KR102452601B1 - 출력 제어 메커니즘을 가진 대용량 유동형 수동력계 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 유동형 수동력계는, 복수의 베어링에 의해 회전가능하게 장착된 샤프트; 샤프트의 주위에 고정되고 내부에 토로이달 챔버를 구비하는 스테이터; 샤프트에 결합되어 회전되며 토로이달 챔버로 유입되는 유체를 유동시키는 러너; 토로이달 챔버의 반경방향 외측에서 내측으로 연장되도록 장착되고 제어슬릿이 관통형성된 내부 링; 및 제어슬릿의 개도를 조절하는 셔터를 포함할 수 있다.

Description

출력 제어 메커니즘을 가진 대용량 유동형 수동력계{Large capacity Hydrodynamic type Dynamometer having output control mechanism}
본 발명은 출력 제어 메커니즘을 가진 대용량 유동형 수동력계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 재순환하는 작동유체의 양을 조절함으로써 수동력계의 출력을 제어하는 메커니즘을 가진 대용량 유동형 수동력계에 관한 것이다.
엔진의 성능시험을 위해 엔진의 동력을 흡수하고 흡수한 동력을 측정하는 장치로 일반적으로 출력이 높은 엔진은 물을 이용한 수동력계를 사용한다.
수동력계는 엔진의 출력 및 운전(회전)속도에 따라 여러 유형이 사용되고 있으며, 가스 터빈 등 대용량, 고속 엔진용으로는 Kahn type으로 불리는 마찰판형 동력계(Friction Disk type Dynamometer)와, Froude type으로 불리는 유동형 수동력계(Hydrodynamic type Dynamometer)로 분류될 수 있다.
수동력계는 회전자(rotor), 고정자(stator) 및 하우징(housing) 사이에서의 수력 저항에 의해 동력계에 전달된 엔진 동력을 흡수하게 된다. 100MW 이상, 3,000rpm 이상의 대형 고속 가스 터빈의 성능 시험을 목적으로 주로 사용하는 수동력계에서는 캐비테이션(cavitation)과 출력 변동성(load fluctuation)의 제어가 관건이다. 즉, 유동형 수동력계에서는 출력 증대의 편의성과 과도한 출력 변동성의 해결이 필요하다.
예를 들어, 종래의 수동력계를 사용하여 270MW 고속 대형 가스 터빈의 출력 측정 시험을 하면, 20% 수준의 출력에서 출력이 불안정하고 과도한 변동성과 캐비테이션으로 인하여 러너의 블레이드가 파손되는 문제점이 있었다.
미국특허공보 제7942249호
본 발명은 대용량 가스 터빈의 부하 시험과 같이 대용량 유동형 수동력계에서 나타나는 출력 저하 및 제어 불가 현상을 해결하기 위해, 토로이달 챔버를 통해 순환되는 유량을 제어하는 셔터 메커니즘으로 재순환 유량을 제어할 수 있는 출력 제어 메커니즘을 가진 대용량 유동형 수동력계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 유동형 수동력계는, 복수의 베어링에 의해 회전가능하게 장착된 샤프트; 샤프트의 주위에 고정되고 내부에 토로이달 챔버를 구비하는 스테이터; 샤프트에 결합되어 회전되며 토로이달 챔버로 유입되는 유체를 유동시키는 러너; 토로이달 챔버의 반경방향 외측에서 내측으로 연장되도록 장착되고 제어슬릿이 관통형성된 내부 링; 및 제어슬릿의 개도를 조절하는 셔터를 포함할 수 있다.
토로이달 챔버는 좌우 대칭되도록 한 쌍이 형성되고, 러너는 각 토로이달 챔버의 내부로 노출되어 토로이달 챔버로 유입되는 유체를 유동시키는 복수의 블레이드를 포함할 수 있다.
한 쌍의 토로이달 챔버의 사이에 배치되어 양측면이 각 토로이달 챔버의 내주면 일부를 구성하는 가이드 링을 더 포함할 수 있다.
스테이터는 한 쌍의 토로이달 챔버의 반경방향 외측에 형성되는 드레인 챔버를 더 포함하고, 한 쌍의 토로이달 챔버는 반경방향 외측에 가이드 링과의 사이에 드레인 챔버에 연통하는 한 쌍의 드레인 슬롯을 더 포함할 수 있다.
스테이터는 한 쌍의 토로이달 챔버의 축방향 양측에 형성되는 입구 챔버를 더 포함하고, 한 쌍의 토로이달 챔버의 반경방향 내측에는 입구 챔버로부터 토로이달 챔버로 연통되는 한 쌍의 유체공급 노즐이 구비될 수 있다.
토로이달 챔버는 단면이 타원형으로 형성될 수 있다.
스테이터의 외주면에 장착되어 셔터를 반경방향으로 움직이는 액추에이터를 더 포함할 수 있다.
액추에이터의 일측에 구비되어 셔터의 변위를 측정하는 변위센서를 더 포함할 수 있다.
액추에이터의 반경방향 내측에 구비되어 액추에이터의 최대 변위를 제한하는 스토퍼를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 유동형 수동력계는, 복수의 베어링에 의해 회전가능하게 장착된 샤프트; 샤프트의 주위에 고정되고 내부에 한 쌍의 토로이달 챔버를 구비하는 스테이터; 샤프트에 결합되어 회전되며 한 쌍의 토로이달 챔버로 유입되는 유체를 유동시키는 복수의 블레이드를 구비하는 러너; 한 쌍의 토로이달 챔버의 반경방향 외측에서 내측으로 연장되도록 장착되고 제어슬릿이 관통형성된 한 쌍의 내부 링; 한 쌍의 토로이달 챔버의 사이에 배치되어 양측면이 각 토로이달 챔버의 내주면 일부를 구성하는 가이드 링; 및 제어슬릿의 개도를 조절하는 셔터를 포함할 수 있다.
스테이터의 외주면에 장착되어 셔터를 반경방향으로 움직이는 액추에이터; 및 액추에이터의 반경방향 내측에 구비되어 액추에이터의 최대 변위를 제한하는 스토퍼를 더 포함할 수 있다.
액추에이터의 일측에 구비되어 셔터의 변위를 측정하는 변위센서를 더 포함할 수 있다.
스테이터는 한 쌍의 토로이달 챔버의 축방향 양측에 형성되는 한 쌍의 입구 챔버와, 한 쌍의 토로이달 챔버의 반경방향 외측에 형성되는 드레인 챔버를 더 포함할 수 있다.
한 쌍의 토로이달 챔버는 한 쌍의 토로이달 챔버의 반경방향 내측에 입구 챔버로부터 토로이달 챔버로 연통되는 한 쌍의 유체공급 노즐과, 한 쌍의 토로이달 챔버의 반경방향 외측에 가이드 링과의 사이에 드레인 챔버에 연통하는 한 쌍의 드레인 슬롯을 더 포함할 수 있다.
제어슬릿이 형성된 내부 링과 셔터는 한 쌍의 토로이달 챔버의 원주방향으로 복수개가 배열되되, 복수의 셔터는 토로이달 챔버의 상반부에 배열된 복수의 제어슬릿 중 일부의 개도를 조절할 수 있다.
상기한 본 발명의 출력 제어 메커니즘을 가진 대용량 유동형 수동력계에 의하면, 토로이달 챔버를 통해 순환되는 유량을 제어하는 셔터 메커니즘으로 재순환 유량을 제어함으로써, 대용량 가스 터빈의 부하 시험과 같이 대용량 유동형 수동력계에서 나타나는 출력 저하 및 제어 불가 현상을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동형 수동력계를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 유동형 수동력계의 상반부를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 유동형 수동력계에서 유체공급 노즐을 통해 공급되는 유체와 내부 링의 슬릿을 통해 토로이달 챔버로 재순환되는 유체와 드레인 슬롯을 통해 배출되는 유체의 유동을 나타내는 일부 단면도이다.
도 4는 출력 제어 메커니즘이 없는 종래의 유동형 수동력계에서 급수 유량에 따른 출력의 변화를 나타내는 그래프(a)와 본 발명의 유동형 수동력계에서 급수 유량에 따른 출력의 변화를 나타내는 그래프(b)이다.
도 5는 본 발명의 유동형 수동력계에서 출력 제어 메커니즘을 나타내는 일부 단면도이다.
도 6은 본 발명의 유동형 수동력계에서 슬릿 세트의 원주방향 위치를 바꾸면서 유량 변화에 따른 출력 변화를 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 유동형 수동력계에서 소정 위치의 슬릿 세트에 대해 슬릿의 여러 개도에 대해 유량 변화에 따른 출력 변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 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 발명에서, '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 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동형 수동력계를 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 유동형 수동력계의 상반부를 나타내는 단면도이며, 도 3은 도 2의 유동형 수동력계에서 유체공급 노즐을 통해 공급되는 유체와 내부 링의 슬릿을 통해 토로이달 챔버로 재순환되는 유체와 드레인 슬롯을 통해 배출되는 유체의 유동을 나타내는 일부 단면도이다.
본 발명의 유동형 수동력계(100)는, 복수의 베어링(112)에 의해 회전가능하게 장착된 샤프트(110), 샤프트(110)의 주위에 고정되고 내부에 토로이달 챔버(160)를 구비하는 스테이터(120), 샤프트(110)에 결합되어 회전되며 토로이달 챔버(160)로 유입되는 유체를 유동시키는 러너(130), 토로이달 챔버(160)의 반경방향 외측에서 내측으로 연장되도록 장착되고 제어슬릿(172)이 관통형성된 내부 링(170), 및 제어슬릿(172)의 개도를 조절하는 셔터(180)를 포함할 수 있다.
샤프트(shaft, 110)는 일단부가 측정 대상물의 회전축에 결합될 수 있다. 샤프트(110)는 스테이터(120)를 통과하여 스테이터(120)의 양측에 결합된 한 쌍의 베어링(112)에 회전가능하게 장착될 수 있다. 한 쌍의 베어링(112)은 각각 지지대(114)에 의해 지면상에 지지될 수 있다.
스테이터(stator, 120)는 양측부가 한 쌍의 베어링(112) 케이스에 연결되어 한 쌍의 지지대(114)에 의해 지지되도록 고정될 수 있다. 스테이터(120)는 샤프트(110)가 통과하는 축공이 형성되어 샤프트(110)의 주위에 고정될 수 있다. 스테이터(120)는 내부에 토로이달 챔버(toroidal chamber, 160)를 구비하는데, 토로이달 챔버(160)는 샤프트(110)를 둘러싸도록 샤프트(110)의 주위에 배치될 수 있다.
러너(runner, 130)는 샤프트(110)에 결합되어 회전되며 토로이달 챔버(160)로 유입되는 유체를 유동시킬 수 있다. 러너(130)는 샤프트(110)에 결합되어 함께 회전되고, 토로이달 챔버(160)의 내주면 일부를 구성할 수 있다.
러너(130)는 토로이달 챔버(160)의 내부 공간에 노출되는 복수의 블레이드(132)를 포함할 수 있다. 복수의 블레이드(132)는 러너(130)에 일체로 형성되고 원주방향으로 복수개가 배열될 수 있다.
내부 링(170)은 부채꼴대 형태의 평판으로서, 토로이달 챔버(160)의 반경방향 외측에서 내측으로 연장되도록 장착되어 토로이달 챔버(160)의 내부에서 순환되는 유체의 유동을 막도록 구비될 수 있다. 내부 링(170)에는 원주방향으로 길게 제어슬릿(172)이 관통형성되어, 제어슬릿(172)을 통해 순환되는 유체가 유동할 수 있다.
셔터(180)는 스테이터(120)에 반경방향으로 이동가능하게 장착되어 제어슬릿(172)의 개도를 조절할 수 있다. 셔터(180)는 스테이터(120)에서 토로이달 챔버(160)의 반경방향 외측에 원주방향을 따라 복수개가 배열될 수 있다. 셔터(180)가 반경방향 내측으로 많이 이동할수록 내부 링(170)의 제어슬릿(172)의 개도는 작아질 수 있다.
토로이달 챔버(160)는 좌우 대칭되도록 한 쌍이 형성될 수 있다. 토로이달 챔버(160)는 그 단면이 원형 또는 타원형으로 형성될 수 있다. 토로이달 챔버(160)의 단면이 타원형으로 형성되면, 샤프트(110)에 의해 회전되어 원심력을 받는 토로이달 챔버(160) 내부의 유체가 재순환 유동을 하면서도 원주방향으로도 원활하게 유동할 수 있다.
한 쌍의 토로이달 챔버(160)의 사이에는 양측면이 각 토로이달 챔버(160)의 내주면 일부를 구성하는 가이드 링(140)이 배치될 수 있다. 가이드 링(140)의 반경방향 내측면은 한 쌍의 토로이달 챔버(160)의 내주면 중 약 90도에 해당하는 부분을 구성할 수 있다. 가이드 링(140)은 원주방향으로 연속적으로 연결되거나 일체로 형성될 수 있다. 가이드 링(140)의 반경방향 내측 단부는 러너(130)의 반경방향 외측 단부로부터 소정의 간격이 떨어지도록 배치될 수 있다. 그래서, 두 한 쌍의 토로이달 챔버(160) 중 일측에서 유동하는 유체의 일부는 타측에서 유동하는 유체와 혼합될 수 있다.
스테이터(120)는 한 쌍의 토로이달 챔버(160)의 축방향 양측에 형성되는 입구 챔버(150)를 더 포함할 수 있다. 한 쌍의 입구 챔버(150)는 한 쌍의 토로이달 챔버(160)에 공급되는 작동유체가 일시 저장되는 곳이다.
한 쌍의 토로이달 챔버(160)의 반경방향 내측에는 입구 챔버(150)로부터 토로이달 챔버(160)로 연통되는 한 쌍의 유체공급 노즐(162)이 구비될 수 있다. 한 쌍의 유체공급 노즐(162)은 한 쌍의 토로이달 챔버(160)의 축방향 외측면에서 비교적 반경방향 내측 단부 가까이에 형성될 수 있다. 한 쌍의 유체공급 노즐(162)은 샤프트(110)에 대체로 평행하게 형성될 수 있다. 그래서, 한 쌍의 유체공급 노즐(162)을 통해 한 쌍의 입구 챔버(150)에 있던 유체가 한 쌍의 토로이달 챔버(160) 내부로 유입되고, 그 유체가 러너(130)의 블레이드(132)에 의해 각 토로이달 챔버(160) 내부에서 순환 유동할 수 있다.
스테이터(120)는 한 쌍의 토로이달 챔버(160)의 반경방향 외측에 형성되는 드레인 챔버(190)를 더 포함할 수 있다. 드레인 챔버(190)는 스테이터(120)의 내부에 한 쌍의 토로이달 챔버(160)의 반경방향 외측에 원주방향으로 연속적으로 형성될 수 있다. 드레인 챔버(190)는 스테이터(120)의 외주면에 원주방향으로 연속적으로 홈이 형성되고 그 홈의 외측에서 스테이터(120)에 결합되는 커버에 의해 밀폐될 수 있다. 드레인 챔버(190)는 한 쌍의 토로이달 챔버(160)의 외측에 한 쌍이 격벽에 의해 구획되도록 형성되고, 격벽에 관통형성된 연통공을 통해 한 쌍의 드레인 챔버(190)의 내부 공간이 서로 연통될 수 있다.
한 쌍의 토로이달 챔버(160)는 반경방향 외측에 가이드 링(140)과의 사이에 드레인 챔버(190)에 연통하는 한 쌍의 드레인 슬롯(167)을 더 포함할 수 있다. 즉, 한 쌍의 드레인 슬롯(167)은 가이드 링(140)의 축방향 양측면과 스테이터(120) 사이에 소정 크기로 형성될 수 있다. 드레인 슬롯(167)은 원주방향을 따라서 연속적으로 형성될 수도 있고, 복수개가 소정 간격으로 배열될 수도 있다.
이상에서 토로이달 챔버(160)는 한 쌍이 구비되는 것을 위주로 설명하였으나, 토로이달 챔버(160)는 수동력계의 용량에 따라 2쌍 이상이 배치될 수도 있다. 후자의 경우, 입구 챔버(150), 내부 링(170), 셔터(180)는 2쌍 이상이 구비되고, 러너(130), 가이드 링(140), 드레인 챔버(190)는 2개 이상이 구비될 수 있다.
한편, 스테이터(120)의 내주면에는 샤프트(110)와의 사이에 형성되는 틈을 밀봉하는 씰부재(118)가 구비될 수 있다. 씰부재(118)는 탄성 소재로 이루어지고 단면이 복수의 쐐기 형태로 구성된 것이 원주방향으로 연속적으로 형성될 수 있다. 씰부재(118)는 한 쌍의 토로이달 챔버(160)의 축방향 양측에 한 쌍이 구비될 수 있다.
또한, 한 쌍의 토로이달 챔버(160)에는 스테이터(120)의 외부로부터 에어 피더(air feeder, 250)가 각각 관통형성될 수 있다. 보통, 한 쌍의 토로이달 챔버(160) 내부에 순환하는 작동유체는 물이 사용될 수 있지만, 작동유체가 공급되기 전에는 한 쌍의 토로이달 챔버(160) 내부에 공기가 들어 있다가 수동력계가 작동되면 작동유체와 공기가 함께 순환되고 배출될 수 있다. 그래서, 한 쌍의 토로이달 챔버(160)에 공기가 부족하면 한 쌍의 에어 피더(250)를 통해 공기를 공급할 수 있다. 한 쌍의 에어 피더(250)는 단순히 외부로 개구된 구멍일 수도 있으나, 출구를 개폐할 수 있도록 개폐밸브를 구비하는 것이 바람직하다.
그리고, 셔터(180)는 수동으로 조작되어 제어슬릿(172)의 개도를 조절할 수도 있으나, 액추에이터(210)를 작동시켜 제어슬릿(172)의 개도를 조절할 수 있는 것이 바람직하다. 액추에이터(210)는 스테이터(120)의 외주면에 장착되어 셔터(180)를 반경방향으로 움직일 수 있다. 액추에이터(210)는 스테이터(120)의 외주면에 노출되도록 설치되고, 액추에이터(210)의 구동축은 직선형 바에 의해 셔터(180)에 연결될 수 있다. 액추에이터(210)는 정역회전 가능한 유압모터로 구성될 수 있다.
액추에이터(210)의 일측에는 셔터(180)의 변위를 측정하는 변위센서(220)가 구비될 수 있다. 변위센서(220)는 1차원 센서로서 액추에이터(210)의 구동축의 변위를 측정함으로써 셔터(180)의 변위를 측정할 수 있다. 변위센서(220)로 셔터(180)의 변위를 측정함으로써, 제어슬릿(172)의 개도를 피드백 제어할 수 있다.
또한, 액추에이터(210)의 반경방향 내측에 구비되어 액추에이터(210)의 최대 변위를 제한하는 스토퍼(230)를 더 포함할 수 있다. 스토퍼(230)는 스테이터(120)의 외주면에서 액추에이터(210)의 반경방향 내측에 배치되어 액추에이터(210)의 구동축이 최대로 전진하는 위치를 제한함으로써 셔터(180)의 최대 전진 위치를 제한할 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 가스 터빈과 같은 측정 대상의 회전축을 샤프트(110)에 연결하고 작동시키면, 유동형 수동력계(100)는 측정 대상의 출력을 측정할 수 있다. 이때, 입구 챔버(150)에 있던 물과 같은 작동유체가 유체공급 노즐(162)을 통해 토로이달 챔버(160) 내부로 공급되고, 작동유체는 토로이달 챔버(160) 내부에서 러너(130)에 의해 순환되며, 작동유체의 일부는 드레인 슬롯(167)을 통해 드레인 챔버(190)로 배출되고 작동유체의 나머지는 내부 링(170)의 슬릿(172)을 통과하여 재순환된다. 토로이달 챔버(160) 내부에서 재순환되는 작동유체는 러너(130)에 의해 재유입되는 과정을 반복하면서 출력이 증대된다. 즉, 유동형 수동력계(100)의 출력은 유체공급 노즐(162)을 통해 공급되는 공급 유체와 토로이달 챔버(160) 내부에서 재순환되는 작동유체의 합에 의해 결정되는 유체역학적 운동량의 변화와 이 과정에서 발생하는 마찰손실이 출력으로 변환된다.
본 발명에서는 토로이달 챔버(160) 내부에서 재순환되는 작동유체의 유량을 제어하기 위해, 제어슬릿(172)이 형성된 내부 링(170)과 셔터(180)를 설치하여 제어슬릿(172)의 열림 정도와 복수의 제어슬릿(172) 중 열리는 개수를 제어함으로써 출력을 제어할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 러너(130)에 의해 순환되는 작동유체는 기본적으로 유체의 회전 유동에 따라 소정의 변동 진폭(fluctuation amplitude)을 가지고 있다. 이에 따라, 토로이달 챔버(160) 내부에서 재순환되는 작동유체와 드레인 챔버(190)로 배출되는 작동유체도 소정의 변동 진폭을 가질 수밖에 없다. 본 발명의 유동형 수동력계(100)에서는 제어슬릿(172)의 개도를 셔터(180)로 조절함으로써 토로이달 챔버(160) 내부에서 재순환되는 작동유체의 변동 진폭을 비교적 작게 제어할 수 있다. 이에 따라, 작동 유체의 유량 대비 출력의 변동성을 줄이고 안정성을 높일 수 있다.
도 4는 출력 제어 메커니즘이 없는 종래의 유동형 수동력계에서 급수 유량에 따른 출력의 변화를 나타내는 그래프(a)와 출력 제어 메커니즘이 있는 본 발명의 유동형 수동력계에서 급수 유량에 따른 출력의 변화를 나타내는 그래프(b)이다.
본 발명의 유동형 수동력계에서 출력 제어 메커니즘은 내부 링(170)에 형성된 제어슬릿(172)의 개도를 셔터(180)로 조절하여 출력을 제어하는 구성을 말한다.
도 4(a)에 도시된 바와 같이, 종래의 유동형 수동력계의 경우 작동유체인 물의 유량 변화에 따른 출력의 변화 그래프를 보면, 출력의 변동 진폭이 매우 큰 것을 알 수 있다.
반면에, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 유동형 수동력계의 경우 작동유체인 물의 유량 변화에 따른 출력의 변화 그래프를 보면, 출력의 변동 진폭이 매우 작은 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 출력 제어 메커니즘에 의해 출력의 변동 진폭을 매우 작게 만들고 안정성을 높일 수 있다.
도 5는 본 발명의 유동형 수동력계에서 출력 제어 메커니즘을 나타내는 일부 단면도이고, 도 6은 본 발명의 유동형 수동력계에서 슬릿 세트의 원주방향 위치를 바꾸면서 유량 변화에 따른 출력 변화를 비교하여 나타내는 그래프이며, 도 7은 본 발명의 유동형 수동력계에서 소정 위치의 슬릿 세트에 대해 슬릿의 여러 개도에 대해 유량 변화에 따른 출력 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5에서 우측은 우측 토로이달 챔버(160)의 출력 제어 메커니즘 부위를 나타내는 축방향 단면도이고, 좌측은 그 출력 제어 메커니즘 부위를 샤프트(110)에 수직인 평면으로 자른 1/4 부분 단면도이다.
제어슬릿(172)이 형성된 내부 링(170)과 셔터(180)는 한 쌍의 토로이달 챔버(160)의 원주방향으로 복수개가 배열될 수 있다. 이때, 복수의 셔터(180)는 토로이달 챔버(160)의 상반부에 배열된 복수의 제어슬릿(172) 중 일부의 개도를 조절할 수 있다.
복수의 내부 링(170)은 원주방향으로 모두 연속적으로 배열될 수 있고, 토로이달 챔버(160)에서 내부 링(170)의 아래 공간은 포켓(165)을 구성할 수 있다.
그런데, 제어슬릿(172)은 복수의 내부 링(170) 각각에 모두 형성되는 것이 아니라, 복수의 내부 링(170) 중 일부에만 형성될 수 있다. 복수의 셔터(180)도 제어슬릿(172)이 형성된 위치에만 배치될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 내부 링(170)은 토로이달 챔버(160)의 내주면에서 반경방향 내측으로 w의 길이만큼 연장되도록 장착되고, 제어슬릿(172)은 반경방향으로 h의 높이를 갖도록 형성될 수 있다. 그래서, 셔터(180)는 제어슬릿(172)의 개방 높이(h)를 0~100% 개폐할 수 있다.
예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 내부 링(170)이 원주방향으로 16개가 연속적으로 배열될 때, 제어슬릿(172)은 16개의 내부 링(170) 중에서 상반부에 있는 4개의 내부 링(170)에만 형성될 수 있다. 제어되는 제어슬릿(172)의 출력 변동성을 살펴보기 위해, 도 6에서와 같이 5가지 조합의 경우에 대해 유량 대비 출력의 변화를 측정하였다. 시험 결과, 도 6에서와 같이, ②③⑥⑦ 위치에 배열된 4개의 제어슬릿(172)의 개도를 제어하는 것이 출력의 선형성과 안정성이 가장 좋음을 알 수 있다.
그리고, 제어슬릿(172)의 높이(h)는 최대 출력에 따라 다르게 선정될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, ②③⑥⑦ 위치에 배열된 4개의 제어슬릿(172)의 높이가 h1일 때 유량이 7kt/hr 이상에서 유량 대비 출력의 기울기가 작아지는 것을 알 수 있다. 또한, 제어슬릿(172)의 높이가 h1보다 조금 큰 h2일 때 유량이 9kt/hr 이상에서 유량 대비 출력의 기울기가 작아지는 것을 알 수 있다. 그리고, 제어슬릿(172)의 높이가 h2보다 조금 큰 h3일 때 유량이 10kt/hr 이상에서 유량 대비 출력의 기울기가 작아지는 것을 알 수 있다. 이러한 시험 결과를 보면, 유량 대비 출력의 선형성을 유지할 수 있는 제어슬릿(172)의 최적 높이가 존재함을 알 수 있다. 따라서, 유동형 수동력계가 측정하는 출력 범위에 따라 유량 대비 출력 그래프가 선형성을 유지하도록 제어슬릿(172)의 높이를 적절히 설계할 수 있을 것이다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 유동형 수동력계
110: 샤프트 112: 베어링
114: 지지대 118: 씰부재
120: 스테이터 130: 러너
132: 블레이드 140: 가이드 링
150: 입구 챔버 160: 토로이달 챔버
162: 유체공급 노즐 165: 포켓
167: 드레인 슬롯 170: 내부 링
172: 제어슬릿 180: 셔터
190: 드레인 챔버
210: 액추에이터 220: 변위센서
230: 스토퍼 250: 에어 피더

Claims (15)

  1. 복수의 베어링에 의해 회전가능하게 장착된 샤프트;
    상기 샤프트의 주위에 고정되고 내부에 토로이달 챔버를 구비하는 스테이터;
    상기 샤프트에 결합되어 회전되며 상기 토로이달 챔버로 유입되는 유체를 유동시키는 러너;
    상기 토로이달 챔버의 반경방향 외측에서 내측으로 연장되도록 장착되고 제어슬릿이 관통형성된 내부 링;
    상기 제어슬릿의 개도를 조절하는 셔터; 및
    상기 스테이터의 외주면에 장착되어 상기 셔터를 반경방향으로 움직이는 액추에이터를 포함하는 유동형 수동력계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 토로이달 챔버는 좌우 대칭되도록 한 쌍이 형성되고,
    상기 러너는 각 토로이달 챔버의 내부로 노출되어 토로이달 챔버로 유입되는 유체를 유동시키는 복수의 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동형 수동력계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 한 쌍의 토로이달 챔버의 사이에 배치되어 양측면이 각 토로이달 챔버의 내주면 일부를 구성하는 가이드 링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동형 수동력계.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스테이터는 상기 한 쌍의 토로이달 챔버의 반경방향 외측에 형성되는 드레인 챔버를 더 포함하고,
    상기 한 쌍의 토로이달 챔버는 반경방향 외측에 상기 가이드 링과의 사이에 상기 드레인 챔버에 연통하는 한 쌍의 드레인 슬롯을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동형 수동력계.
  5. 복수의 베어링에 의해 회전가능하게 장착된 샤프트;
    상기 샤프트의 주위에 고정되고 내부에 토로이달 챔버를 구비하는 스테이터;
    상기 샤프트에 결합되어 회전되며 상기 토로이달 챔버로 유입되는 유체를 유동시키는 러너;
    상기 토로이달 챔버의 반경방향 외측에서 내측으로 연장되도록 장착되고 제어슬릿이 관통형성된 내부 링; 및
    상기 제어슬릿의 개도를 조절하는 셔터를 포함하고,
    상기 토로이달 챔버는 좌우 대칭되도록 한 쌍이 형성되고, 상기 러너는 각 토로이달 챔버의 내부로 노출되어 토로이달 챔버로 유입되는 유체를 유동시키는 복수의 블레이드를 포함하며,
    상기 한 쌍의 토로이달 챔버의 사이에 배치되어 양측면이 각 토로이달 챔버의 내주면 일부를 구성하는 가이드 링을 더 포함하고,
    상기 스테이터는 상기 한 쌍의 토로이달 챔버의 반경방향 외측에 형성되는 드레인 챔버를 더 포함하고, 상기 한 쌍의 토로이달 챔버는 반경방향 외측에 상기 가이드 링과의 사이에 상기 드레인 챔버에 연통하는 한 쌍의 드레인 슬롯을 더 포함하며,
    상기 스테이터는 상기 한 쌍의 토로이달 챔버의 축방향 양측에 형성되는 입구 챔버를 더 포함하고,
    상기 한 쌍의 토로이달 챔버의 반경방향 내측에는 상기 입구 챔버로부터 상기 토로이달 챔버로 연통되는 한 쌍의 유체공급 노즐이 구비된 것을 특징으로 하는 유동형 수동력계.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 토로이달 챔버는 단면이 타원형으로 형성된 것을 특징으로 하는 유동형 수동력계.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 액추에이터의 일측에 구비되어 상기 셔터의 변위를 측정하는 변위센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동형 수동력계.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 액추에이터의 반경방향 내측에 구비되어 상기 액추에이터의 최대 변위를 제한하는 스토퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동형 수동력계.
  10. 복수의 베어링에 의해 회전가능하게 장착된 샤프트;
    상기 샤프트의 주위에 고정되고 내부에 한 쌍의 토로이달 챔버를 구비하는 스테이터;
    상기 샤프트에 결합되어 회전되며 상기 한 쌍의 토로이달 챔버로 유입되는 유체를 유동시키는 복수의 블레이드를 구비하는 러너;
    상기 한 쌍의 토로이달 챔버의 반경방향 외측에서 내측으로 연장되도록 장착되고 제어슬릿이 관통형성된 한 쌍의 내부 링;
    상기 한 쌍의 토로이달 챔버의 사이에 배치되어 양측면이 각 토로이달 챔버의 내주면 일부를 구성하는 가이드 링;
    상기 제어슬릿의 개도를 조절하는 셔터; 및
    상기 스테이터의 외주면에 장착되어 상기 셔터를 반경방향으로 움직이는 액추에이터를 포함하는 유동형 수동력계.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 액추에이터의 반경방향 내측에 구비되어 상기 액추에이터의 최대 변위를 제한하는 스토퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동형 수동력계.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 액추에이터의 일측에 구비되어 상기 셔터의 변위를 측정하는 변위센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동형 수동력계.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 스테이터는 상기 한 쌍의 토로이달 챔버의 축방향 양측에 형성되는 한 쌍의 입구 챔버와, 상기 한 쌍의 토로이달 챔버의 반경방향 외측에 형성되는 드레인 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동형 수동력계.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 한 쌍의 토로이달 챔버는
    상기 한 쌍의 토로이달 챔버의 반경방향 내측에 상기 입구 챔버로부터 상기 토로이달 챔버로 연통되는 한 쌍의 유체공급 노즐과, 상기 한 쌍의 토로이달 챔버의 반경방향 외측에 상기 가이드 링과의 사이에 상기 드레인 챔버에 연통하는 한 쌍의 드레인 슬롯을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동형 수동력계.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제어슬릿이 형성된 내부 링과 상기 셔터는 상기 한 쌍의 토로이달 챔버의 원주방향으로 복수개가 배열되되, 상기 복수의 셔터는 토로이달 챔버의 상반부에 배열된 복수의 제어슬릿 중 일부의 개도를 조절하는 것을 특징으로 하는 유동형 수동력계.
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