KR101178379B1

KR101178379B1 - 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진

Info

Publication number: KR101178379B1
Application number: KR1020100126077A
Authority: KR
Inventors: 황기호; 황희찬
Original assignee: 황희찬; 황기호
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2012-08-29
Also published as: KR20120064844A

Abstract

본 발명의 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진은 샤프트에 결합하는 회전체의 외각과 최 외각에 각각 제1 블레이드와 제2 블레이드가 형성되고, 일차적으로 제트 분사 노즐 부에서 제2 블레이드에 압축 유체를 고압 분사한 후, 제2 블레이드를 통과한 잔류 압축 유체가 벨로시티 커브 다이어그램 부에 의해서 재차 제1 블레이드로 안내되고 고압 분사됨으로써, 회전체가 충동력은 물론 반동력에 의해 가속(加速)되어 에너지 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 추력 노즐 부에서 압축 유체를 회전체의 제1 블레이드에 고압 분사하여 선택적으로 회전체를 더 가속시킬 수 있어 터빈의 출력을 높일 수 있음은 물론 수직으로 설치되어 설치공간에 제약을 받지 않는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 제어부의 컴퓨터프로그래밍에 의해서 전자동으로 터빈 출력을 자유롭게 제어할 수 있는 효과가 있다.

Description

수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진{VERTICAL TYPE SUPER DYNAMICS HIGH EFFIENCY HYBRID TURBINE ENGINE}

본 발명은 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 터빈 샤프트에 결합하는 회전체(Rotor)의 외각에 충동 및 반동형 구조의 제1 블레이드(First blade)가 형성되고 최 외각에 충동형 구조의 제2 블레이드(Second blade)가 형성되어, 제1 블레이드와 제2 블레이드에 의해서 터빈 출력이 발생하고, 추력 노즐 부에 의해서 터빈 출력을 선택적으로 더 높일 수 있음은 물론 컴퓨터프로그래밍에 의해서 전자동으로 터빈 출력이 제어될 수 있는 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진에 관한 것이다.

일반적으로 증기를 노즐로 분출시켜서 회전운동을 얻으려는 시도는 B.C. 55년 그리스의 헤론에 의하여 최초로 행해진 것으로 알려져 있다. 보일러의 증기를 구(球) 속으로 이끌고, 이 구에 장치된 2개의 노즐로부터 증기를 분출시켜 구를 회전시키는 구조로 되어 있는데 이러한 형태를 반동형 이라 한다. 그 후 오랫동안 증기터빈의 고안은 없었다. 그러다가 17세기에 이탈리아의 G. 브랑카가 증기를 임펠러에 내뿜어서 회전시켜 이것을 약제(藥劑)를 분쇄하는 데 사용하였다고 하는 데 이러한 형태를 충동형 이라 한다.

또한 1893년 스웨덴의 C. 드 라발은 원심 크림분리기를 고속회전시키기 위하여 노즐로 증기를 분출시켜 임펠러를 회전시키는 충동 터빈을 만듦으로써 터빈 실용화시대로 접어들었다. 다음해에는 영국의 C.A. 파슨스가 반동형 터빈을 만들면서 실용화가 본격적으로 이루어지게 되었다.

증기 터빈은 보일러에서 발생시킨 고온 고압의 증기를 노즐 또는 고정된 날개로부터 분출 팽창시켜 나온 고속의 증기류(蒸氣流)를 회전하는 터빈 날개에 부딪혀 그 충동작용 또는 반동작용에 의하여 축을 회전시키는 것으로, 증기터빈은 증기가 가지는 열에너지를 속도에너지로 바꾸기 위한 노즐과 속도에너지를 기계적 일로 바꾸기 위한 터빈 블레이드를 바탕으로 하여 구성되어 있다. 노즐과 터빈 날개의 한 조를 터빈의 단(段)이라고 한다.

증기터빈은 이러한 단을 여러 개 나란히 배열하여 구성되어 있다. 보일러로부터 보내 오는 고압증기는 조절밸브를 지나 증기실로 들어가고 여기서부터 팽창하면서 각 단을 통과하여 배기 실로 나간다. 회전 부는 터빈 축, 임펠러 및 터빈 날개로 구성되어 있다. 임펠러는 터빈 축에 장치되어 차 실(車室)에 수용되고 축은 차실 밖의 베어링에 지지 된다. 터빈 축이 차 실을 관통하는 곳에는 증기의 누설을 방지하기 위하여 래버린스 패킹과 같은 밀봉패킹이 있다. 차 실을 나온 증기는 복수기(復水器)로 들어가 여기서 냉각되어 물이 된다. 이 물은 다시 급수펌프로 보일러에 되돌려진다.

노즐은 각단마다 설치되는 칸막이 판 속에 고정되어 있다. 터빈의 단에는 터빈 날개를 충동력 만으로 구동하는 것과 충동력과 반동력의 양쪽에 의하여 구동하는 것이 있다. 이러한 증기의 팽창에 따른 분류로 전자를 충동 단, 후자를 반동 단(反動段) 이라고 한다. 그리고 충동 단 만으로 이루어진 터빈을 충동 터빈, 반동 단 만으로 이루어진 터빈을 반동 터빈이라고 한다.

충동 터빈은 충동 단 만으로 구성되어 있는 터빈으로 노즐 내에서 증기를 팽창시켜 운동량의 변화에 의해서 생기는 충동작용을 이용한 것인데, 임펠러 내에서는 증기의 압력이 일정하다.

증기는 노즐을 통과하는 사이에 팽창하고 압력이 강하하여 속도가 커진다. 증기가 노즐을 나와서 날개 사이를 지나는 동안에 속도에너지를 잃고 속도는 감소 된다. 그러나 이 사이의 압력은 일정하다. 드 라발 터빈은 회전속도가 1만～3만 rpm이고 효율은 그다지 좋지 않다. 이 결점을 제거한 것이 1895년 커티스가 개량한 커티스 터빈과 1903년 Y.H. 쵤리가 개량한 쵤리 터빈이다. 커티스 터빈은 증기의 팽창에 의해 얻은 속도에너지를 충분히 유효하게 사용하기 위하여 가동(可動) 날개를 많게 만든 것이다. 1개의 임펠러에 2열 이상의 가동날개를 심고 그 사이에 고정된 안 날개를 둔 구조이다. 쵤리 터빈은 1단 충동 터빈의 임펠러를 직렬로 배열하고 그 각 열에 차례로 증기를 통과시켜 증기의 전압력을 차례로 조금씩 단계적으로 떨어뜨려 임펠러를 회전시키게 되어 있다. 증기를 아주 저압까지 사용할 수 있는 효율이 좋은 터빈이다.

충동 터빈에서는 증기의 압력강하는 노즐 속에서만 발생하고 회전날개 안에서는 변하지 않으나, 반동 터빈에서는 회전날개 속에서도 압력이 내려간다. 증기가 날개를 나올 때의 반동을 이용한 터빈이다. 증기가 축 방향으로 흐르는 것이 많아 이것을 축류(軸流) 터빈이라고 한다. 이 형식의 대표적인 것이 파슨스 터빈이다.

많은 고정날개와 회전날개를 축 방향으로 번갈아 배치한 구조를 하고 있으며 고정노즐은 없다. 증기는 고정날개와 회전날개 사이를 흐르고 있는 동안에 압력이 차례로 강하함과 동시에 온도도 강하하여 열에너지를 운동에너지로 바꾼다. 충동 터빈보다 날개 속의 속도가 작고 회전수를 저하시킬 수 있으며 대용량이고 효율이 좋다. 증기가 반지름 방향으로 흐르는 것도 있는데, 이것을 반경류 터빈이라고 한다. 융스트룀 터빈은 그 예이다. 이것은 2개의 임펠러에 날개를 고리 모양으로 달고 임펠러를 마주 서게 하였을 때 이들의 날개가 번갈아 위치하게 되어 있다. 증기는 중심부에 도입되어 거기서 임펠러의 날개를 지나 바깥쪽 반지름 방향으로 흐른다. 따라서 좌우 축의 회전방향이 서로 반대가 된다. 이 때문에 날개의 상대속도는 2배가 되고 단수가 적어도 효율이 좋다.

그러나, 종래 터빈 엔진은 회전체의 회전속도를 조절하여 터빈 출력을 자유롭게 제어하기 어렵고, 회전체의 충동력과 반동력의 발생 과정에서 압축 유체(스팀, 가스 등)의 에너지 손실이 발생하여 에너지 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 터빈 샤프트에 결합하는 회전체의 외각에 제1 블레이드가 형성되고 최 외각에 제2 블레이드가 형성되어, 일차적으로 제트 분사 노즐 부에서 제2 블레이드에 압축 유체를 고압 분사한 후, 제2 블레이드를 통과한 잔류 압축 유체가 벨로시티 커브 다이어그램 부에 의해서 재차 제1 블레이드로 안내되고 고압 분사됨으로써, 회전체가 충동력은 물론 반동력에 의해 가속(加速)되어 에너지 손실을 줄일 수 있는 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 추력 노즐 부에서 압축 유체를 회전체의 제1 블레이드에 고압 분사하여 선택적으로 회전체를 더 가속(加速)시킬 수 있어 터빈의 출력을 높일 수 있으며, 수직으로 설치되어 설치공간에 제약을 받지 않는 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 제어부의 컴퓨터프로그래밍에 의해서 전자동으로 터빈 출력을 자유롭게 제어할 수 있는 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진을 제공함에 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진은 차세대 녹색 혁명을 리드해나갈 신동력 엔진 기술로서, 수직으로 설치되는 터빈 케이싱 내부에 회전 가능하게 수직 설치되는 터빈 샤프트; 상기 터빈 샤프트에 고정되며, 외각에 다수의 제1 블레이드가 형성되고, 최 외각에 다수의 제2 블레이드가 형성되는 적어도 하나 이상의 회전체(Rotor); 압축 유체(스팀, 가스 등)를 상기 제2 블레이드에 고압 분사하기 위하여 상기 터빈 케이싱 내부에 설치되는 제트 노즐 부; 상기 제2 블레이드들을 통과한 잔류 압축 유체를 상기 제1 블레이드 방향으로 가이드 하고 분사하도록 상기 터빈 케이싱 내부에 균등 간격을 두고 형성되는 벨로시티 커브 다이어그램 부; 상기 터빈 케이싱의 양측에 고정되어 상기 터빈 샤프트를 회전 가능하게 지지하며, 상기 벨로시티 커브 다이어그램 부에 의해서 상기 제1 블레이드들을 통과한 압축 유체를 상기 터빈 케이싱 외부로 배출하기 위하여 내측에 배출 부가 형성되는 고정 체; 상기 제1 블레이드에 압축 유체를 분사하여 상기 회전체를 가속시킬 수 있도록 상기 터빈 케이싱에 설치되는 다수의 추력 노즐 부(Booster); 상기 터빈 샤프트의 출력을 제어할 수 있도록 상기 회전체의 회전속도를 감지하고, 상기 제트 노즐 부와 상기 추력 노즐 부의 압축 유체 분사를 자동 제어하는 제어유닛; 잔류 압축 유체를 상기 제1 블레이드 방향으로 가이드 하고 분사하도록 상기 벨로시티 커브 다이어그램 부에 인접 설치되는 벨로시티 가이드 플레이트;를 구비한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 터빈 샤프트에 결합하는 회전체의 외각에 제1 블레이드가 형성되고 최 외각에 제2 블레이드가 형성되어, 일차적으로 제트 분사 노즐 부에서 제2 블레이드에 압축 유체를 고압 분사한 후, 제2 블레이드를 통과한 잔류 압축 유체가 벨로시티 커브 다이어그램 부에 의해서 재차(再次) 제1 블레이드로 안내되고 고압 분사됨으로써, 회전체가 충동력은 물론 반동력에 의해 가속(加速)되어 에너지 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 추력 노즐 부에서 압축 유체를 회전체의 제1 블레이드에 고압 분사하여 선택적으로 회전체를 더 가속시킬 수 있어 터빈의 출력을 높일 수 있으며, 수직으로 설치되어 설치공간을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 제어유닛이 컴퓨터프로그래밍에 의해서 작동하도록 설계되어 있어, 속도센서, 용량센서, 압력센서, 온도센서 등의 각종 센서를 통해서 작동 상황을 감지하고, 회전체의 회전속도를 실시간으로 감지하며 피드백하여, 제트 노즐 부와 상기 추력 노즐 부의 압축 유체 분사를 자동 제어하고, 터빈 샤프트의 출력을 전자동으로 제어함과 아울러, 이러한 일련의 작동 상황들을 인디게이터로 디스플레이함으로써, 작업자가 터빈 작동을 확인할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명은 터보 차저에 의해서 배기가스를 활용하여 연료 효율을 높이고 배기가스 배출에 의한 대기 오염을 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진 외관을 보인 사시도
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진 내부를 보인 단면도
도 3은 본 발명의 터빈 케이싱과 그 터빈 케이싱에 설치된 회전체를 보인 사시도
도 4는 본 발명의 터빈 케이싱을 보인 평면도
도 5는 본 발명의 터빈 케이싱 내부를 보인 평면도
도 6은 본 발명의 회전체를 보인 사시도
도 7은 본 발명의 회전체를 보인 정면도 및 회전체의 제1 블레이드와 제2블레이드를 설명하기 위한 도면
도 8은 본 발명의 제1 블레이드를 보인 사시도 및 제1 블레이드의 상단과 하단의 비틀림 각도를 설명하는 도면
도 9는 본 발명의 회전체의 회전원리를 설명하는 도면
도 10은 본 발명의 터빈 케이싱 양측에 위치한 고정체를 보인 평면도
도 11은 도 10의 단면도
도 12는 본 발명의 터빈 케이싱의 중간에 위치한 고정체를 보인 평면도
도 13은 도 12의 단면도

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진 외관을 보인 사시도, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진 내부를 보인 단면도, 도 3은 본 발명의 터빈 케이싱과 그 터빈 케이싱에 설치된 회전체를 보인 사시도, 도 4는 본 발명의 터빈 케이싱을 보인 평면도, 도 5는 본 발명의 터빈 케이싱 내부를 보인 평면도, 도 6은 본 발명의 회전체를 보인 사시도, 도 7은 본 발명의 회전체를 보인 평면도 및 회전체의 제1 블레이드와 제2 블레이드를 설명하기 위한 도면, 도 8은 본 발명의 제1 블레이드를 보인 사시도 및 제1 블레이드의 상단과 하단의 비틀림 각도를 설명하는 도면, 도 9는 본 발명의 회전체의 회전원리를 설명하는 도면과, 도 10은 본 발명의 터빈 케이싱 양측에 위치한 고정 체를 보인 평면도, 도 11은 도 10의 단면도, 도 12는 본 발명의 터빈 케이싱의 중간에 위치한 고정 체를 보인 평면도, 도 13은 도 12의 단면도이다.

위 도면을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진(100)은 터빈 케이싱(110); 상기 터빈 케이싱(110) 내부에 회전 가능하게 수직 설치되는 터빈 샤프트(120); 상기 터빈 샤프트(120)에 고정되며, 외각에 다수의 제1 블레이드(131)가 형성되고, 최 외각에 다수의 제2 블레이드(133)가 형성되는 적어도 하나 이상의 회전체(130); 압축 유체를 상기 제2 블레이드(133)에 고압 분사하기 위하여 상기 터빈 케이싱(110) 내부에 설치되는 제트 노즐 부(140); 상기 제2 블레이드들(133)을 통과한 잔류 압축 유체를 상기 제1 블레이드(131) 방향으로 가이드 하고 분사(Injection)하도록 상기 터빈 케이싱(110) 내부에 균등 간격을 두고 형성되는 벨로시티 커브 다이어그램 부(150); 상기 터빈 케이싱(110)에 고정되어 상기 터빈 샤프트(120)를 회전 가능하게 지지하며, 상기 벨로시티 커브 다이어그램 부(150)에 의해서 상기 제1 블레이드들(131)을 통과한 압축 유체를 상기 터빈 케이싱(110) 외부로 배출하기 위하여 내측에 배출 부(161)(161')가 형성되는 고정 체(160)(160'); 상기 제1 블레이드(131)에 압축 유체를 분사하여 상기 회전체(130)를 가속시킬 수 있도록 상기 터빈 케이싱(110)에 설치되는 다수의 추력 노즐 부(170); 및 상기 터빈 샤프트(120)의 출력을 제어할 수 있도록 상기 회전체(130)의 회전속도를 실시간으로 감지하고, 상기 제트 노즐 부(140)와 상기 추력 노즐 부(170)의 압축 유체 분사를 자동 제어하는 제어유닛(제어부)(180)을 구비한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진(100)의 구성을 좀더 구체적으로 살펴본다.

우선, 상기 복수 개의 터빈 케이싱(110)은 원통 형상으로 형성되며, 수직으로 위치된다. 상기 복수 개의 터빈 케이싱(110)은 통상의 체결수단, 예를 들어 관통 볼트(B) 등으로 체결되는바, 상기 터빈 케이싱(110) 외각에는 관통 볼트(B)가 결합하는 볼트 홀(H)이 일정 간격을 두고 다수 형성된다.

상기 터빈 케이싱(110) 내부 적소(適所)에는 제트 노즐 부(140)가 형성된다. 상기 제트 노즐 부(140)는 압축 유체(스팀, 가스 등)를 상기 제2 블레이드(133)에 고압 분사하는 역할을 한다.

상기 제트 노즐 부(140)에는 압축 유체의 유량을 조절하는 압축 유체 조절밸브(117)가 설치되고, 상기 각 압축 유체 조절밸브(117)에는 압력계(P)가 설치된다(도 2 참조).

상기 터빈 케이싱(110)의 내부에는 상기 제트 노즐 부(140)에서 분사된 압축 유체의 역류를 방지하는 토글 브래킷(115)이 일정 간격을 두고 다수 설치된다(도 4 참조).

상기 터빈 케이싱(110) 내부, 즉 내주 면을 따라 균등 간격을 두고 벨로시티 커브 다이어그램 부(150)가 형성된다. 상기 벨로시티 커브 다이어그램 부(150)는 상기 제2 블레이드들(133)을 통과한 잔류 압축 유체를 상기 제1 블레이드(131) 방향으로 가이드 하고 분사되도록 하는 역할을 하는 것으로, 압축 유체의 흐름에 장애가 되지 않도록 원만한 커브형상을 갖는다(도 2 및 도 9 참조).

상기 벨로시티 커브 다이어그램 부(150)와 인접하는 위치에는 잔류 압축 유체를 상기 제1 블레이드(131) 방향으로 가이드 하고 분사하도록 하는 벨로시티 가이드 플레이트(190)가 터빈 케이싱(110) 내부에 고정 설치된다. 상기 벨로시티 가이드 플레이트(190)의 가이드 블레이드들(191) 사이에는 가이드 홀(192)이 형성된다(도 9 참조).

상기 벨로시티 가이드 플레이트(190)는 상기 벨로시티 커브 다이어그램 부(150)에 가이드 되는 잔류 압축 유체에 의해서 반동력을 발생할 뿐만 아니라 추력 노즐 부(170)에서 분사되는 압축 유체에 의해서 충동력을 발생할 수 있는 구조로 구성되는바, 가이드 블레이드들(191)은 입구부분이 두껍고 출구부분으로 갈수록 얇게 형성되며, 가이드 홀(192)은 입구부분보다 출구부분이 좁게 형성된다(도 9 참조).

상기 터빈 샤프트(120)는 상기 터빈 케이싱(110) 센터에 수직으로 위치되고 회전 가능하게 설치된다. 4 개의 회전체(130)가 서로 일정 간격을 두고 상기 터빈 샤프트(120)에 고정 설치된다(도 2 참조).

상기 회전체(130)는 그 외각에 다수의 제1 블레이드(internal blade)(131)가 형성되고, 최 외각에 다수의 제2 블레이드(external blade)(133)가 형성된다(도 6 참조).

상기 제1 블레이드(131)는 충동형 및 반동형 블레이드 구조이고, 상기 제2 블레이드(133)는 충동형 블레이드 구조로 형성된다.

도 2에 보인 바와 같이, 상기 회전체(130)는 레프트 블레이드 형과 라이트 블레이드 형이 한 조로 구성되는바, 상기 제1 블레이드(131)의 경우에는 레프트 블레이드 형과 라이트 블레이드 형과 동일하게 배치되지만, 상기 제2 블레이드(133)의 경우에는 레프트 블레이드 형과 라이트 블레이드 형이 서로 대향 위치된다.

이와 같이 레프트 블레이드 형과 라이트 블레이드 형은 대향 위치될 뿐 서로 동일한 형상을 가지므로, 이하에서는 설명의 중복을 피하기 위하여 레프트 블레이드 형에 대해서만 도면에 도시하고 설명하기로 한다.

먼저, 상기 제2 블레이드(133)는 좌우 대칭형상을 가지며, 압축 유체의 입사각과 투사각이 각각 30°로 동일 각도를 유지하도록 형성된다(도 2 및 도 7 참조).

상기 제2 블레이드(133)에 있어서, 제트 노즐 부(140)에서 분사되는 압축 유체가 상기 제2 블레이드(133)에 30°로 입사되고 20°로 출력되며, 이때 발생하는 충동력에 의해서 회전체(130)의 회전력을 발생한다.

그리고 상기 제1 블레이드(131)는 좌우 비대칭형상을 가지며, 상단(131a)에서 하단(131b)으로 내려갈수록 트위스트 되고 두께가 점차 두꺼워지는 형상을 가지며, 상단(131a) 각도가 50°로 비틀림 되고 하단(131b) 각도가 20°로 비틀림 되는 구조로 형성된다(도 8 참조).

상기 제1 블레이드(131)에 있어서, 벨로시티 커브 다이어그램 부(150)에 안내되는 압축 유체가 벨로시티 가이드 플레이트(190)의 가이드 홀(192)을 통해서 30°로 입사되고 20°로 출력되며 이때 발생하는 반동력에 의해서 회전체(130)의 회전력을 발생한다.

또한, 상기 추력 노즐 부(170)의 압축 유체가 벨로시티 가이드 플레이트(190)의 가이드 홀(192)을 통해서 30°로 입사되고 20°로 출력되며 이때 발생하는 충동력에 의해서 회전체(130)의 회전력을 발생한다(도 7 참조).

상기 제2 블레이드(133)는 좌우 대칭형상을 가지며, 압축 유체의 입사각과 투사각이 각각 30°로 동일 각도를 유지하도록 형성된다(도 2 및 도 7 참조).

부연하면, 충동형 구조에서는 제2 블레이드(133) 입구와 출구에서 압축 유체의 상대속도가 일정하여 압축 유체의 분사 압력에 의해서만 회전체(130)의 회전력이 발생한다. 하지만, 반동형 구조에서는 제1 블레이드(131) 입구와 출구에서 압축 유체의 상대 속도가 증가하여 압축 유체의 분사 압력과 압축 유체의 팽창 압이 더해져 회전체(130)의 회전력이 발생한다. 여기서 상기 제1 블레이드(131)는 반동형의 회전력뿐만 아니라 상기 추력 노즐 부(170)의 압축 유체 분사에 의해서 충동형의 회전력이 발생한다(도 9 참조).

상기 고정 체(160)는 상기 터빈 케이싱(110)의 양측에 통상의 체결수단, 예를 들어 볼트(B)로 고정되며, 상기 고정 체(160)의 센터에는 상기 터빈 샤프트(120)를 회전 가능하게 지지하는 베어링 부(164)가 설치된다. 상기 베어링 부(164)에는 베어링 커버(165)가 볼트(B') 고정된다. 상기 고정 체(160) 하부는 베이스 지지 브래킷(BS)에 의해 지지된다. 상기 터빈 샤프트(120)에는 부싱(121)이 설치되고, 상기 부싱(121)에는 스페리컬 롤러 베어링(123)이 설치된다. 미설명부호 125는 윤활탱크 내의 윤활유를 보인 것이다.

상기 고정 체(160)는 상기 벨로시티 커브 다이어그램 부(150)에 의해서 상기 제1 블레이드들(131)을 통과한 압축 유체를 상기 터빈 케이싱(110) 외부로 배출하기 위하여 내측에 배출 부(161)를 구비한다.

상기 고정 체(160)의 상기 배출 부(161)에는 상기 제2 블레이드들(133) 사이를 통과한 압축 유체를 상기 터빈 케이싱(110) 외부로 배출하기 위한 배출 홀(162)이 형성되고, 상기 배출 홀(162) 입구에는 경사의 고정 블레이드(163)가 형성된다(도 10 및 도 11 참조).

상기 고정 체(160')는 상기 터빈 케이싱(110)의 중간에 고정되며, 상기 고정 체(160')의 센터에는 상기 터빈 샤프트(120)를 회전 가능하게 지지하는 베어링 부(164')가 설치된다.

상기 고정 체(160')는 상기 벨로시티 커브 다이어그램 부(150)에 의해서 상기 제1 블레이드들(131)을 통과한 압축 유체를 상기 터빈 케이싱(110) 외부로 배출하기 위하여 내측에 배출 부(161')를 구비한다.

상기 고정 체(160')의 상기 배출 부(161')에는 상기 제2 블레이드들(133) 사이를 통과한 압축 유체를 상기 터빈 케이싱(110) 외부로 배출하기 위한 배출 홀(162')이 형성되고, 상기 배출 홀(162') 입구에는 경사의 고정 블레이드(163')가 형성된다(도 12 및 도 13 참조).

상기 배출 부(161)(161')에는 배기관(119)이 연결되며, 상기 배기관(119)에는 터보차저(turbocharger, turbo-supercharger)(T)가 설치될 수도 있다(도 1 및 도 2 참조). 상기 터보차저(T)는 배기가스를 이용해 터빈 엔진의 출력을 높이는 역할을 한다.

상기 추력 노즐 부(170)는 상기 터빈 케이싱(110) 내부 적소(適所)에 설치되어 상기 제1 블레이드(131)에 압축 유체를 더 분사하여 상기 회전체(130)를 더 가속(加速) 시키는 역할을 하는 것으로, 상기 제1 블레이드(131)에 압축 유체를 일정각도로 경사지게 분사하도록 설치되는 것이 바람직하다(도 1 및 도 2 참조).

상기 제어유닛(180)은 컴퓨터프로그래밍에 의해서 작동하도록 설계되어 있어, 상기 터빈 케이싱(110)에 설치된 속도센서, 용량센서, 압력센서, 온도센서, 온도센서 등의 각종 센서(미도시)를 통해서 작동 상황을 감지하고, 상기 회전체(130)의 회전속도를 실시간으로 감지하며, 상기 제트 노즐 부(140)와 상기 추력 노즐 부(170)의 압축 유체 분사를 자동 제어하고, 상기 터빈 샤프트(120)의 출력을 전자동으로 제어함과 아울러, 이러한 일련의 작동 상황들을 인디게이터(미도시)로 디스플레이함으로써, 작업자가 터빈 작동을 확인할 수 있도록 한다(도 2 참조).

이와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진 자동 제어방법에 대하여 좀더 구체적으로 설명한다.

제어부(180)에서는 제트 노즐 부(140)가 압축 유체를 회전체(130)의 제2 블레이드(133)를 향하여 고압 분사하도록 한다. 상기 제트 노즐 부(140)의 고압 분사에 의하여 충동력이 발생하여 회전체(130)가 일차적으로 회전하는 힘을 받는다.

이때 압축 유체의 입사각과 투사각이 각각 30°로 동일 각도를 유지함으로써, 상기 제2 블레이드들(133)을 통과한 잔류 압축 유체는 터빈 케이싱(110)의 벨로시티 커브 다이어그램 부(150) 및 벨로시티 가이드 플레이트(190)의 가이드 블레이드(191)에 의해서 상기 회전체(130)의 제1 블레이드(131)로 가이드하고 분사되어 반동력이 발생하여 상기 회전체(130)를 재차 가속시킨다.

제1 블레이드(131) 입구와 출구에서 압축 유체의 상대속도가 증가하여 압축 유체의 분사 압력과 압축 유체의 팽창압이 더해져 회전체(130)의 회전력이 발생하는 것이다.

제어부(180)에서는 압축 유체 조절밸브(117)가 유체의 양을 조절하여 상기 제트 노즐 부(140)의 압축 유체 유량을 조절하도록 하여, 회전체(130)의 회전을 제어할 수 있다.

터빈 출력을 더 높이고자 하는 경우(추력 하고자 하는 경우), 제어부(180)은 상기 추력 노즐 부(170)가 압축 유체를 벨로시티 가이드 플레이트(890)의 가이드 홀(192) 안으로 고압 분사하도록 하고, 상기 가이드 홀(192) 안으로 고압 분사된 압축 유체가 상기 회전체(130)의 제1 블레이드(131)를 향하여 고압 분사되도록 함으로써 충동력을 발생하여 상기 회전체(130)를 더 가속(加速)시킬 수 있다.

상기 제어유닛(180)은 터빈 케이싱(110) 내부에 설치된 통상의 속도계(미도시)를 통해서 상기 회전체(130)의 회전속도를 실시간으로 감지하고, 상기 압축 유체 조절밸브(117)를 조절하여 상기 제트 노즐 부(140)를 제어함으로써, 상기 회전체(130)의 속도를 제어함과 아울러, 상기 추력 노즐 부(170)의 압축 유체 분사를 제어하여 터빈 출력을 전자동으로 제어할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 터빈 샤프트에 결합하는 회전체의 외각과 최 외각에 각각 제1 블레이드와 제2 블레이드가 형성되고, 일차적으로 제트 분사 노즐 부에서 제2 블레이드에 압축 유체를 고압 분사한 후, 제2 블레이드를 통과한 잔류 압축 유체가 벨로시티 커브 다이어그램 부에 의해서 재차 제1 블레이드로 안내되고 분사됨으로써, 회전체가 충동력은 물론 반동력에 의해 가속(加速)되어 에너지 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 추력 노즐 부에서 압축 유체를 회전체의 제1 블레이드에 고압 분사하여 선택적으로 회전체를 더 가속시킬 수 있어 터빈의 출력을 높일 수 있음은 물론 수직으로 설치되어 설치공간에 제약을 받지 않는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 제어유닛이 컴퓨터프로그래밍에 의해서 작동하도록 설계되어 있어, 속도센서, 용량센서, 압력센서, 온도센서, 온도센서 등의 각종 센서를 통해서 작동 상황을 감지하고, 회전체의 회전속도를 실시간으로 감지하며 피드백하여, 제트 노즐 부와 상기 추력 노즐 부의 압축 유체 분사를 자동 제어하고, 터빈 샤프트의 출력을 전자동으로 제어함과 아울러, 이러한 일련의 작동 상황들을 인디게이터로 디스플레이함으로써, 작업자가 터빈 작동을 확인할 수 있도록 한다.

이와 같이 본 발명의 권리는 상기 설명된 실시 예에 한정되지 않고, 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형을 할 수 있다는 것은 자명하다.

100: 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진
110: 터빈 케이싱
115: 토글 브래킷
117: 압축 유체 공급조절밸브
119: 배기관
120: 터빈 샤프트
130: 회전체
131: 제1 블레이드
133: 제2 블레이드
140: 제트 노즐 부
150: 벨로시티 커브 다이어그램 부
160: 고정 체
161,161': 배출 부
162,162': 배출 홀
163,163': 경사의 고정 블레이드
164,164': 베어링 부
170: 추력 노즐 부
180: 제어부
190: 벨로시티 가이드 플레이트
191: 가이드 블레이드
192: 가이드 홀

Claims

원통 형상으로 형성되고, 수직으로 위치되는 복수 개의 터빈 케이싱(110);
상기 터빈 케이싱(110) 내부에 수직으로 위치하고, 회전 가능하게 설치되는 터빈 샤프트(120);
상기 터빈 샤프트(120)에 고정되며, 외각에 다수의 제1 블레이드(131)가 형성되고, 최 외각에 다수의 제2 블레이드(133)가 형성되는 적어도 하나 이상의 회전체(130);
압축 유체를 상기 제2 블레이드(133)에 고압 분사하기 위하여 상기 터빈 케이싱(110) 내부에 설치되는 제트 노즐 부(140);
상기 제2 블레이드들(133)을 통과한 잔류 압축 유체를 상기 제1 블레이드(131) 방향으로 가이드 하고 분사하도록 상기 터빈 케이싱(110) 내부에 균등 간격을 두고 형성되는 벨로시티 커브 다이어그램 부(150);
상기 터빈 케이싱(110)에 고정되어 상기 터빈 샤프트(120)를 회전 가능하게 지지하며, 상기 벨로시티 커브 다이어그램 부(150)에 의해서 상기 제1 블레이드들(131)을 통과한 압축 유체를 상기 터빈 케이싱(110) 외부로 배출하기 위하여 내측에 배출 부(161)(161')가 형성되는 고정 체(160)(160'); 및
상기 제1 블레이드(131)에 압축 유체를 분사하여 상기 회전체(130)를 가속시킬 수 있도록 상기 터빈 케이싱(110)에 설치되는 다수의 추력 노즐 부(170);를 포함하는 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진.
제1 항에 있어서,
상기 터빈 샤프트(120)의 출력을 제어할 수 있도록 상기 회전체(130)의 회전속도를 감지하고, 상기 제트 노즐 부(140)와 상기 추력 노즐 부(170)의 압축 유체 분사를 자동 제어하는 제어유닛(180)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진.
제1 항에 있어서,
잔류 압축 유체를 상기 제1 블레이드(131) 방향으로 가이드 하고 분사하도록 상기 벨로시티 커브 다이어그램 부(150)와 인접하는 위치에 고정 설치되는 벨로시티 가이드 플레이트(190)를 더 포함하는 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 제1 블레이드(131)는 좌우 비대칭형상을 가지며, 상기 제2 블레이드(133)는 좌우 대칭형상을 갖는 것을 특징으로 하는 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진.
제4 항에 있어서,
상기 제1 블레이드(131)는 충동 및 반동형 블레이드이고, 상기 제2 블레이드(133)는 충동형 블레이드인 것을 특징으로 하는 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 고정 체(160)(160')의 상기 배출 부(161)(161')에는 상기 제2 블레이드들(133) 사이를 통과한 압축 유체를 상기 터빈 케이싱(110) 외부로 배출하기 위한 배출 홀(162)(162')이 형성되고, 상기 배출 홀(162)(162') 입구에는 경사의 고정 블레이드(163)(163')가 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 터빈 케이싱(110)의 내부에는 상기 제트 노즐 부(140)에서 분사된 압축 유체의 역류를 방지하는 토글 브래킷(115)이 설치되는 것을 특징으로 하는 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 추력 노즐 부(170)는 상기 제1 블레이드(131)에 압축 유체를 일정각도로 경사지게 분사하도록 상기 터빈 케이싱(110)에 설치되는 것을 특징으로 하는 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 고정 체(160)(160')의 센터에는 상기 터빈 샤프트(120)를 지지하는 베어링 부(164)(164')가 설치되는 것을 특징으로 하는 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제트 노즐 부(170)에는 압축 유체의 공급 양을 조절하는 압축 유체 조절밸브(117)가 설치되는 것을 특징으로 하는 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 블레이드(131)와 상기 제2 블레이드(133)는 서로 일정 간격을 두고 상기 회전체(130)에 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진.
제 3항에 있어서,
상기 벨로시티 가이드 플레이트(190)는 상기 벨로시티 커브 다이어그램 부(150)에 가이드 되는 잔류 압축 유체에 의해서 반동력을 발생할 뿐만 아니라 추력 노즐 부(170)에서 분사되는 압축 유체에 의해서 충동력을 발생할 수 있는 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 제1 블레이드(131)는 좌우 비대칭형상을 가지며, 상단(131a)에서 하단(131b)으로 내려갈수록 트위스트 되고 두께가 두꺼워지는 형상을 가지며, 상단(131a) 각도가 50°로 비틀림 되고 하단(131b) 각도가 20°로 비틀림 되는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진.
삭제
삭제
제 1항에 있어서,
상기 제2 블레이드(133)는 좌우 대칭형상을 가지며, 압축 유체의 입사각과 투사각이 각각 30°로 동일 각도를 유지하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진.
제 6항에 있어서,
상기 배출 부(161)(161')에는 배기관(119)이 연결되며, 상기 배기관(119)에는 터보차저(turbocharger, turbo-supercharger)(T)가 설치되는 것을 특징으로 하는 수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진.