KR101704306B1

KR101704306B1 - 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템

Info

Publication number: KR101704306B1
Application number: KR1020150188968A
Authority: KR
Inventors: 오경근; 문병영
Original assignee: 군산대학교산학협력단
Priority date: 2015-12-29
Filing date: 2015-12-29
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2035-12-29

Abstract

본 발명은 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템에 관한 것으로서, 하우징; 하우징을 따라 일방향으로 배치되는 샤프트; 샤프트에 배치되는 고정자; 및 고정자를 중심으로 전방 및 후방에 각각 배치되는 전방 레디얼 터빈 및 후방 레디얼 터빈;을 포함하고, 전방 레디얼 터빈은 보일러에서 발생된 폐열이 유입되는 입구와, 유입된 폐열을 압축하는 제1 블레이드를 구비하고, 후방 레디얼 터빈은 제1 블레이드와 마주보도록 배치되는 제2 블레이드와 압축된 폐열을 제2 블레이드를 통하여 배치되는 출구를 구비하고, 고정자는 반경방향을 향하여 복수의 날개가 형성되어 제1 블레이드에서 압축된 폐열이 제2 블레이드를 향하여 비틀어지지 않고 샤프트를 따라 일방향으로 이동시켜 압축된 폐열의 효율이 감소되는 것을 방지한다.
본 발명에 의하면, 폐열의 재활용을 통한 발전기 터빈의 회전 효율을 증대시킴으로써 발전 효율을 향상시킬 수 있으며, 보일러에서 발생하는 폐열을 서로 마주보도록 배치된 레디얼 터빈 사이에 고정자를 배치함으로써 폐열의 회수효율을 높여 에너지 효율 향상을 통한 농가용 온실난방 또는 소각로의 재가열 열원으로 사용함으로써 에너지 절감을 이룰 수 있다.

Description

레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템{Steam turbine system for recycling wasted heat using radial turbine}

본 발명은 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템에 관한 것으로서, 보일러에서 발생하는 폐열을 회수하여 재활용할 수 있는 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템에 관한 것이다.

전 세계적으로 전력수요는 매년 늘어나는 추세에 있다. 그러나 전력 공급능력은 전력의 수요를 따라 가지 못해 여름 또는 겨울 등 전력의 수요가 많은 시기에 전력 비상사태를 맞이하게 되는 경우가 있다.

전력의 주 공급은 원전을 통하여 많은 양이 공급되고 있지만, 우리나라뿐만 아니라 세계적으로 원전의 안정성에 대한 신뢰가 저하되고 있다. 이러한 이유로 하절기뿐만 아니라 동절기에는 전기난방의 기하급수적인 증가로 전력의 피크가 빈번하게 발생하며, 우리나라는 전력 수급의 어려움으로 많은 어려움에 처해 있다.

또한, 원유 및 천연가스를 이용한 발전을 통해 전력을 공급하기도 하지만, 이러한 화석연료는 매장자원의 한계가 있고, 원유 및 천연가스의 가격이 지속적으로 상승할수 있기 때문에 온실난방의 주요연료로 사용하는 것에 대한 부담이 있다. 이러한 이유로 대체에너지 발전의 중요성은 석유 수입국가인 우리나라에서 매우 중요한 이슈로 자리잡고 있다.

이러한 현실로 인하여 바이오 메스, 폐자원 등을 이용한 스팀보일러와 소형증기터빈 시스템이 결합된 농가전용 소형 터빈 발전의 개발과 보급이 절실히 필요하지만, 아직까지는 상용화 및 도입이 안되어 스팀 터빈 발전시스템에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

또한, 미활용 에너지를 이용하여 발전함으로써 사업장의 소비전력을 대체하거나 기존 한전송전망에 전력을 공급함으로써 분산 형전원 역할을 수행할 수도 있다.

종래 발전소의 순환 구조에서 각각의 구성요소에 대한 개략적인 기능을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 보일러(50)에서 가열된 물은 증기상태로 변화되어 터빈(53)으로 공급되고, 터빈(53)은 증기의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 장치이며, 에너지의 변환과정에서 증기의 열에너지는 소모되어 고온의 배기증기는 복수기(54)로 배출된다. 배기증기는 복수기(54)에서 응축되어 물의 상태로 변화하며, 이때 환원된 물은 복수펌프(57)를 통해 보일러(50)로 보내지며, 이와 같은 순환 과정을 되풀이 하게 된다.

또한, 한국공개특허 특2001-0010966호의 발전용 복수터빈의 폐열 회수방법을 살펴보면, 열교환기를 복수기 내에 설치하여 보충수를 순환시킴으로서 배기증기의 열을 재활용함은 물론 냉각장치의 열부하량을 경감할 수 있는 것에 대해서 개시한 바 있으나, 시설이 복잡하고 시스템 구축에 어려운 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 서로 마주보도록 배치된 레디얼 터빈 사이에 고정자를 배치하고, 전방 레디얼 터빈에서 후방 레디얼 터빈으로 폐열이 단계를 거처 이동하게 함으로써 폐열의 재활용을 통한 발전기 터빈의 회전 효율을 증대시킴으로써 발전 효율을 향상시킬 수 있는 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 폐열이 농가용 온실난방 또는 소각로에서 열원으로 재활용할 수 있도록 재공급함으로서 에너지 소비 절감 및 에너지 효율 향상을 증대시킬 수 있는 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 대기중에 버려지는 열 즉, 폐열을 재활용하여 온실가스발생량 감소를 통한 기후변화협약에 따른 의무 온실가스를 감축할 수 있는 다단 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템을 제공하는데 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 다단 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템은 보일러에서 발생하는 폐열을 이용하는 것으로서, 하우징; 하우징을 따라 일방향으로 배치되는 샤프트; 샤프트에 배치되는 고정자; 및 고정자를 중심으로 전방 및 후방에 각각 배치되는 전방 레디얼 터빈 및 후방 레디얼 터빈;을 포함하고, 전방 레디얼 터빈은 보일러에서 발생된 폐열이 유입되는 입구와, 유입된 폐열을 압축하는 제1 블레이드를 구비하고, 후방 레디얼 터빈은 제1 블레이드와 마주보도록 배치되는 제2 블레이드와 압축된 폐열을 제2 블레이드를 통하여 배치되는 출구를 구비하고, 고정자는 반경방향을 향하여 복수의 날개가 형성되어 제1 블레이드에서 압축된 폐열이 제2 블레이드를 향하여 비틀어지지 않고 샤프트를 따라 일방향으로 이동시켜 압축된 폐열의 효율이 감소되거나 버려지는 것을 방지한다.

여기서, 전방 레디얼 터빈의 입구 및 후방 레디얼 터빈에 마련된 출구는 하우징 외부로 돌출되어 형성될 수 있다.

여기서, 출구로 배출된 폐열은 농가용 온실난방 또는 소각로의 재가열 열원으로 사용될 수 있다.

본 발명에 의한 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템은 폐열의 재활용을 통한 발전기 터빈의 회전 효율을 증대시킴으로써 발전 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 보일러에서 발생하는 폐열을 서로 마주보도록 배치된 레디얼 터빈 사이에 고정자를 배치하고, 전방 레디얼 터빈에서 후방 레디얼 터빈으로 폐열이 단계(multi-stage)를 거처 이동하고, 고정자가 폐열의 회수효율을 높여 에너지 효율 향상을 통한 농가용 온실난방 또는 소각로의 재가열 열원으로 사용함으로써 에너지 절감을 이룰 수 있다.

또한, 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템은 발전분야의 기계 시장분야와 접목이 가능하여 소형터빈 제작을 통해 수입대체가 가능하며, 관련기반 기술개발의 상용화로 인한 제조업의 활성화를 이룰 수 있다.

또한, 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템은 폐열을 재활용함으로써 온실가스발생량을 감소시킬 수 있어 기후변화협약에 따른 온실가스 감축에 기여가 가능하다.

도 1은 종래의 보일러의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템 도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템의 구상도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템의 고정자에 따른 스팀의 이동방향을 나타내는 개념도이다.
도 4b는 도 4a의 비교예를 나타내는 개념도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "~상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 실험자 및 측정자와 같은 사용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템의 구상도이고, 도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템의 고정자에 따른 스팀의 이동방향을 나타내는 개념도이고, 도 4b는 도 4a의 비교예를 나타내는 개념도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템은 하우징(100), 샤프트(200), 고정자(300), 전방 레디얼 터빈(400) 및 후방 레디얼 터빈(500)을 포함하여 구성되는 것으로서, 보일러에서 발생하는 폐열을 재활용할 수 있도록 보일러와 일체로 구성되는 것이 바람직하며, 보일러의 일측면에 인접하여 배치될 수 있다. 따라서 보일러에서 발생하는 폐열을 전술한 구성을 통해 회수할 수 있는 구성이면, 보일러와 일체로 형성되거나 분리하는 것을 선택적으로 적용할 수 있다.

샤프트(200)는 하우징(100) 내부에 일방향을 따라 배치되며, 하우징(100)에는 후술하는 전방 레디얼 터빈(400), 고정자(300) 및 후방 레디얼 터빈(500)이 차례로 배치되며, 일련의 단계(multi-stage)를 수행할 수 있도록 배치된다. 즉, 전방 레디얼 터빈(400), 고정자(300) 및 후방 레디얼 터빈(500)은 일 방향을 따라 차례로 배치되어 일련의 단계(multi-stage)에서 폐열의 효율이 저감되는 것을 방지함으로써 터빈의 효율을 증대시킬 수 있다.

고정자(300)는 샤프트(200)에 관통하여 배치되고, 하우징(100)의 외주면에 고정될 수 있다. 고정자(300)는 반경 방향을 향하여 복수의 날개(blade)(200)가 형성된다. 이때, 복수의 날개는 전방 레디얼 터빈(400)에서 후방 레디얼 터빈(500)으로 유체, 즉, 폐열이 이동할 수 있도록 공간이 형성되고, 일정각도 비틀어져 형성된다.

고정자(300)는 전방 레디얼 터빈(400)에서 압축된 폐열의 이동이 샤프트(200)를 중심으로 일정각도 비틀어지지 않고, 샤프트(200)의 중심축을 따라 이동할 수 있도록 비틀어진 폐열의 흐름을 바로잡는 역할을 한다.

즉, 고정자(300)의 블레이드는 반경방향에서 일정각도 비틀어지도록 형성되어, 전방 레디얼 터빈(400)에서 일정각도 비틀어진 폐열이 고정자(300)의 날개를 통과하면서 각도가 비틀어지게 전환되어 제2 블레이드(520)와 마찰면이 증가되는 것을 방지해주고, 버려질 폐열의 유출각도가 후방 레디얼 터빈(500)의 회전속도를 증가시킬 수 있는 유입각도로 설정될 수 있게 한다. 따라서 제2 블레이드(520)에서 회전 효율이 저하되는 것이 방지된다.

만약, 고정자(300)가 미 장착되는 경우에는, 도 4b와 같이 전방 레디얼 터빈(400)에서 압축된 폐열이 비틀어진 상태로 제2 블레이드(520)로 이동하게 되고, 폐열과 제2 블레이드(520)와 마찰면이 증가하게 되며, 이로 인하여 제2 블레이드(520)의 회전 효율이 저하되어 제2 블레이드(520)의 회전효율이 감소하게 되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 후술하는 전방 레디얼 터빈(400) 및 후방 레디얼 터빈(500) 사이에 배치된 고정자(300)는 전술한 바와 같은 문제점이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

전방 레디얼 터빈(400)은 보일러에서 발생된 폐열을 유입하여 압축하고 이를 후방 레디얼 터빈(500)으로 이송시키는 역할을 하는 것으로서, 제1 블레이드(410) 및 입구(420)를 포함하여 구성된다.

제1 블레이드(410)는 전방을 향하여 배치되며, 복수의 날개가 반경방향을 향하여 배치된다. 여기서, 제1 블레이드(410)는 날개 일단이 샤프트(200)의 외주면에 인접하고, 타단이 반경방향을 향하여 하우징(100)의 내주면에 인접하도록 연장되어 배치된다. 이때, 제1 블레이드(410)는 회전방향을 향하여 비틀어지도록 형성된다.

입구(420)는 하우징(100)의 외부로 돌출되어 형성될 수 있으며, 입구(420)를 통과한 폐열의 압력에 의해서 샤프트(200)에 결합된 제1 블레이드(410)의 회전속도가 증가하면서 폐열을 압축하여 폐열이 전방으로 이동하게 된다.

이때, 제1 블레이드(410)를 통과한 폐열은 원심력 및 제1 블레이드(310)의 날개 형상으로 인해서 일방향으로 치우쳐서 이동하게 된다. 일방향으로 치우쳐서 이동한 폐열은 전술한 고정자(300)에 의해서 치우쳐진 각도가 비틀어지게 전환되며, 고정자(300)와 제2 블레이드(510)의 마찰면을 감소하여 제2 블레이드(510)의 효율이 감소하는 것을 방지할 수 있다.

후방 레디얼 터빈(500)은 전방 레디얼 터빈(500)에서 압축된 폐열로 제2 블레이드(510)의 회전효율을 높여 터빈의 출력을 높이고, 외부로 배출하는 역할을 하는 것으로서, 제2 블레이드(510) 및 출구(520)를 포함하여 구성된다.

출구(520)는 하우징(100)의 외부로 돌출되어 형성될 수 있으며, 제2 블레이드(510)는 전방을 향하여 배치된다. 여기서, 제2 블레이드(510)는 날개의 일단이 샤프트(200)의 외주면에 인접하고, 타단이 하우징(100)의 내주면에 인접하여 배치된다. 이때, 제2 블레이드(510)에서 폐열의 유출각도는 제1 블레이드(410)에서의 유출각도와 반대방향으로 비틀어지도록 형성된다.

즉, 제1 블레이드(410)와 제2 블레이드(510)는 고정자(300)를 중심으로 서로 마주보도록 배치된다. 제1 블레이드(410)에서 압축된 폐열은 제2 블레이드(510)의 회전 효율을 증가시키면서 출구(520)로 배출된다. 따라서 폐열은 터빈의 효율을 증가시키면서 출구(520)로 배출되어 농가용 온실난방 또는 소각로의 재가열 열원 등으로 사용될 수 있다.

이와 같이, 전방 레디얼 터빈(400), 고정자(300) 및 후방 레디얼 터빈(500)은 일 방향을 따라 차례로 배치되어 일련의 단계(multi-stage)에서 폐열이 감소되는 것을 방지한다. 즉, 서로 마주보도록 배치된 제1 블레이드(410)와 제2 블레이드(510) 사이에 고정자(300)를 배치되어 제1 블레이드(410)에서 압축된 폐열의 에너지가 감소되는 것을 방지하고, 폐열의 회수효율을 높여 에너지 효율 향상을 통한 농가용 온실난방 또는 소각로의 재가열 열원으로 사용함으로써 에너지 절감을 통한 환경오염 방지를 이룰 수 있다.

또한, 폐열의 재활용을 통한 전방 및 후방 레디얼 터빈(400)(500)의 회전 효율을 증대시킴으로써 발전 효율을 향상시켜 전력공급량을 증대시킬 수 있다.

또한, 폐열을 재활용함으로써 온실가스발생량을 감소시킬 수 있어 기후변화협약에 따른 의무 온실가스 감축에 기여가 가능하다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

100 : 하우징 200 : 샤프트
300 : 고정자 400 : 전방 레디얼 터빈
410 : 제1 블레이드 420 : 입구
500 : 후방 레디얼 터빈 510 : 제2 블레이드
520 : 출구

Claims

보일러에서 발생하는 폐열을 이용하는 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템에 있어서,
하우징(100);
상기 하우징을 따라 일방향으로 배치되는 샤프트(200);
상기 샤프트에 관통하여 배치되고 외주면이 상기 하우징 외주면에 고정되는 고정자(300); 및
상기 고정자(300)를 중심으로 전방 및 후방에 각각 배치되는 전방 레디얼 터빈(400) 및 후방 레디얼 터빈(500);을 포함하고,
상기 전방 레디얼 터빈(400)은 상기 보일러에서 발생된 폐열이 유입되는 입구(420)와, 상기 유입된 폐열을 압축하는 제1 블레이드(410)를 구비하고, 상기 후방 레디얼 터빈(500)은 상기 제1 블레이드(410)와 마주보도록 배치되는 제2 블레이드(510)와 압축된 상기 폐열을 상기 제2 블레이드를 통하여 배치되는 출구(520)를 구비하고,
상기 제1 블레이드(410)는,
일단이 상기 샤프트의 외주면에 인접하고 타단이 반경방향을 향하여 상기 하우징의 내주면에 인접하여 회전방향을 향하여 비틀어지도록 형성되고,
상기 제2 블레이드(510)는,
상기 제1 블레이드와 마주보도록 배치되어 일단이 상기 샤프트의 외주면에 인접하고 타단이 반경방향을 향하여 상기 하우징의 내주면에 인접하도록 배치되며,
상기 고정자(300)는,
전방 레디얼 터빈(400)에서 후방 레디얼 터빈(500)으로 폐열이 동할 수 있도록 공간이 형성되도록 복수의 날개가 반경방향을 향하여 소정각도 비틀어져 형성되고, 상기 제1 블레이드(410)를 통과할 때 일방향으로 치우쳐서 이동한 폐열의 각도를 상기 샤프트(200)의 중심을 따라 수평하게 이동할 수 있도록 전환시켜 상기 고정자(300)를 통과한 폐열과 제2 블레이드(520)와 마찰이 증가하는 것을 방지하여 상기 후방 레디얼 터빈(500)의 회전속도가 감소하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전방 레디얼 터빈(400)의 입구(420) 및 상기 후방 레디얼 터빈(500)에 마련된 출구(520)는 상기 하우징 외부로 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 하는 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템.
제1항에 있어서,
상기 출구(520)로 배출된 폐열은,
농가용 온실난방 또는 소각로의 재가열 열원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 레디얼 터빈을 이용한 폐열 회수 터빈 시스템.