WO2012030052A2 - 반작용식 터빈 - Google Patents

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WO2012030052A2
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turbine
inlet
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장영일
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HK TURBINE CO Ltd
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a reaction turbine that uses reactions generated during the injection of steam, gas or compressed air.
  • a steam turbine is one of the prime movers that converts the thermal energy of steam into mechanical work.
  • the steam turbine is widely used as a main engine of thermal power plants or ships because of low vibration, good efficiency, high speed, and high horsepower.
  • the steam turbine ejects and expands the high temperature and high pressure steam generated by the boiler from a nozzle or a fixed blade to generate high speed steam flow, and induces the high speed steam flow to the turbine wing to strike the turbine wing.
  • the shaft is rotated by impulse or reaction. Therefore, the steam turbine includes a plurality of nozzles for converting thermal energy of steam into velocity energy, and a plurality of turbine blades arranged in parallel with the plurality of nozzles to convert velocity energy into mechanical work.
  • the high-pressure steam is introduced into the steam chamber from the boiler and expanded, and the high-pressure steam passes through the nozzle and the turbine blade of the steam chamber while rotating the turbine shaft coupled with the turbine blade to the exhaust chamber. Will move.
  • the high pressure steam is expanded in the course of passing through each nozzle and the turbine blades, and converted to a low pressure state.
  • the low pressure steam is introduced into the condenser in the exhaust chamber, cooled, and then returned to the boiler by a feed water pump or the atmosphere. It was discharged to the heavy.
  • the force for rotating the turbine shaft is proportional to the momentum of steam incident on the turbine blades
  • the momentum of the steam is determined by various factors such as the number and surface area of the turbine blades, the angle of incidence of the steam.
  • the steam impinging on the turbine blades is different in both speed and direction, it is very difficult to properly design the shape, angle, and the like in consideration of all of them, and thus, there is a limit in manufacturing a highly efficient turbine.
  • the present invention seeks to provide reaction turbines of various capacities as the parts are easy to share when producing turbines of different capacities.
  • Another object of the present invention is to provide a semi-permanent reaction turbine which is easy to assemble each component and prevents eccentric rotation of the turbine shaft.
  • An object of the present invention is to provide a reaction turbine that can be easily assembled and high efficiency of each component can be reduced in size of the entire turbine.
  • Another object of the present invention is to provide a reaction turbine capable of canceling the axial friction of the turbine by offsetting the axial load of steam.
  • Another object of the present invention is to provide a reaction turbine in which the turbine shaft can be rotated forward or reverse by allowing the injection direction of steam to be switched.
  • the turbine shaft And a plurality of nozzle assemblies in which at least one injection hole is formed therein so as to rotate while the working fluid is injected, the plurality of nozzle assemblies stacked and integrally coupled in the axial direction of the turbine shaft.
  • the housing inlet and the housing outlet is formed, the housing flow path for communicating between the housing inlet and the housing outlet so that the high-pressure working fluid flowing into the housing inlet can move in the direction of the housing outlet
  • a housing formed A turbine shaft rotatably coupled to the housing;
  • at least one nozzle assembly rotatably received in the housing flow passage and integrally coupled to the turbine shaft, the nozzle assembly having at least one injection hole to rotate while the working fluid is ejected.
  • a reaction turbine in which a plurality of plates are overlapped and joined and the injection holes are formed in the overlapping surfaces thereof.
  • the housing inlet and the housing outlet is formed, the housing flow path for communicating between the housing inlet and the housing outlet so that the high-pressure working fluid flowing into the housing inlet can move in the direction of the housing outlet
  • a housing formed A turbine shaft rotatably coupled to the housing;
  • at least one nozzle assembly rotatably received in the housing flow passage and integrally coupled to the turbine shaft and having at least one injection hole to rotate while the working fluid is injected.
  • At least one of the housing outlets is provided with a plurality of reaction turbines are provided to be symmetrical with each other along the axial direction of the turbine shaft.
  • the housing inlet and the housing outlet is formed, the housing flow path for communicating between the housing inlet and the housing outlet so that the high-pressure working fluid flowing into the housing inlet can move in the direction of the housing outlet
  • a housing formed A turbine shaft rotatably coupled to the housing;
  • a nozzle assembly rotatably received in the housing flow passage and integrally coupled to the turbine shaft, the nozzle assembly having at least one injection hole to rotate while the working fluid is sprayed, wherein the housing inlet is rotated by the nozzle assembly. It is formed in the axial direction in the central position, the housing outlet is provided with a reaction turbine is formed in the circumferential direction wound at a position corresponding to the outer periphery of the nozzle assembly.
  • the reaction turbine of the present invention is not only easy to share parts when manufacturing turbines of different capacities, but also easy to assemble each component and prevent eccentric rotation of the turbine shaft in advance, thereby greatly improving durability of the reaction turbine. Can be.
  • the assembly of each component is easy and the length of the injection hole is long, the efficiency is improved, thereby miniaturizing the turbine and increasing the efficiency.
  • the nozzle of a different size can be selectively attached and detached at the end of the injection hole, and the capacity of a turbine can be easily changed.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the middle separated in the reaction turbine according to Figure 1,
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the reaction turbine according to FIG. 1;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the assembly of the reaction turbine according to FIG.
  • FIG. 5 is an enlarged view showing the inner circumferential surface of the third housing in the reaction turbine according to FIG. 1;
  • FIG 6 is an enlarged view showing another embodiment of the inner peripheral surface of the third housing in the reaction turbine according to Figure 1,
  • FIG. 7 is an exploded perspective view of the unit nozzle assembly in the reaction turbine according to FIG. 1;
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the unit nozzle assembly according to FIG.
  • FIG. 9 is a plan view showing a nozzle cover in the unit nozzle assembly according to FIG.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line “I-I” of FIG. 9;
  • FIG. 11 is a plan view showing a nozzle plate in the unit nozzle assembly according to FIG.
  • 12 to 15 is a plan view showing a change in the number (cross-sectional area) of the injection communication port according to the flow order of steam in the nozzle plate of the nozzle assembly according to FIG.
  • FIG. 16 is an exploded perspective view showing another embodiment of the nozzle assembly in the reaction turbine according to FIG. 1;
  • FIG. 17 is a plan view illustrating the assembly of the nozzle assembly according to FIG. 16;
  • 19 is a cross-sectional view showing a reaction turbine capable of bidirectional rotation in the reaction turbine according to the present invention.
  • 20 is a perspective view showing one embodiment of a single-stage reaction turbine according to the present invention.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view of the single stage reaction turbine taken along line II-II of FIG. 20;
  • FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of the reaction turbine of the present invention
  • Figure 2 is a perspective view of the intermediate separation in the reaction turbine according to Figure 1
  • the turbine shaft 20 is rotatably coupled to the housing 10, the turbine shaft 20, the injection hole to rotate while expanding the high-pressure steam, the working fluid At least one nozzle assembly 30 having a 301 is laminated along the axial direction inside the housing.
  • the housing 10 has a predetermined interval between the inlet side housing (hereinafter referred to as a first housing) 110 having at least one housing inlet 101 so that steam is introduced therein, and the other side of the first housing 110.
  • An outlet side housing (hereinafter referred to as a second housing) 120 having at least one housing outlet 102 so that the expanded low pressure steam is discharged to the atmosphere or is discharged for recirculation;
  • At least one intermediate housing hereinafter, third housing provided between the second housing 120 and the housing assembly (or the expansion space) 103 to allow the nozzle assembly 30 to rotate. 130).
  • the first housing 110 may be formed as a single body having a suction flow path groove on one side thereof and having a shaft hole to support a turbine shaft at the center of the suction flow path groove, as shown in the drawing.
  • the suction housing 111 is formed in an annular shape and the housing inlet 101 penetrates through one side of the suction space 1111, and one side of the suction housing 111 is covered with the suction space.
  • 1111 and a front cover 112 having a bearing hole 1121 formed in the center thereof, and a first bearing 51 to be described later to be fastened to one side of the front cover 112. It consists of a bearing cover (bearing cover) 113 is fixed.
  • the suction housing 111 may be formed in an annular shape such that the suction space 1111 forms a circular space, and the housing inlet 101 may have a cross-sectional area smaller than the overall cross-sectional area of the housing outlet 102. have.
  • the front cover 112 is formed in a disc shape having a width enough to cover the suction space 1111 of the suction housing 111, and the bearing hole 1121 is formed in the center thereof.
  • a first sealing member 41 for sealing between the suction space 1111 and the outer circumferential surface of the turbine shaft 20 is coupled to the inner circumferential surface of the bearing hole 1121.
  • the first sealing member 41 may be formed of a material having a self-lubricating property, and a labyrinth seal to prevent leakage of high pressure steam introduced into the suction space 1111 on the inner circumferential surface thereof ( It may be desirable for 411 to be formed.
  • the bearing cover 113 is formed larger than the bearing hole 1121 of the front cover 112 to be fastened to one side of the front cover 112, the turbine shaft on the inner peripheral surface of the bearing cover 113 A first bearing 51 that supports one end of the radially radially is fixedly installed.
  • the second housing 120 has a discharge cover 121 having at least one housing outlet 102 and a bearing hole 1211 formed in the center thereof, and one side surface of the discharge cover 121. Is coupled to the rear cover (rear cover) 122 for supporting the turbine shaft 20 in the axial (thrust).
  • the discharge cover 121 is formed in a disc shape, the bearing hole 121 is formed at the center thereof, and at least one housing outlet 102 is formed around the bearing hole 121.
  • a second sealing member 42 for sealing between the housing passage (expansion space) 103 and the outer circumferential surface of the turbine shaft 20 is coupled to the inner circumferential surface of the bearing hole 121.
  • the second sealing member 42 may be formed of a material having self-lubricating property, and its inner circumferential surface may have a labyrinth so as to prevent leakage of high pressure steam flowing through the expansion space 103 to the outside of the housing 10.
  • a seal seal 421 may be formed.
  • a second bearing 52 is fixedly installed at one side of the discharge cover 121, that is, the outer side of the sealing member 42 to radially support the other end of the turbine shaft 20.
  • the rear cover 122 is formed larger than the bearing hole 1211 of the discharge cover 121 so as to be fastened to one side of the discharge cover 121, the turbine on the inner surface of the rear cover 122
  • a third bearing 53 supporting the shaft 20 in the axial direction is fixedly installed.
  • the third housing 130 is formed in an annular shape and is bolted to the front cover 112 and the discharge cover 121 together with the separating plate 140 to be described later.
  • a housing flow passage 103 is formed at a central portion of the third housing 130 to be larger than an outer diameter of the nozzle assembly 30 so as to accommodate the nozzle assembly 30 and allow a working fluid to flow therethrough.
  • the housing flow passage 103 preferably increases in volume in the downstream nozzle assembly rather than in the current-side nozzle assembly, the axial thickness of the third housing 130 is increased from the first housing 110 to the second. It is preferable to form gradually thicker toward the housing 120.
  • Collision surfaces 1311 may be formed continuously along the circumferential direction.
  • the impingement surface 1311 may be formed only of a curved surface having a radius of curvature smaller than the radius of curvature of the housing passage 103, but may be a stepped shape or the curved portion 1312 and the curved portion 1312 as shown in FIG. 6. It may be formed in various ways, such as a shape having a straight surface portion 1313 extending from at least one side end (one side end in the drawing).
  • the collision surface 1311 when the collision surface 1311 includes the curved surface portion 1312 and the straight surface portion 1313, the straight surface portion 1313 is preferably formed on the rotational side of the nozzle assembly 30.
  • the curved portion 1312 of the collision surface 1311 may be formed to have a center coinciding with the center of the third housing 130 as shown in FIG. 5, the curved portion 1312 of the curved surface 1312 may be formed. The center may be formed so as not to coincide with the center of the third housing 130 and to be eccentric in the rotation direction of the nozzle assembly 30 in consideration of the injection hole 301 of the nozzle assembly 30.
  • the radius of curvature of the impact surface 1311 If the radius of curvature of the impact surface 1311 is too small, the steam moves toward the center of the nozzle assembly 30 and thus hinders the rotation of the nozzle assembly 30. On the contrary, when the radius of curvature of the collision surface 1311 is too large, the steam moves only outside the housing 10, and thus does not greatly help the rotation of the nozzle assembly 30. Therefore, it is preferable to adjust the radius of curvature of the collision surface 1311 in the above-described range.
  • One end of the collision surface 1311 that is, the opposite side of the straight surface portion 1313 among the both ends of the curved portion 1312 may reduce the leakage between the nozzle assembly 30 and the third housing 130 to increase the collision force.
  • the blade 1315 may be screwed in.
  • the blade 1315 may have a shape in which its thickness gradually increases as it approaches the nozzle assembly 30.
  • Separation plates 140 are provided at both sides of the third housing 130 to form a housing flow path 103 together with the third housing 130.
  • the separator plate 140 may be coupled to the front cover 112 and the discharge cover 121 together with the third housing 130.
  • a through hole 141 is formed at a central portion of the separation plate 140 so that the nozzle cover 310 to be described later is rotatably inserted.
  • a third sealing member 43 is fixedly installed on the inner circumferential surface of the through hole 141 so that steam does not leak from the suction passage 1111 or the housing passage 103 on the current side to the housing passage 103 on the downstream side.
  • the labyrinth seal 431 as described above may also be formed on the inner circumferential surface of the third sealing member 43.
  • support protrusions 1411 are formed on both side surfaces of the separation plate 140 to support the third housing 130 in a radial direction, and the third housing ( A flow path groove 1412 is formed to form a housing flow path 103 together with 130, and the flow path groove 1412 communicates with the injection suction port 313 of the downstream nozzle assembly 30.
  • the turbine shaft 20 has a plurality of axially long key mounting grooves 201 formed in the central portion of the shaft portion, the key mounting groove is a plate-shaped key (210) long in the axial direction, respectively Inserted and fixed.
  • the nozzle assembly 30 may have a variable capacity of the turbine depending on the number of the nozzle assemblies 30 coupled to the turbine shaft 20. That is, when the capacity of the turbine is small, the number of the nozzle assemblies 30 is small, whereas when the capacity of the turbine is large, the number of the nozzle assemblies 30 may be increased.
  • the injection hole 301 of the nozzle assembly 30 increases or increases the total cross-sectional area toward the downstream side. Can be increased.
  • the number of injection holes 301 of each nozzle assembly 30 may be increased by one.
  • the fourth stage nozzle assembly is illustrated, and in the case of FIG. 15, the fifth stage nozzle assembly.
  • the injection hole 301 is the fourth stage nozzle assembly. It is formed deeper than the injection hole of the actual cross-sectional area is expanded even if the number of the injection holes 301 of the fifth stage nozzle assembly is smaller than the number of the injection holes 301 of the fourth stage nozzle assembly.
  • the same shape and the same shape may be formed at equal intervals, thereby reducing the load and improving the performance of the turbine.
  • a plurality of key grooves having a predetermined length in the axial direction may be inserted into an inner circumferential surface of the nozzle assembly 30 so that a key 210 provided on an outer circumferential surface of the turbine shaft 20 may be inserted into and integrally coupled thereto ( Key grooves 201 are formed at equal intervals along the circumferential direction.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view of the unit nozzle assembly in the reaction turbine according to FIG. 1
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating the unit nozzle assembly according to FIG. 7
  • FIG. 9 is a nozzle in the unit nozzle assembly according to FIG. 7.
  • 10 is a sectional view taken along line II of FIG. 8, and
  • FIG. 11 is a plan view illustrating the nozzle plate of the unit nozzle assembly according to FIG. 7.
  • the nozzle assembly 30 is coupled to one side surface of the nozzle cover 310 and the nozzle cover 310 in which an injection suction hole 313 is formed to form an inlet of the injection hole 301.
  • the spray communication port 323 and the ejection discharge port 324 are formed in successive nozzle plate 320 so as to communicate with the nozzle inlet 313.
  • the nozzle cover 310 is formed in a disk shape, the shaft hole 311 is formed in the center to be inserted into the turbine shaft 20 is coupled, the turbine shaft 20 on the inner peripheral surface of the shaft hole 311
  • the key groove 312 is formed to be inserted into the key 210 of the).
  • At least one or more injection suction holes 313 are formed around the shaft hole 311 at equal intervals in the circumferential direction.
  • the injection suction opening 313 may be formed in the axial direction, but in consideration of the rotation of the nozzle assembly 30 as shown in FIGS. 9 and 10, the injection suction hole 313 is formed as an inclined surface 3131 having a predetermined inclination angle in the rotation direction thereof. It may be desirable that the working fluid can be sucked smoothly.
  • a guide part 3132 such as a blade or a guide groove may be formed at the inlet end or the inner circumferential surface of the injection suction port 313 to smoothly suck the working fluid.
  • the nozzle plate 320 is formed in a disk shape having a diameter substantially the same as the nozzle cover 310, the shaft hole 321 is formed in the center to be inserted into the turbine shaft 20 is coupled, the football A key groove 322 is formed on the inner circumferential surface of the yoke 321 to correspond to the key groove 312 of the nozzle cover 310.
  • the injection communication port 323 is formed in the outer circumferential direction in the vicinity of the shaft hole 321.
  • the injection communication port 323 has a first injection communication port (3231) is formed in an annular shape, and a second injection communication port extending linearly from the first injection communication port (3231) toward the injection discharge port (324) ( 3232).
  • the first injection communication port 3231 is formed at a height substantially similar to the injection suction port 313 so as to be axially communicated with the injection suction port 313, and the second injection communication port 3232 is formed in the first minute. It communicates in a tangential direction from the four-way communication port (3231) extends in the direction of the outer circumferential surface and is formed to be curved toward the injection discharge port 324 near the end thereof.
  • the jet discharge port 324 may be formed such that its cross section faces a direction perpendicular to the tangent so that steam can be injected at a predetermined angle with respect to the tangent of the nozzle assembly 30, that is, the tangent direction.
  • the nozzle 330 having the nozzle hole 331 is detachably fastened by a bolt or rivet to the end of the jet discharge port 324. It is preferable that the nozzle 330 is formed to have a small diameter portion 3311 between the inlet and the outlet of the nozzle hole 331 to increase the injection speed.
  • reaction steam turbine according to the present invention as described above is operated as follows.
  • the high pressure steam flowing into the first injection communication port 3231 is distributed from the first injection communication port 3231 to each of the second injection communication ports 3322 to quickly move outward toward the injection discharge port 324.
  • a high pressure steam which is moved into the housing flow path (expansion space) 103 formed by the third housing 130 and the separating plate 140 through the nozzle hole 331 of the nozzle 330 at the injection discharge port 324. This is ejected at high speed.
  • the collision surface 1311 is formed on the inner circumferential surface of the third housing 130, high-pressure steam discharged from the nozzle assembly 30 collides with the collision surface 1311 to generate a strong repulsive force, As a result, the driving force for rotating the nozzle assembly 30 may be doubled.
  • the steam jetted from the nozzle assembly 30 to the housing flow passage 103 moves toward the center along the flow path groove 1412 of the separation plate 140 provided on the side of the nozzle assembly 30 to form a downstream nozzle assembly.
  • the steam guided to the injection inlet 313 of the 30, and the steam guided to the injection inlet 313 is repeated through the injection outlet 324 of the final nozzle assembly 30 while repeating the aforementioned process.
  • 130 is blown into the final housing flow path 103 consisting of a separation plate 140.
  • the steam ejected into the final housing flow path 103 expands again and repeats a series of processes discharged to the outside through the housing outlet 102 of the discharge cover 121.
  • the rotational force generated while the nozzle assembly 30 injects high-pressure steam in the circumferential direction is transmitted to the turbine shaft 20 coupled to the nozzle assembly 30, and the turbine shaft 20 is connected to the nozzle assembly ( Rotating with 30) transmits the torque to the outside.
  • the turbine shaft 20 is connected to the first bearing 51 fixed to the bearing cover 113 and the second bearing 52 fixed to the discharge cover 121 at both ends of the turbine shaft 20.
  • the turbine shaft 20 can be stably rotated at high speed by being axially supported by the third bearing 53 which is supported in the radial direction and fixed to the rear cover 122, respectively.
  • the capacity of the turbine can be adjusted according to the number of unit turbines including the nozzle assembly 30, not only turbines having different capacities can be easily manufactured, but also components for manufacturing turbines having different capacities are shared. It is easy to reduce the manufacturing cost.
  • the injection hole 301 of the nozzle assembly 30 is formed to be long and curved, the injection speed of the steam injected through the injection hole 301 is increased, thereby increasing the efficiency of the turbine compared to the size. have.
  • Another embodiment of the nozzle assembly in the reaction turbine according to the present invention is as follows.
  • the nozzle assembly is composed of a nozzle cover and a nozzle plate, and the injection hole is formed in the contact surface of the nozzle plate or each contact surface of the nozzle cover and the nozzle plate to be grooved.
  • the nozzle ring is provided between the cover and the nozzle plate, and the injection hole is formed in the nozzle ring.
  • FIG. 16 is an exploded perspective view illustrating another embodiment of the nozzle assembly in the reaction turbine according to FIG. 1, and FIG. 17 is a plan view illustrating the nozzle assembly according to FIG. 16.
  • the nozzle assembly 30 includes a nozzle cover 350 that is a first plate member, a nozzle plate 360 that is a second plate member disposed on one side of the nozzle cover 350, It is composed of a nozzle ring 370 which is coupled between the nozzle cover 360 and the nozzle plate 360 and a ring member forming the sealed injection space 302 together with the nozzle cover 350 and the nozzle plate 360. .
  • the nozzle cover 350 and the nozzle plate 360 are formed in a simple disc shape, and the injection suction hole 351 is formed in the center of the nozzle cover 350 while the turbine shaft is located in the center of the nozzle plate 360.
  • a shaft hole 361 is formed so that the 20 is inserted and engaged.
  • Dispersion protrusions for accommodating the shaft hole 361 on the inner surface of the nozzle plate 360 and dispersing steam sucked through the injection suction port 351 in the direction of the jet discharge port 373 of the nozzle ring 370. 362 is formed.
  • the dispersion protrusion 362 may be formed in a curved cone shape such that the area becomes narrower toward the injection suction hole.
  • the nozzle ring 370 is formed by a pair of housing side surfaces, that is, the injection surface 371 and the support surface 372 are continuously connected like teeth in the circumferential direction, and the injection surface 371 and the support surface
  • the hollow injection space 302 is formed by the 372.
  • the injection space 302 is not divided into compartments and the like, and is integrally formed. Therefore, since most of the steam is ejected to the outside from the injection space 302, the reaction turbine can have a high efficiency and a simple structure.
  • the spraying surface 371 and the supporting surface 372 may be post-assembled or integrally formed. It may be advantageous to be formed integrally.
  • the spray surface 371 is radially formed at the center of the nozzle ring 370, that is, the shaft center of the turbine shaft 20, and the support surface 372 is formed at the outer circumferential end of the current spray surface. It is formed to have a predetermined angle to be connected to the inner circumferential end.
  • An injection discharge port 373 is formed in the injection surface 371.
  • the jet discharge port 373 is formed to be perpendicular to the jet surface 371.
  • a nozzle 375 having a predetermined length in the direction perpendicular to the injection surface 371 is coupled to the injection discharge port 373.
  • the nozzle 375 may be coupled using a separate bolt to withstand high pressure steam or the like, or may be directly screwed to the jet discharge port 373.
  • the nozzle 375 may be assembled by selecting the one whose internal diameter is added or subtracted as necessary as in the above-described embodiment.
  • the support surface 372 may be formed to include a curved surface or an inclined surface, and by adjusting the radius of curvature of the support surface 372 may maximize the use efficiency of the steam discharged from the nozzle (or jet discharge port) 375. That is, since steam flows along the support surface 372 after being discharged from the nozzle 375, the discharge direction of the steam is influenced by the outer curved portion 374 of the support surface 372. Therefore, it is preferable to adjust the radius of curvature of the support surface 372 to 0.5mm to 7.5mm. When the radius of curvature of the support surface 372 is too small, steam cannot be guided along the rotational direction of the nozzle assembly 30 and impinge directly on the support surface 372 to maximize the rotational force of the nozzle assembly 30.
  • the radius of curvature of the support surface 372 is too large, the outer curved portion 374 of the support surface 372 may interfere with the collision surface 1311. Therefore, it may be desirable to adjust the radius of curvature of the support surface 372 to the above-mentioned range.
  • the diameter of the nozzle cover 350 and the diameter of the nozzle plate 360 is larger than the diameter of the nozzle ring 370, the steam discharged from the nozzle 375 is mainly the nozzle cover 350 and the nozzle plate Only between 360 may be guided. Accordingly, the pressure is applied only in the rotational direction of the nozzle ring 370 to maximize the mechanical energy required for the rotation of the nozzle assembly 30.
  • the operation and effect of the nozzle assembly according to the present embodiment as described above is substantially the same as the nozzle assembly of the above-described embodiment, a detailed description thereof will be omitted.
  • the injection space 302 constituting the first injection communication hole is formed to be wide and immediately connected to the injection discharge port 373, the flow path in the injection space 302 Increased resistance or primary expansion of steam can reduce turbine efficiency, but can be simple to assemble and maintain.
  • blockage of the injection passage and the like can be prevented in advance, thereby improving stability.
  • Another embodiment of the reaction turbine according to the present invention is as follows.
  • the housing inlet is provided at one end of the turbine shaft while the housing outlet is provided at the other end.
  • the present invention provides the housing inlet at the center and the housing outlet at both ends. Will be.
  • the reaction turbine according to the present embodiment has a housing inlet 101 and a housing outlet 102 provided at both sides of the housing inlet and the housing inlet 101 and each of the housing outlets 102.
  • Each housing passage 103 is independently connected, and the housing inlet 101 is disposed at the center of the turbine shaft 20 while the housing outlets 102 are centered on the housing inlet 101.
  • housing inlet 101 may be branched into both housing passages 103, but a plurality of housing inlets 101 may be provided to communicate with each housing passage 103. .
  • the number and size of the nozzle assembly 30 is formed to be symmetrical with each other around the housing inlet 101 to offset the axial thrust force (axial thrust force) of the turbine shaft 20 (20) This is preferable because it can be prevented from being pulled to one side.
  • the basic configuration of the reaction turbine according to the present embodiment is similar to the above-described embodiment, and the operation effects include the contents described in the above-described embodiment and the prior art, and thus detailed description thereof will be omitted.
  • the vibration of the reaction turbine can be reduced as well as frictional losses by canceling the axial thrust force of the turbine shaft. Turbine performance can be further improved.
  • the nozzle assembly is provided at both sides of the housing inlet so that the nozzle assembly rotates in the same direction.
  • the nozzle assembly is disposed at both sides of the housing inlet. It is provided to be able to rotate in opposite directions to each other.
  • 19 is a cross-sectional view showing a reaction turbine capable of bidirectional rotation in the reaction turbine according to the present invention.
  • a housing flow passage is divided into a first housing flow passage 1031 and a second housing flow passage 1031, and thus the first housing flow passage 1031 and the second housing flow passage ( 1032 each has a separate housing inlet and housing outlet.
  • a flow path separating plate 104 is installed at the housing inlet, and the housing inlet is divided into a first housing inlet 1011 and a second housing inlet 1012, respectively, at both ends of the turbine shaft 20.
  • the first housing outlet 1021 and the second housing outlet 1022 are provided to correspond to the housing inlets 1011 and 1012.
  • a first fluid supply pipe 1051 is connected to the first housing inlet 1011, a second fluid supply pipe 1052 is connected to the second housing inlet 1012, and the first fluid supply pipe 1051 is connected to the first housing inlet 1011.
  • the second fluid supply pipe 1052 is connected to one switching valve 106.
  • the switching valve 106 may be formed of a three-way valve to control the flow direction of the steam to supply the steam in the desired direction.
  • the switching valve 106 may be separately installed in the first fluid supply pipe 1051 and the second fluid supply pipe 1052, respectively, and may be individually controlled.
  • the nozzle assembly 30 includes a first group A installed between the first housing inlet 1011 and the first housing outlet 1021, the second housing inlet 1012, and the second housing outlet 1022.
  • the second group (B) provided between the) is arranged to rotate in the opposite direction to each other.
  • the housing flow passage is divided into the first housing flow passage and the second housing flow passage, and nozzle assemblies having injection holes in opposite directions to each housing flow passage are installed, and the first housing inlet and the second housing flow.
  • the first fluid supply pipe and the second fluid supply pipe which are independently connected to the inlet are connected to the switching valve which controls the flow direction of the steam, so that the rotational direction of the turbine shaft can be reversed or reversed depending on the steam supply direction.
  • the housing inlet may be installed at the center and the housing outlet at both ends, respectively.
  • the housing inlet may be provided at both ends, and the housing outlet may be installed at the center. Since the configuration and the effect thereof are similar to those of the above-described embodiments, a detailed description thereof will be omitted.
  • Another embodiment of the reaction turbine according to the present invention is as follows.
  • FIG. 20 is a perspective view showing an embodiment of a single stage reaction turbine according to the present invention
  • FIG. 21 is a cross-sectional view of the single stage reaction turbine taken along line II-II of FIG. 20.
  • the single stage reaction turbine includes a housing 10 having an injection inlet 411 and an injection outlet 412, and a turbine shaft rotatably coupled to the housing 10. 20 and one nozzle assembly 30 integrally coupled to the turbine shaft 20 and rotatably provided in the housing 10.
  • the housing 10 may include a first housing 410 disposed on a front side (for convenience, a direction in which steam is sucked), and a second housing disposed on a rear side of the first housing 410. 420 and a first agent disposed between the first housing 410 and the second housing 420 to form a housing flow path (or an expansion space) 401 in which the nozzle assembly 430 is rotatably received. It consists of three housings 430.
  • the first housing 410 has a spray inlet 411 is formed in the central portion in the axial direction, the outer side of the spray inlet 411 is formed with a spray outlet 412 in the cochlear shape along the circumferential direction.
  • the injection inlet 411 is formed to protrude toward the front side by a predetermined height, bearings for rotatably supporting the nozzle assembly 30 in the radial direction and the axial direction on the inner circumferential surface and one side of the injection inlet 411 ( 402 and 403 may be installed, and a sealing member 404 may be installed around the bearings 402 and 403 to seal between the jet inlet 411 and the jet outlet 412.
  • the second housing 420 has a shaft hole 421 through which the turbine shaft 20 is coupled through a central portion thereof, and the turbine shaft 20 is radially and axially formed at an inner circumferential surface of the shaft hole 421.
  • Bearings 405 and 406 rotatably supported relative to each other are installed, and a sealing member 407 for sealing the housing passage 401 may be installed around the bearings 405 and 406. .
  • the third housing 430 may be formed in an annular shape and disposed between the first housing 410 and the second housing 420 to be coupled to each other. However, in some cases, the third housing 430 may be disposed on an inner surface of the second housing 420. It may be formed integrally. In addition, although the inner circumferential surface of the third housing 430 may be formed in a smooth tube shape, a middle protrusion surface (in FIGS. 5 and 6, 1311) may be formed as shown in FIGS. 5 and 6.
  • the nozzle assembly 30 may be composed of two members, that is, the nozzle cover 350 and the nozzle plate 360 as shown in FIG. 7, and three members, that is, the nozzle cover 350 and the nozzle, as shown in FIG. 21.
  • the plate 360 and the nozzle ring 370 may be formed.
  • the nozzle assembly 30 may apply the above-described embodiments to the same. Therefore, detailed description thereof will be omitted.
  • steam is introduced into the injection space 302 of the nozzle assembly 20 through the injection inlet 411 along the axial direction.
  • the steam flows radially by the centrifugal force and the dispersion protrusion 362 and is injected into the housing flow path 401 of the housing 10 from the injection discharge port 373 to rotate the turbine shaft 20.
  • the turbine shaft 20 may be coupled to the generator by the coupling 21 to generate power by rotating the generator.
  • the turbine shaft 20 may be rotated and used as another power source.
  • the steam used in the housing 10 is discharged to the outside through the injection outlet (412).
  • the injection outlet 412 is formed to increase gradually toward the outlet end can be efficiently discharged steam.
  • the injection outlet 312 is formed in a cochlear shape, steam can be discharged more effectively.

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Abstract

본 발명의 반작용식 터빈은, 입구와 출구 사이에 하우징유로를 갖는 하우징과, 상기 하우징에 회전 가능하게 결합되어 회전력을 전달하는 터빈축과, 상기 터빈축에 결합되고 상기 하우징의 하우징유로에 회전 가능하게 배치되며 원주방향으로 고압 유체를 분사하면서 회전력을 발생하도록 복수 개의 원주방향 분사구멍이 내부에 형성되는 한 개 이상의 노즐조립체로 구성함으로써, 서로 다른 용량의 터빈을 제작할 때 부품을 공유하기가 용이할 뿐만 아니라 각 부품의 조립이 용이하고 터빈축의 편심회전을 미연에 방지하여 반작용식 터빈의 내구성이 크게 향상될 수 있다. 또, 각 부품의 조립이 용이하면서도 분사구멍의 길이가 길어 효율이 향상되므로 터빈의 소형화 및 고효율화를 실현할 수 있다.

Description

반작용식 터빈
본 발명은 스팀이나 가스 또는 압축공기의 분사시 발생되는 반작용을 이용하는 반작용식 터빈에 관한 것이다.
일반적으로 스팀터빈(steam turbine)은 스팀이 가진 열에너지를 기계적 일로 변환시키는 원동기 방식의 하나이다. 상기 스팀터빈은 진동이 적고, 능률이 좋으며, 고속, 큰 마력을 얻을 수 있기 때문에 화력발전이나 선박의 주기관으로 널리 사용되고 있다.
상기 스팀터빈은 보일러에서 발생시킨 고온고압의 스팀을 노즐 또는 고정된 날개로부터 분출,팽창시켜 고속의 스팀유동을 발생시키고, 이 고속의 스팀유동을 터빈날개로 유도하여 그 터빈날개에 부딪칠 때 발생되는 충동작용 또는 반동작용에 의하여 축을 회전시키는 것이다. 따라서 상기 스팀터빈은 스팀이 가지는 열에너지를 속도에너지로 바꾸는 복수 개의 노즐과, 상기 복수 개의 노즐과 나란하게 배치되어 속도에너지를 기계적 일로 바꾸는 복수 개의 터빈날개를 포함하고 있다.
상기와 같은 스팀터빈은, 고압의 스팀이 보일러에서 스팀실로 유입되어 팽창되고, 이 고압의 스팀이 상기 증기실의 각 노즐과 터빈날개를 통과하면서 그 터빈날개와 결합되는 터빈축을 회전시킨 후 배기실로 이동하게 된다. 상기 고압의 스팀은 각 노즐과 터빈날개를 통과하는 과정에서 팽창되어 저압상태로 변환되고, 이 저압상태의 스팀은 배기실에서 복수기로 유입되어 냉각되었다가 다시 급수펌프에 의해 보일러에 되돌려지거나 또는 대기 중으로 배출되는 것이었다.
하지만, 상기와 같은 종래의 스팀터빈은, 그 특성상 고속의 스팀유동이 고속으로 회전하는 터빈날개에 부딪히면서 회전력을 발생하게 되므로 스팀에 응축수가 섞이는 경우 터빈날개가 손상될 수 있다. 그러므로 상기 터빈날개로 유입되는 스팀에 응축수가 생기지 않도록 관리하여야 하는 것은 물론, 상기 터빈날개는 높은 강도를 가지는 고가의 재질로 제작하여야 하므로 제조비용이 상승하게 되는 문제점이 있었다.
또, 상기 터빈축을 회전시키는 힘은 상기 터빈날개에 입사되는 스팀의 운동량에 비례하고, 이 스팀의 운동량은 상기 터빈날개의 개수 및 표면적, 스팀의 입사각도 등 여러 요소에 의해 결정된다. 하지만 상기 터빈날개에 부딪친 스팀은 속도와 방향 모두가 달라지므로 이를 모두 고려하여 상기 날개의 형상, 각도 등을 적절하게 설계하기가 상당히 난해하여 고효율의 터빈을 제작하는데 한계가 있었다.
또, 다수 개의 터빈날개가 하우징으로 감싸져 회전하게 되므로 그 터빈날개의 끝부분과 상기 하우징의 내주면 사이에는 상기 터빈날개의 열팽창 등을 고려한 여유간격을 두어야 한다. 하지만, 상기 여유간격으로 스팀이 누설되어 압력손실이 증가하게 되고 이로 인해 터빈의 열효율이 저하되는 문제점도 있었다.
본 발명은, 서로 다른 용량의 터빈을 제작할 때 부품을 공유하기가 용이하여 다양한 용량의 반작용식 터빈을 제공하려는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 각 부품의 조립이 용이하고 터빈축의 편심회전을 미연에 방지하여 반영구적인 반작용식 터빈을 제공하려는데 있다.
본 발명의 목적은, 각 부품의 조립이 용이하면서도 효율이 높아 전체 터빈의 크기가 축소될 수 있는 반작용식 터빈을 제공하려는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 스팀의 축방향 부하를 상쇄시켜 터빈의 축방향 마찰을 감쇄시킬 수 있는 반작용식 터빈을 제공하려는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 스팀의 분사방향을 전환할 수 있도록 하여 터빈축이 정회전 또는 역회전할 수 있는 반작용식 터빈을 제공하려는데 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 터빈축; 및 작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 분사구멍이 내부에 형성되고 상기 터빈축의 축방향을 따라 적층되어 일체로 결합되는 복수 개의 노즐조립체;를 포함하는 반작용식 터빈이 제공된다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 하우징입구와 하우징출구가 형성되고, 상기 하우징입구로 유입되는 고압의 작동유체가 상기 하우징출구 방향으로 이동할 수 있도록 상기 하우징입구와 하우징출구 사이를 연통시키는 하우징유로가 형성되는 하우징; 상기 하우징에 회전 가능하게 결합되는 터빈축; 및 상기 하우징유로에 회전 가능하게 수용되어 상기 터빈축에 일체로 결합되고, 상기 작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 분사구멍을 갖는 적어도 한 개 이상의 노즐조립체;를 포함하고, 상기 노즐조립체는 복수 개의 판이 겹쳐져 결합되고 그 겹쳐진 면에 상기 분사구멍이 형성되는 반작용식 터빈이 제공된다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 하우징입구와 하우징출구가 형성되고, 상기 하우징입구로 유입되는 고압의 작동유체가 상기 하우징출구 방향으로 이동할 수 있도록 상기 하우징입구와 하우징출구 사이를 연통시키는 하우징유로가 형성되는 하우징; 상기 하우징에 회전 가능하게 결합되는 터빈축; 및 상기 하우징유로에 회전 가능하게 수용되어 상기 터빈축에 일체로 결합되고, 상기 작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 분사구멍을 갖는 적어도 한 개 이상의 노즐조립체;를 포함하고, 상기 하우징입구와 하우징출구 중에서 적어도 어느 한 개는 복수 개가 구비되어 상기 터빈축의 축방향을 따라 서로 대칭되도록 형성되는 반작용식 터빈이 제공된다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 하우징입구와 하우징출구가 형성되고, 상기 하우징입구로 유입되는 고압의 작동유체가 상기 하우징출구 방향으로 이동할 수 있도록 상기 하우징입구와 하우징출구 사이를 연통시키는 하우징유로가 형성되는 하우징; 상기 하우징에 회전 가능하게 결합되는 터빈축; 및 상기 하우징유로에 회전 가능하게 수용되어 상기 터빈축에 일체로 결합되고, 상기 작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 분사구멍을 갖는 노즐조립체;를 포함하고, 상기 하우징입구는 노즐조립체의 회전 중심부 위치에서 축방향으로 형성되고, 상기 하우징출구는 상기 노즐조립체의 외주연에 대응되는 위치에서 원주방향으로 감겨 형성되는 반작용식 터빈이 제공된다.
본 발명의 반작용식 터빈은, 서로 다른 용량의 터빈을 제작할 때 부품을 공유하기가 용이할 뿐만 아니라 각 부품의 조립이 용이하고 터빈축의 편심회전을 미연에 방지하여 반작용식 터빈의 내구성이 크게 향상될 수 있다. 또, 각 부품의 조립이 용이하면서도 분사구멍의 길이가 길어 효율이 향상되므로 터빈의 소형화 및 고효율화를 실현할 수 있다. 또, 분사구멍의 끝단에 크기가 다른 노즐을 선택적으로 착탈할 수 있어 터빈의 용량을 용이하게 가변할 수 있다.
도 1은 본 발명 반작용식 터빈의 외관을 보인 사시도,
도 2는 도 1에 따른 반작용식 터빈에서 중간을 분리하여 보인 사시도,
도 3은 도 1에 따른 반작용식 터빈을 분해하여 보인 사시도,
도 4는 도 1에 따른 반작용식 터빈을 조립하여 보인 단면도,
도 5는 도 1에 따른 반작용식 터빈에서 제3 하우징의 내주면을 보인 확대도,
도 6은 도 1에 따른 반작용식 터빈에서 제3 하우징의 내주면에 대한 다른 실시예를 보인 확대도,
도 7은 도 1에 따른 반작용식 터빈에서 단위 노즐조립체를 분해하여 보인 사시도,
도 8은 도 7에 따른 단위 노즐조립체를 조립하여 보인 단면도,
도 9는 도 7에 따른 단위 노즐조립체에서 노즐커버를 보인 평면도,
도 10은 도 9의 "I-I"선 단면도,
도 11은 도 7에 따른 단위 노즐조립체에서 노즐플레이트를 보인 평면도,
도 12 내지 도 15는 도 1에 따른 노즐조립체의 노즐플레이트에서 스팀의 유동순서별 분사연통구의 개수(단면적) 변화를 보인 평면도,
도 16은 도 1에 따른 반작용 터빈에서 노즐조립체에 대한 다른 실시예를 분해하여 보인 사시도,
도 17은 도 16에 따른 노즐조립체를 조립하여 보인 평면도,
도 18은 본 발명에 따른 반작용식 터빈의 다른 실시예를 보인 단면도,
도 19는 본 발명에 의한 반작용식 터빈에서 양방향 회전이 가능한 반작용식 터빈을 보인 단면도,
도 20은 본 발명에 따른 단단형 반작용식 터빈의 일실시예를 보인 사시도,
도 21은 도 20의 II-II선을 따라 자른 단단형 반작용식 터빈의 단면도.
이하, 본 발명에 의한 반작용식 터빈을 첨부도면에 도시된 실시예들에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명 반작용식 터빈의 외관을 보인 사시도이고, 도 2는 도 1에 따른 반작용식 터빈에서 중간을 분리하여 보인 사시도이며, 도 3은 도 1에 따른 반작용식 터빈을 분해하여 보인 사시도이고, 도 4는 도 1에 따른 반작용식 터빈을 조립하여 보인 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 반작용식 터빈은, 하우징(10)에 터빈축(20)이 회전 가능하게 결합되고, 상기 터빈축(20)에는 작동유체인 고압의 스팀이 팽창하면서 회전하도록 분사구멍(301)을 갖는 적어도 한 개 이상의 노즐조립체(30)가 상기 하우징의 내부에서 축방향을 따라 적층되어 이루어진다.
상기 하우징(10)은 스팀이 유입되도록 적어도 한 개 이상의 하우징입구(101)를 갖는 입구측 하우징(이하, 제1 하우징)(110)과, 상기 제1 하우징(110)의 타측에 소정의 간격을 두고 배치되며 팽창된 저압의 스팀이 대기 중으로 배출되거나 또는 재순환을 위해 배출되도록 적어도 한 개 이상의 하우징출구(102)를 갖는 출구측 하우징(이하, 제2 하우징)(120)과, 상기 제1 하우징(110)과 제2 하우징(120) 사이에 구비되어 상기 노즐조립체(30)가 회전할 수 있도록 하우징유로(또는, 팽창공간)(103)를 형성하는 적어도 한 개 이상의 중간 하우징(이하, 제3 하우징)(130)으로 이루어진다.
상기 제1 하우징(110)은 그 일측면에 흡입유로홈을 갖으며 그 흡입유로홈의 중앙에 터빈축을 지지하도록 축수구멍을 갖는 단일체로 형성될 수도 있으나, 도면에서와 같이 흡입공간(1111)을 갖도록 환형으로 형성되고 그 흡입공간(1111)의 일측에 상기 하우징입구(101)가 관통 형성되는 흡입하우징(suction housing)(111)과, 상기 흡입하우징(111)의 일측을 복개하여 상기 흡입공간(1111)을 형성하고 그 중앙에 축수구멍(1121)이 형성되는 전면커버(front cover)(112)와, 상기 전면커버(112)의 일측면에 체결되고 후술할 제1 베어링(51)이 체결되어 고정되는 베어링커버(bearing cover)(113)로 이루어진다.
상기 흡입하우징(111)은 상기 흡입공간(1111)이 원형공간을 이루도록 환형으로 형성되고, 상기 하우징입구(101)는 그 단면적이 상기 하우징출구(102)의 전체 단면적 보다는 작게 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 전면커버(112)는 상기 흡입하우징(111)의 흡입공간(1111)을 복개할 수 있을 정도의 넓이를 갖는 원판모양으로 형성되고, 그 중앙에는 상기 축수구멍(1121)이 관통 형성된다. 상기 축수구멍(1121)의 내주면에는 상기 흡입공간(1111)과 터빈축(20)의 외주면 사이를 실링하기 위한 제1 실링부재(41)가 결합된다. 상기 제1 실링부재(41)는 자기 윤활성을 갖는 재질로 형성될 수 있고, 그 내주면에는 상기 흡입공간(1111)으로 유입되는 고압의 스팀이 누설되는 것을 차단할 수 있도록 래버린스실(labyrinth seal)(411)이 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 베어링커버(113)는 상기 전면커버(112)의 일측면에 체결될 수 있도록 그 전면커버(112)의 축수구멍(1121)보다 크게 형성되고, 상기 베어링커버(113)의 내주면에는 상기 터빈축(20)의 일단을 반경방향(radial)으로 지지하는 제1 베어링(51)이 고정 설치된다.
상기 제2 하우징(120)은 적어도 한 개 이상의 하우징출구(102)를 갖고 그 중앙에 축수구멍(1211)이 형성되는 토출커버(discharge cover)(121)와, 상기 토출커버(121)의 일측면에 결합되어 상기 터빈축(20)을 축방향(thrust)으로 지지하는 후면커버(rear cover)(122)로 이루어진다.
상기 토출커버(121)는 원판모양으로 형성되고 그 중앙에 상기 축수구멍(121)이 형성되고, 상기 축수구멍(121)의 주변에 적어도 한 개 이상의 하우징출구(102)가 형성된다.
상기 축수구멍(121)의 내주면에는 상기 하우징유로(팽창공간)(103)와 터빈축(20)의 외주면 사이를 실링하기 위한 제2 실링부재(42)가 결합된다. 상기 제2 실링부재(42)는 자기 윤활성을 갖는 재질로 형성될 수 있고, 그 내주면에는 상기 팽창공간(103)을 흐르는 고압의 스팀이 하우징(10)의 외부로 누설되는 것을 차단할 수 있도록 래버린스실(labyrinth seal)(421)이 형성될 수 있다. 그리고 상기 토출커버(121)의 일측, 즉 상기 실링부재(42)의 바깥쪽에는 상기 터빈축(20)의 타단을 반경방향(radial)으로 지지하는 제2 베어링(52)이 고정 설치된다.
상기 후면커버(122)는 상기 토출커버(121)의 일측면에 체결될 수 있도록 그 토출커버(121)의 축수구멍(1211)보다 크게 형성되고, 상기 후면커버(122)의 내측면에는 상기 터빈축(20)을 축방향(thrust)으로 지지하는 제3 베어링(53)이 고정 설치된다.
상기 제3 하우징(130)은 환형으로 형성되어 후술할 분리판(140)과 함께 상기 전면커버(112)와 토출커버(121)에 볼트로 체결된다. 그리고 상기 제3 하우징(130)의 중앙부에는 상기 노즐조립체(30)를 수용하는 동시에 작동유체가 유동할 수 있도록 상기 노즐조립체(30)의 외경보다 크게 하우징유로(103)가 형성된다.
상기 하우징유로(103)는 전류측 노즐조립체에서의 체적보다 후류측 노즐조립체에서의 체적이 점차 증가되는 것이 바람직하므로 상기 제3 하우징(130)의 축방향 두께는 제1 하우징(110)에서 제2 하우징(120) 방향으로 갈수록 점차 두껍게 형성하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 하우징유로(131)의 내주면, 즉 상기 제3 하우징(130)의 내주면에는 도 5에서와 같이 상기 노즐조립체(30)의 분사구멍(301)을 통해 분사되는 유체가 부딪혀 반발력을 발생하도록 다수 개의 충돌면(1311)이 원주방향을 따라 연속으로 형성될 수 있다. 상기 충돌면(1311)은 상기 하우징유로(103)의 곡률 반경보다 작은 곡률 반경을 갖는 곡면으로만 형성될 수도 있지만, 단차진 형상이나 또는 도 6과 같이 곡면부(1312)와 그 곡면부(1312)의 적어도 일측단(도면에선 일측단)에서 연장되는 직선면부(1313)를 갖는 형상 등 다양하게 형성될 수 있다.
여기서, 상기 충돌면(1311)이 곡면부(1312)와 직선면부(1313)로 이루어진 경우에는 상기 직선면부(1313)가 노즐조립체(30)의 회전방향측에 형성되는 것이 바람직하다. 그리고 상기 충돌면(1311)의 곡면부(1312)는 도 5에서와 같이 제3 하우징(130)의 중심과 일치하는 중심을 가지도록 형성될 수도 있지만, 도 6에서와 같이 곡면부(1312)의 중심이 제3 하우징(130)의 중심과 일치하지 않고 노즐조립체(30)의 분사구멍(301)을 고려하여 노즐조립체(30)의 회전방향으로 편심되도록 형성될 수도 있다.
상기 충돌면(1311)은 곡률 반경이 너무 작은 경우에는 스팀이 거의 노즐조립체(30)의 중심을 향하여 움직이게 되어 노즐조립체(30)의 회전을 오히려 방해하게 된다. 반대로, 충돌면(1311)의 곡률 반경이 너무 큰 경우에는 스팀은 하우징(10)의 외부에서만 움직이게 되어 노즐조립체(30)의 회전에 큰 도움을 주지 못한다. 따라서 전술한 범위로 충돌면(1311)의 곡률 반경을 조절하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 충돌면(1311)의 일단, 즉 곡면부(1312)의 양단 중에서 직선면부(1313)의 반대쪽에는 노즐조립체(30)와 제3 하우징(130) 사이로 누설되는 것을 줄여 충돌력을 높일 수 있는 블레이드(1315)가 나사 체결될 수 있다. 상기 블레이드(1315)는 노즐조립체(30)에 가까울수록 그 두께가 점차 증가하는 형상을 가질 수 있다.
상기 제3 하우징(130)의 양측에는 그 제3 하우징(130)과 함께 하우징유로(103)를 형성할 수 있도록 분리판(140)들이 각각 구비된다. 상기 분리판(140)은 상기 제3 하우징(130)과 함께 전면커버(112)와 토출커버(121)에 체결될 수 있다. 그리고 상기 분리판(140)의 중앙부위에는 후술할 노즐커버(310)가 회전 가능하게 삽입되도록 관통구멍(141)이 형성된다.
그리고 상기 관통구멍(141)의 내주면에는 흡입공간(1111) 또는 전류측의 하우징유로(103)에서 후류측의 하우징유로(103)로 스팀이 누설되지 않도록 제3 실링부재(43)가 고정 설치된다. 상기 제3 실링부재(43)의 내주면에도 상기와 같은 래버린스실(431)이 형성될 수 있다.
그리고 상기 분리판(140)의 양측면에는 상기 제3 하우징(130)을 반경방향으로 지지하도록 지지돌기(1411)가 형성되고, 상기 분리판(140)의 양측면 중에서 하우징출구쪽에는 상기 제3 하우징(130)과 함께 하우징유로(103)를 이루도록 유로홈(1412)이 형성되고, 상기 유로홈(1412)은 후류측 노즐조립체(30)의 분사흡입구(313)에 연통된다.
상기 터빈축(20)은 그 축부의 중앙부위에 축방향으로 긴 복수 개의 키 장착홈(201)이 형성되고, 상기 키 장착홈에는 축방향으로 긴 플레이트 모양의 키(key)(210)가 각각 삽입되어 고정된다.
상기 노즐조립체(30)는 상기 터빈축(20)에 결합되는 개수에 따라 터빈의 용량이 가변될 수 있다. 즉, 터빈의 용량이 작은 경우에는 노즐조립체(30)의 개수를 적게 구성하는 반면, 터빈의 용량이 큰 경우에는 노즐조립체(30)의 개수를 많게 구성할 수 있다.
여기서, 상기 노즐조립체(30)의 개수가 다수 개인 경우에는 작동유체가 후류측으로 갈수록 팽창되는 점을 고려하여 상기 노즐조립체(30)의 분사구멍(301)은 후류측으로 갈수록 총단면적을 크게 하거나 또는 개수를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 도 11 내지 도 15에서와 같이 상기 노즐조립체(30)가 5개인 경우 각 노즐조립체(30)의 분사구멍(301)의 개수를 한 개씩 늘려 형성할 수 있다. 다만, 도 14의 경우는 제4단 노즐조립체이고 도 15의 경우는 제5단 노즐조립체이나, 도 4를 참조하여 보면 제5단 노즐조립체의 경우는 분사구멍(301)이 제4단 노즐조립체의 분사구멍보다 더 깊게 형성되어 상기 제4단 노즐조립체의 분사구멍(301)의 개수에 비해 제5단 노즐조립체의 분사구멍(301)의 개수가 한 개 적더라도 실제 단면적은 확장된 것이다.
그리고 상기 분사구멍(301)의 개수가 복수 개인 경우에는 그 형상을 동일하게 형성하여 등간격으로 형성하는 것이 편하중을 줄여 터빈의 성능을 높일 수 있다.
그리고 상기 상기 노즐조립체(30)의 내주면에는 상기 터빈축(20)의 외주면에 구비되는 키(key)(210)가 삽입되어 일체로 결합될 수 있도록 축방향으로 소정의 길이를 갖는 복수 개의 키홈(key groove)(201)이 원주방향을 따라 등간격으로 형성된다.
도 7은 도 1에 따른 반작용식 터빈에서 단위 노즐조립체를 분해하여 보인 사시도이고, 도 8은 도 7에 따른 단위 노즐조립체를 조립하여 보인 단면도이며, 도 9는 도 7에 따른 단위 노즐조립체에서 노즐커버를 보인 평면도이고, 도 10은 도 8의 "I-I"선 단면도이며, 도 11은 도 7에 따른 단위 노즐조립체에서 노즐플레이트를 보인 평면도이다.
이에 도시된 바와 같이 상기 노즐조립체(30)는 상기 분사구멍(301)의 입구를 이루도록 분사흡입구(313)가 형성되는 노즐커버(310)와, 상기 노즐커버(310)의 일측면에 결합되고 상기 노즐흡입구(313)와 연통되도록 분사연통구(323)와 분사토출구(324)가 연속으로 형성되는 노즐플레이트(320)로 이루어진다.
상기 노즐커버(310)는 원판모양으로 형성되고, 그 중앙에는 상기 터빈축(20)에 삽입되어 결합되도록 축구멍(311)이 형성되며, 상기 축구멍(311)의 내주면에는 상기 터빈축(20)의 키(210)가 삽입되어 결합될 수 있도록 키홈(312)이 형성된다. 그리고 상기 축구멍(311)의 주변에는 적어도 한 개 이상, 바람직하게는 원주방향을 따라 등간격으로 복수 개의 분사흡입구(313)가 형성된다.
상기 분사흡입구(313)는 축방향으로 형성될 수 있으나, 도 9 및 도 10에서와 같이 상기 노즐조립체(30)가 회전하는 것을 감안하여 그 회전방향으로 소정의 경사각을 갖는 경사면(3131)으로 형성되는 것이 작동유체가 원활하게 흡입될 수 있어 바람직할 수 있다. 그리고 상기 분사흡입구(313)의 입구단 또는 내주면에는 작동유체가 원활하게 흡입될 수 있도록 블레이드 또는 가이드 그루브와 같은 안내부(3132)가 형성될 수도 있다.
상기 노즐플레이트(320)는 상기 노즐커버(310)와 대략 동일한 직경을 갖는 원판모양으로 형성되고, 그 중앙에는 상기 터빈축(20)에 삽입되어 결합되도록 축구멍(321)이 형성되며, 상기 축구멍(321)의 내주면에는 상기 노즐커버(310)의 키홈(312)과 대응하도록 키홈(322)이 형성된다. 그리고 상기 축구멍(321)의 주변에서 외주면 방향으로 상기 분사연통구(323)가 형성된다.
상기 분사연통구(323)는 환형으로 형성되는 제1 분사연통구(3231)와, 상기 제1 분사연통구(3231)에서 상기 분사토출구(324)를 향해 선형으로 연장되는 제2 분사연통구(3232)로 이루어진다. 상기 제1 분사연통구(3231)는 상기 분사흡입구(313)와 축방향으로 연통되도록 상기 분사흡입구(313)와 대략 비슷한 높이에 형성되고, 상기 제2 분사연통구(3232)는 상기 제1 분사연통구(3231)에서 접선 방향으로 연통되어 상기 외주면 방향으로 연장되며 그 끝단 부근에서 상기 분사토출구(324)를 향해 곡면지게 형성된다.
상기 분사토출구(324)는 그 단면이 상기 노즐조립체(30)의 접선에 대해 소정의 각도, 즉 접선 방향으로 스팀을 분사할 수 있도록 접선에 대해 대략 수직한 방향을 향하도록 형성될 수 있다.
그리고 상기 분사토출구(324)의 끝단에는 노즐구멍(331)을 갖는 노즐(330)이 볼트 또는 리벳으로 착탈 가능하게 체결된다. 상기 노즐(330)은 그 노즐구멍(331)의 입구에서 출구 사이에 소경부(3311)를 갖도록 형성되는 것이 분사속도를 높일 수 있어 바람직할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 의한 반작용식 스팀터빈은 다음과 같이 동작된다.
즉, 상기 보일러에서 발생되는 고압의 스팀이 배관을 통해 상기 하우징(10)의 하우징입구(101)로 공급되면, 그 스팀은 상기 흡입공간(1111)을 거쳐 분사흡입구(313)로 흡입되어 상기 제1 분사연통구(3231)로 안내된다. 이때, 상기 분사흡입구(313)가 노즐조립체(30)의 회전방향으로 경사지게 형성됨에 따라 스팀이 그 경사면(3131)을 따라 제1 분사연통구(3231)로 신속하게 유입될 수 있다.
상기 제1 분사연통구(3231)로 유입되는 고압의 스팀은 그 제1 분사연통구(3231)에서 각각의 제2 분사연통구(3232)로 분배되어 상기 분사토출구(324)를 향해 바깥쪽으로 빠르게 이동하고, 상기 분사토출구(324)에서 노즐(330)의 노즐구멍(331)을 통해 상기 제3 하우징(130)과 분리판(140)으로 형성되는 하우징유로(팽창공간)(103)고압의 스팀이 고속으로 분출된다. 이때, 상기 제3 하우징(130)의 내주면에는 충돌면(1311)이 형성됨에 따라 상기 노즐조립체(30)에서 토출되는 고압의 스팀이 상기 충돌면(1311)과 부딪히면서 강한 반발력을 발생시키고 이 반발력에 의해 상기 노즐조립체(30)가 회전하는 추진력이 배가될 수 있다.
상기 노즐조립체(30)에서 하우징유로(103)로 분출되는 스팀은 그 노즐조립체(30)의 측면에 구비되는 상기 분리판(140)의 유로홈(1412)을 따라 중앙쪽으로 이동하여 후류측 노즐조립체(30)의 분사흡입구(313)로 안내되고, 이 분사흡입구(313)로 안내되는 스팀은 앞서 언급한 과정을 반복하면서 최종 노즐조립체(30)의 분사토출구(324)를 통해 최종 제3 하우징(130)과 분리판(140)으로 이루어진 최종 하우징유로(103)로 분출된다. 그리고 상기 최종 하우징유로(103)로 분출되는 스팀은 다시 팽창을 하면서 상기 토출커버(121)의 하우징출구(102)를 통해 외부로 배출되는 일련의 과정을 반복하게 된다.
상기와 같이 노즐조립체(30)가 고압의 스팀을 원주방향으로 분사하면서 발생되는 회전력은 상기 노즐조립체(30)와 결합된 터빈축(20)에 전달되어 그 터빈축(20)이 상기 노즐조립체(30)와 함께 회전을 하면서 회전력을 외부에 전달하게 된다.
여기서, 상기 터빈축(20)은 그 터빈축(20)의 양단에서 상기 베어링 커버(113)에 고정되는 제1 베어링(51)과 상기 토출커버(121)에 고정되는 제2 베어링(52)에 각각 반경방향으로 지지되는 동시에 상기 후면커버(122)에 고정되는 제3 베어링(53)에 의해 축방향으로 지지됨에 따라 상기 터빈축(20)은 안정적으로 고속 회전을 할 수 있게 된다.
또, 상기 하우징(10)의 내부로 유입되는 고압의 스팀이 복수 개의 노즐조립체(30)들을 순서대로 통과하게 되므로 각 노즐조립체(30)들이 수용되는 팽창공간(103)들 사이에는 압력차가 발생하게 되고 이 압력차에 의해 압력이 높은 전류측 팽창공간에서 후류측 팽창공간으로 스팀이 누설될 수도 있으나, 상기 하우징(10)을 이루는 전면커버(112)와 토출커버(121) 그리고 분리판(140)들의 내주면에 각각 실링부재(41)(42)(43)를 설치함에 따라 스팀이 외부로 누설되거나 또는 각 하우징유로 사이에서 누설되는 것을 방지하여 터빈의 에너지 효율을 높일 수 있다.
또, 상기 노즐조립체(30)를 포함하는 단위 터빈의 개수에 따라 터빈의 용량을 조절할 수 있으므로 서로 다른 용량의 터빈을 용이하게 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 다른 용량의 터빈을 제작하기 위한 부품의 공유가 용이하여 제조비용을 절감할 수 있다.
또, 상기 노즐조립체(30)의 분사구멍(301)이 길고 곡면지게 형성됨에 따라 상기 분사구멍(301)을 통해 분사되는 스팀의 분사속도가 높아지게 되고 이로 인해 터빈의 크기 대비 효율이 크게 향상될 수 있다.
본 발명에 의한 반작용식 터빈에서 노즐조립체에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.
즉, 전술한 실시예에서는 상기 노즐조립체가 노즐커버와 노즐플레이트로 이루어지고 상기 노즐플레이트의 접촉면 또는 노즐커버와 노즐플레이트의 각 접촉면에 분사구멍이 홈지게 형성되는 것이었으나, 본 실시예는 상기 노즐커버와 노즐플레이트의 사이에 노즐링을 설치하고 그 노즐링에 분사구멍을 형성하는 것이다.
도 16은 도 1에 따른 반작용 터빈에서 노즐조립체에 대한 다른 실시예를 분해하여 보인 사시도이고, 도 17은 도 16에 따른 노즐조립체를 조립하여 보인 평면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 노즐조립체(30)는, 제1 판부재인 노즐커버(350)와, 상기 노즐커버(350)의 일측면에 배치되는 제2 판부재인 노즐플레이트(360)와, 상기 노즐커버(360)와 노즐플레이트(360) 사이에 결합되고 그 노즐커버(350) 및 노즐플레이트(360)와 함께 밀폐된 분사공간(302)을 형성하는 링부재인 노즐링(370)으로 이루어진다.
상기 노즐커버(350)와 노즐플레이트(360)는 단순 원판 모양으로 형성되고, 상기 노즐커버(350)의 중앙에는 분사흡입구(351)가 관통 형성되는 반면 상기 노즐플레이트(360)의 중앙에는 터빈축(20)이 삽입되어 결합되도록 축구멍(361)이 형성된다. 상기 노즐플레이트(360)의 내측면에는 상기 축구멍(361)을 수용하는 동시에 상기 분사흡입구(351)를 통해 흡입되는 스팀을 노즐링(370)의 분사토출구(373) 방향으로 분산시키기 위한 분산돌부(362)가 형성된다. 상기 분산돌부(362)는 분사흡입구 방향으로 갈수록 면적이 좁아지도록 곡면진 원뿔모양 등으로 형성될 수 있다.
상기 노즐링(370)은 한 쌍의 하우징 측면들, 즉 분사면(371)과 지지면(372)이 원주방향을 따라 톱니와 같이 연속으로 이어져 형성되고, 상기 분사면(371)들과 지지면(372)들에 의해 중공형의 분사공간(302)이 형성된다. 상기 분사공간(302)은 격실 등으로 나누어져 있지 않으며, 일체형으로 형성된다. 따라서 대부분의 스팀은 분사공간(302)으로부터 외부로 모두 분출되므로, 반작용 터빈의 효율이 높고 구조가 간단할 수 있다. 그리고 상기 분사면(371)과 지지면(372)은 후조립될 수도 있고 일체형으로 형성될 수 있다. 일체형으로 형성되는 것이 가공상 유리할 수 있다.
상기 분사면(371)은 노즐링(370)의 중심, 즉 터빈축(20)의 축중심에서 방사상으로 형성되고, 상기 지지면(372)은 전류측 분사면의 외주단에서 후류측 분사면의 내주단으로 연결되도록 소정의 각을 가지고 형성된다.
상기 분사면(371)에는 분사토출구(373)가 형성된다. 상기 분사토출구(373)는 분사면(371)에서 대해 직각을 이루도록 형성된다. 상기 분사토출구(373)에는 분사면(371)과 직각방향으로 소정의 길이를 갖는 노즐(375)이 결합된다. 상기 노즐(375)은 고압의 스팀 등에 견딜 수 있도록 별도의 볼트를 이용하여 결합되거나 또는 분사토출구(373)에 직접 나사 결합될 수 있다. 상기 노즐(375)은 전술한 실시예와 같이 그 내경이 필요에 따라 가감된 것을 선택하여 조립할 수 있다.
상기 지지면(372)은 곡면 또는 경사면을 포함하도록 형성되고, 상기 지지면(372)의 곡률 반경을 조절하여 노즐(또는 분사토출구)(375)로부터 배출되는 스팀의 이용 효율을 최대화할 수 있다. 즉, 스팀이 노즐(375)로부터 배출된 후 지지면(372)을 따라 흐르므로, 스팀의 배출 방향은 지지면(372)의 외측 곡면부(374)에 의해 영향을 받는다. 따라서 지지면(372)의 곡률 반경을 0.5mm 내지 7.5mm로 조절하는 것이 바람직하다. 지지면(372)의 곡률 반경이 너무 작은 경우, 스팀이 노즐조립체(30)의 회전 방향을 따라 안내되지 못하고 지지면(372)에 바로 충돌하면서 노즐조립체(30)의 회전력을 극대화할 수 없다. 반대로, 지지면(372)의 곡률 반경이 너무 큰 경우에는 그 지지면(372)의 외측 곡면부(374)가 상기 충돌면(1311)에 간섭될 수 있다. 따라서 지지면(372)의 곡률 반경을 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직할 수 있다.
여기서, 상기 노즐커버(350)의 직경과 노즐플레이트(360)의 직경은 노즐링(370)의 직경보다 크게 형성되는 것이 상기 노즐(375)로부터 배출되는 스팀이 주로 노즐커버(350)와 노즐플레이트(360)의 사이로만 안내될 수 있다. 이에 따라 스팀은 노즐링(370)의 회전 방향으로만 압력을 가하게 되어 노즐조립체(30)의 회전에 필요한 기계적 에너지를 최대화할 수 있다.
상기와 같은 본 실시예에 의한 노즐조립체의 작용 효과는 전술한 실시예의 노즐조립체와 대동소이하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 다만, 본 실시예의 경우는 전술한 실시예와 달리 제1 분사연통구를 이루는 분사공간(302)이 넓게 형성되어 곧바로 분사토출구(373)에 이어지도록 형성됨에 따라 그 분사공간(302)에서의 유로저항이 증가하거나 스팀이 1차 팽창되어 터빈 효율이 저하될 수 있으나, 구조가 간결하여 조립이나 유지보수가 용이할 수 있다. 또, 분사유로의 막힘 등이 미연에 방지되어 안정성이 향상될 수 있다.
본 발명에 의한 반작용식 터빈에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.
즉, 전술한 실시예에서는 상기 하우징입구가 터빈축을 기준으로 일단에 구비되는 반면 상기 하우징출구가 타단에 구비되는 것이었으나, 본 발명은 상기 하우징입구가 중앙에 구비되고 상기 하우징출구가 양단에 각각 구비되는 것이다.
도 18은 본 발명에 따른 반작용식 터빈의 다른 실시예를 보인 단면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 반작용식 터빈은 하우징입구(101)와 그 하우징입구의 양쪽에 구비되는 하우징출구(102)와 상기 하우징입구(101)와 각 하우징출구(102)를 서로 독립적으로 연결하는 각각의 하우징유로(103)를 갖으며, 상기 하우징입구(101)는 터빈축(20)을 기준으로 중앙에 배치되는 반면 상기 하우징출구(102)들은 상기 하우징입구(101)를 중심으로 축방향 대칭될 수 있도록 상기 터빈축(20)의 양단에 각각 배치된다.
상기 하우징입구(101)는 도면에서와 같이 한 개만 형성되어 양쪽 하우징유로(103)로 분지될 수 있으나 상기 하우징입구(101)가 복수 개가 구비되어 각 하우징유로(103)로 연통되도록 형성될 수도 있다.
그리고 상기 노즐조립체(30)의 개수와 규격은 상기 하우징입구(101)를 중심으로 서로 대칭되도록 형성되는 것이 상기 터빈축(20)의 축추력(axial thrust force)을 상쇄시켜 터빈축(20)이 한 쪽으로 쏠리는 것을 방지할 수 있어 바람직하다.
본 실시예에 따른 반작용식 터빈에 대한 기본적인 구성은 전술한 실시예와 대동소이하고, 작용 효과는 전술한 실시예와 선행기술에 기재된 내용을 포함하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 다만, 본 실시예의 경우는 상기 하우징입구가 중앙에 배치되고 하우징출구가 양단에 배치됨에 따라 터빈축의 축추력(axial thrust force)을 상쇄시킴으로써 반작용식 터빈의 진동을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 마찰손실을 줄여 터빈 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 반작용식 터빈에 대한 또다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.
즉, 전술한 실시예에서는 상기 노즐조립체가 상기 하우징입구의 양측에 설치되어 그 노즐조립체가 동일방향으로 회전하도록 구비되는 것이었으나, 본 실시예는 상기 하우징입구를 중심으로 양측에 배치되는 노즐조립체가 서로 반대방향으로 회전할 수 있도록 구비되는 것이다.
도 19는 본 발명에 의한 반작용식 터빈에서 양방향 회전이 가능한 반작용식 터빈을 보인 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 반작용식 터빈은 하우징유로가 제1 하우징유로(1031)와 제2 하우징유로(1031)로 구획되어 상기 제1 하우징유로(1031)와 제2 하우징유로(1032)는 각각 별도의 하우징입구와 하우징출구가 형성된다.
이를 위해, 상기 하우징입구에는 유로분리판(104)이 설치되어 그 하우징입구가 제1 하우징입구(1011)와 제2 하우징입구(1012)로 구분되고, 상기 터빈축(20)의 양단에는 각각의 하우징입구(1011)(1012)에 대응되도록 제1 하우징출구(1021)와 제2 하우징출구(1022)가 구비된다.
그리고 상기 제1 하우징입구(1011)에는 제1 유체공급관(1051)이 연결되고, 상기 제2 하우징입구(1012)에는 제2 유체공급관(1052)이 연결되며, 상기 제1 유체공급관(1051)과 제2 유체공급관(1052)은 한 개의 전환밸브(106)에 연결된다. 상기 전환밸브(106)는 스팀의 유동방향을 제어하여 그 스팀을 원하는 방향으로 공급할 수 있도록 3방밸브로 이루어질 수 있다. 물론 상기 전환밸브(106)는 제1 유체공급관(1051)과 제2 유체공급관(1052)에 각각 별도로 설치되어 각자 제어될 수도 있다.
그리고 상기 노즐조립체(30)는 상기 제1 하우징입구(1011)와 제1 하우징출구(1021) 사이에 설치되는 제1 군(A)과 상기 제2 하우징입구(1012)와 제2 하우징출구(1022) 사이에 설치되는 제2 군(B)이 서로 반대방향으로 회전할 수 있도록 배열된다.
본 실시예에 따른 반작용식 터빈에 대한 기본적인 구성은 전술한 실시예와 대동소이하고, 작용 효과는 전술한 실시예에 기재된 내용을 포함하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 다만, 본 실시예의 경우는 상기 하우징유로가 제1 하우징유로와 제2 하우징유로로 구획되어 그 각 하우징유로에 서로 반대방향으로 분사구멍을 갖는 노즐조립체가 설치되고 상기 제1 하우징입구와 제2 하우징입구에 독립적으로 연결되는 제1 유체공급관과 제2 유체공급관이 스팀의 유동방향을 제어하는 전환밸브에 연결됨으로써 스팀의 공급방향에 따라 터빈축의 회전방향을 정회전 또는 역회전으로 전환할 수 있어 반작용식 터빈을 더욱 다양하게 적용할 수 있다.
또 한편, 도면으로 도시하지는 않았으나, 상기 노즐조립체가 터빈축의 중앙을 중심으로 양쪽에 각각 설치되는 경우에는 도 18 및 도 19에서와 같이 하우징입구가 중앙에, 하우징출구가 양단에 각각 설치될 수도 있지만, 경우에 따라서는 상기 하우징입구가 양단에, 하우징출구가 중앙에 설치될 수도 있다. 이에 대한 구성과 작용효과는 전술한 실시예들과 대동소이하므로 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명에 의한 반작용식 터빈에 대한 또다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.
즉, 전술한 실시예들에서는 복수 개의 노즐조립체가 축방향을 따라 적층된 다단형 반작용식 터빈의 경우를 살펴보았으나, 본 실시예는 한 개의 노즐조립체로 이루어진 단단형 반작용식 터빈에도 스팀의 반작용력을 적용할 수 있다.
도 20은 본 발명에 따른 단단형 반작용식 터빈의 일실시예를 보인 사시도이고, 도 21은 도 20의 II-II선을 따라 자른 단단형 반작용식 터빈의 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 단단형 반작용식 터빈은, 분사입구(411)와 분사출구(412)를 갖는 하우징(10)과, 상기 하우징(10)에 회전 가능하게 결합되는 터빈축(20)과, 상기 터빈축(20)에 일체로 결합되어 상기 하우징(10)의 내부에서 회전 가능하게 구비되는 한 개의 노즐조립체(30)로 이루어진다.
상기 하우징(10)은 전방측(편의상, 스팀이 흡입되는 방향을 전방측이라고 함)에 배치되는 제1 하우징(410)과, 상기 제1 하우징(410)의 후측면에 배치되는 제2 하우징(420)과, 상기 제1 하우징(410)과 제2 하우징(420) 사이에 배치되어 노즐조립체(430)가 회전 가능하게 수용되는 하우징유로(또는, 팽창공간)(401)를 형성하는 한 개의 제3 하우징(430)으로 이루어진다.
상기 제1 하우징(410)은 중앙부위에 분사입구(411)가 축방향으로 형성되고, 상기 분사입구(411)의 바깥쪽에는 원주방향을 따라 달팽이관 모양으로 분사출구(412)가 형성된다.
상기 분사입구(411)는 전방측으로 소정의 높이만큼 돌출 형성되고, 상기 분사입구(411)의 내주면과 일측면에는 노즐조립체(30)를 반경방향과 축방향에 대해 회전 가능하게 지지하는 베어링들(402)(403)이 설치되며, 상기 베어링들(402)(403)의 주변에는 분사입구(411)와 분사출구(412) 사이를 실링하는 실링부재(404)가 설치될 수 있다.
상기 제2 하우징(420)은 중앙부위에 터빈축(20)이 관통 결합되는 축구멍(421)이 형성되고, 상기 축구멍(421)의 내주면에는 상기 터빈축(20)을 반경방향과 축방향에 대해 회전 가능하게 지지하는 베어링들(405)(406)이 설치되며, 상기 베어링들(405)(406)의 주변에는 하우징유로(401)를 밀폐하기 위한 실링부재(407)가 설치될 수 있다.
상기 제3 하우징(430)은 환형으로 형성되어 제1 하우징(410)과 제2 하우징(420)의 사이에 배치되어 결합될 수도 있지만, 경우에 따라서는 상기 제2 하우징(420)의 내측면에 일체로 형성될 수도 있다. 그리고 상기 제3 하우징(430)은 내주면이 평활관 모양으로 형성될 수도 있지만, 도 5 및 도 6과 같은 중돌면(도 5 및 도 6에서는, 1311)이 형성될 수도 있다.
상기 노즐조립체(30)는 도 7에서와 같이 2개의 부재, 즉 노즐커버(350)와 노즐플레이트(360)로 이루어질 수도 있고, 도 21에서와 같이 3개의 부재, 즉 노즐커버(350)와 노즐플레이트(360) 그리고 노즐링(370)으로 이루어질 수도 있다. 상기 노즐조립체(30)는 앞서 도시된 전술한 실시예들을 동일하게 적용할 수 있다. 따라서 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
상기와 같은 본 실시예에 의한 단단형 반작용식 터빈은, 스팀이 축방향을 따라 분사입구(411)를 통하여 노즐조립체(20)의 분사공간(302)으로 유입된다. 스팀은 원심력과 분산돌부(362)에 의해 방사상으로 흐르면서 분사토출구(373)에서 하우징(10)의 하우징유로(401)로 분사되어 터빈축(20)을 회전시킨다. 상기 터빈축(20)은 커플링(21)에 의해 발전기와 결합되어 발전기를 회전시킴으로써 전력을 생성할 수 있다. 이외에, 상기 터빈축(20)을 회전시켜 다른 동력원으로 사용할 수도 있다.
한편, 상기 하우징(10) 내부에서 사용 완료된 스팀은 분사출구(412)을 통하여 외부로 배출된다. 상기 분사출구(412)는 출구단으로 갈수록 점차 커지게 형성됨에 따라 스팀을 효율적으로 배출시킬 수 있다. 뿐만 아니라 상기 분사출구(312)가 달팽이관 형상으로 형성됨에 따라 스팀이 더욱 효과적으로 배출될 수 있다.

Claims (34)

  1. 터빈축; 및
    작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 분사구멍이 내부에 형성되고 상기 터빈축의 축방향을 따라 적층되어 일체로 결합되는 복수 개의 노즐조립체;를 포함하는 반작용식 터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노즐조립체는 복수 개의 판이 겹쳐져 결합되고 그 겹쳐진 면에 상기 분사구멍이 형성되는 반작용식 터빈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 분사구멍은,
    상기 하우징입구에 연통되는 분사흡입구;
    상기 하우징출구에 연통되도록 원주방향으로 형성되는 분사토출구; 및
    상기 분사흡입구와 분사토출구 사이를 연통시키는 분사연통구;로 이루어지며,
    상기 분사연통구는 적어도 일부가 곡면지게 형성되는 반작용식 터빈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 분사흡입구는 적어도 한 개 이상의 구멍으로 형성되고, 상기 노즐조립체의 회전방향에 대해 반대방향으로 경사지게 형성되는 반작용식 터빈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 분사흡입구의 주변에는 유체가 상기 분사흡입구 방향으로 안내되도록 돌기 또는 홈으로 된 안내부가 더 형성되는 반작용식 터빈.
  6. 제3항에 있어서, 상기 분사연통구는,
    상기 분사흡입구와 연통되는 제1 분사연통구; 및
    상기 제1 분사연통구에 일단이 연통되고 상기 분사토출구에 타단이 연통되는 적어도 한 개 이상의 제2 분사연통구;를 포함하고,
    상기 제1 분사연통구는 환형으로 형성되며,
    상기 제2 분사연통구는 상기 제1 분사연통구의 외주면에 접선 방향으로 연통되어 상기 분사토출구를 향해 곡면지도록 선형으로 형성되는 반작용식 터빈.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 분사토출구는 상기 노즐조립체의 접선에 대해 실질적으로 직각 방향을 향하도록 형성되는 반작용식 터빈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 노즐조립체는,
    제1 판부재;
    제2 판부재;
    상기 제1 판부재와 제2 판부재 사이에 결합되고, 상기 제1 판부재와 제2 판부재에 의해 밀폐되도록 분사공간부가 형성되며, 상기 분사공간부의 외주면에 상기 분사구멍이 적어도 한 개 이상 관통 형성되는 링부재;를 포함하고,
    상기 링부재는 상기 분사구멍이 형성되는 분사면과 그 분사면을 연결하는 지지면으로 이루어지며,
    상기 분사면은 그 분사면과 상기 링부재의 중심을 연결하는 가상선이 뻗은 방향과 상기 분사구멍이 관통되는 방향이 실질적으로 직각을 이루도록 형성되는 반작용식 터빈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 링부재의 분사면은 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 방사상으로 형성되며, 상기 분사면 사이는 전류측 분사면의 외주단과 후류측 분사면의 내주단이 상기 지지면으로 연결되는 반작용식 터빈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 노즐조립체의 분사구멍 끝단에는 노즐구멍을 갖는 노즐이 착탈 가능하게 결합되는 반작용식 터빈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 노즐조립체와 터빈축 중에서 적어도 어느 한 쪽에는 키홈이 형성되는 반면, 다른 한 쪽에는 상기 키홈에 삽입되어 회전방향으로 지지되는 키(key)가 형성되는 반작용식 터빈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 노즐조립체는 상기 터빈축이 회전 가능하게 결합되는 하우징에 수용되고, 상기 하우징에는 하우징입구와 하우징출구가 하우징유로로 연통되어 형성되며, 상기 하우징유로에 상기 노즐조립체가 회전 가능하게 배치되고, 상기 분사구멍의 입구와 출구가 상기 하우징유로에 연통되어 그 하우징유로와 분사구멍이 번갈아 배열되는 반작용식 터빈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 노즐조립체의 분사구멍은 상기 하우징출구 쪽에 위치하는 노즐조립체의 분사구멍의 단면적이 상기 하우징입구 쪽에 위치하는 노즐조립체의 분사구멍의 단면적보다 크게 형성되는 반작용식 터빈.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 노즐조립체의 분사구멍은 상기 하우징출구 쪽에 위치하는 노즐조립체의 분사구멍의 개수가 상기 하우징입구 쪽에 위치하는 노즐조립체의 분사구멍의 개수보다 많게 형성되는 반작용식 터빈.
  15. 제12항에 있어서, 상기 하우징은,
    상기 하우징입구를 갖는 제1 하우징;
    상기 하우징출구를 갖는 제2 하우징; 및
    상기 제1 하우징과 제2 하우징 사이에 축방향을 따라 적층되도록 개재되고 상기 노즐조립체가 회전 가능하게 수용되도록 하우징유로를 갖는 복수 개의 제3 하우징;을 포함하고,
    상기 각 하우징의 사이에는 상기 노즐조립체를 분리하기 위한 분리판이 더 구비되는 반작용식 터빈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제3 하우징은 그 축방향 두께가 상기 제1 하우징에서 제2 하우징 방향으로 갈수록 확대되도록 형성되는 반작용식 터빈.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 하우징유로를 이루는 제3 하우징의 내주면에는 상기 분사구멍을 통해 분사되는 유체의 분사방향과 일치하지 않는 원주방향을 따라 복수 개의 충돌면이 형성되는 반작용식 터빈.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 충돌면은 곡면부를 가지도록 형성되고, 상기 곡면부의 곡률 반경은 상기 하우징유로의 곡률 반경보다 작은 곡률 반경을 갖도록 형성되는 반작용식 터빈.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 곡면부의 적어도 일측에는 직선면부가 연장 형성되는 반작용식 터빈.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 곡면부의 일측에는 노즐조립체 방향으로 돌출되는 블레이드가 구비되는 반작용식 터빈.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 분리판과 상기 노즐조립체들 사이에는 실링부재가 구비되고, 상기 실링부재에는 래버린스실(labyrinth seal)이 형성되는 반작용식 터빈.
  22. 제12항에 있어서,
    상기 하우징입구는 축방향 일단에 형성되고, 상기 하우징출구는 축방향 타단에 형성되는 반작용식 터빈.
  23. 제12항에 있어서,
    상기 하우징입구는 축방향 중간에 형성되고, 상기 하우징출구는 축방향 양단에 각각 형성되는 반작용식 터빈.
  24. 하우징입구와 하우징출구가 형성되고, 상기 하우징입구로 유입되는 고압의 작동유체가 상기 하우징출구 방향으로 이동할 수 있도록 상기 하우징입구와 하우징출구 사이를 연통시키는 하우징유로가 형성되는 하우징;
    상기 하우징에 회전 가능하게 결합되는 터빈축; 및
    상기 하우징유로에 회전 가능하게 수용되어 상기 터빈축에 일체로 결합되고, 상기 작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 분사구멍을 갖는 적어도 한 개 이상의 노즐조립체;를 포함하고,
    상기 노즐조립체는 복수 개의 판이 겹쳐져 결합되고 그 겹쳐진 면에 상기 분사구멍이 형성되는 반작용식 터빈.
  25. 하우징입구와 하우징출구가 형성되고, 상기 하우징입구로 유입되는 고압의 작동유체가 상기 하우징출구 방향으로 이동할 수 있도록 상기 하우징입구와 하우징출구 사이를 연통시키는 하우징유로가 형성되는 하우징;
    상기 하우징에 회전 가능하게 결합되는 터빈축; 및
    상기 하우징유로에 회전 가능하게 수용되어 상기 터빈축에 일체로 결합되고, 상기 작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 분사구멍을 갖는 적어도 한 개 이상의 노즐조립체;를 포함하고,
    상기 하우징입구와 하우징출구 중에서 적어도 어느 한 개는 복수 개가 구비되어 상기 터빈축의 축방향을 따라 서로 대칭되도록 형성되는 반작용식 터빈.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 노즐조립체는 상기 하우징입구 또는 하우징출구를 중심으로 축방향 양쪽이 서로 동일방향으로 회전하도록 형성되는 반작용식 터빈.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 노즐조립체는 상기 하우징입구 또는 하우징출구를 중심으로 축방향 양쪽이 서로 반대방향으로 회전하도록 형성되는 반작용식 터빈.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 하우징입구는 복수 개가 구비되고, 그 복수 개의 하우징입구에 연결되는 유체공급관에는 작동유체의 유입방향을 제어하여 상기 터빈축의 회전방향을 전환시키는 밸브가 구비되는 반작용식 터빈.
  29. 하우징입구와 하우징출구가 형성되고, 상기 하우징입구로 유입되는 고압의 작동유체가 상기 하우징출구 방향으로 이동할 수 있도록 상기 하우징입구와 하우징출구 사이를 연통시키는 하우징유로가 형성되는 하우징;
    상기 하우징에 회전 가능하게 결합되는 터빈축; 및
    상기 하우징유로에 회전 가능하게 수용되어 상기 터빈축에 일체로 결합되고, 상기 작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 분사구멍을 갖는 노즐조립체;를 포함하고,
    상기 하우징입구는 노즐조립체의 회전 중심부 위치에서 축방향으로 형성되고, 상기 하우징출구는 상기 노즐조립체의 외주연에 대응되는 위치에서 원주방향으로 감겨 형성되는 반작용식 터빈.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 노즐조립체의 회전 중심부에는 상기 하우징입구를 통해 축방향으로 유입되는 작동유체를 반경방향으로 안내하도록 상기 하우징입구 방향으로 단면적이 작아지게 분산돌부가 형성되는 반작용식 터빈.
  31. 제30항에 있어서, 상기 노즐조립체는,
    제1 판부재;
    제2 판부재;
    상기 제1 판부재와 제2 판부재 사이에 결합되고, 상기 제1 판부재와 제2 판부재에 의해 밀폐되도록 분사공간부가 형성되며, 상기 분사공간부의 외주면에 상기 분사구멍이 적어도 한 개 이상 관통 형성되는 링부재;를 포함하고,
    상기 링부재는 상기 분사구멍이 형성되는 분사면과 그 분사면을 연결하는 지지면으로 이루어지며,
    상기 분사면은 그 분사면과 상기 링부재의 중심을 연결하는 가상선이 뻗은 방향과 상기 분사구멍이 관통되는 방향이 실질적으로 직각을 이루도록 형성되는 반작용식 터빈.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 링부재의 분사면은 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 방사상으로 형성되며, 상기 분사면 사이는 전류측 분사면의 외주단과 후류측 분사면의 내주단이 상기 지지면으로 연결되는 반작용식 터빈.
  33. 제30항에 있어서, 상기 노즐조립체는,
    제1 판부재; 및
    상기 제1 판부재에 겹쳐져 결합되는 제2 판부재;로 이루어지고,
    상기 제2 판부재의 겹쳐진 면에 상기 분사구멍이 형성되는 반작용식 터빈.
  34. 제30항에 있어서,
    상기 노즐조립체의 분사구멍 끝단에는 노즐구멍을 갖는 노즐이 착탈 가능하게 결합되는 반작용식 터빈.
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