KR101169944B1 - 수력터빈용 유압 증속 동력전달장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수력 구동 터빈 로터에 사용되는 유압 동력전달장치에 관한 것으로, 저속 고압펌프(24)가 터빈 로터로부터 동력을 받아 고압의 출력을 고속 유압터빈에 전달하되, 터빈 로터의 축 속도에 비해 발전기를 구동하는데 필요한 토크를 낮춤으로써 축 속도의 증가를 가져오는 것을 특징으로 한다.

Description

수력터빈용 유압 증속 동력전달장치{HYDRAULIC SPEED-INCREASING TRANSMISSION FOR WATER CURRENT POWERED TURBINE}
본 발명은 유체에너지를 기계장치에 전달하도록 유체류와 작용할 수 있는 터빈 등의 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 물이나 기테 유체류의 작용으로 구동되는 터빈 등에 관한 것이다. 또, 본 발명은 흐르는 물에서 운동에너지를 취하여 필요한 용도로 활용하기 위한 전기나 기타 축력을 생산하기 위한 터빈 등의 운동장치에 관한 것이다. (민물이나 바닷물인) 본 발명에서 사용되는 흐르는 물은 조수, 해수, 강어귀의 물이나 강물이다.
이런 목적으로 사용되는 터빈에 대해 공지되어 있다. 예를 들어, 본 출원인의 영국특허 GB 2256011 B, GB 2311566 B, 2348250에는 바다나 강의 수중에 로터를 설치하여 물살의 힘으로 로터를 돌려 축력을 생산하고 결국 필요한 전력을 생산하기 위한 수력 터빈에 관한 구조가 소개되어 있다.
특히 본 발명은 흐르는 물에서 운동에너지를 취해 발전기나 교류기에서 전기를 생산하거나 고속회전축을 필요로 하는 다른 동력을 생산하는데 터빈 로터를 하나 이상 이용하는 동력전달장치에 관한 것이다.
일반적으로 강이든 바다이든 물에서 운동에너지를 취하는 터빈의 로터는 이 곳을 지나는 물의 운동에너지 일부로 로터를 회전시키도록 구성되어 있다. 축류형, 다리우스 타입의 횡류형이든, 또는 물살에 반응하는 다른 종류의 수중날개 타입 등 로터의 종류가 어떻든 간에, 물살로 구동되는 로터의 회전은 느릴 수 밖에 없는데, 이는 물살이 아무리 빨라도 2 내지 4 m/s 범위의 저속이고 로터의 양극단은 일반적으로 10 내지 15 m/s보다 훨씬 빨리 움직일 수 없기 때문이다. 따라서, 로터의 직경이 큰 대형 장치일수록 주어진 시간의 각속도가 작기 때문에 소형 장치만이 비교적 고속으로 회전할 수 있는 것이다.
그러므로, 발전기나 기타 비교적 고속 장치를 효과적으로 구동하기 위해 저속 로터의 회전에서 얻은 출력을 증가시키는 수단이 필요하다고 본다. 예컨대 직경이 15m인 축류 터빈 로터는 2 내지 2.5 m/s(4 내지 5 노트)의 물살에서 분당 약 10회전 하지만, 종래의 대부분의 발전기는 분당 1000회전이나 1500회전 또는 그 이상의 축속도로 구동되어야 한다. 따라서, 이런 상황에서는 터빈 축의 속도를 100배 이상으로 증가시켜야 한다. 종래에는 대부분 다단 기어박스를 이용했다. 그러나, 이런 종류의 기어박스는 기계적으로 복잡하고 다루기가 어려우며, 고가이고 마모가 크며, 터빈의 작동부 사이에 바르는 윤활유를 주기적으로 점검해야만 한다. 또, 기어박스의 오일이 유출되어 주변 환경을 오염시킬 우려도 크다.
전술한 목적의 터빈이 알려져 있다. 예를 들어, 본 출원인의 영국특허 GB 2256011 B, GB 2311566 B, 2348250에는 바다나 강의 수중에 로터를 설치하여 물살의 힘으로 로터를 돌려 축력을 생산하고 결국 필요한 전력을 생산하기 위한 수력 터빈에 관한 구조가 소개되어 있다.
따라서, 에너지를 취하기 위해 수중에 로터를 담그는 개념에 대해서는 상기 영국특허에 자세히 소개되어 있다.
발명의 목적
본 발명의 목적은 회전부재의 유효 회전속도를 증가시키는 방법과 수단을 제공하는데 있다.
발명의 요약
본 발명에 의하면, 수력 구동 터빈 로터에 사용되는 유압 동력전달장치에 있어서: 저속 고압펌프(24,24A)가 터빈 로터(6,20)로부터 동력을 받아 고압의 출력을 고속 유압터빈(35)에 전달하고; 저속 고압펌프(24,24A)에 캠폴로워(27), 링 배관(31), 공급용 고압배관(33) 및 복귀용 저압배관(34)이 연결되어 밀폐배관을 이루며; 저속 고압펌프(24,24A)의 유체가 공급용 고압배관(33)을 통해 고속 유압터빈(35)에 공급되고, 이후 고속유압터빈(35)으로부터 복귀용 저압배관(34)을 통해 고압펌프(24,24A)로 복귀되는 유압 동력전달장치가 제공된다.
저속 고압펌프와 관련된 유체에 대한 밀폐 유체 배관을 더 구비하는 것이 바람직하다.
저속 고압펌프의 유체가 고속 유압터빈으로부터 저압유체 복귀배관을 통해 다시 고압펌프로 복귀되는 것이 편리하다.
유체는 물이 바람직하다.
바람직하기로는, 물이 기본적으로 터빈의 로터가 작동하는 주변 물로부터 흡입된다.
로터가 작동중인 주변 물로부터 물을 흡입하여 모든 물의 손실을 보충하는 것이 편리하다.
물의 손실을 보충하는 보충수를 헤더 탱크에 저장하기 전에 여과하여 부유물이나 기타 오염물을 제거하고, 상기 탱크는 보충수를 시스템에 공급하여 누설되어 손실된 물을 보충하도록 위치한 것이 바람직하다.
유체가 물이고 터빈의 주변 작동환경에서 흡입되기 때문에 물의 누설이 비교적 크게 허용되어 밀봉부의 허용오차를 상대적으로 크게 할 수 있어서, 유체를 100% 보유하는 펌프보다 펌프의 기계적 작동효율을 최적화할 수 있다.
로터 각각이 다수의 별도의 펌프와 관련되고 이들 펌프는 관련 로터에 의해 구동되도록 배치되며, 저압 배관에서 유체를 받기 위해 펌프의 유체입력부가 연결되고 모든 펌프의 출력측은 발전기를 작동시키도록 결합된 유압 터빈에 고압 유체배관을 통해 연결된 공통의 고압 배관에 연결된다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 터빈의 유효속도를 증가시키기 위한 유압 동력전달장치가 수력 터빈에 구비된다.
본 발명의 또다른 특징에 의하면, 작동유체로 물을 사용하는 유압 동력전달장치를 이용해 원하는 속도 증가를 얻어서 저속 수력 터빈 로터를 종래의 발전기나 고속 장치에 결합할 수 있다.
저속 정압 유압펌프를 터빈 로터의 구동축에 직결하는 것이 바람직하다.
특히, 유압펌프는 다양한 종류가 있는데, 예를 들면 캠이나 크랭크로 구동되는 단기통이나 다기통 피스톤형 펌프, 내부형이나 외부형 기어펌프, 로브펌프(Lobe pump) 또는 베인펌프 등이 있다.
이용되는 펌프는 다양한 구성으로 제공될 수 있는바, 예컨대 피스톤이나 플런저형 펌프의 주축상의 캠이나 구동크랭크 둘레에 여러개의 실린더를 방사상으로 배치한 것, 실린더를 캠축이나 크랭크축을 따라 축방향으로 배치한 것, 또는 캠축이나 크랭크축을 따라 축방향으로 고정된 일련의 실린더들을 방사상으로 배치한 것이 있을 수 있다.
본 발명의 개념을 로터가 하나 이상인 수력 터빈에 적용할 수 있고, 이 경우 로터는 터빈을 작동시키는 유체가 공급되는 비슷한 저속 정압펌프에 결합되는데, 펌프가 해저에 있으면, 작동유체는 바닷물이고, 강에 있으면 민물이다. 따라서, 유체가 아무리 많이 누출되어도 주변 환경을 오염시킬 염려가 없다.
(피스톤이나 플런저 펌프가 달린) 각각의 실린더나 펌프 출력단에서는 저압 공급 매니폴드로부터 일방향 밸브를 통해 물을 흡입하고, 마찬가지로 일방향 밸브를 통해 고압 매니폴드에 압축수를 펌핑한다.
실제로, 저압 매니폴드는 저압 공급배관에 연결되고, 저압 공급배관에는 펌프의 필요량을 만족시키는 적당량의 유체가 흐른다. 마찬가지로, 고압 매니폴드는 고압 공급배관에 연결되고 피스톤이나 플런저 펌프에 의한 출력부의 진동을 흡수할 수 있는 어큐뮬레이터와 작용한다. 어큐뮬레이터는 기어펌프 등의 회전식 정압펌프를 사용할 때 필요한데, 이는 출력이 비교적 원활하고 압력펄스가 없기 때문이다.
저압 및 고압 배관들은 수력터빈의 지지대를 통해, 발전기에 연결된 모터나 펠튼터빈을 설치하기 편리한 장소로 이어진다. 펠튼터빈은 일반적으로 기존의 특수한 형태의 장치에 영향을 주는 물살에 의해 구동된다.
본 발명을 조력 터빈에 이용하는 것에 대해 영국특허 GB 2311566, 2348250에 소개한바 있는데, 이 터빈은 해저나 강바닥에 박힌 하나의 지지구조물에 설치되고, 이 지지구조물의 상단부는 수면 위로 돌출한다. 물살에서 운동에너지를 취하는 방법에 본 발명을 적용할 경우, 저압 및 고압 배관을 통해 발전기를 구동시키는 펠튼터빈에 유체가 흐르고, 발전기는 수면 위의 지지구조물 상단의 방수 하우징 내부에 설치되는 것이 바람직하다.
그러나, 터빈이나 제어장치가 수면 밑에 위치할 경우 펠튼터빈의 하우징도 수면 밑에 있을 수 있으므로, 방수가 되는 것이 좋다.
본 발명의 장치에 사용되는 물은 펌프와 터빈 둘다를 마모시킬 수 있는 부유물이나 찌꺼기가 없도록 여과하는 것이 바람직하다.
또, 장치의 밀봉부와 작동부의 마모를 최소화하도록 물에 적당량의 (생분해성) 윤활제를 첨가하는 것이 바람직하다.
본 발명에 필요한 모든 보충수는 보조펌프에 의해 여과기를 통과하면서 여과된 다음 헤더탱크나 저장탱크로 공급되고; 상기 펌프는 탱크내의 수위가 일정 높이 밑으로 떨어졌음을 나타내는 부유구나 신호가 있을 때만 작동하고 탱크내의 수위가 높을 때는 작동을 정지한다.
특히 상기 탱크는 복귀배관에 연결되고, 이 배관은 펠튼터빈 하부로부터 물을 모아서 저속 고압펌프의 공급 매니폴드에 물을 보낸다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해 설명한다.
도 1은 터빈과 관련 로터가 수면에 잠겨있는 상태의 영국특허출원 0327429.7에 소개된 수력터빈장치의 정면도;
도 2는 도 1의 측면도;
도 3은 도 1의 A-A선 단면도;
도 4는 도 1의 B-B선 단면도;
도 5, 6은 터빈과 관련 로터가 수면 위로 부상했을 때의 도면;
도 7은 도 1-6의 장치와 같이 사용될 때의 본 발명을 설명하는 개략도.
도 1-4에는 터빈조립체(2)를 설치하기 위한 지지기둥(1)이 도시되어 있다. 기둥(1)의 하단부는 강바닥이나 해저(SB)에 파묻히고, 그 길이는 상단부가 수면(WL) 위로 나올 정도이다. 도 1-4에서, 터빈조립체는 2개의 터빈유닛(3)으로 이루어지되, 각 유닛은 수평날개형 지지대의 양단부에 각각 설치되고, 지지대의 모양은 단면이 유선형이다. 지지대(4)는 지지기둥(1)을 따라 움직이는 원통형 슬리브(5)에 지지된다. 지지대(4)의 형상은 표면에 물살이 지날 때 물의 저항을 가능한한 줄이면서 후연부에서 난류가 최소화하도록 되어있다. 실제, 지지대(4)를 지나는 물살은 조류이어서 양방향이다. 이때문에, 지지대의 모양도 양방향 물살에 효과적이도록 양방향이다.
각각의 터빈유닛(3)의 로터(6)는 구동전달기구를 갖춘 회전전달시스템(7)의 일부를 이루는 로터축(도시 안됨)에 지지된다. 구동전달기구는 기본적으로 전기를 생산하기 위해 로터축의 동력을 전달하는 기구로서 기어박스/제너레이터, 직접구동 제너레이터 또는 유압모터를 통해 제너레이터를 구동하는 유압펌프로 구성된다.
슬리브(5)는 지지기둥(1)을 따라 선택적으로 움직일 수 있게 지지기둥의 상부구간(8)에 설치된다. 지지기둥의 상부구간(8) 역시 난류를 최소화하고 로터 평면에 수직인 물살 방향의 굽힘력에 대한 저항을 최대화하도록 타원형 형상의 유선형으로 되어있다.
도시된 실시예에서, 지지기둥의 상부구간(8)은 서로 마주보는 한쌍의 D형 단면 기둥부(9,10)로 이루어지고, 그 사이에는 지지대(4)의 본체가 삽입되는 틈새(11)가 형성된다.
슬리브(5), 지지대(4) 및 터빈유닛(3)을 조립하면 터빈조립체(2)가 형성된다. 지지기둥(1)의 상부구간(8)을 따라 슬리브(5)를 승강시키면 터빈조립체(2) 역시 기둥 상부구간을 따라 움직인다. 상부구간(8)의 길이는 조립체(2)가 도 1, 2와 같이 수면(WL) 밑에도 위치하고, 도 5, 6과 같이 유지관리 등의 목적으로 로터(6)가 정지한 상태에서 수면 위에도 위치할 정도의 길이를 갖는 것이 편리하다.
도 1, 2에서 터빈조립체(2)는 수면(WL))과 해저(SB)의 중간쯤에 로터(6)의 축이 위치한 것으로 도시되어 있다.
도 2의 B-B선 단면도인 도 4에서 알 수 있듯이, 지지기둥의 기단부인 하부구간(12)은 속이 찬 원형 단면을 갖는다. 하우징(13)은 기둥부(9,10)의 상단부에 설치된다.
이상의 실시예가 바람직한 예이기는 하지만 본 발명을 터빈에 적용하는데 있어서 필수적인 것은 아니다.
도 7은 본 발명의 개념을 구현하는 시스템의 일례를 보여주는 개략도로서, 특히 도 1-6에 도시된 설치물에 적용하는 방법을 보여준다.
도 7이 터빈이 2개인 구조물에 본 발명을 적용하는 개념을 보여주지만, 이 개념은 터빈이 하나 또는 2개 이상인 구조물에도 적용될 수 있다.
도 7에서 터빈 구조물의 로터(20)는 파단선으로 도시되었고, 로터의 회전방향은 화살표(21)로 나타내었다.
로터(20)는 타원형 캠드라이브(23)가 설치된 축을 회전시키도록 배열된다. 캠 드라이브(23)는 펌프(24)를 작동시킨다. 도시된 바와 같이, 펌프(24)는 4개의 실린더(25)를 구비한다. 이들 실린더(25)는 캠 드라이브(23) 둘레에 대칭으로 배치되고, 실린더의 종축선은 축(22)에 대해 방사상으로 배치된다.
피스톤(26)은 캠 드라이브의 일부인 롤러형 캠폴로워(27)에 의해 관련 실린더(25) 내부에서 왕복운동한다. 실제로는 각 실린더 내부에 복귀스프링(도시 안됨)이 배치될 수 있다. 도 7의 펌프 개념은 예를 든 것일 뿐이다. 실제로는 어떤 형태의 펌프라도 의도대로 사용할 수만 있으면 사용 가능하다. 다른 피스톤형 펌프 구성도 사용할 수 있다. 예컨대, 기어, 베인, 로브 형등의 저속 고압 펌프도 사용할 수 있다.
펌프(24)의 유입수는 링형 배관(28)을 통해 실린더(25) 안으로 들어간다. 이 물은 일방향밸브(29)를 통해 각각의 실린더(25) 안으로 들어간다. 즉, 각각의 실린더는 일방향밸브(29)를 갖는다.
링형 배관(28)의 형상은 사용되는 펌프의 형태에 맞게 다양하여 반드시 링 모양일 필요는 없고, 또 실린더(25)도 반드시 4개일 필요가 없다. 예컨대, 경우에 따라서는 인입점이 한군데로서 펌프도 하나이고 공급배관도 하나로 충분할 수 있다.
펌프에서 생긴 수압이 높을수록 실린더(25)로부터 일방향밸브(29)를 통해 고압 링 배관(31)으로 들어가는 물의 압력이 높아진다. 링 배관(31)은 액체류의 압력을 흡수할 수 있는 어큐뮬레이터(32)에 고압배관(33)을 통해 연결된다. 한편, 펌프로 공급될 물은 저압배관(34)을 통해 링형 배관(28)으로 보내진다.
도 7과 같은 멀티터빈 시스템에서, 다른 터빈 로터와 관련된 펌프(24A)에도 링형 배관(28A,31A)이 있고, 이들 배관은 전술한 배관(33,34)에 유압으로 연결된다. 요컨대, 이들 배관(34,33)은 모든 터빈에 공통으로 이용될 수 있다.
고압배관(33)은 펌프(24)에서 나온 고압수를 수력모터인 펠튼터빈(35)에 공급하고, 이 터빈은 고압의 물분사에 의해 고속 출력을 얻는데 효과적인 공지의 기구이다. 이 경우, 고압배관(33) 끝에 노즐(36)이 달려있어, 이 노즐을 통해 물을 고속으로 펠튼터빈(35)의 날개(37)에 분사한다. 많은 경우, 멀티제트 펠튼터빈(35)을 사용할 수 있지만, 도면에는 편의상 싱글제트만 도시하였다. 멀티제트의 장점은, 물공급이 제한될 경우 제트류를 적게 이용해도 더 좋은 부하효율을 얻을 수 있다는데 있다.
도 7은 또한 벨트전동기구(39)를 통해 발전기(38)를 구동하는 펠튼터빈(35)을 보여준다. 이 도면은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것으로서, 실제로 발전기(38)는 펠튼터빈(35)에 직결될 수도 있지만(즉, 발전기의 축이 터빈의 축에 직결됨), 본 실시예에서는 벨트전동기구를 사용한다.
유압 유체로 사용되는 물의 일부가 배관, 특히 펌프(24)에서 고압에서 배출될 수 있으므로, 펌프에는 물을 끊이지 않고 공급해야 한다. 실제로는, 양호한 허용오차와 완벽하지 않은 밀봉에도 펌프의 기계적 손실을 줄여 전체적인 시스템 효율을 개선하는 것이 바람직하다. 이렇게 되면 펌프 밀봉부의 교환 주기도 길어질 수 있다.
누설에 대비해, 보충수 공급관(40)을 탱크(41)에 연결하고, 도시된 바와 같이, 탱크(41)의 수위(42)가 항상 터빈(35)의 바로 밑에 있도록 탱크를 설치하여, 저압배관(34)의 수위가 떨어지면 탱크로부터 보충수가 일방향밸브(43)를 통해 저압배관(34)의 상단 부근의 배관으로 들어가도록 한다.
수위센서가 수위의 저하를 감지하면 탱크(41)에 물을 보충하는데; 이때 소형 공급펌프(45)가 작동하여 주변의 물을 여과장치(42)를 통해 흡입하여 보충수 공급배관(47)을 통해 탱크(41)로 펌핑한다. 탱크(41)의 수위가 일정 이상 높아지면, 공급펌프(45)가 정지한다. 대부분의 경우 공급펌프는 전기로 작동된다.

Claims (12)

  1. 수력 구동 터빈 로터에 사용되는 유압 동력전달장치에 있어서:
    저속 고압펌프(24,24A)가 터빈 로터(6,20)로부터 동력을 받아 고압의 출력을 고속 유압터빈(35)에 전달하고;
    상기 저속 고압펌프(24,24A)에 캠폴로워(27), 링 배관(31), 공급용 고압배관(33) 및 복귀용 저압배관(34)이 연결되어 밀폐배관을 이루며;
    상기 저속 고압펌프(24,24A)의 유체가 공급용 고압배관(33)을 통해 고속 유압터빈(35)에 공급되고, 이후 고속유압터빈(35)으로부터 복귀용 저압배관(34)을 통해 고압펌프(24,24A)로 복귀되는 것을 특징으로 하는 유압 동력전달장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유체가 물인 것을 특징으로 하는 유압 동력전달장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 로터(6,20)가 수중에 위치하고, 이때의 주변의 물을 상기 유체로 사용하는 것을 특징으로 하는 유압 동력전달장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 로터(6,20)가 위치하는 수중으로부터 보충수를 공급받는 것을 특징으로 하는 유압 동력전달장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 보충수로부터 부유물이나 오염물을 여과한 다음 탱크(41)에 저장하고, 이 탱크는 배관누설로 인한 물손실을 보충하는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 유압 동력전달장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 로터가 수중에서 작동되기 때문에 보충수 공급이 쉽고 물손실을 크게 허용할 수 있어서, 물을 누설없이 100% 보유해야만 하는 펌프보다 기계적 작동효율을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 유압 동력전달장치.
  7. 제6항에 있어서, 로터마다 각각 별도의 펌프(24,24A)에 연결되고, 펌프는 로터에 의해 구동되며, 물은 공통의 복귀용 저압배관(34)을 통해 저압 링 배관(28)과 일방향밸브(29)를 거쳐 펌프로 들어가고, 펌프에서 압력을 받은 고압의 물은 펌프를 나와 고압 링 배관(33)과 공통의 공급용 고압배관(33)을 통해 배출되어 발전기(38)를 작동시키는 것을 특징으로 하는 유압 동력전달장치.
  8. 제7항에 있어서, 어큐뮬레이터(32)가 공급용 고압배관(33)에 연결된 것을 특징으로 하는 유압 동력전달장치.
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