KR20030096149A

KR20030096149A - 블레이드 터빈

Info

Publication number: KR20030096149A
Application number: KR1020030082806A
Authority: KR
Inventors: 이광섭
Original assignee: 이광섭
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2003-12-24

Abstract

본 발명은 기존의 펠톤 터빈에서 사용되는 버킷(30) 대신에 블레이드(60)를 사용하는 새로운 개념의 수력터빈(이하 "블레이드 터빈"이라 칭함)에 대한 것이다. 본 발명의 주요 부분은 "축(10), 몸체(20), 블레이드(60)" 등으로 구성된다. 축(10)에 몸체(20)가 고정되고, 몸체(20)에는 다수의 블레이드(60)가 나선형으로 고정된다. 블레이드(60)는 상단부(60a) 및 하단부(60b)가 끝이 뽀족한 블레이드날(62)이 형성되는 돔모양이고, 측면에서 볼 경우에 곡선형 막대모양이다. 여기서 블레이드(60)의 상단부(60a)의 블레이드날(62) 부분에 고압수가 충돌하고, 충돌한 물은 블레이드날(62)의 양 측면으로 빠져나간다.

본 발명의 블레이드 터빈은 기존의 펠톤터빈에 비해서 블레이드와 충돌한 물의 배출이 빠르고, 다수의 노즐을 사용할 수 있으며, 유선형 블레이드로 구성되기 때문에 회전저항이 적다. 즉, 본 발명의 블레이드 터빈은 빠른 회전과 함께 고압수의 에너지를 최대한 활용할 수 있는 수력터빈이다. 따라서 본 발명의 블레이드 터빈은 기존의 펠톤터빈을 대체할 수 있는 하나의 모델이 될 수 있을 것이다.

Description

블레이드 터빈{Blade Turbine}

본 발명은 노즐을 이용하여 물의 강한 압력을 속도로 바꾸고, 빠른 속도의 물을 수차와 충돌하게 함으로서 수차를 회전시키는 수력터빈에 대한 것이다.

수차의 기본구조는 "축, 몸체, 버킷" 등으로 구성된다. 통상적으로 회전가능한 축상에 몸체가 고정되고, 몸체에 물받이가 고정된다. 여기서 버킷의 구조는 바가지 모양 혹은 물을 쉽게 받을 수 있는 구조로 구성된다. 이러한 수차의 기본구조는 고압수를 이용하는 펠톤수차에도 적용된다. 펠톤수차에서 버킷의 구조는 고압수가 버킷과 충돌한 후에 버킷의 내주면을 따라 돌아나오는 구조이다. 그리고 펠톤수차에서는 고압수를 조절할 수 있는 노즐이 사용된다.

도 1a는 펠톤터빈의 개념도이고, 도 1b는 물의 흐름을 보여주기 위한 노즐 및 버킷의 단면도이다. 펠톤터빈은 기본적으로 바가지 모양으로 버킷이 구성되는 고대의 수차와 개념적으로 유사하다. 수압관(50)을 통해서 유입되는 고압수는 노즐(60)을 통해서 버킷(30)의 내주면(30a)을 향해 분사된다. 분사된 고압수는 버킷(30)의 내주면(30a)에 형성되는 버킷날(30) 근처에 충돌하고, 버킷날을 기준으로 양측으로 내주면을 돌아서 빠져나온다. 도 1b에서 W는 고압수(Water)를 의미하며, W1과 W2는 버킷과 충돌한 후에 발생하는 물의 배출방향을 나타낸다.

이러한 펠톤터빈에는 몇 가지 문제가 있다. 첫째는 고압수가 버킷(30)의 내주면을 따라서 돌아나오기 때문에 버킷과 충돌한 물의 빠른 배출이 어렵다. 이러한 과정에서 버킷(30)과 이제 막 충돌한 물과 버킷의 내주면(30a)을 아직 빠져나가지 못한 물의 충돌이 예상된다. 따라서 아주 강력한 고압수를 사용하는 경우에 에너지 손실이 예상된다. 이러한 문제는 저속상황에서는 문제가 되지 않지만, 고속회전시에는 문제가 될 수 있다. 참고고 물받이가 고속회전하기 위해서는 물받이와 충돌한 고압수가 빨리 빠져나가는 것이 중요하다. 둘째는 버킷(30)의 내주면(30a)과 고압수를 충돌시키기 위해서 노즐(40)을 사선으로 시설해야 한다. 도 1a에서 보는 바와 같이 노즐(40)의 방향은 버킷(30)의 중심부분에서 매우 벗어난다. 따라서 버킷(30)의 바깥부분에 시설될 수 있는 노즐(40)의 수가 제한적이디. 현재 사용되고 있는 펠톤 수차의 노즐 수는 가장 많은 경우가 6개이다. 이러한 문제는 결과적으로 큰 동력의 생산을 어렵게 한다. 셋째는 버킷(30)이 바가지 모양으로 구성되기 때문에 고속회전에 어려움이 있다. 버킷(30)의 기본 구조가 폭이 넓은 바가지 모양이기 때문에 고속회전시 바람의 저항이 예상된다. 그리고 버킷(30)의 내주면(30a) 부분에는 바람의 맴돌이 현상이 나타난다. 이러한 바람의 저항은 저속상황에서는 문제가 되지 않지만, 고속상황에서는 문제가 될 수 있다.

결과적으로 펠톤 터빈은 "버킷과 충돌한 물의 빠른 배출이 어려움, 노즐수의 제한, 고속회전시 바람의 저항" 등으로 물의 에너지를 최대한 이용하는 것이 어렵다.

본 발명은 앞서 설명한 펠톤 터빈의 문제를 해결함으로서 고압수의 에너지를 최대한 활용할 수 있는 수력터빈을 제공하고자 한다.

이를 위해서 본 발명은 수력터빈의 기본구조에서 기존의 버킷 대신에 블레이드를 사용하였다. 본 발명의 블레이드는 상단부 및 하단부의 중앙 부분에 블레이드날이 형성되는 돔모양이며, 측면에서 볼 경우에 곡선형 막대모양이 된다. 여기서 블레이드의 하단부는 블레이드날이 없는 유선형으로 대체할 수 있다. 다수의 블레이드를 몸체에 고정할 경우에 블레이드가 곡선형 막대모양이기 때문에 전체적 모양이 나선형이다.

본 발명의 블레이드 터빈은 고압수가 블레이드 상단부와 충돌한 후에 곧바로 좌우측면으로 빠르게 빠져나간다. 따라서 기존의 펠톤 터빈에서 보이는 먼저 충돌한 물과 뒤따라오는 고압수의 충돌현상이 상대적으로 적다. 그리고 본 발명의 블레이드 터빈에서 블레이드가 나선형으로 몸체에 고정되고, 블레이드의 상단부에 고압수가 충돌하는 방식이다. 여기서 노즐의 방향은 펠톤 수차의 노즐보다 축의 중심으로 향한다. 따라서 블레이드 터빈은 기존의 펠톤 터빈보다 다수의 노즐을 시설할 수 있다. 그리고 블레이드 터빈의 블레이드는 유선형의 막대모양으로 구성되기 때문에 회전저항이 적다. 따라서 본 블레이드 터빈은 펠톤 터빈보다 고속회전이 가능하다. 기존의 펠톤 터빈과 본 블레이드 터빈의 차이는 다음과 같다.

기존의 펠톤 터빈의 버킷이 내주면에 음각홈이 형성되는 바가지 모양이라면, 본 블레이드는 대략 상단부 및 하단부가 양각으로 구성되는 돔 모양이다. 펠톤 터빈에서 고압수가 버킷의 내주면과 충돌하면서 양측으로 돌아나오는 방식이라면, 본 블레이드 터빈에서는 고압수가 블레이드 상단부와 충돌하면서 양측으로 빠져나가는 방식이다. 기본의 펠톤 터빈이 버킷과 고압수의 충돌시 에너지를 최대화하는데 초점을 맞추었다면, 본 블레이드 터빈은 블레이드와 충돌한 고압수의 빠른 배출에 초점을 맞추고 있다.

결과적으로 본 발명의 블레이드 터빈은 다수의 노즐사용과 함께 고속회전이 가능하다.

도 1a 내지 도 1b는 기존 펠톤 터빈의 개념도

도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 블레이드 터빈의 개념도

도 3은 본 발명의 블레이드의 사시도

도 4는 본 발명의 블레이드의 평면도

도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 블레이드의 단면도

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10. 축 20. 몸체 30. 버킷

30a. 내주면 30b. 외주면 31. 고정수단

32. 버킷날 40. 노즐 50. 수압관

60. 블레이드 60a. 상단부 60b. 하단부

60c. 고정부 61. 고정수단 62. 블레이드날

이하 첨부된 도면에 의해 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2a는 본 발명의 블레이드 터빈의 개념도이고, 도 2b는 물의 흐름을 보여주기 위한 노즐 및 블레이드 부분의 단면도이다. 도 2b에서 W는 고압수(Water)를 의미하며, W1과 W2는 블레이드와 충돌한 후의 물의 배출방향을 나타낸다. 도 3은 본 발명의 블레이드의 사시도이고, 도 4는 블레이드의 평면도이고, 도 5a는 도 4의 A-A'면을 절개한 단면도이고, 도 5b는 도 4의 B-B'를 절개한 단면도이다. 도 3 내지 도 4에서 D는 고압수와 충돌하는 블레이드 부분을 대략적으로 나타낸 것이다.

본 발명의 주요 부분은 "회전가능한 축(10), 축에 고정되는 몸체(20), 몸체에 고정되는 다수의 블레이드(60)" 등으로 구성된다. 상기 구성요소들은 일체형으로 혹은 조립/분해가 가능한 분리형으로 만들 수 있다. 볼 발명의 핵심이 되는 블레이드(60)는 측면에서 보는 경우에 상단부(60a) 및 하단부(60b)에 블레이드날(62, 62')이 형성되는 곡선형의 유선형 막대모양이다. 그리고 도 5a 내지 도 5b에서 보는 바와 같이 블레이드(60)를 단면으로 보는 경우에 상단부(60a) 및 하단부(60b)에 블레이드날(62, 62')이 형성되는 돔모양이다. 여기서 블레이드(60)의 하단부(60b)는 블레이드날(62')이 없는 다른 유선형 모양으로 구성할 수 있다. 그리고 다수의 블레이드(60)를 몸체(20)에 고정하는데, 블레이드가 곡선형이기 때문에 다수의 블레이드가 배치된 전체적 모양은 나선형이 된다. 그리고 블레이드(60)의 바깥 부분에는 다수의 노즐(40)이 시설되는데, 본 발명의 극대화를 위해서 펠톤 터빈에서 노즐수보다 많이 시설하는 것이 바람직하다.

동력발생과정은 수압관(50)에서 유입되는 압력수는 노즐(40)을 통해서 블레이드(60)의 상단부(60a)를 향해서 분사된다. 도 2b에서 보는 바와 같이 분사된 고압수(W)는 대략 블레이드날(62) 근처에 충돌한 후에 좌우측면(W1, W2)으로 빠져나간다.

본 발명의 블레이드 터빈은 "블레이드와 충돌한 물의 빠른 배출, 많은 노즐의 사용, 바람에 의한 회전저항의 감소" 등으로 보다 큰 에너지를 생산할 수 있다. 따라서 기존의 펠톤 터빈을 대체하는 하나의 모델이 될 수 있을 것이다.

Claims

회전가능한 축(10);

축(10)에 고정되는 몸체(20);

몸체(20)에 고정되는 다수의 버킷(30);

버킷(30)의 바깥 부분에 시설되는, 고압수를 조절하는 노즐(40); 등으로 구성되는 수차에서, 상기 버킷(30) 대신에,

상단부(60a) 및 하단부(60b)가 중앙부분에 블레이드날(62, 62')이 형성되는 돔모양으로 구성되는; 곡선형 막대모양의 블레이드(60)를 사용함으로서,

노즐(40)의 고압수가 블레이드(60)의 상단부(60a) 블레이드날(62) 부분(D)에 충돌함으로서 터빈이 회전하는 블레이드 터빈
청구항 1에서, 블레이드(60)의 하단부(60b)가 블레이드날(62')이 없는 유선형으로 구성되는 블레이드 터빈