KR20090111884A

KR20090111884A - 마이크로 터빈장치

Info

Publication number: KR20090111884A
Application number: KR1020070078523A
Authority: KR
Inventors: 엄준석
Original assignee: 엄준석
Priority date: 2007-08-06
Filing date: 2007-08-06
Publication date: 2009-10-28

Abstract

본 발명은 마이크로 터빈장치에 관한 것으로서, 그 주요 구성은 몸체부와, 유체공급원으로부터 공급되는 작동유체를 상기 몸체부의 내부에 형성된 관로로 유입시키기 위한 유입구와, 상기 유입구를 통해 유입된 작동유체를 외부로 토출하기 위한 유출구로 이루어진 유체주입구; 상기 유체주입구의 외주에 회전 가능하게 설치되며, 그 내부에는 작동유체를 수용할 수 있도록 수용공간이 형성되고, 외주 벽체에는 다수의 분사구가 경사지게 형성되어, 상기 유체주입구를 통하여 내부의 수용공간에 유입된 작동유체가 외주 벽체에 형성된 분사구를 통하여 외부로 분사될 때에 발생하는 추진력에 의해 회전되게 되는 드럼; 상기 드럼을 상기 유체주입구 외주에 끼워진 상태로 회전되도록 하는 회전 지지수단; 및 상기 드럼의 통공이 형성된 면과는 반대되는 쪽의 단부 중앙에서 상기 드럼의 외측으로 연장되어 형성되는 회전축;으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하며, 위와 같은 구성에 따르면 회전 구동원의 제작 및 조립, 설치를 용이하게 할 수 있으면서 회전 구동원의 소형화를 이룰 수 있게 된다.

터빈, 작동유체, 분사, 드럼, 회전

Description

마이크로 터빈장치{Micro-turbine device}

본 발명은 마이크로 터빈장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 히트펌프의 배관계통에서 흐르고 있는 냉매가스, 에어컴프레서로 만들어지는 압축공기, 또는 상수도의 펌프가 공급하는 물 등 상온의 유체가 가진 유동 에너지를 강체의 운동 에너지로 전환하여 강체로부터 회전 동력을 얻을 수 있도록 한 마이크로 터빈장치에 관한 것이다.

통상적으로 터빈이란 물, 가스, 또는 증기 등의 유체가 가지는 유동 에너지를 강체의 운동 에너지로 전환하여 유용한 일을 만들어 내는 기계를 통틀어 말한다. 이러한 터빈은 출력 용량에 따라 수백 ㎾의 소형에서부터 수백 ㎿의 대형까지 용량이 다양한데, 흔히 터빈이라 하면 대용량의 터빈을 이르며, 이 대용량 터빈은 대부분 날개형으로서, 작동유체의 충격을 회전운동으로 전환하여 동력을 얻도록 되어 있으며, 화력발전소나 원자력발전소 등 초대형 발전기의 원동기로 널리 사용된다. 또한, 이러한 대형 터빈은 작동유체인 증기의 압력이 최소 30㎏/㎠에서 100㎏/㎠ 이상의 초고압은 되어야 발전하는데 경제성이 있는 것으로 알려져 있으며, 초내열, 초강도, 초경량의 소재로서 초정밀가공으로 제작해야 하기 때문에 초고가이므 로, 일반 공장이나 가정에서 사용이 불가하다.

뿐만 아니라, 위와 같은 종래의 대형 터빈은 대형화에 중점을 둔 것으로, 수백 ㎾급으로 소형화시킬 경우 회전토크가 낮아지고, 출력 효율이 떨어지며, 설계기간과 비용이 높아지고, 가공시간이 길어지는 등 제작 상의 곤란이 따르는 문제점이 있었다.

본 발명은 위와 같은 종래의 소형화된 터빈이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 회전 구조를 단순화시켜 제작을 용이하게 하고, 이에 따른 제작비용 및 유지보수 비용을 절감할 수 있는 터빈장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 소형화로 인해 저하된 회전토크와 이로 인한 출력 및 효율 감소를 보완할 수 있는 고출력, 고효율을 갖는 터빈장치를 제공하는 데 또 다른 목적이 있다.

따라서, 본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위해, 내부에 관로가 형성되어 있는 몸체부와, 상기 몸체부의 일측에 형성되어 유체공급원으로부터 공급되는 작동유체를 상기 몸체부의 내부에 형성된 관로로 유입시키기 위한 유입구와, 상기 유입구와 이격져서 상기 몸체부에 형성되어 상기 유입구를 통해 상기 몸체부의 관로에 유입된 작동유체를 상기 몸체부의 외부로 토출하기 위한 유출구로 이루어진 유체주입구; 상기 유체주입구의 외주에 회전 가능하게 설치되며, 그 내부에는 작동유체를 수용할 수 있도록 수용공간이 형성되고, 상단부 중앙에는 상기 유체주입구를 삽입할 수 있도록 통공이 형성되며, 외주 벽체에는 다수의 분사구가 경사지게 형성되어, 상기 유체주입구를 통하여 내부의 수용공간에 유입된 작동유체가 외주 벽체에 형성된 분사구를 통하여 외부로 분사될 때에 발생하는 추진력에 의해 회전되게 되는 드럼; 상기 드럼의 통공 내주벽과 상기 유체주입구의 외주 사이에 설치되어 상기 드럼이 상기 유체주입구의 외주에 끼워진 상태로 회전되도록 하기 위한 회전 지지수단; 및 상기 드럼의 통공이 형성된 면과는 반대되는 쪽의 단부 중앙에서 상기 드럼의 외측으로 연장되어 형성되는 회전축;으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 터빈장치를 제공한다.

본 발명의 마이크로 터빈장치에 의하면, 인접한 설비나 장치에서 버려지는 고압의 작동유체가 갖는 운동에너지를 터빈 역할을 하는 드럼의 내부에 공급하고, 이를 외부로 분사할 때 발생하는 추진력에 의해 드럼을 회전시키는 간단한 구조를 통해 드럼에 직결된 회전축을 구동시켜 원하는 회전력을 얻도록 되어 있으므로, 회전 구동원의 제작을 용이하고, 설치를 간편하게 할 수 있을 뿐 아니라, 그 제작 및 유지보수 비용을 크게 절감할 수 있게 된다.

또한, 회전토크나 출력을 크게 떨어뜨리지 않으면서도 회전 구동원의 소형화를 달성할 수 있게 되므로, 터빈장치의 크기 대비 출력효율을 대폭 향상시킬 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 터빈장치를 첨부 도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 유체의 유동 에너지를 강체의 운동 에너지로 전환하는 마이크로 터빈장치는 도 1에 도면부호 1로 도시된 바와 같이, 본 발명의 가장 기본적인 형태로서, 유체주입구(10)와, 드럼(20)과, 회전 지지수단과, 회전축(40)으로 이루어져 있다.

여기에서, 먼저 상기 유체주입구(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 유체공급라인(4)을 통해 유체공급원(3)과 연결되어 상기 유체공급원(3)으로부터 공급되는 작동유체를 후술하는 드럼(20) 내부로 토출하기 위한 부분으로서, 내부에 유체가 흐를 수 있는 관로(15)가 형성되어 있는 몸체부(18)와, 상기 몸체부(18)의 일측에 형성되어 유체공급원(3)으로부터 공급되는 작동유체를 상기 몸체부(18)의 내부에 형성된 관로(15)로 유입시키기 위한 유입구(16)와, 상기 유입구(16)와 이격져서 상기 몸체부(18)에 형성되어 상기 유입구(16)를 통해 상기 몸체부(18)의 관로(15)에 유입된 작동유체를 상기 몸체부(18)의 외부로 토출하기 위한 유출구(17)로 이루어진다.

여기서, 상기 유체주입구(10)는 도 1 및 도 3에 은선으로 도시된 지지프레임(2)에 결합시켜 터빈 장치(1) 전체를 임의의 장소나 장치에 고정할 수 있으며, 이 경우 상기 몸체부(18) 외주부에 형성한 수나사부(19) 등과 같은 다양한 체결수단에 의해 상기 몸체부(18)를 지지프레임(2)에 결합되도록 할 수 있다.

상기 드럼(20)은 상기 유체주입구(10)의 외주에 후술하는 회전 지지수단을 개재하여 회전 가능하게 설치되며, 그 내부에는 작동유체를 수용할 수 있도록 수용공간(25)이 형성되어 있고, 상단부 중앙에는 상기 유체주입구(10)를 삽입할 수 있도록 통공(23)이 형성되며, 외주 벽체에는 다수의 분사구(30)가 형성되어, 상기 유체주입구(10)를 통하여 내부의 수용공간(25)에 작동유체가 유입되었을 때, 유입된 작동유체가 외주 벽체에 형성된 분사구(30)를 통하여 외부로 분사 시에 발생하는 추진력에 의해 회전되게 된다.

이때, 유체주입구(10)를 통해 드럼(20) 안으로 주입된 작동유체를 드럼(20) 밖으로 토출시키는 분사구(30)는 도 2에 도시된 바와 같이, 드럼(20)의 외주 벽체(27)의 임의의 위치에 다수개가 원주방향으로 배열되어 형성되는 바, 상기 분사구(30)는 벽체(27)을 화살표 A 방향과 같이 경사지게 관통시켜 형성함으로써, 드럼(20)의 내부공간(25)에 주입된 고압의 작동유체가 화살표 A 방향으로 고속 분사하게 되면 그 추진력에 의해 드럼(20)은 화살표 B로 표시된 방향으로 회전되게 된다.

여기서, 도 1에서 상기 분사구(30)는 드럼(20) 외주 벽체(27)의 중앙에 한 줄만 관통되어 있으나, 두 줄 이상 복렬로 형성할 수 있을 뿐 아니라, 한 열의 갯수도 도 2에는 두 개로 되어 있으나, 두 개 이상 복수개로 형성할 수 있다. 또한, 도 1 및 도 2에 도시된 것처럼, 분사구(30)는 그 형태가 원통형으로 되어 있으나, 도 6에 도시된 노즐(217)과 같이 노즐 형태 즉, 내경이 외측으로 점차 좁아지는 형태로 제작될 수 있다.

상기 회전 지지수단은 상기 드럼(20)의 통공(23) 내주벽과 상기 유체주입구(10)의 외주 사이에 설치되어 상기 드럼(20)이 상기 유체주입구(10)의 외주에 끼워진 상태로 회전되도록 하기 위한 것으로서, 다양한 형태의 회전 지지수단이 이용될 수 있으며, 그 구체적인 일예로서는 도 1에 도시된 바와 같이 유체주입구(10)의 외주면에 압입되는 상하 베어링(12,14)과, 상기 상하 베어링(12,14) 사이에 기밀을 유지하기 위하여 장착되는 패킹 부싱(33)과, 상기 상하베어링(12,14)과 패킹 부싱(33)을 하나로 고정하면서 드럼(20)의 통공 내주벽체에 압입되는 지지 부싱(31)이 이용될 수 있으며, 위와 같은 회전 지지수단은 상기 상하 베어링(12, 14)의 내륜은 회전지지부의 외주에 압입되어 있고, 그 외륜은 지지 부싱(31)을 개재하여 드럼(20)의 통공(23) 내주벽에 압입되어 있으므로 전체적으로 유체주입구(10)의 둘레에 드럼(20)을 상대 회전 가능한 상태로 지지할 수 있게 된다.

끝으로, 드럼(20)의 통공(23)이 형성된 면과는 반대되는 쪽의 단부(22) 중앙에서 상기 드럼(20)의 외측으로 연장되어 형성되는 회전축(40)은 위와 같이 회전하는 드럼(20)의 회전력을 출력하는 부분으로서, 도 1 하단에 일점쇄선으로 도시된 것처럼, 끝부분에 드릴과 같은 공구(5)를 장착하여 드럼(20)의 회전력을 드릴링 구동원으로 사용하는 등, 적절한 회전 공구나 장치를 연계시킴으로써 드럼(20)의 회전력을 회전이 필요한 모든 기계장치의 회전 구동원으로 사용할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로 터빈장치(101)는 도 4에 도시된 바와 같이, 유체주입구(110)가 드럼(120) 안쪽으로 길게 연장되어 있는 것을 제외하면, 제1 실시예의 터빈장치(1)와 동일한 바, 유체주입구(110)의 상단(111)은 지지프레임(2)과 같은 설치위치에 나사 체결됨으로써 유체공급원(3)과 연결되어 작동유체를 공급받도록 되어 있으며, 제1 실시예에서와 마찬가지로, 외주면에 지지 부싱(131)을 통해 통공(123)에 압입된 베어링(112,114)에 의해 드럼(120)을 회전 가능하게 지지하는 한편, 상하 베어링(112,114) 사이에 길게 장착된 패킹 부싱(133)을 통해 기밀을 유지하도록 되어 있다. 반면, 유체주입구(110)의 하단(113)은 도 4에 도시된 것처럼 드럼(120)의 내부 수용공간(125) 내에 위치될 수 있도록 몸체부(118)가 하부로 길게 연장되어 있고, 이때, 작동유체를 상기 수용공간(125) 내로 유출하도록 하는 유출구(117)는 몸체부(118)의 측벽 외주에 관통시켜 형성할 수도 있다.

도 5 및 도 6에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 따른 마이크로 터빈장치(201)는 제2 실시예에 따른 터빈장치(101)를 더욱 개량한 형태로서, 유체주입구(210)에서 토출되는 작동유체의 운동량을 드럼(220) 내에서 그대로 소멸시키지 않고, 드럼(220)의 회전 운동으로 전용함으로써 동일한 작동유체의 공급압에 대해 더 큰 드럼(220) 회전력을 얻을 수 있도록 해준다.

이를 위해, 유체주입구(210)의 상단(211)은 위에서와 마찬가지로 지지프레임(2)에 체결 고정되어 유체공급원(3)으로부터 작동유체를 공급 받도록 되어 있다. 반면에, 유체주입구(210)의 하단은 드럼(220)의 내부 수용공간(225)으로 길게 연장되어 몸체부(218)의 일단이 상기 드럼(220)의 수용공간(225) 내에 위치되어 있고, 상기 수용공간(225) 내에 위치되는 상기 몸체부(218)의 일부는 외경이 확대된 대경부(213)를 이루며, 상기 대경부(213)의 측벽 외주에는 하나 이상의 노즐(217)이 형 성되고, 상기 드럼(220)의 내주면에는 상기 노즐(217)과 마주보는 지점에 요철부(229)를 원주방향으로 형성하여 상기 노즐(217)에서 분사되는 작동유체는 상기 요철부(229)에 분사되게 된다.

이때, 상기 노즐(217)은 대경부(213)의 측벽 외주에 경사지게 형성되어 도 6에 화살표 A 및 C로 표시된 바와 같이 유체공급원으로부터 공급되는 작동유체는 드럼(220)의 내부에 경사지게 공급되며, 드럼(220)의 내부에 공급된 작동유체는 드럼(220)의 내주면에 형성한 요철부(229)에 충돌하게 되면서 상기 드럼(220)을 화살표 B의 방향으로 회전되도록 함으로써 드럼(220)의 회전력이 더욱 증대되게 한다.

여기서, 상기 요철부(229)는 도 5 및 도 6에 도시된 것처럼, 드럼(220)의 내주면(228)에 반경방향 안쪽으로 돌출된 핀 형태로 될 수 있음은 물론, 톱니나 세레이션 등 다양한 형태로 제작될 수 있다.

도 7 및 도 8에 도시된 본 발명의 제4 실시예에 따른 마이크로 터빈장치(301)는 도 4 및 5에 도시된 유체주입구(110,210)와 같은 유체주입구(310)의 몸체부(318) 하단 또는 중단에 도 7에 도시된 바와 같이 저류탱크(360)를 덧붙인 것으로, 이 저류탱크(360)는 유체주입구(310)의 하단(313)에 관통된 유출구(317)를 둘러싸 압력실(361)을 형성함으로써, 상기 유출구(317)로부터 토출되는 작동유체를 일시적으로 저장하여 머물게 하는 역할을 한다.

따라서, 일단 압력실(361) 내부에 모인 작동유체는 압력이 좀 더 축적된 후 측벽(363)에 관통된 고압 토출구(365)를 통해 보다 고속으로 토출되는데, 이때 고압 토출구(365)도 도 8에 도시된 바와 같이, 도 6에 도시된 노즐(217)처럼 경사져 있으므로, 유체주입구(310)에서 저류탱크(360)의 압력실(361)로 토출될 때 화살표 C 방향으로 고속 분사되어 드럼(320)의 내주면(328)을 충격함으로써 드럼(320)의 회전력을 증대시킨다.

본 발명의 제5 실시예가 도 9 및 도 10에 도시되어 있다. 이 실시예에 따른 마이크로 터빈장치(401)는 도시된 것처럼, 드럼(420)의 외주에 하우징(470)이 추가된 것을 제외하면, 도 4에 도시된 제2 실시예에 따른 터빈장치(101)와 동일하므로, 하우징(470)을 중심으로 설명한다.

터빈장치(401)의 하우징(470)은 유체주입구(410)를 중심으로 고속 회전하는 드럼(420)이 외부로 노출되지 않도록 드럼(420)의 외곽을 둘러싸고 있는 중공의 통체로서, 도 9에 도시된 바와 같이, 크게 지지판(450)과 통체(455)로 구성된다.

여기에서, 먼저 상기 지지판(450)은 원판형의 덮개로서 드럼(420)을 집어넣기 위해 개방된 통체(455)의 상단(471)을 폐쇄하도록 상단 내주면에 나사식으로 착탈 가능하게 결합되며, 저면 중앙에 유체주입구(410)의 수나사부(419)를 나사 결합하기 위한 암나사공이 가공되어 있으며, 유체주입구(410)의 관로(415)와 이어진 주입공(451)이 축선을 따라 관통되어 유체공급원(3)에서 공급되는 작동유체를 유체주입구(410)를 통해 드럼(420) 안으로 전달하도록 되어 있다. 여기서, 상기 지지판(450)은 상기 유체주입구(410)와 위에서 설명한 바와 같이 착탈 가능하게 형성할 수도 있고, 상기 유체주입구(410)와 일체로 한 몸체가 되도록 일체로 형성할 수도 있다.

또, 드럼(420)의 외곽을 둘러싸고 있는 통체(455)는 상단(471)이 개방된 원 통형 중공통으로서, 지지판(450)이 상단(471)에 나사 결합되며, 드럼(420) 하단면(422) 중앙에서 아래로 길게 연장되어 있는 회전축(440)을 통과시키기 위한 관통공(475)이 하단면(473) 중앙에 개구되어 있다. 이때, 회전축(440)의 상단에는 스러스트 베어링(479)이 장착되어 몸체(455) 하단면(473) 안쪽에 형성된 받이홈(478)에 미끄럼 장착됨으로써, 드럼(420)을 몸체(455)에 의해 회전 가능하게 지지하도록 되어 있다.

한편, 분사구(430)는 도 10에 도시된 바와 같이, 도 2에 도시된 분사구(30)와 마찬가지로 드럼(420)의 측벽에 경사져 있으므로, 분사구(430)를 통해 고속으로 분사되는 작동유체에 의해 하우징(470) 몸체(455)의 내주면(476)을 A방향으로 충격하게 되며, 이에 따라 작동유체를 분사한 드럼(420)은 반작용에 의해 화살표 B 방향으로의 회전력이 배가된다.

또한, 지지판(450)이나 통체(455)에는 적어도 하나 이상의 릴리프공(480)이 관통되어 드럼(420)의 분사구(430)를 통해 하우징(470) 내부공간으로 분사된 작동유체를 외부로 배출시키도록 되어 있다.

본 발명의 제6 실시예에 따른 마이크로 터빈장치가 도 11 및 도 12에 도시되어 있다. 이 터빈장치(501)는 도시된 것처럼, 도 9에 도시된 제5 실시예의 터빈장치(401)의 유체주입구(410) 하단 또는 중단에, 도 7에 도시된 제4 실시예의 터빈장치(301)와 같이 저류탱크(560)를 덧붙인 것으로, 터빈장치(301)에서와 마찬가지로 저류탱크(560)에 의해 유체주입구(510)의 몸체부(518) 아래쪽에 관통된 유출구(517)를 둘러쌈으로써 압력실(561)을 형성하고 있다. 따라서, 저류탱크(560)는 유출구(517)로부터 토출되는 작동유체를 압력실(561) 내에 일시적으로 머물게 하며, 측벽(563)에 드럼(520)의 회전 앞방향으로 경사지도록 하나 이상의 고압 토출구(565)가 관통되어 압력실(561) 내부에 모인 작동유체를 고속으로 토출하도록 되어 있다.

본 발명의 제7 실시예에 따른 마이크로 터빈장치가 도 13 내지 도 15에 도시되어 있다. 이 터빈장치(601)는 도시된 것처럼, 위에서 설명한 제1 내지 제6 실시예에 따른 터빈장치(1,101,201,301,401,501)의 특징을 모두 망라하여 구비하고 있을 뿐 아니라, 아울러 하우징(670)의 통체(655)가 측벽(672)과 하단의 바닥판(673)으로 분리되어 하우징(670) 내에 드럼(620)을 보다 용이하게 삽입할 수 있도록 되어 있으며, 몸체(655) 내주면(676)의 분사구(630)와 마주보는 지점에 복수의 요철부(677)가 원주방향으로 배열되어 반경방향으로 요철 형성되어 있다. 이때, 각각의 요철부(677)는 예컨대, 도 14에 도시된 것처럼 톱니형으로 될 수 있음은 물론이고, 도 6에 도시된 요철부(229)와 마찬가지로 핀 형태 또는 세레이션 등 다양한 형태로 제작될 수 있다.

따라서, 드럼(620) 안에서 도 14 및 도 15에 A로 표시된 것처럼 분사구(630)를 통해 고속으로 분사되는 작동유체는 하우징(670) 내주면(676)의 요철부(677)에 충돌함으로써, 그 반작용에 의해 유체주입구(610)를 중심으로 한 드럼(620)의 회전력을 더욱 증대시키게 된다. 뿐만 아니라, 도 13 내지 14에 도시된 것처럼, 저류탱크(660)의 측벽(663)에 고압 토출구인 노즐(665)이 돌출되어 있는 바, 도 5 및 도 6에 도시된 노즐(217)과 마찬가지로 측벽(663)의 임의의 위치에 하나 이상 복수개 가 원주방향으로 배열되어 있다.

이때, 각각의 고압 토출구 즉, 노즐(665)은 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 경사지게 돌출되어 있으므로, 고압의 작동유체를 드럼(620) 내주면(628)을 향해 화살표 C 방향으로 분사한다. 또한, 드럼(620)의 내주면에는 노즐(665)과 마주보는 지점에 도 5 및 도 6에 도시된 요철부(229)와 마찬가지로, 복수의 요철부(629)가 반경방향으로 요철 형성되어 원주방향으로 둥글게 배열되어 있으므로, 노즐(665)에서 고속으로 분사되는 작동유체에 의해 회전하는 드럼(620)의 회전력을 배가시키게 된다.

한편, 도 13의 상단에 도시된 유체플러그(653)는 지지판(650)의 주입공(651)에 나사 결합되어 유체공급원(3)에서 터빈장치(601)로 작동유체를 공급하기 위해 유체공급라인(4)과 지지판(650) 사이를 연결하도록 장착되어 있다.

이제, 위와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 유체의 유동 에너지를 강체의 운동 에너지로 전환하는 마이크로 터빈장치의 작용을 설명한다.

먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈장치(1)는 가장 기본적인 형태로서, 터빈장치(1)를 장착하고자 하는 임의의 지지프레임(2) 상에 유체주입구(10)의 상단(11)을 수나사부(19) 등의 결합수단에 의해 착탈 가능하게 장착한다. 그리고 나서, 예컨대, 도 13의 상단에 도시된 유체플러그(653)와 같은 연결수단을 통해 유체공급라인(4)을 유체주입구(10)의 관로(15)에 연결한다.

이에 따라, 유체공급원(3)으로부터 유체주입구(10)로 유입된 작동유체는 유체주입구(10) 하단(13)의 유출구(17)를 통해 드럼(20)의 내부 수용공간(25)으로 토 출된다. 이렇게 해서 드럼(20)의 내부에 충진된 작동유체는 도 2에 도시된 것처럼 드럼(20) 측벽(27)에 관통된 분사구(30)를 통해 화살표 A 방향으로 외부로 분사되며, 이때 발생하는 추진력에 의해 드럼(20)은 상하 베어링(12,14)을 사이에 두고 유체주입구(10)를 중심으로 하여 화살표 B 방향으로 고속 회전하게 된다.

이에 따라, 드럼(20) 하단면(22)에 일체로 형성된 회전축(40)도 고속 회전하게 되며, 도 1에 일점쇄선으로 도시된 것처럼 이 회전축(40)에 드릴과 같은 소정의 공구(5)나 장치를 연결함으로써 이들 공구(5)나 장치의 구동원으로서 터빈장치(1)를 사용할 수 있게 된다.

도 4에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈장치(101)도 마찬가지로 유체주입구(110)를 통해 드럼(120)의 내부 수용공간(125)으로 공급된 작동유체가 분사구(130)를 통해 분사될 때 발생되는 추진력에 의해 드럼(120)을 회전시키도록 되어 있는 바, 다만 유체주입구(110)가 드럼(120) 안으로 길게 연장되고, 유체주입구(110)의 몸체부(118) 하부 측벽에 유출구(117)를 형성함으로써, 드럼(120) 내부공간(125)으로 공급되는 작동유체의 충진효율을 높일 수 있게 된다.

도 5 및 도 6에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 따른 터빈장치(201)는 유체주입구(210)를 통해 드럼(220) 내부 수용공간(225)으로 공급된 작동유체를 분사구(230)를 통해 분사시킴으로써 발생하는 추진력에 의해 드럼(220)을 회전시키도록 되어 있는 것은 위 실시예들과 다르지 않다. 다만, 유체주입구(210)에서 드럼(220) 내부의 수용공간(225)으로 토출되는 작동유체가 도 6에 도시된 바와 같이, 유체주입구(210)의 몸체부(218)에 경사지게 돌출된 노즐(217)을 통해 화살표 A 및 C 방향 으로 분사됨으로써, 요철부(229)가 있는 경우에는 이 요철부(229)를 통해, 요철부(229)가 없는 경우에는 드럼(220)의 내주면(228)을 직접적으로 충격하여 드럼(220)의 회전력을 더욱 증대시킬 수 있게 되며, 따라서 작동유체에 의한 드럼(220)의 동작효율을 더욱 높일 수 있게 된다.

도 7 및 도 8에 도시된 본 발명의 제4 실시예에 따른 터빈장치(301)는 유체주입구(310)와 드럼(320) 사이에 저류탱크(360)가 장착되어 있으므로, 유체주입구(310)의 토출구(317)에서 토출된 작동유체는 일차적으로 압력실(361)에 수용되며, 유출구(317)로부터 유입되는 유량이 고압 토출구(365)로 유출되는 유량보다 많을 때 압력실(361)의 압력은 점차 높아진다. 따라서, 고압 토출구(365)에서 드럼 내부공간(325)으로 토출되는 작동유체는 유출구(317)에서 내부 수용공간(325)으로 직접 토출될 때보다 고압으로 드럼 내주면(328)을 향해 분사되므로, 제3 실시예와 같이 도 8에 화살표 C로 도시된 것처럼, 드럼 내주면(328)을 고압으로 충격하여 드럼(320)의 회전력을 더욱 높이게 된다.

도 9 및 도 10에 도시된 본 발명의 제5 실시예에 따른 터빈장치(401)는 하우징(470)이 드럼(420) 외곽에 장착되어 있는 것을 제외하면 위에서 설명한 제2 실시예의 터빈장치(101)와 동일한 구조를 가지는 바, 드럼(420)이 회전하는 메카니즘도 제2 실시예와 동일하므로 그 상세한 설명은 생략한다.

다만, 고속으로 회전하는 드럼(420)이 하우징(470)으로 둘러싸여져 있으므로, 드럼(420)의 회전력을 이용하는 여러 작업을 보다 안전하게 할 수 있게 된다. 또한, 분사구(430)를 통해 외부로 분사되는 작동유체가 하우징(470) 내주면(476)에 충돌하므로 허공에 분사될 때보다 추진력을 높일 수 있게 된다. 이때, 분사구(430)로부터 분사된 작동유체는 드럼(420)과 하우징(470) 사이의 공간을 거쳐 릴리프공(480)을 통해 외부로 배출된다.

한편, 상기한 제1 내지 제4 실시예에 따른 터빈장치(1,101,101,301)가 드럼(20,120,220,320) 및 회전축(40,140,240,340)을 회전시키고, 그 회전력을 구동원으로 활용하도록 되어 있는 반면, 본 실시예에 따른 터빈장치(401)는 드럼(420) 및 회전축(440)의 회전력을 이용함은 물론, 반대로 드럼(420) 및 회전축(440)을 고정시킴으로써 상대적으로 회전하는 하우징(470)의 회전력을 예컨대, 소형 발전기의 로터 등으로 이용할 수도 있다.

이를 보다 상세히 설명하면, 먼저 회전축(440)의 회전을 이용하는 경우에는, 도 16에 도시된 것처럼 체인(6)과 스프로킷(7) 등으로 이루어진 연결수단을 통해 회전축(440)을 발전기(8)에 연결함으로써 드럼(420) 및 회전축(440)의 회전력으로 발전기(8)를 작동시켜 교류 전기를 생산할 수 있다. 반대로, 하우징(470)의 회전을 이용하고자 할 때는, 도 17에 도시된 것처럼 하우징(470)의 외주면에 영구자석(9-1)을 부착하고, 그 외곽에 고정자 코일(9-2)을 설치한 다음, 회전축(440)을 고정시킨다. 이렇게 되면 회전축(440)이 회전하지 못하는 대신, 하우징(470)이 상대 회전하게 되어 일반 발전기에서와 같이 고정자 코일(9-2)을 통해 교류 전기를 얻게 되는 것이다. 이때, 지지판(450) 중앙에 결합된 유체플러그(453)는 도시되지 않았지만 별도의 베어링 수단에 의해 회전 가능하게 축지지된다.

도 11 및 도 12에 도시된 본 발명의 제6 실시예에 따른 터빈장치(501)는 도 9에 도시된 제5 실시예의 터빈장치(401)의 유체주입구(410)에 도 7에 도시된 제4 실시예의 터빈장치(301)와 같이 저류탱크(560)를 덧붙이고 있으므로, 하우징(570)에 의한 동작은 제5 실시예와 동일하다. 다만, 유체주입구(510)의 몸체부(518) 아래쪽에 관통된 유출구(517)를 저류탱크(560)가 둘러싸고 있으므로, 고압 토출구(565)에서 토출되는 작동유체의 압력이 유출구(517)에서 내부 수용공간(525)으로 직접 토출될 때보다 더 고압이 되도록 하며, 따라서 도 12에 화살표 C로 도시된 것처럼, 드럼 내주면(528)을 더 강하게 충격하여 드럼(520)의 회전력을 더욱 높일 수 있게 된다. 이렇게 해서 내부 수용공간(525)으로 토출된 작동유체는 분사구(530)를 통해 도 12의 화살표 A 방향으로 토출되면서 하우징(570) 내주면(576)에 부딪쳐 그 반동에 의해 드럼(520)의 회전력을 배가시킨다.

도 13 내지 도 15에 도시된 본 발명의 제7 실시예에 따른 터빈장치(601)도 위에서 설명한 제6 실시예의 터빈장치(501)와 구성 및 그에 따른 동작이 대체로 유사한 바, 유체공급원(3)으로부터 유체플러그(653)를 통해 유체주입구(610)로 유입된 작동유체는 하단의 유출구(617)를 통해 저류탱크(660)의 압력실(661)로 토출되어 일차적으로 수용된다. 압력실(661)에서 압력이 높아진 작동유체는 도 14 및 도 15에 도시된 것처럼 저류탱크(660) 상단의 노즐(665)을 통해 화살표 C 방향으로 고압 분사되어 드럼(620)의 요철부(629)에 충돌함으로써, 드럼(620)을 화살표 B 방향으로 회전시킨다. 이렇게 해서 드럼 내부 수용공간(625)에 축적된 작동유체는 다시 분사구(630)를 통해 화살표 A 방향으로 고압 분사되며, 분사된 작동유체는 하우징 내주면(676)의 요철부(677)에 충돌하면서 그 반작용에 의해 드럼(620)을 마찬가지 로 화살표 B 방향으로 회전시킨 다음, 지지판(650)의 릴리프공(680)을 통해 외부로 배출된다.

이와 같이, 터빈장치(601)는 도 16에 도시된 것처럼 고정된 하우징(670) 내에서 드럼(620)을 회전시킴으로써 회전축(640)을 회전시키거나 반대로, 도 17에 도시된 바와 같이 회전축(640)을 고정함으로써 하우징(670)을 회전시켜 필요한 회전 구동력을 얻을 수도 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈장치를 도시한 정단면도.

도 2는 도 1의 평면도.

도 3은 도 1의 사시도.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈장치를 도시한 정단면도.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 터빈장치를 도시한 정단면도.

도 6은 도 5의 AA선에 따른 평단면도.

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 터빈장치를 도시한 정단면도.

도 8은 도 7의 AA선에 따른 평단면도.

도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 터빈장치를 도시한 정단면도.

도 10은 도 9의 AA선에 따른 평단면도.

도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 터빈장치를 도시한 정단면도.

도 12는 도 11의 AA선에 따른 평단면도.

도 13은 본 발명의 제7 실시예에 따른 터빈장치를 도시한 정단면도.

도 14는 도 13의 AA선에 따른 평단면도.

도 15는 도 14의 일부를 상세 도시한 확대도.

도 16은 도 9에 도시된 터빈장치를 발전기 작동에 이용한 적용예를 보인 개념도.

도 17은 도 9에 도시된 터빈장치를 발전기 로터로 이용한 적용예를 보인 개 념도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1,101,201,301,401,501,601 : 터빈장치

2 : 지지프레임 3 : 유체공급원

4 : 유체공급라인 5 : 공구

10 : 유체주입구 15 : 관로

18 : 몸체부 20 : 드럼

25 : 수용공간 30 : 분사구

40 : 회전축 117 : 유출구

217, 665 : 노즐 229, 677 : 요철부

360 : 저류탱크 361 : 압력실

365 : 토출구 470 : 하우징

479 : 스러스트 베어링 480 : 릴리프공

653 : 유체플러그

Claims

내부에 관로가 형성되어 있는 몸체부와, 상기 몸체부의 일측에 형성되어 유체공급원으로부터 공급되는 작동유체를 상기 몸체부의 내부에 형성된 관로로 유입시키기 위한 유입구와, 상기 유입구와 이격져서 상기 몸체부에 형성되어 상기 유입구를 통해 상기 몸체부의 관로에 유입된 작동유체를 상기 몸체부의 외부로 토출하기 위한 유출구로 이루어진 유체주입구;

상기 유체주입구의 외주에 회전 가능하게 설치되며, 그 내부에는 작동유체를 수용할 수 있도록 수용공간이 형성되고, 상단부 중앙에는 상기 유체주입구를 삽입할 수 있도록 통공이 형성되며, 외주 벽체에는 다수의 분사구가 경사지게 형성되어, 상기 유체주입구를 통하여 내부의 수용공간에 유입된 작동유체가 외주 벽체에 형성된 분사구를 통하여 외부로 분사될 때에 발생하는 추진력에 의해 회전되게 되는 드럼;

상기 드럼의 통공 내주벽과 상기 유체주입구의 외주 사이에 설치되어 상기 드럼이 상기 유체주입구의 외주에 끼워진 상태로 회전되도록 하기 위한 회전 지지수단; 및

상기 드럼의 통공이 형성된 면과는 반대되는 쪽의 단부 중앙에서 상기 드럼의 외측으로 연장되어 형성되는 회전축;으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 터빈장치.
제 1 항에 있어서,

상기 유체주입구의 몸체부는 그 일단이 상기 드럼의 수용공간 내에 위치되고, 상기 유출구는 상기 수용공간 내에 위치하는 상기 몸체부의 측벽 외주에 관통형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 터빈장치.
제 1 항에 있어서,

상기 유체주입구의 몸체부는 그 일단이 상기 드럼의 수용공간 내에 위치하되, 상기 수용공간 내에 위치되는 상기 몸체부의 일부는 외경이 확대된 대경부를 이루고,

상기 대경부의 측벽 외주에는 하나 이상의 노즐이 경사지게 형성되고, 상기 드럼의 내주면에는 상기 노즐과 마주보는 지점에 요철부를 원주방향으로 형성하여 상기 노즐에서 분사되는 작동유체는 상기 요철부에 분사되는 것을 특징으로 하는 마이크로 터빈장치.
제 1 항에 있어서,

상기 몸체부는 그 외측에 상기 유출구에서 토출되는 작동유체를 일시적으로 저장하기 위한 저류탱크가 형성되고, 상기 저류탱크의 측벽에는 하나 이상의 토출구가 경사지게 관통 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 터빈장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회전 지지수단은, 상기 유체주입구의 외주면에 압입되는 상하 베어링과, 상기 상하 베어링 사이에 장착되는 패킹 부싱과, 상기 상하베어링과 패킹 부싱을 하나로 고정하면서 상기 드럼의 통공 내주벽체에 압입되는 지지 부싱으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 터빈장치.
제 1 항 내지 제 5 항의 어느 한 항에 있어서,

상기 유체주입구의 외주에는 상기 드럼을 내부에 수용하기 위한 하우징이 고정 체결되어 있고,

상기 하우징은,

상기 유체주입구의 몸체부 외주에 고정체결되는 지지판; 및

상기 드럼의 외곽을 둘러싸되, 일단은 상기 지지판에 착탈 가능하게 체결되도록 개방되어 있고, 타단은 중앙에 상기 회전축이 통과할 수 있는 관통공이 개구되어 있는 통체;로 이루어지고,

상기 지지판 또는 상기 통체의 적어도 어느 한 쪽에는 상기 드럼에서 토출된 작동유체를 외부로 배출되도록 하기 위한 릴리프공이 관통되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 터빈장치.
제 6 항에 있어서,

상기 하우징의 통체는 그 내주면에 상기 분사구와 마주보는 지점에 요철부를 원주방향으로 형성하여 상기 드럼의 분사구에서 분사되는 작동유체는 상기 요철부 에 분사되는 것을 특징으로 하는 마이크로 터빈장치.