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KR102115665B1 - 유기랭킨사이클용 소형 다단 터빈 - Google Patents

유기랭킨사이클용 소형 다단 터빈 Download PDF

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KR102115665B1
KR102115665B1 KR1020180115931A KR20180115931A KR102115665B1 KR 102115665 B1 KR102115665 B1 KR 102115665B1 KR 1020180115931 A KR1020180115931 A KR 1020180115931A KR 20180115931 A KR20180115931 A KR 20180115931A KR 102115665 B1 KR102115665 B1 KR 102115665B1
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inward radial
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axial
stage
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한국해양대학교 산학협력단
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Abstract

유기랭킨사이클(organic ranking cycle, ORC)용 소형 다단 터빈(multistage-turbine)을 제공한다. 일실시예에 따른 다단 터빈 장치는, 다단 터빈의 첫 번째 단을 구성하는 내향 반경류 터빈 및 상기 첫 번째 단 이후에 상기 내향 반경류 터빈의 디퓨저에 구성되어 상기 내향 반경류 터빈에서 상기 내향 반경류 터빈의 축(shaft)을 따라 상기 디퓨저가 있는 방향으로 유출되는 유체를 유입하여 동작하는 제1 축류 터빈을 포함할 수 있다.

Description

유기랭킨사이클용 소형 다단 터빈{COMPACT MULTISTAGE-TURBINE FOR ORGANIC RANKINE CYCLES}
아래의 설명은 유기랭킨사이클용 소형 다단 터빈에 관한 것이다.
유기랭킨사이클은 비등점이 낮은 유기매체를 이용한 동력사이클이다. 예를 들어, 한국등록특허 제10-1563629호는 유기랭킨사이클용 발전 시스템을 개시하고 있다. 비등점이 낮은 유기매체는 낮은 열원만으로 터빈을 구동하기에 충분한 압력의 가스로 비등한다. 이러한 이유에서 유기랭킨사이클을 이용한다면 그동안 경제성의 이유로 회수하지 않았던 중저온의 열원으로부터 효과적으로 발전을 할 수 있다.
그러나 유기매체의 음속은 스팀과 비교하여 낮은 단점을 갖는다. 일반적으로 터빈의 마하수는 0.85 이하로 제한된다. 높은 마하수는 터빈에서의 에너지 손실과 소음을 증가시키므로 가능한 피하는 것이 좋다. 그러므로 특히, 음속이 낮은 유기매체를 이용하는 유기랭킨사이클용 터빈을 설계할 때, 사용하고자 하는 유기매체의 음속을 파악하고 가능한 제한 이하의 마하수가 터빈에 형성되도록 고려하는 것이 필수적이다.
터빈의 마하수는 터빈에 요구되는 열낙차와 밀접한 관련이 있다. 열낙차가 높은 터빈에서는 높은 마하수를 요구한다. 전통적으로 높은 열낙차가 요구되는 동력사이클의 터빈은 다단으로 터빈을 형성한다. 각 단은 일부의 열낙차만을 실현하면 되므로 각 단의 마하수는 비교적 낮게 형성될 수 있다.
유기랭킨사이클용 터빈으로는 단위 질량유량 당 출력이 높아 터빈의 소형화를 도모할 수 있는 내향 반경류 터빈이 주로 이용되고 있다. 그러나, 내향 반경류 터빈의 적용은 제한적이다. 내향 반경류 터빈은 입출구의 압력비가 5 이하, 마하수 0.85 이하일 경우에만 일반적으로 적용되고 있다. 또한 내향 반경류 터빈은 구조상 다단으로 터빈을 구성할 경우 터빈의 크기가 커지고 복잡한 유로로 인한 손실이 증가하는 문제점을 갖는다. 즉, 유기랭킨사이클용 내향 반경류 터빈은 소형화를 실현할 수 있는 터빈 형식이라는 장점에도 불구하고 유기매체가 갖는 낮은 음속, 그리고 내향 반경류 터빈의 마하수 제한, 구조적으로 다단으로 형성하기 용이하지 않다는 단점을 가지므로 내향 반경류 터빈을 적용할 수 있는 유기랭킨사이클의 운전 조건은 제한적이다.
본 발명의 실시예들은 터빈에 요구되는 높은 열낙차로 인하여 다단으로 터빈을 형성해야 하는 유기랭킨사이클용 고효율 다단 터빈 장치의 소형화를 목적으로 한다.
유기랭킨사이클(organic ranking cycle, ORC)을 위한 다단 터빈(multistage-turbine) 장치에 있어서, 다단 터빈의 첫 번째 단을 구성하는 내향 반경류 터빈; 및 상기 첫 번째 단 이후에 상기 내향 반경류 터빈의 디퓨저에 구성되어 상기 내향 반경류 터빈에서 상기 내향 반경류 터빈의 축(shaft)을 따라 상기 디퓨저가 있는 방향으로 유출되는 유체를 유입하여 동작하는 제1 축류 터빈을 포함하는 다단 터빈 장치를 제공한다.
일측에 따르면, 상기 내향 반경류 터빈 및 상기 제1 축류 터빈은 로터 허브(rotor hub) 및 상기 축을 공유하도록 구현되는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 내향 반경류 터빈에서 상기 디퓨저가 있는 방향으로 유출되는 유체가 상기 디퓨저 내에서 상기 공유된 로터 허브에 배열되는 상기 제1 축류 터빈의 날개들(vanes)에 작용하여 상기 디퓨저 내에서 상기 공유된 축에 회전 에너지를 전달하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 내향 반경류 터빈의 제1 로터 허브 및 제1 축과 구별되는 상기 제1 축류 터빈의 제2 로터 허브 및 제2 축이 상기 내향 반경류 터빈의 디퓨저 내부에 구현되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 내향 반경류 터빈에서 상기 디퓨저가 있는 방향으로 유출되는 유체가 상기 디퓨저 내에서 상기 제1 축류 터빈의 상기 제2 로터 허브에 배열된 날개들에 작용하여 상기 디퓨저 내에서 상기 제1 축류 터빈의 상기 제2 축에 회전 에너지를 전달하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 축류 터빈이 포함하는 날개들의 폭 및 길이 중 적어도 하나가 상기 내향 반경류 터빈의 디퓨저의 크기 및/또는 구조 중 적어도 하나에 따라 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 다단 터빈 장치는 상기 디퓨저에 구성되는 제1 축류 터빈의 후단에 연결되는 적어도 하나의 제2 축류 터빈을 더 포함할 수 있다.
유기랭킨사이클(organic ranking cycle, ORC)을 위한 다단 터빈(multistage-turbine) 장치에 있어서, 다단 터빈의 첫 번째 단을 구성하는 내향 반경류 터빈; 및 상기 첫 번째 단 이후에서 상기 내향 반경류 터빈의 로터 허브 및 축을 공유하여 상기 공유된 로터 허브에 날개들이 배열되는 제1 축류 터빈을 포함하는 다단 터빈 장치를 제공한다.
첫 번째 단에 내향 반경류 터빈이 형성되고, 상기 첫 번째 단 이후에 축류 터빈이 형성되는 것을 특징으로 하는 유기랭킨사이클용 다단 터빈 장치를 제공한다.
터빈에 요구되는 높은 열낙차로 인하여 다단으로 터빈을 형성해야 하는 유기랭킨사이클용 고효율 다단 터빈 장치를 소형화할 수 있다.
첫 번째 단에 내향 반경류 터빈을 구성하고, 첫 번째 단 이후에 축류 터빈을 구성함으로써, 내향 반경류 터빈의 소형화 장점과 다단 구성이 용이한 축류 터빈의 장점을 동시에 실현할 수 있다.
축류 터빈이 내향 반경류 터빈의 로터 허브와 축을 공유하도록 함으로써, 고효율 다단 터빈을 소형화할 수 있다.
내향 반경류 터빈의 디퓨저내에 축류 터빈을 구현함으로써, 축류 터빈을 위한 유로를 생략할 수 있어 다단 터빈 장치를 소형화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다단 터빈 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 유기랭킨사이클용 다단 터빈의 구조의 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 유기랭킨사이클용 다단 터빈의 구조의 다른 예를 도시한 도면이다.
이하, 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
반경류 터빈(radial flow turbine)은 증기 또는 가스 등 작동 유체가 회전축과 직각을 이루는 평면 내에서 반지름 방향으로 흘러 로터 깃(blade, 날개차)을 회전시키는 형식의 터빈이다. 이러한 반경류 터빈은 외향 반경류 터빈(radial outflow turbine)과 내향 반경류 터빈(radial inflow turbine)으로 구분할 수 있다. 외향 반경류 터빈은 증기 또는 가스 등이 중심으로 들어가서 반지름 방향으로 흐르고, 내향 반경류 터빈은 증기 또는 가스 등이 반지름 방향으로 바깥 둘레에서 안쪽을 향하여 흘러 터빈의 로터 깃을 구동시킬 수 있다.
내향 반경류 터빈에서 유체는 볼류트(volute)에서 노즐(nozzle)을 통해 반경 방향으로 로터로 유입될 수 있으며, 내향 반경류 터빈의 축(shaft)을 따라 내향 반경류 터빈의 디퓨저(diffuser)가 있는 방향으로 유출될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다단 터빈 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예들에서는 유기랭킨사이클(organic ranking cycle, ORC)을 위한 다단 터빈(multistage-turbine) 장치(100)의 1단에 단위 질량 유량당 출력이 높아 소형화를 실현할 수 있는 내향 반경류 터빈(110)을 배치할 수 있다. 이때, 1단에 배치된 내향 반경류 터빈(110) 이후에는 다단 터빈에 유리한 축류 터빈(Axial turbine, 120)을 구성할 수 있다. 축류 터빈(120)은 유체가 축을 따라 흐르게 되어 있는 터빈으로, 내향 반경류 터빈(110)의 축을 따라 디퓨저(diffuser)가 있는 방향으로 유출되는 유체가 디퓨저에 구성된 축류 터빈(120)의 축을 따라 흐르게 된다. 다시 말해, 본 발명의 실시예들에 따른 유기랭킨사이클을 위한 다단 터빈 장치(100)는 다단 터빈의 첫 번째 단을 구성하는 내향 반경류 터빈(110) 및 첫 번째 단 이후에 내향 반경류 터빈에서 축을 따라 디퓨저가 있는 방향으로 유출되는 유체를 유입하여 동작하는 축류 터빈(120)을 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 다단 터빈 장치의 구성을 통해 내향 반경류 터빈의 소형화 장점과 다단 구성이 용이한 축류 터빈의 장점을 동시에 실현하고 또한 유로의 단순화를 꾀하여 다단 터빈 장치의 고효율화를 도모할 수 있다. 실시예에 따라, 축류 터빈(제1 축류 터빈, 120)의 후단에 적어도 하나의 제2 축류 터빈이 더 연결되어 셋 이상의 단들을 형성할 수도 있다.
한편, 축류 터빈(120)은 내향 반경류 터빈(110)의 디퓨저(diffuser) 내부에 구성될 수 있다. 이 경우, 축류 터빈(120)의 유로를 디퓨저의 유로가 대체하게 됨에 따라 축류 터빈(120)의 유로를 생략할 수 있어 다단 터빈 장치(100)을 추가적으로 소형화할 수 있게 된다. 이때, 내향 반경류 터빈(110)의 디퓨저를 축류 터빈(120)의 유로로 활용하기 위해, 축류 터빈(120)의 날개들의 크기(폭 및/또는 길이)가 내향 반경류 터빈(110)의 디퓨저의 크기 및/또는 구조에 영향을 받게 된다. 다시 말해, 축류 터빈(120)의 날개들의 크기가 내향 반경류 터빈(110)의 디퓨저의 크기 및/또는 구조에 기초하여 결정될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 유기랭킨사이클용 다단 터빈의 구조의 예를 도시한 도면이다. 도 2는 공통 축 타입(Common shaft type)을 갖는 다단 터빈 장치의 구조 예로서, 1단의 내향 반경류 터빈과 그 후단의 축류 터빈이 로터 허브(Rotor hub) 및 축(Shaft)을 공유하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 2에서 제1 점선박스(210)는 도 2의 실시예에 따른 다단 터빈 장치의 1단(첫 번째 단)을 구성하는 내향 반경류 터빈의 예를 나타내고 있다. 유체는 볼류트(Volute, 211)에서 노즐(Nozzle, 212)을 통해 반경 방향으로 유입될 수 있으며, 이때 유체는 로터 허브(Rotor hub, 213), 축(Shaft, 214) 및 로터 날개(Rotor vane, 215)를 포함하는 내향 반경류 터빈의 로터(rotor)로 유입될 수 있다. 이 경우, 유체의 에너지는 로터 허브(213)상에 배열된 로터 날개(215)에 의해 회전 에너지로 변환되어 축(214)에 전달될 수 있다. 이후 유체는 축(214)을 따라 디퓨저(Diffuser, 216)가 있는 방향으로 배출될 수 있다. 이때, 도 2에서 제2 점선박스(220)는 내향 반경류 터빈과 로터 허브(213) 및 축(214)을 공유하는 축류 터빈의 예를 나타내고 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 축류 터빈의 날개들(로터 날개(Roter vane, 221), 노즐 날개(Nozzle vane, 222) 및 유입 안내 날개(Inlet Guide Vane, IGV, 223))은 내향 반경류 터빈과 공유된 로터 허브(213)에 배열될 수 있다. 이때, 내향 반경류 터빈에서 축(214)을 따라 디퓨저(216)가 있는 방향으로 배출되는 유체가 축류 터빈의 날개들(로터 날개(221), 노즐 날개(222) 및 유입 안내 날개(223))에 작용함으로써, 공유된 축(214)에 추가로 회전 에너지를 전달할 수 있게 된다.
이때, 실시예에 따라 축류 터빈은 내향 반경류 터빈의 디퓨저(216) 내에 구현될 수 있다. 축류 터빈을 내향 반경류 터빈의 디퓨저(216) 내에 구현하는 경우, 내향 반경류 터빈의 소형화 장점과 축류 터빈의 다단 구성이 용이한 축류 터빈의 장점을 동시에 실현할 수 있으며, 또한 축류 터빈을 위한 유로를 생략할 수 있기 때문에(내향 반경류 터빈의 디퓨저(216)가 축류 터빈의 유로를 형성하기 때문에), 다단 터빈 장치를 보다 소형화할 수 있게 된다. 이때, 앞서 설명한 바와 같이, 축류 터빈이 내향 반경류 터빈의 디퓨저(216) 내에 구현되기 때문에, 축류 터빈의 날개들(로터 날개(221), 노즐 날개(222) 및 유입 안내 날개(223))의 크기(폭 및/또는 길이)는 디퓨저(216)의 크기 및/또는 구조에 기초하여 설계될 수 있다. 도 1에서는 공유된 로터 허브(213)에 배열되는 축류 터빈의 날개들(로터 날개(221), 노즐 날개(222) 및 유입 안내 날개(223)) 각각의 크기가 디퓨저(216)를 축류 터빈의 유로로서 활용함에 따라 디퓨저(216)의 크기 및/또는 구조에 맞게 설계된 예를 나타내고 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 유기랭킨사이클용 다단 터빈의 구조의 다른 예를 도시한 도면이다. 도 3은 개별 축 타입(Separate shaft type)을 갖는 다단 터빈의 구조 예로서, 1단의 내향 반경류 터빈과 그 후단의 축류 터빈이 별도의 축으로 구성될 수 있다. 다시 말해, 내향 반경류 터빈의 제1 로터 허브 및 제1 축과 구별되는 축류 터빈의 제2 로터 허브 및 제2 축이 축류 터빈에 포함되도록 축류 터빈이 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 3에서 제1 점선박스(310)는 도 3의 실시예에 따른 다단 터빈 장치의 1단(첫 번째 단)을 구성하는 내향 반경류 터빈의 예를 나타내고 있다. 유체는 볼류트(311)에서 노즐(312)을 통해 반경 방향으로 유입될 수 있으며, 이때, 유체는 제1 로터 허브(First rotor hub, 313), 제1 축(First shaft, 314) 및 로터 날개(315)를 포함하는 내향 반경류 터빈의 로터로 유입될 수 있다. 이 경우, 유체의 에너지는 제1 로터 허브(314)상에 배열된 로터 날개(315)에 의해 회전 에너지로 변환되어 제1 축(315)에 전달될 수 있다. 이후 유체는 축(315)을 따라 디퓨저(316)가 있는 방향으로 배출될 수 있다. 이때, 도 3에서 제2 점선박스(320)는 내향 반경류 터빈의 디퓨저(316) 내에 형성된 축류 터빈의 예를 나타내고 있다. 이때, 축류 터빈은 내향 반경류 터빈의 제1 로터 허브(313) 및 제1 축(314)과는 별도로 제2 로터 허브(321) 및 제2 축(322)을 포함할 수 있다. 이 경우, 도 3에 도시된 축류 터빈의 날개들(로터 날개(323), 노즐 날개(324) 및 유입 안내 날개(325))은 축류 터빈의 제2 로터 허브(321)에 배열될 수 있다. 이 경우, 디퓨저(316)로 배출되는 유체가 제2 로터 허브(321)에 배열된 축류 터빈의 날개들(로터 날개(323), 노즐 날개(324) 및 유입 안내 날개(325))에 작용하여 제2 축(322)에 회전 에너지를 전달할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에서도 축류 터빈은 내향 반경류 터빈의 디퓨저(316) 내에 형성될 수 있으며, 축류 터빈을 위한 유로를 생략할 수 있기 때문에(내향 반경류 터빈의 디퓨저(316)가 축류 터빈의 유로를 형성하기 때문에), 다단 터빈 장치를 보다 소형화할 수 있게 된다. 이때, 앞서 설명한 바와 같이, 축류 터빈이 내향 반경류 터빈의 디퓨저(316) 내에 구현되기 때문에, 축류 터빈의 날개들(로터 날개(323), 노즐 날개(324) 및 유입 안내 날개(325))의 크기(폭 및/또는 길이)는 디퓨저(316)의 크기 및/또는 구조에 기초하여 설계될 수 있다. 도 3에서는 제2 로터 허브(321)에 배열된 축류 터빈의 날개들(로터 날개(323), 노즐 날개(324) 및 유입 안내 날개(325)) 각각의 크기가 디퓨저(316)를 축류 터빈의 유로로서 활용함에 따라 디퓨저(316)의 크기 및/또는 구조에 맞게 설계된 예를 나타내고 있다.
이처럼, 첫 번째 단에 내향 반경류 터빈을 구성하고, 첫 번째 단 이후에 축류 터빈을 구성함으로써, 내향 반경류 터빈의 소형화 장점과 다단 구성이 용이한 축류 터빈의 장점을 동시에 실현할 수 있다.
또한, 축류 터빈이 내향 반경류 터빈의 로터 허브와 축을 공유하도록 함으로써, 고효율 다단 터빈 장치를 소형화할 수 있다.
또한, 내향 반경류 터빈의 디퓨저내에 축류 터빈을 구현함으로써, 축류 터빈을 위한 유로를 생략할 수 있어 다단 터빈 장치를 소형화할 수 있을 뿐만 아니라, 내향 반경류 터빈에서 축류 터빈으로 이어지는 유로가 간단해지기 때문에 에너지 손실을 최소화할 수 있고, 터빈의 고효율을 달성할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (10)

  1. 유기랭킨사이클(organic ranking cycle, ORC)을 위한 다단 터빈(multistage-turbine) 장치에 있어서,
    다단 터빈의 첫 번째 단을 구성하는 내향 반경류 터빈; 및
    상기 첫 번째 단 이후에 상기 내향 반경류 터빈의 디퓨저에 구성되어 상기 내향 반경류 터빈에서 상기 내향 반경류 터빈의 축(shaft)을 따라 상기 디퓨저가 있는 방향으로 유출되는 유체를 유입하여 동작하는 제1 축류 터빈
    을 포함하고,
    상기 제1 축류 터빈이 포함하는 날개들의 폭 및 길이가 상기 내향 반경류 터빈의 디퓨저의 크기 및 구조에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 다단 터빈 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내향 반경류 터빈 및 상기 제1 축류 터빈은 로터 허브(rotor hub) 및 상기 축을 공유하도록 구현되는 것을 특징으로 하는 다단 터빈 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 내향 반경류 터빈에서 상기 디퓨저가 있는 방향으로 유출되는 유체가 상기 디퓨저 내에서 상기 공유된 로터 허브에 배열되는 상기 제1 축류 터빈의 날개들(vanes)에 작용하여 상기 디퓨저 내에서 상기 공유된 축에 회전 에너지를 전달하는 것을 특징으로 하는 다단 터빈 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내향 반경류 터빈의 제1 로터 허브 및 제1 축과 구별되는 상기 제1 축류 터빈의 제2 로터 허브 및 제2 축이 상기 내향 반경류 터빈의 디퓨저 내부에 구현되는 것을 특징으로 하는 다단 터빈 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 내향 반경류 터빈에서 상기 디퓨저가 있는 방향으로 유출되는 유체가 상기 디퓨저 내에서 상기 제1 축류 터빈의 상기 제2 로터 허브에 배열된 날개들에 작용하여 상기 디퓨저 내에서 상기 제1 축류 터빈의 상기 제2 축에 회전 에너지를 전달하는 것을 특징으로 하는 다단 터빈 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 디퓨저에 구성되는 제1 축류 터빈의 후단에 연결되는 적어도 하나의 제2 축류 터빈
    을 더 포함하는 다단 터빈 장치.
  8. 유기랭킨사이클(organic ranking cycle, ORC)을 위한 다단 터빈(multistage-turbine) 장치에 있어서,
    다단 터빈의 첫 번째 단을 구성하는 내향 반경류 터빈; 및
    상기 첫 번째 단 이후에서 상기 내향 반경류 터빈의 로터 허브 및 축을 공유하여 상기 공유된 로터 허브에 날개들이 배열되는 제1 축류 터빈
    을 포함하고,
    상기 제1 축류 터빈이 포함하는 날개들의 폭 및 길이가 상기 내향 반경류 터빈의 디퓨저의 크기 및 구조에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 다단 터빈 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 내향 반경류 터빈의 축을 따라 상기 내향 반경류 터빈의 디퓨저가 있는 방향으로 유출되는 유체가 상기 제1 축류 터빈으로 유입되어 상기 공유된 로터 허브에 배열된 날개들에 작용됨에 따라 상기 제1 축류 터빈이 동작하는 것을 특징으로 하는 다단 터빈 장치.
  10. 삭제
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