KR20030038311A

KR20030038311A - 유체를 이용한 동력장치.

Info

Publication number: KR20030038311A
Application number: KR1020020023548A
Authority: KR
Inventors: 오남자
Original assignee: 오남자
Priority date: 2001-02-13
Filing date: 2002-04-01
Publication date: 2003-05-16

Abstract

비중이 큰 유체를 고속회전원통 내부의 임펠러로써 원주방향으로 가속 회전시켜 원심력으로 인해 압력이 발생되게 한다음, 고속원통의 빈공간에서 유체의 원주속도가 유지되어 압력이 높아지게 한후에 다단계의 저속회전 임펠러에서 고속회전 임펠러의 유체가속 에너지를 원심력과 가속력은 직각의 힘의 자연현상이 이용돼 압력손실없이 가속동력을 회수해 줌으로서 유체를 가속시키는 에너지는 최소의 동력이 소요되도록 구성되어지고 동력의 회수과정에서 압력손실이 발생하지 않도록 저속의 임펠러 일수록 반경을 약간씩 크게하여 이의 과정을 거친 유체를 마지막으로 유체의 압력에 의한 동력발생기구인 분사추진통에 유입되어져 분사력이 이론상 가속력의 2배가 되는 유체분사 반발력을 이용해 전체적으로 유체의 압력이 매우 높아져 회전 가속일은 거의 회수되고 다시 표현해 원심력을 얻기위한 원주방향의 가속력은 거의 없는 상태에서 유체의 압력 에너지는 계속 유지되어 있으므로 이의 유체 압력 에너지를 이용해 동력을 발생시키는 구성으로 이루어진 유체를 이용한 동력장치.

Description

유체를 이용한 동력장치.{The power equipment used a fluid.}

유체 펌프와 동력

비중이 큰 유체를 이용한 동력의 발생.

-제1도는 유체를 이용한 동력장치의 개략적인 구성도

*.도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명.

1:케이스 2,7,12: seal 장치 3: 스프링 4: 속도조절 핸들 5: 분사 추진통

6: 고속회전원통 7,8,9: 저속회전 임펠러통(7과12 연결,8과11 연결,9와10 연결)

10,11.12: 유성기어장치 13: 링기어 14: 동력전달 핀 15: 동력전달 원판

16: 베어링 17: 동력인출 축(5,6과 일체) 18: 비중이 큰 유체 ,

19: 유체이동 경로.

-제2도는 부품 5 의 가로 단면 상세도.

5-1: 유체이동 격판 5-2: 유체분사 노즐.

-제3도는 부품 6의 가로 단면 상세도.

6-1: 유체 가로 이동구 6-2: 고속회전 임펠러 6-3: 압력상승 효과를 위한 공간

-제4도는 부품 7,8,9 의 가로 단면 상세도

7-1: 저속회전 임펠러 ,7-2: 유체 가로 이동 입구

-제5도는 원리설명을 위한 가상도

*도면에 대한 간단한 설명.

도면(제1도)은 케이싱 내에서 베어링을 양단으로 유체의 원주방향 이송 가속력의 평균점은 회전반경의 중점이지만 유체 분사 반발력은 회전반경의 끝부분임을 이용해 2 배의 축토르크 상승효과를 목적으로한 주축과 일체인 분사 추진통(1)과 내부에 고속회전 임펠러(6-2)가 내장되고 내부 빈공간에서는 유체의 원주방향 이동 저항이 없으므로 원주속도가 유지되어 압력의 상승효과를 위한 주축과 일체인 고속회전원통(6), 원심력과 가속력은 힘의 직각인 자연현상을 이용해 압력의 손실없이 동력의 회수를 위한 저속회전 임펠러통(7,8,9),이와 연결되어 주축에 동력을 전달하기 위한 유성기어장치(10,11,12,13)로 이루어진 유체를 이용한 동력장치의 개략적인 구성도임.

동력의 회수를 위한 저속회전 임펠러통(7,8,9)들은 각각 유체 이동의 뒤쪽 일수록 회전수가 느리며 주축에 회수동력의 전달을 위해 각각의 유성기어 장치와 연결되어 있고 완전한 동력의 회수를 위해 많은 개수의 저속회전 임펠러 통이 있을수 있다.

(유체의 이동경로는 고속회전 원통의 축방향으로 흡입되어 고속회전 임펠러를 거쳐 압력상승효과를 위한 공간(6-3), 첫 번째 저속회전 임펠러(7), 마지막 저속회전 임펠러(8), 분사 추진통을 거쳐 다시 고속회전 원통으로 흡입되어 폐회로가 이루어진다.)

도면은 주로 원리설명을 개략도 이며 장치는원리를 벗어나지 않는 범위에서 장치가 도면과 다르게 구성될 수 도 있다.

1).원리.

① 유체를 이용한 동력장치의 주된 원리는 3가지의 기초 자연현상을 바탕으로 이루어지며 그 주된 3 가지 원리는 아래 ②,③,④의 항목에서 나열될 것이다. 항목②는 고속회전 임펠러에서 유체를 가속시킨후 가속시킨 에너지보다 더 큰 압력의 상승효과를 이루기 위한 설명이고, 항목③은 고속회전 임펠러에서 가속시키는데 소요된 동력을 저속회전 임펠러에서 유체의 압력을 유지하면서 회수하기 위한 설명이며 , 항목④는 ②,③의 과정을 거친 유체가 분사 추진통에서 압력에 의해 분사되면서 이의 분사 반발력을 이용해 회전력을 얻는 과정에서 반발력과 원주이동 가속력의 힘의 작용점에 의한 축토르크가 2배의 증대 효과를 기할수 있는 현상에 대한 설명이다. 본 유체를 이용한 동력장치는 항목 ②,③,④의 원리를 바탕으로 하여 동력이 발생되도록 조합한 장치이다.

항목②,③,④의 이해를 돕기 위해 먼저 원심펌프의 원리를 예를 든다면,

원심펌프는 축방향으로 흡입되어 오는 유체를 임펠러 의해 원주쪽으로 가속시켜 유체의 원심력에 의한 압력을 얻어내는 장치이며 펌프의 소요 축동력은 축방향으로 흡입되어 오는 유체를 원주방향으로 가속시키기 위한 가속력에 의해 좌우된다. 원심펌프는 용적식 펌프와는 달리 토출 압력에 의해 축동력이 소요되어지지 않는다. 그 이유는 원심력과 가속력은 서로 직각의 힘의 성분이며 이 두힘은 서로간에 힘의 방향에는 영향을 미치지만 그 세기에는 아무런 영향을 미치지 않기 때문이다. 이는 원심펌프의 출구를 막을수록, 즉 압력을 높히고 토출유량을 낮출수록 축동력이 적게 소요되는 이유이며, 또한 초기 기동시 토출유량을 없애 유체의 원주방향의 가속힘을 줄여 기동전류를 감소시키기 위한 이유이기도 하다. 한편 이는 원심펌프의 날개의 기울어진 각도와 나선형과는 관련이 없으며 기울어진 날개는 유체의 이동 안내 역할을 하며 나선형은 유체의 속도 에너지를 압력에너지에 보태주기 위한 방법이다. 그렇지만 이의 경우도 원주속도 에너지가 압력 에너지에 기여하는 분은 아주 적으며 대부분의 압력 발생은 유체의 원심력에 의해서 발생하게 된다.

② 원주방향으로 가속된 물체 또는 유체는 이의 회전관성을 방해할 어떠한 요소가 없다고 하면 원주속도는 그대로 유지되어지면서 원심력이 생기며 이의 원심력은 유체가 초기에 원주방향으로 가속받았던 속도가 유지될 경우 빈공간에서 압력의 상승효과를 가져올수 있다. 원심력과 가속력은 힘의 직각의 성분으로서 서로간에 힘의 세기에는 영향을 미치지 못하므로 원심력 자체는 가속력을 방해하지 못한다. 그러므로 빈공간에서 유체가 원주속도를 방해 받지않고 계속 같은 원주속도로서 회전 한다면 가속력을 더 이상 가하지 않아도 반경의 끝부분에서는 압력의 상승효과를 이룰수 있다. 이는 지구, 달 등이 그 자신의 중력과 원심력들이 자신의 공전속도에 영향을 미치지 못하는 이유와 같다.

③, ①의 기초원리를 바탕으로 하여 가상 도면인 제5도 처럼 토출되는 유체의 출구관이 나선형이 아닌 경우, 유체는 펌프 게이싱을 이탈 하면서 원주속도 때문에 출구관에 A의 방향으로 충격력을 미친다. A의 방향으로 회전관성정지 충격력을 미칠지라도 토출되는 유체의 원심력에 의한 압력의 세기는 변하지 않는다. 또한 다단 원심 펌프의 경우, 가속됐던 유체가 다음 단으로 이동될 때 유로 안내 베인에 의해 전단에서 가속됐던 원주속도는 0 이되고 중앙부까지 회전없이 안내되어 다시 다음 임펠러의 축방향으로 흡입 되어도 전단에서 받았던 압력 에너지는 잃지 않는다. 이들의 현상은 유체가 원주 향으로 회전되는 관성은 정지되지만 그와 힘의 직각성분인 원심력에 의한 압력에너지는 세기를 잃지 않기 때문이다. 이의 현상을 이용해 유체를 원주방향으로 가속했던 동력을 저속회전 임펠러를 이용해 회수해 줄수 있고 회수시 압력의 변화를 막기 위해 유체가 반경의 역방향으로 이동되지 않도록 저속회전 임펠러일수록 반경을 약간씩 크게하고 동력의 완전한 회수를 위해 순차로 회전수를 줄이는 저속회전 임펠러의 개수를 되도록 많이 설치되도록 구성할수 있다. 만약 저속회전 임펠러의 개수가 무수히 많아 순차적으로 동력을 회수할 경우는 가속동력의 두배의 동력을 회수할수 있다. 왜냐하면 고속임펠러에서의 유체가속동력 평균점은 반경의 중점인데 반해 저속임펠러에서의 회수동력의 반경의 끝부분이 되어서 토르크가 2배 증가되는 효과가 있기 때문이다.

④ 유체가 압력에 의해 분사되면 그의 반발력의 힘이 발생한다. 만약 원통에서 원주방향에 반경의 직각방향에 분사노즐을 뚫어 유체를 분사할 경우 분사반발력에 의해 원통은 회전할려고 할 것이다. 이때 분사에 의한 압력강하가 적도록 되도록 원통의 체적을 분사노즐에 비해 대단히 크게할 경우, 분사반발력에 의한 회전력과 분사되는 유체를 회전하는 원주속도만큼 이동시키는 데 필요한 회전력 사이에는 분사반발력에 의한 회전력이 2배가 크지는 효과가 있다. 왜냐하면 ③항의 설명에서와 같은 효과가 있기 때문이다.

⑤물리학적 고찰.

유체의 비중량 : Y [KGf/m^∧3], 유체의 분사 토출량 :Q[m^∧3/s],

중력가속도:g[m/s^∧2], 유체의 밀도: p [KG/m^∧3 ]

고속 임펠러의 원통의 반경 :R[m], 고속 임펠러의 회전수 :N1[RPM],

(원주속도 V1[m])

첫 번째 저속 임펠러의 회전수 :N2[RPM](원주속도 V2)

두 번째 저속 임펠러의 회전수 :N3[RPM](원주속도 V3)

세 번째 저속 임펠러의 회전수 :N4[RPM] (원주속도 V4)

동력회수 효율 : Ψ , 펌프 효율 : φ 라 할때

고속 임펠러의 소요동력을 구하기 위해,

축방향으로 흡입되어 오는 유체를 임펠러가 원주속도 O에서 원주속도 V1[m/s] 만큼 원주방향으로 가속 시켜야 하므로 1초당 이송되는 유체의 질량을 M[KG]이라 할때 고속회전원통의 임펠러에 필요한 가속력(F1)은

F1 = 질량 * 가속도 = M*(V1-0)/1 = MV1[N] = MV1/9.8[KGf]

= Q p V1/9.8 [KGf] ,(질량 = 부피*밀도)

고속회전 임펠러에 소요되는 축동력(P1)은 ,동력 = (가속력 * 평균속도) 에서 , P1=F1*(V1+0)/2 =(Q p V1/9.8)*(V1/2) [KGF m/s]

= Q p V1^∧2/(2*9.8*102) / φ [KW] -----------------ⓐ

다음으로 유체가 고속 임펠러에서 저속 임펠러로 이동 직후 원주속도의 차에 의해서 저속 임펠러에 원주속도 감속 충격력을 주어 회수되는 동력(P2)은 충격력을 F2[KGf] 라 할때

F2= 유체의 초당 이동질량*(고속원통의 원주속도-저속원통의 원주속도)/시간

= Q p (V1-V2)/1 [N] = Q p (V1-V2)/9.8 [KGf]

그러므로 회수동력 , P2=(F2*π*2*R*N2)/(102*60)

= Ψ F2RN2/974 , ( Ψ : 동력회수 효율)

= Ψ Q p (V1-V2)RN2/(9.8*974)[KW] ---ⓑ

마찬가지로 저속 임펠러의 개수에 따라 같은 방법으로 회수동력을 계산할수 있고 저속 임펠러의 개수가 많을수록 동력 회수효율이 높아지며 마지막으로 유체의 분사 반발력을 이용한 회전력 발휘부분인 분사회전통에서의 분사 반발력은 유체의 분사속도를 v 라 할 때 Qp v[kgf] 로 정의될수 있다. 고속 임펠러에서의 유체가속 동력은 저속 임펠러에서 유체의 압력을 잃지 않은채 모두 회수되고 분사추진통에서의 회전력만 남아 장치가 계속해서 작동되도록 하는 원리이다.

2) 구성.

주요 구성품인 고속회전원통(6)과 분사추진통(1), 동력 인출축(17), 유성기어 장치(10,11,12,13)의 내측기어가 일축으로 되어 있는 상태에서 각각의 저속회전 임펠러는 고속회전 원통의 임펠러에서 원주방향으로 가해진 동력을 회수하여 유성기어 장치의 유성기어의 중점을 통해 주축에 동력을 전달하고 분사추진통의 회전력으로 작동되도록 되고 보조장치로서 속도조절장치(2,3,4), 유체에 의한 부식방지장치, 냉각장치 등이 부착되는 것으로 구성된다.

본 고안은 소용량의 기기로는 구조상 제작이 곤란 하다고 판단 되어지나 많은 동력인출을 필요로하는 경우에는 크기의 제한이 없다면 동력발생 장치로서 아주 유용하리라 여겨진다. 장래에 본고안보다 훌륭한 발명이 나올 때 까지는 본 장치로서 기술적으로 보탬이 되어지리라 여겨진다.

Claims

고속회전 원통 임펠러에 의한 유체의 구동력에 소요된 동력을 고속회전 원통의 빈공간을 이용해 압력 상승 효과를 이룩하고 저속회전 원통 임펠러에서 원주방향의 가속동력을 유체의 압력을 유지한 상태에서 동력을 회수하여 유체의 압력을 이용한 분사추진통으로 작동되도록 각종의 보조장치와 함께 구성된 유체를 이용한 동력장치.