KR20160131042A - 전기 터보 기계 및 발전 장치 - Google Patents

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KR20160131042A KR1020167027158A KR20167027158A KR20160131042A KR 20160131042 A KR20160131042 A KR 20160131042A KR 1020167027158 A KR1020167027158 A KR 1020167027158A KR 20167027158 A KR20167027158 A KR 20167027158A KR 20160131042 A KR20160131042 A KR 20160131042A
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Abstract

전기 터보 기계는 고정자(101)와, 회전자(102)와, 기화성 물질, 예를 들면 물을 기화 형태로 함유하는 작동 유체에 의하여 구동되는 터빈 섹션(110)을 포함한다. 상기 회전자는 회전자를 통해서 기화성 물질을 액체 형태로 포함하는 냉각 유체를 안내하기 위한 냉각 채널(106 내지 109)을 포함한다. 상기 회전자는 상기 터빈 섹션의 임펠러 또는 임펠러들(111 내지 114)이 회전자에 직접 연결되는 영역을 통해 냉각 유체를 안내하고, 상기 작동 유체가 터빈 섹션으로부터 배출되도록 설치된 동일한 챔버로 냉각 유체를 안내하도록 설치되어 있다. 전술한 냉각 시스템은, 전기 터보 기계의 베어링이 기화성 물질에 의해 윤활되고, 공급 펌프가 회전자에 직접 연결되며, 가스 상태의 기화성 물질이 고정자의 가스 공간을 채우고 있는 발전 장치에서 전기 터보 기계를 밀폐 구조체로서 용이하게 구성할 수 있다.

Description

전기 터보 기계 및 발전 장치{AN ELECTRICAL TURBO-MACHINE AND A POWER PLANT}
본 발명은 일반적으로 회전형 전기 기계에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 발전 장치의 터보 발전기로서 작동하기에 적합한 전기 터보 기계에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전기 에너지를 발생시키기 위한 발전 장치에 관한 것이다.
전형적인 랭킨 사이클(Rankine Cycle) 발전 장치는 물을 작동 유체로 사용하는 증기 발전 장치, 또는, 예를 들면, 실록산과 같은 적절한 유기 기화성(vaporizable) 물질을 작동 유체로 사용하는 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle; ORC) 발전 장치이다. 많은 경우에, 랭킨 사이클 발전 장치의 가장 유리한 크기를 결정하는 기술적 및/또는 경제적 문제가 존재할 수 있다. 예시를 목적으로, 이하에서 증기 발전 장치를 보다 구체적으로 설명한다. 여러 가지 일반적인 증기 발전 장치에 있어서, 증기 터빈의 샤프트는 무접촉 래비린드 시일(contactless labyrinth seal)로 밀봉되며, 증기가 상기 래비린드 시일을 통해서 대기로 유동하여, 대기가 증기 발전 장치의 증기 시스템으로 누출되는 것을 방지한다. 따라서, 증기 발전 장치로부터 연속적인 증기 유동(steam flow)이 배출된다. 이의 필연적인 결과로서, 전술한 증기 유동에 의하여 제거된 물을 대체하기 위하여 충분히 정화된 공급수를 생성하는 급수 장치가 필요하다. 또한, 증기 발전 장치가 정지되고 래비린드 시일을 통한 전술한 증기 유동 또한 정지하는 경우에, 대기는 증기 발전 장치의 증기 시스템으로 유동한다. 따라서, 증기 발전 장치가 다시 기동할 때, 증기 시스템으로부터 공기를 제거하기 위한 충분히 효율적인 기구가 필요하다. 또한, 다수의 통상적인 증기 발전 장치에 있어서, 증기 터빈과 발전기의 샤프트는 회전형 오일 시일과 오일 순환 기구를 필요로 하는 오일로 윤활되는 베어링으로 지지된다. 특히, 소형 증기 발전 장치에 있어서, 직접 네트워크에 접속된 발전기와 증기 터빈 사이에 오일로 윤활되는 기어가 구비될 수도 있다. 전술한 점에 기인하여, 통상적인 증기 발전 장치의 정격 출력에 대한 실제 하한선은 약 3 내지 5 MW이며, 그 이유는 이보다 소형인 통상적인 증기 발전 장치는 일반적으로 경제적인 면에서 효율적이지 않기 때문이다.
밀폐형 증기 발전 장치는 증기 터빈의 하나 이상의 임펠러가 전기 터보 기계의 발전기 섹션의 회전자에 직접 연결되는 전기 터보 기계를 포함한다. 또한, 전기 터보 기계의 베어링은 물에 의하여 윤활되고, 공급 펌프의 임펠러가 발전기 섹션의 회전자에 직접 연결되며, 발전기 섹션의 가스 공간은 증기로 충전된다. 전술한 유형의 밀폐형 증기 발전 장치의 경우, 래비린드 시일을 통한 대기로의 증기 유동이 필요하지 않고, 전기 터보 기계의 베어링에 대하여 오일 순환 기구가 필요하지 않으며, 기어박스도 필요하지 않다. 또한, 밀폐형 증기 발전 장치의 응축기의 진공 펌프는 통상적인 증기 발전 장치의 그것과 비교하여 매우 소형일 수 있다. 밀폐형 증기 발전 장치에 있어서, 진공 펌프의 목적은 단지 플랜지형 시일을 통해서 발생할 수 있는 공기 누설의 가능성을 배제시키기 위한 것이다. 그런 이유로, 통상적인 증기 발전 장치에서와 같은 복잡한 메카니즘은 필요하지 않다. 따라서, 밀폐형 증기 발전 장치는 정격 출력이 작은 경우에 비용 측면에서 효과적일 수 있다. 전술한 종류의 밀폐형 발전 장치의 작동 사이클이 물 이외의 기화성 재료에 기반을 둘 수 있다는 것에 주목할 필요가 있다. 예를 들면, 실록산류 중 어느 하나와 같은 적절한 유기 기화성 재료를 물 대신에 사용할 수 있다.
그러나, 전술한 종류의 밀폐형 발전 장치는 난제가 없는 것은 아니다. 난제 중 하나는 발전기의 냉각과 관련된 것이다. 국제특허공개공보 WO 2008/046957호는 발전기를 전술한 증기로 냉각하기 위하여 터빈으로부터 배출되는 증기가 발전기의 가스 공간 내에서 순환하는 증기 발전 장치를 개시하고 있다. 그러나, 터빈으로부터 배출되는 증기는, 특히 증기 발전 장치가, 예를 들어 구역별로 열을 발생시키는데 이용되는 배압 발전 장치인 경우에, 발전기를 냉각시키기에 너무 뜨겁다. 발전기를 냉각시키기 위하여 고온 증기를 이용하는 것은 중대한 문제를 초래할 수 있는데, 그 이유는 고온 증기가 원하지 않는 가수분해 반응을 초래하여 통상적인 절연 재료를 손상시키는 경향이 있기 때문이다. 가수분해에 의하여 초래된 손상 효과는 온도가 증가할 때 더욱 악화된다.
본 발명의 몇몇 실시예의 기본적인 이해를 돕기 위하여 하기의 간략한 요약을 제공한다. 이러한 요약은 본 발명을 광범위하게 설명하는 것은 아니다. 또한, 이것은 본 발명의 핵심적이거나 대단히 중요한 요소들을 확인하고자 하는 것도 아니며, 본 발명의 범위를 기술하려는 것도 아니다. 하기의 요약은 본 발명의 예시적인 구체예들에 대한 보다 상세한 설명에 대한 서막으로서, 단지 본 발명의 일부 개념을 단순한 형태로 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 예를 들면, 발전 장치의 터보 발전기(이것에 제한되지 않는다)로서 사용되기에 적합한 신규의 전기 터보 기계를 제공한다. 본 발명에 따른 전기 터보 기계는 고정자와, 회전자와, 기화성 물질, 예를 들면 물을 기화 형태로 함유하는 작동 유체에 의하여 구동되는 터빈 섹션을 포함한다.
상기 전기 터빈 기계의 회전자는,
- 하나 이상의 터빈 임펠러가 제2 샤프트 섹션에 직접 연결되도록 배치된 제1 및 제2 샤프트 섹션;
- 제1 및 제2 샤프트 섹션 사이에서 회전자의 축방향으로 배치되며, 고정자와 자기적으로 상호 작용할 때 토크를 발생시키는 전자기 반응 섹션(electromagnetically active section);
- 제1 샤프트 섹션에서 냉각 유체(cooling flow)를 수용하기 위하여, 냉각 유체를 제2 샤프트 섹션으로 안내하고 제2 샤프트 섹션으로부터 배출되는 냉각 유체를 안내하기 위한 냉각 채널을 포함한다.
제2 샤프트 섹션은 하나 이상의 터빈 임펠러가 제2 샤프트 섹션에 직접 연결되는 영역을 통해 냉각 유체를 안내하기 위하여 그리고 작동 유체가 터빈 섹션으로부터 배출되도록 설치된 동일한 챔버로 냉각 유체를 안내하도록 설치되어 있다. 냉각 유체는 작동 유체와 동일한 기화성 물질이지만, 액체 형태가 바람직하다.
전술한 냉각 시스템은, 전기 터보 기계의 베어링이 기화성 물질로 윤활되고, 공급 펌프가 회전자에 직접 연결되며, 가스 상태의 기화성 물질이 고정자의 가스 공간을 채우고 있는 발전 장치에서, 전기 터보 기계를 밀폐 구조체로서 용이하게 구성할 수 있다. 기화성 물질을 액체 형태로 함유하는 냉각 유체는, 예를 들면 응축기 탱크 또는 기화성 물질을 액체 형태로 함유하는 또 다른 부재로부터 제공될 수 있다. 또한, 전기 터보 기계의 냉각용 유체를 사용하기 전에 응축기 탱크 또는 다른 부재로부터 이용된 액체를 냉각하기 위한 냉각기가 구비될 수도 있다. 냉각기는 액체 대 공기 열교환기 또는, 예를 들면, 해수 또는 다른 충분한 냉각 유체를 이용할 수 있는 경우에 액체 대 액체 열교환기일 수 있다.
본 발명의 몇몇 예시적이고 비제한적인 구체예들과 관련하여 전술한 회전자의 제1 및 제2 샤프트 섹션은 회전자의 전자기 반응 섹션의 적어도 일부와 동일한 종류의 재료로 제조될 수 있다는 것에 주목할 필요가 있다. 한편, 본 발명의 몇몇 예시적이고 비제한적인 구체예들과 관련하여 회전자의 제1 및 제2 샤프트 섹션 중 하나 또는 모두는 회전자의 전자기 반응 섹션과는 다른 종류의 재료들로 제조될 수 있다.
본 발명에 따르면, 물을 작동 유체로 사용하는 증기 발전 장치(이것에 제한되지 않는다)인 신규의 발전 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 발전 장치는,
- 작동 유체를 기화하기 위한 보일러;
- 기화된 작동 유체에 포함된 에너지를 전기 에너지로 변환시키기 위한, 본 발명에 따른 전기 터보 기계;
- 상기 전기 터보 기계로부터 배출되는 기화된 작동 유체를 응축하기 위한 응축기;
- 전기 터보 기계를 응축된 작동 유체로 냉각하기 위하여, 상기 응축된 작동 유체의 제1 부분을 보일러에 펌핑하고, 상기 응축된 작동 유체의 제2 부분을 전기 터보 기계에 펌핑 하기 위한 펌프 시스템을 포함한다.
본 발명의 몇몇 예시적이고 비제한적인 구체예들에 따른 발전 장치에 있어서, 상기 발전 장치는 작동 유체를 과열하기 위한 과열기(superheater)를 포함한다. 이 경우에, 기화된 작동 유체라는 용어는 실제로 과열 처리된 기화된 작동 유체를 의미한다. 일반적으로, 과열기는 작동 유체가 물인 경우에 유리하며, 포화 증기는 유기 작동 유체가 사용되는 경우에 보다 유리한 것이 일반적이다.
본 발명의 다수의 예시적이고 비제한적인 구체예들은 첨부된 종속항들에 기술되어 있다.
구조 및 작동 방법 모두에 관한 본 발명의 다양한 예시적이고 비제한적인 구체예들, 및 이들의 추가적인 목적들 및 장점들은, 첨부 도면들을 참조하는 경우에, 하기의 예시적인 특정 구체예들에 대한 설명으로부터 가장 잘 이해될 것이다.
"포함한다" 및 "구비한다"라는 동사는 본 명세서에서 인용되지 않은 특징의 존재를 배제하거나 또는 필요로 하지 않는 것이 아니고, 개방된 한정사항으로 사용된다. 종속항들에 인용된 특징들은, 그렇지 않다고 명백하게 기술되어 있지 않는 한, 상호 자유롭게 조합될 수 있다. 나아가, "하나의", 즉 단수형의 사용은 본 명세서 전반에 걸쳐 복수를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 예시적이고 비제한적인 구체예와 그 장점들은 첨부 도면들을 참조하여 하기에서 실시예로서 보다 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 예시적이고 비제한적인 구체예에 따른 전기 터보 기계의 단면도를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 예시적이고 비제한적인 구체예에 따른 전기 터보 기계의 회전자의 단면도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 예시적이고 비제한적인 구체예에 따른 전기 터보 기계의 회전자의 단면도를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 예시적이고 비제한적인 구체예에 따른 전기 터보 기계의 회전자의 단면도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 예시적이고 비제한적인 구체예에 따른 발전 장치의 개략도를 도시한다.
도 1은 본 발명의 예시적이고 비제한적인 구체예에 따른 전기 터보 기계(100)의 단면도를 도시한다. 상기 단면도는 좌표계(199)의 yz-평면을 따라 절취한 것이다. 전기 터보 기계는 고정자(101)와 상기 고정자와 자기적으로 상호 작용하기 위한 회전자(102)를 포함한다. 회전자(102)는 베어링(141 및 142)에 의하여 회전 가능하게 지지된다. 전기 터보 기계(100)가 화력 발전 장치의 터보 발전기로서 사용되는 경우에, 베어링(141 및 142)은 바람직하게는 물로 윤활되는 베어링이다. 전기 터보 기계(100)가 물 이외의 다른 몇몇 작동 유체를 이용하는 발전 장치, 예를 들면, 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle) 발전 장치의 터보 발전기로서 사용되는 또 다른 경우에, 베어링(141 및 142)은 고려되고 있는 작동 유체로 윤활되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 전기 터보 기계는 본 구체예의 경우에 터빈 임펠러(111, 112, 113 및 114)를 포함하는 터빈 섹션(110)을 포함한다. 터빈 섹션(110)은 기화성 물질, 예를 들면 물을 기화 형태로 함유하는 작동 유체에 의하여 구동될 수 있다. 도 1에서 작동 유체 유동(working flow)은 점선 화살표로 표시되어 있다. 터빈 섹션의 상세 구성, 예를 들면 임펠러 등의 갯수는 사용되는 기화성 재료 및/또는 온도, 압력 강하 등과 같은 소정의 작동 조건에 좌우된다.
상기 전기 터보 기계의 고정자(101)는 강자성 코어 구조체(121)를 포함하며, 상기 강자성 코어 구조체는 본 구체예에서 다수의 고정자 치형부와 다수의 고정자 슬롯으로 구성되어 있다. 고정자는 고정자 슬롯 내에 배치된 다수의 고정자 코일을 포함하는 권선부들을 포함한다. 고정자는 공극 권선부(air-gap winding)와 무치형부(toothless) 강자성 코어 구조체를 포함하는 것도 가능하다. 강자성 코어 구조체(121)는 서로 전기적으로 절연되고 회전자(102)의 축방향과 평행한 방향으로 적층된 강판으로 제조되는 것이 바람직하다. 축방향은 축방향 좌표계(199)의 z-방향과 평행하다. 상기 전기 터보 기계의 회전자(102)는 제1 샤프트 섹션(103), 제2 샤프트 섹션(104) 및, 상기 회전자의 축방향으로 제1 샤프트 섹션과 제2 샤프트 섹션 사이에 배치된 전자기 반응 섹션(105)을 포함한다. 전자기 반응 섹션(105)은 고정자(101)와 자기적으로 상호 작용할 때 토크를 발생시킬 수 있다. 전자기 반응 섹션(105)은 회전자와 고정자 사이의 공극(air-gap)을 투과하는 자속을 생성하기 위한 영구 자석을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 전기 터보 기계는 영구 자석 동기 발전기(Permanent Magnet Synchronous Generator; PMSG)로서 동작할 수 있다. 전기 터보 기계가 비동기 전기 기계로서 동작할 수 있도록 전자기 반응 섹션(105)은 도전성 구조체를 포함하는 것도 가능하다. 도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 터빈 임펠러(111 내지 114)(일부 경우에, 단일 터빈 임펠러)가 회전자의 제2 샤프트 섹션(104)에 직접 연결된다.
회전자(102)는 제1 샤프트 섹션(103)에서 냉각 유체를 수용하기 위하여, 제2 샤프트 섹션(104)에 냉각 유체를 안내하기 위하여, 그리고 제2 샤프트 섹션으로부터 배출되는 냉각 유체를 안내하기 위하여 냉각 채널을 포함한다. 도 1에 도시되어 있는 냉각 채널은 참조부호 106, 107, 108 및 109로 표시되어 있다. 도 1에서, 냉각 유체 유동은 실선 화살표로 지시되어 있다. 냉각 유체는 작동 유체와 동일한 기화성 물질로 이루어지는 것이 바람직하지만, 액체 형태이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 샤프트 섹션(104)은 터빈 임펠러(111 내지 114)가 직접 제2 샤프트 섹션에 연결되어 있는 영역을 통해 냉각 유체를 안내하기 위하여 그리고 작동 유체가 터빈 섹션(110)으로부터 배출되는 동일한 챔버에 냉각 유체를 안내하기 위하여 배열되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전자기 반응 섹션(105)에 위치하는 냉각 채널의 부분은 제1 샤프트 섹션(103)에서 냉각 유체를 수용하기 위한 냉각 채널의 부분보다 회전자의 회전축으로부터 더 멀다. 회전자에서 발생하는 손실의 대부분은 공극 표면 부근의 영역에서 발생하기 때문에, 냉각 채널(107 및 108)은 회전자의 공극 표면에 가까운 것이 바람직하다. 도 1에 도시된 구체예의 경우에, 제1 샤프트 섹션(103) 내부의 냉각 채널은 회전자의 회전축과 동축이며 냉각 유체를 수용하기에 적합한 보어(bore)이다. 상기 전기 터보 기계는 제1 샤프트 섹션(103)의 상기 보어에 냉각 유체를 공급하기 위한 공급관(116)을 포함한다. 공급관은 고정자에 대하여 고정될 수 있는데, 즉, 회전자는 공급관에 대하여 회전할 수 있다. 이 경우, 공급관의 외부 표면과 전기 터보 기계의 케이싱 사이에 밀봉 조인트를 배치하는 것이 간단하다. 예를 들면, 제1 샤프트 섹션의 보어와 공급관(116)의 단부 사이에 밀봉을 제공하기 위하여 무접촉 래비린드 시일(contactless labyrinth seal; 117)이 제공될 수 있다.
본 발명의 예시적이고 비제한적인 구체예에 따른 전기 터보 기계는 제1 샤프트 섹션(103)에 직접 연결된 펌프 임펠러(118)를 포함한다. 펌프 임펠러는 액체를 펌핑하기에 적합하고, 전기 터보 기계가 발전 장치의 터보 발전기로서 사용되는 경우에 공급 펌프로서 사용될 수 있다. 펌프 임펠러(118)는, 예를 들어 "바스크(Barske)"형 부분 배출 펌프의 직선형 베인 레디얼 임펠러(straight vane radial impeller)일 수 있다. 도 1에 도시된 구체예의 경우에, 회전자의 제1 샤프트(103)와 공급관(116)은 펌프 임펠러(118)가 제1 샤프트 섹션에 직접 연결되어 있는 영역을 통해 냉각 유체를 안내하도록 배열되어 있다. 냉각 유체는 회전자에 축방향으로 진입하고, 펌프 임펠러를 통해 유동한다. 또한, 냉각 유체를 회전자의 다수의 반경방향 보어(radial bore)를 통해 반경방향으로 공급하는 것도 가능하다. 예를 들면, 제1 샤프트 섹션은, 제1 샤프트 섹션을 지지하며 냉각 유체의 물질에 의하여 윤활되는 베어링(141)으로부터 냉각 유체를 수용하기에 적합한 반경방향 보어들을 포함할 수 있다. 그러나, 이것은 회전자에 냉각 유체를 공급할 때 원심력에 대항하여 작동하는 것을 필요로 한다. 그러나, 이것은 냉각 유체 배출구 또는, 예를 들면, 베인과 같은 몇몇 다른 구조에 반경방향 보어를 형성하는 것에 의하여 보상될 수 있으므로, 냉각 유체 배출구에서 원심력에 기초한 흡입 효과(suction-effect)를 제공하기 위하여 회전자의 회전축을 중심으로 냉각 유체를 회전 운동시킨다.
본 발명의 예시적이고 비제한적인 구체예에 따른 전기 터보 기계에 있어서, 고정자의 권선부에는 냉각 유체를 안내하기 위한 튜브형 채널(119)이 마련된다. 튜브형 채널은, 예를 들면 플라스틱 또는 다른 적절한 재료로 제조된 튜브일 수 있으며, 이는 권선부의 전선들 사이에 배치된다. 권선부의 전선들은 전기 전도성 실(thread)들을 튜브형 코어 둘레에 엮어서 만들어진 구조체를 구비하는 것도 가능하다. 이러한 경우에, 냉각 튜브는 온수의 흐름에 의해 야기되는 부식 현상을 견디며, 증기 분위기를 확실하게 견디는 스테인레스 스틸과 같은 전기 전도성 재료로 제조될 수 있다. 이 경우에, 냉각 시스템의 유전기적 분리부(galvanic separation)가 전기 터보 기계의 외측에 배치되어야 한다.
본 발명의 예시적이고 비제한적인 구체예에 따른 전기 터보 기계에 있어서, 고정자의 프레임 구조체는 고정자의 강자성 코어 구조체(121)를 에워싸며 고정자를 냉각하기 위한 유체 재킷(liquid jacket)이 구비되기에 적합한 룸(room; 120)을 포함한다. 고정자는 고정자의 단부 권선부와 고정자의 프레임 구조체 사이에 열전도 관계를 제공하기 위하여 구비된, 예를 들면 열전도가 양호하고 증기에 대하여 내성이 있는 특수 수지와 같은 고형 재료(122)를 또한 포함할 수 있다.
전술한 종류의 전기 터보 기계가 증기 발전 장치의 터보 발전기로서 사용되는 경우에, 가스 공간(144)은 증기로 충전되는 것이 일반적이다. 회전자(102)가 물에 의해 내측으로부터 냉각되고, 또한 프레임 구조체 및/또는 고정자의 권선부도 물에 의해 냉각될 수 있기 때문에, 증기가 충전된 가스 공간의 온도는 충분히 낮게 유지될 수 있다. 또한, 고정자의 프레임 구조체에는 터빈 섹션의 임펠러 챔버로부터 가스 공간(144)으로 누설되는 증기 또는 다른 작동 유체의 일부를 냉각하기 위한 유체 재킷을 수용하기 위한 룸(room; 157)이 구비될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 예시적이고 비제한적인 구체예에 따른 전기 터보 기계의 회전자(202)의 단면도를 도시한다. 도 2a에 도시된 단면도는 도 2b에 도시된 선 B-B를 따라 절취한 것이며, 단면도의 평면은 좌표계(299)의 yz-평면과 평행하다. 도 2b에 도시된 단면도는 도 2a에 도시된 선 A-A를 따라 절취한 것이며, 단면도의 평면은 좌표계(299)의 xy-평면과 평행하다. 회전자(202)는 제1 샤프트 섹션(203), 제2 샤프트 섹션(204), 및 회전자의 축방향에서 제1 및 제2 샤프트 섹션 사이에 전자기 반응 섹션(205)을 포함하며, 여기에서 축방향은 좌표계(299)의 z-방향이다. 회전자는 회전자를 통해 냉각 유체를 안내하기 위한 냉각 채널들을 포함한다. 냉각 채널들의 일부는 도 2a 및 도 2b에서 참조부호 206, 207, 208 및 209로 표시되어 있다. 전자기 반응 섹션(205)은 전기 터보 기계의 고정자와 회전자 사이에서 자속을 위한 자기 회로의 일부를 구성하는 강자성 요크 섹션(234)과 영구 자석을 포함한다. 영구 자석 중에서 하나가 도 2a 및 도 2b에 참조부호 230으로 지시되어 있다. 강자성 요크 섹션(234)은 강자성 요크 섹션 내에 냉각 채널을 구성하는 축방향 보어들을 갖는다. 축방향 보어들 중에서 두 개가 도 2a 및 도 2b에서 참조부호 207 및 208로 표시되어 있다. 강자성 요크 섹션의 축방향 보어들은 강자성 요크 섹션을 부식으로부터 보호하기 위하여, 예를 들면 스테인레스 스틸 또는 다른 스테인레스 재료로 라이닝될 수 있다. 제1 및 제2 샤프트 섹션(203 및 204)를 구성하는 부재는, 예를 들면 스테인레스 스틸로 제조될 수 있다. 강자성 요크 섹션(234)과 제2 샤프트 섹션(203 및 204)을 구성하는 부재는, 예를 들면 용접에 의하여 상호 결합될 수 있다. 또한, 회전자는 냉각 유체가 영구 자석에 출입하는 것을 방지하기 위하여 O형-링 밀봉부 또는 다른 적절한 밀봉 수단을 포함할 수 있다. O형-링 밀봉부 중의 하나가 도 2a에서 참조부호 245로 표시되어 있다. 회전자는 전자기 반응 섹션(205)를 에워싸며 회전자의 반경방향으로 전자기 반응 섹션을 지지하는 튜브형 밴드 구조체(233)를 포함하는 것이 바람직하다. 튜브형 밴드 구조체(233)는, 예를 들면 스테인리스 또는 탄소 섬유 복합재료로 제조될 수 있다. 내부 밴드가 탄소 섬유 복합재료로 제조되고, 외부 밴드가 스테인레스 스틸로 제조되도록, 튜브형 밴드 구조체(233)는 두 개의 중첩된 밴드를 포함하는 것도 가능하다. 내부 밴드는 지지부를 반경방향으로 제공하고, 외부 밴드는 전기 터보 기계의 공극 내에 존재할 수 있고 탄소 섬유 복합재료를 손상시킬 수 있는 물질로부터 내부 밴드를 보호한다. 또한, 회전자는 엔드 링(end-ring; 231 및 232)을 포함한다. 엔드 링(231 및 232)은, 예를 들면 스테인레스 스틸로 제조될 수 있다. 튜브형 밴드가 스테인레스 스틸로 제조되는 경우에, 튜브형 밴드는 단단한 구조를 얻기 위하여 엔드 링에 용접될 수 있다. 엔드 링이 제1 및 제2 샤프트 섹션(203 및 204)과 강자성 요크 섹션(234)을 구성하는 부재 간의 연결부(joints)를 덮도록 배치되기 위하여, 엔드 링은 냉각 유체가 영구 자석에 출입하는 것을 방지하는데 사용될 수 있다. 도 2b에 도시된 단면도로부터 알 수 있는 바와 같이, 영구 자석은 본 구체예에서 회전자가 바람직하게는 일극쌍(one-pole-pair) 회전자이도록 위치설정된다. 영구 자석 사이의 재료(235)는, 예를 들면 알루미늄일 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 예시적이고 비제한적인 구체예에 따른 전기 터보 기계의 회전자(302)의 단면도를 도시한다. 도 3a에 도시된 단면도는 도 3b에 도시된 선 B-B를 따라 철취한 것이며, 단면도의 평면은 좌표계(399)의 yz-평면과 평행하다. 도 3b에 도시된 단면도는 도 3a에 도시된 선 A-A를 따라 절취한 것이며, 단면도의 평면은 좌표계(399)의 xy-평면과 평행하다. 회전자(302)는 제1 샤프트 섹션(303), 제2 샤프트 섹션(304), 및 제1 및 제2 샤프트 섹션 사이에서 회전자의 축방향으로 배치된 전자기 반응 섹션(305)을 포함하며, 여기에서 축방향은 좌표계(399)의 z-방향이다. 회전자는 회전자를 통해 냉각 유체를 안내하기 위한 냉각 채널들을 포함한다. 냉각 채널들 중 일부는 도 3a 및 도 3b에 참조부호 306, 307, 308 및 309로 표시되어 있다. 전자기 반응 섹션(305)은 전기 터보 기계의 고정자와 회전자 사이에서 자속을 위한 자기 회로의 일부를 구성하는 강자성 요크 섹션(334)과 영구 자석들을 포함한다. 영구 자석들 중 하나가 도 3a 및 도 3b에 참조부호 330으로 표시되어 있다. 강자성 요크 섹션(334)은 강자성 요크 섹션 내에 냉각 채널을 구성하는 축방향 보어들을 포함한다. 축방향 보어들 중에서 2개가 도 3a 및 도 3b에서 참조부호 307 및 308로 표시되어 있다. 강자성 요크 섹션의 축방향 보어들은 강자성 요크 섹션을 부식으로부터 보호하기 위하여, 예를 들면 스테인레스 스틸 또는 다른 스테인레스 재료로 라이닝될 수 있다. 회전자의 부재(336 및 337)는, 예를 들면 스테인레스 스틸로 제조될 수 있다. 강자성 요크 섹션(334)과 부재(336 및 337)는, 예를 들면 수축 끼움(shrink fit) 및/또는 용접에 의하여 상호 결합될 수 있다. 회전자는 전자기 반응 섹션(305)을 에워싸며 회전자의 반경방향으로 전자기 반응 섹션을 지지하는 튜브형 밴드 구조체를 포함하는 것이 바람직하다. 본 구체예에서, 내부 밴드(333a)가 탄소 섬유 복합재료로 제조되고, 외부 밴드(333b)가 스테인레스 스틸로 제조되도록, 튜브형 밴드 구조체는 두 개의 중첩된 밴드(333a 및 333b)를 포함한다. 내부 밴드는 지지부를 반경방향으로 제공하고, 외부 밴드는 전기 터보 기계의 공극 내에 존재할 수 있고 탄소 섬유 복합재료를 손상시킬 수 있는 물질로부터 내부 밴드를 보호한다. 도 2b에 도시된 단면도로부터 알 수 있는 바와 같이, 영구 자석은 본 구체예에서 회전자가 바람직하게는 양극쌍(two-pole-pair) 회전자이도록 위치설정된다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 예시적이고 비제한적인 구체예에 따른 전기 터보 기계의 회전자(402)의 단면도를 도시한다. 도 4a에 도시된 단면도는 도 4b에 도시된 선 B-B를 따라 철취한 것이며, 단면도의 평면은 좌표계(499)의 yz-평면과 평행하다. 도 4b에 도시된 단면도는 도 4a에 도시된 선 A-A를 따라 절취한 것이며, 단면도의 평면은 좌표계(499)의 xy-평면과 평행하다. 회전자(402)는 제1 샤프트 섹션(403), 제2 샤프트 섹션(404), 및 제1 및 제2 샤프트 섹션 사이에서 회전자의 축방향으로 배치된 전자기 반응 섹션(405)를 포함하며, 여기에서 축방향은 좌표계(499)의 z-방향이다. 회전자는 회전자를 통해 냉각 유체를 안내하기 위한 냉각 채널들을 포함한다. 냉각 채널들 중 일부는 도 4a 및 도 4b에 참조부호 406, 407, 408 및 409로 표시되어 있다. 전자기 반응 섹션(405)은 전기 터보 기계의 고정자와 회전자 사이에서 자속을 위한 자기 회로의 일부를 구성하는 강자성 섹션(434)과 전류를 전달하기 위한 케이지 권선부를 포함한다. 그러므로, 회전자는 비동기(asynchronous) 기계에 적합하다. 케이지 권선부는 엔드 링과 상기 엔드 링 사이에 바(bar)들을 포함한다. 바들 중 하나가 도 4a 및 도 4b에 참조부호 438로 표시되어 있다. 케이지 권선부의 바들은 전자기 반응 섹션(405) 내부에 냉각 채널을 구성하기 위하여 튜브형으로 형성된다. 케이지 권선부의 튜브형 바들의 내부면은 바들을 부식 및/또는 침식으로부터 보호하기 위하여, 예를 들면 스테인레스 스틸 또는 다른 스테인레스 재료로 라이닝될 수 있다. 제1 및 제2 샤프트 섹션(403 및 404)을 구성하는 부재는, 예를 들면 스테인레스 스틸로 제조될 수 있다. 강자성 섹션(434)과 제1 및 제2 샤프트 섹션(403 및 404)을 구성하는 부재는, 예를 들면 용접에 의하여 상호 결합될 수 있다. 회전자는 전자기 반응 섹션(405)를 에워싸며 회전자의 반경방향으로 전자기 반응 섹션을 지지하는 튜브형 밴드 구조체(433)를 포함하는 것이 바람직하다. 튜브형 밴드 구조체(433)는 예를 들면 스테인레스 스틸 또는 탄소 섬유 복합재료로 제조될 수 있다. 또한, 내부 밴드가 탄소 섬유 복합재료로 제조되고, 외부 밴드가 스테인레스 스틸로 제조되도록, 튜브형 밴드 구조체(433)는 두 개의 중첩된 밴드를 포함하는 것도 가능하다. 내부 밴드는 지지부를 반경방향으로 제공하고, 외부 밴드는 전기 터보 기계의 공극 내에 존재할 수 있고 탄소 섬유 복합재료를 손상시킬 수 있는 물질로부터 내부 밴드를 보호한다.
도 5는 본 발명의 예시적이고 비제한적인 구체예에 따른 발전 장치를 개략적으로 도시한다. 상기 발전 장치는, 바람직하게는 물을 작동 유체로서 사용하는 증기 발전 장치이다. 몇몇 경우에서 상기 발전 장치는, 예를 들면 적절한 유기 유체를 작동 유체로서 사용하는 유기 랭킨 사이클(ORC) 에너지 컨버터일 수 있다. 유기 유체는, 예를 들면 실록산류 중 하나일 수 있지만, 반드시 그러한 것은 아니다. 발전 장치는, 작동 유체를 기화하기 위한 보일러(551)와, 기화된 작동 유체에 포함된 에너지를 전기 에너지로 변환시키기 위한 전기 터보 기계(500)를 포함한다. 전기 에너지는 주파수 변환기(558)에 의하여 전력망(power grid; 559)에 공급된다. 전기 터보 기계(500)는 기화된 작동 유체에 포함된 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 터빈 섹션과, 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 발전기 섹션을 포함한다. 발전기 섹션은 고정자와 상기 고정자와 자기적으로 상호 작용하기 위한 회전자를 포함한다. 터빈 섹션은 발전기 섹션의 회전자에 직접 연결된 하나 이상의 임펠러를 포함한다. 전기 터보 기계(500)는 앞에서 도 1을 참조하여 설명한 바와 같을 수 있으며, 발전기 섹션의 회전자는 앞에서 도 2a 및 도 2b, 도 3a 및 도 3b, 또는 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한 바와 같을 수 있다. 발전기 섹션의 회전자는 액체 형태의 작동 유체가 회전자를 통과하여 유동하도록 그리고 회전자로부터 동일한 룸(room; 515)으로 배출되도록 배열되는 냉각 채널을 포함하며, 작동 유체는 전기 터보 기계의 터빈 섹션으로부터 배출된다.
상기 발전 장치는 전기 터보 기계로부터 배출되는 기화된 작동 유체를 응축하기 위한 응축기(552)와, 전기 터보 기계를 응축된 작동 유체로 냉각시키기 위하여, 응축된 작동 유체의 제1 부분을 보일러(551)로 펌핑하고 응축된 작동 유체의 제2 부분을 전기 터보 기계(500)로 펌핑하기 위한 펌프 시스템을 포함한다. 도 5에 도시된 구체예의 경우에, 펌프 시스템은 공급 펌프의 임펠러가 전기 터보 기계의 발전기 섹션의 회전에 직접 연결되어 있는 공급 펌프(553)를 포함한다. 상기 펌프 시스템은 응축된 작동 유체를 응축기 탱크(557)로부터 공급 펌프(553)로, 그리고 전기 터보 기계(500)로 공급하도록 배치된 예비 급송(pre-feed) 펌프(554)를 또한 포함한다. 상기 발전 장치는 응축된 작동 유체를 전기 터보 기계에 공급하기 전에 전기 터보 기계를 냉각시키는데 사용되는 응축된 작동 유체를 냉각하기 위한 냉각기(555)를 포함하는 것이 바람직하다. 냉각기(555)와 응축기(552)는 액체 대 공기 열교환기 또는, 예를 들면, 해수 또는 다른 충분한 냉각 유체를 이용할 수 있는 경우에 액체 대 액체 열교환기일 수 있다.
도 5에 도시된 구체예의 경우에, 발전 장치는 전기 터보 기계(500)의 베어링을 응축된 작동 유체로 윤활하기 위하여 응축된 작동 유체를 상기 베어링으로 안내하기 위한 채널(556)을 포함한다. 바람직하게는, 전기 터보 기계(500)는 작동 유체가 대기로 누설하는 것을 방지하고 그리고 대기가 작동 유체에 들어가는 것을 방지하기 위한 밀폐 케이싱을 포함한다. 또한, 상기 발전 장치는 에너지 변환 효율을 높이기 위하여 재생기(560)를 포함할 수도 있다.
전술한 특정 구체예들은 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 그러므로, 본 발명은 전술한 구체예들에만 제한받지는 않는다.

Claims (15)

  1. 고정자(101)와 회전자(102, 202, 302 및 402)를 포함하는 전기 터보 기계(100)로서,
    상기 회전자는,
    제1 샤프트 섹션(103, 203, 303 및 403) 및 제2 샤프트 섹션(104, 204, 304 및 404);
    상기 제1 및 제2 샤프트 섹션 사이에서 회전자의 축방향으로 배치되며, 고정자와 자기적으로 상호 작용할 때 토크를 발생시키는 전자기 반응 섹션(105, 205, 305 및 405); 및
    상기 제1 샤프트 섹션에서 냉각 유체를 수용하여, 상기 냉각 유체를 제2 샤프트 섹션으로 안내하고 제2 샤프트 섹션으로부터 배출되는 냉각 유체를 안내하기 위한 냉각 채널(106 내지 109, 206 내지 209, 306 내지 309, 406 및 409)을 포함하고,
    상기 전기 터보 기계는, 작동 유체에 의하여 구동되며 제2 샤프트 섹션에 직접 연결된 하나 이상의 터빈 임펠러(111 내지 114)를 포함하는 터빈 섹션(110)을 더 포함하며,
    상기 제2 샤프트 섹션은 상기 하나 이상의 터빈 임펠러가 제2 샤프트 섹션에 직접 연결되는 영역을 통해 냉각 유체를 안내하고, 상기 작동 유체가 터빈 섹션으로부터 배출되도록 설치된 동일한 챔버(115)로 상기 냉각 유체를 안내하도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 터보 기계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전자기 반응 섹션(105, 205, 305 및 405)에 위치하는 냉각 채널의 부분은 제1 샤프트 섹션에서 냉각 유체를 수용하기 위한 냉각 채널의 부분보다 회전자의 회전축으로부터 더 먼 것을 특징으로 하는 전기 터보 기계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전자기 반응 섹션은 회전자와 고정자 사이에서 자속을 위한 자기 회로의 일부를 구성하는 강자성 요크 섹션(234 및 334)와 영구 자석(230 및 330)을 포함하며, 상기 강자성 요크 섹션는 강자성 요크 섹션 내에 냉각 채널을 구성하기 위한 축방향 보어를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 터보 기계.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 강자성 요크 섹션의 축방향 보어는 강자성 요크 섹션의 부식을 방지하기 위하여 스테인레스 재료로 라이닝되는 것을 특징으로 하는 전기 터보 기계.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자는 전자기 반응 섹션을 에워싸며, 상기 회전자의 반경방향으로 전자기 반응 섹션을 지지하는 튜브형 밴드 구조체(233, 333a, 333b 및 433)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 터보 기계.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 샤프트 섹션은 회전자의 회전축과 동축이며 냉각 유체를 수용하기에 적합한 구멍을 포함하고, 상기 전기 터보 기계는 제1 샤프트 섹션의 구멍에 냉각 유체를 공급하기 위한 공급관(116)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 터보 기계.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 회전자는 상기 공급관에 대하여 회전 가능하며, 상기 제1 샤프트 섹션의 구멍과 상기 공급관의 단부 사이에 밀봉을 제공하기 위하여 무접촉 래비린드 시일(contactless labyrinth seal; 117)이 구비되는 것을 특징으로 하는 전기 터보 기계.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 샤프트 섹션은 회전자가 회전할 때 및 냉각 유체가 제2 샤프트 섹션으로부터 배출될 때, 원심력에 의한 흡입 효과를 제공하기 위하여, 회전자의 회전축을 중심으로 냉각 유체를 회전 운동시키도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 터보 기계.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 터보 기계는 제1 샤프트 섹션에 직접 연결된 펌프 임펠러(118)를 포함하고, 상기 펌프 임펠러는 액체를 펌핑하기에 적합한 것을 특징으로 하는 전기 터보 기계.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 샤프트는 상기 펌프 임펠러가 제1 샤프트 섹션에 직접 연결되어 있는 영역을 통해 냉각 유체를 안내하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 터보 기계.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정자의 프레임 구조체는, 고정자의 강자성 코어 구조체(121)를 에워싸며 고정자를 냉각하기 위한 유체 재킷을 구비하기에 적합한 룸(room; 120)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 터보 기계.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정자의 프레임 구조체는 터빈 섹션의 임펠러 챔버로부터 회전자와 고정자를 포함하는 전기 기계의 가스 공간으로 누설되는 작동 유체의 일부를 냉각하기 위한 유체 재킷을 수용하기 위한 룸(room; 157)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 터보 기계.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 고정자는 고정자의 단부 권선부와 고정자의 프레임 구조체 사이에 열전도 관계를 제공하기 위하여 마련된 고형 재료(122)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 터보 기계.
  14. 다음을 포함하는 발전 장치:
    작동 유체를 기화하기 위한 보일러(551);
    기화된 작동 유체에 포함된 에너지를 전기 에너지로 변환시키기 위한, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 전기 터보 기계(500);
    상기 전기 터보 기계로부터 배출되는 기화된 작동 유체를 응축하기 위한 응축기(552); 및
    상기 전기 터보 기계를 응축된 작동 유체로 냉각하기 위하여, 상기 응축된 작동 유체의 제1 부분을 보일러에 펌핑하고, 상기 응축된 작동 유체의 제2 부분을 상기 전기 터보 기계에 펌핑하기 위한 펌프 시스템(553 및 554)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 발전 장치는 상기 응축된 작동 유체의 제2 부분이 상기 전기 터보 기계에 공급되기 전에 상기 응축된 작동 유체의 제2 부분을 냉각하기 위한 냉각기(555)를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
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