KR950006397B1 - 터빈 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

터빈

제1도는 본 발명에 관한 터빈의 한 실시예에 있어서의 요부 단면도.

제2도는 같은 터빈에 있어서 케이싱과 로타의 양홈부(兩溝部)의 위치 관계를 나타내는 도면.

제3도는 같은 평면도.

제4도는 본 발명에 관한 터빈의 다른 실시예에서의 요부 단면도.

제5도는 같은 터빈에 있어서의 일부 절개 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 케이싱 2₁: 로타

2₂: 홈 2₃: 깃

3 : 주입구 4 : 배출구

11 : 로타 12 : 공동부

13 : 깃 14 : 홈

15 : 관통공 16 : 케이싱

18 : 주입구 19 : 주배출구

20 : 틈새 21 : 보조배출구

22 : 유량조절변

이 발명은 케이싱내의 로타를 유체로 회전시키는 터빈에 관한 것이다.

종래의 터빈은 케이싱에 고정된 노즐에서 고속화된 작업 유체를 축지(軸支)된 익차의 깃을 향하여 분사하여 고속회전을 얻게 되어 있다.

따라서 종래의 터빈은 외경이 작은 소형의 터빈을 만들면 회전력을 거의 얻을 수 없는 것이다. 따라서 실용성 있는 회전력을 얻자면 터빈 깃차의 직경을 크게 해야만 하나, 이때에는 기계적 강도의 문제가 따른다.

이 때문에 일정한 제한 하에 대형화를 꾀하는 시도가 이루어지고 있으나 그래도 축의 회전 속도가 지나치게 빨라 실용성이 희박한 것이며, 회전 속도를 크게 감속하여 회전력으로 바꿀 수 있는 감속기에 의해 축회전을 저속 고 토오크로 하지 않으면 실용성을 얻을 수 없다는 큰 결점이 있는 것이다.

또, 정 토오크의 발생면이 되는 날개의

면과 유체가 날개 사이를 통과할 때 생기는 반작용에 의해 부(負)의 토오크가 발생하는

면에서 구성되어 있기에 토오크 발생시에 정부 토오크의 상쇄 현상이 생긴다.

즉, 이럴 때 깃 사이를 가로지르는 작업 유체는 저항이 되는 것이다. 또 케이싱과 날개의 주변은 많은 공간을 갖는 구조를 갖고 있어 많은 미 사용의 작업 유체의 유출을 피할 수 없다.

또, 감속기를 필요로 하므로 감속기 톱니바퀴 톱니모양의 간섭 저항이 터빈의 효율을 크게 저해하고 있다. 기타 조속기 등에 의한 기계 손실도 크고, 이와 같은 제부속 기계에 의해 터빈의 제작비를 높이는 면이 있다.

종래의 터빈이 이 같은 결점을 갖고 있음에도 불구하고, 발전용으로 사용되고 있는 이유는 비교적 열 효율이 높고 고장의 원인이 되는 접동 부분을 갖고 있지 않아서 장기간의 운전이 요구되는 발전용으로서 최적의 기관이기 때문이다.

종래 터빈의 기본 원리는 에너지를 주는 측의 구조가 정지 상태가 되어 있다. 이는 에너지를 주는 측이 상시 에너지를 흡수하는 쪽으로 끼어 들어야 한다. 예를 들면, 톱니바퀴는 톱니 모양의 서로 물리는 부분에서 물리기 간섭 저항 즉 반작용을 일으키며 에너지의 전달이 행하여지고 있다.

이 발명은 내주면에 홈을 나선상으로 형성한 케이싱과, 적합한 개소에 날개를 갖는 홈을 외주면에 나선상으로 형성한 로타로서 터빈을 구성하고, 대향하는 상기 양 홈으로 형성되는 유로에 유체를 보냄으로서 상기 종래의 문제점을 해결하고져 하는 것이다.

즉, 이 발명의 기본 원리는 에너지를 주는 측이 에너지를 필요로 하는 측으로 에너지를 주면서 병행하여 움직이고 있는 점이다. 따라서 끼어들기를 필요로 하지 않는 극히 합리적인 에너지의 수수가 행하여지는 것이다.

본 발명의 최대의 특징은 이미 코일 상태가 되어 회전중인 작업 유체를 사용하는 점이다.

본 발명 터빈(나사 터빈)의 원리와 아주 닮은 예로서 전동기(모우터)에 의해 간단히 설명해 본다.

전동기는 회전자의 외각(外殼)을 코일 상태로 흐르는 전자, 즉 볼 수 없으나 코일 상태로 흐르는 자기의 흐름을 지닌 고정자와, 그 안에 자기를 지닌 회전자로서 구성되어 있다.

또 다른 예로서 끈을 감아 붙인 회전 전의 팽이가 연상된다.

팽이는 로타를 나타내고 끈은 케이싱을 뜻하고 있다. 이 끈은 팽이를 돌릴 때 큰 저항을 갖고 힘차에 돌릴 수 있다. 이것은 코일 상태의 작업 유체에 의해 큰 회전력을 얻을 수 있음을 의미하고 있는 것이다.

이와 같이 종래의 터빈이 풍차에 유사한데 비하여, 본 발명의 터빈의 기본 원리는 상술한 것처럼 팽이의 원리에 유사하다.

제1도는 이 발명에 관계되는 터빈의 일실시예에서의 요부 단면도, 제2도는 같은 케이싱과 로타와 양 홈의 위치 관계를 보인 그림, 제3도는 같은 평면도, 제4도는 이 발명에 관계되는 터빈의 다른 실시예서의 요부 단면도, 제5도는 같은 실시예에서의 일부 절개 평면도이다.

이 발명의 실시예를 도면에 입각하여 설명한다.

제1도 내지 제3도는 이 발명의 일 실시예를 보이는 그림이다.

원통형 케이싱(1₁)의 내주면과 원통형 로타(2₁)의 외주면 사이에 작업 유체가 주입구(3)에서 큰 코일 상태가 되어 흐르도록 케이싱(1₁)의 내주면에 단면 반원 또는 사다리꼴의 홈(1₂)을 나선상으로 설치한다.

로타(2₁)에는 코일 상태가 되어 흐르는 작업 유체의 에너지(열 또는 원자, 분자의 움직임)를 충분히 흡수하는 목적과 사용이 끝난 작업 유체를 배출구(4)로 효율좋게 빠져 나가게 해주는 목적을 갖는 장치로서 로타(2₁)의 외주면에 홈(2₂)(반원형 또는 사다리꼴)을 나선상으로 만들고 이 홈(2₂)에 적당한 간격으로 칸막이판의 기능을 갖는 깃(2₃)을 설치한다.

케이싱(1₁)과 원통형 로타(2₁)의 양홈(1₂)(2₂)은 각각 대향하여 유체의 유로를 구성하고 있다.

작업 유체의 주입 각도는 케이싱(1₁)의 홈(1₂)과 로타(2₁)의 홈(2₂)과의 경사각에 맞추면 된다.

케이싱(1₁)의 주입구(3)에서 주입된 작업 유체는 원통형 케이싱(1₁)의 내주면과 홈(2₂) 및 깃(2₃)을 갖는 로타(2₁)와의 사이에 생기는 공간을 연속하여 코일 상태가 되어 흐르고, 그 회전 에너지를 홈(2₂) 및 깃(2₃)을 갖는 로타(2₁)에 주면서 배출구(4)에 이른다.

또한 작업 유체의 주입구(3) 및 배출구(4)는 대체로 같은 형상으로 해도 좋으며, 종래의 터빈 같이 특히 배출구를 크게 할 필요는 없다.

이 발명에 관계되는 터빈의 운전에 있어 회전중인 로타 홈내의 작업 유체는 원심력에 의해 외측으로 쏠리는 힘이 발생한다. 이것은 실질적으로 홈 및 깃이 외측으로 확대되는 것을 의미하는 것이고 이 유체로 형성되는 홈 및 깃은 고속회전이 될수록 큰 저항이 되어 로타에 유효 토오크를 주는 것이다. 따라서 원심력이 강하게 발생하는 고속이 될수록 효율은 상승하게 되는 것이다.

케이싱의 홈에 흐르는 작업 유체의 속도 관계를 보면 후진하는 작업 유체에 대해 선행하는 작업 유체가 저항이 됨으로 주입구에서 배출구에 이르는 모든 점의 유속은 공기의 경우 대략 동속이다.

한편, 압력은 로타에 에너지가 흡수됨에 의해 배출구에 이를 수록 낮아진다. 그것은 로타의 직경이 크고 나사 핏치가 작을수록 즉, 홈이 길수록 압력은 낮아진다. 이런 것의 유효 압력 및 유효 사이즈에는 상한, 하한이 있어서 실험 터빈에 의해서 구할 수 있다.

다음에 제4도 및 제5도에 입각하여 이 발명의 다른 실시예를 설명한다.

제4도에서 11은 케이싱(16) 내에 장착된 로타로서 복수의 홈(14)을 그 외주면에 형성하고 있다. 그리고 로타(11)의 내부에 지류로서의 공동부(12)를 설치한다.

13은 홈(14) 위에 적당한 간격으로 설치된 것이며, 15는 공동부(12)로 향하여 뚫린 관통공이다. 관통공(15)과 공동부(12)를 관련시키면 작업 유체의 지류로를 구성하는 이 공동부(12)는 소형나사 터빈의 경우 도시하듯이 로타(11)의 외주에 대하여 깃의 갯수와 같은 수로 분할한 관통공(15)을 공동부(12)를 향해 뚫어 작업 유체의 통로가 되게 하는 것이다.

대형의 나사 터빈의 경우는 출력 축을 중심으로 하여 축방향 원통상의 공동으로 하면 로타(11)의 자중이 경감됨과 동시에 많은 재료비의 절감을 도모할 수 있다.

다음 이 실시예에서 유체의 흐름과 배출의 상황에 대해 설명한다.

작업 유체는 주입구(18)에서 주입되고 일부는 케이싱(16)의 내주면과 로타(11)의 외주면의 홈을 통과하고, 기타는 관통공(15)을 경유하여 공동부(12)로 흐른다. 공동부(12) 내의 유체는 주배출구(19)측 로타 측부의 틈새(20)을 지나 주배출구(19)에서 합류 배출된다.

다른 작업 유체의 일부는 하우징 측부(23)에 설치된 보조 배출구(21)에서 배출된다. 이 보조 배출구(21) 및 유량 조절변(22)은 케이싱의 홈(17)에 코일 상태로 흐르는 작업 유체와 깃(13) 및 관통공(15)을 흐르는 작업 유체와의 흐름을 조절하고 합성력에 따른 토오크의 발생상태를 최적 조건으로 하는 목적으로 갖고 있다. 또, 깃(13) 및 관통공(15)은 일체화 할 수 있다.

이 경우 깃(13)에 해당하는 부분은 30도 전후의 앙(仰) 각을 갖게 하고 깃의 반대면은 작업 유체를 불어 들이기 쉽도록 만곡면으로 한 각혈(角穴)으로 하는 편이 토오크 발생상 유리한다.

소형 터빈의 경우 각혈(角穴)로 하는 수고를 생략하고 환혈(丸穴)만으로로 효율이 좋은 터빈을 얻을 수 있으나, 어느쪽 경우도 이런 구멍은 케이싱의 홈(17)과 같은 핏치로 나선 상태로 나란히 설치되어 있지 않으면 효율좋은 토오크를 얻을 수 없다.

이와 같이 되면 심어넣는 깃의 필요성도 적어지고, 종래의 나사 터빈 보다 합성력에 의해 더욱 고 토오크를 발생하는 강성, 안전도가 높은 합성력을 갖는 나사 터빈을 제공할 수 있는 것이다.

이 발명은 상기의 구성 및 작용에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수가 있다.

1) 케이싱 및 로타 사이를 흐르는 작업 유체는 로타의 깃에 토오크를 주면서 큰 저항을 지니고 코일 상태로 흐르기 때문에 로타의 회전은 특히 고속이 되지 않는다. 따라서 감속 장치의 필요성은 적어진다.

2) 로타에 회전을 주는 측의 작업 유체도 이미 회전 운동하고 있어서 원동기관으로서는 반 토오크가 적은 이상적인 회전 에너지를 얻을 수 있다.

3) 전동기(모우터)와 아주 비슷한 토오크 발생 기능을 갖는 효율이 뛰어난 원동기가 된다.

4) 주입구에서 배출에 이르기까지 작업 유체의 유속의 차는 적고, 압력은 나선홈 형성 로타에 극히 효율좋게 흡수되므로 끈기가 있는 저속 고 토오크의 터빈이 된다.

5) 작업 유체의 배출은 더디므로 복수(復水)에 적합하다.

6) 저속 도 토오크의 터빈이므로 부하에 따른 실속(失速)이 적어진다.

7) 케이싱과 로타와의 틈새는 라비린스 팩킹(labyninth packing) 갖는 틈새 정도로 운전할 수가 있어 작업 유체의 유출 손실이 적다.

8) 유선형을 꼭 필요로 하지 않는 깃으로 구성되므로 안가한 터빈이 된다.

9) 케이싱 내벽면의 나선상의 홈은 보강을 위해 부착되는 리브 역할을 하므로 케이싱의 박육화가 가능하다.

10) 구조가 간단하여 씨일 시스템의 설치가 쉬워진다.

11) 구조가 간단하여 고장이 적고 수리하기 쉽다.

12) 로타의 구조상 수매의 깃을 일체화하여 로타에 아리 또는 구접수(溝接手)에 의해 설치하는 일이 가능하게 되어 튼튼하고 인가한 로타가 된다.

13) 주로 회전력을 갖는 작업 유체를 사용하므로 터빈을 소형화 해도 강력한 회전 토오크를 얻을 수 있다.

14) 작업 유체의 배출에 있어, 케이싱의 나선 홈에서는 연속 배기가 되고 로타의 나선 홈인 것으로 구분되어 있어 단속 배기가 된다. 즉, 단속 배기를 포함하는 연속 배기가 된다. 이와 같은 일부 단속 배기를 갖는 터빈이므로 저속 고 토오크의 터빈이 되는 것이다.

15) 작업 유체의 주입구와 배출구를 교대함으로서 간단히 정역(正逆) 회전이 가능해진다.

16) 작업 유체는 기체 액체에 관계없이 사용할 수 있다.

17) 같은 방향으로 회전 유출하는 작업 유체에 대하여, 동 방향으로 회전하는 로타와 깃으르 구성되어 있어서, 깃 부분에 생기는 와류(渦流)는 매우 적어서 소음 진동이 적고 따라서 진동 열화가 적은 장수명의 터빈이 된다.

18) 본 발명의 원리는 펌프 유압 모우터 수차 전도 장치로서 이용할 수 있다.

19) 깃은 칸막이판 같이 구성되어 있어 토오크 특유의 날개의 진동에 의한 금속음(초음파)이 적어짐으로 소음이 문제가 되고 있는 항공기용 가스 터빈 젯트엔진, 선박용 가스터빈, 기관차용 가스터빈 등의 소음 대책이 되고, 또한 자동차용 가스터빈 개발의 실마리가 된다.

Claims (3)

1. 케이싱 내의 로타를 유체로 회전시키는 터빈에 있어서, 케이싱 내주면에 유체의 유입구에서 배출구에 이르기까지 나선상으로 홈을 형성하고, 로타의 외주면에 상기 홈에 대향하여 유체의 유로를 구성하는 나선상 홈을 형성함과 동시에 이 홈에 복수의 깃을 설치한 것을 특징으로 하는 터빈.
2. 로타의 내주면에 로타의 축방향으로 유체의 지류로를 형성함과 동시에 상기 로타 홈의 날개 근방에 지류로로 향한 관통공을 설치하여 유체를 분류시키게 한 것을 특징으로 하는 터빈.
3. 상기 지류로에 있어 배출구에 조절변을 설치한 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 제2항 기재의 터빈.

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