KR100579036B1 - 수력발전소의 제너레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고정자와 회전 가능하게 설치된 로터 및 로터에 작용하여 로터의 회전을 일으키는 1차 베인을 갖는 수력발전소의 제너레이터에 관한 것이다. 제너레이터가 작은 구조적 크기를 갖기 위해 고정자(22)가 회전 가능하도록 설치되고 고정자(22)의 회전이 반대방향으로의 로터(20)의 회전을 일으키는 고정자(22)에 작용하는 2차 베인(24)이 설치된다.

수력발전소, 제너레이터

Description

수력발전소의 제너레이터{GENERATOR FOR A HYDRO-ELECTRIC STATION}

본 발명은 고정자와 회전가능하게 설치된 로터(rotor) 및 로터에 작용하여 로터의 회전을 일으키는 1차 베인(vane)을 갖는 제너레이터와 상기 제너레이터를 갖는 수력발전소에 관한 것이다.

수력발전소의 제너레이터는 당해 기술 분야에서 예를 들면 CH 31 69 00, FR 1 082 831, DE-A1 199 07 180 및 US 4 289 971 에 의해 알려져 있다.

그러한 종류의 제너레이터는 일반적으로 알려져 있고 예를 들면 저수지의 수력 발전소 등에서 사용된다. 모든 제너레이터에서 구조의 크기와 회전 속도 사이에 상호작용이 존재하는 것은 당연하다. 펠톤 터빈(Pelton turbine)의 예와 같이 로터의 회전속도가 커지면 이에 상응하여 제너레이터는 동일한 출력을 기준으로 더 작은 크기로 제작 가능하며, 다시 말해서 프란시스 터빈(Francis turbine)의 예와 같이 로터가 느리게 회전할수록 제너레이터는 보다 큰 크기로 제작된다.

전동장치(transmission)가 큰 회전속도를 생성할 수 있도록 로터의 회전을 일으키는 1차 베인과 제너레이터의 로터 사이에 전동장치를 설치할 수 있다. 그 결과 제너레이터 그 자체는 상대적으로 작게 될 수 있다. 그러나 전동장치는 설비의 효율 수준을 감소시키고, 잠재적인 장애의 근원지가 되며, 당연히 충분히 높은 토크로 운전되어야 하므로 로터 블레이드(blades) 또는 가이드 베인과 같은 커다란 설비를 요구하게 된다.

본 발명의 목적은 전동장치의 사용으로 수반되는 단점을 방지하면서도 크기가 작은 제너레이터를 제공하는 데 있다.

본 명세서의 도입부에서 설명된 유형의 제너레이터에 있어서 본 발명에서는 고정자(stator)가 회전할 수 있게 설치되고, 고정자의 회전이 반대 방향으로의 로터의 회전을 일으키는 고정자에 작용하는 2차 베인이 설치됨으로써 상기 목적이 달성된다.

본 발명은 제너레이터 구조의 크기의 기준이 제너레이터의 로터와 고정자 간의 상대속도라는 발견에 기초한다. 고정자가 고정되어 있다면 이는 오직 고정자의 회전 속도에 의해 결정된다. 그러나 만약 고정자가 회전할 수 있게 설치되고, 로터의 회전방향의 반대방향으로 회전한다면, 두 속도가 함께 더해져서 두 회전 속도의 합이 유효하게 된다. 이에 따라 제너레이터의 크기는 같은 출력을 기준으로 1/2로 될 수 있다.

간단한 구조의 제너레이터를 구현하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에서 1차 및/또는 2차 베인이 축을 경유하여 로터 또는 고정자에 작용한다.

물과 같은 액체 매체에서 작동이 가능하기 위해 제너레이터는 하우징(housing)을 구비하여 습기로부터 안전하게 보호되어야 한다. 디자인이 단순한 하우징의 외형을 제공하기 위해 하우징이 여러 부분으로 구성되고, 고정자는 하우징 내의 방수처리된 부위에 설치되고, 이는 회전 가능하도록 설치되고, 그의 외측에는 2차 베인이 설치된다. 상기 방법으로 2차 베인은 그 안에 설치된 고정자와 함께 하우징의 회전을 일으킬 수 있다.

상기 하우징에서 로터 축(rotor shaft)은 회전할 수 있도록 설치될 수 있고, 상기 축은 한편으로 로터를 지지하고, 다른 한편으로 하우징 외측에 배치된 다른 부분에서 또 다른 하우징 부분을 지지하며, 상기 하우징 부분에 축의 회전과 이를 통한 제너레이터의 로터의 회전을 일으키기 위해 1차 베인이 설치된다.

본 발명의 특히 바람직한 실시예에서 상호간의 베인의 간격은 수생물(aqua fauna)이 가능한 최소한의 범위의 위험에 놓이도록 설정된다. 그것은 한편으로 상호간의 주변 방향에 따른 1차와 2차 베인 각각의 간격에 해당하고, 다른 한편으로 1차와 2차 베인 사이의 간격에 해당하는 것으로서 예를 들어 물고기가 1차 및 2차 베인에 동시에 노출되지 않도록 방지하기 위한 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예는 종속항에서 자세히 기술된다.

도 1은 본 발명에 따른 제너레이터의 개략적인 단면도이다.

도 2는 물이 제너레이터를 통과하여 흐를 때 물에서의 압력 변화를 보여준 다.

이하에서 본 발명을 도면과 관련하여 더욱 상세하게 설명한다. 도 1은 유수로(flow passage)(10)에 배치된 제너레이터를 보여준다. 이 경우에 물이 흐르는 방향은 도면에서 왼쪽으로부터 오른쪽 방향이다. 제너레이터는 도면에서 유수로(10)의 한 구성요소인 서포트(support)(40)에 의해 지지된다. 그 다음 당연히 상기 서포트(40)는 제너레이터와 함께 기존의 유수로(10)에 추후 설치될 수 있다.

이 경우, 유수로(10)는 파이프형을 갖고, 그 말단에 플랜지(flange)(15)를 보유하며, 이를 이용하여 이미 존재하는 통로 부분(미도시)에 연결될 수 있다. 상기 실시양태는 다른 유로 부분으로부터 분리된 유수로(10)에서 제너레이터의 설치 또는 수리가 가능하게 한다. 캐리어 아이(carrier eyes)(11)가 유수로(10) 위에 구비되어 있으므로, 다른 유로 부분으로부터 유수로(10)를 대체하거나 분리하는 것은 이에 따라 쉽게 수행될 수 있다.

유수로(10)에 도시된 제너레이터는 주로 전방 부분(front portion)(14)과 후방 부분(rear portion)(12)의 두 개의 하우징 부분을 갖는다. 이 때 전방 하우징 부분(14)은 유선형 외형이고 제너레이터의 전방에서 유수의 적체현상을 방지한다.

후방 하우징 부분(12)은 로터와 고정자(22)를 지닌 제너레이터를 수용하고 추가로 제너레이터의 로터(20)로 여기 동력(exciter power)을 전달하기 위한 익사이터 머신(exciter machine)(28)을 포함한다.

로터(20)와 고정자(22) 사이에 상대 운동이 요구되므로 로터(20)는 후방 하우징 부분(12)에서 로터 축(18)으로 회전 가능하도록 설치된다. 이 경우에 상기 설치는 일례로 전방과 후방 로터 설치 형태로 회전 연결부(30, 31)에 의해 이루어진다. 물에 대하여 후방 하우징 부분(12)을 봉하기 위해 그 장치는 개별적인 실링 립(sealing lip)으로서 도면에서 간단하게 나타낸 실링(38)을 갖고, 임의의 다른 적합한 실링 형태도 사용가능하다.

제너레이터는 전방의 물로 윤활된 베어링(water-lubricated bearing)(34)과 후방의 물로 윤활된 베어링(36)을 갖고 서포트(40)에 위치한다. 상기 물로 윤활된 베어링(34, 36)은 조작 시 윤활제인 물의 연속적인 공급에 의해 확실하게 매끄럽게 윤활된다. 또한 통과하여 흐르는 물은 그리스(grease)나 그와 비슷한 다른 윤활제에 의해 방해를 받지 않는다.

상기 베어링으로 인해 제너레이터의 로터(20)와 고정자(22)의 반대방향으로의 회전이 가능하다. 여기 동력을 공급하고 생산된 전력을 수송하기 위해 후방의 물로 윤활된 베어링(36)에 설치된 축(shaft)(19)은 케이블이 슬립 링(slip ring)(26)으로부터 후방의 하우징 부분(12)의 내부로 통과되도록 하기 위하여 할로우(hollow) 축의 형태이어여야 한다. 케이블 흐름 형태는 불필요하게 도면의 명확성을 제한하지 않기 위해 도시하지 않았다.

상기 제너레이터의 운전 상태를 이하에서 설명한다. 유수로(10)를 통과하여 흐르는 물은 먼저 1차 베인(16)과 충돌한다. 상기 1차 베인(16)은 예를 들면 시계 방향으로의 회전을 일으키는 입사각에서 허브(hub)(17)를 경유하여 로터 축(18)에 연결된다. 이 때 허브(17)와 베인(16)은 대략적으로 물의 1/2의 운동에너지를 흡수하고 그것을 회전운동으로 전환시킬 수 있는 크기를 갖는다.

물이 유수로(10)에서 더욱 흐른 뒤에 2차 베인(24)이 있는 후방 하우징 부분(12)에 도달한다. 이 때 그 베인(24)의 입사각의 선택 및 베인(24)의 치수는 물의 유입이 제너레이터의 고정자(22)와 함께 후방 하우징 부분(12)의 회전 운동을 일으킬 수 있도록 정하여진다. 본 실시예에서, 회전 방향은 반시계방향일 것이다. 이 때에도 베인(24)은 물로부터 운동에너지의 약 1/2 정도를 취하고 이를 회전 에너지로 전환시킨다.

고정자를 갖는 후방 하우징 부분(12)이 유수로(10)에 대하여 회전하고 로터(20)를 갖는 전방 하우징 부분(14)은 후방 하우징 부분(12)에 대하여 회전하기 때문에 여기 동력은 슬립 링(26)을 경유하여 할로우 축(19)과 익사이터 머신(28)을 통해 제너레이터의 로터(20)에 공급되고 제너레이터의 고정자(22)에서 유도된 전력은 또다시 제너레이터 전방의 할로우 축(19)과 슬립 링(26)을 통해 수송된다.

도 2는 유수로(10) 내의 물에서의 압력 변화를 보여준다. 1차 베인(16)과 2차 베인(24)은 각각 물로부터 운동에너지의 약 1/2을 취하도록 설계되고, 1차 베인(16)과 2차 베인(24)은 상대적으로 낮은 속도로 회전하기 때문에, 유수로(10)의 물고기에 대하여 본 발명에 따른 제너레이터는 종래의 비교가능한 제너레이터에 비하여 심각한 영향을 주지는 않는다.

그것은 특히 종래의 제너레이터가 최상의 경우 물로부터 모든 운동에너지를 취하고 그것을 회전에너지로 변환하는 단지 하나의 블레이드 세트를 구비하기 때문이다. 이에 따라 유수가 상기 단계를 통과할 때 최대로 가능한 압력 강하가 발생한다. 본 발명에 따른 제너레이터의 경우에 압력 강하는 각각 총량의 약 1/2을 포함하는 2단계로 분배되고 이에 따라 수생물에 덜 심각한 영향을 준다.

블레이드의 외형과 배치에 의해 제너레이터로 유입되는 물의 회전 운동을 일으키거나 종래 제너레이터에 의해 일으킨 회전운동을 다시 취소하기 위해 종래 제너레이터에서 필요로 했던 가이드 블레이드의 설치를 생략할 수 있다. 상기 기능은 본 발명에서는 서로 반대 방향으로 회전하는 1차 베인(16)과 2차 베인(24)이 수행한다. 따라서 유입되는 물은 1차 베인(16)의 회전 방향에 상응하여 1차 베인(16)에 의해 시계방향의 회전 운동으로 옮겨진다. 그러나 2차 베인(24)은 반시계 방향으로 회전하기 때문에 상기 시계 방향의 회전 운동은 상쇄되어 유수로(10)부터 방류되는 물은 본질적으로 압력이 낮은 조건 및 직선형으로 유출된다.

Claims (8)

1. 회전 가능하게 설치된 고정자와 회전 가능하게 설치된 로터를 갖는 수력 발전소에 적합한 제너레이터로서, 상기 제너레이터는 로터에 작용하여 제1의 회전방향으로 로터의 회전을 일으키는 제1 입사각을 갖는 1차 베인(16)과, 고정자(22)에 작용하여 로터(20)의 제1의 회전 방향과 반대인 제2의 방향으로 고정자(22)의 회전을 일으키는 제2 입사각을 갖는 2차 베인(24)을 포함하되,

   1차 베인(16)이 축을 경유하여 로터(20)에 작용하고 상기 축이 물로 윤활된 베어링(34, 36)에 의해 장착되는 것을 특징으로 하는 제너레이터.
2. 제 1항에 있어서,

   2차 베인(24)이 축을 경유하여 고정자(22)에 작용하는 것을 특징으로 하는 제너레이터.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   하우징(12, 14)에 1차 및 2차 베인(16, 24)이 설치된 것을 특징으로 하는 하우징을 포함하는 제너레이터.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   하우징(12, 14)이 회전 가능하게 설치되고 고정자(22)가 하우징(12)에 설치되며 로터(20)가 하우징(12)에서 회전 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 제너레이터.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   하우징(12, 14)이 전방 부분과 후방 부분으로 구성되고 1차 및 2차 베인(16, 24)이 상이한 하우징 부분(12, 14)에 배치된 것을 특징으로 하는 제너레이터.
6. 삭제
7. 제 1항 또는 제 2항에 따른 제너레이터를 적어도 하나 포함하되, 상기 제너레이터는 유수로(10)에 설치되고 그것의 유입, 유출 또는 유입과 유출 개시부의 바깥 둘레에서 유수로(10)가 다른 유로 부분에 결합할 수 있는 플랜지(15)를 갖는 것을 특징으로 하는 수력발전소.
8. 제 7항에 있어서,

   캐리어 아이(11)가 유수로(10) 위의 미리 정하여진 위치에 구비되는 것을 특징으로 하는 수력발전소.

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