KR101070907B1 - Turbine having variable vane - Google Patents

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임찬선
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삼성테크윈 주식회사
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Abstract

본 발명은 종래의 가변 베인의 복잡한 제어 방식을 탈피하여, 작동 유체의 유량과 같은 터빈 입구에서의 유동조건에 따라 적은 수의 구동 수단만을 사용하여 가변 베인들의 움직임을 제어하게 함으로써, 시스템을 단순화하고 가격경쟁력을 획기적으로 향상시킬 수 있는 가변 베인형 터빈과 이를 구비한 터빈 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 본 발명에서는, 터빈 하우징; 상기 터빈 하우징 내에 설치되고 회전축에 의해 회전 가능하게 지지되는 터빈 휠; 상기 하우징에 소정 각도 이상 회전 가능하게 고정된 베인 링; 상기 베인 링을 회전 구동하는 모터; 일단은 상기 모터의 회전축과 편심되어 회전 가능하게 고정되고, 타단은 상기 베인 링의 일측에 회전 가능하게 고정된 커넥팅 로드; 및 일단은 상기 터빈 하우징에 회전 가능하게 고정되고, 타단은 상기 베인 링에 회전 가능하게 고정된 복수 개의 가변 베인을 포함하는 가변 베인형 터빈을 제공함으로써 달성된다. The present invention simplifies the system by eliminating the complicated control scheme of the conventional variable vanes and controlling the movement of the variable vanes using only a few drive means depending on the flow conditions at the turbine inlet such as the flow rate of the working fluid. An object of the present invention is to provide a variable vane type turbine and a turbine generator having the same, which can dramatically improve the price competitiveness. To this end, in the present invention, the turbine housing; A turbine wheel installed in the turbine housing and rotatably supported by a rotating shaft; A vane ring rotatably fixed to the housing by a predetermined angle; A motor for rotationally driving the vane ring; A connecting rod having one end eccentrically rotated with the rotation shaft of the motor and the other end rotatably fixed to one side of the vane ring; And one end is rotatably fixed to the turbine housing and the other end is rotatably fixed to the vane ring.

Description

가변 베인형 터빈{Turbine having variable vane}Turbine having variable vane

도 1은 종래의 터빈 발전기의 개략적인 구성을 보여주는 도면. 1 is a view showing a schematic configuration of a conventional turbine generator.

도 2는 종래의 가변 베인형 터빈의 구성을 보여주는 도면. 2 is a view showing the configuration of a conventional variable vane type turbine.

도 3은 본 발명에 따른 가변 베인형 터빈의 구성의 보여주는 도면.3 shows a configuration of a variable vane turbine according to the present invention.

도 4는 도 3의 IV 부분의 확대도.4 is an enlarged view of portion IV of FIG. 3;

도 5에는 본 발명에 따른 가변 베인형 터빈을 적용하기 전후의 연료전지형 터빈 발전기에서의 연료전지 스택 압력의 분포를 비교하여 보여주는 그래프. Figure 5 is a graph showing the comparison of the distribution of the fuel cell stack pressure in the fuel cell turbine generator before and after applying the variable vane turbine according to the present invention.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >Description of the Related Art

1: 발전부 2: 공기 공급기(압축기)1: power generation unit 2: air supply (compressor)

3: 연료 전지 4: 연소기3: fuel cell 4: combustor

6: 가변 베인 7: 터빈 휠6: variable vane 7: turbine wheel

8: 제어기 10, 160: 터빈8: controller 10, 160: turbine

61, 161: 가변 베인 71: 터빈 블레이드61, 161: variable vane 71: turbine blade

161a, 161b: 가변 베인 단부 161c: 슬롯161a, 161b: variable vane end 161c: slot

162: 베인 링 163: 커넥팅 링크162: vane ring 163: connecting link

164: 모터 165: 터빈 하우징164: motor 165: turbine housing

166: 디스크166: disk

본 발명은 터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가변 베인이 설치되어 작동 유체의 유량의 변동에도 불구하고 소정 범위 내의 작동 조건 하에서 터빈의 구동이 가능한 가변 베인형 터빈에 관한 것이다. The present invention relates to a turbine, and more particularly, to a variable vane type turbine in which a variable vane is installed to enable the turbine to operate under a predetermined range despite operating fluctuations in the flow rate of the working fluid.

통상 연료 전지용 공기 공급기(또는 공기 압축기), 보조동력유닛(Auxiliary Power Unit: APU), 터보 차저(turbo charger) 등에 적용되는 터빈은 설계 시에 고유량점과 저유량점을 고려하여 설계된다. 특히, 연료 전지용 공기 공급기에서는 연료 전지의 스택(stack)에서 요구하는 적정량의 유량, 압력 및 온도를 가지는 공기를 공급하여야 한다. 상기 공기 공급기는 그 회전축과 동축으로 연결된 터빈에 의해 구동된다. 이로 인해 공기 공급기를 구동하는 터빈 휠에 분사되는 연소 가스의 유량 등이 변동되는 경우에도 터빈 휠을 적정 속도로 회전시킬 수 있어야 한다. 즉, 연소 가스의 유량이 작은 범위에서도 원하는 연소 가스의 유량 및 압력으로 조절하여, 터빈을 필요한 속도로 회전시키고, 이에 따라 터빈 축과 동축으로 연결된 공기 공급기의 회전축을 필요한 속도로 회전시켜, 필요한 유량의 공기를 연료 전지로 공급하여 주어야 한다. 이를 위해서는 터빈 입구 측에 가변 베인을 사용하여 터빈으로 유입되는 연소 가스의 유량 및 압력을 조절하는 것이 필요하다. Usually, a turbine which is applied to an air supply (or air compressor), an auxiliary power unit (APU), a turbo charger, or the like for a fuel cell is designed in consideration of a high flow rate and a low flow rate. In particular, the fuel cell air supply must supply air having an appropriate amount of flow rate, pressure and temperature required by the stack of the fuel cell. The air supply is driven by a turbine which is coaxially connected with its axis of rotation. As a result, the turbine wheel should be able to rotate at an appropriate speed even when the flow rate of the combustion gas injected into the turbine wheel driving the air supply varies. That is, even in a range where the flow rate of the combustion gas is small, it is adjusted to the desired flow rate and pressure of the combustion gas, thereby rotating the turbine at a required speed, thereby rotating the rotation shaft of the air supply coaxially connected with the turbine shaft at the required speed, Air must be supplied to the fuel cell. This requires the use of variable vanes at the turbine inlet to regulate the flow and pressure of the combustion gases entering the turbine.

도 1에는 가변 베인형 터빈을 포함하는 터빈 발전기의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다. 1 is a view schematically showing the configuration of a turbine generator including a variable vane type turbine.                         

도 1에 도시된 것과 같이, 터빈 발전기는, 공기 공급기(2), 연료 전지(3), 연소기(4), 터빈(10) 및 발전부(1)를 포함하여 구성된다. 상기 발전부(1)에는 작동 초기에 공기 공급기(2)를 구동하기 위한 구동용 모터가 함께 설치될 수 있다. 상기 구동용 모터에 의해 터빈 발전기의 초기 작동이 개시되고, 공기 공급기(2)가 작동된다. 상기 공기 공급기(2)는 공기를 흡입하고, 이를 압축하여 상기 연료 전지(3)로 이송하는 기능을 한다. 상기 연료 전지(3)는 상기 공기 공급기(2)를 통해 이송 받은 공기와 연료를 적절한 혼합비로 혼합하여 상기 연소기(4)로 보낸다. As shown in FIG. 1, the turbine generator includes an air supply 2, a fuel cell 3, a combustor 4, a turbine 10, and a power generation unit 1. The power generation unit 1 may be provided with a driving motor for driving the air supply 2 in the initial operation. The initial operation of the turbine generator is started by the drive motor, and the air supply 2 is operated. The air supplier 2 functions to suck air, compress it, and transport the air to the fuel cell 3. The fuel cell 3 mixes the air transferred through the air supply 2 with fuel at an appropriate mixing ratio and sends the fuel to the combustor 4.

상기 연소기(4)에서는 공기와 혼합된 연료를 연소시켜 연소 가스를 발생시키고 이를 터빈(10)으로 보낸다. The combustor 4 burns fuel mixed with air to generate combustion gas and sends it to the turbine 10.

상기 터빈(10)은 통상 베인과 터빈 휠(7)을 구비하고, 상기 베인은 연소 가스가 상기 터빈 휠(7)에 고르게 분사될 수 있도록 조절한다. 앞서 설명한 것과 같은 이유로 인하여 연료 전지용 공기 공급기(2)와 동축으로 연결되는 터빈에는 가변 베인(6)이 설치되는 것이 바람직하다. 상기 가변 베인(6)은 연소 가스가 소정의 압력과 유량으로 상기 터빈 휠(7)에 충돌할 수 있도록 조절해주는 역할을 한다. 그리하여, 상기 터빈 휠(7)이 회전하여 작동유체의 에너지가 터빈 휠(7)이 고정된 회전축의 회전 에너지로 변환된다. The turbine 10 typically has vanes and a turbine wheel 7 which adjusts the combustion gas to be evenly injected onto the turbine wheel 7. For the same reason as described above, it is preferable that a variable vane 6 is installed in the turbine coaxially connected with the fuel cell air supply 2. The variable vanes 6 serve to control the combustion gas to collide with the turbine wheel 7 at a predetermined pressure and flow rate. Thus, the turbine wheel 7 is rotated so that the energy of the working fluid is converted into the rotational energy of the rotating shaft to which the turbine wheel 7 is fixed.

상기 터빈 휠(7)이 회전함에 따라 상기 터빈 휠(7)의 회전축에 일체로 결합된 발전부(1)의 마그네틱 로터(미도시)가 회전한다. 상기 마그네틱 로터는 그 주위에 고정자(미도시)에 의해 자기장이 형성된 상태에서 회전하게 되고, 이에 따라 상기 마그네틱 로터는 상기 고정자에 의해 형성된 자기장을 변화시키면서 전류를 발생시켜 발전기로서의 기능을 하도록 한다. As the turbine wheel 7 rotates, the magnetic rotor (not shown) of the power generation unit 1 integrally coupled to the rotary shaft of the turbine wheel 7 rotates. The magnetic rotor is rotated in a state in which a magnetic field is formed by a stator (not shown) around the magnetic rotor, thereby generating a current while changing the magnetic field formed by the stator to function as a generator.

도 2에는 종래의 가변 베인형 터빈의 평면도가 도시되어 있다. 2 is a plan view of a conventional variable vane type turbine.

도 2에 도시된 것과 같이, 종래의 가변 베인형 터빈은 중앙에 터빈 휠(7)이 위치하고 그 둘레에 가변 베인(61)들이 배치된다. 상기 가변 베인(61)들은 일측이 터빈 하우징(미도시)에 회전 가능하게 결합되고, 터빈 하우징의 둘레를 따라 등간격으로 배열된다. 배열된 가변 베인(61)들은 외부에 설치되는 별도의 유압 시스템(미도시)에 의해 터빈 하우징을 기준으로 동일한 각도로 회전하도록 제어된다. 이러한 제어에 사용되는 유압 시스템은 연소 가스와 같은 작동 유체의 유량을 감지하는 센서와, 유압 엑츄에이터 등의 유압 기기들을 필요로 하게 된다. 즉, 작동 유체의 유량을 감지하고 엑츄에이터를 구동하여 개별 가변 베인들을 소정 각도 회전시켜 터빈 휠(7)의 터빈 블레이드(71)에 충돌하는 작동 유체의 유량을 조절한다. 이러한 유압 기기들을 갖추기 위해서는 제작비용이 많이 소요되고, 유압 기기들의 비선형적 특성으로 인해 제어가 어려우며, 시스템이 복잡해진다는 단점이 있다. As shown in FIG. 2, the conventional variable vane type turbine has a turbine wheel 7 in the center and variable vanes 61 disposed therein. The variable vanes 61 are rotatably coupled to one side of the turbine housing (not shown), and are arranged at equal intervals along the circumference of the turbine housing. The arranged variable vanes 61 are controlled to rotate at the same angle relative to the turbine housing by means of a separate hydraulic system (not shown) which is externally installed. Hydraulic systems used for such control require sensors to detect the flow rate of the working fluid, such as combustion gases, and hydraulic devices such as hydraulic actuators. That is, the flow rate of the working fluid that senses the flow rate of the working fluid and drives the actuator to rotate the respective variable vanes by a predetermined angle to adjust the flow rate of the working fluid impinging on the turbine blade 71 of the turbine wheel (7). In order to equip these hydraulic devices, the manufacturing cost is high, the nonlinear characteristics of the hydraulic devices are difficult to control, and the system is complicated.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 종래의 가변 베인의 복잡한 제어 방식을 탈피하여, 작동 유체의 유량과 같은 터빈 입구에서의 유동조건에 따라 적은 수의 구동 수단만을 사용하여 가변 베인들의 움직임을 제어하게 함으로써, 시스템을 단순화하고 가격경쟁력을 획기적으로 향상시킬 수 있는 가변 베인형 터빈과 이를 구비한 터빈 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention is to solve the above problems, the present invention is to overcome the complicated control scheme of the conventional variable vanes, using only a small number of drive means depending on the flow conditions at the turbine inlet, such as the flow rate of the working fluid An object of the present invention is to provide a variable vane type turbine and a turbine generator having the same, which can simplify the system and significantly improve the cost competitiveness by controlling the movement of the variable vanes.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 터빈 하우징; 상기 터빈 하우징 내에 설치되고 회전축에 의해 회전 가능하게 지지되는 터빈 휠; 상기 하우징에 소정 각도 이상 회전 가능하게 고정된 베인 링; 상기 베인 링을 회전 구동하는 모터; 일단은 상기 모터의 회전축과 편심되어 회전 가능하게 고정되고, 타단은 상기 베인 링의 일측에 회전 가능하게 고정된 커넥팅 로드; 및 일단은 상기 터빈 하우징에 회전 가능하게 고정되고, 타단은 상기 베인 링에 회전 가능하게 고정된 복수 개의 가변 베인을 포함하는 가변 베인형 터빈을 제공함으로써 달성된다. An object of the present invention as described above, the turbine housing; A turbine wheel installed in the turbine housing and rotatably supported by a rotating shaft; A vane ring rotatably fixed to the housing by a predetermined angle; A motor for rotationally driving the vane ring; A connecting rod having one end eccentrically rotated with the rotation shaft of the motor and the other end rotatably fixed to one side of the vane ring; And one end is rotatably fixed to the turbine housing and the other end is rotatably fixed to the vane ring.

여기서, 상기 모터의 회전축은 상기 터빈 휠의 회전축과 평행하게 배치되고, 상기 커넥팅 로드는 상기 모터의 회전축 및 상기 터빈 휠의 회전축을 연결하는 중심선과 소정의 각도를 이루는 상태로 배치된 것이 바람직하다. Here, the rotation axis of the motor is disposed in parallel with the rotation axis of the turbine wheel, the connecting rod is preferably disposed at a predetermined angle with the center line connecting the rotation axis of the motor and the rotation axis of the turbine wheel.

여기서, 상기 모터의 회전축의 단부에는 소정의 지름을 가지는 디스크가 부착되고, 상기 커넥팅 로드의 일단은 상기 디스크에 상기 터빈 휠의 회전축과 평행하게 놓은 축을 중심으로 회전 가능한 핀조인트로 고정되는 것이 바람직하다. Here, a disk having a predetermined diameter is attached to an end of the rotating shaft of the motor, and one end of the connecting rod is preferably fixed to the disk by a pin joint rotatable about an axis parallel to the rotating shaft of the turbine wheel. .

여기서, 상기 커넥팅 로드의 일단은 상기 베인 링에 상기 터빈 휠의 회전축과 평행하게 놓은 축을 중심으로 회전 가능한 핀조인트로 고정되는 것이 바람직하다. Here, one end of the connecting rod is preferably fixed to the vane ring by a pin joint rotatable about an axis placed in parallel with the axis of rotation of the turbine wheel.

여기서, 상기 가변 베인의 양단은 각각 상기 베인 링과 상기 하우징에 상기 터빈 휠의 회전축과 평행하게 놓은 축을 중심으로 회전 가능한 핀조인트로 고정되고, 상기 가변 베인은 양단 중 어느 한 곳 이상에 상기 핀조인트가 이동할 수 있는 슬롯이 형성된 것이 바람직하다. Here, both ends of the variable vanes are fixed to the vane ring and the housing by pin joints rotatable about an axis parallel to the axis of rotation of the turbine wheel, and the variable vanes are pin joints at any one or more of both ends. It is preferred that a slot is formed in which is movable.                     

여기서, 상기 터빈 하우징으로 유입되는 작동 유체의 유량을 감지하는 센서를 더 포함하는 것이 바람직하다.
Here, it is preferable to further include a sensor for detecting the flow rate of the working fluid flowing into the turbine housing.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3에는 본 발명에 따른 가변 베인형 터빈의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 IV 부분의 확대도가 도시되어 있다. 3 is a view showing the configuration of a variable vane type turbine according to the present invention, and FIG. 4 is an enlarged view of the IV portion of FIG. 3.

도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 가변 베인형 터빈(160)은, 터빈 하우징(165), 터빈 휠(7), 베인 링(162), 모터(164), 커넥팅 로드(163) 및 가변 베인(161)을 포함한다. As shown in FIGS. 3 and 4, the variable vane type turbine 160 according to the present invention includes a turbine housing 165, a turbine wheel 7, a vane ring 162, a motor 164, and a connecting rod ( 163 and variable vanes 161.

상기 터빈 하우징(165)은, 회전축에 결합된 상기 터빈 휠(7)을 수용하는 중공부가 형성되고, 상기 모터(164)를 수용하는 하우징과 일체로 제작될 수 있다. The turbine housing 165 may have a hollow portion for receiving the turbine wheel 7 coupled to the rotating shaft, and may be manufactured integrally with the housing for receiving the motor 164.

상기 터빈 휠(7)은 외부에서 공급되어 상기 가변 베인(161)을 통과한 고온 고압의 유동에 의해 회전할 수 있도록 터빈 블레이드(71)가 그 둘레를 따라 다수 결합되어 있고, 회전축이 그 중심에 결합된 상태로 상기 터빈 하우징(165)의 중공부 내에 수용된다. The turbine wheel (7) is supplied from the outside and the turbine blade (71) is coupled a plurality along its periphery so that it can rotate by the flow of high temperature and high pressure passed through the variable vane (161), the rotating shaft is in the center It is housed in the hollow portion of the turbine housing 165 in a coupled state.

상기 베인 링(162)은 상기 모터(164)의 회전에 따라 상기 하우징에 소정 각도 이상 회전 가능하게 고정된다. 상기 베인 링(162)은 상기 터빈 하우징(165)에 배치된 상태로 상기 터빈 휠(7)을 수용하는 중공부가 형성되어 있다. The vane ring 162 is rotatably fixed to the housing by a predetermined angle as the motor 164 rotates. The vane ring 162 has a hollow portion for accommodating the turbine wheel 7 while being disposed in the turbine housing 165.

상기 모터(164)는 상기 베인 링(162)을 구동하는 기능을 하는 것으로, 스텝 모터(164)와 같이 회전 각도와 회전 방향의 제어가 용이한 회전 구동 수단인 것이 바람직하며, 상기 터빈 하우징(165)의 외측에 설치된다. 상기 모터(164)의 회전축의 단부에는 소정 지름을 가지는 디스크(166) 또는 링크가 고정된다. The motor 164 serves to drive the vane ring 162, and it is preferable that the motor 164 is a rotation driving means that can easily control the rotation angle and the rotation direction like the step motor 164, and the turbine housing 165 Is installed on the outside. A disk 166 or a link having a predetermined diameter is fixed to an end of the rotation shaft of the motor 164.

상기 커넥팅 로드(163)는, 일단은 상기 모터(164)에 고정된 상기 디스크(166) 또는 링크와 회전 가능하게 고정되고, 타단은 상기 베인 링(162)의 일측에 회전 가능하게 고정된다. One end of the connecting rod 163 is rotatably fixed to the disk 166 or the link fixed to the motor 164, and the other end of the connecting rod 163 is rotatably fixed to one side of the vane ring 162.

상기 가변 베인(161)은, 일단은 상기 터빈 하우징(165)에 회전 가능하게 고정되고, 타단은 상기 베인 링(162)에 회전 가능하게 고정된다. 상기 가변 베인(161)은 양단부의 고정 부분이 핀조인트(161a, 161b)에 의해 결합될 수 있고, 양단부의 고정 부분 중 하나 이상의 부분에 슬롯(161c)이 형성되어 있다. 상기 슬롯을 따라서 고정 부분의 핀조인트(161a 또는 161b)가 소정 거리를 이동할 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이, 상기 가변 베인(161)은 대체로 부드러운 곡선을 이루는 외형을 가진 대칭형의 포일의 형태일 수 있지만, 상기 가변 베인(161)의 형상은 이에 한정되지 않고 비대칭 형상을 가지는 것도 가능하다. The variable vane 161, one end is rotatably fixed to the turbine housing 165, the other end is rotatably fixed to the vane ring 162. The variable vane 161 may be coupled to the fixed portions at both ends by pin joints 161a and 161b, and the slots 161c may be formed at at least one of the fixed portions at both ends. A pin joint 161a or 161b of the fixing portion may move a predetermined distance along the slot. As shown in FIGS. 3 and 4, the variable vane 161 may be in the form of a symmetrical foil having a generally smooth curved shape, but the shape of the variable vane 161 is not limited thereto and is asymmetrical. It is also possible to have

상기 모터(164)의 회전축은 상기 터빈 휠(7)의 회전축과 평행하게 배치되고, 상기 커넥팅 로드(163)는 상기 모터(164)의 회전축 및 상기 터빈 휠(7)의 회전축을 연결하는 중심선과 소정의 각도를 이루는 상태로 배치되는 것이 바람직하다. The axis of rotation of the motor 164 is disposed in parallel with the axis of rotation of the turbine wheel (7), the connecting rod 163 and the center line connecting the axis of rotation of the motor 164 and the axis of rotation of the turbine wheel (7) and It is preferable to arrange | position in the state which makes a predetermined angle.

상기 커넥팅 로드(163)와 상기 가변 베인(161)에 있어서, 각각의 단부가 회전 가능하게 결합되는 부분은 상기 터빈 휠(7)의 회전축 또는 상기 모터(164)의 회전축과 평행하게 놓이는 회전축을 가지는 핀조인트로 결합되는 것이 바람직하다. In the connecting rod 163 and the variable vane 161, portions of the connecting rods 163 and the variable vanes 161 are rotatably coupled to the rotary shaft of the turbine wheel 7 or the rotary shaft of the motor 164. It is preferable to combine with pin joints.                     

이하에서는, 이상과 같은 구성을 가지는 가변 베인형 터빈을 작동시키는 방법을 설명한다. Hereinafter, a method of operating the variable vane type turbine having the above configuration will be described.

상기 모터(164)의 회전 방향과 각도를 조절하여 상기 베인 링(162)을 소정 각도 회전시킬 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 것과 같은 상황에서, 터빈 하우징(165)으로 유입되는 고온 고압의 유체의 유량이 감소하는 경우에는, 상기 모터(164)를 시계 방향으로 소정각도 회전시킨다. 이 경우, 상기 커넥팅 로드(163)가 아래로 조금 내려가면서, 상기 베인 링(162)이 시계 반대 방향으로 소정 각도 회전된다. 이에 따라, 상기 가변 베인(161)들은 시계 반대 방향으로 소정 각도 눕혀 지면서 상기 가변 베인(161)들 사이의 유동 통로가 좁아지게 되고, 적어진 유량에도 불구하고 상기 터빈 휠(7)을 회전시키는 유체의 에너지는 그대로 유지될 수 있다. 상기 가변 베인(161)의 움직임은 상기 슬롯에 의해 가이드 되어, 상기 베인 링(162)의 지름이 변화하지 않는 경우에도 상기 가변 베인(161)의 움직임이 자유로울 수 있다. The vane ring 162 may be rotated by a predetermined angle by adjusting the rotation direction and angle of the motor 164. For example, in the situation as shown in FIG. 3, when the flow rate of the high temperature and high pressure fluid flowing into the turbine housing 165 decreases, the motor 164 is rotated by a predetermined angle clockwise. In this case, the vane ring 162 is rotated a predetermined angle counterclockwise while the connecting rod 163 is slightly lowered. Accordingly, the variable vanes 161 are laid down in a counterclockwise direction, and the flow passage between the variable vanes 161 is narrowed, and the fluid for rotating the turbine wheel 7 despite the reduced flow rate. The energy of can be maintained as it is. The movement of the variable vane 161 is guided by the slot, so that the movement of the variable vane 161 may be free even when the diameter of the vane ring 162 does not change.

반대로, 터빈 하우징(165)으로 유입되는 고온 고압의 유체의 유량이 증가하는 경우에는, 상기 모터(164)를 시계 반대 방향으로 소정각도 회전시킨다. 마찬가지의 작용을 통해 상기 가변 베인(161)들 사이의 유동 통로가 넓어지고 늘어난 유량에도 불구하고 상기 터빈 휠(7)을 회전시키는 유체의 에너지는 그대로 유지될 수 있다. On the contrary, when the flow rate of the high temperature and high pressure fluid flowing into the turbine housing 165 increases, the motor 164 is rotated a predetermined angle counterclockwise. Through the same action, the flow path between the variable vanes 161 is widened and the energy of the fluid for rotating the turbine wheel 7 can be maintained in spite of the increased flow rate.

이와 같은 작용을 이용하여, 상기 터빈 하우징(165)으로 유입되는 작동 유체의 유량을 감지하는 센서(미도시)를 더 추가로 설치하고, 센서에서 감지된 작동 유 체의 유량에 따라 상기 모터(164)의 회전 각도를 조절함으로써, 상기 터빈 휠(7)의 회전 속도를 소정의 변동 범위 내로 지속적으로 유지시키는 시스템을 구성할 수 있다. By using this action, a sensor (not shown) is further installed to detect the flow rate of the working fluid flowing into the turbine housing 165, and the motor 164 is installed according to the flow rate of the working fluid detected by the sensor. By adjusting the rotational angle of c), it is possible to construct a system for continuously maintaining the rotational speed of the turbine wheel 7 within a predetermined variation range.

지금까지 설명한 본 발명에 따른 가변 베인형 터빈은, 도 1에 도시된 것과 같은 구성을 가지는 터빈 발전기에 사용될 수 있다. 특히, 도 1에 도시된 터빈 발전기에서는, 연료 전지의 스택에서 필요로 하는 공기의 양을 지속적으로 공급하기 위해서 공기 공급기가 필요한 속도로 지속적으로 구동되어야 한다. 이를 위해서는 공기 공급기를 구동하는 터빈으로 유입되는 가스의 유량이 변동하는 경우에도 터빈이 필요한 속도로 지속적으로 회전 에너지를 발생시킬 수 있어야 한다. The variable vane type turbine according to the present invention described so far can be used in a turbine generator having a configuration as shown in FIG. 1. In particular, in the turbine generator shown in FIG. 1, the air supply must be continuously driven at a required speed in order to continuously supply the amount of air required by the stack of fuel cells. This requires the turbine to continuously generate rotational energy at the required speed, even when the flow rate of the gas entering the turbine driving the air supply is varied.

도 5에는 본 발명에 따른 가변 베인형 터빈을 도 1에 도시된 것과 같은 터빈 발전기 시스템에 적용한 경우의 성능 향상을 보여주는 그래프가 도시되어 있다. FIG. 5 is a graph showing the performance improvement when the variable vane type turbine according to the present invention is applied to a turbine generator system as shown in FIG. 1.

도 5에서 ⓐ, ⓑ, ⓒ 및 ⓓ는 고정된 유로 단면적을 가지는 베인을 사용한 경우에 터빈과 압축기의 작동점이 일치하는 점, 즉 운용점(operating point)들로부터 핏팅하여 얻은 선으로, 가변 베인형 터빈의 가변 베인들 사이에 형성되는 유로 단면적의 최대값으로부터 ⓐ는 100%, ⓑ는 80%, ⓒ는 60%, 그리고 ⓓ는 40%의 고정 유로 단면적을 가지는 경우의 운용점들을 핏팅하여 얻은 선이다. 또한, ① 및 ②는 연료전지 스택에서 작동 중에 필료로 하는 운용점들을 이은 선이다. 즉, 고정 유로 단면적을 가지는 터빈을 사용하는 경우에는, 질량 유량이 변화함에 따라 위의 ⓐ, ⓑ, ⓒ 및 ⓓ, 또는 그와 나란한 선을 따라서 연료전지 스택에서의 압력이 변화하게 된다. 따라서, ① 및 ②와 같이 요구되는 운용점들이 다양하게 변화하는 경우에는 고정된 유로 단면적을 가지는 베인을 구비하는 터빈으로는 이에 대응할 수 없다. 본 발명에 따른 가변 베인형 터빈과 같이, 유입되는 작동 유체의 질량 유량이 변화함에 따라 유로 단면적을 조절할 수 있는 가변 베인형 터빈을 사용하여야만 연료 전지를 이용하는 시스템에서 연료 전지 스택의 압력을 필요한 범위로 유지하여 원하는 성능을 얻을 수 있다. In FIG. 5, ⓐ, ⓑ, ⓒ and ⓓ are lines obtained by fitting the operating points of the turbine and the compressor, that is, operating points, when the vanes having a fixed flow path cross section are used. From the maximum value of the flow path cross section formed between the variable vanes of the turbine, the line obtained by fitting the operating points in the case of having a fixed flow path cross section of ⓐ is 100%, ⓑ is 80%, ⓒ is 60%, and ⓓ is 40% to be. In addition, ① and ② are lines connecting the operating points required during operation in the fuel cell stack. That is, in the case of using a turbine having a fixed flow path cross-sectional area, the pressure in the fuel cell stack changes along lines ⓐ, ⓑ, ⓒ and ⓓ or above, as the mass flow rate changes. Therefore, when the required operating points such as ① and ② vary in various ways, a turbine having vanes having a fixed flow path cross section cannot cope with this. As with the variable vane type turbine according to the present invention, the variable vane type turbine which can adjust the flow path cross-sectional area as the mass flow rate of the incoming working fluid is changed must be used to control the pressure of the fuel cell stack in the fuel cell system. To achieve the desired performance.

이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명에 따르면, 작동 유체의 유량과 같은 터빈 입구에서의 유동조건에 따라 하나의 모터만을 제어하여 터빈 휠의 회전 속도를 소정 범위 내에서 유지할 수 있는 가변 베인형 터빈을 제공할 수 있다. As described above, according to the present invention, there is provided a variable vane type turbine capable of maintaining the rotational speed of the turbine wheel within a predetermined range by controlling only one motor in accordance with the flow conditions at the turbine inlet, such as the flow rate of the working fluid. can do.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

Claims (7)

터빈 하우징; Turbine housing; 상기 터빈 하우징 내에 설치되고 회전축에 의해 회전 가능하게 지지되는 터빈 휠; A turbine wheel installed in the turbine housing and rotatably supported by a rotating shaft; 상기 하우징에 소정 각도 이상 회전 가능하게 고정된 베인 링; A vane ring rotatably fixed to the housing by a predetermined angle; 상기 베인 링을 회전 구동하는 모터; A motor for rotationally driving the vane ring; 일단은 상기 모터의 회전축과 편심되어 회전 가능하게 고정되고, 타단은 상기 베인 링의 일측에 회전 가능하게 고정된 커넥팅 로드; 및 A connecting rod having one end eccentrically rotated with the rotation shaft of the motor and the other end rotatably fixed to one side of the vane ring; And 일단은 상기 터빈 하우징에 회전 가능하게 고정되고, 타단은 상기 베인 링에 회전 가능하게 고정된 복수 개의 가변 베인을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 베인형 터빈.A variable vane type turbine, characterized in that one end is rotatably fixed to the turbine housing, and the other end is rotatably fixed to the vane ring. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 모터의 회전축은 상기 터빈 휠의 회전축과 평행하게 배치되고, The axis of rotation of the motor is disposed in parallel with the axis of rotation of the turbine wheel, 상기 커넥팅 로드는 상기 모터의 회전축 및 상기 터빈 휠의 회전축을 연결하는 중심선과 소정의 각도를 이루는 상태로 배치된 것을 특징으로 하는 가변 베인형 터빈. The connecting rod is a variable vane-type turbine, characterized in that arranged at a predetermined angle with the center line connecting the rotating shaft of the motor and the rotating shaft of the turbine wheel. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 모터의 회전축의 단부에는 소정의 지름을 가지는 디스크가 부착되고, A disk having a predetermined diameter is attached to an end of the rotating shaft of the motor, 상기 커넥팅 로드의 일단은 상기 디스크에 상기 터빈 휠의 회전축과 평행하게 놓은 축을 중심으로 회전 가능한 핀조인트로 고정되는 것을 특징으로 하는 가변 베인형 터빈. One end of the connecting rod is a variable vane type turbine, characterized in that fixed to the disk with a rotatable pin joint about an axis placed parallel to the axis of rotation of the turbine wheel. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 커넥팅 로드의 일단은 상기 베인 링에 상기 터빈 휠의 회전축과 평행하게 놓은 축을 중심으로 회전 가능한 핀조인트로 고정되는 것을 특징으로 하는 가변 베인형 터빈. One end of the connecting rod is a variable vane type turbine, characterized in that the vane ring is fixed with a rotatable pin joint about an axis parallel to the axis of rotation of the turbine wheel. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 가변 베인의 양단은 각각 상기 베인 링과 상기 하우징에 상기 터빈 휠의 회전축과 평행하게 놓은 축을 중심으로 회전 가능한 핀조인트로 고정되는 것을 특징으로 하는 가변 베인형 터빈. Both ends of the variable vane is fixed to the vane ring and the housing is fixed by a pin joint rotatable about an axis parallel to the axis of rotation of the turbine wheel. 제 5 항에 있어서, The method of claim 5, 상기 가변 베인은 양단 중 어느 한 곳 이상에 상기 핀조인트가 이동할 수 있는 슬롯이 형성된 것을 특징으로 하는 가변 베인형 터빈. The variable vane is a variable vane type turbine, characterized in that the slot is formed at any one or more ends of the pin joint to move. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 터빈 하우징으로 유입되는 작동 유체의 유량을 감지하는 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 베인형 터빈. And a sensor for sensing a flow rate of the working fluid flowing into the turbine housing.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101763360B1 (en) * 2017-03-23 2017-07-31 임동섭 Apparatus for power generation using gas

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101578360B1 (en) * 2015-02-12 2015-12-28 최혁선 A axial flow type turbine
KR102036191B1 (en) * 2017-11-20 2019-10-24 두산중공업 주식회사 Gas turbine having blade tip clearance control means

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59506A (en) * 1982-06-28 1984-01-05 Hitachi Ltd Turbine case with movable blade of exhaust gas turbine type supercharger
JPS60162223U (en) * 1984-04-05 1985-10-28 石川島播磨重工業株式会社 Variable nozzle mechanism in exhaust turbine
JPS6128720A (en) * 1984-07-20 1986-02-08 Nissan Motor Co Ltd Variable nozzle control device for turbocharger
JPS62129524A (en) * 1985-11-30 1987-06-11 Isuzu Motors Ltd Control device for variable displacement supercharger
JPS63289220A (en) * 1987-05-22 1988-11-25 Isuzu Motors Ltd Turbo-compound engine
KR20030039489A (en) * 2001-11-13 2003-05-22 현대자동차주식회사 Vane angle control device for viable nozzle turbine

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59506A (en) * 1982-06-28 1984-01-05 Hitachi Ltd Turbine case with movable blade of exhaust gas turbine type supercharger
JPS60162223U (en) * 1984-04-05 1985-10-28 石川島播磨重工業株式会社 Variable nozzle mechanism in exhaust turbine
JPS6128720A (en) * 1984-07-20 1986-02-08 Nissan Motor Co Ltd Variable nozzle control device for turbocharger
JPS62129524A (en) * 1985-11-30 1987-06-11 Isuzu Motors Ltd Control device for variable displacement supercharger
JPS63289220A (en) * 1987-05-22 1988-11-25 Isuzu Motors Ltd Turbo-compound engine
KR20030039489A (en) * 2001-11-13 2003-05-22 현대자동차주식회사 Vane angle control device for viable nozzle turbine

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101763360B1 (en) * 2017-03-23 2017-07-31 임동섭 Apparatus for power generation using gas

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