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KR101070903B1 - 가변 베인형 터빈 - Google Patents

가변 베인형 터빈 Download PDF

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KR101070903B1
KR101070903B1 KR1020040065384A KR20040065384A KR101070903B1 KR 101070903 B1 KR101070903 B1 KR 101070903B1 KR 1020040065384 A KR1020040065384 A KR 1020040065384A KR 20040065384 A KR20040065384 A KR 20040065384A KR 101070903 B1 KR101070903 B1 KR 101070903B1
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turbine
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turbine housing
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삼성테크윈 주식회사
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Abstract

본 발명은 종래의 가변 베인의 복잡한 제어 방식을 탈피하여, 작동 유체의 유량과 같은 터빈 입구에서의 유동조건에 따라 유체역학적 특성을 이용하여 자동으로 제어하게 함으로써, 시스템을 단순화하고 가격경쟁력을 획기적으로 향상시킬 수 있는 가변 베인형 터빈과 이를 구비한 터빈 발전기를 제공하는 것을 목적으로 하고, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 터빈 하우징; 상기 터빈 하우징에 등간격으로 선회 가능하게 설치된 복수 개의 가변 베인; 및 상기 터빈 하우징 내에 설치되고 회전축에 의해 회전 가능하게 지지되는 터빈 휠을 포함하는 가변 베인형 터빈에 있어서, 상기 가변 베인은, 상기 터빈 하우징에 일단이 회전 가능하게 고정된 가변 포일; 상기 가변 포일의 일측에 소정의 각도를 이루면서 부착되는 포일 제어 수단; 및 상기 가변 포일의 일측에 부착된 가이드 수단을 포함하고, 상기 가변 베인들은 이웃한 가변 베인들 간에 서로 링크로 연결된 가변 베인형 터빈 및 이를 구비한 터빈 발전기를 제공한다.

Description

가변 베인형 터빈{Turbine having variable vane}
도 1은 종래의 터빈 발전기의 개략적인 구성을 보여주는 도면.
도 2는 종래의 가변 베인형 터빈의 구성을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가변 베인형 터빈의 구성의 일부를 보여주는 도면.
도 4는 도 3에 도시된 가변 베인의 사시도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가변 베인형 터빈의 구성의 일부를 보여주는 도면.
도 6은 도 5의 VI-VI 선에 따른 단면도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1: 발전부 2: 공기 공급기(압축기)
3: 연료 전지 4: 연소기
6: 가변 베인 7: 터빈 휠
8: 제어기 10, 100, 200: 터빈
61, 163: 가변 포일 71: 터빈 블레이드
161, 261: 가변 베인 164: 제어용 포일
165: 가이드 핀 166: 가이드 슬롯
167: 탄성 부재 168: 링크
169: 핀 조인트 170: 터빈 하우징
264: 제어용 디퓨저
본 발명은 터빈과 이를 구비한 터빈 발전기(turbine generator)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가변 베인이 설치되는 가변 베인형 터빈과 이를 구비한 터빈 발전기에 관한 것이다.
통상 연료 전지용 공기 공급기(또는 공기 압축기), 보조동력유닛(Auxiliary Power Unit: APU), 터보 차저(turbo charger) 등에 적용되는 터빈은 설계 시에 고유량점과 저유량점을 고려하여 설계된다. 특히, 연료 전지용 공기 공급기에서는 연료 전지의 스택(stack)에서 요구하는 적정량의 유량, 압력 및 온도를 가지는 공기를 공급하여야 한다. 상기 공기 공급기는 그 회전축과 동축으로 연결된 터빈에 의해 구동된다. 이로 인해 공기공급기를 구동하는 터빈 휠에 분사되는 연소 가스의 유량 등이 변동되는 경우에도 터빈 휠을 적정 속도 이상으로 회전시킬 수 있어야 한다. 즉, 연소 가스의 유량이 작은 범위에서도 원하는 연소 가스의 유량 및 압력으로 조절하여, 터빈을 필요한 속도로 회전시키고, 이에 따라 터빈 축과 동축으로 연결된 공기 공급기의 회전축을 필요한 속도로 회전시켜, 필요한 유량의 공기를 연료 전지로 공급하여 주어야 한다. 이를 위해서는 터빈 입구 측에 가변 베인 을 사용하여 터빈으로 유입되는 연소 가스의 유량 및 압력을 조절하는 것이 필요하다.
도 1에는 가변 베인형 터빈을 포함하는 터빈 발전기의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 터빈 발전기는, 공기 공급기(2), 연료 전지(3), 연소기(4), 터빈(10) 및 발전부(1)를 포함하여 구성된다. 상기 발전부(1)에는 작동 초기에 공기 공급기(2)를 구동하기 위한 구동용 모터가 함께 설치될 수 있다. 상기 구동용 모터에 의해 터빈 발전기의 초기 작동이 개시되고, 공기 공급기(2)가 작동된다. 상기 공기 공급기(2)는 공기를 흡입하고, 이를 압축하여 상기 연료 전지(3)로 이송하는 기능을 한다. 상기 연료 전지(3)는 상기 공기 공급기(2)를 통해 이송 받은 공기와 연료를 적절한 혼합비로 혼합하여 상기 연소기(4)로 보낸다.
상기 연소기(4)에서는 공기와 혼합된 연료를 연소시켜 연소 가스를 발생시키고 이를 터빈(10)으로 보낸다.
상기 터빈(10)은 통상 베인과 터빈 휠(7)을 구비하고, 상기 베인은 연소 가스가 상기 터빈 휠(7)에 고르게 분사될 수 있도록 조절한다. 앞서 설명한 것과 같은 이유로 인하여 연료 전지용 공기 공급기(2)와 동축으로 연결되는 터빈에는 가변 베인(6)이 설치되는 것이 바람직하다. 상기 가변 베인(6)은 연소 가스가 소정의 압력과 유량으로 상기 터빈 휠(7)에 충돌할 수 있도록 조절해주는 역할을 한다. 그리하여, 상기 터빈 휠(7)이 회전하여 작동유체의 에너지가 터빈 휠(7)이 고정된 회전축의 회전 에너지로 변환된다.
상기 터빈 휠(7)이 회전함에 따라 상기 터빈 휠(7)의 회전축에 일체로 결합된 발전부(1)의 마그네틱 로터(미도시)가 회전한다. 상기 마그네틱 로터는 그 주위에 고정자(미도시)에 의해 자기장이 형성된 상태에서 회전하게 되고, 이에 따라 상기 마그네틱 로터는 상기 고정자에 의해 형성된 자기장을 변화시키면서 전류를 발생시켜 발전기로서의 기능을 하도록 한다.
도 2에는 종래의 가변 베인형 터빈의 평면도가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 종래의 가변 베인형 터빈은 중앙에 터빈 휠(7)이 위치하고 그 둘레에 가변 베인(61)들이 배치된다. 상기 가변 베인(61)들은 일측이 터빈 하우징(미도시)에 회전 가능하게 결합되고, 터빈 하우징의 둘레를 따라 등간격으로 배열된다. 배열된 가변 베인(61)들은 외부에 설치되는 별도의 유압 시스템(미도시)에 의해 터빈 하우징을 기준으로 동일한 각도로 회전하도록 제어된다. 이러한 제어에 사용되는 유압 시스템은 연소가스와 같은 작동 유체의 유량을 감지하는 센서와, 유압 엑츄에이터 등의 유압 기기들을 필요로 하게 된다. 즉, 작동 유체의 유량을 감지하고 엑츄에이터를 구동하여 상기 가변 베인들을 회전시켜 터빈 휠(7)의 터빈 블레이드(71)에 충돌하는 작동 유체의 유량을 조절한다. 이러한 유압 기기들을 갖추기 위해서는 제작비용이 많이 소요되고, 유압 기기들의 비선형적 특성으로 인해 제어가 어려우며, 시스템이 복잡해진다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 종래의 가변 베인의 복잡한 제어 방식을 탈피하여, 작동 유체의 유량과 같은 터빈 입구에 서의 유동조건에 따라 유체역학적 특성을 이용하여 자동으로 제어하게 함으로써, 시스템을 단순화하고 가격경쟁력을 획기적으로 향상시킬 수 있는 가변 베인형 터빈과 이를 구비한 터빈 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 터빈 하우징, 상기 터빈 하우징 내에 설치되고 회전축에 의해 회전 가능하게 지지되는 터빈 휠 및 상기 터빈 하우징과 상기 터빈 휠 사이에 소정 간격으로 배치되며 위치가 변화될 수 있도록 설치된 복수 개의 가변 베인들을 구비하며, 상기 가변 베인은, 상기 터빈 하우징에 일측이 회전 가능하게 고정되고 타측은 탄성운동 가능하게 지지된 가변 포일; 상기 가변 포일의 일측에 소정의 각도를 이루면서 부착되고 작동 유체의 유동량에 따라 상기 가변 포일의 위치를 변화시키는 포일 제어 수단; 및 상기 가변 포일의 탄성운동을 가이드하는 가이드 수단을 포함하는 가변 베인형 터빈을 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 가변 베인은, 인접한 가변 베인들 간에 서로 연결하여 움직임이 동시에 이루어질 수 있게 하는 링크를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 가이드 수단은, 상기 터빈 하우징에 형성된 가이드 슬롯과, 상기 가변 포일의 일측에 부착되고 상기 가이드 슬롯 내에 삽입되는 가이드 핀을 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 일단은 상기 가이드 슬롯 내에 고정되고, 타단은 상기 가이드 핀에 고정되어 상기 가이드 핀에 탄성력을 작용하는 탄성 부재가 더 포함되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 포일 제어 수단은 상기 가변 포일의 일측에 소정의 각도를 이루면서 부착된 제어용 포일이거나 제어용 디퓨저일 수 있다.
여기서, 상기 제어용 포일 또는 제어용 디퓨저는 상기 가변 포일에 15도 내지 20도의 각도를 이루면서 부착된 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 연료를 연소시키고 연소 가스를 배출하는 연소기, 상기 연소기로부터 연소 가스를 공급받아 연소 가스의 유체 에너지로부터 회전력을 얻는 터빈, 공기를 흡입하고 압축하여 상기 연소기로 공급하는 공기 공급기 및 마그네틱 로터와 고정자를 구비하는 발전부를 구비하고, 상기 터빈은, 터빈 하우징, 상기 터빈 하우징 내에 설치되고 회전축에 의해 회전 가능하게 지지되는 터빈 휠 및 상기 터빈 하우징과 상기 터빈 휠 사이에 소정 간격으로 배치되며 위치가 변화될 수 있도록 설치된 복수 개의 가변 베인들을 구비하며, 상기 가변 베인은, 상기 터빈 하우징에 일측이 회전 가능하게 고정되고 타측은 탄성운동 가능하게 지지된 가변 포일; 상기 가변 포일의 일측에 소정의 각도를 이루면서 부착되고 작동 유체의 유동량에 따라 상기 가변 포일의 위치를 변화시키는 포일 제어 수단; 및 상기 가변 포일의 탄성운동을 가이드하는 가이드 수단을 포함하는 터빈 발전기를 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 가변 베인은, 인접한 가변 베인들 간에 서로 연결하여 움직임이 동시에 이루어질 수 있게 하는 링크를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 가이드 수단은, 상기 터빈 하우징에 형성된 가이드 슬롯과, 상기 가변 포일의 일측에 부착되고 상기 가이드 슬롯 내에 삽입되는 가이드 핀을 포 함하는 것이 바람직하다.
여기서, 일단은 상기 가이드 슬롯 내에 고정되고, 타단은 상기 가이드 핀에 고정되어 상기 가이드 핀에 탄성력을 작용하는 탄성 부재가 더 포함되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 포일 제어 수단은 상기 가변 포일의 일측에 소정의 각도를 이루면서 부착된 제어용 포일이거나 제어용 디퓨저일 수 있다.
여기서, 상기 제어용 포일 또는 제어용 디퓨저는 상기 가변 포일에 15도 내지 20도의 각도를 이루면서 부착된 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 3에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가변 베인형 터빈의 일부분을 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 4에는 도 3에 도시된 가변 베인의 사시도가 도시되어 있다.
도 3에 도시된 것과 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 가변 베인형 터빈(100)은, 터빈 하우징(170), 상기 터빈 하우징(170) 내에 설치되고 회전축에 의해 회전 가능하게 지지되는 터빈 휠(7) 및 상기 터빈 하우징(170)과 상기 터빈 휠(7) 사이에 소정 간격으로 배치되며 위치가 변화될 수 있도록 설치된 복수 개의 가변 베인(161)을 구비한다. 상기 가변 베인(161)들은 외부에서 상기 터빈 하우징(170)으로 유입되는 고온 고압의 연소가스를 상기 터빈 휠(7)의 터빈 블레이드(71) 면을 향하여 분사하는 노즐의 역할을 한다.
도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이, 상기 가변 베인(161)은 가변 포일(163), 제어용 포일(164) 및 가이드 수단을 포함한다. 상기 가변 포일(163)은 터빈 하우징(170)에 일단이 핀 조인트(169)에 의해 회전 가능하게 고정되고, 상기 제어용 포일(164)은 상기 가변 포일(163)의 일측에 소정의 각도를 이루면서 부착되며, 상기 가이드 수단은 상기 가변 포일(163)의 타측에 설치된다.
상기 제어용 포일(164)은 그 형상이나 작동 유체의 압력 및 유량 범위에 따라 상기 가변 포일(163)에 부착되는 각도를 달리할 수 있지만, 통상 15도 내지 20도의 각도로 부착되는 것이 바람직하다.
상기 가이드 수단은 상기 터빈 하우징(170)에 형성된 가이드 슬롯(166), 상기 가이드 슬롯 내에 이동 가능하게 수용되는 가이드 핀(165) 및 상기 가이드 슬롯(166)의 일단과 상기 가이드 핀(165)에 고정된 탄성 부재(167)를 포함한다. 상기 탄성 부재(167)는 통상 스프링이 사용될 수 있고, 상기 스프링은 상기 가이드 슬롯(166)의 스프링 고정 지점의 반대쪽 단부를 향하여 복원력을 작용하도록 설치된다.
상기 가변 포일(163)들은 이웃한 가변 포일(163)들 간에 서로 링크(168)로 연결된다. 따라서, 각각의 가변 포일(163)들에 설치된 제어용 포일(164)들에 작용하는 힘에 따라 상기 가변 포일(163)들은 각각의 핀 조인트(169)를 중심으로 실질적으로 동일한 각도 만큼씩 회전하게 된다.
도 3에 도시된 것과 같이, 상기 터빈 하우징(170)에 형성된 스크롤(scroll)(175)을 통과하는 작동 유체가 상기 가변 포일(163)들의 사이로 화살표 방향으로 흐르고, 동시에 그 중 일부의 작동 유체가 상기 제어용 포일(164)의 전후면 을 타고 흐르면서 상기 제어용 포일(164)에 힘을 작용하게 된다. 즉, 도 4에서 가변 포일(163)들 사이의 공간에 빗금으로 표시된 평면에 실질적으로 수직한 방향으로 작동 유체가 유입된다. 유입되는 유량이 증가하여 상기 제어용 포일(164)에 작용하는 힘이 상기 탄성 부재(167)의 복원력의 크기보다 커지면, 상기 가변 포일(163)은 각각의 핀 조인트(169)를 중심으로 상기 가이드 슬롯(166)을 따라 반시계 방향으로 회전하게 된다. 다시 유량이 줄어들어 탄성부재(167)의 복원력의 힘에 더 커지면 상기 가변 포일(163)은 시계 방향으로 회전하면서 원래 위치로 되돌아오게 된다. 이와 같은 원리로 가변 포일(163)들이 움직임으로써 본 발명에 따른 가변 베인(161)이 작동하게 되면, 터빈 입구에서의 작동 유체의 유량이나 압력의 변화에도 불구하고 터빈 내부로 유입되는 작동 유체의 양을 일정 수준으로 유지하도록 자동으로 제어할 수 있게 된다.
한편, 도 3 및 도 4에 도시된 가변 포일(163) 및 제어용 포일(164)의 단면 형상은 도시된 형상에 한정되지 않으며, 제어용 포일(164)도 도시된 가변 포일(163)과 같이 대칭적인 유선형으로 형성될 수 있고, 가변 포일(163)도 도시된 제어용 포일(164)과 같이 부드러운 곡면을 이루면서 휘어진 유선형으로 형성될 수 있다.
도 5에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가변 베인형 터빈의 일부분을 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 VI-VI 선에 따른 단면도가 도시되어 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 것과 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 가변 베인 형 터빈(200)을 구성하는 가변 베인(261)은 제1 실시예와 달리 포일 제어 수단으로서 제어용 포일 대신 제어용 디퓨저(diffuser)(264)를 적용하고 있다.
상기 제어용 디퓨저(264)는, 아음속 유동에서의 디퓨저의 일반적인 형상인 입구 부분보다 출구 부분의 단면적이 더 큰 형상으로 이루어질 수 있고, 또한 도시된 것과 같이 입구 부분으로부터 직경이 차츰 줄어들다가 다시 넓어져서 출구의 직경은 입구보다 더 크게 형성될 수도 있다. 도시된 화살표는 작동 유체의 흐름을 나타내며, 그중 점선으로 표시된 화살표는 제어 유동의 방향을 도시하고 있다. 상기 제어용 디퓨저(264)로 흐르는 제어 유동의 유량이 늘어나면, 상기 제어용 디퓨저(264)를 통과하는 유체의 진행방향을 따라 힘이 작용하게 되고, 그에 따라 상기 가변 포일(163)이 반시계 방향으로 회전하게 된다. 그리고, 제어 유동의 양이 감소하면 앞서 설명한 제1 실시예에서와 같이, 탄성부재(167)의 복원력에 의해 상기 가변 포일(163)이 다시 시계 방향으로 회전된다. 이와 같은 방식으로 상기 가변 포일(163)들의 사이를 통과하여 터빈 내부로 유입되는 작동유체의 유량이 필요한 수준으로 별도의 유압 또는 공압식 제어 시스템이 없이도 자동으로 조절될 수 있다.
한편, 상기 제어용 디퓨저(264)의 단면 형상은 도 6에 도시된 것과 것은 원형에 한정되지는 않으며, 사각형 등 다른 형상도 적용될 수 있다.
지금까지 제1 및 제2 실시예를 바탕으로 설명한 본 발명에 따른 가변 베인형 터빈은, 도 1에 도시된 것과 같은 터빈 발전기에 사용될 수 있다. 특히, 연료 전지의 스택에서 필요로 하는 공기의 양을 지속적으로 공급하기 위해서는, 공기 공급 기가 필요한 속도로 지속적으로 구동되어야 한다. 이를 위해서는 공기 공급기를 구동하는 터빈으로 유입되는 연소 가스의 유량이 변동하는 경우에도 터빈이 필요한 속도로 지속적으로 회전 에너지를 발생시킬 수 있어야 한다. 따라서, 본 발명에 따른 가변 베인형 터빈을 사용할 경우, 연소 가스의 유량이 변화하는 경우에도 터빈의 작동을 지속적으로 유지할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명에 따르면, 종래의 가변 베인의 복잡한 제어 방식을 탈피하여, 작동 유체의 유량과 같은 터빈 입구에서의 유동조건에 따라 포일이나 디퓨저의 유체역학적 특성을 이용하여 가변 베인의 동작을 자동으로 제어하게 할 수 있다. 그럼으로써, 본 발명에 따른 가변 베인을 적용하는 전체 시스템을 단순화하고, 가격 경쟁력을 획기적으로 향상시킬 수 있게 된다.
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 (8)

  1. 터빈 하우징, 상기 터빈 하우징 내에 설치되고 회전축에 의해 회전 가능하게 지지되는 터빈 휠 및 상기 터빈 하우징과 상기 터빈 휠 사이에 소정 간격으로 배치 되며 위치가 변화될 수 있도록 설치된 복수 개의 가변 베인들을 구비하며,
    상기 가변 베인은,
    상기 터빈 하우징에 일측이 회전 가능하게 고정되고 타측은 탄성운동 가능하게 지지된 가변 포일;
    상기 가변 포일의 일측에 소정의 각도를 이루면서 부착되고 작동 유체의 유동량에 따라 상기 가변 포일의 위치를 변화시키는 포일 제어 수단; 및
    상기 가변 포일의 탄성운동을 가이드하는 가이드 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 베인형 터빈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 베인은,
    인접한 가변 베인들 간에 서로 연결하여 움직임이 동시에 이루어질 수 있게 하는 링크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 베인형 터빈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가이드 수단은,
    상기 터빈 하우징에 형성된 가이드 슬롯과, 상기 가변 포일의 일측에 부착되고 상기 가이드 슬롯 내에 삽입되는 가이드 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 베인형 터빈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    일단은 상기 가이드 슬롯 내에 고정되고, 타단은 상기 가이드 핀에 고정되어 상기 가이드 핀에 탄성력을 작용하는 탄성 부재가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 가변 베인형 터빈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 포일 제어 수단은 상기 가변 포일의 일측에 소정의 각도를 이루면서 부착된 제어용 포일인 것을 특징으로 하는 가변 베인형 터빈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어용 포일은 상기 가변 포일에 15도 내지 20도의 각도를 이루면서 부착된 것을 특징으로 하는 가변 베인형 터빈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 포일 제어 수단은 상기 가변 포일의 일측에 소정의 각도를 이루면서 부착된 제어용 디퓨저인 것을 특징으로 하는 가변 베인형 터빈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어용 디퓨저는 상기 가변 포일에 15도 내지 20도의 각도를 이루면서 부착된 것을 특징으로 하는 가변 베인형 터빈.
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