KR20100108494A - 자력으로 동력이 전달되는 밀폐터빈실 발전시스템 - Google Patents

자력으로 동력이 전달되는 밀폐터빈실 발전시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발전사이클에서 증기터빈실을 밀폐시키고 증기터빈실 내부에 터빈과 붙어 있는 자성체와, 외부 발전기와 연결되는 축에 설치된 자성체 간에 자력으로 동력이 전달되도록 하여 터빈과 연결되는 발전기축이 증기터빈실을 뚫고 나가는 것을 방지하여 증기터빈실 내부의 증기가 밖으로 유출되는 것을 막고, 축의 외부인출로 인한 축의 기계적 실링(mechanical sealing)을 없애서 발전효율을 높일 수 있는 동력이 전달되는 밀폐터빈실 발전시스템에 관한 것이다.
증기터빈을 사용하는 발전시스템에 있어서 지금까지는 구조상 발전기가 터빈이 존재하는 터빈실 내부 공간에 설치될 수 없으므로 터빈실에서 터빈축이 외부로 인출된 다음 그 축에 발전기를 연결시키는 방법을 택하고 있다. 그러나 발전기에서 발전을 하려면 터빈실에서 외부로 인출된 터빈축이 고속으로 회전하여야 하므로 터빈실 내부의 기밀을 유지하면서 고속으로 회전시키는 것은 매우 어려운 일이다.
본 발명에서는 터빈실 내부에서 축에 자성체가 설치된 터빈이 회전하도록 하고 터빈실을 밀폐시킨 다음 터빈실 외부에 그 축의 자성체와 자력으로 연결되어 힘을 전달하도록 자성체가 설치된 축을 설치함으로써 터빈실 벽에 의해 분리된 2개의 축이 자력으로 서로 힘을 전달하는 방식으로 발전하는 방법을 택하였다.
본 발명에 의한 방식은 터빈축이 터빈실을 뚫고 외부로 인출되지 않음으로 인해서 터빈축 회전에 문제가 없으며 터빈을 돌리는 증기가 외부로 유출되는 것을 막을 수 있어서 성능이 좋은 발전시스템을 구현시킬 수 있다. 특히 저온의 온도차 를 이용하는 저온비등 냉매를 사용하는 발전시스템에 매우 유용하다.
냉매, 발전사이클, 터빈, 자석, 밀폐터빈실

Description

자력으로 동력이 전달되는 밀폐터빈실 발전시스템{The generating system having sealed turbine room transmitting mechanical power using magnetic force}
발전기시스템 설계분야
증기터빈을 사용하는 발전시스템에 있어서 터빈과 발전기는 별도의 공간에 존재한다. 즉 터빈은 터빈실에 존재하며 이 공간에는 보일러에서 발생한 증기가 유입되면서 터빈을 회전시키고 복수기로 들어간다. 터빈의 축에 연결된 발전기는 터빈실 밖에 존재하므로 터빈실 벽면을 기준으로 터빈과 발전기는 안과 밖으로 분리된 별도의 공간에 존재한다. 따라서 기존의 터빈과 발전기를 연결하는 축은 터빈실 벽면을 뚫고 연결될 수 밖에 없었다. 터빈실 벽면을 축이 뚫고 나올 경우 그 축은 고속회전을 하여야 하고 터빈실 내부의 증기가 외부로 유출되지 말아야 하는 두가지 모순된 기능을 수행하여야 하므로 기존에는 그 부위에 기계적 실링(mechanical sealing)을 하였으나 이는 높은 신뢰도를 요구하는 정밀기계이므로 구현하는데 많은 비용을 지불한다. 특히 저온의 온도차를 이용하는 저온비등 냉매를 사용하는 폐열 또는 태양열 발전시스템의 경우 대체로 작은 용량의 발전기이므로 적은 비용으 로 구현시킬 발전시스템이 매우 필요하다.
본 발명에서는 터빈축이 터빈실을 뚫고 나오지 않고도 터빈실 내부에 존재하는 터빈의 동력을 외부의 발전기에게 전달시킬 수 있는 방법을 강구한다. 즉 물리적으로 터빈실 벽면으로 구분된 두개의 독립된 공간에 존재하는 터빈축과 발전기축이 서로 힘을 전달할 수 있는 방안을 강구한다. 따라서 터빈실이 완전히 밀폐되어 내부의 증기가 외부로 유출되지 않도록 한다.
터빈실 내부의 터빈축에 자성체를 설치하고 터빈실 외부의 발전기축에 자성체를 설치하여 힘이 전달되도록 함.
지금까지 증기터빈을 사용하는 발전시스템에서는 증기터빈과 발전기는 분리된 별개의 공간에 존재하므로 터빈실 벽을 뚫고 터빈축과 발전기축이 연결되어 힘을 전달하는 방식을 취하고 있다. 따라서 터빈실 벽을 뚫고 나온 터빈축이 고속으로 회전하면서 증기를 보존해야 하는 2가지 모순된 기능을 수행해야 한다. 본 발명에 의한 방식은 터빈축이 터빈실을 뚫고 외부로 인출되지 않고 터빈실 내부의 터빈축과 외부의 발전기축 간에 자력에 의한 힘전달 방식을 택함으로써 터빈축 회전에 문제가 없으며 터빈을 돌리는 증기가 외부로 유출되는 것을 막을 수 있어서 성능이 좋은 발전시스템을 구현시킬 수 있다. 특히 저온의 온도차를 이용하는 저온비등 냉매를 사용하는 폐열 또는 태양열 발전시스템에 매우 유용하다.
도 1은 터빈실 외관 구성 설명도이다. 대체적으로 원통형 터빈실(11)의 일측에 증기가 유입되는 기체유입구(12)와 증기가 유출되는 기체유출구(13)가 설치되며 터빈실 내부에서 증기가 액화된 액체를 모으는 우물통(14)이 터빈실(11) 하부에 설치되며 우물통(14)에 고인 액체를 액체관으로 유출시키는 액분리기(15)가 설치된다.
도 2는 터빈실 측면에 자성체가 설치된 터빈실 단면도이다. 중앙에 축(22)이 설치된 터빈(21)이 내부베어링(23)에 의해 축양단이 지지되면서 터빈실(11) 내부에 설치된다. 터빈 축(22)의 한 쪽 끝은 내부베어링을 통과하여 터빈실 밖으로 약간 인출되며 그 끝에는 자성체(24)가 연결된다. 자성체보호캡(25)은 측면에 돌출되도록 설치된 자성체(24)를 감싸면서 터빈실(11)과 밀봉되도록 설치한다. 터빈실(11)은 분해/조립이 가능하도록 낱개의 판으로 만들어서 다수의 터빈실조립볼트/너트(26)로 고정시킨다. 터빈실(11)과 자성체보호캡(25)은 자력이 관통할 수 있도록 스테인레스 등 비자성체로 만든다. 자성체보호캡(25) 내부에서 증기가 액화될 경우 액체를 터빈실(11) 내부로 유출시키도록 터빈실(11)과 자성체보호캡(25) 접합부위에 액유출구(27)를 형성시킨다.
도 3은 외부회전체 설명도이다. 도2에서 설명한 자성체보호캡(25) 외부에 끼우도록 설치되는 원통형의 내부고정캡(31)의 측편 외부면에 2개의 외부베어링(32)을 설치한다. 2개의 외부베어링(32) 외부면에 접하면서 내부고정캡(31)을 감싸는 원통형 외부회전캡(33)을 설치한다. 외부회전캡(33)과 외부베어링(32)으로 형성되는 공간에 자성체(35)를 설치하고 자성체(35)가 고정되도록 2개의 외부베어링 사이에 자 성체보호대(34)를 설치한다. 외부회전캡(33)의 머리부분에 발전기 축을 고정시킬 수 있도록 축고정홈(37)이 형성된 축파이프(36)를 설치한다.
도 4는 터빈 측면에서 자력으로 동력이 전달되는 밀폐터빈실 발전시스템 설명도이다. 도2, 도3에서 제작한 부품과 발전기를 결합한 전체 설명도면이다. 작동원리는 다음과 같다. 증기가 기체유입구(12)를 통하여 터빈실(11)로 유입되면 중앙에 설치된 축(22)이 내부베어링(23)에 의해 양단이 지지되어 있으므로 터빈(21)을 회전시키고 기체유출구(13)를 통하여 빠져나간다. 터빈(21)의 연장된 축(22)에 연결된 자성체(24)는 터빈과 함께 자성체보호캡(25) 내부에서 회전한다. 자성체보호캡(25)을 감싸도록 설치된 외부회전캡(33)에 설치된 자성체(35)는 자성체보호캡(25) 내부에 설치된 자성체(24)에 맞물려 돌아감으로 인해 외부회전캡(33)과 축고정장치(43)에 의해 연결된 발전기(41)의 발전기축(42)이 회전함으로써 발전기(41)에서 전력이 발생하고 이 전력은 전원선(44)을 타고 외부로 유출된다. 발전기(41)가 유도발전기의 경우에는 전원선(44)로 전원에 연결되면 발전기(41)가 유도전동기로 공회전을 하다가 증기입력이 있으면 회전수가 빨라져서 종국적으로는 유도발전기로 작동을 한다.
도 5는 터빈실 중심에 자성체가 설치된 터빈실 단면도이다. 터빈실 중앙에 발전기축이 통과하도록 공간을 형성하면서 터빈자성체(52)가 설치된 터빈(21)이 터빈베어링(51)에 의해 터빈자성체(52) 양단이 지지되면서 터빈실(11) 내부에 설치된다. 터빈실 중앙에 발전기축이 통과하는 공간에 터빈실 조립/해체가 용이하도록 터빈실 양단에 표면에 암나사가 형성된 암나사설치관(53)이 발전기축공간 내부로 설 치된다.
도 6은 터빈실밀폐용수나사설치관 설명도이다. 터빈실밀폐용수나사설치관(61)은 일종의 관으로 한 쪽 단에 회전용머리(62)가 설치되어 있으며 관의 양단에는 표면에 수나사(63)가 형성된 형상을 이룬다.
도 7은 터빈실밀폐용수나사설치관으로 밀폐된 터빈실 설명도이다. 도5와 도6의 결합을 보여준다. 도5의 상태에서 도6의 터빈실밀폐용수나사설치관(61)을 암나사설치관(53)과 결합되도록 돌려서 설치함으로써 터빈실(11)은 밀폐공간이 되고 터빈실(11) 가운데는 발전기축이 통과하는 공간이 완전하게 형성된다.
도 8은 축자성체가 설치된 축 설명도이다. 축자성체(81)는 터빈실의 발전기축이 통과하는 공간에 맞도록 축파이프(82)의 외부에 돌아가면서 설치된다. 축자성체(81)를 잘 고정시키기 위하여 축자성체(81)외부에 축자성체보호관(84)을 설치할 수 있다. 축파이프(82) 한쪽 끝에는 발전기 축과 연결시킬 수 있도록 축연결홈(83)을 형성한다.
도 9는 터빈 중심에서 자력으로 동력이 전달되는 밀폐터빈실 발전시스템 설명도이다. 도5, 도6, 도7, 도8에서 설명한 부품과 발전기를 결합한 전체 설명도면이다. 축파이프(82)는 터빈실 양단에 형성된 베어링지지대(92)에 설치된 축베어링(91)에 의해 지지된다. 작동원리는 다음과 같다. 증기가 기체유입구(12)를 통하여 터빈실(11)로 유입되면 터빈(21) 중앙에 설치된 터빈자성체(52)가 터빈베어링(51)에 의해 양단이 지지되므로 터빈(21)을 회전시키고 기체유출구(13)로 빠져나간다. 터빈(21)이 회전함에 따라 터빈자성체(52)가 회전하게 되고 발전기축이 통과 하는 공간에 설치된 축파이프(82) 외부에 설치된 축자성체(81)는 터빈자성체(52)와 맞물려 돌아간다. 축파이프(82) 한 쪽 끝의 축고정장치(43)에 의해 연결된 발전기(41)의 발전기축(42)이 회전함으로써 발전기(41)에서 전력이 발생하고 이 전력은 전원선(44)을 타고 외부로 유출된다. 발전기(41)가 유도발전기의 경우에는 전원선(44)로 전원에 연결되면 발전기(41)가 유도전동기로 공회전을 하다가 증기입력이 있으면 회전수가 빨라져서 종국적으로는 유도발전기로 작동을 한다.
도 10은 터빈 측면에 고정자권선이 설치된 밀폐터빈실 발전시스템 설명도이다. 도2에서 자성체(24) 대신 발전기 회전자(101)를 축(22)에 끼운다. 자성체보호캡(25) 외부에 고정자권선(102)을 감고 전원선(44)을 연결한다. 작동원리는 다음과 같다. 증기가 기체유입구(12)를 통하여 터빈실(11)로 유입되면 중앙에 설치된 축(22)이 내부베어링(23)에 의해 양단이 지지되어 있으므로 터빈(21)을 회전시키고 기체유출구(13)를 통하여 빠져나간다. 터빈(21)의 연장된 축(22)에 연결된 회전자(101)는 터빈과 함께 자성체보호캡(25) 내부에서 회전한다. 자성체보호캡(25)을 감싸도록 설치된 고정자권선(102)에서는 전력이 발생하게 되고 전원선(44)을 통하여 외부로 유출된다. 회전자(101)는 영구자석 또는 단락환으로 만들 수 있다.
도 1은 터빈실 외관 구성 설명도이다.
도 2는 터빈실 측면에 자성체가 설치된 터빈실 단면도이다.
도 3은 외부회전체 설명도이다.
도 4는 터빈 측면에서 자력으로 동력이 전달되는 밀폐터빈실 발전시스템 설명도이다.
도 5는 터빈실 중심에 자성체가 설치된 터빈실 단면도이다.
도 6은 터빈실밀폐용수나사설치관 설명도이다.
도 7은 터빈실밀폐용수나사설치관으로 밀폐된 터빈실 설명도이다.
도 8은 축자성체가 설치된 축 설명도이다.
도 9는 터빈 중심에서 자력으로 동력이 전달되는 밀폐터빈실 발전시스템 설명도이다.
도 10은 터빈 측면에 고정자권선이 설치된 밀폐터빈실 발전시스템 설명도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11 : 터빈실 12 : 기체유입구
13 : 기체유출구 14 : 우물통
15 : 액분리기 21 : 터빈
22 : 축 23 : 내부베어링
24 : 자성체 25 : 자성체보호캡
26 : 터빈실조립볼트/너트 31 : 내부고정캡
32 : 외부베어링 33 : 외부회전캡
34 : 자성체보호대 35 : 자성체
36 : 축파이프 37 : 축고정홈
41 : 발전기 42 : 발전기축
43 : 축고정장치 44 : 전원선
51 : 터빈베어링 52 : 터빈자성체
53 : 암나사설치관 61 : 터빈밀폐용수나사설치관
62 : 회전용머리 63 : 수나사
81 : 축자성체 82 : 축파이프
83 : 축연결홈 91 : 축베어링
92 : 베어링지지대 101 : 회전자
102 : 고정자권선

Claims (4)

  1. 원통형 터빈실(11)의 일측에 증기가 유입되도록 설치되는 기체유입구(12)와; 증기가 유출되도록 설치되는 기체유출구(13)와; 터빈실 내부에서 증기가 액화된 액체를 모으기 위해 터빈실(11) 하부에 설치되는 우물통(14)과; 우물통(14)에 고인 액체를 액체관으로 유출시키는 액분리기(15)로 구성되는 것을 특징으로 하는 자력으로 동력이 전달되는 밀폐터빈실 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서, 터빈실(11) 내부에 설치되며 중앙에 축(22)이 설치된 터빈(21)과; 축(22) 양단을 지지하도록 설치되는 내부베어링(23)과; 내부베어링(23)을 통과하여 터빈실(11) 밖으로 약간 인출된 축(22)의 끝에 돌출되도록 설치되는 자성체(24)와; 자성체(24)를 감싸면서 터빈실(11)을 밀봉시키는 자성체보호캡(25)과; 터빈실(11)이 분해/조립이 가능하도록 낱개의 판으로 만들어진 터빈실(11) 벽면을 고정시키는 다수의 터빈실조립볼트/너트(26)와; 터빈실(11)과 자성체보호캡(25) 접합부위에 형성되는 액유출구(27)와; 자성체보호캡(25) 외부에 끼우도록 설치되는 원통형의 내부고정캡(31)과; 내부고정캡(31)의 측편 외부면에 설치되는 2개의 외부베어링(32)과; 2개의 외부베어링(32) 외부면에 접하면서 내부고정캡(31)을 감싸도록 설치되는 원통형 외부회전캡(33)과; 외부회전캡(33)과 외부베어링(32)으로 형성되는 공간에 설치되는 자성체(35)와; 자성체(35)가 고정되도록 2개의 외부베어링(32) 사이에 설치되는 자성체보호대(34)와; 외부회전캡(33)의 머 리부분에 발전기 축을 고정시킬 수 있도록 설치되며 축고정홈(37)이 형성된 축파이프(36)와; 외부회전캡(33)과 축고정장치(43)에 의해 연결된 발전기(41)의 발전기축(42)과; 발전기(41)에서 발생된 전력을 외부로 유출시키는 전원선(44)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자력으로 동력이 전달되는 밀폐터빈실 발전시스템.
  3. 제1항에 있어서, 터빈실 중앙에 발전기축이 통과하도록 공간을 형성하면서 터빈자성체(52)가 설치된 터빈(21)과; 터빈자성체(52) 양단을 지지하도록 설치되는 터빈베어링(51)과; 터빈실 양단에 발전기축공간 내부로 설치되며 표면에 암나사가 형성된 암나사설치관(53)과; 일종의 관으로 한 쪽 단에 회전용머리(62)가 설치되어 있으며 관의 양단에는 표면에 수나사(63)가 형성된 형상을 이루며 터빈실(11)이 밀폐공간이되도록 암나사설치관(53)과 결합되도록 돌려서 설치하는 터빈실밀폐용수나사설치관(61)과; 터빈실의 발전기축이 통과하는 공간에 설치되며 한쪽 끝에는 발전기 축과 연결시킬 수 있도록 축연결홈(83)이 형성되어 있는 축파이프(82)와; 터빈실의 발전기축이 통과하는 공간에 맞도록 축파이프(82)의 외부에 돌아가면서 설치되는 축자성체(81)와; 축자성체(81)를 고정시키도록 설치되는 축자성체보호관(84)과; 터빈실 양단에 형성된 베어링지지대(92)와; 축파이프(82)를 양단에서 지지하도록 설치되는 축베어링(91)과; 축파이프(82)와 축고정장치(43)에 의해 연결된 발전기(41)의 발전기축(42)과; 발전기(41)에서 발생된 전력을 외부로 유출시키는 전원선(44)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자력으로 동력이 전달되는 밀폐터빈실 발전시스템.
  4. 제1항에 있어서, 터빈실(11) 내부에 설치되며 중앙에 축(22)이 설치된 터빈(21)과; 축(22) 양단을 지지하도록 설치되는 내부베어링(23)과; 내부베어링(23)을 통과하여 터빈실(11) 밖으로 약간 인출된 축(22)의 끝에 돌출되도록 설치되는 회전자(101)와; 회전자(101)를 감싸면서 터빈실(11)을 밀봉시키는 자성체보호캡(25)과; 터빈실(11)이 분해/조립이 가능하도록 낱개의 판으로 만들어진 터빈실(11) 벽면을 고정시키는 다수의 터빈실조립볼트/너트(26)와; 터빈실(11)과 자성체보호캡(25) 접합부위에 형성되는 액유출구(27)와; 자성체보호캡(25) 외부에 끼우도록 설치되는 고정자권선(102)과; 고정자권선(102)과 연결되는 전원선(44)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자력으로 동력이 전달되는 밀폐터빈실 발전시스템.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107013265A (zh) * 2017-04-25 2017-08-04 黄绍忠 一种垂直向磁浮涡轮发动机
SE2051385A1 (en) * 2020-11-27 2022-05-28 Climeon Ab Turbine and turbine-generator assembly with magnetic coupling
KR102558536B1 (ko) * 2023-02-28 2023-07-20 김길영 다층 교류 발전기

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