KR102122152B1 - 베인 및 로터의 조립체가 개선된 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일측에는 작동 유체의 유입을 위한 유체유입공이 형성되어 있고 타측에는 상기 작동 유체의 토출을 위한 토출구가 형성되어 있는 바디; 상기 바디의 내부공간에 배치되고 둘레를 따라 정해진 간격으로 복수개의 제1 베인 가이드홈들이 방사상으로 형성된 로터; 상기 로터의 중심에 고정된 회전축; 상기 복수개의 제1 베인 가이드홈들에 일대일 대응하고 상기 제1 베인 가이드홈에 대해 출입하도록 슬라이딩 가능하게 끼워진 복수개의 베인; 및 상기 바디의 개방 부분을 캡핑하고 상기 회전축이 끼워지는 축공과 안쪽면에 형성되어 상기 베인을 가이드하는 원형의 제2 베인 가이드홈을 구비한 덮개;를 포함하고, 상기 축공은 상기 제2 베인 가이드홈의 중심으로부터 벗어난 위치에 형성되고, 상기 유체유입공을 통한 작동 유체의 공급 시, 상기 로터가 회전함과 아울러 상기 복수개의 베인이 각각 상기 제1 베인 가이드홈을 따라 전,후진 슬라이딩하여 상기 로터의 외주면 바깥쪽으로 반복적으로 돌출되고, 상기 베인의 상하방향 적어도 일단에는 상기 제2 베인 가이드홈에 끼워지는 베인암이 마련되고, 상기 로터에는 상기 베인암이 끼워질 수 있는 가이드장공이 방사상으로 형성되어 있고, 상기 베인암이 상기 가이드장공에 끼워져서 상기 베인이 상기 로터에서 이탈하는 것이 방지되는 것을 특징으로 하는 베인 및 로터의 조립체가 개선된 터빈을 개시한다.

Description

베인 및 로터의 조립체가 개선된 터빈{TURBINE IMPROVED IN ASSEMBLY OF VANE AND ROTOR}

본 발명은 베인 및 로터의 조립체가 개선된 터빈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유체의 압력에 의해 로터가 회전하여 회전력을 발생시키는 구조를 가진 베인 및 로터의 조립체가 개선된 터빈에 관한 것이다.

터빈은 물이나 오일, 가스, 증기 등과 같은 작동유체의 압력을 회전운동으로 변환하여 각종 기계적 일을 수행하도록 하는 장치로서, 발전기를 비롯하여 자동차의 내부 동력전환수단이나 엔진 등에 매우 유용하게 사용된다.

이러한 터빈으로는 현재 다양한 구조가 알려져 있는데, 대부분의 터빈에는 프로펠러(propeller)에 의해 유체의 압력이 회전운동으로 전환되도록 하는 구성이 널리 사용되고 있다. 그러나, 이 방식은 보통 프로펠러의 날개가 회전함에 따라 형성되는 회전면에 대하여 수직으로 유체의 유입 및 배출이 이루어지는 방식으로 동작이 되므로 회전면의 면적과 유체의 유입면적이 일치하지 않을 경우 그 효율이 현저히 떨어지는 문제가 있으며, 프로펠러를 지지하는 수단에 의해 유체의 흐름이 방해받게 되는 취약점이 있다.

대안으로, 프로펠러 회전면의 원주에 대한 접선방향으로 작동유체를 가하여 날개를 회전시키는 기술도 사용되고 있으나, 이 방식의 경우 공급되는 유체에 의한 저항으로 인해 프로펠러의 회전이 오히려 방해받는 현상이 발생할 수 있으므로 유체 유입구와 토출구에 대한 매우 정확한 설계가 요구되고, 유체의 유입 및 배출이 신속히 이루어지지 않아 회전효율이 낮은 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 창안된 것으로서, 베인의 이동에 의해 유체가 이동하여 회전력을 발생시키고 베인을 가이드하기 위한 구조가 개선되어 장치의 간소화가 가능하고 회전 효율성이 향상된 베인 및 로터의 조립체가 개선된 터빈을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 일측에는 작동 유체의 유입을 위한 유체유입공이 형성되어 있고 타측에는 상기 작동 유체의 토출을 위한 토출구가 형성되어 있는 바디; 상기 바디의 내부공간에 배치되고 둘레를 따라 정해진 간격으로 복수개의 제1 베인 가이드홈들이 방사상으로 형성된 로터; 상기 로터의 중심에 고정된 회전축; 상기 복수개의 제1 베인 가이드홈들에 일대일 대응하고 상기 제1 베인 가이드홈에 대해 출입하도록 슬라이딩 가능하게 끼워진 복수개의 베인; 및 상기 바디의 개방 부분을 캡핑하고 상기 회전축이 끼워지는 축공과 안쪽면에 형성되어 상기 베인을 가이드하는 원형의 제2 베인 가이드홈을 구비한 덮개;를 포함하고, 상기 축공은 상기 제2 베인 가이드홈의 중심으로부터 벗어난 위치에 형성되고, 상기 유체유입공을 통한 작동 유체의 공급 시, 상기 로터가 회전함과 아울러 상기 복수개의 베인이 각각 상기 제1 베인 가이드홈을 따라 전,후진 슬라이딩하여 상기 로터의 외주면 바깥쪽으로 반복적으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 베인 및 로터의 조립체가 개선된 터빈을 제공한다.

상기 베인의 상하방향 적어도 일단에는 상기 제2 베인 가이드홈에 끼워지는 베인암이 마련될 수 있다.

상기 로터에는 상기 베인암이 끼워질 수 있는 가이드장공이 방사상으로 형성되어 있고, 상기 베인암이 상기 가이드장공에 끼워져서 상기 베인이 상기 로터에서 이탈하는 것이 방지될 수 있다.

상기 베인이 조립된 상태에서 상기 베인에 인접하고 상기 제1 베인 가이드홈과 연통되는 유체수용공간이 상기 로터에 마련되는 것이 바람직하다.

상기 유체유입공은 상기 바디의 일측에 원주 방향으로 정해진 길이만큼 호

형태로 형성된 장공인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 베인 및 로터의 조립체가 개선된 터빈은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 베인 및 베인암과 베인 가이드홈, 유체수용공간 등의 상호 작용에 의해 유체 압력 밸런스가 조절되므로, 스프링과 같은 탄성부재 없이도 베인을 로터에서 용이하게 왕복 이동시킬 수 있으므로 부품수를 줄일 수 있다.

둘째, 베인이 로터 내에 구속되어 로터의 외부로 이탈되지 않으므로 고속에서도 안정적인 회전이 이루어질 수 있다.

셋째, 유체압 발생 시 저속에도 유체의 누수가 적고 압력발생에 대하여 토크변동이 적으므로 정속 회전이 용이하다.

넷째, 경박단소형으로 제작될 수 있으므로 제작비가 적고 휴대와 이동이 편리하다.

다섯째, 유체를 에너지원으로 하는 각종 발전장치에 적용되어 대체 에너지원으로 사용될 수 있으며, 자동차나 선박 등과 같이 대마력의 동력이 요구되는 장치의 엔진이나 유압장치, 동력전환수단 등에 매우 유용하게 적용될 수 있다. 또한, 태양열, 소각, 폐열 등을 이용하는 증기터빈 등의 장치에 응용될 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 베인 및 로터의 조립체가 개선된터빈의 구성을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 평면도이다.
도 3은 도 1의 분해 사시도이다.
도 4는 도 3에서 로터의 배치 구조를 도시한 내부 사시도이다.
도 5는 도 1에서 덮개의 안쪽 구성을 도시한 사시도이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 베인 및 로터의 조립체가 개선된 터빈의 구성을 도시하는 사시도, 도 2는 도 1의 평면도, 도 3은 도 1의 분해 사시도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 베인 및 로터의 조립체가 개선된 터빈은 링형 바디(1)와, 바디(1)의 내부에 배치되고 중심에는 회전축(4)이 고정된 로터(5)와, 로터(5)의 둘레를 따라 정해진 간격을 두고 방사상으로 조립된 복수개의 베인(8)과, 바디(1)의 상면 및 하면 개방 부분을 캡핑하는 덮개(3)를 포함한다.

바디(1)는 일측에 작동 유체의 유입을 위한 유체유입공(2)이 형성되어 있고 타측에는 상기 작동 유체의 토출을 위한 토출구(11)가 형성되어 있는 링형 프레임으로 구성된다. 유체유입공(2)은 바디(1)의 일측에 원주 방향으로 정해진 길이만큼 호 형태로 형성된 장공으로 이루어진다.

토출구(11)는 유체유입공(2)의 반대편 바디(1)에 소정 형상으로 형성되어 있다. 유체가 가스인 경우 미리 소정량의 가스를 바디(1)의 외부로 배기하여 토출 압력을 조절하기 위한 별도의 벤트 홀이 추가로 구비될 수 있다.

로터(5)는 바디(1)의 내부공간에 회전 가능하게 배치된다. 로터(5)는 그 중심이 바디(1)의 중심에 대하여 한쪽으로 편심되게 배치된다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이 로터(5)의 한쪽(A, 이하 '접점부'라고 함)은 바디(1)의 한쪽 내벽에 실질적으로 접촉 또는 인접하게 배치되고, 로터(5)의 다른쪽(B)은 바디(1)의 내벽으로부터 이격되어 유체가 채워질 수 있는 공간이 형성된다.

회전축(4)은 로터(5)의 중심에 고정되고 바디(1)에 결합된 덮개(3)를 관통하여 바깥으로 노출된다.

로터(5)에는 둘레를 따라 정해진 간격으로 복수개의 제1 베인 가이드홈(6)들이 형성되어 있다. 각각의 제1 베인 가이드홈(6)에는 베인(8)이 끼워져서 방사상으로 배치된다. 제1 베인 가이드홈(6)은 베인(8)이 로터(5)의 반경 방향으로 전,후 슬라이딩하는 이동을 가이드할 수 있는 크기로 형성된다.

복수개의 베인(8)은 로터(5)에 형성된 복수개의 제1 베인 가이드홈(6)들에 일대일 대응하고 제1 베인 가이드홈(6)에 끼워져서 전,후 슬라이딩 가능하게 로터(5)에 조립된다. 베인(8)은 실질적으로 평판 형태로 구성되고 폭방향 양단 끝부분은 라운드지게 형성된다. 베인(8)의 상하 양단에는 제2 베인 가이드홈(10)에 끼워질 수 있는 원기둥(또는 타원기둥) 형상의 베인암(9)이 돌출 형성되어 있다. 베인(8)은 제1 베인 가이드홈(6)을 따라 전,후진 슬라이딩하여 반복적으로 로터(5)의 외주면 바깥으로 돌출되어 실질적으로 피스톤 작용을 하게 된다.

도 4에 나타난 바와 같이 로터(5)에는, 베인(8)이 조립된 상태에서 베인(8)에 인접하는 동시에 제1 베인 가이드홈(6)과 연통되는 유체수용공간(6a)이 마련되어 있다. 로터(5)가 시계방향으로 회전하도록 설정되는 경우 유체수용공간(6a)은 베인(8)의 오른편에 위치하는 것이 바람직하다. 즉, 복수개의 베인(8)들이 각각 제1 베인 가이드홈(6)에 조립된 상태에서 각각의 베인(8)의 오른편에는 유체수용공간(6a)이 존재한다. 터빈의 작동 시 유체수용공간(6a)에는 유체가 채워진다. 로터(5)의 시계방향 회전시 유체수용공간(6a)에 잔류하는 유체는 베인(8)보다 먼저 접점부(A)에 진입하여 압축되었다가 접점부(A)를 지난 후에는 다시 압력이 낮아짐으로써 압력의 균형을 맞춰주는 역할을 한다. 이러한 압력 밸런스 조절 작용에 의해, 베인(8)은 원활하게 제1 베인 가이드홈(6)에서 전,후 슬라이딩하여 피스톤 운동을 수행할 수 있다.

덮개(3)는 원반 형태로 구성되어 바디(1)의 상하 개방 부분을 캡핑한다. 덮개(3)에는 회전축(4)이 끼워지는 축공(3a)이 편심되게 형성되어 있다. 축공(3a)은 제2 베인 가이드홈(10)의 중심으로부터 벗어난 위치에 형성된다. 도 5에 도시된 바와 같이 덮개(3)의 안쪽면에는 베인(8)의 이동을 가이드하는 원형의 제2 베인 가이드홈(10)이 형성되어 있다. 제2 베인 가이드홈(10)에는 베인암(9)의 끝부분이 끼워져서 베인(8)의 이동시 베인암(9)이 제2 베인 가이드홈(10)을 따라 이동한다. 즉, 제2 베인 가이드홈(10)은 베인암(9)의 이동을 안내하는 작용을 한다. 제2 베인 가이드홈(10) 주변에는 단차가 형성되어 베인암(9)의 주변부를 가이드하는 것이 바람직하다.

로터(5)에는 베인암(9)이 끼워져서 관통될 수 있는 가이드장공(7)이 방사상으로 형성되어 있다. 베인암(9)은 로터(5)에 형성된 가이드장공(7)에 의해 구속되어 베인(8)이 로터(5)에서 이탈하는 것을 방지한다. 가이드장공(7)은 로터(5)의 상,하 평면부분에 방사상으로 형성되고 제1 베인 가이드홈(6)과 연통된다.

유체유입공(2)을 통한 작동 유체의 공급 시, 로터(5)가 회전하면서 복수개의 베인(8)이 각각 제1 베인 가이드홈(6)에 대하여 전,후진 슬라이딩하여 베인(8)이 반복적으로 로터(5)의 외주면 바깥으로 돌출되어 피스톤 운동을 함으로써 작동 유체와 상호작용을 한다.

또한, 로터(5)의 회전 시 베인(8)의 상,하단에 마련된 베인암(9)은 덮개(3)에 마련된 제2 베인 가이드홈(10)에 끼워져서 제2 베인 가이드홈(10)의 원형 경로를 따라 이동한다. 즉, 베인암(9)이 제2 베인 가이드홈(10)과의 접촉을 유지함으로써 로터(5)와 함께 회전하는 베인(8)의 이동이 가이드된다. 베인(8)이 전진 슬라이딩하여 로터(5)의 외주면 바깥으로 돌출되었을 때 베인암(9)은 가이드장공(7)에 의해 구속되므로 로터(5)의 외부로 베인(8)이 이탈되는 것이 방지된다.

부가적으로, 바디(1)의 내벽에는 별도의 가이드링이 추가로 설치되고 베인(8)의 끝부분은 상기 가이드링에 밀착된 상태로 회전될 수 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 베인 및 로터의 조립체가 개선된 터빈은 유체유입공(2)을 통해 작동 유체를 공급하면 복수개의 베인(8)들이 로터(5)에 대해 방사상으로 왕복 이동하면서 피스톤 운동을 하고 작동 유체로부터 베인(8)에 힘이 가해져서 로터(5)가 회전하면서 토출구(11)에서 작동 유체의 토출이 이루어진다.

로터(5)에는 각각의 베인(8)마다 압력 밸런스 조절을 위한 유체수용공간(6a)이 형성되어 있어 베인(8)이 원활하게 제1 베인 가이드홈(6)을 따라 출입하여 피스톤 운동이 이루어질 수 있다. 로터(5)의 시계방향 회전시 유체수용공간(6a)에 잔류하는 유체는 베인(8)보다 먼저 접점부(A)에 진입하여 압축되었다가 접점부(A)를 지나 다시 압력이 낮아지므로 베인(8)은 용이하게 제1 베인 가이드홈(6)을 따라 슬라이딩하며 반복적으로 로터(5)의 외주면 바깥쪽으로 돌출되어 작동 유체와 상호 작용을 할 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

1: 바디 2: 유체유입공
3: 덮개 3a: 축공
4: 회전축 5: 로터
6: 제1 베인 가이드홈 6a: 유체수용공간
7: 가이드장공 8: 베인
9: 베인암 10: 제2 베인 가이드홈
11: 토출구

Claims (5)

1. 일측에는 작동 유체의 유입을 위한 유체유입공이 형성되어 있고 타측에는 상기 작동 유체의 토출을 위한 토출구가 형성되어 있는 바디;
   상기 바디의 내부공간에 배치되고 둘레를 따라 정해진 간격으로 복수개의 제1 베인 가이드홈들이 방사상으로 형성된 로터;
   상기 로터의 중심에 고정된 회전축;
   상기 복수개의 제1 베인 가이드홈들에 일대일 대응하고 상기 제1 베인 가이드홈에 대해 출입하도록 슬라이딩 가능하게 끼워진 복수개의 베인; 및
   상기 바디의 개방 부분을 캡핑하고 상기 회전축이 끼워지는 축공과 안쪽면에 형성되어 상기 베인을 가이드하는 원형의 제2 베인 가이드홈을 구비한 덮개;를 포함하고,
   상기 축공은 상기 제2 베인 가이드홈의 중심으로부터 벗어난 위치에 형성되고,
   상기 유체유입공을 통한 작동 유체의 공급 시, 상기 로터가 회전함과 아울러 상기 복수개의 베인이 각각 상기 제1 베인 가이드홈을 따라 전,후진 슬라이딩하여 상기 로터의 외주면 바깥쪽으로 반복적으로 돌출되고,
   상기 베인의 상하방향 적어도 일단에는 상기 제2 베인 가이드홈에 끼워지는 베인암이 마련되고,
   상기 로터에는 상기 베인암이 끼워질 수 있는 가이드장공이 방사상으로 형성되어 있고,
   상기 베인암이 상기 가이드장공에 끼워져서 상기 베인이 상기 로터에서 이탈하는 것이 방지되는 것을 특징으로 하는 베인 및 로터의 조립체가 개선된 터빈.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 베인이 조립된 상태에서 상기 베인에 인접하고 상기 제1 베인 가이드홈과 연통되는 유체수용공간이 상기 로터에 형성된 것을 특징으로 하는 베인 및 로터의 조립체가 개선된 터빈.
5. 제1항에 있어서,
   상기 유체유입공은 상기 바디의 일측에 원주 방향으로 정해진 길이만큼 호 형태로 형성된 장공인 것을 특징으로 하는 베인 및 로터의 조립체가 개선된 터빈.

Images