KR20130092277A - 회전체 및 이를 구비한 가스 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 회전체는 압축기 러너와 터빈 러너 및 상기 압축기 러너와 터빈 러너가 적어도 어느 일단에 배치되는 회전축을 포함하고, 상기 압축기 러너와 상기 회전축 및 상기 터빈 러너와 상기 회전축은 서로 이음새 없이 일체로 형성됨으로써, 회전체를 제작시 회전체 조립, 부품관리, 조립절차가 용이해지며, 수십만 rpm의 초고속회전에서 작용하는 원심력에 의해 회전축에 발생하는 응력을 현저하게 줄일 수 있다.

Description

회전체 및 이를 구비한 가스 터빈{ROTATING BODY AND GAS TURBINE HAVING THE SAME}

본 발명의 실시예들은 가스 터빈에 사용되는 회전체 및 이를 구비한 가스 터빈에 관한 것이다.

세계의 많은 지역에서, 전기 기초 구조물(전송 및 배전선)의 부족은 분산형 발전기술의 상업화를 크게 발전시키게 될 것인데, 그 이유는 중앙 집중 방식의 전기 송전은 킬로와트당 비용이 크게 소모되고 생산된 전기를 소비자에게 분배하기 위해

설치되는 고가의 기초 구조물을 가지고 있어야만 하기 때문이다. 마이크로 가스 터빈은 현장에서 전력을 발생시키는데 흔히 사용되는 소형 가스 터빈으로서, 사무실 빌딩, 소매점, 소형 제조소, 가정 및 다른 많은 시설용 백업 또는 보조 전원으로서 적용되고 있다. 이러한 시설들은 전통적으로 전력 분배 라인의 그리드를 통하여 중앙 집중 방식의 전기 시설에 의해서 전력을 공급받아 왔다.

이러한 시설은 마이크로 가스 터빈으로 인하여 자신이 직접 전력을 발생시킬 수 있고 이에 따라 종래의 전력 그리드 및 시설에만 의존하지 않아도 된다. 또한, 마이크로 가스 터빈은 전력 시설에 의하여 그리드를 통하여 제공되는 전력보다 비용이 덜 들며 보다 안정적인 전력을 발생시킨다.

작고, 다연료형인 마이크로 가스 터빈 발전 유니트는 세계의 많은 지역에서 나타나고 있는 " 전압저하" 및 "정전" 사태를 경감시키는 것을 도와줄 수 있다. 또한, 소규모이고 단일 가동부 개념은 저렴한 전문 기술 유지비를 가능하게 해줄 것이고, 저렴한 총비용은 자본이 부족한 세계의 지역에서 폭넓은 구입을 가능하게 해 줄 것이다.

이러한 유니트는 연료 효율의 증대, 크기 및 중량의 감소 및 낮은 서멀 시그네추어, 잡음, 유지비 및 비용 패널티의 저감과 같은 부문에 있어서의 개선이 필요하다.

예를 들어, 특히 일정한 기하학적형상의 입구를 가진 터빈의 경우에 좋은 연료의 절약 및 허용가능한 배기율을 성취하는 것은 어렵다.

동력발생 유니트의 최상의 효율은 높은 압력비 및 높은 터빈 입구 온도를 통해 성취된다. 그와 같은 비율과 온도는 완전부하 및 최고속도에서의 작동시에 일어난다. 하지만, 낮은 부분부하 및 공회전시에는, 일정한 기하학적형상의 가스터빈은 감소된 터빈입구온도 및 부분부하에서 구동되므로, 연료효율을 저감시킨다.

뿐만 아니라, 휴대용 전자기기의 기능이 복합화됨에 따라 요구전력 증가하여 고에너지밀도의 동력공급원이 요구되고 있으며 이에 따른 대체 동력원의 개발이 필요하게 되었다.

마이크로 가스터빈은 저소음, 경량, 소형의 장점을 가지는 차세대 마이크로 동력원의 하나이다. 마이크로 가스터빈은 압축기, 연소기, Recuperator, 터빈, 발전기/모터 등으로 구성된다.

연소기에서 가열된 공기가 터빈에서 팽창되면 에너지를 얻는 가스터빈에서는 고온의 가스로 인한 구성품의 열팽창이 심각한 문제를 일으킨다. 또한, 회전축에 터빈과 압축기를 결합시키면, 조립 및 회전시 불균형이 발생하므로, 이에 대한 개선책이 고려될 수 있다.

본 발명의 일실시예들은 가스 터빈에 사용되며 압축기 러너와 터빈 러너가 회전축과 일체로 결합한 회전체를 제공하기 위한 것이다.

그리고, 본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 회전체는 압축기 러너와 터빈 러너 및 상기 압축기 러너와 터빈 러너가 적어도 어느 일단에 배치되는 회전축을 포함하고, 상기 압축기 러너와 상기 회전축 및 상기 터빈 러너와 상기 회전축은 서로 이음새 없이 일체로 형성된다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 회전축의 중앙 영역에는 외주면으로부터 일정 간격 리세스된 안착부가 형성될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 안착부에는 영구자석이 배치될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 영구자석 및 안착부를 덮도록 슬리브가 형성되고, 상기 슬리브는 상기 회전축과 열박음에 의하여 결합될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 압축기 러너와 터빈 러너는 상기 중앙영역에서 상기 회전축의 일단 사이에 서로 근접하여 배치될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 회전축의 타단에, 상기 회전축을 일방향으로 연장시키도록 결합되는 연장축이 형성될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 회전축의 지름은 7mm 내지 11mm 로 이루어질 수 있다.

또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은, 압축기 및 터빈이 배치되는 하우징과, 상기 하우징을 관통하여 설치되는 회전축과, 상기 회전축의 중앙 영역에 외주면으로부터 일정 간격 리세스되고, 영구자석이 안착되도록 형성되는 안착부 및 상기 영구자석에 근접하게 배치되는 코일부를 포함하고, 상기 압축기 러너와 상기 회전축 및 상기 터빈 러너와 상기 회전축은 서로 이음새 없이 일체로 형성될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 영구자석 및 안착부를 덮도록 슬리브가 형성되고, 상기 슬리브는 상기 회전축과 열박음에 의하여 결합될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 압축기 러너와 터빈 러너는 상기 중앙영역에서 상기 회전축의 일단 사이에 서로 근접하여 배치될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 회전축의 타단에, 상기 회전축을 일방향으로 연장시키도록 결합되는 연장축이 형성될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 회전체는 압축기 러너와 터빈 러너 및 회전축을 일체형으로 가공함으로써, 회전체를 제작하는 경우, 회전체 조립, 부품관리 및 조립절차가 용이해지며, 수십만 rpm의 초고속회전에서 작용하는 원심력에 의해 회전체에 발생하는 응력을 현저하게 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 회전체의 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 또 다른 회전체의 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따르는 회전체의 단면도.
도 4는 도 3의 실시예에 고정 코일이 추가된 상태에서의 개념도.
도 5는 본 발명의 비교 실시예와 관련된 회전체의 단면도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따르는 회전체의 개념도.
도 7은 도 4의 실시예에 따른 압축기에서 500℃, 400000rpm의 조건으로 응력을 해석한 그래프.
도 8은 도 6의 실시예에 따른 압축기에서 500℃, 400000rpm의 조건으로 응력을 해석한 그래프.

이하, 본 발명의 일실시예에 따르는 회전체 및 이를 구비한 가스 터빈에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 회전체의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 또 다른 회전체의 개념도이다.

도시한 바와 같이, 회전체는 회전축(110, 120), 압축기 러너(120, 220), 터빈 러너(130, 230) 및 회전축(110, 120)에 압축기 러너(120, 220)와 터빈 러너(130, 230)를 결합시키는 체결부(140, 240)를 포함한다.

이와 같은 회전체는 연소기 등과 함께 가스 터빈을 구성한다. 가스 터빈에서는 공기가 압축기 내로 들어가며, 원심력을 이용한 압축기에서 압축된다. 마이크로 압축기는 원심식 회전자 블레이드를 구비한 압축기 회전자 러너를 포함할 수 있다. 압축기 회전자 러너는 회전축(110, 120)에 연결되어 지지됨으로써 압축기 회전자 러너 및 러너에 방사상으로 형성된 블레이드가 회전된다. 압축기 회전자의 방사상 외주에는 고정 디퓨저 베인이 설치된다. 압축기 회전자 블레이드를 통과한 공기는 디퓨저 베인에 의해 이동되고 회전자를 빠져나간다.

연료는 연료 분사기를 통해 압축기 회전자 배출부로 분사된다. 분사된 연료는 방사상 외측으로 유동하면서 공기와 혼합된 후 연소기 내의 연소 점화기에 의해 점화되고, 연소실 내로 유입되어 완전 연소된다.

연소실로부터 배출되는 배기가스는 안내 베인을 통해 터빈 러너(130, 230)를 향해 이송되고, 터빈 러너(130, 230)에 방사상으로 형성된 블레이드를 가압하여 터빈 러너(130, 230)를 회전시킨다. 동시에, 축을 통해 터빈 러너(130, 230)와 연결된 압축기 러너(120, 220)도 회전하게 된다.

회전축(110, 120)을 지지하는 베어링은 에어포일베어링을 사용할 수 있으며, 압축 공기가 압축기 출구로부터 간극을 통해 베어링 측으로 공급되어 윤활작용을 하고, 터빈의 구멍을 통해 배출될 수 있다.

이와 같은 가스 터빈에서 회전체는 100000rpm 내지 400000rpm으로 회전하므로, 축 밸런싱의 문제가 발생한다. 보다 자세하게는 압축기 러너(120, 220)와 터빈 러너(130, 230)를 회전축(110, 120)에 결합시킬 때 위치 고정이 어렵고, 회전시 편심으로 인하여 불균형이 발생한다. 또한 고온 부위에 노출되는 회전축(110, 120)의 열팽창 등의 문제로 축 굽힘 현상이 발생한다.

특히 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 압축기 러너(120, 220)와 터빈 러너(130, 230)를 회전축(110, 120)에 볼트/너트에 의해 결합시킬 때 회전에 의하여 풀림 현상이 발생할 수 있으며, 응력이 집중됨으로 인하여, 미세한 균열이 발생할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따르는 회전체의 단면도이고, 도 4는 도 3의 실시예에 고정 코일이 추가된 상태에서의 개념도이며, 도 5는 본 발명의 비교 실시예와 관련된 회전체의 단면도이다.

도시한 바와 같이, 압축기 러너(420, 520)와 회전축(410. 510) 및 터빈 러너(430, 530)와 회전축(410. 510)은 서로 이음새 없이 일체로 형성된다. 이러한, 회전축(410. 510)의 지름은 7mm 내지 11mm 로서 주로 마이크로 가스 터빈에 사용된다.

여기서 회전축(410. 510)의 양단으로부터 이격된 회전축(410. 510)의 중앙 영역에는 외주면으로부터 일정 간격 리세스된 안착부(450, 550)가 형성되고, 안착부(450, 550)에는 영구자석(460, 560)이 배치된다. 이러한 영구자석(460, 560)은 회전축(410. 510)이 회전시 유도전력을 발생하는 회전자에 해당한다.

또한, 회전축(410. 510)에는 영구자석(460, 560) 및 안착부(450, 550)를 덮도록 슬리브(470, 570)가 형성되고, 슬리브(470, 570)는 회전축(410. 510)과 열박음(또는 '가열 끼워 맞춤'이라고도 한다)에 의하여 결합된다.

슬리브(470, 570)는 원통형으로 형성되고, 그 외경은 회전축(410. 510)의 외경과 같거나 조금 적도록 형성한다. 또한 그 내경은 안착부(450, 550)가 형성된 회전축(410. 510)의 외경보다 조금 적도록 형성한다. 이와 같은 슬리브(470, 570)는 외주면과 내주면에 접하는 부분을 이종 재질로 선택할 수 있는데, 외주면을 소결합금과 같은 경도가 높은 재질로 형성하여, 압입시 변형을 줄여 압입상태를 유지할 수 있도록 하고, 반면에 내주면은 경도가 낮은 재질로 형성하여 상대적인 마찰 손실을 줄일 수 있다.

그리고, 압축기 러너(420, 520)와 터빈 러너(430, 530)는 상기 중앙영역에서 상기 회전축(410. 510)의 일단 사이에 서로 근접하여 배치된다. 이 경우 회전축(410. 510)의 타단에는, 상기 회전축(410. 510)을 일방향으로 연장시키도록 결합되는 연장축이 형성된다. 연장축은 회전축(410. 510)과 맞닿은 상태에서 슬리브(470, 570)를 열박음함으로써, 서로 결합될 수 있다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 압축기 러너(420, 520)와 터빈 러너(430, 530)는 회전축(410. 510)의 양단에 각각 배치될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 영구자석(460, 560)에 근접하게는 고정자로서 코일부(480, 580)가 배치될 수 있다. 회전자인 회전축(410. 510)이 터빈동력에 의해 회전될 때, 교류전류가 고정자인 코일부(480, 580)에 유도된다. 회전축(410. 510)의 속도는 가스 터빈에 부과되는 외부에너지 수요량에 따라 변경될 수 있다. 축 속도에 있어서의 변화는 발전기(미도시)에 의해 생성된 교류전류의 주파수에 있어서의 변화를 산출한다. 발전기(미도시)에 의해 생성된 AC의 주파수에는 상관없이, 교류는 정류기에 의해 직류로 정류된 다음 일정한 주파수를 가진 교류를 생성하기 위해 솔리드-스테이트 전자 인버터에 의해 일정한 간격으로 나누어질 수 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따르는 회전체의 개념도이고, 도 7은 도 4의 실시예에 따른 압축기에서 500℃, 400000rpm의 조건으로 응력을 해석한 그래프이며, 도 8은 도 6의 실시예에 따른 압축기에서 500℃, 400000rpm의 조건으로 응력을 해석한 그래프이다.

도 6에서 보는 바와 같이, 압축기 러너(320)와 터빈 러너(330)는 회전축(310)에 열박음되어 결합되어 있다.

이와 같은 상태에서 압축기 러너와 회전축 사이의 결합부위는 도 7에서 도시한 바와 같이 약 1.35GPA의 응력이 가해진다.

이와 달리, 본 발명의 일실시예와 같이, 압축기 러너와 회전축 및 터빈 러너와 회전축이 서로 이음새 없이 일체로 형성된 경우에는 도 8에서 도시한 바와 같이, 회전체에 작용하는 최대 응력은 780MPA로 감소함을 알 수 있다.

상기와 같이 설명된 회전체 및 이를 구비한 가스 터빈은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (11)

1. 압축기 러너와 터빈 러너; 및
   상기 압축기 러너와 터빈 러너가 적어도 어느 일단에 배치되는 회전축을 포함하고,
   상기 압축기 러너와 상기 회전축 및 상기 터빈 러너와 상기 회전축은 서로 이음새 없이 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 회전체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 회전축의 중앙 영역에는 외주면으로부터 일정 간격 리세스된 안착부가 형성되는 것을 특징으로 하는 회전체.
3. 제2항에 있어서,
   상기 안착부에는 영구자석이 배치되는 것을 특징으로 하는 회전체.
4. 제3항에 있어서,
   상기 영구자석 및 안착부를 덮도록 슬리브가 형성되고, 상기 슬리브는 상기 회전축과 열박음에 의하여 결합되는 것을 특징으로 하는 회전체.
5. 제2항에 있어서,
   상기 압축기 러너와 터빈 러너는 상기 중앙영역에서 상기 회전축의 일단 사이에 서로 근접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 회전체.
6. 제5항에 있어서,
   상기 회전축의 타단에,
   상기 회전축을 일방향으로 연장시키도록 결합되는 연장축이 형성되는 것을 특징으로 하는 회전체.
7. 제1항에 있어서,
   상기 회전축의 지름은 7mm 내지 11mm 인것을 특징으로 하는 회전체.
8. 압축기 및 터빈이 배치되는 하우징;
   상기 하우징을 관통하여 설치되는 회전축;
   상기 회전축의 중앙 영역에 외주면으로부터 일정 간격 리세스되고, 영구자석이 안착되도록 형성되는 안착부; 및
   상기 영구자석에 근접하게 배치되는 코일부를 포함하고,
   상기 압축기 러너와 상기 회전축 및 상기 터빈 러너와 상기 회전축은 서로 이음새 없이 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
9. 제8항에 있어서,
   상기 영구자석 및 안착부를 덮도록 슬리브가 형성되고, 상기 슬리브는 상기 회전축과 열박음에 의하여 결합되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
10. 제8항에 있어서,
    상기 압축기 러너와 터빈 러너는 상기 중앙영역에서 상기 회전축의 일단 사이에 서로 근접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
11. 제10항에 있어서,
    상기 회전축의 타단에,
    상기 회전축을 일방향으로 연장시키도록 결합되는 연장축이 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.

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