KR20110079491A - 작동유체 침투 방지용 유기냉매 터빈 발전장치 - Google Patents

작동유체 침투 방지용 유기냉매 터빈 발전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유기 랭킨 사이클의 작동 유체가 베어링의 윤활유와 접촉하는 것을 방지하여 베어링의 수명을 향상시키는 작동유체 침투 방지용 유기냉매 터빈 발전장치에 관한 것이다.
본 발명의 주요구성은 터빈과 이에 결합한 발전기로 구성되어 작동 유체에 의한 터빈 블레이드의 회전을 회전축으로 통하여 발전기 로터에 전달하여 발전을 수행하는 작동유체 침투 방지용 유기냉매 터빈 발전장치에 있어서, 상기 회전축의 단부에는 원판 형상의 엔드 블록이 결합하고, 상기 터빈의 하우징과 상기 회전축 사이의 간극에서 상기 회전축을 직경 방향으로 관통하는 제 1 유로를 형성하고, 상기 제 1 유로에 연통하고 상기 회전축을 따라 연장하는 제 2 유로를 형성하며, 상기 제 2 유로에 연통하고 상기 엔드 블록의 직경 방향으로 제 3 유로를 형성한 것을 특징으로 한다.

Description

작동유체 침투 방지용 유기냉매 터빈 발전장치{Organic fluid turbine generator preventing penetration of operating fluid}
본 발명은 작동 유체에 의한 발전기 하우징 내 베어링의 손상을 방지한 터빈 발전장치에 관련한다.
주지된 폐쇄형 랭킨 사이클은 보일러 또는 운동 유체의 증발을 위한 증발기, 발전기를 구동하도록 보일러로부터 증기가 공급되는 터빈, 터빈으로부터의 배출 증기를 응축하기 위한 응축기 및 응축된 유체를 보일러로 순환시키기 위한 펌프와 같은 수단을 포함한다.
이러한 랭킨 사이클 시스템은 통상 여러 나라에서 주거용 및 상업용 동력 분배 시스템 또는 그리드에 제공되는 전력을 발생시키기 위한 목적으로 사용된다. 이러한 시스템에 사용되는 운동 유체는 흔히 물이며, 터빈은 스팀에 의해 구동된다. 이러한 시스템의 터빈은 비교적 고압 및 고온에서 작동되도록 설계되고 제조와 사용에 있어서 비교적 비용이 많이 든다.
유기 랭킨 사이클(ORC)은 작동 유체로서 물/스팀 대신에 유기 유체를 사용하는 증기 동력 사이클이다. 기능적으로 유기 랭킨 사이클은 스팀 사이클 동력 장치와 유사하며, 펌프는 응축된 액체 냉매의 압력을 증가시킨다.
도 1은 종래의 유기 랭킨 사이클에 적용되는 터빈 발전장치를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 터빈 발전장치는 터빈 하우징(20)과 발전기 하우징(10)이 결합한 구조이며, 터빈 하우징(20)에 수납된 터빈 블레이드(22)와 발전기 로터(16)는 회전축(25)에 의해 연결된다.
터빈 노즐(21)에서 분사된 작동 유체는 터빈 블레이드(22)를 통과하면서 저온, 저압 상태로 변화하면서 팽창하며 엔트로피를 터빈 블레이드(22) 회전운동 에너지로 변환한다.
그 결과, 터빈 블레이드(22)는 10,000rpm 이상의 고속으로 회전운동을 하며 이에 따라 회전축(25)이 회전하고 궁극적으로 발전기 로터(16)의 회전으로 발전이 이루어진다.
이때, 터빈 노즐(21)에서 분사된 작동 유체의 일부는 터빈 블레이드(22)의 후면과 터빈 하우징(20) 사이의 간극(23)으로 침투하여 회전축(25)과 발전기 하우징(10) 사이의 간극(13)을 통하여 누설된다.
잘 알려진 바와 같이, 유기 랭킨 사이클은 비교적 저온의 온도 범위, 가령 60 ~ 200℃의 열원을 회수하여 전기를 생산하는 시스템이므로, 저온에서 고압의 기체를 생산하여 터빈을 구동하여야 하는 시스템 특성상 작동 유체로는 비등점이 낮고 증발압력이 높은 프레온 계열의 냉매를 사용한다.
이때, 작동 유체로 사용되는 프레온 계열의 냉매는 윤활유를 녹이는 특성을 지니고 있기 때문에, 회전축(25)과 발전기 하우징(10) 사이의 간극(13)을 통하여 누설된 작동 유체는 베어링(14, 15)의 윤활유를 녹이게 되어 베어링의 수명이 감소하며, 결과적으로 발전기 구동 성능을 저하하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 해결과제는 유기 랭킨 사이클의 작동 유체가 베어링의 윤활유와 접촉하는 것을 방지하여 베어링의 수명을 향상시키는 작동유체 침투 방지용 유기냉매 터빈 발전장치를 제공하는 것이다.
상기의 해결과제는, 터빈과 이에 결합한 발전기로 구성되어 작동 유체에 의한 터빈 블레이드의 회전을 회전축으로 통하여 발전기 로터에 전달하여 발전을 수행하는 작동유체 침투 방지용 유기냉매 터빈 발전장치에 있어서, 상기 회전축의 단부에는 원판 형상의 엔드 블록이 결합하고, 상기 터빈의 하우징과 상기 회전축 사이의 간극에서 상기 회전축을 직경 방향으로 관통하는 제 1 유로를 형성하고, 상기 제 1 유로에 연통하고 상기 회전축을 따라 연장하는 제 2 유로를 형성하며, 상기 제 2 유로에 연통하고 상기 엔드 블록의 직경 방향으로 제 3 유로를 형성한 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 엔드 블록의 직경은 상기 회전축의 직경보다 크게 형성할 수 있다.
또한, 바람직하게, 상기 발전기의 하우징의 단부 면에서 일정 거리 이격하여 원판형 커버를 설치하고, 상기 원판형 커버를 상기 엔드 블록에 결합하여 함께 회전하도록 할 수 있다.
상기의 구조에 의하면, 발전기 하우징과 회전축 사이의 간극으로 작동 유체가 누설되어 발전기의 베어링을 손상하는 것을 방지할 수 있어 베어링의 수명을 연장할 수 있고 발전기 구동성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 유기 랭킨 사이클에 적용되는 터빈 발전장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 유기 랭킨 사이클에 적용되는 작동유체 침투 방지용 유기냉매 터빈 발전장치를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예를 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 유기 랭킨 사이클에 적용되는 작동유체 침투 방지용 유기냉매 터빈 발전장치를 나타낸다. 설명의 편의를 위해 종래와 동일한 구성부분에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, 회전축(25)의 단부에 엔드 블록(27)을 가령 용접 등으로 결합하여 회전축(25)과 함께 회전할 수 있도록 한다. 엔드 블록(27)으로, 가령 일정한 두께를 갖는 원판 형상이 적용될 수 있다.
바람직하게, 엔드 블록(27)의 직경은 회전축(25)의 직경보다 크게 형성된다.
또한, 발전기 하우징(10)의 단부 면에 이격하여 원판형 커버(28)를 위치시켜 엔드 블록(27)의 외측에 고정함으로써, 발전기 하우징(10)의 단부 면과 커버(28) 사이의 간극으로 분출하는 작동 유체의 비산을 방지한다.
이 구조에서, 회전축(25)과 터빈 하우징(20) 사이의 간극(23)에 대응하는 위치에서 회전축(25)의 직경 방향으로 유로(26a)를 형성한다.
또한, 유로(26a)의 중간 부분에서 회전축(25)을 따라 단부까지 연장하는 유로(26b)를 형성하여 유로(26a)와 연통하도록 한다.
이와 함께, 유로(26b)와 연통하면서, 엔드 블록(27)의 직경 방향으로 유로(26c)를 형성한다.
따라서, 회전축(25)과 터빈 하우징(20) 사이의 간극(23)에서 시작하여 유로(26a), 유로(26b) 및 유로(26c)로 연속하여 이어지게 된다.
이하, 상기의 구조를 갖는 작동유체 침투 방지용 유기냉매 터빈 발전장치의 동작에 대해 설명한다.
터빈 노즐(21)에서 분사된 작동 유체는 터빈 블레이드(22)를 통과하면서 저온, 저압 상태로 변화하면서 팽창하며 엔트로피를 터빈 블레이드(22) 회전운동 에너지로 변환한다.
그 결과, 터빈 블레이드(22)는 10,000rpm 이상의 고속으로 회전운동을 하며 이에 따라 회전축(25)이 회전하고 궁극적으로 발전기 로터(16)의 회전으로 발전이 이루어진다.
터빈 노즐(21)에서 분사된 작동 유체의 일부는 터빈 블레이드(22)의 후면과 터빈 하우징(20) 사이의 간극(23)으로 누설된다.
간극(23)으로 누설된 작동 유체는 회전축(25)에 형성된 유로(26a)로 유입되어 유로(26b)와 유로(26c)를 통하여 외부로 분출된다.
따라서, 종래 발전기 하우징(10)과 회전축(25) 사이의 간극(13)으로 누설되던 작동 유체는 모두 유로(26a, 26b, 26c)를 통하여 외부로 배출되기 때문에 작동 유체에 의한 베어링의 손상을 방지할 수 있다.
상기한 바와 같이, 엔드 블록(27)의 직경이 회전축(25)의 직경보다 크게 형성된 경우, 엔드 블록(27)의 원심력이 회전축(25)의 원심력보다 크게 되어 베르누이 원리에 의해 유로(26c)에 걸리는 압력이 유로(26a)에 걸리는 압력보다 작아진다. 그 결과, 압력이 높은 유로(26a)에 있는 작동 유체는 압력이 낮은 유로(26c)를 향하여 빠르게 분출된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경과 변형을 가할 수 있으며, 이러한 변경과 변형은 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 한, 본 발명에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 발전기 하우징 13: 간극
14, 15: 베어링 20: 터빈 하우징
21: 터빈 노즐 22: 터빈 블레이드(blade)
23: 간극 25: 회전축
26a, 26b, 26c: 유로 27: 엔드 블록(end block)

Claims (3)

  1. 터빈과 이에 결합한 발전기로 구성되어 작동 유체에 의한 터빈 블레이드의 회전을 회전축으로 통하여 발전기 로터에 전달하여 발전을 수행하는 작동유체 침투 방지용 유기냉매 터빈 발전장치에 있어서,
    상기 회전축의 단부에는 원판 형상의 엔드 블록이 결합하고,
    상기 터빈의 하우징과 상기 회전축 사이의 간극에서 상기 회전축을 직경 방향으로 관통하는 제 1 유로를 형성하고, 상기 제 1 유로에 연통하고 상기 회전축을 따라 연장하는 제 2 유로를 형성하며, 상기 제 2 유로에 연통하고 상기 엔드 블록의 직경 방향으로 제 3 유로를 형성한 것을 특징으로 하는 작동유체 침투 방지용 유기냉매 터빈 발전장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔드 블록의 직경은 상기 회전축의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 작동유체 침투 방지용 유기냉매 터빈 발전장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 발전기의 하우징의 단부 면에서 일정 거리 이격하여 원판형 커버를 설치하고, 상기 원판형 커버를 상기 엔드 블록에 결합하여 함께 회전하도록 한 것을 특징으로 하는 작동유체 침투 방지용 유기냉매 터빈 발전장치.
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