KR102299058B1

KR102299058B1 - 터빈

Info

Publication number: KR102299058B1
Application number: KR1020200114679A
Authority: KR
Inventors: 황금택
Original assignee: 황금택
Priority date: 2020-09-08
Filing date: 2020-09-08
Publication date: 2021-09-06

Abstract

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 유체의 압력을 운동에너지로 전환하는 터빈에 있어서, 내부에 형성되는 중공부와 유체가 유입되기 위한 유입구(110) 및 유입된 유체를 배출하기 위한 배출구(120)와 중심에 설치되는 축(130)을 포함하는 원통형의 본체(100)와; 상기 축(130)에 체결되며, 둘레에 다수의 날개(210)들이 설치되는 회전자(200); 를 포함하며; 상기 회전자(200)는 원주방향 중앙에 중앙분리대(220)가 형성되고, 상기 중앙분리대(220)의 양 측에 상기 날개(210)가 힌지(211)를 통해 설치되고; 상기 각 날개(210)들 사이에 챔버(222)가 형성되며; 상기 날개(210)들은 상기 힌지(211)에 의해 접히고 펴지는 것을 특징으로 하는 터빈을 제공한다.

Description

터빈{A TURBINE}

본 발명은 터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터빈에 내부에 가해지는 압력을 효율적으로 이용하기 위한 터빈에 관한 것이다.

본 발명은 압력식 터빈에 관한 것으로 더욱 상세하게는 압력식 터빈의 유압실을 기점으로 유압실에서 개폐식회전자가 외부에서 유입되어오는 유체의 압력을 받아 회전되고 유압실 쪽으로 날개를 접고 회전되어오는 측은 유압이 누출되거나 작용하지 못하도록 슬립제어구가 장치되고 유압실로부터 유압을 받아 회전되어가는 개폐식회전자는 경첩과 스프링에 의하여 날개를 펴게되고 상기 날개로 유체와 유압을 받아 상기 유압 슬립제어체와 함께 유압과 유체의 누출이 없게 작동되어 강력한 회전력을 갖춘 압력식 터빈으로써 수자원이나 화력이 부족한 발전소에서도 터빈의 회전력을 증강시켜 충분한 전력을 생산할 수 있도록 하는 압력식 터빈에 관한 것이다.

일반적으로 수력발전 터빈은 크게는 터빈 내에 다수의 스크류가 장착된 형식의 프란시스 터빈과 가속된 용수로 충격시켜 터빈을 회전되게 하는 펠튼식 터빈과, 원자력이나 석탄을 이용한 화력터빈으로 나뉘어진다.

이러한 터빈 중 수력의 축류형 프란시스 터빈은 전체적으로 원통형상인 본체의 상단 일측면에 유입구를 구비하고 상기 본체의 하단부 일측면에 유출구가 형성되고 원통형상의 본체내측 가변에는 곡형된 패널들이 일측으로 착부되고 내축에는 원통을 중심으로 하는 축을 중심으로, 회전하는 측에는 스크류,가 장착된 축류형의 수차가 형성되어 있다. 그리하여 원통형상인 본체의 상단 유입구에 댐으로부터 파이프를 통하여 용수가 유입되면 수차에 형성된 원통 본체 내 가변측에 구성된 패널 및 스크류의 사이를 통과하며 그 반동으로 수차를 회전케 하고 유체가 바로 방출되게 되는 많은 량의 용수가 이용되는 구성으로 되고 또 다른 펠튼수력터빈은 원통형상의 본체 일측면에 용수 유입구를 구비하고 본체의 하단부에 배출구를 형성하며 본체 내측, 원통을 중심으로 회전되는 수차의 축을 중심으로 두레박 형상에 홈이 길게 형성된 다수의 이형패널이 일측에 원형으로 고착된 수차가 형성되어 있다. 그리하여 용수의 낙차가 크고 댐으로부터 파이프를 통하여 용수가 본체에 도달,되고 터빈의 내측의 주요부분에서 관경을 줄여 노즐화 하여 용수의 유속을 증가시켜 수차의 이형패널을 충격시켜 터빈을 회전되게 구성된 것이다.

또 다른 증기터빈은 다수의 블레이드를 구성한 회전자가 원통에 장착되고 그 일측에서 고압의 증기가 블레이드의 사이사이로 통과되며 그 반동으로 회전되게 되어있다. 이 역시 유압은 이용하지 못하고 증기의 유속에 의존하게 된 구성이기에 효율이 낮았다.

이하 관련된 선행문헌들을 소개한다. 하기 선행문헌에서의 식별부호는 본원발명과는 무관하다.

대한민국 등록특허 제10-0916354호 ‘터빈날개 및 이를 이용한 터빈’은 별도의 장치를 부가하지 않고 터빈날개에서 발생되는 유동의 박리를 억제하거나 제거할 수 있고, 전단에서의 유동의 급격한 변화를 최소화할 수 있도록, 유체의 유입방향에 대해 전단에 형성되는 유입홀과, 측면에 형성되어 상기 유입홀과 연통되는 유출홀을 포함하는 터빈날개와 이를 이용한 터빈을 제공한다.

대한민국 공개특허 제10-2012-0077523호 ‘수직축 풍ㆍ수력 터빈날개 구조’는 수직축 풍ㆍ수력 터빈날개 구조가 개시된다. 본 발명은 수직축 풍ㆍ수력 터빈날개 구조에 있어서 풍ㆍ수력에 의해 회전하는 회전축; 상기 회전축의 하부 일단에 상부면이 결합된 지지판; 상기 회전축에 일단이 결합되고, 타단은 상기 지지판이 동일하게 분배되도록 상기 지지판의 원주방향으로 형성된 하나 이상의 지지암; 및 상기 회전축에서 원주방향으로 형성된 상기 지지암에 결합되는 하나 이상의 터빈날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍ㆍ수력 터빈날개 구조를 제공한다.

그러나, 상기 선행문헌들은 터빈 내에 가해지는 압력을 효율적으로 이용하는 기술을 제공하지는 않았다.

대한민국 등록특허 제10-0916354호 공고일자 ‘터빈날개 및 이를 이용한 터빈’2009년09월11일 대한민국 공개특허 제10-2012-0077523호 ‘수직축 풍ㆍ수력 터빈날개 구조’공개일자 2012년07월10일

종래의 터빈들은 화력에 의한 증기나, 대형댐이나, 소규모 댐의 저장된 담수를 사용하여 전기를 생산하고 있다. 이러한 터빈들은 저장되었던 용수만을 일회성으로 사용하기 때문에 용수의 낭비가 심하고 가뭄 등의 재해나 근본적으로 수량이 부족한 곳과 낙차가 낮은 곳에서는 발전을 하는 데에 많은 지장을 받고 또한, 화력 증기터빈은 열에너지의 고에너지 손실이 큰 문제점이 있다. 따라서, 모든 터빈은 기본적으로 유압실의 압력이 높아야 회전력이 높아지는데 비하여 종래 터빈들은 주로 압력을 제대로 이용하지 못하고 많은 유량과, 유속만으로 터빈을 회전시키므로 에너지의 손실이 큰 문제점이 있다.

즉, 전기를 생산하는 발전터빈에 공급되는 발전용 용수 및 화력에 의하여 발생되는 기체는 유체의 유압과 유속의 직선운동에 의한 반동만으로 터빈을 회전시키므로 유체의 압력의 이용효율이 낮아 압력으로 인한 역학에너지의 손실이 클 뿐만 아니라 유체에 의한 터빈의 회전력도 저하되게 된다. 이로 인하여 전력을 생산하는 데에 효율이 낮아지게 된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기와 같은 손실을 줄이고 전기생산의 효율을 높이기 위하여 상기의 압력식 터빈을 제공하는 데에 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명의 압력식 터빈은 유입구로 유입되어오는 유체와 유압을 상기 본체의 슬립제어체와 개폐식회전자에 의해 압력 누출과 저항이 없게 되어 상기 압력식 터빈의 유입구로 유입되는 유압을 터빈의 회전력으로 완전하게 이용되는 압력식 터빈으로서 소량, 대량 및 저압, 고압의 물을 이용하는 수력발전소와 화력을 이용하여 고압의 증기를 발생시켜 그 증기를 이용하는 화력발전소 등 상기와 같은 모든 발전소에 적용될 수 있어 본 압력식 터빈은 터빈을 제작하는데 있어 구조가 간단하여 제작비용이 낮고 이용성이 높으며 효율이 높아 많은 전력을 생산할 수 있어 경제적이다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도1은 본 발명의 터빈의 사시도이다.
도2는 본 발명의 터빈에 삽입설치되는 회전자의 사시도이다.
도3은 회전자에 설치되는 날개의 요부발췌사시도이다.
도4는 회전자에 설치되는 날개가 접힌 상태를 도시하는 요부발췌사시도이다.
도5는 원통체의 측벽을 제거항 상태를 도시한 요부발췌 사시도이다.
도6은 가이드블록을 확대 도시한 요부발췌 사시도이다.
도7은 가이드블록에 의해 날개가 접히는 상태를 설명하는 설명도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 터빈의 사시도이고, 도2는 본 발명의 터빈에 삽입설치되는 회전자의 사시도이다. 본 발명은 유체의 압력을 운동에너지로 전환하는 터빈에 있어서,

내부에 형성되는 중공부와 유체가 유입되기 위한 유입구(110) 및 유입된 유체를 배출하기 위한 배출구(120)와 중심에 설치되는 축(130)을 포함하는 원통형의 본체(100)와;

상기 축(130)에 체결되며, 둘레에 다수의 날개(210)들이 설치되는 회전자(200);

를 포함하며;

상기 회전자(200)는 원주방향 중앙에 중앙분리대(220)가 형성되고, 상기 중앙분리대(220)의 양 측에 상기 날개(210)가 힌지(211)를 통해 설치되고;

상기 각 날개(210)들 사이에 챔버(222)가 형성되며;

상기 날개(210)들은 상기 힌지(211)에 의해 접히고 펴지는 것을 특징으로 하는 터빈을 제공한다.

상기 원통형 본체(100)의 유입구(110)로 유체(액체, 고압의 기체 등)가 흘러 들어오면, 상기 회전자(200) 중앙분리대(220) 양 측에 설치된 다수의 날개(210)들에 의해 형성된 챔버(222)에 유체가 들어가게 된다.

도3은 회전자에 설치되는 날개의 요부발췌사시도이고, 도4는 회전자에 설치되는 날개가 접힌 상태를 도시하는 요부발췌사시도이다. 도3 및 도4에 도시된 바와 같이, 상기 날개(210)는 힌지(211)에 의해 피벗으로 접히고 펴지게 되며, 스프링(212)에 의해 별도의 외력이 가해지지 아니하면 펼쳐지는 방향으로 힘을 받게 구성된다.

상기 날개(210)는 회전자(200)의 양 측면(230, 240)에 형성되는 걸림턱(231, 241)에 걸리게 되어 최대한 펼쳐지는 상태가 상기 중앙분리대(220)의 수직방향이 된다. 한편, 상기 중앙분리대(220)는 상기 회전자(200)에 고정설치되는 것이 바람직하다.

상기 챔버(222)에 유입된 유체는 그 압력으로 상기 챔버(222)에 걸린 날개(210)를 밀게된다. 이때 챔버(222) 뒤측의 날개(210)는 후에 유입된 유체에 의해 밀려지게 되며, 이에 따라 유입된 유체는 압력의 낭비 없이 챔버(222)의 단위구조 안에서 편방향으로 회전자(200)를 축(130)에 따라 회전시키게 된다.

본 발명은 이에 나아가, 상기 본체(100)의 유입구(110)측 내면에 상기 날개(210)들이 접히게 되도록 유도하는 가이드블록(140, 150)들이 설치되고, 상기 가이드블록(140, 150)은 회전하는 방향 반대쪽의 말단에 상기 날개(210)들의 접힘을 유도하는 곡선광폭부(160)가 형성되며, 상기 가이드블록(140, 150)의 회전하는 방향의 선단에 상기 날개(210)들이 접힌 상태에서 활주하도록 유도하는 활주유도부(170)가 형성되는 것을 특징으로 하는 터빈을 제공한다.

도5는 원통체의 측벽을 제거한 상태를 도시한 사시도이고, 도6은 가이드블록을 확대 도시한 요부발췌 사시도이며, 도7은 가이드블록에 의해 날개가 접히는 상태를 설명하는 설명도이다. 상기 가이드블록(140, 150)은 유입구(110)에 인접하여 종지됨으로써 유입구(110)를 기준으로 회전 반대쪽에 고정벽을 형성하게 된다. 이에 따라 유입구(110)로 유입되는 유체의 압력은 오롯이 걸림턱(231, 241)에 걸린 날개(210)들을 향하여 회전방향으로 걸리게 된다. 즉, 유체의 압력을 편방향으로만 적용되게 하여 터빈의 효율을 극대화하는 구성을 제공한다.

또한, 상기 날개(210)들이 배출구(120)를 지난 후 회전시 저항을 최소화 하기 위하여 접히도록 유도하는 구성요소이다.

상기 가이드블록(140, 150)의 곡선광폭부(160)를 따라 상기 날개(210)들이 접히기 시작하며, 좁은 폭의 활주유도부(170)를 따라 상기 날개가 접힌상태로 회전하게 된다.

도7에서 도시된 바와 같이, 좁은 폭의 활주유도부(170)를 따라 회전한 날개(210)들은 가이드블록(140, 150)이 종지되는 유입구(110)위치에서 스프링(212)에 의해 펴지게 되며, 상술한 바와 같이 회전자(200)의 양 측면(230, 240)에 형성되는 걸림턱(231, 241)에 걸리게 된다. 이에 따라 상기 날개(210)들은 중앙분리대(220)의 수직방향으로 전개되어 챔버(222)들을 형성하게 되어 유입구(110)로부터 유입된 유체를 수용하게 된다.

상기와 같은 구성에 따라, 유입구(110)로부터 유입된 고압의 유체를 편방향으로 열리는 날개(210)를 포함하는 챔버(222)구조와 가이드블록(140, 150)의 일측면에 의한 고정벽 구조를 이용하여, 편방향으로만 적용시킴으로써 압력이 회전하는 방향으로만 작용하도록 유도함에 따라 보다 높은 에너지효율을 구현할 수 있는 터빈을 제공한다.

본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다. 또한, 청구항 부호는 이해를 돕기 위한 것일 뿐 본 발명의 형상과 구조를 첨부된 도면에 한정한다는 뜻이 아니다.

100. 본체
110. 유입구
120. 배출구
130. 축
140. 가이드블록
150. 가이드블록
160. 곡선광폭부
170. 활주유도부
200. 회전자
210. 날개
211. 힌지
212. 스프링
220. 중앙분리대
222. 챔버
230. 측면
231. 걸림턱
240. 측면
241. 걸림턱

Claims

유체의 압력을 운동에너지로 전환하는 터빈에 있어서,
내부에 형성되는 중공부와 유체가 유입되기 위한 유입구(110) 및 유입된 유체를 배출하기 위한 배출구(120)와 중심에 설치되는 축(130)을 포함하는 원통형의 본체(100)와;
상기 축(130)에 체결되며, 둘레에 다수의 날개(210)들이 설치되는 회전자(200);
를 포함하며;
상기 회전자(200)는 원주방향 중앙에 중앙분리대(220)가 형성되고, 상기 중앙분리대(220)의 양 측에 상기 날개(210)가 힌지(211)를 통해 설치되고;
상기 각 날개(210)들 사이에 챔버(222)가 형성되며;
상기 날개(210)들은 상기 힌지(211)에 의해 접히고 펴지는 것을 특징으로 하는 터빈.
제1항에 있어서,
상기 본체(100)의 유입구(110)측 내면에 상기 날개(210)들이 접히게 되도록 유도하는 가이드블록(140, 150)들이 설치되며,
상기 가이드블록(140, 150)은 회전하는 방향 반대쪽의 말단에 상기 날개(210)들의 접힘을 유도하는 곡선광폭부(160)가 형성되며,
상기 가이드블록(140, 150)의 회전하는 방향의 선단에 상기 날개(210)들이 접힌 상태에서 활주하도록 유도하는 활주유도부(170)가 형성되는 것을 특징으로 하는 터빈.