JP2022544208A - 衝動式タービン及びタービン装置 - Google Patents

Abstract

衝動式タービン及びタービン装置が開示される。開示された衝動式タービンは、軸孔を有する円筒状の本体、及び前記本体の周りを囲むように配置されたブレード部を含み、前記ブレード部は、前記本体の周りを囲むように配置された円筒状のベース、及び前記ベースの周りに沿って放射状に一列で配置された複数の単位ブレードを含み、前記各単位ブレードは、これに噴射された流体を流体噴射方向と相異する方向に排出させるが、他の単位ブレードへは排出させない出口を含む。

Description

衝動式タービン及びタービン装置が開示される。より詳しくは、低い流体噴射圧でも高い回転速度を得ることができるように構成された衝動式タービン及びタービン装置が開示される。

一般に、タービン（ｔｕｒｂｉｎｅ）は、水、油、空気、蒸気などの流体が有するエネルギーを有用な機械的動力に変換させる機械として、回転運動をするように構成される。

普通の回転体の周囲に複数のブレードを形成し、それに蒸気またはガスを噴き出して高速回転させるターボ型の機械をタービンと言う。

特に、火力発電所、原子力発電所、船舶などでたくさん用いられる蒸気タービンは、衝動式タービン（ｉｍｐｕｌｓｅ ｔｕｒｂｉｎｅ）、反動式タービン（ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｕｒｂｉｎｅ）及び反作用式タービンに分類されることができる。

衝動式タービンは、高圧の蒸気をノズルを通じてブレードに噴射させて発生する衝撃力のみを利用するタービンである。

反動式タービンは、交互に配列された固定ブレードの熱及び移動ブレードの熱を有する。まず、固定ブレードでスチームが膨脹して、圧力は減少し、速度は増加する。その後、スチームは移動ブレードに流入されて流れ方向が変わり、それによって移動ブレードに衝撃力を提供する。また、移動ブレードを通過する時、スチームが再び膨脹して圧力が低下して、ブレードに反動力を提供する。

反作用式タービンは、回転体自体で蒸気を噴射して得る反作用を利用する。

しかしながら、前記した蒸気タービンは、熱効率が低く、燃料消費が大きく、回転体の構造が複雑で大型であり、軸方向に広い空間が必要となるため、設置が容易でないという短所から、一つのブレード部（これは放射状に一列で配列された複数の単位ブレードを含み）を利用する小型タービンが開発されて、多様な分野に用いられている。

しかしながら、このような小型タービンも高温の蒸気噴射によってハウジングの内部が高温に加熱され、それにより、回転体の回転軸を支持するベアリングが損傷されたり、オイル（ グリース）の蒸発により耐久性が低下されて、回転体が破損されるという短所がある。これは、従来の小型タービンの場合、ノズルを通じて噴射された蒸気が特定単位ブレードを攻撃し、さらに他の単位ブレードを通ってハウジングの反対側に排出される構造を有するからである。すなわち、高圧で特定単位ブレードを攻撃した蒸気が他の単位ブレードを通る過程で不必要な熱を他の単位ブレードとハウジングに提供するからである。

また、従来の小型タービンは、高圧の流体が特定単位ブレードに瞬間的打撃のみ加えるだけで、流体が持っている慣性力がタービンに作用できないため、タービンの回転効率が低いという短所がある。

大韓民国登録特許第１０－１５９７５３８号公報

本発明の一具現例は、低い流体噴射圧でも高い回転速度を得ることができるように構成された衝動式タービンを提供する。

本発明の他の具現例は、前記衝動式タービンを含むタービン装置を提供する。

本発明の一側面は、
軸孔を有する円筒状の本体、及び前記本体の周りを囲むように配置されたブレード部を含み、
前記ブレード部は、前記本体の周りを囲むように配置された円筒状のベース、及び前記ベースの周りに沿って放射状に一列で配置された複数の単位ブレードを含み、
前記各単位ブレードは、これに噴射された流体を流体噴射方向と相異する方向に排出させ、他の単位ブレードへは排出させない出口を含む衝動式タービンを提供する。

前記各単位ブレードは、これに噴射された流体が他の単位ブレードに排出されることを抑制するように構成されることができる。

前記各単位ブレードは、これに噴射された流体の９０重量％以上を前記出口に排出させるように構成されることができる。

前記各単位ブレードは、これに噴射された流体を一時的に収容する溝部、前記溝部の底を形成する底部、前記溝部の右側壁を形成する第１遮断部、前記溝部の左側壁を形成する第２遮断部、前記溝部の前側壁と上側壁を形成する第３遮断部を含み、前記底部は、一部が前記溝部の前記上側壁によって閉鎖され、残り部分は開放されており、前記第１遮断部は前記第２遮断部より長さが短く、前記出口は、前記第１遮断部と隣接して位置することができる。

前記溝部は、アーチ状の平断面を有することができる。

前記本体は、軸孔を有する円筒状の本体内部、及び前記本体内部の周りを囲むように配置された円筒状の本体外部を含むことができる。

前記衝動式タービンは、５ｋＰａ以下の流体噴射圧で３６００ｒｐｍの回転速度を得ることができるように構成されることができる。

本発明の他の側面は、
前記衝動式タービンを含むタービン装置を提供する。

本発明のまた他の側面は、
内部にタービンが回転するための空間を備え、一側と他側に設けられた一対の流体流入口及び流体排出口が形成されたハウジングと、前記中央に回転軸が軸設されて回転するタービンとからなるタービン装置において、前記ハウジングは、両側が開放されるようにし、一側には回転軸の一端を支持するための軸支持具が結合され、他側には流体排出孔を備える流体排出管が結合されるようにし、前記軸支持具は、中央に回転軸が貫通するための通孔が形成され、ハウジングの一側に結合するためのフランジ部を備え、通孔の前方にはベアリング設置溝が形成され、後方にはベアリング内蔵空間が形成されるようにし、前記ベアリング設置溝には回転軸の前方を支持するための前方ベアリングが嵌合され、ベアリング内蔵空間には回転軸の後方を支持するための後方ベアリングが嵌合されて、回転軸を偏心されるように支えることができるように構成されることを特徴とするタービン装置の回転軸支持構造を提供する。

前記ベアリング内蔵空間には遮断具が形成されてベアリングに流入される流体を遮断することができる。

本発明の一具現例に係る衝動式タービンは、低い流体噴射圧でも高い回転速度を得ることができる。

前記のような本発明の効果は、ノズルによって噴射される高圧の流体がタービンの特定単位ブレードを打撃した後、当該単位ブレードに所定時間とどまるように単位ブレードの形態を改善し、高圧の流体が有する慣性力が相当時間の間単位ブレードに作用するようにすることにより達成されることができる。

したがって、本発明の一具現例に係る衝動式タービンは、高圧の流体が有する力をタービンのブレード部に完全に伝達することにより、タービンの力がよくなり、タービンの効率性が向上されることができる非常に有用な発明である。

本発明の一具現例に係る衝動式タービンの一側斜視図である。 図１の衝動式タービンをＡ－Ａ′線に沿って切り取って得た断面図である。 図１の衝動式タービンをＢ方向で見た側面図である。 図１の衝動式タービンをＢ′方向で見た側面図である。 図１の衝動式タービンをＣ方向で見た正面図である。 本発明の一具現例に係る衝動式タービンの他側斜視図である。 本発明の一具現例に係るタービン装置の回転軸支持構造を示すための分解斜視図である。 本発明の一具現例に係るタービン装置の部分分解斜視図である。 図８のタービン装置の断面図である。 図８のタービン装置の作動状態を示す図面である。 図８のタービン装置の作動時の流体の流入及び排出経路を示す透視図である。

以下では図面を参照して本発明の一具現例に係る衝動式タービンを詳しく説明する。

本明細書において、「衝動式タービン（ｉｍｐｕｌｓｅ ｔｕｒｂｉｎｅ）」とは、ノズルに高圧の流体を供給すると、流体の圧力が減少し、流体の速度は増加するようになるが、このように速度が増加された流体が高速ジェットの形態でノズルを通過してタービンブレード（すなわち、単位ブレード）にぶつかって流れ方向が変化され、このように流れ方向の変化によって衝撃力が生成され、この衝撃力によってブレードが回転するようになるタービンを指称する（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｉｔｅ．ｃｏｍ／ｉｍｐｕｌｓｅ－ｔｕｒｂｉｎｅ－ｒｅａｃｔｉｏｎ－ｔｕｒｂｉｎｅ－ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ－ｗｏｒｋｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ／参照）。

また、本明細書において、「単位ブレード」は、ブレード部を構成する個個のブレードを意味する。

また、本明細書において、「流体」は、蒸気、空気、オイル、水、各種ガスまたはこれらの組み合わせを含むことができる。

発明の実施のための形態
図１は、本発明の一具現例に係る衝動式タービン１００の一側斜視図であり、図２は、図１の衝動式タービン１００をＡ－Ａ′線に沿って切り取って得た断面図であり、図３は、図１の衝動式タービン１００をＢ方向で見た側面図であり、図４は、図１の衝動式タービンをＢ′方向で見た側面図であり、図５は、図１の衝動式タービン１００をＣ方向で見た正面図であり、図６は、本発明の一具現例に係る衝動式タービン１００の他側斜視図である。

図１～図６を参照すると、本発明の一具現例に係る衝動式タービン１００は、本体１１０及びブレード部１２０を含む。

本体１１０は、軸孔ｈを有するもので、円筒状であり得る。軸孔ｈには回転軸（図９の２２１）が挿入されることができる。

また、本体１１０は、本体内部１１１、及び本体外部１１２を含むことができる。

本体内部１１１は、軸孔ｈを有するもので、円筒状であり得る。

本体外部１１２は、本体内部１１１の周り（ｐｅｒｉｐｈｅｒｙ）を囲むように配置されたもので、円筒状であり得る。

また、本体内部１１１と本体外部１１２は一体に形成されたものであり得る。

ブレード部１２０は、本体１１０の周り（具体的には、本体外部１１２の周り）を囲むように配置されたものであり得る。

また、ブレード部１２０は、ベース１２１、及び複数の単位ブレード１２２を含むことができる。

ベース１２１は、本体１１０の周りを囲むように配置されたもので、円筒状であり得る。

複数の単位ブレード１２２は、ベース１２１の周りに沿って放射状に一列で配置されたものであり得る。

また、複数の単位ブレード１２２らそれぞれは、これに噴射された流体Ｆを流体噴射方向と相異する方向に排出させるが、他の単位ブレード１２２へは排出させない出口ｅを含むことができる。具体的には、複数の単位ブレード１２２らそれぞれは、これに噴射された流体Ｆが他の単位ブレード１２２に排出されることを抑制するように構成されることができる。より具体的には、複数の単位ブレード１２２らそれぞれは、これに噴射された流体の９０重量％以上、９５重量％以上、９７重量％以上、９８重量％以上、９９重量％以上または１００重量％を出口ｅを通じて排出させるように構成されることができる。

複数の単位ブレード１２２らそれぞれは、溝部ｇ、底部１２２ａ、第１遮断部１２２ｂ、第２遮断部１２２ｃ及び第３遮断部１２２ｄを含むことができる。

溝部ｇは、それぞれの単位ブレード１２２に噴射された流体Ｆを一時的に収容する役割を果たす。具体的には、溝部ｇはそれぞれの単位ブレード１２２に噴射された流体Ｆを所定の滞留時間の間収容してから出口ｅを通じて外部に排出させる役割を果たす。

底部１２２ａは、溝部ｇの底を形成するものであり得る。例えば、底部１２２ａは偏平な構造を有することができる。

また、底部１２２ａは、一部が溝部ｇの上側壁によって閉鎖され（すなわち、上方から下方へ観察する場合、溝部ｇの上側壁に遮られて見えない）、残り部分は開放（すなわち、上方から下方へ観察可能である）されたものであり得る。

第１遮断部１２２ｂは、溝部ｇの右側壁を形成するものであり得る。

第２遮断部１２２ｃは、溝部ｇの左側壁を形成するものであり得る。

また、第１遮断部１２２ｂは第２遮断部１２２ｃより長さが短くてもよい。このような第１遮断部１２２ｂと第２遮断部１２２ｃとの長さの差によって出口ｅが形成されることができる。

出口ｅは第１遮断部１２２ｂと隣接して位置したものであり得る。

第３遮断部１２２ｄは、溝部ｇの前側壁１２２ｄ１と上側壁１２２ｄ２を形成するものであり得る（図２参照）。

流体Ｆは、第３遮断部１２２ｄ（特に、前側壁１２２ｄ１）に向かって噴射されることができる。具体的には、図５に示したように、流体Ｆは、第３遮断部１２２ｄ方に噴射されて、溝部ｇに所定時間滞留した後、第１遮断部１２２ｂに沿って出口ｅを通じて外部に排出されることができる。

また、溝部ｇはアーチ状の平断面を有し得る（図５のｇ′参照）。

前記のように、溝部ｇが左側壁１２２ｂ、右側壁１２２ｃ、前側壁１２２ｄ１、上側壁１２２ｄ２及びアーチ状の平断面を有するとともに、出口ｅが形成されることにより、図５に示したように、それぞれの単位ブレード１２２に噴射された流体Ｆは矢印方向に表示された流れ経路を有することができる。したがって、特定ブレード１２２に噴射された流体Ｆは隣接した他のブレード１２２に排出されることが抑制されて、その大部分が出口ｅを通じて排出されることができ、それによって、衝動式タービン１００は低い流体噴射圧でも高い回転速度を得ることができる。

また、ベース１２１と複数の単位ブレード１２２は一体に形成されたものであり得る。

前記のような構成を有する衝動式タービン１００は、５ｋＰａ（ｋｉｌｏｐａｓｃａｌｓ）以下または４ｋＰａ以下の流体噴射圧で３６００ｒｐｍの回転速度を得ることができる。一方、従来の衝動式タービン（図示しない）は３６００ｒｐｍの回転速度を得るためには、１２７ｋＰａの高い流体噴射圧が要求されたため、効率が非常に低いという問題点があった。

本発明の他の側面は、前述の衝動式タービン１００を含むタービン装置を提供する。

図７は、本発明の一具現例に係るタービン装置１０の回転軸支持構造を示すための分解斜視図であり、図８は、本発明の一具現例に係るタービン装置１０の部分分解斜視図であり、図９は、図８のタービン装置１０の断面図であり、図１０は、図８のタービン装置１０の作動状態を示す図面であり、図１１は、図８のタービン装置１０の作動時の流体Ｆの流入及び排出経路を示す透視図である。

図７～図１１を参照すると、本発明の一具現例に係るタービン装置１０は、ハウジング２１０、回転軸２２１及び衝動式タービン１００を含む。

タービン装置１０は、ノズルＮから噴射された高圧の流体Ｆが衝動式タービン１００のブレード部１２０を打撃するが、従来のタービンのようにそのままブレード部１２０から抜け出るのではなく、ブレード部１２０に所定時間とどまるように構成されることにより、高圧の流体Ｆが有する慣性力が相当時間の間ブレード部１２０に作用するように構成されることができる。それにより、ブレード部１２０に流体Ｆの圧力が持続的に加えられてタービン装置１０のパワーがより極大化されることができる。

タービン装置１０の回転軸支持構造は、ハウジング２１０、衝動式タービン１００、軸支持具２４０及び流体排出管２８０を含むことができる。

ハウジング２１０は、その内部に衝動式タービン１００が回転するための空間を備え、一側及び他側に設けられた一対の流体流入口２１１及び流体排出口を含むことができる。前記流体排出口は、流体排出管１８０と連通されることができる。

衝動式タービン１００は、タービン装置１０の中央に軸設されて回転する回転軸２２１に結合されて回転するように構成されることができる。

また、ハウジング２１０は、両側が開放されるように構成されるが、一側には回転軸２２１の一端を支持するための軸支持具２４１が結合され、他側には流体排出孔を備える流体排出管２８０と結合されたものであり得る。

軸支持具２４１は、回転軸２２１が貫通するための貫通孔が中央に形成され、ハウジング２１０の一側に結合するためのフランジ部２４２を含むことができる。

フランジ部２４２は、ボルトまたはねじのような締結具によってハウジング２１０の一側に結合される。この時、ハウジング２１０の内部の圧力が漏れないようにして密閉力を高めるためのＯリング（Ｏ－ｒｉｎｇ）を差し込んで結合することができる。

また、軸支持具２４１の前方にはベアリング設置溝２４１が形成され、後方にはベアリング内蔵空間２４２が形成され、ベアリング設置溝２４１には回転軸２２１の前方を支持するための前方ベアリング２３１が嵌合され、ベアリング内蔵空間２４２には回転軸２２１の後方を支持するための後方ベアリング２３２が嵌合されて回転軸２２１をハウジング２１０から偏心されるように支えることができる。

すなわち、衝動式タービン１００は、ハウジング２１０の内部で回転するが、回転軸２２１は軸支持具２４１のみによって支えされるように構成されることができる。

また、ベアリング内蔵空間２４２には遮断具２６０が形成されて、ベアリング２３２に流入される流体（例えば、蒸気）を遮断することができる。

遮断具２６０は、弾性を有する固定具２７０によってベアリング内蔵空間２４２から離脱しないように構成されることができる。この時、ベアリング２３２の両側にはオイルシール２５０を形成してベアリング２３２にオイルを供給することにより、回転軸２２１の回転をより円滑にすることができる。

それにより、タービン装置１０は、全てのベアリング２３２が高温の流体（蒸気）から何ら影響も受けず、それにより、どんなベアリングも損傷を受けずに、またオイル（グリース）の蒸発を最小化して回転軸２２１とベアリング２３２の耐久性を進めることができる。

回転軸２２１の末端には発電機結合部２２２を形成することもでき、このような発電機結合部２２２は、例えば、プーリー（ｐｕｌｌｅｙ）であり得る。

本発明は図面を参考して説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、本技術分野において通常の知識を有する者であればこれから多様な変形及び均等な他の具現例が可能であるという点を理解すべきである。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求範囲の技術的思想によって定められるべきである。

１０ タービン装置
１００ 衝動式タービン
１１０ 本体部
１１１ 本体内部
１１２ 本体外部
１２０ ブレード部
１２１ ベース
１２２ 単位ブレード
１２２ａ 底部
１２２ｂ 第１遮断部
１２２ｃ 第２遮断部
１２２ｄ 第３遮断部
１２２ｄ１ 第３遮断部の前側壁
１２２ｄ２ 第３遮断部の上側壁
２１０ ハウジング
２２１ 回転軸
２２２ 発電機結合部
２３１、２３２ ベアリング
２４１ 軸支持具
２４２ フランジ部
２５０ オイルシール
２６０ 遮断具
２７０ 固定具
２８０ 流体排出管
ｈ 軸孔
ｇ 溝部
ｅ 流体出口

Claims (6)

1. ハウジング、回転軸、軸支持具、衝動式タービン及び流体排出管を含むタービン装置において、
   前記ハウジングは、その内部に前記衝動式タービンが回転するための空間を備え、一側及び他側に設けられた一対の流体流入口及び流体排出口を含み、前記流体排出口は前記流体排出管と連通され、前記回転軸は前記タービン装置の中央に軸設されて回転するように構成され、前記軸支持具は、前記回転軸が貫通するための貫通孔が中央に形成され、前記ハウジングの一側に結合するためのフランジ部を含み、前記軸支持具の前方にはベアリング設置溝が形成され、後方にはベアリング内蔵空間が形成され、前記ベアリング設置溝には前記回転軸の前方を支持するための前方ベアリングが嵌合され、前記ベアリング内蔵空間には前記回転軸の後方を支持するための後方ベアリングが嵌合されて、前記回転軸を前記ハウジングから偏心されるように支持し、
   前記衝動式タービンは、前記回転軸に結合されて回転するように構成されたもので、下記（１）～（７）：
   （１）軸孔を有する円筒状の本体、及び前記本体の周りを囲むように配置されたブレード部を含み、
   （２）前記ブレード部は、前記本体の周りを囲むように配置された円筒状のベース、及び前記ベースの周りに沿って放射状に一列で配置された複数の単位ブレードを含み、
   （３）前記各単位ブレードは、これに噴射された流体を流体噴射方向と相異する方向に排出させるが、他の単位ブレードへは排出させない出口を含み、
   （４）前記各単位ブレードは、これに噴射された流体を一時的に収容する溝部、前記溝部の底を形成する底部、前記溝部の右側壁を形成する第１遮断部、前記溝部の左側壁を形成する第２遮断部、及び前記溝部の前側壁と上側壁を形成する第３遮断部を含み、
   （５）前記底部は、一部が前記溝部の前記上側壁によって閉鎖され、残り部分は開放されており、
   （６）前記第１遮断部は前記第２遮断部より長さが短く、
   （７）前記出口は前記第１遮断部と隣接して位置するという特徴を有する、タービン装置 。
2. 前記各単位ブレードは、これに噴射された流体が他の単位ブレードに排出されることを抑制するように構成された、請求項１に記載のタービン装置。
3. 前記各単位ブレードは、これに噴射された流体の９０重量％以上を前記出口を通じて排出させるように構成された、請求項２に記載のタービン装置。
4. 前記溝部は、アーチ状の平断面を有する、請求項１に記載のタービン装置。
5. 前記本体は、軸孔を有する円筒状の本体内部、及び前記本体内部の周りを囲むように配置された円筒状の本体外部を含む、請求項１に記載のタービン装置。
6. ５ｋＰａ以下の流体噴射圧で３６００ｒｐｍの回転速度を得ることができるように構成された、請求項１に記載のタービン装置。
   
   

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