KR20230132765A - 마그네틱 커플링을 포함하는 터빈-발전기 조립체 - Google Patents

마그네틱 커플링을 포함하는 터빈-발전기 조립체 Download PDF

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KR20230132765A
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working fluid
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페르 아스케비에르
프레드리크 외르넬
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클리메온 에이비
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Abstract

작동 유체 회로를 포함하는 열역학 사이클에서 작동하도록 구성된 터빈(10)으로서, 터빈은 터빈 샤프트(20)의 제1 단부(20a)에 장착된 임펠러(11)를 포함하고, 임펠러는 작동 유체용 터빈 입구(10a)를 구비한 하우징에 배치된다. 여기서 터빈 샤프트의 제2 단부(20b)는 터빈 샤프트로부터 발전기 샤프트로 토크를 전달하기 위한 마그네틱 커플링(40)에 의해 발전기(60)의 샤프트에 연결될 수 있고, 유체 기밀 장벽(50)은 터빈에 장착되어 터빈 샤프트를 덮어 주변으로부터 터빈을 밀봉하고, 터빈은 터빈 샤프트 상에 배치되고 작동 유체 회로로부터 작동 유체를 수용하기 위해 작동 유체 회로와 유체 연통하는 적어도 하나의 유체 베어링(30a, 30b, 30c)을 더 포함한다.

Description

마그네틱 커플링을 포함하는 터빈-발전기 조립체
본 발명은 마그네틱 커플링을 포함하는 터빈 및 터빈-발전기 조립체에 관한 것이다.
터빈은 랭킨(Rankine) 사이클, 칼리나(Kalina) 사이클, 카본 캐리어(Carbon Carrier) 사이클 및/또는 카르노(Carnot) 사이클과 같은 열역학적 전력 사이클에 의해 운영되는 발전소에서 전력 생산에 사용되는 필수 요소이다. 이러한 발전소에서는 액체 상태의 작동 유체가 가스로 변환될 때까지 가열된 다음 터빈으로 들어가 작업을 수행한다. 터빈은 샤프트를 통해 발전기에 차례로 연결되어 터빈의 회전을 전기 에너지로 변환한다.
그러나 터빈과 발전기 사이의 물리적 연결로 인해 터빈을 발전기로 구동하는 작동 유체의 상당한 누출이 있을 수 있다. 결과적으로 발전기 로터는 작동 유체에 완전히 잠긴 상태에서 작동하도록 조정되어야 한다. 또한 터빈 샤프트의 베어링도 작동 유체에 잠긴 상태에서 작동하도록 구성해야 한다. 또 다른 문제는, 선택한 작동 유체가 폭발성일 수 있으므로, ATEX 지침(폭발성 환경에서 사용되는 작업장 및 장비에 대한 유럽(EU) 최소 안전 요구 사항)에 따른 엄격한 안전 조치와, 사고를 방지하기 위해 발전기 및 관련 전자 장치의 특수 개조 작업이 필요하다는 것이다. 마지막으로 작동 유체의 높은 작동 온도도 발전기에 영향을 미칠 수 있다. 결과적으로 열역학적 동력 사이클에는 종종 비용을 높이고 터빈의 작동 모드를 제한하는 맞춤형 발전기가 필요한 경우가 많다.
제안된 한 가지 해결책은 작동 유체의 누출을 제거하기 위해 연결이 밀봉될 수 있는 터빈과 발전기 사이에 마그네틱 커플링을 도입하는 것이다. 이러한 방식으로 발전기는 공기 중에서 작동할 수 있으며 발전기에 대한 ATEX 문제가 제거되고 더 간단한 베어링 솔루션을 구현할 수 있다.
이러한 솔루션의 문제점은 터빈이 여전히 고속으로 회전하고 정교한 베어링이 필요하다는 것이다. 이러한 마그네틱 커플링의 예는 EP 3 495 677 A1 및 WO 2019/054280 A1에 개시되어 있으며, 상기 문헌에서는 또한 가압 가스가 베어링 면, 즉 회전 샤프트와 주변 베어링 하우징 사이의 갭으로 도입되는 정적 가스 베어링(Static Gas Bearing)을 제안한다. 정적 가스 베어링은, 움직이는 부품 사이에 접촉이 없기 때문에 미끄럼 마찰이 없어, 가스 또는 유체 베어링이, 다른 많은 유형의 베어링보다, 마찰, 마모 및 진동이 적다. 일부 유체 베어링은 올바르게 작동할 경우 마모가 거의 없을 수도 있다. 그러나 이러한 가스 베어링은 회전 속도와 샤프트 부하에 따라 가스 압력과 소비량을 조정하는 샤프트 위치 제어 시스템이 필요하다. 또한 외부에서 가압된 가스를 베어링에 공급하기 위해서는 별도의 가스원과 펌프가 필요하다.
JP H02-50055 A는 공통 케이싱으로 덮힌 마그네틱 커플링에 의해 연결된 압축기와 팽창기가 결합된 랭킨(Rankine) 사이클 엔진 구동 압축 냉장고를 개시한다. 압축기와 팽창기의 샤프트는 가스 베어링으로 지지된다. 팽창기를 구동하는 랭킨 사이클은 팽창기에 들어가기 전에 보일러에서 끓고 과열기에서 과열되는 작동 유체로 물을 사용한다. 별도의 도관은 랭킨 사이클에서 끓지만 과열되지 않은 증기를 팽창기의 가스 베어링으로 공급한다. 이 베어링 증기는 압축 냉동 사이클의 냉매에 부정적인 영향을 미치는 팽창기에서 압축기로 열을 전달할 위험이 있는 압축기에 인접한 공간으로 안내된다.
따라서, 공지된 터빈과 관련된 단점을 극복하기 위한 해결책이 필요하다.
본 발명의 목적은 최신 기술과 관련하여 전술한 단점 및 문제점의 전부 또는 일부를 극복하기 위한 개선된 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
이 목적은 본 발명에 의해 달성되며, 제1 측면에서 작동 유체용 회로를 포함하는 열역학 사이클에서 작동하도록 구성된 터빈이 제공되며,
상기 터빈은 터빈 샤프트의 제1 단부에 장착된 임펠러를 포함하고, 임펠러는 임펠러에 회전을 부여하기 위해 터빈 입구가 있는 하우징에 배치되고, 터빈 샤프트의 제2단부는 터빈 샤프트에서 발전기 샤프트로 토크를 전달하기 위해 발전기의 샤프트에 터빈 샤프트를 연결하도록 배치된 마그네틱 커플링의 일부를 형성하도록 장착된 복수의 자석을 포함하고, 터빈 샤프트와 주변으로부터 터빈을 밀봉하기 위한 자석을 둘러싸는 유체 기밀 장벽이 터빈에 장착되고, 터빈은 터빈 샤프트에 배치된 적어도 하나의 유체 베어링을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 유체 베어링은 상기 적어도 하나의 유체 베어링에 대한 가압 유체로서 작용하도록 상기 작동 유체 회로와 유체 연통되도록 배치된다.
열역학 사이클의 작동 유체용 회로와 적어도 하나의 유체 베어링 사이에 유체 연통을 제공함으로써, 유체 베어링은 열역학 사이클의 작동 유체에서 작동한다. 따라서 유체 베어링에 가압 유체를 공급하기 위한 별도의 소스 및 펌프가 필요하지 않다. 또한 모든 터빈은 임펠러 하우징에서 약간의 작동 유체가 누출되기 때문에 터빈 샤프트는 일반적으로 작동 유체에 잠기게 된다. 유체 베어링은 이미 작동 유체에서 작동하도록 조정되었기 때문에 작동 유체와의 호환성을 보장하기 위해 추가 조정이나 밀봉이 필요하지 않다. 마지막으로, 유체 기밀 장벽은 작동 유체가 새는 것을 방지하기 위해 터빈의 밀폐된 캡슐화를 제공한다. 따라서, 터빈을 구동하는 작동 유체에 의해 공급되는 유체 베어링을 갖는 독립형 터빈이 달성되며, 이는 추가적인 밀봉 수단을 필요로 하지 않고 단순하고 누출 없는 방식으로 마그네틱 커플링을 통해 토크 전달을 위한 발전기와 결합될 수 있다.
일 실시예에서, 터빈은 유체 연통을 제공하기 위해 터빈 입구와 적어도 하나의 유체 베어링 사이의 도관을 포함한다. 도관을 통해 작동 유체를 유체 베어링으로 전달하기 위한 간단한 솔루션을 얻을 수 있다. 또한 유체 베어링의 작동 유체 압력은 터빈 입구의 압력과 실질적으로 동일하므로 터빈 샤프트의 축 방향 추력의 균형을 맞출 수 있다.
일 실시예에서, 터빈은 임펠러와 유체 기밀 장벽 사이에 배치된 스테이터 플레이트를 더 포함하고, 도관은 스테이터 플레이트에 배치된다. 스테이터 플레이트의 도관을 기계 가공함으로써 추가 배관 없이 작동 유체를 유체 베어링으로 전달하기 위한 컴팩트하고 견고한 해결책을 얻을 수 있다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 유체 베어링은 임펠러 하우징의 출구와 유체 연통하도록 추가로 배치된다. 이러한 배치는 작동 유체가 작업을 수행하고 확장하기 위해 임펠러 하우징을 통과하는지 또는 가압 베어링 유체로 작용하기 위해 적어도 하나의 유체 베어링을 통과하는지 여부에 관계없이 작동 유체의 압력 강하가 실질적으로 동일하도록 보장한다. 바람직하게는, 터빈 샤프트는, 적어도 하나의 유체 베어링과 임펠러 하우징의 출구 사이에 유체 연통을 제공하도록 중공(hollow)으로 형성된다. 이 배치는 베어링 유체의 복귀 경로에 대한 간단한 해결책을 제공한다.
일 실시예에서, 자석의 질량은 터빈 샤프트의 균형을 맞추기 위해 임펠러의 질량에 맞춰진다. 자석과 임펠러의 질량을 서로 맞물리면 터빈 샤프트가 실질적으로 균형을 이루고 유체 베어링에 작용하는 반경 방향 힘은 기울어지거나 구부러지는 힘 없이 중력만 작용한다. 따라서 유체 베어링이 보상해야 하는 부하가 줄어들 수 있다.
일 실시예에서, 터빈은 작동 유체 회로와 적어도 하나의 유체 베어링 사이에 배치되고 유체 연통하는 완충 탱크를 더 포함한다. 완충 탱크는 터빈의 시동 및 정지/비상 정지 중에 유체 베어링에 가압 유체를 제공하기 위한 저장소 역할을 한다.
본 발명의 제2 측면에서, 제1 측면에 따른 터빈을 포함하는 터빈-발전기 조립체가 제공되며, 발전기는 커플링 요소를 갖는 발전기 샤프트 및 그 위에 장착되어 마그네틱 커플링의 일부를 형성하는 복수의 자석을 포함하고, 상기 발전기는 상기 마그네틱 커플링에 의해 터빈에 연결된다.
일 실시예에서, 마그네틱 커플링은 터빈 샤프트와 발전기 로터 샤프트 사이의 비균일 기어비(non-unity gear ratio)를 갖는 마그네틱 기어이다. 마그네틱 기어는 각각이 최적의 회전 영역에서 작동할 수 있도록 터빈과 발전기의 서로 다른 회전 속도를 허용한다.
본 발명은 이제 첨부된 도면을 참조하여 예로서 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈-발전기 조립체의 단면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 사시도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈과 함께 사용되는 마그네틱 커플링의 단면도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈과 함께 완충 탱크의 개략도를 도시한다.
이하에서는 본 발명에 따른 터빈의 상세한 설명을 개시한다. 도면에서 동일한 참조번호는 여러 도면에 걸쳐 동일하거나 대응되는 구성요소를 지칭한다. 이들 도면은 단지 예시를 위한 것이며 어떤 식으로든 본 발명의 범위를 제한하지 않음을 이해할 것이다.
도 1을 참조하면, 마그네틱 커플링(40)에 의해 발전기(60)에 연결된 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈(10)이 도시되어 있다. 터빈(10)은, 예를 들어, 발전기(60)의 로터(75)를 구동하여 전기 에너지를 생산하는 데 사용될 수 있는 작동 유체 회로(도시하지 않음)를 포함하는 (유기) 랭킨(Rankine) 사이클과 같은 열역학적 사이클에서 작동하도록 구성된다. 이를 위해 열역학 사이클은 작동 유체 회로에서 작동 유체를 순환시키는 펌프, 열원 및 냉각 싱크로 구성된다(그림 5 참조).
터빈(10)은 터빈 샤프트(20)의 제1 단부(20a)에 장착된 임펠러(11)를 포함하고, 임펠러(11)는 작동 유체 회로로부터의 작동 유체를 위한 터빈 입구(10a)를 갖는 임펠러 하우징(12)에 배치된다. 작동 유체는 임펠러(11)에 회전을 부여하기 위해 고온 고압에서 터빈 입구(10a)를 통해 임펠러 하우징(12)으로 들어간다. 도 1에 도시된 예시적인 실시예에서, 터빈(10)은 반경방향 터빈이고 작동 유체의 흐름은 화살표로 표시된 바와 같이 터빈 샤프트(20)의 회전축에 수직으로 배향된다. 그러나, 예를 들어 축 터빈과 같은 다른 유형의 터빈도 또한 적용 가능하다. 작동 유체가 임펠러(11)에 회전을 부여함에 따라, 작동 유체는 팽창하고 터빈 출구(10b)를 향해 흐르고, 터빈 출구(10b)는 도 1에서 터빈 샤프트(20)의 회전축과 실질적으로 동심원으로 중앙에 배치된다.
터빈 샤프트(20)의 반대편 제2 단부에는 아래에서 더 설명되는 바와 같이 그 위에 장착된 복수의 자석 형태의 마그네틱 커플링(40)이 제공된다. 복수의 자석은 터빈 샤프트(20)의 원주 주위에 분포되고 터빈 샤프트(20)와 발전기 로터(75) 사이에 발전기 로터 샤프트(70)를 통해 토크를 전달하기 위해 발전기(60)와 연관되거나 연결된 로터 상의 자석의 대응 패턴과 협력(Cooperate)하도록 구성된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 터빈 샤프트(20)는 내부 로터(41)를 포함하고, 발전기 로터 샤프트(70)는 터빈 샤프트(20)를 둘러싸는 외부 결합 요소(71)를 포함한다. 그러나 마그네틱 커플링(40)에 영향을 미치는 매개변수에 따라 터빈 샤프트(20)는 외부 로터를 포함할 수 있고 발전기 로터 샤프트(70)는 내부 로터를 포함할 수 있음이 예상된다.
주변으로부터 터빈(10)을 밀봉하기 위해, 터빈(10) 상에 장착되고 터빈 샤프트(20)의 제2 단부(20b)를 둘러싸는 유체 기밀 물리적 장벽(50)이 제공된다. 물리적 장벽(50)은 바람직하게는 넓은 온도 범위에 걸쳐 높은 기계적 및 화학적 저항 특성을 나타내는 열가소성, 세라믹 및/또는 금속 합금 재료로 만들어진 슈라우드 또는 컵일 수 있다. 적합한 재료의 예로는 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK) 및 Hastelloy®가 있다. 도 2 및 도 3의 실시예에서 볼 수 있는 바와 같이, 터빈에는, 일측 단부에 개구되어 있고 베이스가 볼록한 실질적인 원통형 슈라우드(50)가 장착되어 있다. 원통형 슈라우드(50)는 터빈 샤프트(20)와 자석(42a)을 덮어 터빈(10)의 실질적으로 밀폐된 캡슐화를 제공함으로써 터빈(10)에서 작동 유체(예: 발전기(60))의 누출을 방지한다.
터빈 샤프트(20)를 지지하기 위해, 터빈(10)은 연관된 베어링 표면 사이에 가압 유체의 얇은 층을 제공하는 적어도 하나의 유체 베어링(30a, 30b, 30c)을 포함한다. 바람직하게는, 유체 베어링은 베어링 회전이 유체를 베어링의 내부 표면으로 빨아들이는 유체역학 또는 공기역학과는 대조적으로 가압 유체가 외부 공급원으로부터 공급된다는 점에서 유체정역학적 또는 공기정역학적이다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 터빈(10)을 구동하는 열역학 사이클의 작동 유체가 적어도 하나의 유체 베어링(30a, 30b, 30c)을 위한 가압 유체로 동시에 사용되는 해결책을 제안한다. 이를 위해 유체 베어링(30a, 30b, 30c)은 작동 유체 회로와 유체 연통하도록 배치된다. 예를 들어, 작동 유체의 일부는 열원 열교환기(200)(도 5 참조)의 하류 회로로부터 우회되어 적어도 하나의 유체 베어링(30a, 30b, 30c)으로 공급될 수 있다. 이러한 방식으로, 유체 베어링(30a, 30b, 30c)에 도달하는 작동 유체는 터빈 입구(10a)에서 임펠러 하우징(12)으로 들어가는 작동 유체와 실질적으로 동일한 온도 및 압력을 가질 수 있다. 제안된 해결을 통해 얻을 수 있는 이점 중 일부는 베어링 유체를 가압하기 위한 외부 공급 및 펌프가 필요하지 않으며, 유체 베어링 (30a, 30b, 30c)이 서로 다른 유체가 존재하는 상태에서 작동하도록 조정될 필요가 없다는 것이다(즉, 터빈에서 작동 유체가 누출됨). 그리고 임펠러 하우징 12 내의 작동 유체의 압력으로 인한 임펠러 11의 축방향 추력은 가압 베어링 유체로 사용되는 작동 유체의 압력에 의해 균형을 맞출 수 있다.
일 실시예에서, 작동 유체 회로와 적어도 하나의 유체 베어링(30a, 30b, 30c) 사이의 유체 연통은 터빈 입구(10a)와 유체 베어링(30a, 30b, 30c) 사이에 배치된 도관(82)에 의해 달성된다. 이제 도 2 및 도 3을 참조하면, 임펠러(11)에 인접하게 배치되고 임펠러 하우징(12)의 후방 벽을 형성하는 스테이터 플레이트(80)에 공급 도관(82)이 가공된다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 도관(82)은 작동 유체가 유체 베어링(30a, 30b, 30c)으로 더 분배되는 원주형 입구 공동(Circumferential Inlet Cavity)(83)에서 빠져나온다. 터빈 샤프트(20)는 스테이터 플레이트(80)의 중앙 개구를 통과한다. 이 실시예에서, 도관(82)을 통해 작동 유체에 의해 공급되는 3개의 유체 베어링(30a, 30b, 30c), 2개의 축(axial) 베어링(30a, 30c) 및 1개의 레이디얼(Radial) 베어링(30b)이 제공된다. 그러나, 본 발명과 관련하여 임의의 수의 축 및/또는 레이디얼 유체 베어링이 예상된다.
제1 축 유체 베어링(30a)은 임펠러(11)와 스테이터 플레이트(80) 사이에 배치된다. 작동 유체는 정적 베어링 표면(30a2)과 임펠러 블레이드 맞은편 회전 임펠러(11)의 후면에 의해 형성된 슬릿(30a1)으로 가압되어 도입된다. 정적 베어링 표면(30a2)은 스테이터 플레이트(80)에 부착된 평평한 원형 디스크의 형태일 수 있다.
레이디얼 유체 베어링(30b)은 스테이터 플레이트(80)와 마그네틱 커플링(40) 사이에 배치되고 터빈 샤프트(20)를 수용하기 위한 원형 개구를 갖는 고정 레이디얼 베어링 하우징(30b2)을 포함한다. 작동유체는 개구부의 내면과 터빈 샤프트(20)의 외면 사이의 간극에 압력을 받아 도입되어 베어링면 사이에 얇은 유체막을 형성한다. 레이디얼 베어링 하우징(30b2)은 터빈 샤프트(20)의 제2 단부(20b)를 향해 연장되는 스테이터 플레이트(80)의 플랜지(81)에 부착된다.
제2 축 유체 베어링(30c)은 터빈 샤프트(20)의 숄더(20c)와 터빈 샤프트(20)의 제2 단부(20b)에 부착된 마그네틱 커플링(40)의 로터 요소(41) 사이에 형성된 갭(30c1)에 의해 구현된다. 작동 유체는 2개의 베어링 표면 사이에 얇은 유체 필름을 형성하기 위해 갭(30c1)으로 가압되어 도입된다.
터빈(10)의 작동 중에 작동 유체가 팽창함에 따라 임펠러(11)에 대한 압력차가 발생하여 터빈 출구(10b)를 향하는 방향으로 임펠러(11)를 민다. 그러나 터빈 입구(10a)의 압력 Pin은 임펠러(11) 후방의 임펠러 하우징(12)의 압력보다 높다. 터빈 입구(10a)로부터 도관(82)을 통해 입구 공동(83)으로 유체가 연통되기 때문에 공동(83)의 원형면에 작용하는 압력(Pin)에 의해 발생하는 축력은 임펠러(11)의 후면에 작용하는 임펠러 하우징(12) 내의 팽창된 작동 유체에 의한 힘보다 크다. 이는 터빈 샤프트(20)가 마그네틱 커플링(40)을 향하는 방향으로 이동하게 할 것이다. 제1 축 유체 베어링(30a)은 이 방향으로 축방향 이동을 보상하는 반면, 제2 축 유체 베어링(30c)은 반대 방향으로 축방향 이동을 보상한다. 따라서, 축 유체 베어링(들)(30a, 30c)은 함께 자체 조절 시스템을 달성하고, 여기서 터빈 샤프트(20)는 축방향 유체 베어링(들)(30a, 30c)의 갭이 축방향 힘과 균형을 이루는 폭에 도달할 때까지 축방향으로 이동할 것이다.
일 실시예에서, 터빈 샤프트(20)는 중공이어서 제2 단부(20b)와 제1 단부(20a) 사이의 작동 유체에 대한 복귀 경로를 제공한다. 보다 구체적으로, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 마그네틱 커플링(40)은 그의 제2 단부(20b)에 인접한 터빈 샤프트(20)에 부착된 로터 요소(41)를 포함하고, 복수의 자석(42)은 로터 요소(41)의 둘레 주위에 장착된다. 로터 요소(41)의 직경은 래디얼 유체 베어링 하우징(30b2)에 인접하여 슈라우드(50)의 내경보다 작은 직경이 되도록 계단식으로 형성되어 제1 공동(Cavity)(45)을 형성한다. 터빈 샤프트의 제2 단부(20b)에 인접하여, 그 위에 장착된 자석(42)과 함께 로터 요소(41)의 직경은 실질적으로 대응하며, 즉 슈라우드(50)의 내경보다 약간 더 작을 수 있다. 이 영역에서, 로터 요소(41)는 터빈 샤프트(20)의 회전축에 실질적으로 평행한 복수의 관통 길이방향 채널(43)을 포함한다. 채널(43)은 슈라우드(50)의 볼록 베이스에 인접한 로터 요소(41)의 단부면과 제1 공동(45) 사이에 유체 연통을 제공한다. 중앙 보어(Bore)(44)는 로터 요소(41)를 통해 연장되어 내부에 장착된 중공 터빈 샤프트(20)가 로터 요소의 단부면과 슈라우드(50)의 내부 표면에 의해 한정되는 제2 공동(46)에서 분리된다. 함께, 공동(45, 46), 채널(43) 및 터빈 샤프트(20)의 내부 보어는 유체 베어링(30a, 30b, 30c)으로부터 터빈(10)의 출구(10b)까지 작동 유체를 위한 경로를 형성한다.
이러한 구성의 한 가지 장점은 작동 유체가 임펠러(11) 또는 유체 베어링(30a, 30b, 30c)를 통과하는 경로에 관계없이 작동 유체의 입구 압력(Pin) 및 출구 압력(Pout) 각각이 실질적으로 동일하다는 것이다. 결과적으로, 터빈 샤프트(20)를 지지하는 하나 이상의 축 유체 베어링(30a, 30c)에서, 터빈 입구(10a)에서 작동 유체의 입구 압력(Pin)에 의해 발생하는 축방향의 임펠러(11)에 작용하는 힘은 실질적으로 동일한 압력에 의해 상쇄된다. 이로써, 외부 펌프 또는 유체 베어링(30a, 30b, 30c)을 위한 유체 공급 없이 터빈 샤프트(20)의 개선된 균형이 달성된다.
이제 도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 측면에 따른 터빈-발전기 조립체를 형성하기 위해 터빈(10)을 발전기(60)와 자기적으로 결합시키도록 배치된 예시적인 마그네틱 커플링(40)의 단면도가 도시되어 있다. 마그네틱 커플링(40)은 터빈의 (내부) 로터(41)에 장착된 제1 세트의 자석(42a)과 발전기(60)의 샤프트(70)에 부착되도록 배치된 (외부) 커플링 요소(71)에 장착된 제2 세트의 자석(42b)에 의해 형성된다. 전술한 바와 같이, 터빈(10)을 밀봉하기 위한 유체 기밀 장벽을 제공하는 격납 슈라우드(50)는 제1 및 제2 세트의 자석(42a, 42b) 사이에 배치되고 예를 들어 볼트에 의해 터빈에 장착된다. 슈라우드(50)는 터빈(10)에서 발전기(60)로 작동 유체가 누출되는 것을 방지하므로, 터빈(10)이 발전기 전자 장치와 같은 특별한 적응 없이 상용화된 적절한 기성품(COTS) 발전기와 함께 작동할 수 있습니다. 또한 열역학 사이클의 공정 온도는 발전기에서 분리되어 발전기의 손상 또는 성능 저하의 위험 없이 높은 공정 온도를 가능하게 한다. 마그네틱 커플링(40)의 또 다른 이점은 자석(42a, 42b)이 서로 물리적으로 접촉하지 않기 때문에 자기적으로 결합된 표면의 마모가 없고 표면이 손상 없이 서로 미끄러질 수 있다는 점이다.
일 실시예에서, 마그네틱 커플링(40)은 내부 로터와 외부 로터 사이에 비균일 기어비를 제공하는 마그네틱 기어를 구성한다. 다시 말해, 기계식 기어는 터빈(10)과 발전기(60)의 서로 다른 회전 속도를 허용하여 각각이 최적의 회전 체제에서 작동할 수 있도록 한다. 저속 발전기는 일반적으로 덜 복잡하고 값비싼 전력 전자 장치를 필요로 한다.
마그네틱 기어는, 제1 및 제2 복수의 자석(42a, 42b) 외에, 상기 복수의 자석(42a, 42b)에 의해 생성되는 자기장을 각각 내측 로터(41) 및 외측 커플링 요소(71) 상에서 변조하기 위한 중간 강자성 극 스테이터(Intermediate Ferromagnetic Pole Stator)(미도시)를 포함한다. 극 스테이터는 내부 로터(41) 또는 외부 커플링 요소(71)의 원주 주위에 분포된 복수의 극편(미도시)을 포함할 수 있다. 기어비는 각각 내부 로터(41) 및 외부 커플링 요소(71) 상의 각 세트 또는 어레이(42a, 42b) 내의 자석의 수 사이의 비율에 의해 결정된다. 마그네틱 기어는 영구 자석 및/또는 전자석을 포함할 수 있으며 전자석은 자석을 제거/추가하지 않고도 기어비를 조정할 수 있다.
이제 도 5를 참조하면, 예시적인 발전 모듈의 작동 원리를 설명하는 개략도가 도시되어 있다. 상기 발전 모듈은 열역학 사이클에서 생성된 작동 유체의 상 변화 에너지를 이용하여 저온 열을 전기로 변환하도록 배치된다. 열역학적 폐쇄 루프 사이클은 랭킨 사이클, 유기 랭킨 사이클, 칼리나 사이클 또는 열을 전력으로 변환하는 임의의 다른 알려진 열역학적 폐쇄 루프 전력 발생 프로세스일 수 있다. 발전 모듈은 터빈(10), 발전기(60), HS(Hot Source) 열교환기(200), CS(Cold Source) 열교환기(500) 및 펌프(300)로 구성되며, 작동유체가 모듈을 통해 순환된다. 발전 모듈의 펌프(300)는 CS 열교환기(500)의 하류에 위치한다. 작동 유체는 증발기라고도 하는 H2S 열교환기(200)에서 가열되어 들어오는 뜨거운 소스에 의해 기화된다. 뜨거운 기체 작동 유체는 전기 에너지 생산을 위해 발전기(60)를 구동하는 터빈(10)으로 전달된다. 여전히 기체 형태인 팽창된 열간 작동 유체는 폐쇄 루프 사이클을 완료하기 위해 HS 열교환기(200)로 재순환되기 전에 다시 액체 형태로 변환되도록 CS 열 교환기(500)로 유도된다.
도 5를 참조하면, 완충 탱크(90)가 작동 유체 회로와 터빈(10)의 유체 베어링 사이에서 유체 연통으로 연결되는 실시예가 또한 도시되어 있다. 완충 탱크(90)는 터빈-발전기 조립체의 시동 및 정지 또는 비상 정지 시퀀스 동안 충분한 압력을 보장하기 위해 유체 베어링을 위한 작동 유체를 위한 저장소 역할을 한다. 완충 탱크(90)와 터빈(10)의 유체 베어링 사이의 유체 연통은 여기에서 명확성을 위해 별도의 도관으로 도시되어 있다. 자연적으로, 완충 탱크(90)는 터빈 입구(10a)에 또는 전술한 스테이터 플레이트(80)의 도관(82)에 직접 유동적으로 연결될 수도 있다. 추가로, 마그네틱 커플링(40)으로부터 CS 열 교환기(500)로 베어링 유체를 배출하는 별도의 도관이 도시되어 있지만, 이것은 전술한 바와 같이 중공 터빈 샤프트(20) 및 터빈 출구(10b)를 통한 복귀 경로를 통해 대안적으로 달성될 수 있다.
예시적인 착수 시퀀스는 다음과 같이 수행될 수 있다. 처음에는 가변 주파수 드라이브(VFD)가 터빈(10)을 정지 상태로 유지하기 위해 터빈(10)의 회전을 제어한다. 유체 베어링(30a, 30b, 30c)의 베어링 재료는 가압 유체 없이 소량의 회전을 견디도록 구성된다. (HS)열교환기(200)에는 작동유체의 온도가 상승하도록 열원(미도시)이 공급된다. 다음으로 완충 탱크(90)의 입구에 있는 제어 밸브(91)가 개방됨과 동시에 소량의 작동 유체가 HS 열교환기(200)로 유도된다. 이는 HS 열교환기(200)의 출구에서 작동 유체의 압력 증가로 이어지며, 이는 완충 탱크(90)를 채우고 유체 베어링(30a, 30b, 30c)을 통해 흐른다. 압력은 유체 베어링(30a, 30b, 30c)을 작동시키기 위해, 즉 베어링 표면(30a1, 30b1, 30c1)을 부상시키기에 충분히 높은 압력이 달성될 때까지 축적되도록 허용된다. 이때 터빈(10)은 회전을 시작할 수 있다. 바람직하게는, 밸브(91)는 PLC(programmable logic controller)에 의해 제어된다.
예시적인 정지 또는 비상 정지 시퀀스는 기본적으로 반대 순서로 수행된다. 먼저, 열역학 사이클에서 펌프(300)가 정지함에 따라 완충 탱크(90)가 압력을 잃지 않도록 컨트롤 밸브(91)를 닫는다. 완충 탱크(90)로부터 유체 베어링(30a, 30b, 30c)으로 작동유체의 공급 및 압력을 유지하면서 터빈(10)의 회전을 정지시킨다. 이를 위해, 완충 탱크(90)는 터빈(10)의 사양 및 요구 사항, 즉 터빈(10)의 회전을 정지시키는 데 걸리는 시간에 따라 충분한 양의 작동 유체를 보유할 수 있는 치수를 갖는다.
터빈 및 터빈-발전기 조립체의 바람직한 실시예가 위에서 개시되었다. 그러나, 당업자는 이것이 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 첨부된 특허청구범위 내에서 변경될 수 있음을 인식한다.
전술한 모든 대체 실시예 또는 실시예의 일부는 조합이 모순되지 않는 한 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 서로 자유롭게 조합하거나 별도로 채용할 수 있다.
10: 터빈
11: 임펠러
20: 터빈 샤프트
40: 마그네틱 커플링
42a: 자석
50: 유체 기밀 장벽
30a, 30b, 30c: 유체 베어링

Claims (9)

  1. 작동 유체 회로를 포함하는 열역학 사이클에서 작동하도록 된 터빈(10)으로서,
    터빈(10)은 터빈 샤프트(20)의 제1 단부(20a)에 장착된 임펠러(11)를 포함하고,
    임펠러(11)는 임펠러(11)에 회전을 부여하기 위해 터빈 입구(10a)가 있는 하우징(12)에 배치되고,
    터빈 샤프트(20)의 제2단부(20b)는 터빈 샤프트(20)에서 발전기 샤프트(70)로 토크를 전달하기 위해 발전기(60)의 샤프트(70)에 터빈 샤프트(20)를 연결하도록 배치된 마그네틱 커플링(40)의 일부를 형성하도록 장착된 복수의 자석(42a)을 포함하고,
    터빈 샤프트(20)와 주변으로부터 터빈(10)을 밀봉하기 위한 자석(42a)을 둘러싸는 유체 기밀 장벽(50)이 터빈에 장착되고,
    터빈(10)은 터빈 샤프트(20)에 배치된 적어도 하나의 유체 베어링(30a, 30b, 30c)을 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 유체 베어링(30a, 30b, 30c)은 상기 적어도 하나의 유체 베어링(30a, 30b, 30c)에 대한 가압 유체로서 작용하도록 상기 작동 유체 회로와 유체 연통되도록 배치된, 터빈.
  2. 제1항에 있어서, 터빈(10)은 유체 연통을 제공하기 위해 터빈 입구(10a)와 적어도 하나의 유체 베어링(30a, 30b, 30c) 사이의 도관(82)을 포함하는 터빈.
  3. 제2항에 있어서, 임펠러(11)와 유체 기밀 장벽(50) 사이에 배치된 스테이터 플레이트(80)를 더 포함하고, 도관(82)은 스테이터 플레이트(80)에 배치되는 터빈.
  4. 이전 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 유체 베어링(30a, 30b, 30c)이 임펠러 하우징(12)의 출구(10b)와 유체 연통하도록 추가로 배치되는 터빈.
  5. 제4항에 있어서, 터빈 샤프트(20)는 적어도 하나의 유체 베어링(30a, 30b, 30c)과 임펠러 하우징(12)의 출구(10b) 사이에 유체 연통을 제공하기 위해 중공(hollow)인 터빈.
  6. 이전 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 자석(42a)의 질량은 터빈 샤프트(12)의 균형을 맞추기 위해 임펠러(11)의 질량에 맞춰지는 터빈.
  7. 이전 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 작동 유체 회로와 적어도 하나의 유체 베어링(30a, 30b, 30c) 사이에 배치되고 유체 연통하는 완충 탱크(90)를 추가로 포함하는 터빈.
  8. 이전 청구항 중 어느 한 항에 따른 터빈(10)을 포함하고, 외부 결합 요소(71)를 포함하는 발전기 샤프트(70)와 마그네틱 커플링(40)의 일부를 형성하도록 장착된 복수의 자석(42b)을 포함하는 발전기(60)를 포함하고,
    상기 발전기(60)는 마그네틱 커플링(40)에 의해 터빈(10)에 연결된 터빈-발전기 조립체.
  9. 제8항에 있어서, 마그네틱 커플링(40)은 터빈 샤프트(20)와 발전기 샤프트(70) 사이의 비균일 기어비(non-unity gear ratio)를 갖는 마그네틱 기어로 되는 터빈-발전기 조립체.


KR1020237017438A 2020-11-27 2021-11-22 마그네틱 커플링을 포함하는 터빈-발전기 조립체 KR20230132765A (ko)

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