KR101046205B1 - 가변 베인형 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가변 베인형 터빈에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 가변 베인형 터빈은 터빈 날개를 가지는 터빈 휠로 유체를 가이드하는 가변 베인을 포함하는 가변 베인형 터빈에 있어서, 일정 간격으로 이격설치되어 유체가 유입되는 유로를 형성하며, 일 측에 만입된 만입부가 형성된 다수의 고정 베인; 상기 만입부에 회동하도록 설치되어, 회동시 상기 유로의 단면적을 조절하는 가변 베인;을 포함하며, 상기 가변 베인 중 상기 유로 방향 측면은 상기 만입부 중 유체가 유입되는 유입단 측 단부와 유체가 유출되는 유출단 측 단부를 연결한 가상의 곡면 또는 평면과 실질적으로 동일하게 형성되는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 터빈 날개로 유입되는 유체의 방향을 변경하지 않으면서 선택적으로 유로를 개폐하할 수 있어 터빈 날개로 전달되는 유량이 흡입 유량에 비해 커질 수 있고, 이에 따라 저유량 상태에서도 출력이 저하되지 않을 수 있는 가변 베인형 터빈이 제공된다.

Description

가변 베인형 터빈{Turbine having variable vane}

본 발명은 가변 베인형 터빈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터빈 휠의 날개로 유입되는 유로의 방향이 변경되지 않으면서 선택적으로 폐쇄해서 부분흡입의 양을 조절할 수 있도록 하는 가변 베인이 구비된 가변 베인형 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, 터빈 날개로 유입되는 유체의 방향을 변경하지 않으면서 선택적으로 유로를 개폐할 수 있는 가변 베인형 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

복수의 가변 베인이 회동 가능하게 터빈 하우징 내부에 배치되어 가변 베인의 회전에 의해 유로가 조절됨에 따라 터빈 날개로 유입되는 유로의 일부를 폐쇄함으로써 부분 흡입량을 조절할 수 있으며, 가변 베인의 회동을 외부에서 쉽게 조절할 수 있도록 하여 공급 유량의 변동에 쉽게 대처할 수 있는 가변 베인형 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 선택적으로 유로를 개폐함으로써 터빈 날개로 전달되는 유량이 흡입 유량에 비해 커질 수 있어 저유량 상태에서도 출력이 저하되지 않을 수 있는 가변 베인형 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 선택적으로 유로를 개폐함으로써 터빈 날개의 높이를 종래보다 더 높게 형성할 수 있는 가변 베인형 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제는, 본 발명에 따라, 터빈 날개를 가지는 터빈 휠로 유체를 가이드하는 가변 베인을 포함하는 가변 베인형 터빈에 있어서, 일정 간격으로 이격설치되어 유체가 유입되는 유로를 형성하며, 일 측에 만입된 만입부가 형성된 다수의 고정 베인; 상기 만입부에 회동하도록 설치되어, 회동시 상기 유로의 단면적을 조절하는 가변 베인;을 포함하며, 상기 가변 베인 중 상기 유로 방향 측면은 상기 안착부 중 유체가 유입되는 유입단 측 단부와 유체가 유출되는 유출단 측 단부를 연결한 가상의 곡면 또는 평면과 실질적으로 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 베인형 터빈에 의해 달성될 수 있다.

여기서, 상기 가변 베인은 상기 만입부의 유입단 측에 회동가능하도록 설치되는 회동핀에 결합되어 상기 회동핀의 회동에 따라 회동할 수 있다.

또한, 상기 회동핀은 각각 개별적으로 제어가능하도록 설치될 수 있고, 상기 가변 베인의 길이는 회동시 상기 유로를 완전히 차단하도록 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 터빈 날개로 유입되는 유체의 방향을 변경하지 않으면서 선택적으로 유로를 개폐할 수 있는 가변 베인형 터빈이 제공된다.

또한, 선택적으로 유로를 개폐함으로써 터빈 날개로 전달되는 유량이 흡입 유량에 비해 커질 수 있어 저유량 상태에서도 출력이 저하되지 않을 수 있는 가변 베인형 터빈이 제공된다.

또한, 선택적으로 유로를 개폐함으로써 터빈 날개의 높이를 종래보다 더 높게 형성할 수 있는 가변 베인형 터빈이 제공된다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 가변 베인형 터빈 중 터빈휠 및 베인부의 개략도,
도 2는 도 1의 베인본체의 사시도,
도 3은 도 2의 I-I'을 따라 절단한 단면도,
도 4는 도 2의 Ⅱ-Ⅱ'을 따라 절단한 단면도,
도 5는 도 1의 작동상태도이다.

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 가변 베인형 터빈에 대하여 상세하게 설명한다.

통상적으로 터빈은 레이디얼형(radial type) 터빈과 축류형(axial type) 터빈으로 분류되나, 본 발명의 핵심인 가변베인의 구성은 레이디얼형 또는 축류형 모두에 동일한 개념으로 적용될 수 있으므로 대표적으로 축류형 터빈에 대해 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 가변 베인형 터빈 중 터빈휠 및 베인부의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈은 터빈 하우징(미도시), 터빈휠(10) 및 베인부(20)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 터빈 하우징은 통상의 터빈에 사용되는 하우징으로서, 내측에 터빈휠(10) 및 베인부(20)가 장착되도록 함몰형성되며, 일 단부로부터 유체를 흡입하여 장착된 베인부(20) 측으로 흡입된 유체를 배출하도록 노즐이 형성될 수 있다.

상기 터빈휠(10)과 베인부(20)는 면 대 면으로 결합되어 베인부(20)에 대해 터빈휠(10)이 상대적으로 회전하도록 설치된다.

여기서, 상기 터빈휠(10)에는 가장자리에 다수 개의 터빈 날개(11)가 결합되어 후술할 베인부(20)로부터 유입되는 유체가 터빈 날개(11)를 가압함으로써 터빈 휠(10)이 회전할 수 있다.

상기 베인부(20)는 터빈휠(10)의 일 면에 결합된 지지체(21)와, 지지체(21)의 가장자리에는 터빈 날개(11)로 유체가 유입되도록 유로를 형성하도록 일정 간격으로 이격배열된 베인본체(22)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 지지체(21)는 면 대 면 결합을 위해 실질적으로 터빈휠(10)의 크기와 대응되는 크기로 마련되어 소정의 체결수단에 의해 터빈휠(10)과 결합될 수 있다.

도 2는 도 1의 베인본체의 사시도이고, 도 3은 도 2의 I-I'을 따라 절단한 단면도이며, 도 4는 도 2의 Ⅱ-Ⅱ'을 따라 절단한 단면도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 베인본체(22)는 본원발명의 핵심적인 구성으로서, 고정 베인(221)과 가변 베인(222)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 고정 베인(221)은 지지체(21)의 가장자리를 따라 이격배열되면서 나사 등의 소정의 체결수단에 의해 고정됨으로써 두 고정 베인(221)의 사이에는 유체가 이동할 수 있는 유로가 형성될 수 있다.

상기 고정 베인(221)의 내측에는 함몰된 만입부(221a)가 형성되며, 만입부(221a)의 상단에는 돌출되어 후술할 가변 베인(222)이 회동가능하게 결합되는 회동부(221b)가 형성되며, 회동부(221b)의 중앙부에는 회동축(223)이 결합되는 결합홀(221c)가 형성된다.

여기서, 상기 고정 베인(221)은 직선형태로 형성될 수도 있고, 원호형상으로 형성될 수도 있다. 도시된 바는 원호형상으로 형성된 것이 도시되어 있다.

상기 가변 베인(222)은 고정 베인(221)의 만입부(221a)에 회동가능하도록 결합되며, 이를 위해 회동부(221b)를 수용하는 수용홈(222b)이 형성되고, 수용홈(222b)에는 회동부(221b)와 결합시 회동축(223)이 관통결합되도록 결합홀(221c)과 동축 상에 존재하는 수용홀(222c)이 형성된다.

여기서, 가변 베인(222)의 내측면 즉, 유로 방향 측면은 고정 베인(221)의 유체 유입단 측 단부(221e)와 유체 유출단 측 단부(221f)를 연결한 가상의 면(221d)과 실질적으로 동일하게 형성될 수 있다.

상기 가상의 면은 고정 베인(221)의 형태에 따라 결정될 수 있으며, 구체적으로는 원호 형상을 가지는 곡면 또는 평행한 형태의 평면일 수 있다.

가변 베인(222)의 내측면(222a)이 가상의 면(221d)과 실질적으로 동일해짐으로써, 두 고정 베인(221)이 형성하는 유로로 유입되는 유체의 방향은 실질적으로 변하지 않을 수 있다.

또한, 가변 베인(222)이 회동축(223)을 중심으로 유로 방향으로 회동함으로써 유로 단면적이 조정되거나, 유로의 완전개방 또는 폐쇄의 세가지 형태로 유로 단면적이 조절될 수 있다.

한편, 회동축(223)은 고정 베인(221)과 가변 베인(222)을 상호 결합한 상태에서 지지체(21)를 관통하여 스텝핑 모터 또는 서보모터 등의 회전기구에 결합되며, 소정의 제어수단에 의해 상기 회전기구가 제어됨으로써 회동할 수 있다.

여기서, 각 회동축(223)은 상기 제어수단에 의해 각각 개별적으로 제어될 수도 있다.

본 실시예에서는 회동부(221b) 및 수용부(222b)가 상호 결합되어 가변베인(222)이 고정베인(221)에 대해 회동가능한 것에 대해 설명하고 있으나, 다른 형태 가령, 지지체(21)에 고정 베인(221)이 고정설치되고, 고정 베인(221)의 만입부(221a)에 가변 베인(222)이 위치하도록 한 상태에서 가변베인의 상단 중앙부에 회동축(223)을 결합시켜 가변 베인(222)이 회동가능하도록 설치될 수도 있다.

상술한 바와 같이 설치된 상태에서 소정의 제어수단에 의해 회동축(223)이 회동하게 되면, 도 5에서와 같이, 가변 베인(222)이 회동축(223)을 중심으로 회동하여 유로 단면적을 조정 또는 완전개방 또는 폐쇄할 수 있다. 도시된 바는 폐쇄된 형태가 도시되어 있다.

본 발명에서와 같은 가변 베인형 터빈을 이용하면, 가변 베인의 회전에 의해 유로가 조절됨에 따라 터빈 날개로 유입되는 유로의 일부를 폐쇄하여 부분 흡입량을 조절할 수 있고, 가변 베인의 회동을 외부에서 쉽게 조절할 수 있도록 하여 공급 유량의 변동에 쉽게 대처할 수 있다.

따라서, 공급유량이 급격하게 변동되어 흡입유량이 저유량 상태로 변화되더라도 이에 따른 가변 베인을 회전시켜 유로의 일부를 폐쇄하여 터빈의 출력을 일정하게 유지할 수 있다.

또한, 일부 유로에만 유량을 유입하게 함으로써 터빈 날개의 높이를 종래보다 더 높게 형성할 수 있어 실질적으로 터빈의 출력을 증가시킬 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 : 터빈휠 11 : 터빈 날개
20 : 베인부 21 : 지지체
22 : 베인본체 221 : 고정 베인
221a : 만입부 221b : 회동부
221c : 결합홀 221d : 가상의 면
221e : 유체 유입단 측 단부 221f : 유체 유출단 측 단부
222 : 가변베인 222a : 내측면
222b : 수용부 222c : 수용홀
223 : 회동축

Claims (3)

1. 터빈 날개를 가지는 터빈 휠로 유체를 가이드하는 가변 베인을 포함하는 가변 베인형 터빈에 있어서,
   일정 간격으로 이격설치되어 유체가 유입되는 유로를 형성하며, 일 측에 만입된 만입부가 형성된 다수의 고정 베인;
   상기 만입부 중 유체가 유입되는 유입단 측에 회동가능하도록 설치되는 회동축;
   회동시 상기 유로를 형성하는 이웃하는 두 고정베인 중 상기 만입부와 대향된 고정베인의 측면과 맞닿는 길이로 마련되며, 상기 회동축에 결합되어 상기 회동축의 회동에 따라 회동하여 상기 유로의 단면적을 조절하는 가변 베인;을 포함하며,
   상기 가변 베인 중 상기 유로 방향 측면은 상기 만입부 중 유체가 유입되는 유입단 측 단부와 유체가 유출되는 유출단 측 단부를 연결한 가상의 곡면 또는 평면과 동일하게 형성되고,
   상기 회동축은 각각 개별적으로 제어가능하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 가변 베인형 터빈.
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