KR101001056B1 - 구심력 동작형 수차 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저속도의 물 흐름에서 높은 효율로 동작하는 수차에 관한 것으로,
효율 좋은 수차를 완성하는 것은 물이 가지고 있는 중량과 운동량을 그 에너지가 소멸할 때까지 수차에 머무르도록 하여 물이 가지고 있는 운동 에너지를 전부 회전력으로 변화시키는 것이 과제이고 목표이다.
수차를 효율 좋게 하는 방법으로 높은 낙차를 이용하는 것은 선택의 여지가 많지 않으므로 수차의 회전력과 중력을 이용하여 복합적인 효율 증대 방안으로써, 물의 흐름을 회전하는 수차의 중앙부에 모이게 함으로써 물의 상대 속도를 감속되게 되며, 이때의 관성 하중이 수차에 가하도록 하는 방법으로는 수차의 외주 부분이 수직 구조를 갖추어 물의 중력을 증가하는 구조 부분인 것과, 회전 수차의 바닥은 중앙부로 갈수록 중심 축 방향으로 낮아지며 기울게 하고, 수차의 날개는 적절한 간격으로 상부 덮개와 하부 바닥재 사이에서 완벽하게 접착하여 밀폐하는 구조로 하며, 물이 가지고 있는 운동 에너지를 가능한 한 많이 수차에 가해지도록 하는 수단으로는 수차의 날개를 물의 흐름을 방해하지 않으면서 접촉하는 날개를 연장하는 구조가 되게 한다.
본 발명의 구심력 동작형 수차는 느린 유속의 물이 가지고 있는 운동 에너지를 최대로 활용할 수 있는 효율 높은 수차를 완성할 수 있다.

Description

구심력 동작형 수차{CENTRIPETAL TYPE TURBINE}

본 발명은 비교적 저 낙차, 저속의 물 흐름을 이용한 발전장치의 수차를 효율 좋게 구성하기 위한 것으로, 수차의 형식은 물레방아나 충격식 수차가 아닌 물의 중력과 회전 관성을 이용한 구심력 동작 수차 특성이며, 회전하는 수차에서의 중력의 효과를 크게 하는 중력 실을 갖는 구심력 수차에 관한 것이다.

종래의 저 낙차용 수차는 거의 물레방아 형식 등 고전적인 수차를 쓰고 있으며, 이러한 것들은 효율을 높이는 것은 한계가 있다.

본 발명의 구심력 동작형 수차는 종래의 원심 펌프(Centrifugal Pump)와 그 구성이 비슷하여 배경 기술로써 원심 펌프 기술 형태를 예로 보면 다음과 같다.

[문헌 1] 대한민국 특허 등록 번호 10-0381466-000(2003.04.10)은 국제 출원번호 PCT/GB 94/001254로 출원한 기술로써 원심 또는 혼류 터보 기계에 관한 것으로 동 문헌의 도면 1A는 회전력에 의한 펌프의 토출 압력을 최대로 하기 위한 날개 각도를 개선한 것이나, 수차로써 효율을 높일 수 있는 것과는 다르다.

[문헌 2] 대한민국 특허 출원번호 특1992-0011053(1992,06,25)는 원심 반동 수차에 대한 기술로써, 이중 구조의 원통형 회전체를 회전함으로써 원심력에 의해 반작용이 작용하도록 하는 것은 동 문헌의 도면 2 및 도면 3에서 파악이 가능하며, 단지 원심력에 의해서만 동작하는 구조로써 소 수력 발전 구조에는 효율 증대에 기여하지 못하는 구조이다.

저 낙차의 발전 설비에서 공통적인 사항으로, 수차에 작용하는 위치 에너지인 낙차를 전부 회전력으로 전환하기 위하여 물의 운동에너지를 전부 수차에서 소멸할 수 있는 구조로 함으로써 수차의 효율을 높게 하는 것이 바람직하다.

수차에 작용하는 물의 에너지를 수차에서 전부 소멸시키려면 물이 가지고 있는 중량과 운동량을 그 에너지가 소멸할 때까지 수차에 머무르도록 하여 물이 가지고있는 운동 에너지를 전부 회전력으로 변화시키는 것이 과제이다.

이와 같이 저 낙차의 풍부한 수량에서 작동하는 수차를 적절한 구성과 구조로써 이용률을 높여 친환경 발전설비를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

물의 운동 에너지를 수차에서 최대한 소멸시켜 회전력으로 하기 위하여, 물이 채워져 있는 욕조의 하부 중앙에 있는 배수구로 배수할 때, 코리올리 효과(Coriolis Effect)에 의해 일정한 회전 방향으로 물이 회전하면서 배수되는데, 배부되는 상태를 보면 물은 전체적으로 균일한 속도로 회전하는 것이 아니라 배수구 근처에서는 빠른 속도로 회전하며 욕조를 이탈하는가 하면 배수구에서 먼 거리의 물은 상대적으로 느린 속도로 회전함을 알 수 있다.
배수구 근처의 빠른 회전력을 갖는 부분에 외각의 물의 속도와 같은 회전 속도를 갖도록 저지 판은 설치한다면 물의 회전력은 억제됨과 동시에 저지 판은 물의 빠른 속도에 의한 운동력의 영향으로 회전 방향으로 회전력을 발생한다.
위와 같은 현상을 이용하여 인위적으로 물의 회전 방향은 외부에서 공급하는 노즐의 각도 선택에 의해 조정하고, 회전하는 물이 중앙의 배수구 쪽으로 쉽게 흐르도록 중앙부로 갈수록 낮은 기울기를 형성하는 바닥면을 갖추는 깔때기 모양의 회전하는 수차 형태이면서, 내부에 방사상의 형태로 수직의 격벽을 일정 간격으로 배열하여 물의 회전을 억제하는 구조로 하여 회전하려는 물의 운동에너지는 가로 막힌 수직 격벽에 충돌하도록 하여, 초기에 수차에 주입하는 물은 외부에서의 에너지와 수차 내부의 높이에 따른 위치에너지에 의해 발생하는 회전운동력을 가로 막는 수직 격벽의 저지 수단에 의한 관성 힘에 의해 동력을 발생하는데 그 작용 수단을 나열하면, 첫째 높은 압력의 물의 충격 에너지를 수차에 전가하기 위하여 물의 충돌이 효율 좋게 수차의 날개에 직접 타격하도록 하고, 둘째로 수차의 회전력과 중력을 이용하여 물의 흐름을 중앙부에 모이는 과정에서 물의 상대 속도를 감속되게 하여 이때의 관성 하중이 수차에 가하도록 하는 방법으로는 수차의 외주 부분에 수직 구조의 격실을 갖추어 물의 중력을 증가하는 구조 부분인 것과, 회전 수차의 바닥은 중앙부로 갈수록 낮아지며 기울게 하고, 수차의 날개는 적절한 간격으로 상부 덮개와 하부 바닥재 사이에 완벽하게 접착하여 밀폐하는 구조로 하며, 셋째 물이 가지고 있는 운동 에너지를 가능한 한 많이 수차에 가해지도록 하는 수단으로는 수차의 날개를 물의 흐름을 방해하지 않으면서 계속 접촉하도록 날개를 연장하는 구조를 이룬다.

본 발명의 구심력 동작형 수차는 느린 유속의 물을 이용한 발전 등에서 수차의 동작 특성을 개선하여 물이 가지고 있는 운동 에너지를 최대로 활용할 수 있는 수차로써, 물의 흐름이 다양한 지역에서 소규모 수력의 이용을 가능하게 하여 친환경 에너지 생산에 기여할 수 있는 초소수력 발전을 위한 수차를 완성할 수 있다.

제 1도는 본 발명 구심력 동작형 수차의 일 실시 예의 절개 단면도
제 2도는 본 발명 구심력 동작형 수차의 일 실시 예의 구성 개요도
제 3도는 본 발명 구심력 동작형 수차의 일 실시 예의 설치 완성도
제 4도는 본 발명 구심력 동작형 수차의 일 실시 예의 다른 날개 예시도
제 5도는 본 발명 구심력 동작형 수차의 일 실시 예의 수로 구성 예시도

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 수차의 구성을 현재의 물레방아를 옆으로 눕힌 것과 비슷하면서도 바닥은 깔때기 모양이며, 수차의 외주 부분에 비교적 높게 수직 중력 실을 구성하고, 각각의 날개는 수차 전체를 격실로 구획함과 동시에 회전 축 부분 가까이 까지 연장하는 구성이다.

이하 본 발명에 의한 구심력 동작형 수차를 첨부한 도면에 의거 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 구심력 동작형 수차의 일 실시 예의 절개 단면도로써, 고정 축(21)은 축 고정 판(34)에 고정한 후 고정 볼트 너트(35)로 바닥에 나사 조임 방법으로 고정하고, 일정 높이에 측압 베어링(THRUST BEARING)(25)을 고정 축(21)의 상부로부터 끼워 삽입하여 설치하고 그 위에 베어링(23)을 삽입한 후 베어링(23) 및 측압 베어링(25)의 케이스가 가공된 받침 틀(18)을 삽입하는 구성이다.

받침 틀(18)은 밑으로 물의 통과가 가능하도록 많은 구멍이 있는 구조이다.

상부 회전 틀(16)은 베어링(23)을 내부 홀에 끼우고 고정 축(21)에 삽입하는 구조이고, 날개(11)의 윗부분을 용접 등의 방법으로 부착한 윗 덮개(14)를 상부 회전 틀(16)에 용접 등의 방법으로 고정하는 구성이다.

각각의 날개(11)는 고정 축(21)을 중심으로 내 측의 동심 원의 일정 공간을 두는 배열이며, 날개(11)의 상부와 하부 면은 고정 축(21) 쪽으로 갈수록 하강하는 경사각을 이루는 형상이며, 또한 날개(11)는 외주 면에는 일정 넓이로 수직으로 솟아올라 중력 실(80)을 형성하는 구조이다.

날개(11)의 밑 부분에는 아래 덮개(15)를 용접 등의 방법으로 부착하고 안쪽 측면에 파이프 형태의 내부 구심 통(12)을 용접 등의 방법으로 부착하고, 날개(11) 바깥쪽 측면에는 역시 파이프 형태의 외부 구심 통(13)을 용접 등의 방법으로 부착하며, 날개가 조립된 회전 구심 통(10)의 상부에는 상부 회전 틀(16)이 용접 등의 방법으로 부착되고, 회전 구심 통(10)의 하부에는 측면으로 물의 방류가 원만하게 하는 많은 구멍이 형성된 파이프 형태의 하부 회전 틀(17)을 용접 등의 방법으로 부착하는 구성이다.

조립된 회전 구심 통(10)을 고정 축(21)에 베어링(23)을 삽입한 상태에서 상부로부터 삽입하여 설치하고, 결합 볼트(19)로 하부 회전 틀(17)과 받침 틀(18)을 볼트 체결하여 조립하는 구성이다.

방수로(26)는 하부 회전 틀(17) 전체가 완전히 삽입되고 받침 틀(18)은 기밀한 틈새로 밀착되어 회전하는 형상으로 설치하는 구성이다.

도 2는 본 발명 구심력 동작형 수차의 일 실시 예의 구성 개요도로써, 고정 판(34)과 고정 축(21)을 결합한 상태에서 바닥에 볼트 너트(35)로 결합하여 고정하고, 일정 높이로 축 압 베어링(25)을 설치하고 다시 그 위에 베어링(23)을 끼운 상태에서 받침 틀(18)을 끼워 넣은 다음 베어링(23)을 다시 끼워넣으면 고정 축(21) 부분은 설치가 완료되는 구성이다.

고정 축(21)의 상부에서부터 외부 구심 통(13)과 아래 덮개(15) 및 하부 회전 틀(17)의 구성품을 끼워넣고, 결합 볼트(19)로 하부 회전 틀(17)과 받침 틀(18)을 결합하여 고정한다.

날개(11)들과 윗 덮개(14) 및 상부 회전 틀(16)의 조합으로 이루어지는 구성품은 외부 구심 통(13)의 내측으로 삽입하고 용접 등의 방법으로 결합하고, 다시 이들의 내측에 내부 구심 통(12)을 삽입, 용접 등의 방법으로 결합하는 구성이다.

이상의 도 2에서의 구성은 본 발명 구심력 동작형 수차의 구성을 부분적으로 구분하여 나타내기 위한 것으로 제작의 방법은 생산성을 높이기 위해 도면의 순서와는 다르게 즉, 날개로 이루어지는 격실을 단위부품의 형태로 제작하여 연결조립으로 전체 수차의 형상을 완성하는 구조로 할 수 있음은 당연하다.

도 3은 본 발명 구심력 동작형 수차의 일 실시 예의 설치 완성도로써, 고정 축(21)을 결합한 고정 판(34)을 볼트 너트(35)로 바닥에 고정하고, 완성한 회전 구심 통(10)을 고정 축(21)에 끼워넣어 설치한 후 도 1의 상부 회전 틀(16)과 용접 등의 방법으로 결합하여 연장한 상부 회전 틀 연장 파이프(55)가 구조 철골(31) 상부의 구조물 지붕(39)을 뚫고 통과하게 하고 그 끝 부분에 베어링(38)을 설치한 후 베벨 기어(28)를 설치하며, 연결 축(51)과 기어박스(52)를 거쳐 발전기(53)와 벨트 결합 등의 방법으로 연결하는 구성이 된다.

구조물 지붕(39)의 밑으로 회전 구심 통(10)으로 되는 수차를 돌리기 위한 물을 공급하는 수로(61)를 "U-볼트" 및 너트(62)를 이용하여 설치한다.

구조 철골(31)은 기초(32)에 고정 볼트 너트(33)로 결합하여 고정하며, 방수 로(26)는 회전 구심 통(10)과 고정 판(34)의 사이에 설치하며, 방수 구(29)가 대체로 낮은 상태로 설치하는 구성이다.

도 4는 본 발명 구심력 동작형 수차의 일 실시 예의 다른 날개 예시 도로써, 외부 구심 통(13)과 상부 회전 틀(16)의 사이의 유선형 날개(111)는 고정 축(21)을 중심으로 일정 방향으로 균일한 모양의 나선형으로 하는 구성이다.

도 5는 본 발명 구심력 동작형 수차의 일 실시 예의 수로 구성 예시 도로써, 회전 구심 통(10)과 상부 회전 틀(16)을 통과하는 고정 축(21)은 파이프의 형태로 구성하고, 측 압 베어링(25)을 통과한 후 결합 수로(71)를 통하여 결합 상자(72)에서 외부 수로(73)과는 결합하는 구성이다.

고정 축(21)은 파이프의 형태로 구성하여 회전 구심 통(10)의 상부 부분에서 다수의 분기 관(74)과 노즐(75)을 구비하며, 방수로(26)는 회전 구심 통(10)의 하부에 설치하는 구성이다..

해당 사항 없음.

Claims (5)

1. 외부의 수로(61)에서 공급되는 물에 의해 회전 동작하는 수차에 있어서,
   고정판(34)에 고정한 고정 축(21),
   베어링(23)을 내부에 설치한 상태로 고정 축(21)의 일정 위치에서 회전하도록 고정하고, 그 하부에 원판 형의 윗 덮개(14)를 부착한 상부 회전 틀(16),
   상기 상부 회전 틀(16)의 원판형 부분에 결합한 윗 덮개(14)의 하부에 고정 축(21)과는 일정 간격의 공간을 두며 직선의 방사상 형태로 다수의 판재로 수직 격벽을 형성하도록 고정 결합하는 날개(11),
   상기 날개(11)의 외주 부분은 상부로 일정 넓이 및 높이로 연장하고 그 외주 부분에 상부 및 하부가 개방된 원통 형상의 부재로 외부 구심 통(13)을 형성하고,
   상기 날개(11)의 하부 부분은 외주 부분에서 중앙의 고정 축(21)의 방향으로 갈수록 경사져 내려가는 형상으로 다수의 날개(11)의 바닥 연장선은 깔때기 형상이 되도록 하고 다수의 날개(11)의 하부 부분과 외부 구심 통(13)의 하부 부분을 동시에 밀폐되도록 결합하는 깔때기 형상의 아랫 덮개(15)와,
   상기 날개(11)와 아랫 덮개(15)는 고정 축(21)과의 사이에 방수 구를 확보하도록 공간을 형성하며,
   상부 회전 틀(16), 윗 덮개(14), 날개(11), 외부 구심 통(13) 및 아랫 덮개(15)가 일체형으로 되어 베어링(23)으로 고정 축(21)과 회전가능한 결합인 구심력 동작형 수차.
2. 청구항 1에서,
   각각의 날개(11)를 윗 덮개(14) 상부로 연장하고, 돌출된 윗 덮개(14) 부분에 대하여 그 내측의 원주와 접하는 원통형 부재인 내부 구심 통(12)을 갖추는 구심력 동작형 수차.
3. 청구항 1에서
   윗 덮개(14), 외부 구심 통(13) 및 깔때기 형상의 아랫 덮개(15)와 결합하며, 평면상으로 보아 방사상 형태의 날개(11)는 평면상 방사상의 형태가 유선형으로 휘어지는 형태의 날개(111)인 것을 특징으로 하는 구심력 동작형 수차.
4. 청구항 2에서
   외부 구심 통(13)과 내부 구심 통(12)은 날개(11)의 높이보다 높게 한 것을 특징으로 하는 구심력 동작형 수차.
5. 외부수로(73)에서 공급되는 물에 의해 회전 동작하는 수차에 있어서,
   고정 축(21)은 외부수로(73)에서 공급되는 물을 원만하게 흐르게 하는 내부공간을 확보하는 파이프 형태로 외부수로(73)와 결합하는 것과,
   내부에 물 흐름을 가능하게 공간을 확보하는 파이프 형태인 고정 축(21)이 수차의 상부에서 역시 내부가 파이프 형태로 물을 공급할 수 있는 분기 관(74)으로 분기하여 노즐(75)을 형성하는 것과,
   베어링(23)을 내부에 설치한 상태로 고정 축(21)의 일정 위치에서 회전하도록 고정하고, 그 하부에 원판 형의 윗 덮개(14)를 부착한 상부 회전 틀(16),
   상기 상부 회전 틀(16)과 결합한 윗 덮개(14)의 하부에 고정 축(21)과는 일정 간격의 공간을 두며 직선의 방사상 형태로 다수의 판재로 수직 격벽을 형성하도록 고정되게 결합하는 날개(11),
   상기 날개(11)의 외주 부분은 상부로 일정 넓이 및 높이로 연장하고 그 외주 부분에 상부 및 하부가 개방된 원통 형상의 부재로 외부 구심 통(13)을 형성하고,
   상기 날개(11)의 하부 부분은 외주 부분에서 중앙의 고정 축(21)의 방향으로 갈수록 경사져 내려가는 형상으로 다수의 날개(11)의 바닥 연장선은 깔때기 형상이 되도록 하고 다수의 날개(11)의 하부 부분과 외부 구심 통(13)의 하부 부분을 동시에 밀폐되도록 결합하는 깔때기 형상의 아랫덮개(15)를 포함하고,
   상기 날개(11)와 아랫덮개(15)는 고정 축(21)과의 사이에 방수 구를 확보하도록 공간을 형성하며,
   상부 회전 틀(16), 윗 덮개(14), 날개(11), 외부 구심 통(13) 및 아랫 덮개(15)가 일체형으로 되어 베어링(23)으로 고정 축(21)과 회전가능한 결합인 구심력 동작형 수차.

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