KR20230172879A - 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따르면, 회전축; 상기 회전축의 길이 방향을 따라 서로 대칭으로 배치되는 한 쌍의 터빈 로터 블레이드; 상기 회전축과 함께 회전 가능하도록 상기 한 쌍의 터빈 로터 블레이드 사이에 배치되고, 회전에 따라 유도 전류를 발생시키는 자성물질을 포함하는 터빈 로터; 및 상기 터빈 로터를 둘러싸며, 그 내주면에는 스테이터 코일이 감기는 복수 개의 코일권선부가 형성되는 스테이터를 포함하는 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기를 제공한다.
Description
실시예는 터빈과 발전기의 로터(회전자)가 결합된 터보 발전기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 유기 랭킨 사이클 터빈발전기에 적용 가능한 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기에 관한 것이다.
일반적으로, 유기 랭킨 사이클(ORC)이란 연료를 사용하지 않고 미활용 열에너지를 사용한 전력을 생산하는 발전시스템이다. 즉, 증기를 만들기 위해 석탄을 태우는 기존 화력 발전기와 달리 내연기관 및 산업공정에서 버려지는 폐열로 전력을 생산하는 발전시스템이다. 태양력 또는 지열과 같은 친환경 에너지원들과 선박 폐열, 쓰레기 소각장 등 다양한 산업체의 미활용 에너지가 유기 랭킨 사이클의 열원이 된다.
국내 공개 특허 제10-2015-0029134호는 선박에서 발생하는 폐열원을 회수하여 공급하는 폐열원 공급부, 상기 폐열원 공급부에서 열을 회수한 열매체가 유동하는 제1라인, 상기 제1라인에서 유입된 열매체가 유동하면서 상기 열매체의 열을 회수하는 제1열교환기를 포함하는 제1ORC유닛, 상기 제1열교환기에 연결된 제2라인, 상기 제2라인에 연결된 제2열교환기를 포함하는 제2ORC유닛 및 상기 제1라인 및 상기 제2라인 중 적어도하나에 연결되는 바이패스라인을 포함하는 시스템에 관한 기술을 개시하고 있다.
또한, 국내 등록 특허 제10-0969682호는 직접구동식 전기기기에 관한 것으로써, 직접구동식 전기기기에서는 힘 밀도의 최대화 및 활동성 구성부 재료(active material)의 최소화를 통해 원가를 낮출 수 있고, 로터 등 회전체의 지지 및 가이딩을 위해 베어링리스(bearingless) 방식을 적용하여 비활동성 구성부의 재료(inactive material)를 현저하게 줄일 수 있으며, 스테이터(고정자) 및 로터 등이 복 수개의 모듈로 분리 구성된 모듈 구조를 가짐으로써 조립, 취급, 수송, 설치, 유지보수가 용이한 시스템에 관한 기술을 개시하고 있다.
또한, 국내 공개 특허 제10-2018-0078075호는 자가 냉각 윤활형 유기 랭킨 사이클 터빈발전기는 증발기와 응축기 사이에 설치되어 터빈으로 인입되는 작동 유체가 스테이터 및 로터를 2차 냉각시켜 응축기로 전달함으로 냉각 효율을 향상시키고, 상호 대칭되게 형성되는 터빈이 장동유체가 인입되는 위치에 구비 되어 발전기에서 발생되는 축진동을 저감시키며, 발전기의 내측에 구비되어 마그네틱 베어링 역할을 하는 영구자석이 구비되어 회전축과 상호 이격된 거리를 유지시키는 기술을 개시하고 있다.
그러나, 선행기술은 축류 터빈의 림에 발전기 로터를 결합하는 형태이거나 터빈 로터의 구성으로만 한정되어 있어, 대칭형 구조에도 적용하는 활용방안이 필요한 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 대칭형 구조를 가지는 내향반경류 터빈에 적용될 수 있는 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기를 제공하는데 있다.
실시예에 따르면, 회전축; 상기 회전축의 길이 방향을 따라 서로 대칭으로 배치되는 한 쌍의 터빈 로터 블레이드; 상기 회전축과 함께 회전 가능하도록 상기 한 쌍의 터빈 로터 블레이드 사이에 배치되고, 상기 회전에 따라 유도전류를 발생시키는 자성물질을 포함하는 터빈 로터, 및 상기 터빈 로터를 둘러싸며, 그 내주면에는 발전기 스테이터 코일이 감기는 복수 개의 코일 권선부가 형성되는 발전기 스테이터를 포함하는 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기를 제공한다.
상기 자성물질은 영구자석 또는 전자석 형태의 발전기 로터를 포함할 수 있다.
상기 영구자석은 상기 한 쌍의 터빈 로터 블레이드 사이의 가상의 중심축을 기준으로 상기 회전축의 길이 방향을 따라 양측으로 연장 배치될 수 있다.
상기 영구자석 또는 발전기 로터는 상기 가상의 중심축을 기준으로 하여 서로 대칭으로 배치될 수 있다.
상기 발전기 로터는 구리막대를 포함하는 농형 유도 발전기일 수 있다.
상기 터빈 로터는 상기 한 쌍의 터빈 로터 블레이드 사이의 가상의 중심축을 기준으로 하여 서로 대칭으로 배치될 수 있다.
상기 터빈 로터 블레이드 외측에 배치되어 작동 유체의 운동 방향을 변경하는 노즐 및 볼류트 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기는 대칭형 구조를 가지는 내향반경류 터빈에 적용될 수 있다.
또한, 터보 발전기의 스테이터 및 로터의 구성을 단순화하고, 소형화 할 수 있다.
또한, 제작 비용 및 유지 보수 시간을 절감할 수 있다.
도1은 실시예에 따른 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기를 설명하기 위한 도면이다.
도2는 다른 실시예에 따른 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기를 설명하기 위한 도면이다.
도3은 또 다른 실시예에 따른 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기를 설명하기 위한 도면이다.
도4는 또 다른 실시예에 따른 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기를 설명하기 위한 도면이다.
도2는 다른 실시예에 따른 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기를 설명하기 위한 도면이다.
도3은 또 다른 실시예에 따른 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기를 설명하기 위한 도면이다.
도4는 또 다른 실시예에 따른 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속' 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도1은 실시예에 따른 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기를 설명하기 위한 도면이다.
도1을 참조하면, 실시예에 따른 터보 발전기(Turbo generator)(100)는 회전축(Shaft)(110), 터빈 로터 블레이드(Turbine rotor blade)(120), 터빈 로터((Turbine rotor))(130), 터빈 로터 바디(Turbine rotor body)(131), 영구자석(Permanent magnet)(132), 발전기 스테이터(Generator stator)(140) 및 터빈 노즐(Turbine nozzle)(150)을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 터보 발전기(100)에 적용되는 반경류 터빈(radial flow turbine)은 증기 또는 가스 등 작동 유체가 회전축과 직각을 이루는 평면 내에서 반지름 방향으로 흘러 터빈 로터 블레이드(120)를 회전시키는 형식의 터빈을 의미할 수 있다. 이러한 반경류 터빈은 외향 반경류 터빈(radial outflow turbine)과 내향 반경류 터빈(radial inflow turbine)으로 구분할 수 있다. 외향 반경류 터빈은 증기 또는 가스 등이 중심으로 들어가서 반지름 방향으로 흐르고, 내향 반경류 터빈은 증기 또는 가스 등이 반지름 방향으로 바깥 둘레에서 안쪽을 향하여 흘러 터빈 로터 블레이드(120)를 구동시킬 수 있다.
내향 반경류 터빈에서 작동 유체는 볼류트(volute) 및 노즐(nozzle) 중 적어도 하나를 통해 반경 방향에서 터빈 로터 블레이드(120)로 유입될 수 있으며, 내향 반경류 터빈의 회전축(shaft)을 따라 내향 반경류 터빈의 디퓨저가 있는 방향으로 유출될 수 있다.
실시예에서, 작동 유체는 Difluoromethane로 일반적으로 R32라고 불리며, 녹는점이 -136도 끓는점이 -51.6도로 매우 저온의 증발온도를 가지고, ASHRAE classification이 A2L 등급으로 약간의 화염성을 갖는 성질이 있다.
상기 R32가 적용된 작동 유체는 675의 GWP와 0의 ODP로 친환경 냉매로 적용되며, 열전도율과 같은 물리적 성질이 우수하여 발전 효율이 높으며, 고압 냉매로 전체 플랜트 체적이 적다
한편 작동 유체는 R32뿐만 아니라 R245fa, R717, R1234yf, R1234ze와 같은 냉매 중 어느 한가지로 대체되어 이용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 작동 유체는 터빈 노즐(150)을 통해 반경 방향으로 유입될 수 있으며, 이때 유체는 터빈 로터(130)의 허브, 회전축(110) 및 터빈 로터 블레이드(120)를 포함하는 내향 반경류 터빈 로터(130)로 유입될 수 있다. 이 경우, 작동 유체의 에너지는 터빈 로터(130)의 허브상에 배열된 터빈 로터 블레이드(120)에 의해 회전 에너지로 변환되어 회전축(110)에 전달될 수 있다. 이후 작동 유체는 회전축(110)을 따라 디퓨저가 있는 방향으로 배출될 수 있다.
터빈 로터 블레이드(120)는 회전축(110)의 길이 방향을 따라 서로 대칭으로 배치될 수 있다. 회전축(110)의 외부 표면에는 한 쌍의 터빈 로터 블레이드(120)가 구비될 수 있다. 터빈 로터 블레이드(120)의 터빈 배출구는 서로 반대되는 방향으로 배치될 수 있으며, 축 방향의 힘(thrust force)을 저감시키도록 상호 대칭을 이루는 터빈 로터 블레이드(120)가 상호 반대방향으로 배치되어 작동되도록 구비될 수 있다.
한 쌍의 터빈 로터 블레이드(120)는 축하중을 효율적으로 상쇄시키기 위하여 동일한 크기로 이루어질 수 있다. 이는 각 터빈 로터 블레이드(120)에 유입되는 작동 유체의 유량 및 압력 구배가 동일한 경우를 전제로 한 것으로 만약 유입되는 작동 유체의 유량 및 압력 구배가 다를 경우 상호 동일한 크기의 축하중을 발생할 수 있도록 터빈 로터 블레이드(120)의 크기를 각각 다르게 마련하는 것도 고려할 수 있다.
터빈 로터(130)는 회전축(110)과 함께 회전 가능하도록 상기 한 쌍의 터빈 로터 블레이드(120) 사이에 배치되고, 자성을 제공하는 영구자석(132)을 포함할 수 있다.
회전축(110)의 외주면에는 터빈 로터(130)가 구비되는데, 이 터빈 로터(130)는 회전축(110)과 함께 회전 가능하도록 한 쌍의 터빈 로터 블레이드(120) 사이에 배치될 수 있다. 터빈 로터(130)는 회전축(110)의 외주면에 구비되어 회전축(110)과 함께 회전하며, 스테이터(140)와 소정 이격거리를 유지한 위치에 영구자석(132)을 구비할 수 있다.
이 때, 영구자석(132)은 한 쌍의 터빈 로터 블레이드(120) 사이의 가상의 중심축을 기준으로 회전축(110)의 길이 방향을 따라 양측으로 연장 배치될 수 있다.
영구자석(132)은 가상의 중심축을 기준으로 하여 서로 대칭으로 배치될 수 있다. 즉, 가상의 중심축을 기준으로 영구자석(132)은 서로 동일한 부피와 단면을 가지는 대칭 형상으로 배치될 수 있다.
영구자석(132)의 상측에는 림(rim)과 림을 터빈 로터 바디(131)와 연결해주는 연결부가 마련될 수 있으며, 림은 발전기 스테이터(140)의 유체와 맞닿아 축의 축방향과, 반경방향의 정하중 및 동하중을 지지할 수 있다. 지지용 유체는 터빈의 작동 유체와 동일할 수 있고, 다를 시에는 발전기 스테이터(140)에 조립된 씰(141)이 작동 유체의 유출 및 두 유체의 혼합을 방지할 수 있다.
발전기 스테이터(140)는 터빈 로터(130)를 둘러싸며, 그 내주면에는 스테이터 코일이 감기는 복수 개의 코일 권선부가 형성될 수 있다. 코일 권선부는 자기장 변화에 따라 전기를 생산할 수 있다.
발전기 스테이터(140)는 터빈 로터(130)의 외측으로 이격되어 구비되며, 터빈 로터(130)를 둘러싸는 원통 형상으로 형성된다. 터빈에 작동 유체가 충돌하여 터빈 로터 블레이드(120)의 회전력이 회전축으로 인가되어 고속 회전하면, 영구자석(132)이 회전하면서 유도 전류가 코일 권선부에 인가되어 전기를 발생시킬 수 있다. 이 때, 터빈 로터(130)의 하중은 스테이터(140)의 유체에서 지지할 수 있으며 필요 시 기계 베어링과 같은 보조 베어링을 적용할 수 있다.
터빈 노즐(150)은 터빈 외측에 배치되어 작동 유체의 운동 방향을 변경할 수 있다. 터빈 노즐(150)은 터빈 로터 블레이드(120) 앞에 위치하여 터빈 로터 블레이드(120)가 원활하게 작동할 수 있도록 작동 유체의 운동 방향을 바꾸어 주는 역할을 수행할 수 있다.
도2를 참조하면, 실시예에 따른 터보 발전기(100)는 회전축(110), 터빈 로터 블레이드(120), 터빈 로터(130), 발전기 스테이터(140) 및 터빈 노즐(150)을 포함할 수 있다.
도2를 참조하면, 작동 유체는 터빈 노즐(150)을 통해 반경 방향으로 유입될 수 있으며, 이때 유체는 터빈 로터 바디(131), 회전축(110) 및 터빈 로터 블레이드(120)를 포함하는 내향 반경류 터빈의 터빈 로터(130)로 유입될 수 있다. 이 경우, 작동 유체의 에너지는 터빈 로터 바디(131)상에 배열된 터빈 로터 블레이드(120)에 의해 회전 에너지로 변환되어 회전축(110)에 전달될 수 있다. 이후 작동 유체는 회전축(110)을 따라 디퓨저가 있는 방향으로 배출될 수 있다.
터빈 로터 블레이드(120)는 회전축(110)의 길이 방향을 따라 서로 대칭으로 배치될 수 있다. 회전축(110)의 외부 표면에는 한 쌍의 터빈 로터 블레이드(120)가 구비될 수 있다. 터빈 로터 블레이드(120)의 터빈 배출구는 서로 반대되는 방향으로 배치될 수 있으며, 축 방향의 힘을 저감시키도록 상호 대칭을 이루는 터빈 로터 블레이드(120)가 상호 반대방향으로 배치되어 작동되도록 구비될 수 있다.
한 쌍의 터빈 로터 블레이드(120)는 축하중을 효율적으로 상쇄시키기 위하여 동일한 크기로 이루어질 수 있다. 이는 각 터빈 로터 블레이드(120)에 유입되는 작동 유체의 유량 및 압력 구배가 동일한 경우를 전제로 한 것으로 만약 유입되는 작동 유체의 유량 및 압력 구배가 다를 경우 상호 동일한 크기의 축하중을 발생할 수 있도록 터빈 로터 블레이드(120)의 크기를 각각 다르게 마련하는 것도 고려할 수 있다.
터빈 로터(130)는 회전축(110)과 함께 회전 가능하도록 상기 한 쌍의 터빈 로터 블레이드(120) 사이에 배치되고, 자성을 제공하는 영구자석(132)을 포함할 수 있다.
회전축(110)의 외주면에는 터빈 로터(130)가 구비되는데, 이 터빈 로터(130)는 회전축(110)과 함께 회전 가능하도록 한 쌍의 터빈 로터 블레이드(120) 사이에 배치될 수 있다. 터빈 로터(130)는 회전축(110)의 외주면에 구비되어 회전축(110)과 함께 회전하며, 발전기 스테이터(140)와 소정 이격거리를 유지한 위치에 영구자석(132)을 구비할 수 있다.
이 때, 영구자석(132)은 한 쌍의 터빈 로터 블레이드(120) 사이의 가상의 중심축을 기준으로 회전축(110)의 길이 방향을 따라 양측으로 연장 배치될 수 있다.
영구자석(132)은 가상의 중심축을 기준으로 하여 서로 대칭으로 배치될 수 있다. 즉, 가상의 중심축을 기준으로 영구자석(132)은 서로 동일한 부피와 단면을 가지는 대칭 형상으로 배치될 수 있다.
영구자석(132)의 상측에는 림(rim)과 림을 터빈 로터 바디(131)와 연결해주는 연결부가 마련될 수 있으며, 림은 발전기 스테이터(140)의 유체와 맞닿아 축의 축방향과, 반경방향의 정하중 및 동하중을 지지할 수 있다. 지지용 유체는 터빈의 작동 유체와 동일할 수 있고, 다를 시에는 발전기 스테이터(140)에 조립된 씰(141)이 작동 유체의 유출 및 두 유체의 혼합을 방지할 수 있다.
터빈 로터 블레이드와 림이 연결되는 연결부는 I형으로 무게를 최소화 시키는 구성 혹은 연결부에 가해지는 힘에 대응하기 위한 II형으로 구성할 수 있다.
발전기 스테이터(140)는 터빈 로터(130)를 둘러싸며, 그 내주면에는 발전기 스테이터 코일이 감기는 복수 개의 코일 권선부가 형성될 수 있다. 코일 권선부는 자기장 변화에 따라 전기를 생산할 수 있다.
발전기 스테이터(140)는 터빈 로터(130)의 외측으로 이격되어 구비되며, 터빈 로터(130)를 둘러싸는 원통 형상으로 형성된다. 터빈에 작동 유체가 충돌하여 터빈 로터 블레이드(120)의 회전력이 회전축으로 인가되어 고속 회전하면, 영구자석(132)이 회전하면서 유도 전류가 코일 권선부에 인가되어 전기를 발생시킬 수 있다. 이 때, 터빈 로터(130)의 하중은 발전기 스테이터(140)의 유체에서 지지할 수 있으며 필요 시 기계 베어링과 같은 보조 베어링을 적용할 수 있다.
터빈 노즐(150)은 터빈 외측에 배치되어 작동 유체의 운동 방향을 변경할 수 있다. 터빈 노즐(150)은 터빈 로터 블레이드(120) 앞에 위치하여 터빈 로터 블레이드(120)가 원활하게 작동할 수 있도록 작동 유체의 운동 방향을 바꾸어 주는 역할을 수행할 수 있다.
도3을 참조하면, 실시예에 따른 터보 발전기(100)는 회전축(110), 터빈 로터 블레이드(120), 터빈 로터(130), 발전기 스테이터(140) 및 볼류트(Volute)(160)을 포함할 수 있다.
도3을 참조하면, 작동 유체는 터빈 노즐(150)을 통해 반경 방향으로 유입될 수 있으며, 이때 유체는 터빈 로터 바디(131), 회전축(110) 및 터빈 로터 블레이드(120)를 포함하는 내향 반경류 터빈의 터빈 로터(130)로 유입될 수 있다. 이 경우, 작동 유체의 에너지는 터빈 로터 바디(131)상에 배열된 터빈 로터 블레이드(120)에 의해 회전 에너지로 변환되어 회전축(110)에 전달될 수 있다. 이후 작동 유체는 회전축(110)을 따라 디퓨저가 있는 방향으로 배출될 수 있다.
터빈 로터 블레이드(120)는 회전축(110)의 길이 방향을 따라 서로 대칭으로 배치될 수 있다. 회전축(110)의 외부 표면에는 한 쌍의 터빈 로터 블레이드(120)가 구비될 수 있다. 터빈 로터 블레이드(120)의 터빈 배출구는 서로 반대되는 방향으로 배치될 수 있으며, 축 방향의 힘 또는 추진력을 저감시키도록 상호 대칭을 이루는 터빈 로터 블레이드(120)가 상호 반대방향으로 배치되어 작동되도록 구비될 수 있다.
한 쌍의 터빈 로터 블레이드(120)는 축하중을 효율적으로 상쇄시키기 위하여 동일한 크기로 이루어질 수 있다. 이는 각 터빈 로터 블레이드(120)에 유입되는 작동 유체의 유량 및 압력 구배가 동일한 경우를 전제로 한 것으로 만약 유입되는 작동 유체의 유량 및 압력 구배가 다를 경우 상호 동일한 크기의 축하중을 발생할 수 있도록 터빈 로터 블레이드(120)의 크기를 각각 다르게 마련하는 것도 고려할 수 있다.
터빈 로터(130)는 회전축(110)과 함께 회전 가능하도록 상기 한 쌍의 터빈 로터 블레이드(120) 사이에 배치되고, 자성을 제공하는 영구자석(132)을 포함할 수 있다.
회전축(110)의 외주면에는 터빈 로터(130)가 구비되는데, 이 터빈 로터(130)는 회전축(110)과 함께 회전 가능하도록 한 쌍의 터빈 로터 블레이드(120) 사이에 배치될 수 있다. 터빈 로터(130)는 회전축(110)의 외주면에 구비되어 회전축(110)과 함께 회전하며, 발전기 스테이터(140)와 소정 이격거리를 유지한 위치에 영구자석(132)을 구비할 수 있다.
이 때, 영구자석(132)은 한 쌍의 터빈 로터 블레이드(120) 사이의 가상의 중심축을 기준으로 회전축(110)의 길이 방향을 따라 양측으로 연장 배치될 수 있다.
영구자석(132)은 가상의 중심축을 기준으로 하여 서로 대칭으로 배치될 수 있다. 즉, 가상의 중심축을 기준으로 영구자석(132)은 서로 동일한 부피와 단면을 가지는 대칭 형상으로 배치될 수 있다.
영구자석(132)의 상측에는 림(rim)과 림을 터빈 로터 바디(131)와 연결해주는 연결부가 마련될 수 있으며, 림은 발전기 스테이터(140)의 유체와 맞닿아 축의 축방향과, 반경방향의 정하중 및 동하중을 지지할 수 있다. 지지용 유체는 터빈의 작동 유체와 동일할 수 있고, 다를 시에는 발전기 스테이터(140)에 조립된 씰(141)이 작동 유체의 유출 및 두 유체의 혼합을 방지할 수 있다.
발전기 스테이터(140)는 터빈 로터(130)를 둘러싸며, 그 내주면에는 발전기 스테이터 코일이 감기는 복수 개의 코일 권선부가 형성될 수 있다. 코일 권선부는 자기장 변화에 따라 전기를 생산할 수 있다.
발전기 스테이터(140)는 터빈 로터(130)의 외측으로 이격되어 구비되며, 터빈 로터(130)를 둘러싸는 원통 형상으로 형성될 수 있다. 터빈에 작동 유체가 충돌하여 터빈 로터 블레이드(120)의 회전력이 회전축으로 인가되어 고속 회전하면, 영구자석(132)이 회전하면서 유도 전류가 코일 권선부에 인가되어 전기를 발생시킬 수 있다. 이 때, 터빈 로터(130)의 하중은 발전기 스테이터(140)의 유체에서 지지할 수 있으며 필요 시 기계 베어링과 같은 보조 베어링을 적용할 수 있다.
볼류트(160)는 터빈 외측에 배치되어 작동 유체의 운동 방향을 변경할 수 있다. 볼류트(160)는 터빈 로터 블레이드 앞에 위치하여 터빈 로터 블레이드가 원활하게 작동할 수 있도록 작동 유체의 운동 방향을 바꾸어 주는 역할을 수행할 수 있다.
도4는 실시예에 따른 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기를 설명하기 위한 도면이다.
도4를 참조하면, 실시예에 따른 터보 발전기(1000)는 회전축(1100), 터빈 로터 블레이드(1200), 터빈 로터(1310), 발전기 로터(1320), 발전기 스테이터(1400) 및 노즐(1500)을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 터보 발전기(1000)에 적용되는 반경류 터빈(radial flow turbine)은 증기 또는 가스 등 작동 유체가 회전축과 직각을 이루는 평면 내에서 반지름 방향으로 흘러 터빈 로터 블레이드(1200)를 회전시키는 형식의 터빈을 의미할 수 있다. 이러한 반경류 터빈은 외향 반경류 터빈(radial outflow turbine)과 내향 반경류 터빈(radial inflow turbine)으로 구분할 수 있다. 외향 반경류 터빈은 증기 또는 가스 등이 중심으로 들어가서 반지름 방향으로 흐르고, 내향 반경류 터빈은 증기 또는 가스 등이 반지름 방향으로 바깥 둘레에서 안쪽을 향하여 흘러 터빈 로터 블레이드(1200)를 구동시킬 수 있다.
내향 반경류 터빈에서 작동 유체는 볼류트(volute) 및 노즐(nozzle) 중 적어도 하나를 통해 반경 방향에서 터빈 로터(1310)로 유입될 수 있으며, 내향 반경류 터빈의 회전축(shaft)을 따라 내향 반경류 터빈의 디퓨저가 있는 방향으로 유출될 수 있다.
도 4를 참조하면, 작동 유체는 터빈 노즐(1500)을 통해 반경 방향으로 유입될 수 있으며, 이때 유체는 터빈 로터 바디(1310), 회전축(1100) 및 터빈 로터 블레이드(1200)를 포함하는 내향 반경류 터빈의 로터(1300)로 유입될 수 있다. 이 경우, 작동 유체의 에너지는 터빈 로터 바디(1310)상에 배열된 터빈 로터 블레이드(1200)에 의해 회전 에너지로 변환되어 회전축(1100)에 전달될 수 있다. 이후 작동 유체는 회전축(1100)을 따라 디퓨저가 있는 방향으로 배출될 수 있다.
터빈 로터 블레이드(1200)는 회전축(1100)의 길이 방향을 따라 서로 대칭으로 배치될 수 있다. 회전축(1100)의 외부 표면에는 한 쌍의 터빈 로터 블레이드(1200)가 구비될 수 있다. 터빈 로터 블레이드(1200)의 터빈 배출구는 서로 반대되는 방향으로 배치될 수 있으며, 축 방향의 힘(thrust force)을 저감시키도록 상호 대칭을 이루는 터빈 로터 블레이드(1200)가 상호 반대방향으로 배치되어 작동되도록 구비될 수 있다.
한 쌍의 터빈 로터 블레이드(1200)는 축하중을 효율적으로 상쇄시키기 위하여 동일한 크기로 이루어질 수 있다. 이는 각 터빈 로터 블레이드(1200)에 유입되는 작동 유체의 유량 및 압력 구배가 동일한 경우를 전제로 한 것으로 만약 유입되는 작동 유체의 유량 및 압력 구배가 다를 경우 상호 동일한 크기의 축하중을 발생할 수 있도록 터빈 로터 블레이드(1200)의 크기를 각각 다르게 마련하는 것도 고려할 수 있다.
터빈 로터(1310)는 회전축(1100)과 함께 회전 가능하도록 상기 한 쌍의 터빈 로터 블레이드(1200) 사이에 배치되고, 자성을 제공하는 발전기 로터(1320)를 포함할 수 있다.
회전축(1100)의 외주면에는 터빈 로터(1310)가 구비되는데, 이 터빈 로터(1310)는 회전축(1100)과 함께 회전 가능하도록 한 쌍의 터빈 로터 블레이드(1200) 사이에 배치될 수 있다. 터빈 로터(1310)는 회전축(1100)의 외주면에 구비되어 회전축(1100)과 함께 회전하며, 스테이터(1400)와 소정 이격거리를 유지한 위치에 발전기 로터(1320)를 구비할 수 있다.
이 때, 발전기 로터(1320)는 한 쌍의 터빈 로터 블레이드(1200) 사이의 가상의 중심축을 기준으로 회전축(1100)의 길이 방향을 따라 양측으로 연장 배치될 수 있다.
발전기 로터(1320)는 가상의 중심축을 기준으로 하여 서로 대칭으로 배치될 수 있다. 즉, 가상의 중심축을 기준으로 발전기 로터(1320)는 서로 동일한 부피와 단면을 가지는 대칭 형상으로 배치될 수 있다.
발전기 로터(1320)의 상측에는 림(rim)과 림을 터빈 로터 바디(1310)와 연결해주는 연결부가 마련될 수 있으며, 림은 발전기 스테이터(1400)의 유체와 맞닿아 축의 축방향과, 반경방향의 정하중 및 동하중을 지지할 수 있다. 지지용 유체는 터빈의 작동 유체와 동일할 수 있고, 다를 시에는 발전기 스테이터(1400)에 조립된 씰(1410)이 작동 유체의 유출 및 두 유체의 혼합을 방지할 수 있다.
실시예에 따른 발전기 로터는 영구자석 대신 앙페르 법칙에 의해 코일에 전류가 흐를 때 자성을 띄는 전자석의 원리를 차용한 유도 발전기에 적용될 수 있다. 도4의 발전기 로터는 전술한 영구자석을 전자석으로 대신하는 형태로써, 영구자석형 발전기가 아닌 유도 발전기 형태에 적용하기 위한 구성을 의미할 수 있다. 즉, 도4는 영구자석을 구리 막대와 코일이 전자석 형태로 대신하는 구조를 의미할 수 있다.
유도 발전기는 고정자 권선에 전압을 인가하고 회전자에는 별도의 전압 인가없이 회전자 도체에 전압 및 전류가 유도되어 운전하는 방식으로, 도4의 농형 유도 모터(Squirrel cage induction motor)방식은 로터에 동바(Copper conductor)를 삽입하며 스테이터에 전압, 전류가 인가되면 회전자 동바에 2차 전압, 2차 전류가 형성(유도)되어 운전되는 방식이다. 농형 전동기의 고정자 권선에 공급되는 전압, 전류가 일정한 경우, 로터는 운전 중에 전류, 전압, 저항의 변화없이 동일한 운전 특성을 유지할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 터보 발전기는 권선형 유도 모터(Wound rotor induction motor)방식에 적용될 수 있다. 권선형 유도 모터 방식은 농형 모터의 회전자에 동바 대신 3상 권선을 감아 2차 권선으로 하고 Slip Ring을 각 상 권선의 선단에 마련하여 Brush를 중개하여 2차 전류를 외부에 인도할 수 있게 하며, 2차 저항의 크기를 바꾸어 토크와 속도를 제어할 수 있다.
발전기 스테이터(1400)는 터빈 로터(1300)를 둘러싸며, 그 내주면에는 스테이터 코일이 감기는 복수 개의 코일 권선부가 형성될 수 있다. 코일 권선부는 자기장 변화에 따라 전기를 생산할 수 있다.
발전기 스테이터(1400)는 터빈 로터(1300)의 외측으로 이격되어 구비되며, 터빈 로터(1300)를 둘러싸는 원통 형상으로 형성된다. 터빈에 작동 유체가 충돌하여 터빈 로터 블레이드(1200)의 회전력이 회전축으로 인가되어 고속 회전하면, 발전기 로터(1320)가 회전하면서 유도 전류가 코일 권선부에 인가되어 전기를 발생시킬 수 있다. 이 때, 터빈 로터(1300)의 하중은 스테이터(1400)의 유체에서 지지할 수 있으며 필요 시 기계 베어링과 같은 보조 베어링을 적용할 수 있다.
터빈 노즐(1500)은 터빈 외측에 배치되어 작동 유체의 운동 방향을 변경할 수 있다. 터빈 노즐(1500)은 터빈 로터 블레이드(1200) 앞에 위치하여 터빈 로터 블레이드(1200)가 원활하게 작동할 수 있도록 작동 유체의 운동 방향을 바꾸어 주는 역할을 수행할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 터보 발전기
110: 회전축
120: 터빈 로터 블레이드
130: 터빈 로터
131: 터빈 로터 바디
132: 영구자석
140: 발전기 스테이터
141: 축하중 지지 유체
150: 터빈 노즐
160: 볼류트
110: 회전축
120: 터빈 로터 블레이드
130: 터빈 로터
131: 터빈 로터 바디
132: 영구자석
140: 발전기 스테이터
141: 축하중 지지 유체
150: 터빈 노즐
160: 볼류트
Claims (6)
- 회전축;
상기 회전축의 길이 방향을 따라 서로 대칭으로 배치되는 한 쌍의 터빈 로터 블레이드;
상기 회전축과 함께 회전 가능하도록 상기 한 쌍의 터빈 로터 블레이드 사이에 배치되고, 회전에 따라 유도 전류를 발생시키는 자성물질을 포함하는 터빈 로터; 및
상기 터빈 로터를 둘러싸며, 그 내주면에는 스테이터 코일이 감기는 복수 개의 코일권선부가 형성되는 스테이터를 포함하는 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기. - 제1항에 있어서,
상기 자성물질은 영구자석 또는 전자석형태의 발전기 로터를 포함하는 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기. - 제2항에 있어서,
상기 영구자석 또는 발전기 로터는 상기 한 쌍의 터빈 로터 블레이드 사이의 가상의 중심축을 기준으로 상기 회전축의 길이 방향을 따라 양측으로 연장 배치되는 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기. - 제3항에 있어서,
상기 영구자석 또는 발전기 로터는 상기 가상의 중심축을 기준으로 하여 서로 대칭으로 배치되는 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기. - 제3항에 있어서,
상기 터빈 로터는 상기 한 쌍의 터빈 로터 블레이드 사이의 가상의 중심축을 기준으로 하여 서로 대칭으로 배치되는 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기. - 제1항에 있어서,
상기 터빈 외측에 배치되어 작동 유체의 운동 방향을 변경하는 노즐 및 볼류트 중 적어도 하나를 더 포함하는 터빈과 발전기의 로터가 결합된 터보 발전기.
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