WO2015083933A1 - 작동유체의 회수를 이용한 베인터빈엔진 및 이를 가지는 발전장치 - Google Patents

작동유체의 회수를 이용한 베인터빈엔진 및 이를 가지는 발전장치 Download PDF

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WO2015083933A1
WO2015083933A1 PCT/KR2014/009483 KR2014009483W WO2015083933A1 WO 2015083933 A1 WO2015083933 A1 WO 2015083933A1 KR 2014009483 W KR2014009483 W KR 2014009483W WO 2015083933 A1 WO2015083933 A1 WO 2015083933A1
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WO
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vane
working fluid
rotor
housing
recovery
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PCT/KR2014/009483
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English (en)
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Inventor
정의섭
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정의섭
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B53/00—Internal-combustion aspects of rotary-piston or oscillating-piston engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B55/00—Internal-combustion aspects of rotary pistons; Outer members for co-operation with rotary pistons
    • F02B55/08—Outer members for co-operation with rotary pistons; Casings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a vane turbine engine using a recovery of the working fluid and a power generating device having the same, and more particularly, to be configured to obtain a kinetic energy by rotating the turbine rotor and the vane-shaped rotor by the expansion force of the high temperature and high pressure working fluid.
  • the present invention relates to a vane turbine engine using a recovery of a working fluid and a power generation apparatus having the same.
  • the sealed housing 10 is configured, the circular rotor 20 is mounted to rotate inside the housing 10 is configured.
  • a plurality of grooves 23 are formed in the circumferential surface 25 of the rotor 20 in the axial direction and open outward, and a plurality of vanes are inserted into the grooves 23 and configured to reciprocate. 30) is configured.
  • the housing 10 is formed in an elliptical shape formed in the left and right sides in a long direction therein to form a receiving space 11 in which the rotor 20 is accommodated, and the rotor 20 is disposed at the center of the receiving space 11. .
  • the rotor 20 is configured to contact the upper surface 13 and the lower surface 15 of the accommodation space (11).
  • an ignition plug 60 is formed at the right side of the point A where the rotor 20 is in contact with the upper surface 13 of the accommodation space 11, and the rotor (at the lower surface 15 of the accommodation space 11).
  • the inlet 40 and the outlet 50 of the fuel are respectively formed on the left side and the right side of the contact point B.
  • the fuel in the sprayed state is sucked into the inlet 40 while the rotor 20 is rotated.
  • the fuel is a gas mixture of gasoline and air.
  • the fuel sucked in this way pushes the fuel upward while the vane 30 protruding by the centrifugal force is in contact with the inner surface of the accommodation space 11.
  • the fuel is compressed to high pressure at the moment when the vane 30 passes the upper surface 13 of the accommodation space 11, and at this time, an arc is generated in the ignition plug 60, so that an explosion occurs and combustion gas is generated.
  • the rotor 20 obtains a rotational force and the vane 30 pushes the combustion gas into the outlet 50 formed downward, and then again passes through the lower surface 15 of the receiving space 11.
  • the fuel sucked into 40 is pushed upward.
  • This cycle that is, the four strokes of suction, compression, explosion, exhaust is made, the rotor 20 is rotated, by connecting the generator to the rotor 20 to produce power, or directly connected to the drive of the machine or vehicle To obtain the rotational force.
  • the rotor 20 has a problem that the rotational force is given only in the explosive phase and the efficiency is lowered since the rotational force does not work continuously until the suction, compression, and exhaust phases.
  • Patent Document 1 (Document 1) Korean Patent Registration No. 10-0892568 (April 01, 2009)
  • the present invention can be used as a fossil fuel and all fuels and heat sources, as well as a future environmentally friendly engine that can solve the environmental pollution problems and petroleum resources problems due to exhaust gas
  • a fossil fuel and all fuels and heat sources as well as a future environmentally friendly engine that can solve the environmental pollution problems and petroleum resources problems due to exhaust gas
  • the object of the present invention is to construct a turbine to produce electricity by moving a turbine rotor and a vane-type rotor available from all energy sources such as geothermal heat, waste heat, waste steam, compressed air, surplus power, and solar heat.
  • the vane turbine engine includes a vane driving unit configured to output a rotational force by receiving a working fluid
  • the vane driving unit includes a sealed housing, a rotating body mounted to rotate eccentrically in the housing, and And an inlet formed in the housing and into which the working fluid is introduced, and an outlet formed in the housing and the working fluid discharged from the housing
  • the rotor includes a turbine rotor configured to receive a thrust from the working fluid
  • a vane circular rotor connected to both sides and a plurality of vanes simultaneously inserted into the turbine rotor and the vane circular rotor, wherein the turbine rotor is axially and outwardly opened along a circumferential surface so that the vanes are inserted; Since one of the vane grooves of the vane groove and both end portions formed on the circumferential surface of the vane groove, one end portion in the rotational direction is formed higher than the other end portion, And a hydraulic pressure surface formed on one end side of the machine, and receiving the thrust of the working
  • the housing may include a block-shaped body having a circular accommodation space penetrating back and forth to accommodate the rotating body, and attached to front and rear surfaces of the body to cover the accommodation space and the rotation space with respect to the accommodation space. It includes a side plate for supporting the whole to rotate in an eccentric state, the vane is configured to be adjusted in length so that the tip is in contact with the inner surface of the receiving space in the state is supported by the vane groove and protrudes outward.
  • the inlet and the outlet are configured to penetrate through the side of the body, and are configured to correspond to the two smallest spaces among the space formed by the corresponding vane and the inner surface of the receiving space.
  • the boiler is connected to the inlet of the vane driving unit to supply a high-temperature high-pressure working fluid, a cooler for cooling the working fluid discharged by being connected to the outlet of the vane driving unit, and the working fluid is connected to the cooler and the boiler
  • the recovery pipe is configured to include a circulation pump configured in the recovery pipe, and a compressor connected to the boiler for supplying a working fluid.
  • it is configured to include an air supply pipe connected to the circulation pump configured to supply a working fluid to the boiler tank.
  • the injection pump is connected to the boiler configured to selectively receive the working fluid and comprises a storage tank connected to the injection pump and configured to store the working fluid.
  • the power generation apparatus having a vane turbine engine using a high-pressure fluid comprises a rotating shaft connected to the rotating body and penetrating the housing, and a generator configured to output power connected to the rotating shaft.
  • the vane turbine engine using the recovery of the working fluid according to the present invention and the generator having the same are powered from all energy sources such as compressed air and low pressure steam, surplus power, geothermal heat, solar heat, wind power and waste heat other than fossil fuels and all fuels.
  • the structure that can be used as a generation source has the effect of increasing the energy use efficiency.
  • the fuel cost is cheaper than general fossil fuel, and can use various energy sources, and also has the effect of recovering energy.
  • the present invention is a technology invented to reduce the fuel consumption according to the production of compressed air and high-pressure steam, the energy required for the production of compressed air is not produced in the housing housing the turbine rotor and vane rotor, but a separate compressor and motor And by producing the required amount by the pipe there is no need to continue to supply power has the effect of reducing the consumption of electrical energy.
  • the production amount of the working fluid in the gas phase such as steam
  • the turbine rotor and the vane-type rotor as required, fuel consumption can be reduced, and the boiler can be operated from low-cost, low-polluting fuel and surplus power or waste heat.
  • the operation of the vane-shaped rotor is operated by selectively receiving compressed air or low pressure steam through the supply pipe.
  • the vane driving unit is composed of a turbine rotor and two vane-type rotors, and thus, the turbine chamber configured in the turbine rotor can continuously push the hydraulic pressure surface of the turbine chamber while the state in which the working fluid is charged. Since the working fluid of the vane chamber pushes the hydraulic pressure surface of the variable vane, the expansion force is converted into rotational force as the vane pops out according to the expansion of the working fluid, and when the vane is reduced while the vane is inserted, the discharge pressure increases. The working fluid is then discharged through the outlet. Therefore, due to the expansion and contraction action due to the vane-shaped rotor can not only output the rotational force with smooth inflow and discharge of the working fluid, it is also possible to improve the efficiency by the continuous rotational force of the turbine rotor.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a vane gasoline engine according to the background art.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing a vane turbine engine using the recovery of the working fluid according to the present invention.
  • Figure 3 is a perspective view showing a vane driving unit configured in the present invention.
  • Figure 4 is an exploded perspective view showing a vane driving unit configured in the present invention.
  • Figure 5 is a perspective view showing a state in which the rotor rotor and the vane-shaped rotor is configured in accordance with the present invention integrally.
  • FIG. 6 is a sectional view showing a vane driving unit constructed in the present invention.
  • a part when a part is "connected" to another part, this includes not only a case in which the part is directly connected, but also an indirect connection between other members in between.
  • a part when a part includes a certain component, this means that unless otherwise stated, it may further include other components other than the other configuration.
  • Figure 2 is a circuit diagram showing a vane turbine engine using the recovery of the working fluid according to the present invention
  • Figure 3 is a perspective view showing a vane drive unit configured in the present invention
  • Figure 4 is an exploded perspective view showing a vane drive unit configured in the present invention
  • Figure 5 is a perspective view showing a state in which the rotor rotor and the vane-shaped rotor is configured in accordance with the present invention integrally
  • Figure 6 will be described together as a cross-sectional view showing the vane driving unit configured in the present invention.
  • a compressor 110 configured to fill a working fluid such as compressed air in a boiler tank 120 to be described later is configured, and optionally water, oil, water and oil, hot water, and the like.
  • a storage tank 163 configured to store a liquid working fluid such as a mixture and an injection pump 161 connected to the storage tank 163 and configured to pressurize the working fluid are configured.
  • the boiler tank 120 is connected to the air supply pipe (W) is configured to selectively receive a working fluid, such as compressed air or waste steam.
  • a boiler tank 120 connected to the compressor 110 and the injection pump 161 is configured to receive and heat a working fluid such as compressed air or low pressure steam.
  • the vane driving unit 130 is connected to the boiler tank 120 to generate a rotational force by receiving a working fluid, such as high temperature and high pressure compressed air or steam, is connected to the vane driving unit 130 is the working fluid
  • the cooler 140 is configured to receive and cool the supply.
  • the circulating pump 150 is connected to the cooler 140 and the boiler tank 120 and configured to circulate the working fluid cooled by the cooler 140.
  • the compressor 110 is a general compressor as a person of ordinary skill in the art knows that detailed description thereof will be omitted.
  • the working fluid is filled in the compressor 110.
  • the working fluid is configured to be charged to the boiler tank 120 by the operation of the compressor 110 later.
  • a sealed housing 131 is configured, the rotating body 135 is mounted to rotate eccentrically inside the housing 131.
  • the inlet (I) is formed in the housing 131 is introduced into the working fluid
  • the outlet (B) formed in the housing 131 is discharged is configured.
  • the housing 131 is formed of a block-shaped body 132 having a circular receiving space 133 penetrated back and forth to accommodate the rotating body 135, the front surface (W) of the body 132 And a side plate 134 attached to the rear surface X to cover the accommodation space 133 and to support the rotating body 135 to rotate in an eccentric state with respect to the accommodation space 133.
  • the gasket (not shown) is interposed between the side plate 134 and the body 132 to allow airtightness.
  • the rotor 135 includes a turbine rotor 136 formed to receive a thrust from the working fluid, and a vane-shaped rotor 137 connected to both sides of the turbine rotor 136. That is, the turbine rotor 136 and the vane-shaped rotor 137 may be integrally formed, or may be separately formed and then combined by bolting or welding. In addition, the outer diameter of the turbine rotor 136 and the vane-shaped rotor 137 is preferably provided the same. In addition, a plurality of vanes 138 are simultaneously inserted into the turbine rotor 136 and the vane-shaped rotor 137.
  • the turbine rotor 136 is formed with a plurality of vane grooves Q that are opened in the axial direction and the outward direction along the circumferential surface S so that the vanes 138 are inserted, and the circumference in the vane groove Q is formed.
  • one end E in the rotational direction is formed higher than the other end T, and is formed on the one end E to receive the thrust of the working fluid.
  • the hydraulic pressure surface f is comprised. That is, the one end E of one of the vane grooves Q and the other end T of the counter vane groove Q disposed in the rotational direction are connected to the circumferential surface S of the turbine rotor 136. do.
  • the circumferential surface S is configured in an arc ARC shape and discontinuously arranged in the circumferential direction. Therefore, it is possible to form a turbine chamber in which a working fluid is filled between the circumferential surface S and the vanes 138 in a state in which the vanes 138 are inserted into the vane grooves Q.
  • the vane-shaped rotor 137 is a disk shape, a plurality of vane grooves (R) are opened in the axial direction and outward direction along the circumferential surface so that the vanes 138 are inserted and arranged in the same manner as the vane groove (Q). This is made up.
  • the vane 138 is supported by the vane grooves (Q, R), the length is adjusted so that the front end (U) in contact with the inner surface of the receiving space (133) in a state protruding outward.
  • the rotating shaft 139 is fixed to penetrate through the turbine rotor 136 and the vane-shaped rotor 137 or fixed to both vane-shaped rotors 137 and supported to rotate on the side plate 134.
  • a through hole E through which the rotating shaft 139 passes through the side plate 134 is configured, and the rotating shaft ( This is possible because a bearing supporting 139 is mounted.
  • the rotary shaft 139 and the through hole (E) is configured to enable sealing.
  • the inlet I and the outlet B are configured to penetrate from the side of the body 132 and have the smallest volume among the spaces formed between the corresponding vanes 138 and the inner surface of the accommodation space 133. It is comprised so that it may correspond to two spaces G and H, respectively. As an example, since the spaces on the left and right sides of one side point P, which the turbine rotor 136 and the vane-shaped rotor 137 contact, are the smallest on the inner side of the receiving space 133 in FIG. 2, the inlet I and the outlet B, respectively. )
  • the supply pipe 173 is connected to the compressor 110 and the boiler tank 120 to guide a working fluid such as compressed air from the compressor 110 to the boiler tank 120.
  • the boiler tank 120 is connected to the supply pipe 173 and the closed casing 121 is configured.
  • the heat generating unit 122 is composed of an electric heater or a steam tube or electric heater circulating through the casing 121 and exits the casing 121 and the steam is circulated.
  • a heating tube 179 is provided to pass through the casing 121 to receive a working fluid such as compressed air or steam from the cooler 140.
  • the heating unit 122 and the heating unit of the casing 121 are configured. The point through which the tube 179 penetrates is of course closed to enable airtightness.
  • the cooler 140 is configured such that a closed casing 141 connected to the outlet B is formed, and the cooling pipe 143 through which the coolant circulates enters through the casing 141 and then exits again. . A point through which the cooling tube 143 passes through the casing 141 is closed to enable airtight.
  • the inlet pipe 175 is connected to the supply pipe 173 and the heating pipe 179 and the inlet (I) to guide the working fluid to be supplied to the housing 131, the outlet (B) and A discharge pipe 177 is connected to the casing 141 of the cooler 140 to allow the working fluid to be discharged to the casing 141 of the cooler 140.
  • the recovery pipe 178 is configured to recover back to 131.
  • the recovery pipe 178 is configured to be equipped with a circulation pump 150 for smooth recovery of the working fluid.
  • the recovery pipe 178 is connected to the air supply pipe (W) by the control valve (V4), is configured to be connected to the heating pipe 179, the heating pipe 179 is connected to the inlet pipe 175 It is composed.
  • the air supply pipe (W) is configured to selectively supply compressed air or waste steam to the heating tube (179).
  • the inlet pipe 175 is configured to open and close the control valve (V2), the control valve (V2) is configured to be connected to the control unit (not shown) and the switch (S) to control the opening and closing.
  • the control valve (V2) as well as other control valves (V1, V3, V4) can be configured to have a check valve with a ball valve and automatic adjustment.
  • the injection nozzle (Z) is connected to the boiler tank 120 and configured to be selectively supplied when using a working fluid such as steam, is connected to the injection pump 161 to store the working fluid such as hot water It is configured to include a configured storage tank (163).
  • the operation of the injection pump 161 is configured to operate by a pressure sensor and a controller (not shown) mounted on the casing 121 of the boiler tank 120. That is, when steam is used as the working fluid, the injection pump 161 receives an electrical signal and operates by a signal operation of a pressure sensor and a controller (not shown) of the boiler tank 120 to operate hot water of the storage tank 163. It is configured to supply to the boiler tank 120 as a working fluid.
  • the generator is connected to the rotary shaft 139 of the vane turbine engine 100 using the high pressure fluid to be configured to enable the production of power. It may be.
  • the connection structure of the rotary shaft 139 and the generator may be used by selecting one of the pulleys, belts, sprockets and chains, gears as an example.
  • the present invention does not limit the right to the number of mounting vanes 138, but it will be described that four vanes 138 are mounted to facilitate explanation and understanding.
  • the rotor 135, that is, the turbine rotor 136 and the vane-shaped rotor 137 are located at one side point P of the inner surface of the receiving space 133 of the housing 131 by the eccentricity of the rotation shaft 139.
  • one side point P is formed as an upper portion.
  • the rotation direction is demonstrated clockwise for convenience, and the four storage chambers A, B, C, D are partitioned clockwise from the said one side point P as a starting point. That is, by the vanes 138, the turbine rotor 136, the vane-shaped rotor 137, and the inner surface of the receiving space 133, the working fluid which is hot compressed air or hot steam is divided and filled.
  • Each of the storage chambers A, B, C, and D has a turbine chamber bordering the vanes 138 on both sides, the circumferential surface S of the turbine rotor 136, and the inner surface of the vane-shaped rotor 137 on the left and right sides.
  • (a) is constituted.
  • the vane chamber b is comprised on the both sides of the vane 138, the circumferential surface M of the left and right vane-shaped rotor 137, and the inner surface of the left and right side plates 134. As shown in FIG.
  • a working fluid such as compressed air, steam, or gas is selectively charged into the boiler tank 120 through the compressor 110.
  • the injection tank 161 may fill the boiler tank 120 with water, diesel oil, a mixture of diesel oil and water, liquid ammonia, and a liquid hydrocarbon-based working fluid.
  • the compressor 110 may be operated through a battery.
  • the battery may be used to charge power obtained from a natural energy such as solar light or wind power, or to charge surplus power.
  • the injection pump 161 may also receive power through the battery.
  • the working fluid such as compressed air or waste steam may also be supplied to the boiler tank 120 through the air supply pipe (W).
  • the heating unit 122 of the boiler tank 120 is heated.
  • surplus power such as natural-friendly electric energy or midnight electricity such as a wind generator or a solar generator may be supplied with power stored in a storage battery.
  • the heat generating unit 122 when configured as a pipe, the exhaust gas of the industrial boiler is circulated so that waste heat and exhaust heat may be recycled or hot water may be used. In this way, the temperature inside the casing 121 of the boiler tank 120 is adjusted so that the working fluid can be changed into a gas of high temperature and high pressure.
  • all kinds of energy can be selected and used. That is, since there is no limitation on the type of fuel, there is an advantage in that both natural energy and waste energy can be used. That is, all fuel energy and heat sources can be selectively used.
  • cooling pipe 143 may allow cooling water such as groundwater to circulate, such that the casing 141 of the cooler 140 may be cooled.
  • the compressor 110 is driven to pressurize the working fluid, which is compressed air, and the filling is completed into the casing 121 of the boiler tank 120 through the supply pipe 173. At this time, the operation of the compressor 110 may be stopped.
  • the working fluid is changed into a gas of high temperature and high pressure in the casing 121 and the internal pressure increases in the casing 121.
  • the switch (S) to open the control valve (V2).
  • the working fluid which is hot compressed air
  • the working fluid presses the vanes 138 in the state filled with the turbine chamber (a) and the vane chamber (b) so that the turbine rotor 136 and the vane-shaped rotor 137 rotate.
  • the working fluid filled in the turbine chamber (a) pushes the hydraulic pressure surface (f) through the vane 138, the filling in the vane chamber (b) protrudes from the vane-shaped rotor (137) A force is applied to the hydraulic pressure surface F of the area of the part.
  • the volume of the turbine chamber a does not change, but the volume of the vane chamber b gradually decreases. Therefore, although the hydraulic pressure surface f of the turbine chamber a does not change, the hydraulic pressure surface F reduces as the vane 138 is inserted. Therefore, the thrust is still applied to the hydraulic pressure surface f of the turbine chamber (a), and the thrust is also applied to the reduced hydraulic pressure surface (F), so that the turbine rotor 136 and the vane-shaped rotor 137 rotate to operate the fluid. It leads to the storage room D.
  • the volume of the turbine chamber a does not change, but the volume of the vane chamber b gradually decreases to the smallest volume. Therefore, the hydraulic pressure surface f of the turbine chamber a does not change, but as the vane 138 is inserted, the hydraulic pressure surface F is reduced to the smallest area. Therefore, the working fluid is divided into two parts and exhausted to the outlet B and discharged to the cooler 140. At this time, the turbine chamber (a) is still applied to the hydraulic pressure surface (f) in the state in which the working fluid is filled.
  • the working fluid which is the hot compressed air or the hot steam discharged to the cooler 140 through the discharge pipe 177 is heat-exchanged by the cooling tube 143 to generate a temperature and pressure difference with the cold compressed air or the low temperature steam.
  • the working fluid, which is the cold compressed air or the low temperature steam is guided to the recovery pipe 178 by the operation of the circulation pump 150 and then passes through the heating pipe 179 of the boiler tank 120 while the hot compressed air or the high temperature steam. It is changed to, and supplied to the inlet port (I) of the housing 131 again and flows into the storage chamber A. Then, since a pressure difference occurs between the storage chamber A and the storage chamber D, rotation is possible, and in the storage chamber D, the hydraulic pressure surface f of the turbine chamber a is pushed to allow smoother rotation. In this way the cycle is completed.
  • the generator since the generator is connected to the rotary shaft 139 connected to the rotor 135 can produce electricity, it is possible to operate the machine because it is connected to the drive shaft of the machine.
  • the boiler tank 120 and the cooler 140 is natural, such as the electric energy of the wind or solar power generator or the surplus power or battery power of the late night, hot spring water, waste steam, waste heat, exhaust gas heat, ground water, large-capacity compressed air storage, etc. Due to the structure that can use energy friendly, low heat fuel such as waste heat and waste wood and discarded by-products such as industrial boilers, there is an advantage that the fuel cost is cheaper than general fossil fuels without causing environmental pollution. In addition, there is an advantage that all the energy can be used without classifying the energy by type.
  • the turbine chamber (a) of the turbine rotor 136 is filled with a working fluid. While being maintained, the hydraulic pressure surface f of the turbine chamber a can be pushed out continuously.
  • the working fluid may be maintained at a high temperature and high pressure while being synthesized with a working fluid which is high temperature compressed air or high temperature steam introduced from the accommodation chamber A.
  • the working fluid of the vane chamber (b) pushes the variable hydraulic pressure surface (F).
  • the vane (138) is protruded as the working fluid expands, and the vane chamber (b) is increased to be converted into rotational force.
  • the vane chamber b is reduced to increase the discharge pressure, so that the working fluid is discharged through the discharge port B.
  • the vane-type rotor 137 and the turbine rotor 136 have their respective advantages, there is an advantage of improving the efficiency.
  • the boiler tank 120 may be a device for making a working fluid of high temperature and high pressure. Since the working fluid is always kept in a filled state, the working fluid is supplied from the boiler tank 120 only to be filled in the vane chamber (b). Therefore, unnecessary heating and heat dissipation of the boiler tank 120 can be reduced, and unnecessary compression and expansion can be reduced.
  • the high-pressure working fluid can act on the turbine rotor 136 and the vane-shaped rotor 137 to increase the amount of action to increase the efficiency.
  • the turbine rotor 136 is a state in which the working fluid is always kept in a state that can be continuously rotated can further increase the efficiency.
  • the present invention has the advantage that can be used by recycling after cooling without discharging the working fluid discharged from the vane drive unit 130 to increase the energy utilization efficiency.
  • the turbine rotor 136 may be rotated using only compressed air. That is, the high pressure working fluid such as compressed air is supplied from the compressor 110 through the supply pipe 173 to obtain rotational force, and may be configured to be exhausted to the outside through the discharge pipe 177.
  • the control valve (V1) is further configured in the supply pipe (173) and the discharge pipe (177) is of course possible to operate. That is, the operation fluid can be introduced into the vane driving unit 130 directly from the compressor 110 through the control valve V1, and the exhaust pipe 177 further includes an exhaust pipe (not shown) and a control valve (not shown). It can also be operated to exhaust directly through.

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  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

본 발명은, 작동유체를 공급받아서 회전력을 출력하는 베인 구동부(130)를 포함하고, 상기 베인 구동부(130)는, 밀폐된 하우징(131)과, 상기 하우징(131)의 내부에 편심되어 회전하도록 장착된 회전체(135)와, 상기 하우징(131)에 형성되어 작동유체가 유입되는 유입구(I)와, 상기 하우징(131)에 형성되어 작동유체가 배출되는 배출구(B)를 포함하고, 상기 회전체(135)는, 작동유체로부터 추력(推力)을 받도록 형성된 터빈로터(136)와, 상기 터빈로터(136)의 양 측면에 연결된 베인원형로터(137)와, 상기 터빈로터(136)와 베인원형로터(137)에 동시에 삽입된 다수의 베인(138)을 포함한다. 따라서, 압축기에 의해 저장된 고압의 작동유체, 축전지에 저장된 전기 에너지, 풍력 내지는 태양열 발전기의 전기 에너지나 온천수, 지하수 등의 자연친화적인 에너지를 사용할 수도 있고, 산업용 보일러 등의 폐열을 사용할 수 있는 구조로 인해서 환경 오염을 일으키지 않고 연료비가 일반 화석연료에 비해서 저렴한 효과가 있다. 또한, 상기 회전체(135)는 터빈로터(136)와 베인원형로터(137)를 포함하므로 베인원형로터(137)의 회전력과 함께 터빈로터(136)의 연속적인 추력(推力)이 부가되어 효율의 향상이 가능한 효과가 있다.

Description

작동유체의 회수를 이용한 베인터빈엔진 및 이를 가지는 발전장치
본 발명은 작동유체의 회수를 이용한 베인터빈엔진 및 이를 가지는 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 고온고압의 작동유체의 팽창력에 의해서 터빈로터와 베인원형로터를 회전시켜서 운동에너지를 얻을 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 작동유체의 회수를 이용한 베인터빈엔진 및 이를 가지는 발전장치에 관한 것이다.
도 1과 함께 선행기술문헌에 의한 로터리 베인 가솔린 엔진의 구성과 작동례를 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 구성을 살펴보면, 밀폐된 하우징(10)이 구성되고, 상기 하우징(10)의 내부에 회전하도록 장착된 원형의 로터(20)가 구성된다. 또한, 상기 로터(20)의 둘레면(25)에 축방향으로 길게 형성되고 외측방으로 개방된 다수의 홈(23)이 구성되고, 상기 홈(23)에 삽입되어 왕복하도록 구성된 다수의 베인(30)이 구성된다.
상기 하우징(10)은 내부에 좌우측방으로 길게 형성된 타원형으로 형성되어 상기 로터(20)가 수용되는 수용공간(11)이 형성되며 상기 로터(20)는 상기 수용공간(11)의 중앙에 배치된다. 상기 로터(20)는 수용공간(11)의 상면(13)과 하면(15)에 접촉하도록 구성된다.
또한, 상기 수용공간(11)의 상면(13)에서 로터(20)가 접하는 지점(A)의 우측방에 점화플러그(60)가 구성되며, 수용공간(11)의 하면(15)에서 로터(20)가 접하는 지점(B)의 좌측과 우측에 각각 연료의 유입구(40)와 배출구(50)가 구성된다.
다음으로 작동례를 살펴보면, 상기 로터(20)가 회전하는 상태에서 상기 유입구(40)로 분무 상태의 연료가 흡입된다. 상기 연료는 가솔린과 공기의 혼합가스이다. 이렇게 흡입된 연료는 원심력에 의해 튀어나온 베인(30)이 수용공간(11)의 내측면에 접촉된 상태에서 연료를 상방으로 밀어올린다. 그리고, 베인(30)이 수용공간(11)의 상면(13)을 지나는 순간 연료는 고압으로 압축되며, 이때 상기 점화플러그(60)에서 아크가 발생하도록 하여, 폭발이 이루어지며 연소가스가 발생한다. 이렇게 폭발을 통해서 로터(20)는 회전력을 얻게 되며 상기 베인(30)은 연소가스를 하방에 형성된 배출구(50)로 밀어낸 후, 수용공간(11)의 하면(15)을 지나는 순간 다시 유입구(40)로 흡입된 연료를 상방으로 밀어 올리게 된다.
이러한 사이클, 즉, 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4행정이 이루어지므로 로터(20)는 회전하게 되고, 상기 로터(20)에 발전기를 연결하므로 전력을 생산하거나, 바로 기계나 차량의 구동부에 연결하여 회전력을 얻을 수 있다.
그런데, 상기 배경기술에 의하면, 가솔린을 연료로 사용하므로 연료의 종류가 한정된 엔진에 불과하고 불완전 연소로 인해서 배기가스로 인한 대기 오염 문제뿐만 아니라 석유자원을 포함해서 연료 소모 과다 및 저렴한 가격의 에너지 이용 및 회수 효율을 높일 수 없는 문제점이 있었다.
또한, 상기 로터(20)는 폭발 단계에서만 회전력이 주어지고 흡입, 압축, 배기 단계에까지 연속적으로 회전력이 작용하지 않으므로 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) (문헌 1) 한국 특허등록 10-0892568호 (2009년 04월 01일)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 화석연료 및 모든 연료와 열원을 다양하게 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 배기가스로 인한 환경오염 문제 및 석유자원 문제도 해결할 수 있는 미래의 친환경 엔진으로서 구성하는 것을 목적으로 한다.
또한, 지열, 폐열, 폐증기, 압축공기, 잉여전력, 태양열 등의 모든 에너지원으로부터 이용할 수 있는 터빈로터 및 베인원형로터를 움직여 발전기를 돌려 전기를 생산할 수 있도록 구성하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 베인터빈엔진은, 작동유체를 공급받아서 회전력을 출력하는 베인 구동부를 포함하고, 상기 베인 구동부는, 밀폐된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 편심되어 회전하도록 장착된 회전체와, 상기 하우징에 형성되어 작동유체가 유입되는 유입구와, 상기 하우징에 형성되어 작동유체가 배출되는 배출구를 포함하고, 상기 회전체는, 작동유체로부터 추력(推力)을 받도록 형성된 터빈로터와, 상기 터빈로터의 양 측면에 연결된 베인원형로터와, 상기 터빈로터와 베인원형로터에 동시에 삽입된 다수의 베인을 포함하고, 상기 터빈로터는, 상기 베인이 삽입되도록 둘레면을 따라 축방향 및 바깥 방향으로 개방된 다수의 베인홈과, 상기 베인홈에서 둘레면에 형성된 양측 단부 중, 회전방향 쪽의 일측 단부가 상대측 단부 보다 높게 형성되므로, 상기 일측 단부 쪽에 형성되어 작동유체의 추력을 받는 수압면을 포함하고, 상기 베인원형로터는, 상기 베인이 삽입되도록 둘레면을 따라 축방향 및 바깥방향으로 개방되고 상기 베인홈과 동일하게 배치되는 다수의 베인홈을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 하우징은, 상기 회전체가 수용되도록 전후방으로 관통된 원형의 수용공간이 형성된 블록 형상의 바디와, 상기 바디의 전면과 후면에 부착되어 상기 수용공간을 커버하며 상기 수용공간에 대해서 상기 회전체를 편심된 상태로 회전하도록 지지하는 측판을 포함하고, 상기 베인은 상기 베인홈에 지지되어 외측방으로 돌출된 상태에서 선단이 상기 수용공간의 내측면에 접촉하도록 길이가 조정되어 구성된다.
또한, 상기 유입구 및 배출구는, 상기 바디의 측방에서 관통하여 구성된 것이고, 대응하는 상기 베인과 상기 수용공간의 내측면이 이루는 공간 중 가장 부피가 작은 2개의 공간에 각각 대응하도록 구성된다.
또한, 상기 베인 구동부의 유입구에 연결되어 고온고압의 작동유체를 공급하는 보일러와, 상기 베인 구동부의 배출구에 연결되어 배출되는 작동유체를 냉각하는 냉각기와, 상기 냉각기와 보일러에 연결되어 작동유체가 회수되는 회수관과, 상기 회수관에 구성된 순환펌프와, 상기 보일러에 연결되어 작동유체를 공급하는 압축기를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 순환펌프에 연결되어 작동유체를 보일러 탱크로 공급하도록 구성된 급기배관을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 보일러에 연결되어 작동유체를 선택적으로 공급받도록 구성된 분사펌프와, 상기 분사펌프에 연결되고 작동유체를 저장하도록 구성된 저장탱크를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명에 의한 고압유체를 이용한 베인터빈엔진을 가지는 발전장치는, 상기 회전체에 연결되어 상기 하우징을 관통하는 회전축과, 상기 회전축에 연결되어 전력을 출력하도록 구성된 발전기를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의한 작동유체의 회수를 이용한 베인터빈엔진 및 이를 가지는 발전장치는, 화석연료 및 모든 연료 이외의 압축공기 및 저압증기, 잉여전력, 지열, 태양열, 풍력 및 폐열 등의 모든 에너지원으로부터 동력 발생원으로 사용할 수 있는 구조로 에너지 이용 효율을 높이는 효과가 있다. 또한, 공기압 내지는 증기압으로도 터빈로터가 구동되는 효과가 있다.
또한, 상기 기재한 자연친화적인 연료를 사용하므로 환경 오염을 일으키지 않고 연료비가 일반 화석연료에 비해서 저렴하며 다양한 에너지 자원을 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 에너지를 회수할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 압축공기 생산 및 고압증기 생산에 따른 연료 소모량을 줄일 수 있게 발명된 기술로서, 압축공기 생산에 필요한 에너지는 터빈로터 및 베인로터가 수용된 하우징 안에서 생산되는 게 아니라 별도의 압축기 및 전동기 및 배관에 의해 필요한 양만큼 생산함으로써 전력을 계속 공급할 필요가 없으므로 전기에너지의 소모량을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 증기 등 기체 상의 작동유체의 생산량은 터빈로터 및 베인원형로터가 필요한 양만큼 생산하면 되므로 연료 소모를 줄일 수 있고 또한 보일러 가동에는 저가의 저공해 연료 및 잉여전력 또는 폐열 등으로부터 운전할 수 있고 터빈로터 및 베인원형로터의 구동에는 급기배관을 통해 압축공기나 저압증기를 선택적으로 공급받아서 작동되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 베인 구동부가 터빈로터와 2개의 베인원형로터로 구성되기 때문에 터빈로터에 구성되는 터빈실에는 작동유체가 충전된 상태가 유지되면서 연속적으로 터빈실의 수압면을 밀어낼 수 있게 되고, 베인실의 작동유체는 가변하는 베인의 수압면을 밀어내게 되므로 작동유체의 팽창에 따라 베인이 튀어나오면서 상기 팽창력이 회전력으로 전환되고, 베인이 삽입되면서 베인실이 감소할 경우, 배출압이 증가되어 작동유체가 배출구를 통해서 배출된다. 따라서, 베인원형로터로 인한 팽창 수축 작용으로 인해서 작동유체의 원활한 유입 및 배출과 더불어 회전력을 출력할 수 있을 뿐만 아니라, 터빈로터의 연속적인 회전력에 의해 효율의 향상이 가능한 효과가 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 배경기술에 의한 베인 가솔린 엔진을 도시한 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 작동유체의 회수를 이용한 베인터빈엔진을 도시한 회로도.
도 3은 본 발명에 구성된 베인 구동부를 도시한 사시도.
도 4는 본 발명에 구성된 베인 구동부를 도시한 분해사시도.
도 5는 본 발명에 구성된 회전체인 터빈로터와 베인원형로터가 일체로 구성된 상태를 도시한 사시도.
도 6은 본 발명에 구성된 베인 구동부를 도시한 단면도.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있을 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함된다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성을 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 첨부되는 도면과 관련하여 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시구성과 작동례를 살펴보면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 의한 작동유체의 회수를 이용한 베인터빈엔진을 도시한 회로도, 도 3은 본 발명에 구성된 베인 구동부를 도시한 사시도, 도 4는 본 발명에 구성된 베인 구동부를 도시한 분해사시도, 도 5는 본 발명에 구성된 회전체인 터빈로터와 베인원형로터가 일체로 구성된 상태를 도시한 사시도, 도 6은 본 발명에 구성된 베인 구동부를 도시한 단면도로서 함께 설명한다.
먼저, 본 발명의 실시구성을 살펴보면, 후술하는 보일러 탱크(120)에 압축공기 등의 작동유체를 충전하기 위해 구성된 압축기(110)가 구성되고, 선택적으로 물, 기름, 물과 기름, 온수 등의 혼합물 등의 액상의 작동유체를 저장하도록 구성된 저장탱크(163)와 상기 저장탱크(163)에 연결되어 작동유체를 압송하도록 구성된 분사펌프(161)가 구성된다. 또한, 상기 보일러 탱크(120)는 급기배관(W)에 연결되어 선택적으로 압축공기 또는 폐증기 등의 작동유체를 공급받도록 구성된다.
상기 압축기(110) 및 분사펌프(161)에 각각 연결되어 압축공기 또는 저압증기 등의 작동유체를 공급받아서 가열하도록 구성된 보일러 탱크(120)가 구성된다. 또한, 상기 보일러 탱크(120)에 연결되어 고온 고압의 압축공기 또는 증기 등의 작동유체를 공급받아서 회전력을 발생시키는 베인 구동부(130)가 구성되며, 상기 베인 구동부(130)에 연결되어 상기 작동유체를 공급받아서 냉각하도록 구성된 냉각기(140)가 구성된다. 또한, 상기 냉각기(140)와 상기 보일러 탱크(120)에 연결되어 상기 냉각기(140)로 냉각된 작동유체를 순환시키도록 구성된 순환펌프(150)를 포함한다.
상기 실시예의 보다 상세한 구성을 살펴보면, 상기 압축기(110)는 일반적인 컴프레서로서 당해업자라면 누구나 알 수 있는 사항이므로 자세한 설명은 생략한다. 상기 압축기(110)의 내부에는 작동유체가 충전되어 구성된다. 상기 작동유체는 추후 압축기(110)의 작동에 의해서 보일러 탱크(120)에 충전되도록 구성된다.
상기 베인 구동부(130)의 보다 상세한 실시예를 살펴보면, 밀폐된 하우징(131)이 구성되고, 상기 하우징(131)의 내부에 편심되어 회전하도록 장착된 회전체(135)가 구성된다. 또한, 상기 하우징(131)에 형성되어 작동유체가 유입되는 유입구(I)가 구성되며, 상기 하우징(131)에 형성되어 작동유체가 배출되는 배출구(B)가 구성된다.
상기 하우징(131)은, 상기 회전체(135)가 수용되도록 전후방으로 관통된 원형의 수용공간(133)이 형성된 블록 형상의 바디(132)가 구성되고, 상기 바디(132)의 전면(W)과 후면(X)에 부착되어 상기 수용공간(133)을 커버하며 상기 수용공간(133)에 대해서 상기 회전체(135)를 편심된 상태로 회전하도록 지지하는 측판(134)을 포함한다. 상기 측판(134)과 바디(132) 사이에 개스킷(도면에 표시하지 않음)이 개재되어 기밀이 가능하도록 구성함은 물론이다.
상기 회전체(135)는, 작동유체로부터 추력(推力)을 받도록 형성된 터빈로터(136)와, 상기 터빈로터(136)의 양 측면에 밀착되어 연결된 베인원형로터(137)가 구성된다. 즉, 상기 터빈로터(136)와 베인원형로터(137)는 일체로 구성된 것일 수도 있고, 개별로 형성된 후 볼팅이나 용접에 의해 조합되어 구성된 것일 수도 있다. 아울러, 터빈로터(136)와 베인원형로터(137)의 외경은 동일하게 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 터빈로터(136)와 베인원형로터(137)에 동시에 삽입된 다수의 베인(138)이 구성된다.
상기 터빈로터(136)는, 상기 베인(138)이 삽입되도록 둘레면(S)을 따라 축방향 및 바깥 방향으로 개방된 다수의 베인홈(Q)이 구성되고, 상기 베인홈(Q)에서 둘레면(S)에 형성된 양측 단부(E, T) 중, 회전방향 쪽의 일측 단부(E)가 상대측 단부(T)보다 높게 형성되므로, 상기 일측 단부(E) 쪽에 형성되어 작동유체의 추력을 받는 수압면(f)이 구성된다. 즉, 어느 하나의 베인홈(Q)의 일측 단부(E)와 회전 방향 쪽에 배치된 상대측 베인홈(Q)의 상대측 단부(T)는 터빈로터(136)의 둘레면(S)에 연결되어 구성된다. 따라서, 상기 둘레면(S)은 아크(ARC) 모양으로서 불연속적으로 원주방향으로 배열되어 구성된다. 따라서, 상기 베인홈(Q)에 베인(138)이 삽입된 상태에서 둘레면(S)과 베인(138) 사이에는 작동유체가 충전되는 터빈실의 형성이 가능하다.
상기 베인원형로터(137)는, 원판 형상으로서 상기 베인(138)이 삽입되도록 둘레면을 따라 축방향 및 바깥방향으로 개방되고 상기 베인홈(Q)과 동일하게 배치되는 다수의 베인홈(R)이 구성된다.
상기 베인(138)은 상기 베인홈(Q, R)에 지지되어 외측방으로 돌출된 상태에서 선단(U)이 상기 수용공간(133)의 내측면에 접촉하도록 길이가 조정되어 구성된다.
또한, 상기 터빈로터(136)와 베인원형로터(137)를 관통하여 고정되거나 양측의 베인원형로터(137)에 고정되어 상기 측판(134)에 회전하도록 지지되는 회전축(139)이 구성된다.
상기 회전축(139)이 측판(134)에 회전하도록 지지되는 일례로서는, 측판(134)을 관통하여 회전축(139)이 통과하는 관통구(E)가 구성되고, 상기 관통구(E)에 회전축(139)을 지지하는 베어링이 장착되므로 가능하다. 물론, 상기 회전축(139)과 관통구(E)에는 실링이 가능하도록 구성된다.
상기 유입구(I) 및 배출구(B)는, 상기 바디(132)의 측방에서 관통하여 구성된 것이고, 대응하는 상기 베인(138)과 상기 수용공간(133)의 내측면이 이루는 공간 중 가장 부피가 작은 2개의 공간(G, H)에 각각 대응하도록 구성된다. 일례로서 도 2에서 수용공간(133)의 내측면에서 터빈로터(136) 및 베인원형로터(137)가 접하는 일측지점(P)의 좌우측의 공간이 가장 작으므로 각각 유입구(I)와 배출구(B)가 된다.
또한, 상기 압축기(110)와 보일러 탱크(120)에 연결되어 압축공기 등의 작동유체를 압축기(110)에서 보일러 탱크(120)로 안내하는 공급관(173)이 구성된다. 상기 보일러 탱크(120)는 공급관(173)에 연결되고 밀폐된 케이싱(121)이 구성된다. 또한, 상기 케이싱(121)을 관통하여 진입한 후 케이싱(121)을 빠져나오는 전기히터 내지는 증기가 순환하는 증기관 내지는 전기히터로 구성된 발열부(122)가 구성된다. 또한, 상기 케이싱(121)을 관통하여 냉각기(140)로부터 압축공기 또는 증기 등의 작동유체를 공급받아서 통과시키는 가열관(179)이 구성된다.상기 케이싱(121)에서 발열부(122) 및 가열관(179)이 관통하는 지점은 기밀이 가능하도록 마감됨은 물론이다.
상기 냉각기(140)는 상기 배출구(B)에 연결되는 밀폐된 케이싱(141)이 구성되고 냉각수가 순환하는 냉각관(143)이 상기 케이싱(141)을 관통하여 진입한 후 다시 빠져나오도록 구성된다. 상기 케이싱(141)에서 냉각관(143)이 관통하는 지점은 기밀이 가능하도록 마감됨은 물론이다.
또한, 상기 공급관(173)과 가열관(179) 및 상기 유입구(I)에 연결되어 작동유체가 상기 하우징(131)으로 공급되도록 안내하는 유입배관(175)이 구성되고, 상기 배출구(B)와 상기 냉각기(140)의 케이싱(141)에 연결되어 작동유체가 상기 냉각기(140)의 케이싱(141)으로 배출되도록 하는 배출관(177)이 구성된다.
또한, 상기 냉각기(140)의 케이싱(141)에 연결되어 상기 보일러 탱크(120)의 케이싱(121)을 관통한 후, 상기 유입배관(175)에 연결되므로 냉각기(140)의 작동유체를 하우징(131)으로 다시 회수하도록 회수관(178)이 구성된다. 또한, 상기 회수관(178)에는 작동유체의 원활한 회수를 위해서 순환펌프(150)가 장착되어 구성된다. 상기 회수관(178)은 제어밸브(V4)에 의해 급기배관(W)이 연결된 것으로서, 가열관(179)에 연결되어 구성되고, 상기 가열관(179)은 상기 유입배관(175)에 연결되어 구성된다. 또한, 상기 급기배관(W)은 압축공기 또는 폐증기를 선택적으로 상기 가열관(179)에 공급하도록 구성된다.
또한, 상기 유입배관(175)에는 제어밸브(V2)가 장착되어 개폐하도록 구성되고, 상기 제어밸브(V2)에는 개폐를 제어하도록 제어부(미도시)와 스위치(S)가 접속되어 구성된다. 상기 제어밸브(V2)뿐만 아니라 다른 제어밸브(V1, V3, V4)는 모두 볼밸브 및 자동조절로 역지판을 가진 것으로 구성할 수 있다.
또한, 상기 보일러 탱크(120)에 연결되어 증기 등의 작동유체를 사용할 경우 선택적으로 공급받도록 구성된 분사노즐(Z)이 구성되고, 상기 분사펌프(161)에 연결되고 온수 등의 작동유체를 저장하도록 구성된 저장탱크(163)를 포함하여 구성된다. 상기 분사펌프(161)의 작동은 보일러 탱크(120)의 케이싱(121)에 장착된 압력센서와 제어부(미도시)에 의해서 작동하도록 구성된다. 즉, 작동유체로서 증기를 사용할 경우, 보일러 탱크(120)의 압력센서와 제어부(미도시)의 신호 동작에 의해 상기 분사펌프(161)는 전기적인 신호를 받고 작동하여 저장탱크(163)의 온수를 작동유체로서 보일러 탱크(120)에 공급하도록 구성된다.
또한, 본 발명에 의한 작동유체의 회수를 이용한 베인터빈엔진을 가지는 발전장치로서, 상기 고압유체를 이용한 베인터빈엔진(100)의 회전축(139)에 발전기를 연결하므로 전력의 생산이 가능하도록 구성할 수도 있다. 상기 회전축(139)과 발전기의 연결 구조는 일례로서 풀리와 벨트, 스프로킷과 체인, 기어 중 선별하여 사용할 수 있다.
상기 구성에 의한 본 발명의 작동례를 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 본 발명은 베인(138)의 장착 갯수로 권리를 한정하지 않지만, 용이한 설명과 이해가 가능하도록 4개의 베인(138)이 장착된 것으로 설명한다.
이때, 회전체(135) 즉, 터빈로터(136)와 베인원형로터(137)는 회전축(139)의 편심에 의해서 하우징(131)의 수용공간(133)의 내측면 중 일측 지점(P)에 근접하거나 밀접한 상태가 되는데, 본 설명에서는 편의상 도면 2 및 6에서처럼, 일측 지점(P)이 상부에 형성되는 것으로 설명한다.
그리고, 회전방향은 편의상 시계방향으로 설명하고 상기 일측 지점(P)을 기점으로 해서 시계 방향으로 4개의 수용실(A, B, C, D)이 구획된다. 즉, 베인(138)과 터빈로터(136) 및 베인원형로터(137) 그리고 수용공간(133)의 내측면에 의해서 고온의 압축공기 내지는 고온증기인 작동유체가 구분되어 충전되도록 구성된다.
상기 각각의 수용실(A, B, C, D)은 양측의 베인(138), 터빈로터(136)의 둘레면(S), 좌우측의 베인원형로터(137)의 내측면을 경계로 터빈실(a)이 구성된다. 그리고, 양측의 베인(138), 좌우측의 베인원형로터(137)의 둘레면(M), 좌우측의 측판(134)의 내측면을 경계로 베인실(b)이 구성된다.
이렇게 구성된 상태에서 압축공기, 증기 또는 가스 등의 작동유체를 압축기(110)를 통해서 보일러 탱크(120)에 선택적으로 충전한다. 또는 선택적으로 상기 분사펌프(161)를 통해서 물, 디젤유, 디젤유와 물의 혼합물, 액상의 암모니아, 액상의 탄화수소계의 작동유체를 보일러 탱크(120)에 충전할 수도 있다. 상기 압축기(110)는 일례로서 배터리를 통해서 작동이 가능한데, 상기 배터리는 태양광, 풍력 등의 자연 친화적인 에너지로부터 얻은 전력을 충전하여 사용하든지, 잉여전력을 충전하여 사용할 수 있다. 상기 분사펌프(161)도 상기 배터리를 통해서 전력을 공급받을 수 있다. 또는, 상기 급기배관(W)을 통해서도 압축공기 또는 폐증기 등의 작동유체를 보일러 탱크(120)로 공급받을 수 있다.
그러고나서, 상기 보일러 탱크(120)의 발열부(122)가 가열되도록 한다. 일례로서 발열부(122)가 전기히터로 구성된 경우에는 풍력 발전기, 태양열 발전기 등의 자연친화적인 전기 에너지 내지는 심야 전기 등의 잉여전력 및 축전지에 저장된 전력을 공급받도록 할 수 있다.
또는, 발열부(122)가 배관으로 구성된 경우에는 산업용 보일러의 배기가스가 순환하도록 하므로 폐열 및 배기열을 재활용할 수도 있고, 온천수를 사용할 수도 있다. 이렇게 해서 보일러 탱크(120)의 케이싱(121) 내부 온도를 작동유체가 고온고압의 기체로 변화할 수 있도록 조정한다. 이처럼, 본 발명에 의하면, 모든 종류의 에너지를 선택하여 사용할 수 있다. 즉, 연료의 종류에 제한적이지 않으므로 자연친화적인 에너지 및 폐기되는 에너지를 모두 사용할 수 있는 이점이 있다. 즉, 모든 연료 에너지 및 열원을 선택적으로 사용할 수 있다.
또한, 상기 냉각관(143)에는 지하수 등의 냉각수가 순환하도록 하여 냉각기(140)의 케이싱(141)이 냉각되도록 할 수 있다.
그러고나서, 상기 압축기(110)를 구동하여 압축공기인 작동유체를 압송하면, 공급관(173)을 통해서 보일러 탱크(120)의 케이싱(121) 내부로 충전이 완료된다. 이때, 상기 압축기(110)의 작동은 정지시켜도 무방하다.
따라서, 작동유체는 상기 케이싱(121) 내부에서 고온고압의 기체로 상(相) 변화하게 되며 케이싱(121) 내부에 내압이 상승하게 된다. 이때, 상기 스위치(S)를 작동시켜서 상기 제어밸브(V2)를 개방한다.
그러면, 고온압축 공기인 작동유체는 유입관(115)을 지나서 상기 베인 구동부(130)의 하우징(131)에 형성된 유입구(I)를 통해서 하우징(131) 내부의 상기 수용실 A로 충전된다. 따라서, 작동유체는 터빈실(a)과 베인실(b)에 충전된 상태에서 베인(138)을 압송하여 터빈로터(136)와 베인원형로터(137)가 회전하게 된다. 이때, 작동유체는 터빈실(a)에 충전된 것은 상기 베인(138)을 통해서 수압면(f)을 밀어내게 되며, 상기 베인실(b)에 충전된 것은 베인원형로터(137)에서 돌출된 부분의 면적인 수압면(F)에 힘을 가하게 된다.
이렇게 해서 터빈로터(136)와 베인원형로터(137)가 회전한 상태에서 작동유체가 수용실 B에 이르게 되면, 터빈실(a)의 용적은 변함이 없지만, 베인실(b)의 부피는 점점 증가하게 된다. 따라서, 터빈실(a)의 수압면(f)은 변함이 없지만, 베인실(b)의 수압면(F)은 베인(138)이 원심력으로 돌출되면서 증가하게 된다. 그래서, 터빈실(a)의 수압면(f)에 추력이 여전히 가해지고, 베인실(b)의 부피 증가로 팽창된 작동유체로 인해서 베인실(b)의 증가된 수압면(f)에도 추력이 가해지므로 터빈로터(136)와 베인원형로터(137)가 회전하여 작동유체는 수용실 C에 이르게 된다.
수용실 C에서는 터빈실(a)의 용적은 변함이 없지만, 베인실(b)의 부피는 점점 감소하게 된다. 따라서, 터빈실(a)의 수압면(f)은 변함이 없지만, 베인(138)이 삽입되면서 수압면(F)은 감소하게 된다. 그래서, 터빈실(a)의 수압면(f)에 추력이 여전히 가해지고, 감소된 수압면(F)에도 추력이 가해지므로 터빈로터(136)와 베인원형로터(137)가 회전하여 작동유체는 수용실 D에 이르게 된다.
수용실 D실에서는 터빈실(a)의 용적은 변함이 없지만, 베인실(b)의 부피는 점점 감소하게 되어 가장 적은 부피로 줄어들게 된다. 따라서, 터빈실(a)의 수압면(f)은 변함이 없지만, 베인(138)이 삽입되면서 수압면(F)은 가장 적은 면적으로 줄어들게 된다. 따라서, 작동유체는 양분하여 분리되어 상기 배출구(B)로 배기되어 냉각기(140)로 배출된다. 이때, 상기 터빈실(a)에는 작동유체가 충전된 상태에서 여전히 수압면(f)에 추력을 가하게 된다.
그리고, 상기 배출관(177)을 통해서 냉각기(140)로 배출된 고온압축공기 또는 고온증기인 작동유체는 냉각관(143)에 의해 열교환되어 냉각압축공기 또는 저온증기로 온도와 압력차가 발생된다. 상기 냉각압축공기 또는 저온증기인 작동유체는순환펌프(150)의 작동에 의해서 회수관(178)으로 안내된 후, 보일러 탱크(120)의 가열관(179)을 통과하면서 고온압축공기 또는 고온증기로 변화하여, 다시 하우징(131)의 유입구(I)로 공급되어 수용실 A로 유입된다. 그러면, 수용실 A와 수용실 D사이에 압력차가 발생하므로 회전이 가능하며 수용실 D에서도 터빈실(a)의 수압면(f)을 밀어주기 때문에 더욱 원활한 회전이 가능하도록 한다. 이런 방식으로 사이클이 완성된다.
상기 본 발명에 의하면, 로터(135)에 연결된 회전축(139)에 발전기를 연결하므로 전기를 생산할 수 있으며, 기계의 구동축에 연결하므로 기계의 작동이 가능하다. 또한, 상기 보일러 탱크(120)와 냉각기(140)는 풍력 내지는 태양열 발전기의 전기 에너지나 심야의 잉여전력 또는 축전지 전력, 온천수, 폐증기, 폐열, 배기가스열, 지하수, 대용량 압축공기 저장소 등의 자연친화적인 에너지를 사용할 수도 있고, 산업용 보일러 등의 폐열 및 폐목재 및 버려지는 부산물 등 저공해 땔감을 사용할 수 있는 구조로 인해서 환경 오염을 일으키지 않고 연료비가 일반 화석연료에 비해서 저렴한 이점이 있다. 뿐만 아니라, 에너지를 종류별로 구분하지 않고 모든 에너지를 사용할 수 있는 이점이 있다.
또한, 상기 회전체(135)는 한 개의 터빈로터(136)와 2개의 베인원형로터(137)로 구성되기 때문에 터빈로터(136)에 구성되는 터빈실(a)에는 작동유체가 충전된 상태가 유지되면서 연속적으로 터빈실(a)의 수압면(f)을 밀어낼 수 있게 된다. 상기 작동유체는 수용실 A에서 유입되는 고온압축공기 또는 고온증기인 작동유체와 합성되면서 고온 고압의 상태를 유지할 수 있음은 물론이다. 또한, 상기 베인실(b)의 작동유체가 가변하는 수압면(F)을 밀어내게 되는데 작동유체의 팽창에 따라 베인(138)이 튀어나오면서 베인실(b)이 증가되어 회전력으로 변환되며, 베인(138)이 삽입되면서 베인실(b)이 감소되어 배출압이 증가되므로 작동유체는 배출구(B)를 통해 배출된다. 이처럼, 본 발명에서는 베인원형로터(137)와 터빈로터(136)의 조합을 통해서 각각의 장점을 가지므로 효율의 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 상기 터빈로터(136) 및 베인원형로터(137)의 구동은 압축공기 및 저압증기를 사용할 수도 있지만, 상기 보일러 탱크(120)에는 고온고압의 작동유체를 만드는 장치로서 상기 터빈실(a)에 항상 작동유체가 충전된 상태를 유지하기 때문에 작동유체는 베인실(b)에 충전되는 것만 보일러 탱크(120)에서 공급하게 된다. 따라서, 보일러 탱크(120)의 불필요한 가열과 방열을 줄일 수 있으며, 불필요한 압축과 팽창을 줄일 수 있다. 또한, 터빈로터(136)와 베인원형로터(137)에 이중으로 고압의 작동유체가 작용할 수 있게 되어 작용량이 많아져서 효율을 증대시킬 수 있다. 또한, 상기 터빈로터(136)에는 작동유체가 항상 충전된 상태가 유지되어 연속 회전이 가능하므로 효율을 더욱 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 베인 구동부(130)에서 배출된 작동유체를 배출하여 버리지 않고 냉각한 후 재순환하여 사용할 수 있으므로 에너지 이용 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 상기 보일러 탱크(120)와 냉각기(140)가 작동하지 않아도 압축 공기만으로 상기 터빈로터(136)는 회전이 가능하다. 즉, 상기 압축기(110)로부터 압축공기 등의 고압의 작동유체를 공급관(173)을 통해서 공급받아서 회전력을 얻을 수 있으며 상기 배출관(177)을 통해서 외부로 배기되도록 구성할 수도 있다. 이때, 제어밸브(V1)를 상기 공급관(173)과 배출관(177)에 더 구성하므로 작동이 가능함은 물론이다. 즉, 상기 제어밸브(V1)를 통해서 압축기(110)에서 바로 베인 구동부(130)로 작동유체의 유입이 가능하며, 상기 배출관(177)에는 배기관(미도시)을 더 구성하고 제어밸브(미도시)를 통해서 바로 배기되도록 작동할 수도 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형례와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
[부호의 설명]
100: 고압유체를 이용한 베인터빈엔진 110: 압축기
120: 보일러 121: 케이싱
122: 발열부 130: 베인 구동부
131: 하우징 I: 유입구
B: 배출구 132: 바디
133: 수용공간 134: 측판
135: 회전체 136: 터빈로터
137: 베인원형로터 Q: 베인홈
E: 일측 단부 T: 상대측 단부
S: 둘레면 f: 수압면
F: 수압면 136: 터빈로터
R: 베인홈 M: 둘레면
138: 베인 U: 선단
139: 회전축 140: 냉각기
141: 케이싱 143: 냉각관
150: 순환펌프 173: 공급관
175: 유입배관 177: 배출관
178: 회수관 179: 가열관
W: 급기배관 V1, V2, V3, V4: 제어밸브
Z: 분사노즐

Claims (7)

  1. 작동유체를 공급받아서 회전력을 출력하는 베인 구동부(130)를 포함하고,
    상기 베인 구동부(130)는, 밀폐된 하우징(131)과,
    상기 하우징(131)의 내부에 편심되어 회전하도록 장착된 회전체(135)와,
    상기 하우징(131)에 형성되어 작동유체가 유입되는 유입구(I)와,
    상기 하우징(131)에 형성되어 작동유체가 배출되는 배출구(B)를 포함하고,
    상기 회전체(135)는, 작동유체로부터 추력(推力)을 받도록 형성된 터빈로터(136)와,
    상기 터빈로터(136)의 양 측면에 연결된 베인원형로터(137)와,
    상기 터빈로터(136)와 베인원형로터(137)에 동시에 삽입된 다수의 베인(138)을 포함하고,
    상기 터빈로터(136)는, 상기 베인(138)이 삽입되도록 둘레면(S)을 따라 축방향 및 바깥 방향으로 개방된 다수의 베인홈(Q)과,
    상기 베인홈(Q)에서 둘레면(S)에 형성된 양측 단부(E, T) 중, 회전방향 쪽의 일측 단부(E)가 상대측 단부(T)보다 높게 형성되므로, 상기 일측 단부(E) 쪽에 형성되어 작동유체의 추력을 받는 수압면(f)을 포함하고,
    상기 베인원형로터(137)는, 상기 베인(138)이 삽입되도록 둘레면을 따라 축방향 및 바깥방향으로 개방되고 상기 베인홈(Q)과 동일하게 배치되는 다수의 베인홈(R)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 작동유체의 회수를 이용한 베인터빈엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징(131)은, 상기 회전체(135)가 수용되도록 전후방으로 관통된 원형의 수용공간(133)이 형성된 블록 형상의 바디(132)와,
    상기 바디(132)의 전면(W)과 후면(X)에 부착되어 상기 수용공간(133)을 커버하며 상기 수용공간(133)에 대해서 상기 회전체(135)를 편심된 상태로 회전하도록 지지하는 측판(134)을 포함하고,
    상기 베인(138)은 상기 베인홈(Q, R)에 지지되어 외측방으로 돌출된 상태에서 선단(U)이 상기 수용공간(133)의 내측면에 접촉하도록 길이가 조정되어 구성된 것을 특징으로 하는 작동유체의 회수를 이용한 베인터빈엔진.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유입구(I) 및 배출구(B)는, 상기 바디(132)의 측방에서 관통하여 구성된 것이고, 대응하는 상기 베인(138)과 상기 수용공간(133)의 내측면이 이루는 공간 중 가장 부피가 작은 2개의 공간(G, H)에 각각 대응하도록 구성된 것을 특징으로 하는 작동유체의 회수를 이용한 베인터빈엔진.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 베인 구동부(130)의 유입구(I)에 연결되어 고온고압의 작동유체를 공급하는 보일러 탱크(120)와,
    상기 베인 구동부(130)의 배출구(B)에 연결되어 배출되는 작동유체를 냉각하는 냉각기(140)와,
    상기 냉각기(140)와 보일러 탱크(120)에 연결되어 작동유체가 회수되는 회수관(178)과,
    상기 회수관(178)에 구성된 순환펌프(150)와,
    상기 보일러 탱크(120)에 연결되어 작동유체를 공급하는 압축기(110)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 작동유체의 회수를 이용한 베인터빈엔진.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보일러 탱크(120)에 연결되어 작동유체를 선택적으로 공급받도록 구성된 분사펌프(161)와,
    상기 분사펌프(161)에 연결되고 작동유체를 저장하도록 구성된 저장탱크(163)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 작동유체의 회수를 이용한 베인터빈엔진.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 순환펌프(150)에 연결되어 작동유체를 보일러 탱크(120)로 공급하도록 구성된 급기배관(W)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 작동유체의 회수를 이용한 베인터빈엔진.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 회전체(135)에 연결되어 상기 하우징(131)을 관통하는 회전축(139)과,
    상기 회전축(139)에 연결되어 전력을 출력하도록 구성된 발전기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 작동유체의 회수를 이용한 베인터빈엔진을 가지는 발전장치.
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