KR20190120552A

KR20190120552A - 복합 터빈 장치

Info

Publication number: KR20190120552A
Application number: KR1020180043879A
Authority: KR
Inventors: 김동수
Original assignee: 김동수
Priority date: 2018-04-16
Filing date: 2018-04-16
Publication date: 2019-10-24

Abstract

본 발명은 복합 터빈 장치에 관한 것으로서, 충돌되는 증기 에너지를 운동 에너지로 전환시켜 회전축을 회전시키는 제1 터빈수단과, 상기 제1 터빈수단을 통해 유출되는 증기가 내부로 유입되고, 체적 변화에 따른 증기가 팽창력과 압축력으로 회전축을 회전시키는 제2 터빈수단을 상기 제1 터빈수단의 양측면에 설치 구성하되, 상기 제1 터빈수단을 구성하고 있는 하우징의 내부 중앙에는 유입된 증기를 하우징의 양측으로 분배하여 유출하는 노즐블럭을 설치하고, 그 노즐블럭을 통해 하우징 양측으로 유출되는 증기를 이용하여 회전축을 회전시키는 회전 터빈 휠을 상기 노즐블럭을 중심으로 대칭되게 회전축에 축설하여 상기 노즐블럭에 의해 하우징의 양측으로 유출되는 증기를 이용하여 제1 터빈수단에 구비된 회전축을 회전시키기 때문에 저압, 저온의 증기를 이용하여 회전축을 회전시킬 수 있으며, 제1 터빈수단을 회전시킨 증기는 제2 터빈수단으로 유입되어 다시 한번 더 회전축을 회전시키므로, 회전축은 강한 토크를 발생시킬 수 있음은 물론 열 효율을 극대화시킬 수 있고, 제1 터빈수단은 증기가 충돌되면서 발생 되는 충돌 에너지를 이용하여 회전축을 회전시키고, 제2 터빈수단은 체적 변화에 따른 증기의 팽창력과 압축력에 의해 회전축을 회전시키기 때문에 에너지 손실을 최소화할 수 있으며, 상기 제1 터빈수단에 구비된 제1 인덱스 홀 및 제2 인덱스 홀에 구비된 입구는 부채꼴 모양으로 형성하면서 그 제1 인덱스 홀 및 제2 인덱스 홀에는 증기가 부딪치는 충돌홈을 구비하여 증기 유입 홀 체적과 증기 충동 표면적을 크게 할 수 있을 뿐만 아니라 이로 인하여 증기충동 시 회전력을 크게 일어나도록 하고, 상기 제1 인덱스 홀 및 제2 인덱스 홀에 구비된 충돌홈으로 인하여 회전 터빈 휠 및 고정 휠로 유입된 증기는 충돌홈의 중앙에 모인 상태에서 출구 방향으로 강하게 유출시킬 수 있으며, 상기 제1 인덱스 홀과 제2 인덱스 홀에 구비된 출구는 입구에 비해 상대적으로 좁게 형성하면서 입구에는 증기를 충돌홈으로 안내하는 안내면을 회전 반대방향 각도로 경사지게 형성하여 충돌홈과 부딪친 증기가 90°각도를 이루면서 출구로 배출되므로, 증기의 와류를 줄일 수 있음은 물론 출구를 통해 배출되는 증기의 속도를 증가시키면서 반동을 수반하여 강한 토크를 발생시킬 수 있으며, 또한 고정 휠에 구비된 충돌홈은 제1 인덱스 홀을 통과한 증기의 흐름을 반전됨으로, 고정된 인덱스 홀을 하우징에 고정하여 최초 유입되는 증기의 흐름 방향과 동일한 방향으로 증기를 반전시킨 후에 제2 인덱스 홀의 후단에 위치한 제1 인덱스 홀로 공급하여 회전 터빈 휠의 회전력을 전달받아 회전되는 회전축을 빠르게 회전시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

복합 터빈 장치 {Turbine Device}

본 발명은 복합 터빈 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 충돌되는 증기 에너지를 운동 에너지로 전환시켜 회전축을 회전시키는 제1 터빈수단과, 상기 제1 터빈수단을 통해 유출되는 증기가 내부로 유입되고, 체적 변화에 따른 증기가 팽창력과 압축력으로 회전축을 회전시키는 제2 터빈수단을 상기 제1 터빈수단의 양측면에 설치 구성하되, 상기 제1 터빈수단을 구성하고 있는 하우징의 내부 중앙에는 유입된 증기를 하우징의 양측으로 분배하여 유출하는 노즐블럭을 설치하고, 그 노즐블럭을 통해 하우징 양측으로 유출되는 증기를 이용하여 회전축을 회전시키는 회전 터빈 휠을 상기 노즐블럭을 중심으로 대칭되게 회전축에 축설하여 상기 노즐블럭에 의해 하우징의 양측으로 유출되는 증기를 이용하여 제1 터빈수단에 구비된 회전축을 회전시키기 때문에 저압, 저온의 증기를 이용하여 회전축을 회전시킬 수 있으며, 제1 터빈수단을 회전시킨 증기는 제2 터빈수단으로 유입되어 다시 한번 더 회전축을 회전시키므로, 회전축은 강한 토크를 발생시킬 수 있음은 물론 열 효율을 극대화시킬 수 있고, 제1 터빈수단은 증기가 충돌되면서 발생 되는 충돌 에너지를 이용하여 회전축을 회전시키고, 제2 터빈수단은 체적 변화에 따른 증기의 팽창력과 압축력에 의해 회전축을 회전시키기 때문에 에너지 손실을 최소화할 수 있으며, 상기 제1 터빈수단에 구비된 제1 인덱스 홀 및 제2 인덱스 홀에 구비된 입구는 부채꼴 모양으로 형성하면서 그 제1 인덱스 홀 및 제2 인덱스 홀에는 증기가 부딪치는 충돌홈을 구비하여 증기 유입 홀 체적과 증기 충동 표면적을 크게 할 수 있을 뿐만 아니라 이로 인하여 증기충동 시 회전력을 크게 일어나도록 하고, 상기 제1 인덱스 홀 및 제2 인덱스 홀에 구비된 충돌홈으로 인하여 회전 터빈 휠 및 고정 휠로 유입된 증기는 충돌홈의 중앙에 모인 상태에서 출구 방향으로 강하게 유출시킬 수 있으며, 상기 제1 인덱스 홀과 제2 인덱스 홀에 구비된 출구는 입구에 비해 상대적으로 좁게 형성하면서 입구에는 증기를 충돌홈으로 안내하는 안내면을 회전 반대방향 각도로 경사지게 형성하여 충돌홈과 부딪친 증기가 90°각도를 이루면서 출구로 배출되므로, 증기의 와류를 줄일 수 있음은 물론 출구를 통해 배출되는 증기의 속도를 증가시키면서 반동을 수반하여 강한 토크를 발생시킬 수 있으며, 또한 고정 휠에 구비된 충돌홈은 제1 인덱스 홀을 통과한 증기의 흐름을 반전됨으로, 고정된 인덱스 홀을 하우징에 고정하여 최초 유입되는 증기의 흐름 방향과 동일한 방향으로 증기를 반전시킨 후에 제2 인덱스 홀의 후단에 위치한 제1 인덱스 홀로 공급하여 회전 터빈 휠의 회전력을 전달받아 회전되는 회전축을 빠르게 회전시킬 수 있도록 한 복합 터빈 장치에 관한 것이다.

일반적으로 증기 터빈은 보일러로부터 고압증기가 가지는 열에너지를 운동 에너지로 전환시키는 원동기인 것이다.

이와 같이 열 에너지를 운동 에너지로 전환시키는 작동 원리를 설명하게 되면, 고압증기(압력 에너지)를 노즐을 통하여 팽창시킴으로써 고속 증기(속도에너지)를 만드는 과정과 고속증기로 터빈회전 깃에 충돌시켜 유체의 운동량 변화에 의한 충동 및 반동작용의 양자에 의하여 회전력 일으키는 것이다.

종래의 터빈은 증기의 직진 운동을 회전 운동을 변환시킬 수 있도록 회전축에는 날개 형태로 형성된 다수의 블레이드를 설치 구성하고, 그 날개 형태의 블레이드에 증기를 공급한다.

이때, 블레이드로 공급되는 터빈은 충동터빈, 반동 터빈으로 구분한다.

따라서, 회전축에 축설 된 터빈으로 고온 고압의 증기는 고압의 스팀압력을 공급하므로, 터빈은 일 방향으로 회전되면서 전기를 발생시킬 수 있는 것이다.

그러나 종래의 터빈 장치의 문제점은 상기 터빈을 회전시키기 위해서는 고온, 고압 증기압력이 필요하기 때문에 저 압력과 저온에서는 터빈이 회전되지 못하여 전기를 생산하지 못하는 문제점이 발생하게 되었다.

또한, 종래에는 고온 및 고압스팀압력을 이용하여 블레이드를 회전시키므로, 스팀 온도와 압력을 초 임계 수준으로 매우 높은 스팀을 만들어 터빈을 회전시켜야 하기 때문에 고 압력 및 고온의 보일러 제작 비용 및 유지 보수 비용이 증가 되는 문제점이 발생하게 되었다.

그리고 고온, 고압의 스팀을 만들어 터빈을 가동해야 하기 때문에 고온, 고압에 견디는 특수 합금 소재로 터빈을 제작해야 하므로, 터빈 제작 비용이 증가 되고, 이로 인하여 터빈의 제작 시간이 길어지면서 유지 보수 비용이 증가되는 문제점이 발생하게 되었다.

또한, 터빈의 회전을 하는 증기는 응축하는 과정에서 대부분의 열이 외부(냉각수원)으로 빠지기 때문에 열 효율이 저하되는 문제점이 발생하게 되었다.

따라서, 상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 충돌되는 증기 에너지를 운동 에너지로 전환시켜 회전축을 회전시키는 제1 터빈수단과, 상기 제1 터빈수단을 통해 유출되는 증기가 내부로 유입되고, 체적 변화에 따른 증기가 팽창력과 압축력으로 회전축을 회전시키는 제2 터빈수단을 상기 제1 터빈수단의 양측면에 설치 구성하되, 상기 제1 터빈수단을 구성하고 있는 하우징의 내부 중앙에는 유입된 증기를 하우징의 양측으로 분배하여 유출하는 노즐블럭을 설치하고, 그 노즐블럭을 통해 하우징 양측으로 유출되는 증기를 이용하여 회전축을 회전시키는 회전 터빈 휠을 상기 노즐블럭을 중심으로 대칭되게 회전축에 축설하여 상기 노즐블럭에 의해 하우징의 양측으로 유출되는 증기를 이용하여 제1 터빈수단에 구비된 회전축을 회전시키기 때문에 저압, 저온의 증기를 이용하여 회전축을 회전시킬 수 있으며, 제1 터빈수단을 회전시킨 증기는 제2 터빈수단으로 유입되어 다시 한번 더 회전축을 회전시키므로, 회전축은 강한 토크를 발생시킬 수 있음은 물론 열 효율을 극대화시킬 수 있고, 제1 터빈수단은 증기가 충돌되면서 발생 되는 충돌 에너지를 이용하여 회전축을 회전시키고, 제2 터빈수단은 체적 변화에 따른 증기의 팽창력과 압축력에 의해 회전축을 회전시키기 때문에 에너지 손실을 최소화할 수 있으며, 상기 제1 터빈수단에 구비된 제1 인덱스 홀 및 제2 인덱스 홀에 구비된 입구는 부채꼴 모양으로 형성하면서 그 제1 인덱스 홀 및 제2 인덱스 홀에는 증기가 부딪치는 충돌홈을 구비하여 증기 유입 홀 체적과 증기 충동 표면적을 크게 할 수 있을 뿐만 아니라 이로 인하여 증기충동 시 회전력을 크게 일어나도록 하고, 상기 제1 인덱스 홀 및 제2 인덱스 홀에 구비된 충돌홈으로 인하여 회전 터빈 휠 및 고정 휠로 유입된 증기는 충돌홈의 중앙에 모인 상태에서 출구 방향으로 강하게 유출시킬 수 있으며, 상기 제1 인덱스 홀과 제2 인덱스 홀에 구비된 출구는 입구에 비해 상대적으로 좁게 형성하면서 입구에는 증기를 충돌홈으로 안내하는 안내면을 회전 반대방향 각도로 경사지게 형성하여 충돌홈과 부딪친 증기가 90°각도를 이루면서 출구로 배출되므로, 증기의 와류를 줄일 수 있음은 물론 출구를 통해 배출되는 증기의 속도를 증가시키면서 반동을 수반하여 강한 토크를 발생시킬 수 있으며, 또한 고정 휠에 구비된 충돌홈은 제1 인덱스 홀을 통과한 증기의 흐름을 반전됨으로, 고정된 인덱스 홀을 하우징에 고정하여 최초 유입되는 증기의 흐름 방향과 동일한 방향으로 증기를 반전시킨 후에 제2 인덱스 홀의 후단에 위치한 제1 인덱스 홀로 공급하여 회전 터빈 휠의 회전력을 전달받아 회전되는 회전축을 빠르게 회전시킬 수 있도록 한 복합 터빈 장치를 제공함을 목적으로 한다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명은,

회전축이 구비되고, 고압의 증기가 유입되는 유입구가 중앙에 형성된 하우징과,

유입구로 유입되는 증기를 하우징의 양측으로 분배하는 노즐블럭과;

노즐블럭으로부터 공급되는 증기가 부딪치는 다수의 제1 인덱스 홀이 구비되며, 노즐블럭을 중심으로 회전축의 양측에 설치 구성되어 회전축을 회전시키는 회전 터빈 휠을 포함하는 제1 터빈수단과;

제1 터빈수단을 통과한 증기를 이용하여 회전축을 회전시키도록 하우징의 양측에 설치되는 제2 터빈수단;으로 구성한 것을 특징으로 한다.

본원 발명에 의하면, 충돌되는 증기 에너지를 운동 에너지로 전환시켜 회전축을 회전시키는 제1 터빈수단과, 상기 제1 터빈수단을 통해 유출되는 증기가 내부로 유입되고, 체적 변화에 따른 증기가 팽창력과 압축력으로 회전축을 회전시키는 제2 터빈수단을 상기 제1 터빈수단의 양측면에 설치 구성하되, 상기 제1 터빈수단을 구성하고 있는 하우징의 내부 중앙에는 유입된 증기를 하우징의 양측으로 분배하여 유출하는 노즐블럭을 설치하고, 그 노즐블럭을 통해 하우징 양측으로 유출되는 증기를 이용하여 회전축을 회전시키는 회전 터빈 휠을 상기 노즐블럭을 중심으로 대칭되게 회전축에 축설하여 상기 노즐블럭에 의해 하우징의 양측으로 유출되는 증기를 이용하여 제1 터빈수단에 구비된 회전축을 회전시키기 때문에 저압, 저온의 증기를 이용하여 회전축을 회전시켜 발전할 수 있는 효과를 기대할 수 있는 것이다.

또한, 제1 터빈수단을 회전시킨 증기는 제2 터빈수단으로 유입되어 다시 한번 더 회전축을 회전시키므로, 회전축은 강한 토크를 발생시킬 수 있음은 물론 열 효율을 극대화시킬 수 있다.

그리고 제1 터빈수단은 증기가 충돌되면서 발생 되는 충돌 에너지를 이용하여 회전축을 회전시키고, 제2 터빈수단은 체적 변화에 따른 증기의 팽창력과 압축력에 의해 회전축을 회전시키기 때문에 에너지 손실을 최소화할 수 있는 것이다.

또한, 제1 터빈수단에 구비된 제1 인덱스 홀 및 제2 인덱스 홀에 구비된 입구는 부채꼴 모양으로 형성하면서 그 제1 인덱스 홀 및 제2 인덱스 홀에는 증기가 부딪치는 충돌홈을 구비하여 증기 유입 홀 체적과 증기 충동 표면적을 크게 할 수 있을 뿐만 아니라 이로 인하여 증기충동 시 회전력을 크게 일어나도록 하고, 상기 제1 인덱스 홀 및 제2 인덱스 홀에 구비된 충돌홈으로 인하여 회전 터빈 휠 및 고정 휠로 유입된 증기는 충돌홈의 중앙에 모인 상태에서 출구 방향으로 강하게 유출시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

상기 제1 인덱스 홀과 제2 인덱스 홀에 구비된 출구는 입구에 비해 상대적으로 좁게 형성하면서 입구에는 증기를 충돌홈으로 안내하는 안내면을 회전 반대방향 각도로 경사지게 형성하여 충돌홈과 부딪친 증기가 90°각도를 이루면서 출구로 배출되므로, 증기의 와류를 줄일 수 있음은 물론 출구를 통해 배출되는 증기의 속도를 증가시키면서 반동을 수반하여 강한 토크를 발생시킬 수 있는 것이다.

또한, 고정 휠에 구비된 충돌홈은 제1 인덱스 홀을 통과한 증기의 흐름을 반전됨으로, 고정된 인덱스 홀을 하우징에 고정하여 최초 유입되는 증기의 흐름 방향과 동일한 방향으로 증기를 반전시킨 후에 제2 인덱스 홀의 후단에 위치한 제1 인덱스 홀로 공급하여 회전 터빈 휠의 회전력을 전달받아 회전되는 회전축을 빠르게 회전시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 복합 터빈 장치의 단면도.
도 2는 본 발명의 제1 터빈수단의 회전 터빈 휠을 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 회전축에 제2 터빈수단이 설치된 상태를 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 제1 터빈수단을 구성하고 있는 휠을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 제1 터빈수단에 구비된 인덱스 홀을 도시한 부분 확대 전개 단면도.
도 6은 본 발명의 제1 인덱스 홀을 도시한 부분 확대 전개 단면도.
도 7은 본 발명의 제2 인덱스 홀을 도시한 부분 확대 전개 단면도.
도 8은 본 발명의 인덱스 홀을 도시한 사시도.
도 9는 본 발명의 제2 터빈수단을 도시한 사시 단면도.
도 10은 본 발명의 제2 터빈수단을 도시한 단면도.

이하, 첨부된 도 1 내지 도 10을 이용하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하게 되면 다음과 같다.

상기 도면에 의하면 본 발명은,

회전축(10)이 구비되고, 고압의 증기가 유입되는 유입구(31)가 중앙에 형성된 하우징(30)과,

유입구(31)로 유입되는 증기를 하우징(30)의 양측으로 분배하는 노즐블럭(33)과;

노즐블럭(33)으로부터 공급되는 증기가 부딪치는 다수의 제1 인덱스 홀(60)이 구비되며, 노즐블럭(33)을 중심으로 회전축(10)의 양측에 설치 구성되어 회전축(10)을 회전시키는 회전 터빈 휠(50),을 포함하는 제1 터빈수단(20)과;

제1 터빈수단(20)을 통과한 증기를 이용하여 회전축(10)을 회전시키도록 하우징(30)의 양측에 설치되는 제2 터빈수단(100);으로 구성한 것을 특징으로 한다.

상기 제1 터빈수단(20)은, 유입구(31)와 배출구(32)가 중앙 및 양측면에 각각 구비된 하우징(30)과;

하우징(30)의 내벽 중앙에 형성되어 유입구(31)를 통해 유입되는 증기를 하우징(30)의 양측으로 분배하는 노즐블럭(33)과;

하우징(30)을 관통하는 회전축(10)과;

노즐블럭(33)을 중심으로 회전축(10)의 양측에 등 간격으로 설치되는 다수의 회전 터빈 휠(50)과;

회전 터빈 휠(40)의 사이에 위치하는 고정 휠(70)과;

입구(61)와 출구(62)를 갖도록 회전 터빈 휠(50)의 외곽에 환형으로 배치되며, 입구(61)로 유입된 증기가 부딪치는 충동홈(63)이 회전 터빈 휠(40)의 회전 방향으로 형성되어, 상기 충돌홈(63)에 부딪치는 증기의 운동 에너지에 의해 회전 터빈 휠(40)을 회전시키는 다수의 제1 인덱스 홀(60)과;

제1 인덱스 홀(60)과 대응하도록 고정 휠(70)의 외곽에 환형으로 배치되고, 제1 인덱스 홀(60)의 출구(62)에서 배출된 증기의 흐름 방향을 반전시켜 후단의 제2 인덱스 홀(60)의 입구(61)로 공급하는 다수의 제2 인덱스 홀(80);로 구성한 것을 특징으로 한다.

제1 인덱스 홀(60)의 입구(61)와 충돌홈(63) 사이 내벽에는 증기를 충돌홈(63)으로 안내하는 안내면(64)을 경사지게 형성한 것을 특징으로 한다.

상기 제2 터빈수단(100)은, 배출구(32)를 통해 유출되는 증기가 유입되는 유입부(121)와, 그 증기를 배출하는 유출부(122)가 구비되며, 회전축(10)이 편심되게 관통되는 하우징(120)과;

하우징(120)의 내부에 편심되게 회전축(10)의 외주면에 축설 되어 상기 하우징(120)의 내부에 초승달 모양의 내부 공간(123)이 형성되도록 하는 로터(130)와;

끝단이 하우징(120)의 내벽 면에 접촉된 상태를 유지하면서 회전할 수 있도록 로터(130)의 외주연상에 출몰 가능하게 설치되어 유입부(121)를 통해 유입되는 증기압에 의해 회전축(10)을 회전시키되,

유입부(121)를 통해 유입된 증기를 유출부(122) 측으로 이동시키는 동안 내부 공간(123)의 체적변화에 따른 증기의 팽창력과 압축력으로 회전축(10)의 회전을 촉진시키는 다수의 베인(150);으로 구성한 것을 특징으로 한다.

로터(130)에 베인(150)이 출몰 가능하게 결합 되도록 상기 베인(150)과 대응되게 로터(130)의 외주면을 따라 결합홈(141)을 방사형으로 형성하고,

스프링(160)에 탄지되게 결합홈(141))의 내부에 베인(150)을 결합 구성하여 상기 스프링(160)의 탄성력에 의해 베인(150)이 로터(130)의 내,외측 방향으로 슬라이딩 이동되도록 결합 구성한 것을 특징으로 한다.

베인(150)의 끝단에 하우징(120)의 내주면에 밀착된 상태로 회전 이동을 원활해지도록 안내하는 곡면부(151)를 더 형성한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 하우징(30)의 내부 중앙에는 유입구(31)를 통해 유입되는 증기를 상기 하우징(30)의 양측으로 분배 분사하는 노즐블럭(33)을 설치하고, 노즐블럭(33)을 중심으로 대칭되게 회전축(10)의 양측에 회전 터빈 휠(50)을 설치 구성하여 저압, 저온의 증기를 이용하여 회전축(10)을 회전시킬 수 있게 한 것이다.

상기 회전 터빈 휠(50)이 구비된 제1 터빈수단(20)과, 베인(150)이 구비된 로터(130)가 편심되게 회전축(10)에 설치되는 제2 터빈수단(100)을 형성하여 제1 터빈수단(20)을 통과한 증기가 제2 터빈수단(100)으로 유입되어 회전축(10)을 다시 한번 더 회전시킬 수 있게 한 것이다.

상기 제1 터빈수단(20)은 충돌 에너지를 이용하여 회전축(10)을 회전시키고, 제2 터빈수단(100)은 체적 변화에 따라 내부 공간(123)으로 유입된 증기가 팽창 및 압축되면서 회전축(10)을 제1 터빈수단(20)과 동시에 회전시키므로, 강한 토그를 회전축(10)이 발생시킬 수 있으며, 이로 인하여 대형 발전기의 설치를 용이하게 할 수 있게 한 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 터빈수단(20) 및 제2 터빈수단(100)이 구비된 터빈 장치를 도시한 것이다.

제1 터빈수단(20)는 도 1과 같이 유입구(31)를 통해 유입되는 증기를 하우징(30)의 양측으로 분배하여 분사하는 노즐블럭(33)을 상기 하우징(30) 내부 중앙 부분에 형성하고, 상기 노즐블럭(33)을 통해 하우징(30)의 내부로 유입된 증기가 배출되는 배출구(32)를 상기 하우징(30) 양측면에 각각 형성한다.

상기 노즐블럭(33)에 의해 하우징(30)의 양측으로 유출되는 증기를 이용하여 회전축(10)을 회전시키는 회전 터빈 휠(50)과 고정 휠(70)을 상기 하우징(30) 내부에 형성한다.

상기 회전 터빈 휠(50)은 회전축(10)에 축설되는 것이며, 상기 고정 휠(70)은 도 1과 같이 하우징(30)의 내부에 고정 되거나 또는 회전축(10)의 외주면에 베어링 결합 되는 데, 본원 발명에서는 하우징(30)에 고정되는 고정 휠(70)을 일 예로 설명하기로 한다.

상기 회전축(10)에 등 간격으로 축설 되는 회전 터빈 휠(50)은 노즐블럭(33)을 중심으로 회전축(10)의 양측에 대칭되게 형성되고, 회전 터빈 휠(50) 사이로 고정 휠(70)이 설치 구성된다.

이와 같이 하우징(30)의 내부에 위치하도록 설치되는 회전 터빈 휠(50)의 외곽에 다수의 제1 인덱스 홀(60)이 환형으로 형성되고, 제1 인덱스 홀(60)과 대응되게 고정 휠(70)의 외곽에 다수의 제2 인덱스 홀(80)이 환형으로 형성된다.

이때, 회전 터빈 휠(50)과 고정 휠(70)에 각각 환형으로 형성되는 제1 인덱스 홀(60) 및 제2 인덱스 홀(80)은 3열로 배치하여 강한 토크가 발생 되도록 한다.

상기 회전 터빈 휠(50)에 구비되는 제1 인덱스 홀(60)은, 도 6과 같이 입구(61)와 출구(62)가 구비되며, 상기 입구(61)와 출구(62) 사이로 충돌홈(63)을 형성한다.

그리고 충돌홈(63)으로 증기를 안내하는 안내면(64)을 형성하고, 충돌홈(63)에 부딪친 증기를 출구(65)로 안내하는 배출면(65)을 구비한다.

즉, 안내면(64)과 배출면(65) 사이로 충돌홈(63)을 형성하는 것이다.

상기 충돌홈(63)은 반구형으로 형성한다.

상기 고정 휠(70)에 환형으로 배치되는 제2 인덱스 홀(80)은 도 7과 같이 증기가 통과 되도록 입구(81)와 출구(82)가 구비되며, 입구(81)와 출구(82) 사이로는 제1 인덱스 홀(60)을 통과한 증기의 흐름을 반전시켜 제2 인덱스 홀(80)의 후단에 위치한 제1 인덱스 홀(80)의 입구(61)로 공급하는 반구형의 충돌홈(83)을 형성하는 데, 상기 입구(61)의 내측면에는 충돌홈(83)으로 증기를 안내하는 안내면(84)을 도면상 전면으로 갈수록 상향 경사지게 형성한다.

따라서, 입구(81)의 형태를 부채꼴 모양으로 형성되며, 이로 인하여 입구(81)를 통해 유입된 증기가 부딪치는 충돌홈(83)의 충동 면적을 증대시킬 수 있는 것이다.

이때, 입구(61)(81)에 형성되는 안내면(64)(84)의 경사 각도는 45°로 형성하고, 안내면(64)(84)의 후단에 위치하는 배출면(65)(85)의 경사 각도 또한 45°로 형성하여 입구(61)(81)를 통해 충돌판(63)(83)으로 유입되거나 상기 충돌홈(63)(83)에 부딪쳐 출구(62)(82)로 배출되는 증기가 저항 없이 통과되도록 한다.

그리고 제2 인덱스 홀(80)에 형성되는 출구(82)는 입구(81)에 비해 상대적으로 좁게 형성하여 충돌홈(83)에 충동 되어 흐름이 반전된 증기가 출구(82)를 통해 빠르게 배출됨과 동시에 제2 인덱스 홀(80)의 후단에 위치한 제1 인덱스 홀(60)의 입구로 공급되도록 한다.

즉, 제1 인덱스 홀(60)에 형성되는 충돌홈(63)은 도 3과 같이 도면상 우측 방향으로 형성되는 것이며, 제2 인덱스 홀(80)에 형성되는 충돌홈(83)은 도 5와 같이 도면상 좌측 방향에 위치하도록 형성하는 것이다.

따라서, 제1 인덱스 홀(60)의 출구(62)를 통과한 증기는 제2 인덱스 홀(80)에 구비된 입구(81)로 유입과 동시에 충돌홈(83)에 부딪치게 되기 때문에 증기의 흐름을 반전시킬 수 있는 것이다.

상기 제1 인덱스 홀(60)의 통과한 증기의 흐름은 제2 인덱스 홀(80)에 구비된 충돌홈(83)에 의해 증기가 반전된 상태로 상기 제2 인덱스 홀(80)의 후단에 위치한 제1 인덱스 홀(60)의 입구(61)로 유입되는 즉, 하우징(30) 내부로 유입되는 증기의 흐름 방향과 동일한 방향으로 증기의 흐름을 전환시키므로, 하우징(30)에 설치되는 노즐(33)과 같은 역할을 할 수 있으며, 충돌홈(63)(83)에 부딪치는 운동 에너지를 이용하여 회전축(10)을 일측 방향으로 회전시킬 수 있는 것이다.

한편, 도 9와 도 10은 본 발명의 제2 터빈수단(100)을 도시한 것이다.

상기 제2 터빈수단(100)은 제1 터빈수단(20)을 통과한 증기가 유입되고, 그 유입된 증기는 체적 변화에 따른 팽창력과 압축력을 이용하여 제1 터빈수단(20)이 회전축(10)을 회전시키는 방향으로 회전축(10)을 회전시킬 수 있게 한 것이다.

상기 제2 터빈수단(100)은 도 9와 같이 원통형으로 형성되며, 회전축(10)이 편심 되게 관통되는 하우징(120)을 형성하고, 하우징(120)의 내부에 초승달 모양의 내부 공간(123)이 구비되도록 회전축(10)에 축설되는 로터(130)와, 로터(130)에 출몰 가능하게 설치되며, 내부 공간(123)의 체적 변화에 따라 유입부(121)를 통해 유입된 증기를 팽창시키고, 그 팽창된 증기를 다시 압축시키는 베인(150)으로 대별된다.

상기 회전축(10)이 편심 되게 관통되는 하우징(120)의 외면에는 제1 터빈수단(20)에 구비된 배출구(32)와 연결되는 증기를 하우징(120)으로 유입하는 유입부(121)와, 그 유입부(121)를 통해 하우징(120)으로 유입된 증기를 배출할 수 있는 배출부(122)를 구비한다.

즉, 제1 터빈수단(20)이 배출구(33)을 통해 배출된 증기는 하우징(120)의 내부에 편심되게 결합된 로터(130)에 의해 상기 하우징(120)과 로터(130) 사이로 구비된 초승달 모양의 내부 공간(123)으로 유입되고, 그 내부 공간(123)으로 유입된 증기는 회전되는 베인(150)에 의해 내부 공간(123)의 체적이 변화에 따른 팽창력과 압축력이 발생되면서 이중으로 터빈 장치에 구비된 회전축(10)을 회전시키는 것이다.

상기 유입부(121)를 통해 내부 공간(123)으로 유입된 증기가 유출부(122)로 이동되는 동안에 팽창 및 수축되는 다수의 베인(150)은 상기 로터(130)에 출몰 가능하게 결합한다.

상기 베인(150)이 로터(130)로부터 출몰 가능하게 결합 되도록 로터 몸체(140)에 베인(150)과 대응되는 결합홈(141)을 방사형으로 형성하고, 결합홈(141)의 내부에 베인(150)을 스프링(160)에 탄지되게 결합한다.

따라서, 베인(150)의 끝단은 스프링(150)의 탄성력에 의해 하우징(120)의 내면에 밀착되는 것이며, 상기 로터(130)에 의해 초승달 모양으로 형성된 내부 공간(123)을 증기가 팽창되는 팽창 공간(S1)과 그 팽창된 증기를 압축하는 압축 공간(S2)으로 구획할 수 있는 것이다.

팽창 공간(S1)과 압축 공간(S2)으로 내부 공간(123)을 구획하는 것은 하우징(120)을 편심되게 관통하는 회전축(10)의 외주면에 결합 된 로터(130)의 회전 방향에 따라 하우징(120)과 로터(130) 사이로 구비된 내부 공간(123)의 체적 면적이 변환되는 것이며, 이로 인하여 팽창 공간(S1) 및 압축 공간(S2)으로 구획할 수 있는 것이다.

이와 같이 베인(150)에 의해 팽창 공간(S1) 및 압축 공간(S2)으로 구획된 내부 공간(123)을 확장하여 팽창 공간 및 압축 공간을 확보하는 요홈(142)을 상기 로터 몸체(140) 외주면에 회전축(10)이 회전되는 방향으로 경사지게 형성한다.

그리고 베인(150)의 끝단에는 하우징(120) 내벽과의 접촉 면적을 최소화하여 팽창 및 압축되는 증기에 의해 회전되는 회전축(10)의 회전을 원활하게 하는 곡면부(151)를 형성하여 하우징(120)과 베인(150)과의 마찰력을 최소화한다.

이와 같이 결합 구성된 본 발명의 바람직한 작동 상태를 설명하게 되면 다음과 같다.

본 발명의 작동 설명에 회전 터빈 휠(50)을 설명을 용이하게 하도록 노즐블럭(33)과 가까이 위치하도록 회전축(10)에 축설되는 회전 터빈 휠은 50a로 도시하고, 그 회전 터빈 휠(50a)의 후단에 위치한 회전 터빈 휠은 50b로 도시한 것이다.

그리고 회전 터빈 휠(50)은 회전축(10)에 구비된 회전 날개(11) 양측에 각각 결합됨을 밝히는 바이다.

먼저, 제1 터빈수단(20)에 구비된 유입구(31)를 통해 상기 하우징(30)의 내부 중앙에 형성된 노즐블럭(33)으로 증기를 유입한다.

상기 노즐블럭(33)으로 유입된 증기는 노블블럭(33)에 의해 하우징(30)의 양측으로 증기를 유출한다.

상기 노즐블럭(33)을 통해 하우징(10)의 양측으로 유출되는 증기는 회전 터빈 휠(50a)의 전면에 구비된 입구(61)의 안내면(64)을 따라 제1 인덱스 홀(60)로 유입됨과 동시에 충돌홈(63)에 부딪치면서 운동 에너지를 발생시키게 되고, 그 증기의 운동 에너지에 의해 회전 터빈 휠(50a)은 도 4와 같이 도면상 우측 방향으로 회전하면서 도 1과 같이 회전축(10)을 상기 회전 터빈 휠(50a)이 회전되는 방향과 동일한 방향으로 회전시켜 회전축(10)에 설치된 발전 장치(도면 미 도시)가 전기를 발생시킬 수 있도록 한다.

상기 충돌홈(63)과 부딪친 증기는 안내면(64)과 대응되는 경사각으로 경사진 배출면(65)을 따라 출구(62)의 개구단을 이동되고, 그 이동된 증기는 회전 터빈 휠(50a)의 후단에 위치한 고정 휠(70)의 제2 인덱스 홀(80) 입구(81)로 유입된다.

상기 제2 인덱스 홀(80)의 입구(81)로 유입된 증기는 입구(81)의 내부면에 형성된 안내면(84)을 따라 충돌홈(83)에 부딪치면서 증기의 흐름을 반전시키고, 그 반전된 증기는 안내면(84)과 대응되는 각도로 경사진 배출면(85)을 따라 출구(82)로 이동되면서 고정휠(70)의 후면에 위치한 회전 터빈 휠(50b)의 제1 인덱스 홀(60) 입구(61)로 증기를 공급하는 데, 상기 회전 터빈 휠(50b)의 제1 인덱스 홀(60) 입구(61)로 공급되는 증기의 방향은 순 방향인 하우징(10)의 내부로 유입되는 증기의 흐름 방향과 동일한 방향으로 전환된 상태에서 유입되는 것이다.

즉, 고정 휠(70)에 구비된 제2 인덱스 홀(80)은 증기의 흐름을 항상 동일한 방향으로만 흐를 수 있게 하는 노즐과 같은 역할을 하는 것이다.

상기 제1 인덱스 홀(60)의 입구로 유입된 증기는 안내면(64)을 따라 충돌홈(63)에 부딪치면서 증기 충동 에너지를 발생시키게 되고, 그 증기 충동 에너지로 인하여 회전축(10)에 축설 된 회전 터빈 휠(50b)은 상기 회전 터빈 휠(50a)과 동일한 방향으로 회전되는 것이다.

이와 같이 회전 터빈 휠(50b)이 회전과 동시에 충돌홈(63)에 부딪친 증기는 안내면(64)의 후단에 위치한 배출면(65)을 따라 출구(62)로 이동되고, 그 이동된 증기는 하우징(30)의 양측단에 구비된 배출구(32)를 통해 제2 터빈수단(100)으로 유입되는 것이다.

상기 배출구(32)를 통해 배출된 증기는 배출구(32)와 연통된 유입부(121)를 통해 베인(150)이 구비된 내부 공간(123)으로 증기를 유입한다.

상기 내부 공간(123)으로 유입된 증기는 베인(150)에 의해 차단과 동시에 팽창되면서 베인(150)이 출몰 가능하게 결합 된 로터(130)를 도 9와 같이 도면상 우측 방향으로 회전한다.

상기 로터(130)가 우측 방향으로 회전함에 따라 하우징(120)과 로터(130) 사이로 구비된 초승달 모양의 내부 공간(123)는 체적의 변환인 확대 되면서 유입부(121)를 통해 내부 공간(123)으로 유입된 증기는 팽창되는 것이다.

이와 같이 유입부(121)를 통해 유입된 증기가 팽창되기 때문에 증기 팽창으로 인해 발생 된 운동 에너지는 베인(150)을 강하게 유출부(122)가 설치된 방향인 우측 방향으로 밀면서 로터(130)가 축설 된 회전축(10)을 우측 방향으로 회전시키게 된다.

이와 같이 로터(130)가 유출부(122)가 구비된 방향인 시계 방향인 우측 방향으로 회전됨에 따라 하우징(120)과 로터(130) 사이로 구비된 내부 공간(123)의 체적 면적은 줄여 들면서 팽창된 증기를 압축한다.

내부 공간(123)의 체적 면적 감소로 인해 압축된 증기로 인해 발생 된 운동 에너지는 다시 베인(150)이 구비된 로터(130)는 우측 방향으로 회전 되면서 회전축(10)을 우측 방향으로 회전시키는 것이다.

즉, 도 9와 같이 베인(150)이 구비된 로터(130)가 회전되는 방향에 따라 하우징(120)과 로터(130) 사이로 구비된 내부 공간(123)은 체적 면적이 증가 되는 팽창 공간(S1)과 체적 면적이 감소되는 압축 공간(S2)으로 구비되는 것이다.

상기 팽창 공간(S1)은 유입부(121)와 가까이 형성되는 것이며, 압축 공간(S2)은 유출부(122)와 가까이 형성되는 것이다.

따라서, 유입부(121)를 통해 내부 공간(123)으로 유입된 증기는 팽창되는 증기와 내부 공간(123)의 체적 면적 증가로 인해 발생 되는 운동 에너지에 의해 회전되는 로터(130)에 의해 팽창 공간(S1)에서는 점진적으로 강하게 증기가 팽창되는 것이다.

이와 같이 체적 면적 증가로 인해 내부 공간(123)에 유입된 증기가 강하게 팽창되면서 내부 공간(123)을 구획하는 배인(150)을 상기 유출부(122)가 구비된 방향으로 압력을 가하면서 로터(130)가 축설된 회전축(10)을 시계 방향으로 회전시키는 것이다.

그리고 베인(150) 팽창되는 증기로 인해 회전되면서 체적 면적이 감소 되는 압축 공간(S2)으로 회전 이동되게 되면, 팽창된 증기는 체적 면적 감소로 인해 압축 되고, 그 증기가 압축되는 과정에서 발생 되는 운동 에너지에 의해 베인(150)이 구비된 로터(130)는 회전축(10)을 유출부(122) 방향으로 회전한다.

따라서, 베인(150)이 구비된 로터(130)가 회전되는 방향에 따라 하우징(120)에 구비된 내부 공간(123)의 체적 면적은 증가되거나 감소되면서 상기 증기를 팽창 및 압축시키는 것이며, 이때 발생 되는 운동 에너지를 이용하여 로터(130)가 축설 된 회전축(10)을 시계 방향으로 회전시키는 것이다.

이와 같이 하우징(30)의 내부 중앙 부분에 설치된 노즐블럭(33)에 의해 하우징(30) 내부로 유입된 증기는 양측으로 유출되면서 상기 노즐블럭(33)을 중심으로 회전축(10)의 양측에 축설된 회전 터빈 휠(50)을 회전시키기 때문에 상기 저압, 저온의 증기를 이용하여 회전축(10)의 회전을 회전시킬 수 있는 것이다.

또한, 하우징(30)의 중앙부분으로 유입된 증기가 하우징(30) 중앙 양측에 대칭되게 설치되는 제 1 터빈수단과 제 2 터빈수단을 통과하면서 회전력을 발생시켜 회전축을 회전시키는 구조로 설계되기 때문에 회전축에 추력이 발생하지 않게되고,이로인해 고가의 추력베어링을 회전축에 설치하지 않아도 되므로 제품의 생산단가를 현저히 낮춰줄 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

그리고, 증기는 제1 터빈수단(20)에 의해 1차로 회전축(10)을 회전시키고, 2제1 터빈수단(20)을 통과한 증기는 제2 터빈수단(100)으로 유입되면서, 회전축(10)을 2차로 회전시키기 때문에 회전축(10)은 강한 토크를 발생시킬 수 있으며, 이로 인하여 대형 발전 장치의 설치를 용이하게 할 수 있다.

또한, 제1 인덱스 홀(60) 및 제2 인덱스 홀(80)에는 반구형의 충돌홈(63)(83)을 형성하여 입구(61)(81)를 통해 제1 인덱스 홀(60) 및 제2 인덱스 홀(80)로 유입된 증기는 충돌홈(63)(83)의 중앙 부분에 부딪친 상태에서 출구(62)(82)로 유출되므로, 증기의 충돌로 발생 되는 충돌 에너지의 손실을 최대한으로 줄일 수 있는 효과를 기대할 수 있는 것이다.

그리고, 제1 터빈수단(20)은 증기가 충돌되면서 발생 되는 에너지를 이용하여 회전 터빈 휠(50)을 회전시키고,

제2 터빈수단(100)은 체적 변화에 따른 증기가 팽창력 및 압축력으로 인해 베인(150)이 구비된 로터(130)를 회전시키므로,

열 에너지의 손실을 최대한으로 줄일 수 있으며, 이로 인하여 강한 토크를 발생시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있는 것이다.

따라서, 강한 토크가 발생 되는 터빈 장치를 구현하므로, 오지 공사 현장, 개별 건물의 전기 공급, 공장 전기공급 바이오 매스 연소 보일러와, 페기물 소각 열 이용 스팀 생산 보일러와 연계하는 중소 규모의 스팀 터빈 및 대형 발전기 시장에 적합하다.

10: 회전축, 20: 터빈,
30: 하우징, 31: 유입구,
32: 배출구, 33: 노즐,
34: 배출관, 50: 회전 터빈 휠,
60: 제1 인덱스 홀, 61,81: 입구,
62,82: 출구, 63,83: 충돌홈,
64,84: 안내면, 65,85: 배출면,
70: 고정휠, 80: 제2 인덱스 홀,
100: 터빈 수단, 10: 회전축,
120: 하우징, 121: 유입부,
122: 유출부, 123: 내부 공간,
130: 로터, 140: 로터 몸체,
141: 결합홈, 142: 요홈,
150: 베인, 151: 곡면부,
160: 스프링,

Claims

회전축(10)이 구비되고, 고압의 증기가 유입되는 유입구(31)가 중앙에 형성된 하우징(30)과,
유입구(31)로 유입되는 증기를 하우징(30)의 양측으로 분배하는 노즐블럭(33)과;
노즐블럭(33)으로부터 공급되는 증기가 부딪치는 다수의 제1 인덱스 홀(60)이 구비되며, 노즐블럭(33)을 중심으로 회전축(10)의 양측에 설치 구성되어 회전축(10)을 회전시키는 회전 터빈 휠(50),을 포함하는 제1 터빈수단(20)과;
제1 터빈수단(20)을 통과한 증기를 이용하여 회전축(10)을 회전시키도록 하우징(30)의 양측에 설치되는 제2 터빈수단(100);으로 구성한 것을 특징으로 하는 복합 터빈 장치.
청구항 1 항에 있어서, 상기 제1 터빈수단(20)은,
유입구(31)와 배출구(32)가 중앙 및 양측면에 각각 구비된 하우징(30)과;
하우징(30)의 내벽 중앙에 형성되어 유입구(31)를 통해 유입되는 증기를 하우징(30)의 양측으로 분배하는 노즐블럭(33)과;
하우징(30)을 관통하는 회전축(10)과;
노즐블럭(33)을 중심으로 회전축(10)의 양측에 등 간격으로 설치되는 다수의 회전 터빈 휠(50)과;
회전 터빈 휠(40)의 사이에 위치하는 고정 휠(70)과;
입구(61)와 출구(62)를 갖도록 회전 터빈 휠(50)의 외곽에 환형으로 배치되며, 입구(61)로 유입된 증기가 부딪치는 충동홈(63)이 회전 터빈 휠(40)의 회전 방향으로 형성되어, 상기 충돌홈(63)에 부딪치는 증기의 운동 에너지에 의해 회전 터빈 휠(40)을 회전시키는 다수의 제1 인덱스 홀(60)과;
제1 인덱스 홀(60)과 대응하도록 고정 휠(70)의 외곽에 환형으로 배치되고, 제1 인덱스 홀(60)의 출구(62)에서 배출된 증기의 흐름 방향을 반전시켜 후단의 제2 인덱스 홀(60)의 입구(61)로 공급하는 다수의 제2 인덱스 홀(80);로 구성한 것을 특징으로 하는 복합 터빈 장치.
청구항 1 항에 있어서,
제1 인덱스 홀(60)의 입구(61)와 충돌홈(63) 사이 내벽에는 증기를 충돌홈(63)으로 안내하는 안내면(64)을 경사지게 형성한 것을 특징으로 하는 복합 터빈 장치.
청구항 1 항에 있어서, 상기 제2 터빈수단(100)은,
배출구(32)를 통해 유출되는 증기가 유입되는 유입부(121)와, 그 증기를 배출하는 유출부(122)가 구비되며, 회전축(10)이 편심되게 관통되는 하우징(120)과;
하우징(120)의 내부에 편심되게 회전축(10)의 외주면에 축설 되어 상기 하우징(120)의 내부에 초승달 모양의 내부 공간(123)이 형성되도록 하는 로터(130)와;
끝단이 하우징(120)의 내벽 면에 접촉된 상태를 유지하면서 회전할 수 있도록 로터(130)의 외주연상에 출몰 가능하게 설치되어 유입부(121)를 통해 유입되는 증기압에 의해 회전축(10)을 회전시키되,
유입부(121)를 통해 유입된 증기를 유출부(122) 측으로 이동시키는 동안 내부 공간(123)의 체적변화에 따른 증기의 팽창력과 압축력으로 회전축(10)의 회전을 촉진시키는 다수의 베인(150);으로 구성한 것을 특징으로 하는 복합 터빈 장치.
청구항 4 항에 있어서,
베인(150)과 대응되게 로터(130)의 외주면을 따라 결합홈(141)을 방사형으로 형성하고,
스프링(160)에 탄지되게 결합홈(141))의 내부에 베인(150)을 결합 구성하여 상기 스프링(160)의 탄성력에 의해 베인(150)이 로터(130)의 내,외측 방향으로 슬라이딩 이동되도록 결합 구성한 것을 특징으로 하는 복합 터빈 장치.
청구항 4 항에 있어서,
베인(150)의 끝단에 하우징(120)의 내주면에 밀착된 상태로 회전 이동을 원활해지도록 안내하는 곡면부(151)를 더 형성한 것을 특징으로 하는 복합 터빈 장치.