KR20150138651A - 통공형 원심식 다단터빈 - Google Patents

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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 회전자가 1단 이상 설치되고, 원반형 회전자 한측면에 하나 이상의 다수의 회전자 날개 가 설치되어 다단터빈을 구성하고, 터빈 하우징 입구에서 회전하면서 들어오는 유체가 고정자 및 회전자 날개에 형성된 관형 유체경로를 따라 진행하면서 고정자에서 회전자, 회전자에서 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 원심식 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 제작 하는데 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 구성 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 회전드럼에 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 다수의 회전자를 고정자 내부에 설치하고, 원반형 회전자에 다수의 원반형 회전자 날개를 회전자 한면에 형성하여, 회전축을 따라 고정자 내부에 형성된 유체 통로를 통해 유체가 회전하면서 발산방향으로 고정자에서 회전자, 회전자에서 고정자로 형성된 유체통로를 따라 진행하면서 회전자 날개를 돌리고, 회전자 회전방향 반대쪽 사선형태로 유체경로를 형성하고, 회전자 반대방향 고정자 전면에 수렴하는 원추형 나선운동
형태로 형성된 유체경로로 유체가 진입하여, 그 경로를 따라 고정자 축평행 안쪽 유체통로에 유체가 회전하면서 유입할 수 있도록 전체 유체 경로를 형성한다.
또 다른 방법으로 고정자 축평행 안쪽 유체통로에서 회전하는 유체가 고정자 전면에 발산하는 원추형 나선운동 형태로 형성된 유체경로를 거쳐 뒷면의 회전자가 회전하는 방향으로 고정자 축평행 바깥쪽 유체통로를 사선형태로 형성하여 회전자 날개를 돌릴 수 있게 유체 경로를 형성한다.
즉, 터빈 내부로 들어온 유체가 회전자축을 따라 형성된 고정자 유체경로를 따라 회전하면서 횡방향으로 발산하면서 회전자 날개를 돌리고, 회전자 뒷면의 고정자 전면에 수렴하는 원추형 나선운동 형태로 형성된 관형 유체경로를 통해 다시 회전자 앞면에서 발산하는 방향으로 고정자에서 회전자로 회전자에서 고정자로 유체경로를 따라 진행하면서 회전자의 날개를 회전하는 터빈을 구성하거나,
또 다른 실시 예로서 터빈 내부로 들어 온 유체가 회전축을 따라 형성된 고정자 유체경로를 회전하면서 발산하는 원추형 나선운동 형태로 고정자 전면에 형성된 관형 유체경로와 뒷면의 회전자 회전 방향으로 사선형태로 고정자에 유체경로를 형성하여 뒷면 회전자 전면에 형성된 회전자 날개를 수렴하는 방향으로 고정자에서 회전자, 회전자에서 고정자로 진행하면서 회전시키는 터빈을 구성함으로서 반복해서 유체에너지가 회전축에 전달 됨으로서, 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 원심식 단방향 회전자 날개 다단터빈 실시 단면도 1
도2 는 본 발명의 실시 단면도1의 부분단면도와 그 단면도의 양 측면도
도3 은 본 발명의 통공형 원심식 단방형 회전자 날개 다단터빈 실시 단면도 2
도4 는 본 발명의 실시 단면도 2의 부분단면도와 그 단면도의 양 측면도
도5 는 본 발명의 실시 단면도 1의 고정자와 회전자 접합면 부분 상세도
도6 은 본 발명의 실시 단면도 2의 고정자와 회전자 접합면 부분 상세도
도7 은 본 발명의 통공형 원심식 단방향 회전자 날개 다단터빈 투시도 1
도8 은 본 발명의 통공형 원심식 단방향 회전자 날개 다단터빈 투시도 2
도9 은 종래기술의 통공이 형성된 원반 터빈의 단면도 및 측면도
도1 은 본 발명의 통공형 원심식 단방향 회전자 날개 다단터빈 실시 단면도 1 예시도 이다.
상기 예시도 에서는 회전축에 3단으로 구성된 회전자와 회전자 한측면에 2개의 회전자 날개를 구성한 다단터빈을 보여준다.
기본적으로 본 발명의 통공형 원심식 단방향 회전자 날개 다단터빈의 구성은 터빈하우징(108)과 터빈하우징(108) 내부에 설치된 고정자(110), 고정자 내부(110) 내부에 회전축(111)과 회전축(111)에 하나 이상 설치된 원반형 회전자(112), 그리고
회전자(112) 한 측면에 하나 이상의 회전자 날개(113)가 설치된다.
터빈하우징(108)에 설치된 유체입구(101)를 통해서 흡입되는 유체는 흡입유체 회전날개(102)를 통해서 회전하면서, 고정자 축평행 안쪽 유체통로(103)를 통해 고정자 전면에 발산하는 원추형 회전운동 형태로 형성된 관형 유체 경로인 고정자 바깥방향 유체통로(104F)를 빠져 나와 회전자(112) 회전방향 사선형태로 형성된 고정자 축평행 바깥쪽 유체통로(107)을 거쳐 외곽 고정자 안쪽방향 유체통로(106B)를 통해 회전자(112) 뒷면의 회전자 날개(113)들을 돌리면서 고정자 축 수렴 유체통로(104Bx)를 통해 고정자 축평행 안쪽 유체통로(103)로 진입하면서 유체가 회전하면서 다음 단의 고정자 전면에 형성된 유체통로로 발산하는 방향으로 진행하게 된다.
도2 는 본 발명의 실시 단면도1의 부분단면도와 그 단면도의 양 측면도 이다.
도2의 (a) 측면도는 2F 방향에서 바라본 본 발명 터빈으로, 고정자 전면에 발산하는 원추형 회전운통 형태의 고정자 바깥방향 유체통로(104F)가 형성되어, 고정자 축평행 안쪽 유체통로(103)에서 회전하는 유체가 발산하는 형태로 진행하게 된다.
도2의 (c ) 측면도는 본 발명의 다단터빈 실시 단면도 1의 부분단면도인 도2의 (b) 도면의 2B 방향에서 바라본 터빈 측면도이다.
외곽 고정자 안쪽방향 유체통로(106B)를 통과한 유체가 회전자 날개(113)에 형성된 회전자 안쪽방향 유체경로(105B)를 진입 하면서 회전자 날개(113)를 회전시키고 회전하는 반대방향으로 빠져나와 고정자 안쪽방향 유체통로(104B)로 진행하여, 다시 회전자 안쪽방향 유체통로(105B)를 통과하면서 회전자 날개(113)을 돌리고 빠져나와 고정자 축 수렴 유체통로(104Bx)를 통과해 고정자 축평행 안쪽 유체통로(103)으로 진입하면서 유체가 회전하게 된다.
도3 은 본 발명의 통공형 원심식 단방향 회전자 날개 다단터빈 실시 단면도 2 예시도 이다.
본 발명의 다단터빈에서는 터빈하우징(108)에 연결된 유체입구(101)로 부터 유입되어 흡입유체 회전날개(102)에 의해 회전 하면서 고정자 축평행 안쪽 유체통로(103)를 통과하는 유체가 고정자 축 발산 유체통로(104Fx)를 통해 진행하면서 회전자 날개(113)에 형성된 회전자 바깥방향 유체통로(105B)를 통과하면서 회전자 날개(113)를 회전시키면서, 외곽 고정자 바깥방향 유체통로(106F)와 회전자(112) 회전 반대쪽 사선방향으로 형성된 고정자 축평행 바깥쪽 유체통로(107)를 통해 뒷면 고정자 전면에 형성된 수렴하는 원추형 나선운동 형태로 형성된 관형 유체경로인 고정자 안쪽방향 유체통로(104B)로 진행하여 다시 고정자 축평행 안쪽 유체통로(103)으로 유체가 회전하면서 들어와 다음 단의 회전자 앞면으로 진행하게 된다.
도4 는 본 발명의 실시 단면도 2의 부분단면도와 그 단면도의 양 측면도 이다.
도4의 (a)는 본 발명의 실시 단면도 2의 부분단면도 도4의 (b)의 4F 방향에서 바라본 다단터빈의 측면도 이다.
고정자 축평행 안쪽 유체통로(103)에서 회전하면서 고정자 축발산 유체통로(104Fx)로 빠져 나와 회전자 날개(113)을 회전시키고, 다시 고정자 유체통로(104F)를 통해 다시 회전자 날개(113)를 회전시키면서 회곽 고정자 바깥방향 유체통로(106F)로 유체가 진행하면서 회전축(111)에 유체에너지를 전달한다.
도4의 (c )는 본 발명의 실시 단며노 2의 부분단면도 도4의 (b)의 4B 방향에서 바라본 다단터빈의 측면도 이다.
고정자 축평형 바깥쪽 유체통로(107)를 유체가 빠져 나와 회전자 뒷면의 고정자 전면에 수렴하는 원추형 나선운동 형태의 고정자 안쪽방향 유체통로(104B)를 통해 고정자 축평행 안쪽 유체통로(103)으로 유입되면서 유체가 회전하게 된다.
도5 는 본 발명의 실시 단면도 1의 고정자와 회전자 접합면 부분 상세도 이다.
도5의 (a)에서 보는 바와 같이 회전자 날개(113)와 고정자 접합면에는 유체의 유출방지를 위한 실링을 위해 유체통로를 따라 유체가 진행하는 방향에서 회전자 날개(113)에 홈(400W)에 고정자(110)가 돌출되어 있고, 회전자 날개(113)에서 고정자(110)로 빠져나오는 유체통로 접합면에서는 고정자의 홈(400M)으로 회전자 날개(113)가 돌출되어 면을 접하고 있다.
또한, 고정자 사이에서 회전하는 회전자 날개(113)가 회전시 유체통로가 어긋나 유체통로가 막히는 현상을 방지하기 위해 회전자 날개(113)의 유체통로와 통로 사이를 일정각도로 깍아주어 회전자 날개(113)가 고정자 사이의 어느 위치에 위치하던
유체경로가 항상 유지되어 유체에너지를 회전자 날개(113)를 통해 회전축(111)으로 전달되게 설계 될 수 있다.
도6 은 본 발명의 실시 단면도 2의 고정자와 회전자 접합면 부분 상세도 이다.
도6의 (a)는 유체가 지나가는 유체통로가 형성되어 있는 고정자와 회전자 날개(113) 접합면 부분 단면도로서, 유체가 고정자(110)에서 회전자 날개(113), 회전자 날개(113)에서 고정자(110)로 진행할 때, 고정자 날개(113) 홈(400W)으로 고정자가 돌출되어 면을 접하고 있고, 회전자 날개(113)에서 고정자(110)로의 접합면은 고정자(110)의 홈(400M)에 회전자 날개(113)가 돌출되어 면을 접하여 유체의 유출을 줄이기 위한 실링 장치이다.
또한, 유체가 발산하는 방향으로 고정자(110)에서 회전자날개(113), 다시 회전자 날개(113)에서 고정자(110)으로 유체 경로가 형성되어 있는데, 고정자 사이의 회전자 날개가 회전을 시작하면, 유체통로가 막히는 구간이 발생하게 된다.
이를 방지하기 위해 마찬가지로 회전자 날개(113)의 유체통로와 통로 사이를 일정 각도로 깍아 줌으로서, 회전자 날개(113)가 고정자(110) 사이 어떠한 위치에 있더라도 항상 유체통로가 유지되어, 유체의 에너지를 회전축(111)으로 계속해서 전달
할 수 있게 된다.
도7 은 본 발명의 통공형 원심식 단방향 회전자 날개 다단터빈 투시도 1 이다.
본 발명의 다단터빈 투시도1을 통해 고정자 전면에 발산하는 원추형 나선운동 형태의 관형 유체경로(104F)를 거쳐, 회전자(112) 뒷면으로 넘어가는 고정자 축평행 바깥쪽 유체통로(107)가 회전자 회전 방향으로 사선형태로 연결 됨을 보여준다.
도8 은 본 발명의 통공형 원심식 단방향 회전자 날개 다단터빈 투시도 2 이다.
본 발명의 다단터빈 투시도2을 통해 회전자(112) 앞면의 회전자 날개(113)를 돌리고 빠져 나오는 유체가 회전자(112) 회전 방향 반대측으로 사선형태로 고정자 축평행 바깥쪽 유체통로(107)을 형성되어 있음을 보여 준다.
도9 은 종래기술의 통공이 형성된 원반 터빈의 단면도 및 측면도이다.
101 : 유체입구
102 : 흡입유체 회전날개
103 : 고정자 축평행 안쪽 유체통로
104F : 고정자 바깥방향 유체통로
104Fx : 고정자 축 발산 유체통로
104B : 고정자 안쪽방향 유체통로
104Bx : 고정자 축 수렴 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, 원반형 회전자 한 면에 하나 이상의 회전자 날개를 설치하여, 고정자에서 회전자로 회전자에서 고정자로 유체가 통과하는 관형 구멍을 형성하여, 유체의 에너지에 의해 회전자를 회전시킴을 특징으로 하는 통공형 다단 터빈 장치.
  2. 청구항 1항에 있어서,
    원반형 회전자의 회전자 날개가 유체가 진행하는 방향에서 회전자 뒷면에 하나 이상 설치됨을 특징으로 하는 통공형 다단 터빈 장치.
  3. 청구항 1항에 있어서,
    원반형 회전자의 회전자 날개가 유체가 진행하는 방향에서 회전자 앞면에 하나 이상 설치됨을 특징으로 하는 통공형 다단 터빈 장치.
  4. 청구항 2항에 있어서,
    고정자 축평행 안쪽 유체통로가 터빈하우징 유체입구 쪽인 경우에는 흡입유체 회전날개에 의해 유체가 회전하고, 회전축에 다단으로 연결된 회전자와 회전자 사이에 위치한 경우는 고정자 축 수렴 유체통로를 통해 고정자 축평행 안쪽 유체통로로
    들어오면서 회전함을 특징으로 하는 통공형 다단터빈 장치.
  5. 청구항 3항에 있어서,
    고정자 축평행 안쪽 유체통로가 터빈하우징 유체입구 쪽인 경우에는 흡입유체 회전날개에 의해 유체가 회전하고, 회전축에 다단으로 연결된 회전자와 회전자 사이에 위치한 경우는 수렴하는 원추형 나선운동 형태의 고정자 안쪽방향 유체통로를 통해 고정자 축평행 안쪽 유체통로로 들어오면서 회전함을 특징으로 하는 통공형 다단터빈 장치.
  6. 청구항 2항에 있어서,
    고정자 축평행 안쪽 유체통로를 통해 회전하는 유체가 발산하는 원추형 나선운동 형태로 진행하도록 고정자 전면에 관형 유체경로를 형성함을 특징으로 하는 통공형 다단터빈 장치.
  7. 청구항 3항에 있어서,
    고정자 축평행 바깥쪽 유체통로를 빠져 나온 유체가 수렴하는 원추형 나선운동 형태로 고정자 축평행 안쪽 유체통로로 진입할 수 있도록 고정자 전면에 관형 유체경로를 형성함을 특징으로 하는 통공형 다단터빈 장치.
  8. 청구항 6항에 있어서
    발산하는 원추형 나선운동 형태로 형성된 고정자 바깥방향 유체 통로를 빠져 나온 유체가 뒷면의 회전자 날개를 회전시키도록 회전자 회전방향 사선형태로 고정자 축평행 바깥쪽 유체통로를 형성 함을 특징으로 하는 통공형 다단 터빈장치.
  9. 청구항 7항에 있어서,
    회전자 바깥방향 유체통로를 통해 회전자 날개를 회전시키고 회전방향 반대로 빠져 나온 유체가 외곽 고정자 바깥방향 유체통로를 통해 회전방향 반대쪽 사선형태로 뒷면 고정자 전면의 수렴하는 원추형 나선운동 형태로 형성된 고정자 안쪽방향 유체통로로 진입할 수 있도록 관형 유체경로를 형성함을 특징으로 하는 통공형 다단터빈 장치.

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