KR20100030572A - 대형 디젤 엔진용 에너지 회수 장치 - Google Patents

대형 디젤 엔진용 에너지 회수 장치 Download PDF

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루돌프 젤러만
미카엘 루츠
마리오 슈엔저
페터 슈타인호프
하인즈 휴고 뵈쉬
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만 터보 악티엔게젤샤프트
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Abstract

대형 디젤 엔진용 에너지 회수 장치는 기계적 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하고 기계적 회전 에너지를 인가하는 입력 샤프트(18)를 포함하는 발전기(current generator)(16); 스팀 터빈(20); 스팀 터빈(20)의 회전 에너지를 발전기(16)의 입력 샤프트(18)에 전달하는 제1 샤프트(26); 파워 터빈(32); 및 파워 터빈(32)의 회전 에너지를 발전기(16)의 입력 샤프트로 전달하는 제2 샤프트(34)를 포함하며, 제1 샤프트(26)와 제2 샤프트(34)는 발전기(16)에 있는 입력 샤프트(18)의 양측부에 커플링된다. 또한, 발전기(16)의 입력 샤프트(18)와 제1 샤프트(26) 간의 커플링을 확립 및 분리하기 위한, 발전기(16)와 스팀 터빈(20) 사이의 제1 커플링 장치(30)와, 발전기(16)의 입력 샤프트(18)와 제2 샤프트(34) 간의 커플링을 확립 및 분리하기 위한, 발전기(16)와 파워 터빈(32) 사이의 제2 커플링 장치(38)가 마련된다.

Description

대형 디젤 엔진용 에너지 회수 장치{DEVICE FOR ENERGY RECOVERY FOR A LARGE DIESEL ENGINE}
본 발명은 대형 디젤 엔진, 바람직하게는 선박 또는 육상 플랜트의 대형 디젤 엔진용 에너지 회수 장치에 관한 것이다.
선박 상의 전기 소비자는 통상 내장 전기 네트워크로부터 전기 에너지를 공급받는다. 작동비를 낮추기 위해는, 추가적으로 4극 교류 발전기(four pole alternator)의 도움으로 선박용 엔진의 폐열(waste heat)로부터 전기 에너지를 생성하고, 이렇게 생성된 전기 에너지를 내장 전기 네트워크에 급송하는 것이 통상적이다.
따라서, 예컨대 DE 10 2006 040 857 A1으로부터 대형 디젤 엔진의 배기 가스의 열에너지에 의해 스팀 터빈을 작동시키고, 스팀 터빈에 의해 생성되는 기계적 회전 에너지를 발전기(current generator)에서 전기 에너지- 이어서, 내장 네트워크로 급송 가능함 -로 변환하는 것이 공지되어 있다. 이 공보는 또한 배기 가스의 일부를 유사하게 발전기에 커플링되는 파워 터빈에 직접 추가로 급송하는 가능성을 언급한다.
WO 2006/072791 A1에는 마찬가지로 발전기가 스팀 터빈과 파워 터빈에 커플링되는 선박용 디젤 엔진을 위한 에너지 회수 장치가 개시되어 있다. 이 특허에서, 2개의 터빈은 직렬로 연결되며 발전기 샤프트의 단부에 커플링된다. 이 공보의 설명의 서두에는, 발전기가 2개의 터빈 사이에 배치되는 에너지 회수 장치가 추가로 설명되어 있다. 구성에 따라, 이 특허에서는 4극 발전기의 입력 샤프트에 터빈의 샤프트를 커플링하는 다양한 복잡한 기어가 필요한데, 그 이유는 개별 구성 요소의 회전 속도가 서로 매우 상이하기 때문이다.
본 발명은 대형 디젤 엔진용의 개선된 에너지 회수 장치를 제조하는 목적에 기초한다.
이러한 목적은 청구항 1의 특징을 지닌 대형 디젤 엔진용 에너지 회수 장치에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 실시예와 본 발명의 다른 양태는 종속항에 설명되어 있다.
본 발명은, 예컨대 선박 상에, 그리고 육상 플랜트에 채용되는 것과 같은 대형 디젤 엔진에 관한 것이다. 본 발명은 보다 바람직하게는 우선적으로 중유 작동을 위한 고용량 대형 디젤 엔진에 관한 것이다.
본 발명에 따른 대형 디젤 엔진용 에너지 회수 장치는 기계적 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 기계적 회전 에너지를 인가하는 입력 샤프트를 포함하는 발전기; 기계적 회전 에너지를 생성하는 제1 터빈; 제1 터빈의 기계적 회전 에너지를 발전기의 입력 샤프트에 전달하는 제1 샤프트; 기계적 회전 에너지를 생성하는 제2 터빈; 및 제2 터빈의 기계적 회전 에너지를 발전기의 입력 샤프트에 전달하는 제2 입력 샤프트를 포함하고, 제1 샤프트 및 제2 샤프트는 발전기의 입력 샤프트의 양측부에 커플링된다. 추가로, 발전기의 입력 샤프트와 제1 샤프트 간의 커플링을 확립 및 분리하기 위한, 발전기와 제1 터빈 사이의 제1 커플링 장치 및/또는 발전기의 입력 샤프트와 제2 샤프트 간의 커플링을 확립 및 분리하기 위한, 발전기와 제2 터빈 사이의 제2 커플링 장치가 마련된다.
발전기의 입력 샤프트의 양측부 상의 2개의 터빈 배치와 이들 터빈과 발전기 사이의 커플링 장치 설치를 통해, 유리하게는 선택적으로 동시 작동하는 2개의 터빈을 통해 또는 필요 사항과 조건에 따라 2개의 터빈 중 하나를 통해 발전기를 구동하는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예에서, 제1 터빈은 스팀 터빈으로, 스팀은 대형 디젤 엔진의 배기 가스로부터의 열에너지에 의해 생성되고, 제2 터빈은 대형 디젤 엔진의 배기 가스의 흐름 에너지에 의해 작동되는 파워 터빈이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 일단 스퍼 기어가 발전기와 제1 터빈 사이에 배치된다. 이것은 다극 교류 발전기의 보다 낮은 회전 속도로 인해 종종 필요한, 통상적으로 채용되는 다단 기어보다 실질적으로 보다 간단하고 보다 컴팩트하다.
이와 마찬가지로, 일단 스퍼 기어는 바람직하게는 발전기와 제2 터빈 사이에도 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 발전기는 2극 교류 발전기로서 구성된다. 예컨대 통상적으로 선박용 디젤 엔진과 함께 채용되는 4극 교류 발전기보다 적절히 높은 회전 속도로 작동되는 2극 교류 발전기를 사용하는 것에 의해, 발전기와 통상적으로 매우 높은 회전 속도로 회전하는 2개의 터빈 사이의 기어는 보다 간단하고 보다 컴팩트하게 구성될 수 있다.
더욱이, 전류 요구 사항에 따른 제1 터빈 작동과 제2 터빈 작동 모두에 대한 수동 및/또는 자동 제어를 위한 공통 제어 및 조절 장치가 마련되는 것이 바람직하다.
상기 특징 및 장점과 추가의 특징 및 장점은 첨부 도면을 참고하여 바람직한 예시적인 실시예에 관한 아래 설명으로부터 보다 잘 이해될 것이다.
본 발명에 따르면, 발전기의 입력 샤프트에 터빈의 샤프트를 커플링하는 기어가 보다 간단하고 보다 컴팩트한, 개선된 대형 디젤 엔진용 에너지 회수 장치가 제공된다.
본 발명은 아래에서 선박 상의 대형 디젤 엔진용 에너지 회수 장치의 일례에 대해 설명되어 있다. 그러나, 본 발명은 육상 플랜트에 있는 대형 디젤 엔진에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
대형 디젤 엔진(예컨대, 2행정 디젤 엔진)(10)은 샤프트를 통해 선박의 프로펠러(12)를 구동한다. 대형 디젤 엔진(10)의 배기 가스 트레인에, (배기 가스) 터보차저(14)가 공지의 방식으로 배치된다.
에너지 회수 장치의 주요 구성 요소는 바람직하게는 2극 교류 발전기로서 구성되고 회전 에너지를 인가하는 입력 샤프트(18)를 포함하는 발전기(16)이다. 이러한 발전기(16)는 이 발전기의 입력 샤프트에 인가되는 기계적 회전 에너지를 공지의 방식으로 전기 에너지로 변환하며, 그 후 이 전기 에너지는 전기 소비자에게 에너지를 공급하기 위해서 선박의 내장 네트워크에 급송될 수 있다.
여기에서, 발전기(16)는 개별 내장 네트워크에 맞게 되어 있다. 예컨대, 네트워크 주파수가 60 Hz인 내장 네트워크의 경우에 2극 교류 발전기(16)의 회전 속도는 대략 3600 rpm에 이르고, 네트워크 주파수가 50 Hz인 내장 네트워크의 경우에 2극 교류 발전기(16)의 회전 속도는 대략 3000 rpm에 이른다.
발전기(16)의 일측부(도 1의 좌측) 상에, 스팀 터빈(20)이 본 발명의 제1 터빈으로서 배치된다. 이러한 스팀 터빈(20)은 열교환기(22)와 응축기(24)를 더 포함하는 워터/스팀 회로의 일부이다. 대형 디젤 엔진(10)의 고온 배기 가스 흐름은 열에너지를 워터/스팀 회로의 작동 매체, 바람직하게는 물에 전달하기 위해서 워터/스팀 회로의 열교환기(22)를 통과하도록 지향되며, 그 결과 물이 증발된다. 이렇게 하여 생성된 스팀은 스팀 터빈(20)의 저압측이나 고압측에 공급되고, 이 저압측이나 고압측에서 팽창된다. 이러한 스팀의 팽창중에, 스팀의 에너지는 기계적 에너지로 변환되고, 이 기계적 에너지에 의해 제1 샤프트(26)가 회전된다.
이 제1 샤프트(26)에는 제1 기어 장치(28)가 마련되는데, 이 기어 장치는 바람직하게는 일단 스퍼 기어로 구성되고, 예컨대 대략 1.8 내지 8의 범위, 선택적으로 대략 2 내지 5의 범위의 기어비를 갖는다.
제1 샤프트(26)는 또한 발전기(16)에 있는 입력 샤프트(18)의 일측부, 통상 일단부에 커플링된다. 본 발명에 따르면, 이러한 용도로 제1 커플링 장치(30)가 마련되는데, 이 제1 커플링 장치에 의해 스팀 터빈(20)의 제1 샤프트(26)와 발전기(16)의 입력 샤프트(18) 간의 커플링이 확립 및 분리될 수 있다. 이 제1 커플링 장치(30)는, 예컨대 클러치 커플링 또는 오버러닝 클러치이다.
발전기(16)의 타측부(도 1의 우측) 상에는 파워 터빈(32)이 본 발명의 제2 터빈으로서 배치된다. 대형 디젤 엔진(10)의 배기 가스 흐름의 일부는 그 흐름 에너지를 제1 샤프트(34)를 회전시키는 기계적 회전 에너지로 변환하기 위해 이 파워 터빈(32)에 급송된다.
제2 샤프트(34)에 바람직하게는 일단 스퍼 기어로 구성되는 제2 기어 장치(36)에 마련된다. 제2 기어 장치(36)는, 예컨대 대략 6 내지 12의 범위, 선택적으로 대략 8 내지 10의 범위의 기어비를 갖는다.
제1 샤프트(26)와 마찬가지로, 이 제2 샤프트 역시 발전기(16)에 있는 입력 샤프트(18)의 일측부, 통상 일단부에 커플링된다. 본 발명에 따르면, 이러한 용도로 제2 커플링 장치(38)가 마련되는데, 이 커플링 장치에 의해 파워 터빈(32)의 제2 샤프트(34)와 발전기(16)의 입력 샤프트(18) 간의 커플링이 확립 및 분리될 수 있다. 이 제2 커플링 장치(38)는, 예컨대 클러치 커플링 또는 오버러닝 클러치이다.
본 발명의 에너지 회수 장치는 기본적으로 임의의 타입 및 임의의 실시예의 2개 터빈(20, 32)과 작동할 수 있고, 이러한 것으로 제한되지 않기 때문에, 스팀 터빈(20)과 파워 터빈(32)의 구성 및 작동에 관한 보다 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 에너지 회수 장치에 관하여 도 1에 예시한 바와 같이, 제1 터빈(20) 및 제2 터빈(32)과 제1 샤프트(26) 및 제2 샤프트(34)는 발전기(16), 보다 명확히 말하자면 발전기의 입력 샤프트(18)의 양측부, 즉 양단부에 커플링된다. 발전기(16)가 2극 교류 발전기로 구현되고, 이에 따라 높은 회전 속도로 회전하는 경우, 유리하게는 파워 터빈(32)의 제2 샤프트(34) 상의 제2 기어 장치(36)는 이러한 구성에 의해 신뢰성 있고 보다 비용면에서 효율적인 일단 스퍼 기어로 구성될 수 있다.
출력이, 예컨대 대략 40 MW를 넘는 대형 디젤 엔진에 있어서, 발전기(16)을 위해 4극 교류 발전기를 채용할 수도 있다. 그러한 4극 교류 발전기의 회전 속도는 각 경우에 2극 교류 발전기에 대해 앞서 언급한 값의 절반에 이른다. 그러한 보다 강력한 디젤 엔진(10)에 있어서는 파워 터빈(32)이 낮은 회전 속도로 회전하기 때문에, 이 경우에는 4극 교류 발전기(16)와 파워 터빈(32) 사이의 제2 기어 장치(36)도 마찬가지로 일단 스퍼 기어로 구현될 수 있다.
발전기(16)의 입력 샤프트(18)와 스팀 터빈(20)의 제1 샤프트(26) 또는 발전기(16)의 입력 샤프트(18)와 파워 터빈(32)의 제2 샤프트(34) 사이의 제1 커플링 장치(30)와 제2 커플링 장치(38)의 배치로 인해, 필요 조건과 환경(예컨대, 대형 디젤 엔진의 작동 상태, 2개의 터빈의 작동 상태, 내장 네트워크의 에너지 요건 등)에 따라, 동시 작동하는 2개의 터빈(20, 32)에 의해 또는 단지 스팀 터빈(20)이나 파워 터빈(32)에 의해 선택적으로 발전기(16)을 구동하는 것이 가능하다. 이것은 또한 터빈의 고장시에 (예컨대 유지 보수 또는 수리를 목적으로) 발전기(16)를 다른 터빈을 이용하여 계속해서 구동할 수 있다는 장점을 갖는다.
역시 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 2개의 터빈(20, 32)을 위한 공통 제어 및 조절 장치로서 구성되는 제어 및 조절 장치(40)도 마련된다. 즉, 제어 및 조절 장치(40)는 에너지 회수 장치의 상태와 전류 요건에 따라 스팀 터 빈(20)과 파워 터빈(32) 양자의 출력과 회전 속도뿐만 아니라 스위칭온과 스위칭오프도 수동 및/또는 자동으로 제어한다.
도 1은 본 발명에 따른 대형 디젤 엔진용 에너지 회수 장치의 간략한 블럭 다이어그램.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 대형 디젤 엔진
12 : 프로펠러
14 : 터보차저
16 : 발전기
18 : 입력 샤프트
20 : 제1 터빈/스팀 터빈
22 : 열교환기
24 : 응축기
26 : 제1 샤프트
28 : 제1 기어
30 : 제1 커플링
32 : 제2 터빈/파워 터빈
34 : 제2 샤프트
36 : 제2 기어
38 : 제2 커플링
40 : 제어 및 조절 장치

Claims (7)

  1. 기계적 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 기계적 회전 에너지를 인가하는 입력 샤프트(18)를 포함하는 발전기(current generator)(16)와,
    기계적 회전 에너지를 생성하는 제1 터빈(20)과,
    상기 제1 터빈(20)의 기계적 회전 에너지를 발전기(16)의 입력 샤프트(18)에 전달하는 제1 샤프트(26)와,
    기계적 회전 에너지를 생성하는 제2 터빈(32), 그리고
    상기 제2 터빈(32)의 기계적 회전 에너지를 발전기(16)의 입력 샤프트(18)에 전달하는 제2 샤프트(34)
    를 포함하고, 상기 제1 샤프트(26)와 제2 샤프트(34)는 발전기(16)에 있는 입력 샤프트(18)의 양측부에 커플링되는 것인 대형 디젤 엔진용 에너지 회수 장치에 있어서,
    상기 발전기(16)의 입력 샤프트(18)와 제1 샤프트(26) 간의 커플링을 확립 및 분리하기 위한, 발전기(16)와 제1 터빈(20) 사이의 제1 커플링 장치(30) 및/또는 상기 발전기(16)의 입력 샤프트(18)와 제2 샤프트(34) 간의 커플링을 확립 및 분리하기 위한, 발전기(16)와 제2 터빈(32) 사이의 제2 커플링 장치(38)가 마련되는 것을 특징으로 하는 대형 디젤 엔진용 에너지 회수 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 터빈(20)은 스팀 터빈이고, 스팀은 대형 디젤 엔 진(10)의 배기 가스로부터의 열에너지에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 대형 디젤 엔진용 에너지 회수 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 터빈(32)은 대형 디젤 엔진(10)의 배기 가스로부터의 흐름 에너지에 의해 작동되는 파워 터빈인 것을 특징으로 하는 대형 디젤 엔진용 에너지 회수 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발전기(16)와 제1 터빈(20) 사이에 일단 스퍼 기어(28)가 배치되는 것을 특징으로 하는 대형 디젤 엔진용 에너지 회수 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발전기(16)와 제2 터빈(32) 사이에 일단 스퍼 기어(36)가 배치되는 것을 특징으로 하는 대형 디젤 엔진용 에너지 회수 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발전기(16)는 2극 교류 발전기(two-pole alternator)인 것을 특징으로 하는 대형 디젤 엔진용 에너지 회수 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 터빈(20)의 작동과 제2 터빈(32)의 작동을 제어하는 공통 제어 및 조절 장치(40)가 마련되는 것을 특징으로 하는 대형 디젤 엔진용 에너지 회수 장치.
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