KR20010010948A - 가스터빈엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스터빈발전기에 관한 것으로서, 낮은 생산비와 높은 효율을 지닌 가스터빈발전기를 구현하는 데에 목적이 있다.

이를 실현하기 위하여 본 발명은, 압축기, 터빈, 열교환기 등을 효과적으로 배치하여 각 구성품의 설계조건이 재료와 가공의 측면에 있어서 난이도가 높지 않게 함으로써 제작비를 낮추며 효율은 올릴 수 있도록 하는 방법을 제공한다.

Description

가스터빈엔진{Gas Turbine Generator}

여러용도로 사용되고 있는 발전기는 그동안 왕복동 엔진을 사용하여 구성되어 왔으나, 무게, 소음 그리고 진동문제로 불편함하여 공업용 이외에는 사용이 극히 제한되어 왔다. 최근에 가스터빈엔진을 사용한 발전기가 개발되어지고 있는 추세에 있으나, 가격과 효율이 가장 큰 걸림돌이 되고 있다. 물론 대형발전기에 있어서는 가스터빈엔진이 유리하고 , 실제로도 많이 쓰이고 있으나, 100kW 미만의 소형발전기의 경우에는 왕복엔진을 사용한 발전기의 효율이 40% 라면, 가스터빈발전기의 효율은 25% 정도로써 연료비의 과중한 부담 때문에 당연히 왕복형 발전기가 널리 쓰이고 있는 형편이다.

가격에 있어서도 가스터빈발전기는 1) 고속회전부품을 사용하므로 정밀부품이 사용되어야 하고, 2) 고속 모터겸발전기의 고속회전에 의한 열발생으로 인한 냉각문제 3) 고속회전에 따르는 원심력을 극복하기 위하여 주조된 Impeller를 사용하지 못하고 Titanium을 기계가공한 Impeller를 사용하는 등 가격을 상승시키는 주요한 요인을 가지고 있다.

따라서 현재까지는 소형, 경량, 저진동, 저소음등의 여러가지 장점에도 불구하고 100kW급이하에서는 가스터빈발전기가 널리 사용되지 못하고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같이 기존의 가스터빈발전기가 지니고 있는 문제점(가격, 효율)을 해결하고자 발명된 것으로, 에너지 사용효율의 증가, 생산비의 감소를 동반하도록 고안되었다.

제 1도는 기본 개념을 보여주는 그림이다. 원심압축기 2개, 원심터빈 2개, 모터겸용발전기 1개, 중간냉각기, 재생기(Recuperator), 연소기 그리고 부가장치(연료장치, 윤활장치, 제어장치 등)로 구성되어 있다.

가스터빈발전기의 가격과 효율을 향상시키기 위하여, 본 발명은 브레이튼 싸이클에 중간냉각기(InterCooler)와 재생기(Recuperator)를 장치하여, 싸이클 효율을 높임과 동시에 회전수를 낮게 설계할 수 있도록 함으로써 부품의 신뢰성을 높이고 주조부품을 사용할 수 있도록 하여 제작비용을 줄일 수 있도록 한다.

압축기와 터빈에 있어서, 통상 출력이 큰 가스터빈엔진에서는 축류형을 사용하지만, 본 발명에서 추구하는 바는 출력이 작은 엔진의 경우 높은 회전수 때문에 가격이 비싸지는 것을 해결하려고 하는 것이므로, 원심형 압축기와 원심형 터빈이 사용되는 것을 가정하여 예를 보여주도록 한다.

첨부한 도면 도1은 기본개념을 보여주고 있다. 1단어셈블리는 1단압축기,1단터빈,모터겸용발전기로 구성되며 (그리고 축,베어링,씰, 등), 2단어셈블리는 2단압축기, 2단터빈, (그리고 축,베어링, 씰 등) 으로 구성되며, 시동시에는 모터겸용발전기가 모터로써 동작하여 고압공기를 생성하게 된다.

정상동작시의 동작은 다음과 같다.

1) 1단 터빈으로부터 축동력을 얻어 구동되는 1단 압축기는 대기 공기를 흡입하여 압축하고 중간냉각기를 거쳐 냉각한후

2) 2단 터빈으로부터 축동력 얻어 구동되는 2단 압축기는 다시 한번 압축하고

3) 배기가스로부터 열을 전달받아 고온고압의 상태로 1차 연소실로 들어간다.

4) 연소후 2단 터빈을 통과하여 축동력을 발생하고,

5) 2차 연소후 1단 터빈을 통과하며 축동력을 발생시키고 재생기를 거쳐 배기된다.

6) 최종적으로 1단 터빈에서 발생한 동력에서 1단 압축기가 사용한 동력의 차이가 모터겸발전기에 의해서 전기로 발생된다.

이 과정을 각 구성품의 효율을 가정하고 최대의 효율이 되도록 하여 설계한 후, Cycle 해석을 하면 다음의 결과를 얻을 수 있다.

이 때 발생되는 출력은 다음과 같이 계산된다.

출력 = 공기유량*비열*(1단 터빈 입출구온도 차이-1단 압축기 입출구 온도 차이) 공기량이 0.1 kg/sec 통과 한다고 했을때 출력은 다음과 같다.

= 0.1 * 1004 * ((1000-765) - (394.7-300)) = 14086 W = 14 kW

또 연료로부터 얻어진 열에너지에 대한 최종 출력의 비율 즉 싸이클 효율은 다음식으로부터 34.8% 임을 알 수 있다.

효율=(dT_turbine1-dT-compressor1)/(dT_combustor1+dT_combustor2)

= ((1000-765)-(394.7-300))/((1000-696)+(1000-899))

= 0.348

이 경우 1단의 회전수는 60000RPM, 2단의 회전수는 90000RPM 정도가 되면 충분하므로(비속도개념을 사용하여 추정한 것임), Impeller와 Turbine을 주조로 값싸게 할 수 있으며, 1단에 사용되는 모터겸용발전기의 구성도 가능해 진다. 통상의 방법으로는 4배정도큰 출력을 내는 엔진의 경우에도 80000RPM 정도를 사용하여만 25%의 효율을 얻을 수 있었으나, 본 발명의 방법으로는 모터겸용발전기 부분에서 얻어야 하는 압축비가 낮으므로 30000 RPM 정도면 가능하다. 즉 일반적인 구조로는 Impeller를 특수 재질로 해야 하며, 모터겸용발전기의 자석부분도 특별한 주의를 필요로 하였으나, 본 발명에 의한 방법을 사용하면 그러한 문제가 없게 되므로 제품의 가격을 낮출 수 있게 되는 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 가스터빈발전기는 다음의 효과를 제공한다.

- 중간냉각기와 재생기를 사용하므로 효율을 높일 수 있다.

- 발전기부분의 회전수가 낮아 발전기의 전기적인 효율이 높아진다.

- 발전기부분의 회전수가 낮아 자석부분의 내구성이 좋아진다.

- 축의 회전수가 낮아, 임펠러를 알루미늄 주조하여 사용할 수 있어 가격을 낮출 수 있다.

- 효율이 충분히 높으므로 터빈입구온도를 낮게(1000K) 할 수 있어, 오염물질의 배출이 작아진다.

본 발명의 가스터빈엔진은 위에 기술된 것과 같은 우수한 특성을 가지고 있으므로, 공업용 발전기시장, 가정용 발전기시장은 물론 자동차의 복합엔진(Hybrid Engine) 에도 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (2)

1단압축기/1단터빈/모터겸용발전기로 구성된 1단어셈블리와, 1단압축기/2단터빈으로 구성된 2단어셈블리, 1단압축기와 2단압축기 사이의 중간냉각기, 연소기 그리고 재생기를 포함하며, 1단어셈블리가 동급의 통상의 가스터빈 발전기의 회전수 보다 낮은 회전수에서 동작하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 발전기.

제 1항에 있어서 2단터빈과 1단터빈 사이에 추가의 연소기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 발전기.