WO2012118288A1

WO2012118288A1 - 가스터빈

Info

Publication number: WO2012118288A1
Application number: PCT/KR2012/001236
Authority: WO
Inventors: 김기태
Original assignee: Kim Ki Tae
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2012-09-07
Also published as: EP2682585A4; KR101092783B1; IN2013CN06503A; CN103415684A; JP2014506978A; US20130318974A1; EP2682585A1; CN103415684B

Abstract

본 발명에 의한 가스터빈에 관한 것이다. 본 발명은, 가스를 원주방향으로 분사하면서 반발력을 이용하여 터빈축을 회전시킴으로써 터빈의 회전에너지 변환 효율을 높이고 제조비용을 절감할 수 있다. 또, 가스의 유동저항을 줄이고 압력누설을 방지하며 에너지 손실을 줄여 저렴하면서도 고효율의 터빈을 얻을 수 있다. 또, 서로 다른 용량의 터빈을 제작할 때 부품을 공유하기가 용이할 뿐만 아니라 터빈축의 편심회전을 미연에 방지하여 내구성이 크게 향상될 수 있다. 또, 공기압축부와 가스팽창부 그리고 동력발생부를 모듈화하면서 연료와 물을 함께 공급하도록 구성함으로써 상기 가스팽창부의 과열을 방지하여 공기의 과팽창을 막고 수증기를 발생시켜 터빈의 추력 대신 회전력을 향상시킬 수 있으며, 고가의 고온 내열재료 대신 상대적으로 저가의 금속을 재료로 사용할 수 있어 제조비용을 낮출 수 있다.

Description

가스터빈

본 발명은 연소가스 또는 스팀과 같은 고압의 작동가스를 이용하여 회전력을 발생하는 가스터빈에 관한 것이다.

일반적으로 가스터빈은 배출되는 가스의 분사압력을 이용하여 후부(後部)에 팬(fan)으로 구비된 터빈을 돌려 회전력을 얻고, 그 터빈에 연결된 축을 이용하여 전부(前部)에 구비된 공기 압축기를 회전시켜 연료의 연소와 제트엔진 추진에 필요한 압축공기를 공급하게 된다.

통상, 제트엔진에서는 비행기의 추력의 대부분을 엔진에서 나오는 고온의 배기가스에 의한 반작용을 이용함에 따라 연소되지 않고 남은 여분의 공기는 연소가스와 함께 터빈쪽으로 배출함으로써 비행속도를 높이는데 사용되고 있다. 그 전형적인 예가 대형여객기에 사용되는 팬-제트(fan-jet) 엔진이다. 팬제트엔진에서는 연소하는 가스에너지의 약 85%가 회전력이 아닌 배기가스의 운동에너지(추력)으로 사용된다.

반면, 발전용이나 탱크 등의 엔진으로 사용되는 터빈에서는 분출하는 가스에 의한 추력이 전혀 필요치 않고, 발생되는 배기가스가 갖는 에너지는 축의 회전력을 발생시키는 데는 전혀 사용되지 못하고 대부분 낭비된다. 예를 들어, 발전용 터빈에서는 배기가스에 의한 추력은 전혀 필요하지 않고 축의 회전력만이 사용되고 있다. 또, 탱크 등의 엔진으로 사용되는 경우는 탱크의 속도가 배기가스의 속도에 비해 너무 낮아 배기가스에 의한 탱크의 추력은 거의 발생하지 않고 대부분이 낭비되고 있다. 따라서, 발전용이나 엔진으로 사용되는 경우에는 가능한 한 배출되는 배기가 갖는 에너지를 줄이고 축의 회전에너지를 늘리는 것이 바람직하다.

하지만, 현재의 가스터빈에서는 연소실에서 분출하는 고온고압의 가스를 대부분 회전력으로 변환시키는 것은 불가능하며 따라서 상당량의 연소가스는 고온고압의 가스상태로 배출되어 많은 에너지가 낭비되고 있는 실정이다. 또 이러한 가스터빈에서는 연소실에서 발생하는 고온가스에 견딜 수 있는 고내열성의 고급재료로 터빈을 만들어야 하므로 가스터빈은 대단히 고가의 장치가 될 수밖에 없다. 참고로, 터빈 작동시의 후미 터빈은 섭씨 1200도 이상이 된다.

그러나, 종래의 가스터빈은, 터빈의 날개가 터빈측 하우징으로 감싸져 날개의 끝부분과 터빈측 하우징의 내주면 사이에는 날개의 열팽창 등을 고려하여 일정 간격을 두어야 하므로 가스의 압력손실이 증가하면서 터빈의 회전력 발생효율이 저하되는 문제점이 있었다.

또, 종래의 가스터빈은, 입사되는 가스로부터 날개를 회전시키는 힘의 발생은 가스가 날개에 전달한 운동량에 의존하게 되고 이 운동량은 상기 날개의 수, 입사되는 가스에 대한 각도, 면적 등 여러 요소에 의해 결정된다. 그런데, 터빈 날개에 부딪힌 가스는 속도와 방향 모두가 달라지므로 이를 모두 고려하여 다음 열의 터빈 날개의 형상, 각도 등을 적절하게 설계하고 수 천 개에 이르는 이러한 날개들을 난류 발생이 최소가 되게 나열하는 것은 대단히 난해하므로 고효율의 터빈을 제작하는데 한계가 있었다.

또, 종래의 가스터빈에서는 후미터빈이 단단으로 이루어져 있을 뿐만 아니라 연소가스의 온도가 너무 높아 배출되는 연소가스의 속도가 과도하게 상승하고 팽창하면서 대부분의 배기가스의 에너지가 회전력이 아닌 추력으로 발생하기 때문에 제트기와 같이 이러한 추력이 비행기의 전진을 도울 수 있는 곳 이외에서는 낭비되고 그 일부만 회전력으로 변환됨에 따라 발전용 가스터빈과 같이 회전력이 필요한 분야에서는 이러한 추력은 회전력의 발생에 아무런 도움이 없는 에너지의 낭비가 되었다.

본 발명의 목적은, 이러한 배기가스가 가지고 나가는 배기가스의 에너지를 가능한 한 많은 비율로 회전에너지화 시킴으로써 발전용 터빈의 열효율을 높일 수 있는 가스터빈을 제공하려는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 가스에 의한 운동량의 결정 요소를 간소화하여 고효율의 터빈을 용이하게 제작할 수 있는 가스터빈을 제공하려는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 터빈을 다단으로 형성하고 연소가스의 온도를 낮춰 배기가스의 에너지가 회전력으로 변환되도록 할 수 있고, 배기가스의 온도를 현저하게 낮춤에도 불구하고 가스터빈의 열효율을 오히려 높일 수 있는 획기적인 가스터빈을 제공하려는데 있다.

본 발명은, 가스를 팽창시키는 가스팽창부와, 상기 가스팽창부에서 팽창되는 가스에 의해 회전력이 발생되고 그 회전력을 전달하도록 터빈축을 갖는 동력발생부와, 상기 동력발생부의 터빈축에 결합되어 회전하면서 공기를 압축하여 상기 가스팽창부에 압축공기를 공급하는 공기압축부를 포함하고, 상기 동력발생부는, 가스를 원주방향으로 분사하도록 적어도 한 개 이상의 분사구멍을 가지는 노즐조립체가 상기 터빈축에 일체로 결합되어 상기 분사구멍에서 가스가 원주방향으로 분사되면서 회전력이 발생되도록 하는 가스터빈을 제공한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은, 입구와 출구를 갖는 분사실이 구비되는 케이싱; 상기 케이싱의 분사실을 관통하여 상기 케이싱에 회전 가능하게 결합되는 터빈축; 상기 터빈축의 축방향을 따라 소정의 간격을 두고 결합되며 상기 케이싱의 입구방향이 개구되는 반면 출구방향은 막혀 상기 터빈축에 결합되고 외주면에 적어도 한 개 이상의 분사구멍이 관통 형성되는 하우징과, 상기 하우징의 분사구멍에 연통되도록 결합되고 원주방향으로 개구단이 형성되는 가스분사관을 갖는 적어도 2개 이상의 노즐조립체; 상기 케이싱 내에 설치되며, 연소가스를 발생시켜서 상기 노즐조립체로 공급하는 가스 팽창부; 및 상기 노즐조립체들 사이를 차단하도록 상기 케이싱에 결합되어 전류측 노즐조립체의 가스분사관에서 분사되는 연소가스를 후류측 노즐조립체의 하우징으로 안내하는 가이드를 포함하는 가스터빈을 제공한다.

본 발명에 의한 가스터빈은, 가스를 원주방향으로 분사하면서 반발력을 이용하여 터빈축을 회전시킴으로써 터빈의 회전에너지 변환 효율을 높이고 제조비용을 절감할 수 있다.

또한, 가스의 유동저항을 줄이고 압력누설을 방지하며 에너지 손실을 줄여 저렴하면서도 고효율의 회전력을 갖는 터빈을 얻을 수 있다.

또한, 서로 다른 용량의 터빈을 제작할 때 부품을 공유하기가 용이할 뿐만 아니라 터빈축의 편심회전을 미연에 방지하여 내구성이 크게 향상될 수 있다.

또한, 공기압축부와 가스팽창부 그리고 동력발생부를 모듈화하면서 연료와 물을 함께 공급하도록 구성함으로써 상기 가스팽창부의 과열을 방지하여 출구의 온도를 현저하게 낮추고 공기의 과팽창을 막고 수증기를 발생시켜 배기가스의 추력을 줄이고 터빈의 회전력을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 내부를 보인 사시도,

도 2는 도 1에 도시된 가스터빈의 내부를 보인 단면도,

도 3은 도 2의 "I-I"선에 따라 취한 단면도,

도 4 및 도 5는 도 1에 도시된 가스분사관의 다른 예들을 보인 각각 보인 사시도,

도 6은 도 1에 도시된 가스터빈에서 가스분사관이 배제된 분사구멍의 다른 예를 보인 단면도,

도 7 및 도 8은 도 1에 도시된 가스터빈에서 연료분사장치와 물분사장치의 배열에 대한 예들을 각각 보인 개략도,

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스터빈의 다른 예를 보인 단면도,

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스터빈의 단면도,

도 11은 도 10에 도시된 가스터빈에서 노즐조립체의 분사구멍을 보인 평면도이다.

이하, 본 발명에 의한 가스터빈을 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 가스터빈의 내부를 보인 사시도이고, 도 2는 도 1에 따른 가스터빈의 내부를 보인 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 가스터빈은, 공기를 압축하는 공기압축부(1)와, 상기 공기압축부(1)에 의해 압축된 공기를 팽창시켜 공기의 유동속도를 높이는 가스팽창부(2)와, 상기 가스팽창부(2)에서 팽창된 고온 고압의 공기가 원주방향으로 분사되면서 회전력을 발생하는 동력발생부(3)를 포함한다. 상기 공기압축부(1)와 가스팽창부(2) 그리고 동력발생부(3)는 케이싱(4)의 내부에 순차적으로 설치되고, 상기 공기압축부(1)는 동력발생부(2)의 터빈축(31)에 결합되어 상기 동력발생부(3)에서 발생되는 회전력에 의해 회전하도록 구성된다.

상기 공기압축부(1)는 압축측 케이싱(41)의 내부에 회전 가능하게 설치되는 헤드(11)와, 상기 헤드(11)의 외주면에 설치되어 공기를 압축하여 가스팽창부로 토출하도록 다수 개의 블레이드(12)를 포함한다.

상기 헤드(11)는 입구측이 좁은 원추형 또는 돔형으로 형성되어 상기 터빈축(31)에 일체로 결합된다.

상기 가스팽창부(2)는 상기 공기압축부(1)을 통해 흡입되는 압축공기가 연료를 연소시켜 팽창시킬 수 있도록 연소측 케이싱(42)의 내부에 설치된다. 상기 가스팽창부(2)의 내부에는 한 개의 연소통(21)이 환형으로 형성되어 상기 터빈축(31)을 감싸도록 설치될 수도 있지만, 도면에서와 같이 복수 개의 연소통(21)이 상기 터빈축(31)을 중심으로 원주방향을 따라 배열될 수도 있다.

상기 연소통(21)은 입구가 공기압축부(1)쪽을, 출구가 동력발생부(3)쪽을 향하도록 길게 형성될 수 있다. 그리고 상기 연소통(21)에는 등유나 프로판 또는 천연가스와 같은 연료를 상기 연소통(21)의 내부로 분사할 수 있도록 연료분사관(22)이 설치되고, 상기 연료분사관(22)의 일측에는 연료의 연소 직후 물을 분사하여 가스의 온도를 낮추도록 물분사관(23)이 설치된다. 이로써, 총 가스의 양은 물이 증발하여 가스에 함께 더해짐에 따라 총 가스의 온도가 내려갔음에도 불구하고 부피는 더 증가하게 된다. 상기 연료분사관(22)과 물분사관(23)은, 도 7에서와 같이, 각각의 연소통(21)에 함께 설치될 수도 있지만 각각의 연소통(21)에 독립적으로 설치될 수도 있다. 상기 연료분사관(22)과 물분사관(23)이 독립적으로 설치되는 경우에는 그 연료분사관(22)과 물분사관(23)이 상기 연소통(21)을 따라 번갈아 설치될 수 있다.

상기 연료분사관(22)과 물분사관(23)의 중간에는 각각 밸브(미도시)가 설치되어 상기 연소통(21)으로 공급되는 연료와 물의 공급주기 또는 공급량을 조건에 따라 자동 또는 수동으로 조절할 수 있다.

상기 동력발생부(3)는, 도 1 및 도 2에서와 같이, 케이싱(4)의 내부를 입구에서 출구 방향으로 관통하여 그 케이싱(4)에 회전 가능하게 결합되는 터빈축(31)과, 상기 터빈축(31)에 축방향을 따라 결합되어 동력측 케이싱(43)의 내부에서 가스를 분사하면서 상기 터빈축(31)을 회전시키는 복수 개의 노즐조립체(이하, 전류측에서 후류측으로 제1, 제2, 제3 노즐조립체로 구분한다)(321)(322)(323)를 포함한다.

상기 동력측 케이싱(43)은 그 내부공간이 상기 각 노즐조립체(321)(322)(323) 사이에 구비되는 가이드(434)에 의해 복수 개의 분사실(이하, 전류측에서 후류측으로 제1,제2,제3 분사실로 구분한다)(431)(432)(433)로 구획된다. 여기서, 상기 동력측 케이싱(43)은 원통모양으로 형성되고, 상기 가이드(434)는 후류측으로 갈수록 단면적이 좁아져 깔때기 모양으로 형성될 수 있다.

상기 각 분사실(431)(432)(433)의 체적은 서로 동일하게 형성될 수도 있지만 출구방향으로 갈수록 가스가 팽창되는 점을 고려하여 출구방향으로 넓게 형성될 수도 있다. 그리고 상기 동력측 케이싱(43)은 후류측 측면에 배기구(435)가 적어도 한 개 이상 형성되고, 상기 배기구(435)가 형성되는 면의 중앙에는 상기 터빈축(31)을 관통되어 지지되도록 베어링(436)이 설치될 수 있다.

상기 노즐조립체(32)는 상기 터빈축(31)의 외주면에 일체로 결합되는 하우징(325)과, 상기 하우징(325)의 외주면에 결합되어 가스를 원주방향, 즉 터빈축(31)의 회전 반대방향으로 분사하는 복수 개의 가스분사관(326)을 포함한다.

상기 하우징(325)은 전류측 노즐조립체쪽 측면은 개구되는 반면 후류측 노즐조립체쪽 측면은 막힌 원통모양으로 형성되어 그 막힌 측면이 상기 터빈축(31)에 일체로 결합된다. 그리고 상기 하우징(325)의 외주면에는 적어도 한 개 이상의 분사구멍(327)이 형성된다. 상기 분사구멍(327)은 도 1 및 도 2에서와 같이 축방향을 따라 복수 개가 일직선상에 형성되고, 그 복수 개의 분사구멍(327)들은 원주방향을 따라 등간격으로 형성될 수 있다.

상기 하우징(325)의 개구단 직경은 가스가 터빈축(31)의 외주면과 하우징(325)의 개구단 사이로 흘러 상기 노즐조립체(32)로 유입되도록 상기 터빈축(31)의 직경보다 크게 형성된다. 그리고 상기 하우징(325)의 개구단으로 전류측 가이드(434)의 출구단이 삽입되어 중첩되도록 결합되는 것이 가스가 후류측 분사실로 곧바로 유입되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 이 경우, 상기 하우징의 개구단과 가이드(434)의 출구단 사이에는 실링부재가 구비될 수 있다.

상기 분사구멍(327)은 각 노즐조립체(321)(322)(323) 당 동일한 개수와 크기로 형성될 수도 있지만, 가스가 각 노즐조립체(321)(322)(323)를 통과하면서 팽창되므로 이를 감안하여 후류측으로 갈수록 상기 분사구멍(327)의 전체 단면적을 크게 하거나 전체 개수를 많게 하는 것이 각 노즐조립체(321)(322)(323)에서 발생되는 회전력을 동일하게 할 수 있어 바람할 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 가스분사관(326)은 그 출구단이 각 노즐조립체(321)(322)(323)의 접선방향, 즉 상기 터빈축의 회전방향에 대해 반대방향으로 형성될 수 있다. 이를 위해, 상기 가스분사관은 도 3에서와 같이 절곡되어 형성되거나 또는 도면으로 도시하지는 않았으나 일직선으로 형성될 수 있다. 물론, 상기 가스분사관(326)을 구비하지 않고 상기 하우징(325)의 분사구멍(327)만으로도 노즐조립체가 회전할 수 있도록 상기 분사구멍(327)이 반경방향에 대해 경사지게 할 수도 있다.

상기 가스분사관(326)은 상기 터빈축(31)의 축 중심에서 상기 가스분사관(326)의 출구까지의 수직거리(r)가 하류의 분사실로 갈수록 점차로 줄어들게 형성될 수 있다. 그리고 상기 가스분사관은 도 1 내지 도 3에서와 같이 원형관으로 형성되어 각각의 분사구멍(327)에 독립적으로 결합될 수도 있지만, 도 4에서와 같이 한 개의 가스분사관(326)에 복수 개의 분사통공(3261)을 형성하여 각 분사구멍(327)에 연통되도록 할 수도 있다. 또, 도 5에서와 같이 상기 분사구멍(327)은 축방향으로 길게 장공 형상으로 형성되고, 그 장공 모양의 분사구멍(327)에 연통되도록 한 개의 가스분사관(326)에 장공모양의 분사통로(3261)가 형성될 수도 있다.

상기와 같은 본 발명에 의한 가스터빈은 다음과 같이 동작된다.

상기 공기압축부(1)에서 압축된 공기가 상기 가스팽창부(2)의 연소통(21)로 유입되고 이와 동시에 상기 연료분사관(22)를 통해 연료가 상기 연소통(21)의 내부공간으로 분사되어 그 연소통(21)에서 연료가 연소되도록 한다. 그러면 상기 연소통에서 발생되는 연소열에 의해 공기가 팽창되면서 상기 동력발생부 방향으로 고속 이동을 하게 된다.

이 고온 고압의 가스는 상기 제1 노즐조립체(321)로 유입되어 제1 분사실(431)로 분사되고, 이 가스는 다시 상기 제2 노즐조립체(322)로 유입되어 제2 분사실(432)로 분사되는 과정을 연속으로 거쳐 배기구(435)를 통해 외부로 배출된다.

상기 가스터빈은, 종래의 임펠러식 터빈(또는, 운동량 전달식 터빈)에 비해 축의 회전효율을 훨씬 더 높일 수 있다. 그리고 종래의 임펠라식 터빈은 수백 내지 수천 개에 이르는 임펠러의 설계 제작과 조립시 많은 고급 인력과 정밀도가 요구되는데 비해 상기 가스터빈은 부품 설계나 제작 조립에 요구되는 정밀도가 월등히 낮으며 그 부품수도 현저히 줄어 현재의 임펠러식 터빈에 비해 상당히 낮은 가격으로 회전력이 월등히 증가한 고효율의 터빈 제작이 가능한 이점이 있다.

그리고, 상기 가스터빈은 가스가 가졌던 전 운동량이 분사구멍으로 전달된 것(즉, 가스의 터빈에 대한 상대 속도는 zero)이므로 가스의 운동량은 제로가 되어 이론상의 에너지 전달 효율은 100% 이다. 이것은 종래의 임펠라식 터빈에서는 이론상으로도 달성할 수 없는 높은 효율이다.

또, 종래의 임펠라식 터빈에서는 보일러로부터 입사하는 가스의 진로가 일정하다고 하더라도 일단 한 임펠라에 부딪치면 가스의 속도와 방향 모두가 변할 뿐만 아니라 일부는 임펠라와 충돌한 반작용에 의해 앞줄에 있는 임펠라의 뒤쪽으로 반사되어 임펠라의 회전 속도와 방향과 이 반사된 가스의 방향과 속도의 차이로 인해 터빈이 감속될 수도 있다. 이러한 문제를 설계를 통해서 줄일 수는 있으나 완전히 제거한다는 것은 불가능함에 따라 실제의 에너지 변환 효율이 어느 정도 저하하는 것을 막을 수 없다. 이에 반해, 상기 가스터빈은 노즐조립체가 순차적으로 배치되고 임펠러 대신에 가스분사관으로 이루어짐에 따라 에너지 변환 효율의 저하를 현저하게 개선할 수 있다.

여기서, 상기 가스터빈은, 상기 노즐조립체의 가스분사관에서 분사되는 가스가 동일한 원주방향으로 분사됨에 따라 상기 터빈축은 분사되는 가스의 반발력에 의해 고속으로 회전을 하게 되는 것이다. 하지만, 상기 가스팽창부의 온도가 섭씨 1200도 이상으로 과도하게 상승하면서 상기 가스팽창부에서의 공기가 지나치게 팽창되어 가스의 분사속도가 너무 빨라지게 된다. 이는 소형 가스터빈을 제외하고는 노즐조립체가 고속회전에 따른 원심력을 견딜 수 없어 파손될 수 있다. 이를 감안하여 상기 노즐조립체가 너무 고속으로 회전되지 않게 연료의 공급량이나 공기의 공급량을 임의로 줄이게 되면 터빈의 효율이 현저하게 저하될 수 있다.

이에 본 실시예에서는 상기 연소통에 연료분사관 외에 물분사관을 연통시켜 연소과정 직후 상기 연소통에 물을 분사함으로써 상기 가스팽창부의 온도를 섭씨 200~300 정도로 낮춰 가스의 분사속도를 접선속도 정도로 조절하는 동시에 물의 증발 팽창에 의한 기체의 부피를 늘려 가스에 고압의 수증기가 섞이도록 함으로써 높은 회전력을 얻을 수 있다. 그리고 이를 통해 터빈의 에너지 변환 효율을 높일 수 있고 고온의 내열재료 대신 통상적으로 사용되는 금속의 합금을 쓸 수 있어 터빈의 제조비용절감과 재료선택에 큰 이점이 있다.

한편, 전술한 실시예에서는 상기 가스팽창부에서 팽창된 가스가 터빈축의 외주면과 하우징의 내주면 사이를 통해 후류측 노즐조립체로 유입되는 것이었으나, 본 실시예와 같이 상기 가스팽창부에서 팽창된 가스가 터빈축의 내부를 통해 후류측 노즐조립체로 유입되도록 할 수도 있다. 예를 들어, 도 9에서와 같이 상기 터빈축(31)이 중공(中空) 모양으로 형성되고 그 외주면에 상기 중공과 각 분사실(431)(432)(433)이 연통되도록 관통구멍(312)이 형성된다. 그리고 상기 터빈축(31)은 복수 개가 서로 연결되도록 결합되고, 상기 터빈축(31)의 사이에는 상기 중공(311)과 노즐조립체(32)가 직접 연통되도록 결합될 수 있다. 이에 따라 상기 가스팽창부(2)에서 배기되는 가스는 관통구멍(312)을 통해 터빈축(31)의 중공(311)으로 유입되고, 이 가스는 후류측 노즐조립체(32)를 거쳐 각각의 분사실로 분사되는 과정을 순차적으로 진행하면서 회전력을 발생하게 되는 것이다. 본 실시예에 의한 가스터빈의 기본적인 구성과 작용 효과는 전술한 실시예와 대동소이하다. 다만, 본 실시예는 가스가 터빈축(31)의 내부를 통과하여 후류측 노즐조립체(32)로 유입됨에 따라 분사실 간 가스누설을 방지할 수 있다.

본 발명에 의한 가스터빈에서 동력발생부에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 일실시예에서는 복수 개의 노즐조립체가 축방향을 따라 소정의 간격을 두고 설치되는 것이었으나, 본 실시예는 상기 복수 개의 노즐조립체가 축방향을 따라 연속으로 적층되어 설치되는 것이다.

도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 가스터빈은, 공기를 압축하는 공기압축부(1)와, 상기 공기압축부(1)에 의해 압축된 공기를 팽창시켜 공기의 유동속도를 높이는 가스팽창부(2)와, 상기 가스팽창부(2)에서 팽창된 고온 고압의 공기가 원주방향으로 분사되면서 회전력을 발생하는 동력발생부(3)로 구성된다. 상기 공기압축부(1)와 가스팽창부(2) 그리고 동력발생부(3)는 동력측 케이싱(43)의 내부에 순차적으로 설치되고, 상기 공기압축부(1)는 동력발생부(3)의 터빈축(31)에 결합되어 상기 동력발생부(3)에서 발생되는 회전력에 의해 회전하도록 구성된다.

여기서, 상기 공기압축부(1)와 가스팽창부(2)는 전술한 실시예와 거의 유사하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 다만, 본 실시예의 동력발생부(3)는 동력측 케이싱(43)에 터빈축(31)이 회전 가능하게 결합되고, 상기 터빈축(31)에는 상기 가스팽창부(2)에서 유입되는 가스가 팽창하면서 회전하도록 분사구멍(327)을 갖는 적어도 한 개 이상의 노즐조립체(32)가 상기 동력측 케이싱(43)의 내부에서 축방향을 따라 분리판(33)을 사이에 두고 연속으로 적층되어 이루어진다.

상기 노즐조립체(32)는 원판모양으로 형성되고 상기 분사구멍(327)의 입구를 이루도록 분사흡입구(3281)가 축구멍의 주변에 형성되는 노즐커버(328)와, 상기 노즐커버(328)의 일측면에 결합되고 상기 노즐흡입구(3281)와 연통되도록 분사연통구(3291)와 분사토출구(3292)가 연속으로 형성되는 노즐플레이트(329)로 이루어진다.

상기 노즐조립체(32)는 상기 터빈축(31)에 결합되는 개수에 따라 터빈의 용량이 가변될 수 있다. 즉, 터빈의 용량이 작은 경우에는 노즐조립체(32)의 개수를 적게 구성하는 반면, 터빈의 용량이 큰 경우에는 노즐조립체(32)의 개수를 많게 구성할 수 있다.

상기 노즐조립체(32)의 개수가 다수 개인 경우에는 가스가 후류측으로 갈수록 팽창되는 점을 고려하여 상기 노즐조립체(32)의 분사구멍(327)은 후류측으로 갈수록 총단면적을 크게 하거나 또는 개수를 증가시킬 수 있다.

상기 분사구멍(327)의 개수가 복수 개인 경우에는 그 형상을 동일하게 형성하여 등간격으로 형성하는 것이 편하중을 줄여 터빈의 성능을 높일 수 있다. 도면중 미설명 부호인 330은 노즐블록이다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 가스터빈의 구성과 이에 따른 작용효과는 전술한 실시예와 대동소이하다. 다만, 본 실시예의 경우에는 가스분사관을 배제하고 분사구멍이 노즐조립체의 내부에 형성됨에 따라 전술한 실시예들과 같이 가스분사관을 하우징에 용접하여 발생되는 무게의 불균형을 미연에 방지할 수 있고 이를 통해 상기 노즐조립체의 고속 회전시 편심하중으로 인한 터빈의 진동이나 성능저하를 미연에 방지할 수 있다.

또, 상기 노즐조립체를 포함하는 단위 터빈의 개수에 따라 터빈의 용량을 조절할 수 있으므로 서로 다른 용량의 터빈을 용이하게 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 다른 용량의 터빈을 제작하기 위한 부품의 공유가 용이하여 제조비용을 절감할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

본 발명의 가스터빈을 이용하면, 터빈의 회전에너지 변환 효율이 높고 제조비용이 절감되는 가스터빈의 제조가 가능하다.

Claims

가스를 팽창시키는 가스팽창부;

상기 가스팽창부에서 팽창되는 가스에 의해 회전력이 발생되고 그 회전력을 전달하도록 터빈축을 갖는 동력발생부;

상기 동력발생부의 터빈축에 결합되어 회전하면서 공기를 압축하여 상기 가스팽창부에 압축공기를 공급하는 공기압축부를 포함하고,

상기 동력발생부는,

가스를 원주방향으로 분사하도록 적어도 한 개의 분사구멍을 가지는 노즐조립체가 상기 터빈축에 결합되어 상기 분사구멍에서 가스가 원주방향으로 분사되면서 회전력이 발생되도록 하는 가스터빈.
제1항에 있어서,

상기 노즐조립체는 복수 개가 서로 연통되도록 구비되고, 상기 복수 개의 노즐조립체는 가스가 상기 터빈축의 축방향을 따라 순차적으로 유동할 수 있도록 축방향을 따라 소정의 간격을 두고 배치되는 가스터빈.
제2항에 있어서, 상기 노즐조립체는,

상기 터빈축에 일체로 결합되고 가스가 유입되도록 개구단을 가지며 외주면에 적어도 한 개 이상의 분사구멍을 갖는 하우징과, 상기 분사구멍에 연통되도록 상기 하우징의 외주면에 결합되는 적어도 한 개의 가스분사관을 포함하는 가스터빈.
제3항에 있어서,

상기 노즐조립체들 사이에 배치되며, 전류측 노즐조립체에서 분사되는 가스를 후류측 노즐조립체로 안내하는 가이드를 더 포함하는 가스터빈.
제4항에 있어서,

상기 하우징과 가이드는 적어도 일부가 중첩되는 가스터빈.
제2항에 있어서,

상기 노즐조립체는 복수 개가 배치되며,

상기 각 노즐조립체는 적어도 한 개의 분사구멍이 내부에 형성되며,

상기 복수 개의 노즐조립체들은 상기 터빈축의 축방향을 따라 연속으로 적층되는 가스터빈.
제6항에 있어서,

상기 노즐조립체는 2개 이상의 판이 겹쳐서 형성되는 가스터빈.
제6항에 있어서,

상기 노즐조립체는 2개의 판이 겹쳐져 결합되고, 그 겹쳐진 양쪽 판면 사이에 상기 분사구멍이 형성되는 가스터빈.
제2항에 있어서,

상기 분사구멍의 전체 단면적은 전류측 노즐조립체보다 후류측 노즐조립체가 더 넓게 형성되는 가스터빈.
제2항에 있어서,

상기 분사구멍의 개수는 전류측 노즐조립체보다 후류측 노즐조립체가 더 많게 형성되는 가스터빈.
제1항에 있어서,

상기 가스팽창부는,

연소용 연료가 분사되는 연료분사장치 및 증발용 물이 분사되는 물분사장치를 포함하는 가스터빈.
제11항에 있어서,

상기 가스팽창부는 복수 개의 연소통들이 원주방향을 따라 배열되고, 상기 연료분사장치와 물분사장치는 각각의 연소통에 독립적으로 구비되는 가스터빈.
제11항에 있어서,

상기 가스팽창부는 복수 개의 연소통들이 원주방향을 따라 배열되고, 상기 연료분사장치와 물분사장치는 각각의 연소통에 함께 구비되는 가스터빈.
제1항에 있어서,

상기 터빈축은 중공으로 형성되고, 상기 터빈축에는 가스가 중공을 통해 노즐조립체로 안내되도록 가스구멍이 형성되는 가스터빈.
제1항에 있어서,

상기 노즐조립체는 상기 터빈축에 일체로 결합되는 가스터빈.
입구와 출구를 갖는 분사실이 구비되는 케이싱;

상기 케이싱의 분사실을 관통하여 상기 케이싱에 회전 가능하게 결합되는 터빈축;

상기 터빈축의 축방향을 따라 소정의 간격을 두고 결합되며 상기 케이싱의 입구방향이 개구되는 반면 출구방향은 막혀 상기 터빈축에 결합되고 외주면에 적어도 한 개 이상의 분사구멍이 관통 형성되는 하우징과, 상기 하우징의 분사구멍에 연통되도록 결합되고 원주방향으로 개구단이 형성되는 가스분사관을 갖는 적어도 2개 이상의 노즐조립체;

상기 케이싱 내에 설치되며, 연소가스를 발생시켜서 상기 노즐조립체로 공급하는 가스 팽창부; 및

상기 노즐조립체들 사이를 차단하도록 상기 케이싱에 결합되어 전류측 노즐조립체의 가스분사관에서 분사되는 연소가스를 후류측 노즐조립체의 하우징으로 안내하는 가이드를 포함하는 가스터빈.
제16항에 있어서,

상기 가스 팽창부는,

상기 케이싱의 입구측에 배치되며, 연료를 연소하여 상기 연소가스를 발생하는 적어도 한 개의 연소통을 포함하는 가스터빈.
제17항에 있어서,

상기 연소통에는 연료를 분사하는 연료분사장치가 설치되고, 상기 연료분사장치의 일측에는 상기 연소통에 물을 분사하는 물분사장치가 설치되는 가스터빈.
제17항에 있어서,

상기 케이싱의 입구측에는 상기 연소통으로 압축공기를 공급하도록 공기압축기가 설치되고, 상기 공기압축기는 상기 터빈축에 결합되어 회전하면서 공기를 압축하는 가스터빈.