KR101601257B1 - 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기 또는 물과 같은 유체를 압축시킨 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터빈날개를 구비하는 회전체를 내부공간에 내재시키는 하우징의 내부공간에 압축유체를 유입ㆍ배출시고, 유입ㆍ배출되는 압축유체의 유동압력으로 회전체를 회전시키는 방식으로 발전하는 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치에 관한 것이다.
또한 본 발명은 하우징에 유입된 압축유체가 유동되는 유체유동로가 회전체가 회전되는 내부공간과 별도로 구분되어, 유체유동로에서 유동되는 압축유체의 압력과 회전체에 가해지는 압축유체의 압력이 서로 다르게 유지될 수 있도록 하여, 회전체가 원활하게 회전할 수 있는 효과를 얻을 수 있고; 유체유동로가 회전체가 회전되는 내부공간과 별도로 구분되어, 내부공간으로 인입되고 있는 압축유체, 회전체의 터빈날개를 회전시키고 있는 압축유체 및 내부공간에서 유체배출구 방향으로 배출되고 있는 압축유체 간의 간섭이 최소화될 수 있도록 분리가능하여, 회전체의 원활한 회전력을 실현할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

압축유체를 이용한 발전용 터빈장치{Turbine apparatus for power generating using compressed fluid}
본 발명은 공기 또는 물과 같은 유체를 압축시킨 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터빈날개를 구비하는 회전체를 내부공간에 내재시키는 하우징의 내부공간에 압축유체를 유입ㆍ배출시고, 유입ㆍ배출되는 압축유체의 유동압력으로 회전체를 회전시키는 방식으로 발전하는 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치에 관한 것이다.
일반적으로 발전은 크게 화석 에너지를 이용하는 방식과 자연 에너지를 이용하는 방식에 의해 이루어진다.
즉, 화력이나 원자력 발전은 화석을 이용하여 발생되는 에너지를 이용하여 발전이 이루어질 수 있도록 하는 것으로서, 대량의 발전을 위해 현재는 대부분이 이러한 화석 에너지에 의존하여 발전이 이루어지도록 하고 있다. 하지만 화석 에너지는 에너지 소비량의 증가에 반비례하여 점차 줄어들고 있을 뿐만 아니라 이 화석 에너지를 얻으면서 발생되는 불필요한 위해 요소인 환경오염이나 방사능 노출이라는 위험을 감수해야 하는 문제가 있다.
특히 원자력 발전에 따른 폐기물 처리와 폐 연료봉을 이용한 무기화 및 발전소 사고 등의 다양한 문제점 때문에 친환경 에너지에 대한 관심이 더욱 높아지고 있다.
친환경 에너지로서 가장 많이 사용되고 있는 에너지원은 풍력, 수력, 조력이기는 하나 이러한 자연 동력원으로 전력을 얻기 위해서는 대규모의 설비와 비용이 필요로 된다.
이에 최근에 이슈가 되고 있는 발전설비로서 태양열이나 태양빛을 이용한 에어지가 주목을 받고 있기는 하나 설치 공간의 확보와 집광 및 집열 효율이 아직은 경제성에 미치지 못하고 있어 대체 에너지로서 연구가 더 필요한 상황이다.
한편, 에너지 사용량이 점차 증가하면서 국가적인 차원에서 전력을 공급하는데 한계가 있고, 이러한 대량의 전력 생산에 사용되는 에너지원은 아직은 화석 에너지를 사용해야 하는 문제가 있어 발전소 증설도 쉽지 않은 것이 현실이다.
이를 위해서 최근의 문제점을 해소하기 위한 대안으로 자가 발전이 제안되고 있고, 오지 등에서는 풍력이나 태양광 발전을 통해 전력을 충당하도록 하고 있다.
다음은 발전용 터빈장치에 관한 대표적인 종래기술이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1455378호는 본 발명인 선발명한 압축공기를 이용한 풍력발전용 터빈의 회전장치에 관한 것으로서, 중앙에는 구동 샤프트가 축결합되는 샤프트 홀을 형성하고, 일정 반경의 외측으로는 외주면을 따라서 외주면으로부터 반경 중심방향으로 일정 깊이가 절개되도록 하면서 반경방향측 절개 단부는 회전 방향과 반대 방향으로 외주면을 향해 일정 각도로 경사지게 절개되도록 하여 에어홈을 일정 간격으로 형성하며, 에어홈의 수직 절개면과 경사 절개면의 내측단부에는 에어홈과 연통되도록 하는 일정 직경의 에어 수용홈이 형성되도록 하는 회전체본체; 중앙에는 샤프트 홀과 동일한 사이즈로서 관통홀을 형성하고, 회전체 본체의 양측에서 상호 대칭이 되게 구비되어 회전체 본체에 볼트 결합되도록 하여 회전체 본체의 에어홈과 에어 수용홈을 양측에서 각각 커버하도록 하는 한 쌍의 커버 플레이트로서 이루어지는 압축공기를 이용한 풍력발전용 터빈의 회전장치를 제시하였다.
또한 상기 종래기술은 풍력발전용 터빈의 회전장치를 통해 터빈과 압축공기와의 마찰력이 극대화되게 함으로써 더욱 강력한 회전력을 구현할 수 있는 효과를 실현하였으나, 하우징의 내부공간에 회전체를 회전시키기 위하여 유입된 압축유체의 압력이 유체유입구, 내부공간 및 유체배출구 전체에 동일하게 가해져 회전체가 원활하게 회전하지 못하는 문제가 발생하여, 이를 해결하기 위한 지속적인 연구개발이 요구되는 실정이다.
1. 대한민국 등록특허공보 제10-1455376호(2014.10.21.) 2. 대한민국 등록특허공보 제10-1455377호(2014.10.21.) 3. 대한민국 등록특허공보 제10-1455378호(2014.10.21.)
본 발명은 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치에 관한 종래기술에 따른 문제점들을 개선하고자 안출된 기술로서, 종래 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치는 하우징의 내부공간에 회전체를 회전시키기 위하여 유입된 압축유체의 압력이 유체유입구, 내부공간 및 유체배출구 전체에 동일하게 가해져 회전체가 원활하게 회전하지 못하는 문제가 발생하였고;
하우징의 내부공간으로 인입되고 있는 압축유체, 회전체의 터빈날개를 회전시키고 있는 압축유체 및 내부공간에서 유체배출구 방향으로 배출되고 있는 압축유체 간의 간섭으로 인하여, 회전체의 회전력이 약해지는 문제가 발생하여, 이에 대한 해결점을 제공하는 것이 주된 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 소기의 목적을 실현하고자,
중앙에 회전축이 구비되고, 외주면을 따라 복수 개의 터빈날개가 형성되는 회전체와; 상기 회전체를 내재시키는 내부공간이 형성되고, 상기 내부공간의 외주에는 일측은 유체유입구가 연통되고 타측은 유체배출구와 연통되는 유체유동로가 내부공간과 하나 이상의 연통구만이 연통되도록 분리되어 형성되며, 어느 한쪽 이상에는 상기 회전축을 외부로 인출시키는 회전축 관통구가 형성되는 하우징;을 포함하여 구성되는 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치를 제시한다.
상기와 같이 제시된 본 발명에 의한 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치는 하우징에 유입된 압축유체가 유동되는 유체유동로가 회전체가 회전되는 내부공간과 별도로 구분되어, 유체유동로에서 유동되는 압축유체의 압력과 회전체에 가해지는 압축유체의 압력이 서로 다르게 유지될 수 있도록 하여, 회전체가 원활하게 회전할 수 있는 효과를 얻을 수 있고;
유체유동로가 회전체가 회전되는 내부공간과 별도로 구분되어, 내부공간으로 인입되고 있는 압축유체, 회전체의 터빈날개를 회전시키고 있는 압축유체 및 내부공간에서 유체배출구 방향으로 배출되고 있는 압축유체 간의 간섭이 최소화될 수 있도록 분리가능하여, 회전체의 원활한 회전력을 실현할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치를 나타내는 부분 분리 사시도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치의 하우징을 나타내는 분리 사시도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치의 회전체를 나타내는 사시도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치의 회전체를 나타내는 분리 사시도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치의 하우징을 나타내는 측단면도.
도 7a, 7b는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치를 나타내는 측단면도.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치를 나타내는 정단면도.
본 발명은 공기 또는 물과 같은 유체를 압축시킨 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치에 관한 것으로서, 중앙에 회전축(11)이 구비되고, 외주면을 따라 복수 개의 터빈날개(12)가 형성되는 회전체(10)와; 상기 회전체(10)를 내재시키는 내부공간(23)이 형성되고, 상기 내부공간(23)의 외주에는 일측은 유체유입구(21)가 연통되고 타측은 유체배출구(24)와 연통되는 유체유동로(22)가 내부공간(23)과 하나 이상의 연통구(25)만이 연통되도록 분리되어 형성되며, 어느 한쪽 이상에는 상기 회전축(11)을 외부로 인출시키는 회전축 관통구(27)가 형성되는 하우징(20);을 포함하여 구성되는 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치에 관한 것이다.
우선, 본 발명에 의한 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치의 주된 동력원으로 이용되는 유체는 공기 또는 물과 같은 유동체로서, 압축되어 유동압력이 생성될 수 있고, 하우징(20)의 내부공간(23)에 유입되어 회전체(10)를 회전시킨 후 하우징(20)의 외부로 배출될 수 있는 것이면 상기 공기 또는 물 이외의 것도 이용될 수 있다.
또한 본 발명에 의한 발전용 터빈장치는 복수 개가 연결되고, 압축유체가 복수 개의 발전용 터빈장치를 순차적으로 통과하여 복수 개의 발전용 터빈장치를 가동시킬 수 있다.
즉, 상기 복수 개의 발전용 터빈장치 중 어느 하나의 발전용 터빈장치의 유체배출구(24)는 다른 하나의 발전용 터빈장치의 유체유입구(21)와 기밀관 또는 기밀호스로 연결되고, 다른 하나의 발전용 터빈장치의 유체배출구(24)는 또 다른 발전용 터빈장치의 유체유입구(21)과 연결되는 방식으로 연결될 수 있다.
이때, 복수 개의 발전용 터빈장치에서 유동되는 상기 압축유체는 복수 개의 발전용 터빈장치 및 기밀관(또는 기밀호스)의 기밀성에 의하여 외부로 유출되지 않고 복수 개의 발전용 터빈장치 모두를 통과할 때까지 일정의 유동압력을 유지한다.
더불어 본 발명에 의한 발전용 터빈장치의 회전체(10)에 구비된 회전축(11)에는 하나 이상의 발전기가 장착되어, 압축유체의 유동에 의하여 회전하는 회전체(10)의 구동력으로서 발전기가 가동될 수 있다.
또한 본 발명에 의한 발전용 터빈장치는 복수 개가 연속되도록 설치되고, 상기 복수 개의 발전용 터빈장치의 회전축(11)들은 상호 연결되며, 회전축(11) 간의 사이 사이 또는 복수 개의 발전용 터빈장치 중 양쪽 말단의 회전축(11)에 대용량의 발전기가 장착되는 구성을 할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예를 도시한 도면 1 내지 8을 참고하여 본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
구체적으로, 상기 회전체(10)는 중앙에 회전축(11)이 구비되고, 외주면을 따라 복수 개의 터빈날개(12)가 형성되는 구성으로서, 압축유체의 유동력을 전달받아 회전하면서 발전기와 연결된 회전축(11)에 구동력을 발생시키는 구성이다.
즉, 상기 회전체(10)는 도 4와 같이 원판형의 형태로 구성되고, 중앙에 형성된 회전축 홀(15)에는 회전축(11)이 삽입되어 회전체(10)의 회전에 의하여 회전축(11)이 함께 회전될 수 있도록 구성된다.
또한 회전체(10)의 외주면에 형성되는 터빈날개(12)는 회전체(10)가 압축유체의 유동력을 보다 확실하게 전달받기 위한 구성으로서, 도 7a과 같이 회전체(10)의 외주면에서 일정 높이로 돌출되되, 회전방향으로는 외주면에 대하여 완만한 경사면(a)이 형성되고 회전방향의 반대쪽은 회전방향 쪽의 경사면보다 외주면에 대하여 급한 경사면(b)이 형성될 수 있다.
즉, 상기 구성의 터빈날개(12)는 회전방향으로 외주면에 대하여 완만한 경사면(a)을 하기 때문에 회전체(10)의 회전시에 저항력을 줄일 수 있고, 회전방향 반대쪽의 외주면에 대하여 급한 경사면(b)은 압축유체의 유동력을 더욱 확실하게 전달받을 수 있는 효과를 발휘한다.
아울러 상기 터빈날개(12)는 회전체(10)의 외주면 전체에 등간격을 복수 개 형성되는 것이 자명할 것이다.
또한 상기 회전체(10)는 단일의 몸체로 구성될 수도 있고, 도 5와 같이 회전체(10)의 양측에는 복수 개의 터빈날개(12) 외주에 의하여 형성된 외주연을 아우를 수 있을 정도의 외경을 가지는 커버링(13) 또는 커버플레이트(미도시)가 더 구비되는 구성을 할 수 있다.
즉, 상기 커버링(13) 또는 커버플레이트는 한 쌍으로 구성되어 각각이 회전체(10)의 양측에 체결되는 구성을 하고, 회전체(10)에 구비된 터빈날개(12) 양쪽의 열린 부분을 막아 터빈날개(12)의 일측(회전체(10) 회전방향의 반대쪽)을 가압하며 터빈날개(12)를 미는 압축유체의 유출을 방지한다.
이때, 상기 커버링(13)은 회전체(10)의 중앙부분에 해당하는 부분은 열린 상태를 가지고, 회전체(10)의 외주부분에 해당하는 부분은 닫힌 상태를 가져 터빈날개(12)의 양쪽 열린 부분을 막는다.
또한 상기 커버플레이트는 판상으로 구성되되, 중앙에는 회전축(11)이 관통될 수 있는 관통홀이 형성되고, 회전체(10)의 측면 전체를 아우르며 회전체(10)의 외주부분에 해당하는 부분까지 연장되어 터빈날개(12)의 양쪽 열린 부분을 막는다.
아울러 상기 회전체(10), 커버링(13) 또는 커버플레이트 중 어느 하나 이상에는 회전축(11)을 중심으로 하는 환형의 유체홈(14)이 형성되는 구성을 할 수 있다.
즉, 상기 환형의 유체홈(14)은 하기 하우징(20) 내부공간(23)의 측면에 대응되는 회전체(10), 커버링(13) 또는 커버플레이트 중 어느 하나 이상의 부분에 위치되고, 회전체(10), 커버링(13) 또는 커버플레이트와 하우징(20) 내부공간(23) 사이에 압축유체가 회전축(11)을 중심으로 회전할 수 있도록 하는 유로를 형성시켜, 압축유체에 의한 베어링(에어(유체)베어링)을 형성시키는 효과를 발휘한다.
이때, 상기 환형의 유체홈(14)은 도 4 또는 8과 같이 하나 이상 형성될 수 있고, 하우징(20) 내부공간(23)의 측면에는 상기 환형의 유체홈(14)과 대응되거나 엇갈리고, 회전축 관통구(27)를 중심으로 하는 또 다른 환형의 유체홈(22c)이 형성되어 압축유체에 의한 또 다른 베어링(에어(유체)베어링)을 형성시킬 수도 있다.
또한 상기 하우징(20)은 상기 회전체(10)를 내재시키는 내부공간(23)이 형성되고, 상기 내부공간(23)의 외주에는 일측은 유체유입구(21)가 연통되고 타측은 유체배출구(24)와 연통되는 유체유동로(22)가 내부공간(23)과 하나 이상의 연통구(25)만이 연통되도록 분리되어 형성되며, 어느 한쪽 이상에는 상기 회전축(11)을 외부로 인출시키는 회전축 관통구(27)가 형성되는 구성으로서, 압축유체에 대한 기밀성을 유지시키며 압축유체의 유동력으로 회전체(10)를 회전시키는 구성이다.
구체적으로, 상기 하우징(20)은 유체유입구(21) 및 유체배출구(24)를 제외한 다른 부분은 기밀성을 유지하고 있는 상태이다. 다만 회전축(11)이 관통시켜 외부로 인출시키는 회전축 관통구(27)는 회전축(11)과 기밀성이 유지되는 것이 바람직하나, 회전축 관통구(27)에 대한 회전축(11)의 회전성 및 기밀성을 동시에 확보시키기 어려운 경우에는 하우징(20)의 내ㆍ외부에 회전축(11)과 회전축 관통구(27) 간의 기밀성을 확보시키는 기밀패킹(가스켓, 미도시)이 더 포함될 수 있다.
더불어 하우징(20)에는 상기 기밀패킹을 하우징(20)의 내ㆍ외부에 견고히 체결시키기 위하여 하나 이상의 압착링이 더 체결될 수 있음은 자명할 것이다.
또한 상기 내부공간(23)은 도 3과 같이 회전체(10)를 회전가능하도록 내재시키는 구성으로서, 회전체(10)의 측부 및 외주(터빈날개(12))가 내부공간(23)에 의하여 형성된 내측면에 간섭되지 않을 정도의 형태로 부피를 가진다.
이하, 본 발명은 상기 내부공간(23)은 수직방향으로 원형의 단면을 하고, 상기 형태의 내부공간(23)에 수직방향으로 원형의 단면을 하는 회전체(10)가 내재되는 형태를 바람직한 실시예로하여 설명하겠다.
아울러 도 6 또는 7과 같이 내부공간(23)의 외주에 형성된 유체유동로(22)는 내부공간(23)과 분리되는 구성을 하여 유체유동로(22)로 유동되는 압축유체의 압력과 내부공간(23)에서 회전체(10)를 회전시키며 유동되는 압축유체의 압력이 서로 다르게 형성되도록 하는 구성이다.
즉, 상기 유체유동로(22)는 일측이 하우징(20)의 일측에 형성된 유체유입구(21)와 연통되고, 유체유동로(22)의 타측은 하우징(20)의 유체배출구(24)와 연통되는 구성을 하여, 압축유체가 유체유동로(22)의 일측에서 타측 방향으로 유동될 수 있도록 한다.
이때 상기 유체유동로(22)와 내부공간(23) 사이에는 격벽(22a)이 형성되어 내부공간(23)에서 회전체(10)를 회전시키는 압축유체와 유체유동로(22)에서 유동되는 압축유체가 서로 간섭되지 않도록 하고, 그 결과 유체유동로(22)에 형성된 압축유체의 압력과 내부공간(23)에 형성된 압축유체의 압력이 서로 다를 수 있도록 한다.
더불어 하우징(20)에 형성된 유체유입구(21)를 통하여 유체유동로(22)의 일측으로 유입된 압축유체는 내부공간(23)으로 유입된 후 내부공간(23)에서 회전체(10)의 터빈날개(12)를 가압하여 회전체(10)를 회전시키고 다시 유체유동로(22)로 배출되며, 내부공간(23)에서 유체유동로(22)로 배출된 압축유체는 유체유동로(22)의 타측으로 유동되어 하우징(20)의 유체배출구(24)를 통하여 하우징(20)의 외부로 배출된다.
또한 상기 유체유동로(22)는 수직 단면방향으로 원형의 외주를 내부공간(23)의 외측에 내부공간(23)과 분리되는 형태로 구성되면 다양한 형태로 구성될 수 있고, 보다 바람직하게는 도 6과 같이 내부공간(23) 외주연의 절반 이내의 원주를 가지도록 구성될 수 있다.
즉, 유체유동로(22)에서 유동되는 압축유체는 내부공간(23)에 내재된 압축유체와 분리된 상태이기 때문에 내부공간(23)의 압축유체와의 간섭은 최소화될 수 있으나, 유체유동로(22)의 형성길이가 길어질수록 유체유동로(22) 내면에 대한 마찰력은 증가하기 때문에 유체유동로(22)를 통과한 압축유체의 압력은 감소되고, 압력이 감소된 상태로 하우징(20)에서 배출된 압축유체가 또 다른 발전용 터빈장치에 유입되면 해당 발전용 터빈장치의 발전효율이 떨어질 우려가 발생하므로, 상기 유체유동로(22)는 내부공간(23) 외주연의 절반 이내의 원주를 가져 최대한 짧은 길이를 가지는 것이 바람직하다.
이때, 상기 구성의 유체유동로(22)는 내부공간(23) 외주연의 절반 이내의 원주를 가지도록 하우징(20)에 홈 형태로 파여지기 때문에 가공상의 어려움이 발생할 수 있고, 본 발명은 상기와 같은 어려움을 해소하기 위하여, 도 6과 같이 내부공간(23)의 외측에 해당하는 하우징(20)의 일정부분에 회전축 관통구(27)를 중심으로 하는 환형의 유체유동로(22)를 홈 형태로 형성시키고, 내부공간(23) 외주연의 절반 이외의 부분에는 탄성의 기밀패킹을 끼워넣어 내부공간(23) 외주연의 절반 이내의 원주를 가지는 유체유동로(22)를 형성시킬 수 있다.
상기와 연관하여, 상기 유체유동로(22)는 유체배출구(24)와 연통되는 부분에 배출공간(26)이 형성되고, 상기 배출공간(26)은 유체배출구(24)와 연통되는 유체유동로(22) 이전 부분보다 더 큰 내경을 가지도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 배출공간(26)은 도 6과 같이 유체유동로(22)의 타측에 형성되어 유체유동로(22)를 통과한 압축유체를 유체배출구(24)로 배출시키는 역할을 하는데, 배출공간(26)의 내경이 유체배출구(24)와 연통되는 유체유동로(22) 이전 부분보다 크게 형성되면, 베르누이 정리에 의한 오리피스 원리에 의하여 배출공간(26)의 내경이 유체유동로(22)의 내경보다 크기 때문에 배출공간(26)의 내부 압력이 유체유동로(22)의 내부 압력보다 커질 수 있고, 그 결과 유체배출구(24)를 통하여 하우징(20)의 외부로 배출되는 압축유체의 압력을 보다 증가시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
아울러 상기 유체유동로(22)와 내부공간(23) 사이에는 하나 이상의 연통구(25)가 형성되어 압축유체가 유체유동로(22)와 내부공간(23) 사이를 유동할 수 있도록 하는데, 상기 연통구(25)는 압축유체가 유체유동로(22)에서 내부공간(23)으로 유입될 수 있도록 함과 동시에 내부공간(23)에서 유체유동로(22)로 배출될 수 있도록 하는 구성이다.
구체적으로, 상기 연통구(25)는 유체유동로(22)의 일측에 형성되어 유체유입구(21)를 통하여 유체유동로(22)로 유입된 압축유체가 빠르게 내부공간(23)으로 유입될 수 있도록 하는 것이 바람직하고, 이때, 유체유입구(21) 및 연통구(25)의 형성방향은 내부공간(23)에 내재된 회전체(10)의 외주 접선의 방향과 최대한 유사하게 형성되는 것이 바람직하다.
즉, 상기와 같이 유체유입구(21) 및 연통구(25)의 형성방향이 회전체(10)의 외주 접선 방향과 최대한 유사하면, 연통구(25)를 통하여 내부공간(23)으로 유입되는 압축유체가 회전체(10)의 중심에서 최대한 먼 부분에 위치된 터빈날개(12)를 가압할 수 있도록 하는 효과를 발휘하여, 회전체(10)의 회전성 및 구동력을 증가시키는 효과를 발휘한다.
더불어 연통구(25)를 통하여 내부공간(23)으로 유입된 압축유체는 터빈날개(12)의 급한 경사면(b)을 가압하여 회전체(10)가 보다 강력하게 회전할 수 있도록 한다.
아울러 상기와 같이 내부공간(23)으로 유입되어 회전체(10)를 회전시키는 압축유체는 터빈날개(12)를 회전시키며 내부공간(23)의 내주 전체를 회전하거나 내주의 일부분을 회전한 후 다시 연통구(25)로 배출되어 유체유동로(22)로 재유입된 후 유체유동로(22)의 타측으로 유동되어 유체배출구(24)를 통하여 하우징(20)의 외부로 배출된다.
즉, 상기 연통구(25)는 터빈날개(12)의 폭에 해당하는 방향(수평방향)으로 장공을 하거나 회전체(10)의 회전방향에 해당하는 방향(수직방향)으로 장공을 하는 형태로 구성되어 내부공간(23)에 대한 압축유체의 유입과 배출을 동시에 실현할 수 있다.
구체적으로, 유체유입구(21)에서 유체유동로(22)로 유입된 압축유체는 장공의 연통구(25) 일측을 통하여 내부공간(23)으로 유입되고, 반대로 내부공간(23)에서 배출되는 압축유체는 장공의 연통구(25) 타측을 통하여 다시 유체유동로(22)로 재유입될 수 있다.
이때, 연통구(25)가 터빈날개(12)의 폭에 해당하는 방향으로 장공을 형성한 경우에는 동일한 수평높이 상에서 내부공간(23)에 대한 압축유체의 유입ㆍ배출을 실현할 수 있고, 연통구(25)가 회전체(10)의 회전방향에 해당하는 방향으로 장공을 형성한 경우에는 서로 다른 수평높이 상에서 내부공간(23)에 대한 압축유체의 유입ㆍ배출을 실현할 수 있다.
또한 상기 구성의 연통구(25)는 하나로 구성되어 유체유동로(22)와 내부공간(23) 간의 압축유체의 유동을 실현할 수 있으나, 도 6과 같이 유체유입구(21)와 일선 상의 유체유동로(22) 부분에 형성되는 주연통구(25a)와; 상기 주연통구(25a)를 기준하여, 회전체(10)의 회전방향으로 주연통구(25a) 이후의 유체유동로(22) 부분에 형성되는 보조연통구(25b);를 포함하는 구성을 할 수 있다.
즉, 상기 구성의 주연통구(25a)는 유체유입구(21)와 일선 상에 해당하는 유체유동로(22)에 형성되어 유체유입구(21)로부터 유입받은 압축유체를 굴절 없이 직접 내부공간(23)으로 유입시킬 수 있는 효과를 발휘하여, 유체유입구(21)에서 가해지는 압축유체의 유동력의 손실을 최소화하며 내부공간(23)으로 압축유체를 유입시킬 수 있는 효과를 발휘한다.
더불어 상기 보조연통구(25b)는 상기 주연통구(25a)를 기준하여, 회전체(10)의 회전방향으로 주연통구(25a) 이후의 유체유동로(22) 부분에 형성되어, 내부공간(23)에서 회전체(10)를 가압 회전시킨 압축유체를 다시 유체유동로(22)로 배출시키는 구성이다.
구체적으로, 상기 주연통구(25a)를 통하여 내부공간(23)으로 유입된 압축유체는 회전체(10)의 터빈날개(12)를 가압하여 회전체(10)를 회전시킨 후, 내부공간(23)의 전체 내주를 따라 회전하거나 내부공간(23)의 일부 내주(주연통구(25a)에서 보조연통구(25b) 사이의 구간)를 따라 회전한 후 보조연통구(25b)를 통하여 유체유동로(22)로 다시 배출된다.
즉, 상기와 같이 연통구(25)가 주연통구(25a)와 보조연통구(25b)로 구분되는 경우에는 유체유동로(22)와 내부공간(23)에 대한 압축유체의 유입과 배출을 서로 다른 연통구(25a, 25b)를 통하여 실현하여, 내부공간(23)으로 유입되거나 내부공간(23)에서 배출되는 압축유체 간의 간섭을 최소화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
더불어 상기 주연통구(25a)는 보조연통구(25b)보다 큰 내경을 가지도록 구성되고, 상기 보조연통구(25b)는 주연통구(25a)에 인접되어 복수 개가 형성되도록 구성될 수 있다.
즉, 유체유동로(22)에 보조연통구(25b)가 형성되는 경우, 유체유동로(22)에서 내부공간(23)으로 유입되는 압축유체의 양과 내부공간(23)에서 유체유동로(22)로 배출되는 압축유체의 양은 거의 동일한 것을 전제하면, 주연통구(25a)가 보조 연통구(25)보다 큰 내경을 가지도록 구성되면 주연통구(25a)에서 내부공간(23)으로 가하는 압축유체의 압력이 보조연통구(25b)에서 유체유동로(22)로 가하는 압축유체의 압력보다 크고, 보조연통구(25b)에서 유체유동로(22)로 배출되는 압축유체의 속도는 주연통구(25a)에서 내부공간(23)으로 유입되는 압축유체의 속도보다 빠르게 된다.
그 결과 주연통구(25a)에서 내부공간(23)으로 유입되는 압축유체는 회전체(10)의 터빈날개(12)를 더욱 큰 압력으로 가압할 수 있고, 내부공간(23)에서 보조연통구(25b)를 통하여 유체유동로(22)로 배출되는 압축유체는 더욱 빠른 속도로 배출될 수 있기 때문에, 압축유체에 의한 회전체(10)의 회전성 및 구동력을 향상시킬 수 있다.
이때, 보조연통구(25b)는 주연통구(25a)에서 유입되는 압축유체의 유량을 어느 정도 완충시켜주기 위하여 복수 개가 형성되는 것이 바람직하다.
아울러 하우징(20)에 형성되는 회전축 관통구(27)는 회전체(10)의 회전축(11)을 외부로 인출하여 발전기와 연동시키기 위한 구성으로서, 회전축(11)이 하우징(20)의 양쪽 측부로 모두 인출되는 경우에는 회전축 관통구(27)가 하우징(20)의 양쪽 측부에 모두 형성되고, 회전축(11)이 어느 한쪽 측부로만 인출되는 경우에는 회전축 관통구(27)가 하우징(20)의 어느 한쪽 측부에만 형성된다.
이때, 발전기는 회전축(11)의 어느 한쪽 또는 양쪽에 체결되어 회전축(11)의 구동력으로서 전기를 생산할 수 있다.
또한 상기 하우징(20)은 유체유입구(21)와 유체배출구(24)만을 제외하고 기밀성을 유지할 수 있음과 동시에 회전체(10)가 회전가능하도록 내부공간(23)에 수용될 수 있으면, 다양한 형태로 구성될 수 있고, 바람직하게는 내부공간(23)이 일측과 타측을 관통하며 형성되고, 상기 내부공간(23)의 외주에는 일측은 유체유입구(21)가 연통되고 타측은 유체배출구(24)와 연통되는 유체유동로(22)가 내부공간(23)과 하나 이상의 연통구(25)만이 연통되도록 분리되어 형성되는 주하우징(20a)과; 상기 주하우징(20a)의 양쪽 측부에 각각 체결되어 내부공간(23)을 기밀시키고, 어느 한쪽 이상의 것에는 회전축(11)을 외부로 인출시키는 회전축 관통구(27)가 형성되는 한 쌍의 커버하우징(20b);을 포함하는 구성을 할 수 있다.
구체적으로, 상기 주하우징(20a)에 형성되는 내부공간(23)은 회전체(10)가 회전가능하도록 수용되는 공간이고, 이때 내부공간(23)은 일측과 타측이 관통되어 회전체(10)를 용이하게 수용할 수 있다. 더불어 상기 유체유입구(21), 유체배출구(24) 및 유체유동로(22)는 상기의 설명으로 대신하겠다.
아울러 상기 커버하우징(20b)은 주하우징(20a)의 양쪽 측부에 각각 체결되어 내부공간(23)을 기밀시키기 위한 구성으로서, 내부공간(23)의 측면보다 큰 면적으로 가져 내부공간(23)의 측부를 완전히 기밀시키되, 회전체(10)에 구비된 회전축(11)이 외부로 인출될 수 있도록 하는 회전축 관통구(27)가 형성된다.
이때, 커버하우징(20b)과 주하우징(20a) 사이에는 기밀패킹이 구비되어 내부공간(23) 및 유체유동로(22)에서 유동되는 압축유체가 외부로 유출되지 않도록 구성될 수 있고, 커버하우징(20b)의 외측에는 회전축(11)은 회전가능하되 커버하우징(20b)과 회전축(11) 사이로 압축유체가 유출되지 않도록 기밀패킹 처리될 수 있다.
또한 내부공간(23) 쪽을 향하는 커버하우징(20b)의 일면에는 상기 내부공간(23) 또는 유체유동로(22)와 대응되는 대응홈(22b)이 형성되어 내부공간(23) 또는 유체유동로(22)를 확장시킬 수도 있다.
더불어 내부공간(23) 쪽을 향하는 커버하우징(20b)의 일면에는 회전축 관통구(27)를 중심으로 하는 환형의 유체홈(22c)이 형성되어 회전체(10), 커버링(13) 또는 커버플레이트의 회전시에 압축유체에 의한 베어링(에어(유체)베어링)을 형성시키는 효과를 얻을 수도 있다.
아울러 상기 커버하우징(20b)은 복수 개로 구성되어 커버하우징(20b)의 측부에 또 다른 커버하우징(20c)이 중첩되어 커버하우징(20b)의 회전축 관통구를 통하여 외부로 배출될 수 있는 압축유체를 더욱 확실하게 기밀시킬 수 있다.
이때, 상기 또 다른 커버하우징(20c)에는 회전축 관통구(27)가 형성되어 회전축(11)을 관통시킬 수 있음은 자명할 것이고, 상기 또 다른 커버하우징(20c)의 외측에는 회전축(11)은 회전가능하되 커버하우징(20c)과 회전축(11) 사이로 압축유체가 유출되지 않도록 기밀패킹 처리될 수 있다.
본 발명에 의한 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치의 작동 순서는 다음과 같다.
우선, 발전용 터빈장치에 가해지는 압축유체는 압축된 공기이고, 회전체(10)의 회전축(11) 양쪽에는 발전기의 구동축이 연결된 상태이다.
구체적으로, 하우징(20)의 일측에 형성된 유체유입구(21)에는 압축공기를 하우징(20) 내부의 유체유동로(22)로 강하게 분사하기 위하여 분사노즐이 장착된 상태이고, 상기 분사노즐에서 분사된 압축공기는 유체유동로(22)의 주연통구(25a)를 통하여 하우징(20)의 내부공간(23)으로 유입된다.
또한 상기 분사노즐의 하부 말단은 도 7b와 같이 회전체(10)의 회전방향과 동일한 방향으로 굽은 형태로 터빈날개(12)에 인접되게 돌출되어 터빈날개(12)에 더욱 강하게 압축공기를 분사할 수도 있다.
이때, 내부공간(23)으로 유입된 압축공기는 회전체(10)의 외주에 구비된 터빈날개(12)의 급한 경사면(b)을 강하게 가압하여 회전축(11)을 중심으로 회전체(10)를 회전시키고, 터빈날개(12)를 가압하며 내부공간(23)의 내주를 따라 유동되는 압축공기의 일부는 내부공간(23)의 내주를 전체를 따라 회전하며 유동된 후 주연통구(25a)의 하부(회전체(10) 회전방향의 하부)에 형성된 보조연통구(25b)로 배출되어 유체유동로(22)로 재유입되거나, 압축공기의 다른 일부는 내부공간(23)의 내주 전체를 회전하지 않고 내주의 일부 구간만을 회전하며 유동된 후 보조연통구(25b)로 직접 배출되어 유체유동로(22)로 재유입된다.
상기와 같이 압축공기의 가압력으로 회전체(10)와 회전축(11)은 회전하고, 회전축(11)의 구동력을 전달받은 발전기의 구동축은 회전하여 전기를 생산한다.
이후 내부공간(23)에서 유체유동로(22)로 배출된 압축공기는 유체유동로(22)의 타측에 형성된 배출공간(26)으로 유입된 이후 배출공간(26)과 연통되는 유체배출구(24)를 통하여 하우징(20)의 외부로 배출된다.
더불어 상기와 같이 하우징(20)에서 배출된 압축공기는 상기와 동일한 구성을 하는 다른 발전용 터빈장치의 유체유입구(21)로 기밀성을 유지하며 유입되어 다른 발전용 터빈장치를 작동시키고, 그로서 다른 발전기를 가동시켜 전기를 생산할 수 있다.
상기는 본 발명의 바람직한 실시예를 참고로 설명하였으며, 상기의 실시예에 한정되지 아니하고, 상기의 실시예를 통해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경으로 실시할 수 있는 것이다.
10 : 회전체 11 : 회전축
12 : 터빈날개 13 : 커버링
14 : 유체홈 15 : 회전축 홀
20 : 하우징 20a : 주하우징
20b, 20c : 커버하우징 21 : 유체유입구
22 : 유체유동로 22a : 격벽
22b : 대응홈 22c : 유체홈
23 : 내부공간 24 : 유체배출구
25 : 연통구 25a : 주연통구
25b : 보조연통구 26 : 배출공간
27 : 회전축 관통구

Claims (10)

  1. 중앙에 회전축(11)이 구비되고, 외주면을 따라 복수 개의 터빈날개(12)가 형성되는 회전체(10)와;
    상기 회전체(10)를 내재시키는 내부공간(23)이 형성되고, 상기 내부공간(23)의 외주에는 일측은 유체유입구(21)가 연통되고 타측은 유체배출구(24)와 연통되는 유체유동로(22)가 내부공간(23)과 하나 이상의 연통구(25)만이 연통되도록 분리되어 형성되며, 어느 한쪽 이상에는 상기 회전축(11)을 외부로 인출시키는 회전축 관통구(27)가 형성되는 하우징(20);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전체(10)의 양측에는,
    복수 개의 터빈날개(12) 외주에 의하여 형성된 외주연을 아우를 수 있을 정도의 외경을 가지는 커버링(13) 또는 커버플레이트가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회전체(10)에는 회전축(11)을 중심으로 하는 환형의 유체홈(14)이 형성되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하우징(20)의 내부공간(23)의 측면에는 회전축 관통구(27)를 중심으로 하는 환형의 유체홈(22c)이 형성되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유체유동로(22)는,
    내부공간(23) 외주연의 절반 이내의 원주를 가지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유체유동로(22)는,
    유체배출구(24)와 연통되는 부분에 배출공간(26)이 형성되고,
    상기 배출공간(26)은 유체배출구(24)와 연통되는 유체유동로(22) 이전 부분보다 더 큰 내경을 가지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연통구(25)는,
    유체유입구(21)와 일선 상에 형성되는 주연통구(25a)와;
    상기 주연통구(25a)를 기준하여, 회전체(10)의 회전방향으로 주연통구(25a) 이후의 부분에 형성되는 보조연통구(25b);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 주연통구(25a)는 보조연통구(25b)보다 큰 내경을 가지도록 구성되고,
    상기 보조연통구(25b)는 주연통구(25a)에 인접되어 복수 개가 형성되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하우징(20)은,
    내부공간(23)이 일측과 타측을 관통하며 형성되고, 상기 내부공간(23)의 외주에는 일측은 유체유입구(21)가 연통되고 타측은 유체배출구(24)와 연통되는 유체유동로(22)가 내부공간(23)과 하나 이상의 연통구(25)만이 연통되도록 분리되어 형성되는 주하우징(20a)과;
    상기 주하우징(20a)의 양쪽 측부에 각각 체결되어 내부공간(23)을 기밀시키고, 어느 한쪽 이상의 것에는 회전축(11)을 외부로 인출시키는 회전축 관통구(27)가 형성되는 한 쌍의 커버하우징(20b);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유체유입구(21)에는,
    분사노즐이 구비되고, 상기 분사노즐의 하부 말단은 회전체(10)의 회전방향과 동일한 방향으로 굽은 형태로 터빈날개(12)에 인접되게 돌출되어 압축공기를 분사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압축유체를 이용한 발전용 터빈장치.
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