KR20140116121A - 랭킨 사이클에서 유기 작동 유체를 팽창시키는 방법 및 터빈 - Google Patents

랭킨 사이클에서 유기 작동 유체를 팽창시키는 방법 및 터빈 Download PDF

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로베르토 비니
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Abstract

복수의 스테이지를 구비한 터빈(1)으로 유기 작동 유체를 제공하는 과정을 포함하는, 랭킨 사이클에서 유기 작동 유체를 팽창시키는 방법에 있어서, 상기 스테이지 각각은, 각각의 회전 축(X) 상에서 회전하는 샤프트(2)에 결속된 회전자 블레이드(R1, Rn)의 어레이와 교대로 배치된 고정자 블레이드(S1, Sn)의 어레이에 의해 정의되고, a) 하나 이상의 방사 방향 스테이지(radial stage)를 통해 작동 유체의 제1 팽창을 일으키는 단계; b) 각도 블레이드로 지칭되는 블레이드 어레이(AR)에서 상기 작동 유체를, 실질적으로 방사 팽창 방향으로부터 상기 각도 블레이드(AR)와 일체로 된 관찰자를 기준으로 실질적으로 축 및 접선 방향의 팽창 방향으로 전환하는 단계; 및 c) 하나 이상의 축 방향 스테이지를 통해 제2 유체 팽창을 유도하는 단계를 포함하고, 상기 단계 b)는, 상기 터빈(1)에서의 유체 팽창을 완료하는 경우에 나타나는 평균 엔탈피 변화의 적어도 50%에 해당하는 작동 유체의 엔탈피 변화에 대응하는, 방법이 개시되어 있다. 또한, 상술한 방법을 실행할 수 있게 하는, 랭킨 사이클에서 유기 작동 유체를 팽창시키기 위한 터빈이 개시된다.

Description

랭킨 사이클에서 유기 작동 유체를 팽창시키는 방법 및 터빈{METHOD AND TURBINE FOR EXPANDING AN ORGANIC OPERATING FLUID IN A RANKINE CYCLE}
본 발명은, 랭킨 사이클에서 유기 작동 유체를 팽창시키는 방법 및 그 방법을 구현하기 위한 터빈에 관한 것이다. 본 출원은 2011년 12월 20일에 제출된 이탈리아 특허출원 BS2012A000008의 우선권을 주장한다.
통상 약자 ORC(Organic Rankine Cycle)로 나타내어지는 랭킨 타입의 열역학 사이클은 높은 분자량(molecular mass)을 가진 유기 작동 유체를 이용하여 화력으로부터 전력을 생성하기 위한 플랜트에서 사용된다.
예컨대, ORC 플랜트는 고체 생물질(biomass)로부터 전력 및 화력의 조합 생산을 위해 사용된다. 고체 생물질의 대신에, 산업 공정의 폐열(waste heat), 원동기로부터의 열 회수(heat recovery), 또는 지열에 의한 열원이 사용되기도 한다.
예컨대, 생물질이 제공되는 ORC 플랜트는, 통상,
- 연료 생물질이 제공되는 연소실;
- 연소 퓸(fume)/가스의 열의 일부를 중간 회로에 의해 배송되는 열 전달 유체, 예컨대 투열성 오일에 부여하는 열교환기;
- 중간 열 전달 유체의 열의 일부를 증발하게 될 작동 유체에 부여하는 열교환기;
- 증기 상태의 작동 유체가 공급되는 터빈; 및
- 전력을 생산하기 위해 터빈에 의해 가동되는 발전기
로 이루어진다.
연소실에서, 예컨대 투열성 오일과 같은 열 전달 유체가 통상 약 300℃의 온도까지 가열된다. 열 전달 유체는 폐쇄 루프 내에서 순환하고, 상술한 열교환기를 통과하며, 그곳에서는 유기 작동 유체가 증발한다. 작동 유체의 증기가 터빈 내에서 팽창하고 기계적 힘을 생산해 내며, 터빈의 샤프트에 연결된 발전기에 의해 전력으로 변환된다. 터빈 내에서의 매 팽창이 끝나면 작동 유체의 증기는 적절한 응축기에서 응축되어 열을 냉각 유체에 주는데, 냉각 유체는 보통은 물이며 예컨대 지역 난방을 위한 약 80℃~90℃의 열매체로서 플랜트의 다운스트림에서 사용된다. 작동 유체는 열교환기로 제공되어 열 전달 유체에 의해 교차되고 폐쇄 루프에서의 사이클이 완료된다.
생산된 전력은 플랜트의 보조 장치를 가동시키기 위해 사용될 수도 있고 및/또는 전력 분배 네트워크에 도입될 수 있다.
터빈에서의 작동 유체의 높은 팽창률 및 높은 엔탈피 변화가 특징인 ORC 플랜트에서, 후자는 3개 이상의 스테이지로 제공되는데, 여기서 스테이지란 고정자 블레이드(stator blade)의 어레이의 조립체 및 회전자 블레이드(rotor blade)의 대응하는 어레이를 의미한다.
터빈 스테이지의 수가 임의의 한계까지 증가함에 따라, 2개의 터빈을 직렬연결하여 사용하는 것이 단일 발전기의 가동을 위해 편리할 것이다. 그러므로 단일 터빈에서의 스테이지의 수를 예컨대 6개 또는 그 이상으로 증가시키는 대신, 3개의 스테이지를 가진 2개의 터빈을 채용한다.
예컨대, 5 MW를 생산하도록 본 출원인에 의해 설계된 플랜트에서는, 3.000 rpm으로 회전하도록 된, 6개의 스테이지를 가진 1축 터빈을 사용하는 대신, 하나는 고압에서 다른 하나는 저압에서 사용되고 단일 발전기에 각자의 샤프트로 연결되며 발전기에 대해 양측에서 연결된 2축 터빈을 사용한다.
상술한 바와 같이, 여러 터빈을 사용하는 해결책은, 기술적으로 그리고 경제적으로 하나 이상의 단점을 가지고 있다. 이 플랜트에는 터빈을 발전기에 연결하기 위한 다수의 리듀서(reducer), 고압 흡기 밸브에 더하여 저압 터빈에 증기를 주입시키기 위한 밸브, 터빈 간의 유체 전송 가능한 접속을 위한 밀폐된 덕트, 이중 베어링 등이 구비되어야 한다. 이것은 생산 비용의 증가를 가져올 뿐 아니라 플랜트를 가동시키고 중지시키고 또 작동시키는 데에 있어서의 기술적 어려움도 가져온다.
미국특허출원 제2008/0252077호에서는 ORC 플랜트에 적용하기 위한 터빈에 대해 기술되어 있다(문단 번호 11). 이 터빈은 구심 방사형(centripetal radial type)으로 단일 스테이지를 갖추고 있고 따라서 작동 유체의 팽창이 실질적으로 터빈 자체의 축을 통해 일어나며 배출이 실질적으로 축 방향으로 일어난다.
상술한 것과 다른 분야에서, 축 방향 스테이지와 교대로 방사 방향 스테이지가 구비된 가스 터빈이 제안되었다.
예컨대 미국 특허 제3,462,953호에서는 항공 분야의 적용을 위한 가스 터빈이 기술되어 있는데 따라서 이것은 랭킨 사이클에 따라 작동하지 않으며, 터빈의 입구측의 제1 방사 방향 스테이지와 터빈의 출구측의 축 방향 스테이지 사이에 개재된 회전자 블레이드의 어레이를 포함하여 이루어진다. 이들 회전자 블레이드는 가스의 방향을 방사 팽창 방향으로부터 축 팽창 방향으로 전환시킨다.
미국 특허 제4,435,121호, 국제특허공개 WO2006/048401, 독일특허 제554163호 및 미국특허출원 제2011/085887호가 배경 기술을 기술하고 있는 문헌들이다.
본 발명의 목적은 알려진 해결책의 결점을 해결할 수 있는, 랭킨 사이클에서의 유기 작동 유체의 팽창 방법 및 터빈을 제공하는 것이다.
제1 측면에 따른 본 발명은 청구항 1에 따른 발명에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명은 랭킨 사이클에서 유기 작동 유체를 팽창시키는 방법에 있어서, 작동 유체를, 각각의 스테이지가, 각각의 회전축 상에서 회전하는 샤프트에 결속된 회전자 블레이드의 어레이와 교대로 설치된 고정자 블레이드의 어레이로 정의되는, 복수의 스테이지를 구비한 비구심 터빈(non-centripetal turbine)에 제공하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다. 유리하게, 본 발명은 또한 추가로:
a) 하나 이상의 방사 방향 스테이지를 통해 작동 유체의 제1 팽창을 유도하는 단계,
b) 각도 블레이드(angular blade)로 지칭되는 블레이드 어레이에서 작동 유체의 방향을, 실질적으로 방사 방향의 초기 팽창 방향으로부터 실질적으로 축 방향 및 접선 방향(상기 각도 블레이드와 일체의 관찰자를 기준으로(with respect to an observer integral with the angular blade))의 팽창 방향으로 전환시키는 단계, 및
c) 하나 이상의 축 방향 스테이지를 통해 제2 유체 팽창을 제공하는 단계
를 포함하고,
단계 b)는, 전체 터빈(1)에서의 유체 팽창을 완료하기 위해 제공되는 평균 엔탈피 변화의 적어도 50%에 해당하는 작동 유체의 엔탈피 변화에 대응한다.
'평균 엔탈피 변화'라는 용어는, 전체 스테이지의 총 엔탈피 변화와 팽창이 일어나는 스테이지의 수 간의 비율을 의미한다. 전체 스테이지의 총 엔탈피 변화는 전체 스테이지의 다운스트림에서의 작동 유체의 총 엔탈피와 전체 스테이지의 업스트림에서의 작동 유체의 총 엔탈피 간의 차이에 상응한다.
본 발명의 범위 내에서, 터빈 분야에서 통상 자주 그러하지만, 터빈 샤프트의 회전축이 놓이는 평면이 자오면(meridian plane)으로 지칭되는, 축을 중심으로 대칭인 좌표 시스템이 참고로 사용된다. 기계의 축에 직교하고 가정된 자오면 상에 있는 방향을 방사 방향이라 한다. 자오면의 한 지점에서의 접선 방향이라는 것은, 자오면에 직교하고 해당 지점을 관통하는 방사 방향에 직교하는 방향이다. 기계의 축에 평행한 방향은 축 방향으로 정의된다.
보다 구체적으로, 축 방향 스테이지는, 고정자 블레이드의 어레이와 대응하는 회전자 블레이드의 어레이로 구성되고, 각각 매스 플로(mass flow) 방향의 업스트림 및 다운스트림에 교대로 있고 흐름은 주로 그 흐름의 축 방향 속도 성분에 의해 발생한다.
축 방향 스테이지는, 고정자 블레이드의 어레이와 대응하는 회전자 블레이드의 어레이로 구성되고, 각각 매스 플로 방향의 업스트림 및 다운스트림에 교대로 있고 흐름은 주로 그 흐름의 방사 방향 속도 성분에 의해 발생한다.
방사 방향 스테이지로 제1 팽창을 구현하고 축 방향 스테이지로 제2 팽창을 구현함으로써 동일한 조건에서 2개의 터빈을 구비해야할 필요 없이 오히려 하나의 방사 방향-축 방향 터빈을 이용함으로써 효율성의 측면에서 우수한 결과가 얻어진다.
구체적으로, 이 방법은 고압 축 방향 터빈과 저압 축 방향 터빈을 사용하지 않아도 되게 한다. 제1 고압 팽창은 터빈의 대응하는 방사 방향 스테이지에서 원심성 흐름으로 방사 방향으로 일어나고, 제2 저압 팽창은 동일한 터빈의 대응하는 축 방향 스테이지에서 축 방향으로 일어난다.
명백하게, 이 방법은, 유체가, 초기의 방사 팽창 방향으로부터 최종의 축 방향 팽창 방향으로 2번의 팽창 사이에 전환되도록 한다.
각도 블레이드는 고정자 블레이드이거나 또는 다르게는 회전자 블레이드이다.
단계 a)-c)는 단일 방사 방향-축 방향 터빈에서 수행된다. 바람직하게는, 상기 단계 a)는, 작동 유체를, 고정자 블레이드의 적어도 한 어레이 및 방사 방향으로 교대로 배치된 대응하는 회전자 블레이드의 적어도 한 어레이를 통과시키는 것에 의해 실행된다. 단계 c)는, 작동 유체를, 고정자 블레이드의 적어도 한 어레이 및 축 방향으로 교대로 배치된 대응하는 회전자 블레이드의 적어도 한 어레이를 통과시키는 것에 의해 실행된다. 단계 b)는, 작동 유체를 각도 블레이드로 지칭되는 고정자 또는 회전자 블레이드의 어레이를 통과시키는 것에 의해 실행된다. 각도 블레이드로 지칭되는 고정자 또는 회전자 블레이드는 각각 대응하는 회전자 또는 고정자 블레이드 어레이에 앞에 또는 뒤에 설치된다.
상술한 방법을 실행하는 것에 의해, 작동 유체의 증기가 단일 터빈 내에서 팽창하고, 따라서 캐스케이드(cascade) 식으로 설치된 2개의 터빈이나 복수의 스테이지(예컨대 3개 이상의)를 가진 축 방향 터빈의 채용을 피할 수 있으며, 이것은 명백히 기술적으로 그리고 경제적으로 이점이 있다.
미국 특허 제3,462,953호에 기술된 해결책에 대비해, 본 발명은 각도 블레이드가 터빈 내의 전체 팽창의 평균 엔탈피 변화의 50% 이상의 작동 유체의 엔탈피 변화를 실현하도록 구성되어 있는 것을 제시한다. 다시 말해, 미국 특허 제3,462,953호에 기술된 각도 블레이드는 작동 유체의 에너지를 변환시킴에 있어서 주변적 역할(marginal role)을 하는 반면, 본 발명에서의 각도 블레이드는 터빈 샤프트 파워에의 입력으로서 유체 에너지의 주요하고 또 정확한 양을 변환하도록 배치된다. 이것은 각도 블레이드가 작동 유체에 가하는 접선 방향 전환에 상응한다.
방법 실시예에서, 터빈의 각도 블레이드는 고정자 블레이드이고, 팽창하는 증기의 흐름은 각도 블레이드의 어레이가 있는 축 방향 및 접선 방향으로 전환되고, 후자와 일체의 관찰자를 기준으로, 작동 유체의 흐름의 속도 벡터의 방사 방향 성분은 최소화되고, 동일 속도 벡터의 축 방향 성분과 접선 방향 성분은 최대화된다.
대안의 방법 실시예에서, 각도 블레이드는 회전자 블레이드이고 단계 b) 및 단계 c)의 사이에서, 추가적인 단계인, d) 각도 블레이드의 어레이의 다운스트림에서 증기 팽창의 방향 진로를 반전시키는 단계가 수행된다. 다시 말해, 각도 회전자 블레이드의 어레이를 통과하는 유체는 실질적으로 축 방향으로 전환되지만, 터빈의 축 방향 스테이지의 횡단 방향에 대한 반대 흐름(counterflow)이다.
보다 구체적으로, 회전자 각도 블레이드의 어레이는 작동 유체의 흐름에 대해, 각도 블레이드와 일체의 관찰자를 기준으로 한 상대적인 움직임에 있어서 각각의 속도 벡터의 방사 방향 성분을 최소화하거나 제거하고 동일한 속도 벡터의 접선 방향 성분을 증가시키도록 영향을 준다. 고정된 관찰자를 기준으로 한 절대적인 움직임에서, 각도 블레이드의 어레이로부터 나오는 작동 유체의 속도 벡터는 실질적으로 축 방향이며, 즉, 동일한 각도 블레이드의 접선 방향 속도(종래 이를 크랭킹 속도라 함)에 의해 밸런싱되기 때문에, 절대적 움직임에 있어서 속도 벡터의 접선 방향 성분은 거의 0이다
따라서 각도 회전자 블레이드의 다운스트림에서의 유체는 또 약 180도 전환되어 축 방향 스테이지 및 터빈의 출구를 향해 적절히 유도된다. 바람직하게는, 각도 블레이드의 출구 섹션을 다운스트림에 바로 있는 고정자 블레이드의 어레이의 입구 섹션에 연결하는 실질적으로 도넛형의 덕트를 터빈에 구비하는 것에 의해 반전이 제공되며, 축 방향 단면에서 덕트는 U자 곡선을 따라 연장되어 있다.
본 발명의 제2 측면에서, 본 발명은, 청구항 6에 따른, 랭킨 사이클에서 유기 작동 유체의 팽창을 위한 터빈에 관한 것이다.
구체적으로, 이 터빈은, 고정자 블레이드의 어레이; 고정자 블레이드와 교대로 배치된 회전자 블레이드; 및 각각의 회전축 상에서 회전하고 회전자 블레이드를 지지하는 샤프트를 포함한다. 터빈의 제1 섹션에서, 고정자 블레이드의 어레이와 회전자 블레이드의 어레이가 실질적으로 방사 방향으로 서로 교차하고, 터빈의 제2 섹션에서, 고정자 블레이드의 어레이와 회전자 블레이드의 어레이가 실질적으로 축 방향으로 교차한다. 터빈의 제1 섹션과 제2 섹션 사이에 상술한 각도 블레이드라고 지칭되는 고정자 또는 회전자 블레이드의 어레이가 적어도 하나가 있는데, 이 각도 블레이드는 작동 유체를 절대적 움직임에서의 실질적으로 방사 방향으로의 팽창 방향으로부터 절대적 움직임에서의 실질적으로 축 방향 및 각도 블레이드가 고정자 블레이드인지 회전자 블레이드인지에 따라 각각 절대적 움직임 또는 상대적 움직임에서 접선 방향으로의 팽창 방향으로 전환시키도록 구성된다. 달리 말하면, 각도 블레이드는, 고정된 관찰자를 기준으로, 어레이에 유입되는 작동 유체의 속도 벡터의 방사 방향 성분을 최소화하거나 제거하고, 고정된 관찰자를 기준으로 어레이로부터 배출되는 유체의 속도 벡터의 축 방향 성분을 증가시키고, 각도 블레이드와 일체의 관찰자를 기준으로, 어레이로부터 배출되는 유체의 속도 벡터의 접선 방향 성분을 증가시키도록 구성된다.
각도 블레이드를 통해 팽창된 작동 유체의 엔탈피 변화는 전체 터빈에서 유체 팽창을 완전히 하는 경우에 나타나는 평균 엔탈피 변화의 적어도 50%와 같다.
바람직하게는, 각도 블레이드의 리딩 에지는 실질적으로 축 방향이고, 이것은 터빈 샤프트의 축과 실질적으로 평행한 것이다. 각각의 트레이일 에지는 실질적으로 방사 방향으로 연장되는데 이는 실질적으로 터빈 샤프트의 축에 직교하는 것이다.
바람직하게는, 각도 블레이드는 실질적으로 만곡된 방사 및 축 방향으로 연장되어 있다. 다시 말해, 각각의 각도 블레이드의 표면은 작동 유체의 증기 흐름이 방사 방향에서 축 방향으로 팽창 방향을 바꾸도록 강제한다.
바람직한 실시예에서, 각도 블레이드는 적어도 부분적으로 접선 방향으로 연장되어 작동 유체의 속도 벡터의 접선 방향 성분을 증가시킨다. 이 경우, 흐름 가이드 표면에 인접한 제한 층의 두께 감소로 인해, 효율성 좋게 흐름 전환 동안 유체를 가속시키는 것이 가능하다.
일 실시예에서, 터빈은, 상기 터빈의 샤프트와 정렬되어 있는, 작동 유체의 축상 유입 매니폴드(6)를 포함한다. 이 경우, 각도 블레이드는 고정자 블레이드이다.
각도 블레이드에 의해 야기되는 작동 유체 흐름의 전환은 엔탈피 감소에 해당한다. 각도 블레이드의 어레이에서 일어나는 엔탈피 변화는, 주로, 어레이의 업스트림에서의 압력 값에 대비하여 각각의 인접하는 각도 블레이드 사이에서 유체 압력의 감소에 의해 발생된다. 대응하여, 압력 에너지의 운동 에너지로의 전체 변환이 대부분 유체 역학적 손실(fluid dynamic losses)이 최소로 되는 상태로 일어난다.
수량적인 측면에서, 각도 블레이드의 어레이는, 평균 엔탈피 변화(터빈에서 나타나는 총 엔탈피 변화와 그 스테이지의 수의 비에 의해 정의된다)의 적어도 절반을 일으키고, 각도 블레이드의 어레이에서, 어레이 자체를 위한 엔탈피 변화의 적어도 10%가 상대적인 움직임에 있어서 작동 유체의 운동 에너지로 변환된다.
바람직하게는, 이 실시예에서, 샤프트는, 유입 매니폴드에 대한 반대 측에서 샤프트의 주위에 제공된 베어링에 의해 캔틸레버식으로 지지된다.
다른 대안의 실시예에서, 터빈은 흐름 반전 볼류트(volute)를 포함한다. 각도 블레이드는 회전자 블레이드이고, 볼류트는 이들과 다운스트림에 바로 있는 고정자 블레이드의 어레이와의 사이에서 약 180도 커브를 형성한다. 즉, 이것은 상술한 바와 같은 실질적으로 도넛형의 덕트를 형성한다. 이와 같이 하여, 작동 유체의 증기 팽창의 축 방향 진로의 반전이 이루어진다.
후자의 실시예에서, 바람직하게는, 각도 블레이드와 상기 커브 상기에 연장된 덕트 또는 경로 단면이 적어도 부분적으로 증가하여 각 팽창 방향이 반전되기 전에 작동 유체가 느려지게 된다. 상기 커브의 다운스트림에서 또는 이 커브를 따라, 볼류트는 작동 유체의 적어도 하나의 유입/추출 포트를 구비할 수 있다. 작동 유체의 유입 매니폴드는, 각각의 지지 베어링 다음에, 샤프트에 대해 방사 방향으로 배치될 수 있다.
대체로, 회전자 블레이드의 적어도 하나의 어레이는, 바람직하게는, 히르트 치형(Hirth toothing)으로 샤프트의 대응하는 플랜지에 결합된 지지 디스크 상에 조립된다. 이러한 형태의 결합은 샤프트에 대해 지지 디스크의 자동으로 중심을 잡는 효과(self-centering effect)를 가진다.
지지 디스크를 수반하는 샤프트가 축 방향 추진력의 원하지 않는 영향을 받게 되는 것을 방지하기 위해, 터빈에는 챔버가 형성되며, 이 챔버는 터빈의 대응하는 내부 볼륨에 의해 형성되고, 이 덕분에 디스크의 양면에 가해지는 압력의 균형이 잡힌다.
구체적으로, 이 챔버들은 각 지지 디스크의 업스트림과 다운스트림에 배치된다. 구체적으로, 제1 지지 디스크에 대해 살펴보면, 이 디스크의 같은 측에 배치된 챔버들은 예컨대 미로와 같은 수단에 의해 서로 분리되고, 제1 지지 디스크에 의해 축 방향으로 분리된 챔버들은 디스크 자체에 형성된 하나 이상의 관통공을 통해 서로 소통된다. 또한, 제1 지지 디스크의 다운스트림에 배치된 적어도?하나의 챔버는 제1 지지 디스크의 업스트림에 배치된 터빈의 고압 스테이지와 소통된다.
본 발명에 대한 더 상세한 것은 첨부된 도면을 참조한 이하의 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
도 1은, 본 발명에 따른 터빈의 제1 실시예의 부분 단면도이다.
도 2는, 본 발명에 따른 터빈의 제2 실시예의 부분 단면도이다.
도 3은, 본 발명에 따른 터빈의 제3 실시예의 부분 단면도이다.
도 1은, 본 발명에 따른, 유기 작동 유체의 팽창을 위한 터빈(1)의 축을 따라 대칭인 부분의 일부를 나타내는 도면이다.
바람직하게는, 작동 유체는 탄화 수소류에 속하고, 더욱 바람직하게는 환상탄화수소(cyclic hydrocarbons)에 속한다. 예컨대, 작동 유체는 사이클로펜테인(cyclopentaine)이다.
터빈은, 축 방향(X)으로 연장된 샤프트(2), 외부 케이스(3) 또는 볼류트(volute), 및 서로 교대로 배치된 복수의 고정자 블레이드(S1-Sn) 및 회전자 블레이드(R1-Rn)의 어레이를 포함하고, 고정자 블레이드 및 회전자 블레이드의 어레이는 S1-R1; S2-R2; Sn-Rn과 같은 방식으로 교대로 배치된다.
구체적으로, 터빈(1)은 작동 유체 증기의 팽창 방향에 따라 개념적으로 제1 섹션(A)과 그에 후속하는 제2 섹션(B)으로 구분된다. 제1 섹션(A), 즉 고압 섹션에서는, 작동 유체의 제1 팽창이 실질적으로 방사 방향, 즉 X 축에 직교하는 방향으로 일어나고, 제2 섹션(B), 즉 저압 섹션에서는, 작동 유체의 제2 팽창이 실질적으로 축 방향, 즉 X 축에 평행한 방향으로 일어난다. 터빈의 2개의 A 및 B 섹션 사이에서, 적어도 하나의 각도 고정자 블레이드(AR)의 어레이가 배치되는데, 이것은 팽창의 초기 방사 방향으로부터 축 방향, 또는 심지어 접선 방향(도 1을 관찰할 때 지면에 직교하는 방향)으로 전환하는 기능을 가진다.
구체적으로, 도 1에 도시된 터빈(1)은, 각도 블레이드(AR)의 어레이의 업스트림에서 S1-R1; S2-R2; S3-R3로 방사 방향으로 배치된 3개의 스테이지와, 각도 블레이드(AR)의 어레이의 다운스트림에서 R4-S4; R5-S5(도시되지 않음)으로 축 방향으로 배치된 하나 이상의 스테이지를 포함한다. 일반적으로 각도 블레이드(AR)의 업스트림과 다운스트림에서의 스테이지의 수는 다를 수 있다.
각도 고정자 블레이드(AR)는, 도시된 바와 같이, 볼류트(3)에 결속되고 곡선 경로(축 단면에서 볼 때)를 따라 연장된다. 블레이드(AR)의 리딩 에지(leading edge)(ARi)는, 바람직하게는, 축 방향으로 연장되고, 트레일링 에지(trailing edge)(ARo)는, 바람직하게는, 방사 방향으로 연장된다. 따라서 각 블레이드(AR)는, 작동 유체 흐름의 평균 방사 성분을 감소 또는 제거하고(블레이드 자체의 업스트림에서의 값에 대해) 축 및 접선 성분을 생성하기 위해, 그와 같은 유체 역학적 덕트(fluid dynamic duct)를 가지고 곡선 경로를 따라 연장된다.
바람직하게는, 고정자 블레이드(AR)는, 회전축(X) 상에 배치된 관찰자에 의해 관찰된 때, 기단부와 주변부 사이에서 실질적으로 방사 방향의 제1 길이를 가지고, 주변부는 이어서 블레이드가 원주 방향 또는 접선 방향으로 만곡되며, 그 다음에 축 및 접선 방향으로 점진적으로 굽어진 블레이드 간 덕트(inter-blade duct)가 있다.
일부의 회전자 블레이드(Rn), 바람직하게는 그들 모두는, 도면 번호 '10'으로 식별되는(부분 단면) 히르트 치형(Hirth toothing)에 의해 터빈(1)의 샤프트(2)에 결속된 지지 디스크(8)에 의해 지지된다. 구체적으로, 지지 디스크(8)는 도면에 도시된 바와 같이 샤프트의 플랜지(9)에 결합된다. 히르트 치형은 이 디스크(8)가 방사 방향으로 "떠다닐 수 있도록" 하여, X축에 대해 자동으로 중심으로 되돌아갈 수 있게 한다.
강철 받침 로드(도시되지 않음)가 샤프트(2)의 대응하는 결합 플랜지에 대향하여 지지 디스크(8)를 축 방향으로 가압한다.
샤프트(2)는 각 단부가 베어링(유체 밀봉과 함께 도시된)에 의해 지지되거나 다르게는 지지 디스크(8)와 같은 쪽에 배치된 베어링으로 캔틸레버식으로 지지되는 것이 바람직하다.
볼류트(3)는 팽창될 작동 유체 증기의 하나 이상의 유입 매니폴드(7)를 구비한다.
각 팽창 동안 만들어진 증기의 경로가 화살표로 도시되어 있다.
도 2는 터빈(1)의 다른 실시예를 도시하고 있으며, 여기서는 각도 블레이드(AR)는 회전자 블레이드로서 디스크(8)에 의해 지지된다. 도 1에서와 동일한 도면 부호는 동일하거나 또는 균등한 요소를 나타낸다.
앞선 해결책과 달리, 작동 유체의 증기 흐름이 각도 블레이드(AR)의 어레이로부터 축 방향으로 전환되지만, 터빈(1) 내로 유체가 유입되는 부분을 향해 전환되는, 유체터빈의 축 방향 팽창에 대한 반대 흐름이 나타난다. 이러한 이유로, 볼류트(3)에 제공 흐름 방향을 반전시키기 위해 U자형과 같이 만곡된 도넛형의 덕트(toroidal duct)가 형성되고, 이로써 흐름을 저압 스테이지(B)로 향하도록 할 수 있다.
바람직하게는, 회전자 각도 블레이드(AR)의 다운스트림에서, 덕트(4)의 단면이 증가하는데 이는 그 흐름 방향을 반전시키기 전에 흐름을 느리게 하기 위한 것이다. 블레이드 어레이(AR)와 저압 섹션(B) 사이에, 하나 이상의 인입 또는 추출 포트(5)가 개재될 수 있다.
또한, 본 제2 실시예에서, 각도 블레이드(AR)는, 바람직하게는, 증기 흐름의 속도 벡터의 접선 성분을 각도 블레이드(AR) 자체의 다운스트림에서의 값에 비해 증가시킨다.
도 3은 터빈(1)의 제3 실시예를 보여준다. 각도 블레이드(AR)는 고정자 블레이드이고 볼류트(3)에 의해 지지된다. 제1 실시예와 다르게, 샤프트(3)는 볼류트(3)와 같은 측, 구체적으로는 볼류트(3)의 배출 볼류트와 같은 측에 배치된 대응하는 베어링 상에 캔틸레버식으로 지지된다.
본 실시예에서, 팽창될 증기의 인입은, 도시된 바와 같이, 샤프트(2)에 나란히 정렬되어 있고 동심으로 조립된 축상 매리폴드(6)에 의해, 전방 방향에서 직접 실현된다. 또한, 샤프트(2)가 캔틸레버식으로 조립된 제1 실시예에서 축상 매니폴드(6)가 채용될 수도 있다.
또, 제2 및 제3 실시예에서, 고정자 및 회전자 스테이지의 수는 도면에 나타난 것과 달라질 수 있다.
도 1 내지 3을 참조하면, 터빈(1)은 챔버 C1, C2, C3, C4를 포함하고, 이들 각각은 터빈 내부에서 각각의 압력값으로 특징지워지는 볼륨(volume)을 구분짓는다. 챔버 C1, C2, C3, C4는, 터빈의 서로 다른 섹션 A-B 간의 압력차에 의해 지지 디스크(8)에 대해 가해지는 축 방향 추진력에 대한 보상을 획득하도록 구성된다.
구체적으로, 도 1을 참조하면, 미로(L)는 챔버 C3가 고압 섹션(A)으로부터 실질적으로 분리되도록 한다. 고압 섹션을 통과하는 작동 유체의 압력이 제1 지지 디스크(8)를 챔버 C1 쪽으로(도 1에서의 오른쪽) 밀지 않도록 하기 위해, 챔버 C1은, 어레이 S1-R1 사이에, 또는 고압 섹션(A)에서의 다른 위치에, 제1 디스크(8)를 관통하는 하나 이상의 관통공에 의해 고압 섹션(A)과 연결되어 있다.
유사하게, 챔버 C2 및 C4는 서로 연결되고 또 제2 지지 디스크(8)를 관통하여 연장된 덕트를 통해 터빈의 배출 섹션에 연결되어 있다. 챔버 C1과 C2의 사이에는 분리 미로가 형성되어 있다.
상술한 구성에 있어서, 챔버 C1의 압력은 고압 섹션(A)의 선택된 지점에서의 유체 압력과 같거나 근접하며, 챔버 C2, C3 및 C4의 압력은 터빈의 배출 압력과 같아지도록 된다.
도 1 내지 3 중 어느 도면에든 도시된 터빈(1)에 의해 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 방법을 실현할 수 있다.
터빈(1)에 의해 유기 유체를 가지고 랭킨 사이클에서 높은 엔탈피 변화 및 높은 팽창률을 얻을 수 있다는 것이 장점이다.

Claims (16)

  1. 복수의 스테이지를 구비한 터빈(1)으로 유기 작동 유체를 제공하는 과정을 포함하는, 랭킨 사이클에서 유기 작동 유체를 팽창시키는 방법에 있어서,
    상기 스테이지 각각은, 각각의 회전 축(X) 상에서 회전하는 샤프트(2)에 결속된 회전자 블레이드(R1, Rn)의 어레이와 교대로 배치된 고정자 블레이드(S1, Sn)의 어레이에 의해 정의되고,
    상기 방법은,
    a) 하나 이상의 방사 방향 스테이지(radial stage)를 통해 작동 유체의 제1 팽창을 일으키는 단계;
    b) 각도 블레이드로 지칭되는 블레이드 어레이(AR)에서 상기 작동 유체를, 실질적으로 방사 팽창 방향으로부터 상기 각도 블레이드(AR)와 일체로 된 관찰자를 기준으로 실질적으로 축 및 접선 방향의 팽창 방향으로 전환하는 단계; 및
    c) 하나 이상의 축 방향 스테이지를 통해 제2 유체 팽창을 유도하는 단계
    를 포함하고,
    상기 단계 b)는, 상기 터빈(1)에서의 유체 팽창을 완료하는 경우에 나타나는 평균 엔탈피 변화의 적어도 50%에 해당하는 작동 유체의 엔탈피 변화에 대응하는,
    방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 a)는, 상기 작동 유체를, 고정자 블레이드(S1, Sn)의 적어도 한 어레이 및 방사 방향으로 교대로 배치된 대응하는 회전자 블레이드(R1, Rn)의 적어도 한 어레이를 통과시키는 것에 의해 실행되고,
    상기 단계 c)는, 상기 작동 유체를, 고정자 블레이드(S1, Sn)의 적어도 한 어레이 및 축 방향으로 교대로 배치된 대응하는 회전자 블레이드(R1, Rn)의 적어도 한 어레이를 통과시키는 것에 의해 실행되며,
    상기 단계 b)는, 상기 작동 유체를 고정자 또는 회전자인 각도 블레이드(AR)의 어레이를 통과시키는 것에 의해 실행되는,
    방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 각도 블레이드는 회전자 블레이드이고,
    상기 방법은, 상기 단계 b) 및 상기 단계 c)의 사이에서,
    d) 상기 각도 블레이드(AR)의 어레이의 다운스트림에서 유체 팽창 방향의 진로를 반전시키는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 b)에서 작동 유체의 팽창에 의해 야기된 엔탈피 변화의 적어도 10%가 상기 각도 블레이드(AR)의 어레이로부터 배출되어 오는 작동 유체의 운동 에너지로 변환되는, 방법.
  5. 랭킨 사이클의 유기 작동 유체의 팽창을 위한 터빈(1)에 있어서,
    고정자 블레이드(S1, Sn)의 어레이;
    상기 고정자 블레이드와 교대로 배치된 회전자 블레이드(R1, Rn); 및
    각각의 회전축(X) 상에서 회전하고 상기 회전자 블레이드(R1, Rn)를 지지하는 샤프트(2)
    를 포함하고,
    상기 터빈의 제1 섹션(A)에서 상기 고정자 블레이드(S1, Sn)의 어레이와 상기 회전자 블레이드(R1, Rn)의 어레이가 실질적으로 방사 방향으로 교대로 배치되고,
    상기 터빈의 제2 섹션(B)에서 상기 고정자 블레이드(S1, Sn)의 어레이와 상기 회전자 블레이드(R1, Rn)의 어레이가 실질적으로 축 방향으로 교대로 배치되며,
    상기 제1 섹션과 상기 제2 섹션 사이에, 상기 작동 유체를 실질적으로 방사 팽창 방향으로부터 실질적으로 축 및/또는 접선 팽창 방향으로 전환시키도록 구성된, 각도 블레이드로 지칭되는 회전자 또는 고정자 블레이드(AR)의 어레이가 배치되고,
    상기 각도 블레이드(AR)를 통해 팽창되는 작동 유체의 엔탈피 변화는 상기 터빈(1)에서의 유체 팽창을 완료하는 경우에 나타나는 평균 엔탈피 변화의 적어도 50%에 해당하는,
    터빈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 각도 블레이드(AR)의 리딩 에지(ARi)는 실질적으로 축 방향으로 연장되고, 상기 각도 블레이드의 각각의 트레일링 에지(ARo)는 실질적으로 방사 방향으로 연장되는, 터빈.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 각도 블레이드(AR)는 실질적으로 만곡된 방사 및 축 방향으로 연장되어 있는, 터빈.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각도 블레이드(AR)는 적어도 부분적으로 접선 방향으로 연장되어 상기 각도 블레이드(AR)와 일체로 된 관찰자에 의해 관찰되는 적어도 상대적인 운동에서 상기 유체 속도 벡터의 접선 성분(tangential component)를 증가시키는, 터빈.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샤프트(2)와 정렬되어 있는, 작동 유체의 축상 유입 매니폴드(6)를 더 포함하고,
    상기 샤프트(2)는 상기 축상 유입 매니폴드(6)에 대해 반대측으로부터 제공된 베어링에 의해 캔틸레버식으로 지지되며,
    상기 각도 블레이드(AR)는 고정자 또는 회전자 블레이드인,
    터빈.
  10. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    볼류트(volute)(3)를 더 포함하고,
    상기 각도 블레이드(AR)는 회전자 블레이드이며, 상기 각도 블레이드와, 다운스트림에 바로 있는 고정자 블레이드(S4)의 어레이 사이에서, 상기 볼류트가 유체 팽창의 축 방향의 진로를 반전시키는 약 180도의 커브(4)를 형성하는,
    터빈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 각도 블레이드(AR)와 상기 커브(4) 사이의 경로 단면은 각 팽창 방향이 반전되기 전에 작동 유체의 속도가 감소하도록 적어도 부분적으로 증가하는, 터빈.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 커브(4)의 다운스트림에서, 상기 볼류트(3)가 상기 작동 유체의 적어도 하나의 인입/추출 포트(5)를 구비하고 있는, 터빈.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 지지 베어링 사이의 실질적으로 중간 위치에, 상기 샤프트(2)에 대해 방사 방향으로 배치된 작동 유체의 유입 매니폴드(7)를 더 포함하는 터빈.
  14. 제5항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전자 블레이드(R1, Rn)의 적어도 한 어레이가, 히르트 치형(Hirth toothing)(10)으로 상기 샤프트(2)의 대응하는 플랜지(9)에 결합된 지지 디스크(8) 상에 조립되어 있는, 터빈.
  15. 제14항에 있어서,
    회전축(X)을 기준으로 한 제1 지지 디스크(8)의 업스트림과 다운스트림에서, 적어도 하나의 챔버(C1-C4)가 터빈(1)의 대응하는 내부 볼륨에 의해 정의되어 형성되고,
    상기 제1 지지 디스크(8)의 동일한 측에 배치된 챔버들(C1 ,C4)은 실질적으로 서로 분리되어 있고,
    상기 제1 지지 디스크(8)에는, 상기 제1 지지 디스크(8) 자체에 의해 분리된 2개의 챔버들(C3, C4) 내의 압력을 균등화시키기 위한 적어도 하나의 관통공, 또는 상기 제1 지지 디스크(8)의 다운스트림에서의 챔버(C1)의 압력을 상기 터빈(1)의 제1 섹션(A) 내의 압력과 균등화시키기 위한 적어도 하나의 관통공이 형성되어 있는,
    터빈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 터빈은 2개의 지지 디스크(8)를 포함하고,
    제2 지지 디스크가, 상기 제1 지지 디스크의 다운스트림에 배치되며 또 상기 제2 지지 디스크의 업스트림에 바로 있는 챔버(C4) 내의 압력을 상기 터빈(1)의 배출 압력과 균등화시키기 위한 적어도 하나의 관통공을 구비하고 있는,
    터빈.
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