KR20140056486A

KR20140056486A - 반작용식 터빈 시스템

Info

Publication number: KR20140056486A
Application number: KR1020120119667A
Authority: KR
Inventors: 김기태; 장영일
Original assignee: 주식회사 에이치케이터빈
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2014-05-12

Abstract

본 발명은, 작동 유체를 분사하는 분사 유로내에 양력 날개가 구비되어, 상기 양력 날개를 중심으로 터빈 축의 회전방향과 동일한 방향으로 양력이 발생되기 때문에, 작동 유체의 분사시 발생되는 반작용에 의한 회전력에 상기 양력 날개에 의한 양력이 추가되어, 상기 터빈 축의 회전력이 보다 증가되므로, 상기 발전기 효율이 보다 향상될 수 있다.

Description

반작용식 터빈 시스템{Reaction type turbine system}

본 발명은 반작용식 터빈 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 작동 유체의 토출로 인한 반작용에 의해 터빈 축을 회전시키면서 발전 효율을 보다 향상시킬 수 있는 반작용식 터빈 시스템에 관한 것이다.

터빈은, 물, 스팀 등을 이용하여 전기를 생산하는 데 이용된다. 터빈 중에서 수차는 물이 이용하여 전기를 생산한다. 폐쇄형 수차로는 프란시스 수차, 프로펠러 수차가 있으며, 개방형 수차로는 펠톤 수차가 있다. 일반적인 펠톤 수차는 노즐에서 물을 버킷에 분사하여 그 반동으로 인하여 회전축이 회전한다. 하지만, 상기 버킷의 설계 및 제작이 어려워서 제작비가 높은 단점이 있다. 더욱이, 펠톤 수차는 물의 낙차가 작을 경우, 물의 분사 속도가 낮아서, 물의 속도 에너지가 버킷에 효율적으로 전달되기 어려운 단점이 있다. 상기와 같은 문제점으로 인하여, 기존의 펠톤 수차의 구조 대신에 새로운 구조를 가지는 수차의 개발이 필요하다.

공개특허 제2009-0037201호에는 스팀을 이용하는 반작용식 터빈이 개시되어 있다. 상기 반작용식 터빈은 분사회전부에 스팀이 분사될 때 발생하는 반발력을 이용하여 터빈 축을 회전시킨다.

본 발명의 목적은, 발전 효율은 보다 향상시킬 수 있는 반작용식 터빈 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 반작용식 터빈 시스템은, 터빈 축과, 상기 터빈 축에 결합되고, 축방향으로 유입된 작동 유체를 상기 터빈 축의 반경방향으로 유동시킨 후 원주방향의 속도를 갖도록 분사하는 분사유로를 포함하고, 작동 유체의 분사시 발생되는 반작용에 의해 상기 터빈 축을 회전시키는 로터와, 상기 분사유로 내에서 작동 유체의 유동방향으로 길게 배치되고 상기 분사유로를 양측으로 구획하여, 상기 로터의 회전방향으로 양력을 발생시켜 상기 터빈 축에 회전력을 추가하는 양력 날개를 포함한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 반작용식 터빈 시스템이 도시된 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 로터의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 로터의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 로터의 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 반작용식 터빈 시스템은, 하우징(2)과, 터빈 축(10)과, 로터(20)와, 양력 날개(30)를 포함한다.

상기 하우징(2)은, 작동 유체가 유입되는 하우징 입구(4)와, 상기 하우징 입구(4)에서 소정의 간격을 두고 배치되어 작동유체가 배출되는 하우징 출구(6)가 형성된다.

상기 작동 유체는 고압의 스팀이나 가스 또는 압축 공기를 포함한다.

상기 터빈 축(10)은 상기 하우징(2)을 관통하고, 상기 하우징(2)에 회전가능토록 배치된다. 상기 하우징(2)의 양측에는 상기 터빈 축(10)을 지지하는 베어링이 구비된 베어링 모듈이 설치된다.

상기 로터(20)는 상기 터빈 축(10)과 일체로 결합되어 함께 회전한다. 상기 로터(20)는 복수개가 상기 터빈 축(10)에 축방향을 따라 다단으로 적층 배치된다. 전단의 로터로부터 외주측으로 분사된 작동유체는 후단의 로터의 중심측으로 다시 유입된다. 상기 터빈 축(10)에 결합되는 상기 로터(20)의 개수에 따라 터빈의 용량이 가변된다. 즉, 터빈의 용량이 작은 경우에는 상기 로터(20)의 개수를 적게 구성하고, 터빈의 용량이 큰 경우에는 상기 로터(20)의 개수를 많게 구성할 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 로터(20)는 4개가 축방향을 따라 배치된 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 4개의 로터(20)는 각각 2개의 제1,2로터 플레이트(21)(22)들이 축방향으로 결합되어 일체를 이룬다. 상기 제1,2로터 플레이트(21)(22)는 각각 원판 형상으로 이루어진다. 상기 제1로터 플레이트(21)는 상기 하우징 입구(4)측을 향해 돌출된 제1보스부가 형성된다. 상기 제1보스부와 후술하는 제2보스부(25) 사이로 작동 유체가 유입된다. 상기 제2로터 플레이트(22)의 중심에는 상기 하우징 입구(4)측을 향해 돌출된 제2보스부(25)가 형성되고, 상기 제2보스부(25)에는 상기 터빈 축(10)이 관통하는 축홀(22a)이 형성된다.

상기 제1,2로터 플레이트(21)(22)는 서로 마주하는 면 중 적어도 일면에는 작동 유체가 통과하여 분사하는 분사유로(23)가 형성된다. 본 실시예에서는, 상기 분사유로(23)는 상기 제2로터 플레이트(22)에 홈 형상으로 형성된 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 분사유로(23)는 상기 제2로터 플레이트(22)의 주조 작업시 형성되고, 볼 엔드 밀(ball end mill) 등을 이용하여 마무리 가공할 수 있다. 물론, 이에 한정되지 않고, 상기 제 2로터 플레이트(22)에 홈을 가공할 수 있는 방법이라면 어느 것으로든 제작 가능하다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 분사유로(23)는 상기 제1로터 플레이트(21)에 형성된 유로와 상기 제2로터 플레이트(22)에 형성된 유로가 합해져서 형성되는 것도 물론 가능하다.

상기 분사유로(23)는, 상기 로터(20)의 중심측에서 축방향으로 유입된 작동유체를 상기 터빈 축(10)의 반경방향으로 유동시킨 후 원주방향의 속도를 갖도록 절곡 형성된다. 상기 분사유로(23)는 복수개가 상기 로터(20)의 원주방향을 따라 소정간격 이격되게 배치될 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 분사유로(23)는 4개가 형성된 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 분사유로(23)는 상기 터빈 축(10)을 중심으로 하는 가상의 원에 대한 접선 방향으로 향하다가 상기 제2로터 플레이트(22)의 원주방향을 향해 절곡 형성된다. 후술하는 양력 날개(30)는 상기 분사유로(23) 중에서 상기 접선 방향으로 형성된 부분에 배치된다.

상기 분사유로(23)는 일정한 단면적을 갖도록 형성되고, 상기 분사유로(23)의 배출 측에는 상기 분사유로(23)의 배출측보다 단면적이 작은 노즐부(25)가 형성된다. 상기 노즐부(25)는 상기 분사유로(23)보다 단면적이 작게 형성되어, 배출되는 작동유체의 유속을 증가시킨다. 본 실시예에서는, 상기 노즐부(25)는 상기 제2로터 플레이트(22)에 형성된 홈인 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 상기 분사유로(23)에 소경부를 갖는 별도의 노즐이 설치되는 것도 물론 가능하다.

도 2를 참조하면, 상기 양력 날개(30)는, 상기 분사유로(23)내에 배치되어, 상기 로터(20)의 회전방향인 반시계방향으로 양력을 발생시킨다. 상기 양력 날개(30)는 상기 분사유로(23)내에서 작동 유체의 유동 방향으로 길게 배치되어 상기 분사유로(23)내부를 양측(A)(B)으로 구획한다. 즉, 상기 분사유로(23)는 상기 양력 날개(30)를 중심으로 상기 로터(20)의 회전방향측 유로(A)와 상기 회전방향과 반대방향측 유로(B)로 구획된다.

상기 양력 날개(30)의 단면은 에어포일(airfoil) 형상으로 이루어진 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고, 상기 양력 날개(30)의 둘레면 중 상기 로터(20)의 회전방향 측 둘레면(30a)이 상기 회전방향과 반대방향측 둘레면(30b)보다 길게 형성되면 가능하다. 상기 양력 날개(30)를 중심으로 상기 회전방향측 유로(A)를 통과하는 작동 유체의 유선이 상기 반대방향측 유로(B)를 통과하는 작동유체의 유선보다 길게 되므로, 상기 회전방향측 유로(A)는 고속 저압 상태이고, 상기 반대방향측 유로(B)는 저속 고압 상태가 된다. 따라서, 상기 로터(20)의 회전방향으로 양력(F)이 발생하게 되어, 상기 터빈 축(10)에 회전력이 추가된다.

상기 양력 날개(30)는 상기 제2로터 플레이트(20)의 주조시 함께 제작되거나 인서트 성형되는 것도 가능하고, 별도로 제작되어 접합되는 것도 물론 가능하다.

상기 양력 날개(30)는 4개의 분사 유로(23)내에 각각 구비된 것으로 예를 들어 설명하나, 적어도 일부에 구비되는 것도 물론 가능하다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 반작용식 터빈 시스템의 작동을 설명하면 다음과 같다.

작동 유체가 상기 하우징 입구((4)를 통해 유입되면, 유입된 작동유체는 상기 로터(20)의 중심측을 통해 축방향으로 유입되고, 상기 분사유로(23)를 통과한 후, 상기 노즐부(25)를 통해 고속 분사된다. 상기 분사유로(23)에서 작동 유체의 분사시 발생되는 반작용에 의해 상기 로터(20)와 터빈 축(10)이 반시계 방향으로 회전하게 된다.

한편, 상기 분사유로(23)를 통과하는 도중에 작동 유체는 상기 양력 날개(30)에 의해 양측으로 분기되어 유동한다. 이 때, 상기 양력 날개(30)를 중심으로 상기 로터(20)의 회전방향측 유로(A)를 흐르는 작동유체의 유선이 길어지기 때문에, 상기 회전방향측 유로(A)를 흐르는 작동유체는 고속 저압 상태가 된다. 상기 로터(20)의 회전방향과 반대방향측 유로(B)를 흐르는 작동유체는 저속 고압상태가 된다. 따라서, 상기 양력 날개(30)를 중심으로 상기 로터(20)의 회전방향으로 양력(F)이 발생한다. 상기 양력(F)의 방향은 상기 터빈 축(10)의 회전방향과 동일하여, 상기 양력(F)은 상기 터빈 축(10)에 회전력을 부가하게 된다.

따라서, 작동 유체의 분사시 발생되는 반작용에 의한 회전력에 상기 양력 날개(30)에 의한 양력(F)이 추가되어, 상기 터빈 축(10)의 회전력이 증가되므로, 상기 발전기 효율이 보다 향상될 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 로터(100)의 양력 날개(110)는, 분사유로(101)를 양측으로 구획하는 구획부(111)와, 상기 구획부(111)를 중심으로 로터(100)의 회전방향과 반대방향측 유로(B)에서 구비되고 작동 유체가 통과하는 통로를 형성하는 통로부(112)로 이루어진 것이 상기 제1실시예와 상이하며, 상이한 점을 중심으로 상세히 설명한다.

상기 구획부(111)는 작동 유체의 유동방향으로 길게 배치되고 리브 형상으로 이루어진다. 상기 구획부(111)에 의해 상기 분사유로(101)는 상기 로터(100)의 회전방향측 유로(A)와 상기 회전방향과 반대방향측 유로(B)로 구획된다.

상기 통로부(112)는 상기 로터(100)의 회전방향과 반대방향측 유로(B)에 구비되어, 상기 로터(100)의 회전방향과 반대방향측 유로(B)의 적어도 일부를 차단하도록 형성된다. 상기 통로부(112)는 상기 구획부(111)의 단부에서 절곡되어 상기 분사유로(101)의 내벽면까지 연장 형성되고, 리브 형상으로 이루어진다. 상기 통로부(112)에는 작동유체가 통과할 수 있도록 홀(113)이 형성되고, 작동 유체가 상기 홀(113)을 통해 빠져나가기 때문에, 상기 반대방향측 유로(B)를 통과하는 작동 유체의 속도를 저하시키고 압력을 상승시키게 된다. 따라서, 상기 로터(100)의 회전방향 측으로 양력(F)이 발생되어, 상기 로터(100)와 터빈 축(10)의 회전력을 증가시켜, 발전 효율이 향상될 수 있다.

본 실시예에서는, 상기 양력 날개(110)가 상기 구획부(111)와 통로부(112)로 이루어지고 일체로 형성된 것으로 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 상기 통로부(112)가 상기 구획부(111)와 별도로 형성되는 것도 가능하고, 상기 반대방향측 유로(B)의 단면적을 줄일 수 있는 형상으로 이루어지면 가능하다.

도면부호 100a는 터빈 축(10)이 끼워지는 홀을 나타내고, 도면부호 102는 노즐부(102)를 나타낸다.

도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 반작용식 터빈의 로터(200)의 양력 날개(210)는 분사유로(201)를 양측으로 구획하는 리브 형상으로 이루어지고, 상기 로터(200)의 회전방향과 반대방향측 유로(B)의 단면적이 상기 작동 유체의 유동 방향으로 갈수록 점차 줄어들게 형성된 것이 상기 제1실시예와 상이하고, 상이한 점을 중심으로 상세히 설명한다.

상기 양력 날개(210)를 중심으로 상기 로터(200)의 회전방향측 유로(A)와 회전방향과 반대방향측 유로(B)로 구획된다. 상기 양력 날개(210)는 상기 반대방향측유로(B)의 단면적이 상기 회전방향측 유로(A)의 단면적보다 작게 형성되도록 상기 반대방향측 유로(B)로 소정각도 기울어지게 배치된다. 본 실시예에서는, 상기 양력 날개(210)는 상기 작동 유체의 유동방향으로부터 상기 반대방향측 유로(B)로 소정각도 기울어지다가 다시 상기 유동방향에 평행하게 형성된 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 양력 날개(210)를 중심으로 상기 반대방향측 유로(B)의 단면적이 상기 회전방향측 유로(A)의 단면적보다 작게 형성되기 때문에, 상기 반대방향측 유로(B) 에서 작동 유체의 속도가 감소되고 압력이 상승하여, 상기 로터(200)의 회전방향으로 양력이 발생하게 된다. 따라서, 상기 로터(200)와 터빈 축(10)의 회전력을 증가시켜, 발전 효율이 향상될 수 있다.

도면부호 202는 노즐부를 나타낸다.

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.

2: 하우징 10: 터빈 축
20: 로터 21: 제1로터 플레이트
22: 제1로터 플레이트 30: 양력 날개
A: 회전방향측 유로 B: 반대방향측 유로

Claims

터빈 축과;
상기 터빈 축에 결합되고, 축방향으로 유입된 작동 유체를 상기 터빈 축의 반경방향으로 유동시킨 후 원주방향의 속도를 갖도록 분사하는 분사유로를 포함하고, 작동 유체의 분사시 발생되는 반작용에 의해 상기 터빈 축을 회전시키는 로터와;
상기 분사유로 내에서 작동 유체의 유동방향으로 길게 배치되고 상기 분사유로를 양측으로 구획하여, 상기 로터의 회전방향으로 양력을 발생시켜 상기 터빈 축에 회전력을 추가하는 양력 날개를 포함하는 반작용식 터빈 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 양력 날개는,
상기 로터의 회전방향 측 둘레면이 상기 회전방향과 반대방향측 둘레면보다 길게 형성된 반작용식 터빈 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 양력 날개의 단면은 에어포일 형상으로 이루어진 반작용식 터빈 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 양력 날개를 중심으로 상기 로터의 회전방향과 반대방향측 유로의 단면적이 상기 회전방향측 유로의 단면적보다 작게 형성된 반작용식 터빈 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 양력 날개는,
상기 분사유로 내에서 작동 유체의 유동방향으로 길게 배치되어 상기 분사유로를 양측으로 구획하는 구획부와,
상기 구획부를 중심으로 상기 로터의 회전방향과 반대방향측 유로를 차단하고 작동 유체가 통과하는 통로를 형성하는 통로부를 포함하는 반작용식 터빈 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 회전방향과 반대방향측 유로는 상기 작동 유체의 유동방향으로 갈수록 단면적이 점차 줄어들게 형성된 반작용식 터빈 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 양력 날개는,
상기 작동유체의 유동방향으로부터 상기 로터의 회전방향과 반대방향으로 소정각도 기울어지게 배치된 반작용식 터빈 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 분사유로는 상기 터빈 축을 중심으로 하는 가상의 원에 대한 접선 방향으로 향하다가 상기 로터의 원주방향을 향해 절곡 형성되고,
상기 양력 날개는 상기 접선 방향으로 형성된 부분에 배치된 반작용식 터빈 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 분사유로는 일정한 단면적을 갖도록 형성되고, 상기 분사유로의 배출측에는 상기 분사유로보다 단면적이 작게 형성된 노즐부가 배치된 반작용식 터빈 시스템.