KR101363974B1 - 컴팩트 구조를 갖는 마이크로 가스터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 컴팩트 구조를 갖는 마이크로 가스터빈에 관한 것이다. 보다 상세하게는 서브 저널 베어링이 스러스트 칼라와 압축기 휠 사이, 즉 압축기측 스러스트 베어링에 인접하도록 위치함으로써, 회전체의 전체 길이 및 중량을 감소시켜 보다 컴팩트한 구조가 구현될 수 있도록 하며, 할로우 샤프트와 슬리브 사이에 서로 소정 간격 이격된 한 쌍의 메인 저널 베어링이 구비됨으로써, 회전에 의한 동압이 매우 크게 발생하는 압축기와 터빈 사이의 축을 충분히 지지하여 안정성을 극대화할 수 있는 컴팩트 구조를 갖는 마이크로 가스터빈에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 터빈 휠(Turbine Wheel); 일측 단부가 상기 터빈 휠에 연결된 타이 샤프트(Tie Shaft); 상기 터빈 휠과 이격되어 상기 타이 샤프트에 장착되는 압축기 휠(Compressor Wheel); 상기 압축기 휠과 이격되어 상기 타이 샤프트의 단부에 고정되는 스러스트 로터(Thrust Rotor); 상기 스러스트 로터의 외주면 일부에 구비되는 스러스트 칼라(Thrust Collar); 및 상기 스러스트 칼라와 상기 압축기 휠 사이에 구비되는 서브 저널 베어링(Sub Journal Bearing)을 포함하는 것을 특징으로 하는 컴팩트 구조를 갖는 마이크로 가스터빈을 제공한다.

Description

컴팩트 구조를 갖는 마이크로 가스터빈{Micro Gas Turbine having compact structure}
본 발명은 컴팩트 구조를 갖는 마이크로 가스터빈에 관한 것이다. 보다 상세하게는 서브 저널 베어링이 스러스트 칼라와 압축기 휠 사이, 즉 압축기측 스러스트 베어링에 인접하도록 위치함으로써, 회전체의 전체 길이 및 중량을 감소시켜 보다 컴팩트한 구조가 구현될 수 있도록 하며, 할로우 샤프트와 슬리브 사이에 서로 소정 간격 이격된 한 쌍의 메인 저널 베어링이 구비됨으로써, 회전에 의한 동압이 매우 크게 발생하는 압축기와 터빈 사이의 축을 충분히 지지하여 안정성을 극대화할 수 있는 컴팩트 구조를 갖는 마이크로 가스터빈에 관한 것이다.
에너지자원이 부족하고 막대한 양의 에너지를 수입에 의존하는 국내현실에서 에너지의 효율적 생산과 이용은 국가 경쟁력 향상과 직결되는 중요한 문제이다. 이에 대한 방안 중 하나로, 다양한 수요 분산거점에 전천후 설치하여 전력 및 냉난방 열을 생산하고 안정적으로 공급하는 분산형 마이크로 가스터빈 열병합 발전시스템에 대한 기술개발 및 보급 활성화를 들 수 있다. 마이크로 가스터빈을 이용한 발전시스템은 대규모 발전소 건설에 따른 부담과 송전/열수송 손실을 줄일 수 있는 안정적인 신전원이라 할 수 있다.
도 1은 일반적인 마이크로 가스터빈의 발전기와 압축기 및 터빈의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 마이크로 가스터빈은 발전기(12)와 압축기(14) 및 터빈(15)이 축으로 연결되는 구조를 취하고 있다. 발전기(12) 측과 압축기(14)/터빈(15) 측은 커플링(16)에 의해 연결되며, 일반적으로 도 1에서 커플링(16)의 우측 부분인 압축기(14)와 터빈(15)을 포함하는 부분을 코어 엔진(Core Engine)이라 한다.
코어 엔진에는 회전을 지지하기 위한 메인 저널 베어링(44)과 서브 저널베어링(48), 그리고 축을 지지하기 위한 스러스트 베어링(40)이 구비된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 서브 저널 베어링(48)은 커플링(16)과 스러스트 베어링(40) 사이, 즉 코어 엔진의 좌측 단부에 위치하여 회전을 지지함으로써, 회전축이 상하 방향(도 1 기준)으로 이동하지 않도록 하고 마찰력을 감소시킨다.
그러나, 이와 같이 서브 저널 베어링(48)이 코어 엔진의 좌측 단부에 위치할 경우, 도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 코어 엔진의 전체 길이와 중량이 증가하게 된다. 보다 정확하게 표현하자면 코어 엔진의 길이가 서브 저널 베어링(48)의 길이만큼 증가하고, 또한 서브 저널 베어링(48) 내부에 삽입되는 회전체의 길이가 서브 저널 베어링(48)의 길이만큼 증가하게 되어 전체적인 코어 엔진의 중량이 증가하게 되는 것이다. 코어 엔진의 길이와 중량이 증가하게 되면 마이크로 가스터빈 전체로 볼 때도 규모가 커지게 되므로 공간을 많이 차지함은 물론, 효율성이 저하될 수 있는 문제가 있다.
한편, 압축기(14)와 터빈(15) 사이에는 메인 저널 베어링(44)이 구비된다. 일반적으로 메인 저널 베어링(44)은 1개가 구비되어 압축기(14)와 터빈(15)의 구동에 의한 회전을 지지하게 된다.
그러나, 압축기(14)와 터빈(15) 부분은 마이크로 가스터빈에서 회전에 의한 동압이 가장 크게 발생하는 부분 중 하나이므로, 1개의 메인 저널 베어링(44)에 의해 회전에 의한 동압을 충분히 지지하기 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 회전체의 전체 길이 및 중량을 감소시켜 보다 컴팩트한 구조가 구현될 수 있도록 하며, 회전에 의한 동압이 매우 크게 발생하는 압축기와 터빈 사이의 축을 충분히 지지하여 안정성을 극대화할 수 있는 컴팩트 구조를 갖는 마이크로 가스터빈을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 컴팩트 구조를 갖는 마이크로 가스터빈은 터빈 휠(Turbine Wheel); 일측 단부가 상기 터빈 휠에 연결된 타이 샤프트(Tie Shaft); 상기 터빈 휠과 이격되어 상기 타이 샤프트에 장착되는 압축기 휠(Compressor Wheel); 상기 압축기 휠과 이격되어 상기 타이 샤프트의 단부에 고정되는 스러스트 로터(Thrust Rotor); 상기 스러스트 로터의 외주면 일부에 구비되는 스러스트 칼라(Thrust Collar); 및 상기 스러스트 칼라와 상기 압축기 휠 사이에 구비되는 서브 저널 베어링(Sub Journal Bearing)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스러스트 칼라의 일측면에는 발전기측 스러스트 베어링, 타측면에는 압축기측 스러스트 베어링이 구비되고, 상기 서브 저널 베어링은 상기 압축기측 스러스트 베어링에 인접하여 구비되어 상기 스러스트 로터를 둘러싸는 것일 수 있다.
또한, 상기 압축기 휠과 상기 터빈 휠 사이에 구비되는 할로우 샤프트(Hallow Shaft)와, 상기 할로우 샤프트의 외주면 일부를 감싸는 슬리브(Sleeve)를 더 포함하며, 상기 할로우 샤프트와 상기 슬리브 사이에는 서로 이격된 제1 메인 저널 베어링(Main Journal Bearing)과 제2 메인 저널 베어링이 구비될 수 있다.
본 발명에 의하면 서브 저널 베어링이 스러스트 칼라와 압축기 휠 사이, 즉 압축기측 스러스트 베어링에 인접하도록 위치함으로써, 회전체의 전체 길이 및 중량을 감소시켜 보다 컴팩트한 구조가 구현될 수 있도록 한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 할로우 샤프트와 슬리브 사이에 서로 소정 간격 이격된 한 쌍의 메인 저널 베어링이 구비됨으로써, 회전에 의한 동압이 매우 크게 발생하는 압축기와 터빈 사이의 축을 충분히 지지하여 안정성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 마이크로 가스터빈의 발전기와 압축기 및 터빈의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컴팩트 구조를 갖는 마이크로 가스터빈의 개략적인 구성도,
도 3은 도 2 중 서브 저널 베어링 부분의 상세 단면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 컴팩트 구조를 갖는 마이크로 가스터빈의 부분확대 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컴팩트 구조를 갖는 마이크로 가스터빈의 개략적인 구성도이고, 도 3은 도 2 중 서브 저널 베어링 부분의 상세 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컴팩트 구조를 갖는 마이크로 가스터빈은, 도 2 및 도 3을 참조하면, 터빈 휠(Turbine Wheel)(101), 할로우 샤프트(Hallow Shaft)(102), 압축기 휠(Compressor Wheel)(103), 타이 샤프트(Tie Shaft)(104), 스러스트 칼라(Thrust Collar)(105), 타이 너트(Tie Nut)(106), 커플링(Coupling)(107), 발전기 샤프트(Generator Shaft)(108), 메인 저널 베어링 조립체(Main Journal Bearing Assembly)(109), 서브 저널 베어링(110), 압축기측 스러스트 베어링(111), 발전기측 스러스트 베어링(112), 발전기 베어링(Generator Bearing)(113, 114), 및 스러스트 로터(Thrust Rotor)(150)을 포함하여 이루어진다. 또한, 도 2에서 커플링(107)을 기준으로 우측 부분을 코어 엔진(Core Engine)(115)으로 명명하기로 한다.
압축기 휠(103)은 터빈 휠(101)과 이격되어 타이 샤프트(104)에 장착된다.
스러스트 로터(150)는 압축기 휠(103)과 이격되어 타이 샤프트(104)의 단부에 고정된다.
스러스트 칼라(105)는 스러스트 로터(150)의 외주면 일부에 구비된다.
스러스트 칼라(105)의 일측면에는 발전기측 스러스트 베어링(112), 타측면에는 압축기측 스러스트 베어링(111)이 구비된다. 스러스트 베어링(111, 112)은 축의 좌, 우(도 2 기준) 이동을 지지한다.
타이 샤프트(104)는 일측 단부가 터빈 휠(101)에 연결되고, 타측 단부가 스러스트 로터(150) 내부에 수용된다.
타이 너트(106)는 터빈 휠(101), 할로우 샤프트(102), 압축기 휠(103), 타이 샤프트(104), 스러스트 칼라(105)를 하나의 회전체로 고정한다.
터빈 휠(101)과 압축기 휠(103)은 할로우 샤프트(102)와 메인 저널 베어링 조립체(109)에 의해 회전이 지지된다.
커플링(107)은 발전기 샤프트(108)와 코어 엔진(115)을 연결하여, 코어 엔진(115)에서 발생한 회전력을 발전기 샤프트(108)에 전달한다.
발전기 베어링(113, 114)은 발전기 샤프트(108)의 회전을 지지한다.
서브 저널 베어링(110)은 스러스트 칼라(105)와 압축기 휠(103) 사이에 구비된다. 구체적으로 서브 저널 베어링(110)은 압축기측 스러스트 베어링(111)에 인접하여 구비됨으로써, 스러스트 로터(150)를 둘러싸는 구조를 취하게 된다.
도 3을 참조하면, 서브 저널 베어링(110)의 일측 단부(도 3 기준으로 좌측 단부)는 절곡되어 전체적으로 단면형상이 'ㄴ'자 형상으로 형성되며, 체결부재 등에 의해 고정된다. 서브 저널 베어링(110)의 일측 단부는 압축기측 스러스트 베어링(111)에 인접하여 위치한다.
서브 저널 베어링(110)의 타측 단부(도 3 기준으로 우측 단부)는 압축기 휠(103) 방향으로 형성된 유로에 장애가 되지 않도록 유로의 내벽에 부합되는 형상으로 형성되어 유로 내벽면이 매끄럽게 유지될 수 있도록 한다. 일례로, 서브 저널 베어링(110)의 타측 단부는 스러스트 로터(150)의 단부에 매칭되도록 정렬될 수 있다.
서브 저널 베어링(110)이 스러스트 칼라(105)와 압축기 휠(103) 사이, 즉 압축기측 스러스트 베어링(111)에 인접하도록 위치함으로써, 회전체의 전체 길이 및 중량을 감소시켜 보다 컴팩트한 구조가 구현될 수 있도록 한다. 배경기술에서 언급한 도 1과 같이 서브 저널 베어링(48)이 커플링(16)과 스러스트 베어링(40) 사이, 즉 코어 엔진의 좌측 단부에 위치하는 것과 비교하여, 도 2 및 도 3과 같이 서브 저널 베어링(110)이 압축기 휠(103) 가까이에 위치하게 되면 코어 엔진 좌측 단부의 길이가 서브 저널 베어링의 길이만큼 감소하게 된다. 또한, 서브 저널 베어링의 내부에 삽입되는 회전체의 길이가 서브 저널 베어링의 길이만큼 감소하게 되어 전체적인 코어 엔진의 중량이 감소하게 된다.
코어 엔진(115)의 길이와 중량이 감소함으로써 마이크로 가스터빈 전체로 볼 때 규모가 감소하여 공간을 적게 차지함은 물론, 효율성이 증가하게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 컴팩트 구조를 갖는 마이크로 가스터빈의 부분확대 단면도이다. 도 4의 실시예는 메인 저널 베어링이 한 쌍으로 구성된다는 점 이외에는 도 2 및 도 3의 실시예와 유사하므로, 차이점을 중심으로 설명한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 컴팩트 구조를 갖는 마이크로 가스터빈은, 도 4를 참조하면, 터빈 휠(101), 할로우 샤프트(102), 타이 샤프트(104), 및 메인 저널 베어링 조립체(109)를 포함한다.
할로우 샤프트(102)는 터빈 휠(101)과 압축기 휠(103) 사이에 구비된다.
메인 저널 베어링 조립체(109)는 슬리브(Sleeve)(116)와 제1 메인 저널 베어링(117) 및 제2 메인 저널 베어링(118)을 포함한다.
슬리브(116)는 할로우 샤프트(102)의 외주면 일부를 감싸는 형상으로 형성된다. 할로우 샤프트(102)와 메인 저널 베어링 조립체(109)는 터빈 휠(101)과 압축기 휠(103)의 회전을 지지한다.
제1 메인 저널 베어링(117) 및 제2 메인 저널 베어링(118)은 할로우 샤프트(102)와 슬리브(116) 사이에 위치하며, 서로 소정 간격 이격된다.
배경기술에서 언급한 도 1과 같이 일반적으로 메인 저널 베어링(44)은 1개가 구비되어 압축기(14)와 터빈(15)의 구동에 의한 회전을 지지하게 된다. 본 발명에서는 서로 소정 간격 이격된 한 쌍의 메인 저널 베어링(117, 118)이 구비됨으로써, 회전에 의한 동압이 매우 크게 발생하는 압축기와 터빈 사이의 축을 충분히 지지하여 안정성을 극대화할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
101 - 터빈 휠 102 - 할로우 샤프트
103 - 압축기 휠 104 - 타이 샤프트
105 - 스러스트 칼라 106 - 타이 너트
107 - 커플링 108 - 발전기 샤프트
109 - 메인 저널 베어링 조립체 110 - 서브 저널 베어링
111 - 압축기측 스러스트 베어링 112 - 발전기측 스러스트 베어링
113, 114 - 발전기 베어링 115 - 코어 엔진
116 - 슬리브 117 - 제1 메인 저널 베어링
118 - 제2 메인 저널 베어링 150 - 스러스트 로터

Claims (3)

  1. 터빈 휠(Turbine Wheel);
    일측 단부가 상기 터빈 휠에 연결된 타이 샤프트(Tie Shaft);
    상기 터빈 휠과 이격되어 상기 타이 샤프트에 장착되는 압축기 휠(Compressor Wheel);
    상기 압축기 휠과 이격되어 상기 타이 샤프트의 단부에 고정되는 스러스트 로터(Thrust Rotor);
    상기 스러스트 로터의 외주면 일부에 구비되는 스러스트 칼라(Thrust Collar); 및
    상기 스러스트 칼라와 상기 압축기 휠 사이에 구비되는 서브 저널 베어링(Sub Journal Bearing)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 컴팩트 구조를 갖는 마이크로 가스터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스러스트 칼라의 일측면에는 발전기측 스러스트 베어링, 타측면에는 압축기측 스러스트 베어링이 구비되고,
    상기 서브 저널 베어링은 상기 압축기측 스러스트 베어링에 인접하여 구비되어 상기 스러스트 로터를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 컴팩트 구조를 갖는 마이크로 가스터빈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압축기 휠과 상기 터빈 휠 사이에 구비되는 할로우 샤프트(Hallow Shaft)와, 상기 할로우 샤프트의 외주면 일부를 감싸는 슬리브(Sleeve)를 더 포함하며,
    상기 할로우 샤프트와 상기 슬리브 사이에는 서로 이격된 제1 메인 저널 베어링(Main Journal Bearing)과 제2 메인 저널 베어링이 구비되는 것을 특징으로 하는 컴팩트 구조를 갖는 마이크로 가스터빈.
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