WO2013051807A1 - 반작용식 터빈장치 - Google Patents

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WO2013051807A1
WO2013051807A1 PCT/KR2012/007672 KR2012007672W WO2013051807A1 WO 2013051807 A1 WO2013051807 A1 WO 2013051807A1 KR 2012007672 W KR2012007672 W KR 2012007672W WO 2013051807 A1 WO2013051807 A1 WO 2013051807A1
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WO
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rotating
working fluid
pressure drop
reaction turbine
turbine device
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PCT/KR2012/007672
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Inventor
김기태
장영일
김정훈
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주식회사 에이치케이터빈
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    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/32—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with pressure velocity transformation exclusively in rotor, e.g. the rotor rotating under the influence of jets issuing from the rotor, e.g. Heron turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
    • F01D1/06—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines traversed by the working-fluid substantially radially
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D1/14—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines with repeated action on same blade ring traversed by the working-fluid substantially radially
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/31—Application in turbines in steam turbines

Definitions

  • the present invention relates to a reaction turbine device, and more particularly to a reaction turbine device for generating a rotational force using steam, gas or compressed air.
  • Steam turbines are one of the prime movers that convert the thermal energy of steam into mechanical work. Steam turbines are widely used for thermal power generation and ship main engines because they have low vibration, good efficiency, high speed and large horsepower.
  • Korean Patent Registration 10-1052253 (published April 15, 2009) describes a reaction turbine.
  • the working fluid is injected from the rotors to the outside, and the rotor is rotated by the reaction force.
  • a plurality of injection rotating parts 120A, 120B, and 120C are sequentially coupled to the turbine shaft 130.
  • the injection chamber is arranged to surround each injection rotation part.
  • the conventional reaction turbine device having such a structure, when each of the injection rotating parts rotates at different angular speeds, at least one rotating part rotated at an angular speed lower than an average value of the angular speeds of the injection rotating parts prevents rotation of the rotating shaft. Will interfere.
  • the shear stress is excessively generated between the injection rotating part and the rotating shaft, there is a problem that the portion combined with the injection rotating part and the rotating shaft may be broken.
  • Reaction type turbine apparatus for achieving the above object is formed to accommodate the rotary shaft, a plurality of rotary parts coupled to the rotary shaft at regular intervals to inject a working fluid to the outside, One end is formed in communication with the adjacent rotating parts, and comprises a chamber portion disposed to correspond one-to-one with the rotating parts, the pressure drop Y n in the rotating part arranged in the nth from the side in which the working fluid flows is placed in the n + 1th And the pressure drop Y n + 1 at the rotated portion.
  • the reaction turbine device since the first and second rotating parts and the third rotating part are rotated at the same angular velocity, shear stress can be minimized on the rotating shaft, thereby improving operation reliability.
  • the rapid increase in the flow rate by making the rotational speed of each rotating unit the same, it is possible to reduce the noise generated during operation, and improve the performance.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a reaction turbine device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a view showing an extract of the rotating part in the reaction turbine device shown in FIG.
  • the reaction turbine device 100 includes a rotating shaft 110, a plurality of rotating parts 120, and a chamber part 130.
  • the rotating shaft 110 is formed to a specific length.
  • the electromagnet included in the generator may be coupled to the rotating shaft 110 to produce electricity.
  • the reaction turbine device 100 is applied to the power unit, it is also possible to couple the belt or gear to the rotating shaft (110).
  • the rotating parts 120 are coupled to the rotating shaft 110 at predetermined intervals so as to spray the working fluid to the outside.
  • An example of the shape of the rotating part 120 may be formed in a cylindrical shape, and one end of the rotating part 120 may be formed to be opened so that a working fluid may be introduced therein.
  • the rotating part 120 rotates the rotating shaft 110 as the working fluid flows into the opened part and is injected.
  • the rotating part 120 may include a base part 121 and an injection part 122.
  • One end of the base portion 121 is formed with an inlet so that the working fluid can be introduced from the outside.
  • the injection part 122 is formed on the circumferential surface of the base part 121 to inject the working fluid to the outside of the rotating part 120 in the circumferential direction.
  • the injection unit 122 may be a nozzle.
  • the chamber part 130 is formed to receive the rotating parts 120 and has one end communicated with the adjacent rotating parts 120.
  • the chamber 130 may be rotatably coupled to the rotation shaft 110.
  • the chamber part 130 is disposed to correspond one-to-one with the rotating parts 120.
  • three chamber parts 130 are also made.
  • the inner space is formed in the chamber 130.
  • the chamber 130 may be fixed on the ground. Alternatively, the chamber 130 may be fixed to a specific machine. Accordingly, in the fixed state of the chamber unit 130, the rotating shaft 110 and the rotating unit 120 rotate with each other.
  • a bearing may be installed at a portion where the chamber 130 and the rotating shaft 110 contact each other.
  • a portion into which the working fluid flows may be formed in a cylindrical shape, and the remaining portion may be formed to gradually decrease in outer diameter.
  • One side of the chamber unit 130 may be formed to penetrate so that the opened portion of the rotating unit 120 is exposed to the outside.
  • the rotating part 120 and the rotating shaft 110 are shown as separate components in the drawings, this is merely exemplary.
  • the rotating unit 120 and the rotating shaft 110 may be integrally implemented or may be implemented as one in which the physical characteristics are allowed.
  • the plurality of rotating parts 120 are sequentially disposed from the side into which the working fluid flows, the first rotating part 120a and the second rotating part ( 120b) and the third rotating part 120c.
  • the first chamber portion 130a surrounds the first chamber portion 130a
  • the second rotation portion 120b surrounds the second chamber portion 130b
  • the third chamber portion 120c surrounds the third chamber. It is assumed that it is the unit 130c.
  • the working fluid flows into the opened portion of the first rotating part 120a from the outside of the first chamber part 130a.
  • the working fluid introduced into the first rotating part 120a is injected from the first rotating part 120a so that the first rotating part 120a is rotated, and the working fluid injected from the first rotating part 120a is the first chamber part 130a.
  • a pressure drop occurs inside the.
  • the working fluid whose pressure is lowered flows into the second rotating part 120b, and then a pressure drop is generated again inside the second chamber part 130b.
  • the working fluid whose pressure is lowered again flows into the third rotating part 120c and is then discharged to the outside of the third chamber part 130c after a pressure drop occurs in the third chamber part 130c.
  • all of the rotating parts 120a, 120b, and 120c may be rotated at different angular speeds, so that any one rotating part rotated at an angular speed lower than the average value of the angular speeds prevents rotation of the rotating shaft. was done.
  • the reaction turbine device 100 of the present invention all of the rotating parts 120a, 120b, and 120c are rotated at the same angular velocity.
  • the first rotation part 120a, the second rotation part 120b, and the third rotation part 120c have the same distance from the rotation shaft 110 to the injection part 122, and the injection part It is preferable that the flow rates of the gas blown out from 122 are made the same.
  • reaction turbine device 100 In the reaction turbine device 100 according to an embodiment of the present invention will be described a configuration for allowing all of the rotating parts (120a, 120b, 120c) to rotate at the same angular speed.
  • the rotation parts 120a, 120b, and 120c have the same distance r from the rotation shaft 110 to the injection part 122.
  • the rotating parts 120a, 120b, and 120c have the same speed V of the working fluid ejected from the nozzle, so that the angular velocities of the three rotating parts 120a, 120b, and 120c are all the same.
  • the pressure drop Y n at the n-th rotation part from the side into which the working fluid flows is the pressure drop Y n + at the n-th rotation part. It is preferable to be greater than or equal to the sum of the pressure drops Y n + 2 at the rotational units arranged at the 1st and n + 2th times.
  • Y 1 is the pressure drop in the first rotating part 120a
  • Y 2 is the pressure drop in the second rotating part 120b
  • Y 3 is a pressure drop in the third rotating part 120c.
  • Y 1 , Y 2 , and Y 3 values are numerical values of pressure, and may be Pascal (Pa) in units of Y 1 , Y 2 and Y 3 values, but are not limited thereto.
  • the reaction turbine device of the present invention consists of three rotary parts as described above, as an example of the detailed pressure drop value in each rotary part 120 that can satisfy the above conditions, the first rotary part ( When the pressure of the working fluid flowing into the 120a) is 10x and the pressure of the working fluid discharged from the third rotating part 120c is 1x, the pressure drop Y 1 at the first rotating part 120a is 5.3x. The pressure drop Y 2 at the second rotating part 120b is 2.5x, and the pressure drop Y 3 at the third rotating part 120c is 1.2x.
  • 10x is a value multiplied by 10 and x
  • x is either a positive integer or a positive prime number.
  • the above equation is for calculating the speed of the working fluid ejected from the nozzle according to the density and the pressure in the reaction turbine device 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the speed before entering the nozzle Nozzle exit speed It is relatively small compared to the number.
  • the pressure difference ( , Pressure drop) should be gradually reduced.
  • the pressure drop (pressure difference) in each of the first and second rotating parts 120a, 120b and 120c, 120c since the first rotation part 120a, the second rotation part 120b, and the third rotation part 120c may be rotated at the same angular velocity.
  • reaction turbine device 100 since shear stress can be minimized on the rotating shaft 110, operation reliability can be improved.
  • operation reliability can be improved.
  • by preventing the rapid increase of the flow rate by equalizing the rotational speed of each rotating unit 120 it is possible to reduce the noise generated during operation, and improve the performance.
  • the reaction turbine device according to the present invention not only satisfies the above-described pressure drop value, but also has the same distance from the rotating shaft 110 to the injection portion 122 of each of the rotating parts 120a, 120b, and 120c.
  • the injection cross section of the injection part 122 may be set such that the speed of the working fluid ejected from the injection part 122 of each of the rotating parts 120a, 120b, and 120c is constant.
  • the total cross-sectional area of the injection part nozzle 122
  • the reaction turbine device according to the present invention has been described on the assumption that it includes three rotating parts 120a, 120b, and 120c.
  • the present invention is not limited thereto, and the rotating parts may be formed in various numbers according to design.
  • the pressure drop in each of the first rotating part 120a, the second rotating part 120b and the third rotating part 120c is made as described above, thereby rotating the rotating parts 120a, It is clear from Table 1 below that the angular velocities of 120b and 120c are the same.
  • Table 1 is a value obtained by measuring the angular velocity of each rotating unit in the reaction turbine device according to the embodiment having the above-described structure and the reaction turbine device according to the comparative example.
  • the structure of the reaction turbine device according to the embodiment and the reaction turbine device according to the comparative example was the same, the pressure drop in the first rotating portion in the reaction turbine device according to the embodiment is 5.3 Pa, The pressure drop in the two rotary parts was 2.5 Pa, and the pressure drop in the third rotary part was 1.2 Pa.
  • the pressure drop in the first rotating part is 3 Pa
  • the pressure drop in the second rotating part is 3 Pa
  • the pressure drop in the third rotating part is 3 Pa.
  • the angular velocity of the rotating parts in the reaction turbine device according to the embodiment was the same at 450 m / sec.
  • the angular velocity gradually increased from the first rotating part to the third rotating part. That is, in the reaction turbine apparatus according to the comparative example, only the third rotating part rotates the rotating shaft, and the first rotating part and the second rotating part interfere with the rotation of the rotating shaft. Therefore, the shear stress is generated in the portion where the first rotating part and the rotating shaft are coupled, and in the portion where the second rotating portion and the rotating shaft are coupled.
  • the rotating parts since the rotating parts are rotating at the same speed, it is possible to minimize the generation of shear stress at the portion where the rotating parts and the rotating shaft are coupled.

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Abstract

본 발명은 회전부들이 동일한 각속도로 회전될 수 있게 한 반작용식 터빈장치가 개시된다. 이를 위한, 반작용식 터빈장치는 회전축과, 상기 회전축에 일정간격마다 결합되어 외부로 작동유체를 분사시키도록 형성된 복수개의 회전부들과, 상기 회전부들을 수용하도록 형성되며 일단이 인접한 상기 회전부들과 연통되도록 형성되고 회전부들과 일대일 대응되도록 배치된 챔버부를 포함하며, 작동유체가 유입되는 쪽으로부터 n번째에 배치된 회전부에서의 압력강하 Yn은 n+1번째에 배치된 회전부에서의 압력강하 Yn+1보다 큰 것을 특징으로 한다.

Description

반작용식 터빈장치
본 발명은 반작용식 터빈장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스팀이나 가스 또는 압축공기를 이용하여 회전력을 발생시키는 반작용식 터빈장치에 관한 것이다.
스팀터빈은 스팀이 가진 열에너지를 기계적 일로 변환시키는 원동기 방식의 하나이다. 스팀터빈은 진동이 적고, 능률이 좋으며, 고속이면서 큰 마력을 얻을 수 있기 때문에 화력발전이나 선박의 주기관으로 널리 사용되고 있다.
한국등록특허 10-1052253 (공개일 2009.04.15)에는 반작용식 터빈이 기술되어 있다. 반작용식 터빈은 종래의 일반적인 터빈과 다르게 로터들로부터 작동유체가 외부로 분사되고, 이에 대한 반발력으로 로터가 회전하게 된다.
한편, 한국등록특허 10-1052253의 도 17에 도시된 바와 같이 복수개의 분사회전부들(120A, 120B, 120C)이 터빈축(130)에 순차적으로 결합되어 있다. 그리고, 분사실은 각각의 분사회전부들을 감싸도록 배치된다. 이러한 구조로 이루어진 종래의 반작용식 터빈장치는 상기 분사회전부들 각각이 서로 상이한 각속도로 회전하게 되는 경우, 분사회전부들의 각속도의 평균값보다 낮은 각속도로 회전되는 적어도 어느 하나의 회전부는 회전축의 회전을 방해하게 된다. 또한, 이러한 분사회전부와 회전축 사이에 전단응력이 과도하게 발생되는 경우, 분사회전부과 회전축이 결합된 부분이 파손될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 회전부들이 동일한 각속도로 회전될 수 있게 한 반작용식 터빈장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 반작용식 터빈장치는, 회전축과, 상기 회전축에 일정간격마다 결합되어 외부로 작동유체를 분사시키도록 형성된 복수개의 회전부들과, 상기 회전부들을 수용하도록 형성되며 일단이 인접한 상기 회전부들과 연통되도록 형성되고 회전부들과 일대일 대응되도록 배치된 챔버부를 포함하며, 작동유체가 유입되는 쪽으로부터 n번째에 배치된 회전부에서의 압력강하 Yn은 n+1번째에 배치된 회전부에서의 압력강하 Yn+1보다 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반작용식 터빈장치는 제1 회전부와 제2 회전부와 제3 회전부가 동일한 각속도로 회전되게 하여 회전축에 전단응력이 발생되는 것을 최소할 수 있으므로, 동작신뢰성을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 각각의 회전부의 회전속도를 동일하게 하여 유속의 급격한 증가를 방지함으로써, 동작시 발생되는 소음을 감소시키고, 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 반작용식 터빈장치를 도시한 단면도.
도 2는, 도 1에 도시된 반작용식 터빈장치에서 회전부를 발췌하여 도시한 도면.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 반작용식 터빈장치(100)는 회전축(110)과, 복수개의 회전부(120)들과, 챔버부(130)를 포함한다.
회전축(110)은 특정 길이로 형성된다. 반작용식 터빈장치(100)가 발전기에 적용되는 경우, 회전축(110)에는 발전기에 포함된 전자석이 결합되어 전기를 생산할 수 있다. 또한, 반작용식 터빈장치(100)가 동력장치에 적용되는 경우, 회전축(110)에 벨트 또는 기어를 결합시키는 것도 가능하다.
회전부(120)들은 상기 회전축(110)에 일정간격마다 결합되어 외부로 작동유체를 분사시키도록 형성된다. 회전부(120)의 형상의 일예로 원통형상으로 이루어질 수 있으며, 작동유체가 유입될 수 있도록 회전부(120)의 일단은 개구되게 형성될 수 있다. 회전부(120)는 작동유체가 개구된 부분으로 유입되었다가 분사됨에 따라 상기 회전축(110)을 회전시킨다.
도 2를 참조하여 상기 회전부(120)의 구조의 일예를 더욱 상세하게 설명하면, 회전부(120)는 베이스부(121)와 분사부(122)를 포함할 수 있다. 베이스부(121)의 일단은 외부로부터 작동유체가 유입될 수 있도록 유입구가 형성된다. 분사부(122)는 베이스부(121)의 둘레면에 형성되어 회전부(120)의 외부로 작동유체를 원주 방향으로 분사시킨다. 분사부(122)의 일예로 노즐일 수 있다.
도 1로 되돌아가서, 챔버부(130)는 상기 회전부(120)들을 수용하도록 형성되며 일단이 인접한 상기 회전부(120)들과 연통되도록 형성된다. 챔버부(130)는 상기 회전축(110)에 회전가능하게 결합될 수 있다. 챔버부(130)는 회전부(120)들과 일대일 대응되도록 배치된다. 예를 들어, 회전부(120)들이 3개인 경우, 챔버부(130)도 3개로 이루어진다. 챔버부(130)에는 내부공간이 형성된다. 이러한 챔버부(130)는 지면상에 고정될 수 있다. 이와 다르게 챔버부(130)는 특정 기계장치에 고정되는 것도 가능하다. 이에 따라, 챔버부(130)는 고정된 상태에서 회전축(110)과 회전부(120)는 서로 연동되어 회전된다. 챔버부(130)와 회전축(110)이 접촉되는 부분에는 베어링이 설치될 수 있다.
챔버부(130)의 형상의 일예로 작동유체가 유입되는 부분은 원기둥형상으로 이루어지고, 나머지 부분은 외경이 점차 작아지도록 형성될 수 있다. 챔버부(130)의 일측에는 회전부(120)의 개구된 부분이 외부로 노출되도록 관통되게 형성될 수 있다. 한편, 도면에서는 회전부(120)와 회전축(110)이 별개의 구성 요소인 것으로 도시되어 있지만 이것은 단지 예시적인 것이다. 예를 들어, 회전부(120)와 회전축(110)은 일체로 구현되거나 그 물리적은 특성이 허용되는 한 하나로 구현이 될 수도 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 반작용식 터빈장치(100)에서 상기 복수개의 회전부(120)들은 작동유체가 유입되는 쪽으로부터 순차적으로 배치된 제1 회전부(120a)와, 제2 회전부(120b)와, 제3 회전부(120c)로 이루어질 수 있다. 여기서, 제1 회전부(120a)를 감싸는 것은 제1 챔버부(130a)이고, 제2 회전부(120b)를 감싸는 것은 제2 챔버부(130b)이며, 제3 회전부(120c)를 감싸는 것은 제3 챔버부(130c)인 것으로 가정하여 설명한다.
상기와 같은 구조로 이루어진 반작용식 터빈장치(100)의 동작과정을 설명한다.
우선, 제1 챔버부(130a)의 외부로부터 제1 회전부(120a)의 개구된 부분으로 작동유체가 유입된다. 제1 회전부(120a)로 유입된 작동유체가 제1 회전부(120a)로부터 분사되어 제1 회전부(120a)는 회전되고, 제1 회전부(120a)로부터 분사된 작동유체는 제1 챔버부(130a)의 내부에서 압력강하가 발생된다. 압력이 낮아진 작동유체는 제2 회전부(120b)로 유입된 다음, 제2 챔버부(130b)의 내부에서 압력강하가 재차 발생된다. 재차 압력이 낮아진 작동유체는 제3 회전부(120c)로 유입된 다음, 제3 챔버부(130c) 내에서 압력강하가 발생되고 나서 제3 챔버부(130c)의 외부로 배출된다.
한편, 종래의 반작용식 터빈장치에서는 회전부들(120a, 120b, 120c) 모두가 서로 상이한 각속도로 회전될 수 있으므로, 각속도들의 평균값보다 낮은 각속도로 회전되는 어느 하나의 회전부는 회전축의 회전을 방해하는 역할을 하였다.
그러나, 본 발명의 반작용식 터빈장치(100)에서는 회전부들(120a, 120b, 120c) 모두가 동일한 각속도로 회전된다. 이를 위해 상기 제1 회전부(120a)와 상기 제2 회전부(120b)와 상기 제3 회전부(120c)는 상기 회전축(110)으로부터 상기 분사부(122)까지의 거리가 동일하게 이루어지고, 상기 분사부(122)로부터 분출되는 기체의 유속이 동일하도록 이루어진 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 반작용식 터빈장치(100)에서 회전부들(120a, 120b, 120c) 모두가 동일한 각속도로 회전될 수 있게 하기 위한 구성을 설명한다.
Figure PCTKR2012007672-appb-I000001
상기 수학식에 기재된 바와 같이, 회전부들(120a, 120b, 120c)은 상기 회전축(110)으로부터 상기 분사부(122)까지의 거리(r)가 모두 동일하게 이루어지도록 한다. 그리고, 회전부들(120a, 120b, 120c)은 노즐에서 분출되는 작동유체의 속도(V)가 동일하게 하여 3개의 회전부들(120a, 120b, 120c)의 각속도가 모두 동일하게 한다.
한편, 노즐에서 분출되는 작동유체의 속도(V)가 동일하게 하기 위한 제1 회전부(120a)와 제2 회전부(120b)와 제3 회전부(120c) 각각에서의 바람직한 압력 강하값을 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 반작용식 터빈장치(100)에서 작동유체가 유입되는 쪽으로부터 n번째에 배치된 회전부에서의 압력강하 Yn은 n+1번째에 배치된 회전부에서의 압력강하 Yn+1보다 큰 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명에 따른 반작용식 터빈장치(100)에서 작동유체가 유입되는 쪽으로부터 n번째에 배치된 회전부에서의 압력 강하 Yn은, n+1번째에 배치된 회전부에서의 압력강하 Yn+1과 n+2번째에 배치된 회전부에서의 압력강하 Yn+2의 합보다 크거나 같은 것이 바람직하다.
여기서, 본 발명의 반작용식 터빈장치가 3개의 회전부로 이루어진 경우, Y1는 상기 제1 회전부(120a)에서의 압력강하이고, Y2는 상기 제2 회전부(120b)에서의 압력강하이며, Y3는 상기 제3 회전부(120c)에서의 압력 강하이다. Y1, Y2, Y3 값은 압력을 수치화한 것이며, Y1, Y2, Y3 값의 단위로 파스칼(Pa)이 될 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다.
한편, 상기와 같이 본 발명의 반작용식 터빈장치가 3개의 회전부로 이루어진 경우, 상기와 같은 조건을 만족시킬 수 있는 각각의 회전부(120)에서의 상세한 압력 강하 값의 일예로, 상기 제1 회전부(120a)에 유입되는 작동유체의 압력이 10x이고 상기 제3 회전부(120c)로부터 배출되는 작동유체의 압력이 1x인 경우, 상기 제1 회전부(120a)에서의 압력 강하(Y1)는 5.3x이고, 상기 제2 회전부(120b)에서의 압력 강하(Y2)는 2.5x이며, 상기 제3 회전부(120c)에서의 압력 강하(Y3)는 1.2x이다. 여기서, 10x란 10과 x를 곱한 값이며, x는 양의 정수와 양의 소수 중 어느 하나이다.
즉, 상기 제1 회전부(120a)에 유입되는 작동유체의 압력이 10 Pa이고 상기 제3 회전부(120c)로부터 배출되는 작동유체의 압력이 1 Pa인 경우, 상기 제1 회전부(120a)에서의 압력 강하는 5.3 Pa이고, 상기 제2 회전부(120b)에서의 압력 강하는 2.5 Pa이며, 상기 제3 회전부(120c)에서의 압력 강하는 1.2 Pa이다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 반작용식 터빈장치(100)에서 제1 회전부(120a)와 제2 회전부(120b)와 제3 회전부(120c) 각각에서의 압력 강하가 상기와 같이 이루어짐으로써, 노즐에서 분출되는 작동유체의 속도(V)가 동일하게 된다는 것은 아래의 수학식에 의해 설명될 수 있다.
Figure PCTKR2012007672-appb-I000002
상기 수학식은 본 발명의 일실시예에 따른 반작용식 터빈장치(100)에서 밀도와 압력에 따른 노즐에서 분출되는 작동유체의 속도를 구하기 위한 식이다. 상기 수학식에 따르면, 노즐에 진입하기 이전의 속도
Figure PCTKR2012007672-appb-I000003
는 노즐 출구 속도
Figure PCTKR2012007672-appb-I000004
에 비하여 무시할 정도로 상대적으로 작은 수치이다. 또한, 제1 챔버부(130a)에서 제2 챔버부(130b)를 지나 제2 챔버부(130b)로 갈수록 압력이 낮아지면서 밀도(p)가 감소된다. 따라서, 회전부들(120a, 120b, 120c) 각각에서 동일한 노즐 분출 속도를 얻기 위해서는
Figure PCTKR2012007672-appb-I000005
-
Figure PCTKR2012007672-appb-I000006
, 즉, 압력차(
Figure PCTKR2012007672-appb-I000007
, 압력강하)가 점차 감소되어야 한다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 반작용식 터빈장치(100)에서 제1 회전부(120a)와 제2 회전부(120b)와 제3 회전부(120c) 각각에서의 압력 강하(압력차)가 점차 감소되도록 이루어짐으로써, 제1 회전부(120a)와 제2 회전부(120b)와 제3 회전부(120c)가 동일한 각속도로 회전될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일실시예에 따른 반작용식 터빈장치(100)에서는 회전축(110)에 전단응력이 발생되는 것을 최소할 수 있으므로, 동작신뢰성을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 각각의 회전부(120)의 회전속도를 동일하게 하여 유속의 급격한 증가를 방지함으로써, 동작시 발생되는 소음을 감소시키고, 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 반작용식 터빈장치는 전술한 압력 강하 값을 만족하는것 뿐만 아니라 상기 회전축(110)으로부터 각 회전부들(120a, 120b, 120c)의 분사부(122)까지의 거리가 동일하게 이루어지고, 각 회전부들(120a, 120b, 120c)의 상기 분사부(122)로부터 분출되는 작동유체의 속도가 일정하도록 분사부(122)의 분사 단면적이 설정될 수 있다. 여기서, 분사부(노즐, 122)의 총 단면적은 노즐의 개수를 변경하거나, 각각의 노즐의 단면적을 변경하여 제어할 수 있으므로, 상세한 설명은 생략한다. 그리고, 본 발명에 따른 반작용식 터빈장치가 3개의 회전부들(120a, 120b, 120c)을 포함하는 것으로 가정하여 설명하였으나, 이에 한정하지는 않으며, 회전부는 설계에 따라 다양한 개수로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 반작용식 터빈장치(100)에서 제1 회전부(120a)와 제2 회전부(120b)와 제3 회전부(120c) 각각에서의 압력 강하가 상기와 같이 이루어짐으로써, 회전부들(120a, 120b, 120c)의 각속도가 동일하게 된다는 것은 아래의 표 1을 통하여 더욱 명확하게 알 수 있다.
표 1은, 전술할 구조로 이루어진 실시예에 따른 반작용식 터빈장치와 비교예에 따른 반작용식 터빈장치에서 각각의 회전부들의 각속도를 측정한 값이다.
여기서, 실시예에 따른 반작용식 터빈장치와 비교예에 따른 반작용식 터빈장치의 구조는 동일하게 하였으며, 실시예에 따른 반작용식 터빈장치에서 상기 제1 회전부에서의 압력 강하는 5.3 Pa이고, 상기 제2 회전부에서의 압력 강하는 2.5 Pa이며, 상기 제3 회전부에서의 압력 강하는 1.2 Pa이 되도록 하였다. 그리고, 비교예에 따른 반작용식 터빈장치에서 상기 제1 회전부에서의 압력 강하는 3 Pa이고, 상기 제2 회전부에서의 압력 강하는 3 Pa이며, 상기 제3 회전부에서의 압력 강하는 3 Pa이 되도록 제조하였다.
표 1
실시예 비교예
제1 회전부의 각속도 450 m/sec 275 m/sec
제2 회전부의 각속도 450 m/sec 363 m/sec
제3 회전부의 각속도 450 m/sec 724 m/sec
상기 표 1에 기재된 바와 같이 실시예에 따른 반작용식 터빈장치에서 회전부들의 각속도는 450 m/sec로 동일하였다. 그러나, 비교예에 따른 반작용식 터빈장치에서는 제1 회전부에서 제3 회전부로 갈수록 각속도가 점차 증가하였다. 즉, 비교예에 따른 반작용식 터빈장치에서는 제3 회전부만 회전축을 회전시키고, 제1 회전부와 제2 회전부는 회전축의 회전을 방해하게 된다. 그러므로, 제1 회전부와 회전축이 결합된 부분과, 제2 회전부와 회전축이 결합된 부분에서는 전단응력이 발생된다. 그러나, 실시예에 따른 반작용식 터빈장치에서는 회전부들이 동일한 속도로 회전하고 있으므로, 회전부들과 회전축이 결합되는 부분에 전단응력이 발생되는 것을 최소화할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 회전축과, 상기 회전축에 일정간격마다 결합되어 외부로 작동유체를 분사시키도록 형성된 복수개의 회전부들과, 상기 회전부들을 수용하도록 형성되며 일단이 인접한 상기 회전부들과 연통되도록 형성되고 회전부들과 일대일 대응되도록 배치된 챔버부를 포함하는 반작용식 터빈장치에 있어서,
    작동유체가 유입되는 쪽으로부터 n번째에 배치된 회전부에서의 압력강하 Yn은 n+1번째에 배치된 회전부에서의 압력강하 Yn+1보다 큰 것을 특징으로 하는 반작용식 터빈장치.
  2. 제1항에 있어서,
    작동유체가 유입되는 쪽으로부터 n번째에 배치된 회전부에서의 압력 강하 Yn은, n+1번째에 배치된 회전부에서의 압력강하 Yn+1과 n+2번째에 배치된 회전부에서의 압력강하 Yn+2의 합보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 반작용식 터빈장치.
  3. 회전축과, 상기 회전축에 일정간격마다 결합되어 외부로 작동유체를 분사시키도록 형성된 복수개의 회전부들과, 상기 회전부들을 수용하도록 형성되며 일단이 인접한 상기 회전부들과 연통되도록 형성되고 회전부들과 일대일 대응되도록 배치된 챔버부를 포함하는 반작용식 터빈장치에 있어서,
    상기 회전부는:
    일단은 외부로부터 작동유체가 유입될 수 있도록 유입구가 형성된 베이스부; 및
    상기 베이스부의 둘레면에 형성되어 회전부의 외부로 작동유체를 원주 방향으로 분사시키는 분사부;를 포함하고,
    상기 각 회전부의 분사부로부터 분출되는 작동유체의 각속도가 일정하도록 분사부의 분사 단면적이 설정되는 것을 특징으로 하는 반작용식 터빈장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 회전축으로부터 상기 각 회전부의 분사부까지의 거리가 동일하게 이루어지고, 상기 각 회전부의 분사부로부터 분출되는 작동유체의 속도가 일정하도록 분사부의 분사 단면적이 설정되는 것을 특징으로 하는 반작용식 터빈장치.
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