WO2014104659A1 - 터빈장치 및 이를 포함하는 폐열회수 발전시스템 - Google Patents

터빈장치 및 이를 포함하는 폐열회수 발전시스템 Download PDF

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WO2014104659A1
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power generation
bearing means
electromagnetic bearing
turbine
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장태인
권용훈
지창운
김정국
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Definitions

  • the present invention relates to a turbine apparatus, and more particularly to replacing the mechanical (contact) bearing structure with a non-contact electromagnetic bearing, to increase the power generation efficiency while extending the life of the turbine.
  • the present invention also relates to a turbine apparatus and a waste heat recovery power generation system including the same, which facilitate the use of waste heat and stably maintain the operation of the apparatus through an improved structure of the disk means and proper arrangement of the mechanical bearing means.
  • power plants are classified into hydroelectric power plants, thermal power plants, nuclear power plants, or combined cycle power plants according to the type of energy source used and the power generation method thereof.
  • waste heat is generated in the coke manufacturing process or blast furnace, and the waste heat is about 150-300 ° C., which is low in temperature for commercialization.
  • the temperature difference should be more than 250 °C, it is difficult to commercialize.
  • the temperature difference of the working fluid is required in the power generation turbine facilities, because most of the power transmission mechanism not only uses a mechanical contact ball bearing or a journal bearing in the rotational direction, but also transmits power through a screw with high friction in the axial direction. It is difficult to generate power through low-temperature waste heat due to friction caused by these frictions, and thus, it is difficult to commercialize waste heat.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 2012-0058582 proposes a technique related to practical waste heat generation that regenerates / recovers energy discarded from an engine as electric power, but that publication thrusts a bearing supporting the main shaft 47 of a turbine. It starts with a bearing.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 2006-0010427 discloses a gas turbine device, in particular, using a thrust bearing and a journal bearing.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2011-083150 discloses a technique of using a mechanical contact bearing (ball bearing) at both ends while presenting an acceleration generator.
  • the mechanical contact bearing is applied to the rotor (rotary shaft), and thus includes the above practical problems described above.
  • the mechanical (contact) bearing structure is replaced with a non-contact electromagnetic bearing, thereby increasing the power generation efficiency while extending the life of the turbine.
  • a turbine apparatus and a waste heat recovery power generation system including the same have been required to facilitate the use of waste heat and to stably maintain the operation of the apparatus through proper arrangement of the disk means and mechanical bearing means.
  • the present invention a rotating shaft connected to the impeller to which the rotational force is applied from the working fluid;
  • a power generation unit provided to generate electricity in association with the rotation shaft
  • Radial electromagnetic bearing means provided to support the rotating shaft in a non-contact manner, while forming a gap between the rotating shaft at at least one point before and after the power generation unit, respectively;
  • Axial electromagnetic bearing means provided to control the axial displacement of the rotary shaft at at least one point of the rotary shaft;
  • It provides a turbine device configured to include.
  • the present invention in another aspect, the present invention, the turbine device; And
  • a working fluid supply unit provided to supply a working fluid to the turbine device, using waste heat
  • a working fluid processing unit provided to process the working fluid extracted from the turbine device
  • It provides a waste heat recovery power generation system including a turbine device configured to include.
  • the present invention by replacing the mechanical contact power transmission mechanism (bearing, screw, etc.) with a non-contact electromagnetic bearing in the existing turbine device to remove friction, low pressure, low temperature working fluid (refrigerant) instead of liquid (water)
  • the lifespan of the turbine can be extended while the power generation efficiency can be maximized.
  • the turbine apparatus of the present invention is capable of precisely controlling the radial and axial displacement of the rotating shaft due to the two-way structure of the disk means associated with the axial electromagnetic bearing means.
  • the turbine apparatus of the present invention provides a mechanical bearing means that is operated when the electromagnetic bearings are stopped, so that the operation of the turbine apparatus is stably maintained by adjusting the gap between the electromagnetic bearing means and the mechanical bearing means.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a power generation system according to the present invention
  • Figures 2a and 2b is an overall configuration showing the first and second embodiments of the turbine apparatus according to the present invention
  • 3 and 4 are a front view and a perspective view showing the arrangement of the permanent magnets of the power generation unit provided in the turbine device of the present invention
  • 5a and 5b are graphs showing the magnetic force according to the arrangement of the permanent magnets of the power generation unit of FIGS.
  • 6a and 6b are schematic diagrams for explaining the principle of magnetic levitation of the electromagnetic bearing means based on the electromagnet and permanent magnet in the turbine device of the present invention
  • FIGS. 1 and 2 to 6 show a detailed configuration of a waste heat recovery power generation system 200 and a turbine apparatus 1 including a turbine apparatus according to the present invention.
  • the radial electromagnetic bearing means 60 of the rotating shaft is divided into a device using an electromagnet 62 and a device using a permanent magnet 64. Most of the other components are identical.
  • FIG. 2A will be described as a mood, and the difference will be described by dividing the components into FIG. 2B.
  • the turbine apparatus 1 basically includes a rotating shaft 20 connected to an impeller 10 to which rotational force is applied from a working fluid, and is connected to the rotating shaft 20 to supply electricity.
  • a power generation unit 40 provided to be generated and provided to support the rotary shaft in a non-contact manner, and comprises a plurality of electromagnetic bearing means arranged in different first and second directions of the rotary shaft.
  • the first and second directions different from each other in the rotation shaft may be substantially understood as the radial direction of the rotation shaft and the axial direction of the rotation shaft.
  • the roll structure 22 assembled to the rotating shaft 20 or its outer surface can be used.
  • Such a roll structure 22 only needs to replace the roll structure when assembling the related parts or maintains the equipment, and it may be desirable to form the roll structure as a magnetic material rather than the entire rotating shaft when applying the magnetic material to the electromagnetic bearing element.
  • the roll structure may be a ring structure when viewed from the front.
  • the first direction is limited to the radial direction
  • the radial electromagnetic bearing means 60 of the rotating shaft which will be described in detail below, is referred to as the 'radial electromagnetic bearing means 60'.
  • the axial electromagnetic bearing means 80 of the rotating shaft will be described as 'axial electromagnetic bearing means 80'.
  • the turbine apparatus 1 of the present invention has radial and axial electromagnetic bearing means. (60) and (80) are used to provide a bearing element in a non-contact manner to support the axis of rotation.
  • the turbine device 1 of the present invention is substantially characterized by the arrangement of two radial electromagnetic bearing means 60 and at least one axial electromagnetic bearing means 80.
  • the axial electromagnetic bearing means 80 is shown as being disposed between the radial electromagnetic bearing means 60 and the impeller 10, but the number of the installation and the position of the installation are necessarily shown in FIG. 2. It is also not limited to this, the axial electromagnetic bearing means 80 may be arranged between the radially electromagnetic bearing means (60).
  • the arrangement of FIG. 2 may be preferable.
  • the rotating shaft 20 rotates at high speed during the high speed rotation of the impeller 10 to which the working fluid collides and the rotational force is applied, and the power generating unit at the high speed rotation of the rotating shaft 20 as described above.
  • the turbine apparatus of the present invention replaces the mechanical contact type like the existing ball bearings or thrust bearings, it lowers the limit of commercialization of power generation by friction in the existing bearing elements, and uses low pressure and low temperature working fluid. It is also to enable stable power generation.
  • the working fluid used in the turbine device 1 of the present invention may be a low temperature working fluid in the range of 150 to 300 ° C., for example, the operation used in the turbine device 1 of the present invention.
  • the fluid may be H 2 , R134a, R245a, n-pentane, or general biogas, which has a high expansion force even at low temperature, instead of the existing water (liquid).
  • the turbine apparatus 1 of the present invention uses a low-temperature working fluid, considering that 60% or more of the waste heat of the industry is in the above temperature range, the present invention is a heating furnace, a sintering furnace, Exhaust gas from blast furnaces can be used without any additional temperature increase. After all, it is to facilitate the use of air through the recovery of waste heat.
  • such a low temperature (low pressure) working fluid can be used in the present invention, instead of the conventional frictional mechanical contact bearing element, using the radial and axial electromagnetic bearing means 60, 80 of the present invention. Therefore, there is no friction, and therefore it is applicable even if a temperature difference of 250 ° C. does not occur in the past.
  • the waste heat recovery rate is very high since the exhaust gas widely generated in the industry of the present invention can be used as a heat source.
  • the power generation unit 40 includes a permanent magnet 42, that is, a rotor, provided to the rotating shaft 20. It is composed of a coil 44, that is, a stator, provided on the housing means 30 to the outside thereof.
  • the rotating shaft 20 is the working fluid collides with the impeller 10 and the rotational force is applied and rotates at high speed, the permanent magnet 42 rotates to apply the magnetic force to the coil, thus generating electricity as is known. .
  • the permanent magnets 42 of the power generating unit 40 may be provided in a specific structure.
  • the permanent magnet 42 may be a rotating shaft.
  • a plurality can be provided arranged in the circumferential direction of (20).
  • the permanent magnet 42 of the power generation unit 40 of the present invention the magnets of different polarities are laminated in at least one of the circumferential direction and the radial direction of the rotation axis Can be arranged in a structure.
  • the permanent magnet 42 may be provided in a structure in which the magnets 42a and 42b of different polarities (S-pole and N-pole) are alternately arranged in the circumferential and radial directions of the rotation shaft 20. Can be.
  • the permanent magnets are of course provided with a series of suitable unit magnets in the longitudinal direction of the rotation.
  • the permanent magnet 42 of the power generation unit 40 of the present invention the S-pole magnet 42a and the N-pole magnet (unit) having a suitable length in the circumferential direction of the rotation shaft 20 ( Since the directions in which 42b) are alternately stacked are made horizontally (axially radial) and vertically (axially circumferentially), compared to a simple arrangement of magnets, the amplified magnetic force is generated to generate more amplified magnetic force. It is to increase the ability to generate.
  • permanent magnets 42a and 42b of the same polarity may be alternately arranged in the circumferential direction of the rotation shaft 20, in which case the magnets are unit magnets, although schematically illustrated in the drawing, the drum It may be provided seated in the seat of the element 46.
  • the permanent magnets of the power generation unit 40 of the present invention is to provide a quadrilateral structure in which the cross-sectional area is larger toward the outside in the radial direction of the rotation axis.
  • the magnetic force generating area is extended in the radial direction. It is to allow more magnetic force generation.
  • the quadrilateral structure of the permanent magnets of FIGS. 3 and 4 is to suppress the eddy current loss during the rotation of the rotating shaft to increase the electric power generation capability.
  • the permanent magnets 42a and 42b having different polarities as shown in FIG. 5A are vertically arranged as shown in FIG. 5B as shown in FIG. And if the arrangement is arranged in a different direction in the horizontal direction different from each other, the magnetic force generating ability is greatly amplified, so as shown schematically in Figure 2a, the permanent magnet 42 on the side of the rotating shaft which is a rotor in the power generation unit 40 of the present invention
  • the stator of the coil 44 generates electricity sufficiently even if it arrange
  • the permanent magnet 42 that is the stator rotates integrally. Therefore, the time-varying magnetic field generated in the stator generates electricity by generating a steel plate induction current in the coil which is the fixed stator.
  • the linear contact is generated while the screw is forcibly rotated in the axial direction, and the point contact is generated by the ball, the thrust, or the roller bearing element in the radial direction.
  • the starting torque is considerably required at the beginning of power generation.
  • oil (lubricating oil) leakage or water hammer occurs in the bearing element, resulting in poor maintenance efficiency and limit in power generation efficiency. It is to enable the recovery of low temperature waste heat. This increases the width of the applied fluid can also increase the power generation efficiency.
  • the electromagnetic bearing means of the turbine apparatus 1 of the present invention has a gap G1 between the rotation shaft at at least one point before and after the power generation unit 40, respectively.
  • Radial electromagnetic bearing means (60) provided to support the rotating shaft (20) in a non-contact friction-free manner, and axial electromagnetic bearing means (80) provided to control the axial displacement of the rotating shaft at at least one point of the rotating shaft. It may include.
  • the axial electromagnetic bearing means 80 of the present invention between the disk means 90 provided on the rotating shaft 20, the bearing means and the disk means through the electromagnetic drag as will be described in detail in FIG. It is provided to control (prevent) the axial displacement of the rotating shaft while forming the gap G2 therebetween.
  • the radial electromagnetic bearing means 60 and the permanent magnet 42 of the power generation unit 40 described above are integrally mounted on the rotary shaft 20. It further includes the roll structure 22 which is a hollow structure.
  • the rotating shaft 20 is assembled to the connecting shaft 24, which is connected and assembled with the impeller 10, the hollow pipe to the outside of the rotating shaft 20
  • the roll structure 22 of the form is assembled, and such a roll assembly 24 is to provide an electromagnetic drag to a (strong) magnetic body.
  • the rotating shaft 20 or the roll structure 22 is preferably provided as a (steel) magnetic body.
  • the radial electromagnetic bearing of the present invention supports the rotating shaft 20 in a non-contact frictionless state in the turbine apparatus 1 of the present invention, thereby replacing the existing mechanical contact bearing element to enable the use of a low temperature working fluid.
  • the means 60 will be described in detail.
  • the radial electromagnetic bearing means 60 of the present invention is an electromagnet which generates an electromagnetic drag so as to form a gap 'G1' between the rotating shafts 20 provided respectively as (strong) magnetic bodies or the roll structures 22 provided on the rotating shafts. And (62).
  • Such an electromagnet 62 can be fixed to the outer periphery of the rotating shaft through the housing means 30 described in detail below.
  • the electromagnet when an alternating current of single phase or three phase is applied to the electromagnet 62 through a pulse width modulator not shown separately in the drawing, the electromagnet generates a time-varying magnetic field to generate the electromagnet and the rotating shaft 20 or the like. Electromagnetic drag is generated between the roll structures 22 provided on the rotating shaft, and a predetermined gap 'G1' is formed between the rotating shaft or the roll structure and the electromagnet, which supports the rotating shaft in a non-contact frictionless state based on magnetic levitation. To make it possible.
  • the electromagnets may be provided by stacking appropriate unit electromagnets.
  • the electromagnet 62 provided on the housing means 30 side is a ring-shaped electromagnet in the circumferential direction of the rotary shaft or a ringed electromagnet (ring structure) when viewed from the front of the rotating shaft ) May be provided in a stack.
  • the radial electromagnetic bearing means 60 using a permanent magnet.
  • the other type of radial electromagnetic bearing means 60 includes a permanent magnet 64 provided on the rotating shaft 20 or a roll structure 22 provided on the rotating shaft, and adjacent to the housing means 30.
  • the S-pole permanent magnet 64a and the N-pole permanent magnet 64b are composed of adjacent permanent magnets 64 alternately arranged.
  • the S pole electromagnet 62a and the N pole electromagnet 62b of the electromagnetic bearing means disposed at a gap with the roll structure 22 of the (steel) magnetic material described above assembled to the outer circumferential surface of the rotating shaft 20 in FIG. 6A.
  • a magnetic field When a single-phase or three-phase alternating current is applied, a magnetic field generates an induced current in a time-varying magnetic field that changes with time, forming drag and lift forces between the electromagnet and the roll structure, where critical Until it reaches the rotational speed, rather than a flotation force, it is mainly forming a drag, that is, a magnetic flotation force.
  • the permanent magnet 64 is arranged on the rotating shaft or the roll structure 22, and the S-pole electromagnet 64a and the N-pole electromagnet 64b are disposed on the opposite side to the housing means 30.
  • the magnetic field changes over time to produce an induced current in the time-varying magnetic field, forming drag and flotation between permanent magnets, thus forming a magnetic flotation force that enables non-contact frictionlessness. It is.
  • the axial electromagnetic bearing means 80 of the present invention also includes an electromagnet 82, similarly to the radial electromagnetic bearing means 60, although schematically illustrated in the drawings.
  • the disk means 90 that is, the connecting shaft (provided horizontally in the radial direction of the rotating shaft provided by welding or the like on the rotating shaft 20 or the connecting shaft 24, is provided inside the axial bearing means 80 of the electromagnet.
  • the first and second disks may be provided as a magnetic material.
  • the rotating shaft 20 or the roll structure 22 provided on the rotating shaft and the connecting shaft 24 to which the impeller 10 is connected are connected.
  • housing means 30 of the device provided for support while surrounding the radial electromagnetic bearing means 60 and the axial electromagnetic bearing means 80.
  • the housing means 30 of the present invention, the electromagnet 62 or the permanent magnet 64 of the radial electromagnetic bearing means 60 of the center side is mounted and fixed between the stator Of the first and second housings 33 and 34 on which the coils 44 are disposed, the rear third housing 32 and the front fourth housing 35 and the rear first caps to the outside.
  • the member 31 and the front side second cap member 34 are sequentially assembled by bolting.
  • the electromagnet of the axial bearing means 80 is assembled with a bolt or the like in the space between the front side fourth housing 35 and the second cap member 34 to the outside of the disk means.
  • fixing rings 38 for fixing the electromagnets or permanent magnets are assembled inside the housings to prevent the electromagnets or the permanent magnets from being separated.
  • the turbine apparatus 1 of the present invention may further include a sensing sensor means 130 provided to detect the rotation of the rotary shaft 20, for example in the roll structure 22 assembled to the rotary shaft or the rotary shaft To be provided as a first sensor 132 (or sensor sensor) provided, and a sensor sensor 134 or a second sensor that is assembled to the inner side of the third housing 32 and the fourth housing 35. Can be.
  • a sensing sensor means 130 provided to detect the rotation of the rotary shaft 20, for example in the roll structure 22 assembled to the rotary shaft or the rotary shaft
  • a sensor sensor 134 or a second sensor that is assembled to the inner side of the third housing 32 and the fourth housing 35.
  • the sensor when the roll structure 22 is integrally rotated with the rotating shaft or the rotating shaft, the sensor also rotates integrally, and thus the presence or absence of the rotation of the rotating shaft through the sensor means 130 can be detected in real time.
  • the mechanical contact bearing 110 is further provided between the rotary shaft 20 and the device casing 110 to support the rotary shaft when the electromagnetic bearing is stopped. .
  • the mechanical contact bearing 110 replaces and supports the rotation of the rotation shaft.
  • the rotation of the rotating shaft must be supported through the radial electromagnetic bearing means 60, and thus the radial electromagnetic bearing means 60 and the rotating shaft or the rotating shaft are provided.
  • the gap 'G1' between the roller structures or the gap 'G3' between the permanent magnets 64 of the radially electromagnetic bearing means is defined between the mechanical bearing 110 and the rotating shaft (assembly) and the connecting shaft 24. It is desirable to form larger than the gap.
  • the gap between the electromagnetic bearing means side G1, G3 is provided in the 80 ⁇ 200 ⁇ m
  • the gap between the mechanical contact bearing 110 side is formed in the 40 ⁇ 70 ⁇ m so that the mechanical contact only when the electromagnetic bearing is stopped It is to implement the rotation axis support of the bearing (110).
  • the mechanical contact bearing 110 has a fixing ring (unsigned) and a housing means provided at an end of the roller assembly 22 of the rotating shaft 20. It may be provided between the first cap member 31 of (30).
  • the gap 'G3' between the permanent magnets 64 of the radial electromagnetic bearing means 60 based on the permanent magnets is appropriately 5 ⁇ 200 ⁇ m
  • the gap 'G2' between the electromagnet 82 of the bearing 80 and the first and second disks 92 and 94 of the disk means 90 is preferably about 100 to 500 ⁇ m.
  • FIG. 1 shows a waste heat recovery power generation system 200 including the turbine apparatus 1 according to the present invention described so far.
  • the power produced by the power generation unit 40 of the turbine device 1 of the present invention is required after the voltage is dropped through the power transmission unit 110, for example, a power transmission line, a high-voltage substation, a piezoelectric substation, and a column transformer. Electric power is sent to demand destinations such as home 120 and industrial facilities.
  • the turbine apparatus 1 of the present invention is provided inside the casing 2 which is closed to the outside, and the casing 2 is extracted after generating a working fluid supply line and electricity.
  • the extraction line for extracting the heated and expanded working fluid is connected.
  • the waste heat recovery power generation system 200 of the present invention is provided to supply the working fluid to the turbine device 1 and the turbine device, but the working fluid supply unit 230 using the waste heat and the turbine device are extracted from the turbine device. It may be configured to include a working fluid processing unit 210 provided to process the working fluid.
  • the working fluid supply unit 230 of the present invention is a waste heat source source 240, that is, a heater associated with a sintering furnace, a blast furnace, etc. of a steel mill that generates high-temperature exhaust gas (waste heat), and the working fluid
  • the processor 210 may be a condenser that condenses the heated and expanded low pressure and low temperature working fluid extracted from the turbine apparatus 1 of the present invention to generate a condensed working fluid (refrigerant).
  • the waste heat recovery power generation system 200 of the present invention as described above, the system for recovering the heat source in the temperature range (60 ⁇ 300 °C) of the low temperature via the (low pressure) low temperature working fluid to produce electricity. Can be.
  • the condenser 210 changes the low temperature working fluid extracted from the turbine apparatus 1 of the present invention into a liquid, and the condensed working fluid, ie, the refrigerant, passed through the condenser 210 through the pump 250.
  • the condenser tank 250 and the preheater 260 may be disposed on the upstream side and the downstream side of the pump 230, respectively, and the superheater 270 may be disposed between the heater and the turbine device.
  • the turbine apparatus of the present invention and the power generation system including the same described above replace the mechanical (contact) bearing structure with the non-contact electromagnetic bearing, thereby increasing power generation efficiency while extending the life of the turbine.
  • the use of waste heat is also facilitated, and the operation of the device is stably maintained by improving the structure of the disk means and the proper arrangement of the mechanical bearing means.

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Abstract

터빈장치 및 이를 포함하는 폐열회수 발전시스템이 제공된다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 기계(접촉)식 베어링 구조를 비접촉식 전자기 베어링으로 대체하여, 터빈의 수명을 연장시키면서 발전 효율을 높이고. 폐열 이용도 용이하게 하는 한편, 디스크 수단의 구조 개선과 기계식 베어링수단의 적정 배치를 통하여 장치 가동을 안정적으로 유지토록 하는 개선된 효과를 얻을 수 있다.

Description

터빈장치 및 이를 포함하는 폐열회수 발전시스템
본 발명은 터빈장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기계(접촉)식 베어링 구조를 비접촉식 전자기 베어링으로 대체하여, 터빈의 수명을 연장시키면서 발전 효율을 높이고. 폐열 이용도 용이하게 하는 한편, 디스크 수단의 구조 개선과 기계식 베어링수단의 적정 배치를 통하여 장치 가동을 안정적으로 유지토록 한 터빈장치 및 이를 포함하는 폐열회수 발전시스템에 관한 것이다.
일반적으로 발전소는 이용되는 에너지원의 종류와 그에 따른 발전방식에 따라 수력발전소, 화력발전소, 원자력발전소 또는 복합발전소 등으로 구분된다.
한편, 근래에서 산업체에서 발생되는 폐열을 회수하여 이를 발전(에너지) 시스템에 적용하여 폐열을 낭비하지 않고 재사용하는 기술에 연구가 집중되고 있다.
즉, 각종 로 또는 소결 공정 등에서 열을 갖는 고온의 배기 가스 등을 배출하는 제철 공장이나 소석회 가공 과정에서 발생되는 고온의 배기 가스로부터 폐열을 회수하여 이를 발전 시스템에 적용하는 연구가 집중되고 있다.
예를 들어, 제철 공장의 경우 코크스 제조공정이나 고로 등에서 상당량의 앙폐열을 발생시키는데, 이때 폐열의 온도는 대략 150 ~ 300℃ 정도로서 상용화하기에는 온도가 낮은 것이다.
한편, 해수의 온도차나, 산업 현장의 폐열을 이용한 발전시스템을 연구하고 있으나, 발전용 작동 유체를 액체와 같은 물을 이용하는 경우 그 온도차가 250℃ 이상이어야 하기 때문에, 상업화가 어려운 것이다.
그런데, 이와 같은 작동 유체의 온도차가 필요한 것은 발전 터빈 설비에서 대부분 동력 전달 기구로서 회전방향의 기계 접촉식 볼베어링이나 저널 베어링을 사용할 뿐만 아니라, 축 방향으로 마찰이 큰 스크류를 통하여 동력전달을 하기 때문에, 이들에 의한 마찰로 발전 효율이 떨어져 저온의 폐열을 통한 발전이 쉽지않고, 결국 폐열을 이용하는 상용화에 어려움이 있는 것이다.
따라서, 현재 제철 공장이나 시멘트 공장에서 발생되는 고온의 배기 가스를 폐열로 재활용하지 못하고 대부분 버리는 실정이다.
예를 들어, 대한민국 공개특허 제2012-0058582호에서는 엔진으로부터 폐기되는 에너지를 전력으로서 재생/회수하는 실용적인 폐열 발전과 관련된 기술을 제안하나, 그 공보에서는 터빈의 주축(47)을 지지하는 베어링을 스러스트 베어링으로 개시하고 있다.
또한, 대한민국 공개특허 제2006-0010427호에서는 가스터빈장치를 제시하면서, 특히 트러스트 베어링과 저널 베어링을 사용하는 것을 개시하고 있다.
더하여, 일본 공개특허 제2011-083150호에서는 가속형 발전기를 제시하면서 양단에 기계 접촉식 베어링(볼 베어링)을 사용하는 기술을 개시하고 있다.
따라서, 통상의 발전 설비의 터빈 장치에서는 기계 접촉식 베어링을 로터(회전축)에 적용하고 있고, 따라서 앞에서 설명한 상기와 같은 실질적인 문제를 포함하는 것이다.
특히, 이와 같은 기계 접촉식 베어링들은 통상 오일(윤할유)를 사용하기 때문에, 오일 누출에 따른 문제도 발생하는 것이다. 그 밖에도 기존의 시스템은 스팀이나 고온의 가스를 사용하므로 터빈의 수격 현상을 수반하는 문제가 발생한다.
따라서, 당 기술분야에서는, 기계(접촉)식 베어링 구조를 비접촉식 전자기 베어링으로 대체하여, 터빈의 수명을 연장시키면서 발전 효율을 높이고. 폐열 이용도 용이하게 하는 한편, 디스크 수단의 구조 개선과 기계식 베어링수단을 적정 배치를 통하여 장치 가동을 안정적으로 유지토록 한 터빈장치 및 이를 포함하는 폐열회수 발전시스템이 요구되어 왔다.
상기와 같은 요구를 달성하기 위한 기술적인 일 측면으로서 본 발명은, 작동 유체로부터 회전력이 인가되는 임펠러와 연결된 회전축;
상기 회전축에 연계되어 전기를 발생토록 제공된 발전 유닛;
상기 발전유닛의 전, 후측으로 각각 적어도 일 지점에 상기 회전축 사이에 간극을 형성하면서 회전축을 비접촉으로 지지토록 제공된 반경방향 전자기 베어링수단; 및,
상기 회전축의 적어도 일지점에 회전축의 축방향 변위를 제어토록 제공된 축방향 전자기 베어링수단;
을 포함하여 구성된 터빈장치를 제공한다.
또한, 기술적인 다른 측면으로서 본 발명은, 상기 터빈장치; 및
상기 터빈장치에 작동유체를 공급토록 제공되되, 폐열을 이용하는 작동유체 공급부; 및,
상기 터빈장치에서 추출된 작동유체를 처리토록 제공된 작동유체 처리부;
를 포함하여 구성된 터빈장치를 포함하는 폐열회수 발전시스템을 제공한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 기존 터빈 장치에서 기계 접촉식 동력 전달 기구(베어링, 스크류 등)를 비접촉식 전자기 베어링으로 대체하여 마찰을 제거하여, 액체(물) 대신에 저압,저온의 작동 유체(냉매)의 사용을 가능하게 함으로써, 터빈의 수명은 연장시키면서 이를 이용한 발전 효율은 극대화 가능하게 하는 것이다.
특히, 본 발명의 터빈 장치는 축방향 전자기 베어링수단과 연계되는 디스크수단의 2방향 구조로 인하여, 회전축의 반경방향과 축방향 변위를 정밀하게 제어할 수 있는 것이다.
더하여, 본 발명의 터빈장치는 전자기 베어링의 작동 중단시 작동되는 기계식 베어링수단을 제공하되, 전자기 베어링수단과 기계식 베어링수단의 간극 조정을 통하여, 터빈 장치의 가동은 안정적으로 유지하도록 하는 것이다.
이에 따라서, 본 발명의 터빈 장치를 제공하는 발전 시스템의 경우, 저온의 작동유체를 사용하여도 충분한 발전을 가능하게 하기 때문에, 산업 현장에서 발생되는 기존의 폐열을 이용한 상용화를 용이하게 하여, 폐열 회수율(사용율)도 극대화시키는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 발전 시스템을 도시한 전체 구성도
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 터빈 장치의 제1,2 실시예들을 도시한 전체 구성도
도 3 및 도 4는 본 발명 터빈 장치에 구비되는 발전유닛의 영구자석들의 배열들을 도시한 정면도 및 사시도
도 5a 및 도 5b는 도 3,4의 발전유닛 영구자석들의 배열에 따른 자기력을 나타낸 그래프
도 6a 및 도 6b는 본 발명 터빈 장치에서 전자석과 영구자석을 기반으로 하는 전자기 베어링수단의 자기부상의 원리를 설명하기 위하여 도시한 모식도
이하, (첨부된 도면을 참조하여) 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. (도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.)
먼저, 도 1 및, 도 2 내지 도 6에서는 본 발명에 따른 터빈장치를 포함하는 폐열회수 발전시스템(200) 및, 터빈장치(1)의 상세 구성을 도시하고 있다.
따라서, 먼저 도 2 내지 도 6을 기초로 본 발명에 따른 터빈장치(1)를 설명하고, 그 다음 이와 같은 본 발명의 터빈장치를 포함하는 폐열회수 발전시스템(200)에 대하여 설명한다.
다만, 다음에 상세하게 설명하겠지만, 도 2a 및 도 2b에서는 회전축의 반경방향 전자기 베어링수단(60)을 전자석(62)을 사용하는 장치와 영구자석(64)을 사용하는 장치를 구분하여 도시하고 있고, 그 외의 대부분의 구성요소는 동일하다.
따라서, 도 2a를 기분으로 설명하고 차이는 부분에 구성요소를 도 2b로 구분하여 설명한다.
도 2a에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 터빈장치(1)는, 기본적으로 작동유체로부터 회전력이 인가되는 임펠러(10)와 연결된 회전축(20)과, 상기 회전축(20)에 연계되어 전기를 발생토록 제공된 발전유닛(40) 및, 상기 회전축을 비접촉으로 지지토록 제공되되, 회전축의 서로 다른 제1 방향과 제2 방향으로 배열된 복수의 전자기 베어링수단을 포함하여 구성된다.
이때, 본 실시예에서 상기 회전축의 서로 다른 제1 방향과 제2 방향은 실질적으로는 회전축의 반경방향과 회전축의 축방향으로 이해될 수 있다.
또한, 본 발명은 회전축(20) 또는 그 외면에 조립되는 롤 구조체(22)를 사용할 수 있다. 이와 같은 롤 구조체(22)는 관련 부품들의 조립이나 설비-보수 유지시 롤 구조체만을 교체하면 되고, 전자기 베어링요소와의 자성체 인가시 회전축 전체 보다는 롤 구조체를 자성체로 형성하는 것이 바람직할수도 있다.
이때, 롤 구조체는 정면에서 볼 때, 링 구조일 수 있다.
더하여, 이하의 본 실시예 설명에서는, 제1 방향을 반경방향으로 한정하여 설명하되, 다음에 상세하게 설명하는 회전축의 반경방향 전자기 베어링수단(60)을 '반경방향 전자기 베어링수단(60)'으로 설명하고, 회전축의 축방향 전자기 베어링수단(80)을 '축방향 전자기 베어링수단(80)'으로 설명한다.
따라서, 기존의 대부분의 터빈장치들이 회전축을 지지하는 부위에 기계 접촉식 베어링 부품들을 사용하는 데에 반하여, 도 2a에서와 같이, 본 발명의 터빈장치(1)는 반경방향 및 축방향 전자기 베어링수단(60)(80)을 사용하여 회전축을 지지하는 베어링 요소를 비접촉으로 베어링 요소로 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 터빈장치(1)는 실제로는 2개의 반경방향 전자기 베어링수단(60)과 적어도 하나의 축방향 전자기 베어링수단(80)을 배열하는 것에 실질적 특징이 있다.
한편, 도 2a 및 도 2b에서는 축방향 전자기 베어링수단(80)을 반경방향 전자기 베어링수단(60)과 임펠러(10)사이에 배치되는 것으로 도시하였지만, 반드시 그 설치의 개수나 설치의 위치가 도 2와 같이 한정되는 것은 아니고, 축방향 전자기 베어링수단(80)은 반경반향 전자기 베어링수단(60) 사이에 배치되는 것도 가능하다.
다만, 반경방향 및 축방향 전자기 베어링수단(60)(80)들은 각각 2개와 하나로 배열하는 것이 바람직한 경우, 도 2의 배열이 바람직할 수 있을 것이다.
결국, 본 발명의 터빈장치(1)의 경우 작동유체가 충돌하여 회전력이 인가되는 임펠러(10)의 고속 회전시 회전축(20)이 고속 회전하고, 이와 같은 회전축(20)의 고속 회전시 발전 유닛(40)에서 전기를 발생시키고, 다음에 상세하게 설명하는 본 발명의 반경방향 베어링수단(60)을 회전축의 회전을 무마찰을 기반으로 안정적으로 지지하고, 상기 축방향 전자기 베어링수단(80)은 축방향의 변위가 변동되는 것을 전자기력으로 제어하는 것을 가능하게 한다.
따라서, 본 발명의 터빈장치는 기존의 볼 베어링이나 트러스트 베어링과 같이 기계 접촉식을 대체한 것이기 때문에, 기존 베어링 요소에서의 마찰에 의한 발전 상용화의 한계를 낮추어, 저압, 저온의 작동유체를 사용하여도 안정적인 발전을 가능하게 하는 것이다.
이때, 바람직하게는, 본 발명의 터빈장치(1)에서 사용되는 작동 유체는, 150 ∼ 300℃ 범위의 저온 작동유체일 수 있고, 예를 들어, 본 발명의 터빈장치(1)에서 사용되는 작동유체는 기존 물(액체) 대신에 저온에서도 팽창력이 큰 H2, R134a, R245a, n-펜탄 이나, 일반적인 바이오 가스 등을 사용할 수 있다.
따라서, 본 발명의 터빈장치(1)는 저온의 작동유체를 사용하기 때문에, 산업체의 폐열 60% 이상이 상기 온도 범위인 것을 고려하면, 본 발명 장치는 기존에서 사용하기 어려운 가열로, 소결로 ,고로 등에서 발생되는 배기가스를 그대로 추가적인 승온 등을 할 필요없이 사용할 수 있고. 결국 폐열의 회수를 통한 에어지 활용을 용이하게 하는 것이다.
그런데, 이와 같은 저온(저압)의 작동유체를 본 발명에서 사용 가능한 것은, 종래 마찰이 심한 기계 접촉식 베어링요소 대신에, 본 발명의 반경방향 및 축방향 전자기 베어링수단(60)(80)을 사용하기 때문에, 마찰이 없고, 따라서 기존에 250℃의 온도차가 발생하지 않아도 적용 가능한 것이다.
결국, 본 발명의 기존에 산업체에서 광범위하게 발생되는 배기가스를 열원으로 그대로 사용할 수 있기 때문에, 폐열 회수율이 매우 높이는 것이다.
다음, 도 2a 및 도 3,4에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 터빈장치(1)에서 상기 발전 유닛(40)은, 상기 회전축(20)에 제공되는 영구자석(42) 즉, 회전자와 그 외측으로 하우징수단(30)에 제공되는 코일(44) 즉, 고정자로 구성된다.
따라서, 회전축(20)이 작동유체가 임펠로(10)에 충돌하여 회전력이 인가되어 고속 회전하면 영구자석(42)이 회전하면서 자기력을 코일에 인가시키고, 따라서 알려진 바와 같이, 전기를 발생시키는 것이다.
이때. 본 발명의 터빈장치(1)에서는 이와 같은 발전유닛(40)의 영구자석(42)들을 특정 구조로 제공할 수 있는데, 기본적으로 본 발명의 발전유닛(40)에서는 상기 영구자석(42)은 회전축(20)의 원주방향으로 복수 개가 배열되어 제공될 수 있다.
즉, 도 2a 및 도 3에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 발전유닛(40)의 영구자석(42)은, 회전축의 원주방향과 반경방형중 적어도 하나의 방향으로 서로 다른 극성의 자석들이 적층되는 구조로 배열될 수 있다.
바람직하게는, 영구자석(42)은 회전축(20)의 원주방향과 반경방향으로 서로 다른 극성(S극,N극)의 자석(42a)(42b)들이 적층되면서 교대로 배열되는 구조로 제공될 수 있다.
이때, 상기 영구자석들은 회전의 길이방향으로 적당한 단위 자석들이 연이어 제공됨은 물론이다.
따라서, 도 3에서 도시한 바와 같이, 본 발명 발전유닛(40)의 영구자석(42)은, 회전축(20)의 원주방향으로 적당한 길이를 갖는 단위의 S극 자석(42a)과 N극 자석(42b)들이 교대로 적층되는 방향이 수평(축 반경방향) 및 수직(축 원주방향)으로 이루어지기 때문에, 단순하게 자석들을 배열한 것에 비하여, 더 증폭된 자기력을 발생시키어 코일(44)에서의 전기 발생 능력을 높이도록 하는 것이다.
또는, 도 4와 같이 회전축(20)의 원주방향으로 같은 극성의 영구자석(42a)(42b)들을 교대로 배열하는 것도 가능하고, 이 경우 자석들은 단위 자석들이, 도면에서는 개략적으로 도시하였지만, 드럼요소(46)의 안착부에 안착되어 제공될 수 있다.
따라서, 도 4의 경우 단위 자석들이 연이어 제공되는 구조이므로, 기존 하나의 단일의 길게 신장된 자석을 사용하는 것에 비하여 더 충분한 자기력을 발생시키어 코일을 통한 전기 발생 능력을 더 높일 수 있을 것이다.
더 바람직하게는, 도 3 및 도 4와 같이, 본 발명의 발전 유닛(40)의 영구자석들은 회전축의 반경 방향으로 외곽으로 갈수록 단면적이 커지는 사변형 구조로 제공하는 것이다.
즉, 단위 자석의 경우 저면 길이 D1 보다 상면 길이 D2가 확장되는 사변형 구조로 제공하면, 자기력 발생 면적이 반경 방향으로 확장되기 때문에. 더 충분한 자기력 발생을 가능하게 하는 것이다.
예를 들어, 이와 같은 도 3 및 도 4의 영구자석의 사변형 구조는, 회전축의 회전시 와전류 손실을 억제하여 전기 발전 능력을 높이도록 하는 것이다.
한편, 가장 바람직하게는 도 4와 같은 배열로 영구자석을 회전축(20)에 구축하는 것인데, 이와 관련하여 도 5a 및 도 5b에서는 영구자석의 배열에 따른 자기력 발생정도를 그래프로 나타내고 있다.
즉, 도 5a와 같이 서로 극성이 다른 영구자석(42a)(42b)들은 서로 교대로 적층없이 배열하는 것보다, 도 5b에서 도시한 바와 같이, 극성이 다른 영구자석(42a)(42b)들을 수직 및 수평 방향으로 서로 적층되는 방향을 다르게 하면서 교열 배치하면 자기력 발생 능력이 매우 증폭되고, 따라서 도 2a에서는 개략적으로 도시하였지만, 본 발명 발전 유닛(40)에서 회전자인 회전축 측의 영구자석(42)과 코일(44)의 고정자가 간격을 종래 10mm 보다 2,5 배 정도 간격을 두고 배치하여도 충분하게 전기를 발생시키는 것이다.
따라서, 도 2a 및 도 4와 같은 영구자석의 배열이 가장 바람직하나, 앞에서 설명한 바와 같이, 도 3과 같은 영구자석의 배열도 충분한 발전 능력을 제공한다.
정리하면, 본 발명의 터빈장치(1)의 경우 작동유체(냉매)가 팽창을 하면서 임펠러(10)에 충돌하여 회전력을 인가하여 임펠로를 회전시키면, 고정자인 영구자석(42)도 일체로 회전하고, 따라서 고정자에서 발생된 시변자계는 고정된 고정자인 코일에서 강판 유도전류를 생성시켜 전기를 발생하는 것이다.
특히, 종래의 경우 터빈장치의 회전축 회전시, 축방향으로는 스크류가 강제로 회전을 시키면서 선접촉이 발생되고, 반경방향으로는 볼이나 트러스크 또는 롤러 베어링 요소에 의한 점접촉이 발생하고, 따라서 종래의 경우에는 발전 초기에 기동 토크가 상당히 요구되고, 특히 베어링 요소에서의 오일(윤활유) 누유나 수격현상이 발생하여 정비 효율이 떨어지고, 발전효율도 한계가 있어, 산업체의 폐열 60% 이르는 중,저온 폐열의 회수를 가능하게 하는 것이다. 이는 적용 유체의 폭이 넓어져 발전 효율도 높일 수 있는 것이다.
다음, 도 2a, 도 2b 및 도 6에서 도시한 바와 같이, 본 발명 터빈장치(1)에서 실질적으로 (전) 자기력을 이용하여 비접촉으로 무마찰을 기반으로 회전축(20)의 고속 회전을 지지하는 본 발명의 전자기 베어링수단을 도시하고 있다.
즉, 도 2a 및 도 2b에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 터빈장치(1)의 상기 전자기 베어링수단은, 발전 유닛(40)의 전,후측으로 각각 적어도 일 지점에 상기 회전축 사이에 간극(G1)을 형성하면서 회전축(20)을 비접촉으로 무마찰 지지토록 제공된 반경방향 전자기 베어링수단(60) 및, 상기 회전축의 적어도 일지점에 회전축의 축방향 변위를 제어토록 제공된 축방향 전자기 베어링수단(80)을 포함할 수 있다.
특히, 본 발명의 상기 축방향 전자기 베어링수단(80)은, 상기 회전축(20)에 구비된 디스크수단(90) 사이에서 다음에 도 6에서 상세하게 설명하듯이 전자기 항력을 통하여 베어링수단과 디스크수단 사이에서 간극(G2)을 형성하면서 회전축의 축방향 변위를 제어(방지)토록 제공되는 것이다.
한편, 더 바람직하게는 본 발명의 터빈장치(1)에서는, 상기 회전축(20)에 반경방향 전자기 베어링수단(60)과, 앞에서 설명한 발전유닛(40)의 영구자석(42)이 탑재되는 일체로 중공 구조체인 롤 구조체(22)를 더 포함하는 것이다.
따라서, 도 2a 및 도 2b에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 장치에서는 임펠러(10)와 연결 조립되는 연결축(24)에 회전축(20)이 조립되고, 상기 회전축(20)의 외곽으로 중공 파이프 형태의 롤 구조체(22)를 조립하고, 이와 같은 롤 조립체(24)는 전자기 항력을 발생토록 (강) 자성체로 제공하는 것이다.
물론, 이와 같은 롤 구조체(22)의 사용 없이 회전축만을 사용하는 것도 가능하고, 따라서 회전축(20) 또는 롤 구조체(22)는 (강) 자성체로 제공되는 것이 바람직하다.
다음, 본 발명의 터빈장치(1)에서 회전축(20)을 비접촉 무마찰 상태로 지지하여, 기존의 기계 접촉식 베어링 요소를 대체하여 저온 작동유체의 사용을 가능하게 하는 본 발명의 반경방향 전자기 베어링수단(60)을 구체적으로 살펴본다.
예를 들어, 도 2a에서 도시한 바와 같이. 본 발명의 반경방향 전자기 베어링수단(60)은,(강)자성체로 각각 제공되는 회전축(20) 또는 회전축에 구비된 롤 구조체(22)사이에 간극 'G1'을 형성토록 전자기 항력을 발생시키는 전자석(62)을 포함한다.
이와 같은 전자석(62)은 다음에 상세하게 설명하는 하우징수단(30)을 통하여 회전축의 외곽에 배열 고정할 수 있다.
따라서, 도 2a에서 도시한 바와 같이, 상기 전자석(62)에 도면에서는 별도로 도시하지 않은 펄스 폭 변조기를 통하여 단상 또는 3상의 교류전류를 인가시키면 전자석에서는 시변자계를 생성하여 전자석과 회전축(20) 또는 회전축에 구비된 롤 구조체(22) 사이에서는 전자기 항력을 발생시키고, 결국 회전축 또는 롤 구조체와 전자석 사이에서는 소정의 간극 'G1'이 형성되고, 이는 자기 부상을 기반으로 회전축을 비접촉 무마찰 상태로 지지하는 것을 가능하게 하는 것이다.
한편, 상기 전자석들은 적정한 단위 전자석들이 적층되어 제공될 수 있다.
이때, 도 2a에서 개략적으로 도시하였지만, 상기 하우징수단(30)측에 제공되는 전자석(62)은 회전축 정면에서 볼 때, 회전축의 원주방향으로 링 형태의 전자석 또는 단락된 링 구조의 전자석(링 구조)들이 적층되어 제공될 수 있다.
또는, 도 2b에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 터빈장치(1)에서는 영구자석을 이용하여 상기 반경방향 전자기 베어링수단(60)을 구축하는 것도 가능하다.
예를 들어, 상기 다른 형태의 반경방향 전자기 베어링수단(60)은, 회전축(20) 또는 회전축에 구비된 롤 구조체(22)에 제공된 영구자석(64)과, 하우징수단(30)측에 제공된 인접한 S극 영구자석(64a)과 N극 영구자석(64b)이 교대로 배열되는 인접 영구자석(64)으로 구성된다.
따라서, 회전축(20)의 회전시 회전축 측의 영구자석(64)과 하우징수단(30)측의 영구자석(64) 사이에서는 자기부상에 의한 간극(G3)이 형성되고, 회전축(20)을 비접촉 무마찰 상태로 지지하는 것을 가능하게 하는 것이다.
한편, 상기 본 발명의 반경방향 전자기 베어링수단(60)에 의한 자기부상 방식의 회전축 지지를 가능하게 하는 원리를 도 6a 및 도 6b에서 도시하고 있다.
즉, 도 6a에서 회전축(20)의 외주면에 조립된 앞에서 설명한 (강)자성체의 롤 구조체(22)와 간극을 두고 배치되는 전자기 베어링수단의 S극 전자석 (62a)과 N극 전자석(62b)에 단상 또는 3상의 교류전류가 인가되면, 자기장이 시간에 따라 변화하는 시변자계로 유도전류를 생성하면서, 전자석과 롤 구조체 사이에서는 항력(Drag Force)과 부양력(Leviation Force)을 형성시키는데, 이때 임계의 회전속도에 이르기 전까지 부양력 보다는 주로 항력 즉, 자기 부상력을 형성하는 것이다.
또한, 도 6b에서 도시한 바와 같이, 회전축 또는 롤 구조체(22)에 영구자석(64)을 배열하고, 그 반대측으로 하우징수단(30)측으로 S극 전자석(64a)과 N극 전자석(64b)을 교대로 배열하면, 회전축의 회전시 자기장이 시간에 따라 변화하는 시변자계로 유도전류를 생성하면서, 영구자석 들 사이에서는 항력과 부양력을 형성하고, 따라서 비접촉 무마찰을 가능하게 하는 자기 부상력을 형성하는 것이다.
다음, 도 2a 및 도 2b에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 축방향 전자기 베어링수단(80)도, 도면에서는 개략적으로 도시하였지만, 반경방향 전자기 베어링수단(60)과 마찬가지로, 전자석(82)을 포함하고, 이와 같은 전자석의 축방향 베어링수단(80)의 내측에는 회전축(20) 또는 연결축(24)에 용접 등으로 제공된 회전축의 반경방향으로 수평하게 제공되는 디스크 수단(90) 즉, 연결축(24)에 제공된 제1 디스크(92)와 상기 제1 디스크에 직교하여 제공된 축방향의 제2 디스크(94)로 제공된다.
이때, 상기 제1,2 디스크들은 자성체로 제공될 수 있다.
따라서, 도 2a 및 도 2b에서 도시한 바와 같이, 상기 축방향 전자기 베어링(80)을 구성하는 전자석(82)에 단상 또는 3상의 교류전류가 펄스폭 변조기로부터 인가되면, 앞에서 반경방향 전자기 베어링수단(60)에서 충분하게 설명한 바와 같이, 상기 제1,2 디스크(92)(94)들 사이에서는 자기 부상력이 형성되어 이들 사이에는 간극 'G2'가 형성되고, 결국 디스크는 전자석 내부에서 회전하나 비접촉으로 간극이 유지되고, 결국 회전축의 축방향 변위가 미세하게 발생되는 것을 축방향 전자기 베어링수단에서 변위가 제한되게 되어 축방형 변위가 제어되는 것이다.
다음, 도 2에서는 본 발명의 터빈장치(1)에서 앞에서 설명한 바와 같이, 회전축(20) 또는, 회전축에 구비된 롤 구조체(22) 및, 임펠러(10)가 연결되는 연결축(24)에 연계되어 반경방향 전자기 베어링수단(60)과 축방향 전자기 베어링수단(80)을 포위하면서 지지토록 제공되는 장치의 하우징수단(30)을 도시하고 있다.
즉, 도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 하우징수단(30)은, 중앙측의 반경방향 전자기 베어링수단(60)의 전자석(62)이나 영구자석(64)이 탑재되어 고정되고 사이에 고정자의 코일(44)이 배치되는 중앙측 제1,2 하우징(33)(34)의 양측으로 후방측 제3 하우징(32)과 전방측 제4 하우징(35) 및 그 외곽으로 후방측 제1 캡부재(31)와 전방측 제2 캡부재(34)가 순차로 볼팅으로 조립된다.
그리고, 축방향 베어링수단(80)의 전자석은 디스크 수단의 외곽으로 전방측 제4 하우징(35)과 제2 캡부재(34)사이의 공간에 볼트 등으로 조립된다.
또한, 상기 하우징들의 내측에는 전자석이나 영구자석을 고정하는 고정링(38)들이 조립되어 전자석이나 영구자석의 이탈을 방지한다.
다음, 본 발명의 터빈장치(1)에서는 상기 회전축(20)의 회전을 감지토록 제공된 감지 센서수단(130)을 더 포함할 수 있는데, 예를 들어 회전축 또는 회전축에 조립된 롤 구조체(22)에 제공된 제1 센서(132)(또는 센서 감지체) 및, 그 외곽으로 제3 하우징(32)과 제4 하우징(35)의 내측면에 조립되는 센서 감지체(134) 또는 제2 센서로 제공될 수 있다.
따라서, 회전축 또는 회전축과 일체로 롤 구조체(22)가 회전하면 센서 또한 일체로 회전하고, 따라서 센서수단(130)을 통한 회전축의 회전 유무 또는 회전속도를 실시간으로 감지할 수 있다.
다음, 도 2a 및 도 2b에서 도시한 바와 같이, 상기 회전축(20)과 장치 케이싱(110) 사이에 전자기 베어링의 작동 중단시 회전축을 지지토록 제공되는 기계 접촉식 베어링(110)을 더 포함하는 것이다.
즉, 본 발명의 전자기 베어링수단(60)(80)들에서 전자석이 전류공급의 이상으로 자기부상을 할 수 없는 경우에는 상기 기계 접촉식 베어링(110)이 회전축의 회전을 대체하여 지지하는 것이다.
다만, 정상적인 발전 즉, 정상적인 교류전류의 인가가 이루어지는 경우에는 반경방향 전자기 베어링수단(60)을 통하여 회전축의 회전을 지지하여야 하기 때문에, 상기 반경방향 전자기 베어링수단(60)과 회전축 또는 회전축에 구비된 롤러 구조체 사이의 간극 'G1' 또는, 반경반향 전자기 베어링수단의 영구자석(64)들 사이의 간극 'G3'은, 상기 기계식 베어링(110)와 회전축(조립주재)와 연결축(24)사이의 간극 보다는 크게 형성되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 전자기 베어링수단측 간극 G1,G3는 80∼200 ㎛ 로 제공되고, 상기 기계 접촉식 베어링(110)측 간극은 40 ∼70 ㎛로 형성되어 전자기 베어링의 가동 중단시에만 기계 접촉식 베어링(110)의 회전축 지지를 구현토록 하는 것이다.
이때, 도 2a 및 도 2b에서는 별도의 도면 부호로 도시하지 않았지만, 상기 기계 접촉식 베어링(110)은 회전축(20)의 롤러 조립체(22)의 단부에 제공되는 고정링(미부호)과 하우징수단(30)의 제1 캡부재(31)사이에 제공될 수 있다.
예를 들어, 도 2b에서 도시한 바와 같이, 영구자석을 기반으로 하는 반경방향 전자기 베어링수단(60)의 영구자석(64)간 간극 'G3'는 5∼200 ㎛가 적당하고, 상기 축방향 전자기 베어링(80)의 전자석(82)과 디스크 수단(90)의 제1,2 디스크(92)(94)간 간극 'G2'는 100 ~ 500㎛ 정도가 바람직하다.
다음, 도 1에서는 지금까지 설명한 본 발명에 따른 터빈장치(1)를 포함하는 폐열회수 발전시스템(200)을 도시하고 있다.
먼저, 본 발명의 터빈장치(1)의 발전 유닛(40)에서 생산된 전력은 전력송전부(110) 예를 들어, 송전선로와 고압변전소, 압변전소 및 주상 변압기를 거쳐 전압을 강하시킨 후 필요한 가정(120)이나 산업시설 등의 수요처로 송전된다.
그리고, 도 1에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 터빈장치(1)는, 외부와 밀폐된 케이싱(2)의 내부에 제공되고, 상기 케이싱(2)에는 작동유체 공급라인과 전기를 발전한후 추출되는 가열되어 팽창된 작동유체를 추출하는 추출라인이 연계된다.
따라서, 본 발명의 폐열 회수 발전 시스템(200)은, 상기 터빈장치(1)와, 상기 터빈장치에 작동유체를 공급토록 제공되되, 폐열을 이용하는 작동유체 공급부(230) 및, 상기 터빈장치에서 추출된 작동유체를 처리토록 제공된 작동유체 처리부(210)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 구체적으로는 본 발명의 작동유체 공급부(230)는, 폐열 공급원 원(240) 즉, 고온의 배기가스(폐열)를 발생시키는 제철공장의 소결로, 고로 등과 연계된 가열기이고, 상기 작동유체 처리부(210)는 본 발명의 터빈장치(1)에서 추출된 가열되어 팽창된 저압, 저온의 작동유체를 응축하여 응축된 작동유체(냉매)를 발생시키는 응축기일 수 있다.
따라서, 본 발명의 폐열 회수 발전 시스템(200)은, 앞에서 설명한 바와 같이, (저압) 저온의 작동유체를 매개로 대략 저온의 온도 범위(60∼300℃)의 열원을 회수하여 전기를 생산하는 시스템일 수 있다.
그리고, 응축기(210)는 본 발명의 터빈장치(1)에서 추출된 저온의 작동유체를 액체로 상변화 시켜주고, 응축기(210)를 거친 응축된 작동유체 즉, 냉매는 펌프(250)를 통하여 가열기(230)로 공급되고, 이때 상기 펌프 상류측과 하류측에는 각각 응축탱크(250)와 예열기(260)가 배치되고, 가열기와 터빈장치 사이에는 과열기(270)가 배치될 수 있다.
이에 따라서, 지금까지 설명한 본 발명의 터빈장치 및 이를 포함하는 발전 시스템은, 기계(접촉)식 베어링 구조를 비접촉식 전자기 베어링으로 대체하여, 터빈의 수명을 연장시키면서 발전 효율을 높이고. 폐열 이용도 용이하게 하는 한편, 디스크 수단의 구조 개선과 기계식 베어링수단의 적정 배치를 통하여 장치의 가동은 안정적으로 유지하는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (12)

  1. 작동 유체로부터 회전력이 인가되는 임펠러와 연결된 회전축;
    상기 회전축에 연계되어 전기를 발생토록 제공된 발전 유닛;
    상기 발전 유닛의 전, 후측으로 각각 적어도 일 지점에 상기 회전축 사이에 간극을 형성하면서 회전축을 비접촉으로 지지토록 제공된 반경방향 전자기 베어링수단; 및,
    상기 회전축의 적어도 일지점에 회전축의 축방향 변위를 제어토록 제공된 축방향 전자기 베어링수단;
    을 포함하여 구성된 터빈장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 축방향 전자기 베어링수단은, 상기 회전축에 구비된 디스크 수단 사이에서 간극을 형성하면서 축방향 변위를 제어토록 제공되는 것을 특징으로 하는 터빈장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 디스크수단은 회전축 또는,
    회전체에 임펠러와 연결되어 조립되는 연결축에,
    제공되는 회전축 반경방향의 제1 디스크와 상기 제1 디스크에 제공되는 회전축 축방향의 제2 디스크를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 터빈장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발전 유닛은, 상기 회전축에 제공되는 영구자석을 포함하는 회전자와 외측에 배열되는 코일을 포함하는 고정자로 구성되고,
    상기 발전유닛의 영구자석은, 서로 다른 극성의 자석 들이 상기 회전축의 원주방향과 반경방향으로 적층되면서 회전축을 따라 교대로 배열되거나 또는,
    상기 회전축의 원주방향으로 서로 다른 극성의 자석들이 서로 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 터빈장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 발전 유닛의 회전자로 제공되는 영구자석은 회전축의 반경방향으로 외곽으로 갈수록 단면적이 커지는 사변형 구조로 제공된 것을 특징으로 하는 터빈장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반경방향 전자기 베어링수단은 자성체로 제공되는 회전축 또는, 회전축에 구비된 롤 구조체와 간극을 형성토록 자기부상을 가능하게 제공되는 전자석을 포함하고,
    상기 축방향 전자기 베어링수단은, 자성체로 제공되는 회전축에 구비되는 디스크수단 사이에 간극을 형성토록 자기부상을 가능하게 제공되는 전자석을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 터빈장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반경방향 전자기 베어링수단은, 회전축 또는 회전축에 구비된 롤 구조체에 제공된 영구자석과, 영구자석 사이에 간극을 형성토록 제공되는 인접 영구자석들을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 터빈장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 회전축 또는, 회전축에 구비된 롤 구조체에 연계되어 전자기 베어링수단들을 포위하면서 지지토록 제공된 장치 하우징수단;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 회전축과 장치 하우징수단 사이에 전자기 베어링수단의 작동 중단시 회전축을 지지토록 제공되는 기계 접촉식 베어링;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반경방향 전자기 베어링수단과 회전축 또는 회전축에 구비된 롤 구조체 사이의 간극 또는, 반경반향 전자기 베어링수단에 구비된 영구자석들 사이의 간극은,
    상기 기계 접촉식 베어링의 간극 보다 크게 형성되어 전자기 베어링수단의 작동 중단시 기계 접촉식 베어링이 작동토록 구성된 것을 특징으로 하는 터빈장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 회전축의 회전을 감지토록 제공되는 센서수단;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈장치.
  12. 상기 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에서 기재된 터빈장치; 및
    상기 터빈장치에 작동유체를 공급토록 제공되되, 폐열을 이용하는 작동유체 공급부; 및,
    상기 터빈장치에서 추출된 작동유체를 처리토록 제공된 작동유체 처리부;
    를 포함하여 구성된 터빈장치를 포함하는 폐열회수 발전시스템.
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