KR101619134B1 - 나선-디스크형 유체기계 - Google Patents

나선-디스크형 유체기계 Download PDF

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KR101619134B1
KR101619134B1 KR1020150056446A KR20150056446A KR101619134B1 KR 101619134 B1 KR101619134 B1 KR 101619134B1 KR 1020150056446 A KR1020150056446 A KR 1020150056446A KR 20150056446 A KR20150056446 A KR 20150056446A KR 101619134 B1 KR101619134 B1 KR 101619134B1
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백영진
조준현
이길봉
나호상
서정석
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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은, 회전축에 나선형으로 복수회 감아지는 나선형 블레이드가 결합됨으로써, 작동유체가 나선형 블레이드의 모든 날개면을 한번에 연속적으로 통과하기 때문에, 작동유체와 나선형 블레이드의 접촉 면적이 최대화되고, 작동유체가 통과하는 유로가 나선형 유로로 형성되어 유로의 길이가 최대화될 수 있으므로, 효율이 보다 향상될 수 있다. 또한, 하우징에 형성된 유입구와 토출구가 각각 동일 원주상에 2개씩 형성됨으로써, 작동유체의 출입시 발생되는 래디얼 방향 힘이 상쇄될 수 있다. 또한, 2개의 나선형 블레이드가 회전축에 서로 반대방향으로 감겨져 결합됨으로써, 서로 반대방향으로 상기 작동유체를 토출하기 때문에, 상기 작동유체의 토출시 발생할 수 있는 축력이 상쇄되어 축력이 최소화될 수 있다.

Description

나선-디스크형 유체기계{Spiral disk type fluid machinery}
본 발명은 나선-디스크형 유체기계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 회전축에 나선형으로 감긴 나선형 블레이드가 구비됨으로써 효율이 증가될 수 있는 나선-디스크형 유체기계에 관한 것이다.
일반적으로 터빈은 물, 가스, 증기 등의 유체가 가지는 에너지를 유용한 기계적 일로 변환시키는 유체기계이다. 보통 회전체의 원주에 여러개의 깃 또는 날개를 심고 거기에 증기 또는 가스를 내뿜어 고속 회전시키는 터보형의 기계를 터빈이라고 한다.
종래의 터빈의 경우 블레이드 또는 임펠러를 사용하여 회전축을 구동하므로 소음이 발생되고 효율이 저하되며, 블레이드 또는 임펠러의 손상이 자주 발생하는 문제점이 있다.
한국등록특허 10-0669450호
본 발명의 목적은, 구조가 간단하면서도 효율이 향상될 수 있는 나선-디스크형 유체기계를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 나선-디스크형 유체기계는, 작동유체가 출입되도록 유입구와 토출구가 형성된 하우징과; 상기 하우징을 관통하도록 결합된 회전축과; 상기 회전축에 결합되고, 상기 회전축의 축방향을 따라 상기 회전축에 나선형으로 복수회 감아지도록 형성되어, 상기 유입구로 유입된 작동유체가 통과하는 나선형 유로를 형성하는 나선형 블레이드를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 나선-디스크형 유체기계는, 원통형상의 하우징과; 상기 하우징의 외주면에서 원주방향을 따라 서로 소정각도로 이격된 위치에 형성되어 작동유체가 상기 외주면의 접선방향으로 유입되는 제1,2유입구와; 상기 하우징의 외주면에서 상기 제1,2유입구와 축방향을 따라 소정 간격 이격된 위치에 형성되어, 상기 작동유체가 상기 외주면의 접선 방향으로 토출되는 제1,2토출구와; 상기 하우징을 관통하도록 결합된 회전축과; 상기 회전축에 결합되고, 상기 회전축의 축방향을 따라 상기 회전축에 나선형으로 복수회 감아지도록 형성되어, 상기 제1,2유입구로 유입된 작동유체가 통과하는 나선형 유로를 형성하는 나선형 블레이드를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 나선-디스크형 유체기계는, 원통형상의 하우징과; 상기 하우징의 외주면에서 원주방향을 따라 서로 소정각도로 이격된 위치에 형성되어 작동유체가 상기 외주면의 접선방향으로 유입되는 제1,2유입구와; 상기 하우징의 외주면에서 상기 하우징의 일단부를 향한 방향으로 상기 제1,2유입구와 소정간격 이격된 위치에 형성되어, 상기 작동유체가 상기 외주면의 접선 방향으로 토출되는 제1,2토출구와; 상기 하우징의 외주면에서 상기 하우징의 타단부를 향한 방향으로 상기 제1,2유입구와 소정간격 이격된 위치에 형성되어, 상기 작동유체가 상기 외주면의 접선 방향으로 토출되는 제3,4토출구와; 상기 하우징을 관통하도록 결합된 회전축과; 상기 하우징의 내부에서 상기 제1,2유입구를 기준으로 상기 제1,2토출구를 향한 측에 구비되고, 상기 회전축에 제1회전방향으로 나선형으로 복수회 감기도록 형성되어, 상기 제1,2유입구로 유입된 작동유체를 상기 제1,2토출구로 안내하도록 제1나선형 유로를 형성하는 제1나선형 블레이드와; 상기 하우징의 내부에서 상기 제1,2유입구를 기준으로 상기 제3,4토출구를 향한 측에 구비되고, 상기 회전축에 상기 제1회전방향과 반대방향인 제2회전방향으로 나선형으로 복수회 감기도록 형성되어, 상기 제1,2유입구로 유입된 작동유체를 상기 제3,4토출구로 안내하도록 제2나선형 유로를 형성하는 제2나선형 블레이드를 포함한다.
본 발명은, 회전축에 나선형으로 복수회 감아지는 나선형 블레이드가 결합됨으로써, 작동유체가 나선형 블레이드의 모든 날개면을 한번에 연속적으로 통과하기 때문에, 작동유체와 나선형 블레이드의 접촉 면적이 최대화되고, 작동유체가 통과하는 유로가 나선형 유로로 형성되어 유로의 길이가 최대화될 수 있으므로, 효율이 보다 향상될 수 있다.
또한, 하우징에 형성된 유입구와 토출구가 각각 동일 원주상에 2개씩 형성됨으로써, 작동유체의 출입시 발생되는 래디얼 방향 힘이 상쇄될 수 있다.
또한, 2개의 나선형 블레이드가 회전축에 서로 반대방향으로 감겨져 결합됨으로써, 서로 반대방향으로 상기 작동유체를 토출하기 때문에, 상기 작동유체의 토출시 발생할 수 있는 축력이 상쇄되어 축력이 최소화될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나선-디스크형 유체기계를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 A방향에서 본 나선-디스크형 유체기계의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나선-디스크형 유체기계를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 B방향에서 본 나선-디스크형 유체기계의 측면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면, 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나선-디스크형 유체기계를 나타낸 사시도이다. 도 2는 도 1의 A방향에서 본 나선-디스크형 유체기계의 측면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나선-디스크형 유체기계는, 작동유체의 점성을 이용하여 후술하는 나선형 블레이드(40)를 회전시켜 발전부를 통해 전기를 생산하는 팽창기(10)인 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 팽창기(10)는 터빈을 포함한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 나선-디스크형 유체기계는 모터를 이용하여 나선형 블레이드(40)를 회전시켜, 나선형 블레이드(40)의 회전력과 작동유체의 점성에 의해 작동유체를 압축하는 압축기로 사용되는 것도 물론 가능하다.
상기 팽창기(10)는, 하우징(20), 회전축(30), 나선형 블레이드(40)를 포함한다.
상기 하우징(20)은, 원통 형상으로 이루어지고, 양단면에는 상기 회전축(30)이 관통하는 관통홀이 형성된다. 상기 하우징(20)에는 작동유체가 유입되는 유입구(21)와, 상기 작동유체가 토출되는 토출구(22)가 형성된다.
상기 유입구(21)는, 상기 하우징(20)의 외주면에 형성된다. 상기 유입구(21)는 상기 하우징(20)의 외주면에서 원주방향을 따라 서로 소정각도 이격된 위치에 복수개가 형성될 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 유입구(21)는 서로 180도 간격으로 이격된 위치에 2개의 제1,2유입구(21a)(21b)가 형성된 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 유입구(21)가 동일 원주상에 2개가 형성되면, 상기 유입구(21)가 1개일 때 상기 작동유체의 유입시 발생되는 래디얼 방향 힘이 상쇄될 수 있다. 또한, 상기 유입구(21)는 상기 하우징(20)의 외주면에 접선 방향으로 형성된다.
상기 토출구(22)는, 상기 하우징(20)의 외주면에 형성된다. 상기 토출구(22)는 상기 하우징(20)의 외주면에서 상기 유입구(21)와 축방향으로 소정간격 이격된 위치에 형성된다. 상기 토출구(22)는 원주방향을 따라 서로 소정각도 이격된 위치에 복수개가 형성될 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 토출구(22)는 서로 180도 간격으로 이격된 위치에 2개의 제1,2토출구(22a)(22b)가 형성된 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 토출구(22)가 동일 원주상에 2개가 형성되면, 상기 토출구(22)가 1개일 때 상기 작동유체의 토출시 발생되는 래디얼 방향 힘이 상쇄될 수 있다. 또한, 상기 토출구(22)는 상기 하우징(20)의 외주면에 접선 방향으로 형성된다.
상기 회전축(30)은 상기 하우징(20)을 관통하도록 결합되고, 모터(미도시)나 발전기(미도시) 등과 연결된다. 상기 하우징(20)과 상기 회전축(30)의 양단사이에는 각각 베어링(32)이 구비된다. 또한, 상기 하우징(20)과 상기 회전축(30)사이에는 상기 작동유체의 누설을 방지하기 위한 실링 부재(33)가 구비될 수 있다.
상기 나선형 블레이드(40)는, 상기 회전축(30)의 축방향을 따라 상기 회전축(30)에 나선형으로 복수회 감아지도록 형성된다. 상기 나선형 블레이드(40)는, 상기 회전축(30)에 복수의 디스크들이 결합된 형상과 유사하나, 상기 나선형 블레이드(40)는 단 하나의 날 개가 상기 회전축(30)에 나선형으로 감아진 형상으로 이루어짐으로써, 상기 유입구(21)로 유입된 작동유체가 모든 날개면을 한번에 연속적으로 통과한 후 상기 토출구(22)로 토출되도록 안내하는 나선형 유로를 형성할 수 있다. 상기 나선형 블레이드(40)가 상기 회전축(30)에 감아지는 횟수나, 상기 나선형 블레이드(40)의 각 날개들 사이의 간격은 회전력이나 상기 작동유체의 점성 등을 고려하여 미리 설정될 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 나선형 블레이드(40)가 반시계 방향으로 회전하는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 상기 유입구(21)와 상기 토출구(22)의 역할을 서로 바꾸어 상기 나선형 블레이드(40)가 시계방향으로 회전하는 것도 물론 가능하다. 따라서, 본 발명에 따른 유체기계는 시계 및 반시계 방향으로 모두 회전가능하다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창기의 작동을 설명하면, 다음과 같다.
먼저, 상기 작동유체가 상기 제1,2유입구(21a)(21b)를 통해 상기 하우징(20)의 내부로 유입되면, 유입된 작동유체는 상기 나선형 블레이드(40)의 날개들이 이루는 나선형 유로를 따라 상기 제1,2토출구(22a)(22b)측으로 유동한다.
이 때, 상기 작동유체의 점성에 의해 상기 나선형 블레이드(40)를 회전시키는 바, 상기 작동유체와 상기 나선형 블레이드(40)의 접촉 면적이 클수록 효율이 증가될 수 있다. 여기서는, 상기 작동유체가 상기 나선형 블레이드(40)의 모든 날개면을 따라 연속적으로 통과하기 때문에, 접촉 면적이 최대화될 수 있으므로 효율이 보다 향상될 수 있다. 또한, 상기 작동유체가 통과하는 유로가 나선형 유로로 형성됨으로써, 유로의 길이가 최대화되어 효율이 보다 향상될 수 있다.
또한, 상기 유입구(21)와 상기 토출구(22)가 각각 2개씩 형성됨으로써, 상기 작동유체의 출입시 발생되는 래디얼 방향 힘이 상쇄되어 보다 안정적인 회전이 이루어질 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 팽창기를 나타낸 사시도이다. 도 4는 도 3의 B방향에서 본 팽창기의 측면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 팽창기(110)는, 하우징(120), 회전축(130), 나선형 블레이드(140)를 포함하고, 상기 나선형 블레이드(140)는 상기 회전축(130)의 축방향을 따라 복수개가 직렬로 구비된 것이 상기 일 실시예와 상이하다.
상기 하우징(120)은, 원통 형상으로 이루어지고, 양단면에는 상기 회전축(130)이 관통하는 관통홀이 형성된다. 상기 하우징(120)에는 작동유체가 유입되는 유입구(121)와, 상기 작동유체가 토출되는 토출구(122)가 형성된다.
상기 유입구(121)는, 상기 하우징(120)의 외주면에서 길이방향에서 중심부에 형성된다. 상기 유입구(121)는 상기 하우징(120)의 외주면에서 원주방향을 따라 서로 소정각도 이격된 위치에 복수개가 형성될 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 유입구(121)는 서로 180도 간격으로 이격된 위치에 2개의 제1,2유입구(121a)(121b)가 형성된 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 유입구(121)가 동일 원주상에 2개가 형성되면, 상기 유입구(121)가 1개일 때 상기 작동유체의 유입시 발생되는 래디얼 방향 힘이 상쇄될 수 있다. 또한, 상기 유입구(121)는 상기 하우징(120)의 외주면에 접선 방향으로 형성된다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 유입구(121)의 개수는 후술하는 토출구(122)의 개수에 대응되게 형성되는 것도 물론 가능하다.
상기 토출구(122)는, 상기 하우징(120)의 외주면에서 상기 하우징(120)의 양단부를 향한 측에 형성된다. 즉, 상기 토출구(122)는 상기 유입구(121)를 기준으로 양측으로 소정간격 이격된 위치에 형성된다. 본 실시예에서는, 상기 토출구(122)는, 상기 하우징(120)의 외주면에서 상기 하우징(120)의 일단부를 향한 방향으로 상기 제1,2유입구(121a)(121b)와 소정간격 이격된 위치에 형성된 2개의 제1,2토출구(122a)(122b)와, 상기 하우징(120)의 타단부를 향한 방향으로 상기 제1,2유입구(121a)(121b)와 소정간격 이격된 위치에 형성된 2개의 제3,4토출구(122c)(122d)를 포함한다. 상기 토출구(122)가 동일 원주상에 각각 2개씩 형성되면, 상기 토출구(122)가 1개일 때 상기 작동유체의 토출시 발생되는 래디얼 방향 힘이 상쇄될 수 있다. 또한, 상기 토출구(122)는 상기 하우징(120)의 외주면에 접선 방향으로 형성된다.
상기 회전축(130)은 상기 하우징(120)을 관통하도록 결합되고, 모터(미도시)나 발전기(미도시) 등과 연결된다. 상기 하우징(120)과 상기 회전축(130)의 양단 사이에는 각각 베어링(132)이 구비된다. 또한, 상기 하우징(120)과 상기 회전축(130)사이에는 상기 작동유체의 누설을 방지하기 위한 실링 부재(133)가 구비될 수 있다.
상기 나선형 블레이드(140)는, 상기 회전축(130)의 축방향을 따라 상기 회전축(130)에 나선형으로 복수회 감아지도록 형성된다. 상기 나선형 블레이드(140)는, 상기 회전축(130)에 복수의 디스크들이 결합된 형상과 유사하나, 상기 나선형 블레이드(140)는 단 하나의 날 개가 상기 회전축(130)에 나선형으로 감아진 형상으로 이루어짐으로써, 상기 유입구(121)로 유입된 작동유체가 모든 날개면을 한번에 연속적으로 통과한 후 상기 토출구(122)로 토출되도록 안내하는 나선형 유로를 형성할 수 있다. 상기 나선형 블레이드(140)가 상기 회전축(130)에 감아지는 횟수나, 상기 나선형 블레이드(140)의 각 날개들 사이의 간격은 회전력이나 상기 작동유체의 점성 등을 고려하여 미리 설정될 수 있다.
상기 나선형 블레이드(140)는, 상기 회전축(130)의 축방향을 따라 복수개가 직렬로 구비된다. 본 실시예에서는, 상기 나선형 블레이드(140)는 2개의 제1,2나선형 블레이드(141)(142)로 이루어진 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 제1,2나선형 블레이드(141)(142)는, 상기 유입구(121)를 기준으로 상기 유입구(121)의 양측에 각각 구비되고, 상기 회전축(130)에 서로 반대 방향으로 감기도록 형성된다.
상기 제1나선형 블레이드(141)는, 상기 유입구(121)를 기준으로 상기 제1,2토출구(122a)(122b)를 향한 측에 구비되고, 상기 회전축(130)에 제1회전방향으로 나선형으로 복수회 감기도록 형성되어, 상기 제1,2유입구(121a)(121b)로 유입된 작동유체를 상기 제1,2토출구(122a)(122b)로 안내하도록 제1나선형 유로를 형성한다.
상기 제2나선형 블레이드(142)는, 상기 유입구(121)를 기준으로 상기 제3,4토출구(122c)(122d)를 향한 측에 구비되고, 상기 회전축(130)에 상기 제1회전방향과 반대방향인 제2회전방향으로 나선형으로 복수회 감기도록 형성되어, 상기 제1,2유입구(121a)(121b)로 유입된 작동유체를 상기 제3,4토출구(122c)(122d)로 안내하도록 제2나선형 유로를 형성한다.
상기 제1나선형 블레이드(141)와 상기 제2나선형 블레이드(142)는 서로 반대방향으로 상기 작동유체를 토출함으로써, 상기 작동유체의 토출시 발생할 수 있는 축력이 상쇄되어 축력이 최소화될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 다른 실시예에 따른 팽창기의 작동을 설명하면, 다음과 같다.
먼저, 상기 작동유체가 상기 제1,2유입구(121a)(121b)를 통해 상기 하우징(120)의 내부로 유입되면, 유입된 작동유체 중 일부는 상기 제1나선형 블레이드(141)를 통과하고, 나머지는 상기 제2나선형 블레이드(142)를 통과한다.
상기 제1나선형 블레이드(141)측으로 유입된 작동유체는 상기 제1나선형 블레이드(141)의 모든 날개면을 따라 연속적으로 통과한 후, 상기 제1,2토출구(122a)(122b)로 토출된다. 상기 제1나선형 블레이드(141)측으로 유입된 작동유체는 상기 제1나선형 블레이드(141)의 모든 날개면을 따라 유동하기 때문에, 접촉 면적이 최대화될 수 있다. 또한, 상기 작동유체가 통과하는 유로가 나선형 유로로 형성됨으로써, 유로의 길이가 최대화되어 효율이 보다 향상될 수 있다.
또한, 상기 제2나선형 블레이드(141)측으로 유입된 작동유체는 상기 제2나선형 블레이드(142)의 모든 날개면을 따라 연속적으로 통과한 후, 상기 제3,4토출구(122c)(122d)로 토출된다. 상기 제1나선형 블레이드(142)측으로 유입된 작동유체는 상기 제1나선형 블레이드(142)의 모든 날개면을 따라 유동하기 때문에, 접촉 면적이 최대화될 수 있다. 또한, 상기 작동유체가 통과하는 유로가 나선형 유로로 형성됨으로써, 유로의 길이가 최대화되어 효율이 보다 향상될 수 있다.
또한, 상기 유입구(121)와 상기 토출구(122)가 각각 동일 원주상에서 대칭을 이루도록 2개씩 형성됨으로써, 상기 작동유체의 출입시 발생되는 래디얼 방향 힘이 상쇄되어 보다 안정적인 회전이 이루어질 수 있다.
또한, 2개의 상기 제1,2나선형 블레이드(141)(142)가 서로 반대방향으로 감겨져 있기 때문에, 서로 반대방향으로 상기 작동유체를 토출함으로써, 상기 작동유체의 토출시 발생할 수 있는 축력이 상쇄되어 축력이 최소화될 수 있다.
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.
10,110: 팽창기 20,120: 하우징
30,130: 회전축 40,140: 나선형 블레이드

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  12. 원통형상의 하우징과;
    상기 하우징의 외주면에서 원주방향을 따라 서로 소정각도로 이격된 위치에 형성되어 작동유체가 상기 외주면의 접선방향으로 유입되는 제1,2유입구와;
    상기 하우징의 외주면에서 상기 하우징의 일단부를 향한 방향으로 상기 제1,2유입구와 소정간격 이격된 위치에 형성되어, 상기 작동유체가 상기 외주면의 접선 방향으로 토출되는 제1,2토출구와;
    상기 하우징의 외주면에서 상기 하우징의 타단부를 향한 방향으로 상기 제1,2유입구와 소정간격 이격된 위치에 형성되어, 상기 작동유체가 상기 외주면의 접선 방향으로 토출되는 제3,4토출구와;
    상기 하우징을 관통하도록 결합된 회전축과;
    상기 하우징의 내부에서 상기 제1,2유입구를 기준으로 상기 제1,2토출구를 향한 측에 구비되고, 상기 회전축에 제1회전방향으로 나선형으로 복수회 감기도록 형성되어, 상기 제1,2유입구로 유입된 작동유체를 상기 제1,2토출구로 안내하도록 제1나선형 유로를 형성하는 제1나선형 블레이드와;
    상기 하우징의 내부에서 상기 제1,2유입구를 기준으로 상기 제3,4토출구를 향한 측에 구비되고, 상기 회전축에 상기 제1회전방향과 반대방향인 제2회전방향으로 나선형으로 복수회 감기도록 형성되어, 상기 제1,2유입구로 유입된 작동유체를 상기 제3,4토출구로 안내하도록 제2나선형 유로를 형성하는 제2나선형 블레이드를 포함하는 나선-디스크형 유체기계.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 나선-디스크형 유체기계는 팽창기로 이용되는 나선-디스크형 유체기계.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN201696100U (zh) 2009-12-25 2011-01-05 杨峰森 船舶轴流推进器

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