KR20160022481A - 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 다단터빈 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 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 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 원심식 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 다단터빈 이단 구성예
도2 는 본 발명의 통공형 원심식 다단터빈 (a) 도1 단면도 (b) 단면도 C
도3 은 본 발명의 통공형 원심식 다단터빈 (a) 하우징내 유체 입구 단면도 (b)하우징내 유체 출구 단면도
도4 는 본 발명의 통공형 원심식 다단터빈 (a) 도2 104f에서 바라본 단면도 B1 (b) 도2 104b에서 바라본 단면도 B2
도5 는 본 발명의 통공형 원심식 다단터빈 도2 117에서 바라본 단면도 F
도6 은 본 발명의 통공형 원심식 다단터빈 (a) 유체 입구에서 출구까지의 유통통로 전체 사시도 (b) 회전자 날개내부 형상
도7 은 본 발명의 통공형 원심식 다단터빈 측 입체단면도
도1 은 본 발명의 통공형 원심식 다단터빈 이단 구성예 이다.
도2 는 본 발명의 통공형 원심식 다단터빈 (a) 도1의 단면도 (b)는 단면도 C 에 대한 도면이다.
본 발명의 통공형 원심식 다단터빈은 유체의 압력과 유량에 따라 1단 이상으로 다단으로 구성이 용이하다. 본 도1은 이단으로 구성한 예를 보이고 있다.
회전축(101) 입구쪽 축방향 유체통로(114)에 연결된 유체입구통로(113)가 연결되어 있다. 이 경우, 유체통로(114)에서 유체가 회전하도록 유체입구통로(113)는 회전축(101) 중심에서 편심 되게 축방향 유체통로(114)와 연결된다.
회전축(101)에는 하나 이상의 원판 형태의 회전자(102)가 연결될 수 있다.
이 회전자(102)의 끝단에는 회전축(101)과 평행한 회전날개(103)가 연결된다.
회전자(102) 앞면과 뒷면의 회전날개(103) 내부에는 고정자 내부에 설치된 발산방향 나선형 유체통로(121f)와 수렴방향 나선형 유체통로(121b)와 연결되는 블레이드(103fb, 103bb) 형태의 유체통로가 형성된다.
상기 두 블레이드(103fb, 103bb) 사이의 고정자 내부에 형성된 유체통로(122)로 회전자(102) 앞면의 회전날개(103) 부분의 블레이드(103fb)를 통과한 유체가 이 유체통로(122)를 통해 회전자(102) 뒷면의 회전날개(103) 내부 블레이드(103bb)로 유입되어 회전자(102) 양쪽에서 유체의 운동에너지를 전달하여 회전자(102)를 회전시킨다.
회전자(102) 와 회전자(102) 사이의 축방향 유체통로(115)에서는 고정자 내부 수렴방향 나선형 유체통로(121b)를 통과하면서 회전하게 된다.
회전축(101)을 중심으로 회전하는 유체는 다시 고정자 내부 발산방향 나선형 유체통로(121f)로 저항 없이 이동하여 회전자(102)의 회전날개(103) 내부 블레이드를 통과하면서 회전자(102)를 회전시켜, 회전력을 회전축(101)으로 전달하게 된다.
같은 방법으로 고정자 내부 수렴방향 나선형 유체통로(121b)를 통과한 유체는 출구쪽 축방향 유체통로(116)에서 회전하면서 유체출구(119)로 빠져나가게 된다.
도2의 단면도에서 보는 바와 같이 회전축(101) 상의 유체통로와 직각으로 접하는 고정자 내부 수렴방향 나선형 유체통로(121b)와 발산방향 나선형 유체통로(121f) 부분에 곡률(116r)을 주어 회전하는 유체의 저항을 줄여 줄 수 있다.
회전축(101) 상의 유체통로(114,115,116)는 유체입구(112)에서 유체출구(119) 쪽으로 유체가 진행하는 방향으로 갈 수록 회전자(102)를 회전시키면서 운동에너지를 소실한 유체는 압력이 낮아지면서 부피가 커져 그에 따라 유체통로도 점점 커진다.
회전자(102) 와 고정자(120) 사이에는 작은 틈이 있는데, 이 틈으로 유입한 유체의 압력으로 회전축(101)이 유체입구쪽 보다 상대적으로 저압인 유체출구로 진행하는 방향쪽으로 밀리게 된다. 그렇게 되면 회전자(102)와 고정자(120) 사이 틈이 좁아지거나 닿게 되어 마찰력이 발생하여 회전력의 손실을 가져온다.
본 발명에서는 이를 방지하기 위해 회전자(102) 양단에 브릿지 홀(107a, 107b)를 뚫어 회전자(102) 양단에 걸리는 압력을 같게 만들어 준다.
원통형의 회전자(102) 양단에 걸린 압력 분포에 따라 일정 직경의 브릿지 홀(107a)의 배치 밀도를 조절하거나, 서로 직경의 크기가 다른 브릿지 홀(107b)을 일정간격으로 배치할 수 있다.
도2의 (b)는 상기 두 가지 경우의 브릿지 홀(107a, 107b)의 배치상태를 보여주는 단면도 이다.
도3 은 본 발명의 통공형 원심식 다단터빈 (a) 하우징내 유체 입구 단면도 (b)하우징내 유체 출구 단면도 이다.
본 도에서 보는 바와 같이 유체입구통로(113)은 회전축(101) 중심에서 편심되게 설치되어 축방향 유체통로(114)와 연결됨을 보여 준다.
도4 는 본 발명의 통공형 원심식 다단터빈 (a) 도2 104f에서 바라본 단면도 B1 (b) 도2 104b에서 바라본 단면도 B2 도면이다.
도4의 (a)도면은 회전축(101)을 따라 형성된 축방향 유체통로(114)에서 회전하는 유체가 고정자 내부 발산방향 나선형 유체통로(121f)로 회전하면서 통과하여 회전자(102)의 회전자 날개(103) 내부 블레이드를 통과하면서 회전자(102)에 회전력을 주게된다.
도4의 (b)도면은 회전자 앞면에서 유체통로(122)를 통해 회전자 뒷면의 블레이드를 통과하여 회전자(102)에 회전력을 주고 회전자(102)가 회전하는 반대방향으로 빠져나온 유체가 고정자 내부 수렴방향 나선형 유체통로(121b)를 통해 축방향 유체통로(115)로 유입되면서 회전함을 보여 준다.
도5 는 본 발명의 통공형 원심식 다단터빈 도2 117에서 바라본 단면도 F이다.
고정자 내부 수렴방향 나선형 유체통로(121b)를 통과한 유체가 직각으로 접하고 있는 출구쪽 축방향 유체통로(116)으로 유입되면서 발생하는 저항을 줄이기 위해 곡률(1167r)을 두었음을 보여준다.
도6 은 본 발명의 통공형 원심식 다단터빈 (a) 유체 입구에서 출구까지의 유통통로 전체 사시도 (b) 회전자 날개내부 블레이드 도면이다.
도7 은 본 발명의 통공형 원심식 다단터빈 측 입체단면도 이다.
100 : 본 발명의 통공형 원심식 다단터빈 투시도
101 : 회전축
102 : 회전자
103 : 회전날개
103f /103fb : 앞면 회전날개/앞면 회전날개 블레이드
103b/103bb : 뒷면 회전날개/뒷면 회전날개 블레이드
107a : 회전자 브릿지홀 type a
107b : 회전자 브릿지홀 type b
112 : 유체입구
113 : 유체입구통로
114 : 입구쪽 축방향 유체통로
115 : 중간 축방향 유체통로
116 : 출구쪽 축방향 유체통로
118 : 유체출구통로
119 : 유체출구
120 : 고정자 & 하우징
121f : 고정자내부 발산방향 나선형 유체통로
121b : 고정자 내부 수렴방향 나선형 유체통로
122 : 고정자 내부 회전자 앞면에서 뒷면으로의 유체통로

Claims (8)

  1. 마이크로터빈에 있어서,
    회전축(101) 입구쪽 축방향 유체통로(114)에 연결된 유체입구통로(113);
    회전축(101)과 하나 이상 연결된 원판 형태의 회전자(102);
    회전축(101)과 평행하게 회전자(102) 끝단에 연결된 회전날개(103);
    회전자(102) 앞면과 뒷면의 회전날개(103) 내부에 형성된 블레이드(103fb, 103bb);
    회전자(102)와 회전자(102) 중간 축방향 유체통로(115);
    유체출구통로(115)와 연결된 출구쪽 축방향 유체통로(116);
    유체가 입구쪽에서 출구쪽으로 진행하는 방향에서 회전자(102) 앞면의 고정자 내부 발산방향 나선형 유체통로(121f);
    회전자(102) 뒷면의 고정자 내부 수렴방향 나선형 유체통로(121b);
    회전자(102) 앞면에서 뒷면으로 고정자 내부에 설치된 유체통로(122);

    상기와 같이 유체입구통로(113)를 통해 유입된 유체가 축방향 유체통로를 통해 유체출구(119)로 진행하는 방향으로 고정자에 설치된 발산방향 나선형 유체통로(121b)를 통과해, 회전자(102) 앞면 블레이드(103fb)를 회전시키고, 유체통로(122)를 지나 다시 회전자(102) 뒷면 블레이드(103bb)를 회전시키고 수렴방향 나선형 유체통로(121b)를 통해 축방향 유체통로로 유입되어 설치된 회전자(102)들을 계속 회전시켜 축으로 회전력을 전달함을 특징으로 하는 통공형 원심식 다단터빈.
  2. 청구항 1항에 있어서,
    유체입구통로(113)가 회전축(101) 중심에서 편심되게 축방향 유체통로(114)에 연결되어 유입되는 유제가 회전축(101)을 중심으로 유체통로(114) 내부에서 회전됨을 특징으로 하는 통공형 원심식 다단터빈.
  3. 청구항 1항에 있어서,
    고정자 내부 설치된 수렴방향 나선형 유체통로(121b)를 통해 유체가 축방향 유체통로(115, 116)로 유입하면서 회전을 하여, 축방향과 직각인 발산방향 나선형 유체통로(121f)를 통해 압력손실 없이 빠저나가 회전자(102)의 회전날개(103) 내부 블레이드 를 통과하면서 회전자(102)를 회전시킴을 특징으로 하는 통공형 원심식 다단터빈.
  4. 청구항 1항에 있어서,
    축방향 유체통로(114, 115,116)와 직각으로 접하는 고정자 내부 발산방향 나선형 유체통로(121f)와 수렴방향 나선형 유체통로(121b) 부분에 곡률(116r)을 주어 회전하면서 수렴하거나 발산하는 유체의 저항을 줄여줌을 특징으로 하는 통공형 원심식 다단터빈.
  5. 청구항 1항에 있어서,
    유체입구(112)에서 유체출구(119)까지 존재하는 축방향 유체통로(114,115,116)에서 회전자(102)를 거칠 때 마다 낮아지는 유체의 압력을 계산하여 축방향 유체통로의 직경을 점점 크게 설계함을 특징으로 하는 통공형 원심식 다단터빈.
  6. 청구항 1항에 있어서,
    회전자(102)의 앞면과 뒷면을 관통하는 브릿지홀을 뚫어 고정자(120)와 회전자(120) 사이의 틈으로 유체가 유입되면서, 회전축(101)이 유체가 진행하는 방향(고압에서 저압방향)으로 밀리는 현상을 방지함을 특징으로 하는 통공형 원심식 다단터빈.
  7. 청구항 6항에 있어서,
    원통 모양의 회전자(102) 양단에 걸린 압력분포에 따라, 같은 직경의 브릿지홀의 밀집도를 계산하여 배치함을 특징으로 하는 통공형 원심식 다단터빈.
  8. 청구항 6항에 있어서,
    원통 모양의 회전자(102) 양단에 걸린 압력분포에 따라 서로 다른 직경 크기의 브릿지 홀을 등간격으로 배치함을 특징으로 하는 통공형 원심식 다단터빈.
KR1020140108072A 2014-08-20 2014-08-20 통공형 원심식 다단터빈 KR20160022481A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2020223544A1 (en) * 2019-05-01 2020-11-05 Nooter/Eriksen, Inc. Expander and nozzle system for converting energy in a working fluid into work

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WO2020223544A1 (en) * 2019-05-01 2020-11-05 Nooter/Eriksen, Inc. Expander and nozzle system for converting energy in a working fluid into work

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