KR20230027999A - 디스크형 터빈 증기 원동소 - Google Patents

디스크형 터빈 증기 원동소 Download PDF

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Abstract

본 명세서에 개시된 내용은 디스크형 증기 원동소에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수개의 적층된 디스크를 유체의 점성력으로 회전시켜 발전하는 디스크형 터빈 증기 원동소에 관한 것이다.
개시된 내용은 개시된 내용은 유체의 점성력을 이용하여 발전하는 디스크형 터빈 증기 원동소에 있어서, 상기 유체가 흐르는 순환배관과, 상기 순환배관에 설치되고 상기 유체를 가열하여 증기로 상변화시키는 보일러와, 상기 순환배관에 설치되고, 내부에는 상기 증기의 점성력에 의하여 회전구동되는 디스크가 구비되는 디스크형 터빈과, 상기 순환배관에 설치되고, 상기 디스크형 터빈에서 나오는 액상 유체를 상기 보일러로 순환시키는 펌프를 포함하는 디스크형 터빈 증기 원동소를 일 실시예로 제시한다.

Description

디스크형 터빈 증기 원동소{disk turbine steam power plant}
본 명세서에 개시된 내용은 디스크형 증기 원동소에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수개의 적층된 디스크를 유체의 점성력으로 회전시켜 발전하는 디스크형 터빈 증기 원동소에 관한 것이다.
본 명세서에 달리 표시되지 않는 한, 이 식별항목에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래기술이 아니며, 이 식별항목에 기재된다고 하여 종래기술이라고 인정되는 것은 아니다.
일반적으로, 화력발전소나 원자력발전소 등의 증기 원동소는 증기 동력 사이클 과정을 반복하며 운전된다. 즉 보일러나 원자로인 열원이 증기를 발생시키고, 발생된 고온 고압의 증기는 터빈의 블레이드와 충돌한다. 블레이드와 충돌한 증기는 터빈을 회전시키며, 터빈에 충돌한 고온 고압의 증기는 수분을 포함한 증기가 되고, 응축기에 의하여 냉각되어 다시 액체 상태의 급수가 된다. 이처럼 증기 동력 사이클은 하나의 사이클이 반복되면서 운전될 수 있다.
또한, 응축기는 터빈을 통과한 증기를 액화시켜 저압의 증기를 형성할 수 있다. 터빈을 통과한 저압의 증기는 터빈으로 유입되는 유입 증기보다 저압에 해당한다. 터빈을 통과한 저압의 증기와 상대적으로 고압인 유입 증기 간의 압력차는 유입 증기의 속도를 증가시키고, 터빈의 블레이드의 회전속도를 높임으로써 발전 효율을 높일 수 있다. 하지만 저압이 형성됨으로써 유입 증기는 급격하게 단열팽창하고 온도가 하강하며 액화될수 있다. 특히 블레이드의 후면의 저압 영역에서 증기는 더욱 단열팽창되며 액화되는 정도가 심해지고, 캐비테이션(cavitation) 현상이 발생하여 블레이드가 파괴될 수 있다. 따라서, 응축기는 터빈의 블레이드 후면에서 액화현상이 발생되지 않도록 수증기를 응축시킬 수 있다. 따라서 증기가 터빈의 블레이드에 충돌하면서 발전되는 일반적인 원동소는, 캐비테이션 현상의 발생 방지라는 제약하에 발전 효율을 높이기에는 어려움이 있다.
이처럼 증기 동력 사이클이 완성과 캐비테이션 발생억제를 위해서는 응축기가 필수적인 구성으로 포함되어야 한다. 즉, 증기 동력 사이클로 작동하는 증기 원동소는 고온의 열원(heat source)뿐만 아니라 저온의 열침(heat sink)과도 열교환을 하여야 하는 것이다. 증기 원동소의 경우 열원에 해당하는 보일러와 열침에 해당하는 응축기에서 열교환이 이루어진다. 이러한 열교환 과정 동안 증기 원동소에서 사용되는 유체는, 액체에서 증기로 상변화하고 다시 처음의 액체 상태로 되돌아가는 과정을 반복하게 된다.
일반적인 증기 원동소의 경우 터빈으로 유입되는 고온 고압의 증기가 보유하는 일부 에너지만이 터빈을 회전시키는 데 사용됨으로써, 발전 효율이 40~60% 정도가 된다. 이에 따라 증기 원동소의 발전 효율을 높이기 위해서, 고온 고압의 증기가 보유하는 에너지 대부분이 터빈을 회전시킬 수 있는 기술개발에 관하여 많은 연구가 이루어지고 있다.
1. 대한민국 등록특허 제10-1331012호(2013.11.19. 공고) 2. 대한민국 공개특허 제10-2013-0061781호(2013.06.12 공개)
디스크형 터빈을 구성으로 하여 증기가 보유하는 에너지의 대부분이 터빈을 회전시키는데 사용되게 함으로써, 응축기를 구성으로 하지 않더라도 발전 효율을 높일 수 있는 디스크형 터빈 증기 원동소를 제공하고자 한다.
또한, 상술한 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있음은 자명하다.
개시된 내용은 유체의 점성력을 이용하여 발전하는 디스크형 터빈 증기 원동소에 있어서, 상기 유체가 흐르는 순환배관과, 상기 순환배관에 설치되고 상기 유체를 가열하여 증기로 상변화시키는 보일러와, 상기 순환배관에 설치되고, 내부에는 상기 증기의 점성력에 의하여 회전구동되는 디스크가 구비되는 디스크형 터빈과, 상기 순환배관에 설치되고, 상기 디스크형 터빈에서 나오는 액상 유체를 상기 보일러로 순환시키는 펌프를 포함하는 디스크형 터빈 증기 원동소를 일 실시예로 제시한다.
한편, 상기 디스크형 터빈은, 상기 디스크를 수용하는 내부공간을 가지고, 상기 보일러에서 나오는 증기가 유입되는 유입구가 형성되며, 중심부상에는 상기 액상 유체가 합류하여 외부로 배출되는 합류 배출구가 형성되는 케이싱과, 상기 케이싱의 중심부를 관통하는 회전가능한 회전축과, 상기 회전축이 관통하는 관통공이 형성되고, 상기 액상 유체가 통과하는 유체 흐름구가 상기 관통공에 인접하게 형성되는 복수개의 적층된 디스크와, 상기 적층된 디스크 사이에 개재되어 상기 적층된 디스크를 일정간격으로 유지시키는 스페이서를 포함할 수 있다.
한편, 상기 회전축의 단면의 양측에 사이드커팅부가 형성될 수 있다.
한편, 상기 유체 흐름구는, 상기 관통공을 중심으로 일정간격을 두고 형성될 수 있다.
개시된 내용에 따른 디스크형 증기 원동소는, 디스크형 터빈을 구성으로 하여 증기의 점성력으로 복수개의 적층된 디스크를 회전시킴으로써 발전 효율을 높일 수 있다.
도 1은 개시된 내용의 일 실시예에 따른 디스크형 터빈 증기 원동소의 개략도.
도 2는 개시된 내용의 일 실시예에 따른 디스크형 터빈을 나타낸 분해 사시도.
도 3은 개시된 내용의 일 실시예에 따른 회전축의 단면의 확대도.
도 4는 개시된 내용의 일 실시예에 따른 디스크형 터빈의 측면도.
도 5는 개시된 내용의 일 실시예에 따른 스페이서의 사시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 구성 및 작용효과에 대하여 살펴본다. 참고로, 이하 도면에서 각 구성요소는 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 반영하는 것은 아니다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하며 개별 도면에서 동일 구성에 대한 도면 부호는 생략하기로 한다.
도 1을 참조하면, 개시된 내용의 일 실시예에 따른 디스크형 터빈 증기 원동소(1)는 순환배관(100), 보일러(200), 디스크형 터빈(300), 펌프(400)를 포함한다.
순환배관(100)은 디스크형 터빈 증기 원동소(1)에서 사용되는 유체가 순환될 수 있게 한다. 유체는 증기 동력 사이클 동안 순환배관(100) 안에서 후술할 보일러(200), 디스크형 터빈(300), 펌프(400)를 거치며 액체 또는 증기로 상변화되는 과정을 반복하게 된다. 보일러(200)에서 나온 유체는 증기가 되어 디스크형 터빈(300)으로, 디스크형 터빈(300)에서 나온 액상 유체는 보일러(200)로 유동될 수 있다. 이러한 유체의 유동은 순환배관(100) 안에서 이루어진다. 유체는 증기 동력 사이클이 완성되는 동안, 온도와 압력이 변할 수 있다. 유체가 순환하는 동안 유체의 온도나 압력이 변하게 되고, 순환배관(100)은 유체로부터 지속적으로 압력을 받게 된다. 특히, 유체가 고압일 경우에 순환배관(100)의 파손으로 유체가 순환배관(100) 외부로 유출될 수 있다. 따라서 순환배관(100)은 고압에도 견딜 수 있는 재료나 사용되는 유체에 대하여 내식성이 있는 재료로 제작되는 것이 바람직하다.
보일러(200)는 순환배관(100)에 설치되어 유체를 가열하여 증기로 상변화시킬 수 있다. 보일러(200)는 유체를 증기로 상변화시키기 위하여 연료원이 필요한데, 일반적으로 경유나 천연가스 등이 사용되고 있다. 개시된 내용의 디스크형 터빈 증기 원동소(1)는, 원동소에 있어서 비교적 저온에 해당되는 100~200℃의 유체가 사용될 수 있다. 따라서 보일러(200)는 나무, 갈탄, 연탄, 펠렛, 가연성 쓰레기 등을 연료원으로 하더라도 디스크형 터빈(300)을 회전시킬 수 있다.
디스크형 터빈(300)은 증기의 점성력에 의하여 회전될 수 있다. 디스크형 터빈(300)은 유입되는 증기에 의한 경계층 효과(boundary layer effect)에 따라 회전하게 된다. 유체는 점성의 성질을 가지고 유동하므로, 유체와 접하는 물체의 접촉면에서는 유체의 속도가 0이 된다. 물체와 멀어질수록 유체의 속도는 점차적으로 증가하여 속도 구배를 이루며 일정 속도를 유지하게 된다. 이러한 유체의 점성 효과로 인하여 속도구배가 발생하는 영역을 경계층이라고 한다. 즉, 경계층은 유체의 점성 효과가 미치는 물체 표면 부근의 유체의 층을 말한다. 경계층에서의 유체의 점성 효과는 유체와 접하는 물체 표면 사이에 마찰력을 발생시킬 수 있고, 이러한 마찰력을 점성 마찰력이라고 한다. 이러한 점성 마찰력은 디스크형 터빈(300)이 회전되게 견인하는 견인력으로 작용하여 디스크형 터빈(300)을 회전시킬 수 있다.
펌프(400)는 디스크형 터빈(300)에서 나오는 액상 유체를 보일러(200)로 순환되게 할 수 있다. 펌프(400)는 액상 유체에 압력을 가하여 유체가 순환배관(100) 내에서 유동할 수 있게 한다.
이상에서 개시된 내용의 일 실시예에 해당되는 디스크형 터빈 증기 원동소(1)를 구성하는 순환배관(100), 보일러(200) 및 펌프(400)를 설명하였으나, 이러한 구성은 증기 원동소에 있어서 일반적으로 사용되고 공지된 종래기술에 해당하므로 더욱 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 디스크형 터빈(300)은 케이싱(310), 회전축(320), 복수개의 적층된 디스크(330), 스페이서(340)를 포함할 수 있다.
케이싱(310)은 디스크(330)를 수용하는 내부공간(312)을 가질 수 있다. 또한, 케이싱(310)은 보일러(200)에서 나오는 증기가 유입되는 유입구(314)가 형성되며, 중심부상에는 액상 유체가 합류하여 외부로 배출되는 합류 배출구(316)가 형성될 수 있다. 케이싱(310)의 유입구(314)를 통하여 내부공간(312)으로 유입되는 증기는 복수개의 적층된 디스크(330)의 중심부를 향해 내측으로 나선을 이루며 유동되고, 액상 유체로 상변화될 수 있다. 상변화된 액상 유체는 합류 배출구(316)를 통과하여 순환배관(100)을 통하여 펌프(400)로 유입될 수 있다.
회전축(320)은 케이싱(310)의 중심부를 관통하고, 적층된 디스크(330)가 회전구동됨에 따라 회전할 수 있다. 회전축(320)은 전자기장 변화를 일으키는 제너레이터(도면 미도시)에 연결되고, 전자기장 변화를 일으키는데 필요한 역학적 에너지를 공급할 수 있다. 도 3을 참조하면, 회전축(320)은 단면의 양측에 사이드커팅부가 형성될 수 있다. 단면이 원형의 형상인 회전축(320)을 사용하여 복수개의 적층된 디스크(330)와 결합고정하는 경우에 정밀한 키를 형성하는 등의 결합고정 작업이 필요하다. 그러나 회전축(320)의 단면의 양측에 사이드커팅부가 형성되는 경우에도 용접 등의 결합고정 작업이 필요하나, 원형이 아닌 회전축(320)의 단면 형상 자체의 특징에 의하여 회전축(320)에 대하여 미끄러짐이 발생하지 않을 수 있다. 따라서, 비교적 정밀하지 않은 키 등의 결합고정 작업으로도 회전축(320)과 복수개의 적층된 디스크(330) 간의 결합고정력이 증대되는 효과를 얻을 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 복수개의 적층된 디스크(330)는 회전축(320)이 관통하는 관통공(332)이 형성되고, 증기가 통과하는 유체 흐름구(334)가 관통공(332)에 인접하게 형성될 수 있다. 복수개의 적층된 디스크(330)는, 디스크(330) 상호간에 일정간격을 유지하며 적층될 수 있다. 복수개의 적층된 디스크(330) 간의 일정간격은 전술한 경계층 효과에 의한 발전효율을 최대화할 수 있는 0.4mm가 바람직하다. 증기는 복수개의 적층된 디스크(330)의 회전에 의하여 구심력을 받게 되고, 복수개의 적층된 디스크(330)의 중심부를 향해 내측으로 나선을 이루며 유동될 수 있다. 디스크(330)는 전체적으로 일정한 두께가 유지되는 원반형일 수 있으나, 중심부의 두께가 두꺼운 볼록한 형상일 수 있다. 또한 디스크(330)는 두께가 얇을수록 회전속도가 향상될 수 있다. 다만, 디스크(330)의 회전에 따라 가중되는 부하를 고려할 때, 디스크(330)는 인장강도와 내식성이 있는 재질로 제작되는 것이 바람직하다.
관통공(332)은 회전축(320)이 디스크(330)를 관통할 수 있게 하는 것으로, 복수개의 적층된 디스크(330)의 중심부상에 회전축(320)의 단면 형상에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 터빈으로 유입되는 증기는 상변화된 액상 유체가 되는데, 유체 흐름구(334)는 이러한 액상 유체를 복수개의 적층된 디스크(330)의 외부로 배출시키는 통로 역할을 한다. 더욱 상세하게 설명하면, 증기가 보유하고 있던 잠열 및 현열은 복수개의 적층된 디스크(330)의 회전에 사용되고, 증기는 액상 유체가 되어 복수개의 적층된 디스크(330)의 중심부에 모이게 된다. 이러한 액상 유체는 유체 흐름구(334)를 통하여 복수개의 적층된 디스크(330) 외부로 배출될 수 있다. 유체 흐름구(334)는 관통공(332)을 중심으로 일정간격을 두고 형성될 수 있다. 유체 흐름구(334)는 액상 유체의 원활한 배출을 위하여 2개 이상이 형성되는 것이 바람직하다.
도 4를 참조하면, 스페이서(340)는 복수개의 적층된 디스크(330) 사이에 개재될 수 있다. 스페이서(340)는 적층된 디스크(330)를 일정간격으로 유지시킬 수 있다. 복수개의 적층된 디스크(330)에는 볼트(338)가 삽입되는 너트(336)가 디스크(330)를 관통하여 형성되고, 스페이서(340)는 볼트(338)가 관통하는 삽입공(도면 미도시)이 형성될 수 있다. 디스크(330)의 휨 등에 의한 변형을 방지하고 복수개의 적층된 디스크(330) 간 일정간격의 유지를 위해서, 스페이서(340)는 복수개의 적층된 디스크(330) 사이에 1개 이상이 개재되는 것이 바람직하다. 도 5를 참조하면, 스페이서(340)는 디스크(330)의 중앙에 개재될 수 있다. 이 경우 스페이서(340)는 삽입공(도면 미도시)가 형성되지 않아도 적층된 디스크(330)를 일정간격으로 유지시킬 수 있다. 이러한 경우의 바람직한 일 실시예로는, 스페이서(340)가 스페이서바디(341)와 복수개의 스페이서암(342)으로 형성될 수 있다. 스페이서바디(341)의 중심부는 회전축(320)이 관통되고, 스페이서바디(341) 및 스페이서암(342)의 일부는 디스크(330)의 유체 흐름구(334)에서 나오는 증기가 통과될 수 있도록 절삭될 수 있다.
이하에서는 상기와 같은 개시된 내용의 일 실시예에 따른 디스크형 터빈 증기 원동소(1)의 작동과정을 설명한다.
보일러(200)에 액상 유체가 유입되고, 유입된 액상 유체는 보일러(200)에서 열전달 받아 증기로 상변화할 수 있다. 증기는 순환배관(100)을 따라 유동되면서 디스크형 터빈(300)의 케이싱(310)의 유입구(314)로 유입되고, 경계층 효과에 의하여 복수개의 적층된 디스크(330)의 중심부를 향해 내측으로 나선을 이루며 유동될 수 있다. 나선을 이루면서 유동되는 증기는 복수개의 적층된 디스크(330)를 고속으로 회전시킬 수 있다. 증기가 보유한 에너지의 대부분은 복수개의 적층된 디스크(330)의 회전운동 에너지로 변환되고, 증기는 상변화되어 액상 유체가 될 수 있다. 액상 유체는 복수개의 적층된 디스크(330)의 중심부로 모이게 되고, 유체 흐름구(334)를 통과할 수 있다. 유체 흐름구(334)를 통과한 액상 유체는 케이싱(310)의 합류 배출구(316)를 통하여 디스크형 터빈(300)의 외부로 배출될 수 있다. 배출된 액상 유체는 펌프(400)에 의하여 다시 보일러(200)로 순환될 수 있다. 이러한 작동과정은 하나의 증기 동력 사이클을 이루면서 반복될 수 있다.
전술한 본 발명의 개시된 내용에 따른 디스크형 터빈 증기 원동소(1)는 디스크형 터빈(300)을 구성으로 하여 증기의 점성력으로 복수개의 적층된 디스크(330)를 회전시킴으로써 발전 효율을 높일 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 디스크형 터빈 증기 원동소
100: 순환배관
200: 보일러
300: 디스크형 터빈
310: 케이싱
312: 내부공간
314: 유입구
316: 합류 배출구
320: 회전축
330: 디스크
332: 관통공
334: 유체 흐름구
336: 너트
338: 볼트
340: 스페이서
341: 스페이서바디
342: 스페이서암
400: 펌프

Claims (4)

  1. 유체의 점성력을 이용하여 발전하는 디스크형 터빈 증기 원동소에 있어서,
    상기 유체가 흐르는 순환배관;
    상기 순환배관에 설치되고 상기 유체를 가열하여 증기로 상변화시키는 보일러;
    상기 순환배관에 설치되고, 내부에는 상기 증기의 점성력에 의하여 회전구동되는 디스크가 구비되는 디스크형 터빈; 및
    상기 순환배관에 설치되고, 상기 디스크형 터빈에서 나오는 액상 유체를 상기 보일러로 순환시키는 펌프;를 포함하는 디스크형 터빈 증기 원동소.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디스크형 터빈은,
    상기 디스크를 수용하는 내부공간을 가지고, 상기 보일러에서 나오는 증기가 유입되는 유입구가 형성되며, 중심부상에는 상기 액상 유체가 합류하여 외부로 배출되는 합류 배출구가 형성되는 케이싱;
    상기 케이싱의 중심부를 관통하는 회전가능한 회전축;
    상기 회전축이 관통하는 관통공이 형성되고, 상기 액상 유체가 통과하는 유체 흐름구가 상기 관통공에 인접하게 형성되는 복수개의 적층된 디스크; 및
    상기 적층된 디스크 사이에 개재되어 상기 적층된 디스크를 일정간격으로 유지시키는 스페이서; 를 포함하는 디스크형 터빈 증기 원동소.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회전축의 단면의 양측에 사이드커팅부가 형성되는 디스크형 터빈 증기 원동소.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 유체 흐름구는, 상기 관통공을 중심으로 일정간격을 두고 형성되는 디스크형 터빈 증기 원동소.
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