KR101050843B1 - 일체형 회전자, 이를 구비한 공기공급장치 및 터빈 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전시의 동적 안정성을 기할 수 있고, 조립이 용이하며, 고온의 축방향 열전달을 효과적으로 차단할 수 있는 회전자를 제공하는 것을 목적으로 하고, 또한 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 회전시의 동적 안정성을 기할 수 있고, 조립이 용이하면서도, 축방향의 열전달을 효과적으로 차단하여 한 공기공급 장치 및 터빈 발전기를 제공하는 것을 목적으로 하며, 이 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 단부에 터빈 휠, 임펠러 또는 쓰러스트 디스크가 고정되는 타이 샤프트부; 및 외부에 형성되는 자기장의 변화에 의해 회전력을 발생하는 마그네틱 로터부를 일체로 구비하는 회전자를 제공한다. 또한 본 발명에서는, 이러한 일체형 회전자를 구비하는 공기공급장치 및 터빈 발전기를 제공한다.

Description

일체형 회전자, 이를 구비한 공기공급장치 및 터빈 발전기{One-body type rotor, air supplying apparatus and turbine generator equipped with the same}

도 1은 종래의 터빈 발전기를 구성하는 엔진부의 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 일체형 회전자를 구비하는 터빈 발전기의 구성을 설명하는 도면.

도 3은 도 2의 III 부분의 온도 분포를 설명하는 도면.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

52: 임펠러 64: 터빈

75: 타이 샤프트 77: 너트

121: 일체형 회전자 122: 고정자

123: 전방 타이 샤프트부 124: 후방 타이 샤프트부

125: 마그네틱 로터부

150, 151, 155: 유체의 흐름

177, 178: 베어링 190, 191: 너트

200: 연료 전지 300: 연소기

본 발명은 회전자를 구비한 공기공급장치 및 회전자를 구비한 터빈 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전 시의 동적 안정성이 확보되고, 고온의 열이 터빈으로부터 다른 곳으로 전달되는 것을 줄일 수 있는 공기공급장치 및 터빈 발전기에 관한 것이다.

도 1에는 종래의 터빈 발전기의 엔진부의 구성을 설명하는 단면도가 도시되어 있다.

도 1에 도시된 것과 같이, 종래의 터빈 발전기를 구성하는 엔진부(engine core)(50)는 공기공급장치(또는 압축기), 발전부 및 터빈(turbine)(64)을 포함한다. 상기 공기공급장치는 필터(59)를 거친 공기를 임펠러(impeller)(52)의 회전력을 이용하여 연소기(combustion furnace)(미도시)로 공급하는 기능을 한다. 상기 발전부는, 마그네틱 회전자(68) 및 고정자 권선(36)을 포함하고, 상기 고정자 권선(36)이 형성하는 자기장 내에서 상기 마그네틱 회전자(68)의 회전에 의해 자기장에 변화가 생기고 그에 따라 전류를 발생시킨다. 상기 터빈(64)은 연소기에서 발생한 고온의 연소가스에 의해 고속으로 회전하면서, 상기 마그네틱 회전자(68) 및 상기 임펠러(52)가 회전하는 회전력을 공급하게 된다. 그리고, 상기 터빈(64), 상기 임펠러(52) 및 상기 마그네틱 회전자(68) 등의 주요 구성 요소들은, 베어링(76, 78)등의 부가적인 구성요소들과 함께, 일체로 회전할 수 있도록 타이 샤프트(tie shaft)(75)에 의해 일체로 결합된다.

즉, 도 1에 도시된 것과 같이, 종래의 타이 샤프트(75)는 터빈 발전기의 엔 진부(50)의 일단으로부터 타단까지 일정한 직경을 가지면서 연장되고, 상기 구성요소들을 모두 관통하며, 최외곽에 배치되는 터빈(64)과 레이디얼 베어링(radial bearing)(76)에서 각각 너트(77)로 체결된다. 이와 같은 구성을 가지는 타이 샤프트는 길이가 길어질 수밖에 없고, 고온의 열전달이 이루어지는 터빈과 너트(77)의 체결력에 의해 축방향으로 일체로 결합된 상태에서 고속 회전되므로, 작동 중에 부재들 상호간의 진동에 의해 동적 특성이나 구조적인 안정성이 취약하게 된다. 또한, 이러한 체결 구조에서는 터빈이 받는 고온의 열이 쉽게 임펠러 및 베어링 등의 부재로 전달되어, 다른 부재들에 손상을 주게 된다. 이를 막기 위해서는 고가의 열적 강성이 높은 임펠러 및 베어링을 사용해야 하기 때문에 제품의 생산성에도 큰 문제가 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 회전시의 동적 안정성을 기할 수 있고, 조립이 용이하며, 고온의 축방향 열전달을 효과적으로 차단할 수 있는 회전자를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 회전시의 동적 안정성을 기할 수 있고, 조립이 용이하면서도, 축방향의 열전달을 효과적으로 차단하여 한 공기공급 장치 및 터빈 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 단부에 터빈 휠, 임펠러 또는 쓰러스트 디스크(thrust disk)가 고정되는 타이 샤프트부; 및 외부에 형성되는 자기장의 변화에 의해 회전력을 발생하는 마그네틱 로터부를 일체로 구비하는 회전자를 제공함으로써 달성될 수 있다.

또한 여기서, 상기 타이 샤프트부는 상기 회전자의 양단부에 각각 형성되는 후방 타이 샤프트부 및 전방 타이 샤프트부를 포함하고, 상기 후방 타이 샤프트부에는 터빈 휠 및 임펠러가 고정되고, 상기 전방 타이 샤프트부에는 상기 쓰러스트 디스크가 고정될 수 있다.

또한 여기서, 상기 마그네틱 로터부는 상기 회전자의 중간부분에 위치하고, 상기 타이 샤프트부보다 직경이 크게 형성될 수 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 회전력으로 작동유체의 흐름을 만드는 임펠러; 상기 임펠러가 고정되는 회전자; 상기 회전자에 고정되어 상기 회전자에 작용하는 축방향 힘을 지지하는 쓰러스트 디스크; 및 전류가 흐르는 코일부를 구비하여 자기장을 형성하는 고정자를 포함하는 공기공급장치에 있어서, 상기 회전자는, 단부에 상기 임펠러 또는 상기 쓰러스트 디스크가 고정되는 타이 샤프트부; 및 상기 고정자에 의해 형성되는 자기장의 변화에 의해 회전력을 발생하는 마그네틱 로터부를 일체로 구비하는 공기공급장치를 제공함으로써 달성된다.

또한 여기서, 상기 타이 샤프트부는 상기 회전자의 양단부에 각각 형성되는 후방 타이 샤프트부 및 전방 타이 샤프트부를 포함하고, 상기 후방 타이 샤프트부에는 상기 임펠러가 고정되고, 상기 전방 타이 샤프트부에는 상기 쓰러스트 디스크가 고정될 수 있다.

또한 여기서, 상기 마그네틱 로터부는 상기 회전자의 중간부분에 위치하고, 상기 타이 샤프트부보다 직경이 크게 형성될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.

도 2에는 본 발명에 따른 일체형 회전자를 구비하는 터빈 발전기의 구성을 나타내는 도면이 도시되어 있다.

도 2에 도시된 것과 같이, 터빈 발전기는, 공기공급장치(또는 압축기), 연료 전지(200), 연소기(300), 터빈(64) 및 발전부를 포함한다.

상기 공기공급장치는, 회전축에 결합된 임펠러(52)를 구비하여, 상기 임펠러(52)의 회전에 의해 150번으로 표시된 경로를 따라 전방으로부터 공기를 흡입하고, 이를 압축하여 상기 연료 전지(200)로 이송하는 기능을 한다. 일부 공기는 점선으로 표기된 151번 경로를 따라 터빈(64) 방향으로 이동하여 터빈이 과열되는 것을 막는 냉각 유체로 작용하기도 한다.

상기 연료전지(200)는 상기 공기공급장치를 통해 이송 받은 공기와 연료를 적절한 혼합비로 혼합하여 상기 연소기(300)로 보낸다.

상기 연소기(300)에서는 공기와 혼합된 연료를 연소시켜 연소가스를 발생시키고, 155번 경로를 따라 이를 터빈(64)으로 분사한다.

상기 터빈(64)에서는 연소가스의 유체 에너지를 기계적 에너지인 회전력으로 변환한다. 즉, 연소가스를 터빈 블레이드에 분사하여 상기 터빈(64)을 회전시킨다.

상기 터빈(64)이 회전함에 따라 상기 터빈의 회전축에 일체로 결합된 발전부의 마그네틱 로터부(125)가 회전한다. 상기 마그네틱 로터부(125)는 발전부에 설치되는 고정자에 의해 자기장이 형성된 상태에서 회전하게 된다. 이에 따라 상기 마그네틱 로터부(125)는 상기 고정자에 의해 형성된 자기장을 변화시키면서 전류를 발생시켜 발전기로서의 기능을 하도록 한다.

이러한 방식으로 운전되는 터빈 발전기에 본 발명에 따른 일체형 회전자를 적용하는 경우, 상기 공기공급장치의 임펠러 회전축, 상기 터빈의 회전축 및 상기 발전부의 마그네틱 로터부(125)는 하나의 일체로 제작된 회전자에 모두 결합되게 된다.

즉, 본 발명에 따른 일체형 회전자(121)는, 타이 샤프트(tie shaft)부 및 마그네틱 로터(magnetic rotor)부를 일체로 구비한다. 상기 타이 샤프트부는, 상기 일체형 회전자(121)와 함께 고정되어 회전되어야 하는 부재들, 예를 들어 터빈(64), 임펠러(52), 쓰러스트 디스크(162) 등이 상기 일체형 회전자(121)에 일체로 결합될 수 있도록 하는 기능을 하는 것으로, 그 단부에 상기 부재들이 너트(190, 191)에 의해 고정된다. 상기 마그네틱 로터부(125)에는 외부에 형성되는 자기장의 변화에 의해 회전력을 발생할 수 있도록 자성체(바람직하게는 자석)가 설치된다.

상기 타이 샤프트부는 상기 일체형 회전자(121)의 양단부에 각각 형성되는 후방 타이 샤프트부(124) 및 전방 타이 샤프트부(123)의 두 부분으로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 후방 타이 샤프트부(124)에는 터빈(64) 및 임펠러(52)가 고정되고, 상기 전방 타이 샤프트부(123)에는 상기 쓰러스트 디스크(162)가 고정되게 된다.

상기 마그네틱 로터부(125)는 상기 일체형 회전자의 중간부분에 위치하고, 상기 타이 샤프트부(123, 124)보다 직경이 크게 형성된다.

본 발명에 따른 일체형 회전자(121)를 사용하는 경우, 서로 분리되어 제작된 부재들이 타이 샤프트에 의해 일체로 결합되었던 종래의 구조와 비교할 때, 진동이 감소되어 체결력 향상으로 인한 구조적 안정성과 회전자의 회전 역학적 안정성을 더하게 된다. 또한, 제작 과정에서는 구조의 단순화가 이루어져서 조립 및 분해 등이 용이해지는 이점이 있다. 또한, 이러한 구조를 가질 경우에는 종래에 비해서 타이 샤프트로 기능하는 부분(123, 124)의 전체 길이가 짧아질 수 있으며, 전체 체결 및 분해 작업 시에도 안정적인 작업이 가능하다.

도 3에는 본 발명에 따른 일체형 회전자를 사용하는 경우의 터빈과 임펠러의 온도 분포를 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 3에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 일체형 회전자(121)를 터빈 발전기에 적용하는 경우에는 일체형 회전자(121)의 단부에 임펠러(52)와 터빈(64)이 서로 접하도록 설치된다. 작동 중에 상기 터빈(64)은 고온(약 850℃)의 연소 가스에 노출되어 그 온도는 약 400℃에서 700℃이상으로 올라간다. 상기 터빈(64)과 접촉하고 있는 후방 타이 샤프트부(124)와 임펠러(52)도 열전도에 의해 온도가 상승하게 된다. 도 3에 도시된 것과 같이, 후방 타이 샤프트부(124)에 결합되는 임펠러(52)와 터빈(64)의 접촉부위가 최소화되어, 상기 터빈(64)으로부터의 열전도가 많이 이루어지지 않고, 또한 상기 임펠러(52)에는 상온의 공기가 통과하게 되어, 상 기 임펠러(52)의 온도는 120℃ 내지 300℃ 정도로 유지된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 일체형 회전자(121)를 사용하는 경우, 상기 임펠러(52)에는 고온용 재질이 아닌 상대적으로 저가의 재질을 사용할 수 있거나, 또는 고온용 열처리의 필요성이 없게 되어 비용을 절감할 수 있게 된다. 또한, 임펠러(52)보다 터빈(64)에 멀게 위치하는 베어링(178)을 열로부터 보호할 수 있다.

이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명에 따르면, 서로 분리되어 제작된 부재들이 타이 샤프트에 의해 일체로 결합되었던 종래의 구조와 비교할 때, 진동이 감소되어 체결력 향상으로 인한 구조적 안정성과 회전자의 회전 역학적 안정성을 더하게 된다.

또한, 제작 과정에서는 구조의 단순화가 이루어져서 조립 및 분해 등이 용이해진다. 또한, 이러한 구조를 가질 경우에는 종래에 비해서 타이 샤프트로 기능하는 부분의 전체 길이가 짧아질 수 있으며, 전체 체결 및 분해 작업 시에도 안정적인 작업이 가능하다.

또한, 본 발명에 따르면, 임펠러와 터빈의 접촉부위가 최소화되어, 상기 터빈으로부터의 열전도가 많이 이루어지지 않고, 또한 상기 임펠러에는 상온의 공기가 통과하게 되어, 상기 임펠러의 온도는 120℃ 내지 300℃ 정도로 유지된다. 따라서, 본 발명에 따른 일체형 회전자를 사용하는 경우, 상기 임펠러에는 고온용 재질이 아닌 상대적으로 저가의 재질을 사용할 수 있거나, 또는 고온용 열처리의 필요성이 없게 되어 비용을 절감할 수 있게 된다. 또한, 임펠러보다 터빈에 멀게 위 치하는 베어링을 열로부터 보호할 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.

Claims (6)

1. 양 단부측에 각각 배치되는 전방 타이 샤프트부 및 후방 타이 샤프트부를 구비하는 타이 샤프트부와,

   상기 타이 샤프트부의 전방 타이 샤프트부와 상기 후방 타이 샤프트부의 사이의 중간 부분에 고정되며, 그 직경이 상기 전방 타이 샤프트부 및 상기 후방 타이 샤프트부의 직경보다 크게 형성된 마그네틱 로터부와,

   상기 전방 타이 샤프트부에 고정되는 쓰러스트 디스크와,

   상기 후방 타이 샤프트부에 고정되는 임펠러와,

   상기 후방 타이 샤프트부에 고정되며, 상기 임펠러의 후방에 배치되는 터빈 휠과,

   상기 쓰러스트 디스크, 상기 임펠러 및 상기 터빈 휠이 상기 타이 샤프트부에 고정될 수 있도록, 상기 전방 타이 샤프트부의 양측 단부에 결합되는 너트를 구비하는 회전자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 타이 샤프트부의 상기 전방 타이 샤프트부, 상기 중간 부분 및 상기 후방 타이 샤프트부 일체로 형성되는 회전자.
3. 흡입 공기의 유로 내에 배치되는 마그네틱 로터부를 구비하는 회전자와,

   상기 회전자에 고정되며, 회전력으로 상기 흡입 공기의 흐름을 만들 수 있는 임펠러와,

   상기 회전자의 상기 흡입 공기의 유입구측 단부에 고정되며, 상기 회전자에 작용하는 축방향의 힘을 지지하는 쓰러스트 디스크와,

   상기 회전자의 회전에 의한 자기장의 변화에 따라 전류를 발생시킬 수 있는 코일을 포함하는 고정자를 구비하는 공기 공급 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 회전자는,

   양 단부측에 각각 배치되는 전방 타이 샤프트부 및 후방 타이 샤프트부를 구비하는 타이 샤프트부를 구비하며,

   상기 마그네틱 로터부는,

   상기 전방 타이 샤프트부와 상기 후방 타이 샤프트부 사이의 중간 부분에 고정되며, 그 직경이 전방 타이 샤프트부와 후방 타이 샤프트부보다 크며,

   상기 쓰러스트 디스크는,

   상기 전방 타이 샤프트부에 고정되며,

   상기 임펠러는,

   상기 후방 타이 샤프트부에 고정되는 공기 공급 장치.
5. 흡입 공기의 유로 내에 배치되는 마그네틱 로터부를 구비하는 회전자와,

   상기 회전자에 고정되며, 회전력으로 상기 흡입 공기의 흐름을 만들 수 있는 임펠러와,

   상기 회전자의 상기 흡입 공기의 유입구측 단부에 고정되며, 상기 회전자에 작용하는 축방향의 힘을 지지하는 쓰러스트 디스크와,

   상기 회전자에 고정되는 터빈 휠과,

   상기 임펠러에 의해서 압축된 상기 흡입 공기와 함께 연료를 연소시켜, 그 연소 가스를 상기 터빈 휠에 분사하는 연소기와,

   상기 회전자의 회전에 의한 자기장의 변화에 따라 전류를 발생시킬 수 있는 코일을 포함하는 고정자를 구비하는 터빈 발전기.
6. 제5항에 있어서,

   상기 회전자는,

   양 단부측에 각각 배치되는 전방 타이 샤프트부 및 후방 타이 샤프트부를 구비하는 타이 샤프트부를 구비하며,

   상기 마그네틱 로터부는,

   상기 전방 타이 샤프트부와 상기 후방 타이 샤프트부 사이의 중간 부분에 고정되며, 그 직경이 전방 타이 샤프트부와 후방 타이 샤프트부보다 크며,

   상기 쓰러스트 디스크는,

   상기 전방 타이 샤프트부에 고정되며,

   상기 임펠러 및 상기 터빈 휠은,

   상기 후방 타이 샤프트부에 고정되는 터빈 발전기.

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