KR100843540B1 - 동력발생용 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 팽창 유체가 가지고 있는 열적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 동력발생용 터빈(turbine)에 관한 것이다. 본 발명에 의한 동력발생용 터빈은, 터빈축과; 상기 터빈축과 함께 회전되도록 연결되고, 외주에 복수의 터빈블레이드가 구비된 로터와; 상기 로터의 외주 둘레에 구비되어 상기 로터의 외주면과 함께 상기 로터를 회전시키기 위한 가스의 통로를 형성하는 스테이터를; 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

터빈, 동력발생, 차량, 내연기관

Description

동력발생용 터빈{TURBINE FOR GENERATING MECHANICAL ENERGY}

도1은 종래의 터빈 구조를 나타낸다.

도2 및 도3은 본 발명에 의한 터빈의 바람직한 실시예를 나타낸다.

도4는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸다.

*도면의 주요 부분에 대한 설명*

1 : 입구 2 : 터빈블레이드,

3 : 스테이터 4 : 터빈축

5 : 로터 6, 16 : 안내날개

7 : 터빈서포트 8 : 출구

9 : 입구 조립체 10 : 베어링

11 : 베어링 브라켓 12 : 기밀판

13 : 차단벽

본 발명은 팽창유체가 가지고 있는 열적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 동력발생용 터빈(turbine)에 관한 것이다.

일반적으로 터빈은 물, 증기, 가스 또는 바람과 같이 움직이는 유체의 운동에너지를 기계적 회전운동 에너지로 바꾸는 장치를 말하며, 대형 터빈은 가스터빈엔진, 증기터빈, 제트엔진, 수차 등이 있다.

종래 터빈의 종류는 작동방식에 따라 충동터빈, 반동터빈, 혼식터빈으로 분류한다.

먼저, 충동터빈은 충격력만을 사용하는 터빈으로, 단식·속도복식·압력복식의 3가지가 있다.

단식은 1열의 노즐과 1열의 회전날개로 이루어지며 드라발 터빈이라고도 한다. 또한, 날개차의 회전수가 높아 대형화할 수 없으므로 소형 터빈에 쓰인다.

속도복식은 1열의 노즐과 2열 이상의 회전날개로 구성되어 속도에너지를 회전력으로 변환시키며, 커티스 터빈이라고도 한다. 작은 출력용으로 쓰이지만 다른 터빈과 조합하여 고출력 터빈으로도 많이 쓰인다.

압력복식은 단식을 많이 배열한 형식으로, 고압증기의 열에너지를 여러 단의 속도에너지로 변환시키므로 고출력에 적합하다. 이를 라토 터빈이나 첼리 터빈이라고도 한다.

둘째, 반동터빈은 축류와 반경류(半徑流) 방식이 있으며, 회전날개 안에서 생기는 팽창력의 반동을 이용한다. 축류는 번갈아 설치되는 고정날개와 회전날개에서 고리모양의 증기 통로를 만든다. 보통 고정날개와 회전날개는 단면이 같으며 파슨스 터빈이라고도 한다. 반경류는 동심원모양으로 회전날개와 고정날개 또는 회전날개를 줄지어 늘어놓고, 증기를 가운데에서 주입·팽창시켜 밖으로 내보내는 것으 로, 2개의 회전날개를 사용하여 서로 역회전시키는 융스트림 터빈이 대표적이다. 반경류는 소형으로 중 출력용으로 사용된다.

세째, 혼식터빈은 반동터빈과 충동터빈을 조합한 것으로 팽창가스 부피가 작은 고압 측 단에 커티스 등 충동터빈을 설치하고, 그 뒤를 반동터빈으로 만들고 고출력용으로 사용된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 파슨스 터빈 구조는, 회전날개가 다단 또는 단단으로 구성되어 있고, 다단은 방사형으로 생긴 날개 판을 축 방향으로 여러 겹 배치한 모양이고, 단단은 한 겹 또는 두 겹으로 배치한 모양이다. 단단 터빈은 소형 및 고속용으로, 다단은 저속 고토오크용으로 사용된다. 이러한 터빈 날개 형식은 압력을 유효하게 이용하는 것보다 많은 유체를 흘려보내는 대용량 기기에 적합한 구조이다.

이러한 종래 터빈 효율은 일반적으로 47%를 넘지 못하고 있다. 그 이유는 도 1에 도시된 바와 같이, 입력된 팽창유체는 비틀림 고정날개와 회전날개를 통과하면서 회전력을 얻고 비틀림 날개 사이로 그냥 유체가 새어 나가는 형태로 압력에 대한 기밀성이 떨어지기 때문이다. 이와 같은 방식은 대용량에 적합한 방식이다.

한편, 현재 내연기관, 가스터빈엔진, 증기터빈 등을 포함한 열기관들 효율이 작게는 24%, 많게는 40% 정도로 효율성 열기관이 되지 못하고 있는 것이 지금의 실정이다. 내연기관에서 효율보다 손실이 많은 이유는 냉각손실, 배기손실, 기계적 동력변환구조 때문이며, 이와 같은 손실문제를 해결할 필요가 있다.

또한, 터빈은 종래에 내연기관 특히 차량용 내연기관과 결합하여 토크발생용 소형터빈으로 사용하는 예는 없고, 압축공기를 이용하는 수공구 또는 치과용 초미니 터빈은 사용되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 차량용 내연기관에 사용될 수 있는 새로운 구조의 동력발생용 소형터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 고효율의 터빈을 제공하며, 차량용 내연기관에 사용될 경우 내연기관의 효율이 향상될 수 있는 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 동력발생용 터빈은, 터빈축(4)과; 상기 터빈축(4)과 함께 회전되도록 연결되고, 외주에 복수의 터빈블레이드(2)가 구비된 로터(5)와; 상기 로터(5)의 외주 둘레에 구비되어 상기 로터(5)의 외주면과 함께 상기 로터(5)를 회전시키기 위한 가스의 통로를 형성하는 스테이터(3)를; 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 스테이터(3)에는 상기 가스가 상기 로터(5)의 회전방향으로 유입되게 하는 입구(1) 및 유출되게 하는 출구(8)가 형성된다.

또한, 상기 출구(8) 단면적은 상기 입구(1) 단면적 보다 큰 것이 바람직하다. 입구(1)로 유입된 가스는 상기 출구(8)로 가면서 팽창하게 되며, 그로 인해 압력은 점점 낮아지게 되어 로터(5)가 더욱 원활하게 회전된다.

상기 터빈블레이드(2)는 반달모양으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 유입 된 가스를 받기에 적합한 형태가 되며, 회전할 때 그 전방에 있는 가스에 대한 저항을 적게 받는 형태가 된다.

상기 스테이터(3)의 내면에는 상기 가스의 흐름을 상기 터빈블레이드(2)로 유도하도록 형성된 복수의 안내날개(6)들이 구비되는 것이 바람직하다.

상기 안내날개(6)가 없으면, 터빈블레이드(2)와 스테이터(3) 내면 사이에 있는 가스는 일을 하지 않고 그대로 유입되고 유출되게 되어 효율에 좋지 않다.

또한, 상기 안내날개(6)는 가스가 통로를 지나면서 팽창할 때 그 팽창의 지지 역할을 하여 팽창되는 가스가 상기 터빈블레이드(2)를 더욱 밀어내어 회전시키도록 작용한다.

상기 안내날개(6)는 일측은 반구형으로 타측은 반원형으로 형성되는 형태가 바람직하다. 다르게는 상기 안내날개는 반달모양으로 형성되고, 그 오목한 방향은 상기 터빈블레이드(2)와 반대가 되도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 로터가 회전할 때, 상기 터빈블레이드가 상기 안내날개와 번갈아가면서 밀폐와 개방이 교차 작동되게 하는 것이 바람직하다.

상기 안내날개(6)는 또한 상기 출구(8)쪽으로 갈수록 점점 그 크기가 커지는 것이 바람직하다.

상기 스테이터(3)의 입구에는 노즐이 형성되는 것이 바람직하며, 상기 노즐로 인해 스테이터(3)로 유입되는 가스는 더욱 가속된다.

복수의 스포크들을 가지고 상기 터빈축(4)과 상기 로터(5)를 연결하는 터빈서포트(7)를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

먼저, 도 2는 본 발명에 따른 터빈의 측면도를, 도 3은 본 발명에 따른 터빈의 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 터빈 내부의 유체 흐름 및 작용을 나타낸 단면도이다.

도시되는 바와 같이, 터빈은 터빈 내부의 유체 흐름의 통로 형성과 외부 유체기기와 결합하기 위해 고정설치되는 스테이터(고정체)(3)와, 회전 몸체로서 스테이터(3) 내측에서 회전되는 로터(회전체)(5)와, 상기 로터(5)와 연결되어 상기 로터(5)와 함께 회전하는 터빈축(4)을 포함한다.

스테이터(3)의 내면과 로터(5)의 외주면은 함께 가스의 밀폐된 통로를 형성한다.

스테이터(3)의 내면은 반타원형의 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

로터(5)의 외주에는 회전날개로서 터빈블레이드(2)가 구비되어 있다. 그리고, 상기 스테이터(3)는 가스가 유입되는 입구(1)와 유출되는 출구(8)를 갖는다.

상기 입구(1)로 유입된 가스는 스테이터(3) 내면과 로터(5) 외주면 사이의 통로를 따라 흐르게 되며, 이때 터빈블레이드(2)를 밀어 로터(5)를 회전시키게 된다. 여기서, 상기 입구(1)에 있는 입구조립체(9)는 노즐(미도시)을 포함하고 있으며, 노즐로 인해 유입되는 가스는 더욱 가속된다.

터빈블레이드(2)는 도시되는 바와 같이 반달모양으로 형성되어 있는데, 이는 유입되는 가스를 받아들이기 좋은 형태이며, 또한 회전될 때 저항을 적게 받는 형태이다.

여기서, 출구(8)의 단면적은 입구(1)의 단면적보다 크며, 가스가 흐르는 상기 통로는 출구(8)쪽으로 갈수록 그 단면적이 점점 커지고 있다. 이와 같이 출구(8)쪽으로 가면서 단면적이 크기 때문에 가스가 팽창하게 되며 그 팽창력으로 인해 로터(5)의 회전은 더욱 가속된다.

스테이터(3)의 내면에는 안내날개(6)가 구비되고 있는데, 이는 가스의 흐름을 도 4와 같이 터빈블레이드(2)로 유도하는 역할을 한다. 또한, 위와 같이 가스가 팽창할 때 팽창하는 가스에 대해 지지하는 역할을 하여 그 팽창에 의한 에너지가 터빈블레이드(2)로 향하도록 유도하게 된다. 즉, 팽창하는 가스는 안내날개(6)에 지지되어 터빈블레이드(2)를 더욱 힘차게 밀게 되는 것이다.

이를 위해, 본 발명에서는 안내날개(6)는, 입구(1) 측은 스테이터(3) 내벽을 따라 흐르는 유체가 터빈블레이드(2)에 저항없이 안내되도록 입구(1) 쪽은 반구형으로 오목하게 구성하고, 출구(8) 측은 터빈블레이드(2)가 회전하면서 반사되거나 팽창되어지는 반동력을 유효하게 받쳐주도록 반원형으로 오목하게 구성한다. 이처럼 유입되는 유체의 흐름을 유연하게 하고 역류의 흐름을 차단하게 한다.

또한, 도 4의 유체흐름 화살표와 같이 터빈이 회전할 때 터빈블레이드(2)가 안내날개(6)의 A~F 점과 번갈아 가면서 밀폐와 개방을 교차 작동하도록 되어 있다.

도 4를 참조하면, 어느 한순간은 밀폐 구조로 되는데, 즉, B, D, F 점에서 안내날개(6)는 터빈블레이드(2)와 끝 부분이 맞닿아 있어서 기밀을 유지하고, 다음 단계에서는 A, C, E 점에서 안내날개(6)가 기밀을 유지하게 되는 것이 특징이며 고효율의 기술이 된다.

또한, 출구(8) 쪽으로 갈수록 가스가 흐르는 통로가 넓기 때문에 그에 따라 안내날개(6)도 입구(1)쪽에서 출구(8)쪽으로 갈수록 점점 커지도록 형성되는 것이 바람직하다.

도 3에서, 터빈블레이드(2)는 16개이고, 안내날개(6)는 6개로 구비되고 있다. 이와 같은 터빈블레이드(2)의 갯수 및 안내날개(6)의 갯수는 다르게 구성될 수 있다.

도시되지는 않았지만, 스테이터(3)는 냉각을 위한 냉각수단(미도시)이 구비될 수 있다. 예컨대, 스테이터(3) 외주에 냉각핀이 구비될 수 있다.

로터(5)의 회전은 터빈축(4)으로 전달되고, 터빈축(4)은 회전하여 일을 하게 된다.

여기서, 로터(5)와 터빈축(4)은 터빈서포트(7)에 의해 연결되고 있다. 그리고, 터빈서포트(7)는 로터(5) 내측 원주면에 연결되는 다수의 스포크를 포함하고 있다.

터빈서포트(7)는 위와 같이 스포크로 로터(5)와 연결되기 때문에, 상기 로터(5)가 가질 수 있는 열이 그대로 터빈축(4)으로 전달되는 것이 방지된다. 그리고, 스포크는 팬과 같은 역할을 하기 때문에 회전됨에 따라 기류를 형성시켜 냉각이 더욱 잘 되는 구조이다.

터빈축(4)은 베어링(10)에 의해 지지되는데, 베어링(10)은 고온의 팽창유체를 사용할때는 메탈 베어링을 사용하고, 윤활유 순환 냉각구조를 가질 수 있다. 그리고, 압축공기를 사용할 때는 저온이기 때문에 볼 베어링을 사용할 수 있다.

베어링 브라켓(11)은 베어링(10)을 수용하고 지지하는 몸체로서 윤활유 순환형은 오일 씨일과 함께 기밀을 유지해야 한다.

기밀판(12)은 가스가 흐르는 상기 통로 이외에 다른 부분으로 팽창가스가 새지 않도록 기밀을 유지한다. 이와 같은 기밀판(12)은 기밀유지 정도에 따라서 한 겹 또는 여러 겹으로 할 수 있다.

터빈블레이드(2)를 밀며 로터(5)를 회전시키는 가스는 출구(8)를 통해 외부로 유출되는데, 이때, 상기 출구(8) 쪽에 있는 가스가 입구(1) 쪽으로 유입되지 않도록 차단벽(13)이 형성되어 있다.

도 5는 본 발명에 따른 터빈의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.

도 5에 도시된 터빈은, 터빈블레이드(2)는 32개이고, 안내날개(16)는 19개로 구비된 형태이며, 그 외의 다른 구성은 도 2 내지 도 4에 나타난 터빈과 다르지 않으므로, 그 설명은 생략하기로 한다. 여기서, 본 발명은 터빈의 크기에 따라 안내날개(16)와 터빈블레이드(2) 수가 달라질 뿐만 아니라 입구와 출구의 회전각 길이도 조정이 가능하다.

안내날개(16)는, 도 5에 도시되는 바와 같이, 터빈블레이드(2)와 같이 반달 모양으로 형성된다, 다만, 그 오목한 방향은 상기 터빈블레이드(2)와 반대가 되도록 한다.

즉, 터빈블레이드(2)는 입구(1)쪽을 향하는 부분이 오목하고 출구(8)쪽을 향하는 부분이 볼록한 형태의 반달모양을 하고 있지만, 안내날개(16)는 그와 반대로, 입구(1)쪽이 볼록하고, 출구(8)쪽이 오목하다.

이는, 터빈블레이드(2)는 오목한 부분이 가스를 담을 수 있도록 홈으로 이루어지는 것이 바람직하지만, 안내날개(16)는 입구(1) 쪽이 볼록하게 하여 그곳에 가스가 유입되어 머무는 것을 방지하여 유체 흐름을 원활하게 할 수 있다.

그리고, 상기 안내날개(16)는 도시되는 바와 같이 출구(8)쪽으로 갈수록 그 크기가 점점 크다. 출구(8)쪽으로 갈수록 가스가 흐르는 통로가 넓기 때문에 그에 따라 안내날개(6)도 점점 커지도록 형성되는 것이 바람직하다.

이상에서, 본 발명에 의한 터빈은 차량용 내연기관에 사용되는 경우, 달팽이관처럼 입구는 좁고 출구는 넓은 형태의 구조를 가지면 유체 팽창에 적합하여 팽창유체용 터빈에 적합하다.

유체 팽창과정에서 충동력과 반동력이 터빈블레이드(2)에 자동적으로 번갈아 전달되며, 충동작용은 유입통로를 통해 들어온 팽창유체가 노즐을 통하여 고압으로 분사하게 되어 있어서 그 충동력으로 터빈블레이드(2)를 때리게 되므로 동력을 얻게 되고, 반동 작용은 분사된 유체가 터빈블레이드(2)와 안내날개(6) 사이 팽창실에서 풍선처럼 원형으로 팽창하려는 성질을 이용하여 그 반동력으로 터빈블레이드(2)를 밀어 동력을 추가 생산할 수 있다.

팽창 통로는 배기구 쪽으로 나아갈수록 압력과 온도가 감소하여 유체의 체적이 늘어나므로 출구(8)는 입구(1)보다 전체 체적 공간이 몇 배 넓을 수 있다.

달팽이관처럼 생긴 통로를 팽창유체가 출구(8)로 곧장 빠져 나아가지 못하도록 여러 단의 안내날개(6)를 두어 이들을 거치는 동안 유체는 반드시 일을 하고 나가게 되며 고효율의 터빈을 얻을 수 있다.

종래 터빈의 효율은 47% 정도로 낮아서 소형 동력변환장치로 사용하기에 적합하지 않다. 대형 터빈으로 사용되는 터빈날개는 방사형 날개 형태를 가지고 있으며 대형 및 저속에서는 다단 날개를, 고속에서는 1~3단 날개를 가지고 있다.

이러한 종래 터빈은 안내날개(6)와 터빈블레이드(2) 사이에 기밀성이 떨어지고 고압에서 저압으로 팽창하려는 속성을 이용한 형태로 다량의 유체를 흘려 동력을 얻는 대형발전시스템에 적합한 터빈이다. 그러므로 소형동력변환 장치에 사용하는 터빈구조는 대형터빈과 같이 그 구조가 같을 수 없고 날개구조와 그 변환 구조가 달라야 한다.

본 발명에 의한 터빈은 기존 터빈과 그 형태나 모양이 완전히 다른 구조로 소용량에 적합하도록 구성되었으며 그 원리는 물레방아 버켓이 일정량의 물을 조금씩 가지고 떨어지는 것처럼 회전하면서 팽창유체를 조금씩 일정량만 차례로 가지고 나아가는 것과 같은 구조로 되어 있다.

본 터빈의 특징은 안내날개(6)를 배치한 것인데, 팽창유체가 속도를 가질 때는 직선방향으로 나아갈려는 성질이 있어 터빈모양이 직선이 아닌 원형이어서 스테이터(3) 안쪽 벽 쪽을 타고 흐르기 때문에 터빈블레이드(2)에 전달되는 유체 양이 작아진다. 이를 방지하기 위하여 안내날개(6) 방향이 터빈블레이드(2) 쪽을 향하도록 하였다. 또한 스테이터(3) 내벽을 반구형으로 하여 안내날개(6)들 사이가 팽창 공간으로 작용하여 유체 팽창력이 터빈 중앙으로 작용하도록 하였다.

본 터빈은 소형으로 구조가 간단해서 제작이 용이하며 내연기관과 결합하거나 압축공기를 이용한 동력변환 장치에 효율향상 또는 성능향상을 목적으로 사용하기에 적합한 구조이다.

상기 실시예에서는 단단으로 이루어진 경우에 대해 예시하고 있는데, 본 발명에 의한 터빈은 다단으로 구성될 수 있음은 당연하다.

또한, 본 발명은 상기의 실시예에 국한되는 것은 아니며 당해 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 설계 변경이나 회피설계를 한다 하여도 본 발명의 범위 안에 있다 할 것이다.

본 발명에 의하면 차량용 내연기관에 사용될 수 있는 새로운 구조의 동력발생용 소형터빈을 얻을 수 있다.

그리고, 본 발명에 의한 터빈은 고효율이며, 차량용 내연기관에 사용될 경우 내연기관 자체의 효율 향상에도 기여할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 터빈은 소형으로 컴택트하게 구성될 수 있어서, 제작이 용이할 뿐만 아니라, 유지 보수가 용이하다.

Claims (11)

1. 터빈축과;

   상기 터빈축과 함께 회전되도록 연결되고, 외주에 복수의 터빈블레이드가 구비된 로터와;

   상기 로터의 외주 둘레에 구비되어 상기 로터의 외주면과 함께 상기 로터를 회전시키기 위한 가스의 통로를 형성하는 스테이터와;

   상기 스테이터의 내면에는 상기 가스의 흐름을 상기 터빈블레이드로 유도하도록 형성된 복수의 안내날개를 포함하여;

   상기 로터가 회전할 때, 상기 터빈블레이드가 상기 안내날개와 번갈아가면서 밀폐와 개방이 교차 작동되게 하는 것을 특징으로 하는 동력발생용 터빈.
2. 제1항에 있어서,

   상기 스테이터는 상기 가스가 상기 로터의 회전방향으로 유입되고 유출되도록 입구 및 출구가 형성된 것을 특징으로 하는 동력발생용 터빈.
3. 제2항에 있어서,

   상기 출구의 단면적은 상기 입구의 단면적보다 큰 것을 특징으로 하는 동력발생용 터빈.
4. 제3항에 있어서,

   상기 입구에는 노즐이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 동력발생용 터빈.
5. 제1항에 있어서,

   상기 터빈블레이드는 반달모양으로 형성된 것을 특징으로 하는 동력발생용 터빈.
6. 제1항에 있어서,

   상기 안내날개는 일측은 반구형으로 타측은 반원형으로 형성된 것을 특징으로 하는 동력발생용 터빈.
7. 제1항에 있어서,

   상기 안내날개는 반달모양으로 형성되고, 그 오목한 방향은 상기 터빈블레이드와 반대가 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 동력발생용 터빈.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,

   상기 안내날개는 출구쪽으로 갈수록 점점 그 크기가 커지는 것을 특징으로 하는 동력발생용 터빈.
9. 제1항에 있어서,

   복수의 스포크들을 가지고 상기 터빈축과 상기 로터를 연결하는 터빈서포트를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 동력발생용 터빈.
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