KR20160053684A - 독립형 날개의 충동식 터빈 시스템 - Google Patents

Abstract

독립형 날개의 충동식 터빈 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 충동식 터빈 시스템은, 작동유체가 흐르는 유입구와, 터빈 회전축과 상기 유입구로부터 서로 직교(직각교차)하여 유입된 작동 유체를 상기 터빈 회전축에 고정된 블레이드에 분사시켜 작동 유체와 블레이드가 터빈 회전 방향과 동일 방향으로 회전하며 순한되는 것을 특징으로 한다.

Description

독립형 날개의 충동식 터빈 시스템{Impulse type turbine system with independent wings}

본 발명은 충동식 터빈 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터빈 하우징의 내부 공간을 편심되게 터빈 회전축과 블레이드를 배치하여 작동 유체의 팽창 공간을 확보하고 각각의 단에 작동 유체의 유입구와 토출구를 설치 할 수 있는 구조로 배압에 의한 장에 요소를 줄이며 적은 량의 작동 유체로도 블레이드를 고속 회전 시킬 수 있는 독립형 날개의 구조로 터빈에 의한 발전 효율을 보다 향상 시킬 수 있는 고효율 충동식 터빈 시스템에 관한 것이다.

널리 알려진 바와 같이 터빈은 증기 가스 물 등을 이용하여 열 에너지를 속도 에너지로 변환시켜 기계적인 일로 전기를 생산 하는 기계이다.

이러한 터빈들은 증기를 사용하는 충동식과 반동식 및 복합형이 있으며, 가스터빈, 공기터빈, 수력, 풍력터빈 등으로 구분 된다 할 것이다.

본 발명의 배경 기술로는 증기 터빈에 관한 것으로 종래의 터빈들은 대용량이고 증발량이 많아야 효율이 나오고 구조가 복잡하며 소용량은 현실적으로 경제적인 가치가 없으며 배압에 의한 블레이드의 파손 등 여러 가지 문제점이 있는 것이 현실이다.

무엇보다도 작동 유체가 구동 샤프트 방향으로 긴 터널을 따라 흐르는 축류형 터빈이 주종으로 하우징 내부에서 작동유체의 압력차이 및 팽창한 작동유체에 의한 배압 등으로 저항에 의한 효율이 감소하고 복잡한 구조를 가진다.

충동식 터빈 에서는 블레이드를 여러개 배열 할 수 없는 구조임으로 회전력의 한계를 극복하기 위하여 충동식과 반동식을 혼합하여 작동 유체가 축류형으로 흘러 순환되는 구조로 하우징 내에서 상당한 저항과 여러 가지 제반 장애 요소가 발생 하고 있다.

대한민국 공개특허(공개번호 10-2010 -0105103) 대한민국 등록특허(등록번호 10-1389013)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적인 과제는 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 보완 하기 위하여 고안된 것으로 일단이 각각 독립형 날개의 구조로 작동 유체의 유입구과 유출구를 형성하고 하우징의 내부를 블레이드와 편심되게 배치하여 팽창한 작동 유체의 배압에 의한 제반 문제점을 보완한 독립형 날개를 가지는 고효율 충동식 터빈을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 충동식 터빈 시스템에 있어서 각단의 독립형 날개를 터빈축에 필요한 단수 만큼 병열 배치하여 각각 노즐에 의한 분사 압력과 속도로 블레이드를 고속 회전시켜 발전하는 원심력에 의한 독립형 날개의 충동식 터빈 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 충동식 터빈 시스템은 구조가 간단하고 제작 및 시공성이 대단히 높으며 적은량의 작동 유체로 속도 에너지를 얻을 수 있는 독립형 날개를 다단으로 병렬 연결하여 원하는 발전량의 효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 유기랭킨 사이클에 의한 소규모 소용량 분산형 발전 시스템에 관하여 우수한 성능을 가질 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 대표도로서 독립형 날개의 충동식 터빈 시스템이 도시된 단면도를 개략 도시한 것이다.
도2는 본 발명에 의한 블레이드의 단수를 4 단으로 한 형상을 개략 도시한
평면도이다.
도3은 본 발명에 의한 충동 터빈의 종단면도를 개략 도시한 것이다.
도4는 본 발명에 의한 충동 터빈의 횡단면도를 개략 도시한 것이다.
도5는 본 발명에 의한 샤프트 베아링 블록을 개략 도시한 것이다.
도6는 본 발명에 의한 몸체 베아링 블록을 개략 도시한 것이다.
도7은 본 발명에 의한 몸체 씰 블록을 개략 도시한 것이다.
도8은 본 발명에 의한 2증 끝 날개를 가진 블레이드를 개략 도시한 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대한 설명이다.

도 1은 본 발명에 따른 충동식 터빈 시스템의 단면도로서 하우징 몸체 (20) 로 하우징 상판(20-1) , 하우징 하판(20-2), 구동샤프트(30), 블록(60), 블레이드(40-1), 블레이드 끝날개(40-5), 하우징 내부 공간(20-9), 작동 유체의 유입구(50-1) 작동 유체 유출구(50-2)를 포함한다.

하우징 몸체( 20)는 하우징 상판 (20-1) 과 하우징 하판(20-2)으로 구분되어 하우징 상판, 하판 분리 플레이트 및 체결구 (60-7)로 분해 및 조립이 가능한 구조로 제작되며 하우징 내부 공간 (20-9) 과 블레이드(40)는 구동 샤프트(30)에 의하여 하우징 상부 작동 유체 유입구측으로 편심되게 가공 조립된다.

편심 가공 조립된 블레이드는 작동유체 유입구에서 분출되는 분사노즐( 50-3)에 의하여 블레이드 끝날개(40-5)에 분사되에 충동에 의한 원심 회전력을 얻을 수 있는 것이다.

계략도시된 블레이드 끝 날개는 톱날형, 호프형 및 주걱형 등으로 제작 할 수 있는 것이며 본 발명에 의하여 보다 더 효율 향상되는 방향으로 제작 가능할 것이다.

분사된 작동 유체는 블레이드의 회전 방향을 따라 하우징 내부공간(20-9) 을 돌아 하우징 하판(20-2)에 설치된 작동 유체 유출구로 이동 되어 순한 된다.

따라서 작동유체의 초기 분사압으로 회전력을 얻고 회전하는 블레이드를 따라 270도로 회전하여 유출구로 순환됨으로 축류형의 단점을 보완할 수 있는 것이다.

도 8에 도시된 2중 끝날개를 가진 블레이드(40-6)는 한 개의 끝날개를 가진 블레이드의 단점을 보완한 것으로 작동 유체의 분사시 확산되는 유체를 한번더 블레이드에 힘을 가하여 회전력을 배가 시킬 수 있는 장치이다.

개략 도시된 내측 끝날개(40-8)는 작동 유체가 분사되는 충동 압력을 직접 받는 부분이며 날개의 개수 및 형태등은 본 발명에 의하여 효율을 향상 시킬 수 있는 형태로 제작된다.

또한 개략 도시된 외측 끝날개(40-9) 는 작동 유체가 확산되는 파동에 의하여 회전력을 얻을수 있는 것으로 날개의 형태 및 갯수 등은 본 발명에 의하여 효율이 향상 되는 구조로 제작된다.

한편 외측 끝날개는 작동 유체가 하우징 내부 공간을 돌아 토출구를 통하여 배출되는 것을 용이하게 하는 역할도 함으로 하우징내의 배압을 줄일 수 있는 것이다.

2중 날개 공정용 플레이트(40-7)는 내측 끝날개와 외측 끝날개를 고정시켜 체결하는 것으로 설치 개수 및 형태등은 본발명에 의하여 효율적인 방안으로 제작된다.

본 발명은 다단의 블레이드에 각각의 분사 노즐이 설치되어 독립형 회전력을 가지는 것으로 구조가 간단하고 단순함으로 제작 및 보수가 용이하고 단순 간단 구조임으로 제반 고장 및 저항력에 의한 효율 감소 등의 단점을 보완 할 수 있는 충동 터빈이다.

도 2는 본 발명에 의하여 4단의 블레이드가 각각의 작동 유체 유입구와 유출구를 갖는 것을 보여주고 있으며 발전 용량에 따라 단수를 조정하기 용이한 구조를 가진다.

회전축 분리장치(30-3)는 터빈모듈(40) 몸체에 있는 구동샤프트(30) 를 발전모듈 (70)측 구동 샤프트와 분리가 가능한 구조로 설계하여 조립 및 해체가 용이하게 된다.

커플링(70-1)은 회전력을 얻어 구동되는 샤프트를 발전모듈인 제네레더( 70-2) 와 직접 연결하는 장치 이다.

샤프트 베아링 블록(60-1) 은 하우징 몸체 (20) 와 분리가 가능한 구조를 가지며 샤프트 베아링 블록 지지대(60-5) 에 의하여 고정된다.

몸체 씰 블록(60-3)은 하우징 몸체에서 작동 유체가 외부로 누수되는 것을 잡아주는 장치로 고정씰과 회전씰 및 라이너 등으로 구성된다.

하우징 상판 하판 분리 플레이트 및 체결구(60-7)는 하우징 상판과 하판을 분리할 수 있도록 제작되어 터빈 몸체 내부 구조물의 조립 및 해체가 가능하도록 한다.

하우징 가이드 플레이트(20-7)는 하우징 상판 하판에 각각 설치되어 블레이드와 하우징 몸체 측면판과의 거리를 조정하여 분사 노즐의 분사시 비산되는 면적을 줄여 주는 역할을 한다.

몸체 베아링 블록(60-2)은 구동 샤프트를 지지하는 역할을 하며 하우징 내부의 작동 유체의 누수를 차단하는 구조로 제작되며 몸체와 샤프트를 분리하기 용이한 구조로 설계된다.

도 3은 본 발명에 의한 충동 터빈의 종단면도를 개략 도시한 것으로 터빈 모듈과 발전 모듈로 구성된 충동 터빈 시스템(10)을 도시하고 있다.

도 4는 본 발명에 의한 터빈의 횡단면도의 일례를 보여주고 있으며 샤프트 베아링 블록 상부 지지대(60-5)와 샤프트 베아링 블록 하부 지지대(60-6) 및 하우징 좌측면 상판(20-5), 하우징 좌측면 하판(20-6), 하우징 우측면 상판(20-3), 하우징 우측면 하판(20-4), 하우징 상판 가이드 플레이트(20-7), 하우징 하판 가이드 플레이트(20-8), 블레이드 끝날개(40-5) 하우징 내부 공간(20-9)을 상세하게 도시하고 있다.

도 5는 샤프트 베아링 블록(60-1)의 상세도를 도시하고 있으며 샤프트 베아링 블록 지지대(60-5, 6)와 탈 부착이 가능한 구조를 보여주고 있다.

냉각수 재킷 및 통로(104)를 샤프트 베아링 블록에 설치하여 별도의 냉각수를 순환시켜 구동 샤프트의 고속 회전에 의한 온도 상승을 예방하는 구조를 가진다.

샤프트베아링 블록은 하우징 몸체와 떨어져 블록 지지대로 고정되어지며 구동 샤프트를 지지하는 역할을 수행함으로 터빈의 용량 증가에 따라 베아링의 숫자를 증감 시킬 수 있는 구조이다.

외부에 노츨된 샤프트 베아링 블록 내부의 베아링을 보호하기 위하여 전 후로 블록 커버(103)를 설치 한다.

도 6은 하우징 몸체 베아링 블록(60-2)의 단면 상세도로 하우징 우측면 상판 및 하판에 설치되며 탈부착이 가능한 구조이다.

오일씰(105)은 하우징 내부 작동 유체의 누수를 차단하는 역할을 하며 베아링은 터빈의 용량에 따라 설치 개수를 증감 할수 있는 구조이다.

멈춤링(106)은 베아링이 샤프트와의 유격을 잡아 주는 역할을 하며 스냅링(101) 은 베아링이 밖으로 이격 되지 않게 한다.

몸체 베아링 블록은 체결볼트(102)에 의하여 탈부착이 용이하며 냉각수 재킷 및 통로를 확보하여 고속회전에 의한 베아링의 온도상승을 예방하는 구조이다.

도 7은 몸체 씰 블록(60-3)의 단면 상세도로 하우징 내부의 작동 유체의 누수를 차단하는 역할을 하며 하우징 좌측면판에 탈부착이 가능한 구조이다.

블록 커버(103) 는 하우징 내측 및 외측에 설치되어 씰의 고정 및 스프링 테숀 볼트를 체결하여 씰의 누수를 차단할 수 있는 역할을 담당 하는 구조이다.

스프링 텐숀 볼트(107)는 누수를 잡아주는 라이너씰 (113)에 체결되어 하우징 내측에서는 스프링이 라이너 씰을 밀어 누수를 차단하는 구조이고 하우징 외측에서는 라이너 씰을 잡아당겨 고정및 회전 씰에 밀착되어 누수를 차단하는 구조이다.

외부용 라이너씰은 고정 테이퍼씰(외측용:109)과 회전 테이퍼 씰(외측용: 111)에 원뿔형으로 설치되어 작동 유체의 누수를 잡아 주기위하여 설정압력으로 스프링 텐숀볼트에 의하여 잡아 당겨지게 조정되어 누수를 차단한다.

내부용 라이너씰을 고정 테이퍼씰(내측용 : 110)과 회전 테이퍼씰(내측용: 112)에 원뿔형으로 설치되어 작동 유체가 하우징 내부에서 외부로 누수 되는 현상을 1차로 차단하는 역할을 하며 스프링 텐숀 볼트에 의하여 스프링으로 밖으로 밀어내는 구조로 누수의 차단을 위하여 텐숀 조정되어 역할을 수행한다.

고정 테이퍼 씰용 패킹(114) 은 고정 테이퍼 씰과 몸체 씰 블록 사이에 설치되어 작동 유체의 누수를 차단한다.

고정핀(116)은 회전 테이퍼 씰을 구동 샤프트에 고정 시키는 구조이며 회전 테이퍼 씰용 패킹은(117)은 회전 테이퍼 씰과 패킹 고정 용 너트 사이에 설치되어 작동 유체의 누수를 차단한다.

몸체 씰 블록은 작동 유체의 누수를 효율적으로 차단하기 위하여 고정 테이퍼 씰과 회전 테이퍼 씰을 하우징 내부에서 외부로 경사지게 설치하여 원뿔형의 라이너씰이 작동 유체의 압력에 의하여 외부로 밀려나는 현상을 최대한 적용하여 효과적으로 누수를 차단 할 수 있는 구조이다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명 되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능 하다는 점을 알고 있을 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위와 본 발명이 고안된 배경 및 새롭게 개발된 기술적 가치와 사상등을 고려하여 정해 져야 할 것이다.

10 : 충동식 터빈 시스템
20 : 하우징 몸체
20-1: 하우징 상판, 20-2: 하우징 하판
20-3: 하우징 우측면상판 20-4: 하우징 우측면 하판
20-5: 하우징 촤측면 상판 20-6: 하우징 좌측면 하판
20-7: 하우징 상판 가이드 플레이트
20-8: 하우징 하판 가이드 플레이트
20-9: 하우징 내부 공간
30 : 구동 샤프트
30-1 : 터빈 회전축 30-2 : 제네레더 회전축
30-3 : 회전축 분리 장치
40 : 터빈 모듈
40-1: 제1 블레이드 40-2: 제2 블레이드
40-3: 제3 블레이드 40-4: 제4 블레이드
40-5: 블레이드 끝날개 40-6: 2중 끝 날개를 가진 블레이드
40-7: 2중 날개 고정용 플레이트 40-8: 내측 끝 날개
40-9: 외측 끝 날개
50 : 작동 유체 흐름 방향
50-1 : 작동유체 유입구 50-2: 작동 유체 유출구
50-3 : 분사 노즐
60 : 블록
60-1: 샤프트베아링 블록 60-2: 몸체 베아링 블록
60-3: 몸체 씰 블록 60-4: 베아링
60-5: 샤프트베아링 블록 상부 지지대
60-6: 샤프트베아링 블록 하부 지지대
60-7: 상판하판 분리 플레이트 및 체결구
101 : 스냅링 102 : 체결 볼트
103 : 블록 커버 104 : 냉각수 재킷 및 통로
105 : 오일 씰(패킹) 106 : 멈춤링
107 : 스프링 텐숀 볼트 108 : 텐숀 스프링
109 : 고정테이퍼씰(외측용) 110 : 고정 테이퍼씰(내측용)
111: 회전테이퍼씰(외측용) 112 : 회전 테이퍼씰(내측용)
113 : 라이너씰 114 : 고정 테이퍼 씰용 패킹
115 : 스프링 보호 커버 116: 고정 핀
117 : 회전 테이퍼 씰용 패킹 118: 패킹 고정용 너트
70 : 발전 모듈
70-1 : 커플링 70-2: 제네레이더

Claims (8)

1. 작동유체가 흐르는 유입구와
   터빈 회전축과 상기 유입구로부터 서로 직교(직각교차)하여 유입된 작동 유체를 상기 터빈 회전축에 고정된 블레이드에 분사시켜 작동 유체와 블레이드가 터빈 회전 방향과 동일 방향으로 회전하며 순한되는 충동식 터빈 시스템.
   
2. 작동유체가 흐르는 토출구와
   터빈 회전축과 상기 토출구로부터 서로 직교하여 토출되며 터빈 실내에 확보한 하우징 내부 공간으로 팽창한 작동 유체를 유입구와 반대 방향으로 토출 시키는 충동식 터빈 시스템.
   
3. 터빈 하우징 내부 공간을 블레이드와 편심 가공 조립하여 작동 유체가 유입되어 분사되는 상부 공간에는 충동에 의한 회전력을 높이기 위하여 정밀 조립되는 구조로 하고 블레이드의 하단부 하우징 내부 공간은 체적 팽창하는 작동 유체에 의한 배압을 줄이기 위하여 충분한 공간을 형성하는 고효율 충동식 터빈 시스템.
   
4. 터빈 하우징 내부 공간을 블레이드와 편심 가공 조립하여 작동 유체가 유입되어 분사되는 상부 공간에는 충동에 의한 회전력을 높이기 위하여 정밀 조립되는 구조로 하고 블레이드의 하단부 하우징 내부 공간은 체적 팽창하는 작동 유체에 의한 배압을 줄이기 위하여 충분한 공간을 형성하는 고효율 충동식 터빈 시스템.
   
5. 구동 샤프트의 조립 및 분해가 용이하고 누수를 차단하는 몸체 베아링 블록(60-2) 구조와 하우징의 상단과 하단을 분리 가능한 구조의 샤프트 베아링 블록(60-1) 및 누수를 예방할 수 있는 몸체 씰 블록 (60-3) 의 구조를 가지는 충동식 터빈 시스템.
   
6. 구동 샤프트의 외부 돌출 부위로 하우징 내부의 작동 유체의 누수를 방지할 수 있는 몸체 씰 블록으로 블록에 고정되는 고정 테이퍼 씰과 구동 샤프트에 고정되어 회전하는 회전 테이퍼 씰 및 작동 유체의 누수를 차단 할수 있는 원뿔형의 라이너씰로 작동 유체의 누수를 차단 할 수 있는 이중 차단 테이프형 몸체 씰블록.
   
7. 하우징몸체 내부 공간은 반드시 원형으로 제작할 필요는 없으며 보다 효율을 향상시키기 위하여 타원형으로 제작하여 작동유체의 팽창압을 소화 할 수 있는 구조로 제작 가능하며 반드시 작동 유체의 유입구쪽으로 편심시공하여 충동에 의한 회적력을 향상시키고 편심된 여유 공간에 작동유체 유출구를 설치하여 순환하는 충동식 터빈 시스템.
   
8. 작동 유체의 분사시 확산되는 유체의 유동에 의한 파동을 효율적으로 이용하기 위한 2중 끝날개를 가진 블레이드.
   

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