KR101603218B1

KR101603218B1 - 터빈 시스템

Info

Publication number: KR101603218B1
Application number: KR1020100023412A
Authority: KR
Inventors: 김명효; 고민석; 신종섭
Original assignee: 한화테크윈 주식회사
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2016-03-15
Also published as: JP5631660B2; JP2011190796A; EP2366874A1; US8745991B2; US20110225977A1; KR20110104328A; EP2366874B1; CN102192011B; CN102192011A

Abstract

본 발명은 유입되는 유체를 압축하는 압축부; 상기 압축된 유체와 연료를 반응시켜 연소를 일으키는 연소부; 상기 연소부의 연소 가스에 의해 구동되는 터빈부; 및 상기 터빈부의 동력을 전달받는 제1 장치를 구비하며, 상기 압축부는 상기 터빈부의 동력을 전달받아 구동하며 상기 압축부는 상기 터빈부 또는 상기 제1 장치 중 적어도 어느 하나로부터 이격 배치되는 터빈 시스템을 제공한다.

Description

터빈 시스템{Turbine system}

본 발명은 터빈 시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는 터빈 시스템의 구조에 관한 것이다.

일반적으로 터빈 시스템은 증기 혹은 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 추진력 또는 반동력으로 회전력을 얻어 발전하는 장치이다. 이와 같은 압축성 유체의 흐름을 통하여 터빈 엔진 또는 터빈 발전 시스템을 구성할 수 있다. 예를 들어, 터빈 엔진은 기존의 왕복동 엔진보다 가벼우면서도 훨씬 높은 파워를 낼 수 있고 대기 오염 물질의 배출량도 낮으므로 고출력 청정 엔진으로 각광을 받고 있다. 터빈 엔진은 흡입공기를 압축하는 압축기, 압축기에서 압축된 공기와 연료가 혼합되어 연소가 일어나는 연소기, 연소기에서의 폭발로 고온 고압으로 급팽창된 가스에 의해 회전력을 얻어 압축기를 구동시키고 배기 가스를 분출시키는 터빈을 구비할 수 있다. 압축기에 의해 압축된 공기는 연소실로 보내지고 연소실에서는 연료가 압축된 공기와 혼합되어 연소된다. 이때, 터빈 엔진과 유사한 방식으로 터빈 발전 시스템에서는 연소기에서 폭발된 고온 고압의 유체의 팽창력을 통해 회전력을 얻어 터빈을 돌려 전기를 발전할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 목적은 보다 높은 효율의 터빈 시스템의 구조를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면 유입되는 유체를 압축하는 압축부; 상기 압축된 유체와 연료를 반응시켜 연소를 일으키는 연소부; 상기 연소부의 연소 가스에 의해 구동되는 터빈부; 및 상기 터빈부의 동력을 전달받는 제1 장치를 구비하며, 상기 압축부는 상기 터빈부의 동력을 전달받아 구동하며 상기 압축부는 상기 터빈부 또는 상기 제1 장치 중 적어도 어느 하나로부터 이격 배치되는 터빈 시스템을 개시한다.

상기 압축부는 상기 터빈부의 동력을 기어 결합을 통해 전달을 수 있다.

여기서, 상기 터빈 시스템은 상기 압축부와 기계적으로 연결된 제1 회전축 및 상기 터빈부와 기계적으로 연결된 제2 회전축을 더 구비하며 상기 제1 회전축과 상기 제2 회전축은 분리 가능하게 결합될 수 있다.

여기서, 상기 제1 회전축과 상기 제2 회전축은 제1 연결부재에 의해 연결될 수 있다.

여기서, 적어도 두 개의 상기 압축부가 상기 제1 회전축와 기어 결합될 수 있다.

여기서, 상기 제1 회전축과 상기 제2 회전축은 일체로 구성되어 상기 압축부에 기어 결합될 수 있다.

여기서, 적어도 두 개의 상기 압축부가 상기 제1 회전축 상에 축결합 될 수 있다.

여기서, 상기 압축부는 임펠러를 구비하며 상기 임펠러는 제3 회전축을 중심으로 회전하며, 상기 제3 회전축은 상기 제1 회전축 상의 제1 기어와 결합하여 소정의 기어비에 의해 회전할 수 있다.

여기서, 적어도 두 개의 상기 압축부가 상기 제3 회전축 상에 축결합 될 수 있다.

여기서, 상기 터빈 시스템은 상기 압축부에서 배출된 유체를 냉각시키는 인터쿨러를 더 포함할 수 있다. 여기서, 적어도 두 개의 상기 인터쿨러를 구비할 수 있다.

여기서, 상기 터빈 시스템은 상기 터빈부에서 배출된 연소 배기 가스에 의해 상기 압축부에서 압축된 유체를 가열하는 재열기를 더 구비할 수 있다.

여기서, 상기 터빈 시스템은 상기 압축부에서 압축된 유체에 수분을 부가하여 상기 재열기에 유입시키는 증습 장치를 더 구비할 수 있다.

여기서, 상기 제1 장치는 전기를 발전하는 발전기일 수 있다. 이때, 상기 발전기의 출력이 100MW보다 크지 않으며 상기 터빈 시스템의 효율이 40% 내지 60%일 수 있다. 이때, 상기 발전기의 출력이 50MW보다 크지 않으며 상기 터빈 시스템의 효율이 40% 내지 55%일 수 있다. 이때, 상기 발전기의 출력이 20MW보다 크지 않으며 상기 터빈 시스템의 효율이 40% 내지 50%일 수 있다.

상기 터빈 시스템은 서로 이격되어 배치된 제1 하우징 및 제2 하우징을 더 구비하며, 상기 제1 하우징은 적어도 상기 압축부를 수용하며 상기 제2 하우징은 적어도 상기 연소부, 상기 터빈부 및 상기 제1 장치를 수용할 수 있다.

여기서, 상기 터빈 시스템은 상기 압축부에서 배출된 유체를 냉각시키는 인터쿨러를 더 포함하며 상기 제1 하우징은 상기 인터쿨러를 더 수용할 수 있다.

여기서, 상기 터빈 시스템은 상기 터빈부에서 배출된 연소 배기 가스에 의해 상기 압축부에서 압축된 유체를 가열하는 재열기를 더 구비하며 상기 제2 하우징은 상기 재열기를 더 수용할 수 있다.

여기서, 상기 터빈 시스템은 상기 압축부에서 압축된 유체에 수분을 부가하여 상기 재열기에 유입시키는 증습 장치를 더 구비하며 상기 제1 하우징은 상기 증습 장치를 더 수용할 수 있다.

여기서, 상기 터빈부는 상기 제1 장치와 상기 압축부 사이에 배치될 수 있다.

여기서, 상기 터빈부는 상기 터빈부의 출력축와 상기 제1 장치의 입력축의 회전속도를 변경하는 변속부를 더 포함할 수 있다.

상기 압축부, 상기 터빈부, 상기 제1 장치 및 상기 연소부 중 적어도 하나를 이동 가능한 적어도 하나의 베이스 프레임에 배치할 수 있다.

상기 터빈 시스템은 상기 터빈부의 출력축, 상기 제1 장치의 입력축 및 상기 압축부의 입력축의 회전속도를 변경하는 변속부를 더 구비하며, 상기 변속부는 상기 압축부, 상기 터빈부 및 상기 제1 장치와 각각 독립된 축에 의해 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 시스템에 의하면 터빈 시스템의 효율이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 시스템의 개략적 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 시스템의 개략적 사시도이다.
도 3은 전달부를 위에서 내려다 본 개략적 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 시스템의 출력과 효율의 관계를 기타 시스템과 비교하여 도시한 그래프이다.
도 5는 도 1의 실시예의 제1 변형예에 따른 개략적 구성도이다.
도 6은 도 1의 실시예의 제2 변형예에 따른 개략적 구성도이다.
도 7은 도 1의 실시예의 제3 변형예에 따른 개략적 구성도이다.

이하에서는 첨부된 도면의 도시된 실시예들을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 일 실시예에 따른 터빈 시스템(1)을 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 시스템(1)의 개략적 구성도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 시스템(1)의 개략적 사시도이다. 도 3은 전달부(140)를 위에서 내려다 본 개략적 평면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 시스템(1)의 출력과 효율의 관계를 기타 시스템과 비교하여 도시한 그래프이다.

터빈 시스템(1)은 압축부(110), 인터쿨러(120), 증습 장치(130), 연소부(210), 터빈부(220), 제1 장치(230), 재열기(240)를 구비할 수 있다. 이때, 압축부(110)는 예를 들어 도 1과 같이 제1 압축부(110a), 제2 압축부(110b), 제3 압축부(110c) 및 제4 압축부(110d)로 각각 임펠러(111)를 구비한 네 개의 압축부(110a, 110b, 110c, 110d)일 수 있으나 압축부(110)의 개수는 이에 제한되지 않는다. 또한, 인터쿨러(120)는 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이 제1 인터쿨러(120a), 제2 인터쿨러(120b) 및 제3 인터쿨러(120c)를 포함할 수 있으나 인터쿨러(120)의 개수는 이에 제한되지 않는다.

여기서, 압축부(110)는 유입되는 유체(I)를 압축할 수 있다. 압축부(110)는 임펠러(111)를 구비할 수 있고, 임펠러(111)의 회전에 의해 유입되는 유체(I)를 가속시킬 수 있다. 이때, 유입되는 유체(I)는 외부 공기일 수 있다. 이때, 유입되는 유체는 이에 제한되지 않으며 배기 가스 또는 다양한 종류의 유체(I)일 수 있다.

흡입된 유체는 복수 개의 압축부(110)를 통과하면서 승압된다. 이때, 압축부(110)의 압축된 유체는 압축과정에서 발생하는 열을 흡수하여 온도가 상승하고 이에 따라 다음 단에서 압축될 때 더 많은 에너지를 필요로 하게 한다. 따라서, 압축부(110)와 압축부(110) 사이에 인터쿨러(120)를 배치하여 전단에서 압축된 유체를 냉각하여 다음 단의 압축부(110) 에 유입시킴으로써 압축부(110)에서 소요되는 에너지를 점감할 수 있다. 예컨데, 압축을 위한 회전력을 발생시키는 모터나, 외부로부터 전달되는 회전축의 부하를 줄이게 된다. 이때, 인터쿨러(120)는 공냉식 또는 수냉식으로 유체를 냉각 시킬 수 있음은 물론이다. 이때 인터쿨러(120)의 냉매는 물 등에 제한되지 않으며 다양한 냉매가 사용될 수 있음은 물론이다.

증습 장치(130)는 압축부(110)에서 압축된 유체에 수분을 부가하여 재열기(240)에 흡입시킬 수 있다. 증습 장치(130)에 의하여 압축된 유체에 수분을 혼합하여 압축된 유체의 수증기량, 상대 습도 또는 절대 습도 중 적어도 하나를 증가시킬 수 있다. 이때, 예를 들어, 터빈 시스템(1)이 정지 또는 부하 변동이 있을 경우에는 압축된 유체가 증습 장치(130)를 통과하지 않고 재열기(240)에 직접 흡입 될 수도 있다. 이때, 압축 유체에 수분을 분사하면 재열기(240)에서 유체의 열전달 효율을 증대시키고 질량의 증가에 따른 출력 및 효율을 증대시킬 수 있다.

연소부(210)는 압축부(110)에서 압축된 유체와 연료를 연소시켜 연소 가스를 발생 시킨다. 터빈부(220)에서는 연소부(210)의 연소 가스를 통해 터빈(미도시)을 회전시킨다.

제1 장치(230)는 터빈부(220)의 회전력을 전달받아 일하는 모든 종류의 기계장치일 수 있다. 예를 들어 제1 장치(230)는 발전기(230)일 수 있다. 즉, 제1 장치(230)는 터빈부(220)의 회전력을 전달받아 전기를 발전하는 발전기(230)일 수 있다. 이때, 제1 장치(230)는 발전기(230)이외에도 예를 들어 가스 압축기, 냉각 시스템, 정수 시스템 등의 일반 기계 장치 또는 기계 시스템 일 수도 있다. 이하 설명의 편의를 위하여 도면부호 230은 발전기(230)를 지시하나 이에 제한되지 않으며 일반 기계 장치 또는 기계 시스템을 포함할 수 있음은 물론이다.

연소부(230)에서 발생한 연소 가스는 터빈부(220)의 터빈을 회전시키며 터빈의 회전력은 발전기(230)에 전달되어 전기를 발전할 수 있다. 이때, 발전기(230)는 발전기 또는 모터 겸용으로 구성할 수 있다.

도 1을 참조하면 발전기(230)는 압축부(110)와 터빈부(220)사이에 배치되었으나 발전기(230)의 위치가 이에 제한되지 않음은 물론이다. 도 1에는 도시되지 않았으나 예를 들어 터빈부(220)가 압축부(110)와 발전기(230)사이에 배치될 수 있다. 즉, 압축부(110), 터빈부(220) 및 발전기(230)가 순차적으로 배치될 수 있으며 이때, 발전기(230)와 터빈부(220)의 사이에 변속부(260)가 배치되어 터빈부(220)의 회전력을 회전속도를 달리하여 발전기(230)에 전달할 수 있다. 변속부(260)에 대해서는 도 7을 참조하여 추후 설명한다.

재열기(240)에서는 터빈부(220)에서 배출된 연소 배기 가스와 증습 장치(130)를 지난 압축된 유체를 열교환 시킬 수 있다. 재열기(240)는 예를 들어 복수 개의 관을 구비하며 관외에 연소 배기 가스가 접촉하고 관내에 압축된 유체를 통과시켜 관벽을 통해 열교환을 발생시킬 수 있다. 이에 따라 연소 가스의 온도는 내려가고 압축된 유체의 온도는 상승할 수 있다. 이때, 재열기(240)는 증습 장치(130)를 통과한 유체뿐만 아니라 증습 장치(130)를 통과하지 않고 압축부(110)에서 직접 나온 압축 유체도 유입하여 재가열할 수 있음은 물론이다. 이때, 재열기(240)는 터빈부(220)의 배기 가스의 열량을 증습 유체로 이동 시킴으로써 터빈부(220)에서 배출된 열량을 다시 터빈부(220)의 동력으로 회수하는 역할을 한다. 이에 따라 터빈부(220)의 출력이 증가한다. 재열기(240)는 배출 가스의 조건, 설치장소, 용도에 따라 채널형(Channel Type), 방사형(Radiation Type), 연통 튜브식(Flue Tube Type)등 다양한 형태가 사용될 수 있으며, 상기한 종류에 한정되지 않음은 물론이다.

이때, 터빈 시스템(1)은 증습 장치(130), 인터쿨러(120), 재열기(240) 또는 발전기(230) 중 적어도 어느 한 구성요소를 생략하고 구성할 수 있다. 예를 들어 증습 장치(130)와 재열기(240)가 생략될 경우, 터빈시스템(1)은 압축부(110), 인터쿨러(120), 연소부(210), 터빈부(220) 및 발전기(230)만을 구비할 수도 있다.

이때, 도 4를 참조하여 터빈 시스템(1)의 효율을 설명한다. 도 4에는 단순 터빈 시스템(◆), STIG(Steam injected gas turbine), Recup., I/C 시스템(■) 및 복합 터빈 시스템(●)의 출력에 따른 시스템 전체 효율의 분포를 나타내고 있다. 이때, 도면부호 ◆, ■, ●는 도 4에서 각각 단순 터빈 시스템(◆), STIG(Steam injected gas turbine), Recup., I/C 시스템(■) 및 복합 터빈 시스템(●)의 출력에 따른 시스템 전체 효율값을 나타낸다.

이때, 단순 터빈 시스템(◆)은 압축부(110), 연소부(210), 터빈부(220) 및 발전기(230)를 구비할 수 있다. STIG(Steam injected gas turbine) 시스템(■)은 단순 터빈 시스템에 증습 장치(130)를 더 포함한 터빈 시스템을 의미한다. Recup. 시스템(■)은 단순 터빈 시스템에 재열기(240)를 더 포함한 터빈 시스템을 의미한다. I/C 시스템(■)은 단순 터빈 시스템에 인터쿨러(120)를 더 포함한 터빈 시스템을 의미한다. 복합 터빈 시스템(●)은 열 회수 스팀발생기 및 스팀터빈 장치를 더 포함한 터빈 시스템이다.

이때, 예를 들어 출력이 0 내지 20MW사이의 구간에서 단순 터빈 시스템(◆), STIG(Steam injected gas turbine), Recup., I/C 시스템(■) 및 복합 터빈 시스템(●)의 출력은 40%를 넘지 못한다. 이때, 터빈 시스템(1)의 효율을 높이기 위해서는 압축부(110)에서 유체를 압축하는데 필요한 소요동력을 줄일 필요가 있으며 그 방법으로 인터쿨러(120)를 사용할 수 있다. 그러나 압축부(110), 연소부(210), 및 터빈부(220)를 단일 하우징 내에 배치하게 되면 구성된 시스템의 전체적인 체적은 줄어드는 공간적인 이점은 있을 수 있으나, 공간적 제약이 생겨 충분한 개수의 인터쿨러(120)를 설치하지 못하는 등의 문제점이 발생한다. 또한, 단일 하우징의 크기를 단순히 증가시킬 경우 압축부(110), 터빈부(220) 및 발전기(230)를 연결시키는 회전축의 크기가 커지게 된다. 이때, 고속 회전하는 회전축의 크기가 증가됨에 따라 예를 들어 회전축의 비틀림 강도 등에 문제가 발생할 수 있다. 즉, 회전축의 일 단인 터빈부(220)에서는 연소부(210)에서 발생하는 폭발적인 연소 가스에 의해 고속회전이 발생하지만 회전축의 타 단은 회전축의 일 단의 회전력을 전달하여 발전기(230) 및 압축부(110)에서 회전운동을 하므로 회전축의 양단에서는 토크 차가 발생하게 된다. 이때, 회전축의 양단에 크기가 다른 토크가 가해지므로, 회전축의 일 단은 타 단에 비해 일정 각도만큼 비틀리는데, 이때 양 단의 비틀린 각도 차를 비틀림각(Angle of Twist)이라 한다. 이때, 토크가 크고 회전축의 길이가 길수록 비틀림각은 커지게 된다. 따라서, 회전축의 설계에 있어 예를 들어 회전축의 비틀림 강도를 고려할 경우 회전축의 길이를 확장하는데 제한을 가지게 된다. 즉, 압축부(110), 터빈부(220) 및 발전기(230)를 단일 회전축으로 연결시, 회전축은 비틀림 강도에 의해 길이에 제한을 가지게 되어 터빈 시스템의 공간적 제약이 발생한다. 따라서 예를 들어 압축부(110)에 충분한 개수의 인터쿨러(120)를 설치하지 못하는 등의 한계가 발생하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 시스템(1)에 따르면, 압축부(110)를 터빈부(220) 또는 발전기(230) 중 적어도 어느 하나와 이격 배치할 수 있다. 압축부(110)를 터빈부(220) 또는 발전기(230)와 이격 배치함으로 압축부(110)에 충분한 개수의 인터쿨러(120)를 설치할 수 있는 공간을 확보할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 시스템(1)에 따르면 회전축(150, 250)을 기어 등을 이용하여 복수 개의 축으로 구성할 수 있다. 도 1을 참조하면, 제1 회전축(150)이 전달부(140)를 통해 복수 개의 제3 회전축(153)과 연결될 수 있다. 이때, 전달부(140)는 다양한 기어결합 등을 통해 구성될 수 있다. 예를 들어 도 3을 참조하면, 제1 회전축(150) 상의 제1 기어(151)와 압축부(110)의 임펠러(111)는 기어 결합될 수 있다. 이때, 압축부(110)는 임펠러(111)와 연결된 제3 회전축(153)을 구비할 수 있고, 제3 회전축(153) 상에 연결된 제2 기어(152)는 제1 회전축(150) 상의 제1 기어(151)에 기어결합 할 수 있다. 이때, 제1 기어(151)와 제2 기어(152)간의 기어비에 의해 임펠러(111)의 회전 속도를 증속 또는 감속 시킬 수 있다. 이때, 제1 회전축(150)과 제3 회전축(153)이 동일 축상에 배치되지 않아 공간적으로 제1 회전축(150)의 길이를 단축시키는 효과가 있다. 또한, 제1 회전축(150)에 복수 개의 임펠러(111)가 동시에 연결될 수 있다.

도 1을 참조하여 제1 회전축(150)에 네 개의 압축부(110a, 110b, 110c, 110d)가 연결된 일 실시예를 설명한다. 이때, 제1 압축부(110a), 제2 압축부(110b), 제3 압축부(110c) 및 제4 압축부(110d)는 전달부(140)를 통하여 제1 회전축(150)의 회전력을 전달받는다. 이때, 제1 압축부(110a)에서 외부 유체를 유입(I)하여 압축할 수 있다. 압축된 유체는 제1 인터쿨러(120a)를 통해 냉각되며 냉각된 유체는 제2 압축부(110b)에 유입된다. 제2 압축부(110b)에 의해 압축된 유체는 제2 인터쿨러(120b)를 통해 냉각된다. 제3 압축부(110c)에 의해 압축된 유체는 제3 인터쿨러(120c)를 통해 냉각된다. 제4 압축부(110d)에 의해 압축된 유체는 증습 장치(130)로 이동하게 된다. 이때, 압축부(110a, 110b, 110c, 110d) 및 인터쿨러(120a, 120b, 120c)의 개수 및 배치는 이에 제한되지 않으며 당업자에 맞게 다양하게 변경할 수 있다. 이때, 터빈 시스템(1)은 적어도 인터쿨러(120)를 적어도 두 개 또는 적어도 세 개 이상 구비할 수 있다. 이와 같이 인터쿨러(120)를 적어도 두 개 이상 장착하여 터빈 시스템(1)의 효율을 높일 수 있다. 이때, 인터쿨러(120)의 개수는 회전축(150, 250) 및 터빈 시스템(1)의 크기의 제약으로 두 개 혹은 그 이상 구비하는 것이 어려웠으나 본 발명의 일 실시예와 같이 압축부(110)를 발전기(230) 또는 터빈부(220) 중 적어도 어느 하나와 이격 배치하여 충분한 공간을 확보함으로써, 충분한 개수의 인터쿨러(120)를 구비할 수 있다. 또한, 압축부(110)와 제1 회전축(150)을 전달부(140) 등을 통하여 기어 결합하여 제1 회전축(150)의 길이를 줄이는 효과가 있어 회전축(150, 250)의 길이 증가에 따른 회전축(150, 250)의 비틀림 강도가 취약해지는 점을 극복할 수 있다.

여기서, 압축부(110), 발전기(230) 및 터빈부(220)를 연결하는 회전축(150, 250)은 분리 가능하게 결합될 수 있다. 예를 들면, 제1 회전축(150)과 제2 회전축(250)은 제1 연결부재(C)에 의해 연결될 수 있다. 이때, 제1 연결부재(C)는 예를 들어 샤프트 커플링(Shaft coupling) 또는 플렌지 등을 통하여 축이음 결합을 할 수 있다. 이때, 제1 회전축(150)과 제2 회전축(250)을 분리 가능하게 결합함으로써 압축부(110)를 발전기(230) 및 터빈부(220)로부터 이격 배치하는 것이 용이할 수 있다. 또한, 제1 회전축(150)과 제2 회전축(250)이 제1 연결부재(C)에 의해 연결되어 터빈부(220)와 압축부(110) 사이에 토크차에 의해 비틀림이 발생할 경우 제1 회전축(150)에 대하여 제2 회전축(250)이 일정 범위내에서 비틀림이 일어나 토크차를 완충하는 효과가 있도록 구성할 수도 있다. 예를 들어 설명한다. 제1 회전축(150)과 제2 회전축(250)은 플렌지에 의해 결합될 수 있다. 플렌지 결합시 제1 회전축(150)과 제2 회전축(250)을 축방향으로 관통하는 나사 구멍이 형성될 수 있다. 이때, 각 나사 구멍과 각 나사 구멍에 나사 결합하는 결합부재 사이에 소정의 여유공간이 발생할 수 있다. 이때, 제1 회전축(150)과 제2 회전축(250)에 걸리는 토크값의 차가 클 경우 제1 회전축(150)에 대하여 제2 회전축(250)이 소정의 여유공간만큼 회전하여 토크값의 차이를 보상할 수 있다. 따라서, 제1 회전축(150)과 제2 회전축(250)의 결합방법에 따라 토크값의 차를 완충하는 효과를 가지도록 할 수 있다.

또한, 제1 회전축(150)과 제2 회전축(250)이 일체로 구성될 수도 있다. 이때, 제1 연결부재(C)는 생략될 수 있으며 제1 회전축(150)과 제2 회전축(250)이 전달부(140)에 분리 가능하게 결합될 수 있다. 예를 들어 제1 회전축(150)과 제2 회전축(250)이 일체로 결합되며 일체로 결합된 회전축(150, 250)은 전달부(140)에 기어결합 될 수도 있다.

도 4를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 시스템(1)의 출력 과 효율의 상관관계가 A, B, C 영역에 나타난다. 이때, A, B 및 C 영역은 각각 0MW내지 20MW, 20MW 내지 50MW, 및 50MW 내지 100MW의 출력 범위에서 본 발명에 따른 터빈 시스템(1)의 출력대비 효율 값이 나타나는 영역이다. 예를 들어, A영역에서 종래의 기술의 단순 터빈 시스템(◆), STIG(Steam injected gas turbine), Recup., I/C 시스템(■) 및 복합 터빈 시스템(●)에 따르면 전체 효율이 40% 이상을 넘기 어려우나 본 발명에 따른 터빈 시스템(1)의 효율은 약 40% 내지 약 50%에 이른다. 이는 터빈 시스템(1)의 효율을 현저히 상승시켰음을 의미한다. 예를 들어, 출력값이 50MW을 넘는 C영역에서도 종래의 기술에 따른 터빈 시스템(◆, ■)은 C영역 내의 출력 대비 효율을 보이지 못하고 있지만 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 시스템(1)은 C영역의 출력 대비 효율을 보이고 있다. 즉, 발전기(230)의 출력이 50MW 내지 100MW인 C영역에서 터빈 시스템(1)의 효율은 약 50% 내지 60%로 나타난다. 이는 종래의 터빈 시스템과 비교하여 상승된 효율값 임을 알 수 있다. 이때, 상기 터빈 시스템(1)의 퍼센테이지(%)의 범위는통상의 오차범위 내에서 변화될 수 있음은 물론이다.

따라서, 발전기(230)의 출력이 0MW 내지 100MW의 범위에서, 터빈 시스템(1)의 효율은 약 40% 내지 약 60% 임을 알 수 있다. 또한, 발전기(230)의 출력이 0MW 내지 50MW의 범위에서 터빈 시스템(1)의 효율은 약 40% 내지 약 55%일 수 있다. 더 좁게는, 발전기(230)의 출력이 0MW 내지 20MW의 범위에서 터빈 시스템(1)의 효율(%)은 약 40% 내지 약 50%일 수 있다.

또한, 발전기(230)의 출력이 50MW보다 크지 않으며 터빈 시스템(1)의 효율이 약 40% 내지 약 55%일 수 있다. 더 좁게는 발전기(230)의 출력이 20MW보다 크지 않으며 터빈 시스템(1)의 효율이 약 40% 내지 약 50%일 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 터빈 시스템(1)의 효율이 현저히 상승한 것을 알 수 있다. 이와 같이 터빈 시스템(1)의 효율이 상승한 이유로 예를 들어 압축부(110)를 발전기(230) 또는 터빈부(220)로부터 이격 배치하여 복수 개의 인터쿨러(120)를 설치할 수 있는 충분한 공간을 확보한 것과 이에 따른 설계 제한요소인 회전축(150, 250)의 길이를 줄이기 위하여 기어 결합 등을 통하여 복수 개의 회전축(150, 153, 250)을 구비한 것을 포함하여 고려할 수 있다.

이때, 터빈 시스템(1)은 서로 이격되어 배치된 제1 하우징(100) 및 제2 하우징(200)을 구비할 수 있다. 이때, 제1 하우징(100)은 압축부(110)를 수용할 수 있다. 제2 하우징은 연소부(210), 터빈부(220) 및 발전기(230)를 수용할 수 있다. 이때, 제1 하우징(100)은 인터쿨러(120)를 더 수용할 수 있다. 이때, 애프터 쿨러(미도시)를 더 포함하거나 생략할 수 있다. 제2 하우징(200)은 재열기(240)을 더 수용할 수 있다. 증습 장치(130)는 제1 하우징(100) 또는 제2 하우징(200) 중 어느 하나에 배치될 수 있으나 압축부(110)에서 압축된 유체가 제2 하우징(200) 쪽으로 이동하는 제1 하우징(100)의 출구 쪽에 배치될 수도 있다. 도 1 또는 도 2를 참조하면, 제1 하우징(100)과 제2 하우징(200)을 분리하여 구성함으로 복수 개의 압축부(110)를 구비하며 또한 복수 개의 인터쿨러(120)를 배치할 수 있는 공간을 확보할 수 있다. 이때, 제1 하우징(100)과 제2 하우징(200) 중 적어도 어느 하나는 생략될 수 있다. 예를 들어, 제1 하우징(100)은 생략되고, 제2 하우징(200)은 연소부(210), 터빈부(220) 및 발전기(230)의 적어도 일부를 수납하도록 구성될 수 있다. 이때, 압축부(110)는 제2 하우징(200)과 이격 배치될 수 있다.

이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 시스템(1)에 의하면 회전축(150, 250)의 길이를 보다 단축시킬 수 있어 회전축의 강성을 유지하며 압축부(110)와 인터쿨러(120)를 설치할 수 있는 공간을 확장시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 시스템(1)에 의하면 회전축(150, 250)이 분리 가능하게 구성되어 압축부(110)를 발전기(230) 또는 터빈부(220)로부터 이격 배치하는 것이 용이하다는 효과가 있다. 항공기나 선박 등과 같이 설치 및 운영의 공간적인 제약이 따르는 터빈 시스템이 아닌, 설치 운영의 공간 제약이 비교적 없는 공간에서 본 발명에 따른 터빈 시스템(1)을 적용하게 되면, 상기한 효과를 용이하게 구현 할 수 있다. 이러한 터빈 시스템(1)은 각각 이격 배치되는 구성요소를 분리 모듈화 하여 이동이 용이한 형태로 재구성하여 활용할 수도 있다. 예컨데, 컨테이너 시스템과 같이 규격화된 용적을 가진 공간에 각 터빈 시스템(1)의 각 구성요소를 각각 배치할 수 있다. 이때, 설치장소에 구애 받지 않고 용이하게 설치 가능할 수 있다. 즉, 터빈 시스템(1)을 적어도 하나 또는 그 이상의 구성요소로 분리하여 이동이 용이하도록 적어도 하나의 베이스 프레임상에 배치할 수 있다. 예를 들어, 압축부(110), 터빈부(220), 발전기(230) 및 연소부(210) 중 적어도 하나를 이동 가능한 적어도 하나의 베이스 프레임에 배치할 수 있다. 이때, 상기 이동이 가능한 터빈 시스템(1) 또는 이동이 가능한 상기 구성요소를 트레일러와 같은 이동수단을 통해 이동을 시키거나 상기 베이스 프레임 하부에 이동수단을 부가하여 용이하게 이동설치 가능하도록 형성할 수 있다.

도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예의 제1 변형예를 설명한다. 도 5는 도 1의 실시예의 제1 변형예(2)에 따른 개략적 구성도이다. 도 5를 참조하면, 제1 회전축(150) 상에 적어도 두 개의 압축부(110)가 제1 회전축(150)과 기어 결합될 수 있다. 이때, 압축부(110)는 적어도 두 개 이상 또는 적어도 세 개 이상일 수 있다. 이때, 복수 개의 압축부(110)가 회전축(150)에 기어 결합하기 위하여 예를 들어, 제1 회전축(150) 상에 복수 개의 전달부(140)가 형성될 수 있다. 복수 개의 전달부(140)를 통해 제1 회전축(150)과 복수 개의 압축부(110)가 기어 결합할 수 있다. 이와 같이 압축부(110)와 제1 회전축(150)이 기어 결합하여 회전축(150, 250)의 길이를 축소하는 효과가 있다. 즉, 예를 들어 도 5에서 압축부(110)가 제1 회전축(150)과 기어결합 되지 않고 단일 제1 회전축(150) 상에 결합될 경우 여덟 개의 압축부(110)와 결합하기 위하여 제1 회전축(150)은 보다 연장된 길이를 가져야 한다. 따라서, 압축부(110)와 제1 회전축(150)간의 결합을 기어 결합 방법으로 결합함으로써 터빈 시스템(1)을 보다 컴팩트하게 구성하는 효과가 있다. 또한, 복수 개의 압축부(110)가 터빈부(220) 또는 발전기(230) 중 어느 하나와 이격되어 배치되어 압축부(110) 및 각 압축부(110)와 연결된 인터쿨러(120)를 설치할 수 있는 공간을 확보할 수 있다. 이때, 도 1의 실시예에서 설명한 바와 같이, 제1 회전축(150) 및 제2 회전축(250)은 서로 분리 가능하게 구성되어 설치가 용이하며 제1 연결부재(C)에 의해 결합이 가능하다. 이때, 제1 하우징(100)은 적어도 압축부(110)을 구비하며 제2 하우징(200)은 적어도 연소부(210), 터빈부(220) 및 발전기(230)를 구비할 수 있다. 이때, 제1 하우징(100)은 인터쿨러(120)를 더 구비할 수 있음은 물론이다. 또한, 제2 하우징(200)은 재열기(240)를 더 구비할 수 있음은 물론이다.

도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예의 제2 변형예(3)를 설명한다. 도 6은 도 1의 실시예의 제2 변형예(3)에 따른 개략적 구성도이다. 도 6을 참조하면, 제1 회전축(150)과 제2 회전축(250)은 제1 연결부재(C)를 통해 연결될 수 있다. 이때, 제1 회전축(150)과 제2 회전축(250)은 제1 연결부재(C) 없이 일체로 형성될 수도 있다. 이때, 압축부(110)는 임펠러(미도시)를 구비하며, 임펠러는 제3 회전축(153)을 중심으로 회전할 수 있다. 이때, 제3 회전축(153) 상에 적어도 세 개의 압축부(110)가 축연결 될 수 있다. 이때, 제1 회전축(150)과 제3 회전축(153)은 기어 결합으로 결합되어 제1 회전축(150)의 길이를 줄일 수 있으며 기어 결합을 통해 제3 회전축(153)의 회전 속도를 다양하게 변화시킬 수 있다. 이때, 터빈 시스템(3)은 서로 이격된 제1 하우징(100) 및 제2 하우징(200)을 구비할 수 있다. 제1 하우징(100)은 적어도 압축부(110)을 구비하며 제2 하우징(200)은 적어도 연소부(210), 터빈부(220) 및 발전기(230)를 구비할 수 있다. 이때, 제1 하우징(100)은 인터쿨러(120)를 더 구비할 수 있음은 물론이다. 또한, 제2 하우징(200)은 재열기(240)를 더 구비할 수 있음은 물론이다. 이때, 제1 하우징(100) 또는 제2 하우징(200) 중 적어도 어느 하나가 생략될 수 있음은 물론이다.

도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예의 제3 변형예(4)를 설명한다. 도 7은 도 1의 실시예의 제3 변형예(4)에 따른 개략적 구성도이다. 도 7의 실시예의 구성은 도 5의 구성과 유사함으로 차이점을 위주로 설명한다. 이때, 동일한 도면부호는 동일한 기능의 구성요소를 의미한다. 도 7에 따른 본 발명의 일 실시예의 제3 변형예(4)는 변속부(260)를 추가적으로 구비한다. 이때, 변속부(260)는 각 압축부(110), 터빈부(220) 및 발전기(230)와 축 연결될 수 있다. 즉, 변속부(260)는 압축부(110)와 제1 회전축(150)에 의해 연결될 수 있다. 변속부(260)는 터빈부(220)와 제2 회전축(250)에 의해 연결될 수 있다. 또한 변속부(260)는 발전기(230)와 제4 회전축(251)에 의해 연결될 수 있다. 이때, 변속부(260)는 터빈부(220)의 출력축인 제2 회전축(250), 발전기(230)의 입력축인 제4 회전축(251) 및 압축부(110)의 입력축인 제1 회전축(150)의 회전속도를 변경할 수 있다. 이때, 제1, 2, 4 회전축(150, 250, 251)은 일직선상에 배치되지 않을 수도 있다. 즉, 도 7을 참조하면 변속부(260)는 압축부(110), 터빈부(220) 및 발전기(230)와 각각 독립된 축에 의해 연결될 수 있다. 이때, 변속부(260)는 회전축(150, 250, 251)들간에 부가되는 회전수 및 토크 등을 용이하게 조절하여 시스템의 효율을 높이기 위하여 예를 들어 적어도 하나 이상의 기어를 구비하여 변속이 가능하도록 구성할 수 있다. 이때, 변속부(260)는 고속으로 회전하며 서로 다른 토크가 부가되는 회전축(150, 250, 251)들을 단일축에 배치하지 않아 회전축(150, 250, 251)의 길이를 줄이는 효과가 있다. 따라서, 이와 같은 변속부(260)를 구비한 터빈 시스템(1)에 따르면 회전축(150, 250, 251)들의 고속회전에도 높은 안정성을 유지하며 각 회전축(150, 250, 251)들간의 설계와 배치를 용이하게 하는 효과를 얻을 수 있다. 이때, 도 7에 따르면 변속부(260)가 제2 하우징(200)에 배치될 수 있다. 그러나 변속부(260)의 위치는 이에 제한되지 않으며 예를 들어 변속부(260)가 제1 하우징(100)에 위치하며 터빈부(220)및 발전기(230)와는 각각 회전축(250, 251)에 의해 연결될 수 있음도 물론이다. 또는, 변속부(260)는 터빈부(220)의 출력축와 발전부(230)의 입력축의 회전속도를 변경하도록 터빈부(220)와 발전부(230) 사이에 배치될 수 있다.

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

본 발명은 터빈 시스템을 제조 및 사용하는 모든 산업에 이용될 수 있다.

1,2,3,4: 터빈 시스템 100: 제1 하우징
110, 110a, 110b, 110c, 110d: 압축부
120, 120a, 120b, 120c: 인터쿨러
130: 증습 장치 140: 전달부
150: 제1 회전축 151: 제1 기어
152: 제2 기어 153: 제3 회전축
200: 제2 하우징 210: 연소부
220: 터빈부 230: 발전기
240: 재열기 250: 제2 회전축
251: 제4 회전축 C: 연결부

Claims

유입되는 유체를 압축하는 압축부;
상기 압축부에서 배출되는 상기 유체를 냉각하는 인터쿨러;
상기 압축된 유체와 연료를 반응시켜 연소를 일으키는 연소부;
상기 연소부의 연소 가스에 의해 구동되는 터빈부;
상기 터빈부에서 배출된 연소 배기 가스에 의해 상기 압축부에서 압축된 유체를 가열하는 재열기;
상기 터빈부의 동력을 전달받는 제1 장치;
상기 압축부와 기계적으로 연결된 제1 회전축;
상기 압축부 및 상기 인터쿨러를 수용하는 제1 하우징; 및
상기 연소부, 상기 재열기 및 상기 제1 장치를 수용하는 제2 하우징;을 구비하며,
상기 압축부는 상기 터빈부의 동력을 전달받아 구동하며 상기 압축부는 상기 터빈부 또는 상기 제1 장치 중 적어도 어느 하나로부터 이격 배치되며,
상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징은 상기 제1 회전축의 연장 방향으로 이격되도록 배치되는, 터빈 시스템.
청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1 항에 있어서,
상기 압축부는 상기 터빈부의 동력을 기어 결합을 통해 전달받는 터빈 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 터빈부와 기계적으로 연결된 제2 회전축;을 더 구비하며,
상기 제1 회전축과 상기 제2 회전축은 분리 가능하게 결합된 터빈 시스템.
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제1 항에 있어서,
적어도 두 개의 상기 인터쿨러를 구비하는 터빈 시스템.
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청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1 항에 있어서,
상기 압축부에서 압축된 유체에 수분을 부가하여 상기 재열기에 유입시키는 증습 장치를 더 구비하는 터빈 시스템.
청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서,
상기 제1 장치는 전기를 발전하는 발전기인 터빈 시스템.
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청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서,
상기 제2 하우징은 상기 터빈부를 수용하는 터빈 시스템.
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제1 항에 있어서,
상기 압축부에서 압축된 유체에 수분을 부가하여 상기 재열기에 유입시키는 증습 장치를 더 구비하며 상기 제1 하우징은 상기 증습 장치를 더 수용하는 터빈 시스템.
청구항 22은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서,
상기 터빈부는 상기 제1 장치와 상기 압축부 사이에 배치된 터빈 시스템.
청구항 23은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서,
상기 터빈부의 출력축와 상기 제1 장치의 입력축의 회전속도를 변경하는 변속부를 더 포함하는 터빈 시스템.
제1항에 있어서,
상기 압축부, 상기 터빈부, 상기 제1 장치 및 상기 연소부 중 적어도 하나를 이동 가능한 적어도 하나의 베이스 프레임에 배치한 터빈 시스템.
제1항에 있어서,
상기 터빈부의 출력축, 상기 제1 장치의 입력축 및 상기 압축부의 입력축의 회전속도를 변경하는 변속부를 더 구비하며, 상기 변속부는 상기 압축부, 상기 터빈부 및 상기 제1 장치와 각각 독립된 축에 의해 연결된 터빈 시스템.