KR100834082B1 - 요철부를 이용한 터빈장치 - Google Patents

요철부를 이용한 터빈장치 Download PDF

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KR100834082B1
KR100834082B1 KR1020070025154A KR20070025154A KR100834082B1 KR 100834082 B1 KR100834082 B1 KR 100834082B1 KR 1020070025154 A KR1020070025154 A KR 1020070025154A KR 20070025154 A KR20070025154 A KR 20070025154A KR 100834082 B1 KR100834082 B1 KR 100834082B1
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Abstract

본 발명은 히트펌프의 배관계통에서 흐르고 있는 냉매가스, 에어콤프레셔로 만들어지는 압축공기, 상수도의 펌프가 공급하는 물 등의 유체가 갖는 운동에너지로 회전동력을 얻는 터빈장치에 관한 것으로, 일측이 개방되며 타측으로는 관통공이 형성된 원통형상으로, 그 내주면에는 원주방향을 따라 다수의 홈을 갖는 요철부가 형성된 본체; 본체의 개방측과 결합하며, 본체의 내부 공간과 연통하는 유체를 주입하기 위한 개구와 유체를 배출하기 위한 유체배출구가 관통 형성된 원판형상의 상부플레이트; 상부플레이트의 개구에 하방으로 관통되어 고정설치되고, 하부의 소정위치에는 유체의 공급을 위한 유입공이 형성된 원통관 형상의 유체 주입부; 및 본체와 상대적으로 회전운동이 가능하도록 회전갭을 갖고 본체 내경부로 삽입 배치되되, 일측의 중앙으로는 유체주입부가 삽입되도록 그와 대응하는 크기의 결합홈이 형성되며 결합홈의 내측으로는 유체를 수용할 수 있는 압력실이 형성되고 요철부와 인접한 부위에는 요철부를 따라 다수의 유체분사노즐이 관통 형성되며, 타측의 중앙으로는 본체의 관통공을 관통하여 외부로 노출되는 회전축이 결합하는 유체압력탱크;를 포함하는 것이 특징이다.
터빈, 유체, 압력실, 요철부, 유체분사노즐

Description

요철부를 이용한 터빈장치{TURBINE DEVICE USING CONCAVO-CONVEX PART}
도 1은 본 발명 요철부를 이용한 터빈장치를 개념적으로 설명하기 위한 도면으로, 도 1a는 회전축 측에서 본 사시도이고, 도 1b는 유체 주입 측에서 본 사시도이다.
도 2는 본 발명 요철부를 이용한 터빈장치의 본체를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명 요철부를 이용한 터빈장치의 상부플레이트 및 유체주입부를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명 요철부를 이용한 터빈장치의 유체압력탱크를 설명하기 위한 도면.
도 5a는 도 2의 A-A'선에 따른 단면도, 도 5b는 도 4의 B-B'선에 따른 단면도.
도 6은 본 발명 요철부를 이용한 터빈장치의 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 터빈장치를 이용한 제 1 실시예를 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명에 따른 터빈장치를 이용한 제 2 실시예를 설명하기 위한 도면.
*** 도면의 주요부분에 대한 도면부호의 간단한 설명 ***
1 : 본 발명에 따른 터빈장치
2 : 발전기 3 : 영구자석
4 : 코일이 감긴 고정자 10 : 본체
20 : 상부플레이트 30 : 유체주입부
40 : 유체압력탱크 50 : 베어링
60 : 고정수단 70 : 연결수단
100 : 요철부 110 : 관통공
삭제
200 : 개구 210 : 유체배출구
300 : 유입공 400 : 결합홈
410 : 압력실 420 : 유체분사노즐
430 : 회전축
본 발명은 터빈에 관한 것으로, 좀 더 상세히 설명하자면 히트펌프의 배관계통에서 흐르고 있는 냉매가스, 에어콤프레셔로 만들어지는 압축공기, 상수도의 펌프가 공급하는 각종 물 등의 상온의 유체가 흐르는 운동에너지로 회전동력을 얻는 터빈 장치에 관한 것이다.
통상적으로 터빈이란 물, 가스 및 증기 등의 유체가 가지는 에너지를 유용한 기계적 일로 변환시키는 기계를 통틀어 말한다. 이러한 터빈 중에서도 출력 용량에 따라 수백 KW의 소형에서부터 100MW이상의 대형까지 용량범위가 다양하고 이 중에 수백 KW 이하의 초소형 터빈을 마이크로터빈이라 한다.
한편, 유체를 이용한 터빈장치의 가장 대표적인 것으로 증기터빈 또는 가스터빈을 예를 들 수 있는데, 상기 증기터빈은 증기가 가진 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 원동기 형식의 하나로 보일러에서 발생시킨 고온고압의 증기를 노즐 또는 고정된 날개로부터 분출, 팽창시켜 나온 고속의 증기류(蒸氣流)를 회전하는 터빈날개에 부딪쳐서 그 충동작용 또는 반동작용에 의하여 축을 회전시키는 것이다.
따라서, 증기터빈은 증기가 가지는 열에너지를 속도에너지로 바꾸기 위한 노즐과 속도에너지를 기계적 에너지로 바꾸기 위한 터빈 날개를 바탕으로 구성되어 있다.
상기 노즐과 터빈 날개의 한 조를 터빈의 단(段)이라고 하는데, 증기터빈은 이러한 단을 여러 개 나란히 배열하여 구성되어 있다. 보일러로부터 보내오는 고압증기는 조절밸브를 지나 증기실로 들어가고 여기서부터 팽창하면서 각 단을 통과하여 배기실로 나간다. 회전부는 터빈축, 임펠러 및 터빈날개로 구성되는데, 임펠러는 터빈 축에 장치되어 차실에 수용되고 축은 차실 밖의 베어링에 지지된다. 터빈 축이 차실을 관통하는 곳에는 증기의 누설을 방지하기 위하여 래버린스 패킹과 같은 밀봉패킹이 있고, 차실을 나온 증기는 복수기로 들어가 여기서 냉각되어 물이 된다. 이 물은 다시 급수펌프로 보일러에 되돌려지며 노즐은 각 단마다 설치되는 칸막이 판 속에 고정되어 있다.
터빈의 단에는 터빈날개를 충동력만으로 구동하는 것과 충동력과 반동력의 양쪽에 의하여 구동하는 것이 있는데 전자를 충동단, 후자를 반동단이라고 한다. 그리고 충동단만으로 이루어진 터빈을 충동 터빈, 반동단만으로 이루어진 터빈을 반동 터빈이라고 한다.
상기한 바와 같은 증기터빈은 소형 마이크로터빈에서부터 대출력 터빈까지 범용으로 사용하고 있는 공지기술이며, 회전운동만으로 회전속도를 빠르게 하여 출력 당 중량을 작게 할 수 있고 장시간의 연속운전이 가능하여 왕복형의 증기기관, 내연기관 등에 대신하여 화력발전소, 선박, 공장 등의 대출력 원동기로서 널리 이용되어 있다.
한편, 증기터빈 외에 대표적인 것이 가스터빈이다. 상기 가스터빈은 압축기로 공기를 압축하고 압축된 공기를 연소실로 이끌어 여기서 연료를 분산해서 연소시킨다. 이때 생긴 고온고압의 가스를 터빈에 내뿜으면서 팽창시켜 터빈을 회전시키는 원리를 이용한 것이다. 보통 압축기와 터빈은 직접 또는 간접적으로 1개의 축으로 연결되어 있는데, 압축기를 가동시키는 동력은 터빈에서 발생하는 출력의 25~30%를 사용한다. 따라서 가스터빈으로 발전기 또는 프로펠러 등을 회전시키는 출력은 터빈에서 발생하는 출력에서 압축기를 가동시키는 데 소요되는 출력을 뺀 것이 된다.
이와 같이 상기한 종래의 터빈장치들은 대부분이 날개 형의 터빈장치로 회전동력을 얻어서 발전을 하는데 터빈 발전기는 화력발전소나 원자력발전소 등 초대형발전기의 원동기로만 인식되었고 터빈을 구동시키기 위한 유체로서 스팀압력은 최소 30㎏/㎠에서 100㎏/㎠ 이상의 초고압으로 높아야 고가의 날개 형 터빈으로 발전을 하는데 경제성이 있다고 평가되고 있다. 또한, 상기 날개 형 터빈은 초내열, 초강도, 초경량의 소재로서 유선형의 독립된 날개를 초정밀기계가공으로 제작해야만 하고, 고속회전체 터빈 휠의 발란싱에 어려움이 많으며 날개의 손상에 따른 고장 때문에 제작비, 유지보수비용이 많이 들며 국책사업의 초대형 발전장치나 항공기의 추진엔진, 로켓엔진, 미사일 등의 군사무기체제 외에는 터빈 생산이 어려웠다. 이러한 터빈기술은 정밀기계가공에 치중되어 초고가 제품으로 인식되어 그 수요량이 많지 않고 일반 공장에서 난방용으로 사용하였던 보일러에 200㎏/㎠ 이하의 스팀으로 열병합 발전을 하는 것은 경제성이 없는 것으로 평가되며, 히트펌프의 냉매압력차이 10㎏나 압축공기의 압력이 7㎏/㎠정도의 유체를 사용하는 저압터빈발전기가 없는 실정이다.
따라서, 상기한 종래 터빈의 개념은 일반인들이 접근하기 어려운 대형, 전문화 분야이고, 제작에서부터 발생하는 비용만도 엄청나 대기업들도 선뜻 뛰어들 수 없는 방위산업이나 국가기간산업 에너지프로젝트에 의거한 사업 등 특수산업으로 분류되고 있는 실정이다.
또한, 상기한 종래 터빈은 대형화에 중점을 둔 것으로, 소형화를 시킬 경우 회전 토크가 낮아지고, 효율이 떨어진다는 단점이 발생하며 터빈의 제작에 있어서도 설계기간과 비용이 과도하며 가공시간이 오래 걸리는 단점이 있다.
따라서, 본 발명 터빈장치는 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로 터빈의 구조를 단순화시켜 제작을 용이하게 하고 이에 따른 제작비용 절감 및 유지보수 비용을 절감할 수 있는 터빈장치를 제공함에 목적이 있다.
또한, 소형으로 제작할 경우, 마이크로 터빈이 갖는 단점인 낮은 회전 토크와 이에 따른 상기 마이크로 터빈을 이용한 발전기의 낮은 전기출력 및 효율 등의 단점을 보완할 수 있는 고효율 고출력을 갖는 터빈장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 요철부를 이용한 터빈장치는 일측이 개방되며 타측으로는 관통공이 형성된 원통형상으로, 그 내주면에는 원주방향을 따라 다수의 홈을 갖는 요철부가 형성된 본체; 상기 본체의 개방측과 결합하며, 상기 본체의 내부 공간과 연통하는 유체를 주입하기 위한 개구와 유체를 배출하기 위한 유체배출구가 관통 형성된 원판형상의 상부플레이트; 상기 상부플레이트의 개구에 하방으로 관통되어 고정설치되고, 하부의 소정위치에는 유체의 공급을 위한 유입공이 형성된 원통관 형상의 유체 주입부; 및 상기 본체와 상대적으로 회전운동이 가능하도록 회전갭을 갖고 상기 본체 내경부로 삽입 배치되되, 일측의 중앙으로는 상기 유체주입부가 삽입되도록 그와 대응하는 크기의 결합홈이 형성되며 결합홈의 내측으로는 유체를 수용할 수 있는 압력실이 형성되고 상기 요철부와 인접한 부위에는 상기 요철부를 따라 다수의 유체분사노즐이 관통 형성되며, 타측의 중앙으로는 상기 본체의 관통공을 관통하여 외부로 노출되는 회전축이 결합하는 유체압력탱크;를 포함하는 것이 특징이다.
이때, 상기 요철부는 내주면이 톱니형상을 갖는 링 형상 터빈 휠인 것이 특징이다.
또한, 상기 요철부는 각 홈들이 유체의 분사방향을 기준으로 40°~ 70°의 각도를 갖는 것이 특징이다.
여기에서, 상기 요철부 및 이와 대응하는 상기 유체분사노즐은 각기 터빈의 길이방향을 따라 다 단으로 형성되는 것이 특징이다.
한편, 상기 다수의 유체분사노즐은 그 직경이 1 ~ 3 mm 인 것이 특징이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요 소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 터빈장치에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명하는데 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 발명 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명 요철부를 이용한 터빈장치를 개념적으로 설명하기 위한 도면이다. 도 1a 및 도 1b에서 도시한 본 발명에 따른 터빈장치(1)는 효율이 많이 떨어지며 설계기간과 비용이 과도하고, 가공시간이 오래 걸리는 종래 날개 방식의 터빈장치를 개선한 신개념의 터빈장치로 증기, 가스, 에어 및 물 등의 다양한 유체가 유입되어 터빈장치(1)를 구동할 수 있으며, 터빈장치(1) 내부에는 소정공간을 갖는 압력실을 구비하고, 상기 압력실로부터 일정한 압력을 유지한 유체가 단면적이 작아진 유체분사노즐을 통해 빠른 속도를 갖고 분사되어 요철부와 충동하여 터빈의 회전축을 회전시킨다.
또한, 도 1a 및 도 1b에 도시한 본 발명에 따른 터빈장치(1)는 본체(10), 상부플레이트(20), 유체주입부(30) 및 상기 본체(10) 내부에 배치되는 유체압력탱크로 구성되며, 유체를 공급하기 위한 유체주입부(30) 및 터빈장치(1)를 구동시킨 후 사용된 유체가 배출되는 유체배출구(210)가 상기 상부플레이트(20)에 일체로 형성되기 때문에 그 구조가 종래 터빈장치에 비해 비교적 간단하다.
한편, 본 발명에 따른 터빈장치(1)를 개념적으로 설명하자면, 유체주입부(30)를 통해 증기, 가스, 에어 및 물과 같은 유체를 주입하게 되면 본체(10) 내부로 삽입 배치되는 유체압력탱크에 형성된 압력실로 유체가 이동되고, 상기 압력실로부터 유체분사노즐로 유체가 이동하여 일정한 압력을 갖고 분사되며 본체(10) 내주면에 상기 유체분사노즐과 대응하는 위치에 형성된 요철부와 충돌하게 된다.
여기에서 상기 요철부는 본체(10) 내주면에 원주방향을 따라 형성되는데, 본체(10) 내부에 직접 가공할 수도 있으며, 링 형상으로 내주면이 톱니형상을 갖는 터빈 휠이 결합한 것일 수도 있다.
또한, 상기 요철부는 유체분사노즐로부터 분사되는 유체와의 반발력을 통해 회전할 수 있도록 각기 동일한 방향으로 소정의 각도를 갖고 형성된다. 여기에서 상기 요철부의 홈들이 갖는 각도란 상기 유체가 상기 요철부에 분사될 때 분사되는 유체와 상기 요철부의 홈이 접하는 각도를 말하는데, 즉 상기 유체의 분사방향을 기준으로 직교하는 홈의 각도를 말한다.
따라서, 상기 요철부와의 반발력으로 유체압력탱크가 회전하게 되고, 이와 연결되어 외부로 노출된 회전축(430)이 회전하게 된다.
이와 같이 본 발명에 따른 터빈장치(1)는 그 구조가 비교적 간단하여 유지보수가 편리할 뿐만 아니라 제작비용 및 유지보수 비용을 종래 터빈장치보다 절감시킬 수 있다.
도 2는 본 발명 톱니형상의 요철부를 이용한 터빈장치의 본체를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명 톱니형상의 요철부를 이용한 터빈장치의 상부플레이트 및 유체주입부를 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 본 발명 톱니형상의 요철부를 이용한 터빈장치의 유체압력탱크를 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 5a는 상기 도 2에 도시된 A-A'선에 따른 단면도이고, 도 5b는 도 4에 도시된 B-B'선에 따른 단면도이며, 도 6은 본 발명 톱니형상의 요철부를 이용한 터빈장치의 단면도이다.
본 발명에 따른 터빈장치(1)는 크게 본체(10), 상부플레이트(20), 유체주입부(30) 및 유체압력탱크(40)로 구성되며, 이들의 상호 결합관계와 구조에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 도 2에서 도시하고 있는 본체(10)는 그 형상이 원통형상으로 도 4에서 도시하고 있는 회전축(430)이 연결된 유체압력탱크(40)가 삽입 배치될 수 있도록 일측이 개방되고 타측으로는 상기 회전축(430)과 대응하는 크기의 관통공(110)이 형성되며 내부는 비어 있다. 또한 상기 본체(10)는 유체압력탱크(40)가 삽입한 상태에서 일측 즉, 본체(10)의 개방측이 도 3에서 도시하고 있는 상부플레이트(20)와 결합하게 된다.
상기 본체(10)는 유체압력탱크(40)에 형성된 유체분사노즐(420)에서 분사되는 유체와 상호 반발력에 의한 회전력을 제공하기 위해 내주면으로는 소정위치에 다수의 홈으로 구성되는 요철부(100)가 형성된다. 상기한 요철부(100)는 상기 유체분사노즐(420)에서 분사되는 유체와의 반발력을 통해 본체가 회전할 수 있도록 각 홈들이 동일한 방향으로 소정의 각도를 갖게 가공해야 되는데, 그 각도가 도 5a에 도시한 바와 같이 유체의 분사방향을 기준으로 40°~ 70°의 각도(β)일 경우에 가장 원활한 회전력을 제공할 수 있다.
상기 요철부(100)는 본체(10)의 내경부로 직접 가공할 수도 있지만, 원형의 링 형상으로 그 내주면이 톱니형상인 터빈 휠이 본체(10)의 내주면으로 결합한 것 일 수도 있다.
이때, 상기 요철부(100)는 도 3 또는 도 6에서는 하나로 도시되어 있지만 여기에 국한되지 않고 본 발명에 따른 터빈장치(1)의 상부 또는 하부 즉, 길이방향을 따라 다 단으로 나란히 설치하거나, 요철부(100)의 폭을 넓힐 수도 있는 것이 특징이다.
또한, 상기 도 2에서 도시한 본체(10)의 요철부(100)를 좀 더 상세히 보기 위한 A-A'선에 따른 단면도를 도 5a에 도시하였다. 도 5a에서 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 요철부(100)는 본체(10) 내주면의 소정위치에 형성하는데, 도면에서와 같이 원형의 링 형상으로 원주방향을 따라 내측으로 함몰된 다수의 홈이 형성된 톱니형상의 터빈 휠이 결합한 것일 수 있다.
한편, 도 3에서 도시한 본 발명의 따른 터빈장치(1)의 상부플레이트(20)는 원판형상으로 상기 본체(10)의 일측 즉 개방측과 결합하며, 상기 본체(10)의 내부공간과 연통하는 유체를 주입하기 위한 소정의 개구(200)가 형성되며, 상기 개구(200)로 이 후 설명할 유체주입부(30)가 관통하게 된다.
또한, 상기 상부플레이트(20)는 소정의 위치에 내부를 관통하도록 유체배출구(210)가 관통형성된다. 상기 유체배출구(210)는 유체주입부(30)로부터 유입된 유체가 터빈장치(1)의 내부에서 사용되고 난 뒤, 온도 및 압력이 떨어진 상태로 배출되는 통로이다.
여기에서, 상기 상부플레이트(20)는 원판형상을 갖고 있으나 여기에 국한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 터빈장치의 유체주입부(30)는 원통 관 형상을 갖고 상기 상부플레이트(20)에 형성된 개구(200)에 하방으로 관통되며, 그 상단은 소정의 고정수단(60)에 의해 고정 배치된다. 또한, 상기 유체주입부(30)는 일측으로 유체가 주입되며, 타측으로는 유체를 본체(10) 내부에 배치되는 유체압력탱크(40)의 압력실(410)로 이동시키기 위한 유입공(300)이 소정위치에 형성되는데, 이때 일측은 외부측이 되며, 타측은 본체(10) 내부로 배치되는 하부측을 말한다.
따라서, 상부플레이트(20)가 본체(10)와 결합하게 되면, 터빈장치(1)를 구동하기 위한 유체가 상기 유체주입부(30)를 통해 공급되고 이와 동시에 터빈장치(1)를 구동시킨 유체 압력은 유체배출구(210)를 통해 배출되어 병렬 또는 직렬로 또 다른 동일 터빈장치를 구동시킬 수 있으며, 이후 최종적으로 배출된 유체는 2차적으로 난방용이나 온수용 등과 같이 별도로 이용될 수도 있다.
도 4에서 도시한 유체압력탱크(40)는 본 발명에 따른 터빈장치(1)에서 가장 핵심적인 구성요소로, 상기 본체(10)로 소정의 갭을 갖고 삽입 배치된다.
상기 유체압력탱크(40)는 상부에 결합홈(400)이 내부에는 압력실(410) 및 유체분사노즐(420)이 하부에는 회전축(430)이 형성되는데 이와 같은 구조를 하기에서 상세히 설명하기로 한다.
상기 유체압력탱크(40)는 원통 형상으로 일측 중앙으로는 상기 유체주입부(30)가 삽입될 수 있도록 그와 대응하는 크기의 내경을 갖는 결합홈(400)이 형성되며, 결합홈(400)의 내측으로는 유입된 유체를 수용할 수 있도록 소정의 공간이 확보된 압력실(410)이 상기 결합홈(400)과 연결되도록 형성된다.
다시 설명하자면, 상기 유체압력탱크(40)는 본체(10)의 개방측으로 소정의 갭을 갖고 상기 본체(10)에 삽입 배치하되, 상기 상부플레이트(20)가 본체(10)와 결합할 때 상기 상부플레이트(20)에 고정설치된 유체주입부(30)가 삽입할 수 있도록 일측 중앙으로부터 내부로 함몰된 결합홈(400)이 형성된다. 또한, 상기 결합홈(400)으로부터 내측으로 소정공간이 형성된 압력실(410)은 상기 유체주입부(30)에 형성된 유입공(300)과 대응하는 위치에 형성하는데, 이는 상기 유입공(300)으로부터 유입되는 유체를 바로 압력실(410)로 이동시키기 위함이다.
따라서, 상기 본체(10), 그 내경부에 유체압력탱크(40) 및 유체주입부(30)가 고정설치된 상부플레이트(20)가 서로 결합하였을 때, 상기 유체주입부(30)로부터 연속적으로 공급되는 유체는 상기 유체압력탱크(40)의 압력실(410)로 이동하게 되며, 상기 압력실(410) 내의 수용된 유체는 항상 일정한 압력을 유지하게 된다.
한편, 상기 유체압력탱크(40)는 압력실(410)로부터 외부로 연통되는 유체분사노즐(420)이 형성되는데, 상기 유체분사노즐(420)은 유체압력탱크(40)의 원주방향으로 소정의 간격을 갖고 다수 개로 형성된다. 이를 도 5b에서 단면도로 도시하였다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 압력실(410)로부터 유체압력탱크(40)로 이동된 유체는 유체분사노즐(420)을 통해 외부로 빠르게 분사된다. 이는 유체압력탱크(40) 안쪽으로 개방된 유체분사노즐(420)의 입구측 단면적(A1)이 유체압력탱크(40) 바깥쪽으로 개방된 유체분사노즐(420)의 출구측 단면적(a2)보다 크기 때문인데, 이는 유체역학의 연속의 원리(principle of continuity)를 이용한 노즐의 일반적인 작용에 기인한 것으로, 일상생활에서 흔히 느낄 수 있는 예를 설명하자면, 수도꼭지에 달린 호스로 정원에 물을 주거나 물장난을 할 때 물을 더 멀리 더 세차게 뿌리기 위해서 호스 끝 부분을 눌러주게 되면 호스의 단면적이 감소하면서 작아진 단면적을 지나는 유체의 속도가 증가하여 물이 더욱더 빠르고 멀리 뿌려지게 되는 원리이다.
보다 구체적으로 설명하자면, 도 5b에 확대 도시된 것처럼, 노즐(420)과 같이 단면적이 서로 다른 단일 관로의 입구에서 출구로 유체를 이동시킬 때, 입구로 유입된 유체의 질량은 출구로 토출되는 유체의 질량과 동일하므로 즉, 유출입구 간의 질량이 보존되므로, 유입질량을 m1, 토출질량을 m2라고 할 때, m1 = m2가 된다. 이때, 유체를 비압축성의 정상류라고 가정하면 Q1 = Q2(Q1,2는 노즐의 입구 및 출구 단면에서의 유량)이므로, A1v1 = a2V2(A1, a2는 노즐의 입구 및 출구 단면적, v1, V2는 노즐의 입구 및 출구에서의 유동속도)가 된다. 따라서, A1v1 = a2V2 가 Q로 일정하다고 할 때, 단면적과 유동속도는 반비례하므로, 단면적이 작을수록 단면을 통과하는 유체의 유동속도는 빨라지고, 반대로 단면적이 클수록 유동속도는 느려진다. 그러므로, 단면적(a2)이 작은 노즐(420)의 출구에서 토출되는 유체의 분사속도가 단면적(A1)이 큰 노즐(420)의 입구로 유입되는 유체의 유입속도보다 빨라지게 되고, 따라서 노즐(420)에서 토출되는 유체는 요철부(100)를 향해 빠른 속도로 분사된다.
이와 같이 상기 유체분사노즐(420)은 그 직경이 1 ~ 3mm일 때 가장 적절한 압력과 속도로 유체를 분사할 수 있기 때문에 유체분사노즐(420)의 직경을 1 ~ 3mm로 가공하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명에 따른 터빈장치에 의하면, 도 5b 및 도 6에 도시된 바와 같이, 터빈장치에 최초로 공급된 유체는 유체주입부(30)를 통해 압력실(410)로 이동하게 된다. 이와 같이 유입공(300)을 통해 압력실(410)로 유입되는 유체는 압력실(410) 내에 일시적으로 저류되면서 유체압력탱크(40)보다 빠르게 압력이 높아지고, 따라서 유출공(415)과 인접한 유체분사노즐(420)에 보다 빠르게 상대적으로 고압인 유체를 공급할 수 있게 된다. 즉, 압력실(410)이 없어 유입공(300)을 통해 유입되는 유체가 곧바로 내부 용적이 큰 유체압력탱크(40) 전체로 분산됨으로써 유체분사노즐(420)로 전달되는 유체의 압력이 상대적으로 천천히 높아지는 것에 비해, 내부 용적이 상대적으로 적은 압력실(410)로 인해 유체분사노즐(420)로 공급되는 유체의 압력이 훨씬 더 빨리 높아질 수 있게 된다. 다시 말해, 유체주입부(30)의 유출공(415)에서 분사되는 유체가 상대적으로 빠르게 유체분사노즐(420)의 입구로 전달되기 때문에, 유체의 압력상승 응답속도를 훨씬 더 높일 수 있게 된다. 따라서, 유체분사노즐(420)에서 분사되는 유체는 속도가 급격히 빨라지게 되므로 상기 본체(10)의 내측면에 형성된 요철부(100)와 강하게 충돌하고, 그에 따른 반발력으로 유체압력탱크(40)가 회전력을 얻게 된다.
그러므로, 최초 유체주입부(30)를 통해 터빈장치(1)로 유입된 유체는 마찰손실을 무시할 경우 유체분사노즐(420)을 통해 본체(10)의 요철부(100)를 향해 분사될 때까지 Aivi = aoVo의 관계가 성립하는 바, Ai을 유체주입부(30)의 단면적, vi을 유체주입부(30)로 유입되는 유체의 유동속도, ao를 유체분사노즐(420) 출구의 단면적, Vo를 유체분사노즐(420) 출구를 통과하는 유체의 유동속도라고 할 때, 유체주입부(30)의 단면적(Ai) 또는 유체주입부(30) 통과 유체의 유속(vi)이 클수록, 반대로 유체분사노즐(420)의 출구 단면적(ao)이 작을수록 유체분사노즐(420)에서 분사되는 유체의 속도(Vo)가 증가됨을 알 수 있다.
즉, 유체주입부(30) 입구측에 고압을 걸어 유체주입부(30)로 유입되는 유체의 속도를 높일수록, 유체분사노즐(420)에서 분사되는 유체의 분사속도가 빨라져 유체압력탱크(40)의 회전속도를 더욱 높일 수 있게 될 뿐만 아니라, 유체주입부(30)로 유입되는 유체의 유속(vi)이 상대적으로 느리더라도, 유체분사노즐(420) 출구의 단면적(ao)에 비해 유체주입부(30)의 단면적(Ai)이 대단히 적다면 즉, 유체의 입출구간 단면적 축소비율(Ai/ao)이 매우 크다면, 유체분사노즐(420)에서 분사되는 유체의 속도(Vo)를 고속으로 높일 수 있게 되는 것이다.
상기한 유체분사노즐(420)이 형성되는 위치는 상기 본체(10)에 유체압력탱크(40)가 삽입되었을 때, 본체(10)에 형성된 요철부(100)와 근접하는 위치에 형성되며 유체압력탱크(40)의 외주면을 따라 소정의 간격으로 다수 개가 형성된다.
또한, 상기 유체분사노즐(420)은 유체압력탱크(40)의 길이방향을 따라 즉, 유체압력탱크(40)의 상부 또는 하부 방향으로 다 단으로 형성할 수도 있는데, 이와 함께 본체(10) 내부의 요철부(100) 또한 상기 유체분사노즐(420)과 대응하는 위치에 다 단으로 형성되어야 바람직하다.
즉, 다시 설명하자면, 본 발명에 따른 터빈장치(1)의 요철부(100) 및 이와 대응하는 유체분사노즐(420)은 각기 터빈의 길이방향을 따라 다 단으로 형성하여 한 단으로 이루어진 터빈장치에 비해 고출력 및 고속회전을 얻을 수 있다.
한편, 상기 유체압력탱크(40) 타측의 중앙으로는 본체(10)와 결합할 때 본체(10)의 하부의 관통공(110)을 관통하여 외부로 노출되는 회전축(430)이 결합하게 된다.
상기 회전축(430)은 소정의 길이를 갖고 상기 본체(10)의 타측에 형성된 관통공(110)에 관통되어 배치되는데, 본체(10)의 관통공(110)에는 베어링(50)을 결합하고 상기 베어링(50)을 통해 회전축(430)을 관통시킴으로 유체압력탱크(40)와 결합된 회전축(430)의 회전을 더욱 원활히 하고 터빈장치의 구동으로 인한 회전 저항을 최소화하게 된다.
또한, 상기 유체주입부(30)가 삽입되는 유체압력탱크(40)의 결합홈(400) 선단 즉, 상기 유체압력탱크(40)의 일측 중앙에도 상기 회전축(430)과 마찬가지로 베어링(50)을 연결하여 유체압력탱크(40)의 회전을 원활하게 한다.
여기에서, 상기 베어링(50)은 매우 정밀하고 고온 고압에서도 견딜 수 있는 고속 스핀들 베어링 또는 에어 베어링을 사용하여 회전하는 유체압력탱크(30)와 본체(10) 및 유체주입부(30)의 접촉마찰력을 최소화시키는 것이 바람직하다.
상기한 베어링(50)은 도 6에서는 두 곳으로 한정되어 있지만, 실제 터빈의 회전시 회전체와 고정체의 간섭되는 모든 부위에 추가로 더 설치할 수도 있다.
또한, 도 6에서 도시한 바와 같이 유체주입부(30)는 유체압력탱크(40)의 결합홈(400)에 삽입되는 부분(Z)과 회전축(430)은 본체(10)의 관통공(110)에 관통되는 부분(Z)의 직경을 좀 더 작게 가공하여 간섭되는 부위를 제거함으로 터빈장 치(1)의 회전 시 접촉마찰력을 최소화하게 된다.
상기한 바와 같은 본체(10) 내경부로 삽입되는 유체압력탱크(40)는 유체주입부(30)를 통해 유체가 공급되고 압력실(410) 및 유체분사노즐(420)에 의해 유체가 분사되어 본체(10) 내부에 형성되는 요철부(100)와 충돌하여 이에 따른 반발력으로 상기 본체(10)와 상대적으로 회전운동하게 되는데, 이와 같은 구조를 통해 상기 본체(10)를 고정하면 유체압력탱크(40)가 회전하게 되어 상기 유체압력탱크(40)와 결합하여 외부로 노출된 회전축(430)이 회전하게 된다.
이와 다른 개념으로 상기 본체(10)를 고정하지 않고 상기 회전축(430)을 고정하게 되면 이와 연결된 유체압력탱크(40) 또한 고정되고, 상기 유체압력탱크(40)와 상대적으로 회전운동하는 본체(10)가 회전할 수 있게 된다.
상기한 본 발명에 따른 터빈장치(1)는 종래 다단식의 날개형 터빈장치에서와 같이 각 단의 날개 임펠러를 통과할 때마다 유체의 압력이 감소하여 감소된 압력을 다시 증가시키기 위한 추가적인 보조 동력을 사용해야되는 문제점을 해결할 수 있게 된다.
즉, 본 발명에 따른 터빈장치(1)는 다단형으로 이루어지지 않고 원통형의 압력실(410)에 수용된 유체가 좁아진 다수의 유체분사노즐(420)을 통해 일괄적으로 빠르고 강력하게 분사되어 터빈장치를 구동시켜 회전축(430)이 회전하기 때문에 뛰어난 효율을 얻을 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 터빈장치를 이용한 제 1 실시예를 설명하기 위한 도 면이고, 도 8은 본 발명에 따른 터빈장치를 이용한 제 2 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
상기 도 7에 도시된 도면을 보게 되면, 본 발명에 따른 터빈장치(1)는 유체가 터빈장치(1) 내부로 공급되어 내부에 삽입 배치된 유체압력탱크를 회전시키고 이와 연결되어 본체(10) 외부로 노출되는 회전축(430)을 함께 회전시키게 된다.
이때, 상기 회전축(430)을 소정의 연결수단(70)을 통해 발전기(2)와 연결하면 상기 터빈장치(1)의 회전운동에너지를 발전기(2)에 의해 전기에너지로 변환하여 전기를 생산할 수도 있다.
여기에서, 상기 연결수단(70)으로는 일반적으로 흔히 사용되는 벨트, 체인 및 와이어 등이 있다.
또한, 상기 도면에서 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 터빈장치(1)와 연결되는 발전기(2)는 직류발전기, 동기발전기 및 유도발전기 중 어느 하나의 것을 적용시킬 수 있다.
한편, 도 8에서 도시하고 있는 도면은 터빈장치 자체를 발전기로 이용할 수 있는 터빈 발전기의 한 실시예로 도면에 도시한 바와 같이 먼저, 본 발명에 따른 터빈장치(1)의 회전축(430)을 고정하게 된다. 이는 상기 회전축(430)과 연결된 유체압력탱크가 본체(10)와 상대적으로 회전하기 때문에, 상기 회전축(430)을 고정함으로써 이와 상대적으로 회전 운동하는 본체(10)를 회전시키기 위함이다.
이후, 본 발명에 따른 터빈장치(1)의 본체(10) 외주면을 따라 극성이 서로 다른 영구자석(3)을 나란하게 배치하여 결합한다.
또한, 영구자석(3)이 본체(10)와 근접하도록 하여 내부에 코일이 형성된 고정자(4)를 상기 본체(10)와 소정의 간격을 두고 이격 배치한다. 즉, 자기장이 존재하는 공간에서 코일을 회전시키면 전류가 발생하는 발전기의 원리를 이용하는 것으로 이때, 영구자석(3)이 결합한 본체(10)가 회전하면서 자석의 N극과 S극이 서로 번갈아 가면서 코일이 형성된 고정자(4) 내부에서 회전하므로 발생하는 기전력은 교류가 된다. 즉, 도 8과 같은 실시예를 통해 교류 전원을 얻을 수 있게 된다.
따라서, 상기 본 발명에 따른 터빈장치(1)를 이용한 일체형 교류 발전기는 인접한 설비나 장치에서 버려지는 고압의 유체를 터빈장치로 유입시키고 터빈장치를 구동시킴으로, 기계적 회전이라는 운동 에너지를 전기 에너지로 변환시키게 되고, 외부에서 계속 회전 에너지를 공급하면 지속적으로 전기 에너지를 얻을 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 터빈장치를 이용하여 전력을 생산할 수 있어 전력의 자체 생산으로 계약전력의 감소에 따른 전력요금을 절감할 수 있고, 전력수급 대책의 하나로 민간의 열병합발전 참여에 의한 전력회사 자체의 신규 발전설비 소요를 감소시킬 수 있는 특징이 발생한다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명 터빈장치는 종래 다 단식의 날개형 터빈장치에서와 같이 각 단의 날개형 임펠러를 통과할 때마다 유체의 압력이 감소하여 감소된 압력을 다시 증가시키기 위한 추가적인 보조 동력을 사용하지 않고도 원운동의 관성작용으로 에너지의 낭비 없이 고효율, 고속회전, 고출력을 얻을 수 있으며 단순한 구조로 인해 유지보수가 편리하고 이에 따라, 제작 공정이 용이하고 유지보수가 간편하므로 제작 및 유지보수에 따른 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 터빈장치로부터 동력을 얻어 발전을 하게 되면 전력의 자체 생산이 가능하여 계약전력의 사용을 줄일 수 있으므로 전력요금을 절감할 수 있고, 가정이나 소규모 공장 등에서 저렴한 비용으로 자가 발전을 실현할 수 있으며, 고압가스 냉매, 압축공기, 상수도 배관의 물 등 상온의 유체가 가지고 있는 에너지 중 사용하고 남거나 폐기되는 에너지를 에너지원으로 활용하여 전기를 얻을 수 있는 신 재생에너지로 고유가 시대에 맞춰 경제 발전에 크게 기여를 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 일측이 개방되며 타측으로는 관통공이 형성된 원통형상으로, 그 내주면에는 원주방향을 따라 다수의 홈을 갖는 요철부가 형성된 본체;
    상기 본체의 개방측과 결합하며, 상기 본체의 내부 공간과 연통하는 유체를 주입하기 위한 개구와 유체를 배출하기 위한 유체배출구가 관통 형성된 원판형상의 상부플레이트;
    상기 상부플레이트의 개구에 하방으로 관통되어 고정설치되고, 하부의 소정위치에는 유체의 공급을 위한 유입공이 형성된 원통관 형상의 유체 주입부; 및
    상기 본체와 상대적으로 회전운동이 가능하도록 회전갭을 갖고 상기 본체 내경부로 삽입 배치되되, 일측의 중앙으로는 상기 유체주입부가 삽입되도록 그와 대응하는 크기의 결합홈이 형성되며 결합홈의 내측으로는 유체를 수용할 수 있는 압력실이 형성되고 상기 요철부와 인접한 부위에는 상기 요철부를 따라 다수의 유체분사노즐이 관통 형성되며, 타측의 중앙으로는 상기 본체의 관통공을 관통하여 외부로 노출되는 회전축이 결합하는 유체압력탱크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 요철부를 이용한 터빈장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 요철부는
    내주면이 톱니형상을 갖는 링 형상 터빈 휠인 것;을 특징으로 하는 요철부를 이용한 터빈장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 요철부는
    각 홈들이 유체의 분사방향을 기준으로 40°~ 70°의 각도를 갖는 것;을 특징으로 하는 요철부를 이용한 터빈장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 요철부 및 이와 대응하는 상기 유체분사노즐은
    각기 터빈의 길이방향을 따라 다 단으로 형성되는 것;을 특징으로 하는 요철부를 이용한 터빈장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 다수의 유체분사노즐은
    그 직경이 1 ~ 3 mm 인 것;을 특징으로 하는 요철부를 이용한 터빈장치.
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KR101250330B1 (ko) 2011-03-02 2013-04-03 한국해양과학기술원 수직축 터빈 시스템의 토크 증대 장치

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KR20030076476A (ko) * 2003-07-30 2003-09-26 이재본 유체운동을 회전동력으로 전환하는 축류형 다단터빈

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