KR20220156619A - 오버행된 터보기계를 갖는 일체형 밀폐 밀봉된 터보팽창기-발생기 - Google Patents

오버행된 터보기계를 갖는 일체형 밀폐 밀봉된 터보팽창기-발생기 Download PDF

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Abstract

일체형 밀폐 밀봉된 터보팽창기-발생기(21)는, 밀폐 밀봉된 케이싱 배열(23), 능동형 자기 베어링에 의해 지지되는, 공통 샤프트 라인(31)을 따라 밀폐 밀봉된 케이싱 배열(23)에 배열되는, 터보팽창기(25), 압축기(27) 및 발전기(29)를 포함한다. 폐열 소스(7)로부터의 폐열을 전력으로 변환하기 위해 일체형 밀폐 밀봉된 터보팽창기-발생기(21)를 사용하는 열역학적 시스템(1)이 또한 개시된다. 터보팽창기 및 압축기 중 하나는 공통 샤프트 라인의 단부에 오버행된 구성으로 배열된 2개의 섹션을 포함한다.

Description

오버행된 터보기계를 갖는 일체형 밀폐 밀봉된 터보팽창기-발생기
일체형 터보기계가 본원에 개시된다. 보다 구체적으로, 본 개시의 실시예는 열 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 조정된 조합된 터보기계 및 발생기에 관한 것이다.
본 개시는 또한 폐열 회수를 위한 터보기계 및 발생기를 포함하는 열역학적 시스템에 관한 것이다.
여러 산업 공정은 다량의 폐열을 생산한다. 폐열 발생 공정의 통상적인 예는 강철, 유리 및 시멘트 생산에 대한 산업 공정이다. 다른 예는 연료 연소에 의해 발생된 화력의 변환에 의해 기계적 또는 전기적 동력을 생성하기 위한 열역학적 공정이다. 통상적으로, 연료를 사용하는 발전 공정은 연소에 의해 발생된 화력의 45% 미만을 유용한 전기적 또는 기계적 동력으로 변환한다. 배기 연소 가스의 온도는 통상적으로 300℃ 내지 700℃의 범위이고, 배기 화력은 수 MW(메가와트)의 가치가 있을 수 있다. 배기 연소 가스에 포함된 열은 환경으로 배출되고 낭비된다. 이는 환경에 심각한 영향을 미친다.
폐열의 일부를 포착하여 유용한 동력으로 변환하거나, 예를 들어 건물의 난방을 위해 사용할 수 있는 시스템은 이미 존재한다. 그러나, 폐열의 일부를 유용한 전기적 또는 기계적 동력으로 변환하는 기존 시스템은 복잡하고 비싸며, 큰 설치 공간이 필요하고 운영 비용 측면에서 부담이 크다. 이들은 또한 탈설계점(off design) 조건에서 성능이 저하될 수 있다.
따라서, 상술된 현재 기술의 시스템의 하나 이상의 단점을 극복하거나 완화시키는 기계 및 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
터보팽창기, 유체 가압 터보기계 및 발전기가 배열되는, 밀폐 밀봉된 케이싱 배열을 포함하는 일체형 밀폐 밀봉된 터보팽창기-발생기가 본원에 개시된다. 터보팽창기, 발전기 및 유체 가압 터보기계는 동일한 샤프트 라인을 따라 장착되어, 동일한 속도로 회전한다. 터보팽창기 및 유체 가압 기계 중 하나는, 서로 유체적으로 결합되고 오버행된 구성으로 샤프트 라인의 대향 단부에 배열된, 저압 섹션 및 고압 섹션을 포함한다.
신규한 배열은 발전기의 열 부하를 감소시키고, 조합된 회전 기계의 높은 에너지 효율을 제공한다.
본원에 사용된 바와 같이, 유체 가압 터보기계는 일체형 기계를 통해 유동하는 작동 유체를 가압하도록 구성된 터보기계이다. 유체가 액체 상태에 있는 경우, 유체 가압 터보기계는 펌프를 포함한다. 유체가 가스 상태에 있는 경우, 유체 가압 터보기계는 압축기를 포함한다. 사용되는 유체 가압 터보기계의 특성은 주로 일체형 밀폐 밀봉된 터보팽창기-발생기가 사용되는 열역학적 사이클의 종류에 의존한다. 일반적으로, 유체 가압 터보기계는 압축기를 포함하는데, 브레이톤(Brayton) 사이클 또는 작동 유체의 위상 변화를 수반하지 않는 다른 사이클은 바람직하게는 폐열 회수에 관여하기 때문이다. 그러나, 작동 유체에서의 위상 변화를 수반하는 랭킨(Rankine) 사이클 또는 다른 사이클을 사용하는 가능성이 배제되지 않는다. 이러한 경우, 일반적으로 유체 가압 터보기계는 펌프를 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 밀폐 밀봉된 케이싱 배열은, 공통 샤프트가 관통하여 연장되는 상기 언급된 3개의 회전 기계를 수용하는, 단일 케이싱을 포함할 수 있다. 회전 밀봉부는 하나의 회전 기계로부터 다른 것으로의 누출을 방지하기 위해, 예를 들어 터보팽창기 및 유체 가압 터보기계를 통해 처리된 작동 유체로부터 발전기의 냉각 가스를 분리하기 위해, 샤프트를 따라 제공될 수 있다. 그러나, 환경을 향한 누출이 방지되도록, 기계의 회전 부분은 케이싱 배열 외부에 노출되지 않는다.
그러나, 밀폐 밀봉된 케이싱 배열은 또한 2개 이상의 케이싱을 포함할 수 있으며, 이들 각각은 밀폐 밀봉되고 위에 언급된 회전 기계(즉, 터보팽창기, 유체 가압 터보기계 및 발전기) 중 하나 또는 두 개를 수용한다. 이러한 경우에, 토크는 자기(magnetic) 조인트를 통해 하나의 케이싱으로부터 다른 것으로 전달되어, 이러한 경우에도, 회전하는 기계적 부분은, 전체적으로 밀폐 밀봉된 채로 유지되는 케이싱 배열의 외부를 향해 노출되지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 공통 샤프트 라인은 단일 샤프트 또는 샤프트 라인 부분, 즉, 유연한 조인트와 같은 조인트에 의해 물리적으로, 또는 자기 조인트를 통해 자기적으로 서로 결합되는 별도의 샤프트로 구성될 수 있어서, 전체 샤프트 라인은, 조인트에 의해 허용되는 진동이 관련되는 경우를 제외하고, 동일한 회전 속도로 회전한다. 회전 기계들 사이에는 기어 또는 속도 조작 장치가 필요하지 않다.
터보팽창기, 발전기 및 유체 가압 터보기계의 공통 샤프트 라인은 능동형 자기 베어링에 의해 지지되므로, 구름 베어링뿐만 아니라 유체 정역학적 또는 유체 동역학적 베어링의 사용을 방지한다. 따라서, 윤활제 또는 하중 지지 유체 회로는 필요하지 않으며, 잠재적인 윤활제 누출이 관련되는 한, 일체형이고 밀폐 밀봉된 기계를 더 간단하고 덜 비싸고 덜 중요하게 만든다.
실시예에서, 동일한 작동 유체가 또한 일체형 밀폐 밀봉된 터보팽창기-발생기의 능동형 자기 베어링을 냉각시키고 발전기를 추가로 냉각시키기 위해 사용된다.
따라서, 일체형 밀폐 밀봉된 터보팽창기-발생기는 다음을 통해서만 외부 세계에 연결된다:
- 폐열 소스로부터 폐열을 수용하는 열교환기와 같은 작동 유체를 가열하는 데 필요한 히터에 터보팽창기를 연결하는 터보팽창기의 유체 입구 및 유체 출구, 밀폐 밀봉된 플랜지;
- 외부 냉각 시스템에 연결된 입구 및 출구 밀폐 밀봉된 압축기 또는 펌프 플랜지;
- 능동형 자기 베어링에 전력을 공급하는 전력 케이블;
- 발전기의 전력 케이블.
필요한 경우, 능동형 자기 베어링과 발전기를 통해 또는 주변으로 냉각 매체를 순환시키기 위해 추가 플랜지가 제공될 수 있다. 언급된 바와 같이, 동일한 작동 유체는 능동형 자기 베어링용 및/또는 발전기용 냉각 매체로서 사용될 수 있다. 적합한 열교환기는 능동형 자기 베어링 및 발전기에서 순환하는 작동 유체를 적합한 온도에서 유지하여, 능동형 자기 베어링 및 발전기로부터 열을 제거하도록 제공될 수 있다.
회전하는 기계적 구성요소는 밀폐 밀봉된 케이싱 배열로부터 환경을 향해 돌출하지 않는다.
현재 바람직한 실시예에서, 터보팽창기 및 유체 가압 터보기계 둘 모두는 다중 섹션 터보기계이며, 여기서 각각의 섹션은 적어도 하나의 스테이지를 포함한다. 오버행된 배열에서, 터보팽창기의 적어도 두 개의 섹션의 각각은 캔틸레버 방식으로 샤프트 라인의 2개의 대향 단부의 각각에 배열될 수 있으며, 즉 마지막 방사형 베어링 외부에 오버행되게 장착될 수 있다. 다중-스테이지/다중-섹션 구성은, 높은 열역학적 사이클 효율을 달성하도록 조정된, 높은 압력 및 온도 비율에 도달할 수 있다.
다른 오버행된 배열에서, 유체 가압 터보기계의 적어도 2개의 섹션의 각각은 샤프트 라인의 2개의 대향 단부의 각각에 오버행된 배열로 장착된다.
따라서, 제한된 치수 및 감소된 비용을 갖는 콤팩트한 조합된 밀폐 밀봉된 기계가 제공된다.
따라서, 폐열을 유용한 전력으로 변환하는 데 필요한 3개의 기계(터보팽창기, 유체 가압 터보기계 및 발전기)는 단일의 일체형, 밀폐 밀봉된 기계로 병합된다. 밀폐 밀봉은 임의의 작동 조건에서 가스 누출을 방지하여, 임의의 작동 유체 재통합이 필요하지 않고 환경 오염도 방지한다.
능동형 자기 베어링을 사용하면 임의의 윤활이 필요하지 않으며 윤활제에 의한 작동 유체의 가능한 오염을 방지한다.
단일 샤프트 라인은 구동 기계, 즉 발전기 및 유체 가압 터보기계(압축기 또는 펌프) 둘 모두를 구동하는 터보팽창기(터빈)에 의해 구동된다. 이러한 간단한 레이아웃은, 기계를 수정하지 않고 터보팽창기 재가열 및/또는 압축기 인터쿨링을 포함할 수 있기 때문에, 어셈블리에 큰 융통성을 허용한다.
일체형 밀폐 밀봉된 터보팽창기-발생기의 실시예 및 특징은 첨부된 도면을 참조하여 아래에 개략되고, 첨부된 청구범위에 제시되어 있으며, 청구범위의 내용은 본 명세서의 필수적인 부분을 형성한다.
또한, 폐열의 일부를 전력으로 변환하기 위해, 상기 개략된 바와 같은 일체형, 밀폐 밀봉된 터보팽창기-발생기를 통해 처리된 작동 유체에 열을 직접 또는 간접적으로 전달하도록 조정된, 폐열 소스를 포함하는 열역학적 시스템이 본원에 개시된다.
열역학적 시스템의 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 아래에서 설명된다.
첨부 도면과 관련하여 고려될 때 하기의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해되므로, 본 발명의 개시된 실시예 및 그의 수반되는 이점 중 많은 것의 더 완전한 인식이 용이하게 얻어질 것이다.
도 1 및 도 2는 2개의 실시예에서 본 개시에 따른 열역학적 시스템의 개략도를 도시한다.
도 3 내지 도 18은 몇몇 실시예에서 일체형 터보팽창기-발생기의 개략도를 도시한다.
도 19는 능동형 자기 베어링 및 관련 냉각 회로의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 20은 발전기 및 관련 냉각 회로의 개략적인 단면도를 도시한다.
폐열을 회수하기 위한 보다 콤팩트하고 덜 비싼 열역학적 시스템을 제공하기 위해, 터보팽창기에 의해 발생된 기계적 동력을 전력으로 변환하는 터보팽창기 및 유체 가압 터보기계를 발전기와 결합하여 수용하는 밀폐 밀봉된 케이싱 배열을 포함하는 밀폐 밀봉된 일체형 터보팽창기-발생기가 본원에 개시된다. 일체형, 밀폐 밀봉된 조합된 기계는 회전 샤프트를 따른 외부 환경을 향한 누출을 방지하고, 각각의 케이싱을 통해 연장되는 샤프트에 의해 별개의 회전 기계를 연결할 필요가 없다. 따라서, 회전 기계의 콤팩트하고 누출 없는 조합이 얻어진다. 발전기의 회전자, 터보팽창기의 회전부 및 유체 가압 터보기계의 회전부를 포함하는 공통 샤프트 라인은 윤활 회로가 필요 없을 수 있는 능동형 자기 베어링에 의해 지지된다. 두 터보기계 중 하나는 순차적으로 유체적으로 결합되고 샤프트 라인의 제1 단부 및 제2 단부에 각각 배열된 저압 섹션 및 고압 섹션을 포함한다. 바람직하게는, 발전기는 터보기계의 저압 섹션에 인접하게 배열되고, 두 섹션은 샤프트 라인의 단부에 배열된다. 이러한 배열은 발전기의 열 부하를 감소시킨다. 다양한 회전 기계의 몇몇 유용한 배열이 이하에서 상세히 설명될 것이다.
일체형 터보팽창기-발생기는 초임계 사이클에서 CO2와 같은 적합한 작동 유체를 사용하여 폐쇄형 브레이톤 사이클에서 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 유체 가압 터보기계는 압축기를 포함할 것이다. 그러나, 폐열 회수를 위한 랭킨 사이클의 사용은 배제되지 않는다. 이러한 경우, 유체 가압 터보기계는 펌프를 포함한다.
다음 설명에서, 가스 터빈 엔진의 배기 연소 가스에서 나오는 폐열을 사용하는 시스템을 참조할 것이다. 그럼에도 불구하고, 당업자는 본원에 개시된 일체형 터보팽창기-발생기 및 관련 열역학적 사이클이, 공정의 부산물로서 적합한 온도에서 폐열을 생산하는 임의의 산업 공정과 같은 다른 소스로부터의 폐열을 회수하는데 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 특히 폐열의 온도 수준에 따라 상이한 작동 유체가 열역학적 사이클에서 사용될 수 있다. 구체적으로, 초임계 이산화탄소 사이클이 사용될 수 있지만, 다른 작동 유체, 예를 들어 펜탄 및 사이클로-펜탄과 같은 다른 유기 유체의 사용이 배제되지 않는다.
이제 도 1을 참조하면, 단순화된 열역학적 시스템(1)은 폐열 소스(3) 및 폐열 회수 회로(5)를 포함한다. 도 1의 실시예에서, 폐열 소스는 발전용으로, 즉 전력 분배 그리드(11)에 전기적으로 결합된 발전기(9)를 통해 전력을 생성하도록 구성된 가스 터빈 엔진(7)을 포함한다.
다른 실시예에서, 가스 터빈 엔진(7)은 기계적 구동용으로 구성될 수 있으며, 즉 가스 터빈 엔진(7)에 의해 생성된 기계적 동력은 전력으로 변환되기보다는 그대로 사용될 수 있다. 기계적 동력은, 예를 들어 천연 가스 액화 시스템에서 또는 가스 파이프라인에서 압축기 또는 압축기 트레인을 구동하기 위해 이용될 수 있다.
도 1의 예시적인 실시예에서, 가스 터빈 엔진(7)은 공기 압축기(7.1), 연소 챔버(7.2) 및 터빈 섹션(7.3)을 포함하는 2축 가스 터빈 엔진이다. 터빈 섹션(7.3)은 고압 터빈(7.4) 및 저압 터빈(7.5)을 포함한다. 자체 공지된 방식으로, 고압 터빈(7.4)은 공기 압축기(7.1)에 기계적으로 결합되고 저압 터빈(7.5)은 발전기(9)에 기계적으로 결합된다. 공기 압축기(7.1)로부터의 압축 공기가 연료와 혼합되고 혼합물이 점화되어 연소 챔버(7.2)에서 압축된 고온 연소 가스를 생성한다. 압축된 고온 연소 가스는 순차적으로 팽창되어, 고압 터빈(7.4)에서 공기 압축기(7.1)를 구동하기 위한 동력을 생성하고, 저압 터빈(7.5)에서 발전기(9)를 구동하기 위한 동력을 생성한다.
도 1에 2축 가스 터빈 엔진이 도시되어 있지만, 다른 실시예에서, 가스 터빈 엔진(7)은, 경우에 따라, 1축 가스 터빈 엔진, 또는 3축 가스 터빈 엔진, 또는 기계적 구동 또는 전기 발생 목적을 위한 기계적 동력을 생성하도록 조정된 임의의 종류의 가스 터빈 엔진일 수 있다. 가스 터빈 엔진(7)은 헤비-듀티 가스 터빈 엔진, 또는 항공-파생형 가스 터빈 엔진일 수 있다.
배기 연소 가스는 가스 터빈 엔진(7)으로부터 스택(8)을 통해 배출된다. 배기 연소 가스는 700℃만큼 높을 수 있는 온도에서의 열 에너지를 포함한다. 폐열 회수 회로(5)는 상기 폐열의 일부를 특히 전력 형태로 더 유용한 동력으로 변환하는 데 사용된다.
도 1의 실시예에서, 폐열은 안전성 이유로 가스 터빈 엔진(7)으로부터 중간 열전달 루프(13)를 통해 폐열 회수 회로(5)로 전달된다. 이러한 방식으로, 폐열 회수 회로(5)에서 처리된 작동 유체는 가스 터빈 엔진(7) 주위로 순환하지 않는다. 이는 폐열 회수 회로에 사용되는 작동 유체가 가연성 또는 폭발 유체, 예를 들어, 사이클로-펜탄과 같은 유기 유체인 경우에 특히 유용하다.
펌프(13.1)는 폐쇄형 중간 열전달 루프(13)에서 열전달 유체(화살표 F)를 제1 열교환기(13.2)를 통해 그리고 제2 열교환기(13.3)를 통해 순환시킨다. 제1 열교환기(13.2)는 스택(8)의 상류에 배열된다. 제1 열교환기(13.2)에서, 열전달 유체는 가스 터빈 엔진(7)에 의해 스택(8)을 향해 배출된 배기 연소 가스와 열교환 관계에 있다. 가열은 배기 연소 가스로부터 열전달 유체로 전달된다. 제2 열교환기(13.3)에서, 열전달 유체는 폐열 회수 회로(5)를 통해 처리된 작동 유체, 예를 들어 초임계 CO2 또는 다른 유기 유체와 열교환 관계에 있고 열은 열전달 유체로부터 작동 유체로 전달된다.
도시되지 않은 다른 실시예에서, 중간 열전달 루프(13)는 생략될 수 있다. 이는 작동 유체가 가연성 또는 폭발성이 아닌 경우, 예를 들어, CO2가 사용되는 경우 특히 그렇다. 중간 열전달 루프(13)가 사용되지 않는 경우, 가스 터빈 엔진(7) 및 스택(8) 사이에 열교환기가 제공되며, 이를 통해 배기 연소 가스와 폐열 회수 회로(5)에서 순환하는 작동 유체 사이에서 열이 직접 교환된다.
폐열 회수 회로(5)는 일체형 터보팽창기-발생기(21)를 포함하며, 여기서 폐열을 전력으로 변환하는 데 필요한 회전 기계는 밀폐 밀봉된 케이싱(23)에 수용된다. 본원에 사용된 바와 같이, "밀폐 밀봉된 케이싱"은 작동 유체의 순환을 위한 입구 및 출구 플랜지를 갖지만, 이로부터 돌출하거나 환경을 향하는 회전 샤프트를 갖지 않는 케이싱이어서, 회전 밀봉이 필요하지 않고 회전 샤프트를 따라 유체 누출이 방지된다.
밀폐 밀봉된 케이싱은 터보팽창기-발생기의 회전 구성요소가 케이싱 내에 완전히 밀봉되게 수용되도록 서로 결합된 하나 이상의 케이싱 섹션에 의해 형성될 수 있는 반면, 토크는 기계적 전달의 필요 없이, 자기 조인트를 통해 하나의 케이싱 섹션에서 다른 케이싱 섹션으로 전달된다.
터보팽창기-발생기의 몇몇 실시예가 다음의 도 3 내지 도 18을 참조하여 상세히 설명될 것이지만, 도 1에서 터보팽창기-발생기(21)는 공통 샤프트 라인(31)을 따라 장착된 터보팽창기(25), 유체 가압 터보기계(27) 및 발전기(29)를 포함하여 광범위하게 개략적으로만 도시되어 있다. 몇몇 실시예의 다음 설명에서, 유체 가압 터보기계(27)는 압축기를 포함하는데, 바람직한 실시예에서 폐열 회수 회로(5)에서 순환하는 작동 유체가 작동 유체의 위상 변화 없이 폐쇄형 브레이톤 사이클을 수행하기 때문이다. 그러나, 랭킨 사이클의 사용은 배제되지 않는다. 이러한 경우, 작동 유체는 주기적인 위상 변화를 겪는다. 이 경우, 유체 가압 터보기계는 터보펌프를 포함할 것이다.
열전달 루프(13)의 제2 열교환기(13.3)로부터의 고압 및 고온 작동 유체는 터보팽창기(25)에서 팽창되고, 작동 유체에 포함된 열은 샤프트 라인(31) 상에서 이용가능한 기계적 동력으로 부분적으로 변환된다. 기계적 동력은 압축기(27)를 구동하는데 부분적으로 사용되고 초과하는 기계적 동력은 발전기(29)에 의해 전력으로 변환된다. 전력은 가능하게는 가변 주파수 드라이브(VFD)(33)를 통해 전력 분배 그리드(11)로 전달된다.
터보팽창기(25)로부터의 팽창된 작동 유체는 열교환기 또는 히트 싱크(35)에서 냉각되고, 압축기(27)로 전달된다. 압축된 작동 유체는 압축기(27)에 의해 열교환기(13.3)로 다시 전달된다.
도 1의 실시예는 히트 싱크(35)의 상류에 열회수기(39)를 추가로 포함한다. 열회수기(39)는 압축기(27)의 전달 측과 제2 열교환기(13.3)의 사이에서 팽창된 작동 유체로부터 압축된 작동 유체로 열을 전달하는 열교환기를 포함한다.
도 1의 폐열 회수 회로(5)는 단순화된 회로이다. 더 복잡한 폐열 회수 회로(5)가 도 2의 실시예에 도시되어 있으며, 여기서 동일한 참조 번호는 도 1에 도시되고 상술된 것과 동일하거나 동등한 부분을 나타낸다.
도 2에서, 일체형 터보팽창기-발생기(21)는 2섹션 터보팽창기(25) 및 2섹션 압축기(27)를 포함한다.
제1 및 제2 터보팽창기 섹션은 각각 25.1 및 25.2로 표시되고, 직렬로, 즉 순차적으로 배열된다. 제2 열교환기(13.3)로부터의 압축되고 가열된 작동 유체는 제1 터보팽창기 섹션(25.1)에서 부분적으로 팽창되고 제2 터보팽창기 섹션(25.2)에서 최종 저압으로 추가로 팽창된다.
도 2의 실시예에서, 터보팽창기(25)는 재가열된 터보팽창기이다. 제1 터보팽창기 섹션(25.1)으로부터 배출된 부분적으로 팽창된 작동 유체는 제2 터보팽창기 섹션(25.2)에서 최종 팽창되기 전에 제2 열교환기(13.3)에서 재가열된다.
제1 및 제2 압축기 섹션은 27.1 및 27.2로 표시되고 직렬로 배열된다. 터보팽창기(25)로부터의 팽창된 작동 유체는 제1 압축기 섹션(27.1)에서 부분적으로 압축되고, 제2 압축기 섹션(27.2)에서 최종 고압으로 추가로 압축된다.
도 2의 실시예에서, 압축기(27)는 인터쿨링된 압축기이다. 제1 압축기 섹션(27.1)에 의해 전달되는 부분적으로 압축된 작동 유체는 제2 압축기 섹션(27.2)을 통해 처리되기 전에 인터쿨러 열교환기(37)에서 냉각된다.
또한, 도 2의 폐열 회수 사이클(5)은 열회수기(39)를 추가로 포함한다. 열회수기(39)는 제2 터보팽창기 섹션(25.2)에 의해 배출되는 팽창된 작동 유체와 제2 압축기 섹션(27.2)에 의해 전달되는 압축된 작동 유체 사이에서 열을 교환하는 것을 목표로 한다. 제2 터보팽창기 섹션(25.2)에 의해 배출되는 팽창된 작동 유체는 제2 압축기 섹션(27.2)에 의해 전달되는 압축된 작동 유체보다 더 높은 온도에 있기 때문에, 회수기(39)는 배기 작동 유체로부터의 저온 열의 회수를 허용하여, 사이클의 전체 효율을 증가시킨다.
도 2에서 재가열, 인터쿨링 및 열회수가 조합되어 제공되지만, 도시되지 않은 다른 실시예에서, 이들 효율-향상 배열 중 하나 또는 두 개가 예상될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 인터쿨링된 압축기는 열회수는 있지만 재가열이 없거나, 재가열은 있고 열회수는 없는 사이클에서 사용될 수 있다. 유사하게, 열회수는 압축기 인터쿨링 없고 재가열 없이 단독으로, 또는 인터쿨링된 압축기는 있고 재가열은 없이, 또는 재가열은 있지만 압축기 인터쿨링은 없이 사용될 수 있다.
모든 실시예에서, 열을 전력으로 변환하는 데 필요한 회전 기계, 즉 터보팽창기, 압축기 및 발전기는 모두 동일한 샤프트 라인 상에 기계의 회전 구성요소를 갖는 동일한 밀폐 밀봉된 케이싱(21)에 수용된다.
일체형 터보팽창기-발생기(21)의 다양한 실시예의 다음 설명으로부터 명백해질 바와 같이, 회전 기계가 케이싱(23) 내에 배열되는 시퀀스는 도 1 및 도 2에 개략적으로 도시된 것과 다를 수 있다.
도 1 및 도 2를 계속 참조하면, 다음의 도 3 내지 도 18은 일체형 터보팽창기-발생기 및 압축기(21)를 형성하는 기계의 상이한 배열을 개략적으로 도시한다. 도 3 내지 도 18은 일체형 터보팽창기-발생기(21)의 회전 구성요소들 및 그들 사이의 상호 관계만을 개략적으로 도시한다. 밀폐 밀봉된 외부 케이싱은 생략된다.
모든 실시예에서, 복수의 능동형 자기 베어링에 의한 회전을 위해 지지되는 단일 샤프트 라인이 제공된다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 샤프트 라인은 단일 샤프트, 또는 복수의 샤프트, 즉 샤프트 라인 부분, 예를 들어, 각각의 조인트에 의해 서로 구동 가능하게 결합되는 2개의 샤프트를 포함하여, (있는 경우) 샤프트 라인을 따라 제공되는 유연한 조인트에 의해 허용되는 각도 진동으로 인한 차이를 제외하고, 모든 샤프트 또는 샤프트 부분이 동일한 회전 속도로 회전하는 단일 샤프트 라인을 형성할 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 일 실시예에서, 터보팽창기(25)는 샤프트 라인(31)의 단부에 장착된 제1 터보팽창기 섹션(25.1) 및 샤프트 라인(31)의 대향 단부에 장착된 제2 터보팽창기 섹션(25.2)을 갖는다. 제1 및 제2 터보팽창기 섹션(25.1 및 25.2)은 순차적으로 배열되고, 즉 작동 유체는 제1 터보팽창기 섹션(25.1)에서 부분적으로 팽창되고, 후속적으로, 중간 재가열 여부에 관계없이, 추가 팽창을 위해 제2 터보팽창기 섹션(25.2)으로 전달된다(아래 참조).
바람직한 실시예에서, 터보팽창기(25)의 제1 섹션(25.1) 및 제2 섹션(25.2) 둘 모두는, 상술한 실시예에서와 같이, 중간 구성보다는 캔틸레버 방식으로, 즉 각각 단부 베어링(41.1 및 41.3)을 넘어 오버행되어 장착된다. 압축기(27) 및 발전기(29)는 베어링 사이에 배열된다. 따라서 필요한 방사형 베어링의 수는 감소된다. 터보팽창기 섹션에 더 쉽게 액세스할 수 있다.
터보팽창기 섹션(25.1 및 25.2)은 바람직하게는 백투백(back-to-back) 구성으로 장착되고, 도 3의 화살표로 개략적으로 도시된 바와 같이, 바람직하게는 반경방향 입구 및 축방향 출구를 갖는 반경방향, 즉 구심성 터보팽창기이다. 축방향 추력의 효율적인 균형이 달성된다.
다른 실시예에서, 터보팽창기는 축방향 터보팽창기일 수 있다.
바람직하게는, 2개의 터보팽창기 섹션이 샤프트 라인(31)의 대향 단부에 배열되는 경우, 발전기(29)는 제2 터보팽창기 섹션(25.2) 옆에 배열되며, 여기서 작동 유체의 온도는 더 낮아서, 발전기(29)의 열 부하가 감소된다.
도 3의 실시예는 재가열된 터보팽창기(25) 및/또는 인터쿨링된 압축기(27)를 사용함으로써 추가로 수정될 수 있다. 동일한 부분을 지정하기 위해 도 3에서와 동일한 참조 번호가 사용되는 도 4는 인터쿨링된 압축기(27)(IC 참조)를 도시한다. 다시 동일한 부분을 지정하기 위해 도 3에서와 동일한 참조 번호가 사용되는 도 5는 재가열(RC)을 갖는 터보팽창기(25)를 도시한다. 도 6은 압축기 인터쿨링 및 터보팽창기 재가열 둘 다를 포함하는 실시예를 도시한다.
도 7, 도 8, 도 9 및 도 10의 실시예는 도 3, 도 4, 도 5 및 도 6의 실시예와 유사하지만, 샤프트 라인을 두 부분 또는 섹션들(31.1 및 31.2)로 분할하는 조인트(51)가 각각 제공된다. 도 7, 도 8, 도 9 및 도 10의 실시예에서, 조인트(51)는 발전기(29)를 샤프트 라인의 나머지 부분으로부터 반경 방향으로 분리하는 유연한 조인트일 수 있다. 다른 실시예에서, 조인트(51)는, 터보팽창기 및 압축기 케이싱으로부터 발생기 케이싱을 물리적으로 분리하여 발생기 냉각 가스 시스템의 격리를 허용하고 발생기 풍손(windage loss)을 제어하는 자기(magnetic) 조인트일 수 있다. 도 7, 도 8, 도 9 및 도 10의 시퀀스에 도시된 바와 같이, 터보팽창기(25)(25.1, 25.2)는 재가열된 터보팽창기(도 9 및 도 10)일 수 있고, 압축기(27)는 인터쿨링된 압축기(도 8 및 도 10)일 수 있다.
다른 실시예에서, 압축기(27)는 2섹션 압축기일 수 있으며, 여기서 2개의 섹션은 샤프트 라인(31)의 대향 단부에, 캔틸레버 방식으로, 즉, 오버행된 배열로 배열되는 반면, 터보팽창기(25)는, 발전기(29)와 유사하게, 중간 베어링 배열로 배열된다.
도 11, 도 12, 도 13 및 도 14는 이러한 종류의 4개의 실시예를 도시하며, 여기서 압축기(27)는 샤프트 라인(31)의 일 단부에 오버행된 제1 압축기 섹션(27.1) 및 샤프트 라인(31)의 대향 단부에 오버행된 제2 압축기 섹션(27.2)을 포함한다. 발전기(29) 및 터보팽창기(25)는 각각의 방사형 베어링(41) 사이에, 즉 중간 베어링 구성으로 배열된다. 도 11, 도 12, 도 13 및 도 14의 4개의 실시예는 제1 실시예가 터보팽창기의 재가열도 압축기의 인터쿨링도 제공하지 않는다는 점에서 서로 상이하고; 도 12의 실시예는 인터쿨링(IC)을 갖는 압축기(27)를 포함하지만, 터보팽창기의 재가열은 없고; 도 13은 재가열된(RH) 터보팽창기(25)를 포함하지만, 압축기(27)의 인터쿨링은 없고; 최종적으로, 도 14의 실시예는 재가열된 터보팽창기(25) 및 인터쿨링된 압축기(27)를 포함한다.
바람직하게는, 도 11, 도 12, 도 13 및 도 14의 4개의 실시예에서, 터보팽창기(25)는 이미 위에서 논의된 이유로 배출 단부가 발전기(29)를 향하도록 배열된다.
도 11, 도 12, 도 13 및 도 14의 실시예는 샤프트 라인(31)을 따라 하나 이상의 조인트를 도입함으로써 추가로 수정될 수 있다. 도 15, 도 16, 도 17 및 도 18은 도 11, 도 12, 도 13 및 도 14의 실시예와 유사하지만, 발전기(29)와 터보팽창기(25) 사이에 조인트(51)를 추가한 실시예를 도시한다. 추가적인 방사형 베어링이 또한 제공된다. 도 15, 도 16, 도 17 및 도 18의 실시예의 나머지 구성요소는 도 11, 도 12, 도 13 및 도 14의 것에 상응하고, 동일한 참조 번호로 표시된다.
상술된 실시예에서, 밀폐 밀봉된 케이싱 배열은 단일 케이싱을 포함하지만, 하나 이상의 자기 조인트가 샤프트 라인(31)을 따라 제공되는 경우, 케이싱 배열은 2개 이상의 별개의 케이싱 또는 케이싱 부분에 의해 형성될 수 있다. 2 개의 별개의 케이싱 부분(23.1 및 23.2)을 포함하는 케이싱 배열이 사용될 때, 2개의 케이싱 부분의 내부 사이에 완전한 분리가 얻어진다.
상술한 바와 같이, 능동형 자기 베어링(41, 42) 및 발전기(29)에는 냉각 매체로서 일체형 터보팽창기 발전기에 의해 처리된 작동 유체를 사용하는 냉각 회로가 제공될 수 있다. 도 19 및 도 20은 능동형 자기 베어링(41) 및 개략적으로 나타낸 관련 냉각 회로를 갖는 발전기(29)의 개략도를 도시한다.
능동형 자기 베어링(41, 42)을 위한 냉각 회로(61)는 도 19에 도시되어 있고, 순환 펌프 또는 팬(62) 및 열교환기(63)를 포함하며, 이를 통해 냉각 매체가 능동형 베어링(41, 42)으로부터 제거된 열을 방출하도록 순환된다. 참조 번호 64, 65는 능동형 자기 베어링(41, 42)을 통한 냉각 매체의 순환을 위한 공동 및 덕트를 나타낸다.
발전기(29)용 냉각 회로(67)는 도 20에 개략적으로 도시되어 있다. 발전기(29)는 샤프트(31)에 회전 가능하게 장착된 로터(29.1) 및 케이싱(23)에 고정적으로 수용된 고정자(29.2)를 포함하는 것으로 표현된다. 펌프 또는 팬(68)은 열교환기(69)를 통해 냉각 매체를 순환시켜 그로부터의 열을 제거한다. 공동(70) 및 덕트(71)는 냉각 매체를 발전기(29)의 고정자(29.2)를 통해 순환시키기 위해 케이싱(23) 내부에 배치된다.
냉각 회로(61 및 67)는 단일 냉각 회로에서 조합될 수 있다.
냉각 매체로서 동일한 작동 유체를 사용함으로써, 일체형 터보팽창기-발생기(21) 및 관련 냉각 회로(들)로 구성된 시스템은 밀폐 밀봉되어, 케이싱(23)을 둘러싸는 환경을 향한 작동 유체의 누출을 피할 수 있다.
본 발명이 다양한 특정 실시예의 관점에서 설명되었지만, 청구범위의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 많은 수정, 변경 및 생략이 가능하다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (15)

  1. 일체형 밀폐 밀봉된 터보팽창기-발생기(21)로서,
    밀폐 밀봉된 케이싱 배열(23; 23.1, 23.2);
    상기 밀폐 밀봉된 케이싱 배열로 배열된 터보팽창기(25; 25.1, 25.2);
    상기 밀폐 밀봉된 케이싱 배열(23; 23.1, 23.2)로 배열된 유체 가압 터보기계(27; 27.1, 27.2); 및
    상기 밀폐 밀봉된 케이싱 배열(23; 23.1, 23.2)로 배열된 발전기(29)를 포함하고;
    여기서: 상기 터보팽창기(25; 25.1, 25.2), 상기 유체 가압 터보기계(27; 27.1, 27.2) 및 상기 발전기(29)는, 상기 밀폐 밀봉된 케이싱 배열(23; 23.1, 23.2)에서 능동형 자기 베어링(41, 41.1-41.5)에 의해 회전 가능하게 지지되는 적어도 하나의 샤프트를 포함하는, 공통 샤프트 라인(31; 31.1, 31.2) 상에 배열되고;
    상기 터보팽창기(25; 25.1, 25.2) 및 상기 유체 가압 터보기계(27; 27.1, 27.2) 중 적어도 하나는 베어링 사이에 배열되고;
    상기 터보팽창기(25; 25.1, 25.2) 및 상기 유체 가압 터보기계(27; 27.1, 27.2) 중 다른 하나는, 순차적으로 유체적으로 결합되고 상기 샤프트 라인(31; 31.1, 31.2)의 제1 단부에 및 상기 샤프트 라인(31; 31.1, 31.2)의 제2 단부에 각각 오버행된 구성으로 배열된, 고압 기계 섹션(25.1; 27.2) 및 저압 기계 섹션(25.2)을 포함하고;
    상기 발전기(29) 및 상기 터보팽창기(25; 25.1, 25.2) 및 상기 유체 가압 터보기계(27; 27.1, 27.2)의 다른 하나는 상기 고압 기계 섹션(25.1; 27.2)과 상기 저압 기계 섹션(25.2; 27.1) 사이에 배열되는, 터보팽창기-발생기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 터보팽창기는 상기 샤프트 라인(31; 31.1, 31.2)의 제1 단부에 오버행된 고압 터보팽창기 섹션(25.1) 및 상기 샤프트 라인(31; 31.1, 31.2)의 제2 단부에 오버행된 저압 터보팽창기 섹션(25.2)을 갖고; 상기 발전기(29) 및 상기 유체 가압 터보기계(27; 27.1, 27.2)는 상기 고압 터보팽창기 섹션(25.1)과 상기 저압 터보팽창기 섹션(25.2) 사이에 배열되는, 터보팽창기-발생기(21).
  3. 제2항에 있어서, 상기 발전기(29)는 상기 저압 터보팽창기 섹션(25.2)과 상기 유체 가압 터보기계(27; 27.1, 27.2) 사이에 배열되는, 터보팽창기-발생기(21).
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 조인트(51)는 상기 발전기(29)와 상기 유체 가압 터보기계(27; 27.1, 27.2) 사이에 제공되는, 터보팽창기-발생기(21).
  5. 제1항에 있어서, 상기 유체 가압 터보기계는 상기 샤프트 라인(31; 31.1, 31.2)의 제1 단부에 오버행된 저압 섹션(27.1) 및 상기 샤프트 라인(31; 31.1, 31.2)의 제2 단부에 오버행된 고압 섹션(27.2)를 갖고; 상기 발전기(29) 및 상기 터보팽창기(25; 25.1, 25.2)는 상기 유체 가압 터보기계의 저압 섹션(27.1)과 고압 섹션(27.2) 사이에 배열되는, 터보팽창기-발생기(21).
  6. 제5항에 있어서, 상기 발전기(29)는 상기 유체 가압 터보기계의 저압 섹션(27.1)과 상기 터보팽창기(25; 25.1, 25.2) 사이에 배열되는, 터보팽창기-발생기(21).
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 터보팽창기(25; 25.1, 25.2)는 상기 유체 가압 터보기계(27; 27.1, 27.2)의 섹션을 향하는 가스 입구 단부 및 상기 발전기(29)를 향하는 가스 출구 단부를 갖는 상기 샤프트 라인(31; 31.1, 31.2)를 따라 배열되는, 터보팽창기-발생기(21).
  8. 제5항 또는 제6항 또는 제7항에 있어서, 조인트(51)는 상기 발전기(29)와 상기 터보팽창기(25; 25.1, 25.2) 사이에 배열되는, 터보팽창기-발생기(21).
  9. 제1항 내지 제8항 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 유체 가압 터보기계(27; 27.1, 27.2)는 압축기 및 펌프 중 하나인, 터보팽창기-발생기(21).
  10. 제1항 내지 제9항 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 유체 가압 터보기계(27; 27.1, 27.2)는 적어도 2개의 섹션(27.1, 27.2)을 포함하는 다중-섹션 터보기계인, 터보팽창기-발생기(21).
  11. 제10항에 있어서, 상기 다중-섹션 유체 가압 터보기계(27.1, 27.2)는 인터쿨링된 터보기계인, 터보팽창기-발생기(21).
  12. 제1항 내지 제11항 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 터보팽창기(25; 25.1, 25.2)는 적어도 두 개의 섹션(25.1, 25.2)을 포함하는 다중-섹션 터보팽창기인, 터보팽창기-발생기(21).
  13. 제12항에 있어서, 상기 다중-섹션 터보팽창기(25; 25.1, 25.2)는 재가열된 터보팽창기인, 터보팽창기-발생기(21).
  14. 제1항 내지 제13항 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 발전기(29)는 베어링(41, 41.1-41.5) 사이에 배열되는, 터보팽창기-발생기(21).
  15. 상기 제1항 내지 제14항 중 하나 이상의 항에 따른 일체형 터보팽창기-발생기(21)를 통해 처리된 작동 유체로 열을 전달하도록 조정된 폐열 소스(7)를 포함하되, 상기 터보팽창기-발생기는 상기 폐열의 일부를 전력으로 변환하도록 조정되는, 열역학적 시스템.
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