KR20060134507A

KR20060134507A - 회전익 날개 끝 간극유동 손실 방지용 임펄스 터빈

Info

Publication number: KR20060134507A
Application number: KR1020050054238A
Authority: KR
Inventors: 김기섭; 홍석원; 이영연; 현범수
Original assignee: 한국해양연구원
Priority date: 2005-06-23
Filing date: 2005-06-23
Publication date: 2006-12-28
Also published as: JP2008546947A; GB0724405D0; GB2441270A; WO2006137696A1; KR100720909B1; GB2441270B

Abstract

본 발명은 임펄스터빈의 회전부인 로터의 성능향상에 관한 것으로서, 일실시예로서 더욱 상세하게는, 원형 덕트내의 일측에 덕트홈이 형성되며, 상기 덕트의 중심축에 제1고정축의 외주연에 다수개의 제1고정익을 형성하는 제1고정익부가 위치하며, 상기 제1고정익부의 일측에 접하며, 상기 덕트의 중심축에 회전축의 외주연에 다수개의 회전익을 형성하는 회전익부가 위치하며, 상기 회전익부의 일측에 접하며, 상기 덕트의 중심축에 제2고정축의 외주연에 다수개의 제2고정익을 형성하는 제2고정익부가 위치하며, 상기 덕트홈에 대응되도록 형성되며, 회전익의 외주연의 끝단에 실린더형상의 너비링이 부착되도록 이루어 진 회전익 날개 끝 간극유동 손실 방지용 임펄스 터빈에 관한 것이다.

종래의 임펄스 터빈의 회전익은 덕트내에서 회전운동시에 회전익의 끝단에 유동간극을 가지게 되며, 이러한 유동간극을 통하여 유동유체가 누출되어 효율의 저감을 발생되는 것이다.

본 발명에서는 이를 해결하기 위하여 덕트내에 임펄스터빈의 회전익에 대응되는 덕트홈을 형성하여, 회전익을 덕트 내부로 삽입시켜 유동간극을 최소화하여 임펄스터빈의 효율의 증가를 제공하는 임펄스터빈을 제공하고자 하는 것이다.

임펄스 터빈, 회전익, 고정익, 간극유동, 효율

Description

회전익 날개 끝 간극유동 손실 방지용 임펄스 터빈{IMPULSE TURBINE WITH ROTOR BLADE FOR PREVENTION AGAINST CLEARANCE FLOW LOSS}

도 1은 진동수주형 챔버(Oscillating Water Column)를 이용한 파력발전장치도.

도 2는 종래의 파력발전용 임펄스 터빈을 나타낸 개략도.

도 3은 본 발명에 따른 제1실시예를 나타낸 개략도.

도 4는 본 발명에 따른 제2실시예를 나타낸 개략도.

도 5는 본 발명에 따른 제3실시예를 나타낸 개략도.

도 6은 본 발명에 따른 제4실시예를 나타낸 개략도.

도 7은 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예에 따른 너비링을

나타낸 사시도.

도 8은 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예에 따른 너비링이 장착된 사시도

도 9는 본 발명에 따른 고정익부를 나타낸 개략도.

도 10은 본 발명에 따른 날개판을 나타낸 개략도.

도 11은 종래의 터빈과 본 발명에 따른 실시예에 의한 유선을 나타낸

시뮬레이션 결과도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 덕트 2: 제1고정익, 제2고정익,고정익

3: 회전익 4: 회전축

5: 제1고정축, 제2고정축, 고정축 6:덕트홈

7: 너비링 8:날개판

9:제1고정익부 10:제2고정익부

11: 회전익부

12 : 입력파 수면 13: 진동수주형 챔버내 수면

14 : 진동수주형 챔버(Oscillating Water Column)

15 : 공기유동 16: 임펄스터빈

본 발명은 임펄스터빈의 회전부인 로터의 성능향상에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 원형 덕트내의 일측에 덕트홈이 형성되며, 상기 덕트의 중심축에 제1고정축의 외주연에 다수개의 제1고정익을 형성하는 제1고정익부가 위치하며, 상기 제1고정익부의 일측에 접하며, 상기 덕트의 중심축에 회전축의 외주연에 다수개의 회전익을 형성하는 회전익부가 위치하며, 상기 회전익부의 일측에 접하며, 상기 덕트의 중심축에 제2고정축의 외주연에 다수개의 제2고정익을 형성하는 제2고정익부가 위치하며, 상기 덕트홈에 대응되도록 형성되며, 회전익의 외주연의 끝단에 형성된 너비링이 부착되도록 이루어 진 회전익 날개 끝 간극유동 손실 방지용 임펄스 터빈에 관한 것이다.

도 1은 진동수주형 챔버(Oscillating Water Column)를 이용한 파력발전장치도로서, 통상의 입력파 수면(12)이 형성되는 일면에 진동수주형 챔버(14)가 형성되며, 상기 챔버(14)에 의하여 그 내부에는 진동수주형 챔버내의 수면(13)이 발생되는 것이다.

상기 진동수주형 챔버내의 수면(13)의 일측 상단에 임펄스터빈(16)이 장착됨으로 인하여 수면(13)의 수위상승변화에 의하여 임펄스터빈(16)이 회전하며, 파랑의 에너지로부터 사용가능한 기계적 혹인 전기적 에너지를 추출해내는 장치로서 보통 1차 변환장치와 2차 변화장치로 나누어진다. 1차 변환장치는 파랑에너지를 공기에너지로 바꾸어 주는 장치로서 진동수주형챔버(OWC, Oscillating Water Column)를 일컫는다.

2차 변환장치는 공기에너지를 전기적 에너지로 바꾸어주는 터빈과 발전기를 의미한다. 본 발명에서는 이 파력발전 장치 중 터빈의 효율향상을 위한 로터의 형상개선에 대한 내용을 다룬다.

임펄스 터빈 이전에 파력발전용 장치로 널리 사용되던 Wells터빈은 익형의 날개로 양력을 이용하므로 이에 따른 항력에 의하여 구동축의 베어링에 큰 부하를 발생시키고, 고효율을 이용할 수 있는 작동영역이 작고, 작동영역에서 로터가 고회전하여 이에 따른 소음발생이 심하며, 스톨현상에 의한 급격한 효율저감이 생기고, 초기 기동의 문제로 인하여 보조 전동기를 필요로 하는 문제들이 있었다. 이를 극 복하기 위한 장치로서 지난 10여 년 동안 일본과 아일랜드 등지에서 임펄스 터빈이 연구되어 왔으며, 인도에는 1.0m 크기의 실해역 발전장치가 설치되기도 하였다.

도 2는 도 1의 파랑발전장치등에 많이 사용되는 종래의 파력발전용 임펄스 터빈을 나타낸 개략도로서, 진동수주형챔버(OWC)에서 압축된 공기는 도 2의 덕트(1)와 회전축(4)과 고정축(5)사이로 유입되고 이는 고정익(2)을 통하면서 공기유동의 직진성분이 회전성분으로 바뀌게 된다. 회전성분의 공기는 회전익(3)과 충돌하며, 그 반대급부로 로터는 충돌에너지를 얻어서 회전력을 얻는다. 회전익은 회전하는 부분이므로 어떤 가공을 하더라도 회전익의 날개 끝 부분과 덕트 사이에는 간극이 발생하게 되며, 이 간극을 통하여 회전익 날개면과 충돌해야 하는 공기가 누출되어 회전익에 가해지는 에너지가 감소한다.

이렇게 충동형 형태의 터빈을 사용하여 Wells 터빈에서 발생하던 단점을 극복하게 되었다. 터빈의 고정익은 공기의 운동방향을 바꾸어 주는 동시에 터빈의 지지를 위해 사용되므로 고정되어 있다. 그러나 회전익은 회전운동을 하는 장치로서 제조상의 한계에 의하여 회전익 날개의 끝 부분은 일정한 간극을 가지게 된다. 기존의 연구에서는 이 회전익 날개 끝 간극의 영향을 알아보고, 이를 줄이기 위한 노력을 하였다.

일펄스 터빈의 고정익과 회전익의 형상에 대한 연구로는 일본 사가대학의 T. Setoguchi 교수가 많은 업적을 가지고 있다. 초기 효율 극대화를 위하여 고정익도 고정이 아니라 유동의 방향에 따라서 회전익의 앞쪽에서는 노즐의 역할을 하고, 회전익의 뒤쪽에 놓일 때는 디퓨저의 역할을 하도록 하여, 고정익의 체계적인 형상변 화 연구를 수행하였고, 회전익의 형상 또한 체계적인 변화에 의하여 최적화를 수행하였다. 이와 함께 고정익의 운동을 회전익 앞뒤에서 동기화시키기 위하여 링크도 고안하였다. 그러나 이런 효율 향상 노력에도 불구하고 움직이는 고정익은 계속되는 작동에 의하여 고장의 원인이 되었다. 그 후로는 고정익을 고정하여 효율은 감소하더라도 유지보수를 줄여서 안정적인 발전을 수행하도록 하였다. 이런 개발단계를 거치면서 고정익과 회전익의 형상 및 위치와 각각의 개수에 대한 최적화 과정을 모형시험을 통하여 수행하였다.

이런 최적화 과정을 거친 임펄스 터빈은 좋은 성능을 보이고 있으나 회전익 날개 끝 간극에서의 공기의 누출에 대한 문제는 간극을 줄이는 방법 이외에는 그 대안을 마련하지 못하고 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 임펄스 터빈의 회전익 날개 끝과 덕트 사이의 간극에 의하여 공기가 누출되어 날개의 압력면에서의 압력손실에 의하여 발전기 축에 가해지는 토크 감소를 방지하기 위하여 회전익 끝단에 너비링을 덧대서 회전익 끝에서 발생하는 공기의 누출을 막아 임펄스 터빈의 효율 증가를 꽤하는 회전익 날개 끝 간극유동 손실 방지용 임펄스 터빈을 제공하는 데 있다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명은 회전익 날개 끝 간극유동 손실 방지용 임펄스 터빈으로서, 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 제1실시예를 나타낸 개략도로서, 원형 덕트(1)내의 일측에 덕트홈(6)이 형성되며, 상기 덕트(1)의 중심축에 제1고정축(5)의 외주연에 다수개의 제1고정익(2)을 형성하는 제1고정익부(9)가 위치하며, 상기 제1고정익부(9)의 일측에 접하며, 상기 덕트(1)의 중심축에 회전축(4)의 외주연에 다수개의 회전익(3)을 형성하는 회전익부(11)가 위치하며, 상기 회전익부(11)의 일측에 접하며, 상기 덕트(1)의 중심축에 제2고정축(5)의 외주연에 다수개의 제2고정익(2)을 형성하는 제2고정익부(10)가 위치하며, 상기 덕트홈(6)에 대응되도록 형성되며, 회전익(3)의 외주연의 끝단의 너비의 동일한 크기로 형성된 실린더형상의 너비링(7)이 부착되도록 이루어 진 것이다.

도 7은 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예에 따른 너비링을 나타낸 사시도이며, 도 8은 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예에 따른 너비링을 나타낸 평면도로서, 회전익의 외주연에 실린더 형상의 링 형상의 너비링이 부착된 것을 더욱 상세히 나타낸 것으로서, 이는 본 발명의 일실시예 따라 실린더 형태의 너비링이 회전익 끝단에 부착되며, 상기 너비링은 덕트의 일측에 형성된 덕트홈에 대응되어 삽입되어 회전하도록 형성된 개략도이다.

본 발명의 제1실시예에서는 회전익 끝단에 부착된 실린더형 링이 덕트의 일측 내주연에 형성된 덕트홈내부에 삽입되도록 하여 너비링과 덕트 사이의 간극에 의한 공기의 누출을 막고, 덕트 벽면에서의 유동 박리를 최소한으로 감소하고자 하는 것이다.

실린더 형태의 링으로 이루어진 너비링이 회전익 끝단에 부착되면 회전익에 서 발생한 공기의 회전에너지는 회전익 끝을 통하여 유동간극손실이 없기 때문에 향상된 터빈효율을 갖는다.

도 4는 본 발명에 따른 제2실시예를 나타낸 개략도로서, 상기 제1실시예의 실린더 형상의 너비링은 회전익 끝단의 너비크기와 동일하며, 이를 변형한 제2실시예의 너비링(7)은 회전익(3)의 외주연의 끝단의 너비보다 크도록 형성되어 부착되도록 이루어 진 것이다.

본 발명은 상기 제1실시예를 변형하여 제3실시예 및 제4실시예의 개략도에 보는 바와 같이. 회전익의 끝단에 실린더형 링이 아닌 회전익 각각의 끝단에 개별로 판을 덧대는 형태로서 날개판을 부착하여 유체의 누출을 막는 임펄스 터빈을 도 5 및 도 6에 보는바와 같이 제공하고자 한다.

도 5는 본 발명에 따른 제3실시예를 나타낸 개략도로서, 원형 덕트(1)의 중심축에 제1고정축(5)의 외주연에 다수개의 제1고정익(2)을 형성하는 제1고정익부(9)가 위치하며, 상기 제1고정익부(9)의 일측에 접하며, 상기 덕트(1)의 중심축에 회전축(4)의 외주연에 다수개의 회전익(3)을 형성하는 회전익부(11)가 위치하며, 상기 회전익부(11)의 일측에 접하며, 상기 덕트(1)의 중심축에 제2고정축(5)의 외주연에 다수개의 제2고정익(2)을 형성하는 제2고정익부(10)가 위치하며, 상기 회전익부(11)의 개개의 회전익(3)의 끝단에 상기 회전익(3)의 크기보다 크도록 형성된 날개판(8)이 부착되어 이루어 진 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 제4실시예를 나타낸 개략도로서, 원형 덕트(1)내의 일측에 덕트홈(6)이 형성되며 상기 덕트(1)의 중심축에 제1고정축(5)의 외주연에 다수개의 제1고정익(2)을 형성하는 제1고정익부(9)가 위치하며, 상기 제1고정익부(9)의 일측에 접하며, 상기 덕트(1)의 중심축에 회전축(4)의 외주연에 다수개의 회전익(3)을 형성하는 회전익부(11)가 위치하며, 상기 회전익부(11)의 일측에 접하며, 상기 덕트(1)의 중심축에 제2고정축(5)의 외주연에 다수개의 제2고정익(2)을 형성하는 제2고정익부(10)가 위치하며, 상기 회전익부(11)의 개개의 회전익(3)의 끝단에 상기 회전익(3)의 형상과 같은 크기로 형성된 날개판(8)이 덕트홈(6)에 대응되도록 부착되어 이루어 진 것이다.

이는 회전축의 외주연에 다수개로 형성된 개개의 회전익 끝단에 각각의 날개판을 부착하고, 상기 날개판은 덕트내주연에 형성된 덕트홈에 삽입되는 구성으로서, 회전익의 회전운동시에 회전익과 덕트 내주연사이의 간극에서 발생되는 유동손실을 최소화하여 터빈효율을 증가하고자 하는 것이다.

도 10은 본 발명에 따른 날개판를 나타낸 개략도에 보는 바와 같이, 제4실시예에서는 개개의 회전익 끝단에 각각의 날개판을 부착하고, 상기 날개판은 덕트홈이 형성되지 않은 통상의 덕트내주연 내에서 회전익의 회전운동과 함께 회전운동하면서 회전익과 덕트 내주연사이의 간극에서 발생되는 유동손실을 최소화하여 터빈효율을 증가하고자 하는 것이다.

도 9는 본 발명에 따른 고정익부를 나타낸 개략도로서, 상기 제1실시예 내지 제4실시예의 제1고정익 및 제2고정익(2)의 유출각은 유입각에 비하여 회전익의 회 전운동 방향으로 경사지도록 형성되는 것이다. 이는 회전익의 회전운동과 함께 회전익과 인접한 회전익사이로 유입되어 유출되는 유체의 유선이 회전방향으로 소정의 경사각도로서 경사지게 이루어지기 때문에, 상기 경사각도에 대응되는 경사각도로서 고정익이 이루어짐으로 인하여, 유동손실이 최소화하여 터빈효율을 증가하기 위한 것이다.

더 나아가, 회전익의 회전운동으로 인하여 회전익으로 유입되는 유체의 유입각도와 유출되는 유출각도는 각각 다르게 형성되기 때문에, 상기 제1고정익 및 제2고정익(2)의 각각의 유출각은 서로 상이하도록 형성하여, 유체효율을 증가하도록 하기 위한 것이다.

도 11은 종래의 터빈과 본 발명에 따른 실시예에 의한 유선을 나타낸 시뮬레이션 결과도로서, 좌측은 종래기술이며, 우측은 본 발명에 의한 회전익의 회전운동에 의한 유선특성을 컴퓨퍼시뮬레이션으로 나타낸 결과도이다. 도 11에 보는바와 같이, 종래기술에서는 유동간극손실이 매우 크다는 것을 알 수 있으며, 본 발명에서는 유동간극손실이 상대적으로 매우 감소되어 있음을 알 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 의한 회전익 날개 끝 간극유동 손실 방지용 임펄스 터빈은 회전익 끝단의 간극을 통한 유체의 누출에 의하여 회전익에서의 압력 감소를 막아 유체효율을 증가하는 임펄스 터빈을 제공하고자 하는 것이다.

Claims

원형 덕트(1)내의 일측에 덕트홈(6)이 형성되며, 상기 덕트(1)의 중심축에 제1고정축(5)의 외주연에 다수개의 제1고정익(2)을 형성하는 제1고정익부(9)가 위치하며, 상기 제1고정익부(9)의 일측에 접하며, 상기 덕트(1)의 중심축에 회전축(4)의 외주연에 다수개의 회전익(3)을 형성하는 회전익부(11)가 위치하며, 상기 회전익부(11)의 일측에 접하며, 상기 덕트(1)의 중심축에 제2고정축(5)의 외주연에 다수개의 제2고정익(2)을 형성하는 제2고정익부(10)가 위치하며, 상기 덕트홈(6)에 대응되도록 형성되며, 회전익(3)의 외주연의 끝단의 너비의 동일한 크기로 형성된 실린더형상의 너비링(7)이 부착되도록 이루어 진 것을 특징으로 하는 회전익 날개 끝 간극유동 손실 방지용 임펄스 터빈.
제1항에 있어서,

상기 너비링(7)은 회전익(3)의 외주연의 끝단의 너비보다 크도록 형성되어 부착되도록 이루어 진 것을 특징으로 하는 회전익 날개 끝 간극유동 손실 방지용 임펄스 터빈.
원형 덕트(1)내의 일측에 덕트홈(6)이 형성되며 상기 덕트(1)의 중심축에 제1고정축(5)의 외주연에 다수개의 제1고정익(2)을 형성하는 제1고정익부(9)가 위치하며, 상기 제1고정익부(9)의 일측에 접하며, 상기 덕트(1)의 중심축에 회전축(4) 의 외주연에 다수개의 회전익(3)을 형성하는 회전익부(11)가 위치하며, 상기 회전익부(11)의 일측에 접하며, 상기 덕트(1)의 중심축에 제2고정축(5)의 외주연에 다수개의 제2고정익(2)을 형성하는 제2고정익부(10)가 위치하며, 상기 회전익부(11)의 개개의 회전익(3)의 끝단에 상기 회전익(3)과 같은 크기로 형성된 날개판(8)이 덕트홈(6)에 대응되도록 부착되어 이루어 진 것을 특징으로 하는 회전익 날개 끝 간극유동 손실 방지용 임펄스 터빈.
원형 덕트(1)내의 일측에 덕트홈(6)이 형성되며 상기 덕트(1)의 중심축에 제1고정축(5)의 외주연에 다수개의 제1고정익(2)을 형성하는 제1고정익부(9)가 위치하며, 상기 제1고정익부(9)의 일측에 접하며, 상기 덕트(1)의 중심축에 회전축(4)의 외주연에 다수개의 회전익(3)을 형성하는 회전익부(11)가 위치하며, 상기 회전익부(11)의 일측에 접하며, 상기 덕트(1)의 중심축에 제2고정축(5)의 외주연에 다수개의 제2고정익(2)을 형성하는 제2고정익부(10)가 위치하며, 상기 회전익부(11)의 개개의 회전익(3)의 끝단에 상기 회전익(3)의 형상과 같은 크기로 형성된 날개판(8)이 덕트홈(6)에 대응되도록 부착되어 이루어 진 것을 특징으로 하는 회전익 날개 끝 간극유동 손실 방지용 임펄스 터빈.
제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1고정익 및 제2고정익(2)의 유출각은 유입각에 비하여 회전익의 회전운동 방향으로 경사진 것을 특징으로 하는 회전익 날개 끝 간극유동 손실 방지용 임펄스 터빈.
제5항에 있어서,

상기 제1고정익 및 제2고정익(2)의 각각의 유출각은 서로 상이하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 회전익 날개 끝 간극유동 손실 방지용 임펄스 터빈.