KR19980701663A - 하이브리드 이상 터빈 - Google Patents

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KR19980701663A
KR19980701663A KR1019970705059A KR19970705059A KR19980701663A KR 19980701663 A KR19980701663 A KR 19980701663A KR 1019970705059 A KR1019970705059 A KR 1019970705059A KR 19970705059 A KR19970705059 A KR 19970705059A KR 19980701663 A KR19980701663 A KR 19980701663A
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란스 지이. 헤이스
Original Assignee
란스 지이. 헤이스
바이프하세 에너지 캄파니
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Abstract

회전 분리기 터빈은 기체와 액체의 혼합물을 위한 입구 구조와, 액체와 기체의 혼합물을 수용하고 액체의 흐름과 기체의 흐름으로 분리하기 위한 분리기 구조와; 상기 기체의 흐름을 수용하고 축 구조상에 작용하여 토오크를 발생하기 위한 제1구조와, 상기 액체의 흐름을 수용하고 축 구조상에 작용하여 토오크를 발생하기 위한 제2구조를 포함하며, 이에 의해 제1 및 제2구조를 축동력을 생상하기 위해 독립적으로 작동된다.

Description

하이브리드 이상 터빈
종래에는, 터빈장치가 기상 에너지나 액상 에너지를 축동력으로 변환하기 위해 제조되었다. 양쪽 상태 에너지의 변환이라는 다른 접근이 시도되었지만, 부식과 침식 및/또는 상당히 낮은 효율을 포함하는 문제가 발생했다. 예로서, 회전분리기는 액상의 운동에너지를 유용한 축동력으로 변환하고자 액상의 분리를 위해 사용되었다. 그러나, 기상의 운동에너지는 소비되었다.
또 다른 예로, 분리기가 사용되지 않고, 이상 제트가 이동하는 터빈 블레이드(blade)에 직접 충돌했다. 여기서도, 기상의 운동에너지는 불필요하게 소비되었고, 고속분사에 의해 블레이드에 상당한 침식과 부식이 발생하는 경향이 생겼다.
플래쉬(flash) 지열 시스템과 다른 방법들은 이상흐름 에너지를 소비하고 기체를 분리하며 기체를 기상터빈을 통해 통과시킨다. 이 접근은 이상흐름의 유용한 에너지의 대부분을 소비한다.(증기와 물과 같은 이상시스템의 단일요소에서 소비된 에너지는 기상터빈에서 약간의 추가동력을 생성할 수 있는 추가기체를 생산하는 열을 만들지만, 이것은 이상흐름의 유효에너지보다 훨씬작다). 이 방법은 이상흐름의 유효에너지를 소비한다.
지각할 수 있는 효율의 상당한 개선으로, 이상흐름의 기체 에너지와 액체 에너지 양쪽 모두를 유용한 동력으로 변환하기 위해 향상된 수단이 필요하다. 예로서, 만약 전형적인 지열 웰의 이상흐름이 증기로되고, 증기가 분리되어 증기터빈에서 사용되면 총 12,951kw가 발전된다. 만약, 적절한 이상장치가 이상팽창의 결과로 발생하는 액체 운동에너지를 변환하기 위해 사용된다면, 총 15, 014kw가 장치와 증기터빈에서 발전되고, 16%의 동력 증가를 산출한다.
본 발명은 이상(기체와 액체;two-phase) 유체제트의 에너지를, 회전 터빈축에 의해 전달되는 기계적 에너지로 변환하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 액체와 기체는 두 개의 독립된 화학성분일 수도 있고, 또한 단일 화학성분인 기상(기체상태) 및 액상(액체상태)일 수도 있다.
도 1은 이상제트의 기체와 액체 양쪽 모두의 운동에너지를 회전 축 동력출력으로의 변환을 성취하기 위한 구조의 개략도.
도 2a는 이상노즐 구조와 분리기 수단과 블레이드와 다른 구조를 도시하는 실제 터빈 구조를 절단한 단면도.
도 2b는 이상노즐 수단과 분리기 구조를 도시하는 부분 확대도.
도 3은 환형배열로 배치된 이상노즐을 일직선으로 도시하는 단면도.
도 4는 액체 반응 터빈의 개략도.
도 5a는 도 2a와 같으나 실제 터빈 구조의 액체 반응 수단의 통합을 도시하는 도면.
도 5b는 이상노즐 수단과 상태 분리 구조 및 액체 반응 통로와 노즐을 도시한 터빈의 부분 확대도.
도 6a은 도 4와 같으나 액체 통로 및 기체 통로의 방사형 유출흐름을 도시하는 도면.
도 6b는 도 6a의 6a--6a선을 따라 취한 단면도.
도 6c는 도 6a의 6b--6b선을 따라 취한 단면도.
도 7a은 도 1 내지 6a에 도시된 형태의 분리기 구조를 벗어나 기체의 잔여 엔탈피가 축방향 흐름 블레이드와 노즐에 의해 축동력으로 변환되는 실제 터빈 구조의 단면도.
도 7b는 도 7a의 부품들의 확대 단면도.
도 8은 습식 증기에 의해 작동될 수 있는 증기 엔진을 도시하는 흐름도.
도 9는 이중 플래쉬 지열 발전소에서 이상 터빈의 사용을 도시한 흐름도.
도 10a 내지 10e는 가변노즐 쓰로트를 상세히 도시한 확대 단면도.
도 11a 내지 11c는 디퓨저를 상세히 도시하는 확대 단면도.
[실시예]
도 1은 이상제트(two-phase jet)의 기상과 액상 양쪽 모두의 운동 에너지의 변환을 성취하기 위한 구조를 도시한다. 이상제트는 일반적으로 중심선(12)을 향해 방사상으로 내향과 직면한 회전면(11)에 대해 접선방향(10)으로 향하고 이 회전면(11)에는 회전구조(13)가 제공된다. 회전면에 의한 원심력의 작용으로 기체에서 액체가 분리된다. 액체 분리층(14)은 회전면의 접선속도[화살표(15(a))로 지시된]에 영향을 주는 접선속도[화살표(15)로 지시된]로부터 감속된다. 액체는 마찰력에 의해 접선속도가 감속된다. 회전면 상의 항력의 영향으로 토오크를 생성하고, 그러므로 동력은 회전구조(13)로 전달된다. 이 액체 에너지 변환으로 인해 단일축(16)에서 동력이 생성된다. 축(16)은 로터(13)을 갖는다.
일반적으로 접선방향인 환형의 분리된 기체흐름은 액체층(14)과 방사형 유입흐름 기체 블레이드 구조(17)에 의해 형성된다. 기체는 방사형 유입흐름 블레이드로 유입되어 블레이드에 의해 방사형으로 내부(화살표 18 참조)로 향해진다. 각 운동량은 기체에 의해 블레이드로 전달되고 기체의 접선속도가 감소하면서 블레이드구조(17)와 회전구조(13)에 토오크를 생성한다. 이 토오크가 단일축(16)에 추가동력을 발생한다.
분리된 액체층은 스쿱(scoop;20)으로 제거된다. 스쿱은 액체의 접선 속도(15a)를 낮추기 위해 저속으로 영역 윤곽을 따라 외형을 그리고 잔여 운동에너지는 압력으로 회복된다.
분리된 기체는 일반적으로 축방향(21)으로 방사형 유입흐름 블레이드를 벗어난다. 잔여 엔탈피는 분리 기상 터빈 또는 축(16)에 블레이드를 추가함으로서 축동력으로 변환될 수 있다.
도시된 디바이스(device)는 단일 회전 구조에서 기체를 액체로부터 능률적으로 분리하고, 액상에서 동력을 발생시키고, 기상에서 동력을 발생시키고, 분리된 가스를 고압으로 가압하는 데 이용된다.
상기 디바이스는 액체막으로 보호되는 액체 변환면의 부식을 방지하는 한편 상기의 항목의 기대밖의 조합을 달성한다. 디바이스는 또한 회전면의 고원심력에 의해 기체에서 액체를 분리하여 기체 블레이드의 부식을 막는 한편 항목의 기대밖의 조합을 달성한다.
이상흐름 에너지를 유효한 동력으로 변환하는 다른 수단들이 도 2에 된다. 통상적으로 고압인 이상흐름(24)은 이상노즐 구조인 입구(inlet;25)로 유입된다. 흐름의 압력은 비회전체(27) 안의 이상노즐 통로(26)에서 감압된다. 감압은 이상혼합물이 고속으로 가속됨에 기인한다. 기인된 이상제트[27b;쇄선과 화살표(27a)]는 축(29)과 합체된 로터(28a) 상의 회전면(28에 통상 접선방향으로 부딪힌다. 회전면에 의해 형성된 큰 원심력은 액상으로부터 기상을 분리하고 회전면(28) 상에 액체층(30)을 형성시킨다.
도 2는 디바이스와 노즐의 단면을 도시한다. 이상흐름과 분리된 액체의 방향은 도 1에 도시된 바와 일치한다.
분리된 액체막은 마찰력에 의해 회전면(24)의 속도로 감속된다. 기인된 항력이 토오크를 생성하고 동력은 단일축(29)에 전송된다. 분리된 기체(32)로 로터(28a) 상의 축방향 증기블레이드(31)를 통해 흐른다. 화살표(32)의 기체흐름과 도 2a 참조. 블레이드에 의한 방향변환은 블레이드에 힘을 가해 토오크를 생성하고 동력은 단일축(29)에 전달된다. 원통형의 가이드(33)는 분리된 기체가 블레이드를 향하게하고 주변의 정체된 기체의 탑승을 최소화한다. 가이드에 탑승의 최소화를 촉진하기 위해 방사형 날개(34)가 있다. 블레이드(31)를 벗어난후 기체는 포트(35)를 통해 터빈을 벗어난다.
액체는 회전면의 속도로 감속된 후 28a의 축방향 전송홀(36)을 통해 로터디스크(28b)의 반대쪽 측면으로 흐른다. 분리된 액체는 로터디스크의 이 측면에서 액체층(30)을 관통한 스쿱에 의해 집결된다. 스쿱은 액체의 잔여속도를 효율적으로 낮추기 위해 윤곽을 따라 회전하고, 분리된 액체에 압력을 형성한다.
외피 속의 빈공간(37)은 기체로 채워진다. 축 실(seal)(38)과 베어링(39)과, 트러스트(trust) 베어링(40)은 종래의 기체용 요소들이다. 외피 구조(41, 42)가 도시되어있다. 만약 이 장치가 지열 시스템의 소금물같은 부식성 액체를 압입하기 위해 사용된다면 가압의 신뢰성이 일반펌프 보다 훨신크다. 이런 예상밖의 결과는 실과 베어링이 부식성 용액 대신 깨끗한 기체(37)에만 노출되기 때문에 발생한다.
축(29)에 대해 이격되고 터빈의 동력 변환을 위해 이상흐름을 가속하는데 사용되는 이상노즐(26)은 선대칭 또는 직선으로 설계된다.
도 3은 흐름의 방향에 수직인 직선 절단면을 가짐으로서 선대칭 기하학의 성능을 향상한 이상노즐을 도시한다.
이상노즐(126)로 유입되는 흐름(124)은 상대적으로 고압이다. 흐름은 도 2의 링(27)과 일치하는 노즐링(127)으로부터 노즐출구(128)로 흐를 때 고속으로 가속된다. 측면 벽(129)은 흐름이 안내되는 터빈의 축에 수직인 평면과 원하는 각도 α로 동류의 노즐을 벗어날 수 있도록 흐름을 안내한다.
이차원 기하학의 잇점은 노즐의 높이(130)가 최소화 될 수 있다는 것이다. 한정된 노즐의 높이에 기인하는 운동량 에너지 손실은 :
손실=1.0-(D-h)2/D2(1)
여기서 : D=분리된 표면의 직경
h=노즐 출구의 높이
선대칭 노즐에서, 출구 면적은 :
A=(.785)(d2)(2)
여기서 : d=선대칭 노즐의 직경
w=이차원 노즐의 넓이
이차원 기하학에서, 출구 면적은 :
A=(h)(w)(3)
동일면적에서, 높이 h는 하기에 의해 주어짐 :
h=(.785)(d2)/(w)(4)
d=1.0과 w=5일때, h=.157, 치수의 단위. 따라서, 이차원 노즐 출구의 높이는 이예의 선대칭 노즐의 높이에 단지 .157배이다. 만약 분리표면의 직경이 6.0이면, 선대칭 노즐의 손실은 노즐을 벗어난 이상흐름의 운동에너지의 .3055배이다. 상기의 이차원 노즐의 손실은 운동에너지의 단지 .0516배이다.
도 3의 노즐은 모든 가이드날개와 출구유선이 제트흐름이 들어가는 터빈의 축에 수직인 평면에 대해 일정한 각도를 가지도록 설계될 수 있다. 운동에너지의 손실은 각 α2의 코사인 값을 1.0에서 감한것에 비례하므로 최소 손실은 동일한 각도일때 발생한다.
분리된 액체의 운동에너지를 축동력으로 변환하기 위해 도시된 기체 블레이드 부착의 개념들중 어느쪽과 관련된 다른 수단이 제공되어질 수 있다.
도 4는 사용될 수 있는 액체반응 터빈(50)을 개략적으로 도시한다. 분리되고 원심력을 받은 액체(51)은 상기 표면의 회전속도로 로터(52)의 분리된 표면(52a)상을 흐른다. 분리된 액체는 도 1과 도 2a에 도시된 바 처럼 동력을 마찰력의 작용에 의해 로터로 전송한다. 통로(53)는 액체를 방사상으로 외향하여 흐르게해 로터에 공급한다(54). 분리기의 회전의 결과인 원심력장은 액체를 외향하여 흐르게함으로서 액체를 가압한다. 방사형 통로의 끝에 액체노즐(57)이 제공된다. 액체는 노즐을 통하면서 가속되고 회전 구조를 상대적인 고속으로 벗어난다(화살표 58). 고속으로 벗어나는 액체 제트의 반작용력은 토오크를 생성하고 축(59)상의 로터(52)를 경유하여 압력을 가하고, 축동력으로 변환된다. 이점에 있어서는 미국 특허 제4, 129, 311이 여기 참조로 포함된다. 도 5a와 5b는 도 2a의 터빈구조 속의 액체반응수단의 통합을 도시하는 단면도이다. 방사형 통로(61)는 분리된 액체의 방사형 유출흐름을 제공한다. 분리된 액체는 방사형으로 외향하여(62) 흐르고, 액체노즐(63)을 통해 가속된다. 제트는 터빈 외피상의 고리(65) 속의 좁은통로(64)를 통해 흐른다. 흐름의 경로는 제트가 액체의 어떤 역류도 일소할 수 있도록 형성되어있다. 액체는 수집기 통로(66)에 수집되어 포트(67)을 통해 벗어난다. 고속으로 분리기 구조(28a상)를 벗어나는 제트로부터의 반작용력은 로터(28a)를 경유하여 가압된 토오크를 만들고, 액체항력과 축방향흐름 블레이드에 의해 방향전환된 분리가스에 의해 생성된 토오크에 더한다. 결과는 단일축(29)에 의해 변환된 세 근원에 의한 동력생산이다.
도 6a 내지 6c는 도 4와 유사하지만, 액체의 운동에너지를 축동력으로 변환하기 위해 액체반응 통로(180)와, 분리링 구획(182)으로부터 액체를 공급받는 조합노즐(181)을 가진 이상터빈 로터(179)를 도시한다. 또한, 방사형 외향흐름 기체통로(184)와 노즐(185)은 분리된 가스의 운동에너지와 엔탈피를 축동력으로 변환하기 위해 링 구획 지역(186)으로부터 분리된 기체를 받는다. 또 다른 배열에서, 기체의 운동에너지를 축동력으로 변환하기 위해 통로(184)와 노즐(185)대신 방사형 유출흐름 블레이드가 사용될 수 있다.
게다가, 도 6, 6a, 6b에 도시되고 상기한 바와 같이, 액체통로(180)의 입구는 기체통로(184)의 입구보다 큰 반경을 갖고 있다. 분리링 구획(182)에서의 액체 수준은 입구에서 기체통로로 방사형으로 외향한다. 액체 수준은 액체통로(180)를 통해 기체가 흐르는 것을 막기 위한 장벽을 제공한다. 따라서, 기체만 기체통로를 따라 흐른다.
기체통로의 기체기둥과 액체통로의 액체기둥은 로터 구조에 의해 유도된 자체 회전력에 의해 고원심력을 받는다. 방사형 외향 방향에서 압력이 증가한다. 기체와 액체는 방사형으로 외향위치에서 노즐을 통해 분리되어 팽창하고, 액체와 기체의 분리된 제트를 생성하고 이것이 로터상에 반응 토오크를 생성한다.
도 7a과 7b는 상기 도 1, 2, 3, 4, 5, 6의 형태의 이상 회전분리기 터빈을 벗어난 기체의 잔여 엔탈피가 축방향흐름 기체 블레이드와 노즐의 추가로 동축상에서 축동력으로 변환되는 터빈을 도시하다. 이상흐름은 노즐(201)로 유입된다. 상기흐름은 노즐(202)에서 상대적인 고속으로 가속된다. 액체는 회전 분리기 로터(203)에 의해 분리되어 감속되고, 분리된 액체의 운동에너지는 축동력으로의 변환된다. 분리된 증기는 방사형 유입 기체 블레이딩(blading)을 통해 흐르고 분리된 기체의 운동에너지와 약간의 엘탈피는 부가적인 축동력으로 변환된다. 회전 분리기 제1단을 벗어난 기체는 고정 가스노즐(206)에서 가속된다. 상대적으로 고속인 기체는 공유의 회전축(209)에 부착된 블레이딩(207)을 통과한다. 필수적으로, 기체는 기체 엔탈피를 공유축(209)의 동력으로 변환하기 위해 부가적인 기상터빈 단계를 통과한다. 기체는 기상터빈 단계(208, 208a)를 벗어나고 응축기나 공정의 사용으로 소모된다. 결합된 터빈은 기상용 종래의 실(210)과 베어링(211)을 갖고 있다.
콤바인드(combined) 기하학은 증기흐름에 적용될 때 습한 증기를 직접적인 터빈의 동력발생에 사용될 수 있게한다.
도 8은 습식 시스템으로 작동되는 증기엔진을 도시한다. 증기는 열교환기나 보일러(251)에서 생성된다. 증기는 건조와 적당히 습한 상태(예로서(70%-80% 증기 특성), 또는 매우 습한상태(포화수 70% 증기 특성까지)이다. 만약 증기 특성이 요구치라면 이상흐름(209)은 회전 분리기 터빈단계(253)로 직접 안내된다. 만약 열교환기에 의해 제공된 증기특성보다 낮은 증기특성이 필요하다면 증기특성을 낮추기 위해 물이 주입될 것이다(252). 증기는 분리되고 기상터빈(254)을 통과해 회전분리기 터빈 단계를 벗어난다. 분리된 액체와 기체에 의해 발생된 동력은 단일축(255)으로부터 전달되어진다. 실(258)을 벗어난 증기와 터빈(257)을 벗어난 증기는 응축기에서 응축된다. 응축물은 펌프(260)에 의해 가압된다. 회전 분리기 단계(256)를 벗어난 액체는 내부 디퓨저에 의해 가압된다. 만약 그렇다면, 밸브(291)에 의해 공급펌프(262)의 상류(263)로 향하고 응축물과 섞이게 된다. 결과 흐름(264)은 열교환기(251)로 향하게 된다. 만약 요구치라면, 돌아오던 흐름(264)의 일부는 밸브(269)에 의해 열교환기로부터의 흐름과 섞이기 위해 268로 안내된다.
하기의 습식 엔진의 장점은 건식 및 포화 증기엔진과 비교한 것이다.
1) 습식 증기 열교환기는 건식 증기 열교환기보다 매우작다. 건조한 증기를 얻기 위한 분리기가 필요없다. 상대적으로 습한 증기의 흐름 때문에 증기측면상의 열전달계수가 높다.
2) 습식 증기터빈의 증기단계의 증기 습기는 회전분리기 터빈단계와 같은 동일한 흡입압력을 갖고 있는 건식 및 포화 증기터빈보다 낮다. 이것은 회전 분리기 단계와 건식 및 포화 증기 터빈보다 낮은 압력의 증기 터빈 단계를 위해 액상과, 건조 및 포화증기를 만드는 것을 제거했기 때문이다. 그러므로, 터빈 블레이드의 효율은 높고 부식 가능성은 낮다. 이것은 전적으로 종래의 터빈 블레이딩에 결합한 회전 분리기 터빈 사용의 기대밖의 결과이다. 습식 증기터빈이 건식증기용 터빈보다 낮은 부식가능성과 높은 블레이드 효율을 갖는 것은 명확하지는 않다.
3) 향상된 블에이드 효율과 분리된 물로부터 가열된 공급물 때문에 습식 증기엔진의 효율은 같은 최고온도의 건식 및 포화 증기엔진등의 단일형보다 높은 효율을 가진다.
또다른 회전 분리기 터빈의 적용은 지열 발전소의 효율을 향상시킨다. 도 9는 이 적용을 도시한다. 종래의 플래시 증기 지열 발전소는 상대적으로 고압인 p1의 지열웰(well)로부터의 이상흐름이 플래쉬 탱크로 들어간다. 이상흐름은 낮은 압력 p2로 증기가 된다. 이 등엔트로피의 압력저하는 부가적인 증기를 만드나 동력은 생산하지 않는다. 상기 증기는 분리되고, 303a에서 증기터빈(303)으로 흐르고, 발전기로 들어가 p1의 양의 전력을 생산한다. 증기터빈(308)을 지난 증기는 응축기(309)에서 응축되고, 응축물은 펌프(310)에 의해 가압된다. 분리된 소금물(305)은 가압되어 땅으로 재주입되거나, 저압의 플래쉬 탱크(306)로 흘러 들어가 감압된다. 저압의 증기(307)는 추가적인 동력을 생산하기 위해 증기터빈의 저압포트로 수용된다(또는, 터보 컴프레샤의 작동 같은 다른 동력생산의 목적에 사용된다).
회전분리기 터빈(314)은 흐름회로에 이상흐름과 고압 플래쉬탱크(302)에 평행하게 설치될 수 있다. 이상흐름은 밸브(313)에 의해 회로를 통해 고압회전 분리기 터빈(314;RST)로 흐른다. 압력은 RST(314)에서 p1에서 p2로 감압되고, 추가 증기와 동력 p2를 생산한다. 분리된 증기(p2)는 315를 통해 플래쉬 탱크(302)로 흐르고, 종래의 플래쉬 시스템과 동일한 증기상태를 만든다. 증기의 양은 RST에 의해 발전된 동력 P2에 상당하는 에너지만큼 감소된다. 분리밸브(313, 316)은 RST가 작동정지 되더라도 플래쉬 증기 시스템과 증기터빈이 지속적으로 작동할 수 있도록 한다. RST로부터의 분리된 소금물(318)은 땅으로 재주입 되거나, 저압의 RST(319)로 흘러간다. 상기 소금물은 저압의 RST에서 추가적인 동력 P3를 생산하며 p3로 기화한다. 분리된 저압의 증기는 종래의 플래쉬 시스템과 동일한 상태로 330을 통해 저압 플래쉬탱크(306)로 흐른다. 분리된 소금물은 저압의 RST(319)에 의해 펌프(324)없이 325에 재주입 되거나, 발전소 보조동력은 요구를 감소시키도록 재가압된다.
표 1은 종래의 고압 지열웰에 RST에 의해 얼마나 동력을 더하는지를 도시한다. 증기터빈 동력과 소량의 증기흐름의 감소를 감안하고 16%의 총 수득이 얻어졌다.
[표 1]
p1 = 939 psia
p2 = 202 psia
m = 131lbs
h1 = 1198.5 Btu/lb
P1 + P2 = 15,014kw
Pflash= 12,915kw
여기서 :
p1 = 수원 압력
p2 = 증기압력
m = 총 흐름율
h1 = 수원 엔탈피
P1 + P2 = 이상터빈과 증기터빈의 총 동력
Pflash= 플래쉬만의 증기터빈 동력
만약 이상노즐의 쓰로트(throat) 부분이 다양해 질 수 있다면, RST는 더욱 유연해지고 조절이 편리하게 만들어질 수 있다. 도 10a 내지 10d는 이차원 노즐의 쓰로트를 변경하는 한 방법을 도시하고 있다. 움직일 수 있는 판(351)이 노즐의 쓰로트(352)에 제공된다. 작동장치(353)이 RST의 축에 수직방향으로 판을 움직일 수 있도록 제공된다. RST의 표면 주변에 노즐의 설정을 위해 판은 작동장치의 동작아래 회전되는 원형의 구역이있다. 판은 노즐 쓰로트 통로(357)안으로 돌출된 치열(358)을 갖는다. 최대 개방위치에서 치열(358)은 쓰로트 통로가 개방되도록 위치가 이동된다. 흐름을 감소시키면, 쓰로트 통로(356)의 부분을 치열이 막도록 판이 이동된다. 면적감소의 결과로 노즐을 통과하는 흐름율이 감소된다. 지역의 뜻밖의 부담은 작은 물방울을 미세화하는 높은 국부압력 변화율을 발생하고, 높은 노즐효율을 생산할 수 있다. 다른 요소가 흡입노즐 캡(cap;365)과, 상부 외피(366)와, 입구노즐(367)을 도시한다.
만약 흡입된 기체의 양이 감소될 수 있다면 디퓨저 성능의 향상과 소음의 감소가 가능하다. 이를 성취하기 위한 수단이 도 11에 도시된다. 기체흡입은 액체층이 디퓨저(400)의 입구(405)를 채우지 못할 때 발생한다. 개구를 채우는 한가지 길은 개구의 크기를 줄이는 것이다. 작동가능한 삽입물(402)이 디퓨저 내부(401)에 제공된다. 삽입물은 구조(403)에 축상의 기어(404)에 의해 이동되는 직선의 기어 치열과 같이 부착된다. 삽입물의 이동의 결과로 디퓨저 개구 크기의 확대 및 감소가 생긴다. 삽입물은 엘라스토머(elastomer)나 벨로우즈(bellows) 실로 봉해진다. 집결의 결과로 액체흐름은 가압되고 파이프(407)를 통해 RST를 벗어난다.
기체흡입을 줄이는 또다른 방법은 디퓨저의 입구가 좀더 완전히 채워질 수 있도록 층의 깊이를 증가시키기 위해 집결된 흐름의 일부를 액체층으로 되돌리는 것이다. 집결된 흐름의 일부는 파이프(409)를 통해 노즐(410)으로 흐른다. 제트(411)가 생성되고, 회전 분리기 표면(413)상의 흐름(412)속으로 향하고, 축 중심선을 대향한다. 재순환 흐름이 흐름영역 증가의 원인인 디퓨저의 개구로 들어가는 흐름의 양을 증가시킨다. 디퓨저 효율과 액체 노즐효율은 액체제트(411)의 속도로 귀착하고, 액체층(412)의 속도보다 낮다. 이 효과는 또한 흐름의 영역을 증가시킨다.
본 발명의 주 목적은 액체와 기체상태 양쪽 모두로부터의 동력 발생을 포함하고 상기 요구체 충족되는 개선된 방법과 장치를 제공하는 것이다.
기본적으로, 이상제트로부터의 동력생성은 이상제르를 회전 구조에 이용하기 위해 기체와 액체흐름으로, 분리된 흐름의 운동에너지의 대부분이 보존되도록 분리하는 것에 의해 성취된다. 상기 구조는 분리된 기체와 액체의 엔탈피(enthalpy)와 운동에너지를 독립적으로 축동력으로 변환하는 수단을 제공한다.
이러한 장치의 특징에서, 본 발명에 이용되는 회전터빈 장치는 기체와 액체의 혼합물을 위한 입구 수단과, 회전축 수단을 포함하고, 또한, 상기 기체와 액체의 혼합물을 흐름으로 수용하고, 상기 혼합물을 기체의 흐름과 액체의 흐름으로 분리하기 위한 분리기 수단과, 상기 축 수단 상에서 가압된 토오크를 생성하기 위해 기체의 흐름을 수용하기 위한 제1수단과, 상기 축 수단 상서 가압된 토오크를 생성하기 위해 액체의 흐름을 수용하기 위한 제2수단을 포함하며, 이에 의해 상기 제1 및 제2수단은 축 동력을 발생하기 위해 독립적으로 작동된다.
명백한 바와 같이, 액체의 흐름은 조합된 속도 헤드(head)를 갖고, 상기 제2수단은 전형적으로 액체의 흐름을 수용하고 속도 헤드를 압력으로 변환하기 위한 디퓨저를 포함한다. 또한, 기체와 액체의 혼합은 조합된 압력과 열 에너지를 갖고, 분리기 수단은 전형적으로 기체와 액체의 흐름과, 혼합된 압력과 열에너지를 운둥에너지로의 변환하고 기체와 액체의 흐름을 제1수단과 제2수단으로 각각 안내하기 위한 이상 노즐 수단을 갖는다. 상기 노즐은 후술된 바와 같이, 가변 영역의 쓰로트(throat)를 갖는다.
부가적으로, 상기 제2수단은 충돌 표면의 속도와 같거나 근접한 속도로 액체흐름을 감속함에 의해 형성되는 마찰력의 생성으로 운동에너지를 일부를 축 수단의 에너지로 변환하기 위해 상기 액체흐름의 충돌을 수용하기 위하여 상기 축 수단에 의해 한정되는 축선에 관해 회전하고, 액체의 분리된 흐름 속도 이하의 속도로 회전하는 표면을 포함한다.
다른 목적은 상기 제1수단에서 기체흐름의 충돌을 수용하고 조합된 기체의 조합된 운동에너지와 엔탈피를 축 수단의 에너지로 변환하기 위한 방사형 유입흐름 블레이드와, 기체흐름의 충돌을 수용하고 기체의 조합된 운동에너지와 엔탈피를 축 수단의 에너지로 변환하기 위한 축방향흐름 블레이드와, 기체흐름의 충돌을 수용하고 기체의 조합된 운동에너지와 엔탈피를 축 수단의 에너지로 변환하기 위한 방사형 유출흐름 블레이드의 결합을 포함한다. 도시될 바 처럼, 전단 디스크가 또한 제공되어질 수 있다. 축방향흐름 노즐과 축방향흐름 블레이드는 분리된 기체의 잔여 운동에너지와 엔탈피를 축동력으로 변환하기 위해 축 수단 상에 제공된다.
다른 목적은 분리 수단에서 분리된 액체흐름을 위한 방사형 통로와, 액체 제트의 반작용력을 축동력으로 변환하기 위해 액체 흐름을 통과시키고 상기 액체의 방사형 유출흐름의 도입 압력을 액체 제트의 속도로 변환하기 위해 유출흐름 통로를 차단하는 액체노즐을 포함한다.
또 다른 목적은 분리 수단에서 기체-액체 분리기 표면과, 분리된 액체의 통로에 배치된 디퓨저를 포함하고, 상기 디퓨저는 디퓨저에 의한 기체 흡입을 최소화하기 위해 터빈에서 분리된 액체의 원심 분리기 액체 수준을 조절하기 위해 분리된 표면으로 향한 고압의 분리된 액체 블리드(bleed)를 갖는다.
이들 및 다른 목적과 본 발명의 잇점은 도시된 실시예의 상세한 설명과 하기의 기술과 도시로부터 더 자세히 이해될 수 있을 것이다.
내용 없음.

Claims (21)

  1. 기체와 액체의 혼합물을 위한 입구수단과 축선을 가진 회전축 수단을 구비하는 회전터빈에 있어서,
    상기 회전터빈은 상기 기체와 액체의 혼합물을 제1흐름에서 수용하고, 상기 혼합물을 기체의 제2흐름과 액체의 제3흐름으로 분리하기 위한 분리기 수단과,
    상기 축 수단 상에 가압할 토오크를 생성하기 위해 상기 제1흐름의 압력으로 상기 흐름중 하나 이상을 수용하기 위한 제1수단을 포함하고, 상기 분리기 수단은 상기 동일 축 수단 상에 가압할 토오크를 발생하기 위한 회전면 수단을 포함하며,
    상기 제1수단과 분리기 수단은 상기 동일 축 수단을 거쳐서 축동력을 생성하기 위해 독립적으로 작동하고,
    상기 표면 수단은 상기 표면 속도에 근접한 속도로 액체 흐름을 감소시키므로써 형성되는 마찰력의 생성으로 운동에너지의 일부를 축 수단 에너지로 변환시키도록 상기 표면상에 층을 형성하는 상기 액체를 수용하기 위해 상기 축 수단에 의해 한정되는 축선에 대해 회전하고, 충돌시 액체 흐름의 속도보다 낮은 속도에서 회전하는 표면을 포함하며,
    상기 제1수단은 상기 분리기 수단과 작동가능하게 연결되고, 상기 분리기 수단은 축 하중에 의해 축 수단의 각속도가 감소되도록 상기 축 수단과 작동가능하게 연결되고,
    상기 제1수단은 상기 축선과 상기 회전면 수단 사이에 위치하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전터빈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액체의 흐름은 조합된 속도 헤드(head)를 갖고, 상기 속도 헤드를 압력으로 변환하기 위해 액체 흐름을 수용하기 위한 수단인 것을 특징으로 하는 회전터빈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기체와 액체의 혼합물인 조합된 압력과 열 에너지를 가지고, 이상노즐 수단은 상기 기체와 액체의 혼합물을 상기 분리기 수단으로 흐르게하는 것을 특징으로 하는 회전터빈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 액체 흐름은 조합된 속도 헤드를 가지고, 상기 속도 헤드를 압력으로 변환하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 회전터빈.
  5. 제3항에 있어서, 상기 노즐은 그 내부에서 기체와 액체의 흐름방향에 수직인 직선단면을 갖는 것을 특징으로 하는 회전터빈.
  6. 제5항에 있어서, 상기 노즐은 출구와, 상기 출구에서 상기 터빈축 수단에 의해 한정되는 축선과 수직한 평면에 대해 일정한 각도로 향하는 유선의 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 회전터빈.
  7. 제3항에 있어서, 상기 노즐 수단은 출구에서, 상기 출구상의 상기 터빈축 수단에 의해 한정되는 축선과 수직한 평면에 대해 일정한 각도로 향하는 유선의 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 회전터빈.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제1수단은 상기 기체의 흐름의 충돌을 수용하고 기체의 조합된 운동에너지와 엔탈피를 축 수단의 에너지로 변환하기 위해 축방향 흐름 블레이드를 갖는 것을 특징으로 하는 회전터빈.
  9. 제3항에 있어서,
    분리된 액체 흐름을 위한 방사형 유출흐름 통로와,
    액체 제트의 반작용력을 축동력으로 변환하기 위해 액체 흐름을 통과시키고 상기 액체의 방사형 유출흐름의 유도된 압력을 액체 제트의 속도로 변환하기 위해 상기 유출흐름 통로를 차단하는 액체노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전터빈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 분리기 수단은 분리된 액체 흐름을 위한 방사형 유출흐름 통로와,
    액체 제트의 반작용력을 축동력으로 변환하기 위해 액체 흐름을 통과시키고 상기 액체의 방사형 유출흐름의 유도된 압력을 액체 제트의 속도로 변환하기 위해 상기 유출흐름 통로를 차단하는 액체노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전터빈.
  11. 제1항에 있어서, 기체와 액체의 상기 혼합물을 공급 지열 웰로부터 상기 터빈 입구수단에 공급하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전터빈.
  12. 제11항에 있어서, 제2터빈 수단과, 상기 웰에서 기체와 액체의 혼합물을 수용하고 통과된 증기를 증기터빈에서 생성하는 플래쉬 탱크 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전터빈.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2터빈 수단으로부터 액체를 수용하고, 상기 수용된 액체를 지열 웰에 주입시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전터빈.
  14. 기체와 액체의 혼합물을 위한 입구수단과, 회전축 수단을 갖는 회전터빈에 있어서,
    상기 기체와 액체의 혼합물을 수용하고, 상기 혼합물을 기체의 흐름과 액체의 흐름으로 분리하기 위한 분리기 수단과,
    상기 축 수단 상에 가압할 토오크를 생성하기 위해 기체의 증기를 수용하기 위한 제1수단을 포함하고,
    상기 분리기 수단은 상기 동일 축 수단 상에 작용할 토오크를 발생하기 위한 회전면 수단을 포함하며,
    상기 제1수단과 분리기 수단은 상기 동일 축 수단을 거쳐서 축동력을 생성하기 위해 독립적으로 작동하고,
    상기 표면 수단은 상기 표면의 속도에 근접한 속도로 액체 흐름을 감소시키므로써 형성되는 마찰력의 생성으로 운동에너지의 일부를 축 수단 에너지로 변환하기 위해 상기 액체를 수용하기 위하여 상기 축 수단에 의해 한정되는 축선에 대해 회전하고, 충돌시 액체 흐름 속도보다 낮은 속도로 회전하는 표면을 포함하며,
    상기 제1수단은 상기 분리기 수단과 작동가능하게 연결되고, 상기 분리기 수단은 축 하중에 의해 축 수단의 각속도가 감소되도록 상기 축 수단에 작동가능하게 연결되고,
    상기 기체와 액체의 혼합물은 조합된 압력과 열 에너지를 가지고, 상기 기체와 액체의 혼합물을 상기 분리기 수단으로 흐르게 하기 위해 이상노즐 수단을 가지며,
    상기 제1수단은 기체의 상기 흐름의 충돌을 수용하고, 기체의 엔탈피와 조합된 운동에너지를 축 수단 에너지로 변환하기 위해 방사형 유입흐름 블레이드를 갖는 것을 특징으로 하는 회전터빈.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1수단은 상기 기체 흐름의 충돌을 수용하고 기체의 엔탈피와 조합된 운동에너지를 축 수단의 에너지로 변환하기 위한 축향흐름 블레이드를 갖는 것을 특징으로 하는 회전터빈.
  16. 기체와 액체의 혼합물을 위한 입구수단과, 회전축 수단을 갖는 회전터빈에 있어서,
    상기 기체와 액체의 혼합물을 수용하고, 상기 혼합물을 기체의 흐름과 액체의 흐름으로 분리하기 위한 분리기 수단과,
    상기 축 수단 상에 가압할 토오크를 생성하기 위해 기체의 증기를 수용하기 위한 제1수단을 포함하고,
    상기 분리기 수단은 상기 동일 축 수단 상에 작용할 토오크를 발생하기 위한 회전면 수단을 포함하며,
    상기 제1수단과 분리기 수단은 상기 동일 축 수단을 거쳐서 축동력을 생성하기 위해 독립적으로 작동하고,
    상기 표면 수단은 상기 표면의 속도에 근접한 속도로 액체 흐름을 감소시키므로써 형성되는 마찰력의 생성으로 운동에너지의 일부를 축 수단 에너지로 변환하기 위해 상기 액체를 수용하기 위하여 상기 축 수단에 의해 한정되는 축선에 대해 회전하고, 충돌시 액체 흐름 속도보다 낮은 속도로 회전하는 표면을 포함하며,
    상기 제1수단은 상기 분리기 수단과 작동가능하게 연결되고, 상기 분리기수단은 축 하중에 의해 축 수단의 각속도가 감소되도록 상기 축 수단에 작동가능하게 연결되고,
    상기 기체와 액체의 혼합물은 조합된 압력과 열 에너지를 가지고, 상기 기체와 액체의 혼합물을 상기 분리기 수단으로 흐르게 하기 위해 이상노즐 수단을 가지며,
    상기 노즐 수단은 그내부에서 기체와 액체 흐름을 방향과 수직한 직선단면을 갖고,
    상기 노즐 수단은 출구와, 상기 출구에서 상기 터빈축 수단에 의해 한정되는 축선과 수직한 평면에 대해 일정한 각도로 향하는 유선의 표면을 가지며,
    상기 제1수단은 기체의 상기 흐름의 충돌을 수용하고, 기체의 엔탈피와 조합된 운동에너지를 축 수단 에너지로 변환하기 위한 방사형 유입흐름 블레이드를 갖는 것을 특징으로 하는 회전터빈.
  17. 기체와 액체의 혼합물을 위한 입구수단과, 회전축 수단을 갖는 회전터빈에 있어서,
    상기 기체와 액체의 혼합물을 수용하고, 상기 혼합물을 기체의 흐름과 액체의 흐름으로 분리하기 위한 분리기 수단과,
    상기 축 수단 상에 가압할 토오크를 생성하기 위해 기체의 증기를 수용하기 위한 제1수단을 포함하고,
    상기 분리기 수단은 상기 동일 축 수단 상에 작용할 토오크를 발생하기 위한 회전면 수단을 포함하며,
    상기 제1수단과 분리기 수단은 상기 동일 축 수단을 거쳐서 축동력을 생성하기 위해 독립적으로 작동하고,
    상기 표면 수단은 상기 표면의 속도에 근접한 속도로 상기 액체 흐름을 감소시키므로써 형성되는 마찰력의 생성으로 운동에너지의 일부를 축 수단으로 변환하도록 위해 상기 액체를 수용하기 위하여 상기 축 수단에 의해 한정되는 축선에 대해 회전하고, 액체의 분리된 흐름 속도보다 낮은 속도로 회전하는 표면을 포함하고,
    상기 기체와 액체의 혼합물을 조합된 압력과 열 에너지를 가지고, 상기 기체와 액체의 혼합물을 상기 분리기 수단으로의 흐르게하기 위한 이상노즐 수단을 가지며,
    상기 제1수단은 상기 기체 흐름의 충돌을 수용하고, 기체의 엔탈피와 조합된 운동에너지를 축 수단의 에너지로 변환하기 위한 방사형 유입흐름 블레이드를 갖고,
    분리된 기체의 잔여 운동에너지와 엔탈피를 축 동력으로 변환하기 위한 상기 축 수단 상에서 축방향흐름 노즐과 축방향흐름 블레이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전터빈.
  18. 기체와 액체의 혼합물을 위한 입구수단과, 회전축 수단을 갖는 회전터빈에 있어서,
    상기 기체와 액체의 혼합물을 수용하고, 상기 혼합물을 기체의 흐름과 액체의 흐름으로 분리하기 위한 분리기 수단과,
    상기 축 수단 상에 가압할 토오크를 생성하기 위해 기체의 증기를 수용하기 위한 제1수단을 포함하고,
    상기 분리기 수단은 상기 동일 축 수단 상에 작용할 토오크를 발생하기 위한 회전면 수단을 포함하며,
    상기 제1수단과 분리기 수단은 상기 동일 축 수단을 거쳐서 축동력을 생성하기 위해 독립적으로 작동하고,
    상기 표면 수단은 상기 표면의 속도에 근접한 속도로 상기 액체 흐름을 감소시키므로써 형성되는 마찰력의 생성으로 운동에너지의 일부를 축 수단으로 변환하도록 위해 상기 액체를 수용하기 위하여 상기 축 수단에 의해 한정되는 축선에 대해 회전하고, 액체의 분리된 흐름 속도보다 낮은 속도로 회전하는 표면을 포함하고,
    상기 분리기 수단은 분리된 액체 흐름을 위한 방사형 유출흐름 통로와 액체 제트의 반작용력을 축동력으로 변환하기 위해 액체 흐름을 통과시키고 상기 액체의 방사형 유출흐름의 유도된 압력을 액체 제트의 속도로 변환하기 위해 상기 유출흐름 통로를 차단하는 액체노즐을 가지며,
    분리된 기체의 잔여 운동에너지와 엔탈피를 축 동력으로 변환하기 위해 상기 축 수단상에서 축방향흐름 노즐과 축방향흐름 블레이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전터빈.
  19. 기체와 액체의 혼합물을 위한 입구수단과, 회전축 수단을 갖는 회전터빈에 있어서,
    상기 기체와 액체의 혼합물을 수용하고, 상기 혼합물을 기체의 흐름과 액체의 흐름으로 분리하기 위한 분리기 수단과,
    상기 축 수단 상에 가압할 토오크를 생성하기 위해 기체의 증기를 수용하기 위한 제1수단을 포함하고,
    상기 분리기 수단은 상기 동일 축 수단 상에 작용할 토오크를 발생하기 위한 회전면 수단을 포함하며,
    상기 제1수단과 분리기 수단은 상기 동일 축 수단을 거쳐서 축동력을 생성하기 위해 독립적으로 작동하고,
    상기 표면 수단은 상기 표면의 속도에 근접한 속도로 상기 액체 흐름을 감소시키므로써 형성되는 마찰력의 생성으로 운동에너지의 일부를 축 수단으로 변환하도록 위해 상기 액체를 수용하기 위하여 상기 축 수단에 의해 한정되는 축선에 대해 회전하고, 액체의 분리된 흐름 속도보다 낮은 속도로 회전하는 표면을 포함하고,
    상기 터빈은 수평 액체 섬프(sump) 레벨(level)을 갖고, 액체와 기체의 상기 흐름의 통로에서 디퓨저를 포함하며, 상기 디퓨저를 디퓨저에 의한 기체 흡입을 최소화하기 위해 상기 터빈의 수평 액체 섬프 레벨을 조절하기 위해 안내된 고압의 분리된 액체의 블리드(bleed)를 갖는 것을 특징으로 하는 회전터빈.
  20. 제19항에 있어서, 상기 디퓨저는 액체를 흡입하기 위한 입구를 갖고, 상기 입구는 기체 흡입의 증가나 유도된 에너지의 손실없이 액체 흡입량을 변화할 수 있도록 조절가능하게 움직이는 것을 특징으로 하는 회전터빈.
  21. 기체와 액체의 혼합물을 위한 입구수단과, 회전축 수단을 갖는 회전터빈에 있어서,
    상기 기체와 액체의 혼합물을 수용하고, 상기 혼합물을 기체의 흐름과 액체의 흐름으로 분리하기 위한 분리기 수단과,
    상기 축 수단 상에 가압할 토오크를 생성하기 위해 기체의 증기를 수용하기 위한 제1수단을 포함하고,
    상기 분리기 수단은 상기 동일 축 수단 상에 작용할 토오크를 발생하기 위한 회전면 수단을 포함하며,
    상기 제1수단과 분리기 수단은 상기 동일 축 수단을 거쳐서 축동력을 생성하기 위해 독립적으로 작동하고,
    상기 표면 수단은 상기 표면의 속도에 근접한 속도로 상기 액체 흐름을 감소시키므로써 형성되는 마찰력의 생성으로 운동에너지의 일부를 축 수단으로 변환하도록 위해 상기 액체를 수용하기 위하여 상기 축 수단에 의해 한정되는 축선에 대해 회전하고, 액체의 분리된 흐름 속도보다 낮은 속도로 회전하는 표면을 포함하고,
    상기 기체와 액체의 혼합물은 조합된 압력과 열 에너지를 가지고, 상기 기체와 액체의 혼합물을 상기 분리기 수단으로의 흐르게 하기 위한 이상노즐 수단을 가지며,
    상기 이상노즐 수단은 에너지 손실을 거의 생성함 없이 이상 흐름을 조절할 수 있도록 조정가능한 가변 쓰로트를 가지는 것을 특징으로 하는 회전터빈.
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