KR20150137305A - 통공형 원심식 다단터빈 - Google Patents

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KR20150137305A
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Abstract

본 발명은 저온의 폐열원에서 에너지를 회수할 수 있는 유기랭킨사이클 발전시스템에 적용할 수 있는 통공형 원심식 다단 터빈 장치 기술에 관한 것이다.
터빈하우징에 내부에 터빈하우징과 일체화 되거나 터빈하우징에 의해 고정된 고정자가 설치되고 그 고정자 내부에 회전축이 설치되고 회전축에 원반형 회전자와 회전날개가 1단 이상 설치되어 터빈을 구성하고, 터빈 하우징 입구에서 회전하면서 들어오는 유체가 고정자 및 회전자 날개에 형성된 관형 유체경로를 따라 진행하면서 고정자에서 회전자, 회전자 에서 고정자로 유체가 진행하면서 유체의 에너지를 고정자에서 회전자로 전달, 회전자가 연결되어 있는 회전축으로 동력을 전달하는 날개가 없는 통공형 원심식 다단 터빈 기술이다.

Description

통공형 원심식 다단터빈 {Through-hole Centrifugal type Multistage turbine}
본 발명은 유체의 에너지를 이용하여 전력을 생산하기 위한 통공형 다단터빈 장치에 관한 것이다. 특히 버려지는 폐열을 회수하여 동력을 생산하는 유기랭킨사이클 터빈으로서의 마이크로 터빈에 관한 것이다.
일반적으로 유체의 특성을 매체로 하여 에너지 형태를 변환 시킬 수 있는 많은 유체 기계들이 알려져 있고, 그 예로 가스터빈과 증기터빈 등이 있다.
가스터빈은 압축된 공기와 연료의 혼합 기체가 연소실에서 폭발되면서 팽창 압력에 의해 터빈의 날개를 회전시켜 동력을 얻는데, 증기터빈은 물을 끓여서 발생한 고압 증기로 터빈 날개를 회전시켜 동력을 얻을 수 있다.
가스터빈 임펠러의 경우, 고온 고압의 가스 팽창압력을 활용하게 됨으로 임펠러가 고온, 고압에 견딜 수 있는 특수 금속을 사용해야 하고 가공도 어려운 점이 있다.
증기터빈 또한 고온 고압의 증기가 터빈 날개에 부딪히면서 날개를 돌려 회전축에
에너지를 전달하여 동력을 생산하기 때문에 날개의 형상, 각도, 배치간격 등에 따라 효율이 좌우되고, 수 많은 날개를 제작하는데 제작 시간이 많이 걸리는 문제가 있고, 증기가 날개에 부딪히면서 동력을 전달하는 과정에서 증기가 가지고 있던
에너지가 많이 손실되고 있다.
에너지 문제가 심각해 지면서, 버려지는 비교적 저온의 폐열로 부터 열원을 회수하여 발전할 수 있는 유기랭킨사이클이 사용되고 있는데, 이 경우, 유체로 물을 사용하는 것이 아니라 R245fa나 R134a와 같은 유기냉매를 유체로 활용하여 유기랭킨사이클을 구성하여 동력을 생산하고 있다.
위와 같은 유기냉매는 비등점이 낮아 낮은 열원에서 열을 회수하여 동력을 얻는 데 매우 유효하다. 낮은 열원에 의해 유기냉매가 포화증기가 되어, 그 포화증기의 압력으로 터빈을 돌려 동력을 얻을 수 있는데, 이 경우, 이에 적합한 비교적 소용량의 터빈이 필요한데, 이를 마이크로 터빈이라 한다.
마이크로 터빈에는 용적식과 원심식 터빈이 있는데 원심식 터빈 중에 기존 날개형 터빈의 문제점을 개선한 터빈 날개가 없는 마이크로 터빈기술이 다음과 같이 공지되어 있다. “통공이 형성된 원반을 갖는 터보형 임펠러 동력발생장치(대한민국 공개특허 10-2008-0105323)”
상기 통공이 형성된 원반 터빈 임펠러(공개특허 10-2008-0105323) 기술의 경우, .원통형의 회전드럼 가장 바깥 쪽 원주에 유체 유입경로를 형성하고, 유입경로 안쪽 원주에 유출경로를 형성하여, 유체의 유입경로 출구공쪽에서 각을 주어 회전드럼
을 돌리고, 다시 유출경로로 유입한 유체가 유출경로 끝단에서 회전각을 갖는 출구공쪽에서 배출되면서 다시 한번 회전드럼 에 회전력을 주게 되나, 이 경우 원통형 회전드럼 양끝에서 작용하는 유체의 힘이 작용하는 작용점이 틀려 휠밸런스가
맞지 않아 진동이 발생함은 물론, 이 진동으로 인해 소음이 발생하고 축 베어링이 쉽게 고장날 수 있으며, 유체의 에너지가 유입경로와 출구경로 끝단에서 각각 한번씩 밖에 사용되지 않아 충분한 회전토크를 얻을 수 없어 발전기와 같은 부하가 연결되면 회전수가 급감하는 문제가 발생하게 된다.
상기 문제점을 해결하면서 터빈의 성능 및 효율을 개선하기 위해서 본 발명에서는 유체의 에너지를 최대한 효율적으로 회전축에 전달, 동력을 생산하기 위해 회전축에 연결된 회전자를 고정자 내부에 설치하고, 원반형 회전자에 원반형 회전자 날개를 형성하여, 회전축을 따라 고정자 내부에 형성된 유체 통로로 유체가 진행하면서 회전축을 종축으로 횡축의 회전자에 면을 접하는 고정자 내부에 유체가 발산하는 형태로 유체경로를 형성하고, 그 유체경로에서 만나는 회전자 날개 에 형성된 유체경로를 유체가 진행하면서 회전자 날개를 회전시키고, 회전방향 반대로 유체가 빠지면서 진행하는 방향으로 고정자에 형성된 유체경로를 따라 종방향 사선형태로 형성된 유체경로를 따라 유체가 회전자 뒷면의 회전날개를 다시 돌리면서 수렴하는 방향으로 형성된 고정자 유체경로를 따라 회전축을 따라 고정자 내부에 형성된 유체통로로 들어가면서 유체를 회전시켜, 다시 유체가 횡축으로 발산하는 방향으로 원활히 진행할 수 있게 구성한다.
즉, 터빈 내부로 들어온 유체가 회전자축을 따라 형성된 고정자 유체경로를 따라 회전하면서 횡방향으로 발산하면서 회전자 날개를 돌리고, 고정자 유체경로를 통해 회전자 뒷면에서 다시 회전자 날개를 돌리고 고정자로 빠져나와, 횡으로 회전자축을 향해 수렴하는 방향으로 고정자에 형성된 유체경로를 따라, 회전자축을 따라 형성된 고정자 유체경로 내부로 회전하면서 들어와 계속 유체가 터빈출구로 진행하도록 설계된다.
상기와 같이 회전자축에 회전자를 다단으로 설치하여 유체의 에너지를 최대한 축에 전달할 수 있다.
위와 같이 유체가 고정자에서 회전자로 고정자에서 회전자로 반복해서 진행하면서 유체에너지가 회전축에 전달됨으로, 부하에 따른 회전수와 회전토크를 충분히 얻을 수 있다.
날개가 없는 통공형 다단터빈으로 유체의 상태에 영향을 받지 않고 유체에너지로 부터 동력을 전달 받을 수 있으며, 소형에서 대형까지 터빈 설계가 용이하며, 날개가 없어 수명이 반 영구적이며 구조가 간단해서 제조비용을 낮출 수 있으며,
관형 유체통로를 따라 고정자에서 회전자로 유체의 에너지가 계속 전달되기 때문에 유체 에너지 손실이 없어 경제적이면서 고효율인 터빈을 제공할 수 있다.
도1 은 본 발명의 통공형 다단터빈 단면도
도2 는 본 발명의 통공형 다단터빈 부분 단면도와 그 단면도의 양 측면도
도3 은 도2 (b)-200F 부분 상세도
도4 은 도2 (b )-200F 부분 상세도에서 회전날개를 개선한 상세도
도5 는 도2 (c )-200B 회전날개를 개선한 부분상세도
도6 는 본 발명의 통공형 다단터빈 부분 투시 예
도7은 종래기술의 통공이 형성된 원반 터빈의 단면도 및 측면도
도1 은 본 발명의 통공형 다단터빈 단면도 예시도 이다.
상기 예시도 에서는 3단으로 통공형 다단터빈을 구성한 예를 보여주고 있다.
기본적으로 크게 터빈하우징(108)과 터빈하우징(108)내 고정자(110)가 설치되고, 고정자(110) 내부에 회전축(111)과 회전축(111)에 원반형 회전자(112)가 하나 이상 설치된다. 원반형 회전자(112)에 회전축(111)과 평행하게 회전자 날개(113)가 설치되어 회전자 날개(113)에 형성된 관형 유체경로를 통해 유체가 지나가면서 회전축(111)으로 동력을 전달하게 된다.
터빈하우징(108)에 유체입구(101)가 연결되고 유체입구(101)로 들어오는 유체에 회전을 주기위한 흡입유체 회전날걔(102)가 있어 고정자(110) 내부 고정자 축평행 안쪽 유체통로(103)으로 유체가 회전하면서 들어오게 된다.
회전하는 유체는 고정자(110)에 형성된 고정자 바깥방향 유체통로(104F)를 통해 회전자 날개(113)의 유체통로(105F)를 통과하면서 회전자(112)를 회전시켜 회전축(111)에 동력을 전달하게 된다.
회전자 날개(113)를 빠저 나온 유체는 고정자(110)에 형성된 유체경로(106F->107->106B)를 통해 회전자(112) 뒷면의 회전자 날개(113)의 유체통로(105B)를 통과하면서 유체에너지를 회전축(111)에 전달하게 된다.
다시 유체는 회전자(112) 뒷면 고정자(110B)에 형성된 유체경로(104B->103)를 통해 두번째 회전자 앞면 고정자(110F)를 통해 상기와 같은 방법으로 계속 회전자 날걔(113)을 회전시켜 회전축(111)으로 동력을 전달하면서 터빈하우징(108)에
설치된 유체출구(109)로 빠져 나가게 된다.
도2 는 본 발명의 통공형 다단터빈 부분 단면도와 그 단면도의 양 측면도 예시도 이다.
도2의 (a)는 도2의 (b) 2F에서 바라본 측면도 이다. 고정자 축평행 안쪽 유체통로(103)에서 회전하는 유체는 고정자(110F) 내부에 발산하는 방향으로 관형 형태로 형성된 유체경로(104F)를 통해 회전자 날개(113)의 유체통로(105F)를 통과하면서
회전자 날개(113)를 회전시키고 빠져나간다.
고정자 축평행 안쪽 유체통로(103)에 회전하는 유체가 고정자(110F)에 형성된 유체경로(104F)로 원활하게 빠져 나오게 하기 위해서는 유체가 회전하는 방향으로 유체통로(103)의 원주면과 유체경로(104F)가 이루는 각을 작게 해야 한다.
또한 고정자(110F)에 형성된 유체경로(104F)가 회전자 날개(113)에 형성된 유체통로(105F) 입구 원주면과 이루는 입사각도 유체에너지를 최대한 회전자 날개(113)를 통해 회전축(111)으로 전달하기 위해 발산하는 유체의 원추형 나선방향과 일치
시키는 것이 바람직 하다.
도2의 (c )는 도2의 (b)의 2B 방향에서 바라본 터빈 단면도 이다.
회전자 날개(113)의 유체통로(105F)를 통해서 회전방향 반대로 빠져 나오는 유체는 그 진행 방향으로 고정자(110H)에 형성된 유체통로(106F)와 고정자(110H) 원주면에 사선방향으로 형성된 유체통로(107)을 거쳐 도2 (b)의 2B쪽에서 바라본 측면도에
도시된 바와 같이 유체통로(106B)로 진행하여, 다시 회전자 날개(113)를 회전시키게 된다.
회전자 날개(113)를 빠져나온 유체가 원추형 나선운동 형태로 고정자 축평행 안쪽 유체통로(103)로 수렴하도록 고정자(110B) 내부에 관형 유체경로(104B)를 형성하는 것이 바람직하다. 이 유체경로(104B)를 따라 유체가 고정자 축평행 안쪽 유체통로(103)로 들어오면서 회전을 하게 된다.
도3 은 도2 (b)-200F 부분 상세도 이다.
상기 도면은 고정자(110F)와 고정자(110H) 사이의 회전자 날개(113) 접합면에 대한 부분 상세도이다.
이 도면의 경우 회전자 날개(113)가 회전하면서 고정자(110F)의 유체경로(104F)와 회전자 날개(113) 유체경로(105F), 다시 고정자(110H)의 유체경로(106F)가 어긋나게 되면서 유체경로가 차단되는 구간이 생기게 된다. 이렇게 유체경로가 차단
되는 구간에서는 회전자 날개(113)는 원심력에 의해 계속 돌게 되겠지만, 회전축(111)에 전달되는 유체에너지가 줄게 된다.
도4 은 도2 (b )-200F 부분 상세도에서 회전날개를 개선한 상세도 이다.
상기 도면은 도3에서 문제가 되는 유체경로 단절 부분을 해결하기 위해, 고정자(110B, 110H) 와의 접합면의 회전자 날개(113)를 일정 각도로 깍아서 항상 유체가 진행할 수 있도록 개선한 부분 상세도 이다.
도4의 (a)는 도4의 (b)와 같이 고정자(110H), 회전자날개(113), 고정자(110F)의 부분 단면도 이다.
고정자(110F)에서 회전자 날개(113)로 들어가는 유체통로 접합면을 보면 고정자(110F)가 회전자 날개(113) 홈(400W)로 들어가 있고, 회전자 날개(113)에서 유체가 나오는 접합면에서는 회전자 날개(113)가 고정자(110H)의 홈(400M) 안으로
들어가 있다.
이는 유체가 진행하면서 접합면 사이에서 유출되는 것을 방지하기 위한 실링을 위한 장치이다.
도5 는 도2 (c )-200B 회전날개를 개선한 부분 상세도 이다.
상기 도면은 유체가 회전축(111) 으로 원추헝 나사방향으로 수렴하는 경우, 고정자(110H), 회전자 날개(113), 고정자(110B)를 통해 유체가 지나면서 유체경로상 접합면에서의 부분 단면도로서 도5의 (a)에서 고정자(110H)에서 회전자 날개(113)
로의 접합면은 고정자(110H)과 회전자 날개(113) 홈(400W)으로 들어가 있고, 회전자 날개(113)에서 고정자(110B)로의 접합면은 회전자 날개(113)가 고정자(110B) 홈(400M)으로 들어가 있어 접합면에서의 유체 유출을 방지하기 위한 실링을 용이하게 할 수 있다.
도6 는 본 발명의 통공형 다단터빈 측면 투시 예이다.
상기 측면도를 통해 유체의 진행 방향을 알 수 있다. 측면도에서 보는 바와 같이 원반형 회전자 앞면에서 뒷면으로 유체가 진행될 때, 고정자 바깥 원주면으로 회전자(113) 반대 방향의 사선방향으로 유체경로(107)가 형성되어 있는 예를 보여준다.
본 발명은 상기와 같이 회전축(111)을 따라 유체가 진행하면서 유체의 에너지를 회전축(111)으로 계속 전달 할 수 있도록 다단으로 구성하기가 용이하여, 최대한 유체의 에너지를 회전축(111)을 통해 전달할 수 있다.
도7은 종래기술의 통공이 형성된 원반 터빈의 단면도 및 측면도이다.
101 : 유체입구
102 : 흡입유체 회전날개
103 : 고정자 축평행 안쪽 유체통로
104F : 고정자 바깥방향 유체통로
104B : 고정자 안쪽방향 유체통로
105F : 회전자 바깥방향 유체통로
105B : 회전자 안쪽방향 유체통로
106F : 외곽 고정자 바깥방향 유체통로
106B : 외곽 고정자 안쪽방향 유체통로
107 : 고정자 축팽행 바깥쪽 유체통로
108 : 터빈하우징
109 : 유체출구
110 : 고정자
111 : 회전축
112 : 회전자
113 : 회전자 날개
400M : 회전자 회전날개 유체출구
400W : 회전자 회전날개 유체입구

Claims (9)

  1. 유동하는 유체로 부터 에너지를 얻기 위해 터빈 하우징과 일체화 되어 있거나 터빈 하우징에 연결하여 고정되어 있는 고정자와, 고정자 내부에 회전축과 회전축에 연결된 하나 이상의 회전자를 설치하고, 고정자에서 회전자로 회전자에서 고정자로 유체가 통과하는 관형 구멍을 형성하여, 유체의 에너지에 의해 회전자를 회전시킴을 특징으로 하는 통공형 다단 터빈 장치.
  2. 청구항 1항에 있어서,
    터빈 하우징에 설치되어 있는 유체 입구로 부터 흡입되는 유체가 고정자 축평행 안쪽 유체통로로 유입되기 전에, 유체입구와 연결된 터빈하우징 내부에 흡입유체를 회전시키는 장치를 설치함을 특징으로 하는 통공형 다단 터빈 장치
  3. 고정자 축평행 안쪽 유체통로에서 회전하는 유체가 발산하는 방향으로 빠져 나와 축에 연결된 회전자의 회전자 날개를 회전 시키기 위해, 고정자 축평행 안쪽 유체통로의 원주면과 회전하는 유체가 빠져 나오는 고정자 바깥 방향 유체통로의 각을 유체저항을 줄이는 방향으로 작게 유지하고, 이 유체의 에너지를 최대한 회전자 날개에 전달하기 위해 회전자 날개 안쪽 회전 원주면과 고정자 바깥 방향 유체통로의 입사각을 최소화 하도록 고정자에 통공형 유체통로를 형성함을 특징으로 하는
    통공형 다단 터빈 장치.
  4. 청구항 3항에 있어서,
    회전축으로 부터 발산하는 방향으로 유체통로가 형성된 고정자로 부터 회전자 날개로 유입하는 유체의 에너지로 회전자 날개를 돌리고 회전방향 반대로 빠져 나가도록, 회전날개 내부에 관형 유체 통로를 형성함을 특징으로 하는 통공형 다단터빈.
  5. 청구항 4항에 있어서,
    회전자 날개를 통과해 고정자로 유입하는 유체의 각도를 유지하여 고정자로 유입되도록 유체 통로를 형성하고, 고정자로 유입된 유체를 원통형 회전자 뒷면 쪽 회전자 날개로 보내기 위해, 상기 고정자 유체 통로가 끝나는 위치의 고정자 원주면에
    회전자 날개가 회전하는 반대 방향으로 사선형태로 유체통로를 형성함을 특징으로 하는 통공형 다단 터빈장치.
  6. 청구항 5항에 있어서,
    사선형태의 유체통로를 통해 원통형 회전자 뒷면 고정자로 유입된 유체가 회전자 날개 유체통로 입사각과 같거나 그 이내의 각도로 고정자 유체통로를 형성하여 회전자 날개 돌리고, 빠져 나오는 유체가 다시 고정자 축평행 안쪽 유체통로로 유입됨을 특징으로 하는 통공형 다단 터빈장치.
  7. 청구항 6항에 있어서,
    회전자 날개를 통과해 빠져 나오는 유체의 방향과 최소 각도를 유지하여 고정자에 유체 통로를 형성하고, 고정자로 유입된 유체가 고정자 축평행 안쪽 유체 통로로 유입 되면서 유체가 최대한 회전할 수 있도록 입사각을 주도록 유체 통로를 형성함을 특징으로 하는 통공형 다단 터빈장치.
  8. 회전자 날개와 고정자 사이 접합 면에서 유체의 기밀성을 개선하기 위해, 고정자에서 회전자 날개로 유체가 진행하는 경우는 회전자 날개에 홈을 형성하고, 회전자 날개에서 고정자로 유체가 진행하는 경우는 고정자에 홈이 형성함을 특징으로 하는
    통공형 다단 터빈장치.
  9. 청구항 8항에 있어서,
    고정자와 회전자 날개 접합 면을 지나는 유체 통로가 회전자 날개가 회전함과 동시에 어긋나면서 유체의 흐름이 차단되는 구간이 발생하게 되는데, 고정자와 접하고 있는 회전자 날개의 접합면을 일정 각도로 깍아서, 회전자 날개의 위치와 상관없이 항상 유체 통로가 확보됨을 특징으로 하는 통공형 다단터빈 장치.
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