KR20150038769A - 반작용식 스팀 터빈용 노즐 회전체 - Google Patents
반작용식 스팀 터빈용 노즐 회전체 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 반작용식 스팀 터빈에 있어서, 스팀을 분출하여 회전 운동이 이루어지게 되는 노즐 회전체에 관한 것으로, 중앙에 회전축과 결합되는 축공(111)이 형성되는 디스크 형상의 몸체부(110)와; 상기 축공(111)에 대해 나선 방향으로 서로 등각을 이루는 다수의 배기유로(121)를 제공하게 되는 가이드측면(GS)을 갖도록 상기 몸체부(110)와 일체로 형성된 가이드부(120)를 포함하며, 상기 가이드부(120)는, 각 배기유로(121)의 선단에서 상기 몸체부(110)의 회동 방향으로 폭이 좁게 마련된 노즐단(122)과; 상기 노즐단(122)에서 연장되어 고정체와 대면하며, 몸체부(110)의 회동 방향으로 곡면의 토출가이드측면(IS);을 포함한다.
Description
본 발명은 반작용식 스팀 터빈에 있어서, 스팀을 분출하여 회전 운동이 이루어지게 되는 노즐 회전체에 관한 것이다.
스팀 터빈은 고온, 고압 상태인 스팀을 이용하여 기계적인 일로 변환시키는 원동기로써, 화력발전이나 선박 등의 주기관으로 널리 사용되고 있다.
스팀 터빈은 고압의 스팀을 노즐에서 분출시키고 이를 날개에 분출시켜서 분류에 의해 발생되는 충격력만을 이용한 충동식 터빈과, 분류 외에 날개 사이의 단면적을 바꿔서 생긴 반동력을 이용한 반동식 터빈 등이 있다.
한편 이러한 일반적인 스팀 터빈 이외에도 회전체 자체에서의 스팀 분사에 의한 반작용을 이용한 반작용식 스팀 터빈이 다수 제안되어 있으며, 반작용식 스팀 터빈은 배출되는 스팀 에너지의 반작용에 의해 회전 에너지를 얻게 되어 구조가 간단하면서도 높은 열효율을 얻을 수 있어서 중소 용량의 원동기로 적합하다.
예를 들어, 공개특허 제10-2012-47709호(공개일자: 2012.05.14), 공개특허 제10-2013-42250호(공개일자: 2013.04.26) 및 등록특허 제10-1229575호(등록일자: 2013.01.29)에서는 반작용식 터빈장치를 보여주고 있다.
이러한 반작용식 터빈장치는 하우징유로를 갖는 하우징과, 하우징에 회전 가능하게 결합되어 회전력을 전달하는 터빈축과, 터빈축에 결합되고 하우징의 하우징유로에 회전 가능하게 배치되어 원주방향으로 고압 유체를 분사하여 회전력을 발생시키게 되는 다수 개의 노즐조립체를 포함한다.
본 발명의 이해를 돕기 위하여 공개특허 제10-2012-47709호(공개일자: 2012.05.14)에서 개시하고 있는 노즐플레이트를 설명한다.
도 1은 종래기술에 따른 반작용식 스팀 터빈용 노즐플레이트의 평면 구조를 보여주는 도면으로, 노즐플레이트는 같은 크기의 디스크 형태의 커버가 상부에 조립되어 하나의 노즐조립체를 구성한다.
도 1을 참고하면, 종래의 노즐플레이트(1)는, 디스크 형태인 몸체부(10)의 중앙에 회전축(터빈축)과 결합되는 축공(11)이 형성되며, 축공(11)을 중심으로 하여 다수의 분사연통구(12)가 형성된다.
분사연통구(12)는 커버(미도시)의 분사흡입구와 연통되는 제1분사연통구(12a)와, 제1분사연통구(12a)와 분사토출구(13)를 연결하는 제2분사연통구(12b)로 이루어진다.
분사토출구(13)와 인접하여 노즐(20)이 볼트 또는 리벳에 의해 몸체부(10)와 조립된다. 도면부호 23은 볼트 조립을 위한 볼트체결공이다. 노즐(20)은 노즐구멍(21)이 관통 형성되며, 노즐구멍(21)의 일부는 직경이 작은 원형의 소경부(22)가 마련된다. 한편, 몸체부(10)와 별도로 조립이 이루어지는 노즐(20)은 드릴(drilling) 작업에 의해 노즐구멍이 형성된다.
한편 종래의 노즐플레이트는 노즐(20)에서 연장되는 토출가이드측면(14)이 노즐(20) 출구의 유동 방향과 수평하게 마련되며, 이때 회전하는 노즐플레이트의 영향으로 인하여 노즐 출구 유동이 노즐플레이트에 작용하여 유로 손실이 발생되는 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2012-0047709호(공개일자: 2012.05.14)
공개특허공보 제10-2013-0042250호(공개일자: 2013.04.26)
등록특허공보 제10-1229575호(등록일자: 2013.01.29)
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 반작용식 스팀 터빈용 노즐플레이트(이하, "노즐 회전체"로 지칭함)에 있어서, 노즐 구조를 개선하여 노즐 토출단에서 발생될 수 있는 손실을 최소화하고 발전 효율을 높일 수 있는 반작용식 스팀 터빈용 노즐 회전체를 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반작용식 스팀 터빈용 노즐 회전체는, 중앙에 회전축과 결합되는 축공이 형성되는 디스크 형상의 몸체부와; 상기 축공에 대해 나선 방향으로 서로 등각을 이루는 다수의 배기유로를 제공하게 되는 가이드측면을 갖도록 상기 몸체부와 일체로 형성된 가이드부를 포함하며, 상기 가이드부는, 각 배기유로의 선단에서 상기 몸체부의 회동 방향으로 폭이 좁게 마련된 노즐단과; 상기 노즐단에서 연장되어 고정체와 대면하며, 몸체부의 회동 방향으로 곡면의 토출가이드측면;을 포함한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 노즐단은, 체결부재에 의해 상기 몸체부와 조립되는 노즐편이며, 보다 바람직하게는, 상기 체결부재는 최소한 하나 이상의 볼트 및 조립핀을 포함한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 배기유로의 단면은 사각형이며, 상기 배기유로의 모서리는 곡면인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 가이드부는 가이드측면 안쪽으로 중공홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반작용식 스팀 터빈용 노즐 회전체는, 노즐 토출단의 유로 구조를 개선하여 손실을 최소화하고 발전 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 반작용식 스팀 터빈용 노즐플레이트의 평면 구조를 보여주는 도면,
도 2는 종래기술에 따른 반작용식 스팀 터빈용 노즐플레이트 구조에서 노즐의 유속 상태를 시뮬레이션한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 반작용식 스팀 터빈용 노즐 회전체의 평면 구성도,
도 4의 (a)(b)는 본 발명에 따른 반작용식 스팀 터빈용 노즐 회전체에서 노즐의 유속 상태를 종래기술과 대비하여 보여주는 시뮬레이션한 도면,
도 5는 도 3의 A-A 선의 단면도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반작용식 스팀 터빈용 노즐 회전체의 평면 구성도,
도 7은 도 6의 B-B 선의 단면도.
도 2는 종래기술에 따른 반작용식 스팀 터빈용 노즐플레이트 구조에서 노즐의 유속 상태를 시뮬레이션한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 반작용식 스팀 터빈용 노즐 회전체의 평면 구성도,
도 4의 (a)(b)는 본 발명에 따른 반작용식 스팀 터빈용 노즐 회전체에서 노즐의 유속 상태를 종래기술과 대비하여 보여주는 시뮬레이션한 도면,
도 5는 도 3의 A-A 선의 단면도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반작용식 스팀 터빈용 노즐 회전체의 평면 구성도,
도 7은 도 6의 B-B 선의 단면도.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 반작용식 스팀 터빈용 노즐 회전체의 평면 구성도이다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 노즐 회전체(100)는 중앙에 회전축(터빈축)과 결합되는 축공(111)이 형성되는 디스크 형상의 몸체부(110)와; 상기 축공(111)에 대해 나선 방향으로 서로 등각을 이루는 다수의 배기유로(121)를 제공하게 되는 가이드측면(SG)을 갖도록 상기 몸체부(110)와 일체로 형성된 가이드부(120)를 포함하며, 상기 가이드부(120)는, 각 배기유로(121)의 선단에서 상기 몸체부(110)의 회동 방향으로 폭이 좁게 마련된 노즐단(122)과; 상기 노즐단(122)에서 연장되어 고정체와 대면하며, 몸체부(110)의 회동 방향으로 곡면의 토출가이드측면(IS);을 포함한다.
몸체부(110)는 소정 두께의 디스크 형태로써 중앙에 축공(111)이 형성되며, 축공(111)을 중심으로 하여 다수의 배기유로(121)를 제공하게 되는 가이드부(120)가 몸체부(110)와 일체로 돌출되어 구성되며, 바람직하게는 디스크 기재에 밀링 작업에 의해 요홈이 음각 형성되고 요홈 양측의 가이드측면(GS)은 배기유로(121)의 폭을 결정하게 되며, 이러한 배기유로(121)를 형성하는 돌출 형성된 구조는 가이드부(120)를 구성한다.
축공(111) 내주면에는 회전축(터빈축)과 결합이 이루어지는 키홈(111a)이 형성될 수 있다.
배기유로(121)는 축공(111)을 중심으로 하여 서로 등각을 이루고 다수 개가 나선형으로 마련되며, 각 배기유로(121)의 선단은 몸체부(110)의 회동 방향으로 폭이 좁게 형성된 노즐단(122)이 형성되어 노즐단(122)으로 토출되는 스팀에 의해 노즐 회전체(100)의 회전 운동이 이루어진다.
특히 본 발명에서 가이드부(120)는 노즐단(122)에서 연장되어 고정체와 대면하게 되는 토출가이드측면(IS)을 포함하며, 토출가이드측면은 몸체부(110)의 회동 방향으로 곡면을 갖는 것을 특징으로 한다.
노즐 회전체(100)의 노즐단(122)에서 토출되는 스팀의 출구 속도는 음속에 가까우며, 따라서 노즐단(122)에서 토출된 스팀은 토출가이드측면과 부딪치는 경향을 갖는다. 따라서, 본 발명에서는 토출가이드측면(IS)을 회동 방향으로 곡면을 갖도록 함으로써 유체(스팀)가 토출가이드측면과 부딪혀 유동 손실이 발생되는 것을 최소화하여 터빈 효율을 개선할 수 있다.
도 4의 (a)(b)는 본 발명에 따른 반작용식 스팀 터빈용 노즐 회전체에서 노즐의 유속 상태를 종래기술과 대비하여 보여주는 시뮬레이션한 도면이다.
도 4의 (a)는 종래기술의 노즐 구조를 시뮬레이션한 것이며, (b)는 본 발명의 시뮬레이션 결과로써, 빠른 유속을 빨간색으로 나타내고 있으며, 종래기술과 대비하여 본 발명의 노즐단 후단에서 빨간색이 많이 분포함을 알 수 있다.
다시 도 3을 참고하면, 바람직하게는 가이드부(120)는 가이드측면(GS) 안쪽으로 중공홀(123)이 형성되어 노즐 회전체를 경량화하여 터빈 기동 시간을 최소화할 수 있으며, 회전체를 축 지지하기 위한 베어링의 마찰 손실을 저감하여 터빈의 효율을 개선할 수 있다.
도 5는 도 3의 A-A 선의 단면도이다.
도 5에 도시된 것과 같이, 노즐단(122)과 배기유로(121) 전체는 사각형(또는 직사각형)의 단면을 가지며, 노즐단(122)과 배기유로(121)의 하단 모서리는 직각이 아닌 곡면을 가짐으로써 모서리에서 유체 저항 또는 와류 발생을 최소화하는 것이 바람직할 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반작용식 스팀 터빈용 노즐 회전체의 평면 구성도이며, 도 7은 도 6의 B-B 선의 단면도이다.
도 6에 예시된 것과 같이, 다른 실시예에 따른 노즐 회전체(200)에서 노즐단은 체결부재에 의해 몸체부(210)와 조립되는 노즐편(230)에 의해 제공될 수 있으며, 보다 바람직하게는, 체결부재는 최소한 하나 이상의 볼트 및 조립핀을 포함한다.
이와 같이 체결부재에 의해 몸체부(210)에 조립되는 노즐편(230)은 몸체부(210)에서 쉽게 교체가 가능하므로, 노즐 회전체에서 노즐편(230) 만을 교체하여 배기유로의 폭을 변경하여 터빈 용량을 쉽게 변경할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 노즐편(230)은 최소한 하나 이상의 볼트와, 최소한 하나 이상의 조립핀을 포함하는 체결부재에 의해 몸체부(210)와 조립이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 7에 예시된 것과 같이, 노즐편(230)은 일 측면이 가이드부(220)와 밀착되어 두 개의 볼트(241)와, 하나의 조립핀(242)에 의해 몸체부(210)와 조립된다.
조립핀(242)은 볼트(241)보다 큰 전단응력을 지지하게 되므로, 볼트만을 사용하는 경우와 비교하여 노즐편(230)에 작용하는 큰 충격 하중에도 노즐편(230)을 견고히 고정할 수 있다.
도면부호 CV는 노즐 회전체와 결합되어 노즐조립체를 구성하게 되는 커버이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
100, 200 : 노즐 회전체 110, 210 : 몸체부
111 : 축공 120, 220 : 가이드부
121, 221 : 배기유로 230 : 노즐편 GS : 가이드측면 IS : 토출가이드측면
111 : 축공 120, 220 : 가이드부
121, 221 : 배기유로 230 : 노즐편 GS : 가이드측면 IS : 토출가이드측면
Claims (6)
- 중앙에 회전축과 결합되는 축공이 형성되는 디스크 형상의 몸체부와;
상기 축공에 대해 나선 방향으로 서로 등각을 이루는 다수의 배기유로를 제공하게 되는 가이드측면을 갖도록 상기 몸체부와 일체로 형성된 가이드부를 포함하며,
상기 가이드부는,
각 배기유로의 선단에서 상기 몸체부의 회동 방향으로 폭이 좁게 마련된 노즐단과;
상기 노즐단에서 연장되어 고정체와 대면하며, 몸체부의 회동 방향으로 곡면의 토출가이드측면;을 포함하는 반작용식 스팀 터빈용 노즐 회전체. - 제1항에 있어서, 상기 노즐단은,
체결부재에 의해 상기 몸체부와 조립되는 노즐편인 것을 특징으로 하는 반작용식 스팀 터빈용 노즐 회전체. - 제2항에 있어서, 상기 체결부재는 최소한 하나 이상의 볼트 및 조립핀을 포함하는 반작용식 스팀 터빈용 노즐 회전체.
- 제1항에 있어서, 상기 배기유로의 단면은 사각형인 것을 특징으로 하는 반작용식 스팀 터빈용 노즐 회전체.
- 제4항에 있어서, 상기 배기유로의 모서리는 곡면인 것을 특징으로 하는 반작용식 스팀 터빈용 노즐 회전체.
- 제1항에 있어서, 상기 가이드부는 가이드측면 안쪽으로 중공홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 반작용식 스팀 터빈용 노즐 회전체.
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