KR20120113863A - 물 또는 증기 분사로 출력을 증가시킨 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물 또는 증기 분사로 출력을 증가시킨 터빈에 관한 것으로, 그 목적은 터빈의 초기 기동시 배기가스가 충분한 압력을 가지도록 노즐을 통해 고압의 물 또는 증기를 분사시켜 증기화함으로써 터빈에 공급되는 가스의 체적을 증가시켜 정격운동시점에 빨리 다다르도록 가속시키거나 부하에 관계없이 추가적인 출력을 증가시키고자 할 때 사용되는 구조를 가진 터빈을 제공하는 데 있다.
본 발명의 구성은 배기가스 등의 유체로부터 에너지를 얻어 회전력을 얻도록 유체가 유입되는 터빈케이싱(22)과 터빈케이싱으로 공급된 유체에 의해 회전하는 터빈로터(21)를 포함하여 구성된 터빈(20)에 있어서, 상기 터빈케이싱(22)의 입구측 일지점에 설치되어 터빈케이싱 내부로 공급되는 가스에 고압의 물 또는 증기를 분사하는 노즐(1)과; 상기 노즐에 고압의 물 또는 증기를 공급하도록 유틸리티 펌프(2)의 세척공급라인 일지점에 설치된 밸브(4); 및 밸브로부터 노즐까지 연결된 분지라인(5);을 포함하여 구성된 물 또는 증기 분사로 출력을 증가시킨 터빈을 발명의 특징으로 한다.

Description

물 또는 증기 분사로 출력을 증가시킨 터빈{Turbine increasing output power by water or steam injection}

본 발명은 물(또는 증기)분사로 출력을 증가시킨 터빈에 관한 것으로, 자세하게는 터보차져, 가스터빈 및 일반 터빈 기술분야에서 초기 시동시 정격운동시점까지 걸리는 터보래그(turbo lag, 운전지연)를 줄여 터빈에 공급되는 초기 가스에 물(또는 증기)을 함께 분사시켜 순간적인 터빈에 공급되는 체적을 증가시켜 터빈이 정상 회전수에 도달하는 시간을 빨리 가속시킨 기술이고, 또한 기동시기 뿐만 아니라 부하에 관계없이 운전되고 있어도 필요에 따라 출력을 증가시키고자 할 경우에 사용된다.

터빈(turbine)은 물, 가스ㅇ또는 증기 등의 유체가 가지는 에너지를 유용한 기계적 일로 변환시키는 장치로 산업 전반에 걸쳐 다양한 형태로 사용되고 있다.

도 3은 원심압축기와 터빈이 결합된 일반적인 터보차저(Turbo charger)의 일부 절개 사시도이다.

도시된 바와 같이 터보차저는 압축기(10)를 구동시키기 위해 터빈(20)과 축결합된 구조를 가지고 있어, 배기가스가 공급되면 고속회전하는 터빈 로터(21)와 축결합되어 연동되는 압축기의 임펠러(11)가 회전하는 구조를 가진다. 임펠러(11)가 고속으로 회전하게 되면 압축기의 월인서트(Wall insert, 12)로 유입된 압축공기가 고속회전되는 임펠러와 디퓨져(13) 사이 좁은 공간부(14)를 통해 케이싱(15)으로 유입되어 배출되는 구조를 가진다.

하지만 이러한 터보차저를 포함한 터빈은 초기 기동시 엔진에서 공급되는 배기가스의 압력이 충분하지 못해 터빈 로터의 회전이 원활이 일어나지 않는다는 구조적인 문제점이 있다.

이를 위해 별도의 송풍팬을 이용하여 엔진에 압축공기를 공급하는 방식을 사용하고 있으나, 여전히 정격운전시점(정격 RPM에 도달하는 조건)에 도달하는 시간이 지체되는 터보래그(turbo lag, 운전지연)가 발생한다.

이러한 터보래그를 해결하기 위해서 종래 자동차분야에서는 VGT(Variable Geometry terbocharger)를 이용 노즐 경사의 변경으로 상기한 출력저하를 방지하여 정격운전시점에 도달하는 시간을 단축시켰다.

하지만 선박과 같은 경우는 자동차 방식과 같은 VGT방식을 광범위하게 적용하기에는 그 비용이 과다하므로 옵션품목에 의해서만 VGT방식이 제공될 뿐이다.

따라서 상기한 바와 같은 터빈의 초기 기동시의 출력저하 문제를 해결하여 빠른 시간안에 정상 출력조건에 도달하도록 하는 기술이 요구되고 있는 실정이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 터빈의 초기 기동시 배기가스가 충분한 압력을 가지도록 노즐을 통해 고압의 물 또는 증기를 분사시켜 증기화함으로써 터빈에 공급되는 가스의 체적을 증가시켜 정격운동시점에 빨리 다다르도록 가속시키거나 부하에 관계없이 추가적인 출력을 증가시키고자 할 때 사용되는 구조를 가진 터빈을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 배기가스 등의 유체로부터 에너지를 얻어 회전력을 얻도록 유체가 유입되는 터빈케이싱과 터빈케이싱으로 공급된 유체에 의해 회전하는 터빈로터를 포함하여 구성된 터빈에 있어서,

상기 터빈케이싱의 입구측 일지점에 설치되어 터빈케이싱 내부로 공급되는 가스에 고압의 물 또는 증기를 분사하는 노즐과;

상기 노즐에 고압의 물 또는 증기를 공급하도록 유틸리티 펌프의 세척공급라인 일지점에 설치된 밸브; 및

밸브로부터 노즐까지 연결된 분지라인;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 물 또는 증기분사로 시동 출력을 증가시킨 터빈을 제공함으로써 달성된다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 노즐은 복수개의 터빈케이싱 중 적어도 어느 하나에 설치된 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 본 발명은 터빈의 초기 기동시 배기가스의 압력이 충분하지 못하더라도 배기가스와 함께 고압의 물 또는 증기를 분무하여 증기화함으로써 터빈의 터빈 로터를 구동시키기 위해 공급되는 배기가스가 정상운전조건에 해당하는 출력을 가지게 됨으로써 엔진의 정상운전에 도달하는 시간이 획기적으로 단축된다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 물(또는 증기)분사 노즐을 포함한 터보차저 구성을 보인 개념도이고,
도 2는 본 발명에 따른 물(또는 증기)분사 노즐의 설치 위치를 보인 예시도이고,
도 3은 원심 압축기와 터빈이 결합된 일반적인 터보차저의 일부 절개 사시도이다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 물(또는 증기)분사 노즐을 포함한 터보차저 구성을 보인 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 물(또는 증기)분사 노즐의 설치 위치를 보인 예시도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 한 실시예에 따른 터빈(20)은 터빈로터(21)에 배기가스를 공급하는 통로인 터빈케이싱(22)의 입구측 일지점에 고압의 물(또는 증기)을 분사하기 위한 노즐(1)을 설치하였다.

이때 노즐(1)에 고압의 물(또는 증기)을 공급하는 펌프는 추가적인 별도의 펌프가 아닌 엔진을 일주일에 한번 30초정도 세척하기 위해 통상적으로 설치된 유틸리티 펌프(2)를 이용하되, 엔진세척라인(3)의 일지점에 밸브(4)를 설치하고 이 밸브와 연결된 분지라인(5)을 노즐(1)에 연결하여 고압의 물(또는 증기)을 공급하여 분사하도록 구성한다.

여기서 유틸리티 펌프에서 배출되는 물의 압력은 통상 5 ~7 bar 정도의 압력을 가진다.

상기 노즐은 터빈에 공급되는 복수개의 터빈케이싱 중 적어도 어느 하나에 설치된다. 복수개 설치되어도 되나 실제로는 하나만 설치되어도 충분하다. 터빈 케이싱이 복수개로 구성된 이유는 엔진 메니폴드의 개수가 다수개이기 때문이다.

상기와 같이 구성함으로써 하나 이상의 터빈로터에 배기가스를 공급하는 터빈케이싱에 배기가스를 공급하는 엔진(6) 그리고 초기 기동시 터보차져는 정지해 있으므로 송풍팬(7)으로 엔진에 공기를 공급하게 되는데 이 때 발생되는 엔진의 배기가스는 체적량도 적고 압력이 높지 않다. 하지만 여기에 노즐(1)을 통해 추가로 고압의 물 또는 증기가 분사됨으로써 분사된 물 또는 증기가 고온 고압의 가스와 합쳐지면서 순간적으로 증기화되어 가스 체적이 증가되게 된다.

따라서 체적과 질량이 증가된 가스는 충분한 출력을 터빈로터(21)에 제공하여 터빈의 정격운전시점이 빨리 가속되게 된다.

상기 엔진 및 송풍팬에서 공급된 가스와 물(증기)간의 혼합비율은 8 : 2 정도로 혼합한다. 이보다 더 물(도는 증기)의 공급이 과도해지면 오히려 가스의 온도저하로 인해 압력이 저하될 수 있어서 과도한 물의 혼합은 바람직하지 않다.

상기에서 일반적으로 물을 공급하여 고온 배기가스에 의해 증기화 되도록 구성하지만, 필요시 직접 증기를 투입해도 된다. 이 경우 고온 고압의 배기가스에 의해 증기의 체적 증가가 더욱 쉽게 일어날 수 있다.

상기와 같이 노즐이 구비된 구성된 터빈은 종래 송풍팬 만을 이용하여 초기 터빈에 공급되는 가스 압력을 보충하여 줄 경우 정격운전시점까지 3분정도가 소요되는 반면에 본 발명에 따른 터빈은 물(또는 증기)분사에 의한 체적증가로 인해 1분정도 소요된다. 물론 이와 같은 수치는 혼합비율 및 가스 공급압력에 따라 어느정도 범위내에서 변동될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 터빈은 체적증가에 따라 초기 기동시 정격 운전시점에 다다르면 물(또는 증기)분사노즐로부터 공급되는 물의 공급을 중단하면 일상적인 운전조건에 따라 터빈이 가동되게 된다.

물(또는 증기)의 공급을 중단하는 방법은 유틸리티 펌프의 세척라인 일지점에 설치된 밸브를 잠그면 된다. 잠그는 방법은 밸브를 수동밸브로 구성하면 사람이 직접하면 되고, 전자식 밸브로 구성했으면 전자식 밸브을 제어하는 컨트롤러를 구성하여 개폐를 조작하면 된다. 이때 전자식으로 구성시는 터빈의 출력을 측정하는 압력센서나 RPM을 측정하는 게이지의 정보를 컨트롤러가 읽어 제어하도록 구성하면 된다.

상기와 같은 구성에 따른 본 발명에 따른 터빈의 출력증가방법을 설명하면 다음과 같은 단계를 가진다.

a) 엔진 시동후 발생된 배기가스를 터빈에 공급하는 단계와;

b) 송풍팬을 통해 고압 공기를 엔진에 공급하는 단계와;

c) 터빈의 입구 일지점 터빈케이싱에 설치된 노즐을 통해 유틸리티펌프로부토 공급된 고압의 물 또는 증기를 케이싱 내부로 공급하는 단계와;

d) 케이싱내부로 공급된 물 또는 증기가 엔진배기가스의 온도에 의해 증기화되면서 체적증가를 일으켜 출력이 증가된 혼합가스를 터빈로터에 공급하는 단계와;

e) 이후 터빈이 정격운전시점에 다다르면 노즐과 연결된 유틸리티펌프의 분지라인 밸브를 잠그는 단계;로 구성된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 노즐 (2) : 유틸리티 펌프
(3) : 엔진세척라인 (4) : 밸브
(5) : 분지라인 (6) : 엔진
(7) : 송풍팬 (10) : 압축기
(11) : 임펠러 (20) : 터빈
(21) : 터빈로터 (22) : 터빈케이싱

Claims (2)

1. 배기가스 등의 유체로부터 에너지를 얻어 회전력을 얻도록 유체가 유입되는 터빈케이싱(22)과, 터빈케이싱으로 공급된 유체에 의해 회전하는 터빈로터(21)를 포함하여 구성된 터빈(20)에 있어서,
   상기 터빈케이싱(22)의 입구측 일지점에 설치되어 터빈케이싱 내부로 공급되는 가스에 고압의 물 또는 증기를 분사하는 노즐(1)과;
   상기 노즐에 고압의 물 또는 증기를 공급하도록 유틸리티 펌프(2)의 세척공급라인 일지점에 설치된 밸브(4); 및
   밸브로부터 노즐까지 연결된 분지라인(5);을 포함하여 구성되어 물 또는 증기 분사로 초기 기동시 출력을 증가시키고 부하에 관계없이 출력증가가 필요로 한 경우에 적용하여 출력을 증가시키도록 한 것을 특징으로 하는 물 또는 증기 분사로 출력을 증가시킨 터빈.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 노즐은 복수개의 터빈케이싱 중 적어도 어느 하나에 설치된 것을 특징으로 하는 물 또는 증기 분사로 출력을 증가시킨 터빈.
   
   

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