KR20180088168A - 가변형 수직 날개를 가지는 로터리 디스크 방식 유체기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하우징(11)의 내부에 아암(15)을 개재하여 연결되는 복수의 디스크(12)를 구비하는 로터리 디스크 방식 유체기계에 있어서: 상기 디스크(12)의 적어도 일측 표면에 방사상으로 돌출될 수 있는 가변형 날개; 및 상기 가변형 날개의 돌출 높이를 제어하는 제어수단;을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 선박이나 해양플랜트에 사용되는 다양한 펌프는 물론 고압 형성이 필요한 터빈이나 소형 잠수함이나 어뢰 등의 추진체로 활용이 가능하여 활용성을 증대하는 효과가 있다.

Description

가변형 수직 날개를 가지는 로터리 디스크 방식 유체기계{Rotary disc type fluid machine having variable vertical wings}

본 발명은 로터리 디스크 방식 유체기계에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 압력 조절이 가능한 디스크 구조로 저압부터 고압까지 조절이 가능해 짐에 따라 다양한 분야에 적용이 가능한 가변형 수직 날개를 가지는 로터리 디스크 방식 유체기계에 관한 것이다.

종래의 디스크 회전 방식의 유체기계(터빈/펌프)는 디스크의 경계층 효과(The Boundary layer effect)로 인해서 일반 프로펠러 타입보다 디스크가 손상되지 않는 장점을 가지고 있다. 또한, 펌프로 사용할 때는 일반적인 펌프들에서 발생하는 캐비테이션(Cavitation) 현상이 발생하지 않고, 사용 유체와의 마찰이 적어 밀도가 높고 질량이 무거운 물질을 이송시키는데도 유리하며, 일반적인 펌프에 비해 비교적 적은 소음을 유발한다.

다만, 프로펠러 타입의 터빈/펌프들에 비해 고압 형성이 어렵기 때문에 저압, 대유량 목적으로 주로 사용되고 있다.

이러한 유체기계와 관련되는 선행기술문헌으로서 하기의 한국 등록특허공보 제0178546호, 한국 등록특허공보 제1237143호 등을 참조할 수 있다.

전자에 의하면 디스크의 내부 대향면은 예정 거리로 떨어져 이격되어 있으며, 일련의 상승 리브 또는 베인은 대향면의 적어도 일면상에 제공되고 베인의 높이는 대향 디스크면사이의 간극을 이탈하는 디스크 공간보다 적게 구성된다. 이에, 개량된 펌핑 효율을 제공하는 동시에 표준 원심 펌프 보다 더 양호한 재료와 고체 취급성 및 더 높은 안전성을 기대한다.

후자는 디스크와 하우징의 내벽 사이공간에는 입구와 연결되어 유체가 유입되도록 된 통로가 구비되되; 상기한 통로는 하우징의 내부를 통해 상기 입구와 상기 디스크와 하우징의 내벽 사이공간을 연결하도록 구성되어 상기 입구에서 상기 디스크와 하우징의 내벽으로 유체를 공급한다. 이에, 펌핑효율이 떨어지는 것과 소음이 발생하는 것을 방지하는 효과를 기대한다.

그러나, 상기한 선행문헌에 의하면 펌핑 압력의 변동을 비롯한 제어의 유연성이 미흡하기 때문에 다양한 분야에서 활용성을 높이기에 한계를 드러낸다.

1. 한국 등록특허공보 제0178546호 "로터리 디스크 펌프" (공개일자 : 1993.06.12.) 2. 한국 등록특허공보 제1237143호 "로터리 디스크 펌프" (공개일자 : 2012.01.11.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 가동 중에 가변적인 압력이 요구되는 다양한 환경에서 원격으로 압력 조절이 가능해 짐에 따라 선박이나 해양플랜트에 사용되는 다양한 펌프는 물론 고압 형성이 필요한 터빈이나 소형 잠수함이나 어뢰 등의 추진체로 활용이 가능한 가변형 수직 날개를 가지는 로터리 디스크 방식 유체기계를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하우징의 내부에 아암을 개재하여 연결되는 복수의 디스크를 구비하는 로터리 디스크 방식 유체기계에 있어서: 상기 디스크의 적어도 일측 표면에 방사상으로 돌출될 수 있는 가변형 날개; 및 상기 가변형 날개의 돌출 높이를 제어하는 제어수단;을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제1실시예에 의하면, 가변형 날개는 판형날개로서 힌지축을 개재하여 회전운동 가능하게 지지되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2실시예에 의하면, 상기 가변형 날개는 봉형날개로서 수용체를 개재하여 상하운동 가능하게 지지되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 가변형 날개를 구동하기 위한 구동수단은 아암의 단부에 축방향 슬라이딩 가능하게 설치되는 조절판을 구동기에 연결하고, 조절판의 위치변동에 연동하여 판형날개 또는 봉형날개의 자세변동을 유발하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단은 구동수단의 조절판의 위치를 변동하여 추력을 조절하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 선박이나 해양플랜트에 사용되는 다양한 펌프는 물론 고압 형성이 필요한 터빈이나 소형 잠수함이나 어뢰 등의 추진체로 활용이 가능하여 활용성을 증대하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 로터리 디스크 방식 유체기계를 나타내는 예시도
도 2는 본 발명에 따른 유체기계의 주요부를 나타내는 구성도
도 3은 본 발명에 따른 유체기계의 다양한 실시예를 나타내는 모식도
도 4는 본 발명에 따른 유체기계의 구동수단을 나타내는 구성도
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 주요부를 나타내는 모식도
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 주요부를 나타내는 모식도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 하우징(11)의 내부에 아암(15)을 개재하여 연결되는 복수의 디스크(12)를 구비하는 로터리 디스크 방식 유체기계에 관하여 제안한다. 본 발명의 도면과 설명을 통하여 유체기계를 펌프로 예시하지만 반드시 이에 국한되지 않고 터빈 등에 확대 적용하는 것도 가능하다. 어느 경우에나 하우징(11)은 입수구와 출수구를 구비하고, 복수의 디스크(12)는 아암(15)으로 연결되어 일체로 회전한다. 디스크(12)의 중심에는 유체의 이동을 위한 중심공(13)이 형성된다. 후술하는 것처럼 하우징(11)에 고정되는 추진기(57)가 디스크(12)의 회전을 유발한다.

종래의 디스크 방식의 유체기계는 도 1(a)의 니콜라스 테슬라(Nikola Tesla)가 발명한 일반 평면 디스크 구조, 도 1(b)의 Discflo社에서 고안된 2개의 회전 디스크를 가지는 구조 등이 알려져 있다. 특히 후자의 경우 사용 목적에 맞게 설계된 저압의 압력을 발생시킬 수 있는 정형화된 날개(베인)가 부착되기도 한다. 그럼에도 고압 형성이 필요한 터빈이나 소형 잠수함이나 어뢰 등의 추진체로 활용하기에 적합하지 않다.

본 발명에 따르면 상기 디스크(12)는 적어도 일측 표면에 방사상으로 돌출될 수 있는 가변형 날개를 구비하는 구조이다.가변형 날개는 판형날개(20), 봉형날개(30) 등으로 구현된다. 도 2 및 도 3(a)는 판형날개(20)로서 디스크(12)와 유사한 두께로 형성된다. 도 3(b)(c)(d)는 봉형날개(30)로서 등변삼각날개(42), 부등변삼각날개(44), 사각날개(46)를 예시한다. 봉형날개(30)는 전반적으로 디스크(12)보다 두껍게 형성된다. 어느 경우에나 판형날개(20) 또는 봉형날개(30)는 디스크(12)의 표면에 방사상으로 배치되면서 수직으로 돌출된다. 이와 같은 구조를 지닌 유체기계에 의하면 종래의 로터리 디스크 방식 유체기계에 비하여 상대적으로 고압의 형성이 가능하다.

한편, 도시에는 생략하나 판형날개(20) 및 봉형날개(30)는 혼용적으로 설치할 수도 있다.

본 발명의 제1실시예에 의하면, 상기 가변형 날개는 판형날개(20)로서 힌지축(21)을 개재하여 회전운동 가능하게 지지되는 것을 특징으로 한다. 도 3(a)에서 디스크(12)의 표면에 설치된 힌지축(21) 상에 판형날개(20)가 설치된 상태를 예시한다. 판형날개(20)의 돌출 높이가 증가될수록 펌프/터빈에서 고압의 형성이 가능하다. 압력 변동의 폭을 넓게 확보할 수 있는 반면 상대적으로 높은 강성이 요구된다.

본 발명의 제2실시예에 의하면, 상기 가변형 날개는 봉형날개(30)로서 수용체(31)를 개재하여 상하운동 가능하게 지지되는 것을 특징으로 한다. 도 3(b)(c)(d)에서 디스크(12)의 두께 부분에 수용체(31)가 슬라이딩 가능하게 지지된 상태를 예시한다. 전과 동일하게 봉형날개(30)의 돌출 높이가 증가될수록 펌프/터빈에서 고압의 형성이 가능하다. 높은 강성을 유지할 수 있는 반면 압력 변동의 폭은 상대적으로 좁다.

한편, 봉형날개(30)는 수용체(31) 대신에 도 3(a)와 같은 힌지축(21)을 적용할 수도 있다. 도 3(b)(c)(d)에서 봉형날개(30)가 반대 방향으로 돌출되는 구성, 힌지축(21)을 이용하여 회전운동하는 구성도 예시한다.

또한, 본 발명에 따르면 제어수단(50)이 상기 가변형 날개의 돌출 높이를 제어하는 구조이다. 돌출 높이의 변동은 가변형 날개(Variable Rib)에 해당하는 설계 요소로서 날개의 자세(높이나 각도)를 변동하여 압력조절이 가능한 펌프/터빈을 구현한다. 제1실시예의 판형날개(20) 및 제2실시예의 봉형날개(30)에 따라 후술하는 것처럼 제어수단(50), 구동수단 등의 세부적 구성이 약간 달라진다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 상기 가변형 날개를 구동하기 위한 구동수단은 아암(15)의 단부에 축방향 슬라이딩 가능하게 설치되는 조절판(25)을 구동기(55)에 연결하고, 조절판(25)의 위치변동에 연동하여 판형날개(20) 또는 봉형날개(30)의 자세변동을 유발하는 것을 특징으로 한다. 도 4에서 구동수단을 구성하는 조절판(25), 구동기(55) 등이 명확하게 예시된다. 조절판(25)은 아암(15) 상에 슬라이딩 가능하게 장착되며, 경우에 따라 별도의 안내레일(35)을 부가할 수 있다. 추진기(57)는 하우징(11)에 고정되고 조절축(27)을 통하여 조절판(25)과 연결된다. 조절축(27)은 메카니칼 씰과 같은 실링(37)을 개재하여 지지된다. 디스크(12)와 함께 회전하는 조절판(25) 및 축방향 직선운동 하는 조절축(27) 사이에는 로터리조인트(28)가 개재된다. 판형날개(20) 및 봉형날개(30)의 자세변동은 각각 도 5 및 도 6을 통하여 설명된다. 구동기(55)는 모터에 볼스크류, 웜기어 등의 기구를 연결한 구조로 구성한다. 조절축(27)은 축방향 직선운동에 더하여 회전운동을 병행할 수도 있다.

도 5에서, 판형날개(20)의 힌지축(21)에 피니언(22)가 동심상으로 연결되고, 피니언(22)에 맞물리는 래크(23)는 아암(15) 상에 슬라이딩 가능하게 지지되고, 래크(23)의 단부에 조절판(25)이 연결된다. 이에 조절판(25)의 축방향 직선운동이 래크(23), 피니언(22)을 통하여 판형날개(20)의 회동운동으로 전환된다.

도 6에서, 봉형날개(30)의 일단에 링크(33)가 연결되고, 링크(33)의 단부에 조절판(25)이 연결된다. 이에 조절판(25)의 축방향 직선운동이 링크(33)를 통하여 봉형날개(30)의 직선운동으로 전환된다.

한편, 도 4에서 추진기(57)가 추진축(17), 추진기어(18)를 통하여 아암(15)과 디스크(12)에 연결되는 상태를 예시한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단(50)은 구동수단의 조절판(25)의 위치를 변동하여 추력을 조절하는 것을 특징으로 한다. 제어수단(50)은 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터페이스를 탑재한 제어기(51)를 기반으로 한다. 제어기(51)의 입력인터페이스에 위치검출기(53) 등이 연결되고 출력인터페이스에 구동기(55), 추진기(57) 등이 연결된다. 위치검출기(53)는 구동기(55)에 연결된 조절축(27)의 직선운동 위치, 즉 조절판(25)의 위치를 검출한다.

본 발명의 유체기계는 로터리 디스크를 기반으로 하므로 낮은 캐비테이션이 필요한 분야와 높은 출력이 필요한 분야에 모두 사용이 가능하다. 하나의 디스크로 하이브리드 구조로 사용이 가능하다. 초기 기동시 높은 압력이 필요하고 정상 상태시 일정 출력이 유지되는 분야에 적용하면 높은 효율을 구현할 수 있다.

한편, 본 발명의 유체기계를 터빈으로 활용하는 경우 추진기(57)는 발전기로 구성한다.

본 발명은 디스크 상의 가변형 날개에 의하여 압력의 조절이 가능해짐에 따라 소형 수상함/수중함의 추진체나 어뢰 등의 수중함 무기의 추진체는 물론 압력 가변이 필요한 터빈으로 활용이 가능하다.

또한, 터빈/펌프의 매질 변화에 따른 원활한 대응이 가능한 구조에 적용이 가능하다. 이에, 원유 시추 시 오일 샌드, 자갈, 원유, 가스 등이 혼합되어 이송될 때 각 상황에 맞게 가변형 날개 조절을 통한 대응이 용이하다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

11: 하우징 12: 디스크
13: 중심공 15: 아암
17: 추진축 18: 추진기어
20: 판형날개 21: 힌지축
22: 피니언 23: 래크
25: 조절판 27: 조절축
28: 로터리조인트 30: 봉형날개
31: 수용체 33: 링크
35: 안내레일 42: 등변삼각날개
44: 부등변삼각날개 46: 사각날개
50: 제어수단 51: 제어기
53: 위치검출기 55: 구동기
57: 추진기

Claims (5)

1. 하우징(11)의 내부에 아암(15)을 개재하여 연결되는 복수의 디스크(12)를 구비하는 로터리 디스크 방식 유체기계에 있어서:
   상기 디스크(12)의 적어도 일측 표면에 방사상으로 돌출될 수 있는 가변형 날개; 및
   상기 가변형 날개의 돌출 높이를 제어하는 제어수단;을 구비하는 것을 특징으로 하는 가변형 수직 날개를 가지는 로터리 디스크 방식 유체기계.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 가변형 날개는 판형날개(20)로서 힌지축(21)을 개재하여 회전운동 가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는 가변형 수직 날개를 가지는 로터리 디스크 방식 유체기계.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 가변형 날개는 봉형날개(30)로서 수용체(31)를 개재하여 상하운동 가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는 가변형 수직 날개를 가지는 로터리 디스크 방식 유체기계.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 가변형 날개를 구동하기 위한 구동수단은 아암(15)의 단부에 축방향 슬라이딩 가능하게 설치되는 조절판(25)을 구동기(55)에 연결하고, 조절판(25)의 위치변동에 연동하여 가변형 날개의 자세변동을 유발하는 것을 특징으로 하는 가변형 수직 날개를 가지는 로터리 디스크 방식 유체기계.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어수단(50)은 구동수단의 조절판(25)의 위치를 변동하여 추력을 조절하는 것을 특징으로 하는 가변형 수직 날개를 가지는 로터리 디스크 방식 유체기계.

Images