀 오리피스(103), 및 축방향 부하 볼트 오리피스(104)를 포함한다. 노즐은 또한 노즐 블레이드(105)의 세트를 포함하고, 각각의 노즐 블레이드(105)는 피벗 핀(106), 제1 면(107) 및 제2 면(108)을 포함한다. 또한, 고정형 링(109), 압력 스프링(112)의 세트, 및 축방향 부하 볼트(113)의 세트가 포함되고, 고정형 링은 면(110) 및 제2 피벗 핀 오리피스(111)를 포함한다. 축방향 부하 볼트(113)의 수는 터보 확장기의 크기 및 설계에 따라 달라질 것이나, 본 발명의 일 실시예에서, 8개의 축방향 부하 볼트(113)가 있을 수 있다.

도 4를 참조하면, 그리고 일관성 및 명료함을 위해서, 이전 도면으로부터의 요소 번호를 유지하면, 축방향 부하 볼트(113)는, 압력 스프링(112)의 세트가 노즐 커버 링(101)과 노즐 블레이드(105)의 제1 면(107) 사이에서 유도하는 힘의 전부 또는 적어도 일부를 수용하도록 구성된다. 그리고, 노즐 블레이드(105)의 제1 면(107)은 노즐 커버 링(101)의 면(102)으로부터 미리 결정된 거리에 위치된다. 압력 스프링(112)에 의해서 생성된 예비-부하 힘이 0까지 감소되었기 때문에, 각각의 노즐 블레이드(105)의 제2 면(108)은 더 이상 고정형 링(109)의 면(110)과 강제로 접촉되지 않는다.

본 발명자는, 마찰의 주 발생원이, 노즐 커버 링(101), 노즐 블레이드(105), 및 고정형 링(109)의 접촉 표면들을 따라서 발생된다는 것을 발견하였다. 이는 노즐 블레이드(105) 상에서 활주 마찰을 초래한다. 활주 마찰의 전제 조건은 접촉 표면(압력)("Fn"), 조도("μ") 및 활주이다. 각각의 블레이드에 대한 마찰력은 F=Fn*μ이다. 이러한 식으로부터, 마찰("F")을 줄이기 위해서, 예비-부하("Fn") 또는 표면 조도("μ")가 감소되어야 한다는 것이 명확하다. 본 발명의 여러 실시예에서, 예비-부하("Fn")가 감소된다.

본 발명의 일 실시예에서, 압력 스프링(112)이 노즐 블레이드(105)에 인가하는 예비-부하는, 도 4에 표시된 바와 같이, F이다. 커버 링(101)을 (도 4에 표시된 바와 같이) 좌측으로 그리고 그에 따라 노즐 블레이드(105)로부터 멀리 당기는 것에 의해서 이러한 예비-부하를 감소시키도록, 축방향 부하 볼트(113)가 조정된다. 예비-부하가 0까지 감소되면, 축방향 부하 볼트(113)의 추가적인 조정은 노즐 커버 링(101)과 노즐 블레이드(105) 사이에 간극을 생성한다. 이러한 간극이 미리 결정된 거리에 도달하면, 이러한 것이 셋팅된다(set). 이러한 결정된 거리는 0.02 내지 0.04 mm일 수 있다.

그에 따라, 노즐 커버 링(101)과 노즐 블레이드(105) 사이의 마찰이 0까지 감소되었다. 또한, 노즐 블레이드(105)와 고정형 링(109) 사이의 마찰이 0까지 감소되었다.

100 = 터보 확장기
101 = 노즐 커버 링
102 = 노즐 커버 링 면
103 = 노즐 커버 링 제1 피벗 핀 오리피스
104 = 노즐 커버 링 축방향 부하 볼트 오리피스
105 = 유입구 노즐
106 = 노즐 피벗 핀
107 = 노즐 제1 면
108 = 노즐 제2 면
109 = 고정형 링
110 = 고정형 링 면
111 = 고정형 링 제2 피벗 핀 오리피스
112 = 고정형 링 압력 스프링
113 = 고정형 링 축방향 부하 볼트
114 = 환형 유입구
115 = 조정 링
116 = 캠 종동부
117 = 노즐 편향 슬롯
118 = 확장기 휠

Claims (2)

1. 터보 확장기용 저마찰 유입구 노즐로서:
   면을 포함하는 노즐 커버 링,
   각각의 노즐 블레이드가 노즐 제1 면 및 노즐 제2 면을 포함하는, 노즐 블레이드의 세트,
   압력 스프링의 세트, 및
   축방향 부하 볼트의 세트를 포함하고,
   상기 축방향 부하 볼트는, 상기 압력 스프링의 세트가 상기 노즐 커버 링과 상기 노즐 블레이드의 노즐 제1 면 사이에서 유도하는 힘의 전부 또는 적어도 일부를 수용하도록 구성되고,
   그에 의해서, 상기 노즐 블레이드의 노즐 제1 면을 상기 노즐 커버 링의 면으로부터 미리 결정된 거리에 위치시키는, 저마찰 유입구 노즐.
2. 제1항에 있어서,
   상기 미리 결정된 거리가 0.02 내지 0.04 mm인, 저마찰 유입구 노즐.

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