KR101622537B1 - 구심디퓨저와 터빈을 지닌 동력발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체유동으로 피구동체(10)를 구동하기 위한 동력발생장치에 있어서: 상기 피구동체(10)와 연결되고, 유입관(31)과 배출관(32)을 지닌 본체(20); 상기 본체(20)의 내부에서 유입관(31)과 연통되는 유도관(41) 상으로 유체의 원심유동을 유발하는 원심노즐(43)과 구심유동을 유발하는 구심디퓨저(45)를 구비하는 고정체(40); 및 상기 본체(20)의 내부에 고정체(40)를 감싸며 피구동체(10)와 연결되는 회전통(51)을 수용하고, 회전통(51)에 동심으로 결합되는 원심터빈(53)을 고정체(40)에 대응시켜 회전력을 발생하는 회전체(50);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 원심터빈을 기반으로 구심디퓨저를 접목하여 발전기와 같은 피구동체의 동력원을 소형ㆍ경량ㆍ저가의 구조로 구현하는 동시에 고압 고효율 펌프로 활용범위를 확대하는 효과가 있다.

Description

구심디퓨저와 터빈을 지닌 동력발생장치{Power generating apparatus having centripetal diffuser and turbine}

본 발명은 동력발생장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 고속 고효율의 원심터빈을 기반으로 구심디퓨저를 접목하여 소형ㆍ경량ㆍ저가의 동력원을 구현하기 위한 구심디퓨저와 터빈을 지닌 동력발생장치에 관한 것이다.

동력발생장치의 터빈(turbine)은 물, 증기, 가스 등의 유체가 가지는 에너지를 유용한 기계적 일로 변환시키는 기계 요소이다. 비상용 발전기와 같은 동력원의 경우 높은 에너지밀도에 의한 소형 경량화 설계가 중요시 된다. 향후 무인로봇과 같은 장치의 개발에 있어서 마이크로 터빈이 주목받기도 한다.

이와 같은 터빈 방식의 동력발생장치 관련하여 하기의 선행기술문헌 항목에 기재된 선행특허들을 참조할 수 있다.

하기의 선행문헌 1은 유입 공기를 압축하기 위한 디스크를 갖는 압축기와, 압축된 공기를 수용하고 정적 공기 압력을 상승하도록 위치된 디퓨저와, 압축 공기와 연료를 연소시키도록 연소실을 포함하는 연소기와, 연소 공기를 수용하도록 복수개의 터빈 노즐 안내 베인과, 상기 베인으로부터 연소 공기를 수용하도록 위치한 터빈 등을 구비한다.

하기의 선행문헌 2는 유체를 분사하는 분사부; 상기 분사되는 유체에 의한 충동에 의해 회전하는 제1로터; 및 상기 제 1로터로부터 튕겨나온 유체의 반동에 의해 회전하는 제 2로터;를 포함한다. 이에 따라, 유체의 충동뿐만 아니라 유체의 반동으로 동력을 얻어 발전기의 효율을 높이고 유체를 고속으로 분사시켜 사용하여 친환경성을 높이는 효과를 기대한다.

하기의 선행문헌 3에 의하면 회전축과 일체로 축설되는 적어도 하나 이상의 제1회전블레이드; 상기 회전축과 일체로 일정 간격으로 복수개가 축설되는 제2회전블레이드; 상기 몸체의 상단 내부에 인입공이 형성됨과 아울러 하단에는 복수개의 고정블레이드;가 고정 설치된다. 이에 현장에 맞게 침수식, 충돌식, 반동식 중에서 선택 가능하고, 블레이드와 노즐의 각도 설계로 효율 극대화를 기대한다.

그러나, 상기한 선행문헌에 의하면 소형의 컴팩트한 구조를 고려한 설계요소를 반영하지 않으므로 동력원의 소형화에 의한 고출력ㆍ고효율의 특성을 유지하기에 한계성을 보인다.

1. 한국 등록특허공보 제0363356호 "가스 터빈 엔진 및 연소 발동기" (공개일자 : 2000. 4. 25.) 2. 한국 공개특허공보 제2013-0068784호 "발전기용 터빈" (공개일자 : 2013. 6. 26.) 3. 한국 등록특허공보 제1418345호 "축류형 다단 터빈의 구조" (공개일자 : 2014. 7. 10.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 원심터빈을 기반으로 구심디퓨저를 접목하여 발전기와 같은 피구동체의 동력원을 소형ㆍ경량ㆍ저가의 구조로 구현하기 위한 구심디퓨저와 터빈을 지닌 동력발생장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 피구동체 대신에 모터와 같은 구동체를 적용하여 고속 고효율 펌프로 활용하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유체유동으로 피구동체를 구동하기 위한 동력발생장치에 있어서: 상기 피구동체와 연결되고, 유입관과 배출관을 지닌 본체; 상기 본체의 내부에서 유입관과 연통되는 유도관 상으로 유체의 원심유동을 유발하는 원심노즐과 구심유동을 유발하는 구심디퓨저를 구비하는 고정체; 및 상기 본체의 내부에 고정체를 감싸며 피구동체와 연결되는 회전통을 수용하고, 회전통에 동심으로 결합되는 원심터빈을 고정체에 대응시켜 회전력을 발생하는 회전체(50);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 본체는 고정판을 중심으로 하부대와 상부대가 결합되고, 하부대 상에 유도관을 동심의 이중관 형태로 지지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 고정체는 유도관의 상단에 원심노즐을 동심으로 지니고, 원심노즐의 하측에 동심으로 이격된 구심디퓨저를 지니며, 원심노즐에 대항시킨 원심터빈으로 회전력을 발생하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 변형예로서, 상기 회전체는 구심디퓨저로 유동하는 유체의 유동경로에서 그에 인접된 상측으로 백터빈을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 변형예로서, 상기 회전체는 구심디퓨저로 유동하는 유체의 유동경로에서 그에 인접된 하측으로 백터빈을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 원심터빈을 기반으로 구심디퓨저를 접목하여 발전기와 같은 피구동체의 동력원을 소형ㆍ경량ㆍ저가의 구조로 구현하는 동시에 고압 고효율 펌프로 활용범위를 확대하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 외형을 나타내는 사시도
도 2는 본 발명에 따른 장치를 전체적으로 분해하여 나타내는 사시도
도 3은 본 발명에 따른 장치의 주요부 결합상태를 나타내는 사시도
도 4는 본 발명에 따른 장치의 주요부를 분리하여 나타내는 구성도
도 5는 본 발명에 따른 장치를 종단하여 부분 단면으로 나타내는 구성도
도 5은 본 발명에 따른 장치의 유체 유동을 나타내는 모식도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 유체유동으로 피구동체(10)를 구동하기 위한 동력발생장치에 관하여 제안한다. 피구동체(10)는 소형 발전기를 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 어느 경우에나 피구동체(10)는 구동력을 받기 위한 샤프트(11)를 구비한다.

한편, 본 발명에서 상하좌우의 방향은 이해의 편의를 위해 도 1의 상태를 기준으로 설명하지만 실제의 설치 상태는 다양하게 변화될 수 있다.

본 발명에 따르면 본체(20)가 상기 피구동체(10)와 연결되고, 유입관(31)과 배출관(32)을 지니는 구조이다. 도 1에서 본체(20)의 하측에 유입관(31)이 부착되어 유체가 수직의 축방향으로 유입되고, 측면에 배출관(32)이 부착되어 유체가 수평의 반경방향으로 배출되는 상태를 예시한다. 축방향은 피구동체(10)의 샤프트(11)와 동일한 방향을 의미한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 본체(20)는 고정판(24)을 중심으로 하부대(21)와 상부대(22)가 결합되고, 하부대(21) 상에 유도관(41)을 동심의 이중관 형태로 지지하는 것을 특징으로 한다. 고정판(24)은 중앙에 통공을 지닌 원판 형태이고, 하부대(21)는 상부가 개방된 원통 형태이고, 상부대(22)는 상하로 개방된 원통 형태이다. 하부대(21)의 저면 중앙에는 유입관(31)이 고정되고, 하부대(21)의 측면에는 배출관(32)이 고정된다.

한편, 고정판(24)에는 본체(20)의 수분을 배출하기 위한 드레인 포트를 형성할 수도 있다.

도 2를 참조하면 상부대(22)의 상면으로 고정링(26), 커버(36), 피구동체(10)가 상호 긴밀하게 결합된다. 구체적으로, 도 5와 같이 피구동체(10)의 플랜지가 측방향에서 고정링(26)에 지지되는 동시에 상방향에서 커버(36)로 실링 상태를 이룬다. 피구동체(10)의 샤프트(11)는 하단에서 구동판(15)과 결합되는 동시에 캡(17)으로 보호되고 실링된다.

이때, 하부대(21)와 유도관(41)이 동심의 이중관 형태를 이루는 것은 하부대(21)의 내부로 유체가 상승되는 유로가 형성되는 동시에 하부대(21)의 외부로 유체가 하강되는 유로가 형성됨을 의미한다.

또, 본 발명에 따르면 고정체(40)가 상기 본체(20)의 내부에서 유입관(31)과 연통되는 유도관(41) 상으로 유체의 원심유동을 유발하는 원심노즐(43)과 구심유동을 유발하는 구심디퓨저(45)를 구비하는 구조이다. 고정체(40)는 유도관(41), 원심노즐(43), 구심디퓨저(45)를 본체(20)의 내부에서 회전이 없는 고정된 상태로 구비하는 구조이다. 유도관(41)은 하부대(21)의 저면에서 상부대(22)의 중간에 이르는 높이로 연장되어 유체의 상방향 유동을 안내한다. 유도관(41)을 통과한 유체는 원심노즐(43)에서 원심방향으로 분사되고, 다시 구심디퓨저(45)에서 구심방향으로 모아진다. 도 4에서 원심노즐(43)과 구심디퓨저(45)의 베인들이 다소 다른 단면 형태로 형성됨을 예시한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 고정체(40)는 유도관(41)의 상단에 원심노즐(43)을 동심으로 지니고, 원심노즐(43)의 하측에 동심으로 이격된 구심디퓨저(45)를 지니며, 원심노즐(43)에 대항시킨 원심터빈(53)으로 회전력을 발생하는 것을 특징으로 한다. 도 2처럼 원심노즐(43)은 상하 동형으로 제작되어 결합된 구조이고, 유도관(41)의 상단에서 원심터빈(53)의 블레이드를 향하여 원심방향으로 유체를 분사한다. 이어서 유체는 하측으로 유동하여 구심디퓨저(45)에서 구심방향으로 모아지면서 유도관(41)의 외주면으로 유동한다.

또, 본 발명에 따르면 회전체(50)가 상기 본체(20)의 내부에 고정체(40)를 감싸며 피구동체(10)와 연결되는 회전통(51)을 수용하고, 회전통(51)에 동심으로 결합되는 원심터빈(53)을 고정체(40)에 대응시켜 회전력을 발생하는 구조이다. 회전체(50)는 회전통(51), 원심터빈(53) 등을 피구동체(10)의 샤프트(11)와 함께 회전되는 상태로 구비하는 구조이다. 원심터빈(53)은 회전통(51)의 상단에 볼트로 결합되는 동시에 중앙에서 구동판(15)과 결합되어 동일한 속도로 회전된다. 도 4 및 도 5처럼 원심노즐(43)과 원심터빈(53)은 동일한 높이에서 동심 상으로 배치되어 유체의 모멘텀 변화로 에너지 변환을 수행한다.

본 발명의 변형예로서, 상기 회전체(50)는 구심디퓨저(45)로 유동하는 유체의 유동경로에서 그에 인접된 상측으로 백터빈(55)을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 백터빈(55)은 원심노즐(43)과 구심디퓨저(45)의 사이에서 원심터빈(53)과 연동하도록 결합되고, 원심터빈(53)을 거친 유체가 구심디퓨저(45)로 유동하기 전에 회전력을 부가한다.

본 발명의 또 다른 변형예로서, 상기 회전체(50)는 구심디퓨저(45)로 유동하는 유체의 유동경로에서 그에 인접된 하측으로 백터빈(55)을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 백터빈(57)은 회전통(51)의 저면에 볼트로 결합되고 구심디퓨저(45)로 유입되는 유체에 의하여 회전력을 부가한다.

도 4에서 상측의 백터빈(55)과 하측의 백터빈(57)을 동일한 블레이드로 예시하지만 장치의 용도에 따라 단면 형태를 다르게 적용하는 것도 가능하다.

도 6을 참조하여 작동을 설명하면, 유입관(31)에 고속으로 유입되는 유체는 상측으로 축방향의 선행유동(F1)을 이루고, 원심노즐(43)에서 외측의 반경방향으로 원심유동(F2)을 이루고, 원심터빈(53)을 지나면서 회전통(51) 내에서 하측으로 축방향의 역행유동(F3)을 이루고, 구심디퓨저(45)에서 내측의 반경방향으로 구심유동(F4)을 이루고, 유입관(31)의 외주면에서 또 다시 역행유동(F3)을 이루고, 배출관(32)으로 반경유동(F5)을 이루면서 경로를 형성한다. 이에 회전체(50)의 회전에 샤프트(11)가 연동하면서 피구동체(10)는 발전을 수행한다.

본 발명의 다른 측면에서, 피구동체(10)는 발전기가 아닌 모터를 적용할 수도 있다. 이 경우 본 발명의 장치는 마치 오일러터빈에 제트펌프를 결합한 방식으로 펌핑 작동을 수행하며, 양정은 원심터빈(53)의 원주속도 제곱에 비례하는 것으로 나타난다. 저기압의 진공 상태에서 원심터빈(53)이 회전하기 때문에 마찰손실을 제거함으로써 효율이 향상된다. 소형의 구조를 적용하더라도 고속회전으로 인하여 성능(유량, 수도)이 확보되고, 고압의 유체를 용이하게 얻을 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 피구동체 11: 샤프트
15: 구동판 20: 본체
21: 하부대 22: 상부대
24: 고정판 26: 고정링
31: 유입관 32: 배출관
36: 커버 40: 고정체
41: 유도관 43: 원심노즐
45: 구심디퓨저 50: 회전체
51: 회전통 53: 원심터빈
55, 57: 백터빈

Claims (5)

1. 유체유동으로 피구동체(10)를 구동하기 위한 동력발생장치에 있어서:
   상기 피구동체(10)와 연결되고, 유입관(31)과 배출관(32)을 지닌 본체(20);
   상기 본체(20)의 내부에서 유입관(31)과 연통되는 유도관(41) 상으로 유체의 원심유동을 유발하는 원심노즐(43)과 구심유동을 유발하는 구심디퓨저(45)를 구비하는 고정체(40); 및
   상기 본체(20)의 내부에 고정체(40)를 감싸며 피구동체(10)와 연결되는 회전통(51)을 수용하고, 회전통(51)에 동심으로 결합되는 원심터빈(53)을 고정체(40)에 대응시켜 회전력을 발생하는 회전체(50);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 구심디퓨저와 터빈을 지닌 동력발생장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 본체(20)는 고정판(24)을 중심으로 하부대(21)와 상부대(22)가 결합되고, 하부대(21) 상에 유도관(41)을 동심의 이중관 형태로 지지하는 것을 특징으로 하는 구심디퓨저와 터빈을 지닌 동력발생장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 고정체(40)는 유도관(41)의 상단에 원심노즐(43)을 동심으로 지니고, 원심노즐(43)의 하측에 동심으로 이격된 구심디퓨저(45)를 지니며, 원심노즐(43)에 대항시킨 원심터빈(53)으로 회전력을 발생하는 것을 특징으로 하는 구심디퓨저와 터빈을 지닌 동력발생장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 회전체(50)는 구심디퓨저(45)로 유동하는 유체의 유동경로에서 그에 인접된 상측으로 백터빈(55)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 구심디퓨저와 터빈을 지닌 동력발생장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 회전체(50)는 구심디퓨저(45)로 유동하는 유체의 유동경로에서 그에 인접된 하측으로 백터빈(57)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 구심디퓨저와 터빈을 지닌 동력발생장치.

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