KR20140138716A

KR20140138716A - 노즐 링의 이차분사노즐을 이용한 유압터빈 조정 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20140138716A
Application number: KR20147025462A
Authority: KR
Inventors: 라이언 키츠밀러; 제이슨 비. 헌트
Original assignee: 플루이드 이큅먼트 디벨롭먼트 컴패니, 엘엘씨
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2014-12-04
Also published as: ES2593840T3; DK2817506T3; EP2817506B1; AU2013222773B2; EP2817506A1; SA113340317B1; US20130223978A1; AU2013222773A1; US9388706B2; SG11201405139TA; WO2013126214A1

Abstract

터빈 및 그 동작 방법이 볼류트(volute)와 출구 가진 하우징과 그 하우징에 회전 가능하게 결합된 임펠러를 포함한다. 터빈은 다수의 1차 노즐 및 다수의 2차 노즐을 갖는 노즐 링을 포함한다. 다수 1차 노즐 및 다수 2차 노즐은 유체를 임펠러를 향해 이송한다. 보조 밸브 조립체는 유체를 볼류트로부터 선택적으로 다수 2차 노즐로 연통한다. 액추에이터는 보조 밸브 조립체에 결합되어, 유체를 볼류트에서 2차 노즐로 연통하는 제 1 위치로부터 2차 노즐로의 유체 흐름을 차단하는 제 2 위치까지 보조 밸브 조립체를 이동시킨다.

Description

노즐 링의 이차분사노즐을 이용한 유압터빈 조정 방법 및 시스템{Method and system for tuning a hydraulic turbine using secondary injection nozzles in nozzle ring}

본 출원은, 2013년 2월 1일자로 출원된 미국 특허출원 13/757,034호와 2012년 2월 24일자로 출원된 미국 특허 가출원 61/602,812호에 대한 우선권을 주장하며, 이들 출원의 내용은 여기에 참조로 통합된다.

본 발명은 전체적으로 터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 노즐 링의 이차노즐을 이용한 터빈 저항의 미세 조정 방법 및 시스템에 관한 것이다.

여기에서의 설명은 본 발명에 관련된 배경 정보로서 제공될 뿐이며, 종래 기술을 구성하지 않는다.

터보 차져는 많은 용도로 사용된다. 터보 차져는 펌프 부분과 터빈 부분을 포함한다. 터보 차져는 가압 유체류에서 에너지를 회수하는 데 이용된다. 터빈 부분의 초과 압력은 펌프 부분을 구동하는 데 이용된다. 터보 차져의 한가지 용도는 역삼투압 막 조립체의 농축수 출구에서 에너지를 회수하는 것이다.

역삼투압 시스템은 임의의 주어진 흐름에 대하여 광범위한 동작조건에서 동작하고 이때 높은 성능 수준을 유지하고자 한다. 터빈의 성능 수준을 개선하기 위한 다양한 터빈 구성이 알려져 있다.

하나의 알려진 터빈에서 단일 노즐 볼류트(volute) 시스템은 유체를 터빈 입구에서 임펠러로 보낼 때 우회하도록 하는 밸브 스템을 이용한다. 어느 정도 성능의 개선이 달성된다. 그러나 단일 노즐 볼류트 우회는 주위 부분의 압력 분포로 인해 임펠러에 효율 저하와 불균형한 방사상 부하를 유발한다.

다른 유형의 터빈 시스템은 베인 노즐 크기를 변경하도록 가동 베인을 가진 가변 베인 노즐이다. 이 구성의 한가지 문제로서 베인의 입구에서 손실이 생겨 효율이 저하하고, 가동부의 틈새를 통한 누출로 인한 효율 저하가 있고, 기계적인 부품이 마모하기 쉬우며 가변 베인의 조립과 관련된 복잡한 조립 순서가 있다.

본 발명은 볼류트에서 임펠러로의 유량을 증가하도록 선택적으로 제어되는 2차 노즐을 이용하여 터빈 저항의 미세 조정을 가능하게 하는 터빈 설계를 제공한다.

본 발명의 한 양상에서, 터빈은 볼류트 및 출구를 갖는 하우징과 회전 가능하게 하우징에 연결된 임펠러를 포함한다. 이 터빈은 다수의 1차 노즐 및 다수의 2차 노즐을 갖는 노즐 링을 포함한다. 다수 1차 노즐과 다수 2차 노즐은 임펠러를 향하여 유체를 유도한다. 보조 밸브 조립체가 유체를 볼류트에서 다수 2차 노즐로 선택적으로 연통한다. 액추에이터가 보조 밸브 조립체에 결합되어, 유체를 볼류트에서 다수 2차 노즐로 연통하는 제 1 위치로부터 다수 2차 노즐로의 유체 흐름을 차단하는 제 2 위치로 보조 밸브 조립체를 이동시킨다.

본 발명의 다른 양상에서, 터빈 동작 방법은 샤프트 상의 임펠러를 회전시키도록 유체를 터빈의 볼류트로부터 노즐 링의 다수의 1차 노즐을 통해 연통시키는 과정; 노즐 링의 다수의 2차 노즐을 볼류트로부터의 유체에 개방하도록 보조 밸브 조립체를 이동시키도록 액추에이터 조립체를 작동하는 과정; 및 다음으로, 다수 1차 노즐 및 다수 2차 노즐로부터의 유체를 이용하여 임펠러를 회전시키는 과정을 포함한다.

추가적인 응용 분야들은 본 명세서에 제공된 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 상세한 설명 및 특정 예들은 단지 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범주를 제한하려는 의도는 아니다.

여기에 설명되는 도면들은 단지 예시적인 것이며, 어떤 식으로든 본 발명의 범주를 한정하려는 의도는 아니다.
도 1A는 터보 차져를 포함하는 역삼투 시스템의 블록도이다.
도 1B는 도 1A의 터보 차져의 블록도이다.
도 1C는 HEMI라고 하는 터보 차져/모터 조립체의 블록도이다.
도 2A는 본 발명에 따른 터보 차져의 사시도이다.
도 2B는 터보 차져의 분해도이다.
도 3은 입구 단에서 본 터보 차져의 단면도(end view)이다.
도 4는 도 3의 A-A 선에 따른 횡단면도이다.
도 5는 터보 차져의 출구 끝 단면도이다.
도 6은 도 5의 B-B 단면에 해당하는 횡단면도이다.
도 7은 도 5의 C-C 선에 따른 터보 차져의 횡단면도이다.
도 8A는 터보 차져의 말단 캡의 사시도이다.
도 8B는 터보 차져의 말단 캡의 단면도이다.
도 9는 보조 플레이트의 사시도이다.
도 10A 및 도 10B는 보조 플레이트를 개구부의 폐쇄 위치와 개방 위치 각각에 대해 상대적으로 나타낸 도면이다.
도 11A 및 도 11B는 노즐 링의 상세도이다.
도 11C는 노즐 링의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제 2 실시예의 분해도이다.
도 13은 출구 단에서 본 본 발명의 제 2 실시예의 단면도이다.
도 14는 도 13의 E-E 선에 따른 터보 차져의 제 2 실시예의 단면도이다.
도 15A와 15B는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 회전 보조판의 사시도 및 저면도이다.
도 16A는 보조 밸브 조립체의 제 2 실시예의 사시도이다.
도 16B는 제 2 실시예의 보조 밸브 스템 조립체의 단면도이다.
도 17은 제 2 실시예의 보조 밸브 스템 조립체, 회전 보조판 및 노즐 링의 간략 측면도이다.
도 18A-18C는 로터리 보조판을 노즐 링에 상대적으로 보여주는 단면도로서, 노즐 링의 구멍들이 2차 노즐들과 정렬된 상태, 회전 보조판의 구멍들이 2차 노즐들과 부분 정렬된 상태 및 보조판의 구멍들이 2차 노즐들과 정렬되지 않은 상태를 각각 나타낸 단면도이다.

이하의 설명은 단지 예시적인 것이며, 본 발명이나 출원 또는 그 사용을 제한하려는 의도는 아니다. 명확히 하기 위해, 동일한 참조부호들이 도면들에서 동일한 요소들을 식별하는 데 사용된다. 여기에 사용된 바와 같이, A, B 및 C 중 적어도 하나라는 구문은 비배타적 논리합(non-exclusive logical OR)을 사용하여 논리적으로 A 또는 B 또는 C를 의미하는 것으로 쓰인다. 방법에 포함된 단계들은 본 발명의 원리를 변경하지 않고 다른 순서로 실행될 수 있다.

본 발명은 다양한 비설계 기준(off-design criteria)을 충족하는 유연성을 유지하면서 유압 터빈의 전체 성능을 향상시킨다. 일반적으로 터보 차져는 제한된 몇개의 작동 조건에 맞추어 설계된다. 향상된 디자인은 터보 차져가 비설계 기준을 충족하도록 해준다. 노즐 링의 디자인은 터빈이 가변성을 희생하지 않고 원하는 작동 시점에서 최고 성능을 충족시킬 수 있게 해주는 2차 노즐을 포함한다. 노즐을 고정 구조로 하면 다양한 베인의 설계에 종종 드러나는 누설의 가능성을 제거하면서 전체 압력이 유지될 수 있게 한다. 또한 후술하는 바와 같이, 노즐은 임펠러 주위의 압력 분포가 균형되도록 임펠러 주위에 대칭으로 배치된다. 압력의 균형 잡기는 베어링의 횡하중 인가를 감소시키기 때문에 베어링 수명을 향상시킨다. 베어링의 횡하중 인가를 줄이면 베어링 장애가 감소하고 따라서 장비의 수명을 향상시킨다.

도 1A를 참조하면, 터보 차져(12)를 포함하는 역삼투 시스템(10)이 기재되어 있다. 이 예에서는 입력 다기관(14)으로부터의 공급수가 고압 펌프(16)를 통해 연통 되고 고압 펌프(16)는 차례로 터보 차져(12)를 통해 막(membrane) 하우징(18)에 연통 된다. 막 하우징(18)은 해수에서 담수를 생산하는 데 이용되는 역삼투 막(20)을 포함한다. 담수는 막 하우징의 투과 출력(22)에서 생성된다. 막 하우징으로부터의 농축수 흐름은 농축수 제어 밸브(25)를 통해 터보 차져(12)의 입구(24)로 유도된다. 터보 차져(12)는 공급수의 압력을 증가시키기 위해 고압 농축수 흐름으로부터의 에너지를 이용한다. 고압 펌프(16)에서 가압된 공급수를 펌프 입력(26)을 통해 받는다. 터보 차져(12)는 공급수의 압력을 증가시켜 펌프 출력(28)의 공급수 압력을 증가시킨다. 터보 차져(12)에서의 폐수는 터보 차져 출구(30)를 통해 저압에서 배출된다. 역삼투압 시스템(10)의 일 구체 예가 도시되어 있지만, 역삼투압 시스템에 대한 다양한 예는 당업자에게 명백할 것이다. 터보 차져(12)를 제공함으로써, 고압 펌프에서 필요한 압력이 감소하여 이 시스템에 의해 소비되는 전체 에너지도 터보 차져(12)가 없는 시스템과 비교하여 감소한다.

도 1B를 참조하면, 터보 차져(12)가 더 자세히 나타나있다. 터보 차져(12)는 터빈 부분(40)과 펌프 부분(42)을 포함한다. 터빈 부분(40)이 회전하고 결국 펌프 부분(42)의 구성 요소를 회전시킴으로써 고압 흐름으로부터 에너지를 회수한다. 펌프는 막 하우징(18)의 입력으로 가는 유체의 압력을 증가시키기 위해 이용된다.

도 1C를 참조하면, 터보 차져(12)는 공통축(50)이 도 1B에 도시된 펌프 및 터빈 부분을 통해 있을 뿐만 아니라 모터(50)에 까지 뻗어있는 시스템에 통합할 수 있다. 모터(52)는 컨트롤러(54)를 포함하고 모터(52)의 추가로 터보 차져는 필요할 때 펌프로 작동시킬 수 있다. 모터(52)는 또한 생성된 잉여 전력을 회수하는 발전기로 작용할 수 있다.

도 2A 및 도 2B를 참조하면 터빈 조립체(200)의 조립도 및 분해도가 나타나 있다. 이 예에서 터빈은 터빈 하우징 조립체(202)와 터빈 말단 캡 조립체(204)를 포함한다. 터빈 하우징 조립체(202)는 농축수 흐름 입구(24)를 포함한다. 말단 캡 조립체는 터빈 출구(30)를 포함한다.

말단 캡 조립체(204)에는 액추에이터 조립체(210)가 결합되어 있다. 액추에이터 조립체(210)는 말단 캡 조립체(204)를 관통하여 있는 밸브 스템 조립체(212)에 결합하여 있다. 액추에이터 조립체(210)는 밸브 스템 조립체(212)를 회전시키기 위해 이용되는 모터(214)를 포함할 수 있다.

터빈 조립체(200)는 샤프트 개구부(222) 안으로 뻗는 샤프트(220)를 가진다. 샤프트(220)는 터빈 임펠러(224)에 결합되어 그와 함께 회전한다. 샤프트는 임펠러(224)의 회전축이다. 샤프트는 터빈 하우징 밖으로 연장하여 터보 차져의 펌프부 안으로 뻗을 수 있다. 임펠러(224)는 가압유체를 받고 샤프트(220)를 회전시키는 데 이용되는 베인(226)을 가진다.

노즐 링(228)이 터빈 조립체(200) 내에 배치된다. 노즐 링(228)은 다수의 1차 노즐(230)을 포함하고 이들은 터빈 조립체(200) 내부의 볼류트(232)의 체적으로부터 유체를 일정한 방향으로 이동시킨다. 1차 노즐(230)은 임펠러(224)를 회전시키도록 유체를 안내한다.

벽(240)은 말단 캡 조립체로부터 연장하고, 볼류트(232)와 보조 챔버(242) 사이의 분리를 제공하는 데 이용된다. 벽(240)은 터빈 조립체(200)의 회전축을 규정하는 샤프트(220)에 축 방향으로 뻗어있다.

벽(240)은 유체가 볼류트(232)에서 보조 챔버(242)로 소통할 수 있도록 하는 개구부(250)를 포함한다. 개구부(250)는 보조판(252)을 이용하여 선택적으로 여닫혀 유체 간극(아래 설명)을 형성한다. 유체 간극은 터빈 하우징 조립체(202)와 말단 캡 조립체(204)의 벽(240)에 의해 경계 지어진다. 보조판(252)은 보조 챔버(242) 내에 배치된다. 보조판(252)은 축(220)에 의해 정의되는 회전축(221)에 축 방향으로 이동한다. 밸브 스템 조립체(212)에는 나사산이 형성되고, 보조판의 구멍(254)에도 상응하게 나사산이 형성될 수 있다. 액추에이터 조립체(210)는 밸브 스템 조립체(212)를 회전시킬 수 있다. 이 회전은 구멍(254)의 나사와 맞물려 보조판(252)을 회전축(221)에 축방향으로 이동시켜 구멍(254)을 선택적으로 여닫아서 유체가 볼류트(232)에서 보조 챔버(242)로 흐름을 허용 또는 중지하도록 한다.

상술한 제 1 실시예에서 보조 밸브 조립체(256)는 보조판(252)과 액추에이터(210)를 포함한다. 보조 밸브 조립체(256)는 밸브 스템 조립체(212)를 포함할 수 있다.

핸드 액추에이터(260)는 액추에이터 조립체(210)를 교환하는 데 이용될 수 있다. 핸드 액추에이터(260)는 밸브 스템 조립체(212)를 수동으로 돌려 볼류트(232)로부터의 유체 흐름에 개구부를 여닫는 작용을 할 수 있다.

터빈 하우징 조립체(202)를 나타내는 도 3의 터빈 조립체(200) 단면도를 참조하면, 볼류트(232), 말단 캡 조립체(204)와 출구(30)가 조립 완료된 방식으로 도시되어 있다. 말단 캡 조립체(204)에 결합된 액추에이터 조립체(210)도 포함되어 있다. 이 예에서 단면 A-A는 터빈 입구(24)와 터빈 하우징 조립체(202)를 통해 취해진다.

도 4를 참조하면, 도 3의 A-A 단면이 더 자세히 나와있다. 이 예에서는 볼류트(232)가 더 자세히 도시되어 있다. 마찬가지로 이 단면에도 노즐 링(228)이 포함되어 있다. 도시된 바와 같이, 노즐 링(228)은 그 주위에 대칭으로 떨어져 배치되는 다수의 1차 노즐(230)을 포함한다. 1차 노즐(230)은 유체를 볼류트(232)로부터 임펠러(224)의 다수의 베인(226)으로 흐르게 한다.

더욱 후술하는 바와 같이, 노즐 링(228)은 역시 그 주위에 대칭으로 떨어져 배치되는 다수의 2차 노즐(410)을 포함할 수 있다. 도시한 것과 같이, 5개의 2차 노즐(410)과 5개의 1차 노즐(230)이 노즐 링(228)에 설치되어 있다. 1차 노즐(230) 각각은 2차 노즐(410)에 각각 유체적으로 결합한다. 2차 노즐은 이하에 자세히 설명하겠지만 볼류트에 선택적으로 유체 결합한다. 이하에 설명하는 바와 같이, 2차 노즐이 선택적으로 이용되어 1차 노즐을 이용한 작업을 향상시킨다.

이제 도 5를 참조하면, 터빈 조립체(200)의 단면(端面)을 볼 수 있다. 터빈 조립체(200)를 B-B 단면 및 C-C 단면과 관련하여 더욱 상세히 설명한다.

도 6을 참조하면, B-B단면을 더 자세히 볼 수 있다. 이 도면에서는 형상이 원형인 보조 챔버(242)가 표시되어 있다. 노즐 링(228)과 1차 노즐(230)의 위치가 표시되어 있다. 상술한 바와 같이, 유체는 볼류트(232)로부터 1차 노즐(230)을 통과하여 임펠러(224)와 임펠러 베인(226)을 향해 진행한다. 볼류트(232) 내의 유체는 출구(30)의 압력에 비해 높은 압력에 놓여 있다.

도 7을 참조하면, 도 5의 C-C 단면을 더 자세히 볼 수 있다. 이 예에서 이 단면은 보조 밸브 스템 조립체(212)를 지나 있다. 또한 형상이 원형인 벽(240)은 개구부(250)와 함께 나타나 있다. 보조판(252)은 밸브 스템 조립체(212)를 받아들이는 구멍(254)과 함께 나타나 있다. 상술한 것과 같이, 상기 밸브 스템 조립체(212)의 나사(710,712) 및 보조판(252)의 구멍(254)은 화살표(714)로 표시된 방향으로 보조판을 이동시키는 데 각각 이용된다. 이 도면에서, 보조판(252)은 열린 위치로 도시되어 유체가 볼류트(232)에서 보조 챔버(242)로 흘러들어가게 된다.

도 8A 및 도 8B를 참조하면, 말단 캡(204)의 모습이 나타나 있다. 이 예에서는 볼류트를 보조 챔버(242)로부터 분리하는 벽(240)의 개구부(250)가 나타나 있다. 말단 캡 조립체(204)를 관통하는 개구부(810)는 도 2B에 표시된 밸브 스템 조립체(212)를 수용하는 데 이용된다.

도 9를 참조하면 보조판(252)의 사시도가 나타나 있다. 이 예에서는 내부 나사산(712)을 갖는 구멍(254)이 도시되어 있다. 내부 나사산은 밸브 스템 조립체(212)의 외부 나사산(710)과 맞물린다.

도 10A를 참조하면, 말단 캡 조립체(204)의 벽(240)의 개구부(250)가 더 자세히 나와있다. 이 예에서 개구부(250)는 보조판(252)에 의해 폐쇄된다. 개구부의 다른 경계는 노즐 링(228)이다.

도 10B를 참조하면, 보조판(252)이 개방 위치로 도시되어 있는데, 이때 개구부(250)는 유체가 볼류트(232)에서 유체 간극(1010)을 통해 보조 챔버(242)에 진입할 수 있게 한다. 보조판(252)이 열리는 크기가 유체 간극(1010)의 면적을 변경한다. 유체의 양은 보조 밸브 스템 조립체(212)를 이동시킴으로써 조절 또는 변경할 수 있다. 다양한 크기의 유체 간극은 터빈의 요구 동작 특성(예를 들어 터빈 저항과 같은)에 따라 개구부(250)와 노즐 링(228) 사이에 남겨질 수 있다.

도 11A 및 도 11B를 참조하면, 노즐 링(228)이 더 자세히 나와 있다. 도 11B는 도 11A의 D-D 단면을 나타내고 있다. 이 예에서는 다수의 1차 노즐(230)이 더 자세히 나와있다. 1차 노즐(230)과 유체 연통하는 2차 노즐(410)도 나타나 있다. 1차 노즐(230)과 2차 노즐(410)의 유체는 유체 결합하고 공통의 출구(1110)를 통해 임펠러로 유도된다. 1차 노즐(230)의 입구(1112)는 노즐 링의 환상 축 방향 연장(원통형) 평면상에 배치되어있다.

이제 도 11C 역시 참조하면 단면도로 노즐 링(228)이 (샤프트의 회전축에 대해) 측면에 2차 노즐들(410)을 갖는 것이 예시되어있다. 2차 노즐(410)의 입구는 임펠러의 회전축에 대해 축 방향으로 그 표면 안으로 연장된다. 도 11C에 표시된 표면은 임펠러와 샤프트의 회전축에 수직이다.

동작 시에, 보조판(252)은 밸브 스템 조립체(212)의 이동에 따라 개방 위치에서 폐쇄 위치로 그리고 그 중간 위치들로 제어된다. 보조판(252)의 위치를 제어함으로써 유체 간극(1010)의 유효 크기를 변경할 수 있다. 이것은 보조 챔버(242)에 더 많거나 더 적은 유체가 들어갈 수 있게 한다. 터빈 저항을 낮추기 위해서는 보조판(252)이 축방향으로 이동하여 개구부(250)에 상대적으로 유효 구멍이 증가할 수 있도록 한다. 물론, 환상 방향으로 축을 중심으로 도는 등의 다른 방향을 이용해도 좋다. 볼류트에서 보조 챔버(242) 안으로 보내는 액체를 증가하면 터빈 저항이 감소한다. 보조판이 보조 챔버(242)를 볼류트에 노출하는 경우, 2차 노즐(410)은 유체를 보조 챔버로부터 2차 노즐을 통해 노즐 링(228)의 1차 노즐(230) 안으로 안내한다. 1차 노즐 및 2 차 노즐(410) 양자로부터의 유체를 이용하여 베인(226)을 향해 유체를 유도하여 임펠러(224)를 회전시킨다.

요약하면, 보조 밸브 스템 조립체의 회전으로 인하여 보조판(252)이 축 방향으로 이동하고 이를 통해 볼류트와 보조 챔버 사이의 유체 간극(1010)을 원하는 양으로 연다. 적어도 일부의 유체 간극(1010)이 보조판(252)의 위치 때문에 생겨났을 때 보조 챔버(242)에서 유체가 2차 노즐을 통해 임펠러로 유도된다. 1차 노즐(230)도 운전 중 임펠러(224)에 유체를 유도하고 선택적으로 제어되지 않는다.

이제 도 12를 참조하면, 터빈 조립체(200')의 제 2 실시예의 분해도를 볼 수 있다. 이 예에서 동일한 참조 부호를 이용하여 도 1-11에 나타난 것과 동일한 구성 요소를 나타낸다. 이 예에서는 보조판(252)이 보조 밸브 스템 조립체에 의해 제어 또는 이동되는 대신 회전 보조판(1210)이 보조 밸브 스템 조립체(1212)에 결합하여 있는 캠(아래 도시)에 의하여 회전된다. 액추에이터 조립체(210)에는 모터가 있어서 보조 밸브 스템 조립체(1212)를 회전시켜 회전 보조판(1210)을 임펠러(224)의 2차 노즐과 정렬과 비정렬 상태로 이동시킨다.

상술한 제 1 실시예에서 보조 밸브 조립체(1220)는 회전 보조판(1210)과 액추에이터(210)를 포함한다. 보조 밸브 조립체(1220)는 또한 밸브 스템 조립체(1212)를 포함할 수 있다.

이제 도 13을 참조하면, 제 2 실시예의 터빈 조립체(200')의 단면을 나타내고 E-E 단면을 나타내는 단면 선과 함께 볼 수 있다.

다음 도 14를 참조하면, 도 13의 E-E의 횡단면을 볼 수 있다. 이 예에서는 보조 밸브 스템 조립체(212)가 말단 캡 조립체(204) 안에 있는 것을 보여준다. 이 예에서 보조 챔버(242)는 항상 통로(1410)를 통해 볼류트에 노출된다. 회전 보조판(1210)은 이하에 더 자세히 설명하겠지만 회전하여 위치로 가거나 위치에서 빠져 나온다. 캠(1412)이 회전하고, 이에 따라 회전 보조판(1210)이 회전하여 보조판의 개구부는 2차 노즐과 정렬할 수 있다. 이것은 다음에 더 설명한다.

도 15A 및 도 15B를 참조하면, 회전 보조판(1210)의 상면과 저면을 볼 수 있다. 이 예에서 회전 보조판은 회전 보조판(1210)의 주위에 대칭으로 이격된 개구부들(1510)을 포함한다. 개구부(1510)의 위치는 노즐 링(228)의 2차 노즐의 위치에 대응한다.

적어도 하나의 슬롯(1512)이 회전 보조판(1210) 내에 배치되어있다. 슬롯(1512)은 보조판을 노즐 링(228)에 상대적으로 회전시키는 캠(도 16A, 16B 표시)과 결합하는 데 이용된다. 이 회전형 보조판에 대하여 슬롯(1512)은 반경 방향 안쪽으로 뻗어있다.

이제 도 16A 및 도 16B를 참조하면, 보조 밸브 스템 조립체(1212)를 더 자세히 볼 수 있다. 보조 밸브 스템 조립체(1212)는 모터와 연계하는 데 이용되는 제 1 단부(1610)를 가지고 있다. 슬롯(1612)은 모터 등의 기기로 보조 밸브 스템 조립체(1212)를 회전시키기 위하여 밸브 스템 조립체 내의 키(미도시)와 맞물릴 수 있다. 캠(1620)은 제 2 단부(1621)에 배치되어 있다. 보조 밸브 스템 조립체(1212)는 밖으로 뻗는 핀(1624)을 가진다. 핀(1624)은 보조 밸브 스템 조립체(1212)의 길이 축(1630)을 중심으로 화살표(1622)에 의해 나타낸 방향으로 회전한다.

동작시에는 핀(1624)이 회전 보조판(1210)의 슬롯(1512)과 맞닿는다. 제 1 위치에서 핀(1624)의 위치 때문에 개구부(1510)는 노즐 링(228)의 2차 노즐과 완전히 정렬하고 볼류트와 2차 노즐 사이에 유체 통로를 최대화한다. 제 2위치에서 핀(1624)은 회전 보조판이 터빈 조립체의 길이방향 축을 중심으로 회전하게 하여 개구부(1510)가 2차 노즐과 정렬하지 않도록 만든다. 물론 핀(1624)은 제 1 위치와 제 2 위치 사이 임의의 위치에 있어서 개구부(1510)가 2차 노즐과 부분적으로 정렬하여 적어도 일부 유체 통과를 제공할 수 있다.

이제 도 17을 참조하면, 액추에이터 조립체(210)가 노즐 링(228)에 상대적으로 도시되어 있다. 보조 밸브 스템 조립체(1212)의 F-F 단면이 나타나 있다.

도 18A, 18B 및 18C를 참조하면, 도 17의 F-F 단면에 대한 보조 밸브 스템 조립체(1212)의 다양한 위치를 알 수 있다. 도 16A 및 16B에 표시된 아래쪽 핀(1624)의 위치는 회전 보조판(1210)의 이동을 일으킨다. 도 18A에서 캠(1620)이 점하는 제 1 위치에서는 노즐 링(228)의 2차 노즐(410)이 회전 보조판(1210)의 개구부(1510)와 완전히 정렬되어 최대 유체 간극(1810)을 형성한다.

도 18B에서 회전 보조판(1210)의 개구부(1510)는 노즐 링(228)의 2차 노즐(410)과 부분적으로 정렬하는 것으로 나타난다. 이 위치에서 유체가 볼류트에서 2차 노즐 안으로의 부분적으로 흐름이 개구부(1510)의 2차 노즐(410)에 대한 정렬 또는 비정렬로써 나타나 있다. 유체 간극(1810)은 도 18A의 상태에서 방향 조정된다.

이제 도 18C를 참조하면, 회전 보조판(1210)의 개구부(1510)는 노즐 링(228)의 2차 노즐(410)과 정렬에서 완전히 벗어난 것으로 나타나 있다. 이 도면에서는 도 18A 및 도 18B에 나타낸 유체 간극(1810)이 닫혀있다.

동작시에 원하는 터빈 저항에 따라 회전 보조판(1210)을 다양한 위치로 회전시키면서 유체 간극(1810)의 면적을 변화시켜 2차 노즐(410)을 통과하는 유체의 양을 제어할 수 있다. 도 18A에 나타낸 것과 같이, 개구부(510) 및 회전 보조판(1210)이 2차 노즐(410)과 완전히 정렬한 것을 볼 수 있다. 이것은 유체가 볼류트에서 최대 유량으로 흘러 임펠러(224)의 베인(226)을 향하여 배향된 2차 노즐을 통과할 수 있도록 한다. 도 18B에서 더 강한 터빈 저항이 바람직하므로 2차 노즐(410)과 회전 보조판(1210)의 정렬은 부분적으로만 제공된다. 정렬의 양은 터빈 저항을 제어하도록 제어 가능하다. 도 18C에서 회전 보조판(1210)은 2차 노즐(410)과 완전 비정렬 상태에 있다. 도 18A-18C를 서로 비교하여 알 수 있듯이, 캠(1620)의 위치, 따라서 핀(1624)의 위치는 변화한다. 핀(1624)은 슬롯(1512)과 맛물려, 터빈 조립체(200')의 샤프트(220)의 회전축(221)을 중심으로 회전 보조판(1210)을 회전시킨다.

당업자는 전술한 설명으로부터 본 발명의 폭넓은 기술들이 다양한 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명이 특정 실시예를 포함하더라도 다른 응용들이 도면, 상세한 설명 및 이하의 청구범위로부터 당업자에 의해 명백하기 때문에 본 발명의 실제 범주는 이에 제한받지 않는다.

10: 역삼투 시스템 12: 터보 차져
14: 입력 다기관 18: 막(membrane) 하우징
20: 역삼투 막 22: 투과 출력
24: 입구 26: 펌프 입력
28: 펌프 출력 30: 터보 차져 출구
54: 컨트롤러 112: 입구
200: 터빈 조립체 202: 터빈 하우징 조립체
204: 터빈 말단 캡 조립체 210: 액추에이터 조립체
212: 밸브 스템 조립체 214: 모터
220: 샤프트 222: 샤프트 개구부
224: 임펠러 226: 베인
228: 노즐 링 230: 1차 노즐
232: 볼류트(volute) 240: 벽
242: 보조 챔버 250: 개구부
252: 보조판 254: 구멍
256: 보조 밸브 조립체 260: 핸드 액추에이터
410: 2차 노즐 710/712: 나사
810: 개구부 1010: 유체 간극
1112: 입구 1210: 회전 보조판
1212: 보조 밸브 스템 조립체 1220: 보조 밸브 조립체
1410: 통로 1412: 캠
1510: 개구부 1512: 슬롯
1610: 제 1 단부 1612: 슬롯
1620: 캠 1621: 제 2 단부
1624: 핀 1630: 축
1810: 최대 유체 간극

Claims

볼류트(volute) 및 출구를 갖는 하우징;
회전 가능하게 하우징에 연결된 임펠러;
다수의 1차 노즐 및 다수의 2차 노즐을 갖는 노즐 링으로서, 상기 다수 1차 노즐과 상기 다수 2차 노즐이 상기 임펠러를 향하여 유체를 유도하는 노즐 링;
유체를 상기 볼류트에서 상기 다수 2차 노즐로 선택적으로 연통하는 보조 밸브 조립체; 및
상기 보조 밸브 조립체에 결합되어, 유체를 상기 볼류트에서 상기 다수 2차 노즐로 연통하는 제 1 위치로부터 상기 다수 2차 노즐로의 유체 흐름을 차단하는 제 2 위치로 상기 보조 밸브 조립체를 이동시키는 액추에이터
를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈.
제1항에 있어서, 상기 다수 2차 노즐이 상기 임펠러 주위에 대칭적으로 배치된 것을 특징으로 하는 터빈.
제1항에 있어서, 상기 다수 2차 노즐이 상기 임펠러의 회전축에 수직으로 상기 노즐 링의 표면 안으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 터빈.
제3항에 있어서, 상기 다수 2차 노즐이 축방향으로 상기 노즐 링 안으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 터빈.
제1항에 있어서, 상기 다수 1차 노즐이 상기 다수 2차 노즐에 유체 연결(fluidcally coupled)되는 것을 특징으로 하는 터빈.
제1항에 있어서, 상기 보조 밸브 조립체는 상기 액추에이터에 결합된 보조판을 포함하고, 상기 액추에이터는 상기 보조판을 상기 제 1 위치로부터 상기 제 2 위치로 이동시키는 것을 특징으로 하는 터빈.
제6항에 있어서, 상기 하우징이 개구를 가지고 축방향으로 뻗은 벽으로서, 상기 볼류트와 상기 다수 2차 노즐에 인접한 보조 챔버 사이에 위치한 것을 특징으로 하는 터빈.
제7항에 있어서, 상기 축방향으로 뻗은 벽은 터빈 말단 캡 조립체 안에 배치된 것을 특징을 하는 터빈.
제8항에 있어서, 상기 터빈 말단 캡 조립체는 터빈 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈.
제6항에 있어서, 상기 액추에이터는 상기 보조판을 축방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 터빈.
제10항에 있어서, 상기 액추에이터는 상기 밸브판에 결합된 밸브 스템 조립체를 포함하고, 상기 밸브 스템 조립체는 회전하여 상기 보조판을 축방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 터빈.
제11항에 있어서, 상기 액추에이터는 상기 밸브 스템 조립체를 회전시키는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈.
제11항에 있어서, 상기 액추에이터는 상기 밸브 스템 조립체를 회전시키는 핸드 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈.
제1항에 있어서, 상기 보조 밸브 조립체는 다수의 개구가 관통하여 있는 회전 보조판을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈.
제14항에 있어서, 상기 액추에이터는 상기 터빈 보조판을 상기 임펠러의 회전축 둘레로 이동시키는 것을 특징으로 하는 터빈.
제14항에 있어서, 상기 액추에이터가, 유체를 상기 볼류트에서 상기 다수 2차 노즐로 유체가 흐르도록 상기 다수의 개구가 상기 다수 2차 노즐과 정렬하는 제 1 위치로부터 상기 다수의 개구가 상기 다수 2차 노즐과 정렬하지 않는 제 2 위치까지 상기 회전 보조판을 이동시키는 것을 특징으로 하는 터빈.
제14항에 있어서, 상기 회전 보조판은 슬롯을 포함하고 상기 액추에이터는 캠과 핀을 포함하고, 상기 핀은 상기 슬롯 안에 배치되는 것을 특징으로 하는 터빈.
제17항에 있어서, 상기 액추에이터는 상기 캠을 회전시키는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈.
제17항에 있어서, 상기 액추에이터는 상기 캠을 회전시키는 핸드 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈.
샤프트를 포함하는 제 1 항 기재의 터빈; 및
상기 샤프트에 결합한 펌프
를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제20에 있어서, 상기 터빈 및 상기 펌프와 연통하는 역삼투압 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
터빈 동작 방법으로서,
샤프트 상의 임펠러를 회전시키도록 유체를 상기 터빈의 볼류트로부터 노즐 링의 다수의 1차 노즐을 통해 연통시키는 과정;
상기 노즐 링의 다수의 2차 노즐을 상기 볼류트로부터의 유체에 개방하도록 보조 밸브 조립체를 이동시키도록 액추에이터 조립체를 작동하는 과정; 및
다음으로, 상기 다수 1차 노즐 및 다수 2차 노즐로부터의 유체로 상기 임펠러를 회전시키는 과정
을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 동작 방법.
제22항에 있어서, 상기 다수의 2차 노즐을 개방하도록 상기 보조 밸브 조립체를 이동시키는 데 응하여 상기 터빈의 터빈 저항을 저하하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 동작 방법.
제22항에 있어서, 상기 작동하는 과정이, 보조판을 축방향으로 이동시키는 과정과 상기 이동시키는 과정에 응하여 상기 볼류트로부터의 유체를 연통시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 동작 방법.
제22항에 있어서, 상기 작동하는 과정이, 보조판을 축방향으로 이동시키는 과정과 상기 이동시키는 과정에 응하여 상기 볼류트로부터의 유체를 터빈 하우징의 축방향으로 뻗는 터빈 벽에 있는 개구를 통해 연통시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 동작 방법.
제22항에 있어서, 상기 작동하는 과정이, 개구들을 구비한 회전 보조판을 상기 노즐 링의 상기 다수 2차 노즐과 정렬되도록 회전시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 동작 방법.
제26항에 있어서, 보조판을 회전시키는 상기 과정이 상기 회전 보조판의 슬롯 내에 있는 보조 밸브 스템 조립체의 캠 상에 배치된 핀을 이동시킴으로써 상기 보조판을 회전시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 동작 방법.