KR101026990B1 - 유량 조절형 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유량 조절형 터빈에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 유량 조절형 터빈은 작동유체를 흡입하여 축방향으로 배출하도록 형성된 터빈 하우징; 상기 터빈 하우징에 결합되며, 상기 터빈 하우징으로부터 배출되는 작동유체를 축방향으로 분사하도록 외주면에 방사형으로 배열된 다수의 노즐이 형성된 베인부; 상기 베인부의 외측을 감싸면서 상기 터빈 하우징과 결합되는 베인링; 상기 터빈 하우징의 배출단 측 단부와 상기 베인부의 사이에 축방향을 중심으로 회전하도록 설치되며, 회전시 상기 베인부의 노즐을 부분적으로 폐쇄하는 차단링; 상기 터빈 하우징의 외측으로부터 상기 차단링의 일 측과 맞닿으면서 상기 베인부에 회전하도록 결합되어, 상기 차단링이 회전되도록 하는 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 베인에 의해 형성된 노즐의 일부 영역을 차단하도록 베인부와 터빈 하우징 사이에 축방향을 중심으로 회전하는 차단링 및 차단링에 회전력을 인가하는 구동부를 설치하여 구동부를 통해 차단링이 회전하면서 노즐을 부분적으로 차단하여 흡입 유량을 조절할 수 있으며, 공급 유량이 변동시에도 노즐을 통해 분사되는 유량을 조절할 수 있음으로써 터빈과 연결되는 압축기 등의 출력이 공급 유량의 변동에 쉽게 대처할 수 있는 유량 조절형 터빈이 제공된다.

Description

유량 조절형 터빈{FLOW CONTROLLABLE TYPE TURBINE}

본 발명은 흡입 유량의 조절이 가능한 유량 조절형 터빈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 노즐을 부분적으로 차단하는 차단블럭과, 차단블럭과 결합된 구동부를 구비하여 상기 구동부를 외부에서 회전함으로써 차단블럭이 축방향의 중심으로 회전하면서 노즐을 부분적으로 차단하여 작동유체의 흡입 유량이 조절될 수 있는 유량 조절형 터빈에 관한 것이다.

터빈은 높은 온도와 압력의 증기나 공기, 연소가스 등을 터빈 날개에 고속으로 분사해서 터빈 휠을 회전시켜 동력을 발생시키는 장치로서, 사용하는 작동유체에 따라 증기터빈이나 공기터빈으로 표현하기도 한다.

터빈이 장착된 동일한 축에 직접 발전기나 동력을 필요로 하는 회전기계를 설치하거나 감속기를 통해 회전수를 조정해서 동력을 전달한다.

가솔린 및 디젤엔진용 과급기도 엔진에서 배출되는 고온 고압의 배기가스를 이용하여 터빈을 회전시키고 터빈과 동일축에 연결된 압축기를 구동하여 엔진의 연소실로 향하는 흡입공기를 가압하기 위해 사용되는 해당 분야의 공지장치이다.

통상적으로 터빈에 공급되는 작동유체의 유량은 설치 장소에 따라서 혹은 작동조건이나 계절에 따라 변화하는 경우가 보통이다.

터빈은 일정한 유량조건에서 사용될 수 있도록 설계되어 있지만, 실제로 터빈에 공급되는 작동유체의 유량이 크게 변화하면 유체의 흐름 방향이 설계된 터빈 날개의 방향에서 벗어나 유동 손실을 초래하고, 이에 따라 터빈 효율이 감소한다.

공급되는 유량이 변해도 터빈 날개를 지나는 유체의 흐름 방향을 일정하게 유지시켜 주기 위해 터빈 입구의 일 부분에서 유입 흐름을 막아주는 부분 흡입장치가 사용된다.

보통은 부분 흡입장치가 한 번 설치되면 부분흡입을 조절하기 위해서는 터빈을 분해해서 터빈 입구의 부분 흡입량을 조절해야 하므로, 공급되는 작동유체의 유량의 변화가 빈번한 경우에는 부분 흡입의 조절이 어렵거나 조절을 위해 터빈장치의 작동을 자주 중단시켜야 하는 문제점이 있다.

따라서, 터빈을 분해하지 않고도 외부에서 쉽게 터빈의 부분 흡입량을 조절하는 장치가 필요로 하게 되었다.

본 발명의 과제는 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 베인에 의해 형성된 노즐의 일부 영역을 차단하도록 베인부와 터빈 하우징 사이에 축방향을 중심으로 회전하는 차단링 및 차단링에 회전력을 인가하는 구동부를 설치하여 구동부를 통해 차단링이 회전하면서 노즐을 부분적으로 차단하여 흡입 유량을 조절할 수 있는 유량 조절형 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

공급 유량이 변동시에도 노즐을 통해 분사되는 유량을 조절할 수 있음으로써 터빈과 연결되는 압축기 등의 출력이 공급 유량의 변동에 쉽게 대처할 수 있는 유량 조절형 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제는, 본 발명에 따라, 작동유체를 흡입하여 축방향으로 배출하도록 형성된 터빈 하우징; 상기 터빈 하우징에 결합되며, 상기 터빈 하우징으로부터 배출되는 작동유체를 축방향으로 분사하도록 외주면에 방사형으로 배열된 다수의 노즐이 형성된 베인부; 상기 베인부의 외측을 감싸면서 상기 터빈 하우징과 결합되는 베인링; 상기 터빈 하우징의 배출단 측 단부와 상기 베인부의 사이에 축방향을 중심으로 회전하도록 설치되며, 회전시 상기 베인부의 노즐을 부분적으로 폐쇄하는 차단링; 상기 터빈 하우징의 외측으로부터 상기 차단링의 일 측과 맞닿으면서 상기 베인부에 회전하도록 결합되어, 상기 차단링이 회전되도록 하는 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 조절형 터빈에 의해 달성될 수 있다.

여기서, 상기 차단링 중 상기 베인부와 마주보는 면에는 원호 형상의 가이드 홀이 형성되고, 상기 베인링 중 상기 터빈 하우징과 마주보는 면에는 상기 가이드 홀에 삽입되도록 돌출형성된 스토퍼가 형성될 수 있다.

또한, 상기 차단링은 링 본체와 상기 링 본체의 외측으로 연장되어 상기 노즐을 부분적으로 폐쇄하도록 원호 형상으로 형성된 차단블럭을 포함할 수 있다.

한편, 상기 구동부는, 축방향의 수직방향으로 회전하도록 결합되는 제1회전축; 일 측은 상기 제1회전축의 회전과 연동되어 회전하도록 결합되고, 타 측은 상기 베인부와 결합하면서 상기 차단링이 축방향을 중심으로 회전하도록 결합된 제2회전축;을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 베인에 의해 형성된 노즐의 일부 영역을 차단하도록 베인부와 터빈 하우징 사이에 축방향을 중심으로 회전하는 차단링 및 차단링에 회전력을 인가하는 구동부를 설치하여 구동부를 통해 차단링이 회전하면서 노즐을 부분적으로 차단하여 흡입 유량을 조절할 수 있는 유량 조절형 터빈이 제공된다.

공급 유량이 변동시에도 노즐을 통해 분사되는 유량을 조절할 수 있음으로써 터빈과 연결되는 압축기 등의 출력이 공급 유량의 변동에 쉽게 대처할 수 있는 유량 조절형 터빈이 제공된다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 유량 조절형 터빈의 개략도,
도 2는 도 1의 분해도,
도 3은 도 2의 베인부와 차단링의 사시도와 배면사시도,
도 3은 도 2의 베인부와 차단링의 사시도,
도 4는 도 3의 배면사시도,
도 5는 도 1의 Ｉ-Ｉ'을 따라 절단한 단면도,
도 6은 도 5의 회전상태도이다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 유량 조절형 터빈에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 유량 조절형 터빈의 개략도이고, 도 2는 도 1의 분해도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 유량 조절형 터빈(1)은 중심축과 작동유체의 흐름방향이 동일한 축류 터빈으로서, 터빈 하우징(10), 베인링(20), 베인부(30), 차단링(40), 로터(50) 및 구동부(60)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 터빈 하우징(10)은 일 측이 개방된 흡입단(11)이 형성되어 작동유체를 흡입하고, 축방향으로 흡입된 작동유체를 배출하도록 형성되며, 도시된 바는 우측단에 흡입 유량이 배출되는 배출단(12)이 형성되어 있다.

그리고, 배출단(12) 측에는 후술할 베인링(20)이 안착될 수 있도록 안착부(13)가 형성된다.

상기 베인링(20)은 내주면이 후술할 베인부(30)의 외측을 감싸도록 마련되며, 터빈 하우징(10)의 안착부(13)에 안착되어 나사 등으로 결합된다.

도 3은 도 2의 베인부와 차단링의 사시도이고, 도 4는 도 3의 배면사시도이다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 베인부(30)는 일정 두께를 가지는 링 형상으로 마련되어 베인링(20)의 내측에 결합될 수 있으며, 외주면에는 터빈 하우징(10)의 배출단(12)으로부터 배출된 작동유체가 분사되는 노즐(31a)을 형성하는 다수의 베인(31)이 방사형으로 배열될 수 있다.

여기서, 베인부(30)의 외주면에는 노즐(31a)의 일부를 차폐하는 차폐수단(32)이 형성되어 차폐영역이 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 차폐영역이 전체 원주의 대략 1/4의 크기로 형성된 것을 나타내고 있다. 그런데, 상기 차폐수단(32)은 터빈의 흡입유량을 일정하게 조절하기 위한 수단으로서 반드시 필요한 수단은 아닐 수 있다.

또한, 터빈 하우징(10) 방향의 면에는 후술할 차단링(40)의 가이드홈(43)에 내입되도록 돌출된 스토퍼(33)가 형성될 수 있다.

아울러, 스토퍼(33)와 동일한 면에 후술할 구동부(60)가 결합되는 구동부 결합용 홈(34)이 형성될 수 있다.

상기 차단링(40)은 상술한 베인부(30)와 대응되는 크기의 링 형상으로 마련된 링 본체(41)와, 링 본체(41)의 외측으로 연장되어 상술한 노즐을 부분적으로 차폐하는 차단블럭(42)으로 구성되어 터빈 하우징(10)의 배출단(12) 측 단부와 베인부(30)의 사이에 위치할 수 있다.

여기서, 차단블럭(42)은 링 본체와 동심을 가지는 원호형상으로 마련되며, 적어도 하나의 노즐을 차폐할 수 있는 크기로 마련될 수 있다. 도시된 바는 차단블럭(42)이 전체 원주의 대략 1/4에 대응되는 크기로 연장형성된 것을 나타내고 있다.

차단링(40) 중 베인부(30) 방향 측면에는 상술한 베인부(30)의 스토퍼(33)가 내입되도록 형성된 가이드홈(43)이 형성될 수 있다.

이때, 가이드홈(43)은 차단링(40)이 후술할 로터(50)의 축방향 중심으로 회전시 스토퍼(33)가 내입된 상태에서 회전할 수 있도록 축방향 중심을 중심으로 하는 원호 형상으로 마련될 수 있다. 본 실시예에서는 가이드홈(43)이 전체 원주의 대략 1/4의 크기로 형성되어, 차단블럭(42)이 회전시 차폐영역을 형성하는 차폐수단(43)과 실질적으로 완전히 겹쳐지게 되어 노즐이 형성된 부분이 완전개방된 것과 동일해질 수 있다.

한편, 차단링(40)의 내주면에는 후술할 구동부(60)와 맞닿도록 형성된 기어 홈(44)이 형성될 수 있다.

이를 통해, 차단링(44)은 기어 홈(44)과 맞닿아 있는 구동부(60)의 회전에 의해 회전하게 되고, 동시에 가이드홈(43)과 스토퍼(33)에 의해 축방향에 대해 베인부(30)로부터 이탈되지 않으면서 면대 면이 실질적으로 접촉된 상태에서 회전할 수 있게 된다.

상기 로터(50)는 통상적인 축류 터빈에 사용되는 로터로서, 상술한 베인부(30)와 마주보도록 결합되어 베인링(20)의 내측에 위치할 수 있다.

로터(50)는 외주연에 상술한 노즐(31a)로부터 분사되는 작동유체에 의해 회전하도록 블레이드(52)가 설치될 수 있다.

상기 구동부(60)는 제1회전축(61)과 제2회전축(62)를 포함하여 구성될 수 있다. 제1회전축(61)은 축방향의 수직방향으로 터빈 하우징(10)의 외측 단부에 아이들(idle)회전하도록 소정의 베어링을 통해 결합되며, 상부 측 단부에는 소정의 핸들이 설치되고 하부 측 단부에는 제2회전축(62)의 축방향 회전을 위한 제1베벨기어(61a)가 설치될 수 있다.

제2회전축(62)은 터빈 하우징(10)에 소정의 베어링을 통해 축방향과 나란하게 아이들(idle) 회전하도록 결합된다.

여기서, 우측 단부에는 상술한 차단링(40)의 내주면에 형성된 기어 홈(44)과 맞닿는 회전기어(62a)가 설치되고, 말단은 상술한 베인부(30)의 구동부 결합용 홈(34)에 아이들(idle) 회전할 수 있도록 결합된다. 이를 위해 말단이 결합되는 구동부 결합용 홈(34)에 소정의 베어링이 더 설치될 수 있다.

또한, 좌측 단부에는 상술한 제1회전축(61)의 제1베벨기어(61a)와 맞물려 회전하는 제2베벨기어(62a)가 설치될 수 있다.

이를 통해, 제1회전축(61)이 회전시 제2회전축(62)이 회전하고, 제2회전축(62)의 회전에 의해 회전기어(62b)가 회전하면서 차단링(44)이 연동하여 회전함으로써 차단블럭(42)에 의해 노즐(31a)이 부분적으로 폐쇄될 수 있다.

지금부터는 상술한 유량 조절형 터빈의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다. 도 5는 도 1의 Ｉ-Ｉ'을 따라 절단한 단면도이고, 도 6은 도 5의 회전상태도이다.

도 5는 노즐(31a)이 형성된 부분이 완전히 개방된 상태로서, 차단링(40)이 차폐수단(43)과 완전히 겹쳐지도록 위치하고 있는 것을 나타내고 있다.

이 상태에서 제1회전축(61)을 시계 방향으로 회전시키면 이와 연동하여 제2회전축(62)이 중심축 방향에서 봤을 때 시계방향으로 회전하게 되고, 차단링(40)의 기어 홈(44)이 회전기어(62b)와 맞물려 회전함으로써 차단링(40)이 반시계방향으로 베인부(30)에 대하여 슬라이딩 회전하여 도 6에서와 같이 노즐(31a)의 일부를 폐쇄하게 된다. 이때, 가이드홈(43)과 스토퍼(43)에 의해 차단링(40)은 베인부(30)로부터 이탈되지 않고 슬라이딩 회전할 수 있으며, 가이드홈(43)을 따라 이동하다가 가이드홈(43)의 내측 말단과 스토퍼(33)가 서로 맞닿으면서 회전은 멈추어 고정될 수 있다.

이와 같은 방법으로, 터빈의 노즐영역을 부분적으로 개폐함으로써 작동유체의 흡입 유량을 조절할 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
10 : 터빈 하우징 11 : 흡입단 12 : 배출단
13 : 안착부 20 : 베인링 30 : 베인부
31 : 베인 31a : 노즐 32 : 차폐수단
33 : 스토퍼 34 : 구동부 결합 홈
40 : 차단링 41 : 링 본체 42 : 차단블럭
43 : 가이드홈 44 : 기어 홈 50 : 로터
60 : 구동부 61 : 제1회전축 61a : 제1베벨기어
62 : 제2회전축 62a : 제2베벨기어 62b : 회전기어

Claims (4)

1. 작동유체를 흡입하여 축방향으로 배출하도록 형성된 터빈 하우징;
   상기 터빈 하우징에 결합되며, 상기 터빈 하우징으로부터 배출되는 작동유체를 축방향으로 분사하도록 외주면에 방사형으로 배열된 다수의 노즐이 형성된 베인부;
   상기 베인부의 외측을 감싸면서 상기 터빈 하우징과 결합되는 베인링;
   상기 터빈 하우징의 배출단 측 단부와 상기 베인부의 사이에 축방향을 중심으로 회전하도록 설치되며, 회전시 상기 베인부의 노즐을 부분적으로 폐쇄하는 차단링;
   상기 터빈 하우징의 외측으로부터 상기 차단링의 일 측과 맞닿으면서 상기 베인부에 회전하도록 결합되어, 상기 차단링이 회전되도록 하는 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 조절형 터빈.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 차단링 중 상기 베인부와 마주보는 면에는 원호 형상의 가이드 홀이 형성되고, 상기 베인링 중 상기 터빈 하우징과 마주보는 면에는 상기 가이드 홀에 삽입되도록 돌출형성된 스토퍼가 형성된 것을 특징으로 하는 유량 조절형 터빈.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 차단링은 링 본체와 상기 링 본체의 외측으로 연장되어 상기 노즐을 부분적으로 폐쇄하도록 원호 형상으로 형성된 차단블럭을 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 조절형 터빈.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 구동부는,
   축방향의 수직방향으로 회전하도록 결합되는 제1회전축;
   일 측은 상기 제1회전축의 회전과 연동되어 회전하도록 결합되고, 타 측은 상기 베인부와 결합하면서 상기 차단링이 축방향을 중심으로 회전하도록 결합된 제2회전축;을 포함하는 것을 특징으로 유량 조절형 터빈.

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