KR20120047709A - 반작용식 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 반작용식 터빈은, 입구와 출구 사이에 하우징유로를 갖는 하우징과, 상기 하우징에 회전 가능하게 결합되어 회전력을 전달하는 터빈축과, 상기 터빈축에 결합되고 상기 하우징의 하우징유로에 회전 가능하게 배치되며 원주방향으로 고압 유체를 분사하면서 회전력을 발생하도록 복수 개의 원주방향 분사구멍이 내부에 형성되는 한 개 이상의 노즐조립체로 구성함으로써, 서로 다른 용량의 터빈을 제작할 때 부품을 공유하기가 용이할 뿐만 아니라 각 부품의 조립이 용이하고 터빈축의 편심회전을 미연에 방지하여 반작용식 터빈의 내구성이 크게 향상될 수 있다. 또, 각 부품의 조립이 용이하면서도 분사구멍의 길이가 길어 효율이 향상되므로 터빈의 소형화 및 고효율화를 실현할 수 있다.

Description

반작용식 터빈{REACTION TYPE TURBINE}

본 발명은 스팀이나 가스 또는 압축공기를 이용하는 반작용식 터빈에 관한 것이다.

일반적으로 스팀터빈(steam turbine)은 스팀이 가진 열에너지를 기계적 일로 변환시키는 원동기 방식의 하나이다. 상기 스팀터빈은 진동이 적고, 능률이 좋으며, 고속ㆍ큰 마력을 얻을 수 있기 때문에 화력발전이나 선박의 주기관으로 널리 사용되고 있다.

상기 스팀터빈은 보일러에서 발생시킨 고온고압의 스팀을 노즐 또는 고정된 날개로부터 분출,팽창시켜 고속의 스팀유동을 발생시키고, 이 고속의 스팀유동을 터빈날개로 유도하여 그 터빈날개에 부딪칠 때 발생되는 충동작용 또는 반동작용에 의하여 축을 회전시키는 것이다. 따라서 상기 스팀터빈은 스팀이 가지는 열에너지를 속도에너지로 바꾸는 복수 개의 노즐과, 상기 복수 개의 노즐과 나란하게 배치되어 속도에너지를 기계적 일로 바꾸는 복수 개의 터빈날개를 포함하고 있다.

상기와 같은 스팀터빈은, 고압의 스팀이 보일러에서 스팀실로 유입되어 팽창되고, 이 고압의 스팀이 상기 증기실의 각 노즐과 터빈날개를 통과하면서 그 터빈날개와 결합되는 터빈축을 회전시킨 후 배기실로 이동하게 된다. 상기 고압의 스팀은 각 노즐과 터빈날개를 통과하는 과정에서 팽창되어 저압상태로 변환되고, 이 저압상태의 스팀은 배기실에서 복수기(復水器)로 유입되어 냉각되었다가 다시 급수펌프에 의해 보일러에 되돌려지거나 또는 대기 중으로 배출되는 것이었다.

하지만, 상기와 같은 종래의 스팀터빈은, 그 특성상 고속의 스팀유동이 고속으로 회전하는 터빈날개에 부딪히면서 회전력을 발생하게 되므로 스팀에 응축수가 섞이는 경우 상기 터빈날개가 손상될 수 있다. 그러므로 상기 터빈날개로 유입되는 스팀에 응축수가 생기지 않도록 관리하여야 하는 것은 물론, 상기 터빈날개는 높은 강도를 가지는 고가의 재질로 제작하여야 하므로 제조비용이 상승하게 되는 문제점이 있었다.

또, 상기 터빈축을 회전시키는 힘은 상기 터빈날개에 입사되는 스팀의 운동량에 비례하고, 이 스팀의 운동량은 상기 터빈날개의 개수 및 표면적, 스팀의 입사각도 등 여러 요소에 의해 결정된다. 하지만 상기 터빈날개에 부딪친 스팀은 속도와 방향 모두가 달라지므로 이를 모두 고려하여 상기 날개의 형상, 각도 등을 적절하게 설계하기가 상당히 난해하여 고효율의 터빈을 제작하는데 한계가 있었다.

또, 다수 개의 터빈날개가 하우징으로 감싸져 회전하게 되므로 그 터빈날개의 끝부분과 상기 하우징의 내주면 사이에는 상기 터빈날개의 열팽창 등을 고려한 여유간격을 두어야 한다. 하지만, 상기 여유간격으로 스팀이 누설되어 압력손실이 증가하게 되고 이로 인해 터빈의 열효율이 저하되는 문제점도 있었다.

상기와 같은 문제점들을 고려하여 본 출원인이 2007년 3월 27일자로 출원한 "반작용식 터빈(등록번호: 제10-0905963호, 이하 선행기술1.)" 및 2007년 10월 11일자로 출원한 "반작용식 터빈(공개번호: 제10-2009-0037201호, 이하 선행기술2.)"이 각각 알려져 있다.

즉, 선행기술1.과 선행기술2.는 적어도 한 개 이상, 바람직하게는 복수 개의 분사실이 구비되는 하우징에 스팀을 원주방향으로 분사하면서 그 스팀의 분사에 대한 반작용으로 회전을 하는 적어도 한 개 이상의 분사회전부를 설치하고, 상기 분사회전부에 터빈축을 결합하여 그 터빈축이 상기 분사회전부와 함께 회전을 하면서 회전력을 다른 장치로 전달하도록 구성되는 것이다.

상기와 같은 선행기술들의 스팀터빈은 스팀속에 응축수가 발생되더라도 그 응축수와의 충돌로 인한 부품의 손상을 미연에 방지할 수 있고, 이를 통해 스팀의 관리를 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라 저렴한 재료를 사용하며 조립공정을 간소화하여 제조비용을 저감할 수 있다. 또, 스팀에 의한 운동량의 결정 요소를 간소화하여 고효율의 터빈을 용이하게 제작할 수 있고, 스팀의 압력손실을 줄여 터빈의 열효율을 높일 수 있는 효과가 있는 것이다.

그러나, 상기와 같은 선행기술들의 스팀터빈은, 앞서 설명한 장점에도 불구하고 스팀의 입구단에서 출구단 방향으로 터빈축 또는 챔버의 직경 등 각 부품들의 규격이 상이하여 서로 다른 용량의 터빈을 제작할 때 부품을 공유하기가 곤란하다는 단점이 있었다.

또, 선행기술들의 스팀터빈은, 터빈축 또는 챔버에 다수 개의 분사관들을 용접하여 낱개로 결합하는 경우에는 그 분사관들을 낱개로 결합하기가 어려울 뿐만 아니라, 상기 분사관들을 용접 결합할 때 발생되는 용접비드(welding bead)에 의해 무게중심이 균일하게 이루어지지 않으면서 터빈축의 편심회전이 발생될 수 있었다.

또, 선행기술들의 스팀터빈은, 터빈축 또는 챔버에 다수 개의 분사구를 형성하는 경우에는 그 분사구의 길이가 짧아 각 분사구에서 충분한 동력을 발생하지 못하게 되고 이로 인해 터빈의 효율이 낮아 결국 터빈의 크기가 커지는 단점이 있었다.

또, 선행기술들의 스팀터빈은, 스팀이 터빈축의 한 쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동하도록 구성됨에 따라 터빈축이 스팀에 의해 축방향으로 편하중을 받으면서 터빈의 축방향 마찰이 증가하게 되는 단점이 있었다.

또, 선행기술들의 스팀터빈은, 스팀의 분사방향이 고정되어 터빈축의 회전방향을 전환하지 못하는 단점이 있었다.

본 발명은, 서로 다른 용량의 터빈을 제작할 때 부품을 공유하기가 용이하여 다양한 용량의 반작용식 터빈을 제공하려는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 각 부품의 조립이 용이하고 터빈축의 편심회전을 미연에 방지하여 반영구적인 반작용식 터빈을 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적은, 각 부품의 조립이 용이하면서도 효율이 높아 전체 터빈의 크기가 축소될 수 있는 반작용식 터빈을 제공하려는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 스팀의 축방향 부하를 상쇄시켜 터빈의 축방향 마찰을 감쇄시킬 수 있는 반작용식 터빈을 제공하려는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 스팀의 분사방향을 전환할 수 있도록 하여 터빈축이 정회전 또는 역회전할 수 있는 반작용식 터빈을 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 터빈축; 및 작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 분사구멍이 내부에 형성되고 상기 터빈축의 축방향을 따라 적층되어 일체로 결합되는 복수 개의 노즐조립체;를 포함하는 반작용식 터빈이 제공된다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 하우징입구와 하우징출구가 형성되고, 상기 하우징입구로 유입되는 고압의 작동유체가 상기 하우징출구 방향으로 이동할 수 있도록 상기 하우징입구와 하우징출구 사이를 연통시키는 하우징유로가 형성되는 하우징; 상기 하우징에 회전 가능하게 결합되는 터빈축; 및 상기 하우징유로에 회전 가능하게 수용되어 상기 터빈축에 일체로 결합되고, 상기 작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 분사구멍을 갖는 적어도 한 개 이상의 노즐조립체;를 포함하고, 상기 노즐조립체는 복수 개의 판이 겹쳐져 결합되고 그 겹쳐진 면에 상기 분사구멍이 형성되는 반작용식 터빈이 제공된다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 하우징입구와 하우징출구가 형성되고, 상기 하우징입구로 유입되는 고압의 작동유체가 상기 하우징출구 방향으로 이동할 수 있도록 상기 하우징입구와 하우징출구 사이를 연통시키는 하우징유로가 형성되는 하우징; 상기 하우징에 회전 가능하게 결합되는 터빈축; 및 상기 하우징유로에 회전 가능하게 수용되어 상기 터빈축에 일체로 결합되고, 상기 작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 분사구멍을 갖는 적어도 한 개 이상의 노즐조립체;를 포함하고, 상기 하우징입구와 하우징출구 중에서 적어도 어느 한 개는 복수 개가 구비되어 상기 터빈축의 축방향을 따라 서로 대칭되도록 형성되는 반작용식 터빈이 제공된다.

본 발명의 반작용식 터빈은, 서로 다른 용량의 터빈을 제작할 때 부품을 공유하기가 용이할 뿐만 아니라 각 부품의 조립이 용이하고 터빈축의 편심회전을 미연에 방지하여 반작용식 터빈의 내구성이 크게 향상될 수 있다. 또, 각 부품의 조립이 용이하면서도 분사구멍의 길이가 길어 효율이 향상되므로 터빈의 소형화 및 고효율화를 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명 반작용식 터빈의 외관을 보인 사시도,
도 2는 도 1에 따른 반작용식 터빈에서 중간을 분리하여 보인 사시도,
도 3은 도 1에 따른 반작용식 터빈을 분해하여 보인 사시도,
도 4는 도 1에 따른 반작용식 터빈을 조립하여 보인 단면도,
도 5는 도 1에 따른 반작용식 터빈에서 제3 하우징의 내주면을 보인 확대도,
도 6은 도 1에 따른 반작용식 터빈에서 단위 노즐조립체를 분해하여 보인 사시도,
도 7은 도 6에 따른 단위 노즐조립체를 조립하여 보인 단면도,
도 8은 도 6에 따른 단위 노즐조립체에서 노즐커버를 보인 평면도,
도 9는 도 8의 "I-I"선 단면도,
도 10은 도 6에 따른 단위 노즐조립체에서 노즐플레이트를 보인 평면도,
도 11 내지 도 14는 도 1에 따른 노즐조립체의 노즐플레이트에서 스팀의 유동순서별 분사연통구의 개수(단면적) 변화를 보인 평면도,
도 15는 본 발명에 따른 반작용식 터빈의 다른 실시예를 보인 단면도,
도 16은 본 발명에 의한 반작용식 터빈에서 양방향 회전이 가능한 반작용식 터빈을 보인 단면도.

이하, 본 발명에 의한 반작용식 터빈을 첨부도면에 도시된 실시예들에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명 반작용식 터빈의 외관을 보인 사시도이고, 도 2는 도 1에 따른 반작용식 터빈에서 중간을 분리하여 보인 사시도이며, 도 3은 도 1에 따른 반작용식 터빈을 분해하여 보인 사시도이고, 도 4는 도 1에 따른 반작용식 터빈을 조립하여 보인 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 반작용식 스팀터빈은, 하우징(10)에 터빈축(20)이 회전 가능하게 결합되고, 상기 터빈축(20)에는 작동유체인 고압의 스팀이 팽창하면서 회전하도록 분사구멍(301)을 갖는 적어도 한 개 이상의 노즐조립체(30)가 상기 하우징의 내부에서 축방향을 따라 적층되어 이루어진다.

상기 하우징(10)은 스팀이 유입되도록 적어도 한 개 이상의 하우징입구(101)를 갖는 입구측 하우징(이하, 제1 하우징)(110)과, 상기 제1 하우징(110)의 타측에 소정의 간격을 두고 배치되며 팽창된 저압의 스팀이 대기 중으로 배출되거나 또는 재순환을 위해 배출되도록 적어도 한 개 이상의 하우징출구(102)를 갖는 출구측 하우징(이하, 제2 하우징)(120)과, 상기 제1 하우징(110)과 제2 하우징(120) 사이에 구비되어 상기 노즐조립체(30)가 회전할 수 있도록 하우징유로(또는 팽창공간)(103)를 형성하는 적어도 한 개 이상의 중간 하우징(이하, 제3 하우징)(130)으로 이루어진다.

상기 제1 하우징(110)은 그 일측면에 흡입유로홈을 갖으며 그 흡입유로홈의 중앙에 터빈축을 지지하도록 축수구멍을 갖는 단일체로 형성될 수도 있으나, 도면에서와 같이 흡입공간(1111)을 갖도록 환형으로 형성되고 그 흡입공간(1111)의 일측에 상기 하우징입구(101)가 관통 형성되는 흡입하우징(suction housing)(111)과, 상기 흡입하우징(111)의 일측을 복개하여 상기 흡입공간(1111)을 형성하고 그 중앙에 축수구멍(1121)이 형성되는 전면커버(front cover)(112)와, 상기 전면커버(112)의 일측면에 체결되고 후술할 제1 베어링(51)이 체결되어 고정되는 베어링커버(bearing cover)(113)로 이루어진다.

상기 흡입하우징(111)은 상기 흡입공간(1111)이 원형공간을 이루도록 환형으로 형성되고, 상기 하우징입구(101)는 그 단면적이 상기 하우징출구(102)의 전체 단면적 보다는 작게 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

상기 전면커버(112)는 상기 흡입하우징(111)의 흡입공간(1111)을 복개할 수 있을 정도의 넓이를 갖는 원판모양으로 형성되고, 그 중앙에는 상기 축수구멍(1121)이 관통 형성된다. 상기 축수구멍(1121)의 내주면에는 상기 흡입공간(1111)과 터빈축(20)의 외주면 사이를 실링하기 위한 제1 실링부재(41)가 결합된다. 상기 제1 실링부재(41)는 자기 윤활성을 갖는 재질로 형성될 수 있고, 그 내주면에는 상기 흡입공간(1111)으로 유입되는 고압의 스팀이 누설되는 것을 차단할 수 있도록 래버린스실(labyrinth seal)(411)이 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

상기 베어링커버(113)는 상기 전면커버(112)의 일측면에 체결될 수 있도록 그 전면커버(112)의 축수구멍(1121)보다 크게 형성되고, 상기 베어링커버(113)의 내주면에는 상기 터빈축(20)의 일단을 반경방향(radial)으로 지지하는 제1 베어링(51)이 고정 설치된다.

상기 제2 하우징(120)은 적어도 한 개 이상의 하우징출구(102)를 갖고 그 중앙에 축수구멍(1211)이 형성되는 토출커버(discharge cover)(121)와, 상기 토출커버(121)의 일측면에 결합되어 상기 터빈축(20)을 축방향(thrust)으로 지지하는 후면커버(rear cover)(122)로 이루어진다.

상기 토출커버(121)는 원판모양으로 형성되고 그 중앙에 상기 축수구멍(121)이 형성되고, 상기 축수구멍(121)의 주변에 적어도 한 개 이상의 하우징출구(102)가 형성된다.

상기 축수구멍(121)의 내주면에는 상기 하우징유로(팽창공간)(103)와 터빈축(20)의 외주면 사이를 실링하기 위한 제2 실링부재(42)가 결합된다. 상기 제2 실링부재(42)는 자기 윤활성을 갖는 재질로 형성될 수 있고, 그 내주면에는 상기 팽창공간(103)을 흐르는 고압의 스팀이 하우징(10)의 외부로 누설되는 것을 차단할 수 있도록 래버린스실(labyrinth seal)(421)이 형성될 수 있다. 그리고 상기 토출커버(121)의 일측, 즉 상기 실링부재(42)의 바깥쪽에는 상기 터빈축(20)의 타단을 반경방향(radial)으로 지지하는 제2 베어링(52)이 고정 설치된다.

상기 후면커버(122)는 상기 토출커버(121)의 일측면에 체결될 수 있도록 그 토출커버(121)의 축수구멍(1211)보다 크게 형성되고, 상기 후면커버(122)의 내측면에는 상기 터빈축(20)을 축방향(thrust)으로 지지하는 제3 베어링(53)이 고정 설치된다.

상기 제3 하우징(130)은 환형으로 형성되어 후술할 분리판(140)과 함께 상기 전면커버(112)와 토출커버(121)에 볼트로 체결된다. 그리고 상기 제3 하우징(130)의 중앙부에는 상기 노즐조립체(30)를 수용하는 동시에 작동유체가 유동할 수 있도록 상기 노즐조립체(30)의 외경보다 크게 하우징유로(103)가 형성된다.

상기 하우징유로(103)는 전류측 노즐조립체에서의 체적보다 후류측 노즐조립체에서의 체적이 점차 증가되는 것이 바람직하므로 상기 제3 하우징(130)의 축방향 두께는 제1 하우징(110)에서 제2 하우징(120) 방향으로 갈수록 점차 두껍게 형성하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 하우징유로(131)의 내주면, 즉 상기 제3 하우징(130)의 내주면에는 도 5에서와 같이 상기 노즐조립체(30)의 분사구멍(301)을 통해 분사되는 유체가 부딪혀 반발력을 발생하도록 다수 개의 충돌면(1311)이 원주방향을 따라 형성될 수 있다. 상기 충돌면(1311)은 상기 하우징유로(103)의 곡률보다 작은 곡률로 형성될 수 있고, 단차진 형상 등 다양하게 형성될 수 있다.

상기 제3 하우징(130)의 양측에는 그 제3 하우징(130)과 함께 하우징유로(103)를 형성할 수 있도록 분리판(140)들이 각각 구비된다. 상기 분리판(140)은 상기 제3 하우징(130)과 함께 전면커버(112)와 토출커버(121)에 체결될 수 있다. 그리고 상기 분리판의 중앙부위에는 후술할 노즐커버(310)가 회전 가능하게 삽입되도록 관통구멍(141)이 형성된다.

그리고 상기 관통구멍(141)의 내주면에는 흡입공간(1111) 또는 전류측의 하우징유로(103)에서 후류측의 하우징유로(103)로 스팀이 누설되지 않도록 제3 실링부재(43)가 고정 설치된다. 상기 제3 실링부재(43)의 내주면에도 상기와 같은 래버린스실(431)이 형성될 수 있다.

그리고 상기 분리판(140)의 양측면에는 상기 제3 하우징(130)을 반경방향으로 지지하도록 지지돌기(1411)가 형성되고, 상기 분리판(140)의 양측면 중에서 하우징출구쪽에는 상기 제3 하우징(130)과 함께 하우징유로(103)를 이루도록 유로홈(1412)이 형성되고, 상기 유로홈(1412)은 후류측 노즐조립체(30)의 분사흡입구(313)에 연통된다.

상기 터빈축(20)은 그 축부의 중앙부위에 축방향으로 긴 복수 개의 키 장착홈(201)이 형성되고, 상기 키 장착홈에는 축방향으로 긴 플레이트 모양의 키(key)(210)가 각각 삽입되어 고정된다.

상기 노즐조립체(30)는 상기 터빈축(20)에 결합되는 개수에 따라 터빈의 용량이 가변될 수 있다. 즉, 터빈의 용량이 작은 경우에는 노즐조립체(30)의 개수를 적게 구성하는 반면, 터빈의 용량이 큰 경우에는 노즐조립체(30)의 개수를 많게 구성할 수 있다.

여기서, 상기 노즐조립체(30)의 개수가 다수 개인 경우에는 작동유체가 후류측으로 갈수록 팽창되는 점을 고려하여 상기 노즐조립체(30)의 분사구멍(301)은 후류측으로 갈수록 총단면적을 크게 하거나 또는 개수를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 도 10 내지 도 14에서와 같이 상기 노즐조립체(30)가 5개인 경우 각 노즐조립체(30)의 분사구멍(301)의 개수를 한 개씩 늘려 형성할 수 있다. 다만, 도 13의 경우는 제4단 노즐조립체이고 도 14의 경우는 제5단 노즐조립체이나, 도 4를 참조하여 보면 제5단 노즐조립체의 경우는 분사구멍(301)이 제4단 노즐조립체의 분사구멍보다 더 깊게 형성되어 상기 제4단 노즐조립체의 분사구멍(301)의 개수에 비해 제5단 노즐조립체의 분사구멍(301)의 개수가 한 개 적더라도 실제 단면적은 확장된 것이다.

그리고 상기 분사구멍(301)의 개수가 복수 개인 경우에는 그 형상을 동일하게 형성하여 등간격으로 형성하는 것이 편하중을 줄여 터빈의 성능을 높일 수 있다.

그리고 상기 상기 노즐조립체(30)의 내주면에는 상기 터빈축(20)의 외주면에 구비되는 키(key)(210)가 삽입되어 일체로 결합될 수 있도록 축방향으로 소정의 길이를 갖는 복수 개의 키홈(key groove)(201)이 원주방향을 따라 등간격으로 형성된다.

도 6은 도 1에 따른 반작용식 터빈에서 단위 노즐조립체를 분해하여 보인 사시도,

도 7은 도 6에 따른 단위 노즐조립체를 조립하여 보인 단면도이고, 도 8은 도 6에 따른 단위 노즐조립체에서 노즐커버를 보인 평면도이며, 도 9는 도 8의 "I-I"선 단면도이고, 도 10은 도 6에 따른 단위 노즐조립체에서 노즐플레이트를 보인 평면도이다.

이에 도시된 바와 같이 상기 노즐조립체(30)는 상기 분사구멍(301)의 입구를 이루도록 분사흡입구(313)가 형성되는 노즐커버(310)와, 상기 노즐커버(310)의 일측면에 결합되고 상기 노즐흡입구(313)와 연통되도록 분사연통구(323)와 분사토출구(324)가 연속으로 형성되는 노즐플레이트(320)로 이루어진다.

상기 노즐커버(310)는 원판모양으로 형성되고, 그 중앙에는 상기 터빈축(20)에 삽입되어 결합되도록 축구멍(311)이 형성되며, 상기 축구멍(311)의 내주면에는 상기 터빈축(20)의 키(210)가 삽입되어 결합될 수 있도록 키홈(312)이 형성된다. 그리고 상기 축구멍(311)의 주변에는 적어도 한 개 이상, 바람직하게는 원주방향을 따라 등간격으로 복수 개의 분사흡입구(313)가 형성된다.

상기 분사흡입구(313)는 축방향으로 형성될 수 있으나, 도 8 및 도 9에서와 같이 상기 노즐조립체(30)가 회전하는 것을 감안하여 그 회전방향으로 소정의 경사각을 갖는 경사면(3131)으로 형성되는 것이 작동유체가 원활하게 흡입될 수 있어 바람직할 수 있다. 그리고 상기 분사흡입구(313)의 입구단 또는 내주면에는 작동유체가 원활하게 흡입될 수 있도록 블레이드 또는 가이드 그루브와 같은 안내부(3132)가 형성될 수도 있다.

상기 노즐플레이트(320)는 상기 노즐커버(310)와 대략 동일한 직경을 갖는 원판모양으로 형성되고, 그 중앙에는 상기 터빈축(20)에 삽입되어 결합되도록 축구멍(321)이 형성되며, 상기 축구멍(321)의 내주면에는 상기 노즐커버(310)의 키홈(312)과 대응하도록 키홈(322)이 형성된다. 그리고 상기 축구멍(321)의 주변에서 외주면 방향으로 상기 분사연통구(323)가 형성된다.

상기 분사연통구(323)는 환형으로 형성되는 제1 분사연통구(3231)와, 상기 제1 분사연통구(3231)에서 상기 분사토출구(324)를 향해 선형으로 연장되는 제2 분사연통구(3232)로 이루어진다. 상기 제1 분사연통구(3231)는 상기 분사흡입구(313)와 축방향으로 연통되도록 상기 분사흡입구(313)와 대략 비슷한 높이에 형성되고, 상기 제2 분사연통구(3232)는 상기 제1 분사연통구(3231)에서 접선 방향으로 연통되어 상기 외주면 방향으로 연장되며 그 끝단 부근에서 상기 분사토출구(324)를 향해 곡면지게 형성된다.

상기 분사토출구(324)는 그 단면이 상기 노즐조립체(30)의 접선에 대해 소정의 각도, 즉 접선 방향으로 스팀을 분사할 수 있도록 접선에 대해 대략 수직한 방향을 향하도록 형성될 수 있다.

그리고 상기 분사토출구(324)의 끝단에는 노즐구멍(331)을 갖는 노즐(330)이 볼트 또는 리벳으로 착탈 가능하게 체결된다. 상기 노즐(330)은 그 노즐구멍(331)의 입구에서 출구 사이에 소경부(3311)를 갖도록 형성되는 것이 분사속도를 높일 수 있어 바람직할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 의한 반작용식 스팀터빈은 다음과 같이 동작된다.

즉, 상기 보일러에서 발생되는 고압의 스팀이 배관을 통해 상기 하우징(10)의 하우징입구(101)로 공급되면, 그 스팀은 상기 흡입공간(1111)을 거쳐 분사흡입구(313)로 흡입되어 상기 제1 분사연통구(3231)로 안내된다. 이때, 상기 분사흡입구(313)가 노즐조립체(30)의 회전방향으로 경사지게 형성됨에 따라 스팀이 그 경사면(3131)을 따라 제1 분사연통구(3231)로 신속하게 유입될 수 있다.

상기 제1 분사연통구(3231)로 유입되는 고압의 스팀은 그 제1 분사연통구(3231)에서 각각의 제2 분사연통구(3232)로 분배되어 상기 분사토출구(324)를 향해 바깥쪽으로 빠르게 이동하고, 상기 분사토출구(324)에서 노즐(330)의 노즐구멍(331)을 통해 상기 제3 하우징(130)과 분리판(140)으로 형성되는 하우징유로(팽창공간)(103)고압의 스팀이 고속으로 분출된다. 이때, 상기 제3 하우징(130)의 내주면에는 충돌면(1311)이 형성됨에 따라 상기 노즐조립체(30)에서 토출되는 고압의 스팀이 상기 충돌면(1311)과 부딪히면서 강한 반발력을 발생시키고 이 반발력에 의해 상기 노즐조립체(30)가 회전하는 추진력이 배가될 수 있다.

상기 노즐조립체(30)에서 하우징유로(103)로 분출되는 스팀은 그 노즐조립체(30)의 측면에 구비되는 상기 분리판(140)의 유로홈(1412)을 따라 중앙쪽으로 이동하여 후류측 노즐조립체(30)의 분사흡입구(313)로 안내되고, 이 분사흡입구(313)로 안내되는 스팀은 앞서 언급한 과정을 반복하면서 최종 노즐조립체(30)의 분사토출구(324)를 통해 최종 제3 하우징(130)과 분리판(140)으로 이루어진 최종 하우징유로(103)로 분출된다. 그리고 상기 최종 하우징유로(103)로 분출되는 스팀은 다시 팽창을 하면서 상기 토출커버(121)의 하우징출구(102)를 통해 외부로 배출되는 일련의 과정을 반복하게 된다.

상기와 같이 노즐조립체(30)가 고압의 스팀을 원주방향으로 분사하면서 발생되는 회전력은 상기 노즐조립체(30)와 결합된 터빈축(20)에 전달되어 그 터빈축(20)이 상기 노즐조립체(30)와 함께 회전을 하면서 회전력을 외부에 전달하게 된다.

여기서, 상기 터빈축(20)은 그 터빈축(20)의 양단에서 상기 베어링 커버(113)에 고정되는 제1 베어링(51)과 상기 토출커버(121)에 고정되는 제2 베어링(52)에 각각 반경방향으로 지지되는 동시에 상기 후면커버(122)에 고정되는 제3 베어링(53)에 의해 축방향으로 지지됨에 따라 상기 터빈축(20)은 안정적으로 고속 회전을 할 수 있게 된다.

또, 상기 하우징(10)의 내부로 유입되는 고압의 스팀이 복수 개의 노즐조립체(30)들을 순서대로 통과하게 되므로 각 노즐조립체(30)들이 수용되는 팽창공간(103)들 사이에는 압력차가 발생하게 되고 이 압력차에 의해 압력이 높은 전류측 팽창공간에서 후류측 팽창공간으로 스팀이 누설될 수도 있으나, 상기 하우징(10)을 이루는 전면커버(112)와 토출커버(121) 그리고 분리판(140)들의 내주면에 각각 실링부재(41)(42)(43)를 설치함에 따라 스팀이 외부로 누설되거나 또는 각 하우징유로 사이에서 누설되는 것을 방지하여 터빈의 에너지 효율을 높일 수 있다.

또, 상기 노즐조립체(30)를 포함하는 단위 터빈의 개수에 따라 터빈의 용량을 조절할 수 있으므로 서로 다른 용량의 터빈을 용이하게 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 다른 용량의 터빈을 제작하기 위한 부품의 공유가 용이하여 제조비용을 절감할 수 있다.

또, 상기 노즐조립체(30)의 분사구멍(301)이 길고 곡면지게 형성됨에 따라 상기 분사구멍(301)을 통해 분사되는 스팀의 분사속도가 높아지게 되고 이로 인해 터빈의 크기 대비 효율이 크게 향상될 수 있다.

본 발명에 의한 반작용식 터빈에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예에서는 상기 하우징입구가 터빈축을 기준으로 일단에 구비되는 반면 상기 하우징출구가 타단에 구비되는 것이었으나, 본 발명은 상기 하우징입구가 중앙에 구비되고 상기 하우징출구가 양단에 각각 구비되는 것이다.

도 15는 본 발명에 따른 반작용식 터빈의 다른 실시예를 보인 단면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 반작용식 터빈은 하우징입구(101)와 그 하우징입구의 양쪽에 구비되는 하우징출구(102)와 상기 하우징입구(101)와 각 하우징출구(102)를 서로 독립적으로 연결하는 각각의 하우징유로(103)를 갖으며, 상기 하우징입구(101)는 터빈축(20)을 기준으로 중앙에 배치되는 반면 상기 하우징출구(102)들은 상기 하우징입구(101)를 중심으로 축방향 대칭될 수 있도록 상기 터빈축(20)의 양단에 각각 배치된다.

상기 하우징입구(101)는 도면에서와 같이 한 개만 형성되어 양쪽 하우징유로(103)로 분지될 수 있으나 상기 하우징입구(101)가 복수 개가 구비되어 각 하우징유로(103)로 연통되도록 형성될 수도 있다.

그리고 상기 노즐조립체(30)의 개수와 규격은 상기 하우징입구(101)를 중심으로 서로 대칭되도록 형성되는 것이 상기 터빈축(20)의 축추력(axial thrust force)을 상쇄시켜 터빈축(20)이 한 쪽으로 쏠리는 것을 방지할 수 있어 바람직하다.

본 실시예에 따른 반작용식 터빈에 대한 기본적인 구성은 전술한 실시예와 대동소이하고, 작용 효과는 전술한 실시예와 선행기술에 기재된 내용을 포함하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 다만, 본 실시예의 경우는 상기 하우징입구가 중앙에 배치되고 하우징출구가 양단에 배치됨에 따라 터빈축의 축추력(axial thrust force)을 상쇄시킴으로써 반작용식 터빈의 진동을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 마찰손실을 줄여 터빈 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 반작용식 터빈에 대한 또다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예에서는 상기 노즐조립체가 상기 하우징입구의 양측에 설치되어 그 노즐조립체가 동일방향으로 회전하도록 구비되는 것이었으나, 본 실시예는 상기 하우징입구를 중심으로 양측에 배치되는 노즐조립체가 서로 반대방향으로 회전할 수 있도록 구비되는 것이다.

도 16은 본 발명에 의한 반작용식 터빈에서 양방향 회전이 가능한 반작용식 터빈을 보인 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 반작용식 터빈은 하우징유로가 제1 하우징유로(1031)와 제2 하우징유로(1031)로 구획되어 상기 제1 하우징유로(1031)와 제2 하우징유로(1032)는 각각 별도의 하우징입구와 하우징출구가 형성된다.

이를 위해, 상기 하우징입구에는 유로분리판(104)이 설치되어 그 하우징입구가 제1 하우징입구(1011)와 제2 하우징입구(1012)로 구분되고, 상기 터빈축(20)의 양단에는 각각의 하우징입구(1011)(1012)에 대응되도록 제1 하우징출구(1021)와 제2 하우징출구(1022)가 구비된다.

그리고 상기 제1 하우징입구(1011)에는 제1 유체공급관(1051)이 연결되고, 상기 제2 하우징입구(1012)에는 제2 유체공급관(1052)이 연결되며, 상기 제1 유체공급관(1051)과 제2 유체공급관(1052)은 한 개의 전환밸브(106)에 연결된다. 상기 전환밸브(106)는 스팀의 유동방향을 제어하여 그 스팀을 원하는 방향으로 공급할 수 있도록 3방밸브로 이루어질 수 있다. 물론 상기 전환밸브(106)는 제1 유체공급관(1051)과 제2 유체공급관(1052)에 각각 별도로 설치되어 각자 제어될 수도 있다.

그리고 상기 노즐조립체(30)는 상기 제1 하우징입구(1011)와 제1 하우징출구(1021) 사이에 설치되는 제1 군(A)과 상기 제2 하우징입구(1012)와 제2 하우징출구(1022) 사이에 설치되는 제2 군(B)이 서로 반대방향으로 회전할 수 있도록 배열된다.

본 실시예에 따른 반작용식 터빈에 대한 기본적인 구성은 전술한 실시예와 대동소이하고, 작용 효과는 전술한 실시예에 기재된 내용을 포함하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 다만, 본 실시예의 경우는 상기 하우징유로가 제1 하우징유로와 제2 하우징유로로 구획되어 그 각 하우징유로에 서로 반대방향으로 분사구멍을 갖는 노즐조립체가 설치되고 상기 제1 하우징입구와 제2 하우징입구에 독립적으로 연결되는 제1 유체공급관과 제2 유체공급관이 스팀의 유동방향을 제어하는 전환밸브에 연결됨으로써 스팀의 공급방향에 따라 터빈축의 회전방향을 정회전 또는 역회전으로 전환할 수 있어 반작용식 터빈을 더욱 다양하게 적용할 수 있다.

또 한편, 도면으로 도시하지는 않았으나, 상기 노즐조립체가 터빈축의 중앙을 중심으로 양쪽에 각각 설치되는 경우에는 도 15 및 도 16에서와 같이 하우징입구가 중앙에, 하우징출구가 양단에 각각 설치될 수도 있지만, 경우에 따라서는 상기 하우징입구가 양단에, 하우징출구가 중앙에 설치될 수도 있다. 이에 대한 구성과 작용효과는 전술한 실시예들과 대동소이하므로 구체적인 설명은 생략한다.

10 : 하우징 20 : 터빈축
30 : 노즐조립체 41,42,43 : 실링부재
51,52 : 반경방향 베어링 53 : 축방향 베어링
101 : 하우징입구 1011,1012 : 제1,제2 하우징입구
102 : 하우징출구 1021,1022 : 제1,제2 하우징출구
103 : 하우징유로 1031,1032 : 제1,제2 하우징유로
104 : 유로분리판 1051,1052 : 제1,제2 유체공급관
106 : 전환밸브 110 : 입구측 하우징
111 : 흡입하우징 112 : 전면커버
113 : 베어링커버 1111 : 흡입공간
120 : 출구측 하우징 121 : 토출커버
122 : 후면커버 130 : 중간하우징
1311 : 충돌면 140 : 분리판
1411 : 지지돌기 1412 : 유로홈
210 : 키 301 : 분사구멍
310 : 노즐커버 312 : 키홈
313 : 분사흡입구 3131 : 경사면
320 : 노즐플레이트 322 : 키홈
323 : 분사연통구 3231 : 제1 분사연통구
3232 : 제2 분사연통구 324 : 분사토출구
330 : 노즐 331 : 노즐구멍
3311 : 소경부

Claims (23)

1. 터빈축; 및
   작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 분사구멍이 내부에 형성되고 상기 터빈축의 축방향을 따라 적층되어 일체로 결합되는 복수 개의 노즐조립체;를 포함하는 반작용식 터빈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 노즐조립체는 2개의 판이 겹쳐져 결합되고 그 겹쳐진 면에 상기 분사구멍이 형성되는 반작용식 터빈.
3. 제2항에 있어서, 상기 분사구멍은,
   상기 하우징입구에 연통되는 분사흡입구;
   상기 하우징출구에 연통되는 분사토출구; 및
   상기 분사흡입구와 분사토출구 사이를 연통시키는 분사연통구;로 이루어지며,
   상기 분사연통구는 적어도 일부가 곡면지게 형성되는 반작용식 터빈.
4. 제3항에 있어서,
   상기 분사흡입구는 적어도 한 개 이상의 구멍으로 형성되고, 상기 노즐조립체의 회전방향에 대해 반대방향으로 경사지게 형성되는 반작용식 터빈.
5. 제3항에 있어서,
   상기 분사흡입구의 주변에는 유체가 상기 분사흡입구 방향으로 안내되도록 돌기 또는 홈으로 된 안내부가 더 형성되는 반작용식 터빈.
6. 제3항에 있어서, 상기 분사연통구는,
   상기 분사흡입구와 연통되는 제1 분사연통구; 및
   상기 제1 분사연통구에 일단이 연통되고 상기 분사토출구에 타단이 연통되는 적어도 한 개 이상의 제2 분사연통구;를 포함하고,
   상기 제1 분사연통구는 환형으로 형성되며,
   상기 제2 분사연통구는 상기 제1 분사연통구의 외주면에 접선 방향으로 연통되어 상기 분사토출구를 향해 곡면지도록 선형으로 형성되는 반작용식 터빈.
7. 제3항에 있어서,
   상기 분사토출구는 상기 노즐조립체의 접선에 대해 대략 수직한 방향을 향하도록 형성되는 반작용식 터빈.
8. 제7항에 있어서,
   상기 노즐조립체의 분사구멍 끝단에는 노즐구멍을 갖는 노즐이 착탈 가능하게 결합되는 반작용식 터빈.
9. 제1항에 있어서,
   상기 노즐조립체와 터빈축 중에서 적어도 어느 한 쪽에는 키홈이 형성되는 반면, 다른 한 쪽에는 상기 키홈에 삽입되어 회전방향으로 지지되는 키(key)가 형성되는 반작용식 터빈.
10. 제1항에 있어서,
    상기 노즐조립체는 상기 터빈축이 회전 가능하게 결합되는 하우징에 수용되고, 상기 하우징에는 하우징입구와 하우징출구가 하우징유로로 연통되어 형성되며, 상기 하우징유로에 상기 노즐조립체가 회전 가능하게 배치되고, 상기 분사구멍의 입구와 출구가 상기 하우징유로에 연통되어 그 하우징유로와 분사구멍이 번갈아 배열되는 반작용식 터빈.
11. 제10항에 있어서,
    상기 노즐조립체의 분사구멍은 상기 하우징출구 쪽에 위치하는 노즐조립체의 분사구멍의 단면적이 상기 하우징입구 쪽에 위치하는 노즐조립체의 분사구멍의 단면적보다 크게 형성되는 반작용식 터빈.
12. 제10항에 있어서,
    상기 노즐조립체의 분사구멍은 상기 하우징출구 쪽에 위치하는 노즐조립체의 분사구멍의 개수가 상기 하우징입구 쪽에 위치하는 노즐조립체의 분사구멍의 개수보다 많게 형성되는 반작용식 터빈.
13. 제10항에 있어서, 상기 하우징은,
    상기 하우징입구를 갖는 제1 하우징;
    상기 하우징출구를 갖는 제2 하우징; 및
    상기 제1 하우징과 제2 하우징 사이에 축방향을 따라 적층되도록 개재되고 상기 노즐조립체가 회전 가능하게 수용되도록 하우징유로를 갖는 복수 개의 제3 하우징;을 포함하고,
    상기 각 하우징의 사이에는 상기 노즐조립체를 분리하기 위한 분리판이 더 구비되는 반작용식 터빈.
14. 제13항에 있어서,
    상기 제3 하우징은 그 축방향 두께가 상기 제1 하우징에서 제2 하우징 방향으로 갈수록 확대되도록 형성되는 반작용식 터빈.
15. 제13항에 있어서,
    상기 하우징유로를 이루는 제3 하우징의 내주면에는 상기 분사구멍을 통해 분사되는 유체의 분사방향과 일치하지 않도록 충돌면이 형성되고,
    상기 충돌면은 상기 하우징유로의 곡률보다 작은 곡률을 갖도록 형성되는 반작용식 터빈.
16. 제13항에 있어서,
    상기 분리판과 상기 노즐조립체들 사이에는 실링부재가 구비되고, 상기 실링부재에는 래버린스실(labyrinth seal)이 형성되는 반작용식 터빈.
17. 제1항에 있어서,
    상기 하우징입구는 축방향 일단에 형성되고, 상기 하우징출구는 축방향 타단에 형성되는 반작용식 터빈.
18. 제10항에 있어서,
    상기 하우징입구는 축방향 중간에 형성되고, 상기 하우징출구는 축방향 양단에 각각 형성되는 반작용식 터빈.
19. 하우징입구와 하우징출구가 형성되고, 상기 하우징입구로 유입되는 고압의 작동유체가 상기 하우징출구 방향으로 이동할 수 있도록 상기 하우징입구와 하우징출구 사이를 연통시키는 하우징유로가 형성되는 하우징;
    상기 하우징에 회전 가능하게 결합되는 터빈축; 및
    상기 하우징유로에 회전 가능하게 수용되어 상기 터빈축에 일체로 결합되고, 상기 작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 분사구멍을 갖는 적어도 한 개 이상의 노즐조립체;를 포함하고,
    상기 노즐조립체는 복수 개의 판이 겹쳐져 결합되고 그 겹쳐진 면에 상기 분사구멍이 형성되는 반작용식 터빈.
20. 하우징입구와 하우징출구가 형성되고, 상기 하우징입구로 유입되는 고압의 작동유체가 상기 하우징출구 방향으로 이동할 수 있도록 상기 하우징입구와 하우징출구 사이를 연통시키는 하우징유로가 형성되는 하우징;
    상기 하우징에 회전 가능하게 결합되는 터빈축; 및
    상기 하우징유로에 회전 가능하게 수용되어 상기 터빈축에 일체로 결합되고, 상기 작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 분사구멍을 갖는 적어도 한 개 이상의 노즐조립체;를 포함하고,
    상기 하우징입구와 하우징출구 중에서 적어도 어느 한 개는 복수 개가 구비되어 상기 터빈축의 축방향을 따라 서로 대칭되도록 형성되는 반작용식 터빈.
21. 제20항에 있어서,
    상기 노즐조립체는 상기 하우징입구 또는 하우징출구를 중심으로 축방향 양쪽이 서로 동일방향으로 회전하도록 형성되는 반작용식 터빈.
22. 제20항에 있어서,
    상기 노즐조립체는 상기 하우징입구 또는 하우징출구를 중심으로 축방향 양쪽이 서로 반대방향으로 회전하도록 형성되는 반작용식 터빈.
23. 제22항에 있어서,
    상기 하우징입구는 복수 개가 구비되고, 그 복수 개의 하우징입구에 연결되는 유체공급관에는 작동유체의 유입방향을 제어하여 상기 터빈축의 회전방향을 전환시키는 밸브가 구비되는 반작용식 터빈.

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