KR200423115Y1 - 멀티 터빈휠의 축류형 냉매터빈발전기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 멀티 터빈휠의 축류형 냉매터빈발전기에 관한 것으로 보다 구체적으로는 상온에서 기체 또는 액체로 상태변화를 일으키는 냉매 가스를 사용유체로 하여 유체운동에너지를 회전동력으로 획득하여 전기를 발전하는 축류형 터빈과 영구자석식 발전기를 결합시켜 단일제품의 발전기유니트를 구성하기 위한 것으로, 축류형터빈 노즐판에서 경사각으로 사출하는 유체가 직진하는 힘으로 원반통공터빈휠 회전자를 밀어서 구동하는 작동특성이며, 직진성 유체가 흐르는 통공휠의 유로를 외곽에서부터 1차, 2차, 3차, 4차로 구분하여, 터빈하우징에 고정 설치된 노즐통공과 회전하는 원반통공터빈휠은 요(

)철(

)로 쌍으로 만나게 하면서 일정한 공극을 두고 조립하며, 독립된 통공의 유로는 1차, 2차, 3차, 4차로 반복하여 흐르게 되는 축류형 다단터빈으로 구조를 개선하므로서, 하나의 터빈에 다종의 유사한 작동유체를 이용할 수 있고, 사용유체의 열과 유체의 압력손실을 최소화하여 저압터빈의 효율을 향상시켜, 길이가 짧은 터빈에서 길이가 긴 축류형 다단터빈과 같이 강력한 회전력을 획득할 수 있게 되어서, 터빈의 크기를 줄이고, 제작비용을 크게 낮출 수 있으며, 크기가 작고 강력한 구조와 특성을 갖춘 원동기장치로 전기 발전량을 크게 높이는 멀티 터빈휠의 축류형 냉매터빈발전기를 제공한다.

멀티 터빈휠, 노즐통공, 원반 통공휠, 냉매터빈, 축류형 다단터빈

Description

멀티 터빈휠의 축류형 냉매터빈발전기{omitted}

제 1도는 본 고안품 멀티 터빈휠의 축류형 냉매터빈발전기의 세부구성으로 각 부분품의 조립특성과 사용유체 흐름을 표기한 전체계통도.

제 2도는 제 1도 전체계통에서 터빈하우징을 생략하고 노즐 통공휠과 원반통공터빈휠에 흐르는 유로의 결합상태를 표기한 단면사시도.

제 3도는 제 2도에서 상/하부 노즐 통공휠과 원반통공 터빈휠을 분리하여 각 부분의 통공 경사도와 유체흐름 특성을 설명한 계통사시도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100 : 영구자석 회전자계형 발전기

: 전원선

101 : 회전자축 102 : 영구자석 회전자계(N/S)

103 : 발전자 코일 104 : 베어링

105 : 사용유체 입구배관 106 : 사용유체 출구배관

200 : 냉매터빈발전기하우징

201 : 노즐통공판 기밀 덥개판 202 : 멀티 노즐 통공판(노즐각도 60°)

203 : 멀티 터빈휠 원반통공회전자(통공각도 90°와 45°도 통공을 결합)

301 : 1차궤도 외곽 원반통공휠 302 : 2차궤도 외곽 원반통공휠

303 : 3차궤도 외곽 원반통공휠 304 : 4차궤도 외곽 원반통공휠

본 고안은 멀티 터빈휠의 축류형 냉매터빈발전기에 관한 것으로서 보다 구체적으로는 상온에서 기체와 액체로 상태변화를 일으키면서 히트펌프의 배관계통에서 흐르고 있는 냉매가스, 에어컴프레서로 만들어지는 압축공기, 상수도의 펌프가 공급하는 각종 물 등으로 상온의 저압유체가 흐르는 운동에너지로 회전동력을 얻어서 전기를 발전하는 저압터빈발전기를 구성하는데, 특히 여름철에는 냉방, 겨울철에는 난방기로서 사용이 급증하는 히트펌프의 순환 배관계통에 흐르는 다양한 냉매운동에너지를 동력으로 활용할 수 있는 다기능 유체기기로 멀티 터빈휠의 축류형 냉매터빈발전기를 개발코자 한다.

기체나 액체로 상태가 변하면서 흐르는 유체가 순환하는 배관에서 필요한 양의 유체를 누설하지 않고 다음 단에 공급하는 목적을 그대로 수행하면서 회전동력을 획득하는 원동기로서 저압터빈과, 저압터빈의 회전동력에너지를 전기로 변환시키는 발전기 세트를 하나의 유니트로 결합시킨 멀티 터빈휠의 축류형 냉매터빈발전기를 구성할 수 있게 된 것이다.

종래에는 날개형터빈으로 회전동력을 얻어서 발전을 하는데 터빈 발전기는 화력발전소나 원자력발전소 등 초대형발전기의 원동기장치로만 인식되었고 사용유체로서 스팀압력은 최소 30Kg/㎠ 에서 100Kg/㎠ 이상의 초고압으로 높여야 고가의 날개형터빈으로 발전을 하는데 경제성이 있다고 평가되었다.

날개형터빈은 초내열, 초강도, 초경량의 소재로서 유선형의 독립된 날개를 초정밀기계가공으로 제작하였고, 고속회전체 터빈휠의 휠바란싱에 어려움이 많았으며, 날개의 손상에 따른 고장 때문에 제작비, 고장정비, 관리유지 및 운용경비가 너무 많이 들어서, 국책사업의 초대형 발전장치나 항공기의 추진엔진, 로켓엔진, 미사일 등의 군사무기체제 외에는, 터빈 생산이 어려웠다.

터빈기술개발의 100년사는 날개형터빈의 개선으로 정밀기계가공에 치중하여 초고가 제품으로 인식되었기 때문에, 일반 공장에서 난방용으로 사용하였던 보일러에 20Kg/㎠ 이하의 스팀으로 열병합 발전을 하는 것은 경제성이 없는 것으로 평가되며, 히트펌프의 냉매압력차이 10Kg나 압축공기의 압력 7Kg/㎠ 정도의 사용유체 운동에너지를 활용하는 저압터빈발전기가 없는 실정이다.

따라서, 본 고안은 상온의 저압유체인 냉매, 압축공기, 물 등이 배관계통을 통하여 그대로 흐르게 하면서 유체운동에너지를 유체기기의 회전동력으로 획득하여 전기를 생산하는 범용적인 상온의 저압터빈과 발전기를 하나의 회전자축에서 동력을 전달하는 단일 유니트로 냉매터빈발전기를 개발하는데, 유체운동으로 회전동력을 획득하는 멀티 터빈휠 통공의 가공은 회전반경을 최대로 크게 외곽에 배치토록 하여 지렛대의 원리를 응용하여 작은 유체의 운동에너지로 구동되는 터빈이 큰 회전력을 획득할 수 있게 구성하며,

터빈의 회전동력으로 구동되는 발전기는 회전반경을 작고, 안쪽에 배치하여 발전기의 출력을 높이는 구조로 제작하여 터빈과 발전기를 한축에 결합한다. 유체 가 순환하는 배관에서 필요한 양의 유체를 누설하지 않고 유체운동을 계속하면서 다단터빈과 유사한 방법으로 큰 회전력을 얻도록 1차궤도 외곽 원반통공휠에서 2차궤도. 3차궤도, 4차궤도 외곽 원반통공휠을 구동하여서, 다음 단계로 공급하는 목적을 수행하고, 회전동력을 획득하는 원동기장치인 저압터빈과, 저압터빈의 회전력을 전기로 변환시키는 발전기 세트를 하나의 유니트로 결합 구성한 멀티 터빈휠의 축류형 냉매터빈발전기를 개발한다.

본 고안제품 멀티 터빈휠의 축류형 냉매터빈발전기를 기계가공 제작한다. 기체나 액체로 상태가 변하면서 흐르는 고압가스냉매 순환배관에서 필요한 양의 유체를 누설하지 않고 다음 단에 공급하는 목적은 그대로 수행하면서 회전동력을 얻고 활용하는 저압터빈원동기와, 저압터빈의 회전동력에너지를 전기로 변환시키는 발전기 세트의 부분품을 기계가공 하여 결합시킨 멀티 터빈휠의 축류형 냉매터빈발전기를 단일 유니트로 조립 구성하는 것이다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 고안을 구성하는 대부분의 중요 부분품은 고강도, 내열성, 금속소재를 선정하여 정밀 기계가공으로 제작하게 되는데 정확한 소재선정과 제작에 필요한 기계설비는 선반, 밀링, CNC 등 일반적인 정밀가공 기계를 갖춘 공장이면 기계가공 기술자가 도면을 참조하여 능히 제작할 수 있기 때문에 세부적인 가공방법은 생략하며, 부분품을 상호 체결하는 결합 방법과 사용유체 배관에서 유체의 작동특성을 설명하고자 한다.

제 1도는 본 고안품 멀티 터빈휠의 축류형 냉매터빈발전기의 세부구성으로 각 부분품의 조립특성과 작동할 때 사용유체 흐름을 표기한 전체계통도이며,

제 2도는 제 1도 전체계통에서 터빈하우징을 생략하고 노즐 통공휠과 원반통공 터빈휠에 흐르는 유로통공의 상호결합상태를 표기한 단면사시도이고,

제 3도는 제 2도에서 상/하부 노즐 통공휠과 원반통공 터빈휠을 분리하여 각 부분의 통공 경사도와 유체흐름 특성을 간단하게 설명한 계통사시도이다.

본 고안제품은 상온의 유체를 에너지원으로 사용하기 때문에 발전장치에서 가장 큰 문제점인 발전기(100)의 발전자 코일(103)에 고열이 발생하는 것을 냉각하여 적정온도로 유지하면서, 상대적으로 사용유체는 열을 얻게 되는데, 멀티 터빈휠 원반통공회전자(203)의 유로를 교차하면서 흐르게 되는 저온의 유체는 발전기(100)에서 발생하는 열에너지와 열교환작용을 계속하게 되고, 안쪽에 배치된 발전기(100)에서 고열을 얻는 사용유체는 압력이 높아지며 압력이 높아진 유체로 구동되는 냉매터빈은 강한 동력을 획득하게 된다.

한편 냉매터빈발전기하우징(200)은 유체의 입구측과 출구측의 연결부분을 결합시켜서 유체가 순환하는 배관계통에 완전 기밀 상태로 결합하기 때문에 사용유체 입구배관(105)을 통과하여 흘러들어가는 유체는 1차궤도 원반통공휠(301) - 2차궤도 원반통공휠(302) - 3차궤도 원반통공휠(303) - 4차궤도 원반통공휠(304)의 유로를 통과하면서 화살표 방향으로 교차하여 흐르는데 양쪽단의 고정케이스에 조립된 멀티노즐통공판(202)에 60°경사로 통공된 노즐을 통해서 사출되는 유체가 직진하는 힘으로 터빈휠을 밀어서, 각 원반 통공휠 회전자를 강하게 회전시키는 축류형 다단터빈의 기계적인 구성이며,

본 고안에서는 4단계의 유로가 4차궤도로 설계되어 4단의 축류형 다단터빈 작용으로 강한 회전력을 획득하도록 구성되어 있으나 이것은 일례일 뿐이며, 터빈휠 회전자 직경의 크기와 구조에 따라서 달라질 수 있으며, 사용유체의 유량과 압력을 고려하여 원반통공 유로 궤도수는 증/감 할 수 있는 것이다.

한편 왕복운동으로 매순간 관성운동이 끊어져 에너지낭비가 큰 피스톤엔진 열기관장치에 비하여 고속회전체 터빈의 장점인 원운동의 관성 작용을 크게 이용하고, 터빈휠 회전체의 회전반경을 넓게 구성하여, 지렛대의 원리로 큰 회전력을 획득하는 대형터빈과 같이 고출력을 얻도록, 같은 규모의 터빈에서 멀티 터빈휠의 축류형 냉매터빈의 회전반경을 크게 하기 위하여 4차궤도의 유로 통공이 가공된 터빈휠 회전자를 발전기(100)의 외곽에 배치하였으며,

또한 터빈의 회전자축(101)과 직결로 연결되는 발전기(100)는 회전반경을 좁게 가공하여 터빈휠 회전자의 안쪽에 배치하여 터빈원동기 부하를 줄이고 상대적으로 발전기의 출력은 높이도록 도면에 표시된 것과 같이 중심부의 좌측 멀티노즐 통공판(202)에 발전기를 볼트로 고정하고, 발전기의 외곽으로 감싸고 있는 형태의 멀티 터빈휠 원반통공회전자(203)는 회전자축(101)과 견고히 결합되어 있으며, 회전자축(101)은 3개의 베어링(104)으로 지지되어 자유롭게 회전하므로, 멀티 터빈휠 원반통공회전자(203)의 회전력으로 영구자석회전자계(102)가 따라 돌며 발전자코일(103)에 전기가 발생되는 것이다. 한편 상온의 저압유체의 순환배관에서 필요한 양의 유체를 누설하지 않고 유체운동을 계속하면서 다단터빈과 유사한 방법으로 큰 회전력을 획득하며, 다음 단계로 필요한 양의 유체를 공급하는 목적을 수행하기 위 한 배관은;

사용유체 입구배관(105)과 사용유체 출구배관(106)의 단면적과 동일한 통공규격으로 멀티노즐 통공판(202)의 1차궤도 외곽 원반통공휠(301)에서 2차궤도 외곽 원반통공휠(302) - 3차궤도 외곽 원반통공휠 - 4차궤도 외곽원반 통공휠(304)의 각 궤도에는 다수 개 통공을 원반에 대해 90°직각의 통공과 45°경사의 통공으로 유로를 가공하여 통공 단면적의 총합을 사용유체 입구배관(105)과 사용유체 출구배관(106)의 단면적과 동일한 규격으로 제작하고, 멀티터빈휠 원반통공회전자(203)는 양쪽끝단에서 베어링(104)을 지지하고 있는 멀티노즐 통공판(202)과 적절한 공극을 유지하며 터빈휠의 유체통공은 요(

), 노즐판의 유체통공은 철(

)로 맞추어 쌍 결합의 구성으로 조립한다.

유체가 순환하는 배관에서 필요한 양의 유체를 누설하지 않고 흐르게 하며 유체운동을 다단터빈과 유사한 방법으로 큰 회전력을 얻도록 사용유체는 1차궤도 외곽 원반통공휠 - 2차궤도 외곽 원반통공휠 - 3차궤도 외곽 원반통공휠 - 4차궤도 외곽 원반통공휠을 화살표 방형으로 교차적으로 통과하여 축류형 다단터빈의 작용효과로 냉매터빈발전기를 강하게 구동할 수 있으며, 배관에 흐르는 유체를 다음 단계로 이송시키는 목적은 그대로 수행하면서, 유체 운동에너지로 회전동력을 획득하는 원동기장치로서 상온의 저압터빈과, 저압터빈의 회전력을 전기로 변환하는 발전기 세트를 하나의 유니트로 결합시킨 범용의 유체기기로 멀티 터빈휠의 축류형 냉매터빈발전기를 제작한다.

본 고안은 지금까지는 제작기술의 어려움으로 초대형 발전장치나 항공기의 첨단엔진에 사용했던 축류형 다단터빈은 열역학/유체공학의 원천 기술이다. 단일 유로 구성을 벗어날 수 없었던 날개형 터빈을, 다중 유로의 터빈휠로 원반통공형의 다단터빈을 개발하게 된 것이며, 지구상의 원동기엔진 중에서 최첨단의 축류형다단터빈 제작을 쉽게 한 것은 신에너지기술의 전환점이다.

고효율 실현했으며 제작비 감소, 안전성 향상, 휠바란싱 용이, 고장율 감소, 수명증가 등 특장점을 갖춘 고성능 유체기기를 저비용 대량생산이 가능하며, 고압가스냉매, 압축공기, 상수도 배관의 물 등 상온의 유체를 에너지원으로 활용하여 전기를 얻는 신재생에너지장치로서 고유가 원유로 고통 받고 있는 서민 경제에 가장먼저 기여하고, 한민족의 창의력에 의해 에너지문제 해결의 전환점이 되는 고안으로 멀티터빈휠의 축류형 냉매터빈 발전기를 제공한다.

Claims (1)

1. 저온의 유체를 사용하여 발전기의 발전자 코일에서 발생된 열을 냉각하고 유체는 발전기의 열을 획득할 수 있는 구조로 회전자축을 중심으로 고정된 발전기, 발전기의 외곽에서 회전하게 조립되는 멀티 터빈휠 원반통공회전자;

   입구측과 출구측을 연결하여 순환배관에 흐르는 유체로 다단터빈의 작용을 얻기 위하여 원반통공을 통과하는 유체가 교차하여 흐르도록 터빈하우징의 양단에 결합 고정된 멀티노즐 통공판과, 노즐 통공판에 60°경사로 통공된 노즐 구릅을 4단계의 궤도로 나누어 유로를 만들고 4단의 터빈휠과 쌍으로 조립하여 짧은 터빈휠회전자에서 4단으로 구성되는 축류형 다단터빈;

   사용유체 입구배관과 출구배관(106)의 단면적과 동일한 규격으로 가공되는 각 노즐의 통공규격과, 터빈휠의 통공 단면적의 합을 동일하게 4차 궤도로 구분하여 배치된 다수의 원반통공으로 구성된 멀티터빈휠 원반통공회전자;

   터빈휠 통공은 요(

   

   ), 노즐판 통공은 철(

   

   )로 쌍으로 조립된 다단터빈으로, 다양한 유체에 활용되는 멀티터빈휠의 축류형 다단터빈과 발전기가 하나의 유니트로 결합됨을 특징으로 하는 멀티 터빈휠의 축류형 냉매터빈발전기.

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